DE102009055648B4 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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    • H01L2924/181—Encapsulation

Abstract

Ein Leistungshalbleitermodul (100) umfassend:- ein Schaltkreissubstrat umfassend einen Metallkühlkörper (3) und umfassend eine Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit (4), die mit einer Oberfläche des Metallkühlkörpers (3) verbunden ist, und umfassend eine Schaltkreisstruktur (5a, 5b), die auf einer Oberfläche der Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit (4) bereitgestellt ist, deren Oberfläche gegenüber einer Oberfläche angeordnet ist, die mit dem Metallkühlkörper (3) verbunden ist;- Leistungshalbleiterbauelemente (1b, 2b) verbunden mit der Schaltkreisstruktur (5b);- eine metallische Kontaktplatte (7b), die eine elektrische Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen (1b, 2b) und eine elektrische Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen (1b, 2b) und der Schaltkreisstruktur (5a) herstellt;- zylindrische Hauptanschlüsse (13), die im Wesentlichen senkrecht jeweils mit der Metallischen Kontaktplatte (7b) und der Schaltkreisstruktur (5b) verbunden sind;- ein zylindrischer Steuerungsanschluss (14), der im Wesentlichen senkrecht mit einem der Leistungshalbleiterbauelemente (1b) verbunden ist; und- Pressspritzharz (6) zum Versiegeln mindestens der Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit (4), der Schaltkreisstruktur (5b), der Leistungshalbleiterbauelemente (1b, 2b), der Metallischen Kontaktplatte (7b), äußerer Seitenflächen der Hauptanschlüsse (13) und einer äußeren Seitenfläche des Steuerungsanschlusses (14), wobei die Haupt- und Steuerungsanschlüsse (13, 14) je eine Öffnung aufweisen, die an einer Oberfläche des Pressspritzharzes (6) bereitgestellt sind; und wobei- die Schaltkreisstruktur eine erste Metallstruktur (5a) und eine zweite Metallstruktur (5b) umfasst;- ein erster IGBT-Chip (1a) und ein erster FWD-Chip (2a) auf der ersten Metallstruktur (5a) als die Leistungshalbleiterbauelemente befestigt sind;- ein zweiter IGBT-Chip (1b) und ein zweiter FWD-Chip (2b) auf der zweiten Metallstruktur (5b) als die Leistungshalbleiterbauelemente befestigt sind;- der erste IBGT-Chip (1a) und der erste FWD-Chip (2a) miteinander durch eine erste Metallische Kontaktplatte (7a) verbunden sind;- der zweite IBGT-Chip (1b), der zweite FWD-Chip (2b) und die erste Metallplatte (5a) miteinander durch eine zweite Metallische Kontaktplatte (7b) verbunden sind;- die Hauptanschlüsse (13) mit der ersten Metallischen Kontaktplatte (7a), der zweiten Metallischen Kontaktplatte (7b) und der zweiten Metallstruktur (5b) jeweils verbunden sind; und- die Steuerungsanschlüsse (14) jeweils mit Ausgängen des ersten IGBT-Chips (1a) und des zweiten IGBT-Chips (1b) verbunden sind; und wobei- die Metallstruktur (5a) einen seitlich hervorstehenden Teil aufweist, mit dem die zweite Metallische Kontaktplatte (7b) verbunden ist und an deren Seitenflächen parallel zu den Seitenflächen eines seitlich hervorstehenden Teils der zweiten Metallstruktur (5b) angeordnet sind, mit dem der Hauptanschluss (13) verbunden ist; und wobei die zweite Metallische Kontaktplatte (7b) mit dem zweiten IGBT-Chip (1b), dem zweiten FWD-Chip (2b) und dem vorstehenden Teil der ersten Metallstruktur (5a) verbunden ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, das mit Harz durch Pressspritzen versiegelt ist, und das hinsichtlich der Leistungsfähigkeit ausgezeichnet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Leistungshalbleitermodul mit einer verringerten Größe, das mit Harz durch Pressspritzen versiegelt ist.
  • 2. Beschreibung des Hintergrunds der Erfindung
  • Eines der harzversiegelten Leistungshalbleitermodule, die durch Pressspritzen gebildet werden, welches in der Lage ist, die durch seinen Betrieb erzeugte Hitze effizient nach außen abzuführen, und fähig zu einem Betrieb mit großen Strömen ist, ist eines, in dem: Leistungshalbleiterbauelemente wie z.B. ein IGBT und dergleichen sind auf einer Schaltkreisstruktur befestigt und mit einem Metallkühlkörperfuß verbunden; und Haupt- und Steuerungs-Außenverbindungsanschlüsse sind mit der Schaltkreisstruktur derart verbunden, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche der Schaltkreisstruktur sind.
