DE102007004005A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Sunao Funakoshi
Katsumi Ishikawa
Tasao Soga
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Abstract

Ein Leistungshalbleitermodul mit einer erhöhten Zuverlässigkeit gegenüber Wärmeermüdung beinhaltet ein Leistungshalbleiterelement, eine mit der Unterseite des Elements verbundene unterseitige Elektrode, ein erstes isolierendes Substrat, das mit der Oberseite der unterseitigen Elektrode verbunden ist und an seine beiden Oberflächen gebondete metallische Folien hat, eine mit der Oberseite des Leistungshalbleiterelements verbundene oberseitige Elektrode, ein zweites isolierendes Substrat, das mit der Oberseite der oberseitigen Elektrode verbunden ist und an seine beiden Oberflächen gebondete metallische Folien hat, eine mit der Unterseite des ersten isolierenden Substrats verbundene erste Wärmespreize und eine mit der Oberseite des zweiten isolierenden Substrats verbundene zweite Wärmespreize. Das Leistungshalbleiterelement und die ersten und zweiten isolierenden Substrate sind mit einem Harz abgedichtet.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul.
  • Um ein Leistungshalbleitermodul in kompakter Größe herzustellen, ist es notwendig, die Größe eines Leistungshalbleiterelements oder eines Kühlmechanismus zu minimieren. Für die Miniaturisierung des Leistungshalbleiterelements ist es erforderlich, dass das Element seinen Verlust reduziert. Für die Miniaturisierung des Kühlmechanismus ist es effektiv, zu ermöglichen, dass das Element bei hohen Temperaturen verwendet wird. Da jedoch die Miniaturisierung eine Zunahme der Wärmeerzeugungsdichte beinhaltet, ist eine effizientere Kühlung erforderlich. Die Verwendung des Elements bei hohen Temperaturen erfordert eine Zuverlässigkeit, die so hoch wie belastbar gegenüber Wärmeermüdung ist. Die JP-A-2003-17658 (Patentdokument 1) offenbart eine Struktur, bei der isolierende Substrate jeweils auf den oberen und unteren Oberflächen eines Leistungshalbleiters vorgesehen sind und Wärmesenken an beiden Seiten des Halbleiters vorgesehen sind, um den Halbleiter von seinen Ober- und Unterseiten zu kühlen (siehe 5 und 6, Absätze (0049)-(0056)).
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Stand der Technik von Patentdokument 1 beinhaltet die Einschränkung des Leistungshalbleiterelements von seinen Ober- und Unterseiten eine Zunahme der durch eine Temperaturänderung verursachten Verziehung, die dazu führt, dass eine auf das Element oder Lötmittel aufgebrachte Belastung mit einer reduzierten Zuverlässigkeit erhöht wird. Somit wird gefordert, Zuverlässigkeit sicherzustellen.
  • Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das eine erhöhte Zuverlässigkeit gegenüber Wärmeermüdung hat.
  • Ein Leistungshalbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Leistungshalbleiterelement, eine mit der Unterseite des Elements verbundene unterseitige Elektrode, ein erstes isolierendes Substrat, das mit der Unterseite der unterseitigen Elektrode verbunden ist und auf seinen beiden Oberflächen vorgesehene metallische Folien hat, eine mit der Oberseite des Leistungshalbleiterelements verbundene oberseitige Elektrode, ein zweites isolierendes Substrat, das mit der Oberseite der oberseitigen Elektrode verbunden ist und auf seinen beiden Oberflächen vorgesehene metallische Folien hat, eine mit der Unterseite des ersten isolierenden Substrats verbundene erste Wärmesenke und eine mit der Oberseite des zweiten isolierenden Substrats verbundene zweite Wärmesenke. Das Leistungshalbleiterelement, das erste isolierende Substrat und das zweite isolierende Substrat sind mit einem Harz abgedichtet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Leistungshalbleiterelement minimiert werden, das gesamte Leistungshalbleitermodul kann minimiert werden, und eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Wärmeermüdung kann sichergestellt werden.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
  • 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform 1;
  • 2A und 2B sind horizontale Querschnittsansichten des Leistungshalbleitermoduls der Ausführungsform 1;
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform 2;
  • 4 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform 3;
  • 5A und 5B sind horizontale Querschnittsansichten des Leistungshalbleitermoduls der Ausführungsform 3;
  • 6 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform 4;
  • 7A und 7B sind horizontale Querschnittsansichten des Leistungshalbleitermoduls der Ausführungsform 4; und
  • 8 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform 5.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
  • Ausführungsform 1:
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der Aus führungsform, und 2 zeigt eine horizontale Querschnittsansicht von diesem. Das Bezugszeichen 1 in 1 bezeichnet ein Leistungshalbleiterelement, wie zum Beispiel einen IGBT oder einen Leistungs-MOSFET, und die Ziffer 2 bezeichnet ein Leistungshalbleiterelement, wie zum Beispiel eine Freilaufdiode. Die Unterseiten des Leistungshalbleiterelements 1 und des Leistungshalbleiterelements 2 sind mit dazwischen angeordneten ersten Lötmitteln 3 und 4 an eine unterseitige Zuleitungselektrode 5 gebondet. Das Material der unterseitigen Zuleitungselektrode 5 kann aus Kupfer hergestellt sein. Wenn jedoch das Elektrodenmaterial aus einem Verbundmaterial (Cu-C) aus Kupfer und Kohlenstoff hergestellt ist, das einen kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat, kann eine Belastung bei den ersten Lötmitteln 3 und 4 oder bei einem zweiten Lötmittel 6, die durch thermische Verformung verursacht wird, entspannt werden, womit die Zuverlässigkeit erhöht wird. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Cu-C-Materials beträgt ungefähr 6 × 10-6/K, was kleiner als der lineare Ausdehnungskoeffizient 17 × 10-6/K von Kupfer ist. Ein unterseitiges isolierendes Substrat 8 ist aus einem Material wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumnitrid (Si3N4) oder Bornitrid (BN) hergestellt. Kupferfolien 7, 9 (oder Aluminiumfolien) werden vorher direkt auf beide Oberflächen des unterseitigen isolierenden Substrats 8 gebondet. Die Unterseite der unterseitigen Zuleitungselektrode 5 ist mit dem dazwischen angeordneten zweiten Lötmittel 6 auf eine Kupferfolie 7 gebondet, die auf der Oberseite des unterseitigen isolierenden Substrats 8 vorgesehen ist. Die auf der unteren Oberfläche des unterseitigen isolierenden Substrats 8 vorgesehene Kupferfolie 9 ist mit einem dazwischen angeordneten dritten Lötmittel 10 auf eine unterseitige Kupferbasis 11 (Wärmespreize) gebondet. Die unterseitige Kupferbasis 11 ist mittels eines nicht gezeigten Bolzens oder dergleichen mit einer unterseitigen Wärmesenke 13 verbunden und ist mit einem dazwischen angeordneten Schmiermittel 12 fest damit verbunden. Oder die obengenannte Verbindung kann unter Verwendung eines Lötmittels mit einem niedrigen Schmelzpunkt anstelle des Schmiermittels erreicht werden. Beispielsweise kann ein Lötmittel einer Sn-In-Basis oder einer Sn-Ag-Bi-Basis mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 100°C, der niedriger als jener des zweiten Lötmittels 6 ist, eingesetzt werden.
