DE102016208032A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung 1 umfasst eine Kühlplatte 2 aus Metall, ein oder mehrere laminierte Substrate 6, jeweils durch Laminieren einer Leiterplatte 5b, einer Isolierplatte 4 und einer Metallplatte 5a gebildet, und ein oder mehrere erste Halbleiterelemente 7, jeweils aus Halbleitern mit breitem Bandabstand gefertigt und über äußeren peripheren Randabschnitten der Leiterplatte 5b angeordnet. Die Metallplatte 5a und die Kühlplatte 2 sind durch Verwenden eines Bindematerials 3a verbunden. Im Ergebnis können der eine oder die mehreren ersten Halbleiterelemente 7, selbst wenn die Temperatur aufgrund des Betriebs des einen oder der mehreren ersten Halbleiterelemente 7 ansteigt und nicht ausreichend Wärmestrahlung stattfindet, stabil betrieben werden.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen eine Halbleitervorrichtung.
  • 2. Stand der Technik
  • Ein Leistungshalbleitermodul, welche eine Halbleitervorrichtung ist, umfasst ein Schaltelement aus Silizium (Si) und ein Diodenelement aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand, wie zum Beispiel Siliziumcarbid (SiC), und wird als Stromrichter verwendet. Bei solch einer Halbleitervorrichtung ist ein laminiertes Substrat, das durch Laminieren einer Leiterplatte, einer Isolierplatte und einer Metallplatte gefertigt wird, mit einer Kühlplatte aus Metall unter Verwendung von Lot verbunden. Ferner sind Halbleiterelemente, wie das oben genannte Schaltelement oder Diodenelement, über der Leiterplatte des laminierten Substrats angeordnet.
  • In diesem Fall, verglichen mit dem Si-Schaltelement, hat die SiC-Diode geringe Verluste, arbeitet stabil bei hohen Temperaturen und weist eine hohe Stehspannung auf. Das SiC-Diodenelement weist diese Eigenschaften auf. Daher sind Diodenelemente in einem zentralen Bereich der Halbleitervorrichtung angeordnet. Im zentralen Bereich der Halbleitervorrichtung ist es schwierig Wärme abzustrahlen, weshalb die Temperatur dazu neigt anzusteigen. Schaltelemente sind um den zentralen Abschnitt herum angeordnet. Dies verbessert die Effizienz der Kühlung der Halbleitervorrichtung (siehe zum Beispiel japanisches Patent Nr. 5147996 ).
  • Bei der oben beschriebenen Halbleitervorrichtung (siehe zum Beispiel japanisches Patent Nr. 5147996 ) tritt als Resultat eines Wärmezyklus ein Riss in jedem Eckabschnitt des Lots unter dem laminierten Substrat auf. Wenn ein Wärmezyklus wiederholt wird, geht der Riss von jedem Eckabschnitt des Lots nach Innen herunter. Entsprechend geht der Riss unter ein Schaltelement aus Silizium, das über einem Eckabschnitt angeordnet ist. Darüber hinaus enthält der Riss Luft. Infolgedessen vermindert der Riss im Lot die Wärmeabstrahlungseigenschaft, wenn Wärme vom Schaltelement durch das laminierte Substrat zur Kühlplatte geleitet wird. Im Vergleich mit dem SiC-Diodenelement ist es für das Si-Schaltelement schwierig, bei hohen Temperaturen stabil betrieben zu werden. In diesem Fall wird die Wärmeabstrahlungseigenschaft des Si-Schaltelements verschlechtert. Dies kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung verringern.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter den oben beschriebenen Hintergrundbedingungen gemacht. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die selbst nach wiederholten Wärmezyklen ausreichende Zuverlässigkeit liefert.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die eine Kühlplatte aus Metall; ein oder mehrere laminierte Substrate, jeweils gebildet durch Laminieren einer Leiterplatte, einer Isolierplatte und einer Metallplatte, wobei die Metallplatte und die Kühlplatte durch Verwenden eines Bindematerials verbunden sind; und ein oder mehrere erste Halbleiterelemente, die jeweils aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand gefertigt und über äußeren peripheren Randabschnitten der Leiterplatte angeordnet sind, umfasst.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A bis 1C sind Ansichten zum Beschreiben einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 2A und 2B illustrieren eine Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
  • 3 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform illustriert; und
  • 4A und 4B illustrieren eine Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen durchgängig gleiche Elemente bezeichnen.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 1A bis 1C sind Ansichten zum Beschreiben einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
  • 1A ist eine Seitenansicht der Halbleitervorrichtung 1. 1B ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung 1. 1C ist eine Draufsicht, die eine Situation illustriert, bei der ein Riss in einem Bindematerial der Halbleitervorrichtung 1 auftritt.
