DE102009033321B4 - Leistungshalbleitervorrichtung - Google Patents

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Seiji Oka
Yoshiko Obiraki
Osamu Usui
Yasushi Nakayama
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Abstract

Leistungshalbleitervorrichtung (100), die folgendes aufweist: – ein Schaltungssubstrat mit einer metallischen Wärmesenke (1) und mit einer Isolierschicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die mit der einen Oberfläche der metallischen Wärmesenke (1) verbunden ist und Verdrahtungsmuster (3) aufweist, die auf einer Oberfläche der Isolierschicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind, die zu der mit der metallischen Wärmesenke (1) verbundenen Oberfläche der Isolierschicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit entgegengesetzt ist; – Leistungshalbleiterelemente (4, 5), die mit den Verdrahtungsmustern (3) verbunden sind; – zylindrische Verbindungsbereiche (8) für den externen Anschluss, die mit den Verdrahtungsmustern (3) verbunden sind; und – eine Verdrahtungseinrichtung (7) zum Herstellen einer leitenden Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterelementen (4, 5), zwischen den Verdrahtungsmustern (3) sowie zwischen den Leistungshalbleiterelementen (4, 5) und den Verdrahtungsmustern (3), – wobei das Schaltungssubstrat, die Leistungshalbleiterelemente (4, 5), die zylindrischen Verbindungsbereiche (8) für den externen Anschluss sowie die Verdrahtungseinrichtung (7) alle in einem Spritzharz (9) eingeschlossen sind, – wobei die zylindrischen Verbindungsbereiche (8) kein Schraubengewinde aufweisen, – wobei die zylindrischen Verbindungsbereiche (8) für den externen Anschluss mit den Verdrahtungsmustern (3) derart verbunden sind, dass sie rechtwinklig zu den Verdrahtungsmustern (3) angeordnet sind, so dass drei oder mehr von den zylindrischen Verbindungsbereichen (8) für den externen Anschluss auf jedem der Verdrahtungsmuster (3), die Hauptschaltungen bilden, derart angeordnet sind, dass nicht alle drei oder mehr der zylindrischen Verbindungsbereiche (8) entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind, und – wobei Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche (8) für den externen Anschluss, in die externe Anschlüsse eingesetzt und mit diesen verbunden werden können, an einer oberen Oberfläche des Spritzharzes (9) freiliegen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitervorrichtung und bezieht sich auf eine mit einem Harzinjektionsverfahren bzw. RTM-Verfahren hergestellte, harzgekapselte Leistungshalbleitervorrichtung, die eine ausgezeichnete Produktivität besitzt. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine im RTM-Verfahren gebildete, harzgekapselte Leistungshalbleitervorrichtung, die eine kleine Größe aufweist, einen Betrieb mit hohem Strom realisiert und äußerst zuverlässig ist.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine Leistungshalbleitervorrichtung, die in der Lage ist, mit hohem Strom und hoher Spannung zu arbeiten und durch den Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtung erzeugte Wärme in effizienter Weise zur Außenseite der Leistungshalbleitervorrichtung abzuführen, ist folgendermaßen ausgebildet: Leistungshalbleiterelemente sind auf einem Substrat angebracht, das eine Metallplatte aufweist, die als Wärmesenke wirkt, wobei ein Verdrahtungsmuster auf der Metallplatte ausgebildet ist und wobei das Substrat eine Keramikplatte beinhaltet, die als Isolierschicht zwischen dem Verdrahtungsmuster und der Metallplatte angeordnet ist; und unter Wärme aushärtendes Harzmaterial, das derart gegossen ist, dass Silikongel zwischen dem unter Wärme aushärtenden Harzmaterial und dem Substrat angeordnet ist (siehe z. B. Seite 3, 1, der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP H08-316 357 A .
  • Jedoch erfolgen bei der Herstellung der in der JP H08-316 357 A beschriebenen Leistungshalbleitervorrichtung beispielsweise folgende Vorgänge: ein Vorgang zum Verbinden des externen Gehäuses, das aus thermoplastischem Harzmaterial gebildet ist, mit der Metallplatte; ein Vorgang zum Einfüllen und Aushärten des Silikongels; und ein Vorgang zum Einspritzen und Aushärten des unter Wärme aushärtenden Harzmaterials. Somit gibt es eine große Anzahl von Herstellungsprozessen, die eine längere Herstellungszeit verursachen. Dadurch ergibt sich das Problem einer geringen Produktivität.
  • Eine Leistungshalbleitervorrichtung, die dieses Problem löst und eine ausgezeichnete Produktivität besitzt, ist eine Leistungshalbleitervorrichtung, bei der Leiterrahmen auf einer Metallplatte vorgesehen sind, während eine Isolierschicht zwischen den Leiterrahmen und der Metallplatte angeordnet ist, und bei der Leistungshalbleiterelemente auf den Leiterrahmen angebracht sind und in einem im RTM-Verfahren eingebrachten Harzmaterial bzw. Spritzharz eingekapselt sind, siehe z. B. Seite 3, 1 der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2001-196 495 A .
  • Die in der JP 2001-196 495 A beschriebene Leistungshalbleitervorrichtung, die in Spritzharz eingekapselt ist, weist eine Konstruktion auf, bei der Leiterrahmen als externe Anschlüsse von den Seiten des im RTM-Verfahren eingebrachten Spritzharzes vorstehen. Aus diesem Grund besteht ein Problem dahingehend, dass eine Reduzierung der Größe der Leistungshalbleitervorrichtung schwierig ist.
  • Da ferner ein Biegevorgang an den Leiterrahmen ausgeführt wird, die als externe Anschlüsse verwendet werden, bestehen Einschränkungen hinsichtlich deren Dicke. Aus diesem Grund kann die den externen Anschlüssen zuzuführende Stromstärke nicht erhöht werden. Daher besteht ein Problem, dass eine Erhöhung des Stroms bei der Leistungshalbleitervorrichtung begrenzt ist.
  • Eine harzgekapselte Leistungshalbleitervorrichtung, die eine geringe Größe aufweist und bei der der anzulegende Strom erhöht werden kann und die vorstehend geschilderten Probleme gelöst werden können, ist folgendermaßen ausgebildet: Leistungshalbleiterelemente, wie z. B. ein IGBT und dergleichen, sind auf einem Schaltungsmuster angebracht, das mit einer Wärmesenkenbasis aus Metall verbunden ist; und Hauptanschlüsse sowie Steueranschlüsse für die externe Verbindung sind mit einer Schaltungsmuster-Oberfläche derart verbunden, dass sie im wesentlichen rechtwinklig zu der Schaltungsmuster-Oberfläche verlaufen.
  • Ein Kupferblock, ein Zylinder mit einer Schraubenöffnung oder eine in Harz eingeformte Mutter wird für einen mit einer Hauptschaltung der Leistungshalbleitervorrichtung verwendeten Hauptanschluss verwendet. Der Hauptanschluss in Form eines Kupferblocks ist durch Löten mit einer externen Verdrahtung verbunden. Der Hauptanschluss in Form eines Zylinders mit einer Schraubenöffnung und der Hauptanschluss, bei dem eine Mutter in Harz eingeformt ist, sind durch Schrauben mit einer externen Verdrahtung verbunden.
  • Ferner wird ein buchsenartiger Verbinder als Steueranschluss verwendet, der mit einer Steuerschaltung der Leistungshalbleitervorrichtung zu verbinden ist, wobei dieser mit einer externen Verdrahtung durch einen stiftartigen Anschluss verbunden ist, der auf einem die externe Verdrahtung bildenden Steuersubstrat vorgesehen ist.
  • Bei der Leistungshalbleitervorrichtung, die in einem Spritzharz eingekapselt ist, wird eine Stromschiene, die mit einem hohen Strom beaufschlagt werden kann, als externe Verdrahtung verwendet, die mit dem mit der Hauptschaltung verbundenen Hauptanschluss zu verbinden ist, siehe z. B. Seiten 7 bis 9, 1, 5 und 10 der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2007-184 315 A .
  • Bei der in der JP 2007-184 315 A beschriebenen Leistungshalbleitervorrichtung, die in einem Spritzharz eingekapselt ist, wird die externe Verdrahtung, die in Form einer Stromschiene ausgebildet ist, durch die dem Hauptanschluss ein hoher Strom zugeführt werden kann, mit einer Schraubverbindung oder durch Löten festgelegt. Daher werden während der Montage der Leistungshalbleitervorrichtung beträchtliche Spannungen auf den Bereich des Hauptanschlusses ausgeübt.
  • Aufgrund dieser Spannungen besteht ein Problem dahingehend, dass es in dem Hauptanschlussbereich zu Defekten kommt, beispielsweise ein Spalt an einer Verbindungsfläche zwischen der Außenfläche des Hauptanschlusses und dem Spritzharz auftritt oder feine Risse in dem Spritzharz entstehen. Dies führt zu solchen Problemen, wie etwa einer geringen Ausbeute, einer niedrigen Produktivität sowie einer geringen Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung. Diese Probleme verstärken sich noch, wenn die Verbindung mit der externen Verdrahtung durch eine gewindemäßige Verbindung gebildet ist.
  • Da große Ströme angelegt werden, ist selbst bei Verwendung eines Kabels für die mit dem Hauptanschluss zu verbindende externe Verdrahtung das dabei verwendete Kabel sehr steif. Daher treten die gleichen Probleme auf.
