DE102006012429A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents
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Abstract
Einer der Aspekte der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung, die ein Gehäuse (12) aufweist und ein Isolationssubstrat (14), das innerhalb des Gehäuses (12) vorgesehen ist. Sie beinhaltet ebenfalls eine Mehrzahl von Halbleiterchips (20, 22), die auf das Isolationssubstrat (14) montiert sind und von denen jeder eine erste Chipelektrode zum Entgegennehmen eines Steuersignals aufweist, und eine flexible Platine (34), die durch das Gehäuse (12) unterstützt wird, welche einen Rumpfabschnitt (40) und eine Mehrzahl von Leitungsabschnitten (36) aufweist, die sich von dem Rumpfabschnitt (40) ausgehend erstrecken. Jede der ersten Chipelektroden ist elektrisch mit dem entsprechenden der Leitungsabschnitte (36) verbunden.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und insbesondere auf eine Halbleitervorrichtung, die die elektrische Verbindung zwischen einer Steuerschaltung und einem Halbleiterchip, der in der Halbleitervorrichtung integriert ist, erleichtert.
- Bislang wurden Halbleitervorrichtungen auf verschiedenen technischen Gebieten verwendet. Unter ihnen zieht ein Leistungsmodul zum Zuführen eines großen Betrags eines kontrollierten Stroms zu einem Hochleistungsmotor als eine Schlüsselvorrichtung die intensive Aufmerksamkeit von beispielsweise der Industrie für elektrische Schwermaschinen und der Automobilindustrie auf sich.
- Obwohl dieses hier nicht gezeigt ist, beinhaltet das Leistungsmodul im Allgemeinen ein Gehäuse und ein Isolationssubstrat, das innerhalb des Gehäuses vorgesehen ist. Auf das Isolationssubstrat ist ein Leistungs-Halbleiterchip, beispielsweise ein Chip mit einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate oder ein Chip mit einer Freilaufdiode (die hier einfach als „IGBT"-Chip bzw. „FWD"-Chip bezeichnet werden) montiert. Das Leistungsmodul beinhaltet ebenfalls eine Steuerplatine mit einer Steuerschaltung zum Liefern eines Steuersignals (Steuerstroms) mit dem Leistungs-Halbleiterchip und eine Mehrzahl von Anschlußrahmen zum Leiten der Ausgabe des gesteuerten Stroms von dem Leistungs-Halbleiterchip zu einer externen Last, beispielsweise einem Motor, als Antwort auf die Steuersignale.
- Gemäß dem bekannten Leistungsmodul ist die Steuerplatine im Allgemeinen eine gedruckte Leiterplatine aus einem Material wie beispielsweise Epoxidharz, die steif ist und eine plattenartige Konfiguration aufweist. Die gedruckte Leiterplatine hat zumindest eine Steuerschaltung und eine Mehrzahl von Anschlußflächen, die elektrisch mit den Gateelektroden auf den IGBT-Chips über eine Mehrzahl von leitenden Drähten (dünnen Metallleitungen) verbunden sind. Deshalb werden die Gatesignale von der Steuerschaltung der Gateelektrode der IGBT-Chips zugeführt, welche wiederum einen Schaltvorgang durchführen als Antwort auf die Gatesignale.
- Das bekannte Leistungsmodul beinhaltet oft ebenfalls einen FWD-Chip, der umgekehrt parallel zu dem IGBT-Chip geschaltet ist, wobei eine Anodenelektrode des FWD-Chips und eine Emitterelektrode des IGBT-Chips ebenfalls über eine Mehrzahl von leitenden Drähten elektrisch mit den Anschlußrahmen verbunden sind. Wenn vier der leitenden Drähte verwendet werden zum elektrischen Verbinden der Emitterelektroden des IGBT-Chips und der Anodenelektroden des FWD-Chips mit dem Anschlußrahmen und ebenfalls vier der leitenden Drähte verwendet werden zum elektrischen Verbinden der Steuerelektroden (beispielsweise der Gateelektrode, einer Stromerfassungselektrode und einer Temperaturerfassungselektrode) des IGBT-Chips mit den Anschlußflächen der Steuerplatine, werden also insgesamt acht der leitenden Drähte benötigt. Wenn das Leistungsmodul sechs Paare (drei Paare von Phasenzweigen, d. h. U-, V- und W-Phasenzweige) der IGBT-Chips und der FWD-Chips aufweist, sind mindestens 48 leitende Drähte erforderlich zum Erreichen der elektrischen Verbindung zum Zusammenbau des Leistungsmoduls.