  • Wie in 1A und 1B dargestellt, umfasst die Halbleitervorrichtung 1 eine Kühlplatte 2, eine laminiertes Substrat 6 und ein oder mehrere (vier in 1B) erste Halbleiterelemente 7.
  • Die Kühlplatte 2 ist aus Metall mit einer guten thermischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Ein Oberflächenfilm, wie zum Beispiel eine Nickel-(Ni)Beschichtung, kann auf der Kühlplatte 2 gebildet sein. Die Kühlplatte 2 hat die Funktion während dem Betrieb der Halbleitervorrichtung 1 Wärme, die durch ein erstes Halbleiterelement 7 erzeugt wird, nach Außen abzustrahlen, um die Halbleitervorrichtung 1 zu kühlen.
  • Das laminierte Substrat 6 ist durch Laminieren einer Leiterplatte 5b, einer Isolierplatte 4 und einer Metallplatte 5a gebildet. Die Isolierplatte 4 ist beispielsweise aus einem Keramikmaterial mit einer relativ hohen thermischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si3N4). Zusätzlich sind die Leiterplatte 5b und die Metallplatte 5a aus Kupfer, Aluminium, oder Ähnlichem. Ferner ist das laminierte Substrat 6 mit der Kühlplatte 2 mit der Metallplatte 5a dazwischen unter Verwendung einer leitfähigen Bindematerials 3a, wie zum Beispiel Lot oder einem Sintermetallmaterial mit guter thermischer Leitfähigkeit, verbunden. Ein „Direct Copper Bonding”-(DCB)Substrat, ein „Active Metal Brazed”-(AMB)Substrat oder ähnliches kann als laminiertes Substrat 6 verwendet werden.
  • Jedes erste Halbleiterelement 7 ist aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand, wie zum Beispiel Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), dessen Bandlücke größer als die von Silizium ist. Jedes erste Halbleiterelement 7 ist über einem äußeren peripheren Randabschnitt der Leiterplatte 5b des laminierten Substrats 6 angeordnet und mit der Leiterplatte 5b durch Verwenden eines leitfähigen Bindematerials 3b verbunden (1B). Im Vergleich mit einem Halbleiterelement aus einem Siliziumhalbleiter weist jedes erste Halbleiterelement 7 aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand normalerweise geringe Verluste auf, arbeitet stabil bei hohen Temperaturen und hat eine hohe Stehspannung. Jedes erste Halbleiterelement 7 hat diese Eigenschaften.
  • Eine Position über dem laminierten Substrat 6, wo jedes erste Halbleiterelement 7 angeordnet ist, wird nun beschrieben.
  • 1C illustriert Ergebnisse, erhalten durch Beobachten des Bindematerials 3a der Halbleitervorrichtung 1 nach wiederholten Wärmezyklen unter Verwendung eines Ultraschallprüfgeräts. Ein Ultraschallprüfgerät bestrahlt ein zu testendes Objekt mit Ultraschallwellen, detektiert die vom zu testenden Objekt reflektierten Ultraschallwellen und überprüft, ob sich in dem zu testenden Objekt ein Hohlraum befindet oder nicht. In 1C ist eine Position, an der die Metallplatte 5a des laminierten Substrats 6 angeordnet ist, durch eine gestrichelte Linie (Rechteck) angedeutet und das Bindematerial 3a ist durch Schraffur angedeutet.
