DE112011104406B4 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Halbleitervorrichtung (30), die folgendes aufweist:
– ein Halbleiterelement (1a);
– einen mit dem Halbleiterelement (1a) verbundenen Leiterrahmen (4a);
– eine über eine erste Isolierschicht (5) auf dem Leiterrahmen (4a) befestigte Metall-Grundplatte (6); und
– eine auf der der Seite der Metall-Grundplatte (6), auf welcher die erste Isolierschicht (5) angeordnet ist, entgegengesetzten Seite angeordnete zweite Isolierschicht (7);
– wobei eine Kombination aus der ersten Isolierschicht (5) und der zweiten Isolierschicht (7) in einem ersten Fall folgendes aufweist:
die erste Isolierschicht (5) ist eine Isolierschicht, deren Wärmeabführungsvermögen höher als das der zweiten Isolierschicht (7) ist, und die zweite Isolierschicht (7) ist eine Isolierschicht, deren Isolationsvermögen gleich demjenigen der ersten Isolierschicht (5) oder höher als das der ersten Isolierschicht (5) ist;
– wobei eine andere Kombination aus der ersten Isolierschicht (5) und der zweiten Isolierschicht (7) in einem zweiten Fall folgendes aufweist:
die zweite Isolierschicht (7) ist eine Isolierschicht, deren Isolationsvermögen höher als das der ersten Isolierschicht (5) ist, und die erste Isolierschicht (5) ist eine Isolierschicht, deren Wärmeabführungsvermögen gleich demjenigen der zweiten Isolierschicht (7) oder höher als das der zweiten Isolierschicht (7) ist, wobei die erste Isolierschicht (5) und die zweite Isolierschicht (7) einen Füllstoff enthalten und wobei die relative Dielektrizitätskonstante des Füllstoffs der ersten Isolierschicht (5) höher als diejenige des Füllstoffs der zweiten Isolierschicht (7) ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft mit Halbleiterelementen wie IGBTs und Dioden bestückte Halbleitervorrichtungen.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die Druckschrift US 2002/0 109 211 A1 betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement und einem mit dem Halbleiterelement verbundenen Leiterrahmen. Des Weiteren kommen Isolierschichten zum Einsatz, um Wärme im Betrieb der Halbleitervorrichtung abzuführen.
  • Aus den Druckschriften US 2007/0 240 899 A1 , JP 2006-100 750 A , US 2008/0 014 430 A1 , JP 2009-010 213 A und JP H01-259 595 A sind ähnliche Halbleitervorrichtungen bekannt.
  • Bis heute besitzt eine mit Halbleiterelementen, welche durch ihren Betrieb bedingt Wärme erzeugen, bestückte Halbleitervorrichtung eine Metall-Grundplatte aus einem Metall wie Kupfer, das eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit hat, um das Wärmeabführungsvermögen zu steigern. In einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung wird die durch Halbleiterelemente erzeugte Wärme über eine organische Isolationsschicht und ein Keramiksubstrat zu einer mit einer Kühleinheit verbundenen Metall-Grundplatte abgeführt. In den letzten Jahren musste das Wärmeabführungsvermögen mit zunehmend dichterer Integration der Halbleiterelemente noch mehr gesteigert werden.
  • Im Patentdokument 1 wird eine Halbleitervorrichtung offenbart, in welcher ein keramisches Isolationssubstrat mittels eines Lotmaterials auf einer Metall-Grundplatte angeordnet ist und außerdem Halbleiterelemente, wie Leistungs-Chips, mittels eines Lotmaterials auf dem keramischen Isolationssubstrat befestigt sind.
  • Durch die Halbleiterelemente erzeugte Wärme wird über das Keramiksubstrat in die Metall-Grundplatte geleitet und dann über eine mit der Metall-Grundplatte verbundene Kühleinheit nach außen abgeführt. Das Keramiksubstrat wird durch Sintern anorganischer Stoffe, wie etwa Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3) und Siliciumnitrid (SiN) hergestellt, was sein Wärmeabführungsvermögen steigert.
  • Bei einer zwischen den Halbleiterelementen und der Metall-Grundplatte angeordneten organischen Isolationsschicht muss das Wärmeabführungsvermögen der organischen Isolationsschicht gesteigert werden. Anorganisches Pulver mit hoher Wärmeleitfähigkeit zum Steigern des Wärmeabführungsvermögens wird zum Beispiel im Patentdokument 2 offenbart.
  • Dieses anorganische Pulver mit hoher Wärmeleitfähigkeit enthält anorganisches Pulver, dessen durchschnittliche Teilchengröße 1 bis 20 μm und dessen maximale Teilchengröße 45 μm oder weniger beträgt; ein anorganisches Pulver X, das aus Teilchen im Größenbereich von 3 μm bis 40 μm besteht, sphärisch geformt ist mit einer Rundheit von 0,80 oder mehr und außerdem einer Wärmeleitfähigkeit von 10 W/mK oder mehr; ein anorganisches Pulver Y, das aus Teilchen im Größenbereich von 0,1 μm bis 1,5 μm besteht, sphärisch oder asphärisch geformt ist mit einer Rundheit in einem Bereich von 0,30 bis 0,80 und außerdem einer Wärmeleitfähigkeit, welche kleiner als diejenige oder gleich derjenigen des Pulvers X ist; und das Massenverhältnis von X/Y liegt zwischen 1 und 30.
