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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungs-Halbleitereinheit und insbesondere auf eine Leistungs-Halbleitereinheit, die ein isolierendes Substrat, an dem ein Leistungs-Halbleiterelement angebracht ist, sowie eine gedruckte Leiterplatte aufweist, an der eine Hauptschaltung des Leistungs-Halbleiterelements ausgebildet ist.
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STAND DER TECHNIK
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Eine Leistungs-Halbleitereinheit wird zum Steuern einer Stromversorgung von Geräten in einem breiten Bereich von Fachgebieten verwendet, wie beispielsweise bei industriellen Geräten, der elektrischen Eisenbahn und elektrischen Anwendungen. Für die Leistungs-Halbleitereinheit, die bei einem industriellen Gerät anzubringen ist, sind insbesondere eine Verkleinerung, eine hohe Wärmeabführung sowie eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich. Bei der Leistungs-Halbleitereinheit ist in vielen Fällen ein Leistungs-Halbleiterelement, wie beispielsweise ein IGBT und eine FwDi an einem isolierenden Substrat mit einer hohen Wärmeabführung angebracht und ist unter Verwendung zum Beispiel eines Aluminium-Drahts mit einer Oberflächenelektrode an dem Leistungs-Halbleiterelement verdrahtet, so dass eine Schaltung gebildet wird.
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Mit einem derartigen Aufbau entstehen Probleme, wie folgt: Eine Verdrahtung wird an dem isolierenden Substrat hergestellt, so dass die Fläche des kostspieligen isolierenden Substrats vergrößert wird, was zu einer Erhöhung der Kosten führt; und außerdem wird die äußere Form der Leistungs-Halbleitereinheit vergrößert.
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Um die Leistungs-Halbleitereinheit zu verkleinern, schlägt daher die Technik gemäß der
JP 2012-74 730 A einen Aufbau vor, bei dem ein isolierendes Substrat, an dem ein Halbleiterelement angebracht ist, und eine gedruckte Leiterplatte, die an beiden Oberflächen verdrahtet ist, mittels eines leitfähigen Klebstoffs, wie beispielsweise eines Lots, elektrisch miteinander verbunden sind und in einem Harz-Gehäuse untergebracht sind.
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Ferner betrifft die
DE 10 2006 005 050 A1 eine herkömmliche Leistungs-Halbleitereinheit, bei der eine Extraktionselektrode und deren Verbindungsbereich in ihrer Ausgestaltung Einkerbungen aufweist, um sich der Anordnung der Metallschichten an dem Leistungs-Halbleiterelementen anzupassen.
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Die
JP 2009-64 852 A betrifft eine weitere herkömmliche Leistungs-Halbleitereinheit mit einer gedruckten Leiterplatte, bei der der Verbindungsbereich keine Einkerbungen aufweist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit der Erfindung zu lösende Probleme
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Indessen ist bei einer Leistungs-Halbleitereinheit, die einen hohen Strom mit einer hohen Geschwindigkeit schaltet, das Ausmaß an Wärmeerzeugung hoch, und ein Unterschied der thermischen Ausdehnungen zwischen dem isolierenden Substrat und der gedruckten Leiterplatte wird groß. Infolgedessen tritt zwischen dem Lot und dem Leistungs-Halbleiterelement, die zwischen dem isolierenden Substrat und der gedruckten Leiterplatte vorhanden sind, aufgrund eines Temperaturzyklus eine große thermische Beanspruchung auf.
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Damit ein Strom von 100 A oder mehr zu einer derartigen gedruckten Leiterplatte fließt, an der eine Treiberschaltung für das Leistungs-Halbleiterelement ausgebildet ist, muss darüber hinaus die Dicke einer Leiterschicht aus Kupfer an der gedruckten Leiterplatte gleich 0,1 mm oder größer sein. Infolgedessen wird insbesondere die thermische Beanspruchung, die in einer Lotverbindung zwischen der gedruckten Leiterplatte und dem Leistungs-Halbleiterelement erzeugt wird, zu einem Problem. Um eine langfristige Zuverlässigkeit der Leistungs-Halbleitereinheit sicherzustellen, ist es daher notwendig, Defekte aufgrund dieser thermischen Beanspruchung zu reduzieren.
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Wenngleich die
JP 2012-74 730 A einen Aufbau der Leistungs-Halbleitereinheit beschreibt, der das isolierende Substrat und die gedruckte Leiterplatte verwendet, diskutiert die
JP 2012-74 730 A jedoch nicht ausdrücklich eine Reduktion der thermischen Beanspruchung.
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Die vorliegende Erfindung ist konzipiert worden, um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leistungs-Halbleitereinheit anzugeben, die in der Lage ist, die langfristige Zuverlässigkeit der Leistungs-Halbleitereinheit sicherzustellen.
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Mittel zum Lösen der Probleme
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Leistungs-Halbleitereinheit gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leistungs-Halbleitereinheit sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.
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Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, ist die vorliegende Erfindung folgendermaßen konfiguriert:
- Das heißt, eine Leistungs-Halbleitereinheit gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch charakterisiert, dass sie ein Leistungs-Halbleiterelement sowie eine gedruckte Leiterplatte mit einer Leiterschicht aufweist,
- - wobei eine Elektrode des Leistungs-Halbleiterelements und die Leiterschicht der gedruckten Leiterplatte durch Verwenden eines Lots miteinander verbunden sind,
- - wobei das Leistungs-Halbleiterelement an einer Oberflächenelektrode desselben eine Metallschicht, mit der das Lot verbunden werden soll, sowie eine Schicht aufweist, mit der das Lot nicht verbunden werden soll,
- - wobei eine Mehrzahl der Metallschichten an dem Leistungs-Halbleiterelement angeordnet ist und die Schicht, mit der das Lot nicht verbunden werden soll, in der Mitte des Leistungs-Halbleiterelements angeordnet ist,
- - wobei die Leistungs-Halbleitereinheit ferner Folgendes aufweist:
- - einen Verbindungsbereich, der so konfiguriert ist, dass er einen Teil der Leiterschicht bildet und dass er integral mit der Leiterschicht gebildet ist, und
- - wobei der Verbindungsbereich eine Einkerbung aufweist und die Einkerbung derart angeordnet ist, dass die Einkerbung den Metallschichten an dem Halbleiterelement entspricht.
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Effekte der Erfindung
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Bei der Leistungs-Halbleitereinheit gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Verbindungsbereich enthalten, und dieser Verbindungsbereich weist die Einkerbung auf. Somit ist eine Verbindungsfläche zwischen der Elektrode des Leistungs-Halbleiterelements und der Leiterschicht der gedruckten Leiterplatte kleiner als eine Verbindungsfläche, wenn kein Verbindungsbereich ausgebildet ist.
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Wenn der Temperaturzyklus auf die gesamte Leistungs-Halbleitereinheit wirkt, wird folglich die thermische Beanspruchung, die auf das Lot einwirkt, das zwischen der Elektrode des Leistungs-Halbleiterelements und der Leiterschicht der gedruckten Leiterplatte vorhanden ist, geringer als jene beim Stand der Technik. Infolgedessen kann das Auftreten von Defekten, wie beispielsweise ein Brechen, in dem Lot reduziert werden, und kann sogar verhindert werden, und die langfristige Zuverlässigkeit der Leistungs-Halbleitereinheit kann sichergestellt werden.