  • Bei der Halbleitervorrichtung 1 unterscheidet sich die Kühlplatte 2 vom laminierten Substrat 6 hinsichtlich der thermischen Ausdehnung, insbesondere von der Isolierplatte 4. Entsprechend erzeugen Wärmezyklen wiederholt thermische Spannungen im Bindematerial 3a zwischen der Kühlplatte 2 und dem laminierten Substrat 6. Im Ergebnis tritt beispielsweise ein Riss oder ein Abblättern aufgrund von Ermüdungsversagen in äußeren peripheren Randabschnitten des Bindematerials 3a auf, insbesondere in der Nähe der Eckabschnitte X1 bis X4 (elliptische Abschnitte, die von gestrichelten Linien umrandet sind) des laminierten Substrats 6. Ferner geht der Riss oder das Abblättern weiter runter zum zentralen Abschnitt des Bindematerials 3a, wenn der Wärmezyklus wiederholt wird. Entsprechend tritt wie in 1C dargestellt ein Hohlraum in den äußeren peripheren Randabschnitten des Bindematerials 3a auf, insbesondere in der Nähe der Eckabschnitte X1 bis X4 des laminierten Substrats 6. Wenn ein Hohlraum auf diese Weise im Bindematerial 3a aufgrund des Risses oder des Abblätterns auftritt, strömt Luft in den Hohlraum. Falls Wärme vom laminierten Substrat 6 durch das Bindematerial 3a an die Kühlplatte 2 abgestrahlt wird und ein Wärmeübertragungsweg im Bindematerial 3a Luft enthält, erhöht sich der thermische Widerstand des Wärmeübertragungsweges. Das bedeutet, dass äußere periphere Randabschnitte der Leiterplatte 5b des laminierten Substrats 6, insbesondere die Eckabschnitte X1 bis X4 des laminierten Substrats 6, eine schlechtere Wärmeabstrahlungseigenschaft als der zentrale Abschnitt der Leiterplatte 5b aufweisen.
  • Daher sind die ersten Halbleiterelemente 7, die bei hohen Temperaturen stabil betrieben werden können, über den äußeren peripheren Randabschnitten der Leiterplatte 5b des laminierten Substrats 6, dessen Wärmeabstrahlungseigenschaften im Ergebnis der Wärmezyklen, insbesondere in der Nähe der Eckabschnitte X1 bis X4 des laminierten Substrats 6, verschlechtert sind, angeordnet. Im Ergebnis können die mehreren ersten Halbleiterelemente 7, selbst wenn die Temperatur aufgrund des Betriebs der mehreren ersten Halbleiterelemente 7 ansteigt und nicht ausreichend Wärmestrahlung stattfindet, stabil betrieben werden. Entsprechend kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 1 nach Wärmezyklen hinreichend aufrechterhalten werden.
  • In einem solchen Fall kann ein Halbleiterelement, beispielsweise aus einem Siliziumhalbleiter, über dem zentralen Abschnitt der Leiterplatte 5b des laminierten Substrats angeordnet sein. Im Ergebnis wird Wärme, die durch das Halbleiterelement aus einem Siliziumhalbleiter erzeugt wird, vom zentralen Abschnitt des Bindematerials 3a, der nicht durch einen Riss oder ähnliches beeinflusst ist, abgestrahlt. Entsprechend wird die Effizienz der Kühlung der gesamten Halbleitervorrichtung 1 aufrechterhalten.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform anhand der 2A und 2B beschrieben, bei der ein erstes Halbleiterelement aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand und ein zweites Halbleiterelement aus einem Siliziumhalbleiter über einem laminierten Substrat angeordnet sind.
  • 2A und 2B illustrieren eine Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • 2A ist eine Seitenansicht der Halbleitervorrichtung 10. 2B ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung 10.
  • Die Halbleitervorrichtung 10 umfasst eine Kühlplatte 11, zwei laminierte Substrate 15A und 15B, eine Vielzahl erster Halbleiterelemente 16 und eine Vielzahl zweiter Halbleiterelemente 17. Wiederholungen werden bei der Beschreibung der Elemente mit denselben Namen wie in der ersten Ausführungsform vermieden.
  • Die laminierten Substrate 15A und 15B sind jeweils durch Laminieren einer Leiterplatte 14b, einer Isolierplatte 13 und einer Metallplatte 14a gebildet. Ferner umfasst die Leiterplatte 14b eine erste Leiterplatte 14b1, eine zweite Leiterplatte 14b2 und eine dritte Leiterplatte 14b3. Diese laminierten Substrate 15A und 15B sind mit den Metallplatten 14a dazwischen mit derselben Oberfläche der Kühlplatte 11 unter Verwendung eines leitenden Bindematerials 12a verbunden.
