DE102018211826B4

DE102018211826B4 - Halbleitermodul und Leistungswandlervorrichtung

Info

Publication number: DE102018211826B4
Application number: DE102018211826.4
Authority: DE
Inventors: Yasuo Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2024-07-11
Anticipated expiration: 2038-07-18

Abstract

Halbleitermodul (202),
aufweisend:
- eine Basisplatte (1);
- ein Keramiksubstrat (2), das auf der Basisplatte (1) ausgebildet ist;
- eine Unterseitenelektrode (3), die auf einer Unterseite des Keramiksubstrats (2) ausgebildet und mit der Basisplatte (1) verbunden ist;
- eine Oberseitenelektrode (4, 5), die auf einer Oberseite des Keramiksubstrats (2) ausgebildet ist;
- einen Halbleiter-Chip (8 ,9), der mit der Oberseitenelektrode (4, 5) verbunden ist;
- eine leitfähige dünne Schicht (7), die außerhalb der Unterseitenelektrode (3) auf der Unterseite des Keramiksubstrats (2) und nicht auf der Oberseite des Keramiksubstrats (2) ausgebildet, mit der Unterseitenelektrode (3) verbunden und dünner ist als die Unterseitenelektrode (3); und
- ein Isolierharz (16), welches das Keramiksubstrat (2), die Unterseitenelektrode (3), die Oberseitenelektrode (4, 5), den Halbleiter-Chip (8, 9) und die leitfähige dünne Schicht versiegelt (7),
wobei:
- eine Länge (A) von einem äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode (3) zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats (2) gleich einer Länge (A) von einem äußeren umlaufenden Teil der Oberseitenelektrode (4, 5) zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats (2) ist,
- wobei eine Dicke der leitfähigen dünnen Schicht (7) der Hälfte oder weniger als eine Dicke des Keramiksubstrats (2) entspricht,
- eine Länge (B) vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode (3) zu einem äußeren umlaufenden Teil der leitfähigen dünnen Schicht (7) gleich oder größer ist als 1/3 einer Länge (A) vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode (3) zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats (2) und
- die leitfähige dünne Schicht (7) eine halbleitende Schicht ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Leistungswandlervorrichtung.
Hintergrund
Halbleitermodule werden eingesetzt, um Motoren für Industrieanlagen und elektrische Eisenbahnen oder dergleichen anzusteuern. Silikongel wird als ein Isolierversiegelungsmaterial für Halbleitermodule eingesetzt (siehe z.B. 20 in WO 2016/098431 A ).
Wenn Vorrichtungen, die ein Halbleitermodul verwenden, in großen Höhen betrieben werden, ist es wahrscheinlich, dass ein atmosphärischer Druck fällt. Dies verursacht Blasen im Silikongel, wodurch abhängig von einem blasenerzeugenden Bereich eine Teilentladung innerhalb des Moduls erzeugt werden kann, was eine Lebensdauer des Moduls verkürzen kann. Insbesondere wenn Blasen in einem Silikongel an einem vorspringenden Teil unterhalb eines Keramiksubstrats erzeugt werden, ist es wahrscheinlicher, dass eine Teilentladung selbst bei einer niedrigen Spannung auftritt. Selbst wenn diese Vorrichtungen nicht in großen Höhen eingesetzt werden, ist es wahrscheinlich, dass sich aufgrund von Entgasungen eines Lötmaterials des Keramiksubstrats Blasen in dem vorspringenden Teil während der Fertigung ansammeln. Die Blasen unterhalb des Keramiksubstrats können durch eine visuelle Überprüfung von oben nicht entdeckt werden, was zu einer Verschlechterung der Isolationseigenschaften während einer Verwendung im Markt führt.
Um eine Teilentladung zu hemmen kann eine Unterseitenelektrode auf einer Substratunterseite im Vergleich zu einer Oberseitenelektrode nach außen verlängert werden.
Aufgrund einer Ungleichheit zwischen der Oberseitenelektrode und der Unterseitenelektrode wird die Keramikplatte einer Belastung ausgesetzt, wenn ein Temperaturzyklus zugefügt wird. Wenn die Belastung eine Biegefestigkeit des Keramiksubstrats überschreitet, kann das Keramiksubstrat brechen, wodurch sich Isolationseigenschaften verschlechtern. Infolgedessen kann sich eine Zuverlässigkeit vermindert werden.
Die WO 2017 / 006 661 A1 betrifft eine keramische Metallleiterplatte, die mit einem keramischen Substrat und Metallplatten versehen ist, die jeweils mit beiden Oberflächen des keramischen Substrats verbunden sind, indem dazwischen Verbindungsschichten vorhanden sind. Die keramische Metallleiterplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass, während ein Metallfilm auf der Oberfläche einer auf einer Oberfläche des Keramiksubstrats vorgesehenen Metallplatte vorgesehen ist, auf der Oberfläche einer auf der anderen Oberfläche vorgesehenen Metallplatte ein Bereich vorhanden ist der Metallfilm ist nicht vorgesehen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass vorstehende Abschnitte der Verbindungsschichten gebildet werden, wobei die vorstehenden Abschnitte jeweils von den Seitenflächen der Metallplatten vorstehen. Mit der oben erwähnten Konfiguration wird eine keramische Leiterplatte bereitgestellt, die eine hervorragende Verwendbarkeit aufweist, die für eine zu verbindende Komponente geeignet ist, und hervorragende Wärmewechselbeständigkeitseigenschaften aufweist.
