DE112012005867T5 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine Kühlrippe 9 ist mit einem Halbleiterelement 1 verbunden. Ein Kunstharz 10 verkapselt das Halbleiterelement 1. Ein Teil der Kühlrippe 9 ragt aus einer Unterseite Kunstharzes 10 heraus. Ein Kühler 11 hat eine Öffnung 12. Die aus dem Kunstharz 10 heraus ragende Kühlrippe 9 ist in die Öffnung 12 des Kühlers 11 eingesetzt. Die Unterseite des Kunstharzes 10 und der Kühler 11 sind miteinander durch ein Verbindungsmaterial 13 wie beispielsweise einen Klebstoff verbunden. Deshalb können eine Verringerung der Anzahl der Bauteile und eine Reduzierung des Gewichts erzielt werden, und eine Vereinbarkeit zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Festigkeit der Verbindung kann gewährleistet werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, bei welcher ein kunstharzgeformtes Halbleitergehäuse mit einer Kühlvorrichtung verbunden ist.
  • Technischer Hintergrund
  • Herkömmliche Leistungsmodule des Gehäusetyps benötigen eine Gelverkapselung der Halbleiterelemente. Eine große Anzahl von Montageprozessschritten und hohe Teilekosten sind für solche Leistungsmodule erforderlich. Es werden deshalb Leistungsmodule mit spritzgepressten Halbleiterelementen entwickelt (siehe z. B. Patentliteratur 1). Ein kunstharzgeformtes Halbleitergehäuse muss an einer Kühlvorrichtung befestigt werden, um gekühlt zu werden, und es wurde ein Verfahren zum Befestigen eines solchen Halbleitergehäuses mittels Schrauben oder dergleichen vorgeschlagen (siehe z. B. Patentliteratur 2).
  • Entgegenhaltungsliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: JP 2001-250890 A
    • Patentliteratur 2: JP 4583122 B
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Bei dem Verfahren der Befestigung mittels Schrauben oder dergleichen gibt es ein Problem, dass die Anzahl der Bauteile erhöht ist und das Gesamtgewicht erhöht ist. Andererseits werden Verfahren zum Verbinden eines Halbleitergehäuses mit einer Kühlvorrichtung ohne Schrauben oder dergleichen untersucht. Es wurde jedoch kein Erfolg erzielt beim Gewährleisten einer Vereinbarkeit zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Festigkeit der Verbindung, da der Kühlabschnitt und die Verbindung zusammenfallen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist ihre Aufgabe, eine Halbleitervorrichtung vorzusehen, die eine Vereinbarkeit zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Festigkeit der Verbindung gewährleisten und eine Verringerung der Anzahl an Bauteilen und eine Reduzierung des Gewichts erzielen kann.
  • Maßnahmen zum Lösen der Probleme
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Halbleiterelement; einen mit dem Halbleiterelement verbundenen Kühlkörper; ein das Halbleiterelement verkapselndes Kunstharz; und einen Kühler mit einer Öffnung, wobei ein Teil des Kühlkörpers aus einer Hauptfläche des Kunstharzes heraus ragt, der aus dem Kunstharz heraus ragende Kühlkörper in die Öffnung des Kühlers eingesetzt ist und die Hauptfläche des Kunstharzes und der Kühler miteinander durch ein Verbindungsmaterial verbunden sind.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung macht es möglich, eine Vereinbarkeit zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Festigkeit der Verbindung zu gewährleisten und eine Verringerung der Anzahl der Bauteile und eine Reduzierung des Gewichts zu erzielen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird bezugnehmend auf die Zeichnungen beschrieben. Die gleichen Bauteile sind mit den gleichen Symbolen gekennzeichnet und auf ihre wiederholte Beschreibung kann verzichtet werden.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung. Ein Halbleiterelement 1 ist ein Leistungshalbleiterelement wie beispielsweise ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Ein Steueranschluss (Gate) des Halbleiterelements 1 ist durch einen Draht 2 mit einer Signalelektrode 3 verbunden. Eine Unterseite (Kollektor) des Halbleiterelements ist durch ein auf einer Isolierplatte 4 vorgesehenes Schaltungsmuster 5 mit einer Hochspannungselektrode 6 verbunden. Eine Oberseite (Emitter) des Halbleiterelements ist durch ein Lot 7 mit einer Hochspannungselektrode 8 verbunden.
  • Eine Kühlrippe 9 ist mit der Unterseite des Halbleiterelements 1 durch das Schaltungsmuster und die Isolierplatte 4 verbunden. Bauteile einschließlich des Halbleiterelements 1 sind in einem Kunstharz 10 verkapselt (spritzgepresst). Ein Teil der Kühlrippe 9 ragt aus einer Unterseite des Kunstharzes 10 heraus. Die Signalelektrode 3 und die Hochspannungselektroden 6 und 8 sind ebenfalls aus dem Kunstharz 10 herausgeführt.