  • Aus den nicht-vorveröffentlichten Druckschriften DE 11 2008 000 229 T5 und DE 10 2008 008 141 A1 sind Leistungshalbleitervorrichtungen bekannt, die folgendes aufweisen:
    ein Schaltungssubstrat mit einer metallischen Wärmesenke und mit einer Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die mit der einen Oberfläche der metallischen Wärmesenke verbunden ist und Verdrahtungsmuster aufweist, die auf einer Oberfläche der Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind, die zu der mit der metallischen Wärmesenke verbundenen Oberfläche der Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit entgegengesetzt ist;
    Leistungshalbleiterelemente, die mit den Verdrahtungsmustern verbunden sind;
    zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, die mit den Verdrahtungsmustern verbunden sind; und
    eine Verdrahtungseinrichtung zum Herstellen einer leitenden Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterelementen, zwischen den Verdrahtungsmustern sowie zwischen den Leistungshalbleiterelementen und den Verdrahtungsmustern;
    wobei das Schaltungssubstrat, die Leistungshalbleiterelemente, die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss sowie die Verdrahtungseinrichtung alle in einem Spritzharz eingeschlossen sind;
    wobei die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit den Verdrahtungsmustern derart verbunden sind, dass sie rechtwinklig zu den Verdrahtungsmustern angeordnet sind, so dass eine Vielzahl von zylindrischen Verbindungsbereichen von den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss auf jedem der Verdrahtungsmuster angeordnet sind; und
    wobei Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, in die externe Anschlüsse eingesetzt und mit diesen verbunden werden können, an einer oberen Oberfläche des Spritzharzes freiliegen.
  • Bei diesen herkömmlichen Bauformen von Leistungshalbleitervorrichtungen sind aber nicht sämtliche zylindrischen Verbindungsbereiche entlang der gleichen Achse ausgerichtet.
  • Aus der DE 10 2006 051 454 A1 ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, welche eine Grundplatte, ein isolierendes Substrat auf der Grundplatte und eine Verdrahtungsmusterschicht auf dem isolierenden Substrat aufweist. Die Halbleitervorrichtung weist ferner zumindest einen Halbleiterchip auf, der auf der Verdrahtungsmusterschicht befestigt ist, wobei der Halbleiterchip eine Oberflächenelektrode aufweist. Ein Hauptanschluss ist über eine leitende Haftschicht auf zumindest einer der Oberflächenelektroden und der Verdrahtungsmusterschicht angeschlossen. Ferner bedeckt eine Harzverpackung das isolierende Substrat, die Verdrahtungsmusterschicht, den Halbleiterchip, die leitende Haftschicht und zumindest einen Abschnitt des Hauptanschlusses. Die Anschlüsse sind dort als Gewindebuchsen ausgebildet, in welche Befestigungsschrauben eingeschraubt werden, welche geeignete Zuleitungsschienen fixieren.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung dient der Lösung der vorstehend geschilderten Probleme. Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Leistungshalbleitervorrichtung, die durch Einkapseln in einem im RTM-Verfahren eingespritzten Harzmaterial bzw. Spritzharz gebildet ist, bei der selbst dann, wenn eine externe Verdrahtung, die mit einem hohen Strom beaufschlagt werden kann, mit einem Hauptanschluss verbunden wird, der mit einer Hauptschaltung der Leistungshalbleitervorrichtung verbunden ist, an dem Hauptanschlussbereich aufgrund der Verbindung mit der externen Verdrahtung auftretende Defekte vermindert werden können. Weiterhin ist bei der Leistungshalbleitervorrichtung eine hohe Ausbeute, eine ausgezeichnete Produktivität sowie eine hohe Zuverlässigkeit angestrebt.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungshalbleitervorrichtung angegeben, die folgendes aufweist:
    ein Schaltungssubstrat mit einer metallischen Wärmesenke und mit einer Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die mit der einen Oberfläche der metallischen Wärmesenke verbunden ist und Verdrahtungsmuster aufweist, die auf einer Oberfläche der Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind, die zu der mit der metallischen Wärmesenke verbundenen Oberfläche der Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit entgegengesetzt ist;
    Leistungshalbleiterelemente, die mit den Verdrahtungsmustern verbunden sind;
    zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, die mit den Verdrahtungsmustern verbunden sind; und
    eine Verdrahtungseinrichtung zum Herstellen einer leitenden Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterelementen, zwischen den Verdrahtungsmustern sowie zwischen den Leistungshalbleiterelementen und den Verdrahtungsmustern;
    wobei das Schaltungssubstrat, die Leistungshalbleiterelemente, die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss sowie die Verdrahtungseinrichtung alle in einem Spritzharz eingeschlossen sind;
    wobei die zylindrischen Verbindungsbereiche kein Schraubengewinde aufweisen;
    wobei die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit den Verdrahtungsmustern derart verbunden sind, dass sie rechtwinklig zu den Verdrahtungsmustern angeordnet sind, so dass drei oder mehr von den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss auf jedem der Verdrahtungsmuster, die Hauptschaltungen bilden, derart angeordnet sind, dass nicht alle drei oder mehr der zylindrischen Verbindungsbereiche entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind; und
    wobei Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, in die externe Anschlüsse eingesetzt und mit diesen verbunden werden können, an einer oberen Oberfläche des Spritzharzes freiliegen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungshalbleitervorrichtung angegeben, die folgendes aufweist:
    drei oder mehr von wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss, die auf Verdrahtungsmustern derart angeordnet sind, dass nicht alle entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind;
    drei oder mehr von gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss, die auf Verdrahtungsmustern derart angeordnet sind, dass nicht alle entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind; und
    Leistungshalbleiterelemente, die in elektrischer Verbindung mit den drei oder mehr von wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss und den drei oder mehr von gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss angeordnet sind;
    wobei die drei oder mehr der wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, die drei oder mehr der gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss sowie die Leistungshalbleiterelemente alle in Spritzharz eingekapselt sind und die zylindrischen Verbindungsbereiche kein Schraubengewinde aufweisen;
    wobei die wechselstromseitigen und die gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss Öffnungen aufweisen, die in einer oberen Oberfläche des Spritzharzes ausgebildet sind; und
    wobei die wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit einem wechselstromseitigen externen Anschluss verbunden sind und die gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit einem gleichstromseitigen Verdrahtungssubstrat verbunden sind;
    wobei die wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit einer Verbindungsstelle zwischen einer negativen Elektrode eines auf der Seite der positiven Elektrode befindlichen Leistungshalbleiterelements von den Leistungshalbleiterelementen und einer positiven Elektrode eines auf der Seite der negativen Elektrode befindlichen Leistungshalbleiterelements von den Leistungshalbleiterelementen verbunden sind;
    wobei eine Vielzahl von Verbindungsstiften zur Verbindung mit den wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss in einem Plattenbereich des wechselstromseitigen externen Anschlusses vorgesehen und derart angeordnet sind, dass nicht alle Verbindungsstifte entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind;
    wobei die gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eine Vielzahl von auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss und eine Vielzahl von auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss beinhalten;
    wobei die auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit einer positiven Elektrode des auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen Leistungshalbleiterelements verbunden sind und die auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit einer negativen Elektrode des auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen Leistungshalbleiterelements verbunden sind;
    wobei das gleichstromseitige Verdrahtungssubstrat durch integrales Ausbilden einer auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen Verdrahtungsplatte und einer auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen Verdrahtungsplatte unter Zwischenanordnung einer Isolierschicht gebildet ist;
    wobei die Verdrahtungsplatte auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen über Verbindungsstifte mit den auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss verbunden ist und die Verdrahtungsplatte auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen über Verbindungsstifte mit den auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss verbunden ist; und
    wobei eine Vielzahl von Verbindungsstiften zur Verbindung mit den gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss in einem Plattenbereich des durch die integrale Ausbildung gebildeten gleichstromseitigen Verdrahtungssubstrats derart vorgesehen ist, dass nicht alle Verbindungsstifte entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitervorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Mit der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitervorrichtung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die durch die Verbindung der externen Anschlüsse mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss auftretende Spannungsbelastung verteilt und reduziert werden kann, so dass Defekte an den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss verhindert werden können. Weiterhin kann die Schaltungsinduktivität reduziert werden, und Stoßspannungen, die beim Ausschalten einer hohen Stromzufuhr auftreten, können unterdrückt werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Draufsicht, bei der Spritzharz auf einem Schaltungssubstrat einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung entfernt ist;
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung der in 1 gezeigten Leistungshalbleitervorrichtung entlang einer Schnittlinie A-A in 1 in einem Zustand, in dem das Spritzharz auf dem Schaltungssubstrat vorhanden ist;
  • 3 eine Darstellung der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Zustand, in dem diese mit Spritzharz in eine Form eingeschlossen ist;
  • 4 eine schematische Draufsicht auf eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine schematische Schnittdarstellung der in 4 gezeigten Leistungshalbleitervorrichtung entlang einer Schnittlinie B-B in 4;
  • 6A eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines externen Anschlusses mit vier Verbindungsstiften zur Verbindung mit zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss von jeder Hauptschaltung einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6B eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Schnittlinie C-C der schematischen Draufsicht der 6A;
  • 7A eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines externen Anschlusses mit vier Verbindungsstiften zur Verbindung mit zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss von jeder Hauptschaltung einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 7B eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Schnittlinie D-D der schematischen Draufsicht in 7A;
  • 8 eine schematische Draufsicht auf einen Hauptkörper einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 9 ein Schaltbild des Hauptkörpers der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 10 eine schematische Draufsicht auf die Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, deren Hauptkörper eine externe Verdrahtung zur Verbindung mit einer externen Schaltung aufweist; und
  • 11 eine schematische Schnittdarstellung der in 10 Leitungshalbleitervorrichtung entlang einer Schnittlinie E-E der schematischen Draufsicht der 10.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • 1 zeigt eine schematische Draufsicht, in der ein Zustand dargestellt ist, in dem ein im RTM-Verfahren eingebrachtes Harzmaterial bzw. Spritzharz auf einem Schaltungssubstrat einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung entfernt ist.
