DE102007015534A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents
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Abstract
Ein
Leistungshalbleitermodul der vorliegenden Erfindung weist auf: einen
Kühlkörper (1);
ein Schaltungssubstrat (2), das auf den Kühlkörper (1) montiert ist; ein
Leitungsmuster (10), das auf dem Schaltungssubstrat (2) vorgesehen
ist; eine Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante
(11), welche das Leitungsmuster (10) bedeckt; ein Gehäuse (7),
das auf dem Kühlköper (1)
so vorgesehen ist, dass es das Schaltungssubstrat (2) umschließt; und
einen weichen Isolator (9), der den Raum innerhalb des Gehäuses (7)
ausfüllt.
Die Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (11) ist vorzugsweise
aus Silikongummi, Polyimid oder Epoxidharz ausgebildet.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul, in dem zur Erreichung einer längeren Betriebsdauer eine Partialentladung reduziert ist.
- Ein bekanntes Leistungshalbleitermodul, wie jenes, das in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-76197 - Wenn das Leistungshalbleitermodul bei einer Hochspannung verwendet wird, kann innerhalb des Moduls eine Partialentladung an einem Abschnitt auftreten, dessen Potential schwebt, was in einem Versagen der Isolation resultiert. Es wurde herausgefunden, daß Ansteuerschaltungssubstrate mit Elektroden auf beiden Seiten und einer komplizierten Gestalt besonders anfällig für Partialentladungen sind.
- Die vorliegende Erfindung wurde ersonnen zum Lösen des obigen Problems. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, in dem eine Partialentladung verringert ist zum Erreichen einer längeren Betriebsdauer.
- Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 und Anspruch 4.
- Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung weist ein Leistungshalbleitermodul der vorliegenden Erfindung auf: einen Kühlkörper; ein Schaltungssubstrat, das auf den Kühlkörper montiert ist; ein Leitungsmuster, das auf dem Schaltungssubstrat vorgesehen ist; eine Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, welche das Leitungsmuster bedeckt; ein Gehäuse, das auf dem Kühlkörper so vorgesehen ist, daß es das Schaltungssubstrat umschließt; und einen weichen Isolator, der den Raum innerhalb des Gehäuses ausfüllt. Die Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante ist vorzugsweise aus Silikongummi, Polyimid oder Epoxidharz ausgebildet.
- Die vorliegende Erfindung gestattet eine Verringerung der Partialentladung innerhalb eines Leistungshalbleitermoduls, was in einer verlängerten Betriebsdauer resultiert.
- Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine Draufsicht des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 eine Äquivalenzschaltung eines Schaltungsblocks in dem in2 gezeigten Leistungshalbleitermodul; -
4 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts A, der in1 gezeigt ist; -
5 eine Draufsicht auf ein Ansteuerschaltungssubstrat gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
6 eine Draufsicht auf ein Ansteuerschaltungssubstrat gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
7 eine Draufsicht auf ein Ansteuerschaltungssubstrat gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Erste Ausführungsform
-
1 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und2 ist eine Draufsicht des Moduls. Dieses Leistungshalbleitermodul weist eine Mehrzahl von Schaltungsblöcken auf, von denen jeder eine Mehrzahl von parallel geschalteten IGBTs enthält, welche sich einen gemeinsamen Kollektoranschluß, einen gemeinsamen Emitteranschluß und einen gemeinsamen Gateanschluß teilen zum Erreichen einer hohen elektrischen Widerstandsfähigkeit und eines Betriebs bei hohem Strom. Zum Beispiel zeigt3 eine Äquivalenzschaltung solch eines Schaltungsblocks. - Bezugnehmend auf
