DE102009044485A1 - Leistungs-Halbleitereinrichtung - Google Patents

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Yoshiko Obiraki
Seiji Oka
Takeshi Oi
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Abstract

Eine Leistungs-Halbleitereinrichtung enthält: mehrere Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b), welche durch ein Spritzgussharz (1) versiegelt sind, so dass Einstecklöcher (3a) von leitfähigen röhrenförmigen Fassungen (3), mit welchen mehrere externe Anschlüsse (2) durch ein Einstecken verbunden werden können, an einer Oberfläche davon freiliegen, und wobei eine metallische Wärmeabführ-Oberfläche (4a) an einer weiteren Oberfläche davon freiliegt; und ein leitfähiges Verbindungselement (5), welches die mehreren externen Anschlüsse (2) hat. Die Oberfläche der Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b), welche die Einstecklöcher (3a) der röhrenförmigen Fassungen (3) haben, sind bei den mehreren Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) in gleicher Richtung angeordnet. Eine elektrische Drahtverbindung zwischen den mehreren Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) wird durch ein Einstecken der externen Anschlüsse (2) des leitfähigen Verbindungselements (5) in die jeweiligen Einstecklöcher (3a) der röhrenförmigen Fassungen (3) der mehreren Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) herbeigeführt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine eingegossene Leistungs-Halbleitereinrichtung, welche durch Spritzguss erstellt ist, welche eine hohe Produktivität hat, und genauer gesagt auf eine Leistungs-Halbleitereinrichtung, welche eine geringe Größe hat und einen hohen Strom erzielt.
  • 2. BESCHREIBUNG ZUM STAND DER TECHNIK
  • Um einen Motor, welcher über eine Dreiphasen-Wechselstrom Leistungsversorgung betrieben wird, anzutreiben und zu steuern, sind eine Umwandlungseinheit von Wechselstrom zu Gleichstrom, welche ein Umwandler genannt wird, und eine Umwandlungseinheit von Gleichstrom zu Wechselstrom, welche ein Inverter genannt wird, notwendig. Eine Leistungs-Halbleitereinrichtung ist eine Einrichtung, bei welcher diese Einheiten zu einer Einrichtung zusammengefasst sind. Eine solche Leistungs-Halbleitereinrichtung wird bei einem hohen Strom und einer hohen Spannung die Wärme in Zusammenhang mit ihrem Betrieb wirksam an die Außenseite der Leistungs-Halbleitereinrichtung abzuführen. Aus diesem Grund ist die Leistungs-Halbleitereinrichtung auf die folgende Art und Weise ausgebildet. Ein Verdrahtungsmuster wird auf einer Metallplatte ausgebildet, welche als eine Wärmeabführplatte dient, wobei eine Isolierschicht zwischengesetzt ist, ein Leistungs-Halbleiterelement wird darauf bereitgestellt und das Leistungs-Halbleiterelement wird durch ein Kunstharz versiegelt.
  • Ein Beispiel von einer solchen Einrichtung ist eine Leistungs-Halbleitereinrichtung, welche aus den folgenden Bauteilen ausgebildet ist (siehe beispielsweise JP-A-08-316357 ). Die Leistungs-Halbleitereinrichtung ist ausgebildet aus: einer Metallplatte, welche als eine Wärmeabführplatte dient; einem Leistungs-Halbleiterelement, welches mit einem Verdrahtungsmuster verbunden ist, welches auf einer Keramikplatte ausgebildet ist, welche als eine Isolierschicht dient, welche auf der Metallplatte platziert ist; einem externen Lötanschluss, welcher von der Oberfläche aus erhöht ist, auf welcher das Leistungs-Halbleiterelement befestigt wird; einem Metalldraht zum Verbinden des externen Lötanschlusses und des Leistungs-Halbleiterelementes miteinander; einem Thermoplast-Außengehäuse, welches mit der Metallplatte verbunden ist; einem Silikongel, welches in einen Aussparungsabschnitt gefüllt ist, welcher durch das Außengehäuse und das Substrat, auf welchem das Leistungs-Halbleiterelement befestigt ist, ausgebildet ist; und einem Reaktionsharz, welches ferner oberhalb des Silikongels gefüllt ist.
  • Jedoch sind bei dieser herkömmlichen Leistungs-Halbleitereinrichtung ein Schritt zum Verbinden des Thermoplast-Außengehäuses mit der Metallplatte, ein Schritt zum Füllen und Aushärten des Silikongels und ein Schritt zum Imprägnieren und Aushärten des Reaktionsharzes notwendig. Somit sind bei dieser herkömmlichen Leistungs-Halbleitereinrichtung viele Herstellungsschritte und eine lange Herstellungszeit erforderlich, welches zu einer geringen Produktivität führt. Darüber hinaus hat diese herkömmliche Leistungs-Halbleitereinrichtung eine geringe Stromführungskapazität in Relation zum Basisbereich des Moduls. Daher tritt ein Problem auf, dass die Größe der Leistungs-Halbleitereinrichtung zunimmt.
  • Eine Leistungs-Halbleitereinrichtung, welche solche Probleme löst und eine Größenreduktion und eine Verbesserung hinsichtlich der Produktivität erzielt, ist eine Leistungs-Halbleitereinrichtung, welche offenbart ist (siehe beispielsweise JP-A-11-220074 ). Bei dieser Einrichtung wird das Leistungs-Halbleiterelement mit einem Spritzgussharz versiegelt und wird der externe Anschluss unter Verwendung eines Leitungsrahmens herausgeführt.