  • Ein Kupferblock, ein Zylinder mit einem Schraubenloch und eine Mutter, die durch Harzspritzen befestigt ist, werden jeweils für einen Hauptanschluss verwendet, der mit einem Hauptschaltkreis dieses Leistungshalbleitermoduls verbunden ist. Der Hauptanschluss, der ein Kupferblock ist, ist mit einer externen Verdrahtung durch Löten verbunden. Der Hauptanschluss, der ein Zylinder mit einem Schraubenloch ist, oder der Hauptanschluss, in dem eine Mutter durch Harzspritzen befestigt ist, ist mit einer externen Verdrahtung durch eine Schraube verbunden. Ferner wird eine Anschlussbuchse als ein Steuerungsanschluss verwendet, der zu einem Steuerungsschaltkreis des Leistungshalbleitermoduls verbindet, und die Anschlussbuchse ist mit einem Pin-Typ-Anschluss verbunden, der auf einem externen Steuerungssubstrat bereitgestellt wird.
  • Diese Haupt- und Steuerungsanschlüsse werden jeweils derart bereitgestellt, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu der Schaltkreisstrukturoberfläche sind. Teile dieser Anschlüsse, die mit der externen Verdrahtung eine Verbindung herstellen, sind an einer Oberfläche des Pressspritzharzes freiliegend. Ferner stellt Drahtbonden zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und dem Hauptanschluss, zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und dem Steuerungsanschluss, und zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen elektrisch eine Verbindung her (siehe z.B. Seite 7 bis 9, 2 und 6 der japanischen Offenlegungs-Patentpublikation Nr. 2007-184315 (nachfolgend als Patentdokument 1 bezeichnet)).
  • In dem Leistungshalbleitermodul, das mit Pressspritzharz versiegelt ist, welches im Patentdokument 1 beschrieben ist (nachfolgend einfach als ein Leistungshalbleitermodul bezeichnet) stellt Drahtbonden zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und einer Schaltkreisstruktur, auf der die Hauptanschlüsse bereitgestellt werden, zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und einer Schaltkreisstruktur, auf der der Steuerungsanschluss bereitgestellt wird, und zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen elektrisch eine Verbindung her.
  • In dem Leistungshalbleitermodul, das im Patentdokument 1 beschrieben wird, wird Drahtbonden zum Verdrahten innerhalb des Leistungshalbleitermoduls verwendet. Aus diesem Grund werden anders als die Schaltkreisstruktur, auf der die Leistungshalbleiterbauelemente befestigt sind, die Schaltkreisstrukturen, auf denen die Haupt- und Steuerungsanschlüsse befestigt sind, bereitgestellt. Dies führt zu einem Problem, dass die Größenreduzierung des Leistungshalbleitermoduls beschränkt ist.
  • Da ein vorher festgelegter breiter Raum für den Kopf einer Drahtbondausrüstung zum Betreiben nötig ist, ist es schwierig, Drahtbonden in der Nähe des Haupt- oder Steuerungsanschlusses auszuführen. Mit anderen Worten ist es notwendig, einen breiten Raum zwischen dem Haupt- oder Steuerungsanschluss und einem Teil zu haben, an dem das Drahtbonden ausgeführt wird, um den Betrieb der Drahtbondausrüstung zu ermöglichen. Dies führt auch zu dem Problem, dass die Größenreduzierung des Leistungshalbleitermoduls beschränkt ist.
  • Die Druckschrift US 2007 / 0 215 999 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement, das eine Grundplatte, ein isolierendes Substrat auf der Grundplatte und eine verdrahtungsgemusterte Schicht auf dem isolierenden Substrat umfasst. Das Halbleiterbauelement umfasst außerdem mindestens einen Halbleiterchip, der auf die verdrahtungsgemusterte Schicht gebondet ist, wobei der Halbleiterchip eine Oberflächenelektrode aufweist. Ein Hauptanschluss ist über eine leitende Klebeschicht mit mindestens einer der Oberflächenelektroden und der Schicht mit Verdrahtungsmuster verbunden. Ein Harzpaket bedeckt das isolierende Substrat, die verdrahtungsgemusterte Schicht, den Halbleiterchip, die leitende Klebeschicht und mindestens einen Teil des Hauptanschlusses.
  • Die Druckschrift DE 10 2004 057 421 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus: Gehäuse, Substrat, mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement, mindestens einem Verbindungselement sowie Last- und Hilfsanschlusselementen. Das Gehäuse umschließt das Substrat, welches auf einer noch zu dem Leistungshalbleitermodul gehörenden metallischen Grundplatte angeordnet ist.
  • Die Druckschrift DE 10 2005 030 247 B4 offenbart ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus einem Gehäuse mit Grundplatte oder zur Montage auf einem Kühlkörper und mindestens einem darin angeordneten elektrisch isolierenden Substrat. Dieses besteht seinerseits aus einem Isolierstoffkörper mit einer Mehrzahl darauf befindlicher gegeneinander isolierter metallischer Verbindungsbahnen und hierauf befindlichen und mit diesen Verbindungsbahnen schaltungsgerecht verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen. Vorteilhafterweise weist das Substrat auf seiner Unterseite eine flächige metallische Schicht, vergleichbar den Verbindungsbahnen, auf. Weiterhin weisen derartige Leistungshalbleitermodule Anschlusselemente für externe Last- und Hilfskontakte und zum Teil auch Verbindungselemente für Verbindungen im Inneren des Leistungshalbleitermoduls auf.