  • Die Oberseiten der Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 sind mit dazwischen angeordneten vierten Lötmitteln 14, 15 und 16 an oberseitige Zuleitungselektroden 17 und 18 gebondet. Das Material der oberseitigen Zuleitungselektroden 17 und 18 ist wie die unterseitige Zuleitungselektrode 5 auch aus einem Kupfermaterial oder einem Kupfer-Kohlenstoff-Verbundmaterial hergestellt. Ein oberseitiges isolierendes Substrat 23 ist aus einem Material aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumnitrid oder dergleichen ähnlich dem unterseitigen isolierenden Substrat 8 hergestellt. Das oberseitige isolierende Substrat 23 ist an seiner Unterseite an Kupferfolien 21 und 22 (oder Aluminiumfolien) und an seiner Oberseite an eine Kupferfolie 24 (oder Aluminiumfolie) gebondet. Die oberseitigen Zuleitungselektroden 17 und 18 sind mit dazwischen angeordneten fünften Lötmitteln 19 und 20 auf die Kupferfolien 21 und 22 gebondet, die auf der unteren Oberfläche des oberseitigen isolierenden Substrats 23 vorgesehen sind. Die Dicke der Teile der oberseitigen Zuleitungselektroden 17 und 18, die an die Oberseiten der Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 durch Lötmittel gebondet sind, ist so ausgeführt, dass sie größer als diejenige von deren anderen Teilen ist. Dies dient zum Zweck des Beibehaltens eines konstanten Abstands zwischen den oberen und unteren Elektroden, um ein mögliches Entladen zwischen den Elektroden zu vermeiden, die an ihren Enden sehr nahe beieinander liegen. Dieses Erfordernis wird hoch, weil insbesondere ein später zu erläuterndes Siliciumcarbid (SiC)-Element so ausgeführt ist, dass es sehr dünn ist.
  • Die Kupferfolie 24 auf der Oberseite des oberseitigen isolierenden Substrats 23 ist mit einem dazwischen angeordneten sechsten Lötmittel 25 an eine oberseitige Kupferbasis 26 gebondet. Die oberseitige Kupferbasis 26 ist mittels eines nicht gezeigten Bolzens oder dergleichen mit einer oberseitigen Wärmesenke 28 verbunden und ist mit einem dazwischen angeordneten Schmiermittel 27 auch fest damit verbunden. Auch in diesem Fall kann die obengenannte Verbindung unter Verwendung eines Lötmittels mit niedrigem Schmelzpunkt erreicht werden.
  • Alle oder einige der Oberflächen und Seitenflächen der Leistungshalbleiterelemente 1, 2, der isolierenden Substrate 8, 23, der Kupferfolien 7, 9, 21, 22, 24 (oder Aluminiumfolien) und der Zuleitungselektroden 5, 17, 18 sind mit weichem Harz, wie zum Beispiel Harz auf Polyimidbasis, Harz auf Polyamidimidbasis oder dergleichen, überzogen, um einen dünnen Film zu bilden. Nachdem die Struktur ausgehärtet oder fest geworden ist, wird sie mit einem Formharz 29 auf Epoxydbasis abgedichtet. Das Abdichten mit dem Harzmaterial kann ausgeführt werden, um eine Pressspritzformstruktur zu bilden. Wenn die Struktur mit dem weichen Harz, wie zum Beispiel Harz auf Polyimidbasis oder Polyamidimidbasis, zur Bildung eines dünnen Films bedeckt ist, kann eine auf die Elemente oder Lötmittel durch die Verformung des harten Harzes auf Epoxydbasis aufgebrachte Belastung entspannt werden. Als das Abdichtungsharz wird ein elektrisch isolierendes und thermisch leitendes Harz verwendet. Um die Wärmeausdehnung des Abdichtungsharzes klein zu machen, können einer oder mehr aus SiO2, SiC, BN, Si3N4, AlN oder Al2O3 in dem Harz als ein Füllstoff oder Füllstoffe vermischt werden. Wenn ein Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten in einem Bereich von 7 × 10-6/K bis 20 × 10-6/K und mit einem Young'schen Modul von 5 bis 20 GPa als das Harzmaterial auf Epoxydbasis verwendet wird, kann eine sehr hohe Zuverlässigkeit sichergestellt werden. Weiterhin kann, wenn ein bei hohen Temperaturen zu betreibendes Element, wie zum Beispiel ein später zu erläuterndes SiC-Element, eingesetzt wird, das Abdichten unter Verwendung eines Harzes mit einer Glasübergangstemperatur von nicht niedriger als 200°C, beispielsweise unter Verwendung eines Epoxydharzes mit hoher Wärmebeständigkeit, eines Polyphenylensulfidharzes, eines Polycarbonatharzes, eines Polyetherimidharzes oder dergleichen, erfolgen.