  • 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der in 1 gezeigten Leistungshalbleitervorrichtung entlang einer Schnittlinie A-A in 1 in einem Zustand, in dem das Spritzharz auf dem Schaltungssubstrat vorhanden ist.
  • Wie in den 1 und 2 gezeigt, wird bei einer Leistungshalbleitervorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Schaltungssubstrat aus Metall verwendet, das folgendermaßen ausgebildet ist: eine Harzisolierschicht 2 ist auf einer Oberfläche einer Wärmesenke 1 aus Metall vorgesehen, und Verdrahtungsmuster sind auf einer Oberfläche der Harzisolierschicht 2, die der mit der Wärmesenke 1 aus Metall verbundenen Oberfläche der Harzisolierschicht 2 entgegengesetzt ist. Ein IGBT 4 und eine antiparallel zu dem IGBT 4 geschaltete Diode 5, die Leistungshalbleiterelemente bilden, sind auf einem der Verdrahtungsmuster angebracht.
  • Diese Leistungshalbleiterelemente sind mit einem Lötmaterial 6 oder dergleichen mit dem einen der Verdrahtungsmuster elektrisch verbunden. An der oberen Oberfläche vorhandene Elektroden des IGBT 4 und der Diode 5 sind durch Drahtbondverbindungen 7, die die Verdrahtungseinrichtung bilden, mit entsprechenden Verdrahtungsmustern elektrisch verbunden.
  • Zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss sind mit den Verdrahtungsmustern derart verbunden, dass sie sich im wesentlichen rechtwinklig zu den Verdrahtungsmustern erstrecken.
  • Genauer gesagt, es ist ein erster zylindrischer Verbindungsbereich 8a für den externen Anschluss mit einem ersten Verdrahtungsmuster 3a verbunden, das eine Hauptschaltung bildet, die mit der Kollektorelektrode des IGBT 4 und mit der Anodenelektrode der Diode 5 elektrisch verbunden ist; ein zweiter zylindrischer Verbindungsbereich 8b für den externen Anschluss ist mit einem zweiten Verdrahtungsmuster 3b verbunden, das eine Hauptschaltung bildet, die mit der Emitterelektrode des IGBT 4 und der Kathodenelektrode der Diode 5 elektrisch verbunden ist; ein dritter zylindrischer Verbindungsbereich 8c für den externen Anschluss ist mit einem dritten Verdrahtungsmuster 3c verbunden, das eine Steuerschaltung bildet, die nur mit dem Gateanschluss des IGBT elektrisch verbunden ist; und ein vierter zylindrischer Verbindungsbereich 8d für den externen Anschluss ist mit einem vierten Verdrahtungsmuster 3d verbunden, das eine Steuerschaltung bildet, die nur mit der Emitterelektrode des IGBT elektrisch verbunden ist.
  • Bei der Leistungshalbleitervorrichtung 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhalten der erste zylindrische Verbindungsbereich 8a für den externen Anschluss und der zweite zylindrische Verbindungsbereich 8b für den externen Anschluss, die mit den als Hauptschaltungen wirkenden Verdrahtungsmustern verbunden sind, jeweils mehrere zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, die mit entsprechenden Verdrahtungsmustern verbunden sind.
  • Beispielsweise besitzt der erste zylindrische Verbindungsbereich 8a für den externen Anschluss vier zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, die mit dem ersten Verdrahtungsmuster 3a verbunden sind und die zweidimensional (wobei der Begriff ”zweidimensional” hierin als ”nicht alle entlang der gleichen Achse ausgerichtet” zu verstehen ist) derart angeordnet sind, dass zwei Paare von ihnen zwei parallele Reihen bilden; und der zweite zylindrische Verbindungsbereich 8b für den externen Anschluss weist vier zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss auf, die mit dem zweiten Verdrahtungsmuster 3b verbunden sind und die zweidimensional derart angeordnet sind, dass zwei Paare von ihnen zwei parallele Reihen bilden.
  • Dagegen besitzen der dritte zylindrische Verbindungsbereich 8c für den externen Anschluss und der vierte zylindrische Verbindungsbereich 8d für den elektrischen Anschluss, die mit den als Steuerschaltung wirkenden Verdrahtungsmustern verbunden sind, jeweils einen zylindrischen Verbindungsbereich für den externen Anschluss, der mit einem entsprechenden Verdrahtungsmuster verbunden ist.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhalten der erste zylindrische Verbindungsbereich 8a für den externen Anschluss und der zweite zylindrische Verbindungsbereich 8b für den externen Anschluss jeweils vier zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, die zweidimensional mit dem entsprechenden Verdrahtungsmuster in Verbindung stehen. Die Anzahl dieser vorzusehenden zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss ist jedoch nicht auf vier beschränkt.
  • Die Anzahl dieser vorzusehenden zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss kann auch drei oder mehr betragen, wenn der Platz für die Unterbringung dieser zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss dies zulässt. Genauer gesagt, es beträgt die Anzahl dieser zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss vorzugsweise 3 bis 12.
  • Eine Konstruktion, die mit der Wärmesenke 1 aus Metall, der Harzisolierschicht 2, den Verdrahtungsmustern, dem IGBT 4, der Diode 5, dem Lötmaterial 6, der Drahtbondverbindung 7 und den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss ausgestattet ist, ist in einem Spritzharz 9 eingeschlossen. Dabei ist eine Wärmeabführungsfläche der Wärmesenke 1 aus Metall, bei der es sich um eine Oberfläche handelt, die zu der mit der Harzisolierschicht 2 versehenen Oberfläche entgegengesetzt ist, nicht in das Spritzharz 9 eingeschlossen.
  • Auch sind Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, die zu den mit den Verdrahtungsmustern verbundenen Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss entgegengesetzt sind, nicht in das Spritzharz 9 eingeschlossen (im folgenden werden diese nicht eingeschlossenen Oberflächen als obere Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss bezeichnet).
  • Im Inneren der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss ist kein Spritzharz 9 vorhanden. Die genannten nicht eingeschlossenen Oberflächen und die Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss liegen frei.
  • Da die Leistungshalbleitervorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die vorstehend erläuterte Konstruktion aufweist, ist die Wärmeabführung von der Wärmeabführfläche des Schaltungssubstrats aus Metall ausgezeichnet. Ferner können externe Anschlüsse, die jeweils einen Stift aufweisen, der durch eine Einpress-Verbindung mit einem zylindrischen Verbindungsbereich für den externen Anschluss verbindbar ist, bei dem es sich um einen Metallzylinder handelt und der jeweils zum Schaffen einer Verbindung von Metall zu Metall in der Lage ist, für die externe Verdrahtung zur elektrischen Verbindung mit einer externen Schaltung verwendet werden.
  • Insbesondere beinhalten der erste zylindrische Verbindungsbereich 8a für den externen Anschluss und der zweite zylindrische Verbindungsbereich 8b für den externen Anschluss, die mit den Hauptschaltungen verbunden sind, denen ein hoher Strom zugeführt wird, jeweils mehrere zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss. Somit kann ein externer Anschluss mit mehreren Stiften für jeden der zylindrischen Verbindungsbereiche 8a und 8b für den externen Anschluss verwendet werden.
  • Ein spezielles Beispiel für einen externen Anschluss mit mehreren Stiften ist eine mehrere Stifte aufweisende Stromschiene.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden externe Anschlüsse für die externe Verdrahtung verwendet. Statt dessen können jedoch auch Metalldrähte verwendet werden, die mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss durch Löten verbunden werden können. Da die mit den Hauptschaltungen verbundenen zylindrischen Verbindungsbereiche 8a und 8b für den externen Anschluss jeweils mehrere zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss aufweisen, sind mehrere Metalldrähte mit jedem der zylindrischen Verbindungsbereiche 8a und 8b für den externen Anschluss verbunden.
  • Somit können bei der Leistungshalbleitervorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels externe Anschlüsse, bei denen es sich jeweils um Stromschienen mit mehreren Stiften bzw. Pins handelt, zum Verbinden der mit den Hauptschaltungen verbundenen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit einer externen Schaltung verwendet werden. Auf diese Weise kann die Spannungsbelastung, die aufgrund der Verbindung der externen Anschlüsse auf die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss ausgeübt wird, verteilt und reduziert werden.
  • Bei der Verwendung von Metalldrähten zum Verbinden der mit den Hauptschaltungen verbundenen zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit einer externen Schaltung können ferner mehrere Metalldrähte verwendet werden, ohne dass hierbei dicke Drähte zum Einsatz kommen. Die Spannungsbelastung, die aufgrund der Verbindung der Metalldrähte auf die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss ausgeübt wird, kann somit verteilt und reduziert werden.
  • Außerdem handelt es sich bei den Verbindungsbereichen für den externen Anschluss um Zylinder, die keine Schraubgewinde aufweisen. Somit handelt es sich bei der Verbindung der externen Anschlüsse oder der Metalldrähte mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss nicht um eine gewindemäßige Verbindung. Auf diese Weise wird die Spannungsbelastung, die aufgrund der Verbindung der externen Anschlüsse oder der Metalldrähte auftritt, noch weiter vermindert.
  • Daher ist die auf die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss ausgeübte Spannungsbelastung bei der Leistungshalbleitervorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels vermindert. Dies eliminiert Defekte der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, wie z. B. das Auftreten eines Spalts an einer Verbindungsfläche zwischen der äußeren Seitenfläche eines zylindrischen Verbindungsbereichs für den externen Anschluss und dem Spritzharz 9 oder das Auftreten von feinen Rissen in dem Spritzharz 9. Auf diese Weise werden eine hohe Ausbeute und eine ausgezeichnete Produktivität bei der Herstellung und ferner auch eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit verwirklicht.
