DE102006009021B4 - Halbleiterbauelement mit Elektrodenteil - Google Patents

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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

Halbleiterbauelement (10), das ein Halbleiterelement mit einer Elektrode (10a) auf einer Oberfläche aufweist, wobei das Bauelement ein Elektrodenteil (30) aufweist, bei welchem vorgesehen sind: eine isolierende keramische Halterung (31) mit mehreren Perforationen (31a), welche durch Hauptebenen hindurchgehen; und Metallpfeiler (32), die in den mehreren Perforationen (31a) angeordnet sind und aus Kupfer oder Aluminium bestehen, wobei jeweils ein Ende der mehreren Metallpfeiler mit der Elektrode durch eine Lotschicht an einer Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem einen Ende der Metallpfeiler verbunden ist und jeweils ein Ende von jedem der Metallpfeiler (32) auf einer Hauptebene der isolierenden keramischen Halterung (31) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Elektrodenteil und spezieller ein Halbleiterbauelement, das unter Betriebsbedingungen mit hohem Strom und hoher Spannung eingesetzt wird, das ein Elektrodenteil aufweist, das bei einem derartigen Halbleiterbauelement eingesetzt wird.
  • Seit einigen Jahren werden Leistungsmodule, die Bedingungen mit hohem Strom und hoher Spannung standhalten können, in Stromrichtern, beispielsweise Wechselrichtern/Wandlern verwendet, zum Antrieb von Motoren, die in Robotern, Werkzeugmaschinen, elektrischen Fahrzeugen und dergleichen vorhanden sind. Momentan bestehen derartige Leistungsmodule hauptsächlich aus Leistungshalbleiterelementen, beispielsweise Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) und Freilaufdioden (FWDs) (vgl. beispielsweise die japanische Veröffentlichung eines ungeprüften Patents Nr. 2004-6603 ).
  • 17 ist eine schematische Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines herkömmlichen Leistungsmoduls.
  • 17 zeigt, wie ein IGBT 100 in einem Leistungsmodul angebracht ist. Normalerweise sind eine Emitterelektrode und eine Gateelektrode (nachstehend bezeichnet als ”Emitterelektrode usw.”) an einer Seite des IGBT 100 vorhanden, und ist eine Kollektorelektrode an der anderen Seite des IGBT 100 vorgesehen. In 17 wird angenommen, dass der IGBT 100 mit der Emitterelektrode usw. so vorgesehen ist, dass diese oben liegt, und die Kollektorelektrode unten liegt. Wie in 17 gezeigt, ist beispielsweise die Emitterelektrode usw., die auf der oberen Seite des IGBT 100 vorgesehen ist, mit entsprechenden, äußeren Verbindungsklemmen (nicht gezeigt) durch Aluminiumdrähte 101 verbunden.
  • Andererseits ist die Kollektorelektrode, die an der Unterseite des IGBT 100 vorgesehen ist, auf einer Isolierplatte 102 auf einer Wärmeabstrahlbasis aus Kupfer (Cu) angeordnet (nicht gezeigt, und nachstehend bezeichnet als ”Kupferbasis”). Die Isolierplatte 102 ist eine Keramikplatte, die beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht, welches Wärme gut überträgt. Kupferfolien 102a und 102b sind an beiden Seiten der isolierenden Platte 102 angebracht. Die Kupferfolie 102a, die an der Oberseite der Isolierplatte 102 angebracht ist, ist mit der Kollektorelektrode verlötet, und die Kupferfolie 102b, die an der Unterseite der Isolierplatte 102 angebracht ist, ist mit der Kupferbasis verlotet. Durch Einsatz einer derartigen Anordnung kann eine elektrische Verbindung zwischen dem IGBT 100 und der Außenseite sichergestellt werden, kann eine Isolierung zwischen dem IGBT 100 und einem Wärmeabstrahlsystem sichergestellt werden, und kann die zur Zeit des Betriebs erzeugte Wärme an die Kupferbasis über die Isolierplatte 102 übertragen werden.
  • Bei dem voranstehend geschilderten, herkömmlichen Anbringungsverfahren kann Wärme von der Unterseite des IGBT 100 über die Isolierplatte 102 und die Kupferbasis abgestrahlt werden. Allerdings sind nur die dünnen Aluminiumdrähte 101 mit einem Durchmesser von beispielsweise etwa 300 bis 400 μm an die Oberseite des IGBT 100 angeschlossen. Darüber hinaus erzeugen die Aluminiumdrähte 101 Wärme, da sie einen elektrischen Strom führen. Daher lässt sich kaum erwarten, dass Wärme von der Oberseite des IGBT 100 abgestrahlt wird. Weiterhin kann Wärme, die von den Aluminiumdrähten 101 erzeugt wird, die Eigenschaften des Bauelements beeintrachtigen. Es ist möglich, Kupferdrähte, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, anstelle der Aluminiumdrähte 101 einzusetzen. Normalerweise wird jedoch eine bestimmte Anzahl an Drähten entsprechend der Stromkapazität mittels Ultraschall mit der Oberfläche des IGBT 100 verbunden. Daher ist es wünschenswert, dass Kupferdrähte, deren Härte größer ist als jene der Aluminiumdrähte 101, nicht eingesetzt werden sollten, um nicht die Oberfläche des Bauelements zu beschädigen.
  • 18 ist eine schematische Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines anderen, herkömmlichen Leistungsmoduls. Gleiche Bauteile in 18 wie jene in 17 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit wird auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet.
  • Um die Probleme zu vermeiden, die bei Verwendung von Aluminiumdraht auftreten, wurde bislang ein Versuch unternommen, wie er in 18 gezeigt ist. In 18 ist eine Kupferelektrode 103 mit einer Oberseite eines IGBT 100 verlötet, an welcher eine Emitterelektrode usw. vorgesehen sind. Eine externe Verbindungsklemme 104, die aus dem Leistungsmodul herausgezogen ist, ist mit der Kupferelektrode 103 verbunden. Hierdurch wird die elektrische Verbindung zwischen dem IGBT 100 und der Außenseite sichergestellt, und kann auch Wärme von der Oberseite des IGBT 100 über die Kupferelektrode 103 abgestrahlt werden.
  • Das gleiche gilt für jenen Fall, in welchem eine FWD in einem Leistungsmodul vorgesehen ist. So ist beispielsweise eine Anodenelektrode auf der Oberseite der FWD vorgesehen, und eine Kathodenelektrode an der Unterseite der FWD. Aluminiumdrähte sind mittels Ultraschall mit der Oberseite der FWD verbunden, oder es ist eine Kupferelektrode an die Oberseite der FWD angelötet. Die Unterseite der FWD ist auf eine Kupferfolie gelötet, die an einer Isolierplatte auf einer Kupferbasis angebracht ist.
  • Das Wärmeausdehnungsvermögen von Silizium (Si), dem Hauptbestandteil des IGBT oder der FWD, beträgt jedoch etwa 2,6 ppm/°C. Andererseits ist das Wärmeausdehnungsvermögen von Kupfer etwa gleich 17 ppm/°C und höher als jenes von Silizium. Wenn daher eine Kupferelektrode auf die Oberseite des IGBT oder der FWD auf die voranstehend geschilderte Art und Weise gelötet wird, anstelle von Aluminiumdrähten, unter Berücksichtigung der Wärmeabstrahlung, unterliegt eine gelötete Grenzfläche Wärmebeanspruchungen zum Zeitpunkt von Wärmezyklen oder Leistungszyklen, infolge des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsvermögens zwischen diesen Bestandteilen. Durch diese Wärmebeanspruchungen werden Verzerrungen hervorgerufen. Dies kann dazu führen, dass ein Spalt auftritt, und die angestrebte Lebensdauer des Leistungsmoduls nicht erreicht wird.