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Figurenliste
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In den Figuren sind:
- 1 ein konzeptionelles Schaubild einer Leistungs-Halbleitereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform, das einen Zustand zeigt, in dem ein Leistungs-Halbleiterelement an einem isolierenden Substrat in der Leistungs-Halbleitereinheit angebracht ist;
- 2 ein konzeptionelles Schaubild der in 1 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit;
- 3 ein konzeptionelles Schaubild, das eine Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte, die mittels eines Lots mit dem Leistungs-Halbleiterelement verbunden werden soll, in der in 1 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit zeigt;
- 4 ein konzeptionelles Schaubild der Leistungs-Halbleitereinheit bei einem Querschnitt entlang einer in 2 gezeigten Linie A-A;
- 5 ein konzeptionelles Schaubild, das einen Zustand des Lots vergrößert zeigt, das einen Verbindungsbereich, der in der in 4 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit enthalten ist, und das Leistungs-Halbleiterelement verbindet;
- 6 ein konzeptionelles Schaubild, das zeigt, dass Metallschichten des Leistungs-Halbleiterelements, das in der in 1 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit enthalten ist, kreisförmig sind;
- 7 ein konzeptionelles Schaubild, das ein modifiziertes Beispiel für eine Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich, der in der in 4 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit enthalten ist, und dem Leistungs-Halbleiterelement zeigt;
- 8 ein konzeptionelles Schaubild, das ein modifiziertes Beispiel für die Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich, der in der in 5 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit enthalten ist, und dem Leistungs-Halbleiterelement zeigt;
- 9 ein konzeptionelles Schaubild einer Leistungs-Halbleitereinheit gemäß einer nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform;
- 10 ein konzeptionelles Schaubild, das eine Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte, die mittels eines Lots mit einem Leistungs-Halbleiterelement verbunden werden soll, in der in 9 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit zeigt;
- 11 ein konzeptionelles Schaubild der Leistungs-Halbleitereinheit bei einem Querschnitt entlang einer in 9 gezeigten Linie B-B;
- 12 ein konzeptionelles Schaubild, das einen Zustand der Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich, der in der in 11 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit enthalten ist, und dem Leistungs-Halbleiterelement zeigt;
- 13 ein konzeptionelles Schaubild, das ein modifiziertes Beispiel für die Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich, der in der in 11 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit enthalten ist, und dem Leistungs-Halbleiterelement zeigt;
- 14 ein konzeptionelles Schaubild einer Leistungs-Halbleitereinheit gemäß einer dritten Ausführungsform, die der Leistungs-Halbleitereinheit gemäß der ersten Ausführungsform entspricht;
- 15 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C in 14 und ein konzeptionelles Schaubild einer Leistungs-Halbleitereinheit, die der ersten Ausführungsform entspricht;
- 16 ein konzeptionelles Schaubild, das einen Zustand einer Verbindung zwischen einem Verbindungsbereich und einem Schlitz, die in der in 15 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit enthalten sind, und einem Leistungs-Halbleiterelement zeigt;
- 17 ein konzeptionelles Schaubild einer Leistungs-Halbleitereinheit gemäß einer dritten Ausführungsform, die der Leistungs-Halbleitereinheit gemäß der nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform entspricht;
- 18 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie D-D in 17 und ein konzeptionelles Schaubild einer Leistungs-Halbleitereinheit, die der ersten Ausführungsform entspricht;
- 19 ein konzeptionelles Schaubild, das einen Zustand einer Verbindung zwischen einem Verbindungsbereich und einem Schlitz, die in der in 18 gezeigten Leistungs-Halbleitereinheit enthalten sind, und einem Leistungs-Halbleiterelement zeigt;
- 20 ein konzeptionelles Schaubild, das einen Zustand zeigt, in dem in dem Verbindungbereich in der Leistungs-Halbleitereinheit gemäß einem nicht beanspruchten Aspekt der dritten Ausführungsform keine Einkerbung ausgebildet ist;
- 21 ein konzeptionelles Schaubild einer Leistungs-Halbleitereinheit gemäß einer vierten Ausführungsform, die der Leistungs-Halbleitereinheit gemäß der ersten Ausführungsform entspricht;
- 22 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie E-E in 21 und ein konzeptionelles Schaubild einer Leistungs-Halbleitereinheit, die der ersten Ausführungsform entspricht.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Nachstehend wird eine Leistungs-Halbleitereinheit, bei der es sich um eine Ausführungsform handelt, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind die gleichen oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Um darüber hinaus eine unnötige Redundanz der folgenden Beschreibung zu vermeiden und das Verständnis für Fachleute zu erleichtern, können eine detaillierte Beschreibung von allgemein bekannten Aspekten und eine redundante Erläuterung in Bezug auf im Wesentlichen die gleiche Konfiguration weggelassen sein. Des Weiteren sollen die Inhalte der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen den in den Ansprüchen wiedergegebenen Gegenstand lediglich erläutern aber nicht beschränken.
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Erste Ausführungsform
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Bei den 1, 2, 4 und 6 handelt es sich um konzeptionelle Schaubilder, die einen schematischen Aufbau einer Leistungs-Halbleitereinheit 100 bei einer ersten Ausführungsform zeigen, und bei 3 handelt es sich um ein konzeptionelles Schaubild, das eine Seite einer proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer einer gedruckten Leiterplatte 50 zeigt.
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Die Leistungs-Halbleitereinheit 100 weist Leistungs-Halbleiterelemente 2 und 3 sowie die gedruckte Leiterplatte 50 als grundlegende Komponenten auf. Außer den vorstehenden Komponenten kann die Leistungs-Halbleitereinheit 100 der ersten Ausführungsform ein isolierendes Substrat 1, ein Gehäuse 7, ein Abdichtungsharz 6, Elektrodenanschlüsse 8 und dergleichen aufweisen.
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Bei dieser Ausführungsform entsprechen IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors, Bipolartransistoren mit einem isolierten Gate) 2 und Dioden (zum Beispiel FwDis) 3 den Leistungs-Halbleiterelementen. Als ein Beispiel weist das isolierende Substrat 1 einen isolierenden Flächenkörper 1a aus Harz mit einer Dicke von zum Beispiel 0,125 mm, eine Leiterschicht 1b aus Kupfer mit einer Dicke von zum Beispiel 2 mm sowie eine Leiterschicht 1c aus Kupfer mit einer Dicke von zum Beispiel 0,5 mm auf.
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Die Leiterschichten 1b und 1c aus Kupfer sind mit beiden Oberflächen des isolierenden Flächenkörpers 1a aus Harz verklebt, wobei sich die beiden Oberflächen in der Dickenrichtung des isolierenden Flächenkörpers 1a aus Harz einander gegenüberliegend befinden.
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Die IGBTs 2 und die Dioden 3, insbesondere die Elektroden an den jeweiligen rückwärtigen Oberflächen der IGBTs 2 und der Dioden 3, sind durch Verwenden eines Lots 41 elektrisch und mechanisch mit der Leiterschicht 1c aus Kupfer des isolierenden Substrats 1 verbunden. Die IGBTs 2 weisen zum Beispiel eine Abmessung von 8 mm x 8 mm sowie eine Dicke von 0,08 mm auf, und die Dioden 3 weisen eine Abmessung von zum Beispiel 8 mm x 6 mm sowie eine Dicke von 0,08 mm auf. An Oberflächen der IGBTs 2 und der Dioden 3 sind zum Beispiel Al-Schichten, die nicht mit einem Lot verbunden sind, sowie Metallschichten 2a, 3a ausgebildet, wie beispielsweise Au, um so gelötet werden zu können.
