DE102020122125A1

DE102020122125A1 - Halbleitermodul

Info

Publication number: DE102020122125A1
Application number: DE102020122125.8A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kondo; Hidetoshi Ishibashi; Hiroshi Yoshida; Nobuhiro Asaji; Junji Fujino; Yusuke ISHIYAMA; Hodaka Rokubuichi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2021-03-04
Also published as: US11424178B2; US20210066175A1; JP7180570B2; CN112447700A; JP2021040051A

Abstract

Ein Halbleitermodul umfasst: eine isolierte Schaltungsplatine; eine Halbleitervorrichtung, die auf der isolierten Schaltungsplatine montiert ist; eine gedruckte Leiterplatte, die oberhalb der isolierten Schaltungsplatine und der Halbleitervorrichtung angeordnet ist und ein Durchgangsloch aufweist; einen Metallpfosten, der ein unteres Ende, das an eine obere Oberfläche der Halbleitervorrichtung gebondet ist, und einen zylindrischen Teilbereich aufweist, der durch das Durchgangsloch dringt und an die gedruckte Leiterplatte gebondet ist; ein Gehäuse, das die isolierte Schaltungsplatine, die Halbleitervorrichtung, die gedruckte Leiterplatte und den Metallpfosten umgibt; und ein Versiegelungsmaterial, das ein Inneres des Gehäuses versiegelt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Halbleitermodul mit einer im Modul integrierten gedruckten Leiterplatte.
Hintergrund
In einem allgemeinen Leistungsmodul werden eine Halbleitervorrichtung und eine Schaltungsstruktur durch einen Metalldraht oder dergleichen verbunden, um eine Schaltung auszubilden. Eine Technik, um eine Verbindung mit einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung einer gedruckten Leiterplatte auszuführen, wurde für eine höhere Dichte und höhere Zuverlässigkeit eines Moduls vorgeschlagen. Herkömmlicherweise wurde realisiert, dass eine Halbleitervorrichtung auf einer isolierten Schaltungsplatine montiert wird und ein an eine obere Oberfläche der Halbleitervorrichtung gebondeter flacher Kupferdraht durch ein Durchgangsloch einer gedruckten Leiterplatte dringt und daran gebondet wird (siehe zum Beispiel 4 von JP 2016-29688 A ).
Zusammenfassung
Herkömmlicherweise wurden eine Halbleitervorrichtung innerhalb eines versiegelten Moduls und eine gedruckte Leiterplatte außerhalb des Moduls so miteinander verbunden, dass die Genauigkeit der Spaltsteuerung zwischen der Halbleitervorrichtung und der gedruckten Leiterplatte nicht erforderlich war. Auf der anderen Seite ist es, wenn eine gedruckte Leiterplatte innerhalb eines Moduls integriert wird, erforderlich, den Spalt zwischen einer Halbleitervorrichtung und der gedruckten Leiterplatte mit einem Versiegelungsmaterial zu füllen, so dass die Genauigkeit der Spaltsteuerung zwischen der Halbleitervorrichtung und der gedruckten Leiterplatte erforderlich ist.
Eine isolierte Schaltungsplatine kann sich aufgrund thermischer Spannung wölben. Insbesondere wenn Halbleitervorrichtungen mit unterschiedlichen Dicken auf einer isolierten Schaltungsplatine montiert werden, kann es zu einer Wölbung kommen. Die Wölbung ist eine dreidimensionale Wölbung in alle Richtungen, die nicht nur eine Z-Richtung (vertikalen Richtung), sondern auch X- und Y-Richtungen (laterale Richtung) einschließen. Jedoch ist ein flacher Kupferdraht eine parallele flache Platte, so dass sie eine hohe Steifigkeit in den X- und Y-Richtungen aufweist und kaum verformt wird. Daher waren flache Kupferdrähte in der Lage, der Wölbung in der vertikalen Richtung zu folgen, hatten aber Schwierigkeiten, der Wölbung in den X- und Y-Richtungen zu folgen.
Im Stand der Technik werden flache Kupferdrähte umgebogen, und somit gibt es eine Restspannung durch Zurückdrücken oder Biegen oder dergleichen, so dass es schwierig ist, die Höhe einheitlich einzurichten, und es schwierig ist, die Spaltsteuerung zwischen einer Halbleitervorrichtung und einer gedruckten Leiterplatte vorzunehmen. Wenn das Intervall zwischen den umgebogenen Kupferdrähten vergrößert wird, kann die Höhe leicht einheitlich eingerichtet werden, aber die Höhe nimmt so zu, dass die Kupferdrähte nicht in einem Gehäuse untergebracht werden können. Daher werden die umgebogenen Kupferdrähte so einander benachbart angeordnet, dass deren Stromflussrichtungen einander entgegengesetzt sind und sie somit einen Effekt der Reduzierung einer Selbstinduktivität aufweisen. Wenn jedoch das Intervall zwischen den gefalteten Kupferdrähten vergrößert wird, wird der Effekt reduziert.