Die EP 1 063 700 A2 zeigt ein Metall-Keramik-Substrat mit einer Keramikschicht und beidseitigen Metallschichten. Es ist an der Oberfläche der Keramikschicht mit einer hochohmigen Schicht ausgebildet, die an die Metallschichten angrenzt. Dadurch wird die elektrische Feldstärke an den Rändern der Metallschichten begrenzt und für eine gleichmäßige Verteilung des elektrischen Potentials an der Oberfläche der Keramikschicht gesorgt. Die hochohmige Schicht ist zum Beispiel eine dünne CrNi-Schicht, eine dotierte Si-Schicht, eine a-C:H-Schicht oder eine Ti-Implantierung.
Die DE 600 12 868 T2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer isolierenden Leiterplatte, wobei an ein Schaltungsmuster bei atmosphärischem oder reduziertem Gasdruck eine Spannung so angelegt wird, dass an einem Leiterbahn-Endabschnitt des Schaltungsmusters zum Schmelzen und Wiederverfestigen des Leiterbahn-Endabschnitts des Schaltungsmusters eine elektrische Entladung erfolgt.
Die DE 10 2018 202 490 A1 bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, bei welcher sich eine Randkante eines Abdeckmittels auf der einem Substrat näher liegenden Seite zwischen einer ersten und einer er zweiten Position auf einer metallischen Grundplatte befindet. Die erste Position befindet sich direkt unter einer äußeren Seitenfläche einer Metallplatte. Die zweite Position befindet sich außerhalb der ersten Position und ist von einer dritten Position auf der Metallgrundplatte direkt unter einer äußeren Seitenfläche der elektrischen Isolierplatte durch einen Abstand entfernt, der durch Dividieren der Höhe von einer Hauptfläche der Metallgrundplatte zur Vorderfläche der elektrischen Isolierplatte durch den Tangens des Kontaktwinkels des Lots, der durch die Randkante entsteht, die den Lotfluss stoppt, berechnet wird. Dadurch ist es möglich, ausreichende Isolationsstrecken zwischen Leiterbahnen und Lot sicherzustellen und die Kriechstrecken der Leiterbahnen über die elektrische Isolierplatte zu reduzieren.
Die DE 42 34 508 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Wafers mit einer monokristallinen Siliciumcarbidschicht. Zur Herstellung eines großflächigen Wafers lässt man auf eine monokristalline Si-Schicht, die durch Carbonisieren mit einer Keimbildungsschicht versehen ist, eine monokristalline SiC-Schicht epitaktisch aufwachsen. Auf der monokristallinen SiC-Schicht wird eine polykristalline SiC-Schicht abgeschieden. Anschließend wird die Si-Schicht weggeätzt und ein den höchsten Ansprüchen der Halbleitertechnik genügender Wafer aus einem Verbund von monokristalliner und polykristalliner SiC-Schicht erhalten.
Die vorliegende Erfindung wurde umgesetzt, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleitermodul, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Leistungswandlervorrichtung bereitzustellen, die eingerichtet sind, eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit zu verhindern.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Halbleitermodul erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und alternativ bei einem Halbleitermodul erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 2 sowie bei einer Leistungswandlervorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Ein Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Basisplatte; ein Keramiksubstrat, welches auf der Basisplatte ausgebildet ist; eine Unterseitenelektrode, die auf einer Unterseite des Keramiksubstrats ausgebildet und mit der Basisplatte verbunden ist; eine Oberseitenelektrode, die auf einer Oberseite des Keramiksubstrats ausgebildet ist; einen Halbleiter-Chip, der mit der Oberseitenelektrode verbunden ist; eine leitfähige dünne Schicht, die außerhalb der Unterseitenelektrode auf der Unterseite des Keramiksubstrats und nicht auf der Oberseite des Keramiksubstrats (2) angeordnet, mit der Unterseitenelektrode verbunden und dünner ist als die Unterseitenelektrode; und ein
Isolierharz, welches das Keramiksubstrat, die Unterseitenelektrode, die Oberseitenelektrode, den Halbleiter-Chip und die leitfähige dünne Schicht versiegelt, wobei eine Länge von einem äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats gleich einer Länge ist von einem äußeren umlaufenden Teil der Oberseitenelektrode zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats, wobei eine Dicke der leitfähigen dünnen Schicht der Hälfte oder weniger als eine Dicke des Keramiksubstrats entspricht und wobei eine Länge vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode zu einem äußeren umlaufenden Teil der leitfähigen dünnen Schicht gleich oder größer ist, als 1/3 einer Länge vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats. Die leitfähige dünne Schicht ist eine halbleitende Schicht oder eine Polysiliciumschicht, die mit einer Verunreinigung dotiert ist.