  • Ferner sind bei der Leistungshalbleitervorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die mit den Hauptschaltungen verbundenen zylindrischen Verbindungsbereiche 8a und 8b für den externen Anschluss jeweils mit einer externen Verdrahtung, wie externen Anschlüssen oder Metalldrähten, durch mehrere zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss verbunden. Auf diese Weise kann eine hohe Strom führungskapazität bewältigt werden.
  • Darüber hinaus weist die Leistungshalbleitervorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Konstruktion auf, bei der die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss auf dem Schaltungssubstrat aus Metall angeordnet sind, das die Wärmesenke 1 aus Metall, die Harzisolierschicht 2 und die Verdrahtungsmuster beinhaltet. Daher können die Positionen und die Anzahl der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss frei gewählt werden, indem lediglich die Verdrahtungsmuster verändert werden. Das Ausmaß an Freiheit beim Bestimmen der Anzahl der anzuschließenden externen Drähte und beim Bestimmen der Positionen, an denen die externen Drähte angeschlossen werden, ist somit sehr hoch.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ein Metall mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Aluminium, Aluminiumlegierung, Kupfer, Kupferlegierung, Stahl, Stahllegierung oder dergleichen, für die Wärmesenke 1 aus Metall verwendet werden. Alternativ hierzu kann für die Wärmesenke 1 aus Metall ein Verbundmaterial verwendet werden, wie z. B. ein Verbundmaterial aus Kupfer/Stahlnickellegierung/Kupfer, ein Verbundmaterial aus Aluminium/Stahlnickellegierung/Aluminium oder dergleichen.
  • Insbesondere bei Verwendung von Leistungshalbleiterelementen mit jeweils hoher Stromführungskapazität ist es bevorzugt, Kupfer zu verwenden, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die Dicke, die Länge und die Breite der Wärmesenke 1 aus Metall werden auf der Basis der Stromführungskapazität von jedem Leistungshalbleiterelement in angemessener Weise festgelegt. D. h., die Dicke, die Länge und die Breite der Wärmesenke 1 aus Metall werden in Abhängigkeit von einer Erhöhung der Stromführungskapazität jedes Leistungshalbleiterelements entsprechend erhöht.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann als Harzisolierschicht 2 beispielsweise ein Harzisolierflächenkörper, der verschiedene Keramikmaterialien und anorganisches Pulvermaterial enthält, oder ein Harzisolierflächenkörper, der Glasfasermaterial enthält, verwendet werden. Bei dem in der Harzisolierschicht 2 enthaltenen anorganischen Pulvermaterial handelt es sich z. B. um Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Bornitrid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid. Die Dicke der Harzisolierschicht beträgt z. B. 20 bis 400 μm.
  • Ferner wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel z. B. eine Kupferfolie für jedes Verdrahtungsmuster verwendet, und Aluminiumdrähte werden für das Drahtbonden 7 verwendet. Die Dicke der für jedes Verdrahtungsmuster verwendeten Kupferfolie und der Durchmesser der für das Drahtbonden 7 verwendeten Aluminiumdrähte werden ebenfalls auf der Basis der Stromführungskapazität jedes Leistungshalbleiterelements in angemessener Weise festgelegt.
  • Darüber hinaus werden bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise Metallzylinder für die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss verwendet. Bei dem für die Metallzylinder verwendeten Material handelt es sich vorzugsweise um ein Metall, das z. B. mit Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium oder Aluminiumlegierung plattiert ist und das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit aufweist und durch Löten mit den Verdrahtungsmustern 3 verbunden werden kann.
  • Die Dicke der zylindrischen Verbindungsbereiche für die externen Anschluss ist derart vorgegeben, dass die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss nicht durch den Formdruck bei dem RTM-Verfahren zerdrückt werden können. Die Höhe der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss ist auf eine derartige Höhe vorgegeben, dass externe Anschlüsse, die später eingesetzt und verbunden werden, eine angemessene Verbindung herstellen können.
  • Die Innendurchmesser der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss sind auf der Basis der Außendurchmesser von Einsetzbereichen der externen Anschlüsse festgelegt, die später in die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eingesetzt und mit diesen verbunden werden. Die Innendurchmesser der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss sind derart vorgegeben, dass zumindest die externen Anschlüsse an den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss angebracht werden können.
  • Der Innendurchmesser eines oberen Bereichs von jedem zylindrischen Verbindungsbereich für den externen Anschluss kann gleich dem oder größer als der Innendurchmesser des zentralen Bereichs von jedem zylindrischen Verbindungsbereich für den externen Anschluss vorgegeben sein. Auf diese Weise lassen sich die externen Anschlüsse in einfacher Weise in die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss einsetzen.
  • Beispielsweise wird Epoxyharz, versetzt mit Siliziumoxidpulverfüllstoff, als Spritzharz 9 für das RTM-Verfahren verwendet. Bei dem Spritzharz 9 ist der prozentuale Anteil des enthaltenen Siliziumoxidpulvers unter Berücksichtigung des Wärmeausdehnungskoeffizienten oder dergleichen von jeder bei der Leistungshalbleitervorrichtung verwendeten Komponente auf eine angemessene Menge festgelegt.
  • Wenn z. B. Kupfer für die Verdrahtungsmuster und die Wärmesenke 1 aus Metall verwendet wird, ist die Menge des in das Epoxyharz eingebrachten Siliziumoxidpulvers derart vorgegeben, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Spritzharzes 9 mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kupfers übereinstimmt, d. h. 16 ppm/°C. Auf diese Weise lässt sich eine Leistungshalbleitervorrichtung schaffen, bei der keine Verwerfungen auftreten.
  • Zum Verbessern der Wärmeabführung des Spritzharzes ist es bevorzugt, Aluminiumoxidpulver anstelle von Siliziumoxidpulver als Füllstoff zu verwenden.
  • Im folgenden wird ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens für die Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Bei der Herstellung der Leistungshalbleitervorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird z. B. ein Epoxyharz-Flächenkörper, der B-Stufen-Aluminiumoxidpulver enthält, auf einer 3 mm dicken Aluminiumplatte platziert, und diesem wird eine 0,3 mm dicke Kupferfolie überlagert. Anschließend wird die Schichtung aus der Aluminiumplatte, dem das Aluminiumoxidpulver enthaltenden Epoxyharz-Flächenkörper und der Kupferfolie erwärmt und mit Druck beaufschlagt, um dadurch die Aluminiumplatte und die Kupferfolie über den das Aluminiumoxidpulver enthaltenden Epoxyharz-Flächenkörper miteinander zu verbinden. Anschließend werden die Verdrahtungsmuster 3 durch Ausführen eines Ätzvorgangs an der Kupferfolie gebildet.
  • Auf diese Weise wird das metallische Schaltungssubstrat gebildet, das folgendes beinhaltet: die Wärmesenke 1 aus Aluminium, die Harzisolierschicht, die aus Aluminiumoxidpulver enthaltendem Epoxyharz gebildet ist, sowie die Verdrahtungsmuster aus Kupfer.
  • Unter Verwendung des Lötmaterials werden als nächstes der IGBT 4 und die Diode 5, bei denen es sich um Leistungshalbleiterelemente handelt, mit Element-Montagebereichen verbunden, die an vorbestimmten Stellen auf den Verdrahtungsmustern vorgesehen sind, und die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss werden mit Verbindungsflächen verbunden, die für die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss an vorbestimmten Stellen an den Verdrahtungsmustern vorgesehen sind.
  • Genauer gesagt, es werden der IGBT 4, die Diode 5 und der erste zylindrischen Verbindungsbereich 8a für den externen Anschluss mit dem ersten Verdrahtungsmuster 3a verbunden, und der zweite zylindrische Verbindungsbereich 8b für den externen Anschluss wird mit dem zweiten Verdrahtungsmuster 3b verbunden.
  • Der dritte zylindrische Verbindungsbereich 8c für den externen Anschluss und der vierte zylindrische Verbindungsbereich 8d für den externen Anschluss, die mit den Steuerschaltungen zu verbinden sind, werden an dem dritten Verdrahtungsmuster 3c bzw. dem vierten Verdrahtungsmuster 3d angebracht.
  • Anschließend werden zwischen den Verdrahtungsmustern und dem IGBT 4, zwischen dem IGBT 4 und der Diode 5 sowie zwischen der Diode 5 und den Verdrahtungsmustern Stellen, zwischen denen eine elektrisch leitende Verbindung erforderlich ist, durch Drahtbonden 7 mittels Aluminiumdraht miteinander verbunden.
  • Anschließend wird das metallische Schaltungssubstrat, auf dem die durch Drahtbonden verbundenen Leistungshalbleiterelemente und zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss angebracht sind, in eine Form gesetzt und dann durch ein RTM-Verfahren dicht eingeschlossen bzw. gekapselt, wobei es sich bei dem Spritzharz 9 beispielsweise um einen Epoxyharz-Typ handelt, der mit Siliziumoxidpulver versetzt ist. Damit ist die Herstellung der Leistungshalbleitervorrichtung abgeschlossen.
  • 3 veranschaulicht einen Zustand, in dem die Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Form in Spritzharz eingeschlossen bzw. eingekapselt ist.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Einkapseln der Leistungshalbleitervorrichtung in Spritzharz unter Bezugnahme auf 3 ausführlich beschrieben.