- So viele leitende Drähte durch den bekannten Ultraschall-Drahtbondvorgang zu schaffen, erfordert zu viel Zeit, was mehr kostet und dadurch verhindert, daß das Leistungsmodul zu vernünftigen Kosten hergestellt wird.
- Um diesem Nachteil zu begegnen, wurden verschiedene Techniken zur Erleichterung der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlußflächen vorgeschlagen. Beispielsweise offenbart eine der bekannten Techniken, JP A 2004-111619, ein Leistungsmodul in
1 -3 , das ein Isolationssubstrat4 , eine zweite Harzplatine8 mit Kupferstrukturen8b , die auf das Isolationssubstrat4 montiert ist, einen Kühlkörper3 , der ebenfalls auf dem Isolationssubstrat4 vorgesehen ist, einen Halbleiterchip (IGBT-Chip)1 , der auf den Kühlkörper3 montiert ist, und eine erste Harzplatine5 mit Kupferstrukturen5b , die auf den Kupferstrukturen8b der zweiten Harzplatine8 mittels Lot angebracht sind, beinhaltet. Dabei ist die Chip-Elektrode des Halbleiterchips1 elektrisch mit der Kupferstruktur5b der ersten Harzplatine5 über einen Lotball und eine Lotschicht verbunden. Dadurch weist die erste Harzplatine5 an beiden Enden Anschlüsse auf, die an den Kupferstrukturen8b der zweiten Harzplatine8 angeschlossen sind, sowie ein Paar von Anschlüssen in der Mitte, die an die Chip-Elektroden (d. h. die Gateelektrode und die Emitterelektrode) des IGBT-Chips1 angeschlossen sind. - Wenn jedoch die erste Harzplatine
5 zum Verbinden des Paares ihrer Anschlüsse mit der Gate- und der Emitterelektrode des IGBT-Chips1 , welche nah beieinander angeordnet sind, zusammengebaut wird, müssen sowohl die Anschlüsse als auch die Elektroden auf präzise Weise zueinander ausgerichtet werden. Andernfalls kann der Gateanschluß (oder Emitteranschluß) der Platine5 eine Brücke (einen Kurzschluß) zwischen der Gate- und der Emitterelektrode des IGBT-Chips1 machen. Weiterhin weist die erste Harzplatine5 ein Grundsubstrat aus Weichharz auf, das empfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur ist. Eine hohe Temperatur während der Lötung für die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen der Platine5 und den Chip-Elektroden des IGBT-Chips1 kann so Schwierigkeiten beim Ausrichten der Platine5 zu dem IGBT-Chip1 verursachen. Mit anderen Worten, eine Fehlausrichtung der Platine5 zu dem IGBT-Chip1 kann den Verbindungsfehler des Kurzschlusses verursachen, was die Produktionsausbeute herabsetzt. Andererseits erfordert eine präzise Ausrichtung eine besondere Aufmerksamkeit eines Ausführenden, was die Montagezeit und die Herstellungskosten vergrößert. - Weiterhin ist die Kupferstruktur
5b auf der flexiblen Platine5 eine leitende dünne Schicht, deren Verdrahtungswiderstand eine zu erreichende untere Grenze aufweist. Wenn ein großer Betrag des Stroms zwischen der Emitterelektrode und der Kollektorelektrode des Halbleiterchips, wie dem IGBT-Chip1 , fließt, kann die Kupferstruktur5b überhitzt werden und die flexible Platine5 kann während des Schaltvorgangs weich werden und schmelzen, wodurch deshalb eine hinreichende Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls während des Betriebs verhindert wird. - Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird ersichtlich aus der detaillierten Beschreibung, die hier im Folgenden gegeben wird. Es sollte jedoch beachtet werden, daß die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung gegeben werden, da verschiedene Abänderungen und Abwandlungen innerhalb des Gedankens und Umfangs der Erfindung für den Fachmann aus dieser detaillierten Beschreibung ersichtlich sind.
- Einer der Aspekte der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung, die ein Gehäuse und ein innerhalb des Gehäuses vorgesehenes Isolationssubstrat beinhaltet. Sie beinhaltet ebenfalls eine Mehrzahl von Halbleiterchips, die auf das Isolationssubstrat montiert sind, von denen jeder eine erste Chip-Elektrode zum Entgegennehmen eines Steuersignals aufweist, und eine flexible Platine, die durch das Gehäuse gehaltert wird, welche einen Rumpfabschnitt und eine Mehrzahl von Leitungsabschnitten, die von dem Rumpfabschnitt ausgehen, beinhaltet. Jede der ersten Chip-Elektroden ist elektrisch mit einem entsprechenden Leitungsabschnitt verbunden.
- Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von1 , -
3 einen Schaltplan der Halbleitervorrichtung von1 , -
4 eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von4 , -
6 eine vergrößerte Draufsicht, die einen Leitungsabschnitt einer flexiblen Platine, einen langgestreck ten Anschlußrahmen und Chip-Elektroden veranschaulicht, -
7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI von6 , -
8 eine Querschnittsansicht der Abwandlung der zweiten Ausführungsform, ähnlich zu7 , -
9 eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ähnlich zu2 , -
10A und10B vergrößerte Querschnittsansichten, die den Leitungs- abschnitt der flexiblen Leiterplatte vor bzw. nach der Verbindung mit der Chip-Elektrode veranschaulichen, -
11 eine Draufsicht auf eine Abwandlung der dritten Ausführungsform, ähnlich zu4 , -
12 eine Querschnittsansicht entlang der Linie XI-XI von11 , -
13 eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ähnlich zu4 , -
14 eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ähnlich zu5 . - Bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen werden die Details der Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Folgenden beschrieben. Obwohl in dieser Beschreibung die Terminologie, die die Richtungen andeutet (beispielsweise „obere" und „untere") zweckmäßigerweise lediglich für ein besseres Verständnis verwendet wird, sollte sie nicht so interpretiert werden, daß diese Terminologie den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkt.
- Ausführungsform 1
- Bezugnehmend auf
1 und2 wird hier eine Halbleitervorrichtung (Leistungsmodul) gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Leistungsmodul1 der ersten Ausführungsform beinhaltet allgemein eine Metall-Grundplatte10 eines thermisch leitenden Metalls, beispielsweise Kupfer, und ein Gehäuse12 eines Isolationsmaterials, beispielsweise Harz, welches an der Metall-Grundplatte10 angebracht ist. - Das Leistungsmodul beinhaltet ebenfalls ein Isolationssubstrat
14 , das auf die Metall-Grundplatte10 über ein leitendes Haftmittel, beispielsweise Lot, montiert ist. Das Isolationssubstrat14 hat auf einem Paar seiner Hauptoberflächen strukturierte dünne Schichten16 ,17 aus Metall. Auf die obere Oberfläche der strukturierten dünnen Schicht16 ist ebenfalls zumindest ein Halbleiterchip montiert, der beispielsweise aus sechs Paaren von IGBT-Chips20 und FWD-Chips22 , wie in1 veranschaulicht, bestehen kann. Jeder der IGBT-Chips20 weist eine Steuerelektrode26 und eine Emitterelektrode28 auf der oberen Oberfläche auf. Jeder der FWD-Chips22 hat eine Anodenelektrode30 auf der oberen Oberfläche. Die Steuerelektrode26 kann eine Gateelektrode, eine Stromerfassungselektrode und eine Temperaturerfassungselektrode beinhalten. - Wie in
2 veranschaulicht, weist das Gehäuse12 ein Paar von Plateau-Abschnitten32 ,33 auf, die im Wesentlichen auf dem gleichen Niveau sind, wie die oberen Oberflächen des IGBT-Chips20 und des FWD-Chips22 . Das Leistungsmodul1 der ersten Ausführungsform beinhaltet eine flexible Platine34 , die auf dem Plateau-Abschnitt32 näher zu dem IGBT-Chip20 angebracht ist, und eine Mehrzahl von Anschlußrahmen42 , die durch einen anderen Plateau-Abschnitt33 , der näher zu dem FWD-Chip22 ist, unterstützt werden und sich durch das Gehäuse12 nach außen erstrecken. Dadurch ist die untere Oberfläche37 der flexiblen Platine34 im Wesentlichen bündig mit der Steuerelektrode26 und der Emitterelektrode28 des IGBT-Chips20 angeordnet. - Die flexible Platine
34 der ersten Ausführungsform beinhaltet eine flexible Isolationsschicht aus Polyimidharz und darauf ausgebildete Kupferstrukturen und kann auf flexible Weise deformiert werden zum Absorbieren von mechanischer Belastung, wenn sie gebogen wird und zum Absorbieren von thermischer Belastung bei Temperaturzyklen. - Die flexible Platine
34 weist ebenfalls einen Rumpfabschnitt40 mit im Wesentlichen rechteckigem Aufbau und eine Mehrzahl von langgestreckten Leitungsabschnitten36 (sechs der Leitungsabschnitte36 sind in1 gezeigt), von denen jeder eine Mehrzahl (z. B. vier) von dünnen Kupferleitungen (Leiterbahnen oder Kupferstrukturen) aufweist, die sich auf der unteren Oberfläche37 des langgestreckten Leitungsabschnitts36 erstrecken, auf. - Weiterhin ist jede der Steuerelektroden
