DE10238037A1

DE10238037A1 - Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE10238037A1
Application number: DE10238037A
Authority: DE
Inventors: Dai Nakajima; Yoshihiro Kashiba; Hideaki Chuma
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: DE10238037B4; US6867484B2; US20030197255A1; JP4177571B2; FR2829874B1; FR2829874A1; JP2003100987A

Abstract

Es wird eine Halbleitereinrichtung (100) mit einem Gehäuse (20) angegeben, das an einer Halterung (10) angebracht ist. Die Halbleitereinrichtung (100) weist folgendes auf: ein Gehäuse (20), in welchem ein Halbleiterelement (23) und ein Leitungsanschluß (25), der mit dem Halbleiterelement (23) verbunden ist, dicht untergebracht sind; und eine Halterung (10), die aus einem Rahmenteil und einem externen Anschluß (11, 12) besteht, der an dem Rahmenteil angebracht ist. Das Gehäuse (20) befindet sich im Inneren des Rahmens der Halterung (10), und der Leitungsanschluß (25) ist mit dem externen Anschluß (11, 12) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft Halbleitereinrichtungen, die Leistungseinrichtungen aufweisen, insbesondere Halbleitereinrichtungen, die ein Inverter-Schaltelement aufweisen.

Fig. 7 zeigt eine herkömmliche Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß der JP-A-10-512 450. Diese ist in ihrer Gesamtheit mit 500 bezeichnet. Die Halbleitereinrichtung 500 weist ein Metallsubstrat 501 auf. Eine Schaltung ist auf dem Metallsubstrat 501 angeordnet.

Die Schaltung weist ein isolierendes Substrat 502 auf. Ein Halbleiterelement 504 ist an dem isolierenden Substrat 502 mit einer Lotschicht 503 befestigt. Leitungen 505 sind mit einer Elektrode des Halbleiterelementes 504 über Bondingdrähte 506 verbunden.

Das Halbleiterelement 504 und andere Komponenten sind in einem Formharz 507 dicht untergebracht. Die Schaltung ist an dem Metallsubstrat bzw. einer Basisplatte 501 mit einer Lotschicht 508 befestigt.

Ferner ist eine Steuerungs-Leiterplatte 510 an dem Metallsubstrat 501 angebracht, während ein Leiter 511, ein Relaisanschluß 512 und dergleichen an der Steuerungs- Leiterplatte 510 angebracht sind.

Ferner ist ein Relaissubstrat 520 an dem Metallsubstrat 501 angebracht, und ein Leiter 521 ist an dem Relaissubstrat 520 angebracht.

Die Leitungen 505 der Schaltung sind mit einem Schaltungs-Hauptanschluß 530 und einem Steueranschluß 531 über den Leiter 511 verbunden.

Eine solche Halbleitereinrichtung 500 wird zusammen mit einem Kühlkörper (nicht dargestellt) verwendet, der an der Rückseite des Metallsubstrats 501 angebracht wird. Typischerweise wird nicht-dargestelltes Fett in einer dünnen Schicht zwischen dem Metallsubstrat 501 und dem Kühlkörper aufgebracht. Wenn Schrauben in Schraubenlöcher in dem Metallsubstrat 501 eingesetzt und angezogen werden, werden der Kühlkörper und das Metallsubstrat 501 in einer nicht-dargestellten Weise aneinander befestigt.

Da jedoch die Schaltung und andere Komponenten auf dem teuren Metallsubstrat 501 angeordnet sind, ist es schwierig, die Kosten bei der Herstellung der Halbleitereinrichtung zu reduzieren. Wenn ein großer Strom von einem Schaltungsdraht zu führen ist, der auf dem Metallsubstrat 501 angeordnet ist, dann muß der Schaltungsdraht nicht nur in der Richtung seiner Dicke sondern auch in der Richtung seiner Breite groß sein, so daß die Abmessungen des Metallsubstrats 501 nicht reduziert werden können.

Die Effizienz der Wärmeabführung von der Halbleitereinrichtung 500 hängt dabei stark von der Haftung zwischen dem Metallsubstrat 501 und dem Kühlkörper bzw. der Wärmesenke ab. Das Metallsubstrat 501 ist vorher in der Weise konzipiert worden, daß das Metallsubstrat 501 eine flache Rückseite als fertiges Produkt besitzt, an der die Schaltung 550 und dergleichen angebracht wird. Die Rückseite des Metallsubstrats 501 ist nach der Fertigstellung des Endproduktes nicht flach zu bearbeiten.