Wie oben beschrieben wurde, war es, wenn eine Halbleitervorrichtung und eine gedruckte Leiterplatte miteinander verbunden werden, indem der herkömmliche flache Kupferdraht verwendet wird, schwierig, die Spaltsteuerung zwischen der Halbleitervorrichtung und der gedruckten Leiterplatte durchzuführen. Aus diesem Grund bestand ein Problem, dass, wenn eine gedruckte Leiterplatte in einem Modul integriert wird, der Füllerfolg des Versiegelungsmaterials reduziert wird und eine Isolierungsleistung und strukturelle Zuverlässigkeit verschlechtert werden.
Die vorliegende Offenbarung bzw. Erfindung wurde gemacht, um das oben beschriebene Problem zu lösen, und hat eine Aufgabe, ein Halbleitermodul zu erhalten, das imstande ist, eine Isolierungsleistung und strukturelle Zuverlässigkeit zu verbessern.
Ein Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst: eine isolierte Schaltungsplatine; eine Halbleitervorrichtung, die auf der isolierten Schaltungsplatine montiert ist; eine gedruckte Leiterplatte, die oberhalb der isolierten Schaltungsplatine und der Halbleitervorrichtung angeordnet ist und ein Durchgangsloch aufweist; einen Metallpfosten, der ein unteres Ende, das an eine obere Oberfläche der Halbleitervorrichtung gebondet ist, und einen zylindrischen Teilbereich aufweist, der durch das Durchgangsloch dringt und an die gedruckte Leiterplatte gebondet ist; ein Gehäuse, das die isolierte Schaltungsplatine, die Halbleitervorrichtung, die gedruckte Leiterplatte und den Metallpfosten umgibt; und ein Versiegelungsmaterial, das ein Inneres des Gehäuses versiegelt.
In der vorliegenden Offenbarung dringt der zylindrische Teilbereich des Metallpfostens durch das Durchgangsloch und ist an die gedruckte Leiterplatte gebondet. Der zylindrische Teilbereich bewegt sich in Bezug auf das Durchgangsloch, so dass der Metallpfosten und die gedruckte Leiterplatte der Wölbung der isolierten Schaltungsplatine in der vertikalen Richtung folgen können. Ferner wird der zylindrische Teilbereich in der lateralen Richtung leicht verformt. Daher können der Metallpfosten und die gedruckte Leiterplatte omnidirektionalen dreidimensionalen Wölbungen der isolierten Schaltungsplatine folgen. Dementsprechend kann der Spalt zwischen der isolierten Schaltungsplatine und der gedruckten Leiterplatte gesteuert werden. Infolgedessen wird der Füllerfolg des Versiegelungsmaterials verbessert, so dass die Isolierungsleistung und die strukturelle Zuverlässigkeit verbessert werden können.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung vollständiger zeigen.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine Draufsicht des Metallpfostens.
3 ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung.
4 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
6 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Halbleitermodul gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die gleichen Komponenten sind mit den gleichen Symbolen bezeichnet, und deren wiederholte Beschreibung kann weggelassen werden.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Eine Schaltungsstruktur 2 ist auf einer Oberfläche einer isolierten Schaltungsplatine 1 ausgebildet, die mit Harz isoliert ist. Halbleitervorrichtungen 3 und 4 sind auf der isolierten Schaltungsplatine 1 montiert. Beispielsweise ist die Halbleitervorrichtung 3 ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Die Halbleitervorrichtung 4 ist eine Freilaufdiode (FWDi). Die Dicke der Halbleitervorrichtung 3 beträgt 0,1 mm, die Dicke der Halbleitervorrichtung 4 beträgt 0,3 mm, und die beiden Halbleitervorrichtungen weisen unterschiedliche Dicken auf. Man beachte, dass andere elektronische Komponenten als die Halbleitervorrichtungen 3 und 4 auf der isolierten Schaltungsplatine 1 montiert sein können.
Eine gedruckte Leiterplatte 5 ist oberhalb der isolierten Schaltungsplatine 1 und der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 angeordnet. Die gedruckte Leiterplatte 5 weist Durchgangslöcher 6a, 6b und 6c und eine Schaltungsstruktur 7 aus einer oder mehr Schichten auf. Die Halbleitervorrichtungen 3 und 4 sind mittels eines Die-Bondingmaterials 8 an die Schaltungsstruktur 2 der isolierten Schaltungsplatine 1 gebondet. Metallpfosten 9 und 10 mit unterschiedlichen Formen sind mit einem Bondingmaterial 11 an die oberen Oberflächen der Halbleitervorrichtungen 3 bzw. 4 gebondet.