  • Ein Teil der unterseitigen Zuleitungselektrode 5 ist bis zur Außenseite des Formharzes 29 ausgedehnt, um einen Verbindungsanschluss einer Hauptstromquelle oder dergleichen zu bilden. Ein Teil der oberseitigen Zuleitungselektrode 17 ist auch bis zur Außenseite des Formharzes 29 ausgedehnt, um einen Verbindungsanschluss einer Motorverdrahtungsleitung zu bilden. Ein Teil der oberseitigen Zuleitungselektrode 18 ist auch bis zur Außenseite des Formharzes 29 ausgedehnt, um einen Steueranschluss eines Gates oder dergleichen zu bilden. Ein externes Signal zum Steuern des Betriebs des Leistungselements wird in den Steueranschluss eingegeben. Ein Kühlmedium fließt durch die unterseitigen und oberseitigen Wärmesenken 13 und 28 auf solche Weise, dass die Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 von ihren beiden Ober- und Unterseiten gekühlt werden. Eine Frostschutzlösung wird als das Kühlmedium verwendet. Das Material der ober- und unterseitigen Wärmesenken 13 und 28 ist Aluminium, Kupfer oder dergleichen. Wenn das Leistungshalbleiterelement von seinen Ober- und Unterseiten auf diese Weise gekühlt wird, kann das Modul einer hohen Wärmeerzeugungsdichte gewachsen sein und kann in kompakter Größe gemacht oder miniaturisiert werden. Die ober- und unterseitigen Wärmesenken 13 und 28 können in einigen Fällen ein Luftkühlungssystem mit einer Rippe zur Luftkühlung verwenden.
  • Es ist empfehlenswert, dass alle Lötmittel bleifreie Lötmittel sind. Als die ersten Lötmittel 3, 4 und die vierten Lötmittel 14, 15, 16 zum Bonden der Leistungshalbleiterelemente 1, 2 und der ober- und unterseitigen Zuleitungselektroden 5, 17, 18 werden Hochtemperaturlötmittel mit beispielsweise in diesen vermischten Kupferpartikeln und Zinnpartikeln verwendet. Auch als das zweite Lötmittel 6 zum Bonden der unterseitigen Zuleitungselektrode 5 und dem unterseitigen isolierenden Substrat 8 sowie die fünften Lötmittel 19, 20 zum Bonden der oberseitigen Zuleitungselektroden 17, 18 und des oberseitigen isolierenden Substrats 23 wird das gleiche Lötmittel wie oben erwähnt verwendet. Die Leistungshalbleiterelemente 1, 2, die ober- und unterseitigen Zuleitungselektroden 5; 17, 18 und die ober- und unterseitigen isolierenden Substrate 8, 23 sind durch Überziehen der Elemente, Elektroden und isolierenden Substrate mit der Lötmittelpaste, durch Aufeinanderstapeln von diesen und gleichzeitiges oder individuelles Erwärmen und Schmelzen von diesen aneinander gebondet. Als das dritte Lötmittel 10 zum Bonden des unterseitigen isolierenden Substrats 8 und der unterseitigen Kupferbasis 11 und als das sechste Lötmittel 25 zum Bonden des oberseitigen isolierenden Substrats 23 und der oberseitigen Kupferbasis 26 kann ein Lötmittel mit einem Schmelzpunkt oder einer Schmelztemperatur, der beziehungsweise die niedriger als jene der ersten, vierten, zweiten und fünften Lötmittel ist, beispielsweise ein bleifreies Sn-3Ag-0,5Cu-Lötmittel verwendet werden. Die dritten und sechsten Lötmittel 10 und 25 werden gleichzeitig oder getrennt abwechselnd für das Bonden erwärmt und geschmolzen. Zu diesem Zeitpunkt ist es erwünscht, einen Atmosphärenofen einzusetzen, der auch Zinn in den Hochtemperaturseitenlötmitteln schmilzt und der mit einem Vakuumofen für hohlraumlose Ausbildung kombiniert ist. Die Delaminierung des Harzes kann durch Vorsehen von Vertiefungen in den Oberflächen der Kupferbasen 11 und 26 vermieden werden. In diesem Fall werden, um die Vertiefungen nicht zu begraben, die Oberflächen der Kupferbasen 11 und 26 nicht mit Polyimid oder dergleichen überzogen.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 1 und 2A und 2B eine Erläuterung über eine ebene Ausgestaltung der Leistungshalbleiterelemente und so weiter in Verbindung mit einem Beispiel gegeben, bei dem ein IGBT-Element als das Leistungselement verwendet wird. 2A zeigt eine Querschnittsansicht des Moduls entlang einer Linie II-II in 1 und von seiner Unterseite gesehen, und 2B zeigt eine Querschnittsansicht des Moduls entlang der Linie II-II und von seiner Oberseite gesehen. Ein IGBT (Leistungshalbleiterelement 1) an dem rechten Ende von 2A ist so angeordnet, dass ein Strom von der unterseitigen Zuleitungselektrode 5 zu der oberseitigen Zuleitungselektrode 