DE102017216981B4 - Halbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Halbleitermodul (100, 200, 300, 400),aufweisend:- eine Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die sich in einer horizontalen Richtung erstrecken und getrennt voneinander an mindestens einer Stelle in einer vertikalen Richtung gestapelt sind, wobei die Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) zumindest erste bis dritte Metallplatten (21-23, 51-54) aufweist;- wenigstens ein Schaltelement (41, 42); und- wenigstens ein Schaltungselement (71-75), wobei:- das wenigstens eine Schaltelement (41, 42) zwischen einem ersten Paar der ersten bis dritten Metallplatten (21-23, 51-54) angebunden ist, wobei das erste Paar sich in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegt,- das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) zwischen einem zweiten Paar der ersten bis dritten Metallplatten (21-23, 51-54) angebunden ist, wobei sich das zweite Paar in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegt, wobei eine Kombination der ersten bis dritten Metallplatten (21-23, 51-54) im zweiten Paar von derjenigen des ersten Paares verschieden ist,- ein Isoliermaterial zwischen der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) angeordnet ist,- wenigstens eine der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) mit dem Schaltelement (41, 42) und dem Schaltungselement (71-75) verbunden ist,- ein Isoliersubstrat (31, 32, 61, 62) zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die einander gegenüberliegen, angeordnet ist, wobei das Isoliersubstrat (31, 32, 61, 62) das Isoliermaterial ist, und- das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) zwischen den beiden Metallplatten (21-23, 51-54), die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, auf solche Weise angebunden ist, dass sich das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) durch das Isoliersubstrat (31, 32, 61, 62) erstreckt.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleitermodule.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein herkömmliches Halbleitermodul umfasst ein Schaltelement und eine mehrschichtige Verdrahtungsplatte, an der ein Schaltungselement, wie beispielsweise ein Kondensatorelement oder ein Widerstandselement, angebracht ist. Dieses Schaltungselement, wie beispielsweise das Kondensatorelement und das Widerstandselement, wird üblicherweise in einer horizontalen Richtung mit einer Schaltungsstruktur verbunden, die an einem Substrat angeordnet ist. Alternativ ist eine Elektrode mit der Schaltungsstruktur verbunden und die andere Elektrode über einen Metalldraht mit der Schaltungsstruktur verbunden (z.B. vgl. japanische Patentanmeldungsoffenlegung JP H09 - 116 091 ).
  • Das Schaltungselement wird üblicherweise in einer horizontalen Richtung an dem Substrat angebracht. Nachteiliger Weise wird hierfür ein großer Bereich zur Anbringung des Schaltungselements benötigt. Zudem resultiert die Verwendung des Metalldrahts zum Verbinden des Schaltungselements mit dem Substrat in einem Anwachsen des Bereichs zur Anbringung des Schaltungselements und resultiert zudem in einer geringen Betriebssicherheit der Drahtverbindung.
  • Die DE 10 2008 035 993 A1 beschreibt ein Modul zum Schalten einer elektrischen Last. Das Modul weist einen Leistungshalbleiter auf, welcher mindestens einen Steueranschluss und zwei Lastanschlüsse umfasst, wobei im Leistungshalbleiter die elektrische Verbindung zwischen den beiden Lastanschlüssen durch den Spannungszustand am Steuereingang zwischen den Zuständen „elektrisch leitend verbunden“ und „elektrisch voneinander getrennt“ hin- und hergeschaltet werden kann. Des Weiteren ist eine Ansteuerungselektronik ausgebildet, deren Ausgangsspannung auf den Steuereingang des Leistungshalbleiters wirkt, wobei die Ansteuerungselektronik selbst durch Eingangssignale steuerbar ist und wobei die signalverarbeitenden, aktiven elektrischen Bauelemente und die signalverarbeitenden, passiven elektrischen Bauelemente der Ansteuerungselektronik ausschließlich auf einem gemeinsamen Substrat mit dem Leistungshalbleiter angeordnet sind und aus Halbleitermaterialien hergestellt sind.
  • Die DE 10 2013 103 085 A1 betrifft ein elektronisches Bauteil, welches einen ersten Chipträger und einen zweiten Chipträger, der von dem ersten Chipträger isoliert ist, aufweist. Ein erster Leistungshalbleiterchip ist auf dem ersten Chipträger angebracht und elektrisch damit verbunden. Ein zweiter Leistungshalbleiterchip ist auf dem zweiten Chipträger angebracht und elektrisch damit verbunden. Ein elektrisch isolierendes Material ist zum mindestens partiellen Umgeben des ersten Leistungshalbleiterchips und des zweiten Leistungshalbleiterchips konfiguriert. Eine elektrische Zusammenschaltung ist zum elektrischen Verbinden des ersten Leistungshalbleiterchips mit dem zweiten Leistungshalbleiterchip konfiguriert, wobei die elektrische Zusammenschaltung eine Kontaktklemme und/oder einen galvanisch abgeschiedenen Leiter aufweist.
  • Die JP 2004 - 193 476 A zeigt eine Halbleitervorrichtung mit einer Struktur, bei der Schaltelemente und Gleichrichterelemente in Längsrichtung geschichtet und elektrisch miteinander verbunden sind, wodurch die zwischen den Schaltelementen erzeugte Stoßspannung verringert wird. Die Halbleitervorrichtung ist aus IGBT-Elementen und Diodenelementen aufgebaut, die zwischen drei Elektroden angeordnet sind, einer P-seitigen Elektrode, einer Mittelpunktelektrode und einer N-seitigen Elektrode, die in Längsrichtung geschichtet und elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei sind die IGBT-Elemente und die Diodenelemente jeder Phase so angeordnet, dass eine Emitterfläche des IGBT-Elements der oberen Phase über die Mittelpunktelektrode und a einer Kathodenfläche des Diodenelements der unteren Phase gegenüberliegt Kollektorfläche des IGBT-Elements der unteren Phase, so dass sie einer Anodenfläche des Diodenelements der oberen Phase über die Mittelpunktelektrode zugewandt ist.
  • Die JP 2015 - 122 342 A lehrt ein Halbleitermodul, das eine hohe Wärmeableitung aufweist und in der Lage ist, eine Vergrößerung einer Leistungsumwandlungsvorrichtung zu unterdrücken und Strahlungsrauschen ausreichend zu reduzieren, und die Leistungsumwandlungsvorrichtung. Das Halbleitermodul umfasst ein leitfähiges Element, einen ersten Isolator, der auf dem leitfähigen Element ausgebildet ist, eine erste Elektrode, die auf dem ersten Isolator angeordnet ist, eine zweite Elektrode, die auf dem ersten Isolator in einem Abstand von der ersten Elektrode angeordnet ist; ein Halbleiterelement, das auf der ersten Elektrode angeordnet ist und eine positive Elektrode und eine negative Elektrode enthält; und ein Halbleiterelement, das auf der zweiten Elektrode angeordnet ist und eine positive Elektrode und eine negative Elektrode enthält. Die positive Elektrode des Halbleiterelements ist mit der ersten Elektrode verbunden, und die negative Elektrode des Halbleiterelements ist mit der positiven Elektrode des Halbleiterelements verbunden. Das Verhältnis eines zwischen dem leitenden Element und der negativen Elektrode des Halbleiterelements erzeugten elektrostatischen Kapazitätswerts zu einem zwischen dem leitenden Element und der positiven Elektrode des Halbleiterelements erzeugten elektrostatischen Kapazitätswert beträgt nicht weniger als 0,9 und nicht mehr als 1,1.