Somit ist das Ausmaß der Oberfläche des Metallsubstrats 501 groß zu dem Zeitpunkt, in welchem mehr als eine Schaltung in der Halbleitereinrichtung 500 eingebaut werden, und daher ist es schwierig, die Flachheit der Rückseite zu gewährleisten.

Wenn andererseits das Halbleiterelement 504 direkt an dem Metallsubstrat 501 befestigt wird, erfolgt ein Verziehen oder Verwerfen des Formharzes 507. Dies führt wiederum zu einer Änderung der Schichtdicke der Lotschicht, welche das Halbleiterelement 504 und das Formharz 507 miteinander verbindet; dies führt zu einem Verlust an Zuverlässigkeit und einer Schwankung des thermischen Widerstandes.

Außerdem besteht das Problem, daß das innige Anhaften zwischen dem Metallsubstrat 501 und dem Formharz 507 unzureichend wird und daß dementsprechend ein dielektrischer Durchbruch stattfinden kann.

Wenn weiterhin die örtliche Anordnung des Schaltungshauptanschlusses oder dergleichen zu ändern sind, ist es erforderlich, das gesamte Konzept der Halbleitereinrichtung 500 einschließlich der Schaltung zu ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitereinrichtung anzugeben, die in zuverlässiger Weise an einem Kühlkörper bzw. einer Wärmesenke sitzt, in ihrer Größe reduziert werden kann und in einfacher Weise eine Modifizierung des Designs von externen Anschlüssen ermöglicht.

Mit der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Gemäß der Erfindung wird eine Halbleitereinrichtung angegeben, die ein Gehäuse aufweist, das an einer Halterung befestigt ist. Die Halbleitereinrichtung weist ein Gehäuse auf, in welchem ein Halbleiterelement und die jeweiligen Leitungsanschlüsse, die mit dem Halbleiterelement verbunden sind, dicht Eingeschlossen sind. Ferner ist eine Halterung vorgesehen, die von einem Rahmenteil gebildet ist, das entsprechende externe Anschlüsse aufweist.

Das Gehäuse ist im Innenraum des Rahmens der Halterung angeordnet, und die Leitungsanschlüsse sind mit den jeweiligen externen Anschlüssen verbunden. Das Gehäuse kann ein Formharz, um das Halbleiterelement einzubetten, sowie ein isolierendes Substrat aufweisen, um das Halbleiterelement anzubringen, wobei das isolierende Substrat an seiner Rückseite aus dem Formharz heraus freiliegt; dabei liegen die Rückseite der Halterung und die Rückseite des Gehäuses etwa bündig miteinander bzw. ausgefluchtet miteinander.