26 des IGBT-Chips20 elektrisch mit dem entsprechenden Anschluß des Steuer-IC-Chips66 über die Spitze38 und die dünne Leitung des Leitungsabschnitts36 verbunden. Ebenfalls ist ein Leiter44 auf der flexiblen Platine34 so vorgesehen, daß die Anschlüsse des Steuer-IC-Chips66 mit einer externen Steuerschaltung (nicht gezeigt) über die Kupferstrukturen der flexiblen Platine34 und die Stifte45 des Verbinders44 verbunden sind. - Der Rumpfabschnitt
40 der flexiblen Platine34 hat eine Seite gegenüberliegend der Isolationsplatine14 und die Leitungsabschnitte36 , die in1 gezeigt sind, erstrecken sich von der gegenüberliegenden Seite des Rumpfabschnitts40 . Wie jedoch nicht veranschaulicht ist, können die Leitungsabschnitte36 sich von irgendeiner oder mehreren der Seiten, die den rechteckigen Rumpfabschnitt40 definieren, erstrecken. - Jeder der Anschlußrahmen
42 ist elektrisch mit der Anodenelektrode30 des FWD-Chips22 und der Emitterelektrode28 des IGBT-Chips20 über leitende dünne Drähte aus Metall, beispielsweise Aluminium, verbunden. Der IGBT-Chip20 und der FWD-Chip22 sind umgekehrt parallel zueinander geschaltet. - Im Allgemeinen ist das Gehäuse
12 mit Silicongel über das Isolationssubstrat14 , die Halbleiterchips20 ,22 (IGBT-Chip und FWD-Chip), die flexible Platine34 und die leitenden Drähte46 hinaus zum Schutz derselben aufgefüllt. Das Leistungsmodul1 beinhaltet weiterhin ein Epoxidharz, das den oberen Abschnitt des Silicongels versiegelt und einen Deckel, der das Epoxidharz bedeckt. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wurde jedoch die Veranschaulichung des Silicongels, des Epoxidharzes und des Deckels unterlassen. - Mit Bezug auf
3 wird hier der Schaltplan des in1 und2 gezeigten Leistungsmoduls1 beschrieben. Das Leistungsmodul1 beinhaltet drei Phasen (U-, V- und W-Phasen) von Inverterschaltungen, von denen jede ein unteres Potentialpaar des IGBT20 und des FWD22 und ein oberes Potentialpaar des IGBT20 und des FWD22 aufweist. Ganz oben in den1 und3 ist das untere Potentialpaar des IGBT20 und des FWD22 gezeichnet, das teilweise die U-Phase der Inverterschaltung definiert. Nahe (unterhalb) dem obersten ist ebenfalls das obere Potentialpaar des IGBT20 und des FWD22 veranschaulicht, das teilweise die U-Phase der Inverterschaltung definiert. In ähnlicher Weise sind die Paare des IGBT20 und des FWD22 , die das untere V-Phasen-Potentialpaar, das obere V-Phasen-Potentialpaar, das untere W-Phasen-Potentialpaar und das obere W-Phasen-Potentialpaar des IGBT20 und des FWD22 bilden, aufeinanderfolgend veranschaulicht. - Das untere Potentialpaar des IGBT
20 und des FWD22 beinhaltet bei jeder Phase der Inverterschaltung die Emitterelektrode28 bzw. die Anodenelektrode30 , welche über leitende Drähte46 elektrisch mit dem Anschlußrahmen42 verbunden sind, welcher wiederum mit dem negativen Anschluß einer Gleichspannungsstromversorgung (nicht gezeigt) verbunden ist. Das obere Potentialpaar des IGBT20 und des FWD22 beinhaltet bei jeder Phase der Inverterschaltung die Kollektorelektrode bzw. die Kathodenelektrode, welche über die gleiche strukturierte dünne Schicht16 und ebenfalls über die leitenden Drähte46 (in1 ganz unten gezeichnet) elektrisch mit dem Anschlußrahmen42 verbunden sind, welcher wiederum mit dem positiven Anschluß der Gleichspannungsversorgung verbunden ist. - In
3 ist weiterhin die strukturierte dünne Schicht16 , auf der das untere Potentialpaar des IGBT20 und des FWD22 montiert ist, elektrisch über die leitenden Drähte46 sowohl mit dem Anschlußrahmen42 als auch mit der Emitterelektrode28 und der Anodenelektrode30 des entsprechenden oberen Potentialpaars des IGBT20 bzw. des FWD22 verbunden. Während in1 der planare Aufbau des Anschlußrahmens42 nicht im Detail veranschaulicht ist, wird der in1 zuoberst gezeigte Anschlußrahmen42 mit dem U-Phasen-Lastanschluß verbunden und die zweitobersten und drittobersten Anschlußrahmen42 sind aufeinanderfolgend gezeigt als die V-Phasen- und W-Phasen-Lastanschlüsse. - Es sollte beachtet werden, daß, obwohl dies in