In der vorliegenden Erfindung wird unter anderem die Länge vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats derart festgelegt, das sie gleich einer Länge vom äußeren umlaufenden Teil der Oberseitenelektrode zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats ist. Eine Belastung des Keramiksubstrats wird dadurch reduziert. Des Weiteren wird die leitfähige dünne Schicht außerhalb der Unterseitenelektrode auf der Unterseite des Keramiksubstrats bereitgestellt und mit der Unterseitenelektrode verbunden. Da die Basisplatte und die leitfähige dünne Schicht über ein gleiches Potential verfügen, teilt die im Isolierharz erzeugte Blase das Potential nicht länger, womit in dieser Region keine Teilentladung erzeugt wird. Selbst wenn die Blase erzeugt wird, ist es deshalb möglich, eine Spannung hoch zu halten, bei der eine Erzeugung einer Teilentladung beginnt. Die Dicke der leitfähigen dünnen Schicht wird auf eine halbe Dicke oder weniger als eine Dicke des Keramiksubstrats reduziert. Das Bereitstellen einer solchen leitfähigen dünnen Schicht hat keine Auswirkung auf das Keramiksubstrat und dadurch ist es möglich, ein Brechen des Keramiksubstrats in einem Temperaturzyklus zu verhindern. Infolgedessen ist es möglich, eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit zu verhindern.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung vollständiger ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Figuren

1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht.
2 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einem Vergleichsbeispiel veranschaulicht.
3 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
4 ist ein Blockdiagramm, das einen Aufbau eines elektrischen Leistungswandlersystems veranschaulicht, das mit der elektrischen Leistungswandlervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform verwendet wird.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ein Halbleitermodul, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Leistungswandlervorrichtung werden gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu den Figuren beschrieben. Dieselben Komponenten werden mittels derselben Bezugszeichen gekennzeichnet und deren wiederholte Beschreibung kann ausgelassen werden.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht. Ein Keramiksubstrat 2 ist auf einer Kühl-Basisplatte 1 vorgesehen. Das Keramiksubstrat 2 kann beispielsweise aus Siliciumnitrid oder Aluminiumnitrid hergestellt sein und über eine Dicke von 200 µm bis 1,2 mm verfügen.
Eine Unterseitenelektrode 3 und Oberseitenelektroden 4 und 5 werden jeweils mit einer Unterseite und einer Oberseite des Keramiksubstrats 2 durch Verwendung eines Lötmaterials wie Ag verbunden. Eine gewünschte Struktur wird mittels eines Photogravurprozesses ausgebildet und die Oberseitenelektroden 4 und 5 werden durch selektives Ätzen strukturiert, indem ein Ätzmittel wie eine Säure eingesetzt wird. Die Unterseitenelektrode 3 und die Oberseitenelektroden 4 und 5 sind aus einem Metall wie Kupfer hergestellt. Die Unterseitenelektrode 3 ist mit der Basisplatte 1 über ein Lot 6 verbunden. Die Oberseitenelektroden 4 und 5 auf der Oberseite des Substrats erfordern eine Dicke in der Größenordnung von 200 bis 500 µm, um einen hohen Stromfluss zu ermöglichen. Die Unterseitenelektrode 3 auf der Unterseite des Substrats erfordert ebenfalls eine äquivalente Dicke, um eine Belastung abzuschwächen und ein Verziehen des Keramiksubstrats 2 zu reduzieren.
Eine leitfähige dünne Schicht 7, die dünner ist, als die Unterseitenelektrode 3 ist außerhalb der Unterseitenelektrode 3 auf der Unterseite des Keramiksubstrats 2 vorgesehen und mit der Unterseitenelektrode 3 verbunden. Die leitfähige dünne Schicht 7 verfügt über eine geringe Dicke von zum Beispiel 4 bis 6 µm, so dass sie eine ausreichend geringe Belastung auf das Keramiksubstrat 2 ausübt und sie wird durch eine stromlose Nickelbeschichtung oder dergleichen ausgebildet. Es wird darauf hingewiesen, dass keine anderen leitfähigen Schichten, wie die leitfähige dünne Schicht 7, außerhalb der Oberseitenelektroden 4 und 5 auf der Oberseite des Keramiksubstrats 2 vorgesehen sind.
Eine Länge von einem äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode 3 zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats 2 ist gleich einer Länge von einem äußeren umlaufenden Teil der Oberseitenelektrode 4 oder 5 zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats 2. Deshalb ist eine Form eines Randbereichs der Unterseitenelektrode 3 im Wesentlichen identisch zu einer Form eines Randbereichs der Oberseitenelektrode 4 oder 5. Eine Länge B vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode 3 zum äußeren umlaufenden Teil der leitfähigen dünnen Schicht 7 ist gleich oder größer als 1/3 einer Länge A vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode 3 zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats 2 (B≥1/3×A).
Die Halbleiter-Chips 8 und 9 sind mit der Oberseitenelektrode 4 über ein Lot 10 verbunden. Der Halbleiter-Chip 8 ist ein IGBT und der Halbleiter-Chip 9 ist eine Freilaufdiode. Die Oberseiten der Halbleiter-Chips 8 und 9 sind über einen Aluminiumdraht 11 mit der Oberseitenelektrode 5 ultraschallverbunden.