17 in 1 fließt. Mit anderen Worten ist der IGBT so angeordnet, dass eine Kollektorelektrode an seiner Unterseite und eine Emitterelektrode an seiner Oberseite vorgesehen ist. Eine Gate-Elektrode ist auch so angeordnet, dass sie an seiner Oberseite vorgesehen ist. Eine Freilaufdiode (Leistungshalbleiterelement 2) ist so angeordnet, dass eine Anode an ihrer Oberseite und eine Kathode an ihrer Unterseite vorgesehen ist. Ein IGBT-Element 101, das als das zweite Element von dem rechten Ende der 2A vorgesehen ist, ist so angeordnet, dass ein Strom von seiner Oberseite zu der Unterseite fließt. Mit anderen Worten ist eine Kollektorelektrode des IGBTs an seiner Oberseite und eine Emitterelektrode an seiner Unterseite vorgesehen. Eine Gate-Elektrode des IGBTs ist auch an seinem unteren Ende vorgesehen. Eine Diode 102 ist so angeordnet, dass eine Anode an ihrem unteren Ende und eine Kathode an ihrer Oberseite vorgesehen ist. In 2B sind die oberseitige emitterseitige Zuleitungselektrode des Leistungshalbleiterelements 1 und eine kollektorseitige Zuleitungselektrode des IGBT-Elements 101 gemeinsam mit der oberseitigen Zuleitungselektrode verbunden. Mit einer solchen Anordnung kann, da die Elemente in einem kleinen Raum angeord net werden können, das Modul kompakt gemacht werden. Das Leistungshalbleiterelement ist so ausgeführt worden, dass es bei diesem Beispiel eine rechteckige Form hat. Jedoch kann zur Vermeidung einer Belastungskonzentration an Eckteilen die Form des Elements runde Ecken haben. Sogar wenn das Element so ausgebildet ist, dass es eine kreisförmige Form hat, kann eine Belastungskonzentration an seinen Ecken verhindert werden.
  • Das Leistungshalbleiterelement kann aus Silicium (Si) hergestellt sein. Wenn das Leistungshalbleiterelement aus einem Halbleiter mit breitem Spalt, wie zum Beispiel Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) hergestellt ist, kann das Element jedoch bei höheren Temperaturen verwendet werden, und somit kann das Element oder sein Modul kompakter gemacht werden. Da eine Verlustzunahmerate in Bezug auf einen Temperaturanstieg bei der SiC-Charakteristik groß ist, kann ein Temperatursensor beispielsweise auf dem isolierenden Substrat vorgesehen sein, um thermische Zerstörung zu verhindern.
  • Obwohl bei der vorhergehenden Erläuterung zum Zwecke der Erläuterung die Ausdrücke "oberseitig" und "unterseitig" verwendet worden sind, kann das Element in horizontaler Richtung oder in einer anderen Richtung angeordnet sein. Wenn das Element beispielsweise in der horizontalen Richtung angeordnet ist, können "oberseitig" und "unterseitig" durch "rechtsseitig" und "linksseitig" ersetzt sein.
  • Da bei der vorliegenden Ausführungsform das Leistungshalbleiterelement von seinen Ober- und Unterseiten gekühlt wird, kann die starke Kühlung auf ein Leistungshalbleiterelement mit einer hohen Wärmeerzeugungsdichte angewandt werden. Als ein Ergebnis kann das Leistungshalbleiterelement kompakt gemacht werden, und somit kann das gesamte Leistungshalbleitermodul kompakt gemacht werden. Da das Überziehen mit dem weichen Harz, wie zum Beispiel Harz auf Polyimidbasis oder Harz auf Polyamidimidbasis, und die Pressspritzformstruktur durch das Harz auf Epoxydbasis ermöglichen, dass die Belastungskonzentration auf den Elementen oder dem Lötmittel entspannt wird, kann eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Wärmeermüdung und so weiter sichergestellt werden.
  • Ausführungsform 2:
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß dieser Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Unterseiten der Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 an die Kupferfolie 7 des isolierenden Substrats gebondet. Die Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 sind mit den dazwischen angeordneten ersten Lötmitteln 3 und 4 an die Kupferfolie 7 gebondet. Ein plattenartiges Verbindungselement 40 aus Kupfer ist mit einem dazwischen angeordneten Lötmittel 42 mit der Kupferfolie 7 verbunden, und das Verbindungselement 40 wiederum ist mit einem dazwischen angeordneten Lötmittel 43 mit einem Elektrodenanschluss 41 verbunden. Die weitere Anordnung ist ähnlich derjenigen in der Ausführungsform 1, und somit wird auf deren Erläuterung verzichtet.