  • Ein Spalt kann auch unter dem IGBT oder der FWD auftreten. Das Wärmeausdehnungsvermögen der Isolierplatte, die aus Aluminiumoxid besteht, und an deren Oberfläche die Kupferfolie angebracht ist, beträgt etwa 7 ppm/°C. Diese Isolierplatte ist mit der Kupferbasis verlötet, deren Wärmeausdehnungsvermögen hoch ist. Daher unterliegt eine verlötete Grenzfläche Wärmebeanspruchungen, infolge des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsvermögens. Durch diese Wärmebeanspruchungen werden Verzerrungen hervorgerufen, und kann ein Spalt auftreten. Es ist bekannt, dass dann, wenn hier Warmezyklen auftreten, beispielsweise zwischen –40 und +125°C, ein Spalt infolge von Verzerrungen an der gelöteten Grenzfläche zwischen der Isolierplatte und der Kupferbasis nach etwa 500 Zyklen auftreten kann.
  • Der Grund für die Verwendung von Kupfer als Material für Wärmeabstrahlbasen in Leistungsmodulen besteht darin, dass Kupfer eine gute Wärmeleitfahigkeit (etwa 350 W/(m·K)) aufweist. Um das Auftreten derartiger Spalte zu verhindern, wurde jedoch ein Material wie etwa Kupfermolybdän (CuMo) oder Aluminiumsiliziumcarbid (AlSiC) anstelle von Kupfer eingesetzt, mit einem Wärmeausdehnungsvermögen in der Nähe von 7 ppm/°C. Das Wärmeausdehnungsvermögen dieser Materialien ist niedriger als jenes von Kupfer, jedoch ist deren Wärmeleitfähigkeit niedrig (etwa 150 W/(m·K)). Diese Eigenschaft ist bei neueren IGBTs und FWDs mit geringen Verlusten nachteilig. Darüber hinaus sind die Kosten zur Herstellung von Wärmeabstrahlbasen unter Verwendung dieser Materialien etwa 20-mal höher als die Herstellungskosten für Kupferbasen.
  • In der EP 0 896 367 A2 wird ein Halbleiterbauelement beschrieben, das ein Halbleiterelement mit einer Elektrode auf einer Oberfläche aufweist. Das Halbleiterbauelement weist ferner ein Elektrodenteil mit einer isolierenden Halterung mit mehreren Perforationen auf.
  • Aus der JP 2003-234447 A ist ein Halbleiterbauelement mit einem Elektrodenteil, das eine Leiterschicht aufweist, bekannt. Zwischen einer Elektrode und einem Halbleiterelement ist eine Belastungsausgleichschicht aus einem fotopolymerischen Harz oder dergleichen vorgesehen, um Temperaturbelastungen an einer Lotschicht aufgrund eines unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen einem Halbleiterelement und der Elektrode auszugleichen.
  • Die US 5 468 681 A beschreibt ein Halbleiterbauelement, bei dem in Durchgangslöchern einer nicht leitenden Zwischenschicht ein leitfähiges Kunststoffmaterial eingebracht ist, so dass es beidseitig aus den Durchgangslöchern herausragt.
  • Aus der US 2004/0 038 496 A1 ist eine anisotrope leitende Schicht zum mechanischen und elektrischen Verbinden von zwei Schaltkreise aufweisenden Strukturen, wie z. B. einem Chip, bekannt. Die anisotrope leitfähige Schicht ist aus einem festen isolierenden Grundkörper oder einer Membran mit einer Mehrzahl von Anschlussstiften, die durch den Grundköper hindurch ragen, gebildet.
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter den voranstehend geschilderten Umständen entwickelt. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Halbleiterbauelements mit hoher Verlässlichkeit, bei welchem Wärme, die im Inneren erzeugt wird, wirksam abgestrahlt wird, und Wärmebeanspruchungen auf einer inneren Grenzfläche zwischen Teilen, die verbunden sind, verringert sind.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Elektrodenteils, welches wirksam Wärme abstrahlen kann, die in einem Halbleiterbauelement erzeugt wird, und welches Wärmebeanspruchungen auf einer inneren Grenzfläche zwischen verbundenen Teilen verringern kann.
  • Um das voranstehend geschilderte, erste Ziel zu erreichen, wird ein Halbleiterbauelement zur Verfügung gestellt, das ein Halbleiterelement mit einer Elektrode auf einer Oberfläche aufweist. Dieses Halbleiterbauelement weist ein Elektrodenteil auf, das eine Isolierhalterung aufweist, mit mehreren Perforationen, die durch Hauptebenen hindurchgehen, und Metallpfeilern, die in den mehreren Perforationen angeordnet sind, und mit der Elektrode verbunden sind.
  • Um das voranstehend geschilderte, zweite Ziel zu erreichen, wird ein Elektrodenteil zur Verfügung gestellt, das mit einer Elektrode eines Halbleiterbauelements verbunden ist. Dieses Elektrodenteil weist eine Isolierhalterung mit mehreren Perforationen auf, die durch Hauptebenen hindurchgehen, und Metallpfeilern, die in den mehreren Perforationen angeordnet sind.
  • Um das voranstehend geschilderte, zweite Ziel zu erreichen, wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenteils zur Verfügung gestellt, das mit einer Elektrode eines Halbleiterbauelements verbunden ist. Dieses Elektrodenteil-Herstellungsverfahren umfasst den Schritt, Metallpfeiler in mehreren Perforationen auszubilden, die durch Hauptebenen einer Isolierhalterung hindurchgehen, durch Tränken der Isolierhalterung mit Metall.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines Leistungsmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Aufsicht auf ein wesentliches Teil eines Beispiels für eine IGBT, der in dem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 3A und 3B schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 3A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist, und 3B eine Schnittansicht entlang der Linie a-a von 3A ist;
  • 4 eine schematische Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines weiteren Beispiels für das Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Darstellung zur Erläuterung eines Warmeabstrahleffekts;
  • 6A und 6B schematische Ansichten eines Leistungsmoduls, welches das Elektrodenteil gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei 6A eine Aufsicht auf das Leistungsmodul ist, und 6B eine Schnittansicht entlang der Linie b-b von 6A ist;
  • 7A und 7B schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer zweiten Ausführungsform, die nicht die Erfindung zeigt, wobei 7A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist, und 7B eine Schnittansicht entlang der Linie c-c von 7A ist;
  • 8A und 8B schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 8A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist, und 8B eine Schnittansicht entlang der Linie d-d von 8A;
  • 9A und 9B schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 9A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist, und 9B eine Schnittansicht entlang der Linie e-e von 9A;
  • 10A und 10B schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 10A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist, und 10B eine Schnittansicht entlang der Linie f-f von 10A;
  • 11 ein Beispiel, wie ein Element an dem Elektrodenteil gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht ist;
  • 12A und 12B schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 12A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist, und 12B eine Schnittansicht entlang der Linie g-g von 12A ist;
  • 13 ein Beispiel, wie ein Element auf dem Elektrodenteil gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht ist;
  • 14A und 14B schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 14A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist, und 14B eine Schnittansicht entlang der Linie h-h von 14A ist;
  • 15 ein Beispiel, wie ein Element auf dem Elektrodenteil gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht ist;
  • 16A und 16B schematische Ansichten eines Elektrodenteils mit einem Kühlmechanismus, wobei 16A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist, und 16B eine Schnittansicht entlang der Linie i-i von 16A ist;
  • 17 eine schematische Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines herkömmlichen Leistungsmoduls; und
  • 18 eine schematische Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines anderen, herkömmlichen Leistungsmoduls.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die beispielsweise bei einem Leistungsmodul eingesetzt werden, welches einen IGBT und eine FWD aufweist, werden nunmehr im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Zuerst wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschildert.
  • 1 ist eine schematische Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines Leistungsmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine schematische Aufsicht auf ein wesentliches Teil eines Beispiels für einen IGBT, der in dem Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 3A und 3B sind schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3A ist eine Aufsicht auf das Elektrodenteil. 3B ist eine Schnittansicht entlang der Linie a-a von 3A.