  • Dadurch wurde beabsichtigt, eine Harzzusammensetzung zu bereiten, welche ein hervorragendes Wärmeabführungsvermögen aufweist und deren Viskosität nicht einfach ansteigt, selbst wenn das Harz mit dem Pulver dicht gefüllt ist.
  • Dokumente zum Stand der Technik
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung JP 2006-303 086 A (siehe 1)
    • Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung JP 2003-137 627 A (siehe Absätze 0004 bis 0006)
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • Eine organische Isolationsschicht und ein Keramiksubstrat müssen bei Verwendung für eine Halbleitervorrichtung nicht nur über ein hohes Wärmeabführungsvermögen, sondern auch über ein gutes Isolationsvermögen verfügen, um die Halbleitervorrichtung stabil zu betreiben.
  • Insbesondere in den letzten Jahren wird eine Halbleitervorrichtung mit Halbleiterelementen, wie Siliciumcarbid-(SiC-)Elementen bestückt, welche fähig sind, hohe Ströme zu bewältigen und bei hohen Frequenzen zu arbeiten, so dass man sich mit zunehmender Wärmeerzeugung und steigenden Nennspannungen der Elemente sowie einem Rückgang der Größe der Halbleitervorrichtung befassen muss.
  • Deshalb muss eine Halbleitervorrichtung zu Verfügung gestellt werden, in welcher durch die Halbleiterelemente erzeugte Wärme wirksam zur Metall-Grundplatte abgeführt werden kann, ohne die Isolationszuverlässigkeit der organischen Isolationsschicht und des Keramiksubstrats zu verschlechtern.
  • Jedoch stehen die Wärmeleitfähigkeit, welche zum Steigern des Wärmeabführungsvermögens erforderlich ist, und die Spannungsfestigkeit und der Teilentladewiderstand, welche zum Steigern des Isolationsvermögens erforderlich sind, in einer Kompromissbeziehung; deshalb ist die Teilchengröße des anorganischen Pulvers zum Beispiel im Patentdokument 2 begrenzt, so dass dessen Füllmenge erhöht und das Wärmeabführungsvermögen gesteigert wird. Jedoch wurde die Konzentration des elektrischen Felds durch den anorganischen Füllstoff in der Nähe des Füllstoffs nicht berücksichtigt, so dass sich insofern ein Problem ergibt, als das Isolationsvermögen sich verschlechtert.
  • Überdies wird bei Verwendung eines Keramiksubstrats wie im Patentdokument 1 usw. durch Dickermachen des Keramiksubstrats eine hohe Spannungsfestigkeit erreicht; jedoch bestand ein weiteres Problem darin, dass das Dickermachen des Keramiksubstrats, welches zu einer Isolierschicht wird, den Wärmewiderstand erhöht, so dass sich das Wärmeabführungsvermögen verschlechtert.
  • Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorerwähnten Probleme zu lösen, und strebt eine Halbleitervorrichtung an, in welcher sowohl das Wärmeabführungsvermögen als auch das Isolationsvermögen gesteigert sind.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung gelöst, wie sie in dem unabhängigen Patentanspruch 1 angegeben ist, wobei vorteilhafte Weiterbildungen hiervon in den abhängigen Patentansprüchen angegeben sind.
  • Vorteil der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können, da zwei Isolierschichten auf beiden Seiten der Metall-Grundplatte angeordnet sind und diese zwei Isolierschichten voneinander verschiedene Eigenschaften haben, sowohl das Wärmeabführungsvermögen als auch das Isolationsvermögen gesteigert werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht, welche eine Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist ein Schaubild, welches eine Wechselbeziehung zwischen den Wärmeabfuhreigenschaften und den Isolationseigenschaften von Isolierschichten gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ist eine Ansicht, welche den Verstärkungsfaktor für ein elektrisches Feld der Isolierschichten gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 4 ist ein Schaubild, welches eine Wechselbeziehung zwischen dem Hohlraumanteil und der Isolationsspannung der Isolierschichten darstellt; und
  • 5 ist eine Schnittansicht, welche eine Halbleitervorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiels zeigt.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG
  • Ausführungsform 1.
  • 1 ist eine Schnittansicht, welche eine Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in 1 gezeigte Halbleitervorrichtung 30 ist ein Beispiel, bei welchem zwei Halbleiterelemente, 1a und 1b, montiert sind. Die Halbleitervorrichtung 30 weist folgendes auf: Leiterrahmen (leitfähige Bauteile) 4a und 4b, auf welchen die Halbleiterelemente 1a und 1b befestigt sind; Kühleinheiten 9a und 9b, welche durch die Halbleiterelemente erzeugte Wärme 1a und 1b abführen; und eine mit den Kühleinheiten 9a und 9b verbundene Metall-Grundplatte 6.
