DE112014007285B4 - Halbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Halbleitermodul (100), aufweisend:- ein Gehäuse (3) mit einem hohlen Abschnitt;- eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Basisplatte (2), die einen ersten Abschnitt (2a), der dem hohlen Abschnitt des Gehäuses (3) zugeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt (2b), der einem Hauptteilabschnitt des Gehäuses (3) zugeordnet ist, aufweist, wobei die Basisplatte (2) über den zweiten Abschnitt (2b) an einer Bodenfläche des Gehäuses (3) befestigt ist;- ein keramisches Isoliersubstrat (7), das an dem ersten Abschnitt (2a) der Basisplatte (2) angeordnet ist;- eine Verdrahtungsstruktur (9), die an dem keramischen Isoliersubstrat (7) angeordnet ist;- ein Halbleiterelement (10a, 10b), das an der Verdrahtungsstruktur (9) angeordnet ist;- eine metallische Verdrahtungsplatte (12), die mit dem Halbleiterelement (10a, 10b) verbunden ist;- ein Abdichtkunstharz (14), das den hohlen Abschnitt des Gehäuses (3) dort abdichtet, wo das keramische Isoliersubstrat (7), die Verdrahtungsstruktur (9), das Halbleiterelement (10a, 10b) und die metallische Verdrahtungsplatte (12) angeordnet sind; und- eine erste reine Aluminiumschicht (8), die zwischen dem ersten Abschnitt (2a) der Basisplatte (2) und dem keramischen Isoliersubstrat (7) angeordnet ist, wobei:- die Verdrahtungsstruktur (9):- eine Aluminiumlegierungsschicht (9b) und- eine zweite reine Aluminiumschicht (9a), die zwischen der Aluminiumlegierungsschicht (9b) und dem keramischen Isoliersubstrat (7) angeordnet ist, aufweist und- ein Verhältnis der Dicke der Verdrahtungsstruktur (9) zu einer Summe der Dicke des ersten Abschnitts (2a) der Basisplatte (2), der Dicke der ersten reinen Aluminiumschicht (8) und einer Dicke eines Hartlotmaterials (nicht weniger als 1,1 und nicht mehr als 1,45) : 1 beträgt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, wie beispielsweise ein Halbleitermodul für eine fahrzeugseitige Anwendung zur Verwendung mit einem daran befestigten Wasserkühlmantel.
  • Technologischer Hintergrund
  • Herkömmliche Halbleitermodule haben ein Problem, dass sich während eines Betriebs eine Basisplatte verzieht, an der ein Halbleiterelement und dergleichen angeordnet ist. Beispielsweise reduziert ein Leistungsmodul, das in Patentdokument 1 beschrieben ist, ein Verziehen einer Basisplatte durch Anordnung einer Metallschicht zwischen zwei Isoliersubstraten, um eine im Wesentlichen symmetrische Struktur auszubilden.
  • Stand der Technik Dokumente
  • Patentdokumente
  • Patentdokument 1: JP 2014 - 165 240 A
  • Nicht-Patentdokument
  • Nicht-Patentdokument 1: Yasuaki Isobe; Keizou Takeuchi; „Corrosion Engineering for Automotive Aluminium Heat Exchangers"; Denso Technical Review, 1999; Vol. 4, No. 2; Seiten 64-71
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Nachteiliger Weise benötigt das in Patentdokument 1 beschriebene Leistungsmodul zwei keramische Isoliersubstrate, um eine Wärmeverformung der Basisplatte zu verhindern, und somit gibt es ein Problem der Erhöhung von Herstellungskosten.
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das oben beschriebene Problem zu lösen, und es ist eine Aufgabe davon, ein Halbleitermodul mit hoher Wärmeabgabe bei geringen Kosten bereitzustellen.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Effekte der Erfindung
  • Bei einem Halbleitermodul gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Basisplatte aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Steifigkeit der Basisplatte. Die Verbesserung der Steifigkeit der Basisplatte ermöglicht es, dass die Basisplatte dünner ausgelegt werden kann, und somit wird der Wärmewiderstand von ihr reduziert, um ihre Wärmeabgabe zu verbessern. Wenn Stiftrippen unter Verwendung einer Aluminiumlegierung mit hervorragender Schmiedbarkeit integral an einer Wärmeabgabeflächenseite der Basisplatte ausgebildet sind, können zudem ein im Wesentlichen zylindrischer Stift mit einer geringen Konizität und ein prismatischer Stift mit einem Oberflächenbereich, der größer als derjenige eines Zylinders ist, ausgebildet werden. Dementsprechend wird das Wärmeübertragungsverhalten der Basisplatte verbessert, um ihre Wärmeabgabe zu verbessern.
  • Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und beiliegende Zeichnungen werden eine Aufgabe, ein Merkmal, einen Aspekt und einen Vorteil der vorliegenden Erfindung definieren.
  • Kurze Beschreibung von Zeichnungen
    • 1 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls und eines Wasserkühlmantels gemäß einem Ausführungsbeispiel 1.
    • 2 ist eine Draufsicht des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsbeispiel 1.
    • 3 ist ein Schaltplan des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsbeispiel 1.
    • 4 ist ein Diagramm, das das Ausmaß des Verzugs einer Basisplatte zeigt, wenn ein Verhältnis der Dicke einer Verdrahtungsstruktur zu der Dicke einer Aluminiumschicht auf einer Isoliersubstratseite bei dem Halbleitermodul gemäß Ausführungsbeispiel 1 verändert wird.
    • 5 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel 2.
