DE112016006332B4 - Leistungsmodul - Google Patents

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Abstract

Leistungsmodul (101), das Folgendes aufweist:- eine isolierte Leiterplatte (1);- ein Halbleiterelement (3), das auf einer Seite auf der einen Hauptoberfläche (1a) der isolierten Leiterplatte (1) angeordnet ist;- eine erste Pufferplatte (5), die zwischen der isolierten Leiterplatte (1) und dem Halbleiterelement (3) angeordnet ist;- ein erstes Verbindungsmaterial (11), das zwischen der isolierten Leiterplatte (1) und der ersten Pufferplatte (5) angeordnet ist;- ein zweites Verbindungsmaterial (11), das zwischen dem Halbleiterelement (3) und der ersten Pufferplatte (5) angeordnet ist; und- ein Wärmeableitkörper (7), der auf einer Seite der anderen Hauptoberfläche auf einer gegenüberliegenden Seite von der einen Hauptoberfläche (1a) der isolierten Leiterplatte (1) angeordnet ist, wobei das erste Verbindungsmaterial (11) in Draufsicht in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist, und dazu ausgebildet ist, die isolierte Leiterplatte (1) und die erste Pufferplatte (5) zu verbinden,dadurch gekennzeichnet,dass das Material des ersten Verbindungsmaterials (11) ein niedertemperatur-gesintertes Material, ein Flüssigphasen-Diffusions-Verbindungsmaterial oder Lot ist,wobei die erste Pufferplatte (5) einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten als das Halbleiterelement (3) und einen niedrigeren Längenausdehnungskoeffizienten als die isolierte Leiterplatte (1) aufweist, wobei die erste Pufferplatte (5) einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Halbleiterelement (3) aufweist,wobei der Längenausdehnungskoeffizient der isolierten Leiterplatte (1) einen Wert von 4,8 × 10-6/°C oder mehr und 14,5 × 10-6/°C oder weniger aufweist, und der Elastizitätsmodul der ersten Pufferplatte (5) geringer ist als 430 GPa.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul und insbesondere ein Leistungsmodul, bei dem Wärmeableitfähigkeit bzw. -leistung erforderlich ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein Leistungsmodul, bei dem Leistungshalbleiter-Elemente, wie beispielsweise ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate (IGBT) montiert ist, muss die von den Halbleiterelementen erzeugte Wärme effizient nach außen ableiten, während die Isolierfähigkeit bzw. -leistung zwischen den Halbleiterelementen und deren Umgebung sichergestellt sein muss. Ein herkömmliches Direktkühlungstyp-Leistungsmodul verwendet kein Fett und weist Folgendes auf: eine isolierte Leiterplatte, die eine Keramikplatte aufweist, die Hauptoberflächen aufweist, auf denen metallische Dünnschichten ausgebildet sind; und ein Leistungshalbleiter-Element, das auf der einen von den Hauptoberflächen verbunden ist, und zwar mit einem Verbindungsmaterial dazwischenliegend angeordnet; und einer Kühleinrichtung, die auf der anderen Hauptoberfläche verbunden ist.
  • Je nach den Bedingungen, unter denen ein solches Direktkühlungstyp-Leistungsmodul verwendet wird, besteht jedoch ein großer Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement und der Kühleinrichtung, so dass Risse in allen von den Verbindungsbereichen entstehen, so dass die erforderliche Wärmeableitfähigkeit bzw. -leistung nicht erreicht werden kann. Daher schlägt beispielsweise die JP H08- 509 844 A (PTD1) Folgendes vor: ein Halbleiterelement, das auf einem Leiterpfad auf einem Keramiksubstrat verbunden ist, wobei das Keramiksubstrat und eine Metall-Bodenplatte unter dem Keramiksubstrat mit einer dazwischenliegenden Pufferschicht miteinander verbunden sind. Die Verbindungsschicht zwischen dem Keramiksubstrat und der Pufferschicht und die Verbindungsschicht zwischen der Pufferschicht und der Metall-Bodenplatte sind jeweils aus gesintertem Silber hergestellt. Ermüdungserscheinungen und Rissbildungen, die durch den Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramiksubstrat und der Metall-Bodenplatte verursacht werden, werden durch die plastische Verformung der Pufferschicht vermieden.