  • Die vorliegende Erfindung löst das obige Problem. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das mit Harz durch Pressspritzen versiegelt ist, welches in der Größe weiter reduziert werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung der oben genannten Aspekte gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Ausführungsformen und/oder Beispiele der folgenden Beschreibung, die nicht von den Ansprüchen abgedeckt sind, dienen nur der Veranschaulichung und sollen dem Leser nur helfen, die vorliegende Erfindung zu verstehen. Solche Ausführungsformen und/oder Beispiele, die nicht durch die Ansprüche abgedeckt sind, sind jedoch nicht Teil der vorliegenden Erfindung, die ausschließlich durch die Ansprüche definiert ist.
  • Die vorangehenden und andere Ziele, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Leistungshalbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 2 zeigt, dass Leistungshalbleiterbauelemente auf Metallstrukturen in einem Herstellungsverfahren des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befestigt werden;
    • 3 zeigt, dass Hauptanschlüsse und Steuerungsanschlüsse in dem Herstellungsverfahren des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befestigt werden;
    • 4 ist eine schematische Ansicht von oben eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 5 ist ein eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
    • 8 zeigt Außenanschlüsse, die in dem Leistungshalbleitermodul gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Leistungshalbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wie in 1 gezeigt, wird eine Isolierplatte 4, welche eine Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist, in einem Leistungshalbleitermodul 100 der vorliegenden Ausführungsform auf einer Oberfläche einer Metallgrundplatte 3 bereitgestellt, die als ein Metallkühlkörper zum Ableiten der Wärme des Leistungshalbleitermoduls 100 fungiert. Eine erste Metallstruktur 5a und eine zweite Metallstruktur 5b, die Schaltkreisstrukturen sind, werden auf einer Oberfläche der Isolierplatte 4 bereitgestellt, deren Oberfläche gegenüber einer Oberfläche liegt, die mit der Metallgrundplatte 3 verbunden ist.
  • Das heißt, die Metallgrundplatte 3, die Harzplatte 4 und die erste und zweite Metallstruktur 5a und 5b bilden ein Metallsubstrat 9, das ein Schaltkreissubstrat ist.
  • Leistungshalbleiterbauelemente, die ein erster IGBT-Chip 1a und ein erster FWD(Freilaufdiode)-Chip 2a sind, sind mit der ersten Metallstruktur 5a durch Lötmittel 8 verbunden. Leistungshalbleiterbauelemente, die ein zweiter IGBT-Chip 1b und ein zweiter FWD-Chip 2b sind, sind durch Lötmittel 8 mit der zweiten Metallstruktur 5 verbunden. Mit anderen Worten ist das Leistungshalbleitermodul 100 der vorliegenden Ausführungsform ein 2-in-1 IGBT-Modul, bei dem zwei Gruppen von IGBT-Chips und FWD-Chips auf dem Metallsubstrat 9 befestigt sind.
  • Eine Oberfläche des ersten IGBT-Chips 1a, dessen Oberfläche gegenüber einer Oberfläche liegt, die mit der ersten Metallstruktur 5a verbunden ist, und eine Oberfläche des ersten FWD-Chips 2a, dessen Oberfläche gegenüber einer Oberfläche liegt, die mit der ersten Metallstruktur 5a verbunden ist, sind über eine Metallische Kontaktplatte 7a verbunden. Eine Oberfläche des zweiten IGBT-Chips 1b, dessen Oberfläche gegenüber einer Oberfläche liegt, die mit der zweiten Metallstruktur 5b verbunden ist; eine Oberfläche des zweiten FWD-Chips 2b, dessen Oberfläche gegenüber einer Oberfläche liegt, die mit der zweiten Metallstruktur 5b verbunden ist; und die erste Metallstruktur 5a sind über eine zweite Metallische Kontaktplatte 7b verbunden.
  • Ein zylindrischer Anschluss 13 (nachfolgend als Hauptanschluss 13 bezeichnet) verbunden mit einem Hauptschaltkreis des Leistungshalbleitermoduls 100 wird auf der ersten Metallischen Kontaktplatte 7a, auf der zweiten Metallischen Kontaktplatte 7b und auf der zweiten Metallstruktur 5b bereitgestellt, so dass die zylindrischen Anschlüsse 13 im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Metallsubstrats 9 sind. Ein zylindrischer Anschluss 14 (nachfolgend als ein Steuerungsanschluss 14 bezeichnet) verbunden mit einem Steuerungsschaltkreis des Leistungshalbleitermoduls 100 wird im Wesentlichen senkrecht an dem Ausgang jedes IGBT-Chips 1b und 1b bereitgestellt.