Des weiteren kann der jeweilige externe Anschluß eine Federwirkung haben. Dabei kann die Rückseite des Gehäuses sich unterhalb der Rückseite der Halterung befinden. Beim Kontaktieren mit einem Kühlkörper wird ein inniger Kontakt durch die Federwirkung der externen Anschlüsse erzielt.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt der Halbleitereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Halbleitereinrichtung gemäß einer Variante der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 einen Querschnitt der Halbleitereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 einen Querschnitt der Halbleitereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 einen Querschnitt der Halbleitereinrichtung gemäß einer Variante der dritten Ausführungsform; und in
Fig. 7 einen Querschnitt einer herkömmlichen Halbleitereinrichtung.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleitereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in ihrer Gesamtheit mit 100 bezeichnet ist. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der ersten Ausführungsform längs der Linie I-I in Fig. 1.
Die Halbleitereinrichtung 100 weist eine Halterung 10 und drei Gehäuse 20 auf. Die Halterung 10 ist aus Rahmenteilen aus einem Kunstharzmaterial gebildet und hat eine ähnliche Form wie ein Bilderrahmen, wobei externe Anschlüsse 11 und 12 an der Halterung 10 vorgesehen sind.
Die externen Anschlüsse 11 und 12 können in dem Harz der Rahmenteile (Einsatzgehäuse) dicht eingeschlossen sein oder alternativ dazu angebracht werden, nachdem die Rahmenteile geformt worden sind (äußere Leitungen).
Die externen Anschlüsse 11 sind Eingangsanschlüsse, während die externen Anschlüsse 12 Ausgangsanschlüsse sind. An den vier Ecken der Halterung sind Schraubenlöcher 30 zur Verbindung mit einem nicht-dargestellten Kühlkörper vorgesehen.
Wie in Fig. 2 dargestellt, weisen die Gehäuse 20 Metallblöcke 21, beispielsweise aus Kupfer auf. Halbleiterelemente 23 sind an den Metallblöcken 21 über Rahmen 22 befestigt. Als Halbleiterelemente 23 können Leistungs-FETs, IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode) oder dergleichen verwendet werden.
Die Elektroden der Halbleiterelemente 23 sind mit Leitungen 25 über Bondingdrähte 24 aus Aluminium oder dergleichen verbunden, die einen Durchmesser von etwa 200 µm haben. Bei diesem Beispiel bestehen die Halbleiterelemente 23 aus zwei Leistungs-FETs, die in Reihe geschaltet sind; dabei sind die beiden Kantenbereiche der Halbleiterelemente 23 mit den externen Anschlüssen 11 auf der Eingangsseite verbunden, und Verbindungsbereiche zwischen den Leistungs-FETs sind mit den externen Anschlüssen 12 der Ausgangsseite verbunden.
Die Metallblöcke 21 und die anderen Elemente sind mit einem Formharz 26, beispielsweise einem Epoxyharz, dicht eingeschlossen. Zur gleichen Zeit sind auch Steueranschlüsse 27 in dem Formharz 26 dicht eingeschlossen.
Ein isolierendes Substrat 28 aus Keramik oder dergleichen ist an den Rückseiten der Metallblöcke 21 befestigt. Die Schichtdicke des isolierenden Substrats 28 beträgt beispielsweise 0,635 mm.
Wenn die Leitungen 25 und die externen Anschlüsse 11 und 12 miteinander verbunden sind, werden die Gehäuse 20 innerhalb der Halterung 10 befestigt.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitereinrichtung 100 kurz erläutert.
Zunächst werden die Gehäuse 20 unter Verwendung einer Transfer-Formvorrichtung zusammengebaut, nachdem die Halbleiterelemente 23 und die anderen Komponenten auf den Metallblöcken 21 montiert worden sind. Kurz gesagt, nach dem Anbringen eines Leitungsrahmens, an dem die Metallblöcke 21 und die anderen Komponenten befestigt werden, läßt man innerhalb einer Metallform Epoxyharz oder dergleichen in die Metallform hineinfließen, um das Formharz 26 zu bilden. In diesem Stadium läßt man die Rückseiten der Metallblöcke 21 aus der Metallform freiliegen.