  • 6 ist eine Perspektivansicht, welche die oben beschriebene herkömmliche Leistungs-Halbleitereinrichtung anzeigt. Bei dieser herkömmlichen Leistungs-Halbleitereinrichtung sind die externen Anschlüsse unter Verwendung eines Leitungsrahmens 25 ausgebildet. Jedoch sind bei dem Verfahren, welches den Leitungsrahmen 25 verwendet, die externen Anschlüsse zwangsläufig von einer Seitenfläche der Leistungs-Halbleitereinrichtung aus in einer Zeile aufgrund von Beschränkungen hinsichtlich des Herstellungsprozesses freigelegt. Bei einer Leistungs-Halbleitereinrichtung, welche mit einem hohen Strom und einer hohen Spannung betrieben wird, müssen die externen Anschlüsse auf eine solche Art und Weise angeordnet werden, dass eine ausreichende Spannungsfestigkeit zwischen den externen Anschlüssen sichergestellt werden kann. Jedoch gibt es bei einem solchen herkömmlichen Verfahren, bei welchem die externen Anschlüsse einer Zeile freigelegt sind, kein anderes Verfahren als die Größe der Leistungs-Halbleitereinrichtung selber zu vergrößern, um eine hohe Spannungsfestigkeit sicherzustellen, so dass die Einrichtung zwangsläufig größer wird. Es ist zu erwähnen, dass in der Figur mit dem Bezugszeichen 21 eine Leistungs-Halbleitereinrichtung (Modul) gekennzeichnet ist, mit den Bezugszeichen 23a und 23b Wärmeabführkörper gekennzeichnet sind, mit dem Bezugszeichen 24 ein Wärmestrahler gekennzeichnet ist, mit dem Bezugszeichen 25 ein Leiterrahmen gekennzeichnet ist, mit dem Bezugszeichen 26 ein Verbindungsdraht gekennzeichnet ist, mit dem Bezugszeichen 27 ein Kunstharzgehäuse gekennzeichnet ist, mit dem Bezugszeichen 28 ein Schraubenbefestigungsloch gekennzeichnet ist, mit den Bezugszeichen 31a und 31b Wärmeabführsubstrate gekennzeichnet sind, mit dem Bezugszeichen 32 ein Innenlötpunkt gekennzeichnet ist, mit dem Bezugszeichen 33 ein Außenlötpunkt gekennzeichnet ist, mit dem Bezugszeichen 34 ein Schraubenbefestigungsloch gekennzeichnet ist, mit den Bezugszeichen D1 und D2 Dioden gekennzeichnet sind und mit dem Bezugszeichen Tr ein Transistor gekennzeichnet ist.
  • Ferner sind bei dem herkömmlichen Verfahren die Bauteile, welche den Inverter und den Umwandler ausbilden, gleichzeitig mit einem Spritzgussharz versiegelt. Daher muss, wenn ein Defekt bei irgendeinem der Bauteile in der Einrichtung auftritt, die gesamte Einrichtung ersetzt werden. Dies führt zu Problemen hinsichtlich einer Abnahme der Produktausbeute und zu hohen Kosten bei der Herstellung.
  • UMRISS DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung löst die oben beschriebenen Probleme und es ist eine Aufgabe von der Erfindung, eine Leistungs-Halbleitereinrichtung bereitzustellen, welche durch Versiegelung mit einem Spritzgussharz ausgebildet ist, welche eine Verbesserung hinsichtlich der Produktivität und der Kostenreduktion erzielt und welche sogar bei einem hohen Strom und einer hohen Spannung mit hoher Zuverlässigkeit verwendet werden kann.
  • Eine Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß der Erfindung enthält: eine Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten, welche durch ein Spritzgussharz versiegelt sind, so dass Einstecklöcher von leitfähigen röhrenförmigen Fassungen, mit welchen eine Mehrzahl von externen Anschlüssen durch ein Einstecken verbunden werden können, in einer Oberfläche davon freiliegen, und eine Metall-Wärmeabführoberfläche in einer weiteren Oberfläche davon freiliegt; und ein leitfähiges Verbindungselement, welches die Mehrzahl von externen Anschlüssen hat. Die Oberflächen der Leistungs-Halbleitereinheiten, welche die Einstecklöcher der röhrenförmigen Fassungen haben, sind bei der Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten in die gleiche Richtung angeordnet. Eine elektrische Drahtverbindung zwischen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten ist durch ein Einstecken der externen Anschlüsse von dem leitfähigen Verbindungselement in die jeweiligen Einstecklöcher von den röhrenförmigen Fassungen der Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten herbeigeführt.
  • Gemäß der Leistungs-Halbleitereinrichtung der Erfindung liegen die Einstecklöcher von den röhrenförmigen Fassungen, mit welchen die externen Anschlüsse durch ein Einstecken verbunden werden können, bei der Leistungs-Halbleitereinheit, welche durch ein Spritzgussharz versiegelt ist, in einer Oberfläche davon frei, wobei eine Metall-Wärmeabführoberfläche in der anderen Oberfläche davon freiliegt. Ferner ist eine elektrische Drahtverbindung zwischen der Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten unter Verwendung des leitfähigen Verbindungselements, welches eine Mehrzahl von externen Anschlüssen hat, herbeigeführt, um die Leistungs-Halbleitereinrichtung aufzubauen. Somit wird es möglich, den Querschnittsbereich der Oberfläche von der röhrenförmigen Fassung, welche senkrecht ist zu der Richtung, in welche der elektrische Strom geführt ist, zu erhöhen, so dass ein hoher Strom über die externen Anschlüsse geführt werden kann, Darüber hinaus kann eine ausreichende Spannungsfestigkeit zwischen den röhrenförmigen Fassungen sogar bei einer kleinen Größe sichergestellt werden.