  • Jedes erste Halbleiterelement 16 ist ein Diodenelement, wie zum Beispiel eine Schottky-Diode („Schottky Barrier Diode”, SBD) aus Siliziumcarbid. Die ersten Halbleiterelemente 16 sind über den Leiterplatten 14b (die in 2B dargestellte erste Leiterplatte 14b1 und dritte Leiterplatte 14b3) der laminierten Substrate 15A und 15B angeordnet und unter Verwendung eines leitenden Bindematerials 12b verbunden.
  • Jedes zweite Halbleiterelement 17 ist ein Schaltelement, wie zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode („Insulated-Gate Bipolar Transistor”, IGBT) oder ein Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) aus Silizium. Die zweiten Halbleiterelemente 17 sind über den Leiterplatten 14b (die in 2B dargestellte erste Leiterplatte 14b1 und dritte Leiterplatte 14b3) der laminierten Substrate 15A und 15B angeordnet und unter Verwendung eines leitenden Bindematerials 12c verbunden.
  • Mit Elektroden der ersten Halbleiterelemente 16 und Elektroden der zweiten Halbleiterelemente 17 verbundene (nicht dargestellte) Drähte sind mit den zweiten Leiterplatten 14b2 verbunden.
  • Die Fläche eines jeden ersten Halbleiterelements 16 ist kleiner als jene eines jeden zweiten Halbleiterelements 17. Daher sind die ersten Halbleiterelemente 16, deren Anzahl größer als die der zweiten Halbleiterelemente 17 ist, angeordnet.
  • Zusätzlich weisen die ersten Halbleiterelemente 16 aus Siliziumcarbid im Vergleich mit den zweiten Halbleiterelementen 17 geringe Verluste auf, können bei hohen Temperaturen stabil betrieben werden und haben eine hohe Stehspannung. Die ersten Halbleiterelemente 16 haben diese Eigenschaften.
  • Bei der Halbleitervorrichtung 10 unterscheidet sich die Kühlplatte 11 von den laminierten Substraten 15A und 15B hinsichtlich der thermischen Ausdehnung. Entsprechend erzeugen Wärmezyklen wiederholt thermische Spannungen im Bindematerial 12a zwischen der Kühlplatte 11 und den laminierten Substraten 15A und 15B. Im Ergebnis tritt beispielsweise ein Riss oder Abblättern in der Nähe eines jeden Eckabschnitts des Bindematerials 12a auf. Ferner geht der Riss oder das Abblättern weiter runter zum zentralen Abschnitt des Bindematerials 12a. Dies ist identisch wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Daher sind die ersten Halbleiterelemente 16, die bei hohen Temperaturen stabil betrieben werden können, über äußeren peripheren Randabschnitten, deren Wärmeabstrahlungseigenschaften im Ergebnis der Wärmezyklen, insbesondere in der Nähe von Eckabschnitten der Leiterplatten 14b, verschlechtert sind, angeordnet. Ferner sind die zweiten Halbleiterelemente 17 über zentralen Abschnitten der Leiterplatten 14b, die nicht durch einen Riss oder ähnliches beeinflusst werden, angeordnet. Im Ergebnis können die mehreren ersten Halbleiterelemente 16, selbst wenn die Temperatur aufgrund des Betriebs der mehreren ersten Halbleiterelemente 16 ansteigt und nicht ausreichend Wärmestrahlung stattfindet, stabil betrieben werden. Außerdem, weil die zweiten Halbleiterelemente 17 nicht durch einen Riss oder ähnliches beeinflusst werden, werden die zweiten Halbleiterelemente 17 ordnungsgemäß gekühlt. Entsprechend kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 10 nach Wärmezyklen hinreichend aufrechterhalten werden. Bei der zweiten Ausführungsform werden mit äußeren peripheren Randabschnitten der Leiterplatte 14b äußere periphere Randabschnitten einer Leiterplatte 14b gemeint, zu der die erste Leiterplatte 14b1, die zweite Leiterplatte 14b2 und die dritte Leiterplatte 14b3 gehören. In ähnlicher Weise werden mit Eckabschnitten der Leiterplatte 14b Eckabschnitte einer Leiterplatte 14b gemeint, zu der die erste Leiterplatte 14b1, die zweite Leiterplatte 14b2 und die dritte Leiterplatte 14b3 gehören. Der Grund hierfür ist, dass ein Ort, an dem ein Riss oder ähnliches in dem Bindematerial 12a als Ergebnis von Wärmezyklen auftritt, in der Nähe eines äußeren peripheren Randabschnitts einer Leiterplatte 14b ist, zu der die erste Leiterplatte 14b1, die zweite Leiterplatte 14b2 und die dritte Leiterplatte 14b3 gehören.