    • 6 ist eine Draufsicht des Halbleitermoduls gemäß dem Ausführungsbeispiel 2.
    • 7 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel 3.
    • 8 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel 4.
    • 9 ist eine Draufsicht des Halbleitermoduls gemäß dem Ausführungsbeispiel 4.
    • 10 eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel 5.
    • 11 ist eine Schnittdarstellung des Halbleitermoduls und eines Wasserkühlmantels gemäß dem Ausführungsbeispiel 5.
    • 12 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls gemäß einer vorausgesetzten Technik.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • <Vorausgesetzte Technik>
  • Vor der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die vorausgesetzte Technik zu der vorliegenden Erfindung beschrieben. 12 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls 90 des Stands der Technik. Eine Basisplatte 51, die mit einem Substrat des Halbleitermoduls 90 bei dem Stand der Technik integriert ist, ist durch Verbinden eines keramischen Isoliersubstrats 7 und einer Basisplatte 2 unter Verwendung einer Metallschmelzverbindung ausgebildet. Die Basisplatte 2 ist durch Einbetten eines keramischen Isoliersubstrats 24 für eine Basisplatte als ein Zuschlagstoff in ein reines Aluminiummaterial 23 ausgebildet. Eine Verdrahtungsstruktur 9 ist an der mit einem Substrat integrierten Basisplatte 51 vorhanden, und Halbleiterelemente 10a und 10b, eine metallische Verdrahtungsplatte 12 und dergleichen sind über ein Lotmaterial 11 mit der Verdrahtungsstruktur 9 verbunden. Das Innere eines Gehäuses 3 ist mit einem Abdichtkunstharz 14 abgedichtet. Zusätzlich ist eine Vielzahl von Stiftrippen 2c an einer Wärmeabgabefläche der Basisplatte 2 vorhanden.
  • Bei dem Halbleitermodul 90, das bei dem Stand der Technik eine mit einem Substrat integrierte Basisplatte 51 verwendet, ist das keramische Isoliersubstrat 24 für eine Basisplatte auf einer Wärmeabgabeflächenseite als ein Zuschlagstoff in die Basisplatte 2 eingebettet, um mit dem keramischen Isoliersubstrat 7 ausbalanciert zu sein, wodurch ein Verzug aufgrund einer Temperaturänderung unterdrückt wird. Zusätzlich wird das reine Aluminiummaterial 23 für die Basisplatte 2 verwendet, um das keramische Isoliersubstrat 7 davon abzuhalten, zu brechen, wenn ein Verzug unterdrückt wird.
  • Das keramische Isoliersubstrat 7, das keramische Isoliersubstrat 24 für eine Basisplatte und das reine Aluminiummaterial 23 sind unter Verwendung eines Gießverfahrens, das Metallschmelzverbinden genannt wird, verbunden, um die mit einem Substrat integrierte Basisplatte 51 herzustellen.
  • Das Halbleitermodul 90 ist über Bolzen 5 an einem Wasserkühlmantel 4 befestigt. Ein O-Ring 6 ist zwischen der Basisplatte 2 und dem Wasserkühlmantel 4 angeordnet, um eine Kühlmittelleckage zu verhindern.
  • Bei dem Stand der Technik ist eine Obergrenze eines Schraubenanziehmoments für den Wasserkühlmantel 4 eingeschränkt. Zudem ist die Größe und Form (wie beispielsweise eine zum Gießen erforderliche große Konizität) der Stiftrippe 2c eingeschränkt. Des Weiteren ist das keramische Isoliersubstrat 24 für eine Basisplatte mit im Wesentlichen derselben Größe und derselben Art wie diejenige des keramischen Isoliersubstrats 7 erforderlich, um eine Wärmeverformung der Basisplatte 2 zu verhindern, und somit ist ein Problem der Erhöhung von Kosten gegeben. Nachfolgende Ausführungsbeispiele lösen die oben beschriebenen Probleme.
  • <Ausführungsbeispiel 1>
  • 1 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls 100 und eines Wasserkühlmantels 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1. 2 ist eine Draufsicht des Halbleitermoduls 100. 3 ist zusätzlich ein Schaltbild, das eine Verdrahtung zwischen Halbleiterelementen 10a und 10b des Halbleitermoduls 100 zeigt. In 2 ist ein Abdichtkunstharz 14 nicht gezeigt.
  • Das Halbleitermodul 100 umfasst ein Gehäuse mit einem hohlen Abschnitt 3, eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Basisplatte 2, ein keramisches Isoliersubstrat 7, eine Verdrahtungsstruktur 9, die Halbleiterelemente 10a und 10b und metallische Verdrahtungsplatten 12. Das Halbleitermodul 100 umfasst zudem ein Abdichtkunstharz 14, das den hohlen Abschnitt des Gehäuses 3 abdichtet.
  • Die Grundplatte 2 umfasst einen ersten Abschnitt 2a, einen zweiten Abschnitt 2b und eine Vielzahl von Stiftrippen 2c. Der erste Abschnitt 2a ist dem hohlen Abschnitt des Gehäuses 3 zugeordnet. Der zweite Abschnitt 2b ist einem Hauptteilabschnitt des Gehäuses 3 zugeordnet. Die Basisplatte 2 ist über den zweiten Abschnitt 2b an einer Bodenfläche des Gehäuses 3 befestigt. Die Stiftrippen 2c sind eine Vielzahl von zylindrischen Stiftrippen, die an einer Fläche auf einer Seite des Wasserkühlmantels 4 des ersten Abschnitts 2a vorhanden sind.