  • Die Halbleiterelemente 1a und 1b sind auf ihren jeweiligen Leiterrahmen 4a und 4b befestigt; das Halbleiterelement 1a ist mit dem Leiterrahmen 4a verbunden, und das Halbleiterelement 1b ist mit dem Leiterrahmen 4b verbunden. Die Halbleiterelemente 1a und 1b sind mit Lot 3a beziehungsweise 3b an die Leiterrahmen 4a beziehungsweise 4b gelötet.
  • Die Halbleiterelemente 1a und 1b sind durch einen Draht 8 elektrisch miteinander verbunden. Überdies sind die Halbleiterelemente 1a und 1b durch Drähte (nicht gezeigt) mit äußeren Klemmen (nicht gezeigt) elektrisch verbunden. Eine Isolierschicht 5 mit hohem Wärmeabführungsvermögen (im folgenden gelegentlich als eine stark wärmeabführende Isolierschicht bezeichnet) ist zwischen den Leiterrahmen 4a und 4b und der mit den Kühleinheiten 9a und 9b verbundenen Metall-Grundplatte 6 angeordnet, um die von den Halbleiterelementenla und 1b erzeugte Wärme abzuführen.
  • Eine Isolierschicht 7 mit hohem Isolationsvermögen (im folgenden gelegentlich als eine hochisolierende Isolierschicht bezeichnet) ist auf der der stark wärmeabführenden Isolierschicht 5 entgegengesetzten Seite der Metall-Grundplatte 6 angeordnet. Wenn erforderlich, sind die Halbleiterelemente 1a und 1b und die Leiterrahmen 4a und 4b in der Halbleitervorrichtung 30 mit einem Vergussmaterial 10, wie Epoxidharz, Silikon oder Elastomer vergossen.
  • Es werden nun die in der Halbleitervorrichtung 30 verwendeten Isolierschichten 5 und 7 erläutert. Die Isolierschichten der Halbleitervorrichtung müssen zwei Funktionen erfüllen: Isolationsvermögen und Wärmeabführungsvermögen. In der Halbleitervorrichtung gemäß Patentdokument 1 entspricht das keramische Isolationssubstrat den vorerwähnten Isolierschichten, und es entspricht die erste äußere Elektrode den vorerwähnten Leiterrahmen. 5 zeigt eine vereinfachte Ansicht, bei welcher in der Halbleitervorrichtung des Patentdokuments 1 das keramische Isolationssubstrat durch die vorerwähnten Isolierschichten ersetzt ist und die erste äußere Elektrode durch die vorerwähnten Leiterrahmen ersetzt ist.
  • 5 ist eine Ansicht, welche eine Halbleitervorrichtung eines Vergleichsbeispiels zeigt. In 5 ist eine Kühleinheit 9 auf der Rückseite der Metall-Grundplatte 6 angebracht, wo die Einheit gewöhnlich angebracht wird. In einem Fall der Halbleitervorrichtung des Vergleichsbeispiels, wie in 5 gezeigt, welche nur eine einzige Isolierschicht hat, muss die Schicht mit den vorerwähnten beiden Funktionen auf eine kompatible Weise versehen werden.
  • Es werden nun Isolationseigenschaften und Wärmeabführungseigenschaften erörtert. 2 ist ein Schaubild, welches eine Wechselbeziehung zwischen den Wärmeabführungseigenschaften und den Isolationseigenschaften der Isolierschichten gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die waagerechte Achse stellt die Wärmeabführungseigenschaften dar, und die senkrechte Achse stellt die Isolationseigenschaften dar.
  • Wie durch die Korrelationskurve 20 in 2 gezeigt, besteht eine Wechselbeziehung zwischen den Wärmeabführungseigenschaften und den Isolationseigenschaften. Das heißt, die Wärmeabführungseigenschaften und die Isolationseigenschaften hängen so miteinander zusammen, dass, je mehr die eine der Eigenschaften zunimmt, die andere um so mehr abnimmt. Die Halbleiterelemente müssen von anderen Elementen usw. isoliert sein und innerhalb eines Temperaturbereichs betrieben werden, der es den Elementen ermöglicht, ihre Leistungsfähigkeit zu zeigen.
  • In einer mit durch ihren Betrieb eine große Wärmemenge erzeugenden und bei hohen Temperaturen arbeitenden Halbleiterelementen bestückten Halbleitervorrichtung müssen das Isolationsvermögen und das Wärmeabführungsvermögen in kompatibler Weise erreicht werden, damit die Elemente den vorgegebenen Betrieb ausführen. In der Halbleitervorrichtung des Vergleichsbeispiels, in welcher das Isolationsvermögen und das Wärmeabführungsvermögen durch die eine Isolierschicht in kompatibler Weise erreicht werden müssen, müssen die Eigenschaften der Isolierschicht in dem durch den gestrichelten Kreis b in 2 angegebenen Bereich gewählt werden.