1 nicht gezeigt ist, jeder der IGBTs20 den Steueranschluß26 , beispielsweise die Gateelektrode, die Stromerfassungselektrode und die Temperaturerfassungselektrode, beinhaltet, die elektrisch mit dem Steuer-IC-Chip66 über die Kupferstruktur auf jedem der Leitungsabschnitte36 der flexiblen Platine34 verbunden sind, wie in3 veranschaulicht. - Gemäß der ersten Ausführungsform kann, wie im Detail unten beschrieben wird, jede der Spitzen
38 der Leitungsabschnitte36 auf einfache Weise mit der entsprechenden Steuerelektrode26 des IGBT-Chips20 über irgendein Verbindungsmittel oder irgendein leitendes Haftmittel, beispielsweise Lot, verbunden werden, so daß die IGBT-Chips20 insgesamt und auf einfache Weise elektrisch mit der flexiblen Platine34 verbunden werden können. Dies ermöglicht den Austausch von Daten zwischen der externen Steuerschaltung (nicht gezeigt) und dem IGBT-Chip20 über die Stifte45 des Verbinders44 , den Steuer-IC-Chip66 und die Leitungsabschnitte36 (und die Spitzen38 davon) der flexiblen Platine34 . - Für dieses Ergebnis führt der IGBT-Chip
20 einen Schaltvorgang als Antwort auf die den Steuerelektroden26 zugeführten Steuersignale aus und führt der externen Last einen großen Betrag des gesteuerten Stroms zu, der durch die Emitterelektroden28 , die leitenden Drähte46 und die Anschlußrahmen42 fließt. Da gemäß der vorliegenden Ausführungsform der große Betrag des gesteuerten Stroms durch die leitenden Drähte46 mit einem Leitungswiderstand, der geringer ist als jener der dünnen Kupferstrukturen auf der flexiblen Platine bei der oben erwähnten bekannten Technik, fließt, kann dadurch eine Überhitzung der leitenden Drähte46 verhindert werden, so daß ein zuverlässiges Leistungsmodul verwirklicht werden kann. - Da, wie oben beschrieben, die untere Oberfläche
37 der flexiblen Platine34 bündig mit der oberen Oberfläche der Steuerelektrode26 und der Emitterelektrode28 des IGBT-Chips20 angeordnet ist, kann die dem Leitungsabschnitt36 zugeführte Belastung minimiert werden zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls1 . Zusätzlich kann die Länge der Leitungsabschnitte36 in vernünftiger Weise gekürzt werden, wodurch die Herstellungskosten verringert werden. - Ausführungsform 2
- Bezugnehmend auf
4 bis8 wird eine Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hier beschrieben. Das Leistungsmodul2 der zweiten Ausführungsform weist Komponenten auf, die ähnlich zu jenen der ersten Ausführungsform sind, mit der Ausnahme, daß eine Mehrzahl von langgestreckten Anschlußrahmen50 anstelle der leitenden Drähte46 der ersten Ausführungsform für die elektrische Verbindung zwischen den Emitterelektroden28 des IGBT-Chips20 , den Anodenelektroden30 des FWD-Chips22 und den Anschlußrahmen verwendet wird. Deshalb wird für die Komponenten, die ähnlich zu jenen der ersten Ausführungsform sind, die mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind, keine doppelte Beschreibung gegeben. - Wie in
5 veranschaulicht, wird jeder der langgestreckten Anschlußrahmen50 der zweiten Ausführungsform durch das Gehäuse12 unterstützt und erstreckt sich zu den entsprechenden FWD- bzw. IGBT-Chips22 ,20 hin mit gebogenen Abschnitten (oder Vorsprüngen)52 ,54 , die nach unten gebogen sind. Wie in den vergrößerten Ansichten von6 und7 gezeigt, stehen die gebogenen Abschnitte52 ,54 des Anschlußrahmens50 zu der Anodenelektrode30 und der Emitterelektrode28 hervor und sind mittels eines leitenden Haftmittels bzw. Klebers, beispiels weise Lot, elektrisch mit dem FWD-Chip22 bzw. dem IGBT-Chip20 verbunden. - Jeder der Leitungsabschnitte
36 weist einen leitenden Höcker (Bump)58 an der Spitze38 auf, der elektrisch mit den Steuerelektroden26 des IGBT-Chips20 ebenfalls durch ein leitendes Haftmittel, beispielsweise Lot, verbunden ist, wodurch die elektrische Verbindung zwischen den Leitungsabschnitten36 und den Steuerelektroden26 sichergestellt wird. Das leitende Hafmittel kann von irgendeiner Gestalt sein, beispielsweise neben Lot56 ,60 eine leitende Paste. - Anstelle der gebogenen Abschnitte