  • Zuerst wird die Leistungshalbleitervorrichtung, an der der Drahtbondverbindungsvorgang abgeschlossen ist, in ein unteres Formteil 11 gesetzt, bei dem ein Plansenkungsvorgang derart ausgeführt worden ist, dass das Maß der Plansenkung mit der Höhe der Leistungshalbleitervorrichtung im wesentlichen übereinstimmt.
  • Als nächstes wird ein Harzflächenkörper 12 mittels eines Vakuums oder dergleichen in integraler Weise an einem oberen Formteil 10 haftend angebracht, wobei der Harzflächenkörper 12 keine Adhäsion gegenüber dem Spritzharz 9 zeigt sowie Elastizität aufweist und eine Wärmebeständigkeit besitzt, die auch bei Temperaturen von ca. 200°C keine Wärmebeeinträchtigung verursacht.
  • Das obere Formteil 10, an dem der Harzflächenkörper 12 haftend angebracht ist, wird mit dem unteren Formteil 11 in Berührung gebracht, und anschließend erfolgt ein Formklemmvorgang. Anschließend wird ein durch das untere Formteil 10 und das obere Formteil 11 gebildeter Formhohlraum mit dem Spritzharz 9 gefüllt.
  • Bei dem haftend an dem oberen Formteil 10 anzubringenden Harzflächenkörper 12 handelt es sich z. B. um einen Harzflächenkörper vom Fluor-Typ, beispielsweise einen Teflon®-Flächenkörper.
  • Die Tiefe der Plansenkung an dem unteren Formteil 11 ist derart vorgegeben, dass die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss der Leistungshalbleitervorrichtung, an der der Drahtbondvorgang abgeschlossen ist, geringfügig in den Harzflächenkörper 12 hineindrücken. Die Tiefe der Plansenkung an dem unteren Formteil 11 ist im wesentlichen von der Dicke des zu verwendenden Harzflächenkörpers 12 abhängig. Wenn z. B. der Harzflächenkörper 12 vom Fluor-Typ mit einer Dicke von 200 μm verwendet wird, kann somit die Höhe von der Wärmeabführfläche der Wärmesenke 1 aus Metall an den oberen Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss mit einer Toleranz von ca. 100 μm ausgebildet sein.
  • Wenn die Leistungshalbleitervorrichtung in der vorstehend beschriebenen Weise eingekapselt ist, wird bei der Leistungshalbleitervorrichtung 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels verhindert, dass das Spritzharz 9 die Wärmeabführfläche des metallischen Schaltungssubstrats und die oberen Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss erreicht und in die Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eindringt. Außerdem liegen die Wärmeabführfläche des metallischen Schaltungssubstrats, die oberen Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss sowie die inneren Oberflächen der Öffnungen frei.
  • Zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen ersten Verfahren gibt es noch folgende zweite, dritte und vierte Verfahren, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, zum Ausführen eines RTM-Vorgangs an der Leistungshalbleitervorrichtung in einer derartigen Weise, dass die Wärmeabführfläche des metallischen Schaltungssubstrats sowie die oberen Oberflächen und die inneren Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss freiliegen.
  • Das zweite Verfahren erfordert eine strenge Handhabung beispielsweise hinsichtlich der Höhe der bei der Leistungshalbleitervorrichtung verwendeten Komponenten und der Höhe des Lötvorgangs (es ist eine Genauigkeit von einigen wenigen μm erforderlich), hinsichtlich der Toleranz der Materialien sowie hinsichtlich der Prozesse. Dennoch führt dieses Verfahren zu einer Verbesserung bei der Genauigkeit der Höhe der oberen Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss von der Wärmeabführfläche.
  • Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das Spritzharz 9 die Wärmeabführfläche des metallischen Schaltungssubstrats und die oberen Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss erreicht und in die Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eindringt.
  • Bei dem dritten Verfahren sind elastische Materialien partiell vorgesehen an einer mit der metallischen Wärmesenke 1 in Berührung tretenden Oberfläche des unteren Formteils 11 und einer mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss in Berührung tretenden Oberfläche des oberen Formteils 10. Bei diesem Verfahren sind solche Vorgänge, wie das Anbringen oder Lösen dieser elastischen Materialien, kompliziert, und bei jeder Veränderung der Größe des metallischen Schaltungssubstrats oder der Positionen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss müssen auch die vorzusehenden elastischen Materialien neu angepasst werden.
  • Dennoch kann auf diese Weise verhindert werden, dass das Spritzharz 9 die Wärmeabführoberfläche des metallischen Schaltungssubstrats und die oberen Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss erreicht und in die Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eindringt.
  • Bei dem vierten Verfahren werden die Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche 6 für den externen Anschluss vorab mit einem Füllmaterial gefüllt, das keine Adhäsion gegenüber dem Spritzharz 9 zeigt, wobei das Füllmaterial nach dem Spritzvorgang entfernt wird. Je größer die Tiefe der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss ist, desto komplexer wird bei dem vierten Verfahren die erforderliche Einrichtung zum Entfernen des Füllmaterials.
  • Dennoch kann auf diese Weise verhindert werden, dass das Spritzharz 9 die Wärmeabführoberfläche des metallischen Schaltungssubstrats und die oberen Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss erreicht und in die Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eindringt. Insbesondere kann in einfacher Weise verhindert werden, dass das Spritzharz 9 in die Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eindringt.
  • Insbesondere das erste RTM-Verfahren kann in einfacher Weise verhindern, dass das Spritzharz 9 die Wärmeabführoberfläche des metallischen Schaltungssubstrats und die oberen Oberflächen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss erreicht und in die Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eindringt, und zwar auch bei einer geringen Genauigkeit bei der Höhe der Leistungshalbleitervorrichtung.
  • Weiterhin ist ein automatisches Austauschen des an dem oberen Formteil 10 vorgesehenen Harzflächenkörpers 12 möglich, und mit einer einzigen Form kann jeglicher Veränderung bei der Größe des metallischen Schaltungssubstrats und den Positionen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss Rechnung getragen werden. Dadurch lassen sich eine ausgezeichnete Produktivität sowie niedrigere Herstellungskosten der Leistungshalbleitervorrichtung realisieren.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden der IGBT 4 und die Diode 5 als Leistungshalbleiterelemente verwendet. Jedoch sind die Leistungshalbleiterelemente nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann auch ein MOSFET, eine Schottky-Diode oder dergleichen als Leistungshalbleiterelement verwendet werden. Bei Verwendung eines MOSFET ist es nicht notwendig, die Diode antiparallel mit dem MOSFET zu verbinden. Als Material für die Leistungshalbleiterelemente kann nicht nur Silizium im allgemeinen, sondern auch Halbleitermaterial über eine große Bandbreite, wie z. B. Siliziumkarbid (SiC) verwendet werden.
  • Ferner wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Drahtbonden 7 zum Verbinden der Leistungshalbleiterelemente sowie zum Verbinden der Leistungshalbleiterelemente mit dem entsprechenden Verdrahtungsmuster verwendet. D. h., das Drahtbonden 7 wird als Verdrahtungseinrichtung verwendet. Jedoch ist die Verdrahtungseinrichtung nicht hierauf beschränkt.
  • Weiterhin wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwar ein metallisches Schaltungssubstrat verwendet, jedoch kann stattdessen auch ein Keramiksubstrat verwendet werden. Beispielsweise beinhaltet das Keramiksubstrat eine Keramikplatte, bei der es sich um eine Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit handelt, Kupfer-Verdrahtungsmuster, die auf der einen Oberfläche der Keramikplatte vorgesehen sind, sowie eine metallische Wärmesenke aus Kupfer, die auf der anderen Oberfläche der Keramikplatte vorgesehen ist.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der in 4 gezeigten Leistungshalbleitervorrichtung entlang einer Schnittlinie B-B in 4.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Oberfläche des Spritzharzes 9, in der Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss vorhanden sind, als obere Oberfläche bezeichnet.
  • Wie in den 4 und 5 gezeigt, ist eine Leistungshalbleitervorrichtung 200 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel identisch mit der Leistungshalbleitervorrichtung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet, mit der Ausnahme, dass bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel externe Anschlüsse 20, die jeweils mit Verbindungsstiften 21 versehen sind, mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss der Leistungshalbleitervorrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels verbunden sind.
  • Dabei ist ein Verbindungsstift 21 für den externen Anschluss in den zylindrischen Verbindungsbereich für den externen Anschluss jeder Steuerschaltung eingesetzt, und eine Vielzahl von Verbindungsstiften 21 für den externen Anschluss ist in die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss jeder Hauptschaltung eingesetzt.
  • 6A zeigt eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung eines externen Anschlusses 20, der vier Verbindungsstifte zur Verbindung mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss jeder Hauptschaltung der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist. 6B zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Schnittlinie C-C, die in der schematischen Draufsicht der 6A dargestellt ist.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Oberfläche eines Plattenbereichs 22 des externen Anschlusses 20, die zu einer Oberfläche, von der die Verbindungsstifte 21 nach unten ragen, entgegengesetzt ist, als obere Oberfläche bezeichnet.
  • Wie in den 6A und 6B gezeigt, beinhaltet der externe Anschluss 20, der mit jedem der zylindrischen Verbindungsbereiche 8a und 8b für den externen Anschluss der Hauptschaltungen in Verbindung steht, den Plattenbereich 22 und die Verbindungsstifte 21. Vier Verbindungsstifte 21, die zweidimensional derart angeordnet sind, dass zwei Paare von Stiften zwei parallele Reihen bilden, sind in dem Plattenbereich 22 derart vorgesehen, dass sie sich im wesentlichen rechtwinklig zu einer Plattenoberfläche des Plattenbereichs 22 erstrecken.