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Hierbei sind die Schichten, die nicht mit dem Lot verbunden sind, in den Mitten der Oberflächen der IGBTs 2 und der Dioden 3 platziert. Für das Lot 41 wird ein Lot auf der Basis von Sn-Ag-Cu mit einer Dicke von etwa 0,1 mm verwendet. Das isolierende Substrat 1, wie vorstehend beschrieben, dient außerdem einer Wärmeabführung von den IGBTs 2 und den Dioden 3 und dient außerdem als Verdrahtung bei den jeweiligen Elektroden auf den rückwärtigen Oberflächenseiten der beiden Halbleiterelemente 2 und 3.
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Wie in 4 gezeigt, ist die gedruckte Leiterplatte 50 parallel oder im Wesentlichen parallel zu den Leistungs-Halbleiterelementen angeordnet, wie beispielsweise den IGBTs 2, die an dem isolierenden Substrat 1 angebracht sind, wobei sie den Leistungs-Halbleiterelementen gegenüberliegt.
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Die gedruckte Leiterplatte 50 weist Folgendes auf: ein Kernmaterial 51, das eine Dicke von zum Beispiel 0,5 mm aufweist und aus FR-4 (Flammschutzmittel Typ 4) hergestellt ist; distale Leiterschichten 52 aus Kupfer, die entfernt von den Leistungs-Halbleiterelementen ausgebildet sind; sowie proximale Leiterschichten 53 aus Kupfer, die in der Nähe der Leistungs-Halbleiterelemente ausgebildet sind. Hier sind die distalen Leiterschichten 52 aus Kupfer und die proximalen Leiterschichten 53 aus Kupfer in einer Dickenrichtung des Kernmaterials 51 an beiden Oberflächen des Kernmaterials 51 ausgebildet.
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Die distalen Leiterschichten 52 aus Kupfer und die proximalen Leiterschichten 53 aus Kupfer weisen jeweils eine Dicke von zum Beispiel 0,1 mm auf und sind durch Verwenden eines klebenden Flächenkörpers (nicht gezeigt) mit dem Kernmaterial 51 verklebt, um eine Schaltungsstruktur zu bilden. Darüber hinaus sind jede von den distalen Leiterschichten 52 aus Kupfer und jede von den proximalen Leiterschichten 53 aus Kupfer über ein Durchgangsloch 56 elektrisch verbunden.
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Wenn hierbei ein Epoxidharz als Abdichtungsharz 6 verwendet wird, müssen die gedruckte Leiterplatte 50 und die Halbleiterelemente, wie die IGBTs 2 und die Dioden 3, die einander gegenüberliegen, um 0,3 mm oder mehr voneinander beabstandet sein, um eine elektrische Isolierung zwischen diesen sicherzustellen.
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Darüber hinaus weisen die proximalen Leiterschichten 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 Verbindungsbereiche 54 auf, bei denen es sich um eine der charakteristischen Konfigurationen bei dieser Ausführungsform handelt. Die Verbindungsbereiche 54 verbinden die jeweiligen Oberflächenelektroden der IGBTs 2 und der Dioden 3 und die proximalen Leiterschichten 53 aus Kupfer durch Verwenden des Lots 42 elektrisch und mechanisch miteinander.
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Das heißt, die proximalen Leiterschichten 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 und die jeweiligen Oberflächenelektroden der IGBTs 2 und der Dioden 3 sind über die Verbindungsbereiche 54 miteinander verbunden. Die Verbindungsbereiche 54 werden nachstehend detaillierter beschrieben. Bei dem Lot 42 handelt es sich zum Beispiel um ein Lot auf der Basis von Sn-Ag-Cu, das eine Dicke von 0,2 mm bis 0,8 mm aufweist.
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Als eine weitere Konfiguration der Leistungs-Halbleitereinheit 100, wie in 4 gezeigt, ist das Gehäuse 7, das hauptsächlich aus PPS (Polyphenylensulfid) hergestellt ist, durch Verwenden eines Silikon-Klebstoffs (nicht gezeigt) an einem äußeren Randbereich des isolierenden Substrats 1 verklebt. Die Elektrodenanschlüsse 8 sind in das Gehäuse 7 eingefügt, und Emitter-Elektroden und Gate-Elektroden (die den Oberflächenelektroden entsprechen) der Halbleiterelemente, wie beispielsweise der IGBTs 2 und der Dioden 3, sind über die distalen Leiterschichten 52 aus Kupfer durch Verwenden von Bondingdrähten 9, die aus Aluminium hergestellt sind und einen Durchmesser von zum Beispiel 0,3 mm aufweisen, mit den Elektrodenanschlüssen 8 der proximalen Leiterschichten 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 elektrisch verbunden.
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Im Inneren des Gehäuses 7 wird das Abdichtungsharz 6, das aus einem Epoxidharz besteht, von einem Zwischenraum zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50 aus eingespritzt, bis es eine obere Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 50 bedeckt, und wird dann einer Vakuumentgasung unterzogen, wird erwärmt und anschließend gehärtet. Auf diese Weise werden die IGBTs 2, die Dioden 3, die gedruckte Leiterplatte 50 und dergleichen, die an dem isolierenden Substrat 1 angeordnet sind, mit dem Abdichtungsharz 6 abgedichtet.
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Als nächstes werden die Verbindungsbereiche 54 im Detail beschrieben.
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5 zeigt eine Draufsicht auf den Verbindungsbereich 54 und zeigt einen Zustand, in dem der Verbindungsbereich 54 und die Metallschichten 2a, die an den Elektroden zum Beispiel des IGBT 2 ausgebildet sind, durch Verwenden des Lots 42 miteinander verbunden sind.
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Die Metallschichten 2a sind an der Mehrzahl von Elektroden in dem IGBT 2 gleichmäßig angeordnet, und Flächen der jeweiligen Metallschichten 2a sind einander gleich. Zwischenräume zwischen den jeweiligen Metallschichten 2a sind derart vorgegeben, dass Teile des Lots 42, die verbunden werden sollen, innerhalb eines Bereichs, in dem die Metallschichten 2a gleichmäßig an den jeweiligen Elektroden des IGBT 2 angeordnet werden können, nicht miteinander in Kontakt kommen. Der Zwischenraum ist zum Beispiel mit 0,1 mm oder größer vorgegeben.
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In Bezug auf die Abmessung jeder Metallschicht 2a ist die Breite derselben unter dem Gesichtspunkt der Bequemlichkeit des Zuführens des Lots 42 zum Beispiel mit 2 mm oder größer vorgegeben. Es ist anzumerken, dass mit dem vorstehend erwähnten Begriff „gleichmäßig“ ein Bereich von ± 1 % oder weniger eines Anordnungsabstands der Metallschichten 2a gemeint ist.
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Die Gestalt der Metallschicht 2a soll nicht auf eine rechteckige Gestalt begrenzt sein, sondern kann zum Beispiel eine beliebige geometrische Gestalt sein, wie beispielsweise ein Halbkreis, eine Ellipse, ein Dreieck oder dergleichen. Eine kreisförmige Gestalt, die in 6 gezeigt ist, weist zum Beispiel die Wirkung der Spannungsrelaxation an dem Lot-Verbindungsbereich 54 im Vergleich zu dem Fall der rechteckigen Gestalt auf.