  • Eine Dicke des zweiten Abschnitts 2b ist größer als diejenige des ersten Abschnitts 2a. Beispielsweise betragen die Dicken des ersten und zweiten Abschnitts 0,6 mm bzw. 4 mm.
  • Das keramische Isoliersubstrat 7 ist an dem ersten Abschnitt 2a an der Basisplatte 2 vorhanden, mit einer ersten reinen Aluminiumschicht 8 dazwischen angeordnet. Das keramische Isoliersubstrat 7 ist beispielsweise aus Si3N4 oder AIN hergestellt. Die Verdrahtungsstruktur 9 ist an einer Oberfläche des keramischen Isoliersubstrats 7 vorhanden.
  • Die Verdrahtungsstruktur 9 ist aus zweiten reinen Aluminiumschichten 9a von unteren Schichten und Aluminiumlegierungsschichten 9b von oberen Schichten gebildet. Ein Ni-Plattieren wird auf einer Oberfläche von jeder der Aluminiumlegierungsschichten 9b angewendet. Die Halbleiterelemente 10a und 10b sind mit einem Lotmaterial 11 an die Aluminiumlegierungsschichten 9b angeschlossen. Oberseitenelektroden der jeweiligen Halbleiterelemente 10a und 10b und die Elektroden und die Aluminiumlegierungsschichten 9b der Verdrahtungsstruktur sind unter Verwendung des Lotmaterials 11 über die zugehörigen metallischen Verdrahtungsplatten 12 angeschlossen. Das Material der metallischen Verdrahtungsplatte 12 ist beispielsweise Kupfer.
  • Das Halbleiterelement 10a ist beispielsweise ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Das Halbleiterelement 10b ist beispielsweise eine Freilaufdiode (FWD). Die Halbleiterelemente 10a und 10b können jeweils beispielsweise ein Halbleiterelement mit einer breiten Bandlücke mit einem Material aus SiC oder GaN sein.
  • Löcher sind an einem äußeren Randabschnitt des Gehäuses 3 vorhanden, um das Halbleitermodul 1 zu fixieren. Eine aus Metall (z.B. Fe) hergestellte Manschette 3a ist in jedes der Löcher eingefügt. Das Halbleitermodul 1 ist über Bolzen 5 an dem Wasserkühlmantel 4 befestigt. Ein O-Ring 6, der in eine Nut des Wasserkühlmantels 4 eingefügt ist, wird durch eine Kraft gequetscht, die den zweiten Abschnitt 2b der Basisplatte 2 zusammendrückt und die über eine Sitzfläche der Manschette 3a durch jeden der Bolzen 5 erzeugt wird, und eine Lücke zwischen dem Halbleitermodul 100 und dem Wasserkühlmantel 4 ist abgedichtet.
  • Als ein Material für die Basisplatte 2 wird eine Aluminiumlegierung (z.B. A3003-Material oder A6063-Material) mit einem hohen Widerstand gegenüber plastischer Verformung und einer hohen Korrosionsbeständigkeit verwendet. Die Dicke des zweiten Abschnitts 2b der Basisplatte 2 ist vorzugsweise innerhalb eines Bereichs dicker, in dem der zweite Abschnitt 2b gleichzeitig mit dem ersten Abschnitt 2a (mit einer Dicke von 0,6 mm) durch eine Schmiedeverarbeitung ausgebildet werden kann, und wird somit auf etwa 4 mm festgelegt.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 1 beziehen sich Aluminiumschichten auf einer Isoliersubstratseite auf die erste reine Aluminiumschicht 8 und den ersten Abschnitt 2a der Basisplatte 2. Dicken der Aluminiumschichten auf der Isoliersubstratseite beziehen sich auf eine Summe aus einer Dicke der ersten reinen Aluminiumschicht 8, einer Dicke des ersten Abschnitts 2a der Basisplatte 2 und einer Dicke eines Hartlotmaterials. Zudem bezieht sich eine Dicke der Verdrahtungsstruktur 9 auf eine Summe aus einer Dicke der zweiten reinen Aluminiumschicht 9a und einer Dicke der Aluminiumlegierungsschicht 9b.
  • 4 ist ein Diagramm, das das Ausmaß des Verzugs der Basisplatte 2 zeigt, der durch Erwärmen verursacht wird, wenn ein Verhältnis der Dicke der Verdrahtungsstruktur 9 zu der Dicke der Aluminiumschicht auf der Isoliersubstratseite geändert wird. Hierbei bedeutet das Erwärmen eine Erwärmung von 25°C auf 250°C. Ergebnisse von 4 sind unter Verwendung einer Simulationsanalyse berechnet.
  • Wie 4 entnommen werden kann, ist das Ausmaß des Verzugs innerhalb eines Bereichs von ± 0,2 mm reduziert, wenn die Dicke der Verdrahtungsstruktur 9 auf nicht weniger als 1,1-mal und nicht mehr als 1,45-mal der Dicke der Aluminiumschicht auf der Isoliersubstratseite festgelegt ist. Der Wärmewiderstand der Basisplatte ist zu dieser Zeit festgelegt durch eine Dicke von Aluminium des keramischen Isoliersubstrats 7 auf einer Wärmeabgabeflächenseite (Dicke der ersten reinen Aluminiumschicht 8 und des ersten Abschnitts 2a der Basisplatte 2).