Nach der Herstellung des Formharzes 26 werden die Metallblöcke 21 aus der Metallform herausgenommen, und das isolierende Substrat 28 wird mit den Rückseiten der Metallblöcke 21 verbunden, indem man eine Silberpaste oder dergleichen verwendet. Schließlich wird ein nicht erforderlicher Bereich des Leiterrahmens entfernt, und der Leiterrahmen wird zu der gewünschten Gestalt verarbeitet, so daß die Leitungen 25 erhalten werden. Damit wird der Zusammenbau der Gehäuse 20 beendet.
Als nächstes werden die Gehäuse 20 in die Halterung 10 eingesetzt, und die externen Anschlüsse 11 und 12 sowie die Leitungen 25 werden miteinander verbunden. Zur Herstellung dieser Verbindung wird beispielsweise ein Lotmaterial oder dergleichen verwendet. Bei der Anbringung der Gehäuse 20 an der Halterung 10 wird gewährleistet, daß die Rückseite der Halterung 10 etwa bündig mit den Rückseiten der Gehäuse 20, d. h. dem isolierenden Substrat 28 ausgebildet ist.
Mit anderen Worten, es wird gewährleistet, daß das isolierende Substrat 28 mit dem Kühlkörper in Kontakt kommt, wenn der nicht-dargestellte Kühlkörper an der Halterung 10 angebracht wird.
Im allgemeinen hat ein Formharz einen anderen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten als ein Metallblock, der als Wärmeverteiler wirkt. Dies kann zu Temperaturdifferenzen führen, wenn ein Halbleiterelement Wärme entwickelt, und dies kann wiederum zu einer Deformation oder einem Verziehen des Gehäuses führen.
Wenn das Verziehen beispielsweise mehr als einige hundert µm ausmacht, wird ein Spalt zwischen dem Gehäuse und einem Kühlkörper gebildet, an dem das Gehäuse befestigt ist, und die Wärmeabführungswirkung wird dementsprechend schlechter. Die so hervorgerufene Deformation wird insbesondere tendenziell größer, wenn die Gehäuse dicker werden.
Bei der Halbleitereinrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform werden die Halbleiterelemente 23 in der Vielzahl von Gehäusen 20 dicht untergebracht und dann unter Verwendung der Halterung 10 angeschlossen. Aus diesem Grunde hat jedes Gehäuse 20 eine geringe Größe und wird sich daher kaum verziehen. Dies macht es möglich, die Wärme in einer stabilen Weise von der Halbleitereinrichtung 100 zum Kühlkörper bzw. zur Wärmesenke abzuführen.
Um das Verziehen der oben beschriebenen Gehäuse 20 zu reduzieren, ist es erwünscht, daß der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallblöcke 21, die als Wärmeverteiler wirken, und derjenige des Formharzes 26 so dicht wie möglich beieinander liegen. Wenn beispielsweise die Metallblöcke 21 aus Kupfer bestehen, beträgt der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Formharzes 26 vorzugsweise etwa 16 × 10^-6/°C.
Ferner wird gemäß der ersten Ausführungsform das isolierende Substrat 28 an den Rückseiten der Metallblöcke 21 angebracht, nachdem der Schritt der Formung des Formharzes erfolgt ist. Dies deswegen, weil die Gehäuse 20 sich stärker verziehen, wenn das isolierende Substrat 28 vor dem Formgebungsschritt des Formharzes angebracht wird.
Obwohl es erwünscht ist, das isolierende Substrat 28 vor dem Formgebungsschritt des Formharzes anzubringen und das Formharz 26 sowie das isolierende Substrat 28 in eine eng aneinander haftende Relation zu bringen, um die Toleranz für einen dielektrischen Durchbruch zu erhöhen, ist es andererseits wünschenswert, das isolierende Substrat 28 erst nach dem Formgebungsschritt des Formharzes anzubringen, um auf diese Weise das Ausmaß des Verziehens zu verringern.