52 ,54 , die in7 gezeigt sind, kann jeder der Anschlußrahmen50 die Vorsprünge52 ,54 aufweisen, die zu der Anodenelektrode30 und der Emitterelektrode28 hervorstehen, wie in8 gezeigt. Alternativ kann der leitende Bump58 auf der Steuerelektrode26 anstelle der Spitze38 der flexiblen Platine34 ausgebildet sein. -
4 veranschaulicht drei Paare von Phasenzweigen des IGBT-Chips20 und des FWD-Chips22 , wobei jedes Paar eine Hochspannungs- und eine Niederspannungsseite der IGBT-Chips20 und der FWD-Chips22 definiert. Somit weisen in4 der zweite, der vierte und der sechste Anschlußrahmen50 , die die Emitterelektrode und die Anodenelektrode der Hochspannungsseite des IGBT-Chips und des FWD-Chips verbinden, einen anderen gebogenen Abschnitt68 auf, wie durch eine gestrichelte Linie angedeutet, der hervorsteht zum elektrischen Verbinden mit den dünnen Metallschichten, an welchen die Niederspannungsseite der IGBT-Chips und der FWD-Chips befestigt ist. Die elektrische Verbindung zwischen dem gebogenen Abschnitt68 und der dünnen Metallschicht16 kann mittels irgendeines leitenden Haftmittels, beispielsweise Lot, durchgeführt sein. - Gemäß der zweiten Ausführungsform sind deshalb die Emitterelektroden
28 des IGBT-Chips20 und die Anodenelektroden des FWD-Chips22 auf einfache Weise und insgesamt an dem verlängerten Anschlußrahmen50 elektrisch befestigt. Dies beseitigt die Notwendigkeit einer mehrfachen Drahtbefestigung (mehrfacher Draht-Bond), wodurch die Herstellungskosten verringert werden. - Wenn die IGBT-Chips
20 entsprechend den Steuersignalen, die den Steuerelektroden26 zugeführt werden, den Schaltvorgang durchführen, wird der große Betrag des Stroms der externen Last über die Emitterelektroden28 und die verlängerten Anschlußrahmen50 zugeführt. Da gemäß der zweiten Ausführungsform der große Betrag des Stroms, der durch die verlängerten Anschlußrahmen50 mit dem Leitungswiderstand, der sogar niedriger ist als jener der leitenden Drähte der ersten Ausführungsform, fließt, kann somit verhindert werden, daß der Stromweg sich überhitzt und unterbrochen wird, so daß die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls verbessert werden kann. - Ausführungsform 3
- Bezugnehmend auf
9 bis12 wird hier eine Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Leistungsmodul3 der dritten Ausführungsform weist Komponenten ähnlich zu jenen der zweiten Ausführungsform auf, mit der Ausnahme, daß die Leitungsabschnitte36 der flexiblen Platine34 ein elastisches Teil und den Plateauabschnitt32 mit einem vertikalen Niveau, das höher als jenes der oberen Oberflächen der IGBT- und FWD-Chips20 ,22 ist, beinhalten. Deshalb wird für die Komponenten, die ähnlich zu jenen der ersten Ausführungsform sind, welche mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, keine doppelte Beschreibung gegeben. - Gemäß dem Leistungsmodul
3 , das in9 veranschaulicht ist, ist der Rumpfabschnitt40 der flexiblen Platine34 auf einem Niveau angeordnet, das höher ist als die Deckflächen der IGBT- und FWD-Chips20 ,22 . Wie in den vergrößerten Ansichten von10A und10B veranschaulicht, weist der Leitungsabschnitt36 das elastische Teil62 auf, das sich in einer Längsrichtung erstreckt.10A und10B sind Querschnittsansichten vor und nach dem Montieren des Rumpfabschnitts40 auf den Plateauabschnitt32 des Gehäuses12 bzw. dem Verbinden der Spitze38 des Leitungsabschnitts36 mit der Steuerelektrode26 . Das elastische Teil62 ist so ausgelegt, daß es den leitenden Höcker58 an der Spitze38 zu der Steuerelektrode26 hin drückt (unter Vorspannung setzt), wenn die Spitze38 des Leitungsabschnitts36 auf der Steuerelektrode26 angeschlossen wird. Das elastische Teil62 kann irgendeinen Aufau aufweisen, solange es die Spitze38 zu der Steuerelektrode26 hin unter eine Vorspannung setzt nach dem Zusammenbau und beispielsweise kann das elastische Teil62 eine dünne Metallplatte sein. Obwohl10A und10B das elastische Teil62 umgeben von dem Leitungsabschnitt36 zeigen, kann das elastische Teil62 auf der Deckfläche39 des Leitungsabschnitts36 befestigt werden. - Da gemäß der dritten Ausführungsform das elastische Teil