  • Die Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß der Erfindung verwendet mehrere Leistungs-Halbleitereinheiten, welche zusammengefasst sind. Wenn irgendeine von allen Leistungs-Halbleitereinheiten bei einem Qualitätstest während der Herstellung nicht die erforderliche Qualität einhält, braucht somit lediglich jene Leistungs-Halbleitereinheit ersetzt zu werden, so dass, verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren, bei welchem die gesamte Leistungs-Halbleitereinheit ersetzt werden muss, die Zuverlässigkeit bei geringen Kosten verbessert werden kann.
  • Das Vorhergehende und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Perspektivansicht in Explosionsdarstellung, welche eine Leistungs-Halbleitereinrichtung vor dem Zusammenbau gemäß einer Ausführungsform 1 von der Erfindung anzeigt.
  • 2A ist eine Schnittansicht, welche entlang einer Linie A-A in 1 genommen ist, welche die Einrichtung nach dem Zusammenbau anzeigt, und 2B ist eine Schnittansicht, welche die Einrichtung anzeigt, bei welcher leitfähige Verbindungselemente davon entfernt sind und ebenfalls ein Spritzgussharz auf der Metallplatte entfernt ist.
  • 3 ist eine Perspektivansicht in Explosionsdarstellung, welche eine Leistungs-Halbleitereinrichtung vor dem Zusammenbau gemäß einer Ausführungsform 2 anzeigt.
  • 4A ist eine Schnittansicht, welche entlang einer Linie B-B in 3 genommen ist, welche die Einrichtung nach dem Zusammenbau anzeigt, und 4B ist eine Schnittansicht, welche die Einrichtung anzeigt, bei welcher die leitfähigen Verbindungselemente davon entfernt sind und ebenfalls das Spritzgussharz auf der Metallplatte entfernt ist.
  • 5 ist eine Schnittansicht, welche eine Einrichtung von einer Ausführungsform 3 anzeigt, bei welcher die leitfähigen Verbindungselemente davon entfernt sind und ebenfalls das Spritzgussharz auf der Metallplatte entfernt ist.
  • 6 ist eine Perspektivansicht, welche eine herkömmliche Leistungs-Halbleitereinrichtung anzeigt.
  • GENAUE BESCHREIBUNG VON DER ERFINDUNG
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist eine Perspektivansicht in Explosionsdarstellung, welche eine Leistungs-Halbleitereinrichtung vor dem Zusammenbau gemäß Ausführungsform 1 von der Erfindung anzeigt. 2A ist eine Schnittansicht, welche entlang von einer Linie A-A von 1 genommen ist, welche die Einrichtung nach dem Zusammenbau anzeigt, und 28 ist eine Schnittansicht, welche die Einrichtung anzeigt, wobei leitfähige Verbindungselemente davon entfernt sind und ebenfalls ein Spritzgussharz auf einer Metallplatte 4 entfernt ist. Wie in 1 angezeigt, enthält die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 von Ausführungsform 1 eine Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b, welche zusammengefasst sind. Jede der Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b sind derart spritzgegossen, dass Einstecklöcher 3a von leitfähigen röhrenförmigen Fassungen 3, in welche externe Anschlüsse 2 eingesteckt und verbunden werden können, in einer Oberfläche davon freiliegen, und dass eine Wärmeabfuhr-Metalloberfläche 4a zum Abführen der Wärme von der Metallplatte 4 in der anderen Oberfläche freiliegt. Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 ist mit leitfähigen Verbindungselementen 5 bereitgestellt, welche jeweils eine Mehrzahl von externen Anschlüssen 2 haben.
  • Die Oberflächen von den Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b, welche die Einstecklöcher 3a der röhrenförmigen Fassungen 3 haben, sind bei der Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b in gleicher Richtung angeordnet. Vorzugsweise sind sie in gleicher Richtung und ebenfalls in gleicher Ebene angeordnet. Indem die externen Anschlusse 2 der leitfähigen Verbindungselemente 5 in die jeweiligen Einstecklöcher 3a der röhrenförmigen Fassungen 3 der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b eingesteckt werden, wird eine elektrische Drahtverbindung zwischen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b hervorgerufen, und wird die Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b mechanisch miteinander verbunden, so dass sie zu einem Stück zusammengefasst sind. Die leitfähigen Verbindungselemente 5 sind beispielsweise Sammelschienen. Obwohl die externen Anschlusse 2 beispielsweise in einer stapelförmigen Form angezeigt sind, sind sie nicht hierauf beschränkt und können andere Formen haben. Eine Schaltplatine, welche eine Mehrzahl von Schichten und eine Laminat-Sammelschiene hat, ist als Sammelschiene bevorzugt, da hierdurch die Induktivität wirksam reduziert wird. Obwohl die Ausführungsform 1 eine Mehrzahl von separaten Sammelschienen verwendet, ist es nicht notwendig, separate Sammelschienen zu verwenden, und ist es möglich, eine einzelne Sammelschiene zu verwenden.