  • Wenn ein Verhältnis der Dicke der Verdrahtungsstruktur 9 zu der Dicke der Aluminiumschicht auf der Isoliersubstratseite optimiert wird und das Ausmaß des Verzugs der mit einem Substrat integrierten Basisplatte 51 auf etwa 0,1 mm reduziert wird, erhöht sich die Belastung des keramischen Isoliersubstrats 7, so dass ein Substratbruch auftreten kann. Um den Substratbruch zu verhindern, sind die zweite und die erste reine Aluminiumschicht 9a und 8 jeweils in obere und untere Schichten des keramischen Isoliersubstrats 7 eingefügt.
  • Hierbei stellt die reine Aluminiumschicht eine Schicht dar, die aus Aluminium mit einer Reinheit von 99,99% oder mehr hergestellt ist. Das reine Aluminium hat eine plastische Beanspruchung um 50% bis 70% geringer als diejenige einer Aluminiumlegierung. Die erste und die zweite reine Aluminiumschicht 8 und 9a haben jeweils eine Dicke von etwa 0,6 mm.
  • Da der erste Abschnitt 2a der Basisplatte 2 in seiner Dicke reduziert ist, kann der Wärmewiderstand reduziert werden. Wie beispielsweise beschrieben in den technischen Daten von Denso Corp., die sich auf eine Antikorrosionstechnik eines Wärmetauschers, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist beziehen (bezogen auf Nicht-Patentdokument 1), gibt es einen Bericht, in dem Fremdstoffe (z.B. ein Chlorion und ein Sulfation) in einem Kühlmittel verursachen, dass das A3003-Material eine Lochkorrosion von 0,4 mm aufweist. Daher benötigt der erste Abschnitt 2a der Basisplatte 2 eine minimale Dicke 0,5 mm und vorzugsweise diejenige von 0,6 mm.
  • Ein äußerer Randabschnitt des zweiten Abschnitts 2b der Basisplatte 2 des Halbleitermoduls 1 und das Gehäuse 3 sind mit einem Klebstoff 13 fixiert. Das Füllen des Inneren des Gehäuses 3 mit dem Abdichtkunstharz 14 schafft eine Kunstharzabdichtung des keramischen Isoliersubstrats 7, der Verdrahtungsstruktur 9, des Lotmaterials 11, der Halbleiterelemente 10a und 10b und der metallischen Verdrahtungsplatte 12.
  • Wenn das Halbleitermodul 100 an dem Wasserkühlmantel 4 fixiert ist und gekühlt wird, wird ein Wasserdruck (von 0,5 MPa bis 1,0 MPa) an eine untere Oberflächenseite des ersten Abschnitts 2a der Basisplatte 2 angelegt. In einem Abschnitt (mit einer Dicke von 0,6 mm), der nicht mit dem keramischen Isoliersubstrat 7 des ersten Abschnitts 2a der Basisplatte 2 verbunden ist, kann ein Bruch oder ein Loch aufgrund der wiederholten Verformung und Lochkorrosion auftreten. Dann kann ein Kühlmittel über den Bruch oder das Loch in das Gehäuse 3 eintreten.
  • Wenn der Wasserdruck (0,5 MPa bis 1,0 MPa) an einen Bereich (etwas 65 mm x 65 mm) des ersten Abschnitts 2a der Basisplatte 2 angelegt wird, tritt bei einer vereinfachten Berechnung eine Belastung von etwa 30 MPa in einem Endabschnitt (mit einer Dicke von 0,6 mm) auf, in dem der erste Abschnitt 2a der Basisplatte 2 und die erste reine Aluminiumschicht 8 nicht hartgelötet sind. Daher ist es wünschenswert, das Innere des Gehäuses 3 mit dem Abdichtkunstharz 14 mit dem Young-Modul von 100 MPa und mehr abzudichten. Um ein Verformungsausmaß an der Verdrahtungsstruktur 9 beim Erwärmen (250°C) auf etwa 0,1 mm oder weniger zu reduzieren, benötigt zudem die mit einem Substrat integrierte Basisplatte 51, an die die Halbleiterelemente 10a und 10b angelötet sind, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 10 ppm/°C. Dementsprechend ist es wünschenswert, dass das Abdichtkunstharz 14 einen Längenausdehnungskoeffizienten von nicht weniger als 6 ppm/°C und nicht mehr als 16 ppm/°C nahe zu diesem Längenausdehnungskoeffizienten hat.
  • <Effekt>
  • Das Halbleitermodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1 umfasst: Das Gehäuse mit einem hohlen Abschnitt 3; die aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Basisplatte 2, die einen ersten Abschnitt 2a, der dem hohlen Abschnitt des Gehäuses 3 zugeordnet ist; und einen zweiten Abschnitt 2b, der einem Hauptteilabschnitt des Gehäuses 3 zugeordnet ist, aufweist, wobei die Basisplatte 2 über den zweiten Abschnitt 2b an einer Bodenfläche des Gehäuses 3 befestigt ist; das an dem ersten Abschnitt 2a der Basisplatte 2 angeordnete keramische Isoliersubstrat 7; die an dem keramischen Isoliersubstrat 7 angeordnete Verdrahtungsstruktur 9; die an der Verdrahtungsstruktur 9 angeordneten Halbleiterelemente 10a und 10b; die mit den Halbleiterelementen 10a und 10b verbundenen metallischen Verdrahtungsplatten 12; und das Abdichtkunstharz 14, das den hohlen Abschnitt des Gehäuses 3 dort abdichtet, wo das keramische Isoliersubstrat 7, die Verdrahtungsstruktur 9, die Halbleiterelemente 10a und 10b und die metallischen Verdrahtungsplatten 12 angeordnet sind.