Wenn die Halbleitereinrichtung 100 als Wandler verwendet wird, sind zwei Halbleiterelemente 23 erforderlich, die zwei in Reihe geschaltete IGBTs aufweisen. Wenn die Halbleitereinrichtung 100 als Ausgangsstufe für einen Drei-Phasen-Motor verwendet wird, sind drei solche Halbleiterelemente erforderlich.
Wenn bei der Halbleitereinrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform die Struktur der Halterung 10 allein geändert wird und die Anzahl der einzubauenden Gehäuse 20 eingestellt wird, ist es möglich, die Halbleitereinrichtung 100 herzustellen und zwei, drei oder mehr Halbleiterelemente 23 einzubauen, ohne das Design der Gehäuse 20 zu ändern. Die in die Gehäuse 20 eingebauten Halbleiterelemente 23 können in Abhängigkeit von einem Anwendungszweck der Halbleitereinrichtung 100 frei geändert werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante der ersten Ausführungsform, die in ihrer Gesamtheit mit 110 bezeichnet ist. In Fig. 3 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 auch gleiche oder entsprechende Teile. Die Halbleitereinrichtung 110 gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Halbleitereinrichtung 100 gemäß Fig. 1 hinsichtlich der Anbringungsorte der externen Anschlüsse 12.
Somit ist es erforderlich, die Orte der externen Anschlüsse 11 und 12 in Abhängigkeit von dem Layout der externen Leitungen zu ändern, die mit den Halbleitereinrichtungen 100 und 110 verbunden sind. Im Falle der herkömmlichen Halbleitereinrichtung 500 gemäß Fig. 7 ist es jedoch erforderlich, das Design der Schaltungsbereiche, der Steuerungs-Leiterplatte 510, des Relaissubstrats 520 und dergleichen zu modifizieren.
Im Gegensatz dazu ist es bei der Halbleitereinrichtung 110 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Fig. 3 möglich, die geänderte örtliche Anordnung der externen Anschlüsse 12 lediglich dadurch zu berücksichtigen, daß das Design der Halterung 10 modifiziert wird, ohne das Design der Gehäuse 20 zu ändern.
In die Halterung 10 eingebettete, nicht-dargestellte Drähte verbinden Relaisanschlüsse 13 und die externen Anschlüsse 12.
Durch die Anordnung der externen Anschlüsse 11 und 12 sowie der Relaisanschlüsse 13 und das Anordnen der Gehäuse 20 nebeneinander, wie bei den Halbleitereinrichtungen 100 und 110, wird ferner eine Brückenschaltung gebildet.
Insbesondere wegen der kurzen Abstände zwischen den Anschlüssen sowie zwischen den externen Anschlüssen 12 auf der Eingangsseite ist es möglich, die gesamte Induktivität der Halbleitereinrichtungen 100 und 110 zu reduzieren und auch Verluste zu verringern, die mit dem Schalten der Halbleiterelemente zusammenhängen.
Das Material des isolierenden Substrats 28 ist vorzugsweise ein Keramikmaterial, wie beispielsweise Aluminiumnitrid. Der Grund ist der, daß die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid etwa 100 mal so hoch ist wie die von dem im allgemeinen verwendeten Formharz 26; dementsprechend besitzt das Material eine ausgezeichnete Wärmeabführungseigenschaft. Anstelle von Aluminiumnitrid kann auch jedes andere Material verwendet werden, das zumindest eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Formharz 26 besitzt.
Obwohl eine Silberpaste für die Haftverbindung zwischen dem isolierenden Substrat 28 und den Metallblöcken 21 verwendet wird, können auch andere Materialien verwendet werden, wie z. B. Fett, um Unebenheiten der Haftoberflächen der Metallblöcke 21 und des isolierenden Substrats 28 auszufüllen.
Für den Fall, daß für das isolierende Substrat 28 ein Keramikmaterial verwendet wird, ist es erforderlich, Fett zwischen dem isolierenden Substrat 28 und dem nichtdargestellten Kühlkörper aufzubringen. Wenn andererseits das isolierende Substrat 28 aus einem anderen flexiblen und anhaftenden Material besteht, können das isolierende Substrat 28 und der Kühlkörper miteinander verbunden werden, ohne Fett zu verwenden.