  • Im allgemeinen ist eine organische Isolationsschicht aus einem aushärtbaren Harz, wie etwa Epoxidharz aufgebaut, gefüllt mit anorganischen Füllstoffen, wie Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid (Tonerde), Bornitrid und Siliciumcarbid. Um das Wärmeabführungsvermögen zu steigern, ist es nur erforderlich, durch Erhöhen der Teilchengröße und der relativen Dielektrizitätskonstante des Füllstoffs sowie dessen Füllmenge die Wärmeleitfähigkeit des Isolierstoffs zu steigern.
  • Jedoch wird bei Anwendung eines ersten Verfahrens zum Steigern des Wärmeabführungsvermögens, das heißt ein Erhöhen der Füllstoff-Teilchengröße, der Verstärkungsfaktor für ein elektrisches Feld (Index eines lokalen elektrischen Felds in der Nähe des anorganischen Füllstoffs geteilt durch ein Durchschnittsfeld) um so höher, je mehr die Teilchengröße zunimmt, wie in 3 gezeigt, und infolgedessen verschlechtert sich das Isolationsvermögen, einschließlich der Spannungsfestigkeits-Eigenschaften und Teilentladewiderstands-Eigenschaften drastisch.
  • 3 ist ein Schaubild, welches den Verstärkungsfaktor für ein elektrisches Feld der Isolierschichten gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die waagerechte Achse stellt die Teilchengröße des anorganischen Füllstoffs dar, und die senkrechte Achse stellt den Verstärkungsfaktor für ein elektrisches Feld dar. Die eine Charakteristik 11 repräsentiert die Eigenschaften bei hoher relativer Dielektrizitätskonstante des anorganischen Füllstoffs, während die andere Charakteristik 12 diese bei niedriger relativer Dielektrizitätskonstante darstellt.
  • Bei Anwendung eines zweiten Verfahrens zum Steigern des Wärmeabführungsvermögens, das heißt beim Erhöhen der relativen Dielektrizitätskonstante des Füllstoffs, weist überdies die Charakteristik 11, bei welcher die relative Dielektrizitätskonstante des anorganischen Füllstoffs, welcher ein anorganisches Füllmaterial ist, zunimmt, einen höheren Verstärkungsfaktor für ein elektrisches Feld als bei der Charakteristik 12 auf, und es verschlechtert sich infolgedessen das Isolationsvermögen, einschließlich der Spannungsfestigkeits-Eigenschaften und Teilentladewiderstands-Eigenschaften drastisch.
  • Der Verstärkungsfaktor für ein elektrisches Feld der Charakteristik 11, bei welcher die relative Dielektrizitätskonstante des anorganischen Füllstoffs erhöht ist, wird höher als derjenige der Charakteristik 12. Das liegt daran, dass die Differenz der relativen Dielektrizitätskonstanten von Epoxidharz und Füllstoff größer wird, so dass das elektrische Feld an der Füllstoffspitze stärker wird.
  • Wenn das erste und das zweite Verfahren zum Steigern des Wärmeabführungsvermögens zusammen verwendet werden, um das Wärmeabführungsvermögen weiter zu steigern, nimmt der Verstärkungsfaktor für ein elektrisches Feld deshalb steil zu, wie die rechte Seite der Charakteristik 11 in 3 zeigt, und es verschlechtert sich das Isolationsvermögen drastisch; deshalb ist das für den Betrieb der Halbleiterelemente erforderliche Isolationsvermögen schwierig aufrechtzuerhalten.
  • Deshalb ist es erforderlich, durch Verringern der relativen Dielektrizitätskonstante des anorganischen Füllstoffs (Annähern der Konstante an die relative Dielektrizitätskonstante des Epoxidharzes) und des Verstärkungsfaktors für ein elektrisches Feld, wie durch die Charakteristik 12 angegeben, ein vordefiniertes Isolationsvermögen sicherzustellen.
  • Bei Anwendung eines dritten Verfahrens zum Steigern des Wärmeabführungsvermögens, das heißt ein Erhöhen der in das Epoxidharz gefüllten Füllstoffmenge, steigt überdies ein Hohlraumanteil pro Volumeneinheit (als Hohlraumanteil bezeichnet) an. 4 ist ein Schaubild, welches die Wechselbeziehung zwischen dem Hohlraumanteil pro Volumeneinheit in dem Isolationsflächenkörper (Isolierschicht) und deren Isolationsspannung bei mit dem anorganischen Füllstoff gefülltem Epoxidharz zeigt.
  • Die waagerechte Achse stellt den Hohlraumanteil dar, und die senkrechte Achse stellt die normierte Spannungsfestigkeit dar. Die normierte Spannungsfestigkeit kann zum Beispiel unter Verwendung des Verhältnisses der Isolationsspannung bei einem bestimmten Hohlraumanteil ausgedrückt werden.