Der Metallpfosten 9 weist einen Basisabschnitt 9a mit einer großen Querschnittsfläche und zylindrische Teilbereiche 9b und 9c auf, die zwei, vom Basisabschnitt 9a abgezweigte Teilbereiche sind. Die beiden zylindrischen Teilbereiche 9b und 9c dringen durch die beiden Durchgangslöcher 6a bzw. 6b und sind an die Schaltungsstruktur 7 der gedruckten Leiterplatte 5 gebondet. 2 ist eine Draufsicht des Metallpfostens 10. Der Metallpfosten 10 weist einen an die Halbleitervorrichtung 4 gebondeten Basisteilbereich 10a und einen zylindrischen Teilbereich 10b auf, der durch das Durchgangsloch 6c dringt und mit einem Bondingmaterial 12 an die Schaltungsstruktur 7 gebondet ist.
In einem Montageprozess des Halbleitermoduls werden hier zuerst die Metallpfosten 9 und 10 mit dem Bondingmaterial 11 an die oberen Oberflächen der Halbleitervorrichtungen 3 bzw. 4 gebondet. Als Nächstes lässt man die Metallpfosten 9 und 10 durch die Durchgangslöcher 6a, 6b und 6c der gedruckten Leiterplatte 5 dringen und werden sie mit dem Bondingmaterial 12 an die Schaltungsstruktur 7 gebondet. Zu dieser Zeit sind die Bondingmaterialien 11 und 12 gleichzeitig geschmolzen. Eine Verwerfung bzw. Wölbung tritt aufgrund einer Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der isolierten Schaltungsplatine 1 und den Halbleitervorrichtungen 3 und 4 in der isolierten Schaltungsplatine 1 auf. Die Metallpfosten 9, 10, die an das auf den oberen Oberflächen der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 geschmolzene Bondingmaterial 11 mittels Oberflächenspannung angeklebt wurden, folgen der Wölbung der isolierten Schaltungsplatine 1.
Ein Gehäuse 13 umgibt die isolierte Schaltungsplatine 1, die Halbleitervorrichtungen 3 und 4, die gedruckte Leiterplatte 5 und die Metallpfosten 9 und 10. Um die isolierte Schaltungsplatine 1, die Halbleitervorrichtungen 3 und 4 und die gedruckte Leiterplatte 5 zu schützen, wird das Innere des Gehäuses 13 mit einem Versiegelungsmaterial 14 versiegelt. Das Versiegelungsmaterial 14 ist ein isolierendes Versiegelungsmaterial wie etwa hartes Epoxidharz. Die Viskosität des harten Epoxidharzes beträgt etwa 20 bis 50 Pa·s, was etwa 10 bis 100 mal größer als die Viskosität von 0,5 bis 2 Pa·s eines Silikongels ist, das ein übliches Versiegelungsmaterial ist. Es ist notwendig, dass das Versiegelungsmaterial 14 wie oben beschrieben in Bereiche oberhalb der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 gefüllt wird, die engste Teilbereiche zwischen der isolierten Schaltungsplatine 1 und der gedruckten Leiterplatte 5 sind. Daher ist unter Berücksichtigung der Schwierigkeit bei der Fließfähigkeit des Versiegelungsmaterials 14 und der großen Viskosität des Versiegelungsmaterials 14 ein Spalt von zumindest 200 µm oder mehr erforderlich. Man beachte, dass die erforderliche Spaltgröße mit Stehspannungen der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 zusammenhängt.
Wenn beispielsweise das Material der Schaltungsstruktur 2 der isolierten Schaltungsplatine 1 Cu ist, ist der thermische Ausdehnungskoeffizient gleich 17. Wenn das Material der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 SiC ist, ist der thermische Ausdehnungskoeffizient gleich 7. Diese Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten verursacht bei Temperaturen, bei denen das Bondingmaterial 11 geschmolzen und gehärtet wird, das Auftreten einer Wölbung oder Verformung in der isolierten Schaltungsplatine 1. Aus diesem Grund werden die Spalte zwischen den Halbleitervorrichtungen 3 und 4 und der gedruckten Leiterplatte 5 ungleich.
Auf der anderen Seite dringen in der vorliegenden Ausführungsform die zylindrischen Teilbereiche 9b, 9c, 10b der Metallpfosten 9 und 10 durch die Durchgangslöcher 6a, 6b und 6c der gedruckten Leiterplatte 5 und werden an die Schaltungsstruktur 7 gebondet. Die zylindrischen Teilbereiche 9b, 9c und 10b bewegen sich bezüglich der Durchgangslöcher 6a, 6b und 6c, während das Bondingmaterial 12 geschmolzen ist, so dass die Metallpfosten 9 und 10 und die gedruckte Leiterplatte 5 der Wölbung der isolierten Schaltungsplatine 1 in der vertikalen Richtung folgen können. Ferner werden die zylindrischen Teilbereiche 9b, 9c und 10b in der lateralen Richtung leicht verformt. Deshalb können die Metallpfosten 9 und 10 und die gedruckte Leiterplatte 5 omnidirektionalen dreidimensionalen Wölbungen der isolierten Schaltungsplatine 1 folgen. Dementsprechend kann der Spalt zwischen der isolierten Schaltungsplatine 1 und der gedruckten Leiterplatte 5 gesteuert werden, und ein einheitlicher Spalt von etwa 200 µm bis 2 mm kann wie geplant stabil erhalten werden. Infolgedessen wird der Füllerfolg des Versiegelungsmaterials 14 verbessert, und das Versiegelungsmaterial 14 wird ausreichend in den Spalt gefüllt, ohne eine unvollständige Füllung des Versiegelungsmaterials 14 durch Blasen oder dergleichen hervorzurufen, so dass die Isolierungsleistung und die strukturelle Zuverlässigkeit verbessert werden können.