Zweite Ausführungsform

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer Halbleitereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform und ist in ihrer Gesamtheit mit 120 bezeichnet. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt längs der Linie I-I in Fig. 1. In Fig. 4 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 gleiche oder entsprechende Teile.
Bei der Halbleitereinrichtung 120 bestehen die externen Anschlüsse 11 und 12 aus einem Material mit Federwirkung. Materialien mit einer Federwirkung sind nicht notwendigerweise auf die sogenannten Federmaterialien beschränkt, sondern umfassen auch sauerstoff-freies Kupfer, Elektrolytzähkupfer, titanhaltiges Kupfermaterial, Plattierungsmaterial, das aus einem leitfähigen Material und Federmaterial besteht, usw.
Weiterhin sind die Halterung 10 und die Gehäuse 20 in einer derartigen Weise befestigt, daß die Rückseiten der Gehäuse 20 leicht über die Rückseite der Halterung 10 vorstehen.
Die Halbleitereinrichtung 120 ist mit einem nicht-dargestellten Kühlkörper unter Verwendung der Schraubenlöcher 30 verbunden, die in der Halterung 10 vorgesehen sind. Wenn die Halbleitereinrichtung 120 auf den Kühlkörper aufgesetzt und mit Schrauben befestigt ist, verziehen oder verbiegen sich die elastischen externen Anschlüsse 11 und 12. Infolgedessen ist die Halbleitereinrichtung 120 an dem Kühlkörper derart befestigt, daß die Rückseite der Halterung 10 etwa bündig mit den Rückseiten der Gehäuse 20 liegt.
In einem Zustand, in dem die Halbleitereinrichtung 120 an dem Kühlkörper befestigt ist, werden die Gehäuse 20 gegen den Kühlkörper gedrückt, und zwar durch die Federwirkung der externen Anschlüsse 11 und 12. Dies verbessert den Kontaktzustand zwischen den Gehäusen 20 und dem Kühlkörper und damit das Wärmeabführungsvermögen.
Wenn Fett zwischen den Gehäusen 20 und dem Kühlkörper aufgebracht wird, dann wird, wenn die Gehäuse 20 gegen den Kühlkörper gedrückt werden, überschüssiges Fett aus dem Raum zwischen den Gehäusen 20 und dem Kühlkörper herausgedrückt; infolgedessen hat die Verbindungsgrenzschicht einen geringen thermischen Widerstand.
Auch wenn während des Betriebes der Halbleitereinrichtung 120 Schrauben sich lockern, welche die Halterung 10 mit dem Kühlkörper zusammenhalten, wird die Verbindung zwischen den Gehäusen 20 und dem Kühlkörper aufrechterhalten, weil die externen Anschlüsse 11 und 12 eine Federwirkung haben; damit wird wiederum eine Verschlechterung des Wärmeabführungsvermögens verhindert.
Wenn die Vielzahl von Gehäusen 20 an der Halterung 10 angebracht sind, um die Halbleitereinrichtung 120 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 3 zu bilden, werden die einzelnen Gehäuse 20 unabhängig voneinander gegen den Kühlkörper angepreßt.
Auch wenn sich die Verbindungsoberfläche des Kühlkörpers etwas verzieht, wird jedes Gehäuse 20 gegen die Verbindungsoberfläche des Kühlkörpers angepreßt, und es wird eine ausgezeichnete Wärmeabführung erreicht.
Für den Fall, daß nur ein einziges Gehäuse an der Halterung 10 angebracht ist, wird ebenfalls in gleicher Weise eine ausgezeichnete Wärmeabführung erzielt.
Auch wenn vorstehend die zweite Ausführungsform anhand eines Beispiels beschrieben worden ist, bei dem die externen Anschlüsse 11 und 12 aus einem elastischen Material bestehen, können die Halterung 10 und die Gehäuse 20 auch mit einem anderen Element, beispielsweise einer Blattfeder verbunden werden, die unabhängig von den externen Anschlüssen 11 und 12 eine Federwirkung besitzt.
In diesem Falle sollte ein flexibles Material für die externen Anschlüsse 11 und 12 verwendet werden, obwohl es nicht erforderlich ist, daß sie eine Federwirkung besitzen. Wenn Relaisanschlüsse zu verwenden sind, wie es in Fig. 3 angedeutet ist, sollten die Relaisanschlüsse 13 eine Federwirkung haben.
In der oben beschriebenen Weise wird bei der Halbleitereinrichtung 120 gemäß der zweiten Ausführungsform eine zufriedenstellende Wärmeabführungseigenschaft erreicht, da die Gehäuse 20 in der Weise befestigt sind, daß sie gegen den Kühlkörper bzw. die Wärmesenke angepreßt werden.