  • Die JP 2013 - 162 019 A offenbart ein Halbleitermodul, das es ermöglicht, dass ein Dämpfungskondensator leicht in enger Nähe zu einem Schaltelement montiert werden kann. Mindestens zwei Schaltelemente sind in Reihe geschaltet. Parallel zu dieser Reihenschaltung sind Snubber-Kondensatoren geschaltet. Die Dämpfungskondensatoren werden zwischen einer kathodenseitigen Wärmeabstrahlplatte und einer anodenseitigen Wärmeabstrahlplatte festgehalten. Die Überspannungsschutzkondensatoren werden von unten entweder durch die kathodenseitige Wärmeabstrahlungsplatte oder die anodenseitige Wärmeabstrahlungsplatte gestützt. Die Montagerichtung der Schaltelemente und die Verbindungsrichtung der Überspannungsschutzkondensatoren sind vorzugsweise gleich.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleitermodul bereitzustellen, bei dem ein angebundener Abschnitt eine hohe Betriebssicherheit aufweist und das einen kleinen Bereich zur Anbringung eines Schaltungselements aufweist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Anspruchs 3. Die Unteransprüche offenbaren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Ein Halbleitermodul gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst unter anderem eine Vielzahl von Metallplatten, die sich in einer horizontalen Richtung erstrecken und in einer vertikalen Richtung gestapelt sind, wenigstens ein Schaltelement und wenigstens ein Schaltungselement. Das wenigstens eine Schaltelement ist zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten, die in einer vertikaler Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Das wenigstens eine Schaltungselement ist zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Ein Isoliermaterial ist zwischen der Vielzahl von Metallplatten angeordnet. Wenigstens eine der Vielzahl von Metallplatten ist mit dem wenigstens einen Schaltelement und dem wenigstens einen Schaltungselement verbunden.
  • Das Halbleitermodul gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist unter anderem derart aufgebaut, dass das Schaltungselement zwischen zwei Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden ist. Ein solcher Aufbau reduziert den Bereich für die Anbringung des Schaltungselements, um somit ein kleineres Halbleitermodul bereitzustellen. Ein solcher Aufbau reduziert zudem ein Verziehen aufgrund des Unterschieds zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von jeder Metallplatte und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schaltungselements im Vergleich zu einem Aufbau, bei dem das Schaltungselement in einer horizontalen Richtung an der Metallplatte angeordnet ist. Folglich wird eine hohe Betriebssicherheit des angebundenen Abschnitts erreicht.
  • Diese und anderen Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
    • 2 ist eine Darstellung eines Schaltungsaufbaus des Halbleitermoduls gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
    • 3 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einer ersten Abwandlung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
    • 4 ist eine Darstellung eines Schaltungsaufbaus des Halbleitermoduls gemäß der ersten Abwandlung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
    • 5 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einer zweiten Abwandlung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
    • 6 ist eine Darstellung eines Schaltungsaufbaus des Halbleitermoduls gemäß der zweiten Abwandlung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
    • 7 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
    • 8 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
    • 9 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
    • 10 ist eine Darstellung eines Schaltungsaufbaus eines Halbleitermoduls mit einer Snubber-Schaltung, die außerhalb des Halbleitermoduls angeschlossen ist; und
    • 11 ist ein Diagramm eines Schaltungsaufbaus eines Halbleitermoduls mit der darin eingebauten Snubber-Schaltung.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • <Erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel>
  • 1 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls 100 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in 1 gezeigt, weist das Halbleitermodul 100 eine erste Metallplatte 21, eine zweite Metallplatte 22 und eine dritte Metallplatte 23, die sich in einer horizontalen Richtung erstrecken und in einer vertikalen Richtung gestapelt sind, ein erstes Schaltelement 41, ein zweites Schaltelement 42 und ein Schaltungselement 71 auf.
  • Das erste und das zweite Schaltelement 41 und 42 sind jeweils ein Transistor, wie beispielsweise ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Jedes der Schaltelemente 41 und 42 hat Hauptelektroden an beiden Oberflächen. In manchen Ausführungsbeispielen beinhaltet jedes der Schaltelemente 41 und 42 eine Freilaufdiode. Das Schaltungselement 71 ist ein passives Element, wie beispielsweise ein Kondensatorelement oder ein Widerstandselement, oder ist ein aktives Element, wie beispielsweise eine Diode. Das Schaltungselement 71 hat Elektroden an beiden Enden.
  • Die zweite Metallplatte 22 hat einen ersten Abschnitt 221 und einen zweiten Abschnitt 222, die miteinander verbunden sind. Die erste Metallplatte 21 ragt an einem Ende aus einem Korpus des Halbleitermoduls 100 heraus. Dieses eine Ende dient als eine positive Elektrode (nachfolgend auch als Elektrode P bezeichnet). Die zweite Metallplatte 22 ragt an einem Ende aus dem Korpus des Halbleitermoduls 100 heraus. Dieses eine Ende dient als eine AC-Elektrode (nachfolgend auch als Elektrode AC bezeichnet). Die dritte Metallplatte 23 ragt an einem Ende aus dem Korpus des Halbleitermoduls 100 heraus. Dieses Ende dient als eine negative Elektrode (nachfolgend auch als Elektrode N bezeichnet).
  • Die „Metallplatten, die sich in einer horizontalen Richtung erstrecken“ müssen nicht Metallplatten sein, die in einer horizontalen Richtung eben ausgebildet sind; beispielsweise können die Metallplatten uneben sein, wie die zweite Metallplatte 22. Diese Metallplatten müssen nicht notwendigerweise dieselbe Dicke haben; das heißt, die Metallplatten können untereinander verschiedene Dicken aufweisen, in Übereinstimmung beispielsweise mit einem zulässigen Strom, einer erforderlichen Festigkeit jeder Metallplatte oder der Struktur eines geschichteten Substrats. Die erste Metallplatte 21, die zweite Metallplatte 22 und die dritte Metallplatte 23 können eine Schaltungsstruktur bilden.
  • Die erste Metallplatte 21 und die zweite Metallplatte 22 bilden zusammen mit einem Isoliersubstrat 31 und einem Isoliersubstrat 32 ein mehrlagiges Substrat 3. Das erste Schaltelement 41 ist zwischen der ersten Metallplatte 21 und dem ersten Abschnitt 221 der zweiten Metallplatte 22 angeordnet. Die jeweiligen Elektroden an beiden Oberflächen des ersten Schaltelements 41 sind über ein leitfähiges Verbindungsmaterial 8 in einer vertikalen Richtung gegenüberliegend mit der ersten Metallplatte 21 und dem ersten Abschnitt 221 der zweiten Metallplatte 22, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, verbunden. Hierbei ist das leitfähige Verbindungsmaterial 8 beispielsweise ein gesintertes Verbindungsmaterial, das Lot- oder Silberpartikel enthält.
  • Das zweite Schaltelement 42 ist zwischen dem zweiten Abschnitt 222 der zweiten Metallplatte 22 und der dritten Metallplatte 23 angeordnet. Die jeweiligen Elektroden an beiden Oberflächen des zweiten Schaltelements 42 sind über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 gegenüberliegend mit dem zweiten Abschnitt 222 der zweiten Metallplatte 22 und der dritten Metallplatte 23, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, verbunden.