  • Eine Emitterelektrode 10a und eine Gateelektrode 10b sind auf einer Seite eines IGBT 10 vorgesehen, der in 2 gezeigt ist. Eine Kollektorelektrode ist auf der anderen Seite (nicht gezeigt) des IGBT vorgesehen. Wie in 1 gezeigt, ist bei einem Leistungsmodul, welches beispielsweise den IGBT 10 aufweist, die Kollektorelektrode auf eine Isolierplatte 20 gelotet, und die Emitterelektrode 10a auf ein Elektrodenteil 30 geltet.
  • Die Isolierplatte 20 besteht aus einem Keramikmaterial, wie beispielsweise Aluminiumoxid, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Kupferfolien 21 und 22, die als Leitermuster und dergleichen dienen, sind an den Oberflächen der Isolierplatte 20 angebracht. Die Kupferfolie 21, die an der Oberseite der Isolierplatte 20 angebracht ist, und die Kollektorelektrode, die auf dem IGBT 10 vorgesehen ist, sind miteinander verlötet. Die Kupferfolie 22, die an der Unterseite der Isolierplatte 20 angebracht ist, und eine Kupferbasis (nicht gezeigt) unterhalb der Kupferfolie 22, die als Wärmeabstrahlbasis dient, sind miteinander verlötet. Wenn das Leistungsmodul hergestellt wird, wird die Isolierplatte 20 dazu verwendet, eine Durchschlagsfestigkeit von 5000 Volt oder mehr zwischen jener Seite, an welcher der IGBT 10 angebracht ist, und der Kupferbasisseite zu erzielen.
  • Wie in 3 gezeigt, weist das Elektrodenteil 30 eine Halterung 31 auf, die aus einem Keramikmaterial besteht, beispielsweise Aluminiumoxid oder Cordierit, und in welcher mehrere Perforationen 31a, die durch Hauptebenen hindurchgehen, in Form eines Arrays vorgesehen sind, und Kupferpfeiler 32, die durch Einbetten von Kupfer in die mehreren Perforationen 31a hergestellt sind. Wie in 1 gezeigt, ist ein Ende jedes Kupferpfeilers 32, der in dem Elektrodenteil 30 vorgesehen ist, auf die Emitterelektrode 10a des IGBT 10 gelötet, und ist das andere Ende jedes Kupferpfeilers 32, der in dem Elektrodenteil 30 vorgesehen ist, auf eine externe Verbindungsklemme und eine Kupferelektrode gelötet (nachstehend einfach als die ”Kupferelektrode” bezeichnet) 40.
  • Durch Verbinden des Elektrodenteils 30 mit der Emitterelektrode 10a beispielsweise des IGBT 10 kann in dem IGBT 10 erzeugte Wärme wirksam abgestrahlt werden, und kann eine Verzerrung an einer Grenzfläche zwischen dem IGBT 10 und dem Elektrodenteil 30 verringert werden, die durch das unterschiedliche Wärmeausdehnungsvermögen zwischen dem Elektrodenteil 30 und dem IGBT 10 hervorgerufen wird. Der Grund hierfür ist folgender:
    Kupfer (Kupferpfeiler 32), das in dem Elektrodenteil 30 vorhanden ist, und ein hohes Warmeleitvermögen aufweist, ist mit der Emitterelektrode 10a des IGBT 10 verbunden, so dass die Wärmeabstrahlung durch die Kupferpfeiler 32 gefördert wird. Dies ist der Grund dafür, dass in dem IGBT 10 erzeugte Wärme wirksam abgestrahlt werden kann. Das Wärmeausdehnungsvermögen von Aluminiumoxid, das ein Keramikmaterial darstellt, beträgt etwa 7 bis 8 ppm/°C. Insbesondere betragt das Wärmeausdehnungsvermögen von Cordierit, das ein Keramikmaterial ist, etwa 0,5 bis 3 ppm/°C. Daher ist das Wärmeausdehnungsvermögen des Keramikmaterials, aus welchem die Halterung 31 besteht, geringer als jenes von Kupfer (etwa 16,5 bis 18 ppm/°C), aus welchem die Kupferpfeiler 32 bestehen. Wenn sich das Elektrodenteil 30 durch Wärmeeinwirkung durch die in dem IGBT 10 erzeugte Wärme ausdehnt, schränkt die Halterung 31 die Wärmeausdehnung der Kupferpfeiler 32 ein, und wird die Wärmeausdehnung des Elektrodenteils 30 unterdrückt. Dies führt dazu, dass die Differenz bezüglich des Wärmeausdehnungsvermögens zwischen dem IGBT 10 und dem Elektrodenteil 30 an einer Grenzfläche verringert werden kann, an welcher diese Teile verbunden sind. Dies ist der Grund dafür, dass eine Verzerrung an der Grenzfläche zwischen dem IGBT 10 und dem Elektrodenteil 30 verringert werden kann.
  • Das Elektrodenteil 30 mit dem voranstehend geschilderten Aufbau wird beispielsweise durch folgende Verfahren hergestellt. Ein erstes Verfahren ist folgendes. Zuerst wird Keramikpulver zu einem Formkörper ausgeformt, der eine vorbestimmte Anzahl an Perforationen 31a an vorbestimmten Orten aufweist, durch eine Presse. Die Halterung 31 wird durch Brennen des Formkörpers auf hoher Temperatur hergestellt. Die Halterung 31 wird dann mit geschmolzenem Kupfer getränkt, so dass das geschmolzene Kupfer in die Perforationen 31a eindringt. Das Kupfer, das in die Perforationen 31a eingedrungen ist, wird dann hart. Kupfer, das auf der Oberfläche verbleibt, wird beispielsweise durch Polieren entfernt, falls dies erforderlich ist. Hierdurch wird das Elektrodenteil 30 ausgebildet, welches die Kupferpfeiler 32 aufweist. Ein zweites Verfahren ist folgendes. Die Halterung 31, welche die Perforationen 31a aufweist, wird auf die gleiche Art und Weise hergestellt. Dann werden Metallpfeiler hergestellt, die aus Kupfer bestehen, und die in die Perforationen 31a eingeführt werden können. Die Metallpfeiler werden in die Perforationen 31a der Halterung 31 eingeführt. Die Metallpfeiler werden mit der Halterung 31 beispielsweise dadurch vereinigt, dass die Metallpfeiler an der Halterung 31 befestigt werden, oder die Metallpfeiler in der Halterung 31 befestigt werden. Hierdurch wird das Elektrodenteil 30 ausgebildet, welches die Kupferpfeiler 32 aufweist.
  • Durch Anordnen des voranstehend geschilderten Elektrodenteils 30 zwischen dem IGBT 10 und der Kupferelektrode 40 sind der IGBT 10 und die Kupferelektrode 40 nicht nur thermisch verbunden, sondern auch elektrisch verbunden, durch eine Lotschicht (nicht gezeigt) an der Grenzfläche zwischen den Kupferpfeilern 32 und der Emitterelektrode 10a und eine Lotschicht (nicht gezeigt) an einer Grenzfläche zwischen den Kupferpfeilern 32 und der Kupferelektrode 40.
  • Vergleicht man den Fall, bei welchem das Elektrodenteil 30, in welchem die Kupferpfeiler 32 auf die voranstehend geschilderte Art und Weise vorgesehen sind, und der IGBT 10 verbunden sind, und jenen Fall, in welchem die Kupferelektrode 10 auf der gesamten Oberfläche, auf welcher Kupfer freiliegt, und der IGBT 10 verbunden sind, so ist die Verbindungsfläche der beiden Substanzen, deren Wärmeausdehnungsvermögen sich unterscheidet, im erstgenannten Fall kleiner als im letztgenannten Fall. Im ersten Fall sind daher Wärmebeanspruchungen auf der Lotschicht an der Grenzfläche gering, die zum Zeitpunkt einer Wärmeerzeugung hervorgerufen werden, infolge des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsvermögens. Weiterhin führt die Lotschicht an der Grenzfläche zwischen dem IGBT 10 und dem Elektrodenteil 30 nicht nur dazu, dass diese Teile elektrisch und wärmeleitend verbunden sind, sondern verringert auch derartige Wärmebeanspruchungen. Weiterhin dient das Elektrodenteil 30 zusammen mit der Kupferelektrode 40 als Kühlkörper, so dass Wärme wirksam von der Oberseite des IGBT 10 abgestrahlt werden kann. Dies führt dazu, dass kaum eine Verzerrung an der geloteten Grenzfläche auftritt, und dass die Wärmezyklusbeständigkeit und die Leistungszyklusbeständigkeit verbessert werden können.