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Es ist anzumerken, dass 5 die Metallschicht 2a zeigt, die an der Elektrode des IGBT 2 ausgebildet ist, das gleiche gilt jedoch für die Metallschicht 3a, die an der Elektrode der Diode 3 ausgebildet ist.
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Der Verbindungsbereich 54 ist in der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 enthalten, bildet einen Bereich der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer und ist integral mit der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer gebildet. Wie in 5 gezeigt, weist der Verbindungsbereich 54 bei dieser Ausführungsform die Form von Kammzinken auf, die zum Beispiel aus ausgesparten Bereichen 61 und vorstehenden Bereichen 62 bestehen. Bei derartigen Verbindungsbereichen 54, wie vorstehend beschrieben, sind die Metallschichten 2a und 3a, die an den Oberflächenelektroden des IGBT 2 und der Diode 3 ausgebildet sind, bei dieser Ausführungsform mit der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 verbunden.
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Daher sind die Abmessungen der ausgesparten Bereiche 61 und der vorstehenden Bereiche 62, welche die Form der Kammzinken bilden, gemäß Abmessungen der Metallschicht 2a, die an der Oberfläche des IGBT 2 ausgebildet ist, und des Weiteren der Metallschicht 3a bestimmt, die an der Oberfläche der Diode 3 ausgebildet ist. Die Breite des ausgesparten Bereichs, der die Form der Kammzinken bildet, ist zum Beispiel mit 0,1 mm oder größer vorgegeben.
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Darüber hinaus weist die proximale Leiterschicht 53 aus Kupfer die Form von Kammzinken auf, so dass eine Einkerbung 60, bei der es sich um eine Nut handelt, welche die proximale Leiterschicht 53 aus Kupfer durchdringt, in der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer ausgebildet ist.
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Durch das Verwenden des Verbindungsbereichs 54 mit der Form von Kammzinken, wie vorstehend beschrieben, wird eine Verbindungsfläche zwischen dem IGBT 2 und der Diode 3, bei denen es sich um die Leistungs-Halbleiterelemente handelt, und der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 im Vergleich zu einer Verbindungsfläche einer solchen herkömmlichen proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer, die keine Einkerbung 60 aufweist, und der Elektrode des Leistungs-Halbleiterelements reduziert.
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Wenn der Temperaturzyklus auf die gesamte Leistungs-Halbleitereinheit 100 angewendet wird, so wird folglich eine thermische Beanspruchung, die auf das Lot 42 ausgeübt wird, das zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50 vorhanden ist, geringer als jene beim Stand der Technik.
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Die thermische Beanspruchung wird hier durch einen Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50 verursacht, das heißt, einen Unterschied der thermischen Ausdehnung zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50. Infolgedessen wird es insbesondere ermöglicht, ein Auftreten von Defekten, wie beispielsweise ein Brechen, in dem Lot 42 zu reduzieren und sogar zu verhindern.
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Des Weiteren fließt in der Leistungs-Halbleitereinheit 100 ein hoher Strom (zum Beispiel 100 A oder mehr, wie vorstehend beschrieben) zu der gedruckten Leiterplatte 50, so dass die gedruckte Leiterplatte 50 eine große Menge an Wärme erzeugt. Daher ist es bevorzugt, dass jeder von den Verbindungsbereichen 54, der als eine Verbindung zwischen der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 und dem Leistungs-Halbleiterelement dient, wie beispielsweise dem IGBT 2, die Temperaturverteilung des Leistungs-Halbleiterelements nicht beeinflusst.
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Darüber hinaus wird die Temperatur der Mitte des Leistungs-Halbleiterelements während eines Betriebs der Leistungs-Halbleitereinheit 100 hoch, so dass es wahrscheinlich ist, dass das Lot 42 und der Verbindungsbereich 54 thermisch brechen, wenn das Lot 42 und der Verbindungsbereich 54 in der Mitte angeordnet sind.
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Um eine derartige thermische Zerstörung zu verhindern, ist bei dieser Ausführungsform die folgende Konfiguration bevorzugt, bei der die Mehrzahl von Metallschichten 2a und 3a, die an der Oberfläche des Leistungs-Halbleiterelements angeordnet sind, wie beispielsweise des IGBT 2, Flächen aufweisen, die einander gleich sind, in Bezug auf das Leistungs-Halbleiterelement gleichmäßig angeordnet ist, um so einen zentralen Punkt 21 (FIG: 5) des Leistungs-Halbleiterelements zu vermeiden, und der Verbindungsbereich 54 entsprechend den Metallschichten 2a und 3a angeordnet ist. Es ist anzumerken, dass der vorstehende, hier erwähnte Begriff „gleich“ bedeutet, dass Werte der Flächen in einem Bereich von ± 1 % oder weniger in Bezug auf einen Sollwert liegen.
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Um die thermische Beanspruchung zu reduzieren, ist es außerdem wünschenswert, Ausrundungen an dem Lot 42 zu bilden, die den Verbindungsbereich 54 und die Metallschicht 2a und die Metallschicht 3a verbinden, die an den Oberflächenelektroden der Leistungs-Halbleiterelemente ausgebildet sind. Daher ist die Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs 54 bevorzugt kleiner als jede von den Flächen der Metallschicht 2a und der Metallschicht 3a. Ein Randwinkel von jeder der Lot-Ausrundungen ist wünschenswerterweise mit 45° oder weniger vorgegeben, um die thermische Beanspruchung zu reduzieren.
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Wenn die Höhe des Lots 42 zum Beispiel von 0,2 mm bis 0,8 mm beträgt, ist die Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs 54 in einem Bereich von 20 % bis 80 % von jeder der Flächen der Metallschichten 2a und 3a vorgegeben, so dass der Randwinkel der Ausrundung mit 45° oder weniger vorgegeben werden kann. Wenn die Metallschichten 2a und 3a zum Beispiel eine Abmessung von 1 mm im Quadrat aufweisen, ist es wünschenswert, dass die Breite des vorstehenden Bereichs 62, der den Verbindungsbereich 54 bildet, mit 0,8 mm oder kleiner vorgegeben wird.
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Die Flächen der Metallschichten 2a und 3a sind auf diese Weise größer als die Verbindungsfläche der Verbindungsbereiche 54 gestaltet, so dass das Lot von der Oberflächenelektrode in Richtung zu dem Verbindungsbereich 54 eine Trapezform aufweist und die Ausrundung gebildet wird (siehe 7). Im Übrigen stellt 7 den Fall der Diode 3 dar, das gleiche gilt jedoch für den Fall des IGBT 2.
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Für die Lotverbindung zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement und dem isolierenden Substrat 1 sind zum Beispiel ein Reflow-Verfahren mit einem Platten-Lot, das sandwichartig zwischen diesen angeordnet ist, ein Verfahren zum Anbringen eines Cream-Lots zwischen diesen und dergleichen verwendbar.
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Für die Lotverbindung zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement und der gedruckten Leiterplatte 50 sind außerdem folgende Verfahren verwendbar: ein Reflow-Verfahren mit dem Platten-Lot, das sandwichartig zwischen diesen angeordnet ist; ein Verfahren zum Anbringen eines Cream-Lots zwischen diesen; ein Verfahren, bei dem ein Lot im Voraus mit der Oberflächenelektrode des Leistungs-Halbleiterelements verbunden wird, gefolgt von einem Reflow-Prozess; sowie ein Verfahren, bei dem ein kugelförmiges Lot im Voraus mit dem Verbindungsbereich 54 in der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 verbunden wird, gefolgt von einem Reflow-Prozess.