62 den leitenden Höcker58 an der Spitze38 zu der Steuerelektrode26 hin unter eine Vorspannung setzt, kann der Leitungsabschnitt36 auf einfache Weise und in der Gesamtheit auf der Steuerelektrode26 angeschlossen werden ohne ein leitendes Haftmittel, wie z. B. Lot. Aufgrund der Beseitigung eines thermischen Behandlungsvorgangs, wie z. B. eines Rückfluß(Reflow)-Lötvorgangs, muß die flexible Platine34 nicht immer aus einem thermisch stabilen Material ausgebildet sein, das ziemlich teuer ist, und eine kostengünstigere flexible Platine kann verwendet werden, wodurch die Herstellungskosten verringert werden. Wenn einer der IGBT-Chips20 des Leistungs moduls3 einen Defekt aufweist und ersetzt werden muß, erleichtert die Nicht-Verwendung von Lot für den Anschluß der Steuerelektrode26 das Entfernen des fehlerhaften IGBT von dem Leistungsmodul3 . - Es sollte jedoch beachtet werden, daß ein weiterer Lötschritt hinzugefügt werden kann zur Verstärkung der elektrischen Verbindung zwischen dem leitenden Höcker
58 und der Steuerelektrode26 nachdem der leitende Höcker58 zu der Steuerelektrode26 hin unter eine Vorspannung gesetzt wurde. - Wie in
11 und12 veranschaulicht, kann vorzugsweise ein drückendes Teil64 an dem Gehäuse12 vorgesehen sein zum Drücken der Leitungsabschnitte36 der flexiblen Platine34 zu den IGBT-Chips20 hin. Während in11 und12 das drückende Teil64 nahe dem Rumpfabschnitt40 angeordnet ist, kann es benachbart zu der Spitze38 der Leitungsabschnitte36 oder über den leitenden Höckern58 angeordnet sein. Das drückende Teil64 erleichtert ebenfalls die elektrische Verbindung zwischen dem leitenden Höcker58 und der Steuerelektrode26 zum Erhalt des gleichen Vorteils wie bei der dritten Ausführungsform. - Ausführungsform 4
- Bezugnehmend auf
13 und14 wird eine Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hier beschrieben. Das Leistungsmodul4 der vierten Ausführungsform weist Komponenten ähnlich zu jenen der zweiten Ausführungsform auf, mit der Ausnahme, daß ein Steuer-IC-Chip nicht auf den Rumpfabschnitt40 der flexiblen Platine34 montiert ist zum Zuführen der Steuersignale zu den Steuerelektroden26 . Deshalb wird keine doppelte Beschreibung für die Komponenten gegeben, die ähnlich zu jenen der ersten Ausführungsform sind, welche mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet sind. - Während das Leistungsmodul
2 der zweiten Ausführungsform eine Mehrzahl der Steuer-IC-Chips66 aufweist, umfaßt das Leistungsmodul4 der vierten Ausführungsform keinen Steuer-IC-Chip zum Zuführen der Steuersignale zu den Steuerelektroden26 , sondern empfängt die Steuersignale von einer externen Steuerschaltung über den Verbinder44 zu den Leitungsabschnitten36 und den Steuerelektroden26 . - Gemäß der vierten Ausführungsform, kann deshalb ähnlich zu den vorstehenden Ausführungsformen die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls
4 verbessert werden durch Anschließen der Spitze38 des Leitungsabschnitts36 auf der Steuerelektrode26 des IGBT-Chips20 in einer einfachen und kollektiven Weise. - Wie oben bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, können die Leitungsabschnitte
36 so ausgelegt sein, daß sie sich von irgendeiner oder mehreren der Seiten, die den rechteckigen Rumpfabschnitt40 begrenzen, ausgehend erstrecken. Während beispielsweise13 ein Isolationssubstrat14 zeigt, das auf der linken Seite der flexiblen Platine34 angeordnet ist, kann somit ein anderes Isolationssubstrat auf der rechten Seite der flexiblen Platine34 vorgesehen sein, und eine Mehrzahl der Steuer-IC-Chips66 kann mit den Steuerelektroden26 der IGBT-Chips20 auf beiden Seiten der flexiblen Platinen kommunizieren. Dies verbessert wesentlich den Auslegungsspielraum des Leistungsmoduls. - Es sollte ebenfalls beachtet werden, daß der FWD-Chip (der zweite Halbleiterchip)
22 nicht eine wesentliche Komponente ist und weggelassen werden kann und daß der erste Halbleiterchip20 irgendein anderer Halbleiterchip sein kann, beispielsweise ein Bipolar-Darlington-Transistor, ein MOSFET oder ein Halbleiterchip mit einem Substrat aus SiC.