  • Wie voranstehend geschildert, kann durch Löten des Elektrodenteils 30 zwischen dem IGBT 10 und der Kupferelektrode 40 eine Verzerrung an der gelöteten Grenzfläche zwischen dem IGBT 10 und dem Elektrodenteil 30 verringert werden, und kann in dem IGBT 10 erzeugte Wärme wirksam abgestrahlt werden. Hierdurch wird signifikant das Auftreten eines Spaltes an der gelöteten Grenzfläche unterdrückt.
  • 4 ist eine schematische Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines weiteren Beispiels für das Leistungsmodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bei dieser ersten Ausführungsform ist eine Kupferelektrode 40 mit einem Elektrodenteil 30 verbunden. In diesem Fall wird die Kupferelektrode 40 als externe Verbindungsklemme verwendet, wie in 1 gezeigt. Wie aus 7 hervorgeht, kann die Kupferelektrode 40 auch als Leiter zum Verbinden des Elektrodenteils 30 mit einer zweiten Kupferfolie 21 auf einer Isolierplatte 20 eingesetzt werden.
  • Eine Gateelektrode 10b (nicht gezeigt), die auf einem IGBT 10 vorgesehen ist, ist beispielsweise mittels Drahtbonden angeschlossen. Bei den in den 1 und 4 gezeigten Beispielen weist das Elektrodenteil 30 annähernd die gleiche Größe auf wie die Emitterelektrode 10a. Allerdings kann die Größe des Elektrodenteils 30 gleich jener eines Chips des IGBT 10 sein, und kann auch das Elektrodenteil 30 auf die Gateelektrode 10b aufgelötet sein. In diesem Fall werden Kupferpfeiler 32, die mit der Gateelektrode 10b verbunden sind, als ein Verbindungsleiter für die Gateelektrode 10b behandelt, und sollten die Kupferpfeiler 32 beispielsweise durch Drahtbonden oder unter Verwendung der Kupferelektrode 40 angeschlossen werden.
  • 5 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Wärmeabstrahleffekts.
  • 5 zeigt die Temperaturverteilung, die durch Hindurchleiten eines konstanten Stroms von 50 Adc (Gleichspannung) in jenen Fällen erhalten wird, in welchen die Emitterelektrode 10a des IGBT 10 nach außen durch Drahtbonden angeschlossen ist, und die externe Verbindung unter Einsatz eines Leiterrahmenaufbaus erfolgt, welcher das Elektrodenteil 30 und die Kupferelektrode 40 enthält. In 5 ist auf der Horizontalachse die Entfernung (mm) in Richtung der Tiefe des Leistungsmoduls (Richtung von dem IGBT 10 bis zur Isolierplatte 20) aufgetragen, von einem Bezugspunkt für die Temperaturmessung in jedem Fall. Auf der Vertikalachse ist die Temperatur (°C) aufgetragen. TWB gibt die Temperatur an, die in dem Fall erreicht wird, in welchem Drahtbonden eingesetzt wird, TLF gibt die Temperatur an, die in dem Fall erreicht wird, in welchem ein Leiterrahmenaufbau verwendet wird, und TJ gibt die Temperatur an einem Ort an, an welchem ein Draht oder das Elektrodenteil 30 mit dem IGBT 10 verbunden ist.
  • Wie aus 5 hervorgeht, beträgt, wenn Drahtbonden eingesetzt wird, TJ 177,5°C, mit der Oberfläche des Drahtes als Bezugspunkt für die Temperaturmessung (0 mm). Andererseits beträgt der Maximalwert von TWB 210,0°C, und ist höher als TJ. Die Temperatur steigt zuerst von dem Bezugspunkt in Richtung der Tiefe des Leistungsmoduls an, und sinkt dann mit zunehmender Tiefe ab. Dies zeigt, dass Wärme nicht ordnungsgemäß vom Inneren aus abgestrahlt wird, und deutet an, dass Wärme von dem Draht selbst geliefert wird.
  • Wenn ein Leiterrahmenaufbau verwendet wird, beträgt TJ 150,0°C, mit der Oberfläche der Kupferelektrode 40 relativ nahe am Elektrodenteil 30 als Bezugspunkt für die Temperaturmessung (0 mm). Andererseits beträgt der Maximalwert von TLF 152,4°C, und ist TLF niedriger als Tj in jeder Tiefe einschließlich des Bereiches des Elektrodenteils 320. Darüber hinaus kann im Vergleich zu jenem Fall, in welchem Drahtbonden verwendet wird, die Temperatur insgesamt signifikant verringert werden. Daher lässt sich sicher sagen, dass das Elektrodenteil 30 und die Kupferelektrode 40 als gute Leiter für Wärme wirken, die im Inneren erzeugt wird.
  • Die voranstehende Beschreibung erfolgte anhand des IGBT 10 als Beispiel. Falls eine FWD vorgesehen ist, ist eine Kathodenelektrode der FWD beispielsweise auf die Kupferfolie 21 auf der Isolierplatte 20 gelötet, und ist eine Anodenelektrode der FWD auf das Elektrodenteil 30 gelötet. Hierdurch wird der gleiche Aufbau wie jener erzielt, der voranstehend beschrieben wurde, und können die gleichen Auswirkungen wie voranstehend geschildert erreicht werden.
  • Bei den voranstehenden Beispielen befindet sich das Elektrodenteil 30 nur auf der Emitterelektrode 10a oder der Anodenelektrode, die auf der Oberseite des IGBT 10 oder der FWD vorgesehen ist. Allerdings kann das Elektrodenteil 30 auch zwischen der Kollektorelektrode oder Kathodenelektrode, die auf der Unterseite des IGBT 10 oder der FWD vorgesehen ist, und der Kupferfolie 21 angeordnet sein, die an der Oberseite der Isolierplatte 20 angebracht ist, oder zwischen der Kupferfolie 22, die an der Unterseite der Isolierplatte 20 angebracht ist, und der Kupferbasis.
  • Die 6A und 6B sind schematische Ansichten eines Leistungsmoduls, welches das Elektrodenteil gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einsetzt. 6A ist eine Aufsicht auf das Leistungsmodul. 6B ist eine Schnittansicht entlang der Linie b-b von 6A.
  • Bei einem in 6 gezeigten Leistungsmodul sind ein IGBT 10 und eine Kupferelektrode 40 durch ein Elektrodenteil 30 verbunden, und sind eine FWD 50 und die Kupferelektrode 40 durch ein Elektrodenteil 30 verbunden. Dies ist ebenso wie bei den voranstehenden Beispielen. Weiterhin sind der IGBT 10 und eine Kupferfolie 21 durch ein Elektrodenteil 30 verbunden, sind die FWD 50 und die Kupferfolie 21 durch ein Elektrodenteil 30 verbunden, sind die Kupferelektrode 40 und die Kupferfolie 21 durch ein Elektrodenteil 30 verbunden, sind eine Kupferelektrode 41 und die Kupferfolie 21 durch das Elektrodenteil 30 verbunden, und sind eine Kupferelektrode 42 und die Kupferfolie 21 durch das Elektrodenteil 30 verbunden. Eine Kupferfolie 22 und eine Kupferbasis 60 sind ebenfalls durch ein Elektrodenteil 30 verbunden. Durch Einsatz einer derartigen Anordnung können die gleichen Auswirkungen wie voranstehend geschildert erzielt werden. Daher kann Wärme, die in den IGBT 10 und der FWD 50 erzeugt wird, wirksam an die Kupferbasis 60 übertragen werden. Weiterhin werden, im Vergleich zu jenem Fall, in welchem die Elektrodenteile 30 nicht eingesetzt werden, thermische Beanspruchungen auf jeder gelöteten Grenzfläche entlastet, werden Verzerrungen verringert, und wird das Auftreten eines Spaltes unterdrückt.
  • Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 7A und 7B sind schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer zweiten, nicht die Erfindung zeigenden Ausführungsform. 7A ist eine Aufsicht auf das Elektrodenteil. 7B ist eine Schnittansicht entlang der Linie c-c von 7A. Gleiche Bauteile in den 7A und 7B wie jene, die in den 3A und 3B gezeigt sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit wird auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.
  • Wie aus 7B hervorgeht, unterscheidet sich ein Elektrodenteil 30a gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem Elektrodenteil 30 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Hinsicht, dass eine Kupferschicht 33, die eine Leiterschicht darstellt, an einer Seite einer Halterung 31 vorgesehen ist.
  • Die Elektrodenschicht 30a mit dem voranstehend geschilderten Aufbau kann beispielsweise so hergestellt werden, dass die Kupferschicht 33 auf einer Seite der Halterung 31 vorgesehen wird, in welche Perforationen 31a eingeschnitten sind, und die Perforationen 31a mit Kupfer gefüllt werden, mittels Durchführung einer Elektroplattierung mit der Kupferschicht 33 als Ausgangsmaterial. Die Kupferschicht 33, die als Ausgangsmaterial verwendet wird, kann beispielsweise durch Anbringen einer Kupferfolie an einer Seite der Halterung 31 hergestellt werden, oder durch stromloses Plattieren. Das Elektrodenteil 30a kann dadurch hergestellt werden, dass die Halterung 31 mit geschmolzenen Kupfer getränkt wird, und Kupfer nur an der anderen Seite (entgegengesetzt zu jener Seite, an welcher die Kupferschicht 33 übrig bleiben soll) der Halterung 31 entfernt wird, beispielsweise durch Polieren, bis die Halterung 31 freiliegt. Dieses Verfahren ist das gleiche wie jenes, das zur Herstellung des Elektrodenteils 30 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wurde.
  • Durch Einsatz der Elektrodenteile 30a gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Leistungsmodul kann jedes Element, beispielsweise ein IGBT oder eine FWD, und eine Kupferelektrode elektrisch und thermisch verbunden werden. Weiterhin können jedes Element und eine Kupferfolie, die an der Oberseite einer Isolierplatte angebracht ist, elektrisch und thermisch verbunden werden. Weiterhin können eine Kupferfolie, die an der Unterseite der Isolierplatte angebracht ist, und eine Kupferbasis elektrisch und thermisch verbunden werden. Darüber hinaus wird eine Verzerrung an jeder gelöteten Grenzfläche zwischen Teilen verringert, und wird das Auftreten von Spalten unterdrückt. Dies ist ebenso wie bei dem Elektrodenteil 30 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Durch Anordnen des Elektrodenteils 30a zwischen einem IGBT oder einer FWD und einer Kupferelektrode, wobei die Kupferschicht 33 der Kupferelektrode gegenüberliegt, oder durch Anordnen des Elektrodenteils 30a zwischen einem IGBT oder einer FWD und einer Isolierplatte, wobei die Kupferschicht 33 der Isolierplatte beispielsweise gegenüberliegt, können dieselben Auswirkungen erzielt werden, wie sie bei dem Elektrodenteil 30 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erreicht werden, und kann eine elektrische Verbindung des Elektrodenteils 30a in zwei Dimensionen durch die Kupferschicht 33 sichergestellt werden. Daher ist das Elektrodenteil 30a gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet für einen Ort, an dem nicht nur ein vertikaler Durchgang erforderlich ist, sondern auch ein horizontaler Durchgang.
  • Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Die 8A und 8B sind schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8A ist eine Aufsicht auf das Elektrodenteil. 8B ist eine Schnittansicht entlang der Linie d-d von 8A. Gleiche Bauteile in den 8A und 8B wie jene, die in den 3A und 3B gezeigt sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit wird auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet.
  • Wie in 8B gezeigt, unterscheidet sich ein Elektrodenteil 30b gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem Elektrodenteil 30 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Hinsicht, dass beide Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber beiden Seiten einer Halterung 31 vorstehen.
  • Das Elektrodenteil 30b mit dem voranstehend geschilderten Aufbau kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass die Kupferpfeiler 32 in Perforationen 31a ausgebildet werden, die in die Halterung 31 eingeschnitten sind, die aus einem Keramikmaterial besteht, und dann die Halterung 31 von der Oberfläche aus durch chemisches Ätzen geätzt wird. So kann beispielsweise Flusssaure, die selektiv eine Keramik gegenüber Metall ätzen kann, als Ätzmittel für eine derartige chemische Ätzung eingesetzt werden.
  • Durch Einsatz der Elektrodenteile 30b gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Leistungsmodul können Teile, zwischen denen das Elektrodenteil 30b angeordnet ist, elektrisch und thermisch verbunden werden. Darüber hinaus werden Verzerrungen an jeder gelöteten Grenzfläche zwischen Teilen verringert, und wird das Auftauchen von Spalten unterdrückt. Dies ist ebenso wie bei dem Elektrodenteil 30 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus kann die Dicke einer Lotschicht, welche Wärmebelastungen abbauen kann, die entstehen, wenn Wärme in einem Element erzeugt wird, bis zu der Länge von Vorsprüngen der Kupferpfeiler 32 gegenüber der Halterung 31 vergrößert werden, so dass noch besser das Auftreten eines Spalts an jeder gelöteten Grenzfläche unterdrückt werden kann.
  • Beim vorliegenden Beispiel stehen Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber beiden Seiten der Halterung 31 vor. Allerdings kann das Elektrodenteil 30b einen derartigen Aufbau aufweisen, bei dem nur ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber einer Seite der Halterung 31 vorsteht.
  • Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Die 9A und 9B schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 9A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist. 9B eine Schnittansicht entlang der Linie e-e von 9A. Gleiche Bauteile in den 9A und 9B wie jene, die in den 3A und 3B gezeigt sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit erfolgt keine detaillierte Beschreibung.
  • Wie in 9B gezeigt ist, unterscheidet sich ein Elektrodenteil 30c gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem Elektrodenteil 30 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Hinsicht, dass Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber beiden Seiten einer Halterung 31 vorstehen, und die obere Hälfte und die untere Hälfte jedes Kupferpfeilers 32 im Inneren gegeneinander isoliert sind.
  • Das Elektrodenteil 30c mit dem voranstehend geschilderten Aufbau wird beispielsweise durch eines der nachstehend geschilderten, zwei Verfahren hergestellt. Ein erstes Verfahren verläuft folgendermaßen. Die Kupferpfeiler 32 werden zuerst in Perforationen 31a hergestellt, die in die Halterung 31 eingeschnitten sind. Die Halterung 31 wird selektiv von einer Seite aus geätzt, wobei beispielsweise Flusssäure verwendet wird, so dass ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber dieser Seite der Halterung 31 vorsteht. Ein zweiter Gegenstand, der den gleichen Aufbau wie voranstehend geschildert aufweist, wird auf die gleiche Art und Weise wie voranstehend geschildert hergestellt. Auch bei dem zweiten Gegenstand steht daher nur ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber einer Seite einer Halterung 31 vor. Diese beiden Gegenstände werden dann beispielsweise aneinander befestigt durch eine Isolierplatte 34, die zwischen den anderen Seiten der Halterungen 31 angeordnet ist, an welchen jeweils der andere Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 nicht vorsteht. Hierdurch kann das Elektrodenteil 30c hergestellt werden, das in den 9A und 9B dargestellt ist.