Im Stand der Technik wird ferner ein Verdrahtungsanschluss mit einem Versiegelungsmaterial fixiert, während er aufgrund einer Wölbung einer Platine verformt ist, und wird mit einer gedruckten Leiterplatte außerhalb eines Moduls verbunden. Daher war es erforderlich, die Durchmesser der Durchgangslöcher der gedruckten Leiterplatte zu vergrößern. Auf der anderen Seite wird in der vorliegenden Ausführungsform die gedruckte Leiterplatte 5 im Modul so integriert, dass eine Versiegelung durchgeführt wird, nachdem die gedruckte Leiterplatte 5 und die Metallpfosten 9 und 10 aneinander gebondet sind. Darüber hinaus können die Metallpfosten 9 und 10 und die gedruckte Leiterplatte 5 der Wölbung der isolierten Schaltungsplatine 1 wie oben beschrieben folgen, so dass die Durchmesser der Durchgangslöcher 6a, 6b und 6c der gedruckten Leiterplatte 5 nicht so groß sein müssen.
Wenn eine Vielzahl an Halbleitervorrichtungen 3 und 4 mit unterschiedlichen Dicken auf der isolierten Schaltungsplatine 1 montiert ist, kann es zu einer Wölbung der isolierten Schaltungsplatine 1 kommen. Daher ist besonders wichtig, der Wölbung zu folgen. Ferner weist ein herkömmlicher Verdrahtungsanschluss, der durch Umbiegen eines flachen Kupferdrahts erhalten wird, eine lange Verdrahtungslänge und einen großen elektrischen Widerstand auf. Auf der anderen Seite sind die Metallpfosten 9 und 10 für ein Halbleitermodul geeignet, in welchem große Ströme fließen, da die Metallpfosten 9 und 10 die Verdrahtungslänge verkürzen und den elektrischen Widerstand reduzieren können.
Wenn man einen Strom unter Verwendung der Durchgangslöcher der gedruckten Leiterplatte 5 in einem Leistungs-Halbleiter fließen lässt, um einige zehn bis einige hundert Ampere zu steuern, ist der Metallpfosten 9 mit einer gegabelten Struktur effektiv. Die Querschnittsform des Metallpfostens 10 ist eine invertierte T-Form. Die Breite des zylindrischen Teilbereichs 10b auf der oberen Seite des Metallpfostens 10 ist kleiner als die Breite des Durchgangslochs 6c, wodurch ein Spalt zwischen ihnen sichergestellt wird. Durch diesen Spalt ist ein Bereich zum Verfolgen der Wölbung der isolierten Schaltungsplatine 1 bestimmt. Auf der anderen Seite ist die Breite des Basisteilbereichs 10a auf der unteren Seite des Metallpfostens 10 größer als die Breite des Durchgangslochs 6c. Da der Basisteilbereich 10a als Stoppeinrichtung dient, um zu verhindern, dass die gedruckte Leiterplatte 5 herabfällt, kann ein Spalt zwischen der isolierten Schaltungsplatine 1 und der gedruckten Leiterplatte 5 sichergestellt werden. Da die Bondingfläche zwischen dem Metallpfosten 10 und der Halbleitervorrichtung 4 vergrößert ist, wird außerdem eine Wärmeabstrahlung von der Halbleitervorrichtung 4 gesteigert.
Es ist vorzuziehen, dass der Schmelzpunkt des Bondingmaterials 11 so eingerichtet ist, dass er höher als der Schmelzpunkt des Bondingmaterials 12 ist. Somit wird, nachdem die Temperatur in einem Heizofen oder dergleichen erhöht wird, um die beiden Materialien zu schmelzen, das Bondingmaterial 11 früher verfestigt, wenn die Temperatur abnimmt und das Bondingmaterial 12 noch geschmolzen ist. Dementsprechend können sich die Metallpfosten 9 und 10 in den Durchgangslöchern 6a, 6b und 6c der gedruckten Leiterplatte 5 ungehindert bewegen, so dass die Metallpfosten 9 und 10 und die gedruckte Leiterplatte 5 der Wölbung in der vertikalen Richtung der isolierten Schaltungsplatine 1 folgen können. Da auf das vorher verfestigte Bondingmaterial 11 keine Last angewendet wird, ist es überdies möglich, ein Bondingversagen des Bondingmaterials 11 zu vermeiden. Da das Bondingmaterial 11 zum Bonden der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 und der Metallpfosten 9 und 10 früher verfestigt wird, ist es außerdem möglich, eine Positionsverschiebung der Metallpfosten 9 und 10 in Bezug auf die Halbleitervorrichtungen 3 und 4 zu verhindern.