  • Die Oberfläche des Metallsubstrats 9 des Leistungshalbleitermoduls 100, auf dessen Oberfläche die Metallstrukturen gebildet werden; die Umfangsseitenflächen des Metallsubstrats 9; alle Leistungshalbleiterbauelemente 1a, 1b, 2a und 2b; alle Metallischen Kontaktplatten 7a und 7b; und die äußeren Seitenoberflächen der Hauptanschlüsse 13 und der Steuerungsanschlüsse 14 sind mit Pressspritzharz 6 versiegelt. Allerdings ist eine Oberfläche der Metallgrundplatte 3, welche gegenüber der Oberfläche liegt, auf der die Isolierplatte 4 bereitgestellt wird, nicht mit dem Pressspritzharz 6 versiegelt, und Löcher des Hauptanschlusses 13 und des Steuerungsanschlusses 14 sind nicht mit dem Pressspritzharz 6 versiegelt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform sind der erste IGBT-Chip 1a und der erste FWD-Chip 2a über die erste Metallische Kontaktplatte 7a verbunden; der zweite IGBT-Chip 1b, der zweite FWD-Chip 2b und die erste Metallstruktur 5a sind über die zweite Metallische Kontaktplatte 7b verbunden; und der Hauptanschluss 13 ist auf der zweiten Metallstruktur 5b bereitgestellt. Alternativ können der erste IGBT-Chip 1a, der erste FWD-Chip 2a und die zweite Metallstruktur 5b über die erste Metallische Kontaktplatte 7b verbunden werden; der zweite IGBT-Chip 1b und der zweite FWD-Chip 2b können über die zweite Metallische Kontaktplatte 7b verbunden werden; und der erste Hauptanschluss 13 kann auf der ersten Metallstruktur 5a bereitgestellt werden.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform kann Metall, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit hat, wie z.B. Aluminium oder Kupfer, für die Metallgrundplatte 3 verwendet werden. Außerdem wird eine Harzisolierplatte, die verschiedene Keramik- und anorganische Pulver beinhaltet, die eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit haben, für die Isolierplatte 4 verwendet werden.
  • Beispielsweise wird eine Kupferplatte für die erste Metallstruktur 5a und die zweite Metallstruktur 5b verwendet. Ein Kupfermaterial wird auch beispielsweise für die erste Metallische Kontaktplatte 7a und die zweite Metallische Kontaktplatte 7b verwendet.
  • Ferner werden zylindrische und elektrisch leitende Bauteile, wie z.B. Metallzylinder, als die Hauptanschlüsse 13 und die Steuerungsanschlüsse 14 verwendet. Epoxyharz gefüllt mit Kieselerdepulverfüllmasse wird beispielsweise als Pressspritzharz 6 verwendet.
  • Als nächstes wird ein Beispiel des Herstellungsverfahrens des Leistungshalbleitermoduls der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Zuerst werden die Metallgrundplatte 3, die Isolierplatte 3 im B-Zustand und die Kupferplatte zusammengeschichtet. Dann werden diese erhitzt und unter Druck gesetzt, so dass sie miteinander verbunden werden und einen mehrschichtigen Körper bilden. Als nächstes wird das Ätzen auf die Kupferplatte des mehrschichtigen Körpers angewandt, wodurch die erste Metallstruktur 5a und die zweite Metallstruktur 5b gebildet werden. Auf diese Art wird die Metallstruktur 9 vollendet.
  • Als nächstes werden der erste IGBT-Chip 1a und der erste FWD-Chip 2a durch das Lötmittel oder dergleichen mit der ersten Metallstruktur 5a des Metallsubstrats 9 verbunden. Auch wird der zweite IGBT-Chip 1b und der zweite FWD-Chip 2b durch das Lötmittel 8 oder dergleichen mit der zweiten Metallstruktur 5b des Metallsubstrats 9 verbunden.
  • 2 zeigt, dass die Leistungshalbleiterbauelemente auf den Metallstrukturen in dem Herstellungsverfahren des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befestigt werden.
  • Wie in 2 gezeigt, sind der erste IGBT-Chip 1a, der erste FWD-Chip 2a, der zweite FWD-Chip 2b und der zweite IGBT-Chip 1b in einer Reihe in der genannten Reihenfolge von Links nach Rechts angeordnet. Ferner hat die Metallstruktur 5a einen seitlich hervorstehenden Teil, mit dem die zweite Metallische Kontaktplatte 7b verbunden ist und an deren Seitenflächen parallel zu den Seitenflächen eines seitlich hervorstehenden Teils der zweiten Metallstruktur 5b angeordnet sind, mit dem der Hauptanschluss 13 verbunden ist. Auf diese Weise kann ein Abstand zwischen der ersten Metallstruktur 5a und der zweiten Metallstruktur 5b verringert werden, was zu der Größenreduzierung des Leistungshalbleitermoduls beiträgt.
  • Als nächstes wird die Metallische Kontaktplatte 7a mit dem ersten IGBT-Chip 1a und dem ersten FWD-Chip 2a durch Löten oder dergleichen verbunden; und die zweite Metallische Kontaktplatte 7b wird mit dem zweiten IGBT-Chip 1b, dem zweiten FWD-Chip 2b und dem vorstehenden Teil der ersten Metallstruktur 5a durch Löten oder dergleichen verbunden.
  • Als nächstes werden die Hauptanschlüsse 13 mit der ersten Metallischen Kontaktplatte 7a, der zweiten Metallischen Kontaktplatte 7b und dem vorstehenden Teil der zweiten Metallstruktur 5b durch Löten oder dergleichen verbunden; und die Steuerungsanschlüsse 14 werden mit den jeweiligen Ausgängen des ersten IGBT-Chips 1a und des zweiten IGBT-Chips 2b durch Löten oder dergleichen verbunden.