  • Relais-Verbindungsöffnungen 23, mit denen die Verbindungsstifte 21 verbunden sind, werden auf der einen Seite des Plattenbereichs 22 vorgesehen. Eine externe Schaltungsanschlussöffnung 24, bei der es sich um eine Durchgangsöffnung zum Verbinden des externen Anschlusses 20 mit einer externen Schaltung mittels einer Schraube oder dergleichen handelt, ist auf der anderen Seite des Plattenbereichs 22 vorgesehen.
  • Die Verbindungsstifte 21 sind in dem Plattenbereich 22 derart vorgesehen, dass sie sich in einen entsprechenden zylindrischen Verbindungsbereich 8a und 8b für den externen Anschluss der Hauptschaltungen einsetzen lassen. Die Verbindungsstifte 21 sind mit den entsprechenden zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss durch Presspassen, d. h. durch eine Einpress-Verbindung, verbunden. Aus diesem Grund sind die Verbindungsstifte 21 jeweils mit einer Öffnung 25 versehen, die elastische Eigenschaften bietet (wobei diese im folgenden als Öffnung mit elastischen Eigenschaften bezeichnet wird).
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet der externe Anschluss 20 die Verbindungsstifte 21 und den Plattenbereich 22, bei denen es sich um separate Komponenten handelt. Der externe Anschluss 20 wird durch Verbinden der Verbindungsstifte 21 mit den Relais-Verbindungsöffnungen 23 des Plattenbereichs 22 gebildet. Aus diesem Grund können die Verbindungsstifte 21 aus einem Material mit elastischen Eigenschaften gebildet werden, und der Plattenbereich 22 kann aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gebildet werden. Bei einem Material mit elastischen Eigenschaften handelt es sich z. B. um Phosphorbronze, und bei dem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit handelt es sich z. B. um Kupfer.
  • Das bedeutet, das Material mit elastischen Eigenschaften, z. B. Phosphorbronze, dessen elektrische Leitfähigkeit geringer ist als die von Kupfer oder dergleichen, wird nur für die Verbindungsstifte 21 verwendet. Infolgedessen kann der Widerstand der mit den Hauptschaltungen zu verbindenden externen Anschlüsse reduziert werden.
  • Bei der Leistungshalbleitervorrichtung 200 des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich bei einem Verfahren zum Verbinden der externen Anschlüsse 20 mit den zylindrischen Verbindungsbereichen 8a und 8b für den externen Anschluss der Hauptschaltungen um ein Verfahren, bei dem die Verbindungsstifte 21 vorab an den Plattenbereichen 22 angebracht werden und die Verbindungsstifte 21 dann in die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eingesetzt werden, oder um ein Verfahren, bei dem die Verbindungsstifte 21 vorab in die zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss eingesetzt werden und die Verbindungsstifte 21 dann mit den Plattenbereichen 22 verbunden werden.
  • Bei der Leistungshalbleitervorrichtung 200 des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden die externen Anschlüsse 20, in denen jeweils mehrere Verbindungsstifte 21 zweidimensional in einem einzelnen Plattenbereich 22 angeordnet sind, mit den an den jeweiligen Hauptschaltungen angebrachten zylindrischen Verbindungsbereichen 8a und 8b für den externen Anschluss verbunden.
  • Selbst wenn es sich bei den für die Leistungshalbleitervorrichtung 200 des vorliegenden Ausführungsbeispiels zu verwendenden externen Anschlüssen 20 um große Anschlüsse handelt, die mit einem hohen Strom beaufschlagt werden können, wird somit die Spannungsbelastung, die aufgrund der Verbindung der externen Anschlüsse 20 mit den zylindrischen Verbindungsbereichen 8a und 8b für den externen Anschluss der Hauptschaltungen auftritt, verteilt und vermindert.
  • Dies verhindert Defekte der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss aufgrund der Spannungsbelastung, wie z. B. das Auftreten eines Spalts an einer Verbindungsfläche zwischen der äußeren Seitenfläche eines zylindrischen Verbindungsbereichs für den externen Anschluss und dem Spritzharz 9 oder das Auftreten von feinen Rissen in dem Spritzharz 9. Infolgedessen können eine hohe Ausbeute und eine ausgezeichnete Produktivität bei der Herstellung sowie auch eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit realisiert werden.
  • Bei den Verbindungsbereichen für den externen Anschluss handelt es sich um zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, die kein Schraubgewinde aufweisen. Somit handelt es sich bei der Verbindung der externen Anschlüsse mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss um keine gewindemäßige Verbindung. Infolgedessen werden Spannungsbelastungen aufgrund der Verbindung der externen Anschlüsse noch weiter vermindert.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden externe Anschlüsse 20 verwendet, bei denen jeweils vier Verbindungsstifte 21 zweidimensional in einem einzelnen Plattenbereich 22 angeordnet sind. Die Anzahl der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss, die in jedem der zylindrischen Verbindungsbereiche 8a und 8b für den externen Anschluss enthalten sind, kann jedoch mehr als vier betragen, und es können externe Anschlüsse verwendet werden, bei denen jeweils mehr als vier Verbindungsstifte in einem einzigen Plattenbereich angeordnet sind.
  • In dem Fall, in dem die zylindrischen Verbindungsbereiche 8a und 8b für den externen Anschluss jeweils drei zylindrische Verbindungsbereiche für den externen Anschluss beinhalten, können diese drei zylindrischen Verbindungsbereiche jeweils an den Scheitelpunkten eines Dreiecks angeordnet sein, und auch in jedem externen Anschluss können drei Verbindungsstifte in einem einzelnen Plattenbereich jeweils an den Scheitelpunkten eines Dreiecks angeordnet sein.
  • Außerdem wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Material mit elastischen Eigenschaften für die Verbindungsstifte 21 verwendet, und die externen Anschlüsse 20 sind mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss im Presssitz verbunden. Jedoch kann auch ein Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit für die Verbindungsstifte 21 verwendet werden, und die für den externen Anschluss vorgesehenen zylindrischen Verbindungsbereiche und die externen Anschlüsse 20 können durch Löten miteinander verbunden sein. Auf diese Weise lässt sich der Widerstand der externen Anschlüsse noch weiter reduzieren.
  • Drittes Ausführungsbeispiel
  • 7A zeigt eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines vier Verbindungsstifte aufweisenden externen Anschlusses 26 zur Verbindung mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss jeder Hauptschaltung einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 7B zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Schnittlinie D-D der schematischen Draufsicht der 7A.
  • Hierbei wird eine Oberfläche des Plattenbereichs 22 des externen Anschlusses 26, die zu einer Oberfläche entgegengesetzt ist, von der Verbindungsstifte 21 wegragen, als obere Oberfläche bezeichnet.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) ist identisch mit der Leistungshalbleitervorrichtung 200 des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet, mit der Ausnahme, dass externe Anschlüsse 26 verwendet werden, von denen jeder vier Verbindungsstifte 21 aufweist und bei denen jeweils der Plattenbereich 22 und die Verbindungsstifte 21 integriert sind.
  • Wie in den 7A und 7B gezeigt ist, sind bei jedem externen Anschluss 26 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Verbindungsstifte 21 durch Ausführen eines Biegevorgangs oder dergleichen an einer Metallplatte des Plattenbereichs 22 gebildet. Ähnlich wie bei den externen Anschlüssen 20 des zweiten Ausführungsbeispiels ist ferner auch der Plattenbereich 22 jedes externen Anschlusses 26 mit der externen Schaltungsanschlussöffnung 24 versehen, und die Verbindungsstifte 21 sind jeweils mit der elastische Eigenschaften besitzenden Öffnung 25 versehen.
  • Das vorliegende Ausführungsbeispiel erzielt den gleichen Effekt wie das zweite Ausführungsbeispiel. Außerdem weisen die externen Anschlüsse 26 eine hohe Produktivität auf, da bei jedem externen Anschluss 26 die Verbindungsstifte 21 durch Ausführen eines Biegevorgangs an der Metallplatte des Plattenbereichs 22 gebildet sind.
  • Wenn bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die externen Anschlüsse 26 jeweils aus einer einzigen Metallplatte mit elastischen Eigenschaften gebildet werden, können die externen Anschlüsse 26 durch Presspassung mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss verbunden werden, obwohl der Widerstand der externen Anschlüsse relativ hoch wird. Wenn die externen Anschlüsse 26 jeweils aus einer einzigen Metallplatte mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gebildet werden, können die elektrischen Anschlüsse 26 mit den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss durch Löten verbunden werden, und der Widerstand der elektrischen Anschlüsse 26 kann weiter vermindert werden.
  • Viertes Ausführungsbeispiel
  • 8 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Hauptkörper einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 9 zeigt ein Schaltbild des Hauptkörpers der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Hauptkörper 50 der Leistungshalbleitervorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist das Resultat des Einkapselns von Leistungshalbleiterelementen in das Spritzharz 9. Hierbei wird eine Oberfläche des Spritzharzes 9, in der Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche für den externen Anschluss vorhanden sind, als obere Oberfläche bezeichnet.