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Wenngleich der Verbindungsbereich 54 bei der ersten Ausführungsform die Einkerbung 60 in der Form von Kammzinken aufweist, wie vorstehend erwähnt, ist die Form der Einkerbung 60 nicht aufgrund des Gesichtspunkt einer Reduzierung der thermischen Beanspruchung, die auf das Lot 42 einwirkt, und einer Reduzierung und Verhinderung des Auftretens der Defekte in dem Lot 42 auf die Form von Kammzinken beschränkt.
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Des Weiteren sollen die Formen des ausgesparten Bereichs 61 und des vorstehenden Bereichs 62, welche die Form der Kammzinken bilden, nicht auf die rechteckige Form beschränkt sein, sondern können zum Beispiel eine beliebige geometrische Form aufweisen, wie beispielsweise einen Halbkreis, eine Ellipse, ein Dreieck und dergleichen. Wie in 8 gezeigt, weist eine kreisförmige Gestalt im Vergleich zu dem Fall der rechteckigen Gestalt zum Beispiel die Wirkung der Spannungsrelaxation bei dem Lot-Verbindungsbereich auf. Kurz gesagt, der Verbindungsbereich 54 muss einfach eine Einkerbung 60 mit irgendeiner geeigneten Gestalt aufweisen.
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Auch wenn der Verbindungsbereich 54 hier eine Einkerbung 60 mit einer beliebigen Gestalt aufweist, wie vorstehend erwähnt, ist es bevorzugt, den Verbindungsbereich 54 so anzuordnen, dass der Verbindungsbereich 54 die Temperaturverteilung des Leistungs-Halbleiterelements nicht beeinflusst.
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Des Weiteren wird das Metallsubstrat bei der ersten Ausführungsform, das den isolierenden Flächenkörper 1a verwendet, als Material für das isolierende Substrat 1 verwendet, die gleiche Wirkung kann jedoch auch mit einem keramischen Substrat erzielt werden, das aus einem keramischen Material gebildet ist, wie beispielsweise AlN, Aluminiumoxid und SiN.
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Darüber hinaus wird bei der ersten Ausführungsform für jede der Oberflächenelektroden des IGBT 2 und der Diode Al als eine Schicht verwendet, die nicht mit dem Lot benetzt ist, die gleiche Wirkung kann jedoch auch durch das Verwenden von AlN, Aluminiumoxid, SiN, Glas oder dergleichen erzielt werden.
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Bei der ersten Ausführungsform wird PPS als das Material für das Gehäuse 7 verwendet, die gleiche Wirkung kann jedoch durch Verwenden eines flüssigen Kristallpolymers (LCP, Liquid Crystal Polymer) erzielt werden, das eine höhere Wärmebeständigkeit aufweist.
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Bei der ersten Ausführungsform wird eine 1-in-1-Modul-Konfiguration eingesetzt, bei der die Diode 3 und der IGBT 2 ein einzelnes Paar bilden, die gleiche Wirkung kann jedoch auch durch Verwenden einer 2-in-1-Modul-Konfiguration, bei der zwei Paare verwendet werden, oder einer 6-in-1-Modul-Konfiguration, bei der sechs Paare verwendet werden, oder ferner einer Konfiguration erzielt werden, bei der Leistungs-Halbleiterelemente, die als Konverter und als Bremse dienen, ebenfalls integral angebracht sind.
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Bei der ersten Ausführungsform wird ein Bondingdraht aus Aluminium verwendet, die gleiche Wirkung kann jedoch durch Verwenden eines Kupfer-Drahts, eines mit Aluminium beschichteten Kupfer-Drahts oder eines Gold-Drahts erzielt werden.
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Für ein derartiges Direktverguss-Abdichtungsharz kann die gleiche Wirkung erzielt werden, auch wenn das Direktverguss-Abdichtungsharz einen Typ aufweist, der bei Raumtemperatur eingegossen und gehärtet wird.
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Das Lot wird für die Verbindung zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement und dem isolierenden Substrat 1 und zwischen der gedruckten Leiterplatte 50 und dem Leistungs-Halbleiterelement verwendet, die gleiche Wirkung kann jedoch durch Verwenden eines leitfähigen Klebstoffs, bei dem ein Ag-Füllmittel in einem Epoxidharz verteilt ist, oder zum Beispiel eines Ag-Nanopulvers oder eines Cu-Nanopulvers erzielt werden, bei dem die Nanopartikel bei einer niedrigen Temperatur verglühen.
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Die gleiche Wirkung kann auch bei einem Spritzpress-Gehäuse erzielt werden, bei dem die Abdichtung durch ein Spritzpress-Abdichtungsharz unter Verwendung eines Formkörpers ohne Verwenden des Gehäuses 7 erreicht wird.
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Nicht beanspruchte Ausführungsform 2
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Bei den 9 und 11 handelt es sich um konzeptionelle Schaubilder, die einen schematischen Aufbau einer Leistungs-Halbleitereinheit 200 bei einer nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform zeigen, und 10 ist ein konzeptionelles Schaubild, das eine Seite einer proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer einer gedruckten Leiterplatte 50 bei der nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform zeigt.
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Bei der vorstehend erwähnten ersten Ausführungsform ist der Verbindungsbereich 54 in der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 enthalten und verbindet die proximale Leiterschicht 53 aus Kupfer und die Oberflächenelektrode des Leistungs-Halbleiterelements, wie beispielsweise des IGBT 2, miteinander.
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Im Gegensatz dazu weist die Leistungs-Halbleitereinheit 200 bei der nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform Verbindungsbereiche 54-2 auf, die jeweils die distale Leiter-schicht 52 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 und die Oberflächenelektrode des Leistungs-Halbleiterelements, wie beispielsweise des IGBT 2, miteinander verbinden.
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Die Leistungs-Halbleitereinheit 200 bei der nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Leistungs-Halbleitereinheit 100 bei der ersten Ausführungsform lediglich hinsichtlich der Komponenten in Bezug auf die Verbindungsbereiche 54-2, und die sonstigen Konfigurationen sind die gleichen. Infolgedessen werden bei der folgenden Beschreibung hauptsächlich die Verbindungsbereiche 54-2 beschrieben, und die erneute Beschreibung der gleichen Komponenten wird weggelassen.
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Zunächst werden generelle Aspekte beschrieben. Insbesondere ist es wünschenswert, die Leistungs-Halbleiterelemente zu verkleinern, wie beispielsweise die IGBTs 2 und die Dioden 3, um die Abmessung und die Kosten der Leistungs-Halbleitereinheit zu reduzieren, es ist jedoch notwendig, eine Wärmeerzeugung aufgrund einer Erhöhung der Stromdichte niedrig zu halten. Bei einer üblichen Leistungs-Halbleitereinheit wird die Joulesche Wärme eines Leistungs-Halbleiterelements durch ein isolierendes Substrat hindurch geleitet, an dem das Leistungs-Halbleiterelement angebracht ist, und wird an eine Wärmesenke (nicht gezeigt) abgeführt, die über ein Wärmeabführungs-Schmiermittel mit dem isolierenden Substrat verbunden ist, die spezifisch über das Wärmeabführungs-Schmiermittel mit der bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Leiterschicht 1b aus Kupfer verbunden ist.