  • Bei der Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 von Ausführungsform 1 bildet die Leistungs-Halbleitereinheit 1a eine Umwandlereinheit, während die Leistungs-Halbleitereinheit 1b eine Invertereinheit bildet. Indem diese zwei Einheiten zusammengefasst werden, bildet die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 eine Leistungs-Umwandlereinrichtung aus. In jeder der Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b ist eine Harzisolierschicht 6, welche eine Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat, an einer Oberfläche 4b (die gegenüberliegende Oberfläche zu der Wärmeabfuhr-Metalloberfläche 4a zum Abführen der Wärme) von der Metallplatte 4 bereitgestellt. Ein Metallfolien-Verdrahtungsmuster 7 ist an der gegenüberliegenden Oberfläche zu der Oberfläche der Harzisolierschicht 6 bereitgestellt, welches mit der Metallplatte 4 verbunden ist. Das heißt, dass die Metallplatte 4, die Harzisolierschicht 6 und das Verdrahtungsmuster 7 eine Metallplatine 8 bilden, welche eine Platine ist.
  • Die Leistungs-Halbleiterelemente 9 sind mithilfe von einem Lötmittel auf einer Befestigungsoberfläche von dem Verdrahtungsmuster 7 verbunden, und die röhrenförmigen Fassungen 3 sind mithilfe von einem Lötmittel im Wesentlichen senkrecht auf dem Verdrahtungsmuster 7 verbunden. Die Punkte zwischen den Verdrahtungsmustern 7, zwischen den Leistungs-Halbleiterelementen 9 und zwischen den Verdrahtungsmustern 7 und den Leistungs-Halbleiterelementen 9, welche notwendig sind, sind über Drahtverbindungen 10 elektrisch miteinander verbunden. Der Verdrahtungsmuster-7-Ausbildungs-Oberflächenabschnitt und der periphere Seitenflächenabschnitt von der Metallplatine 8, die Leistungs-Halbleiterelemente 9, die Drahtverbindungen 10 und die Außenseiten von den röhrenförmigen Fassungen 3 sind durch ein Spritzgussharz 11 versiegelt. Andererseits ist das Spritzgussharz 11 nicht in die Einstecklöcher 3a der röhrenförmigen Fassungen 3 eingefüllt.
  • Bei den somit aufgebauten mehreren Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b sind die Oberflächen davon, in welchen die Einstecklöcher 3a der röhrenförmigen Fassungen 3 der Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b bereitgestellt sind, in gleicher Richtung und in gleicher Ebene angeordnet. Indem die externen Anschlüsse 2 der Zeitfähigen Verbindungselemente (Sammelschienen) 5 in die jeweiligen Einstecklöcher 3a der röhrenförmigen Fassungen 3 der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b eingesteckt sind, wird die elektrische Drahtverbindung zwischen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b hervorgerufen, und wird die Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b integriert miteinander mechanisch verbunden. In 2B ist die Leistungs-Halbleitereinheit 1b für drei Phasen (für die U-, V- und W-Phase) angezeigt, jedoch ist ebenfalls der folgende Aufbau möglich. Es sind separate Leistungs-Halbleitereinheiten, welche jeweils unabhängige röhrenförmige Fassungen für die Anodenseite und die Kathodenseite haben, für jede einzelne Phase bereitgestellt, und wird jede der Leistungs-Halbleitereinheiten separat spritzgegossen. Diese Leistungs-Halbleitereinheiten werden elektrisch miteinander verbunden und werden mechanisch miteinander vereinigt, um eine Leistungs-Halbleitereinheit für die drei Phasen aufzubauen. Zusätzlich kann eine Unterbrecherschaltung an jegliche der Leistungs-Halbleitereinheiten hinzugefügt werden oder kann eine Leistungs-Halbleitereinheit, welche eine Unterbrecherschaltung bildet, separat vorbereitet und mit den weiteren Leistungs-Halbleitereinheiten zusammengefasst werden.
  • Im Vorhergehenden wurde eine Leistungs-Halbleitereinrichtung beschrieben, bei welcher eine elektrische Drahtverbindung zwischen einer Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten hervorgerufen ist und wobei die Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten ebenfalls mechanisch miteinander verbunden ist, indem die externen Anschlüsse der leitfähigen Verbindungselemente in die jeweiligen Einstecklöcher der röhrenförmigen Fassungen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten eingesteckt werden. Jedoch ist ebenfalls der folgende Aufbau möglich. Es kann eine elektrische Drahtverbindung zwischen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten hervorgerufen werden, indem die externen Anschlüsse von den leitfähigen Verbindungselementen in die jeweiligen Einstecklöcher der röhrenförmigen Fassungen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten eingesteckt werden, wobei jedoch die mechanische Verbindung der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten hervorgerufen wird, indem die Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten auf einer gemeinsamen Kühlrippe platziert wird und die Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten integriert mechanisch verbunden wird. Alternativ können die Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten und die gemeinsame Kühlrippe mittels Schrauben befestigt werden, um die Leistungs-Halbleitereinheiten integriert miteinander mechanisch zu verbinden.