  • Bei dem Halbleitermodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1 ist die Basisplatte 2 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Steifigkeit der Basisplatte 2. Das Verbessern der Steifigkeit der Basisplatte 2 ermöglicht es, die Basisplatte 2 dünner zu gestalten, und somit wird ihr Wärmewiderstand reduziert, um ihre Wärmeabgabe zu verbessern. Zudem können ein im Wesentlichen zylindrischer Stift mit einer geringen Konizität und ein prismatischer Stift mit einem Oberflächenbereich, der größer ist als derjenige eines Zylinders, unter Verwendung einer Aluminiumlegierung mit hervorragender Schmiedbarkeit an der Basisplatte 2 als die Stiftrippe 2c ausgebildet werden, und somit wird das Wärmeübertragungsverhalten der Basisplatte 2 verbessert, um ihre Wärmeabgabe zu verbessern.
  • Das Halbleitermodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1 umfasst zudem die erste reine Aluminiumschicht 8, die zwischen dem ersten Abschnitt 2a der Basisplatte 2 und dem keramischen Isoliersubstrat 7 angeordnet ist, und die Verdrahtungsstruktur 9 umfasst die Aluminiumlegierungsschichten 9b und die zweiten reinen Aluminiumlegierungsschichten 9a, die zwischen den Aluminiumlegierungsschichten 9b und dem keramischen Isoliersubstrat 7 angeordnet sind.
  • Somit kann das keramische Isoliersubstrat 7 durch Einfügen der Oberseite und der Unterseite des keramischen Isoliersubstrats 7 zwischen die erste und zweite reine Aluminiumschicht 9a und 8 mit einer plastischen Beanspruchung, die geringer als eine Aluminiumlegierung ist, davon abgehalten werden, zu brechen.
  • Bei dem Halbleitermodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1 ist die Dicke des zweiten Abschnitts 2b der Basisplatte 2 größer als diejenige des ersten Abschnitts 2a.
  • Somit kann, wenn das Halbleitermodul 100 an dem Wasserkühlmantel 4 befestigt wird, das Schraubenanziehmoment erhöht werden, indem die Dicke des zweiten Abschnitts 2b der Basisplatte 2, der nicht die Wärmeabgabe beeinflusst, größer gemacht wird als die Dicke des ersten Abschnitts 2a.
  • Bei dem Halbleitermodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1 beträgt die Dicke des ersten Abschnitts 2a der Basisplatte 2 0,5 mm oder mehr.
  • Es existiert ein Bericht, in dem Fremdstoffe (z.B. ein Chlorion und ein Sulfation) in einem Kühlmittel verursachen, dass das A3003-Material eine Lochkorrosion von 0,4 mm aufweist. Daher benötigt der erste Abschnitt 2a der Basisplatte 2 eine minimale Dicke von 0,5 mm. Eine Abnahme in der Dicke der Basisplatte 2 hat einen Vorteil bezüglich der Wärmeabgabe.
  • Des Weiteren beträgt bei dem Halbleitermodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1 ein Verhältnis der Dicke der Verdrahtungsstruktur 9 zu der Dicke der Basisplatte 2 und der ersten reinen Aluminiumschicht 8 (nicht weniger als 1,1 und nicht mehr als 1,45): 1.
  • Somit kann das Ausmaß des Verzugs der Basisplatte 2 innerhalb von etwa 0,2 mm gebracht werden, indem ein Verhältnis der Dicke der Verdrahtungsstruktur 9 zu der Dicke der Basisplatte 2 und der ersten reinen Aluminiumschicht 8 innerhalb des obigen Bereichs festgelegt wird. Zusätzlich kann ein Verzug des gesamten Halbleitermoduls 100 reduziert werden.
  • Des Weiteren ist bei dem Halbleitermodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1 eine Aluminiumlegierung der Basisplatte 2 eine Al-Mn-basierte Aluminiumlegierung oder eine Al-Si-Mg-basierte Aluminiumlegierung.
  • Somit kann ein im Wesentlichen zylindrischer Stift mit einer geringen Konizität und ein prismatischer Stift mit einem Oberflächenbereich, der größer als derjenige eines Zylinders ist, an der Basisplatte 2 als die Stiftrippe 2c unter Verwendung einer Aluminiumlegierung mit hervorragender Schmiedbarkeit, wie beispielsweise eine Al-Mn-basierte Legierung oder Al-Si-Mg-basierte Legierung, als Material der Basisplatte 2 ausgebildet werden, und somit kann das Wärmeübertragungsverhalten der Basisplatte 2 verbessert werden, um ihre Wärmeabgabe zu verbessern.
  • Bei dem Halbleitermodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1 hat das Abdichtkunstharz 14 zudem ein Young-Modul von 100 MPa oder mehr, und ein Längenausdehnungskoeffizient ist nicht geringer als 6 ppm/°C und nicht höher als 16 ppm/°C.
  • Somit kann die Verformung des Halbleitermoduls 100 aufgrund des Wasserdrucks, der von ihrer Seite des Wasserkühlmantels 4 aufgenommen wird, unterdrückt werden, indem ein Young-Modul des Abdichtkunstharzes 14 auf 100 MPa oder mehr festgelegt wird.
  • Bei dem Halbleitermodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 1 sind die Halbleiterelemente 10a und 10b zudem jeweils ein Halbleiterelement mit breiter Bandlücke.