Ein Harzgehäuse 13, durch das eine Elektrode 12 vollständig eingegossen ist, wird mit der Basisplatte 1 mittels eines Silikonklebers 14 verbunden. Die Elektrode 12 ist mit der Oberseitenelektrode 5 über ein Lot 15 verbunden. Ein Isolierharz 16, wie ein Silikongel, wird in das Harzgehäuse 13 in einer dekomprimierten Atmosphäre eingespritzt und mittels einer Wärmebehandlung gehärtet. Auf diese Weise versiegelt das Isolierharz 16 das Keramiksubstrat 2, die Unterseitenelektrode 3, die Oberseitenelektroden 4 und 5, die Halbleiter-Chips 8 und 9 und die leitfähige dünne Schicht 7.
Als Nächstes werden Auswirkungen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem Vergleichsbeispiel beschrieben. 2 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einem Vergleichsbeispiel veranschaulicht. Im Vergleichsbeispiel existiert keine leitfähige dünne Schicht 7. Falls im Isolierharz 16 im Zuge der Fertigung eine Blase 17 zwischen dem Keramiksubstrat 2 und der Basisplatte 1 erzeugt wird, tritt eine Teilentladung selbst bei einer niedrigen angelegten Spannung auf.
Die Unterseitenelektrode 3 auf der Unterseite des Substrats kann im Vergleich zu den Oberseitenelektroden 4 und 5 nach außen verlängert werden, um eine Teilentladung zu hemmen. Wenn jedoch ein Temperaturzyklus zugefügt wird, wirkt aufgrund einer Ungleichheit zwischen der Oberseitenelektrode und der Unterseitenelektrode eine Belastung auf das Keramiksubstrat 2 ein. Wenn die Belastung die Biegefestigkeit des Keramiksubstrats 2 überschreitet, bricht das Keramiksubstrat 2 und die Isolationseigenschaften verschlechtern sich. Falls der äußere umlaufende Teil der Unterseitenelektrode 3 bezüglich des äußeren umlaufenden Teils der Oberseitenelektroden 4 und 5 um 1 bis 2 mm versetzt ist, wenn das Keramiksubstrat 2 ein Aluminiumnitrid-Substrat mit einer Dicke von 600 µm ist und die Unterseitenelektrode 3 und die Oberseitenelektroden 4 und 5 Kupferplättchen mit einer Dicke in der Größenordnung von 500 µm sind, erhöht sich eine Belastung des Keramiksubstrats 2 um 30 bis 40 %, im Vergleich zu einem Fall ohne Versatz.
Daher wird in der vorliegenden Erfindung die Länge vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode 3 zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats 2 so festgelegt, dass sie gleich der Länge vom äußeren umlaufenden Teil der Oberseitenelektrode 4 oder 5 zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats 2 ist. Eine Belastung des Keramiksubstrats 2 wird dadurch reduziert.
Darüber hinaus ist die leitfähige dünne Schicht 7 außerhalb der Unterseitenelektrode 3 auf der Unterseite des Keramiksubstrats 2 vorgesehen und mit der Unterseitenelektrode 3 verbunden. Da die Basisplatte 1 und die leitfähige dünne Schicht 7 über ein gleiches Potential verfügen, teilt die im Isolierharz 16 erzeugte Blase 17 das Potential nicht, womit in dieser Region keine Teilentladung erzeugt wird. Selbst wenn die Blase 17 erzeugt wird, ist es deshalb möglich, eine Spannung hoch zu halten, bei der eine Erzeugung einer Teilentladung beginnt.
Je geringer die Dicke der leitfähigen dünnen Schicht 7 ist, desto geringer wird die auf das Keramiksubstrat 2 ausgeübte Belastung. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform die Dicke der leitfähigen dünnen Schicht 7 auf die halbe Dicke oder weniger als die Dicke des Keramiksubstrats 2 reduziert. Das Bereitstellen einer solchen leitfähigen dünnen Schicht 7 hat keine Auswirkung auf das Keramiksubstrat 2 und dadurch ist es möglich, ein Brechen des Keramiksubstrats 2 in einem Temperaturzyklus zu verhindern. Infolgedessen ist es möglich, eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit zu verhindern.
Die Blase 17 unterhalb des Keramiksubstrats 2 wird häufig durch ein Lot 6, das die Unterseitenelektrode 3 mit der Basisplatte 1 verbindet und durch das Lötmaterial erzeugt, das die Unterseitenelektrode 3 mit dem Keramiksubstrat 2 verbindet. Diese Blase 17 bewegt sich innerhalb des Isolierharzes 16 in Richtung des äußeren umlaufenden Teils des Keramiksubstrats 2. Daher wird die Länge B vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode 3 zum äußeren umlaufenden Teil der leitfähigen dünnen Schicht 7 gleich oder größer festgelegt als 1/3 der Länge A von einem äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode 3 zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats 2. Dadurch wird es der leitfähigen dünnen Schicht 7 ermöglicht, den Bereich unter dem Keramiksubstrat 2 abzudecken, in dem die Blase 17 wahrscheinlich zurückbleibt und somit eine Teilentladung zu hemmen.