Wenn eine Größe einer Signalelektrode wie etwa einer Gateelektrode auf der oberen Oberfläche der Halbleitervorrichtung 3 vergrößert wird, nimmt die Fläche einer Leistungselektrode wie etwa einer Emitterelektrode entsprechend ab, was die Leistungsfähigkeit als Leistungs-Halbleitervorrichtung verschlechtert. Dementsprechend ist eine hohe Positionsgenauigkeit für das Bonden des Metallpfostens an eine Signalelektrode erforderlich, da die Fläche der Signalelektrode nicht vergrößert werden kann. Die vorliegende Ausführungsform ist auch zum Bonden des Metallpfostens an die Signalelektrode wie oben beschrieben effektiv.
Zweite Ausführungsform
3 ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung. Die Halbleitervorrichtung 3 ist ein IGBT-Chip mit einer großen Größe, um einen großen Stromfluss zu erzeugen. Eine Gateelektrode 15, die eine Signalelektrode ist, durch die ein Steuerungssignal fließt, ist auf der oberen Oberfläche der Halbleitervorrichtung 3 vorgesehen. Emitterelektroden 16a und 16b, die Leistungselektroden sind, durch die ein großer Strom fließt, sind separat voneinander auf der oberen Oberfläche der Halbleitervorrichtung 3 vorgesehen. Eine Trennlinie 17 ist zwischen den Emitterelektroden 16a und 16b ausgebildet. Die Trennlinie 17 ist auf ein Potential eingestellt, das von demjenigen eines Erregungsbereichs verschieden ist, und somit würde, falls die Trennlinie 17 und der Erregungsbereich miteinander in Kontakt kommen, die Halbleitervorrichtung 3 nicht funktionieren.
4 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Die zylindrischen Teilbereiche 9b und 9c des Metallpfostens 9, welche sich nach unten erstrecken, sind in die Durchgangslöcher 6a bzw. 6b eingesetzt, wobei der Basisabschnitt 9a des Metallpfostens 9 nach oben gewandt ist. Die Spitzen der zylindrischen Teilbereiche 9b und 9c sind ohne Berühren der Trennlinie 17 der Halbleitervorrichtung 3 an die Emitterelektroden 16a bzw. 16b gebondet. Infolgedessen kann die Bondingfläche zwischen dem Metallpfosten 9 und der Halbleitervorrichtung 3 vergrößert werden, was für das Bonden an die Halbleitervorrichtung 3, die an einen großen Strom angepasst werden kann, vorteilhaft ist. Die übrigen Konfigurationen und Effekte sind ähnlich jenen der ersten Ausführungsform.
Man beachte, dass die Querschnittsform des Metallpfostens 10 im Gegensatz zur ersten Ausführungsform T-förmig ist und somit keine Stoppeinrichtung vorhanden ist, um zu verhindern, dass die gedruckte Leiterplatte 5 herabfällt. Daher kann die gedruckte Leiterplatte 5 an dem Gehäuse 13 fixiert und von ihm getragen werden, um einen Spalt zwischen der isolierten Schaltungsplatine 1 und der gedruckten Leiterplatte 5 sicherzustellen. Alternativ dazu kann der Spalt unter Verwendung des Metallpfostens 10 mit der invertierten T-Form der ersten Ausführungsform sichergestellt werden.
Dritte Ausführungsform
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Halbleitereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform werden anstelle der Metallpfosten 9 und 10 Metalldrähte 18 verwendet. Jeder der Metalldrähte 18 ist an seinen beiden Enden auf der unteren Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 5 mit der Schaltungsstruktur 7 verbunden und hängt herab. Die Metalldrähte 18, welche vorher so gesteuert werden können, dass sie eine erforderliche Höhe haben, sind an die gedruckte Leiterplatte 5 gebondet. Die herabhängenden Teilbereiche der Metalldrähte 18 sind durch ein Bondingmaterial 19 an die oberen Oberflächen der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 gebondet. Die Metalldrähte 18 sind aus einem Material geschaffen, das an das Bondingmaterial 19 gebondet werden kann, und sind beispielsweise Cu-Drähte.
In der vorliegenden Ausführungsform kann, indem man die Höhen der Metalldrähte 18 steuert, der Spalt zwischen der gedruckten Leiterplatte 5 und der isolierten Schaltungsplatine 1 beliebig eingerichtet werden. Dementsprechend wird der Füllerfolg des Versiegelungsmaterials 14 gesteigert und können die Isolierungsleistung und die strukturelle Zuverlässigkeit verbessert werden. Die Höhe des Metalldrahts 18 wird einfacher als bei einer Blattfederstruktur gesteuert. Daher kann, selbst wenn eine Vielzahl gebondeter Teilbereiche vorhanden ist, die Steuerung der Höhe individuell vorgenommen werden.