  • Das Schaltungselement 71 ist zwischen der ersten Metallplatte 21 und dem zweiten Abschnitt 222 der zweiten Metallplatte 22 angeordnet. Die jeweiligen Elektroden an beiden Enden des Schaltungselements 71 sind über das leitfähige Material 8 gegenüberliegend mit der ersten Metallplatte 21 und dem zweiten Abschnitt 222 der zweiten Metallplatte 22, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, verbunden. Das Schaltungselement 71 erstreckt sich durch das Isoliersubstrat 32, das zwischen der ersten Metallplatte 21 und dem zweiten Abschnitt 222 der zweiten Metallplatte 22 angeordnet ist. Das Schaltungselement 71 ist zwischen der Elektrode P und der Elektrode AC parallel zu dem ersten Schaltelement 41 angebunden.
  • Ein Wärmespreizer 9 ist an der Rückseite des mehrlagigen Substrats 3 angeordnet, das heißt an einer Oberfläche gegenüberliegend zu einer Oberfläche, an der das Schaltelement 41 angeordnet ist. Ausgenommen die Ränder der Elektroden P, N und AC und des Wärmespreizers 9 sind die erste Metallplatte 21, die zweite Metallplatte 22, die dritte Metallplatte 23, die Isoliersubstrate 31 und 32, das erste Schaltelement 41, das zweite Schaltelement 42 und das Schaltungselement 71 durch ein Isolierkunstharz 10 abgedichtet.
  • Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Schaltungselement 71 zwischen die erste und die zweite Metallplatte 21 und 22 angebunden. In manchen Ausführungsbeispielen ist das Schaltungselement 71 an einer anderen Position angebunden. Beispielsweise kann das Schaltungselement 71 zwischen die zweite und die dritte Metallplatte 22 und 23 (das heißt zwischen die Elektrode AC und die Elektrode N) oder zwischen die erste und dritte Metallplatte 21 und 23 (das heißt zwischen die Elektrode P und die Elektrode N) angebunden sein.
  • Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleitermodul 100 ein einziges Schaltungselement 71. In manchem Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleitermodul 100 eine Vielzahl von Schaltungselementen 71.
  • Bei dem Halbleitermodul 100 kann die Dicke von jeder der ersten, zweiten und dritten Metallplatte 21, 22 und 23 0,25 mm oder mehr betragen. Hinsichtlich der elektrischen Leitung und Wärmeerzeugung eines Leistungsmoduls reduziert eine größere Dicke jeder Metallplatte eine Stromdichte während der elektrischen Leitung zwischen den Schaltelementen 41 und 42. Eine solche größere Dicke reduziert zudem Wärme, die in der Metallplatte erzeugt wird, um zu ermöglichen, dass ein starker Strom durch das Halbleitermodul fließen kann. Zudem ist die Metallplatte im Wesentlichen aus einem Material, wie beispielsweise Aluminium (AI) oder Kupfer (Cu), hergestellt. Kupfer hat insbesondere einen geringen Widerstand und eine hohe thermische Leitfähigkeit. Daher ermöglicht die Verwendung von Kupfer, dass ein starker Strom durch das Halbleitermodul fließen kann, und ermöglicht zudem, dass das Halbleitermodul einen geringen thermischen Widerstand hat.
  • Bei dem Halbleitermodul 100 werden die Isoliersubstrate 31 und 32 aus einem organischen Kunstharz oder Keramik hergestellt. Wenn die Isoliersubstrate 31 und 32 aus einem organischen Kunstharz hergestellt werden, kann die Dicke von jedem der Isoliersubstrate 31 und 32 0,1 mm oder mehr betragen. Diese Dicke von jedem der Isoliersubstrate 31 und 32, das heißt 0,1 mm oder mehr, erreicht eine Isolierleistung und eine Betriebssicherheit, was beides erforderlich ist, wenn beispielsweise ein Nutzer zur Verwendung eine Spannung in einem Bereich von 600 V bis 6,5 kV zwischen der positiven und der negativen Elektrode des Halbleitermoduls 100 anlegt.
  • Wenn die Isoliersubstrate 31 und 32 aus Keramik, wie beispielsweise Al2O3, AlN oder Si3N4, hergestellt sind, kann die Dicke von jedem der Isoliersubstrate 31 und 32 0,32 mm oder mehr betragen. Diese Dicke von jedem der Isoliersubstrate 31 und 32, das heißt 0,32 mm oder mehr, erreicht eine Isolierleistung, Betriebssicherheit und eine ausreichende Festigkeit der Isoliersubstrate 31 und 32, was beispielsweise erforderlich ist, wenn der Nutzer zur Verwendung eine Spannung von 1200 V zwischen der positiven und der negativen Elektrode des Halbleitermoduls 100 anlegt.
  • Wie jeweils oben beschrieben, haben die erste, die zweite und die dritte Metallplatte 21, 22 und 23 eine Dicke von 0,25 mm oder mehr; zudem hat jedes der Isoliersubstrate 31 und 32 eine Dicke von 0,32 mm oder mehr. Diese Dicken schaffen ein Halbleitermodul, durch das ein starker Strom fließen kann und an das eine hohe Spannung angelegt werden kann.
  • 2 ist eine Darstellung eines Schaltungsaufbaus des Halbleitermoduls 100. Wie in 2 gezeigt, sind das erste und das zweite Schaltelement 41 und 42 in Reihe geschaltet. Das Schaltungselement 71 ist mit dem ersten Schaltelement 41 parallelgeschaltet. Das Schaltungselement 71 kann beispielsweise ein Kondensator sein. Demzufolge wird eine Snubber-Schaltung SC bereitgestellt, die einen Spannungsstoß verhindert, der durch einen Schaltbetrieb des ersten Schaltelements 41 verursacht wird.
  • <Wirkung>
  • Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Halbleitermodul 100 eine Vielzahl von Metallplatten (erste, zweite und dritte Metallplatte 21, 22 und 23), die sich in einer horizontalen Richtung erstrecken und in einer vertikalen Richtung gestapelt sind, wenigstens ein Schaltelement (erstes und zweites Schaltelement 41 und 42) und wenigstens ein Schaltungselement 71 auf. Das wenigstens eine Schaltelement ist zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Das wenigstens eine Schaltungselement 71 ist zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Zwischen der Vielzahl von Metallplatten ist ein Isoliermaterial angeordnet. Wenigstens eine der Vielzahl von Metallplatten ist mit dem wenigstens einen Schaltelement und wenigstens einen Schaltungselement 71 verbunden.
  • Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 100 derart aufgebaut, dass, wie bei dem Anbinden der Schaltelemente, das Schaltungselement 71 zwischen zwei Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden ist. Ein solcher Aufbau reduziert den Bereich, der zur Anbringung des Schaltungselement 71 erforderlich ist, um zu ermöglichen, dass das Halbleitermodul 100 klein ist. Ein solcher Aufbau reduziert zudem ein Verziehen aufgrund des Unterschieds zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten jeder Metallplatte und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schaltungselements 71 im Vergleich zu einem Aufbau, bei dem das Schaltungselement 71 in einer horizontalen Richtung an der Metallplatte angeordnet ist. Folglich wird eine hohe Betriebssicherheit eines Verbindungsabschnitts erreicht.
  • Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 100 derart aufgebaut, dass das Isoliersubstrat 32, das heißt das Isoliermaterial, zwischen den beiden Metallplatten (erste und zweite Metallplatte 21 und 22), die einander gegenüberliegen, angeordnet ist und dass das wenigstens eine Schaltungselement 71 zwischen den beiden Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, auf eine solche Weise angebunden ist, dass sich das wenigstens eine Schaltungselement durch das Isoliersubstrat 32 erstreckt.
  • Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 100 derart aufgebaut, dass das Schaltungselement 71 auf solche Art und Weise angebunden ist, um sich durch das Isoliersubstrat 32 zu erstrecken, was die erste und die zweite Metallplatte 21 und 22 an beiden Oberflächen umfasst. Ein solcher Aufbau reduziert den Bereich, der für die Anbringung des Schaltungselements 71 erforderlich ist, und ermöglicht gleichzeitig, dass das Schaltungselement 71 zwischen der ersten und der zweiten Metallplatte 21 und 22 angeordnet werden kann.
  • Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 100 derart aufgebaut, dass das wenigstens eine Schaltelement (erstes und zweites Schaltelement 41 und 42) Elektroden an beiden Oberflächen aufweist und dass diese Elektroden an beiden Oberflächen des wenigstens einen Schaltelements gegenüberliegend mit den jeweiligen beiden Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 angebunden sind. Das Halbleitermodul 100 ist zudem derart aufgebaut, dass das wenigstens eine Schaltungselement 71 die Elektroden an beiden Enden aufweist und dass diese Elektroden an beiden Enden des wenigstens einen Schaltungselements 71 über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 mit den jeweiligen beiden Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden sind.
  • Wenn das Schaltungselement 71 an der Metallplatte in einer horizontalen Richtung angeordnet ist, ist eine der Oberflächen von jeder der Elektroden an beiden Enden des Schaltungselements 71 an der Metallplatte angebunden. Dies erhöht eine Belastung, der das Schaltungselement 71 ausgesetzt wird, wenn sich die Temperatur ändert. Im Gegensatz dazu beschreibt das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel, dass die Elektroden an beiden Enden des Schaltungselements 71 über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 gegenüberliegend mit den jeweiligen beiden Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden sind. Dies reduziert die Belastung, die an das Schaltungselement 71 angelegt wird, wenn sich die Temperatur ändert. Folglich ist das Halbleitermodul 100 betriebssicherer.
  • Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 100 derart aufgebaut, dass die Metallplatten (erste, zweite und dritte Metallplatte 21, 22 und 23) jeweils eine Dicke 0,25 mm oder mehr aufweisen. Eine Erhöhung der Dicke jeder Metallplatte reduziert eine Stromdichte während der elektrischen Leitung zwischen den Schaltelementen 41 und 42. Zudem reduziert die Erhöhung der Dicke Wärme, die in jeder Metallplatte erzeugt wird, um dadurch zu ermöglichen, dass ein starker Strom durch das Halbleitermodul fließen kann.
  • Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 100 derart aufgebaut, dass die Isoliersubstrate 31 und 32 jeweils ein keramisches Material enthalten und dass diese Isoliersubstrate jeweils eine Dicke von 0,32 mm oder mehr aufweisen. Diese Dicke von jedem der Isoliersubstrate 31 und 32, das heißt 0,32 mm oder mehr, erreicht die Isolierleistung, Betriebssicherheit und die ausreichende Festigkeit der Isoliersubstrate 31 und 32, was erforderlich ist, wenn der Nutzer beispielsweise zur Verwendung eine Spannung von 1200 V zwischen der positiven und der negativen Elektrode des Halbleitermoduls 100 anlegt.
  • <Erste Abwandlung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels>
  • 3 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls 100A gemäß einer ersten Abwandlung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie in 3 gezeigt, ist das Halbleitermodul 100A derart aufgebaut, dass das Schaltungselement 71 zwischen der ersten und der dritten Metallplatte 21 und 23, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden ist. Die übrigen Komponenten, die dieselben wie diejenigen des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels (1) sind, werden hier nicht beschrieben.
  • 4 ist eine Darstellung eines Schaltungsaufbaus des Halbleitermoduls 100A. Wie in 4 gezeigt, ist das Schaltungselement 71 parallel zu dem ersten und dem zweiten Schaltelement 41 und 42 geschaltet, die in Reihe geschaltet sind. Das Schaltungselement 71 kann beispielsweise ein Kondensator sein. Demzufolge wird eine Snubber-Schaltung SC bereitgestellt, die den Spannungsstoß verhindert, der durch den Schaltbetrieb des ersten und des zweiten Schaltelements (41 und 42) verursacht wird.
  • <Zweite Abwandlung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels>
  • 5 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls 100B gemäß einer zweiten Abwandlung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie in 5 gezeigt, ist das Halbleitermodul 100B derart aufgebaut, dass Schaltungselemente 71 und 72, die in Reihe geschaltet sind, zwischen die erste und die zweite Metallplatte 21 und 22, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden sind. Hierbei sind das Schaltungselement 71 und das Schaltungselement 72 über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 direkt in Reihe miteinander verbunden. Die übrigen Komponenten, die dieselben wie diejenigen des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels (1) sind, werden hier nicht beschrieben.
  • 6 ist eine Darstellung eines Schaltungsaufbaus eines Halbleitermoduls 100B. Wie in 6 gezeigt, sind die Schaltungselemente 71 und 72, die in Reihe geschaltet sind, parallel zu dem ersten Schaltelement 41 geschaltet. Die Schaltungselemente 71 und 72 können beispielsweise ein Kondensatorelement und ein Widerstandselement sein. Demzufolge wird die Snubber-Schaltung SC bereitgestellt, die den Spannungsstoß verhindert, der durch den Schaltbetrieb des ersten Schaltelements 41 verursacht wird.
  • Bei der zweiten Abwandlung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels ist das Halbleitermodul 100B derart aufgebaut, dass das wenigstens eine Schaltungselement eine Vielzahl von Schaltungselementen aufweist und dass die Vielzahl von Schaltungselementen 71 und 72, die in Reihe geschaltet sind, zwischen den beiden Metallplatten (erste und zweite Metallplatte 21 und 22), die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden sind.
  • Die Vielzahl von Schaltungselementen, die in Reihe geschaltet sind, sind zwischen den beiden Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Ein solcher Aufbau reduziert den Bereich, der für die Anbringung der Vielzahl von Schaltungselementen erforderlich ist, wodurch ermöglicht wird, dass das Halbleitermodul 100B klein ist.
  • <Zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel>
  • 7 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls 200 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in 7 gezeigt, weist das Halbleitermodul 200 eine erste Metallplatte 51, eine zweite Metallplatte 52, eine dritte Metallplatte 53 und eine vierte Metallplatte 54, die sich in einer horizontalen Richtung erstrecken und in einer vertikalen Richtung gestapelt sind, das erste Schaltelement 41, das zweite Schaltelement 42 und ein Schaltungselement 73 auf. Das erste und das zweite Schaltelement 41 und 42, die dieselben wie diejenigen des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels sind, werden hier nicht beschrieben. Das Schaltungselement 73 ist identisch zu dem Schaltungselement 71 des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels und wird daher hier nicht beschrieben.