  • In 4 ist die Spannungsfestigkeit normiert, wobei die Isolationsspannung bei einem Hohlraumanteil von 0,4% als Bezugswert dient. Da der Hohlraumanteil um so größer wird, je mehr die Füllstoffmenge zunimmt, verschlechtert sich das Isolationsvermögen einschließlich der Spannungsfestigkeits-Eigenschaften und der Teilentladewiderstands-Eigenschaften in diesem Fall drastisch, wie mit der Charakteristik 14 in 4 angegeben.
  • Ferner ist es auch denkbar, die Isolierschicht dünner zu machen, um ihren Wärmewiderstand zu verringern, so dass das Wärmeabführungsvermögen erhöht wird. Wenn der Wärmewiderstand durch Dünnermachen der Isolierschicht verringert wird, um das Wärmeabführungsvermögen zu steigern, wird jedoch das elektrische Feld zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Isolierschicht stärker. Deshalb verschlechtert sich das Isolationsvermögen, einschließlich der Spannungsfestigkeits-Eigenschaften und der Teilentladewiderstands-Eigenschaften wie in den Fällen des ersten bis dritten Verfahrens zum Steigern des Wärmeabführungsvermögens.
  • Wie oben beschrieben, müssen im Fall der Halbleitervorrichtung des Vergleichsbeispiels, welche nur eine Isolierschicht aufweist, die Form und der Inhaltsanteil des Füllstoffs, die Art des Füllstoffs und die Dicke der Isolierschicht genau ausgewählt werden, was die Flexibilität beim Einsatz anwendbarer Werkstoffe und beim Design der Konstruktion begrenzt. Selbst wenn für den Betrieb bei hohen Temperaturen geeignete Halbleiterelemente (Halbleiterelemente für Hochtemperaturanwendungen) montiert sind, ist die mit diesen Elementen bestückte Halbleitervorrichtung wahrscheinlich nicht in der Lage, ein ausreichendes Isolationsvermögen und Wärmeabführungsvermögen zustandezubringen.
  • Deshalb kann die mit nur einer Isolierschicht ausgestattete Halbleitervorrichtung des Vergleichsbeispiels das Isolationsvermögen und das Wärmeabführungsvermögen nicht genügend steigern, wenn sie mit Halbleiterelementen bestückt ist, die im Betrieb eine große Wärmemenge erzeugen und bei hohen Temperaturen arbeiten.
  • Die Halbleitervorrichtung 30 gemäß Ausführungsform 1, welche sich von der Halbleitervorrichtung des Vergleichsbeispiels unterscheidet, ist statt mit einer einzigen Isolierschicht mit zwei geteilten Isolierschichten ausgestattet; deshalb können die Eigenschaften der Isolierschichten je nach Anwendung optimiert werden. Ein Werkstoff mit hohem Wärmeabführungsvermögen, wie durch den gestrichelten Kreis c in 2 angegeben, wird für eine stark wärmeabführende Isolierschicht 5 verwendet, welche die durch die Halbleiterelemente 1a und 1b erzeugte Wärme wirksam in die Metall-Grundplatte 6 ableiten muss.
  • Ferner wird ein anderer Werkstoff mit hohem Isolationsvermögen, wie durch den gestrichelten Kreis α in 2 angegeben, für die hochisolierende Isolierschicht 7 verwendet, welche überhaupt keine Wärmeabführungseigenschaften benötigt oder nicht so stark benötigt, aber eine Isolation nach außen benötigt.
  • Deshalb besitzt die Halbleitervorrichtung 30 gemäß Ausführungsform 1 eine zwischen der Metall-Grundplatte 6 und die Leiterrahmen 4a und 4b angeordnete stark wärmeabführende Isolierschicht 5 und die auf der der stark wärmeabführenden Isolierschicht 5 entgegengesetzten Seite der Metall-Grundplatte 6 angeordnete hochisolierende Isolierschicht 7, so dass das Wärmeabführungsvermögen der Halbleitervorrichtung gesteigert wird und auch das Isolationsvermögen zwischen der Halbleitervorrichtung und der Außenseite gesteigert werden kann.
  • Die stark wärmeabführende Isolierschicht 5 kann ein Material mit einer größeren Füllstoffform (Teilchengröße) und einer höheren relativen Dielektrizitätskonstante verwenden, wie in 3 gezeigt, und dessen Füllmenge kann auch erhöht sein. Da das Isolationsvermögen der stark wärmeabführenden Isolierschicht 5 gering sein darf, kann überdies die Schicht dünner gemacht werden, so dass auch ihre Wärmeleitung durch Verringern des Wärmewiderstands gesteigert werden kann. Jedoch versteht es sich von selbst, dass dann, wenn eine Vielzahl von Halbleiterelementen angeordnet ist, eine Spannungsfestigkeit erforderlich ist, welche über die Ansteuerspannung für jedes Halbleiterelement hinausgeht.
  • Da die hochisolierende Isolierschicht 7 keine Wärmeleitfähigkeit mehr benötigt, braucht das Epoxidharz nicht mit Füllstoff gefüllt zu sein. Bei nicht mit Füllstoff gefülltem Epoxidharz können eine Konzentration des elektrischen Felds und eine Hohlraumerzeugung durch den Füllstoff, welche ein Isolationsversagen verursachen würden, verhindert werden.