Man beachte, dass, wenn eine Vielzahl an Metalldrähten 18 verwendet wird, die gedruckte Leiterplatte 5 von allein den Metalldrähten 18 getragen werden kann, aber die gedruckte Leiterplatte 5 an dem Gehäuse 13 fixiert und von ihm getragen werden kann. Darüber hinaus kann eine Vielzahl an Metalldrähten 18 an eine Leistungselektrode gebondet sein, durch die ein großer Strom fließt, wohingegen ein Metalldraht 18 an eine Signalelektrode gebondet ist, durch den ein kleiner Strom fließt. Infolgedessen kann die Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform auch für eine Verbindung einer Signalelektrode, die im Allgemeinen eine kleine Fläche aufweist, verwendet werden. Der Durchmesser des Cu-Drahts liegt in einem Bereich zwischen 200 µm und 500 µm, wird aber zusammen mit der Anzahl an Drähten ausgewählt, die durch die Nennströme der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 bestimmt ist. Wie oben beschrieben wurde, findet, da der Durchmesser des Metalldrahts 18 groß ist und ein gewisser Grad an Steifigkeit erhalten werden kann, keine Einwirkung der Füllung des Versiegelungsmaterials 14, zum Beispiel eine Verformung des Metalldrahts 18, statt.
Vierte Ausführungsform
6 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform werden anstelle der Metallpfosten 9 und 10 Einpressvorrichtungen 20 (engl.: press-fit) verwendet. Die Einpressvorrichtung 20 wird auch tulpenförmige Einpressvorrichtung (engl.: tulip press) genannt, und untere Enden der Einpressvorrichtungen 20 sind durch das Bondingmaterial 11 an die oberen Oberflächen der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 gebondet, und deren Einpressteilbereiche sind in die Durchgangslöcher 6a, 6b und 6c direkt im Presssitz eingepasst bzw. eingepresst. Bevor sie eingepresst werden, weisen die Einpressvorrichtungen 20 größere Breiten als die Durchmesser der Durchgangslöcher 6a, 6b und 6c auf. Die Kontakte zwischen den Einpressvorrichtungen 20 und den Durchgangslöchern 6a, 6b und 6c werden unter einem durch elastische Verformung der eingepressten Einpressvorrichtungen 20 hervorgerufenen Druck aufrechterhalten.
Indem man die Einpressvorrichtungen 20 nutzt, ist es möglich, ohne Verwendung des Bondingmaterials 12 eine elektrische Verbindung mit der gedruckten Leiterplatte 5 durchzuführen. Aus diesem Grund ist es möglich, die Verbindung in einem Zustand normaler Temperatur vorzunehmen, und es ist unnötig, während einer Montage die Temperatur zum Schmelzen des Bondingmaterials 12 zu erhöhen. Daher ist die Montage vereinfacht und ist die Produktivität ausgezeichnet. Da die Einpressvorrichtungen 20 leicht angebracht und gelöst werden können, sind die Einpressvorrichtungen 20 effektiv, wenn es erforderlich ist, die gedruckte Leiterplatte 5 auszutauschen. Die übrigen Konfigurationen und Effekte sind ähnlich jenen der ersten Ausführungsform.
Fünfte Ausführungsform
7 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt. Die vorliegende Ausführungsform enthält die Metallpfosten 9 und 10 mit den zylindrischen Teilbereichen 9b, 9c und 10b der ersten oder zweiten Ausführungsform, die Metalldrähte 18 der dritten Ausführungsform und die Einpressvorrichtungen 20 der vierten Ausführungsform alle.
Da sich ein Anwendungsbereich von Leistungs-Halbleitervorrichtungen erweitert, wird in Zukunft ein Fall auftreten, in dem mehrere Schaltungen und Halbleitervorrichtungen wie etwa eine SiC-Vorrichtung oder SiC-Vorrichtungen, die für die Schaltungen am geeignetsten sind, in einer Leistungs-Halbleitereinrichtung gemischt und montiert werden. In solch einem Fall kann, indem man die Konfigurationen der ersten bis vierten Ausführungsformen kombiniert und eine Kombination selektiv verwendet, eine interne Schaltung in einem optimalen Raum konfiguriert werden, und kann eine hochintegrierte Leistungs-Halbleitereinrichtung erhalten werden.