Zweite Ausführungsform
3 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Um eine Lötfähigkeit sicherzustellen, die in nachfolgenden Schritten erforderlich ist, wird eine stromlos nickelbeschichtete Schicht 18 selektiv auf den Flächen der Unterseitenelektrode 3 und der Oberseitenelektroden 4 und 5 ausgebildet. In diesem Fall, wird die stromlos nickelbeschichtete Schicht 18 auch auf der Unterseite des Keramiksubstrats 2 ausgebildet und durch eine Strukturierung der stromlos nickelbeschichteten Schicht 18 ist es möglich, die leitfähige dünne Schicht 7 auszubilden. Zusätzlich ist es möglich, Auswirkungen zu erzielen, die ähnlich den Auswirkungen der ersten Ausführungsform sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass die leitfähige dünne Schicht 7 nicht auf ein stromloses Nickelbeschichten beschränkt ist, sondern auch durch den Einsatz von Metallen wie Nickel, Zinn oder Lötzinn mittels einer Elektronenstrahlbedampfung oder einer Sputter-Vorrichtung ausgebildet werden kann. In dem Fall, in dem ein Werkstück in eine Elektronenstrahlbedampfungsvorrichtung eingesetzt wird, wird die leitfähige dünne Schicht 7 durch Verwendung einer aus Metall oder dergleichen bestehenden Maske ausgebildet, die im Voraus strukturiert wurde. Aus diesem Grund kann die leitfähige dünne Schicht 7 bei geringen Kosten ausgebildet werden, ohne einen Schritt wie einen Photogravurprozess einzusetzen.
Darüber hinaus kann die leitfähige dünne Schicht 7 ausgebildet werden, indem ein Lötmaterial zum Verbinden der Unterseitenelektrode 3 mit der Unterseite des Keramiksubstrats 2 erweitert wird, und indem das Lötmaterial so strukturiert wird, dass es eine gewünschte Form annimmt. Dadurch ist es möglich, die leitfähige dünne Schicht 7 selektiv auszubilden, ohne einen neuen Schritt einzuführen. Da ein Lötmaterial darüber hinaus eine übermäßige Belastung eines Keramiksubstrats 2 verhindern kann, ist es möglich, den Fertigungsschritt für ein normales metallisiertes Substrat unverändert zu verwenden und ein Halbleitermodul zu geringen Kosten herzustellen, ohne einen zusätzlichen Schritt einzuführen.
Darüber hinaus kann die leitfähige dünne Schicht 7 auch durch Ausbilden von Metall, wie Nickel, Aluminium oder Kupfer in eine gewünschte Form unter Verwendung eines Kaltgasspritzverfahrens ausgebildet werden. Durch die Verwendung des Kaltgasspritzverfahrens ist es möglich, die leitfähige dünne Schicht 7 in der Atmosphäre zu verarbeiten und die leitfähige dünne Schicht 7 unter Verwendung einer metallischen oder keramischen Maske oder dergleichen, die im Voraus vorbereitet wurde, selektiv auszubilden und dadurch ein Halbleitermodul zu relativ geringen Kosten herzustellen.
Die leitfähige dünne Schicht 7 kann auch aus einer halbleitenden Schicht, wie einer Siliciumnitrid-Schicht, mittels einer Plasma-CVD-Vorrichtung ausgebildet werden. Durch eine Steuerung einer Flussrate von Ammonium einer Siliciumnitrid-Schicht ist es möglich, eine Leitfähigkeit der leitfähigen dünnen Schicht 7 zu steuern, wenn eine hohe Spannung angelegt wird. Ferner kann sogar die Leitfähigkeit der leitfähigen dünne Schicht 7 basierend auf einer Dickes einer abgeschiedenen Schicht gesteuert werden. Daher ist es möglich, eine gemeinsame Potentialverwendung von der Unterseitenelektrode 3 zur Basisplatte 1 zu steuern, wodurch auch eine elektrische Feldstärke zwischen der Oberseitenelektrode 4 oder 5 und der Unterseitenelektrode 3 gesteuert und eine Startspannung der Teilentladung angepasst werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, die leitfähige dünne Schicht 7 selektiv auszubilden, indem eine metallische oder keramische Maske oder dergleichen im Voraus hergestellt wird, und dadurch ist eine Fertigung eines Halbleitermoduls zu relativ niedrigen Kosten möglich.
Außerdem kann die leitfähige dünne Schicht 7 ausgebildet werden, indem eine Polysiliciumschicht oder dergleichen ausgebildet wird, welche mittels einer Verwendung einer CVD-Vorrichtung oder dergleichen mit Störstellen dotiert wird. Es ist möglich einen Widerstandswert der leitfähigen dünnen Schicht 7 basierend auf einer Störstellenkonzentration und einer Dicke einer abgeschiedenen Schicht zu steuern. Daher ist es möglich, eine gemeinsame Potentialverwendung von der Unterseitenelektrode 3 zur Basisplatte 1 zu steuern, wodurch auch eine elektrische Feldstärke zwischen der Oberseitenelektrode 4 oder 5 und der Unterseitenelektrode 3 gesteuert und eine Startspannung der Teilentladung angepasst werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, die leitfähige dünne Schicht 7 selektiv auszubilden, indem eine metallische oder keramische Maske oder dergleichen im Voraus hergestellt wird, und dadurch ist eine Fertigung eines Halbleitermoduls zu relativ niedrigen Kosten möglich.