  • Ein zweites Verfahren verläuft folgendermaßen. Löcher, die nicht durch die Halterung 31 hindurchgehen, werden in beiden Hauptebenen der Halterung 31 hergestellt. Die Kupferpfeiler 32 werden in den Löchern ausgebildet. Hierdurch kann das Elektrodenteil 30c, in welchem die Kupferpfeiler 32, die in einer Seite der Halterung 31 vorgesehen sind, im Inneren gegenüber den Kupferpfeilern 32 isoliert sind, die in der anderen Seite der Halterung 31 vorgesehen sind, mit der einen Halterung 31 vereinigt hergestellt werden. Hierdurch wird das Erfordernis ausgeschaltet, beispielsweise die beiden Gegenstände aneinander so zu befestigen, dass die Isolierplatte 34 dazwischen vorgesehen ist. Damit Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber beiden Seiten der Halterung 31 vorstehen, wie in 9B gezeigt, sollte die Halterung 31, in welcher die Kupferpfeiler 32 ausgebildet wurden, selektiv beispielsweise unter Verwendung von Flusssäure geätzt werden.
  • Bei dem Elektrodenteil 30c gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Kupferpfeiler 32, die in einer Seite der Halterung 31 vorgesehen sind, gegenüber den Kupferpfeilern 32 isoliert, die in der anderen Seite der Halterung 31 vorgesehen sind, und zwar im Inneren des Elektrodenteils 30c. Daher kann durch Anbringen eines Elements, beispielsweise eines IGBT oder einer FWD, auf einer Hauptebene des Elektrodenteils 30c, und durch Verbindung einer Kupferbasis mit der anderen Hauptebene des Elektrodenteils 30c als Wärmeabstrahlbasis, das Elektrodenteil 30c als Isolierplatte eingesetzt werden, zum Isolieren jener Seite, auf welcher das Element angebracht wird, gegenüber jener Seite, mit welcher die Kupferbasis verbunden wird. Darüber hinaus erfolgt die Verbindung mit mehreren Kupferpfeilern 32, und kann die Dicke einer Lotschicht um die Länge eines Endabschnitts jedes Kupferpfeilers 32 vergrößert werden, der gegenüber einer Seite der Halterung 31 vorsteht. Dies führt dazu, dass eine Verzerrung an jeder gelöteten Grenzfläche zwischen Teilen verringert wird, und das Auftauchen von Spalten unterdrückt wird.
  • Beim vorliegenden Beispiel stehen Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber beiden Seiten der Halterung 31 vor. Jedoch kann auch nur ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber einer Seite der Halterung 31 vorstehen. Darüber hinaus kann auch so vorgegangen werden, dass keine Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber der Halterung 31 vorstehen. Allerdings wird in diesem Fall eine Lotschicht dünner.
  • Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Die 10A und 10B sind schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10A eine Aufsicht auf das Elektrodenteil ist. 10B eine Schnittansicht entlang der Linie f-f von 10A. Gleiche Bauteile in den 10A und 10B, die bereits anhand der 3A und 3B beschrieben wurden, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit erfolgt keine erneute, detaillierte Beschreibung.
  • Wie in den 10A und 10B gezeigt, unterscheidet sich ein Elektrodenteil 30d gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem Elektrodenteil 30 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Hinsicht, dass Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber beiden Seiten einer Halterung 31 vorstehen, die Querschnittsfläche (Durchmesser) eines Kupferpfeilers 32 im Zentrum am größten ist, die Querschnittsfläche eines Kupferpfeilers 32 mit zunehmender Entfernung von dem Zentrum allmählich kleiner wird, und dass die Dichte der Kupferpfeiler 32 mit zunehmender Entfernung vom Zentrum zunimmt.
  • Das Elektrodenteil 30d mit dem voranstehend geschilderten Aufbau wird beispielsweise durch folgendes Verfahren hergestellt. Zuerst werden Perforationen 31a in die Halterung 31 eingeschnitten. Der Durchmesser einer Perforation 31a im Zentrum ist am größten, und der Durchmesser einer Perforation 31a wird mit zunehmender Entfernung vom Zentrum kleiner. Die Dichte der Perforationen 31a nimmt mit zunehmender Entfernung von dem Zentrum zu. Die Kupferpfeiler 32 sind in den Perforationen 31a vorgesehen. Die Halterung 31 wird selektiv von der Oberfläche aus durch chemisches Ätzen geätzt. Dies führt dazu, dass das in den 10A und 10B gezeigte Elektrodenteil 30d erzeugt werden kann.
  • 11 zeigt ein Beispiel dafür, wie ein Element auf dem Elektrodenteil gemaß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht wird.
  • Normalerweise sind thermische Beanspruchungen an einem Randabschnitt einer gelöteten Grenzfläche zwischen Teilen starker als thermische Beanspruchungen im Zentrum der geloteten Grenzfläche. Daher werden, wie bei dem Elektrodenteil 30d gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Kupferpfeiler 32, die jeweils eine große Querschnittsfläche aufweisen, im Zentrum ausgebildet, in welchem die thermischen Beanspruchungen gering sind, und werden zahlreiche Kupferpfeiler 32, die jeweils eine kleine Querschnittsfläche aufweisen, in Randabschnitten vorgesehen, in welchen thermische Beanspruchungen hoch sind. Wenn ein Teil 70 mit dem Elektrodenteil 30d verlötet wird, unterdrückt die Ausbildung der voranstehend geschilderten Kupferpfeiler 32, vereinigt mit dem Effekt, zu ermöglichen, die Dicke einer Lotschicht (nicht gezeigt) um die Länge eines Endabschnitts jedes Kupferpfeilers 32 zu vergrößern, der gegenüber einer Seite der Halterung 31 vorsteht, das Auftreten eines Spaltes an einer gelöteten Grenzfläche.
  • Beim vorliegenden Beispiel stehen Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber beiden Seiten der Halterung 31 vor. Jedoch kann auch nur ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber einer Seite der Halterung 31 vorstehen. Weiterhin kann auch so vorgegangen werden, dass die Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 nicht gegenüber der Halterung 31 vorstehen.
  • Als nächstes wird eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Die 12A und 12B sind schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 12A ist eine Aufsicht auf das Elektrodenteil. 12B ist eine Schnittansicht entlang der Linie g-g von 12A. Gleiche Bauteile in den 12A und 12B wie jene, die in den 3A, 3B, 9A und 9B dargestellt sind, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit wird auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet.
  • Wie in 12B gezeigt, unterscheidet sich ein Elektrodenteil 30e gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem Elektrodenteil 30c gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Hinsicht, dass Kupferpfeiler 32, die gegenüber beiden Seiten einer Halterung 31 vorstehen, elektrisch und zweidimensional miteinander durch eine Kupferschicht 35a bzw. 35b verbunden sind, wobei sich diese Schichten auf der Isolierplatte 34 befinden.
  • Das Elektrodenteil 30e mit dem voranstehend geschilderten Aufbau wird beispielsweise durch folgendes Verfahren hergestellt. Zwei Gegenstände, welche denselben Aufbau aufweisen, und bei denen jeweils nur ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber einer Seite einer Halterung 31 vorsteht, werden hergestellt. Die Isolierplatte 34, auf welcher die Kupferschichten 35a und 35b vorgesehen sind, wird dann zwischen den anderen Seiten der Halterungen 31 angeordnet, an welchen der andere Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 nicht vorsteht. Dies ist ebenso wie bei dem Elektrodenteil 30c gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 13 zeigt ein Beispiel dafür, wie ein Element auf dem Elektrodenteil gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht wird. Gleiche Bauteile in 13 wie jene, die in den 6A und 6B gezeigt sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit wird auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.