  • Somit wird die Leistungs-Halbleitereinrichtung zusammengebaut, indem Leistungs-Halbleitereinheiten unter Verwendung der leitfähigen Verbindungselemente 5, welche eine Mehrzahl von externen Anschlüssen 2 haben, zusammengefasst werden. Somit kann eine Leistungs-Umwandlereinrichtung einfach zusammengebaut werden. Darüber hinaus braucht, sogar wenn irgendeine der Leistungs-Halbleitereinheiten versagt oder kaputt geht, lediglich die versagende oder kaputt gegangene Leistungs-Halbleitereinheit ersetzt zu werden. Somit kann die zuverlässigkeit, verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren, bei welchem die gesamte Leistungs-Halbleitereinrichtung ersetzt werden muss, bei geringen Kosten erhöht werden. Im Allgemeinen ist es bekannt, dass, wenn die Umwandlereinheit 1a und die Invertereinheit 1b verglichen werden, die Invertereinheit 1b eine größere Wärmemenge erzeugt, wohingegen die Umwandlereinheit 1a eine geringere Wärmemenge erzeugt. Jedoch ist es bei dem herkömmlichen Verfahren schwierig, Kühlvorrichtungen, wie beispielsweise die Kühlrippe 12, an separaten Stellen für die Umwandlereinheit 1a und die Invertereinheit 1b anzubringen. Andererseits können bei dem Aufbau der Ausführungsform 1 die Kühlvorrichtungen separat für die Umwandlereinheit 1a und die Invertereinheit 1b befestigt werden. Daher kann die Kühlvorrichtung für die Umwandlereinheit 1a, welche eine geringere Wärme erzeugt, vereinfacht werden. Daraus folgend werden, verglichen mit der herkömmlichen Leistungs-Halbleitereinrichtung, geringere Kosten erzielt.
  • In Ausführungsform 1 kann ein Metall, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, als die Metallplatte 4 verwendet werden. Beispiele enthalten Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer, eine Kupferlegierung, Eisen, eine Eisenlegierung, und ein Verbundmaterial, wie beispielsweise Kupfer/Eisen-Nickel-Legierung/Kupfer oder Aluminium/Eisen-Nickel-Legierung/Aluminium. Es ist insbesondere vorteilhaft, Kupfer zu verwenden, welches eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit hat, wenn ein Leistungs-Halbleiterelement 9, welches eine hohe Stromleitkapazität hat, verwendet wird. Die Dicke, Länge und Breite von der Metallplatte 4 kann derart bestimmt sein, dass sie in Abhängigkeit von der Stromleitkapazität von dem Leistungs-Halbleiterelement 9 geeigneterweise abhängen. Genauer gesagt, wenn die Stromleitkapazität von dem Leistungs-Halbleiterelement 9 größer ist, wird die Dicke von der Metallplatte 4 größer erstellt und werden die Länge und Breite von der Metallplatte 4 größer erstellt.
  • In Ausführungsform 1 kann eine Harzisolierschicht, welche verschiedene Keramiken oder ein anorganisches Pulver enthält, oder eine Harzlsolierschicht, welche Glasfasern enthält, als die Harzlsolierschicht 6 verwendet werden. Beispiele des anorganischen Pulvers, welches in der Harzlsolierschicht 6 enthalten sein kann, enthalten Aluminium, Berylliumoxid, Bornitrit, Magnesium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid. Die Dicke der Harzisolierschicht 6 ist beispielsweise in einem Bereich von 20 Mikrometer bis 400 Mikrometer. In der Ausführungsform 1 kann beispielsweise eine Kupferfolie als das Verdrahtungsmuster 7 verwendet werden und kann ein Aluminiumdraht als die Drahtverbindungen 10 verwendet werden. Die Dicke der Kupferfolie, welche für das Verdrahtungsmuster 7 verwendet wird, und der Drahtdurchmesser und die Anzahl der Aluminiumdrähte, welche für die Drahtverbindungen 10 verwendet werden, können geeigneterweise in Abhängigkeit von der Stromleitkapazität des Leistungs-Halbleiterelements 9 bestimmt werden.
  • Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 wird aufgebaut, indem die Metallplatte 4 und die Kühllamelle 12 bei jeder der Leistungs-Halbleitereinheiten verbunden werden. Die Verbindung wird im Allgemeinen durch eine Schraubbefestigung erzielt, und wobei es ebenfalls bei der Ausführungsform 1 bevorzugt ist, die Schraubverbindung zu verwenden. In der Ausführungsform 1 wird beispielsweise eine Metallröhre für jede der röhrenförmigen Fassungen 3 verwendet. Das Material der Metallröhre ist vorzugsweise ein Plattenprodukt aus einem Metall, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit hat, und welches mithilfe von einem Lötmittel, wie beispielsweise Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium und Aluminiumlegierung, mit dem Verdrahtungsmuster 7 verbunden werden kann. Die Dicke von jeder der röhrenförmigen Fassungen 3 entspricht vorzugsweise einer Dicke, bei welcher ein Bruch der röhrenförmigen Fassung durch den Gussdruck während des Spritzgusses verhindert wird, und wird geeigneterweise in Abhängigkeit von der Stromleitkapazität bestimmt.