  • Die erste Metallplatte 51 ragt an einem Ende aus einem Korpus des Halbleitermoduls 200 heraus. Dieses eine Ende dient als eine positive Elektrode. Die dritte Metallplatte 53 ragt an einem Ende aus dem Korpus des Halbleitermoduls 200 heraus. Dieses eine Ende dient als eine AC-Elektrode. Die vierte Metallplatte 54 ragt an einem Ende aus dem Korpus des Halbleitermoduls 200 heraus. Dieses eine Ende dient als eine negative Elektrode.
  • Die erste und die dritte Metallplatte 51 und 53 sind an der Vorderseite eines Isoliersubstrats 61 angeordnet. Der Wärmespreizer 9 ist an der Rückseite des Isoliersubstrats 61 angeordnet. Die erste und die dritte Metallplatte 51 und 53 sind an dem Isoliersubstrat 61 angeordnet und in einem Abstand beabstandet voneinander, der zur Isolierung erforderlich ist. Die zweite und die vierte Metallplatte 52 und 54 sind an beiden Oberflächen eines Isoliersubstrats 62 angeordnet. Die vierte Metallplatte 54 erstreckt sich beispielsweise über eine Durchgangsbohrung teilweise durch das Isoliersubstrat 62, um an derselben Oberfläche wie die zweite Metallplatte 52 angeordnet zu sein.
  • Das erste Schaltelement 41 ist zwischen der ersten Metallplatte 51 und der zweiten Metallplatte 52 angeordnet. Die Elektroden an beiden Oberflächen des ersten Schaltelements 41 sind über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 gegenüberliegend an die erste Metallplatte 51 bzw. die zweite Metallplatte 52, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden.
  • Das zweite Schaltelement 42 ist zwischen der dritten Metallplatte 53 und der vierten Metallplatte 54 angeordnet. Die Elektroden an beiden Oberflächen des zweiten Schaltelements 42 sind über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 gegenüberliegend an die dritte Metallplatte 53 bzw. die vierte Metallplatte 54, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden.
  • Das Schaltungselement 73 ist zwischen der zweiten Metallplatte 52 und der dritten Metallplatte 53 angeordnet. Elektroden an beiden Enden des Schaltungselements 73 sind über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 gegenüberliegend an die zweite Metallplatte 52 bzw. die dritte Metallplatte 53, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Das Schaltungselement 73 ist durch das Isolierkunstharz 10 abgedichtet. Das Schaltungselement 73 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement 41 und 42 in Reihe mit dem ersten und dem zweiten Schaltelement 41 und 42 angebunden.
  • Ausgenommen die Enden der Elektroden P, N und AC und des Wärmespreizers 9, dichtet das Isolierkunstharz 10 die erste, die zweite, die dritte und die vierte Metallplatte 51, 52, 53 und 54, die Isoliersubstrate 61 und 62, das erste und das zweite Schaltelement 41 und 42 und das Schaltungselement 73 ab.
  • Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Schaltungselement 73 zwischen die zweite und die dritte Metallplatte 52 und 53 angebunden. In manchen Ausführungsbeispielen kann das Schaltungselement 73 an einer anderen Position angebunden sein. Beispielsweise kann das Schaltungselement 73 zwischen die erste und die zweite Metallplatte 51 und 52, zwischen die dritte und die vierte Metallplatte 53 und 54 (das heißt zwischen die Elektrode AC und die Elektrode N) oder zwischen die erste und die vierte Metallplatte 51 und 54 (das heißt zwischen die Elektrode P und die Elektrode N) angebunden sein.
  • Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Halbleitermodul 200 ein einzelnes Schaltungselement 73 auf. In manchem Ausführungsbeispiel weist das Halbleitermodul 200 eine Vielzahl von Schaltungselementen 73 auf.
  • Bei dem Halbleitermodul 200 kann die Dicke von jeder der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Metallplatte 51, 52, 53 und 54 0,25 mm oder mehr betragen. Hinsichtlich der elektrischen Leitung und Wärmeerzeugung eines Leistungsmoduls reduziert eine größere Dicke jeder Metallplatte eine Stromdichte während der elektrischen Leitung zwischen den Schaltelementen 41 und 42. Eine solche größere Dicke reduziert zudem Wärme, die in der Metallplatte erzeugt wird, um somit zu ermöglichen, dass ein starker Strom durch das Halbleitermodul fließen kann. Zudem ist die Metallplatte im Wesentlichen aus einem Material, wie beispielsweise Aluminium (AI) oder Kupfer (Cu), hergestellt. Kupfer hat insbesondere einen geringen Widerstand und eine hohe thermische Leitfähigkeit. Daher ermöglicht die Verwendung von Kupfer, dass ein starker Strom durch das Halbleitermodul fließen kann, und ermöglicht zudem, dass das Halbleitermodul einen geringen thermischen Widerstand aufweist.
  • Bei dem Halbleitermodul 200 sind die Isoliersubstrate 61 und 62 aus einem organischen Kunstharz oder Keramik hergestellt. Wenn die Isoliersubstrate 61 und 62 aus einem organischen Kunstharz hergestellt sind, kann die Dicke von jedem der Isoliersubstrate 61 und 62 0,1 mm oder mehr betragen. Diese Dicke von jedem der Isoliersubstrate 61 und 62, das heißt 0,1 mm oder mehr, erreicht eine Isolierleistung und Betriebssicherheit, die beide erforderlich sind, wenn ein Nutzer beispielsweise zur Verwendung eine Spannung in einem Bereich von 600 V bis 6,5 kV zwischen der positiven und der negativen Elektrode des Halbleitermoduls 200 anlegt.
  • Wenn die Isoliersubstrate 61 und 62 aus Keramik, wie beispielsweise Al2O3, AlN oder Si3N4, hergestellt sind, kann die Dicke von jedem der Isoliersubstrate 61 und 62 0,32 mm oder mehr betragen. Diese Dicke von jedem der Isoliersubstrate 61 und 62, das heißt 0,32 mm oder mehr, erreicht eine Isolierleistung, Betriebssicherheit und eine ausreichende Festigkeit der Isoliersubstrate 61 und 62, was erforderlich ist, wenn der Nutzer beispielsweise zur Verwendung eine Spannung von 1200 V zwischen der positiven und der negativen Elektrode des Halbleitermoduls 200 anlegt.
  • Bei dem Halbleitermodul 200 kann die Dicke des Isolierkunstharzes 10 0,1 mm oder mehr zwischen den Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, betragen. Diese Dicke des Isolierkunstharzes 10, das heißt 0,1 mm oder mehr, erreicht eine Isolierleistung und Betriebssicherheit, wenn der Nutzer beispielsweise zur Verwendung eine Spannung im Bereich von 600 V bis 6,5 kV zwischen der positiven und der negativen Elektrode des Halbleitermoduls 200 anlegt.
  • <Wirkung>
  • Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 200 derart aufgebaut, dass das Isolierkunstharz 10, das heißt ein Isoliermaterial, zwischen den beiden Metallplatten (zweite und dritte Metallplatte 52 und 53), die einander gegenüberliegen, angeordnet ist und dass das wenigstens eine Schaltungselement 73 zwischen den beiden Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden ist und durch das Isolierkunstharz 10 abgedichtet ist.
  • Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 200 derart aufgebaut, dass das Schaltungselement 73 zwischen die zweite und die dritte Metallplatte 52 und 53, die einander gegenüberliegen, angebunden ist, mit dem Isolierkunstharz 10 dazwischen angeordnet. Ein solcher Aufbau reduziert den Bereich, der für die Anbringung des Schaltungselements 73 erforderlich ist, und ermöglichst gleichzeitig, dass das Schaltungselement 73 zwischen die zweite und die dritte Metallplatte 52 und 53 angebunden werden kann.
  • <Drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel>
  • 8 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls 300 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Bei dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Halbleitermodul 300 im Vergleich zu dem Halbleitermodul 100 (1) zudem ein Schaltungselement 74 auf. Die übrigen Komponenten, die dieselben wie diejenigen des Halbleitermoduls 100 sind, werden hier nicht beschrieben.
  • Wie in 8 gezeigt, ist das Schaltungselement 74 zwischen der ersten Metallplatte 21 und dem ersten Abschnitt 221 der zweiten Metallplatte 22 angeordnet. Jeweilige Elektroden an beiden Enden des Schaltungselements 74 sind über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 gegenüberliegend an die erste Metallplatte 21 und den ersten Abschnitt 221 der zweiten Metallplatte 22, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Das Schaltungselement 74 ist durch das Isolierkunstharz 10 abgedichtet. Das Schaltungselement 74 ist zwischen der Elektrode P und der Elektrode AC parallel zu dem ersten Schaltelement 41 angebunden.
  • Bei dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleitermodul 300 zwei Schaltungselemente 71 und 74. Das Halbleitermodul 300 wird einfach benötigt, um mehrere Schaltungselemente aufzuweisen. Zudem sind bei dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Schaltungselemente 71 und 74 zwischen die erste und die zweite Metallplatte 21 und 22 angebunden. In manchen Ausführungsbeispielen können diese Schaltungselemente an einer anderen Position angebunden sein. Beispielsweise können die Schaltungselemente 71 und 74 zwischen die zweite und die dritte Metallplatte 22 und 23 (das heißt zwischen die Elektrode AC und die Elektrode N) oder zwischen die erste und die dritte Metallplatte 21 und 23 (das heißt zwischen die Elektrode P und die Elektrode N) angebunden sein.
  • <Wirkung>
  • Bei dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 300 derart aufgebaut, dass das wenigstens eine Schaltungselement eine Vielzahl von Schaltungselementen aufweist und das Isoliersubstrat 32, das heißt das Isoliermaterial, zwischen zwei (erste und zweite Metallplatte 21 und 22) der Vielzahl von Metallplatten (erste, zweite und dritte Metallplatte 21, 22 und 23), die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angeordnet ist. Das Halbleitermodul 300 ist zudem derart aufgebaut, dass das wenigstens eine (Schaltungselement 71) der Vielzahl von Schaltungselementen 71 und 74 zwischen den beiden Metallplatten, die einander gegenüberliegen, auf solche Art und Weise angebunden ist, dass das wenigstens eine Schaltungselement sich durch das Isoliersubstrat 32 erstreckt. Das Halbleitermodul 300 ist zudem derart aufgebaut, dass das Isoliermaterial 10, das heißt das Isoliermaterial, zwischen zwei (erste und zweite Metallplatte 21 und 22) der Vielzahl von Metallplatten, die einander gegenüberliegen, angeordnet ist. Das Halbleitermodul 300 ist zudem derart aufgebaut, dass das wenigstens eine (Schaltungselement 74) der Vielzahl von Schaltungselementen 71 und 74 zwischen den beiden Metallplatten, die einander gegenüberliegen, angebunden ist und über das Isolierkunstharz 10 abgedichtet ist.
  • Bei dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 300 derart aufgebaut, dass das Schaltungselement 71 zwischen den beiden Metallplatten, die einander gegenüberliegen, mit dem Isoliersubstrat dazwischen angeordnet, angebunden ist und dass das Schaltungselement 74 zwischen den beiden Metallplatten, die einander gegenüberliegen, mit dem Isolierkunstharz 10 dazwischen angeordnet, angebunden ist. Eine solche flexible Anordnung der Schaltungselemente 71 und 74 ermöglicht, dass die Schaltungselemente 71 und 74 an Positionen angeordnet werden können, die beispielsweise wirksam sind, um Schwingungen eines Leistungsmoduls zu verhindern und Schaltverluste zu reduzieren. Zudem vereinfacht die Integration der Schaltungselemente 71 und 74 in das Halbleitermodul 300 einen Schaltungsaufbau, der außerhalb des Halbleitermoduls 300 angeschlossen ist.
  • <Viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel>
  • 9 ist eine Querschnittdarstellung eines Halbleitermoduls 400 gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Bei dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Halbleitermodul 400 im Vergleich zu dem Halbleitermodul 200 (7) zudem ein Schaltungselement 75 auf. Die übrigen Komponenten, die dieselben sind wie diejenigen des Halbleitermoduls 200, werden hier nicht beschrieben.
  • Wie in 9 gezeigt, ist das Schaltungselement 75 zwischen der zweiten Metallplatte 52 und der vierten Metallplatte 54 angeordnet. Elektroden an beiden Endes des Schaltungselements 75 sind über das leitfähige Verbindungsmaterial 8 gegenüberliegend mit der Metallplatte 53 bzw. der vierten Metallplatte 54, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Das Schaltungselement 75 erstreckt sich durch das Isoliersubstrat 62, das zwischen der zweiten Metallplatte 52 und der vierten Metallplatte 54 angeordnet ist.
  • Bei dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Halbleitermodul 400 zwei Schaltungselemente 73 und 75 auf. Das Halbleitermodul 400 wird einfach benötigt, um mehrere Schaltungselemente aufzuweisen. Zudem können in manchen Ausführungsbeispielen die Schaltungselemente 73 und 75 an einer anderen Position als der in 9 gezeigten angebunden sein. Beispielsweise können die Schaltungselemente 73 und 75 zwischen die erste und die zweite Metallplatte 51 und 52, zwischen die dritte und die vierte Metallplatte 53 und 54 (das heißt zwischen die Elektrode AC und die Elektrode N) oder zwischen die erste und die vierte Metallplatte 51 und 54 (das heißt zwischen die Elektrode P und die Elektrode N) angebunden sein.
  • <Wirkung>
  • Bei dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 400 derart aufgebaut, dass das wenigstens eine Schaltungselement eine Vielzahl von Schaltungselementen aufweist und dass das Isoliersubstrat 62, das heißt das Isoliermaterial, zwischen zwei (zweite und vierte Metallplatte 52 und 54) der Vielzahl von Metallplatten (erste, zweite, dritte und vierte Metallplatte 51, 52, 53 und 54), die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angeordnet ist. Das Halbleitermodul 400 ist zudem derart aufgebaut, dass wenigstens ein (Schaltungselement 75) der Vielzahl von Schaltungselementen 73 und 75 zwischen den beiden Metallplatten, die einander gegenüberliegen, auf solche Art und Weise angebunden ist, dass sich das wenigstens eine Schaltungselement durch das Isoliersubstrat 62 erstreckt. Das Halbleitermodul 400 ist zudem derart aufgebaut, dass das Isolierkunstharz 10, das heißt das Isoliermaterial, zwischen zwei (zweite und dritte Metallplatte 52 und 53) der Vielzahl von Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angeordnet ist. Das Halbleitermodul 400 ist zudem derart aufgebaut, dass das wenigstens eine (Schaltungselement 73) der Vielzahl von Schaltungselementen 73 und 75 zwischen den beiden Metallplatten, die einander gegenüberliegen, angebunden ist und über das Isolierkunstharz 10 abgedichtet ist.