Die Halbleiter-Chips 8 und 9 sind nicht auf Halbleiter-Chips beschränkt, die aus Silicium hergestellt sind, sondern können stattdessen auch aus einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke hergestellt werden, dessen Bandlücke breiter ist, als die von Silicium. Der Halbleiter mit einer breiten Bandlücke ist zum Beispiel ein Siliciumcarbid, ein Galliumnitridbasiertes Material, oder Diamant. Ein Halbleiter-Chip, der aus einem solchen Halbleiter mit einer breiten Bandlücke besteht, verfügt über eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe erlaubte Stromdichte und kann somit miniaturisiert werden. Der Einsatz eines solchen miniaturisierten Halbleiter-Chips ermöglicht die Miniaturisierung und Hochintegration des Halbleitermoduls, in dem der Halbleiter-Chip integriert ist. Da der Halbleiter-Chip außerdem über eine hohe Hitzebeständigkeit verfügt, kann eine Kühllamelle eines Kühlkörpers miniaturisiert werden und ein wassergekühlter Teil kann luftgekühlt werden, was zu einer weiteren Miniaturisierung des Halbleitermoduls führt. Da der Halbleiter-Chip zusätzlich einen geringen Leistungsverlust besitzt, kann ein Hocheffizienz-Halbleitermodul erzielt werden. Beide Halbleiter-Chips 8 und 9 werden bevorzugt aus einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke hergestellt.
Es kann jedoch auch nur einer der Halbleiter-Chips 8 oder 9 aus einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke hergestellt werden. Auch in diesem Fall können die in der ersten und zweiten Ausführungsform beschriebenen vorteilhaften Auswirkungen erzielt werden.
Dritte Ausführungsform
In dieser Ausführungsform werden die oben beschrieben Halbleitermodule gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform in Verbindung mit einer elektrischen Leistungswandlervorrichtung angewendet. Die elektrische Leistungswandlervorrichtung ist beispielsweise eine Invertervorrichtung, eine Wandlervorrichtung, ein Servoverstärker, oder eine Energieversorgungseinheit. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezifische elektrische Leistungswandlervorrichtung beschränkt ist, wird unten ein Fall beschrieben, in welchem die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem Dreiphaseninverter angewendet wird.
4 ist ein Blockdiagramm, das einen Aufbau eines elektrischen Leistungswandlersystems veranschaulicht, das mit der elektrischen Leistungswandlervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform verwendet wird. Dieses elektrische Leistungswandlersystem umfasst eine Energieversorgung 100, eine elektrische Leistungswandlervorrichtung 200 und eine Last 300. Die Energieversorgung 100 ist eine DC-Energieversorgung und liefert DC-Energie an die elektrische Leistungswandlervorrichtung 200. Die Energieversorgung 100 kann aus mehreren Komponenten aufgebaut sein. Zum Beispiel kann die Energieversorgung 100 aus einem DC-System, einer Solarzelle oder einer Speicherbatterie aufgebaut sein, oder sie kann aus einem Gleichrichter oder einem AC/DC-Konverter aufgebaut sein, der mit einem AC-System verbunden ist. Alternativ kann die Energieversorgung 100 aus einem DC/DC-Konverter aufgebaut sein, der von einem DC-System ausgegebene DC-Energie in eine vordefinierte Energie konvertiert.
Die elektrische Leistungswandlervorrichtung 200 ist ein Dreiphaseninverter, der mit einem Knoten zwischen der Energieversorgung 100 und der Last 300 verbunden ist, der von der Energieversorgung 100 bereitgestellte DC-Energie in AC-Energie konvertiert und die AC-Energie der Last 300 zur Verfügung stellt. Die elektrische Leistungswandlervorrichtung 200 umfasst eine Hauptwandlerschaltung 201, welche DC-Energie in AC-Energie wandelt und die AC-Energie ausgibt, und eine Steuerschaltung 203, die ein Steuersignal zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung 201 an die Hauptwandlerschaltung 201 ausgibt.
Die Last 300 ist ein Dreiphasen-Elektromotor, der durch AC-Energie von der elektrischen Leistungswandlervorrichtung 200 angetrieben wird. Die Last 300 ist nicht auf eine konkrete Anwendung beschränkt. Die Last wird in Form eines Elektromotors verwendet, der an verschiedenen elektrischen Vorrichtungen angebracht ist, wie ein Elektromotor für beispielsweise ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, einen Aufzug, oder eine Klimaanlage.