  • 3 zeigt, dass die Hauptanschlüsse und die Steuerungsanschlüsse in dem Herstellungsverfahren des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befestigt werden.
  • Wie in 3 gezeigt, sind die Hauptanschlüsse 13, an die jeweils ein größerer Strom angelegt wird, größer als die Steuerungsanschlüsse 14. Hierbei sind die erste Metallische Kontaktplatte 7a und die zweite Metallische Kontaktplatte 7b jeweils eine einzelne breite Platte.
  • Schließlich wird eine Pressform benutzt, um das Spritzen durch Pressspritzen durchzuführen, wodurch das Leistungshalbleitermoduls 100, das mit dem Pressspritzharz 6 versiegelt ist, vollendet wird.
  • 4 zeigt eine Aufsicht auf das Leistungshalbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 4 gezeigt, liegen die Öffnungen der Hauptanschlüsse 13 und der Steuerungsanschlüsse 14 an einer Oberfläche des versiegelten Pressspritzharzes 6 frei. Ein externer Anschluss, der mit einem externen Schaltkreis verbunden wird, kann in jede der Öffnungen eingesteckt werden.
  • Ein Verfahren, bei dem das Spritzen ausgeführt wird, so dass die Öffnungen der Hauptanschlüsse 13 und der Steuerungsanschlüsse 14 an der Oberfläche des versiegelten Pressspritzharzes 6 freiliegen, ist z.B. dasjenige, bei dem das Spritzen mit einer toleranzabsorbierenden thermoplastischen Platte durchgeführt wird, die in die Pressform platziert wird.
  • In dem Herstellungsverfahren des Leistungshalbleitermoduls 100 der vorliegenden Ausführungsform werden die Metallischen Kontaktplatten mit den Leistungshalbleiterbauelementen verbunden, nachdem die Leistungshalbleiterbauelemente mit den jeweiligen Metallstrukturen verbunden wurden. Danach werden die Hauptanschlüsse und die Steuerungsanschlüsse verbunden. Alternativ kann, nachdem die Leistungshalbleiterbauelemente, die Metallischen Kontaktplatten, die Hauptanschlüsse und die Steuerungsanschlüsse vorübergehend unter Verwendung von Lötpaste miteinander verbunden wurden, Reflow-Löten für diese Bauteile gleichzeitig durchgeführt werden. Auf diese Weise kann das Herstellungsverfahren des Leistungshalbleitermoduls vereinfacht werden, und dementsprechend die Leistungsfähigkeit des Leistungshalbleitermoduls verbessert werden.
  • In dem Leistungshalbleitermodul 100 der vorliegenden Ausführungsform wird das Drahtbonden nicht für das Verdrahten innerhalb des Leistungshalbleitermoduls verwendet. Stattdessen werden die Metallischen Kontaktplatten dazu verwendet, zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen und zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen und einer Metallstruktur zu verbinden, auf der Leistungshalbleiterbauelemente befestigt sind. Ferner werden Hauptanschlüsse auf den Metallischen Kontaktplatten bereitgestellt, und Steuerungsanschlüsse werden auf den IGBT-Chips bereitgestellt. Deshalb ist es nicht mehr notwendig, Metallstrukturen zum Befestigen der Haupt- und Steuerungsanschlüsse darauf bereitzustellen, zusätzlich zu den Metallstrukturen, auf denen die Leistungshalbleiterbauelemente befestigt sind. Dies erlaubt es, das Leistungshalbleitermodul in seiner Größe weiter zu verringern.
  • Da Drahtbonden nicht verwendet wird, ist ein breiter Raum nicht notwendig, den eine Drahtbondausrüstung für ihren Betrieb braucht. Auch insofern kann das Leistungshalbleitermodul weiter in seiner Größe verringert werden.
  • In dem Fall, bei dem Verdrahten durch Drahtbonden in einem Leistungshalbleitermodul durchgeführt wird, das eine große Stromführleistung aufweist, ist es notwendig, eine große Anzahl von Verbindungsdrähten parallel zu verbinden. Dies erhöht die Menge an defekten Verbindungen. Jedoch ist die Menge an defekten Verbindungen gering, da eine Metallische Kontaktplatte an Stelle des Drahtbondens zum Verdrahten in dem Leistungshalbleitermodul 100 der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Daher ist das Leistungshalbleitermodul 100 hoch zuverlässig.
  • Das Leistungshalbleitermodul 100 der vorliegenden Ausführungsform ist ein 2-in-1 IGBT-Modul, bei dem zwei Gruppen von IGBT-Chips und FWD-Chips auf dem Metallsubstrat 9 befestigt sind. Jedoch ist diese Konfiguration, bei der das Verdrahten nicht durch Drahtbonden entsteht, sondern durch Metallische Kontaktplatten, und die Hauptanschlüsse auf den Schaltkreismetallplatten bereitgestellt und die Steuerungsanschlüsse auf den IGBT-Elementen bereitgestellt werden, auch anwendbar auf ein Leistungshalbleitermodul, bei dem eine Gruppe eines IGBT-Chips und eines Diodenchips auf einer einzelnen Metallstruktur befestigt sind.