  • Bei dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Halbleitermodul 400 derart aufgebaut, dass das Schaltungselement 75 zwischen den beiden zwei einander zugewandten Metallplatten, mit dem Isoliersubstrat 62 dazwischen angeordnet, angebunden ist und dass das Schaltungselement 73 zwischen den beiden einander zugewandten Metallplatten, mit dem Isolierkunstharz 10 dazwischen angeordnet, angebunden ist. Eine solche flexible Anordnung der Schaltungselemente 73 und 75 ermöglicht, dass die Schaltungselemente 73 und 75 an Positionen angeordnet werden können, die wirksam beispielsweise zum Verhindern von Schwingungen eines Leistungsmoduls und zur Reduzierung von Schaltverlusten sind. Zudem vereinfacht der Einbau der Schaltungselemente 73 und 75 in das Halbleitermodul 400 einen Schaltungsaufbau, der außerhalb des Halbleitermoduls 400 angeschlossen ist.
  • Wie in 10 gezeigt, muss die Snubber-Schaltung SC üblicherweise außerhalb des Halbleitermoduls angeschlossen werden, um eine Überschwingung und Schwingungen der Spannung und des Stroms zu reduzieren oder zu eliminieren, die bei Einschalt- und Ausschaltvorgängen des Schaltelements des Halbleitermoduls auftreten. Wenn die Snubber-Schaltung SC außerhalb des Halbleitermoduls angeschlossen ist, verursacht nachteiliger Weise ein Rauschen in einem Drahtabschnitt, über den das Halbleitermodul und die Snubber-Schaltung SC miteinander verbunden sind, oder eine Schaltungsinduktivität möglicherweise eine Reduzierung der Wirkung Snubber-Schaltung SC. Daher muss der Aufbau der Snubber-Schaltung SC in Übereinstimmung mit dem Drahtabschnitt geändert werden, über den das Halbleitermodul und die Snubber-Schaltung SC miteinander verbunden sind.
  • Wie in 11 gezeigt, ermöglichen die Ausführungsbeispiele eins bis vier im Gegensatz dazu, dass die Schaltungselemente 71 bis 75, die jeweils das passive Element sind, wie beispielsweise das Kondensatorelement oder das Widerstandselement, die Snubber-Schaltung SC bilden, so dass die Snubber-Schaltung SC in das Halbleitermodul eingebaut ist. Die Snubber-Schaltung SC ist innerhalb des Halbleitermoduls angeordnet. Dies ermöglicht, dass die Snubber-Schaltung an einer Position nahe an dem Schaltelement angeordnet werden kann. Folglich kann die Snubber-Schaltung effektiv betrieben werden. Zudem muss der Aufbau der Snubber-Schaltung SC nicht länger in Übereinstimmung mit einem Draht außerhalb des Halbleitermoduls geändert werden.
  • Ein Halbleitermodul, das ein SiC-Schaltelement aufweist, kann insbesondere bei einer hohen Frequenz von 20 kHz oder höher verwendet werden. Schnellere Schaltgeschwindigkeiten entsprechen mehr Schwingungen. Demzufolge wird eine solche Snubber-Schaltung SC benötigt, die das passive Element, wie beispielsweise den Kondensator, aufweist. Die Verwendung des passiven Elements zur Ausbildung der Snubber-Schaltung reduziert die Schwingungen. Zudem wird die Snubber-Schaltung SC bevorzugten nahe an dem Schaltelement angeordnet.
  • Das Halbleitermodul der bevorzugten Ausführungsbeispiele eins bis vier weist des Weiteren die Snubber-Schaltung SC auf, die den Spannungsstoß verhindert, der während der Schaltvorgänge der Schaltelemente 41 und 42 erzeugt wird. Die Snubber-Schaltung SC weist einen Teil der Vielzahl von Metallplatten und das wenigstens eine Schaltungselement auf. Dadurch ermöglicht der Einbau der Snubber-Schaltung SC in das Halbleitermodul, dass die Snubber-Schaltung an einer Position nahe an dem Schaltelement angeordnet werden kann. Folglich kann die Snubber-Schaltung effektiv betrieben werden. Zudem muss der Aufbau der Snubber-Schaltung SC nicht länger in Übereinstimmung mit dem Draht außerhalb des Halbleitermoduls geändert werden.
  • Bei den Ausführungsbeispielen eins bis vier weisen die Schaltungselemente 71 bis 75 passive Elemente auf. Die passiven Elemente sind jeweils das Kondensatorelement oder das Widerstandselement. Die Verwendung der Schaltungselemente 71 bis 75 als die passiven Elemente, wie beispielsweise die Kondensatorelemente oder die Widerstandselemente, stellt die Snubber-Schaltung bereit.
  • Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen eins bis vier können die Schaltelemente 41 und 42 IGBTs sein. Alternativ können die Schaltelemente 41 und 42 MOSFETs sein. Alternativ können die Schaltelemente 41 und 42 Siliziumcarbid enthalten. Der angebundene Abschnitt ist gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen eins bis vier fest in dem Halbleitermodul angebunden. Ein solches Halbleitermodul ist insbesondere effektiv, wenn der Nutzer einen starken Strom und eine hohe Spannung unter Verwendung der Schaltelemente, wie beispielsweise die IGBTs oder die MOSFETs, anlegt. Zudem ermöglicht die Verwendung von Siliziumcarbid zur Ausbildung der Schaltelemente 41 und 42 Hochgeschwindigkeitsvorgänge bei einer Geschwindigkeit von beispielsweise 20 kHz oder höher in einer Hochtemperaturumgebung. Somit reduziert die Verwendung der Schaltungselemente 71 bis 75 als die Elemente, wie beispielsweise die Kondensatorelemente oder die Widerstandselemente, zur Ausbildung der Snubber-Schaltung Schwingungen der Schaltelemente.
  • Es sei angemerkt, dass bei der vorliegenden Erfindung die einzelnen bevorzugten Ausführungsbeispiele innerhalb des Rahmens der Erfindung frei kombiniert werden können oder angemessen abgewandelt oder weggelassen werden können.
  • Während die Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben worden ist, ist die vorhergehende Beschreibung in allen Aspekten erläuternd und nicht beschränkend. Es sei daher verstanden, dass vielfältige Abwandlungen und Variationen erdacht werden können, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen.
  • Zusammenfassend ist festzuhalten, dass es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Halbleitermodul bereitzustellen, bei dem ein angebundener Abschnitt eine hohe Betriebssicherheit aufweist und das einen kleinen Bereich aufweist. Ein Halbleitermodul weist eine Vielzahl von Metallplatten, die sich in einer horizontalen Richtung erstrecken und in einer vertikalen Richtung gestapelt sind, wenigstens ein Schaltelement und wenigstens ein Schaltungselement auf. Das wenigstens eine Schaltelement ist zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Das wenigstens eine Schaltungselement ist zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten, die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden. Zwischen der Vielzahl von Metallplatten ist ein Isoliermaterial angeordnet. Wenigstens eine der Vielzahl von Metallplatten ist mit dem wenigstens einen Schaltelement und dem wenigstens einen Schaltungselement verbunden.