  • Als die vierten Lötmittel 14 und 15 zum Bonden der Leistungshalbleiterelemente 1, 2 und der oberseitigen Zuleitungselektroden 17, 18 wird ein Hochtemperaturlötmittel beispielsweise mit in diesem vermischten Kupferpartikeln und Zinnpartikeln verwendet. Sogar für die ersten Lötmittel 3, 4 zum Bonden der Leistungshalbleiterelemente 1, 2 und dem unterseitigen isolierenden Substrat 8 sowie die fünften Lötmittel 19, 20 zum Bonden der Zuleitungselektroden 17, 18 und des oberseitigen isolierenden Substrats 23 wird das gleiche Hochtemperaturlötmittel verwendet. Die Leistungshalbleiterelemente 1, 2, die oberseitigen Zuleitungselektroden 17, 18 und die ober- und unterseitigen isolierenden Substrate 8, 23 sind durch Aufbringen einer Lötmittelpaste auf die Elemente, Elektroden und Substrate, Zusammenstapeln von diesen, gleichzeitiges oder individuelles Erwärmen und dann Schmelzen von diesen aneinander gebondet. Als das dritte Lötmittel 10 zum Bonden des unterseitigen isolierenden Substrats 8 und der unterseitigen Kupferbasis 11; das sechste Lötmittel 25 zum Bonden des oberseitigen isolierenden Substrats 23 und der oberseitigen Kupferbasis 26 und die Lötmittel 42, 43 zum Bonden der Elektrodenanschlüsse wird ein Lötmittel mit einem Schmelzpunkt, der niedriger als derjenige der ersten Lötmittel 3, 4 und der vierten Lötmittel 14, 15, 16 und der fünften Lötmittel 19, 20 ist, beispielsweise ein bleifreies Lötmittel aus Sn-3Ag-0,5Cu verwendet. Das Bonden erfolgt durch gleichzeitiges oder individuelles Erwärmen und Schmelzen des dritten Lötmittels 10, des sechsten Lötmittels 25 und der Lötmittel 42, 43.
  • Da bei der vorliegenden Ausführungsform das Elektrodenelement nicht an der Unterseite verwendet wird, kann ein Wärmewiderstand klein gemacht werden, können das Leistungselement und somit das gesamte Leistungshalbleitermodul kompakter gemacht werden.
  • Ausführungsform 3:
  • 4 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß dieser Ausführungsform, und 5A und 5B zeigen horizontale Querschnittsansichten von diesem. Insbesondere ist 5A eine Querschnittsansicht entlang einer Linie V-V in 4 und gesehen von ihrer Unterseite, und 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V und gesehen von ihrer Oberseite. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Unterseiten des Leistungshalbleiterelements 1 und 2 an die Kupferfolie 7 des unterseitigen isolierenden Substrats gebondet. Die Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 sind mit den dazwischen angeordneten ersten Lötmitteln 3 und 4 an die Kupferfolie 7 gebondet. Unterdessen sind die Oberseiten der Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 an die an das oberseitige isolierende Substrat 23 gebondeten Kupferfolien 21 und 22 gebondet. Die Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 und die Kupferfolien 21 und 22 sind mit den vierten Lötmitteln 14, 15 und 16 zusammen gebondet. Das plattenförmige Verbindungselement 40 aus Kupfer oder dergleichen ist über das dazwischen angeordnete Lötmittel 42 mit der Kupferfolie 7 verbunden, und das Verbindungselement 40 ist über das dazwischen angeordnete Lötmittel 43 mit dem Elektrodenanschluss 41 verbunden. Ein plattenförmiges Verbindungselement 44 aus Kupfer oder dergleichen ist über ein dazwischen angeordnetes Lötmittel 47 mit einer Kupferfolie 21 verbunden. Ein plattenförmiges Verbindungselement 48 aus Kupfer oder dergleichen ist über ein dazwischen angeordnetes Lötmittel 50 mit einer Kupferfolie 22 verbunden, und das Verbindungselement 48 ist über ein dazwischen angeordnetes Lötmittel 51 mit einem Elektrodenanschluss 49 verbunden. Die Dicke eines Teils der an das oberseitige isolierende Substrat 23 gebondeten Kupferfolie, der beinahe an dem oberen Teil des Leistungshalbleiterelements an das Lötmittel gebondet ist, ist so ausgeführt, dass sie größer als diejenige von deren anderen Teilen ist. Dies dient zum Zweck des Beibehaltens eines konstanten Abstands zwischen den oberen und unteren Elektroden, um ein Entladen zwischen den Elektroden zu vermeiden, die an ihren Enden sehr nahe beieinander liegen. Wenn die Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 eine ausreichend große Dicke haben, kann das Erfordernis, insbesondere die Dicken der Kupferfolien 21 und 22 an den Elementteilen zu ändern, eliminiert werden. Um Interferenz zwischen den Verbindungselementen 40 und 48 zu vermeiden, werden weiterhin die Größe des unterseitigen isolierenden Substrats 8 und die Größe des oberseitigen isolierenden Substrats 23 geändert.
  • Als die vierten Lötmittel 14, 15 und 16 zum Bonden der Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 und des oberseitigen isolierenden Substrats 23 wird ein Hochtemperaturlötmittel mit beispielsweise in diesem vermischten Kupfer- und Zinnpartikeln verwendet. Sogar für die ersten Lötmittel 3, 4 zum Bonden der Leistungshalbleiterelemente 1, 2 und dem unterseitigen isolierenden Substrat 8 wird das gleiche Hochtemperaturlötmittel verwendet. Das Bonden wird durch Aufbringen einer Lötmittelpaste auf die Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 und die ober- und unterseitigen isolierenden Substrate 8 und 23, Zusammenstapeln von diesen, gleichzeitiges oder individuelles Erwärmen und dann Schmelzen von diesen durchgeführt. Als das dritte Lötmittel 10 zum Bonden des unterseitigen isolierenden Substrats 8 und der unterseitigen Kupferbasis 11, das sechste Lötmittel 25 zum Bonden des oberseitigen isolierenden Substrats 23 und der oberseitigen Kupferbasis 26 und die Lötmittel 42, 43, 46, 47, 50, 51 zum Bonden der Elektrodenanschlüsse wird ein Lötmittel mit einem Schmelzpunkt, der niedriger als jene der ersten Lötmittel 3, 4 und der vierten Lötmittel 14, 15, 16 ist, beispielsweise ein bleifreies Lötmittel aus Sn-3Ag-0,5Cu verwendet. Das Bonden erfolgt durch gleichzeitiges oder individuelles Erwärmen und Schmelzen des dritten Lötmittels 10, des sechsten Lötmittels 25 und der Lötmittel 42, 43, 46, 47, 50, 51.