  • Bei dem Elektrodenteil 30e gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Kupferpfeiler 32 auf einer Seite und die Kupferpfeiler 32 auf der anderen Seite elektrisch miteinander durch die Kupferschicht 35a bzw. 35b verbunden. Wenn ein IGBT 10 und eine FWD 50 daher direkt auf das Elektrodenteil 30e gelötet werden, kann daher eine elektrische Verbindung an der Seite sichergestellt werden, an welcher die Elemente angebracht sind. Weiterhin kann das Elektrodenteil 30e selbst als Isolierplatte zum Isolieren jener Seite eingesetzt werden, an welcher die Elemente angebracht sind, gegenüber der Seite einer Wärmeabstrahlbasis. Dies führt dazu, dass ermöglicht wird, mit dem Elektrodenteil 30e verlötete Teile thermisch zu isolieren, wobei eine zweidimensionale, elektrische Verbindung auf jeder Seite des Elektrodenteils 30e sichergestellt wird. Darüber hinaus kann eine Verzerrung an jeder gelöteten Grenzfläche zwischen Teilen verringert werden, und das Auftauchen einer Spaltbildung unterdrückt werden.
  • Beim vorliegenden Beispiel stehen Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber beiden Seiten der Halterung 31 vor. Allerdings kann auch nur ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber einer Seite der Halterung 31 vorstehen. Weiterhin kann es auch so sein, dass keine Endabschnitte jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber der Halterung 31 vorstehen. Beim vorliegenden Beispiel ist die Kupferschicht 35a an einer Seite der Isolierplatte 34 vorgesehen, und ist die Kupferschicht 35b an der anderen Seite der Isolierplatte 34 angeordnet. Allerdings kann die Kupferschicht 35a oder 35b nur auf einer Seite der Isolierplatte 34 vorgesehen sein.
  • Als nächstes wird eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Die 14A und 14B sind schematische Ansichten eines Elektrodenteils gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 14A ist eine Aufsicht auf das Elektrodenteil. 14B ist eine Schnittansicht entlang der Linie h-h von 14A. Bauteile in den 14A und 14B, die ebenso wie jene ausgebildet sind, die in den 3A, 3B, 9A und 9B gezeigt sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit wird auf eine detailliertere Beschreibung verzichtet.
  • Wie in 14B gezeigt, unterscheidet sich ein Elektrodenteil 30f gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem Elektrodenteil 30c gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Hinsicht, dass ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber einer Seite einer Halterung 31 vorsteht, und der andere Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 nicht gegenüber der anderen Seite der Halterung 31 vorsteht, und elektrisch und zweidimensional mit den anderen Endabschnitten durch eine Kupferschicht 36 verbunden ist.
  • Das Elektrodenteil 30f mit dem voranstehend geschilderten Aufbau kann beispielsweise durch die folgenden Verfahren hergestellt werden. Ein erstes Verfahren verläuft folgendermaßen. Die Kupferpfeiler 32 werden zuerst in Perforationen 31a ausgebildet, die in die Halterung 31 eingeschnitten sind. Wie beispielsweise bei der zweiten Ausführungsform beschrieben, werden die Perforationen 31a ausgeschnitten, und wird die Kupferschicht 36 dadurch ausgebildet, dass eine Kupferfolie an einer Seite der Halterung 31 angebracht wird, oder eine stromlose Plattierung erfolgt. Die Perforationen 31a werden mit Kupfer gefüllt, mittels Durchführung einer Elektroplattierung mit der Kupferschicht 36 als Ausgangsgröße. Hierdurch werden die Kupferpfeiler 32 ausgebildet. Alternativ hierzu kann das Verfahren zum Tränken der Halterung 31 mit geschmolzenem Kupfer eingesetzt werden. Es werden zwei Halterungen 31 hergestellt. Bei einer Halterung 31 wird die Kupferschicht 36 auf einer Seite ausgebildet. Bei der anderen Halterung 31 steht nur ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber einer Seite vor. Eine Isolierplatte 34 wird zwischen den Seiten der beiden Halterungen 31 angeordnet, an denen ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 nicht vorsteht. Hierdurch kann das Elektrodenteil 30f hergestellt werden, das in den 14A und 14B dargestellt ist.
  • 15 zeigt ein Beispiel dafür, wie ein Element auf dem Elektrodenteil gemaß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht wird. Bauteile in 15, die ebenso ausgebildet sind wie jene, die in den 6A und 6B dargestellt sind, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit erfolgt keine erneute, detaillierte Beschreibung.
  • Das Elektrodenteil 30f gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen Elementen, beispielsweise einem IGBT 10 und einer FWD 50, und einer Kupferbasis 60 angeordnet. Dies führt dazu, dass eine elektrische Verbindung an der Seite sichergestellt werden kann, an welcher die Elemente angebracht sind, und das Elektrodenteil 30f selbst als Isolierplatte zum Isolieren jener Seite eingesetzt werden kann, an welcher die Elemente angebracht werden, gegenüber der Seite der Wärmeabstrahlbasis. Die Kupferschicht 36 kann als Schaltungsmuster ausgebildet sein.
  • Bei dem Elektrodenteil 30f steht ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber der Halterung 31 vor. Wenn eine derartige Anordnung eingesetzt wird, kann ein Kühlmechanismus zum Durchleiten eines Kühlmediums zwischen dem Elektrodenteil 30f und der Kupferbasis 60 eingesetzt werden.
  • Die 16A und 16B sind schematische Ansichten eines Elektrodenteils mit einem Kühlmechanismus. 16A ist eine Aufsicht auf das Elektrodenteil. 16B ist eine Schnittansicht entlang der Linie i-i von 16A. Bestandteile in den 16A und 16B, die ebenso ausgebildet sind, wie jene, die in den 3A, 3B, 6A, 6B, 9A und 9B gezeigt sind, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und insoweit wird auf eine detailliertere Beschreibung dieser Teile verzichtet.
  • Wenn das Elektrodenteil 30f gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielsweise in einem Leistungsmodul eingesetzt wird, wird ein Kühlmechanismus zum Abführen von Wärme mittels Durchführung eines Kühlmediums 80 durch einen Raum zwischen der Halterung 31 des Elektrodenteils 30f und einer Kupferbasis 60 eingesetzt, wie dies in den 16A und 16B gezeigt ist. Bei diesem Kuhlmechanismus wird beispielsweise Wasser als Kühlmedium 80 eingesetzt. Das Kühlmedium 80 wird von außerhalb des Leistungsmoduls zugefuhrt, gelangt durch den Raum zwischen der Halterung 31 des Elektrodenteils 30f und der Kupferbasis 60, und wird wiederum nach außerhalb des Leistungsmoduls ausgestoßen. Dies führt dazu, dass Wärme in dem Leistungsmodul direkt dadurch abgeführt werden kann, dass das Kühlmedium 80 eingesetzt wird, und die Wärmeabstrahlung wirksamer durchgeführt wird. Daher kann eine Verzerrung an jeder gelöteten Grenzfläche verringert werden, und das Auftreten einer Spaltbildung unterdrückt werden.
  • In den 16A und 16B erfolgte die Beschreibung für jenen Fall, bei welchem das Elektrodenteil 30f gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielhaft in einem Leistungsmodul eingesetzt wird. Allerdings ist der voranstehend geschilderte Kühlmechanismus auch in jenem Fall einsetzbar, bei welchem das Elektrodenteil 30b, 30c, 30d, oder 30e, das einen solchen Aufbau aufweist, dass ein Endabschnitt jedes Kupferpfeilers 32 gegenüber einer Seite der Halterung 31 vorsteht, in einem Leistungsmodul eingesetzt wird.