  • Bezugszeichenliste
    • 3
    mehrlagiges Substrat
    8
    leitfähiges Verbindungsmaterial
    9
    Wärmespreizer
    10
    Isolierkunstharz
    21
    erste Metallplatte
    22
    zweite Metallplatte
    23
    dritte Metallplatte
    31
    Isoliersubstrat
    32
    Isoliersubstrat
    41
    erstes Schaltelement
    42
    zweites Schaltelement
    51
    erste Metallplatte
    52
    zweite Metallplatte
    53
    dritte Metallplatte
    54
    vierte Metallplatte
    61
    Isoliersubstrat
    62
    Isoliersubstrat
    71
    Schaltungselement
    72
    Schaltungselement
    73
    Schaltungselement
    74
    Schaltungselement
    75
    Schaltungselement
    100
    Halbleitermodul
    100A
    Halbleitermodul
    100B
    Halbleitermodul
    200
    Halbleitermodul
    221
    erster Abschnitt von 22
    222
    zweiter Abschnitt von 22
    300
    Halbleitermodul
    400
    Halbleitermodul
    AC
    Elektrode
    N
    negative Elektrode
    P
    positive Elektrode
    SC
    Snubber-Schaltung

Claims (12)

  1. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400), aufweisend: - eine Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die sich in einer horizontalen Richtung erstrecken und getrennt voneinander an mindestens einer Stelle in einer vertikalen Richtung gestapelt sind, wobei die Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) zumindest erste bis dritte Metallplatten (21-23, 51-54) aufweist; - wenigstens ein Schaltelement (41, 42); und - wenigstens ein Schaltungselement (71-75), wobei: - das wenigstens eine Schaltelement (41, 42) zwischen einem ersten Paar der ersten bis dritten Metallplatten (21-23, 51-54) angebunden ist, wobei das erste Paar sich in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegt, - das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) zwischen einem zweiten Paar der ersten bis dritten Metallplatten (21-23, 51-54) angebunden ist, wobei sich das zweite Paar in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegt, wobei eine Kombination der ersten bis dritten Metallplatten (21-23, 51-54) im zweiten Paar von derjenigen des ersten Paares verschieden ist, - ein Isoliermaterial zwischen der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) angeordnet ist, - wenigstens eine der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) mit dem Schaltelement (41, 42) und dem Schaltungselement (71-75) verbunden ist, - ein Isoliersubstrat (31, 32, 61, 62) zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die einander gegenüberliegen, angeordnet ist, wobei das Isoliersubstrat (31, 32, 61, 62) das Isoliermaterial ist, und - das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) zwischen den beiden Metallplatten (21-23, 51-54), die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, auf solche Weise angebunden ist, dass sich das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) durch das Isoliersubstrat (31, 32, 61, 62) erstreckt.
  2. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1, wobei: - das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) eine Vielzahl von Schaltungselementen (71-75) aufweist und - die Vielzahl von Schaltungselementen (71-75), die in Reihe geschaltet sind, zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden ist.
  3. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400), aufweisend: - eine Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die sich in einer horizontalen Richtung erstrecken und getrennt voneinander an mindestens einer Stelle in einer vertikalen Richtung gestapelt sind, wobei die Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) zumindest erste bis dritte Metallplatten (21-23, 51-54) aufweist; - wenigstens ein Schaltelement (41, 42); und - wenigstens ein Schaltungselement (71-75), wobei: - das wenigstens eine Schaltelement (41, 42) zwischen einem ersten Paar der ersten bis dritten Metallplatten (21-23, 51-54) angebunden ist, wobei das erste Paar sich in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegt, - das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) zwischen einem zweiten Paar der ersten bis dritten Metallplatten (21-23, 51-54) angebunden ist, wobei sich das zweite Paar in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegt, wobei eine Kombination der ersten bis dritten Metallplatten (21-23, 51-54) im zweiten Paar von derjenigen des ersten Paares verschieden ist, - ein Isoliermaterial zwischen der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) angeordnet ist, - wenigstens eine der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) mit dem Schaltelement (41, 42) und dem Schaltungselement (71-75) verbunden ist, - das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) eine Vielzahl von Schaltungselementen (71-75) aufweist, - ein Isoliersubstrat (31, 32, 61, 62) zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angeordnet ist, das Isoliersubstrat (31, 32, 61, 62) das Isoliermaterial ist, - das wenigstens eine (71-75) der Vielzahl von Schaltungselementen (71-75) zwischen den beiden Metallplatten (21-23, 51-54), die einander gegenüberliegen, auf solche Weise angebunden ist, dass sich das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) durch das Isoliersubstrat (31, 32, 61, 62) erstreckt, - ein Isolierkunstharz (10) zwischen zwei der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angeordnet ist, das Isolierkunstharz (10) das Isoliermaterial ist, und - das wenigstens eine (71-75) der Vielzahl von Schaltungselementen (71-75) zwischen den beiden Metallplatten (21-23, 51-54), die einander gegenüberliegen, angeordnet ist und durch das Isolierkunstharz (10) abgedichtet ist.
  4. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: - das wenigstens eine Schaltelement (41, 42) Elektroden an beiden Oberflächen aufweist, - die Elektroden an beiden Oberflächen des wenigstens einen Schaltelements (41, 42) über ein leitfähiges Verbindungsmaterial (8) gegenüberliegend an die jeweiligen beiden der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die in einer vertikalen Richtung einander gegenüberliegen, angebunden sind, - das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) Elektroden an beiden Enden aufweist und die Elektroden an beiden Enden des wenigstens einen Schaltungselements (71-75) über ein leitfähiges Verbindungsmaterial (8) gegenüberliegend an die jeweiligen beiden der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54), die in einer vertikalen Richtung einander angebunden sind.
  5. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, - weiter aufweisend eine Snubber-Schaltung (SC), die zum Verhindern eines Spannungsstoßes eingerichtet ist, der durch einen Schaltbetrieb des wenigstens einen Schaltelements (41, 42) verursacht wird, - wobei die Snubber-Schaltung (SC) einen Teil der Vielzahl von Metallplatten (21-23, 51-54) und das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) aufweist.
  6. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: - das wenigstens eine Schaltungselement (71-75) ein passives Element aufweist und - das passive Element ein Kondensatorelement oder ein Widerstandselement ist.
  7. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede der Vielzahl von Metallplatten (21-, 51-54) eine Dicke von 0,25 mm oder mehr aufweist.
  8. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 3, wobei: - das Isoliersubstrat (32) ein keramisches Material enthält und - das Isoliersubstrat (32) eine Dicke von 0,32 mm oder mehr aufweist.
  9. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 3, wobei das Isolierkunstharz (10) eine Dicke von 0,1 mm oder mehr aufweist.
  10. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Schaltelement (41, 42) ein IGBT ist.
  11. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das wenigstens eine Schaltelement (41, 42) ein MOSFET ist.
  12. Halbleitermodul (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das wenigstens eine Schaltelement (41, 42) Siliziumcarbid enthält.
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