In der vorliegenden Offenbarung können innerhalb des Umfangs der Offenbarung die Ausführungsformen und Modifikationen frei kombiniert werden, und jede Ausführungsform kann geeignet modifiziert oder weggelassen werden. Die isolierte Schaltungsplatine 1 ist eine isolierte Schaltungsplatine, die mittels Harz isoliert ist. Jedoch ist die isolierte Schaltungsplatine 1 nicht auf die obigen Art beschränkt und kann eine isolierte Schaltungsplatine, die aus einem keramischen Grundmaterial besteht, oder ein strukturierter Leitungsrahmen sein. Die Halbleitervorrichtungen 3 und 4 sind nicht auf IGBTs beschränkt, sondern können Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) sein. Das Versiegelungsmaterial 14 ist nicht auf hartes Epoxidharz beschränkt, sondern kann ein Versiegelungsmaterial auf Silikonbasis sein, das ähnliche Effekte erzielen kann. Das Die-Bondingmaterial 8 und die Bondingmaterialien 11, 12 und 19 sind im Allgemeinen ein Lötmetall. Diese Materialien sind jedoch nicht auf die obige Art beschränkt und können Bondingmaterialien sein, die sinterbare Ag- oder Cu-Teilchen enthalten. Indem man ein sinterbares Bondingmaterial verwendet, kann verglichen mit dem Fall eines Lötmetall-Bonding die Lebensdauer der gebondeten Teilbereiche verbessert werden. Wenn die Halbleitervorrichtungen 3 und 4, die aus Halbleitern mit breiter Bandlücke gebildet sind, die bei hoher Temperatur arbeiten können, verwendet werden, um von den Charakteristiken Gebrauch zu machen, ist eine Verbesserung der Lebensdauer der gebondeten Teilbereiche durch Verwenden eines gesinterten Materials effektiv.
Die Halbleitervorrichtungen 3 und 4 sind nicht auf aus Silizium gebildete Vorrichtungen beschränkt, sondern können stattdessen aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildet sein, der eine breitere Bandlücke als diejenige von Silizium aufweist. Der Halbleiter mit breiter Bandlücke ist beispielsweise ein Siliziumcarbid, ein Material auf Gallium-Nitrid-Basis oder Diamant. Eine aus solch einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildete Halbleitervorrichtung weist eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte auf und kann somit miniaturisiert werden. Die Verwendung solch einer miniaturisierten Halbleitervorrichtung ermöglicht die Miniaturisierung und hohe Integration des Halbleitermoduls, in welchem die Halbleitervorrichtung integriert ist. Da die Halbleitervorrichtung eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist, kann ferner eine Abstrahllamelle eines Kühlkörpers miniaturisiert werden und kann ein wassergekühlter Teil luftgekühlt werden, was zu einer weiteren Miniaturisierung des Halbleitermoduls führt. Da die Halbleitervorrichtung einen geringen Leistungsverlust und einen hohen Wirkungsgrad aufweist, kann ein hocheffizientes Halbleitermodul erreicht werden. Die beiden Halbleitervorrichtungen 3 und 4 sind wünschenswerterweise aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildet. Jedoch kann nur eine der Halbleitervorrichtungen 3 und 4 aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke geschaffen sein. Auch in diesem Fall können die in dieser Ausführungsform beschriebenen vorteilhaften Effekte erhalten werden.
Offensichtlich sind im Lichte der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Offenbarung möglich. Es versteht sich daher, dass innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche die Erfindung anders als konkret beschrieben in die Praxis umgesetzt werden kann.
Die gesamte Offenbarung der am 3. September 2019 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-160675 , einschließlich Beschreibung, Ansprüche, Zeichnungen und Zusammenfassung, worauf die Priorität gemäß Übereinkommen der vorliegenden Anmeldung basiert, ist in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin einbezogen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016029688 A [0002]
JP 2019160675 [0037]

Claims

Halbleitermodul, aufweisend: eine isolierte Schaltungsplatine (1); eine Halbleitervorrichtung (3, 4), die auf der isolierten Schaltungsplatine (1) montiert ist; eine gedruckte Leiterplatte (5), die oberhalb der isolierten Schaltungsplatine (1) und der Halbleitervorrichtung (3, 4) angeordnet ist und ein Durchgangsloch (6a, 6b, 6c) aufweist; einen Metallpfosten (9, 10), der ein unteres Ende, das an eine obere Oberfläche der Halbleitervorrichtung (3, 4) gebondet ist, und einen zylindrischen Teilbereich (9b, 9c, 10b) aufweist, der durch das Durchgangsloch (6a, 6b, 6c) dringt und an die gedruckte Leiterplatte (5) gebondet ist; ein Gehäuse (13), das die isolierte Schaltungsplatine (1), die Halbleitervorrichtung (3, 4), die gedruckte Leiterplatte (5) und den Metallpfosten (9, 10) umgibt; und ein Versiegelungsmaterial (14), das ein Inneres des Gehäuses (13) versiegelt.
Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei der Metallpfosten (10) einen Basisteilbereich (10a) aufweist, der an die obere Oberfläche der Halbleitervorrichtung (4) gebondet ist und eine Breite des Basisteilbereichs (10a) größer als eine Breite des Durchgangslochs (6c) ist.
Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei der Metallpfosten (9) einen Basisabschnitt (9a) und zwei zylindrische Teilbereiche (9b, 9c) aufweist, die der zylindrische Teilbereich (9b, 9c) sind und vom Basisabschnitt (9a) abgezweigt sind, die gedruckte Leiterplatte (5) zwei Durchgangslöcher (6a, 6b) aufweist, welche das Durchgangsloch (6a, 6b) sind, und die beiden zylindrischen Teilbereiche (9b, 9c) jeweils durch die beiden Durchgangslöcher (6a, 6b) dringen und an die gedruckte Leiterplatte (5) gebondet sind.