Claims (12)
- Halbleitervorrichtung mit: einem Gehäuse (
12 ), einem Isolationssubstrat (14 ), das innerhalb des Gehäuses (12 ) vorgesehen ist, einer Mehrzahl von Halbleiterchips (20 ,22 ), die auf das Isolationssubstrat (14 ) montiert sind, wobei jeder der Halbleiterchips (20 ,22 ) eine erste Chipelektrode zum Entgegennehmen eines Steuersignals aufweist, und einer flexiblen Platine (34 ), die durch das Gehäuse (12 ) unterstützt wird, welche einen Rumpfabschnitt (40 ) und eine Mehrzahl von Leitungsabschnitten (36 ), die sich von dem Rumpfabschnitt (40 ) aus erstrecken, aufweist, wobei jede der ersten Chipelektroden elektrisch mit dem entsprechenden der Leitungsabschnitte verbunden ist. - Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Chipelektrode und der Leitungsabschnitt elektrisch durch Lot verbunden sind.
- Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Chipelektrode oder der Leitungsabschnitt einen leitenden Höcker (
58 ) aufweisen. - Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die erste Chipelektrode und der Leitungsabschnitt elektrisch verbunden sind durch Drücken des Leitungsabschnitts zu der ersten Chipelektrode hin.
- Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Leitungsabschnitt ein Vorspannungsteil (
62 ) aufweist, zum Setzen des Leitungsabschnitts (36 ) unter eine Vorspannung zu der ersten Chipelektrode hin. - Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei der ein Druckteil (
64 ) vorgesehen ist auf dem Gehäuse zum Drücken des Leitungsabschnitts zu der ersten Chipelektrode hin. - Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Rumpfabschnitt (
40 ) eine rechteckige ebene Gestaltung aufweist, die durch vier Seiten begrenzt ist, und bei der eine Mehrzahl der Leitungsabschnitte (36 ) sich ausgehend von einer oder mehreren der Seiten des Rumpfabschnitts erstreckt. - Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die flexible Platine (
34 ) eine untere Oberfläche aufweist, die bündig mit einer oberen Oberfläche der ersten Chipelektrode angeordnet ist. - Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zumindest eine Steuerschaltung auf den Rumpfabschnitt montiert ist zum Zuführen des Steuersignals zu den ersten Chipelektroden.
- Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Halbleiterchip eine zweite Chipelektrode beinhaltet, über welche ein gesteuerter Strom fließt, wobei der gesteuerte Strom in Reaktion auf das Steuersignal gesteuert wird, und bei der eine Mehrzahl von langgestreckten Anschlußrahmen (
50 ) vorgesehen ist, die sich aus dem Gehäuse (12 ) heraus erstrecken, wobei jeder der langgestreckten Anschlußrahmen (50 ) elektrisch mit der entsprechenden der zweiten Chipelektroden verbunden ist. - Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, bei der der langgestreckte Anschlußrahmen (
50 ) einen Vorsprung zum elektrischen Verbinden mit der zweiten Chipelektrode aufweist. - Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der jeder der Halbleiterchips ein Chip mit einem Bipolartransistor mit einem isolierten Gate ist, und bei der eine Mehrzahl von Freilaufdiodenchips weiterhin auf das Isolationssubstrat montiert ist, wobei jeder der Freilaufdiodenchips umgekehrt parallel zu dem entsprechenden der Chips mit einem Bipolartransistor mit einem isolierten Gate geschaltet ist.
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