  • Da die Isolationsspannung erhöht ist, wie in 4 gezeigt, braucht die hochisolierende Isolierschicht 7 nur eine Dicke zu haben, um die erforderliche Isolationsspannung zu gewährleisten. Das heißt, die Dicke der hochisolierenden Isolierschicht 7 kann verringert werden. Deshalb wird infolgedessen auch das Dünnermachen der hochisolierenden Isolierschicht 7 möglich.
  • Die Eigenschaften der stark wärmeabführenden Isolierschicht 5 und der hochisolierenden Isolierschicht 7 können auch wie folgt realisiert werden: was die Wärmeabführungseigenschaften anbelangt, wird die stark wärmeabführende Isolierschicht 5 größer als die hochisolierende Isolierschicht 7 gemacht; was die Isolationseigenschaften anbelangt, wird die stark wärmeabführende Isolierschicht 5 kleiner als die hochisolierende Isolierschicht 7 gemacht.
  • Mittels der Symbole > und < ausgedrückt: Wärmeabführungseigenschaften der stark wärmeabführenden Isolierschicht 5 > Wärmeabführungseigenschaften der hochisolierenden Isolierschicht 7, und Isolationseigenschaften der stark wärmeabführenden Isolierschicht 5 < Isolationseigenschaften der hochisolierenden Isolierschicht 7 (Bedingung 1).
  • Gemäß einer für die Bedingung 1 relevanten Konfiguration können die Form und der Inhaltsanteil des Füllstoffs, die Art des Füllstoffs, die Dicke der Isolierschicht usw. breitere Spielräume erhalten; deshalb können eine eine hohe Isolationszuverlässigkeit sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisende Halbleitervorrichtung erzielt werden, während eine höhere Flexibilität beim Einsatz anwendbarer Werkstoffe und beim Entwurf des Aufbaus sichergestellt wird.
  • Überdies benötigt die hochisolierende Isolierschicht 7 kein hohes Wärmeabführungsvermögen, so dass, anstatt ein teures Substrat, wie ein dicker gemachtes Keramiksubstrat wie im Patentdokument 1 zu verwenden, preiswerte schichtbildende Verfahren mit hoher Isolationszuverlässigkeit, wie Pulverbeschichtung und elektrochemische Abscheidung verwendet werden können, welche bislang noch nie für herkömmliche Halbleitervorrichtungen verwendet wurden.
  • Schichtbildende Verfahren, wie Pulverbeschichtung und elektrochemische Abscheidung werden für die hochisolierende Isolierschicht 7 verwendet, so dass eine Isolationsschicht aus Polyimid, Polyamid, Epoxidharz usw. direkt auf der Metall-Grundplatte gebildet werden kann.
  • Wie in 1 gezeigt, können die Metall-Grundplatte 6 und die Kühleinheiten 9a und 9b auch durch Anwenden dieser schichtbildenden Verfahren pulverbeschichtet oder mit einem elektrochemisch abgeschiedenen Überzug versehen werden, so dass die hochisolierende Isolierschicht 7 auf derselben Seite wie der Seite der Metall-Grundplatte 6, auf welcher die hochisolierende Isolierschicht 7 angeordnet ist, auf den Seiten der Kühleinheiten 9a und 9b vorgesehen ist.
  • In der Halbleitervorrichtung 30 gemäß Ausführungsform 1 kann das Problem hoher Kosten, welche durch Verwendung des dicker gemachten Keramiksubstrats in der Halbleitervorrichtung des Patentdokuments 1 entstehen, gelöst werden. Außerdem kann die auf den Kühleinheiten 9a und 9b gebildete hochisolierende Isolierschicht 7 nur einen Teil derselben bedecken, wo die Isolation erforderlich ist.
  • Ferner kann die Metall-Grundplatte 6 in der Halbleitervorrichtung 30 gemäß Ausführungsform 1 auch nicht geerdet sein. Das heißt, die Metall-Grundplatte 6 kann von einer Massepotential-Elektrode (nicht gezeigt) getrennt sein, welche den Halbleiterelementen 1a und 1b ein Massepotential gibt. Rauschen zu den Halbleiterelementen 1a und 1b kann unterdrückt werden, indem die Metall-Grundplatte 6 nicht geerdet wird. Deshalb kann eine Halbleitervorrichtung erzielt werden, bei der ein stabiler Betrieb der Halbleiterelemente 1a und 1b sichergestellt ist.
  • Die Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 weist folgendes auf: das Halbleiterelement 1a; den mit dem Halbleiterelement 1a verbundenen Leiterrahmen 4a; die über die erste Isolierschicht 5 auf dem Leiterrahmen 4a befestigte Metall-Grundplatte 6; und die auf der der Seite der Metall-Grundplatte 6, auf welcher die erste Isolierschicht 5 angeordnet ist, entgegengesetzten Seite angeordnete zweite Isolierschicht 7.