  • Ferner ist diese Konfiguration auch im Fall des Verbindens zwischen den gleichen Typen von Chips, wie z.B. zwischen IGBT-Chips oder zwischen Diodenchips, anwendbar.
  • Zweite Ausführungsform
  • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 5 gezeigt, ist ein Leistungshalbleitermodul 200 der vorliegenden Ausführungsform das Gleiche wie das Leistungshalbleitermodul 100 der ersten Ausführungsform, außer dass: eine dritte Metallische Kontaktplatte 7c mit dem Ausgang des ersten IGBT-Chips 1a verbunden ist; eine vierte Metallische Kontaktplatte 7d mit dem Ausgang des zweiten IGBT-Chips 1b verbunden ist; und die Steuerungsanschlüsse 14 jeweils mit der dritten Metallischen Kontaktplatte 7c und der vierten Metallischen Kontaktplatte 7d verbunden sind. Hierbei haben Teile der dritten Metallischen Kontaktplatte 7c und der vierten Schaltkreismetallplatte 7d, deren Teile mit den Ausgängen der IGBT-Chips verbunden sind, jeweils die gleiche oder kleinere Größen als die entsprechenden Ausgänge. Auch haben Teile der dritten Metallischen Kontaktplatte 7c und der vierten Metallischen Kontaktplatte 7d, mit denen Teile der Steuerungsanschlüsse 14 verbunden sind, jeweils die gleiche oder größere Größen als der verbundene Teil des entsprechenden Steuerungsanschlusses 14.
  • Der Leistungshalbleiter 200 der vorliegenden Ausführungsform bietet die gleichen Ergebnisse als die des Leistungshalbleitermoduls 100 der ersten Ausführungsform. Zusätzlich können die Steuerungsanschlüsse darin bereitgestellt werden, selbst wenn IGBT-Chips kleinerer Kapazität verwendet werden und die Ausgänge der IGBT-Chips kleiner in ihrer Größe sind als die verbundenen Teile der Steuerungsanschlüsse.
  • Dritte Ausführungsform
  • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 6 gezeigt ist ein Leistungshalbleitermodul 300 der vorliegenden Ausführungsform das gleiche wie das Leistungshalbleitermodul 100 der ersten Ausführungsform, außer dass ein Keramiksubstrat 10 als ein Schaltkreissubstrat verwendet wird. In dem Keramiksubstrat 10 ist eine wärmeableitende Metallplatte 10, die als ein Kühlkörper fungiert, mit einer Seite einer Keramikplatte 15 verbunden, die eine Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist, und die erste Metallstruktur 5a und die zweite Metallstruktur 5b, die Schaltkreisstrukturen sind, werden auf der anderen Oberfläche der Keramikplatte 15 bereitgestellt. Vorzugsweise wird eine Platte aus Aluminium, Aluminiumnitrit, Bornitrit oder dergleichen als die Keramikplatte 15 verwendet.
  • Das Leistungshalbleitermodul 300 der vorliegenden Ausführungsform bietet dieselben Ergebnisse wie die des Leistungshalbleitermoduls 100 der ersten Ausführungsform. Zusätzlich kann der Wärmewiderstand des Leistungshalbleitermoduls weiter verringert werden, da das Keramiksubstrat 10 als ein Schaltkreissubstrat verwendet wird.
  • Die Verwendung des Keramiksubstrats 10 als ein Schaltkreissubstrat ist auch in dem Leistungshalbleitermodul 200 der zweiten Ausführungsform anwendbar, und die gleichen Ergebnisse wie die des Leistungshalbleitermoduls 300 können dementsprechend erlangt werden.
  • Vierte Ausführungsform
  • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 7 gezeigt ist ein Leistungshalbleitermodul 400 der vorliegenden Ausführungsform ein Ergebnis des Einsteckens und Verbindens externer Anschlusskontakte 11 mit den Hauptanschlüssen 13 und den Steuerungsanschlüssen 14 des Leistungshalbleitermoduls 100 der ersten Ausführungsform.
  • Das Leistungshalbleitermodul 400 ist in der Lage, mit einem externen Schaltkreis über die externen Anschlusskontakte 11 leitend zu werden, die jeweils eingesteckt und mit den Hauptanschlüssen 13 oder den Steuerungsanschlüssen 14 verbunden werden.
  • 8 zeigt Außenanschlüsse, die in dem Leistungshalbleitermodul gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Der untere Teil des jeweiligen externen Anschlusskontakte 11, die in 8 gezeigt sind, welche in den Hauptanschluss 13 oder in den Steuerungsanschluss 14 eingesteckt werden, hat eine Form eines übereinstimmenden Anschlusses, d.h. eine Presssitzstruktur. Entsprechend ist jeder der externen Anschlusskontakte 11 mit dem Hauptanschluss 13 oder dem Steuerungsanschluss 14 elektrisch verbunden dadurch, dass er durch eine Einpressverbindung darin befestigt ist. Die Einpressstruktur jedes externen Anschlusskontakte 11 kann eine Star-Pin-Struktur oder dergleichen sein.