Dritte Ausführungsform

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt einer Halbleitereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform, die insgesamt mit 130 bezeichnet ist. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt längs der Linie I-I in Fig. 1. In Fig. 5 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 auch gleiche oder entsprechende Teile.
Die Halbleitereinrichtung 130 gemäß der dritten Ausführungsform dient dazu, ein Bersten des isolierenden Substrats 28 während der Anbringung der Halbleitereinrichtung 130 an einem Kühlkörper zu verhindern.
Bei der Halbleitereinrichtung 130 weist das isolierende Substrat 28, das an den Rückseiten der Metallblöcke 21 befestigt wird, zunächst auf seinen beiden Oberflächen Metallschichten 29a bzw. 29b auf, die beispielsweise aus Kupfer bestehen.
Kurz gesagt, für den Fall, daß das isolierende Substrat 28 aus einem flexiblen Material besteht, wird das isolierende Substrat 28 nicht bersten, wenn es an dem Kühlkörper befestigt wird. Es ist jedoch bevorzugt, ein Keramikmaterial, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, als isolierendes Substrat 28 für eine Halbleitereinrichtung zu verwenden, wenn der Heizwert der Halbleitereinrichtung über 100 W liegt.
Die Verwendung von Keramikmaterial für das isolierende Substrat 28 kann jedoch in einigen Fällen dazu führen, daß die Keramik während der Anbringung an dem Kühlkörper bricht oder platzt. Dies ist gravierender, wenn das Ausmaß der Oberfläche des isolierenden Substrats 28 größer ist und die Verbindungsoberfläche des Kühlkörpers rauher ist.
Im Gegensatz dazu wird bei der Halbleitereinrichtung 130 das isolierende Substrat 28, das Metallschichten 29a und 29b auf seinen beiden Oberflächen besitzt, vorher an den Rückseiten der Metallblöcke 21 befestigt. Dies ermöglicht es, ein Brechen oder Reißen des isolierenden Substrats 28 während der Befestigung der Halbleitereinrichtung 130 an dem Kühlkörper oder einer Wärmesenke zu verhindern. Weiterhin weist die Halbleitereinrichtung 130 gemäß der dritten Ausführungsform einen Vorsprung 31 auf, der von dem Formharz 26 in Form einer Einfassung nach unten vorsteht und als Teil des Formharzes 26 ausgebildet ist.
Der Vorsprung 31 ist so ausgebildet, daß er das isolierende Substrat 28 umgibt und etwa auf halbem Wege zu der Metallschicht 29b hin endet. Wenn das Metallformteil zum Formen des Formharzes so geformt ist, daß es einen Vorsprung aufweist, dann wird der Vorsprung 31 zur gleichen Zeit bei der Formung des Formharzes 26 hergestellt.
Wenn die Verbindungsoberflächen der Halbleitereinrichtung 130 und des Kühlkörpers während der Anbringung der Halbleitereinrichtung 130 an dem Kühlkörper nicht parallel zueinander sind, und auch wenn ein Teil der Bodenfläche der Halbleitereinrichtung 130 gegen den Kühlkörper angedrückt wird, wird das isolierende Substrat 28 aus Keramik nicht reißen oder platzen.
Der Grund ist der, daß das Formharz 26 für diesen Zweck den Vorsprung 31 besitzt. Da weiterhin der Vorsprung 31 das isolierende Substrat 28 umgreift, ist es möglich, zu verhindern, daß das isolierende Substrat 28 Risse erleidet oder in anderer Weise beschädigt wird, wenn es transportiert oder verarbeitet wird.
Da die Metallschicht 29b insbesondere unterhalb des Vorsprunges 31 angeordnet ist, wird die Metallschicht 29b, wenn die Halbleitereinrichtung 130 an dem Kühlkörper befestigt wird, gegen den Kühlkörper angepreßt und daran befestigt, so daß das Wärmeabführungsvermögen verbessert wird.
Fig. 6 zeigt eine Variante der dritten Ausführungsform, die insgesamt mit 140 bezeichnet ist. Abgesehen von einem Isolator 32 aus Silikonharz oder dergleichen, der im Innenraum des Vorsprunges 31 angeordnet ist, hat die Halbleitereinrichtung 140 die gleiche Struktur wie die Halbleitereinrichtung 130.
Wenn die Halbleitereinrichtung bei höheren Spannungen verwendet wird, erfolgt ein dielektrischer Durchbruch zwischen den Metallschichten 29a und 29b leichter, die auf den beiden Seiten des isolierenden Substrats 28 vorgesehen sind. Obwohl ein düelektrischer Durchbruch verhindert werden kann, indem man die Größe der Oberfläche des isolierenden Substrats 28 größer macht als die der Metallblöcke 21, führt die Ausdehnung des isolierenden Substrats 28 zu einer Zunahme der Kosten, einem Brechen des isolierenden Substrats usw.
Unter Berücksichtigung dieser Umstände ist gemäß der dritten Ausführungsform der Isolator 32 in den Innenraum des Vorsprunges 31 eingebettet, und die Toleranz gegenüber dielektrischen Durchbrüchen wird erhöht, ohne daß eine Ausdehnung des isolierenden Substrats 28 erfolgt.
Zwischen dem Vorsprung 31 des Formharzes 26 und dem isolierenden Substrat 28 ist vorzugsweise ein Hohlraum eingearbeitet, der genügend Kapazität schafft, um den Isolator 32 einzubetten. Der Isolator 32 wird erhalten, indem man Silikonharze beispielsweise mit einem Spender in den Innenraum des Vorsprunges 31 einspritzt und diese danach aushärten läßt.
Die Halbleitereinrichtungen 130 und 140 verwenden ein isolierendes Substrat 28 mit Metallschichten 29a und 29b, die auf seinen beiden Oberflächen angeordnet sind. Dies deswegen, weil die Schichten des gleichen Materials, die auf den Seiten des isolierenden Substrats 28 angeordnet sind, ein Verziehen des isolierenden Substrats 28 verhindern. Somit kann auch nur die Metallschicht 29b vorgesehen sein, für den Fall, daß ein Verziehen des isolierenden Substrats 28 nicht zu erwarten ist.
Die Struktur gemäß der dritten Ausführungsform ist bei beliebigen Halbleitereinrichtungen 100, 110 und 120 verwendbar.
Bei der Halbleitereinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform kann in der oben beschriebenen Weise ein Bersten oder dergleichen des isolierenden Substrats verhindert werden, auch wenn das isolierende Substrat selbst aus Keramikmaterial besteht. Weiterhin kann ein dielektrischer Durchbruch oberhalb und unterhalb des isolierenden Substrats verhindert werden.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung der Halbleitereinrichtungen gemäß den verschiedenen Ausführungsformen ergibt, ist es möglich, das gesamte Design der Halbleitereinrichtung zu ändern, indem man lediglich das Design der Halterung modifiziert.
Die Halbleitereinrichtungen bieten ausgezeichnete Wärmeabführungseigenschaften, da die Halbleitereinrichtungen selbst in geeigneter Weise an dem Kühlkörper bzw. der Wärmesenke angebracht sind.
Weiterhin ist bei der Halbleitereinrichtung die Toleranz gegenüber dielektrischen Durchbrüchen zwischen den Metallblöcken und dem Kühlkörper groß.