  • Die Eigenschaften der ersten Isolierschicht 5 und der zweiten Isolierschicht 7 sind unter den folgenden zu finden: die erste Isolierschicht 5 ist eine Isolierschicht, deren Wärmeabführungsvermögen höher als das der zweiten Isolierschicht 7 ist, und die zweite Isolierschicht 7 ist eine Isolierschicht, deren Isolationsvermögen gleich demjenigen der ersten Isolierschicht 5 oder höher als das der ersten Isolierschicht 5 ist; und die zweite Isolierschicht 7 ist eine Isolierschicht, deren Isolationsvermögen höher als das der ersten Isolierschicht 5 ist, und die erste Isolierschicht 5 ist eine Isolierschicht, deren Wärmeabführungsvermögen gleich demjenigen der zweiten Isolierschicht 7 oder höher als das der zweiten Isolierschicht 7 ist; deshalb können sowohl das Isolationsvermögen als auch das Wärmeabführungsvermögen gesteigert werden.
  • Übrigens ist bei der Ausführungsform 1 eine Anzahl von zwei Halbleiterelementen zum besseren Verständnis vorgesehen; jedoch kann diese Anzahl in jede beliebige Anzahl geändert werden, um den Anwendungen besser zu entsprechen. Überdies wird ein Beispiel veranschaulicht, welches Verdrahtungen als Mittel zur elektrischen Verbindung verwendet; jedoch versteht es sich von selbst, dass die gleiche Wirkung wie diejenige bei der Ausführungsform 1 auch dann erzeugt werden kann, wenn sphärische Elektroden, Interposer, Leiterplatten oder Direktzuleitungs-Verfahren als Einrichtungen zur elektrischen Verbindung verwendet werden.
  • Ferner wurde eine Halbleitervorrichtung vom Transfer-Formungstyp als ein Beispiel erläutert; jedoch können verschiedene Herstellungsverfahren und entsprechende Halbleitervorrichtungen, wie etwa eine an ihrem Gehäuse befestigte Gehäusehalbleitervorrichtung verwendet werden, wie bei der Halbleitervorrichtung im Patentdokument 1, welche natürlich die gleiche Wirkung erzeugen können.
  • Überdies können sowohl Halbleitervorrichtungen mit integriertem Kühlkörper als auch solche mit separatem Kühlkörper genauso wie bei der Ausführungsform 1 konfiguriert sein, und es kann in diesen die gleiche Wirkung wie bei der Ausführungsform 1 erzeugt werden. Ferner kann die gleiche Wirkung bei allen Halbleiterelementen, darunter nicht nur Halbleiterelementen aus Silicium (Si), sondern auch bei Verbundhalbleiterelementen aus Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid usw., erzeugt werden. Es versteht sich von selbst, dass die gleiche Wirkung auch bei Dioden (Di), anderen Transistoren als IGBTs, integrierten Schaltungen (ICs) usw. erzeugt werden kann.
  • Insbesondere Halbleiterelemente für Hochtemperatur-Anwendungen können außer Siliciumcarbid auch einen Werkstoff auf der Basis von Galliumnitrid und Diamant verwenden. Wenn Siliciumcarbid, ein Werkstoff auf der Basis von Galliumnitrid oder Diamant für Halbleiterelemente verwendet wird, die als Schaltelemente und Gleichrichtelemente arbeiten, dann ist der Energieverlust in diesen Elementen gering gegenüber herkömmlicherweise verwendeten Elemente aus Silicium (Si). Dies ermöglicht es einer Halbleitervorrichtung für Hochtemperaturanwendungen, wie etwa einer Leistungshalbleitervorrichtung, mit hohem Wirkungsgrad zu arbeiten.
  • Außerdem kann die Halbleitervorrichtung miniaturisiert werden, da die Elemente nicht nur eine hohe Spannungsfestigkeit, sondern auch eine hohe zulässige Stromdichte aufweisen. Da Halbleiterelemente mit weitem Bandabstand eine hohe Wärmebeständigkeit aufweisen, können die Elemente außerdem bei hohen Temperaturen betrieben werden, was eine Verkleinerung der Kühlrippen der Kühlkörper und auch eine Umstellung des Kühlsystems von Wasserkühlung auf Luftkühlung ermöglicht, so dass die Halbleitervorrichtung weiter miniaturisiert werden kann.
  • Ferner kann die gleiche Struktur wie diejenige bei der Ausführungsform 1 für jede beliebige Art von Halbleitervorrichtung verwendet werden, wie z. B. einen Sperrschichttyp, bei welchem Elektroden mit Halbleiter-Chips, einem Isolationssubstrat usw. mit Lot und dergleichen elektrisch verbunden sind; einen Presskontakttyp, bei welchem Elektroden durch elastische Bauteile, Spannschrauben und dergleichen von der Außenseite der Elektroden nach innen an Halbleiter-Chips, ein Isolationssubstrat usw. gepresst sind, um diese elektrisch miteinander zu verbinden; sowie einen diese Typen miteinander kombinierenden Kombinationstypen.