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Um die Wärmeabführung des Leistungs-Halbleiterelements weiter zu verbessern, ist es wirkungsvoll, die Wärme nicht nur durch einen Wärmeabführungspfad hindurch zu der rückwärtigen Oberflächenseite des Leistungs-Halbleiterelements, das heißt, zu der Seite der Wärmesenke, sondern auch von der vorderen Oberflächenseite des Leistungs-Halbleiterelements über die gedruckte Leiterplatte abzuführen.
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Wenn der Verbindungsbereich 54 jedoch nur von der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 aus verdrahtet ist, wie bei der ersten Ausführungsform, dann behindert das Kernmaterial 51 mit einem hohen thermischen Widerstand in der gedruckten Leiterplatte 50 die Wärmeabführung zu der Seite der distalen Leiterschicht 52 aus Kupfer. Daher liegt der Wärmeabführungspfad nur in der Ebene der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer.
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Daher wird bei der nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform jeder der Verbindungsbereiche 54-2 verwendet, der mit der distalen Leiterschicht 52 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 verbunden ist. Die Verbindungsbereiche 54-2 werden nachstehend beschrieben.
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Die gedruckte Leiterplatte 50 ist wie bei der ersten Ausführungsform parallel oder im Wesentlichen parallel zu den Leistungs-Halbleiterelementen angeordnet, wie beispielsweise den IGBTs 2, die an dem isolierenden Substrat 1 angebracht sind, wobei sie den Leistungs-Halbleiterelementen gegenüberliegt, und sie weist die Kernmaterialien 51, die distalen Leiterschichten 52 aus Kupfer sowie die proximalen Leiterschichten 53 aus Kupfer auf.
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Hier entspricht die distale Leiterschicht 52 aus Kupfer der distalen Leiterschicht, die sich entfernt von dem Leistungs-Halbleiterelement befindet, wie beispielsweise dem IGBT 2, und die proximale Leiterschicht 53 aus Kupfer entspricht der proximalen Leiterschicht, die sich in der Nähe des Leistungs-Halbleiterelements befindet.
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Bei dem Verbindungsbereich 54-2 handelt es sich um ein Element, welches das Kernmaterial 51 von der distalen Leiterschicht 52 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 aus durchdringt, er ist mit der Rückseite verdrahtet, erstreckt sich, ohne mit der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 verbunden zu sein, und ist durch Verwenden eines Lots mit der Oberflächenelektrode des Leistungs-Halbleiterelements verbunden, wie beispielsweise des IGBT 2. Darüber hinaus ist eine Mehrzahl von den Verbindungsbereichen 54-2 ausgebildet.
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12 zeigt eine Draufsicht auf die Verbindungsbereiche 54-2 und zeigt einen Zustand, in dem die Verbindungsbereiche 54-2 und die Elektrode zum Beispiel des IGBT 2 durch Verwenden des Lots 42 miteinander verbunden sind. Es ist anzumerken, dass, wenngleich die 12 den Fall des IGBT 2 zeigt, das gleiche für den Fall der Elektrode der Diode 3 gilt.
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Jeder der Verbindungsbereiche 54-2, wie vorstehend beschrieben, kann durch das Bohren eines Lochs in dem Kernmaterial 51 und anschließendes Press-Fitting oder Presspassen eines Kupfermaterials in das Loch hinein hergestellt werden. Bei dieser Ausführungsform werden der Verbindungsbereich 54-2 und die Oberflächenelektrode des Leistungs-Halbleiterelements zum Beispiel in einer solchen Weise miteinander verbunden, dass ein kugelförmiges Lot im Voraus mit dem Verbindungsbereich 54-2 verbunden wird und danach einem Reflow-Prozess unterzogen wird.
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Der Verbindungsbereich 54-2 wird auf diese Weise von der distalen Leiterschicht 52 aus Kupfer aus verdrahtet, so dass der thermische Widerstand aufgrund des Kernmaterials 51 der gedruckten Leiterplatte 50 reduziert wird. Dann kann die Wärme von dem Leistungs-Halbleiterelement, wie beispielsweise dem IGBT 2, über den Verbindungsbereich 54-2 ebenfalls an die distale Leiterschicht 52 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 abgeführt werden.
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Infolgedessen kann die Wärmeabführungs-Effizienz des Leistungs-Halbleiterelements, wie beispielsweise des IGBT 2, im Vergleich zu dem Fall der ersten Ausführungsform verbessert werden. Infolgedessen kann die Wärmeerzeugung des Leistungs-Halbleiterelements reduziert werden, und dementsprechend können die Verkleinerung und die Kostenreduktion der Leistungs-Halbleitereinheit 200 durch Reduzieren der Abmessungen und der Kosten des Leistungs-Halbleiterelements realisiert werden.
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Darüber hinaus ist eine Mehrzahl von Verbindungsbereichen 54-2 vorhanden und fein verteilt. Wie in 13 gezeigt, kann die Fläche von den Verbindungsbereichen 54-2 wie in dem Fall der Verbindungsbereiche 54 bei der ersten Ausführungsform zum Beispiel in einem Bereich von 20 % bis 80 % der Fläche der Metallschichten 2a und der Metallschichten 3a vorgegeben werden, die an den Oberflächenelektroden der Leistungs-Halbleiterelemente ausgebildet sind. Daher werden die thermische Beanspruchung, die auf das Lot 42 einwirkt, das zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50 vorhanden ist, die thermische Beanspruchung, die durch den Temperaturzyklus aufgrund des Unterschieds der thermischen Ausdehnungen zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50 erzeugt wird, geringer als jene beim Stand der Technik. Infolgedessen kann das Auftreten der Defekte, wie beispielsweise des Brechens, in dem Lot 42 reduziert und weiterführend verhindert werden.
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Es ist anzumerken, dass, wenngleich die 13 den Fall der Diode 3 zeigt, das gleiche auch für den Fall der Elektrode des IGBT 2 gilt.
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Darüber hinaus können modifizierte Beispiele in Bezug auf die jeweiligen Materialien des isolierenden Substrats 1, des Gehäuses 7, des Bondingdrahts und des Lots, das modifizierte Beispiel in Bezug auf das Leistungs-Halbleiterelement und das modifizierte Beispiel in Bezug auf das Abdichtungsharz, die bei der ersten Ausführungsform beschrieben sind, in einer ähnlichen Weise auch auf die Leistungs-Halbleitereinheit 200 der nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform angewendet werden.
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Ausführungsform 3
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Die 14 bis 16 zeigen einen schematischen Aufbau einer Leistungs-Halbleitereinheit 300 gemäß einer dritten Ausführungsform. Darüber hinaus zeigen die 17 bis 19 einen schematischen Aufbau einer nicht beanspruchten Leistungs-Halbleitereinheit 400 gemäß der dritten Ausführungsform.
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Hierbei entspricht die Leistungs-Halbleitereinheit 300 einem modifizierten Beispiel der Leistungs-Halbleitereinheit 100 bei der ersten Ausführungsform, und die nicht beanspruchte Leistungs-Halbleitereinheit 400 entspricht einem modifizierten Beispiel der Leistungs-Halbleitereinheit 200 bei der nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform.