Claims

1. Halbleitereinrichtung mit einem Gehäuse (20), das an einer Halterung (10) befestigt ist, wobei die Einrichtung folgendes aufweist:
ein Gehäuse (20), in welchem ein Halbleiterelement (23) und ein Leitungsanschluß (25), der mit dem Halbleiterelement (23) verbunden ist, dicht eingeschlossen sind; und
eine Halterung (10), die von einem Rahmenteil und externen Anschlüssen (11, 12) gebildet wird, welche an dem Rahmenteil angebracht sind, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (20) im Inneren des Rahmens der Halterung (10) angeordnet ist und daß der Leitungsanschluß (25) mit dem jeweiligen externen Anschluß (11, 12) verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) folgendes aufweist: ein Formharz (26), in welchem das Halbleiterelement (23) eingebettet ist, und ein isolierendes Substrat (28), auf dem das Halbleiterelement (23) montiert ist, wobei seine Rückseite aus dem Formharz (26) freiliegt, wobei die Rückseite der Halterung (10) und die Rückseite des Gehäuses (20) ungefähr miteinander ausgefluchtet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der externe Anschluß (11, 12) eine Federwirkung besitzt und daß die Rückseite des Gehäuses (20) unterhalb der Rückseite der Halterung (10) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) eine Metallschicht (29a) aufweist, die an der Rückseite des isolierenden Substrats (28) angebracht ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formharz (26) einen Vorsprung (31) in Form einer Einfassung aufweist, wobei der Vorsprung sich von der Bodenfläche des Formharzes (26) nach unten erstreckt und das isolierende Substrat (28) umgibt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlraum vorgesehen ist, der von dem Vorsprung (31) umgeben ist und der mit einem isolierenden Material (32) gefüllt ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) Leitungsanschlüsse (25) aufweist, die als Eingänge einander benachbart angeordnet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (10) aus Rahmenteilen besteht, die nach Art eines Bilderrahmens ausgebildet sind, wobei externe Eingangsanschlüsse und externe Ausgangsanschlüsse (11, 12) an den Rahmenteilen angebracht sind, die einander gegenüberliegen und das Gehäuse (20) zwischeneinander aufweisen.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (10) aus Rahmenteilen besteht, die nach Art eines Bilderrahmens ausgebildet sind, wobei externe Eingangsanschlüsse und externe Ausgangsanschlüsse (11, 12) an zwei Rahmenteilen angeordnet sind, die einander benachbart sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Gehäusen (20) nebeneinander innerhalb der Halterung (10) angeordnet sind.