  • Wie in den 8 und 9 gezeigt ist, weist der Hauptkörper 50 der Leistungshalbleitervorrichtung folgendes auf: eine Vielzahl von gleichstromseitig auf der Seite einer positiven Elektrode vorgesehenen zylindrischen Verbindungsbereichen 8e für den externen Anschluss, die mit der positiven Elektrode eines auf der Seite der positiven Elektrode befindlichen Leistungshalbleiterelements 4a verbunden sind; eine Vielzahl von gleichstromseitig auf der Seite einer negativen Elektrode vorgesehenen zylindrischen Verbindungsbereichen 8f für den externen Anschluss, die mit der negativen Elektrode eines auf der Seite der negativen Elektrode befindlichen Leistungshalbleiterelements 4b verbunden sind; eine Vielzahl von wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen 8g für den externen Anschluss, die mit einer Verbindungsstelle zwischen der negativen Elektrode des auf der Seite der positiven Elektrode befindlichen Leistungshalbleiterelements 4a und der positiven Elektrode des auf der Seite der negativen Elektrode befindlichen Halbleiterelements 4b verbunden ist; ein Paar für die Steuerelektrode zu verwendende zylindrische Verbindungsbereiche 8h und 8i für den externen Anschluss, die mit der Steuerelektrode des Leistungshalbleiterelements 4a auf der Seite der positiven Elektrode verbunden sind; und ein Paar für die Steuerelektrode zu verwendende zylindrische Verbindungsbereiche 8j und 8k, die mit der Steuerelektrode des Leistungshalbleiterelements 4b auf der Seite der negativen Elektrode elektrisch verbunden sind.
  • Die auf der Seite der positiven Elektrode befindlichen zylindrischen Verbindungsbereiche 8e für den externen Anschluss und die auf der Seite der negativen Elektrode befindlichen zylindrischen Verbindungsbereiche 8f für den externen Anschluss bilden einen gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereich 8n für den externen Anschluss.
  • Ferner sind die mehreren wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche 8g für den externen Anschluss zweidimensional angeordnet, und Öffnungen der wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche 8g für den externen Anschluss sind in der oberen Oberfläche des Spritzharzes 9 vorhanden.
  • Es sind zwei gleichstromseitig auf der Seite der positiven Elektrode befindliche zylindrische Verbindungsbereiche 8e für den externen Anschluss sowie zwei gleichstromseitig auf der Seite der negativen Elektrode befindliche zylindrische Verbindungsbereiche 8f für den externen Anschluss vorhanden. Der gleichstromseitige zylindrische Verbindungsbereich 8n für den externen Anschluss, der diese beiden Verbindungsbereiche 8e und 8f beinhaltet, ist zweidimensional angeordnet. Öffnungen der gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche 8n für den externen Anschluss sind auch an der oberen Oberfläche des Spritzharzes 9 vorhanden.
  • Bei dem Hauptkörper 50 der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine grundlegende Form einer Leistungselektronikvorrichtung, wie z. B. einen Inverter.
  • 10 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, deren Hauptkörper eine externe Verdrahtung zur Verbindung mit einer externen Schaltung aufweist.
  • 11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der in 10 gezeigten Leistungshalbleitervorrichtung entlang einer Schnittlinie E-E, die in der schematischen Draufsicht der 10 dargestellt ist.
  • Wie in den 10 und 11 gezeigt, weist der Hauptkörper 50 der Leistungshalbleitervorrichtung 300 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine externe Verdrahtung zur Verbindung mit einer externen Schaltung auf. Genauer gesagt, es besitzt der Hauptkörper 50 der Leistungshalbleitervorrichtung eine Verdrahtungsplatte 31 auf der Seite der positiven Elektrode und eine Verdrahtungsplatte 32 auf der Seite der negativen Elektrode, mit der ein gleichstromseitiges Verdrahtungssubstrat 30 gebildet ist, einen wechselstromseitigen externen Anschluss 34 sowie ein Steuersubstrat 35.
  • Durch die Verbindungsstifte 21 ist die Verdrahtungsplatte 31 auf der Seite der positiven Elektrode mit den auf der Seite der positiven Elektrode befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen 8e für den externen Anschluss verbunden; die Verdrahtungsplatte 32 auf der Seite der negativen Elektrode ist mit den auf der Seite der negativen Elektrode befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen 8f für den externen Anschluss verbunden; der wechselstromseitige externe Anschluss 34 ist mit den wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen 8g für den externen Anschluss verbunden; und das Steuersubstrat 35 ist mit den für die Verwendung mit der Steuerelektrode vorgesehenen zylindrischen Verbindungsbereichen 8h, 8i, 8j und 8k für den externen Anschluss verbunden.
  • Das gleichstromseitige Verdrahtungssubstrat 30 ist durch integrales Ausbilden der Verdrahtungsplatte 31 auf der Seite der positiven Elektrode und der Verdrahtungsplatte 32 auf der Seite der negativen Elektrode unter Zwischenanordnung einer Isolierschicht 33 gebildet.
  • Ein Plattenbereich des wechselstromseitigen externen Anschlusses 34 ist mit der Anschlussöffnung 24 zum Verbinden des wechselstromseitigen externen Anschlusses 34 mit einer externen Schaltung versehen.
  • Das Steuersubstrat 35 weist eine Treiberschaltung für das Leistungshalbleiterelement 4a auf der Seite der positiven Elektrode und das Leistungshalbleiterelement 4b auf der Seite der negativen Elektrode auf.
  • Hierbei erfolgen die Verbindung der Verdrahtungsplatte 31 auf der Seite der positiven Elektrode und der Verdrahtungsplatte 32 auf der Seite der negativen Elektrode, bei denen es sich um Plattenbereiche des gleichstromseitigen Verdrahtungssubstrats 30 handelt, mit den Verbindungsstiften 21 sowie die Verbindung des Plattenbereichs des wechselstromseitigen externen Anschlusses 34 mit den Verbindungsstiften 21 beispielsweise durch Hartlöten oder Weichlöten.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der wechselstromseitige externe Anschluss 34 vier Verbindungsstifte 21 auf, die zweidimensional angeordnet sind. Der wechselstromseitige externe Anschluss 34 ist über diese Verbindungsstifte 21 mit den wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen 85 für den externen Anschluss verbunden.
  • Ähnlich wie bei der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann somit durch Verbinden des wechselstromseitigen externen Anschlusses 34 mit den wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen 8g für den externen Anschluss die auf die wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche 8g für den externen Anschluss ausgeübte Spannungsbelastung verteilt und reduziert werden, so dass Defekte bei den wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen 8g für den externen Anschluss verhindert werden können.
  • Die wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche 8g für den externen Anschluss und die Verbindungsstifte 21 sind z. B. durch eine Einpress-Verbindung, wie Presspassen, oder durch Löten verbunden.
  • Die Verdrahtungsplatte 31 auf der Seite der positiven Elektrode ist mit den auf der Seite der positiven Elektrode befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen 8e für den externen Anschluss über die beiden miteinander ausgerichteten Verbindungsstifte 21 verbunden. Ferner ist die Verdrahtungsplatte 32 auf der Seite der negativen Elektrode mit den auf der Seite der negativen Elektrode befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen 8f für den externen Anschluss über die beiden miteinander ausgerichteten Verbindungsstifte 21 verbunden.
  • Das gleichstromseitige Verdrahtungssubstrat 30 ist durch integrales Ausbilden der Verdrahtungsplatte 31 auf der Seite der positiven Elektrode und der Verdrahtungsplatte 32 auf der Seite der negativen Elektrode unter Zwischenanordnung der Isolierschicht 33 gebildet.
  • Mit anderen Worten, es sind vier Verbindungsstifte 21, bei denen es sich um die beiden Verbindungsstifte 21 in der Verdrahtungsplatte 31 auf der Seite der positiven Elektrode und um die beiden Verbindungsstifte 21 in der Verdrahtungsplatte 32 auf der Seite der negativen Elektrode handelt, zweidimensional in dem gleichstromseitigen Substrat 30 angeordnet. Das gleichstromseitige Verdrahtungssubstrat 30 ist mit den gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen 8n für den externen Anschluss über diese vier Verbindungsstifte 21 verbunden, die zweidimensional angeordnet sind.
  • Ähnlich wie bei der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann mit dieser Ausbildung, bei der das gleichstromseitige Verdrahtungssubstrat 30 mit den gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen 8n für den externen Anschluss verbunden ist, die auf die gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche 8n für den externen Anschluss ausgeübte Spannungsbelastung verteilt und reduziert werden, und Defekte der gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche 8n für den externen Anschluss können verhindert werden.
  • Da die Leistungshalbleitervorrichtung 300 des vorliegenden Ausführungsbeispiels das Auftreten von Defekten an den zylindrischen Verbindungsbereichen für den externen Anschluss verhindert, ist die Herstellungsausbeute hoch, und die Produktivität sowie die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung sind ausgezeichnet.
  • Ferner sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Verdrahtungsplatte 31 auf der Seite der positiven Elektrode und die Verdrahtungsplatte 32 auf der Seite der negativen Elektrode, die zum Bilden des gleichstromseitigen Verdrahtungssubstrats 30 dienen, über die Verbindungsstifte 21 mit den gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen 8n für den externen Anschluss verbunden. Für diese Verbindung wird eine Einpress-Verbindung, wie z. B. Presspassen, Löten oder dergleichen verwendet.
  • Die Verbindung mittels dieser Verfahren reduziert im Vergleich zu einer gewindemäßigen Verbindung die Induktivität einer Schaltung, die das gleichstromseitige Verdrahtungssubstrat 30, das eine gleichstromseitige Schaltung bildet, mit dem Leistungshalbleiterelement 4a auf der Seite der positiven Elektrode und dem Leistungshalbleiterelement 4b auf der Seite der negativen Elektrode verbindet.
  • Aus diesem Grund können Stoßspannungen reduziert werden, die aufgrund der Verdrahtungsinduktivität beim Abschalten eines hohen an der Leistungshalbleitervorrichtung anliegenden Stroms auftreten.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Plattenbereiche des wechselstromseitigen externen Anschlusses 34 und das gleichstromseitige Verdrahtungssubstrat 30 als separate Komponenten von ihren Verbindungsstiften 21 ausgebildet. Daher können die Plattenbereiche aus Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt werden, und die Verbindungsstifte können aus Metall mit elastischen Eigenschaften hergestellt werden, oder die Plattenbereiche und die Verbindungsbereiche können beide aus Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt werden.