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Bei den Leistungs-Halbleitereinheiten 300 und 400 bei der dritten Ausführungsform sind Schlitze 55, welche die gedruckten Leiterplatten 50 durchdringen, einzeln an den gedruckten Leiterplatten 50 in den Leistungs-Halbleitereinheiten 100 und 200 angeordnet.
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Die Leistungs-Halbleitereinheiten 300 und 400 unterscheiden sich von den Leistungs-Halbleitereinheiten 100 und 200 lediglich hinsichtlich Komponenten in Bezug auf die Schlitze 55, und die sonstigen Konfigurationen sind die gleichen. Infolgedessen werden bei der folgenden Beschreibung hauptsächlich die Schlitze 55 beschrieben, und die erneute Beschreibung der gleichen Komponenten wird weggelassen.
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Da es erforderlich ist, dass das isolierende Substrat 1 und die gedruckte Leiterplatte 50, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, elektrisch voneinander isoliert sind, ist es notwendig, das Abdichtungsharz 6 in dem Zwischenraum zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50 anzuordnen. Bei dem IGBT 2 und der Diode 3 ist es notwendig, dass der Zwischenraum mit dem Abdichtungsharz 6 gefüllt wird, um Kriechstrom-Isolationsabstände an den vorderen und den rückwärtigen Oberflächen der einzelnen Leistungs-Halbleiterelemente aufrechtzuerhalten.
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Da der Zwischenraum zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50 jedoch etwa gleich 0,3 mm bis 0,9 mm ist, ist es schwierig, den Zwischenraum mit dem Abdichtungsharz 6 zu füllen, und möglicherweise entsteht ein nicht gefüllter Bereich. Insbesondere weist die Leistungs-Halbleitereinheit 100 bei der ersten Ausführungsform zum Beispiel den Verbindungsbereich 54 auf, der die Form von Kammzinken aufweist.
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In dem Verbindungsbereich 54 mit der Form von Kammzinken zwischen der Oberflächenelektrode des Leistungs-Halbleiterelements, wie beispielsweise des IGBT 2, und der gedruckten Leiterplatte 50 besteht die Anfälligkeit, dass der nicht gefüllte Bereich erzeugt wird, da bei dem Verbindungsbereich 54 Luft eindringt.
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Daher ist es zum Beispiel notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, wie beispielsweise ein Verlangsamen der Einspritzrate des Abdichtungsharzes 6, und es bestehen Bedenken dahingehend, dass die Produktivität verringert wird. Als Gegenmaßnahme dazu ist es wirkungsvoll, einen Einströmabstand des Abdichtungsharzes 6 zu verringern.
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Daher sind bei der Leistungs-Halbleitereinheit 300, wie in den 14 bis 16 gezeigt, in dem Kernmaterial 51 und den distalen Leiterschichten 52 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 Schlitze 55 so angeordnet, dass sie den zentralen Punkten 21 der Leistungs-Halbleiterelemente entsprechen, bei denen die größten Schwierigkeiten bestehen, das Abdichtungsharz 6 in diese einzuspritzen.
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Bei jedem der Schlitze 55 handelt es sich um eine Nut, die das Kernmaterial 51 und die distale Leiterschicht 52 aus Kupfer in der Dickenrichtung derselben durchdringt, und sie ist entsprechend dem Verbindungsbereich 54 platziert, wie vorstehend erwähnt. Das heißt, da die Einkerbung 60 in dem Verbindungsbereich 54 entsprechend dem zentralen Punkt 21 des Leistungs-Halbleiterelements platziert ist, wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, ist der Schlitz 55 entsprechend der Einkerbung 60 platziert.
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16 ist eine 5 entsprechende Ansicht, die anschaulich ein Beispiel für eine Anordnungsposition des Schlitzes 55 in der gedruckten Leiterplatte 50 in Bezug auf den Verbindungsbereich 54 zeigt.
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Außerdem ist die Mehrzahl von Schlitzen 55 bei der Leistungs-Halbleitereinheit 400 (17), die der Leistungs-Halbleitereinheit 200 entspricht, ebenso wie bei der Leistungs-Halbleitereinheit 300, wie in 19 gezeigt, in dem Kernmaterial 51 der gedruckten Leiterplatte 50 so angeordnet, dass diese den Zwischenräumen zwischen den jeweiligen Verbindungsbereichen 54-2 entsprechen, bei denen die größten Schwierigkeiten bestehen, das Abdichtungsharz 6 einzuspritzen. 19 ist eine 12 entsprechende Ansicht, die anschaulich die Anordnungspositionen der Schlitze 55 in der gedruckten Leiterplatte 50 in Bezug auf die Verbindungsbereiche 54-2 zeigt.
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Darüber hinaus zeigt 20 eine nicht beanspruchte Leistungs-Halbleitereinheit 500 als ein modifiziertes Beispiel für die Leistungs-Halbleitereinheit bei der dritten Ausführungsform, welche die Schlitze 55 aufweist. Die Leistungs-Halbleitereinheit 500 entspricht einer Konfiguration ohne die Einkerbung 60 in der proximalen Leiterschicht 53 aus Kupfer, und sie weist eine Konfiguration auf, bei der die Mehrzahl von Schlitzen 55 entsprechend den zentralen Punkten 21 der Leistungs-Halbleiterelemente angeordnet sind, bei denen die größten Schwierigkeiten bestehen, das Abdichtungsharz 6 einzuspritzen.
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Außerdem ist bei der nicht beanspruchten Leistungs-Halbleitereinheit 500 jeder der Schlitze 55 in dem Verbindungsbereich 54 vorhanden, der die proximale Leiterschicht 53 aus Kupfer und die Oberflächenelektrode des IGBT 2 oder dergleichen verbindet.
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Die Schlitze 55 sind in jeder der Leistungs-Halbleitereinheiten 300, 400 und 500 angeordnet, so dass es möglich ist, das Abdichtungsharz 6 durch die Schlitze 55 hindurch in den Zwischenraum zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50 und insbesondere in den nicht gefüllten Bereich des Abdichtungsharzes 6 hinein einzubringen, der bei jedem von den Verbindungsbereichen 54 und 54-2 ausgebildet sein kann. Daher ist es möglich, das Auftreten eines nicht gefüllten Bereichs zu unterbinden. Infolgedessen ist es möglich, die Harz-Einspritzrate weiter zu erhöhen. Folglich kann eine Reduktion der Produktivität vermieden werden, und es ist möglich, die Produktivität zu steigern.
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Darüber hinaus erleichtert die Anordnung der Schlitze 55 zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Effekten, den Zustand der Ausrundung des Lots 42 zum Beispiel mit einer visuellen Beobachtung an jedem der Verbindungsbereiche 54 und 54-2 zu überprüfen, die an den Oberflächenelektroden des IGBT 2 und der Diode 3 mit diesen verbunden sind. Infolgedessen entsteht außerdem ein Effekt dahingehend, dass ein Überprüfungsprozess für den Verbindungszustand ohne Weiteres in einer kurzen Zeitspanne durchgeführt werden kann.
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Außerdem wird die auf das Lot 42 einwirkende thermische Beanspruchung aufgrund des Temperaturzyklus, die bei der ersten und der nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform beschrieben ist, bei den Leistungs-Halbleitereinheiten 300 und 400 der dritten Ausführungsform geringer als jene beim Stand der Technik, da die Verbindungsbereiche 54 und 54-2 enthalten sind. Infolgedessen kann das Auftreten der Defekte, wie beispielsweise das Brechen, in dem Lot 42 reduziert werden und kann weiterführend verhindert werden.