  • Vorzugsweise wird für die externen Anschlusskontakte 11 ein Material benutzt, das von einem Kupferlegierungstyp ist, welches eine belastbare Charakteristik hat und dessen elektrischer Widerstand klein ist. Die Querschnittsgrößen der externen Anschlusskontakte 11 sind beruhend auf der Stromtragfähigkeit passend bestimmt.
  • Die Form des oberen Teils jedes externen Anschlusskontakte 11 wird auf Grundlage der Form einer externen Vorrichtung bestimmt, die mit dem Leistungshalbleitermodul elektrisch verbunden ist.
  • In dem Fall, bei dem eine Verbindung zwischen dem Leistungshalbleitermodul und der externen Vorrichtung an einem Strukturteil einer gedruckten Platine der externen Vorrichtung gebildet ist, wird ein externer Anschlusskontakt 11a, dessen oberer Teil, der mit dem Strukturteil verbunden werden soll, eine Spiralfederform hat, oder ein zweiter externer Anschlusskontakt 11b, dessen oberer Teil, der mit dem Strukturteil verbunden werden soll, eine Tellerfederform hat, verwendet.
  • Ferner wird in dem Fall, bei dem eine Verbindung zwischen dem Leistungshalbleitermodul und der externen Vorrichtung an einem Durchgangsloch der Leiterplatte der externen Vorrichtung gebildet wird, ein drittes externes Anschlusskontakt 11c, dessen oberer Teil, der durch das Durchgangsloch verbunden werden soll, eine Form zum Lötverbinden hat, oder ein vierter externer Anschlusskontakt 11d, dessen oberer Teil, der durch das Durchgangsloch verbunden werden soll, eine Form für eine Einpressverbindung hat, verwendet.
  • Obwohl nicht gezeigt können, beispielsweise in dem Fall einer hohen Stromtragfähigkeit, die Hauptanschlüsse Metallzylinder sein, in denen jeweils eine Schraube mit Innengewinde gebildet wird, und die externen Anschlusskontakte können Kontakte sein, die jeweils in einer Form einer Schraube mit Außengewinde gebildet werden.
  • Das Leistungshalbleitermodul 400 der vorliegenden Ausführungsform bietet die gleichen Ergebnisse wie die des Leistungshalbleitermoduls 100 der ersten Ausführungsform. Zusätzlich kann das Leistungshalbleitermodul 400 mit externen Vorrichtungen unterschiedlicher Form verbunden werden, was eine ausgezeichnete Einfachheit bietet.
  • Die Struktur, bei der die externen Anschlusskontakte 11, die jeweils eine Einpressstruktur haben, in die Hauptanschlüsse 13 und die Steuerungsanschlüsse 14 eingeführt werden, ist auf die Leistungshalbleitermodule 200 und 300 der zweiten und dritten Ausführungsform anwendbar, und dementsprechend können die gleichen Ergebnisse wie die des Leistungshalbleitermoduls 400 erlangt werden.
  • In dem Leistungshalbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, Metallstrukturen, auf denen die Haupt- und Steuerungsanschlüsse befestigt werden sollen, auf einem Schaltkreissubstrat bereitzustellen. Dementsprechend kann das Leistungshalbleitermodul in seiner Größe verringert werden. Demzufolge kann die vorliegende Erfindung wirksam auf eine Leistungshalbleitervorrichtung angewandt werden, bei der Leistungshalbleitermodule mit einer hohen Dichte befestigt sind.

Claims (7)

  1. Ein Leistungshalbleitermodul (100) umfassend: - ein Schaltkreissubstrat umfassend einen Metallkühlkörper (3) und umfassend eine Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit (4), die mit einer Oberfläche des Metallkühlkörpers (3) verbunden ist, und umfassend eine Schaltkreisstruktur (5a, 5b), die auf einer Oberfläche der Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit (4) bereitgestellt ist, deren Oberfläche gegenüber einer Oberfläche angeordnet ist, die mit dem Metallkühlkörper (3) verbunden ist; - Leistungshalbleiterbauelemente (1b, 2b) verbunden mit der Schaltkreisstruktur (5b); - eine metallische Kontaktplatte (7b), die eine elektrische Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen (1b, 2b) und eine elektrische Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen (1b, 2b) und der Schaltkreisstruktur (5a) herstellt; - zylindrische Hauptanschlüsse (13), die im Wesentlichen senkrecht jeweils mit der Metallischen Kontaktplatte (7b) und der Schaltkreisstruktur (5b) verbunden sind; - ein zylindrischer Steuerungsanschluss (14), der im Wesentlichen senkrecht mit einem der Leistungshalbleiterbauelemente (1b) verbunden ist; und - Pressspritzharz (6) zum Versiegeln mindestens der Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit (4), der Schaltkreisstruktur (5b), der Leistungshalbleiterbauelemente (1b, 2b), der Metallischen Kontaktplatte (7b), äußerer Seitenflächen der Hauptanschlüsse (13) und einer äußeren Seitenfläche des Steuerungsanschlusses (14), wobei die Haupt- und Steuerungsanschlüsse (13, 14) je eine Öffnung aufweisen, die an einer Oberfläche des Pressspritzharzes (6) bereitgestellt sind; und wobei - die Schaltkreisstruktur eine erste Metallstruktur (5a) und eine zweite Metallstruktur (5b) umfasst; - ein erster IGBT-Chip (1a) und ein erster FWD-Chip (2a) auf der ersten Metallstruktur (5a) als die Leistungshalbleiterbauelemente befestigt sind; - ein zweiter IGBT-Chip (1b) und ein zweiter FWD-Chip (2b) auf der zweiten Metallstruktur (5b) als die Leistungshalbleiterbauelemente befestigt sind; - der erste IBGT-Chip (1a) und der erste FWD-Chip (2a) miteinander durch eine erste Metallische Kontaktplatte (7a) verbunden sind; - der zweite IBGT-Chip (1b), der zweite FWD-Chip (2b) und die erste Metallplatte (5a) miteinander durch eine zweite Metallische Kontaktplatte (7b) verbunden sind; - die Hauptanschlüsse (13) mit der ersten Metallischen Kontaktplatte (7a), der zweiten Metallischen Kontaktplatte (7b) und der zweiten Metallstruktur (5b) jeweils verbunden sind; und - die Steuerungsanschlüsse (14) jeweils mit Ausgängen des ersten IGBT-Chips (1a) und des zweiten IGBT-Chips (1b) verbunden sind; und wobei - die Metallstruktur (5a) einen seitlich hervorstehenden Teil aufweist, mit dem die zweite Metallische Kontaktplatte (7b) verbunden ist und an deren Seitenflächen parallel zu den Seitenflächen eines seitlich hervorstehenden Teils der zweiten Metallstruktur (5b) angeordnet sind, mit dem der Hauptanschluss (13) verbunden ist; und wobei die zweite Metallische Kontaktplatte (7b) mit dem zweiten IGBT-Chip (1b), dem zweiten FWD-Chip (2b) und dem vorstehenden Teil der ersten Metallstruktur (5a) verbunden ist.
  2. Das Leistungshalbleitermodul (100) gemäß Anspruch 1, wobei - die Schaltkreisstruktur (5b) eine einzelne Metallstruktur (5b) ist, - eine Gruppe eines IGBT-Chips (1b) und eines FWD-Chip (2b) auf der Metallstruktur (5b) als die Leistungshalbleiterbauelemente befestigt sind; - der IGBT-Chip (1b) und der FWD-Chip (2b) miteinander durch die Metallische Kontaktplatte (7b) verbunden sind; - die Hauptanschlüsse (13) jeweils mit der Metallischen Kontaktplatte und der Metallstruktur verbunden sind; und - der Steuerungsanschluss (14) mit einem Ausgang des IGBT-Chips verbunden ist.
  3. Das Leistungshalbleitermodul (200) gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei - eine Metallische Kontaktplatte (7c, 7d) mit dem Ausgang jedes IGBT-Chips verbunden ist; und - jeder Steuerungsanschluss (14) mit der Metallischen Kontaktplatte (7c, 7d) verbunden ist.
  4. Das Leistungshalbleitermodul (100, 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schaltkreissubstrat ein Metallsubstrat (9) ist, umfassend: - eine Metallgrundplatte (3), die der Metallkühlkörper ist; - eine Isolierplatte (4), die die Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit (4) ist, die mit einer Oberfläche der Metallgrundplatte (3) verbunden ist; und - die Schaltkreisstruktur, die auf einer Oberfläche der Isolierplatte (4) bereitgestellt ist, deren Oberfläche gegenüber einer Oberfläche angeordnet ist, die mit der Metallgrundplatte (3) verbunden ist.
  5. Das Leistungshalbleitermodul (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schaltkreissubstrat (10) ein Keramiksubstrat (10) ist, umfassend: - eine Keramikplatte (15), die die Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist; - eine wärmeableitende Metallplatte (16), die der Metallkühlkörper ist, der mit einer Oberfläche der Keramikplatte (15) verbunden ist; und - die Schaltkreisstruktur, die auf einer anderen Oberfläche der Keramikplatte (15) bereitgestellt ist.
  6. Das Leistungshalbleitermodul (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein externer Anschlusskontakt (11) in jeden der Haupt- und Steuerungsanschlüsse (13, 14) eingeführt und mit jedem hiervon verbunden ist, wobei jeder Anschluss eine Öffnung aufweist, die an der Oberfläche des Pressspritzharzes (6) bereitgestellt ist.
  7. Das Leistungshalbleitermodul (400) gemäß Anspruch 1, wobei der externe Anschlusskontakt (11) einer ist, der aus einer Gruppe umfassend einer ersten externen Anschlusskontakt (11a), dessen oberer Teil eine Schraubenfederform hat, einen zweiten externen Anschlusskontakt (11b), dessen oberer Teil eine Tellerfederform hat, einen dritten externen Anschlusskontakt (11c), dessen oberer Teil eine Form zum Lötverbinden hat, und einen vierten externen Anschlusskontakt (11d), dessen oberer Teil eine Form zur Einpressverbindung hat, ausgewählt ist.
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