  • Da bei der vorliegenden Ausführungsform die an die ober- und unterseitigen isolierenden Substrate 8 und 23 gebondeten Kupferfolien als die Elektroden verwendet werden, kann ein Wärmewiderstand klein gemacht und das Leistungshalbleitermodul kompakt ausgeführt werden.
  • Ausführungsform 4:
  • 6 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß dieser Ausführungsform, und 7A und 7B zeigen horizontale Querschnittsansichten von diesem. Insbesondere ist 7A die Querschnittsansicht entlang einer Linie VII-VII in 6 und von seiner Unterseite gesehen, und 7B ist die Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII und von seiner Oberseite gesehen. Da seine grundlegende Struktur ähnlich jener der Ausführungsform 3 ist, werden nur zwischen den Ausführungsformen unterschiedliche Teile erläutert.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist zum Zweck des weiteren Reduzierens eines Montageoberflächenbereichs eine Kerbe in einem Teil des unterseitigen isolierenden Substrats 8 und in einem Teil des oberseitigen isolierenden Substrats 23 vorgesehen. Da als ein Ergebnis Interferenz zwischen den Verbindungselementen 40 und 48 der ober- und unterseitigen Elektroden vermieden werden kann, kann die Größe des isolierenden Substrats weiter reduziert werden. Dementsprechend kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Leistungshalbleitermodul kompakter ausgeführt werden.
  • Ausführungsform 5:
  • 8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß dieser Ausführungsform. In 8 ist die auf dem isolierenden Substrat 8 vorgesehene Kupferfolie 7 (Aluminiumfolie) mit dem dazwischen angeordneten ersten Lötmittel 3 und 4 an die Unterseiten der Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 gebondet. Das isolierende Substrat 8 ist aus einem Material wie zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliciumnitrid (SiN) hergestellt. Die Kupferfolien 7, 53, 56 (oder Aluminiumfolien) werden vorher direkt auf die obere Oberfläche des isolierenden Substrats 8 gebondet, und die Kupferfolie 9 (Aluminiumfolie) wird vorher direkt auf die untere Oberfläche des isolierenden Substrats 8 gebondet.
  • Die auf der unteren Oberfläche des unterseitigen isolierenden Substrats 8 vorgesehene Kupferfolie 9 und die unterseitige Kupferbasis 11 sind mit dem dazwischen angeordneten dritten Lötmittel 10 zusammen gebondet. Die unterseitige Kupferbasis 11 ist mittels eines Bolzens oder dergleichen mit der unterseitigen Wärmesenke 13 verbunden und ist über das dazwischen angeordnete Schmiermittel 12 fest damit verbunden. Die Oberseite der Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 ist mit dazwischen angeordneten vierten Lötmitteln 14, 15 und 16 an oberseitige Zuleitungselektroden 52 und 55 gebondet. Die oberseitigen Zuleitungselektroden 52 und 55 sind aus Kupfer oder einem Kupfer-Kohlenstoff-Verbundmaterial hergestellt. Die oberseitige Zuleitungselektrode 52 ist weiterhin mit einem dazwischen angeordneten Lötmittel 54 an eine Kupferfolie 53 gebondet, die auf dem isolierenden Substrat 8 vorgesehen ist. Ein Elektrodenbondingelement 57 ist mit einem dazwischen angeordneten Lötmittel 60 an die Kupferfolie 53 gebondet, und das Elektrodenbondingelement 57 ist mit einem dazwischen angeordneten Lötmittel 61 auch mit einem Elektrodenanschluss 58 verbunden. Eine weitere oberseitige Zuleitungselektrode 55 ist mit einem dazwischen angeordneten Lötmittel an eine Kupferfolie 56 gebondet, die auf dem isolierenden Substrat 8 vorgesehen ist. Ein Elektrodenbondingelement 62 ist mit einem dazwischen angeordneten Lötmittel 64 an die Kupferfolie 56 gebondet, und das Elektrodenbondingelement 62 ist mit einem dazwischen angeordneten Lötmittel 65 auch an einen Anschluss 63 gebondet.
  • Ein elektrisch isolierendes Harzmaterial 66 mit einer relativ großen Wärmeleitfähigkeit steht in festem Kontakt mit den Oberseiten der oberseitigen Zuleitungselektroden 52 und 55, und die Kupferbasis 26 ist als eine zweite Wärmespreize auf der oberen Oberfläche des Harzmaterial 66 vorgesehen. Die oberseitige Kupferbasis 26 ist als die zweite Wärmespreize mittels eines Bolzens oder dergleichen mit der oberseitigen Wärmesenke 28 verbunden und ist über das dazwischen angeordnete Schmiermittel 27 fest damit verbunden. Mit einer derartigen Anordnung wird in dem Leistungselement erzeugte Wärme effektiv durch die Zuleitungselektrode in die unterseitige Wärmespreize und auch durch das Harzmaterial 66 in die oberseitige Wärmespreize übertragen.
  • Eine Pressspritzformstruktur durch das Formharz 29 ist um die Leistungshalbleiterelemente 1 und 2 herum ausgebildet. Insbesondere sind alle oder einige der Oberflächen und Seitenflächen der Leistungshalbleiterelemente 1, 2, des isolierenden Substrats 8, der auf das isolierende Substrat gebondeten Kupferfolien 7, 53, 56 mit einem dünnen Film aus weichem Harz, wie zum Beispiel Harz auf Polyimidbasis oder einem Harz auf Polyamidimidbasis, bedeckt. Nachdem die resultierende Struktur ausgehärtet ist, wird sie mit Epoxydharz abgedichtet, um eine Pressspritzformstruktur zu bilden. Da die Struktur mit einem dünnen Film aus weichem Harz, wie zum Beispiel Harz auf Polyimidbasis oder Harz auf Polyamidimidbasis, bedeckt ist, kann eine auf das Element aufgebrachte Belastung, die durch die Verformung des Harzes auf Epoxydhasis aufgrund einer Temperaturänderung verursacht wird, entspannt werden.