  • Die Fläche eines jeden ersten Halbleiterelements 16 ist kleiner als jene eines jeden zweiten Halbleiterelements 17. Daher ist eine Vielzahl von ersten Halbleiterelementen 16 zuverlässig über äußeren peripheren Randabschnitten der laminierten Substrate 15A und 15B, deren Wärmeabstrahlungseigenschaften verschlechtert sind, angeordnet. Diese ersten Halbleiterelemente 16 können stabil betrieben werden.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Bei einer dritten Ausführungsform sind die laminierten Substrate 15A und 15B in der Halbleitervorrichtung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform derart angeordnet, dass die ersten Halbleiterelemente 16 über äußeren Abschnitten der Kühlplatte 11 angeordnet sind. Dieser Fall wird unter Verwendung von 5 beschrieben.
  • 3 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform illustriert.
  • Eine Halbleitervorrichtung 10 umfasst eine Kühlplatte 11, zwei laminierte Substrate 15A und 15B, eine Vielzahl erster Halbleiterelemente 16 und eine Vielzahl zweiter Halbleiterelemente 17. Dies ist identisch wie bei der zweiten Ausführungsform.
  • Bei der Halbleitervorrichtung 10 gemäß der dritten Ausführungsform ist jedes der laminierten Substrate 15A und 15B gegenüber der Anordnung in der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform um 90 Grad entgegen dem Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn gedreht, so dass alle der ersten Halbleiterelemente 16 über äußeren Abschnitten der Kühlplatte 11 (in oberen und unteren Abschnitten der Kühlplatte 11 in 3) angeordnet sind.
  • In diesem Fall sind die ersten Halbleiterelemente 16, die bei hohen Temperaturen stabil betrieben werden können, auch über den äußeren peripheren Randabschnitten der laminierten Substrate 15A und 15B, deren Wärmeabstrahlungseigenschaften als Ergebnis der Wärmezyklen, insbesondere in der Nähe von Eckabschnitten der laminierten Substrate 15A und 15B, verschlechtert sind, angeordnet. Ferner sind die zweiten Halbleiterelemente 17 über zentralen Abschnitten der laminierten Substrate 15A und 15B angeordnet. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 10 nach Wärmezyklen hinreichend aufrechterhalten werden. Dies ist identisch wie bei der zweiten Ausführungsform.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • Im Folgenden wird eine vierte Ausführungsform anhand der 4A und 4B beschrieben, bei der erste Halbleiterelemente aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand und dritte Halbleiterelemente aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand über laminierten Substraten angeordnet sind.
  • 4A und 4B illustrieren eine Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
  • 4A ist eine Seitenansicht einer Halbleitervorrichtung 10a. 4B ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung 10a.
  • Die Halbleitervorrichtung 10a umfasst eine Kühlplatte 11, zwei laminierte Substrate 15A und 15B, eine Vielzahl erster Halbleiterelemente 16 und eine Vielzahl dritter Halbleiterelemente 18.
  • Wie oben erwähnt ist jedes erste Halbleiterelement 16 ist ein Diodenelement, wie zum Beispiel eine SBD-Diode aus Siliziumcarbid. Die ersten Halbleiterelemente 16 sind über Leiterplatten 14b (die in 4B dargestellte erste Leiterplatten 14b1 und dritte Leiterplatten 14b3) der laminierten Substrate 15A und 15B angeordnet und unter Verwendung eines leitenden Bindematerials 12b verbunden.
  • Jedes dritte Halbleiterelement 18 ist ein Schaltelement, wie zum Beispiel ein IGBT oder ein Leistungs-MOSFET aus Siliziumcarbid. Die dritten Halbleiterelemente 18 sind über den Leiterplatten 14b (die in 4B dargestellte erste Leiterplatte 14b1 und dritte Leiterplatte 14b3) der laminierten Substrate 15A und 15B angeordnet und unter Verwendung eines leitenden Bindematerials 12d verbunden.