  • Dieses kunstharzgeformte Halbleitergehäuse ist mit einem Kühler 11 verbunden. Der Kühler 11 hat eine Öffnung 12. Die aus dem Kunstharz 10 heraus ragende Kühlrippe 9 ist in die Öffnung 12 des Kühlers 11 eingesetzt. Die Unterseite des Kunstharzes 10 und der Kühler 11 sind miteinander mittels eines Verbindungsmaterials 13 wie beispielsweise eines Klebstoffs verbunden. Der Kühler 11 führt ein Kühlmedium zur Kühlrippe 9 in der Öffnung 12, wodurch das Halbleiterelement 1 durch die Kühlrippe 9 gekühlt wird.
  • Eine Vereinbarkeit zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Festigkeit der Verbindung kann durch ein eindeutiges Trennen des Kühlabschnitts und der Verbindung voneinander wie oben beschrieben gewährleistet werden. Selbst wenn z. B. das Halbleiterelement 1 einen Hochtemperaturbetrieb durchführt, so dass die Temperatur des Kühlabschnitts auf eine hohe Temperatur erhöht wird, kann die Temperaturveränderung der Verbindung begrenzt werden. Deshalb kann ein SiC-Halbleiterelement, das als Produkt mit garantiertem Hochtemperaturbetrieb vorgesehen ist, als das Halbleiterelement 1 verwendet werden. Eine Verringerung der Anzahl der Bauteile und eine Reduzierung des Gewichts können ebenfalls erzielt werden, da kein Bedarf an zusätzlichen Bauteilen wie beispielsweise Schrauben existiert.
  • Bei der herkömmlichen Vorrichtung ist ein wärmeleitendes Material zwischen den Kühlkörper und den Kühler gesetzt, und deshalb verformt sich die Halbleitervorrichtung entsprechend der Dicke des wärmeleitenden Materials. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Kühlleistung ohne Beeinflussung durch eine Verformung der Vorrichtung sichergestellt werden, da die Kühlrippe in die Öffnung 12 des Kühlers 11 eingesetzt ist.
  • Ferner ermöglicht das Vorsehen der Isolierplatte 4 zwischen dem Halbleiterelement 1 und der Kühlrippe 9 die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Fluids wie beispielsweise Wasser als Kühlmedium. Die Kühlleistung kann dadurch sichergestellt werden. Falls das Kühlmedium eine Isolierplatte wie beispielsweise Luft oder ein isolierendes Fluid ist, kann die Isolierplatte 4 entfernt werden, und das Halbleiterelement 1 und das Schaltungsmuster 5 können auf der Kühlrippe 9 vorgesehen werden.
  • Vorzugsweise wird eine Oberflächenbehandlung zum Erhöhen der Festigkeit der Verbindung mit dem Verbindungsmaterial 13 an der Unterseite des Kunstharzes 10 durchgeführt. Z. B. wird eine Hydrophilisierungsbehandlung zum Aufrauen der Verbindungsfläche durchgeführt.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • 2 ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung. In der Unterseite des Kunstharzes 10 ist eine Ausnehmung 14 vorgesehen, und das Verbindungsmaterial 13 umfließt in die Ausnehmung 14, um einen Anker zu bilden. Die Verbindungsfläche wird dadurch vergrößert, so dass die Festigkeit der Verbindung verbessert wird. Im Übrigen ist die Konstruktion gleich derjenigen in Ausführungsbeispiel 1.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • 3 ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung auf eine doppelseitige Kühlkonstruktion zum Verbessern des Kühlvermögens angewendet.
  • Eine nachfolgend beschriebene Konstruktion ist zu der Konstruktion von Ausführungsbeispiel 1 hinzugefügt. D. h., eine Kühlrippe 15 ist mit der Oberseite des Halbleiterelements 1 durch die Hochspannungselektrode 8 und eine Isolierplatte 16 verbunden. Ein Kühler 17 hat eine Öffnung 18. Ein Teil der Kühlrippe 15 ragt aus einer Oberseite des Kunstharzes 10 heraus. Die aus dem Kunstharz 10 heraus ragende Kühlrippe 15 ist in die Öffnung 18 des Kühlers 17 eingesetzt. Die Oberseite des Kunstharzes 10 und der Kühler 17 sind miteinander mittels eines Verbindungsmaterials 19 verbunden.