  • Da gemäß der vorliegenden Erfindung das Leistungshalbleiterelement von seinen Ober- und Unterseiten gekühlt wird, kann eine effektive Kühlung sogar auf ein Leistungshalbleiterelement mit einer hohen Wärmeerzeugungsdichte angewandt werden, und somit kann das gesamte Leistungshalbleitermodul kompakt gemacht werden. Weiterhin kann wegen des Überziehens mit dem weichen Harz, wie zum Beispiel Harz auf Polyimidbasis oder Harz auf Polyamidimidbasis, und auch wegen der Pressspritzformstruktur durch Harz auf Epoxydbasis eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Wärmeermüdung oder dergleichen sichergestellt werden, während die Aufbringung einer großen Belastung auf das Leistungshalbleiterelement etc. vermieden wird.
  • Merkmale, Komponenten und spezielle Einzelheiten der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die für die jeweilige Anwendung optimiert sind. Soweit jene Modifikationen für einen Fachmann leicht ersichtlich sind, sollen sie implizit durch die obige Beschreibung offenbart sein, ohne zum Zweck Prägnanz der vorliegenden Beschreibung jede mögliche Kombination explizit zu spezifizieren.
  • Es sollte weiterhin durch den Fachmann verstanden werden, dass, obwohl die vorhergehende Beschreibung über Ausführungsformen der Erfindung erfolgt ist, die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne dass von der Erfindung und dem Umfang der beigefügten Ansprüche abgewichen wird.

Claims (19)

  1. Leistungshalbleitermodul mit: einem Leistungshalbleiterelement (1, 2); einer mit einer Unterseite des Leistungshalbleiterelements verbundenen unterseitigen Elektrode (5); einem ersten isolierenden Substrat (8), das mit einer Unterseite der unterseitigen Elektrode verbunden ist und an seine beiden Oberflächen gebondete metallische Folien (7, 9) hat; einer mit einer Oberseite des Leistungshalbleiterelements verbundenen oberseitigen Elektrode (17, 18); einem zweiten isolierenden Substrat (23), das mit einer Oberseite der oberseitigen Elektrode verbunden ist und auf seinen beiden Oberflächen gebondete metallische Folien (21, 22, 24) hat; einer mit einer Unterseite des ersten isolierenden Substrats verbundenen ersten Wärmespreize (11); und einer mit einer Oberseite des zweiten isolierenden Substrats verbundenen zweiten Wärmespreize (26), wobei das Leistungshalbleiterelement, das erste isolierende Substrat und das zweite isolierende Substrat mit Harz abgedichtet sind.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei eine Dicke eines Teils der an den oberen Teil des Leistungshalbleiterelements (1, 2) gebondeten oberseitigen Elektrode (17, 18) größer als diejenige eines Teils der nicht an den oberen Teil des Leistungshalbleiterelements gebondeten oberseitigen Elektrode ist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei zumindest irgendeine der oberseitigen Elektrode (17, 18) und der unterseitigen Elektrode (5) aus einem Kupfer-Kohlenstoff-Verbundmaterial (Cu-C) hergestellt ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei ein Hochtemperaturlötmittel mit in diesem vermischten Kupfer- und Zinnpartikeln als ein Lötmittel (3, 4) zum Bonden des Leistungshalbleiterelements (1, 2) und der oberseitigen Elektrode (17, 18) oder der unterseitigen Elektrode (5) und als ein Lötmittel (19, 20) zum Bonden der oberseitigen Elektrode (17, 18) oder der unterseitigen Elektrode (5) und des ersten oder zweiten isolierenden Substrats (8, 23) verwendet wird und ein Lötmittel mit einer Schmelztemperatur, die niedriger als jene des Hochtemperaturlötmittels ist, als ein Lötmittel (10, 25) zum Bonden des ersten oder zweiten isolierenden Substrats (8, 23) und der ersten oder zweiten Wärmespreize (11, 26) verwendet wird.
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das erste isolierende Substrat eine von dem zweiten isolierenden Substrat unterschiedliche Form hat und die angrenzenden Leistungshalbleiterelemente so angeordnet sind, dass durch die angrenzenden Leistungshalbleiterelemente und durch das erste isolierende Substrat fließende Ströme eine zueinander entgegengesetzte Richtung haben.
  6. Leistungshalbleitermodul mit: einem Leistungshalbleiterelement (1, 2); einem ersten isolierenden Substrat (8), das mit einer Unterseite des Leistungshalbleiterelements verbunden ist und an seine beiden Oberflächen gebondete metallische Folien (7, 9) hat; einer mit einer Oberseite des Leistungshalbleiterelements verbundenen oberseitigen Elektrode (17, 18); einem zweiten isolierenden Substrat (23), das mit einer Oberseite der oberseitigen Elektrode verbunden ist und auf seine beiden Oberflächen gebondete metallische Folien (21, 22, 24) hat; einer mit einer Unterseite des ersten isolierenden Substrats verbundenen ersten Wärmespreize (11); und einer mit einer Oberseite des zweiten isolierenden Substrats verbundenen zweiten Wärmespreize (26), wobei das Leistungshalbleiterelement, das erste isolierende Substrat und das zweite isolierende Substrat mit Harz abgedichtet sind.
  7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, wobei eine Dicke eines Teils der an den oberen Teil des Leistungshalbleiterelements gebondeten oberseitigen Elektrode größer als diejenige eines Teils der nicht an den oberen Teil des Leistungshalbleiterelements gebondeten oberseitigen Elektrode ist.