Halbleitermodul nach Anspruch 3, wobei die Halbleitervorrichtung (3) zwei Leistungselektroden (16a, 16b) enthält, die auf der oberen Oberfläche voneinander getrennt vorgesehen sind, und die beiden zylindrischen Teilbereiche (9b, 9c) jeweils an die beiden Leistungselektroden (16a, 16b) gebondet sind.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend ein erstes Bondingmaterial (11), das den Metallpfosten (9, 10) an die Halbleitervorrichtung (3, 4) bondet; und ein zweites Bondingmaterial (12), das den Metallpfosten (9, 10) an die gedruckte Leiterplatte (5) bondet, wobei ein Schmelzpunkt des ersten Bondingmaterials (11) höher als ein Schmelzpunkt des zweiten Bondingmaterials (12) ist.
Halbleitermodul, aufweisend: eine isolierte Schaltungsplatine (1); eine Halbleitervorrichtung (3, 4), die auf der isolierten Schaltungsplatine (1) montiert ist; eine gedruckte Leiterplatte (5), die oberhalb der isolierten Schaltungsplatine (1) und der Halbleitervorrichtung (3, 4) angeordnet ist und eine Schaltungsstruktur (7) auf einer unteren Oberfläche der gedruckten Leiterplatine (5) aufweist; einen Metalldraht (18), der beide, mit der Schaltungsstruktur (7) verbundene Enden und einen herabhängenden Teilbereich aufweist, der durch ein Bondingmaterial (19) an eine obere Oberfläche der Halbleitervorrichtung (3, 4) gebondet ist; ein Gehäuse (13), das die isolierte Schaltungsplatine (1), die Halbleitervorrichtung (3, 4), die gedruckte Leiterplatte (5) und den Metalldraht (18) umgibt; und ein Versiegelungsmaterial (14), das ein Inneres des Gehäuses (13) versiegelt.
Halbleitermodul, aufweisend: eine isolierte Schaltungsplatine (1); eine Halbleitervorrichtung (3, 4), die auf der isolierten Schaltungsplatine (1) montiert ist; eine gedruckte Leiterplatte (5), die oberhalb der isolierten Schaltungsplatine (1) und der Halbleitervorrichtung (3, 4) angeordnet ist und ein Durchgangsloch (6a, 6b, 6c) aufweist; eine Einpressvorrichtung (20), die in das Durchgangsloch (6a, 6b, 6c) eingepresst ist und ein unteres Ende aufweist, das an eine obere Oberfläche der Halbleitervorrichtung (3, 4) gebondet ist; ein Gehäuse (13), das die isolierte Schaltungsplatine (1), die Halbleitervorrichtung (3, 4), die gedruckte Leiterplatte (5) und die Einpressvorrichtung (20) umgibt; und ein Versiegelungsmaterial (14), das ein Inneres des Gehäuses (13) versiegelt.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Halbleitervorrichtung (3, 4) eine Vielzahl von Vorrichtungen (3, 4) umfasst, die unterschiedliche Dicken aufweisen und auf der isolierten Schaltungsplatine (1) montiert sind.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Halbleitervorrichtung (3, 4) aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke geschaffen ist.
Halbleitermodul, aufweisend: eine isolierte Schaltungsplatine (1); erste und zweite Halbleitervorrichtungen (3, 4), die auf der isolierten Schaltungsplatine (1) montiert sind; eine gedruckte Leiterplatte (5), die oberhalb der isolierten Schaltungsplatine (1) und den ersten und zweiten Halbleitervorrichtungen (3, 4) angeordnet ist und erste und zweite Durchgangslöcher (6a, 6b, 6c) und eine Schaltungsstruktur (7) auf einer unteren Oberfläche der gedruckten Leiterplatte (5) aufweist; einen Metallpfosten (10), der ein an eine obere Oberfläche der ersten Halbleitervorrichtung (4) gebondetes unteres Ende und einen zylindrischen Teilbereich (10b) aufweist, der durch das erste Durchgangsloch (6c) dringt und an die gedruckte Leiterplatte (5) gebondet ist; einen Metalldraht (18), der beide, mit der Schaltungsstruktur (7) verbundene Enden und einen herabhängenden Teilbereich aufweist, der an die isolierte Schaltungsplatine (1) gebondet ist; eine Einpressvorrichtung (20), die in das zweite Durchgangsloch (6a, 6b) eingepresst ist und ein unteres Ende aufweist, das an eine obere Oberfläche der zweiten Halbleitervorrichtung (3) gebondet ist; ein Gehäuse (13), das die isolierte Schaltungsplatine (1), die ersten und zweiten Halbleitervorrichtungen (3, 4), die gedruckte Leiterplatte (5), den Metallpfosten (10), den Metalldraht (18) und die eingepresste Einpressvorrichtung (20) umgibt; und ein Versiegelungsmaterial (14), das ein Inneres des Gehäuses (13) versiegelt.