  • Da das Halbleitermodul 100, das die Aluminiumlegierungsschicht 9b als die Verdrahtungsstruktur 9 umfasst, geeignet ist, bei einer hohen Temperatur betrieben zu werden, ist dementsprechend die Montage eines Halbleiterelements mit breiter Bandlücke, das bei einer hohen Temperatur arbeitet, besonders effektiv.
  • <Ausführungsbeispiel 2>
  • 5 und 6 sind eine Schnittdarstellung bzw. eine Draufsicht eines Halbleitermoduls 200 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 2. Es wird angemerkt, dass in 6 ein Abdichtkunstharz 14 nicht gezeigt ist.
  • Bei dem Halbleitermodul 200 sind Nuten 2d in einem Bereich in einer Oberseite des ersten Abschnitts 2a der Basisplatte 2 vorhanden, wobei der Bereich nicht mit einem keramischen Isoliersubstrat 7 verbunden ist. Wenn das Innere eines Gehäuses 3 mit dem Abdichtkunstharz 14 gefüllt wird, werden ebenso die Nuten 2d mit dem Abdichtkunstharz gefüllt. Das Abdichtkunstharz 14, das in die Nuten 2d eintritt, erhöht die Haftung zwischen der Basisplatte 2 und dem Abdichtkunstharz 14.
  • Wie in 6 gezeigt, sind in einer Draufsicht eine Vielzahl von Nuten 2d intermittierend entlang eines äußeren Rands des keramischen Isoliersubstrats 7 vorhanden. Ein Anordnungsmuster der Nuten 2d ist nicht auf dasjenige von 6 eingeschränkt, und das Bereitstellen der Nut 2d an wenigstens einem Ort ermöglicht es, dass der oben beschriebene Effekt erreicht wird. Da die übrige Struktur dieselbe ist wie diejenige von Ausführungsbeispiel 1 (1 und 2), wird eine Beschreibung davon weggelassen.
  • <Effekt>
  • Bei dem Halbleitermodul 200 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 2 umfasst die Basisplatte 2 die Nuten 2d entlang des äußeren Rands des keramischen Isoliersubstrats 7 in einer Oberfläche des ersten Abschnitts 2a, an der das keramische Isoliersubstrat 7 angeordnet ist.
  • Ein Abschnitt des ersten Abschnitts 2a der Basisplatte 2 entlang des äußeren Rands des keramischen Isoliersubstrats 7 hat eine große Differenz zwischen Längenausdehnungskoeffizienten einer ersten reinen Aluminiumschicht 8 und des Abdichtkunstharzes 14. Daher kann der Abschnitt ein Anfangspunkt bezüglich des Auftretens einer Ablösung des Abdichtkunstharzes 14 sein. Wenn sich das Ablösen in einer Grenzfläche zwischen dem Abdichtkunstharz 14 und dem keramischen Isoliersubstrat 7 entwickelt, kann das Ablösen eine Verschlechterung der dielektrischen Spannung oder einen Substratbruch verursachen. Die Erhöhung der Haftung zwischen der Basisplatte 2 und dem Abdichtkunstharz 14 durch Bereitstellen der Nuten 2d in dem Abschnitt, der ein Anfangspunkt der Ablösung ist, verbessert die Sicherheit eines Temperaturzyklus und dergleichen.
  • <Ausführungsbeispiel 3>
  • 7 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls 300 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 3. Bei dem Halbleitermodul 300 ist eine Nut 2e in einer Oberseite eines zweites Abschnitts 2b einer Basisplatte 2 vorhanden. Zusätzlich ist eine Nut 3a in einem Abschnitt eines Gehäuses 3, der der Nut 2e zugewandt ist, vorhanden. Die Nut 2e und die Nut 3a öffnen sich zu einem hohlen Abschnitt des Gehäuses 3. Das heißt, die Nut 2e und die Nut 3a sind mit dem hohlen Abschnitt des Gehäuses 3 verbunden.
  • Die Nuten 2e und 3a sind mit einem Abdichtkunstharz 14 gefüllt. Das Gehäuse 3 und die Basisplatte 2 sind mit dem Abdichtkunstharz 14 verbunden, das in die Nuten 2e und 3a gefüllt ist. Da die übrige Struktur dieselbe ist wie diejenige von Ausführungsbeispiel 1, wird eine Beschreibung davon weggelassen.
  • <Effekt>
  • Das Halbleitermodul 300 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 3 umfasst zudem die Nuten 3a und 2e, die an einem zugewandten Abschnitt vorhanden sind, in dem ein Hauptteilabschnitt des Gehäuses 3 und der zweite Abschnitt 2b der Basisplatte 2 einander zugewandt sind und der dem Hauptteilabschnitt zugewandt ist, wobei die Nuten 3a und 2e sich zu dem hohlen Abschnitt 3 öffnen.
  • Wenn eine Vakuumentgasung in einem Zustand durchgeführt wird, in dem das Abdichtkunstharz 14 in das Gehäuse 3 eingegossen wird, tritt somit das Abdichtkunstharz 14 in die Nut 2e und die Nut 3a ein, und somit können das Gehäuse 3 und die Basisplatte 2 miteinander verbunden werden. Wie oben beschrieben, ist das vorliegende Ausführungsbeispiel 3 mit den Nuten 2e und 3a versehen, um es dem Abdichtkunstharz zu erlauben, in die Nuten einzutreten, um das Gehäuse 3 und die Basisplatte 2 miteinander zu verbinden, und somit sind der Klebstoff 13 und ein Schritt zum Verbinden des Gehäuses 3 und der Basisplatte 2 mit dem Klebstoff 13 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 (1) überflüssig.