  8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, wobei zumindest die oberseitige Elektrode aus einem Kupfer-Kohlenstoff-Verbundmaterial (Cu-C) hergestellt ist.
  9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, wobei ein Hochtemperaturlötmittel mit in diesem vermischten Kupfer- und Zinnpartikeln als ein Lötmittel (14, 15, 16) zum Bonden des Leistungshalbleiterelements (1, 2) und der oberseitigen Elektrode (17, 18) und als ein Lötmittel (19, 20) zum Bonden der oberseitigen Elektrode (19, 20) und der an das zweite isolierende Substrat (23) gebondeten metallischen Folie (21, 22) verwendet wird, ein Lötmittel mit einer Schmelztemperatur, die niedriger als diejenige des Hochtemperaturlötmittels ist, als ein Lötmittel (10, 25) zum Bonden des ersten oder zweiten isolierenden Substrats (8, 23) und der ersten oder zweiten Wärmespreize (11, 26) verwendet wird.
  10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, wobei das erste isolierende Substrat eine von dem zweiten isolierenden Substrat unterschiedliche Form hat und die auf dem ersten isolierenden Substrat vorgesehenen angrenzenden Leistungshalbleiterelemente so angeordnet sind, dass durch die angrenzenden Leistungshalbleiterelemente fließende Ströme eine zueinander entgegengesetzte Richtung haben.
  11. Leistungshalbleitermodul mit: einem Leistungshalbleiterelement (1, 2); einem ersten isolierenden Substrat (8), das mit einer Unterseite des Leistungshalbleiterelements verbunden ist und an seine beiden Oberflächen gebondete metallische Folien (7, 9) hat; einem zweiten isolierenden Substrat (23), das mit einer Oberseite des Leistungshalbleiterelements verbunden ist und auf seine beiden Oberflächen gebondete metallische Folien (21, 22, 24) hat; einer mit einer Unterseite des ersten isolierenden Substrats verbundenen ersten Wärmespreize (11); und einer mit einer Oberseite des zweiten isolierenden Substrats verbundenen zweiten Wärmespreize (26), wobei eine Dicke eines Teils der an das zweite isolierende Substrat gebondeten metallischen Folie, der an das Leistungshalbleiterelement gebondet ist, größer als eine Dicke eines Teils der nicht an den oberen Teil des Leistungshalbleiterelements gebondeten metallischen Folie ist und das Leistungshalbleiterelement, das erste isolierende Substrat und das zweite isolierende Substrat mit Harz abgedichtet sind.
  12. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 11, wobei ein Hochtemperaturlötmittel mit in diesem vermischten Kupfer- und Zinnpartikeln als ein Lötmittel (6) zum Bonden des Leistungs halbleiterelements (1, 2) und der an das erste isolierende Substrat (8) gebondeten metallischen Folie (7) und als ein Lötmittel (19, 20) zum Bonden des Leistungshalbleiterelements (1, 2) und der an das zweite isolierende Substrat (23) gebondeten metallischen Folie (21, 22) verwendet wird und ein Lötmittel mit einer Schmelztemperatur, die niedriger als diejenige des Hochtemperaturlötmittels ist, als ein Lötmittel (10, 25) zum Bonden des ersten oder zweiten isolierenden Substrats (8, 23) und der ersten oder zweiten Wärmespreize (11, 26) verwendet wird.
  13. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 11, wobei das erste isolierende Substrat, das mit der Unterseite des Leistungshalbleiterelements verbunden ist und die an seine beiden Oberflächen gebondeten metallischen Folien hat, eine von dem zweiten isolierenden Substrat, das mit der Oberseite des Leistungshalbleiterelements verbunden ist und die auf seine beiden Oberflächen gebondeten metallischen Folien hat, unterschiedliche Form hat und die auf dem ersten isolierenden Substrat vorgesehenen angrenzenden Leistungshalbleiterelemente so angeordnet sind, dass durch die Leistungshalbleiterelemente fließende Ströme eine zueinander entgegengesetzte Richtung haben.
  14. Leistungshalbleitermodul mit: einem Leistungshalbleiterelement (1, 2); einem ersten isolierenden Substrat (8), das mit einer Unterseite des Leistungshalbleiterelements verbunden ist und an seine beiden Oberflächen gebondete metallische Folien (7, 9) hat; einer mit einer Oberseite des Leistungshalbleiterelements verbundenen oberseitigen Elektrode (17, 18); einer mit einer Unterseite des ersten isolierenden Substrats verbundenen ersten Wärmespreize (11); und einer mit einem elektrisch isolierenden Harzmaterial an eine Oberseite der oberseitigen Elektrode gebondeten zweiten Wärmespreize (26), wobei das Leistungshalbleiterelement und das erste isolierende Substrat mit Harz abgedichtet sind.
  15. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 14, wobei das Harz zum Abdichten des Leistungshalbleiterelements und des ersten isolierenden Substrats ein Harz auf Epoxydbasis ist.
  16. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 15, wobei das Leistungshalbleiterelement, die metallische Folie des ersten isolierenden Substrats und die oberseitige Elektrode mit einem Harz auf Polyimidbasis oder einem Harz auf Polyamidimidbasis bedeckt sind.
  17. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 16, wobei das Epoxydharz einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 7 × 10-6/K bis 20 × 10-6/K hat und einen Young'schen Modul von 5Gpa bis 20Gpa aufweist.
  18. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 14, wobei das Leistungshalbleiterelement ein Siliciumcarbidelement ist.
  19. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 14, wobei das Leistungshalbleiterelement ein Galliumnitridelement ist.
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