Die elektrische Leistungswandlervorrichtung 200 wird unten im Detail beschrieben. Die Hauptwandlerschaltung 201 umfasst eine Schaltvorrichtung und eine Rückfluss-Diode (nicht dargestellt). Wenn die Schaltvorrichtung geschaltet wird, wandelt die Hauptwandlerschaltung 201 die von der Energieversorgung 100 bereitgestellte DC-Energie in AC-Energie um und stellt die AC-Energie der Last 300 zu Verfügung. Die Hauptwandlerschaltung 201 kann verschiedene Arten von spezifischen Schaltungskonfigurationen aufweisen. Die Hauptwandlerschaltung 201 gemäß dieser Ausführungsform ist eine zweistufige Dreiphasen-Vollbrückenschaltung, die aus sechs Schaltvorrichtungen und sechs Rückfluss-Dioden aufgebaut sein kann, die antiparallel zu den jeweiligen Schaltvorrichtungen geschaltet sind. Jede Schaltvorrichtung und jede Rückfluss-Diode der Hauptwandlerschaltung 201 besteht aus einer Halbleitervorrichtung 202, die mit der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform korrespondiert. Jeweils zwei Schaltvorrichtungen der sechs Schaltvorrichtungen sind in Reihe geschaltet und bilden einen vertikalen Arm. Jeder vertikale Arm bildet die jeweilige Phase (U-Phase, V-Phase, W-Phase) der Vollbrückenschaltung aus. Die Ausgangsanschlüsse jedes vertikalen Arms, d.h. die Ausgangsanschlüsse der Hauptwandlerschaltung 201, sind mit der Last 300 verbunden.
Des Weiteren umfasst die Hauptwandlerschaltung 201 eine Treiberschaltung (nicht dargestellt), die jede der Schaltvorrichtungen ansteuert. Die Treiberschaltung kann in die Halbleitervorrichtung 202 integriert sein. Es kann eine weitere Treiberschaltung vorgesehen werden, die sich von der Halbleitervorrichtung 202 unterscheidet. Die Treiberschaltung erzeugt ein Treibersignal zur Ansteuerung jeder der Schaltvorrichtungen der Hauptwandlerschaltung 201 und stellt das erzeugte Treibersignal einer Steuerelektrode der jeweiligen Schaltvorrichtungen der Hauptwandlerschaltung 201 zur Verfügung. Konkret gibt die Treiberschaltung in Übereinstimmung mit dem Steuersignal der Steuerschaltung 203 an die Steuerelektrode jeder der Schaltvorrichtungen ein Treibersignal zum Einschalten jeder der Schaltvorrichtungen und ein Treibersignal zum Ausschalten jeder der Schaltvorrichtungen aus, was später beschrieben wird. Wenn der Ein-Zustand jeder der Schaltvorrichtungen aufrechterhalten wird, ist das Treibersignal ein Spannungssignal (Ein-Signal), das eine Spannung besitzt, die gleich oder höher ist, als eine Schwellenspannung der Schaltvorrichtung. Wenn der Aus-Zustand jeder der Schaltvorrichtungen aufrechterhalten wird, ist das Treibersignal ein Spannungssignal (Aus-Signal), das eine Spannung besitzt, die gleich oder niedriger ist, als die Schwellenspannung der Schaltvorrichtung.
Die Steuerschaltung 203 steuert jede Schaltvorrichtung der Hauptwandlerschaltung 201 derart, dass der Last 300 eine gewünschte Leistung zur Verfügung gestellt wird. Konkret berechnet die Steuerschaltung 203 eine Phase (Ein-Phase), in der sich jede Schaltvorrichtung der Hauptwandlerschaltung 201 im Ein-Zustand befindet, basierend auf der Leistung, die der Last 300 zur Verfügung gestellt werden soll. Die Hauptwandlerschaltung 201 kann zum Beispiel mittels einer PWM-Steuerung angesteuert werden, um die Ein-Phase jeder Schaltvorrichtung in Abhängigkeit einer auszugebenden Spannung zu modulieren. Zusätzlich gibt die Steuerschaltung 203 einen Steuerbefehl (Steuersignal) an die in der Hauptwandlerschaltung 201 enthaltene Treiberschaltung aus, so dass das Ein-Signal an jede Schaltvorrichtung ausgegeben wird, um diese einzuschalten und ein Aus-Signal an jede Schaltvorrichtung ausgegeben wird, um diese an jedem Punkt auszuschalten. Die Treiberschaltung gibt das Ein-Signal oder das Aus-Signal in Übereinstimmung mit dem Steuersignal als Treibersignal an die Steuerelektrode jeder Schaltvorrichtung aus.
In der elektrischen Leistungswandlervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform werden die Halbleitervorrichtungen gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform als Halbleitervorrichtung 202 eingesetzt. Dementsprechend kann eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit verhindert werden.
Während diese Ausführungsform ein Beispiel veranschaulicht, in dem die vorliegenden Erfindung mit einem zweistufigen Dreiphasen-Inverter eingesetzt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen beschränkt und kann für verschiedene elektrische Leistungswandlervorrichtungen eingesetzt werden. Während diese Ausführungsform eine zweistufige elektrische Leistungswandlervorrichtung veranschaulicht, kann die vorliegende werden. Wenn einer Einphasen-Last Leistung zur Verfügung gestellt wird, kann die vorliegende Erfindung mit einem Einphasen-Inverter eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung kann auch für einen DC/DC-Wandler oder einen AC/DC-Wandler eingesetzt werden, wenn einer DC-Last oder dergleichen Leistung zur Verfügung gestellt wird.