  • Mit Elektroden der ersten Halbleiterelemente 16 und Elektroden der dritten Halbleiterelemente 18 verbundene (nicht dargestellte) Drähte sind mit zweiten Leiterplatten 14b2 verbunden.
  • Die ersten Halbleiterelemente 16 und dritten Halbleiterelemente 18 haben eine ungefähr gleiche Fläche. Die über den Leiterplatten 14b angeordneten ersten Halbleiterelemente 16 und dritten Halbleiterelemente 18 haben ungefähr die gleiche Anzahl.
  • Im Vergleich mit dem zweiten Halbleiterelementen 17 aus Silizium weisen die ersten Halbleiterelemente 16 und die dritten Halbleiterelemente 18 aus Siliziumcarbid geringe Verluste auf, können bei hohen Temperaturen stabil betrieben werden und haben eine hohe Stehspannung. Die ersten Halbleiterelemente 16 und dritten Halbleiterelemente 18 haben diese Eigenschaften.
  • Ferner, falls die Halbleitervorrichtung 10a als ein Wechselrichter verwendet wird, um beispielsweise einen Motor anzutreiben, wird Energie von der Wechselrichterseite an die Motorseite bereitgestellt. Verglichen mit den ersten Halbleiterelementen 16 (Diodenelemente) werden dieses Mal die dritten Halbleiterelemente 18 (Schaltelemente) für eine lange Zeitdauer eingeschaltet. Im Ergebnis ist der Verlust der dritten Halbleiterelemente 18 größer als jener der ersten Halbleiterelemente 16 und die Temperatur der dritten Halbleiterelemente 18 ist höher als die der ersten Halbleiterelemente 16.
  • Ferner, wie oben beschrieben, unterscheidet sich bei der Halbleitervorrichtung 10a die Kühlplatte 11 von den laminierten Substraten 15A und 15B hinsichtlich der thermischen Ausdehnung. Entsprechend erzeugen Wärmezyklen wiederholt thermische Spannungen in einem Bindematerial 12a zwischen der Kühlplatte 11 und den laminierten Substraten 15A und 15B. Im Ergebnis tritt beispielsweise ein Riss oder Abblättern in der Nähe eines jeden Eckabschnitts des Bindematerials 12a auf. Ferner geht der Riss oder das Abblättern weiter runter zum zentralen Abschnitt des Bindematerials 12a.
  • Daher sind die ersten Halbleiterelemente 16, die bei hohen Temperaturen stabil betrieben werden können, über äußeren peripheren Randabschnitten der Leiterplatten 14b, dessen Wärmeabstrahlungseigenschaften im Ergebnis der Wärmezyklen, insbesondere in der Nähe von Eckabschnitten der Leiterplatten 14b, verschlechtert sind, angeordnet. Ferner sind die dritten Halbleiterelemente 18, die mehr Wärme als die ersten Halbleiterelemente 16 erzeugen, über zentralen Abschnitten der Leiterplatten 14b, die nicht durch einen Riss oder ähnliches beeinflusst werden, angeordnet. Im Ergebnis können die mehreren ersten Halbleiterelemente 16, selbst wenn die Temperatur aufgrund des Betriebs der mehreren ersten Halbleiterelemente 16 ansteigt und nicht ausreichend Wärmestrahlung stattfindet, stabil betrieben werden. Außerdem, weil die dritten Halbleiterelemente 18 nicht durch einen Riss oder ähnliches beeinflusst werden, werden die dritten Halbleiterelemente 18 ordnungsgemäß gekühlt. Entsprechend kann die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 10a nach Wärmezyklen hinreichend aufrechterhalten werden.
  • Bei der Halbleitervorrichtung 10a gemäß der vierten Ausführungsform kann jedes der laminierten Substrate 15A und 15B auch um 90 Grad (entgegen dem Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn) bezüglich der Kühlplatte 11 gedreht sein, so dass alle der ersten Halbleiterelemente 16 über äußeren Abschnitten der Kühlplatte 11 angeordnet sind. Dies ist identisch wie bei der dritten Ausführungsform.
  • Ferner, wenn ein regenerativer Betrieb ausgeführt wird, bei dem Energie von der Motorseite bereitgestellt wird und die Halbleitervorrichtung 10a als Wechselrichter betrieben wird, werden die ersten Halbleiterelemente 16 (Diodenelemente) für eine lange Zeitdauer im Vergleich mit den dritten Halbleiterelementen 18 (Schaltelemente). Als Ergebnis ist der Verlust der ersten Halbleiterelemente 16 größer als jener der dritten Halbleiterelemente 18.