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Darüber hinaus kann der Schlitz 55 bei der nicht beanspruchten Leistungs-Halbleitereinheit 500 gleichermaßen als Einkerbung 60 fungieren, da jeder der Verbindungsbereiche 54 den Schlitz 55 aufweist, wenngleich die Einkerbung 60 nicht angeordnet ist. Infolgedessen kann das Auftreten der vorstehend erwähnten Defekte auch bei der nicht beanspruchten Leistungs-Halbleiereinheit 500 reduziert werden und kann weiterführend verhindert werden.
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Es ist anzumerken, dass die modifizierten Beispiele in Bezug auf die jeweiligen Materialien des isolierenden Substrats 1, des Gehäuses 7, des Bondingdrahts sowie des Lots, das modifizierte Beispiel in Bezug auf das Leistungs-Halbleiterelement sowie das modifizierte Beispiel in Bezug auf das Abdichtungsharz, die bei der ersten und der nicht beanspruchten zweiten Ausführungsform beschrieben sind, in einer ähnlichen Weise auch auf die Leistungs-Halbleitereinheiten 300, 400 und 500 dieser dritten Ausführungsform angewendet werden können.
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Vierte Ausführungsform
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Bei 21 und 22 handelt es sich um konzeptionelle Schaubilder, die einen schematischen Aufbau einer Leistungs-Halbleitereinheit 600 gemäß einer vierten Ausführungsform zeigen. Hierbei entspricht die Leistungs-Halbleitereinheit 600 einem modifizierten Beispiel der Leistungs-Halbleitereinheit 100 bei der ersten Ausführungsform.
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Bei der Leistungs-Halbleitereinheit 600 bei der vierten Ausführungsform sind Durchgangslöcher 58, die das Kernmaterial 51 und die distale Leiterschicht 52 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 durchdringen, in der gedruckten Leiterplatte 50 der Leistungs-Halbleitereinheit 100 angeordnet.
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Die Leistungs-Halbleitereinheit 600 unterscheidet sich von der Leistungs-Halbleitereinheit 100 lediglich hinsichtlich der Komponenten in Bezug auf die Durchgangslöcher 58, und die sonstigen Konfigurationen sind die gleichen. Infolgedessen werden bei der folgenden Beschreibung hauptsächlich die Durchgangslöcher 58 beschrieben, und die erneute Beschreibung der gleichen Komponenten wird weggelassen. Da die distale Leiterschicht 52 aus Kupfer und die proximale Leiterschicht 53 aus Kupfer, die an beiden Oberflächen des Kernmaterials 51 der gedruckten Leiterplatte 50 ausgebildet sind, asymmetrisch zueinander angeordnet sind, ist es wahrscheinlich, dass aufgrund einer thermischen Spannung ein Verziehen oder Wellen auftritt. Daher ist es wahrscheinlich, dass eine hohe thermische Beanspruchung in dem Lot 42 auftritt, das mit dem Verbindungsbereich 54 verbunden ist.
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Dementsprechend sind die Durchgangslöcher 58 bei der Leistungs-Halbleitereinheit 600, wie in den 21 und 22 gezeigt, in dem Kernmaterial 51 und der distalen Leiterschicht 52 aus Kupfer der gedruckten Leiterplatte 50 so angeordnet, dass sie dem gesamten Verbindungsbereich 54 entsprechen, mit dem das Lot verbunden werden soll. Bei jedem der Durchgangslöcher 58 handelt es sich um eine Nut, die das Kernmaterial 51 und die distale Leiterschicht 52 aus Kupfer in der Dickenrichtung derselben durchdringt, und jedes ist so platziert, dass es dem gesamten Verbindungsbereich 54 entspricht, wie vorstehend erwähnt.
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Die Durchgangslöcher 58 sind in der Leistungs-Halbleitereinheit 600 angeordnet, wie vorstehend beschrieben, so dass das Wellen in der Nähe des Verbindungsbereichs 54 unterbunden werden kann und die thermische Beanspruchung reduziert werden kann, die in dem Lot 42 erzeugt wird.
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Darüber hinaus erleichtert die Anordnung der Durchgangslöcher 58 zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Effekten die Überprüfung eines Zustands der Ausrundung des Lots 42 zum Beispiel mit einer visuellen Beobachtung bei den Verbindungsbereichen 54, die an den Oberflächenelektroden des IGBT 2 und der Diode 3 mit diesen verbunden sind, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Schlitze 55 in der Leistungs-Halbleitereinheit 300 angeordnet sind. Infolgedessen entsteht ebenfalls ein Effekt, dass ein Überprüfungsprozess hinsichtlich des Verbindungszustands ohne Weiteres in einer kurzen Zeitspanne durchgeführt werden kann.
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Da die Durchgangslöcher 58 angeordnet sind, können darüber hinaus die Fülleigenschaften des Abdichtungsharzes 6 durch die Durchgangslöcher 58 hindurch in den Zwischenraum zwischen dem isolierenden Substrat 1 und der gedruckten Leiterplatte 50 hinein und insbesondere in den nicht gefüllten Bereich des Abdichtungsharzes 6 hinein, wobei der nicht gefüllte Bereich bei den Verbindungsbereichen 54 ausgebildet sein kann, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Schlitze 55 in der Leistungs-Halbleitereinheit 300 angeordnet sind, in höherem Maße verbessert werden. Daher ist es ebenfalls möglich, das Auftreten des nicht gefüllten Bereichs zu unterbinden.
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Daher ist es möglich, die Harz-Einspritzrate im Vergleich zu der dritten Ausführungsform weiter zu verbessern. Folglich kann eine Reduktion der Produktivität vermieden werden, und es ist möglich, die Produktivität zu steigern.
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Es ist anzumerken, dass die modifizierten Beispiele in Bezug auf die jeweiligen Materialien des isolierenden Substrats 1, des Gehäuses 7, des Bondingdrahts sowie des Lots, das modifizierte Beispiel in Bezug auf das Leistungs-Halbleiterelement sowie das modifizierte Beispiel in Bezug auf das Abdichtungsharz, die bei der ersten Ausführungsform beschrieben sind, in einer ähnlichen Weise auch auf die Leistungs-Halbleitereinheit 600 dieser vierten Ausführungsform angewendet werden können.
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Des Weiteren ist es möglich, eine Kombination der jeweiligen vorstehend erwähnten Ausführungsformen einzusetzen, und es ist außerdem möglich, die Komponenten, die bei den verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, miteinander zu kombinieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- isolierendes Substrat
- 2
- IGBT
- 3
- Diode
- 21
- zentraler Punkt
- 42
- Lot
- 43
- Lot
- 50
- gedruckte Leiterplatte
- 52
- distale Leiterschicht aus Kupfer
- 53
- proximale Leiterschicht aus Kupfer
- 54
- Verbindungsbereich
- 54-2
- Verbindungsbereich
- 55
- Schlitz
- 58
- Durchgangsloch
- 100
- Leistungs-Halbleitereinheit
- 200
- Leistungs-Halbleitereinheit
- 300
- Leistungs-Halbleitereinheit
- 400
- Leistungs-Halbleitereinheit
- 500
- Leistungs-Halbleitereinheit
- 600
- Leistungs-Halbleitereinheit