  • <Ausführungsbeispiel 4>
  • 8 und 9 sind eine Schnittdarstellung bzw. eine Draufsicht eines Halbleitermoduls 400 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 4. Es wird angemerkt, dass in 9 ein Abdichtkunstharz 14 nicht gezeigt ist.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 4 ist ein keramisches Isoliersubstrat 7 aus einer Vielzahl von Isoliersubstraten gebildet, die erste und zweite keramische Isoliersubstrate 7a und 7b umfassen (es ist in 9 aus sechs Isoliersubstraten gebildet).
  • In einer Seite eines ersten Abschnitts 2a einer Basisplatte 2 ist an einer Seite, wo das keramische Isoliersubstrat 7 angekoppelt ist, ein Balkenabschnitt 2f in einer Draufsicht zwischen jedem der Vielzahl von Isoliersubstraten vorhanden. Wie in 8 gezeigt, ist der Balkenabschnitt 2f beispielsweise zwischen dem ersten und zweiten keramischen Isoliersubstrat 7a und 7b vorhanden. Da die übrige Struktur dieselbe ist wie diejenige von Ausführungsbeispiel 1, wird eine Beschreibung davon weggelassen.
  • <Effekt>
  • Bei dem Halbleitermodul 400 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 4 umfasst das keramische Isoliersubstrat 7 das erste und zweite keramische Isoliersubstrat 7a und 7b und umfasst des Weiteren einen Balkenabschnitt 2f, der zwischen dem ersten und zweiten keramischen Isoliersubstrat 7a und 7b an der Basisplatte 2 angeordnet ist.
  • Somit erhöht sich die Steifigkeit der Basisplatte 2 aufgrund der Bereitstellung des Balkenabschnitts 2f an der Basisplatte 2. Da das keramische Isoliersubstrat 7 in eine Vielzahl von schmalen keramischen Isoliersubstraten aufgeteilt ist, wird zudem die von den einzelnen keramischen Isoliersubstraten aufgenommene Belastung reduziert, und somit wird ein Bereich zur Wahl eines Young-Moduls und eines Längenausdehnungskoeffizienten, der für das Abdichtkunstharz 14 erforderlich ist, erweitert. Dementsprechend wird ein kostengünstigerer Abdichtkunstharz 14 verfügbar.
  • <Ausführungsbeispiel 5>
  • 10 ist eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls 500 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 5. 11 ist eine Schnittdarstellung einer Struktur, bei der ein Wasserkühlmantel 4 an dem Halbleitermodul 500 befestigt ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel 1 (Halbleitermodul 100) ist das Material der Basisplatte 2 eine Aluminiumlegierung. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 1 ist zudem die Verdrahtungsstruktur 9 aus der zweiten reinen Aluminiumschicht 9a und der Aluminiumlegierungssicht 9b gebildet.
  • Demgegenüber ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 5 eine Basisplatte 2 aus einem Plattiermaterial aus einer Kupferlegierungsschicht 21 und einer Aluminiumlegierungsschicht 22 gebildet. Zudem ist eine Verdrahtungsstruktur 9 aus einer zweiten reinen Aluminiumschicht 9a und einer Kupferlegierungsschicht 9c gebildet.
  • Bei der Basisplatte 2 wird zur Korrosionskontrolle von Kupfer die Aluminiumlegierungsschicht 22 für eine Seite verwendet, mit der ein Kühlmittel in dem Wasserkühlmantel 4 in Kontakt gebracht wird. Die Kupferlegierungsschicht 21 der Basisplatte 2 und die Kupferlegierungsschicht 9c der Verdrahtungsstruktur 9 sind vorgesehen, um eine Beanspruchung der Oberseite und der Unterseite des keramischen Isoliersubstrats 7 auszubalancieren.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 5 ist die Basisplatte 2 aus einem Plattiermaterial gebildet. Da ein Plattiermaterial, das aus Stabmaterial hergestellt ist, günstiger ist, ist die Basisplatte 2 nicht mit einer Stiftrippe 2c versehen, und eine Rippe 4a ist auf einer Seite des Wasserkühlmantels 4 vorhanden. Da die übrige Struktur dieselbe ist wie diejenige von Ausführungsbeispiel 1, wird eine Beschreibung davon weggelassen.
  • <Effekt>
  • Bei dem Halbleitermodul 500 des vorliegenden Ausführungsbeispiels 5 umfasst die Verdrahtungsstruktur 9 die Kupferlegierungsschicht 9c statt der Aluminiumlegierungsschicht 9b, und die Basisplatte 2 ist aus einem Plattiermaterial aus der Aluminiumlegierungsschicht 22 und der Kupferlegierungsschicht 21 statt aus einer Aluminiumlegierung gebildet.