  • Alternativ hierzu können jeder Plattenbereich und seine Verbindungsstifte 21 auch in integraler Weise aus einem einzigen Metallstück hergestellt werden.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Konfiguration einer in eine Form zu verbringenden Schaltung nicht auf die in 9 dargestellte beschränkt. Beispielsweise können auch drei Schaltungen mit jeweils einer in 8 dargestellten Konfiguration auf der Seite der positiven Elektrode und der Seite der negativen Elektrode parallel verbunden werden, d. h. es kann eine Dreiphasen-Inverterkonfiguration gebildet werden.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist klein ausgebildet, kann mit einem hohen Strom arbeiten und hat ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich Produktivität und Zuverlässigkeit und kann somit in effektiver Weise bei elektrischen Geräten zum Einsatz kommen, die eine hohe Leistung aufweisen müssen und kostengünstig sein müssen.

Claims (10)

  1. Leistungshalbleitervorrichtung (100), die folgendes aufweist: – ein Schaltungssubstrat mit einer metallischen Wärmesenke (1) und mit einer Isolierschicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die mit der einen Oberfläche der metallischen Wärmesenke (1) verbunden ist und Verdrahtungsmuster (3) aufweist, die auf einer Oberfläche der Isolierschicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind, die zu der mit der metallischen Wärmesenke (1) verbundenen Oberfläche der Isolierschicht (2) mit hoher Wärmeleitfähigkeit entgegengesetzt ist; – Leistungshalbleiterelemente (4, 5), die mit den Verdrahtungsmustern (3) verbunden sind; – zylindrische Verbindungsbereiche (8) für den externen Anschluss, die mit den Verdrahtungsmustern (3) verbunden sind; und – eine Verdrahtungseinrichtung (7) zum Herstellen einer leitenden Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterelementen (4, 5), zwischen den Verdrahtungsmustern (3) sowie zwischen den Leistungshalbleiterelementen (4, 5) und den Verdrahtungsmustern (3), – wobei das Schaltungssubstrat, die Leistungshalbleiterelemente (4, 5), die zylindrischen Verbindungsbereiche (8) für den externen Anschluss sowie die Verdrahtungseinrichtung (7) alle in einem Spritzharz (9) eingeschlossen sind, – wobei die zylindrischen Verbindungsbereiche (8) kein Schraubengewinde aufweisen, – wobei die zylindrischen Verbindungsbereiche (8) für den externen Anschluss mit den Verdrahtungsmustern (3) derart verbunden sind, dass sie rechtwinklig zu den Verdrahtungsmustern (3) angeordnet sind, so dass drei oder mehr von den zylindrischen Verbindungsbereichen (8) für den externen Anschluss auf jedem der Verdrahtungsmuster (3), die Hauptschaltungen bilden, derart angeordnet sind, dass nicht alle drei oder mehr der zylindrischen Verbindungsbereiche (8) entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind, und – wobei Öffnungen der zylindrischen Verbindungsbereiche (8) für den externen Anschluss, in die externe Anschlüsse eingesetzt und mit diesen verbunden werden können, an einer oberen Oberfläche des Spritzharzes (9) freiliegen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, – wobei ein externer Anschluss (20), der mit einem Plattenbereich (22) und einer Vielzahl von in dem Plattenbereich (22) angeordneten Verbindungsstiften (21) ausgebildet ist, mit der Vielzahl von zylindrischen Verbindungsbereichen (8) für den externen Anschluss verbunden ist, die auf jeder der Hauptschaltungen angeordnet sind, und – wobei die Vielzahl von Verbindungsstiften (21) derart angeordnet sind, dass nicht alle entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, – wobei es sich bei dem Plattenbereich (22) des externen Anschlusses um eine separate Komponente von dessen Verbindungsstiften (21) handelt, – wobei der Plattenbereich (22) aus Metall gebildet ist, und – wobei die Verbindungsstifte (21) jeweils aus Metall mit elastischen Eigenschaften gebildet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, – wobei es sich bei dem Plattenbereich (22) des externen Anschlusses um eine separate Komponente von dessen Verbindungsstiften (21) handelt, und – wobei der Plattenbereich (22) und die Verbindungsstifte (21) jeweils aus Metall gebildet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Plattenbereich (22) und die Verbindungsstifte (21) des externen Anschlusses (26) in integraler Weise aus einem einzigen Metallstück gebildet sind.
  6. Leistungshalbleitervorrichtung, die folgendes aufweist: – drei oder mehr von wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen (8g) für den externen Anschluss, die auf Verdrahtungsmustern (3) derart angeordnet sind, dass nicht alle entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind; – drei oder mehr von gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen (8n) für den externen Anschluss, die auf Verdrahtungsmustern (3) derart angeordnet sind, dass nicht alle entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind; und – Leistungshalbleiterelemente (4a, 4b), die in elektrischer Verbindung mit den drei oder mehr von wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen (8g) für den externen Anschluss und den drei oder mehr von gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen (8n) für den externen Anschluss angeordnet sind, – wobei die drei oder mehr der wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche (8g) für den externen Anschluss, die drei oder mehr der gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche (8n) für den externen Anschluss sowie die Leistungshalbleiterelemente (4a, 4b) alle in Spritzharz (9) eingekapselt sind und die zylindrischen Verbindungsbereiche (8g, 8n) kein Schraubengewinde aufweisen, – wobei die wechselstromseitigen und die gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche (8g, 8n) für den externen Anschluss Öffnungen aufweisen, die in einer oberen Oberfläche des Spritzharzes (9) ausgebildet sind, und – wobei die wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche (8g) für den externen Anschluss mit einem wechselstromseitigen externen Anschluss (34) verbunden sind und – die gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche (8n) für den externen Anschluss mit einem gleichstromseitigen Verdrahtungssubstrat (30) verbunden sind, – wobei die wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche (8g) für den externen Anschluss mit einer Verbindungsstelle zwischen einer negativen Elektrode eines auf der Seite der positiven Elektrode befindlichen Leistungshalbleiterelements (4a) von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) und einer positiven Elektrode eines auf der Seite der negativen Elektrode befindlichen Leistungshalbleiterelements (4b) von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) verbunden sind, – wobei eine Vielzahl von Verbindungsstifte (21) zur Verbindung mit den wechselstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen (8g) für den externen Anschluss in einem Plattenbereich des wechselstromseitigen externen Anschlusses vorgesehen und derart angeordnet sind, dass nicht alle Verbindungsstiften (21) entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind, – wobei die gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereiche (8n) für den externen Anschluss eine Vielzahl von auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen (8e) für den externen Anschluss und eine Vielzahl von auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen (8f) für den externen Anschluss beinhalten, – wobei die auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen zylindrischen Verbindungsbereiche (8e) für den externen Anschluss mit einer positiven Elektrode des auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen Leistungshalbleiterelements (4a) verbunden sind und die auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen zylindrischen Verbindungsbereiche (8f) für den externen Anschluss mit einer negativen Elektrode des auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen Leistungshalbleiterelements (4b) verbunden sind, – wobei das gleichstromseitige Verdrahtungssubstrat (30) durch integrales Ausbilden einer auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen Verdrahtungsplatte (31) und einer auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen Verdrahtungsplatte (32) unter Zwischenanordnung einer Isolierschicht (33) gebildet ist, – wobei die Verdrahtungsplatte (31) auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) über Verbindungsstifte mit den auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen (8e) für den externen Anschluss verbunden ist und die Verdrahtungsplatte (32) auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) über Verbindungsstifte mit den auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen (8f) für den externen Anschluss verbunden ist, und – wobei eine Vielzahl von Verbindungsstiften (21) zur Verbindung mit den gleichstromseitigen zylindrischen Verbindungsbereichen (8n) für den externen Anschluss in einem Plattenbereich des durch die integrale Ausbildung gebildeten gleichstromseitigen Verdrahtungssubstrats derart vorgesehen ist, dass nicht alle Verbindungsstifte (21) entlang der gleichen Achse ausgerichtet sind
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei mindestens eine Verbindung zwischen den Verbindungsstiften der Verdrahtungsplatte (31) auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) und den auf der Seite der positiven Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen (8e) für den externen Anschluss sowie eine Verbindung zwischen den Verbindungsstiften der Verdrahtungsplatte (32) auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) und den auf der Seite der negativen Elektrode von den Leistungshalbleiterelementen (4a, 4b) befindlichen zylindrischen Verbindungsbereichen (8f) durch eine Einpress-Verbindung oder durch Löten gebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, – wobei es sich bei den Plattenbereichen des wechselstromseitigen externen Anschlusses und des gleichstromseitigen Verdrahtungssubstrats um separate Komponenten von ihren Verbindungsstiften (21) handelt, – wobei die Plattenbereiche jeweils aus Metall gebildet sind, und – wobei die Verbindungsstifte jeweils aus Metall mit elastischen Eigenschaften gebildet sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, – wobei es sich bei den Plattenbereichen des wechselstromseitigen externen Anschlusses und des gleichstromseitigen Verdrahtungssubstrats um separate Komponenten von ihren Verbindungsstiften handelt, und – wobei die Plattenbereiche und die Verbindungsstifte jeweils aus Metall gebildet sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei bei jedem wechselstromseitigen externen Anschluss und bei jedem gleichstromseitigen Verdrahtungssubstrat der Plattenbereich und die Verbindungsstifte in integraler Weise aus einem einzigen Metallstück gebildet sind.
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