  • Wie voranstehend erläutert, ist es bei den geschilderten Elektrodenteilen 30 und 30a bis 30f möglich, Wärmebeanspruchungen abzumildern, die an jeder gelöteten Grenzfläche auftreten, während wirksam Wärme abgestrahlt wird, durch Einsatz des Kühlmechanismus je nach Bedürfnis. Dies führt dazu, dass das Auftreten von Verzerrungen unterdrückt werden kann, und die Wärmezyklusbeständigkeit und die Leistungszyklusbeständigkeit verbessert werden können. Durch Anordnen jedes der Elektrodenteile 30 und 30a bis 30f an jener Seite, an welcher eine Emitterelektrode usw. vorhanden sind, können die Oberfläche und das Volumen eines leitfähigen Abschnitts vergrößert werden, verglichen mit jenem Fall eines Aluminiumdrahtbondens. Hierdurch wird der Wärmeabstrahleffekt verbessert, und der elektrische Widerstand verringert. Dies führt dazu, dass die Erzeugung von Wärme oder eine Beeinträchtigung der Eigenschaften eines Elements verringert werden können. Weiterhin kann mit den Elektrodenteilen 30 und 30a bis 30f die Halterung 31 je nach Bedürfnis dicker ausgebildet werden. Hierdurch kann eine herkömmliche Kupferbasis durch die Halterung 31 ersetzt werden.
  • Bei den voranstehenden Beispielen wurde ein Fall beschrieben, bei welchem Lot zum Verbinden von Teilen verwendet wird. Allerdings kann auch eine leitfähige Paste oder dergleichen, die bei Einwirkung von Wärme oder Licht aushärtet, anstatt von Lot eingesetzt werden. In einem derartigen Fall kann ebenfalls jedes der voranstehend geschilderten Elektrodenteile 30 und 30a bis 30f eingesetzt werden. Dies führt dazu, dass Wärme abgestrahlt werden kann, und das Auftreten eines Spaltes unterdrückt werden kann, durch Verringerung einer Verzerrung an jeder Grenzfläche zwischen teilen, die durch eine leitfähige Paste verbunden werden.
  • Bei den voranstehenden Beispielen wird Kupfer als ein Metallmaterial zur Herstellung der Elektrodenteile 30 und 30a bis 30f verwendet. Allerdings kann auch ein anderes leitfähiges Metall eingesetzt werden, beispielsweise Aluminium, das ein vergleichsweise hohes Wärmeleitvermögen aufweist.
  • Bei den voranstehenden Beispielen werden Elektrodenteile einer Art in einem Leistungsmodul eingesetzt. Allerdings können selbstverständlich auch Elektrodenteile mehrerer Arten in einem Leistungsmodul eingesetzt werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist das Elektrodenteil, in welchem mehrere Metallpfeiler vorgesehen sind, mit einer Elektrode eines Halbleiterelements verbunden. Dies führt dazu, dass Wärme, die in dem Halbleiterelement erzeugt wird, wirksam abgestrahlt werden kann, und eine Verzerrung an jeder Grenzfläche zwischen verbundenen Teilen dadurch verringert werden kann, dass der Einfluss der Wärmeausdehnung der Materialien verringert wird. Daher kann das Auftreten eines Spaltes an jeder Grenzfläche zwischen miteinander verbundenen Teilen signifikant unterdrückt werden, und kann ein Halbleiterbauelement mit hoher Verlässlichkeit erzielt werden.
  • Voranstehend wurden nur die Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutert. Da zahlreiche Modifikationen und Änderungen Fachleuten auf diesem Gebiet einfallen werden, ist es nicht erwünscht, die Erfindung auf die exakte Konstruktion und die exakten Anwendungen zu beschränken, die dargestellt und beschrieben wurden.

Claims (10)

  1. Halbleiterbauelement (10), das ein Halbleiterelement mit einer Elektrode (10a) auf einer Oberfläche aufweist, wobei das Bauelement ein Elektrodenteil (30) aufweist, bei welchem vorgesehen sind: eine isolierende keramische Halterung (31) mit mehreren Perforationen (31a), welche durch Hauptebenen hindurchgehen; und Metallpfeiler (32), die in den mehreren Perforationen (31a) angeordnet sind und aus Kupfer oder Aluminium bestehen, wobei jeweils ein Ende der mehreren Metallpfeiler mit der Elektrode durch eine Lotschicht an einer Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem einen Ende der Metallpfeiler verbunden ist und jeweils ein Ende von jedem der Metallpfeiler (32) auf einer Hauptebene der isolierenden keramischen Halterung (31) angeordnet ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement ein Bipolartransistor (10) mit isoliertem Gate ist; und die Elektrode zumindest entweder eine Emitterelektrode (10a) oder eine Kollektorelektrode des Bipolartransistors mit isoliertem Gate ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement eine Diode (50) ist, und die Elektrode zumindest entweder eine Anodenelektrode oder eine Kathodenelektrode der Diode ist.
  4. Halbleiterbauelement, das ein Halbleiterelement mit einer Elektrode auf einer Oberfläche aufweist, wobei das Bauelement ein Elektrodenteil (130c) aufweist, bei welchem vorgesehen sind: mehrere erste Löcher (31a), die in einer Hauptebene einer isolierenden keramischen Halterung (31) vorgesehen sind; erste Metallpfeiler (32), die in den mehreren ersten Löchern angeordnet sind; mehrere zweite Löcher (31a), die in einer anderen Hauptebene der isolierenden keramischen Halterung (31) vorgesehen sind; und zweite Metallpfeiler (32), die in den mehreren zweiten Löchern angeordnet sind, und elektrisch gegenüber den ersten Metallpfeilern (32) isoliert sind, wobei die ersten und zweiten Löcher nicht durch die Halterung hindurchgehen und mindestens die ersten Metallpfeiler oder die zweiten Metallpfeiler an die Elektrode angelötet sind.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leiterschicht auf einer Hauptebene des Elektrodenteils vorgesehen ist, das mit der Elektrode verbunden ist.
  6. Halbleiterbauelement (10), das ein Halbleiterelement mit einer Elektrode (10a) auf einer Oberfläche aufweist, wobei das Bauelement ein Elektrodenteil (30) aufweist, bei welchem vorgesehen sind: eine isolierende keramische Halterung mit mehreren Perforationen, welche durch Hauptebenen hindurchgehen; und Metallpfeiler, die in den mehreren Perforationen vorgesehen sind, wobei Durchmesser von Metallpfeilern (32), die im Zentrum der isolierenden Halterung (31) angeordnet sind, größer sind als Durchmesser von Metallpfeilern, die in Randabschnitten der isolierenden Halterung angeordnet sind; und die Dichte der Metallpfeiler, die in den Randabschnitten der isolierenden Halterung angeordnet sind, höher ist als die Dichte der Metallpfeiler, die im Zentrum der isolierenden Halterung angeordnet sind.
  7. Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ende jedes der Metallpfeiler auf einer Hauptebene der isolierenden keramischen Halterung liegt; und eine Leiterschicht auf der Hauptebene vorgesehen ist.
  8. Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Endabschnitte der Metallpfeiler gegenüber zumindest einer Hauptebene der isolierenden keramischen Halterung vorstehen.
  9. Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpfeiler aus Kupfer oder Aluminium bestehen.
  10. Halbleiterbauelement, das ein Halbleiterelement mit einer Elektrode auf einer Oberfläche aufweist, ein Elektrodenteil, das mit der Elektrode verbunden ist, wobei das Elektrodenteil aufweist: ein erstes Elektrodenteil, das eine isolierende Halterung mit mehreren Perforationen aufweist, die durch Hauptebenen hindurchgehen, und Metallpfeiler, die in den mehreren Perforationen angeordnet sind; ein zweites Elektrodenteil, das eine isolierende Halterung mit mehreren Perforationen aufweist, die durch Hauptebenen hindurchgehen, und Metallpfeiler, die in den mehreren Perforationen angeordnet sind; und eine isolierende Platte zum elektrischen Isolieren der Metallpfeiler in dem ersten Elektrodenteil gegenüber den Metallpfeilern in dem zweiten Elektrodenteil, und zum einstückigen Verbinden des ersten Elektrodenteils und des zweiten Elektrodenteils.
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