  • Die Höhe von jeder der röhrenförmigen Fassungen 3 sollte vorzugsweise derart gewählt sein, so dass der externe Anschluss 2, welcher darin später einzustecken und damit zu verbinden ist, damit ausreichend verbunden werden kann. Der Innendurchmesser von der röhrenförmigen Fassung 3 ist gemäß dem Außendurchmesser des Einsteckelements von dem externen Anschluss 2, welcher später darin einzustecken und damit zu verbinden ist, bestimmt. Der Innendurchmesser sollte vorzugsweise zumindest derart gewählt sein, dass der externe Anschluss 2 darin einzusetzen ist. Zusätzlich kann der Innendurchmesser von der röhrenförmigen Fassung 3 an seinem Endabschnitt an der Spritzgussharz-Oberflächenseite gleich oder größer als der Innendurchmesser des Mittenabschnittes davon sein. Auf diese Art und Weise kann der externe Anschluss 2 einfach in die röhrenförmige Fassung 3 eingesteckt werden. Wenn der externe Anschluss 2 in die röhrenförmige Fassung 3 eingesteckt wird, tritt ferner der externe Anschluss 2 mit der oberen Oberfläche des Verdrahtungsmusters 7 in Kontakt, um eine elektrische Verbindung zu ermöglichen.
  • Zusätzlich kann in Ausführungsform 1 beispielsweise ein Epoxidharz, in welches Siliziumoxidpulver als Füllstoff gefüllt ist, als das Spritzgussharz 11 verwendet werden. Der Inhalt des Siliziumoxidpulvers, welches in das Spritzgussharz 11 gefüllt ist, ist derart bestimmt, dass eine optimale Menge erreicht wird, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Elements, welches für die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 oder dergleichen verwendet wird, in Betracht gezogen wird. Wenn beispielsweise Kupfer für das Verdrahtungsmuster 7 und die Metallplatte 4 verwendet wird, wird die Füllmenge des Silizlumoxidpulvers in dem Epoxidharz derart eingestellt, so dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Spritzgussharzes 11 derart eingestellt wird, dass er 16 ppm/°C beträgt, welches der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer ist. Auf diese Art und Weise wird eine Leistungs-Halbleitereinrichtung erzielt, welche keinerlei Verwerfungen aufzeigt. Zusätzlich Ist es zur Erhöhung der Wärmeabführleistung des Spritzgussharzes 11 vorteilhaft, Aluminiumpulver als Füllstoff anstelle des Siliziumoxidpulvers zu verwenden.
  • Im Folgenden wird ein Beispiel des Herstellungsverfahrens der Leistungs-Halbleitereinrichtung in Ausführungsform 1 beschrieben. Die Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b der Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 sind wie folgt vorbereitet. Beispielsweise wird eine B-Stufe Epoxidharzschicht, welche Aluminiumoxidpulver enthält, auf einer 3 mm dicken Aluminiumplatte platziert und wird eine 0,3 mm dicke Kupferfolie darauf aufgelegt. Dann wird das gestapelte Material aus einer Aluminiumplatte, der Epoxidharzschicht, welche das Aluminiumoxidpulver enthält, und der Kupferfolie erwärmt und komprimiert, um die Aluminiumplatte und die Kupferfolie durch die Epoxidharzschicht, welche Aluminiumoxidpulver enthält, miteinander zu verbinden. Als Nächstes wird das Verdrahtungsmuster 7 durch ein Ätzen der Kupferfolie ausgebildet. Somit ist die Metallplatine 8, welche die Metallplatte 4 aus Aluminium, die Harzisolierschicht 6 des Epoxidharzes, welches Aluminiumoxidpulver enthält, und das Verdrahtungsmuster 7 aus Kupfer enthält, ausgebildet.
  • Danach, obwohl in 2 nicht angezeigt, wird ein Lötabdecklack, welcher nicht essenziell ist, an beliebigen Stellen ausgebildet. Als Nächstes werden die Leistungs-Halbleiterelemente 9 an Elementbefestigungspositionen, welche an vorgesehenen Stellen auf dem Verdrahtungsmuster 7 bereitgestellt sind, durch Lötmittel angebunden, und ebenfalls werden die röhrenförmigen Fassungen 3 an Verbindungspositionen für die röhrenförmigen Fassungen 3, welche an vorgesehenen Stellen auf dem Verdrahtungsmuster 7 bereitgestellt sind, durch Lötmittel angebunden. Jene Punkte, welche eine elektrische Verbindung zwischen den Verdrahtungsmustern 7, zwischen den Leistungs-Halbleiterelementen 9 und zwischen den Verdrahtungsmustern 7 und den Leistungs-Halbleiterelementen 9 erfordern, sind durch Aluminiumdrahtverbindungen 10 miteinander verbunden. Darüber hinaus sind das Verdrahtungsmuster 7 und das Leistungs-Halbleiterelement 9 durch die Drahtverbindungen 10 miteinander verbunden, jedoch ist dies lediglich beispielhaft und können verschiedene andere Arten einer elektrischen Verbindung angewendet werden.