Des Weiteren ist in der elektrischen Leistungswandlervorrichtung, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die oben genannte Last nicht auf einen Elektromotor beschränkt. Die Last kann beispielsweise auch als eine Energieversorgungsvorrichtung für eine Elektroerosionsmaschine, eine Laserstrahlmaschine, einen Induktionsherd, oder ein Energieversorgungssystem für ein berührungsloses Gerät verwendet werden. Weiter alternativ kann die Last als ein Leistungskonditionierer für ein Photovoltaik-Energieerzeugungssystem, eine Elektrizitätsspeichersystem oder dergleichen eingesetzt werden.

Claims

Halbleitermodul (202), aufweisend: - eine Basisplatte (1); - ein Keramiksubstrat (2), das auf der Basisplatte (1) ausgebildet ist; - eine Unterseitenelektrode (3), die auf einer Unterseite des Keramiksubstrats (2) ausgebildet und mit der Basisplatte (1) verbunden ist; - eine Oberseitenelektrode (4, 5), die auf einer Oberseite des Keramiksubstrats (2) ausgebildet ist; - einen Halbleiter-Chip (8 ,9), der mit der Oberseitenelektrode (4, 5) verbunden ist; - eine leitfähige dünne Schicht (7), die außerhalb der Unterseitenelektrode (3) auf der Unterseite des Keramiksubstrats (2) und nicht auf der Oberseite des Keramiksubstrats (2) ausgebildet, mit der Unterseitenelektrode (3) verbunden und dünner ist als die Unterseitenelektrode (3); und - ein Isolierharz (16), welches das Keramiksubstrat (2), die Unterseitenelektrode (3), die Oberseitenelektrode (4, 5), den Halbleiter-Chip (8, 9) und die leitfähige dünne Schicht versiegelt (7), wobei: - eine Länge (A) von einem äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode (3) zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats (2) gleich einer Länge (A) von einem äußeren umlaufenden Teil der Oberseitenelektrode (4, 5) zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats (2) ist, - wobei eine Dicke der leitfähigen dünnen Schicht (7) der Hälfte oder weniger als eine Dicke des Keramiksubstrats (2) entspricht, - eine Länge (B) vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode (3) zu einem äußeren umlaufenden Teil der leitfähigen dünnen Schicht (7) gleich oder größer ist als 1/3 einer Länge (A) vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode (3) zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats (2) und - die leitfähige dünne Schicht (7) eine halbleitende Schicht ist.
Halbleitermodul (202), aufweisend: - eine Basisplatte (1); - ein Keramiksubstrat (2), das auf der Basisplatte (1) ausgebildet ist; - eine Unterseitenelektrode (3), die auf einer Unterseite des Keramiksubstrats (2) ausgebildet und mit der Basisplatte (1) verbunden ist; - eine Oberseitenelektrode (4, 5), die auf einer Oberseite des Keramiksubstrats (2) ausgebildet ist; - einen Halbleiter-Chip (8 ,9), der mit der Oberseitenelektrode (4, 5) verbunden ist; - eine leitfähige dünne Schicht (7), die außerhalb der Unterseitenelektrode (3) auf der Unterseite des Keramiksubstrats (2) und nicht auf der Oberseite des Keramiksubstrats (2) ausgebildet, mit der Unterseitenelektrode (3) verbunden und dünner ist als die Unterseitenelektrode (3); und - ein Isolierharz (16), welches das Keramiksubstrat (2), die Unterseitenelektrode (3), die Oberseitenelektrode (4, 5), den Halbleiter-Chip (8, 9) und die leitfähige dünne Schicht versiegelt (7), wobei: - eine Länge (A) von einem äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode (3) zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats (2) gleich einer Länge (A) von einem äußeren umlaufenden Teil der Oberseitenelektrode (4, 5) zu einem äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats (2) ist, - wobei eine Dicke der leitfähigen dünnen Schicht (7) der Hälfte oder weniger als eine Dicke des Keramiksubstrats (2) entspricht, - eine Länge (B) vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode (3) zu einem äußeren umlaufenden Teil der leitfähigen dünnen Schicht (7) gleich oder größer ist als 1/3 einer Länge (A) vom äußeren umlaufenden Teil der Unterseitenelektrode (3) zum äußeren umlaufenden Teil des Keramiksubstrats (2) und - die leitfähige dünne Schicht (7) eine Polysiliciumschicht ist, die mit einer Verunreinigung dotiert ist.
Halbleitermodul (202) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halbleiter-Chip (8, 9) aus einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke besteht.
Leistungswandlervorrichtung (200), aufweisend: - eine Hauptwandlerschaltung (201) aufweisend ein Halbleitermodul (202) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche eingerichtet ist, eine Eingangsleistung zu wandeln und eine gewandelte Leistung auszugeben; und - eine Steuerschaltung (203), die eingerichtet ist, ein Steuersignal zur Ansteuerung der Hauptwandlerschaltung (201) an die Hauptwandlerschaltung (201) auszugeben.