1 und2 sind auf eine Metall-Grundplatte1 (einen Kühlkörper) Ansteuerschaltungssubstrate2 (Schaltungssubstrate), Leistungshalbleiterschaltungssubstrate3 und Vereinigungsschaltungssubstrate13 montiert. Jedes Schaltungssubstrat beinhaltet ein isolierendes Substrat aus einem Keramikmaterial etc. und ein Leitungs- (oder Elektroden-)Muster10 aus Kupfer oder Aluminium etc., welches auf beiden Seiten des isolierenden Substrats ausgebildet ist. Leistungshalbleitervorrichtungen (Chips)4 , wie zum Beispiel Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs)4a und Freilaufdioden4b , sind auf dem Leitungsmuster jedes Leistungshalbleiterschaltungssubstrats3 durch ein leitendes Haftteil, wie zum Beispiel Lot, befestigt. Andererseits sind Chipwiderstände14 auf dem Leitungsmuster jedes Ansteuerschaltungssubstrats2 durch ein leitendes Haftteil, wie zum Beispiel Lot, befestigt. Die Elektroden der Leistungshalbleitervorrichtungen4 (nämlich der Emitter und das Gate jedes IGBT4a und die Anode jeder Freilaufdiode4b ) sind elektrisch mit ihren entsprechenden Ansteuerschaltungssubstraten2 oder Vereinigungsschaltungssubstraten13 über Drähte5 aus Al, etc. elektrisch verbunden. Genauer gesagt sind die Emitterelektroden der IGBTs4a und die Anodenelektroden der Freilaufdioden4b mit dem Leitungsmuster10 der entsprechenden Vereinigungsschaltungssubstrate13 über Drähte5 verbunden, während die Gateelektroden der IBGTs4a mit dem Leitungsmuster10 ihrer entsprechenden Ansteuerschaltungssubstrate2 durch Drähte5 verbunden sind. Auf jedem Leistungshalbleiterschaltungssubstrat3 sind die Kathodenelektroden der Freilaufdioden4b mit dem Kollektor ihres entsprechenden IGBT4a über das Leitungsmuster10 verbunden. Ein Plastikgehäuse7 ist auf der Grundplatte1 so vorgesehen, daß es die Ansteuerschaltungssubstrate2 , die Leistungshalbleiterschaltungssubstrate3 und die Vereinigungsschaltungssubstrate13 umschließt. An der Oberseite des Gehäuses7 ist ein Deckel8 angeordnet. Weiterhin ist der Raum innerhalb des Gehäuses7 mit einem Silikongel9 (weicher Isolator) ausgefüllt, um das Gehäuse7 luftdicht zu machen und die Komponenten darin zu isolieren. Weiterhin beinhaltet jedes Schaltungssubstrat eine Elektrodenanschluß-Befestigungsregion15 , auf der Elektrodenanschlüsse (in den Figuren nicht gezeigt) montiert sind zum Ermöglichen einer elektrischen Verbindung zu externen Vorrichtungen. Es sollte bemerkt werden, daß, obwohl bei dem obigen Beispiel die Leistungshalbleiterschaltungssubstrate3 und die Verbindungsschaltungssubstrate13 getrennt vorgesehen sind, sie zu einem einzigen isolierenden Substrat zusammengelegt werden können, das getrennte Leitungsmuster-Ausbildungsregionen für Leistungshalbleiterschaltungen und für Verbindungsschaltungen trägt. -
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts A (d.h. eines Ansteuerschaltungssubstrates2 ), der in1 gezeigt ist. Ein Leitungsmuster10 , das aus einem Metall, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, ausgebildet ist, ist auf dem Ansteuerschaltungssubstrat2 vorgesehen. Eine Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante11 ist so vorgesehen, daß sie das Leitungsmuster10 bedeckt. Diese Anordnung verringert eine Partialentladung auf dem Ansteuerschaltungssubstrat2 mit einer komplizierten Gestalt, was eine Verlängerung der Betriebsdauer des Produktes gestattet. Es sollte bemerkt werden, daß, unterschiedlich zu den Ansteuerschaltungssubstraten2 es nicht notwendig ist, die Leitungsmuster auf den Leistungshalbleiterschaltungssubstraten3 und den Verbindungsschaltungssubstraten13 zu bedecken. Der Isolationswiderstand und die Spannungsfestigkeit dieser Schaltungssubstrate können erhöht werden durch Vorsehen einer Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante11 auf der Deckfläche jedes isolierenden Substrats dergestalt, daß sie in Kontakt zu dem Umfangsabschnitt des Leitungsmusters ist, wie bei bekannten Anordnungen. - Es sollte bemerkt werden, daß die Schichten
11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante aus Silikongummi, Polyimid oder Epoxidharz ausgebildet sein können. Jedes Material hat seine Vorteile. Beispielsweise erleichtert die Verwendung von Silikongummi den Zusammenbau, Polyimid liefert eine erhöhte Wärmebeständigkeit und Epoxidharz liefert verbesserte Wärmezykluseigenschaften. - Es wird eine kurze Beschreibung eines Verfahrens des Ausbildens einer Schicht