  • Die oberhalb des Halbleiterelements 1 vorgesehene Kühlkonstruktion kann die gleiche Wirkung wie jene der unterhalb des Halbleiterelements 1 vorgesehenen Kühlkonstruktion wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben haben. Eine Verankerungskonstruktion wie jene in Ausführungsbeispiel 2 kann in der Ober- und der Unterseite des Kunstharzes 10 vorgesehen sein.
  • Ausführungsbeispiel 4
  • 3 ist eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung. Eine Kühlrippe 9 besteht aus einer Verbundkonstruktion aus einem isolierenden Keramikmaterial 20 und einem elektrisch leitfähigen Material 21 mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Im Übrigen ist die Konstruktion gleich derjenigen in Ausführungsbeispiel 1.
  • Die Wärmeleitfähigkeit der Kühlrippe 9 kann durch Einbetten des elektrisch leitfähigen Materials 21 in dem Isoliermaterial 20 wie oben beschrieben verbessert werden. Da das elektrisch leitfähige Material 21 von dem Halbleiterelement 1 durch das Isoliermaterial 20 elektrisch isoliert ist, kann die gewünschte Isolation auch sichergestellt werden.
  • In einem in die Öffnung 12 des Kühlers 11 eingesetzten Abschnitt kann das elektrisch leitfähige Material 21 aus dem Isoliermaterial 20 heraus freiliegen. Eine Verbundkonstruktion der Kühlrippe 9 wie beispielsweise jene im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann auch auf die Ausführungsbeispiele 2 und 3 angewendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleiterelement
    4
    Isolierplatte
    9
    Kühlrippe (erster Kühlkörper)
    10
    Kunstharz
    11
    Kühler (erster Kühler)
    12
    Öffnung (erste Öffnung)
    13
    Verbindungsmaterial (erstes Verbindungsmaterial)
    14
    Ausnehmung
    15
    Kühlrippe (zweiter Kühlkörper)
    17
    Kühler (zweiter Kühler)
    18
    Öffnung (zweite Öffnung)
    19
    Verbindungsmaterial (zweites Verbindungsmaterial)
    20
    Isoliermaterial
    21
    leitfähiges Material

Claims (8)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: ein Halbleiterelement; einen mit dem Halbleiterelement verbundenen Kühlkörper; ein das Halbleiterelement verkapselndes Kunstharz; und einen Kühler mit einer Öffnung, wobei ein Teil des Kühlkörpers aus einer Hauptfläche des Kunstharzes heraus ragt, der aus dem Kunstharz heraus ragende Kühlkörper in die Öffnung des Kühlers eingesetzt ist, und die Hauptfläche des Kunstharzes und der Kühler miteinander durch ein Verbindungsmaterial verbunden sind.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Kühler dem Kühlkörper in der Öffnung ein Kühlmedium zuführt.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer Isolierplatte, die zwischen dem Halbleiterelement und dem Kühlkörper vorgesehen ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher eine Oberflächenbehandlung zum Erhöhen einer Festigkeit der Verbindung mit dem Verbindungsmaterial an der Hauptfläche des Kunstharzes durchgeführt ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Oberflächenbehandlung eine Hydrophilisierungsbehandlung zum Aufrauen einer Verbindungsfläche ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher eine Ausnehmung in der Hauptfläche des Kunstharzes vorgesehen ist und das Verbindungmaterial in die Ausnehmung umfließt, um einen Anker zu bilden.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Kühlkörper einen ersten Kühlkörper, der mit einer Unterseite des Halbleiterelements verbunden ist, und einen zweiten Kühlkörper, der mit einer Oberseite des Halbleiterelements verbunden ist, enthält, der Kühler einen ersten Kühler mit einer ersten Öffnung und einen zweiten Kühler mit einer zweiten Öffnung enthält, ein Teil des ersten Kühlkörpers aus einer Unterseite des Kunstharzes heraus ragt, ein Teil des zweiten Kühlkörpers aus einer Oberseite des Kunstharzes heraus ragt, der aus dem Kunstharz heraus ragende erste Kühlkörper in die erste Öffnung des ersten Kühlers eingesetzt ist, der aus dem Kunstharz heraus ragende zweite Kühlkörper in die zweite Öffnung des zweiten Kühlers eingesetzt ist, die Unterseite des Kunstharzes und der erste Kühler miteinander durch ein erstes Verbindungsmaterial verbunden sind, und die Oberseite des Kunstharzes und der zweite Kühler miteinander durch ein zweites Verbindungsmaterial verbunden sind.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher ein Kühlkörper aus einer Verbundkonstruktion besteht, die aus einem Isoliermaterial und einem leitfähigen Material gebildet ist.
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