  • Somit kann gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 5 ein Übergangswärmewiderstand durch Bereitstellen der Kupferlegierungsschicht 9c und der Kupferlegierungsschicht 21 in unteren Schichten der Halbleiterelemente 10a und 10b reduziert werden. Kupfer hat eine Rekristallisationstemperatur, die höher als diejenige von Aluminium ist, und somit können die Halbleiterelemente 10a und 10b bei einer hohen Temperatur verwendet werden, wenn ein SiC-Halbleiterelement, das für einen Hochtemperaturbetrieb geeignet ist, oder dergleichen als die Halbleiterelemente 10a und 10b montiert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Basisplatte
    2a
    erster Abschnitt
    2b
    zweiter Abschnitt
    2c
    Stiftrippe
    2d, 2e, 3a
    Nut
    2f
    Balkenabschnitt
    3
    Gehäuse
    3a
    Manschette
    4
    Wasserkühlmantel
    5
    Bolzen
    6
    O-Ring
    7
    keramisches Isoliersubstrat
    7a
    erstes keramisches Isoliersubstrat
    7b
    zweites keramisches Isoliersubstrat
    8
    erste reine Aluminiumschicht
    9
    Verdrahtungsstruktur
    9a
    zweite reine Aluminiumschicht
    9b
    Aluminiumlegierungsschicht
    10a, 10b
    Halbleiterelement
    11
    Lotmaterial
    12
    Verdrahtungsplatte
    13
    Klebstoff
    14
    Abdichtkunstharz
    21
    Kupferlegierungsschicht
    22
    Aluminiumlegierungsschicht
    23
    reines Aluminiummaterial
    24
    keramisches Isoliersubstrat für Basisplatte
    51
    Basisplatte integriert mit Substrat
    90, 100, 200, 300, 400, 500
    Halbleitermodul

Claims (9)

  1. Halbleitermodul (100), aufweisend: - ein Gehäuse (3) mit einem hohlen Abschnitt; - eine aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Basisplatte (2), die einen ersten Abschnitt (2a), der dem hohlen Abschnitt des Gehäuses (3) zugeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt (2b), der einem Hauptteilabschnitt des Gehäuses (3) zugeordnet ist, aufweist, wobei die Basisplatte (2) über den zweiten Abschnitt (2b) an einer Bodenfläche des Gehäuses (3) befestigt ist; - ein keramisches Isoliersubstrat (7), das an dem ersten Abschnitt (2a) der Basisplatte (2) angeordnet ist; - eine Verdrahtungsstruktur (9), die an dem keramischen Isoliersubstrat (7) angeordnet ist; - ein Halbleiterelement (10a, 10b), das an der Verdrahtungsstruktur (9) angeordnet ist; - eine metallische Verdrahtungsplatte (12), die mit dem Halbleiterelement (10a, 10b) verbunden ist; - ein Abdichtkunstharz (14), das den hohlen Abschnitt des Gehäuses (3) dort abdichtet, wo das keramische Isoliersubstrat (7), die Verdrahtungsstruktur (9), das Halbleiterelement (10a, 10b) und die metallische Verdrahtungsplatte (12) angeordnet sind; und - eine erste reine Aluminiumschicht (8), die zwischen dem ersten Abschnitt (2a) der Basisplatte (2) und dem keramischen Isoliersubstrat (7) angeordnet ist, wobei: - die Verdrahtungsstruktur (9): - eine Aluminiumlegierungsschicht (9b) und - eine zweite reine Aluminiumschicht (9a), die zwischen der Aluminiumlegierungsschicht (9b) und dem keramischen Isoliersubstrat (7) angeordnet ist, aufweist und - ein Verhältnis der Dicke der Verdrahtungsstruktur (9) zu einer Summe der Dicke des ersten Abschnitts (2a) der Basisplatte (2), der Dicke der ersten reinen Aluminiumschicht (8) und einer Dicke eines Hartlotmaterials (nicht weniger als 1,1 und nicht mehr als 1,45) : 1 beträgt.
  2. Halbleitermodul (100) nach Anspruch 1, wobei eine Dicke des zweiten Abschnitts (2b) der Basisplatte (2) größer ist als eine Dicke des ersten Abschnitts (2a).
  3. Halbleitermodul (100) nach Anspruch 1, wobei die Dicke des ersten Abschnitts (2a) der Basisplatte (2) 0,5 mm oder mehr beträgt.
  4. Halbleitermodul (100) nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung der Basisplatte (2) eine Al-Mn-basierte Aluminiumlegierung oder eine Al-Si-Mg-basierte Aluminiumlegierung ist.
  5. Halbleitermodul (100) nach Anspruch 1, wobei das Abdichtkunstharz (14) ein Young-Modul von 100 MPa oder mehr und einen Längenausdehnungskoeffizienten von nicht weniger als 6 ppm/°C und nicht mehr als 16 ppm/°C aufweist.
  6. Halbleitermodul (200) nach Anspruch 1, wobei die Basisplatte (2) eine Nut (2d) entlang eines äußeren Rands des keramischen Isoliersubstrats (7) in einer Oberfläche des ersten Abschnitts (2a), an der das keramische Isoliersubstrat (7) angeordnet ist, aufweist.
  7. Halbleitermodul (300) nach Anspruch 1, weiter aufweisend: eine Nut (3b, 2e), die in einem zugewandten Abschnitt vorhanden ist, in dem ein Hauptteilabschnitt des Gehäuses (3) und der zweite Abschnitt (2b) der Basisplatte (2) einander zugewandt sind, wobei sich die Nut (3b, 2e) zu dem hohlen Abschnitt des Gehäuses (3) öffnet.
  8. Halbleitermodul (400) nach Anspruch 1, wobei das keramische Isoliersubstrat (7) ein erstes und ein zweites keramisches Isoliersubstrat (7a, 7b) aufweist, und das Halbleitermodul des Weiteren einen Balkenabschnitt (2f) aufweist, der zwischen dem ersten und zweiten keramischen Isoliersubstrat (7a, 7b) an der Basisplatte angeordnet ist.
  9. Halbleitermodul (100) nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterelement (10a, 10b) ein Halbleiterelement mit breiter Bandlücke ist.
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