11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante gegeben. In dem Falle eines Ansteuerschaltungssubstrates2 werden zunächst Chipwiderstände14 an vorbestimmten Positionen auf dem Leitungsmuster auf dem Ansteuerschaltungssubstrat2 durch Lot, etc. befestigt. Dann werden die Drahtbondpositionen auf dem Leitungsmuster des Ansteuerschaltungssubstrats2 und den Leistungshalbleitervorrichtungen4 (speziell die Gateelektroden der IGBTs4a ) auf einem Leistungshalbleiterschaltungssubstrat3 (in dem gleichen Schaltungsblock) durch Aluminiumdrähte mittels Ultraschallbondens, etc. verbunden. Nach dem Befestigen der Elektrodenanschlüsse an der Elektrodenanschluß-Befestigungsregion15 des Leitungsmusters10 durch Lot, etc. wird dann eine Schicht11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante so ausgebildet, daß sie das Leitungsmuster10 bedeckt. In dem Falle eines Leistungshalbleiterschaltungssubstrates3 (und eines Verbindungsschaltungssubstrates13 ) wird andererseits eine Schicht11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante wie folgt ausgebildet: Zunächst werden Leistungshalbleitervorrichtungen4 an vorbestimmten Positionen auf dem Leitungsmuster des Leistungshalbleiterschaltungssubstrates3 durch Lot, etc. befestigt. Vor dem Befestigen der Drähte und der Elektrodenanschlüsse wird dann eine Schicht11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante auf der Deckfläche des isolierenden Substrates so ausgebildet, daß sie in Kontakt mit dem Umfangsabschnitt des Leitungsmusters ist. - Zweite Ausführungsform
-
5 ist eine Draufsicht eines Ansteuerschaltungssubstrates gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der zweiten Ausführungsform hat das Leitungsmuster10 abgerundete Ecken. Alle weiteren Komponenten sind ähnlich zu jenen, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurden. Diese Ausführungsform gestattet eine weitere Verringerung einer Partialentladung auf dem Ansteuerschaltungssubstrat, was verglichen zu der ersten Ausführungsform in einer längeren Betriebsdauer des Produktes resultiert. - Dritten Ausführungsform
-
6 ist eine Draufsicht eines Ansteuerschaltungssubstrates gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der dritten Ausführungsform hat das Leitungsmuster10 eine gerundete Gestalt und ist nicht mit einer Schicht11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante bedeckt. Alle weiteren Komponenten sind ähnlich zu jenen, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurden. Diese Ausführungsform erlaubt ebenfalls eine Verringerung der Teilentladung auf dem Ansteuerschaltungssubstrat2 (welches eine komplizierte Gestalt aufweist), was in einer verlängerten Betriebsdauer des Produktes resultiert. - Vierte Ausführungsform
-
7 ist eine Draufsicht auf ein Ansteuerschaltungssubstrat gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der vierten Ausführungsform ist das Leitungsmuster10 mit einer Schicht11 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante bedeckt. Mit Ausnahme dieses Merkmals ist das Ansteuerschaltungssubstrat ähnlich zu jenem der dritten Ausführungsform. Die vorliegende Ausführungsform gestattet eine weitere Verringerung der Teilentladung auf dem Ansteuerschaltungssubstrat, was verglichen zu der dritten Ausführungsform in einer längeren Betriebsdauer des Produktes resultiert.
Claims (5)
- Leistungshalbleitermodul mit: einer Wärmesenke (
1 ); einem Schaltungssubstrat (2 ), das auf die Wärmesenke (1 ) montiert ist; einem Leitungsmuster (10 ), das auf dem Schaltungssubstrat (2 ) vorgesehen ist; einer Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (11 ), welche das Leitungsmuster (10 ) bedeckt; einem Gehäuse (7 ), das auf der Wärmesenke (1 ) so vorgesehen ist, daß es das Schaltungssubstrat (2 ) umschließt; einem auf einem oberen Abschnitt des Gehäuses (7 ) angeordneten Deckel; und einem weichen Isolator (9 ), der den Raum innerhalb des Gehäuses (7 ) ausfüllt. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (
11 ) aus Silikongummi, Polyimid oder Epoxidharz ausgebildet ist. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Leitungsmuster (
10 ) eine runde Ecke aufweist. - Leistungshalbleitermodul mit: einer Wärmesenke (
1 ); einem Schaltungssubstrat (2 ), das auf die Wärmesenke (1 ) montiert ist; einem Leitungsmuster (10 ), das auf dem Schaltungssubstrat (2 ) vorgesehen ist und eine runde Gestalt aufweist; einem Gehäuse (7 ), das auf der Wärmesenke (1 ) so vorgesehen ist, daß es das Schaltungssubstrat (2 ) umschließt; und einem weichen Isolator (9 ), der den Raum innerhalb des Gehäuses (7 ) ausfüllt. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, das weiterhin eine Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (
11 ) aufweist, welche das Leitungsmuster (10 ) bedeckt.
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