  • Entsprechend sind die dritten Halbleiterelemente 18, die bei hohen Temperaturen stabil betrieben werden können, über äußeren peripheren Randabschnitten der laminierten Substrate 15A und 15B, für die es aufgrund einer Erhöhung des thermischen Widerstands schwierig ist, Wärme abzustrahlen, angeordnet. Ferner sind die ersten Halbleiterelemente 16, deren Verlust größer als jener der dritten Halbleiterelemente 18 ist, über zentraler Abschnitten der laminierten Substrate 15A und 15B, für die es leicht ist, Wärme abzustrahlen, angeordnet. Im Ergebnis können die dritten Halbleiterelemente 18, selbst wenn die Temperatur aufgrund des Betriebs der dritten Halbleiterelemente 18 ansteigt und nicht ausreichend Wärmestrahlung stattfindet, stabil betrieben werden. Zusätzlich werden die ersten Halbleiterelemente 16 ordnungsgemäß gekühlt. Entsprechend ist es möglich, Risiken eines Absinkens der Effizienz der Kühlung beim Kühlen der Halbleitervorrichtung 10a zu minimieren und die Zuverlässigkeit nach Wärmezyklen zu erhöhen.
  • Gemäß der offenbarten Technik wird die Zuverlässigkeit einer Halbleitervorrichtung selbst nach wiederholten Ausführen eines Wärmezyklus aufrechterhalten.
  • Merkmale, Bestandteile und spezifische Details der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen, die für jeweilige Anwendungen optimiert sind, zu erhalten. Soweit diese Abwandlungen dem Fachmann ohne weiteres offensichtlich sind, werden sie implizit durch die obige Beschreibung mit offenbart ohne explizit jede mögliche Kombination anzugeben, um die Knappheit der vorliegenden Beschreibung zu wahren.
  • 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 5147996 [0003, 0004]

Claims (7)

  1. Halbleitervorrichtung (1; 10; 10a), umfassend: eine Kühlplatte (2; 11) aus Metall; ein oder mehrere laminierte Substrate (6; 15A, 15B), jeweils gebildet durch Laminieren einer Leiterplatte (5b; 14b), einer Isolierplatte (4; 13) und einer Metallplatte (5a; 14a), wobei die Metallplatte (5a) und die Kühlplatte (2) durch Verwenden eines Bindematerials (3a) verbunden sind; und ein oder mehrere erste Halbleiterelemente (7; 16), die jeweils aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand gefertigt und über äußeren peripheren Randabschnitten der Leiterplatte (5b; 14b) angeordnet sind.
  2. Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren ersten Halbleiterelemente (16) über Eckabschnitten der Leiterplatte (14b) angeordnet sind.
  3. Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend ein oder mehrere zweite Halbleiterelemente (17), die jeweils aus einem Halbleiter gefertigt sind, dessen Bandlücke kleiner als eine Bandlücke des Halbleiters mit breitem Bandabstand ist, und die über einem zentralen Abschnitt der Leiterplatte (14b) angeordnet sind.
  4. Halbleitervorrichtung (1; 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: das eine oder die mehreren laminierten Substrate (6; 15A, 15B) mit der Kühlplatte (2; 11) verbunden sind; und eines oder mehrere der ersten Halbleiterelemente (7; 16) über äußeren peripheren Randabschnitten der Leiterplatte (5b; 14b) des einen oder jedes der mehreren laminierten Substrate (6; 15A, 15B) angeordnet sind.
  5. Halbleitervorrichtung (1; 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bindematerial ein leitendes Bindematerial (3a, 3b; 12a–d) ist.
  6. Halbleitervorrichtung (10a) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend ein oder mehrere dritte Halbleiterelemente (18), die jeweils aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand gefertigt und über einem zentralen Abschnitt der Leiterplatte (14b) angeordnet sind.
  7. Halbleitervorrichtung (10a) nach Anspruch 6, wobei: das eine die mehreren ersten Halbleiterelemente (16) Diodenelemente sind; und das eine die mehreren dritten Halbleiterelemente (18) Schaltelemente sind.
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