  • Bei der Reihenfolge der vorhergehenden Herstellungsschritte des Lötens und der darauf folgenden Drahtverbindung 10, muss die Drahtverbindung 10 nach der Vollendung der Lötverbindung von allen Bauteilen durchgeführt werden. Daher gibt es eine Wahrscheinlichkeit, dass, wenn die Drahtverbindung von einem Leistungs-Halbleiterelement 9 oder einem weiteren Verdrahtungsmuster 7 auf einem Verdrahtungsmuster 7 durchgeführt wird, welches elektrisch mit den röhrenförmigen Fassungen 3 verbunden ist, die Drahtverbindungen aufgrund der Höhe von den röhrenförmigen Fassungen 3 nicht nahe genug befestigt werden können, weil dem Drahtverbindungs-Equipment Beschränkungen auferlegt sind. Daraus folgend tritt eine Beschränkung hinsichtlich des Packungsbereiches auf. Angesichts dieses Problems kann das folgende Verfahren als ein Verfahren zur weiteren Reduktion des Packungsbereiches verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird die Drahtverbindung nach dem Verlöten des Verdrahtungsmusters 7 und der Leistungs-Halbleiterelemente 9 durchgeführt und werden danach das Verdrahtungsmuster 7 und die röhrenförmigen Fassungen 3 verbunden. Die Verbindung wird zwei Mal separat durchgeführt, so dass entweder ein Lötmittel mit niedrigem Schmelzpunkt oder ein Verbindungsverfahren, welches sich von der Verlötung unterscheidet, zur Verbindung des Verdrahtungsmusters 7 und der röhrenförmigen Fassungen 3 verwendet wird. Beispiele enthalten ein Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste und ein Verfahren unter Verwendung von einer Ultraschall-Verbindung.
  • Als Nächstes wird die Metallplatine 8, auf welcher die Leistungs-Halbleiterelemente 9 und die röhrenförmigen Fassungen 3 befestigt sind, in ein Spritzgussmaterial eingelegt und durch ein Spritzgussverfahren unter Verwendung von beispielsweise einem Spritzgussharz 11 auf Epoxidharzbasis, in welches Siliziumoxidpulver gefüllt ist, versiegelt. Die Einstecklöcher 3a der röhrenförmigen Fassungen 3, welche durch das Spritzgussharz 11 versiegelt sind, sind jene Abschnitte, mit welchen die externen Anschlüsse 2 zu verbinden sind. Beispiele des Verfahrens zum Verbinden der röhrenförmigen Fassungen 3 und der externen Anschlüsse 2 enthalten ein Verlöten, eine Kompressionseinpassung, welche durch eine Druckeinpassung dargestellt ist, welche eine Verbindung zwischen Metallen ist, und eine Schraubbefestigung. Vorzugsweise wird die Kompressionseinpassung, dargestellt durch die Druckeinpassung, verwendet, welche kostengünstig ist, eine hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich der verbundenen Abschnitte aufzeigt und sich zur Durchführung des Prozesses als einfach darstellt. Das Material für die Metallplatine 8 ist nicht auf die oben beschriebenen Materialien beschränkt, und es kann ein Keramiksubstrat als ein Bauteil der Leistungs-Halbleitervorrichtung verwendet werden.
  • Ausführungsform 2
  • 3 ist eine Perspektivansicht in Explosionsdarstellung, welche eine Leistungs-Halbleitereinrichtung vor dem Zusammenbau gemäß Ausführungsform 2 anzeigt. 4A ist eine Schnittansicht, welche entlang einer Linie B-B von 3 genommen ist, welche die Einrichtung nach dem Zusammenbau anzeigt, und 4B ist eine Schnittansicht, welche die Einrichtung anzeigt, wobei leitfähige Verbindungselemente davon entnommen sind und ebenfalls ein Spritzgussharz auf der Metallplatte 4 entnommen ist. In den Zeichnungen beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen oder auf entsprechende Bauteile. Ausführungsform 2 ist gleich der Ausführungsform 1, mit Ausnahme, dass sich das Chip-Layout unterscheidet. Wie in 4 gezeigt, ist jede der drei Leistungs-Halbleitereinheiten 1b eine Invertereinheit für eine Phase, wobei jede die Anoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3b und die Kathoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3c (das heißt die oberen und unteren Arme) enthält. Jeder der Leistungs-Halbleitereinheiten 1b, 1b, 1b (U-, V- und W-Phasen), welche die Invertereinheiten sind, haben den gleichen Aufbau, und ein Dreiphasen-Inverter ist aufgebaut, indem die externen Anschlüsse 2 und die leitfähigen Verbindungselemente 5 (Busschienen) verbunden werden.
  • Die Leistungs-Halbleitereinrichtung ist unter Verwendung der leitfähigen Verbindungselemente 5 aufgebaut, welche eine Mehrzahl von externen Anschlüssen 2 haben. Daher kann eine Leistungs-Umwandlereinrichtung einfach zusammengebaut werden. Darüber hinaus, sogar wenn einige der Leistungs-Halbleitereinheiten versagen oder kaputt gehen, braucht lediglich die versagende oder kaputt gegangene Leistungs-Halbleitereinheit ersetzt zu werden. Somit kann, verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren, bei welchem die gesamte Leistungs-Halbleitereinrichtung ersetzt werden muss, die Zuverlässigkeit bei geringen Kosten erhöht werden.
  • Ausführungsform 3
  • 5 ist eine Schnittansicht, welche eine Einrichtung gemäß Ausführungsform 3 anzeigt, wobei die leitfähigen Verbindungselemente davon entnommen sind und ebenfalls der Spritzgussharz auf der Metallplatte 4 entnommen ist. Wie in 5 angezeigt, enthält eine Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 gemäß Ausführungsform 3 eine Umwandlereinheit und eine Invertereinheit, welche Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b sind. Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 1 hat den gleichen Aufbau wie jene der Ausführungsform 1, mit Ausnahme, dass Anoden-seitige röhrenförmige Fassungen 3b und Kathoden-seitige röhrenförmige Fassungen 3c (P·N-Fassungen) der Leistungs-Halbleitereinheiten 1a und 1b derart angeordnet sind, dass die Kathoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3c die Anoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3b umgeben.