  • Deshalb kann die gleiche Wirkung wie diejenige bei der Ausführungsform 1 erzeugt werden. Außerdem versteht es sich von selbst, dass jede beliebige andere Art von anorganischen Füllstoffen als das vorerwähnte Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid (Tonerde), Bornitrid und Siliciumcarbid verwendet werden kann, solange die Füllstoffe eine quantitative Relation zwischen ihren relativen Dielektrizitätskonstanten erfüllen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1a, 1b
    Halbleiterelement
    4a, 4a
    Leiterrahmen
    5
    stark wärmeabführende Isolierschicht (erste Isolierschicht)
    6
    Metall-Grundplatte
    7
    hochisolierende Isolierschicht (zweite Isolierschicht)
    9a, 9b
    Kühleinheit
    30
    Halbleitervorrichtung

Claims (11)

  1. Halbleitervorrichtung (30), die folgendes aufweist: – ein Halbleiterelement (1a); – einen mit dem Halbleiterelement (1a) verbundenen Leiterrahmen (4a); – eine über eine erste Isolierschicht (5) auf dem Leiterrahmen (4a) befestigte Metall-Grundplatte (6); und – eine auf der der Seite der Metall-Grundplatte (6), auf welcher die erste Isolierschicht (5) angeordnet ist, entgegengesetzten Seite angeordnete zweite Isolierschicht (7); – wobei eine Kombination aus der ersten Isolierschicht (5) und der zweiten Isolierschicht (7) in einem ersten Fall folgendes aufweist: die erste Isolierschicht (5) ist eine Isolierschicht, deren Wärmeabführungsvermögen höher als das der zweiten Isolierschicht (7) ist, und die zweite Isolierschicht (7) ist eine Isolierschicht, deren Isolationsvermögen gleich demjenigen der ersten Isolierschicht (5) oder höher als das der ersten Isolierschicht (5) ist; – wobei eine andere Kombination aus der ersten Isolierschicht (5) und der zweiten Isolierschicht (7) in einem zweiten Fall folgendes aufweist: die zweite Isolierschicht (7) ist eine Isolierschicht, deren Isolationsvermögen höher als das der ersten Isolierschicht (5) ist, und die erste Isolierschicht (5) ist eine Isolierschicht, deren Wärmeabführungsvermögen gleich demjenigen der zweiten Isolierschicht (7) oder höher als das der zweiten Isolierschicht (7) ist, wobei die erste Isolierschicht (5) und die zweite Isolierschicht (7) einen Füllstoff enthalten und wobei die relative Dielektrizitätskonstante des Füllstoffs der ersten Isolierschicht (5) höher als diejenige des Füllstoffs der zweiten Isolierschicht (7) ist.
  2. Halbleitervorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei die erste Isolierschicht (5) eine Isolierschicht ist, deren Wärmeabführungsvermögen höher als das der zweiten Isolierschicht (7) ist, und wobei die zweite Isolierschicht (7) eine Isolierschicht ist, deren Isolationsvermögen höher als das der ersten Isolierschicht (5) ist.
  3. Halbleitervorrichtung (30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Isolierschicht (5) und die zweite Isolierschicht (7) einen Füllstoff enthalten und wobei die Füllstoff-Teilchengröße der ersten Isolierschicht (5) größer als diejenige der zweiten Isolierschicht (7) ist.
  4. Halbleitervorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Hohlraumanteil, welcher ein Hohlraumanteil pro Volumeneinheit ist, der ersten Isolierschicht (5) höher als derjenige der zweiten Isolierschicht (7) ist.
  5. Halbleitervorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Isolierschicht (5) und die zweite Isolierschicht (7) einen Füllstoff enthalten und wobei die Füllmenge des Füllstoffs der ersten Isolierschicht (5) größer als diejenige des Füllstoffs der zweiten Isolierschicht (5) ist.
  6. Halbleitervorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke der ersten Isolierschicht (5) geringer als diejenige der zweiten Isolierschicht (7) ist.
  7. Halbleitervorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Halbleitervorrichtung (30) eine mit der Metall-Grundplatte (6) verbundene Kühleinheit (9a, 9b) aufweist und wobei die Kühleinheit (9a, 9b) die zweite Isolierschicht (7) auf ihrer einen Seite aufweist, welche auf derselben Seite liegt wie die Seite der Metall-Grundplatte (6), auf welcher die zweite Isolierschicht (7) angeordnet ist.
  8. Halbleitervorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Isolierschicht (7) durch Pulverbeschichtung oder elektrochemische Abscheidung gebildet ist.
  9. Halbleitervorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Metall-Grundplatte (6) nicht mit einer Massepotential-Elektrode, welche dem Halbleiterelement (1a) ein Massepotential liefert, verbunden ist.
  10. Halbleitervorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Halbleiterelement (1a) aus Halbleitermaterial mit weitem Bandabstand besteht.
  11. Halbleitervorrichtung (30) nach Anspruch 10, wobei das Halbleitermaterial mit weitem Bandabstand Siliciumcarbid oder ein Material auf Galliumnitrid-Basis oder Diamant ist.
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