  • Die Kathoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3c haben einen kleineren Durchmesser als die Anoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3b. Der Grund dafür liegt darin, dass eine Mehrzahl der Kathoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3c um jede der Anoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3b vorliegen, und daher der Durchmesser der Kathoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen hinsichtlich der Stromleitungskapazität kleiner erstellt werden kann. Die Anoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3b und die Kathoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3c müssen durch eine Isolierdistanz voneinander beabstandet werden, so dass der induktive Widerstand der Verdrahtung aufgrund der Abschnitte der röhrenförmigen Fassungen 3b und 3c größer wird. Wenn jedoch einige der Anoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3b oder der Kathoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3c derart angeordnet werden, so dass sie die weiteren der röhrenförmigen Fassungen umgeben, so dass die weiteren der röhrenförmigen Fassungen den Magnetfluss auslöschen, welcher durch den elektrischen Strom erzeugt wird, welcher durch einige der röhrenförmigen Fassungen fließt, kann der induktive Widerstand der Verdrahtung reduziert werden. Demgemäß sind die Kathoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3c in der Ausführungsform 3 derart aufgebaut, so dass sie die Anoden-seitigen röhrenförmigen Fassungen 3b umgeben. Alternativ ist es möglich, dass die Anodenseitigen röhrenförmigen Fassungen 3b derart aufgebaut sind, dass sie die Kathodenseitigen röhrenförmigen Fassungen 3c umgeben. Somit kann der induktive Widerstand der Verdrahtung reduziert werden.
  • Es wurden die derzeit bevorzugtesten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angezeigt und beschrieben. Es ist zu verstehen, dass deren Beschreibung dem Zwecke der Darstellung dient, und dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie in den anliegenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 08-316357 A [0003]
    • - JP 11-220074 A [0005]

Claims (6)

  1. Leistungs-Halbleitereinrichtung, welche enthält: eine Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b), welche durch ein Spritzgussharz (11) versiegelt sind, so dass Einstecklöcher (3a) von leitfähigen röhrenförmigen Fassungen (3), mit welchen eine Mehrzahl von externen Anschlüssen (2) durch ein Einstecken verbunden werden können, in einer Oberfläche davon freiliegen, und eine Metall-Wärmeabführoberfläche (4a) in einer weiteren Oberfläche davon freiliegt; und ein leitfähiges Verbindungselement (5), welches die Mehrzahl von externen Anschlüssen (2) hat, wobei die Leistungs-Halbleitereinrichtung derart ausgelegt ist, dass die Oberflächen der Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b), welche die Einstecklöcher (3a) der röhrenförmigen Fassungen (3) haben, bei der Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) in die gleiche Richtung angeordnet sind; und eine elektrische Drahtverbindung zwischen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) durch ein Einstecken der externen Anschlüsse (2) von dem leitfähigen Verbindungselement (5) in die jeweiligen Einstecklöcher (3a) von den röhrenförmigen Fassungen (3) der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) herbeigeführt ist.
  2. Leistungs-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Oberflächen der Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b), welche die Einstecklöcher (3a) der röhrenförmigen Fassungen (3) haben, in die gleiche Richtung ausgerichtet sind und im Wesentlichen in der gleichen Ebene bei der Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) angeordnet sind.
  3. Leistungs-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher ein Typ der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) eine Invertereinheit (1b) ist und der weitere Typ davon eine Umwandlereinheit (1a) ist, und eine elektrische Drahtverbindung zwischen den zwei Typen der Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) durch das leitfähige Verbindungselement herbeigeführt ist.
  4. Leistungs-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche ferner enthält: eine Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten (1b), wobei jede davon eine Invertereinheit (1b) ist und eine Anoden-seitige röhrenförmige Fassung (3b) und eine Kathoden-seitige röhrenförmige Fassung (3c) hat, wobei eine elektrische Drahtverbindung zwischen der Mehrzahl der Leistungs-Halbleitereinheiten (1b) durch das leitfähige Verbindungselement (5) herbeigeführt ist, um einen Dreiphasen-Inverter-Aufbau auszubilden.
  5. Leistungs-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher durch ein Einstecken der externen Anschlüsse (2) des leitfähigen Verbindungselements (5) in die Einstecklöcher (3a) der jeweiligen röhrenförmigen Fassungen (3) der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b), eine elektrische Drahtverbindung zwischen der Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) herbeigeführt ist, und ebenfalls die Mehrzahl von Leistungs-Halbleitereinheiten (1a, 1b) miteinander mechanisch verbunden sind.
  6. Leistungs-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher jede der Leistungs-Halbleitereinheiten ((1a, 1b) eine Anoden-seitige röhrenförmige Fassung (3b) und eine Kathoden-seitige röhrenförmige Fassung (3c) hat, und wobei die Anoden-seitige röhrenförmige Fassung (3b) und die Kathoden-seitige röhrenförmige Fassung (3c) derart angeordnet sind, dass entweder eine aus der Anoden-seitigen röhrenförmigen Fassung (3b) oder der Kathoden-seitigen röhrenförmigen Fassung (3c) die andere umgibt, wobei diejenige aus einer Mehrzahl von röhrenförmigen Fassungen zusammengesetzt ist.
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