  • Allerdings ist bei der PTD1 keine Pufferschicht zwischen dem Halbleiterelement und dem Keramiksubstrat angeordnet, das somit weniger effektiv im Verteilen der Wärme des Halbleiterelements in Richtung entlang dessen Hauptoberfläche ist. Andererseits zeigt beispielsweise die JP H08- 509 844 A (PTD2) eine Konfiguration, bei der eine Belastungs-Pufferplatte direkt über einem Halbleiterelement mit dazwischenliegendem Verbindungsmaterial angeordnet ist. Dies verbessert die Wirkung, dass die von dem Halbleiterelement erzeugte Wärme direkt darunter verteilt wird.
  • Stand der Technik-Liste
  • Patentdokumente
    • PTD1: ungeprüfte Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP H08-509 844 A
    • PTD2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP H08- 509 844 A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Beispielsweise wird als Verbindungsmaterial zum Verbinden eines Keramiksubstrats und einer Pufferschicht ein pastenartiges Verbindungsmaterial aufgetragen. Wenn dieses Verbindungsmaterial erhitzt wird, um das Keramiksubstrat und die Pufferschicht miteinander zu verbinden, verbleibt tendenziell ein in dem Verbindungsmaterial enthaltendes Bindemittel. Wenn das Keramiksubstrat bzw. das keramische Substrat und die Pufferschicht miteinander verbunden werden, während das Bindemittel verbleibt, besteht ein Problem dahingehend, dass eine spätere Verbindungsstärke der Verbindungsschicht schwach wird und die Wärmeleitfähigkeit in der Verbindungsschicht unzureichend wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Probleme gemacht worden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungsmodul zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, die Verbindungsstärke der Verbindungsschicht zu erhöhen und auch ihre Wärmeleitfähigkeit weiter zu verbessern.
  • Lösung des Problems
  • Ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine isolierte Leiterplatte, ein Halbleiterelement, eine erste Pufferplatte, ein erstes Verbindungsmaterial, ein zweites Verbindungsmaterial und einen Wärmeableitkörper. Das Halbleiterelement ist auf einer Seite der einen Hauptoberfläche der isolierten Leiterplatte angeordnet. Die erste Pufferplatte ist zwischen der isolierten Leiterplatte und dem Halbleiterelement angeordnet. Das erste Verbindungsmaterial ist zwischen der isolierten Leiterplatte und der ersten Pufferplatte angeordnet. Das zweite Verbindungsmaterial ist zwischen dem Halbleiterelement und der ersten Pufferplatte angeordnet. Der Wärmeableitkörper ist auf einer Seite der anderen Hauptoberfläche auf einer gegenüberliegenden Seite von der einen Hauptoberfläche der isolierten Leiterplatte angeordnet. Das erste Verbindungsmaterial ist in Draufsicht in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt. Die erste Pufferplatte weist einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten als das Halbleiterelement und einen niedrigeren Längenausdehnungskoeffizienten als die isolierte Leiterplatte auf. Die erste Pufferplatte weist einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Halbleiterelement auf.
  • Ein Leistungsmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine isolierte Leiterplatte, ein Halbleiterelement, ein zweites Verbindungsmaterial und einen Wärmeableitkörper. Das Halbleiterelement ist auf einer Seite auf der einen Hauptoberfläche der isolierten Leiterplatte angeordnet. Das zweite Verbindungsmaterial ist zwischen der isolierten Leiterplatte und dem Halbleiterelement angeordnet. Der Wärmeableitkörper ist auf einer Seite der anderen Hauptoberfläche auf einer gegenüberliegenden Seite von der einen Hauptoberfläche der isolierten Leiterplatte angeordnet. Das zweite Verbindungsmaterial ist in Draufsicht in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das in dem Verbindungsmaterial enthaltene Bindemittel effizient über einen Pfad, der durch das Unterteilen bzw. Trennen des ersten Verbindungsmaterials in eine Vielzahl von Bereiche ausgebildet wird, derart abgeführt werden, dass die Zuverlässigkeit des ersten Verbindungsmaterials verbessert werden kann.
  • Figurenliste
  • In den Zeichnungen zeigt:
    • 1 eine schematische Querschnittsansicht, die die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 2 eine schematische Draufsicht, die insbesondere das erste Beispiel der Konfiguration eines ersten Verbindungsmaterials zeigt, das zwischen einer isolierten Leiterplatte und einer ersten Pufferplatte in 1 angeordnet ist;
    • 3 eine schematische Draufsicht, die insbesondere das zweite Beispiel der Konfiguration des ersten Verbindungsmaterials zeigt, das zwischen der isolierten Leiterplatte und der ersten Pufferplatte in 1 angeordnet ist,
    • 4 eine schematische Querschnittsansicht, die die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
    • 5 eine schematische Querschnittsansicht, die die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
    • 6 eine schematische Querschnittsansicht, die das erste Beispiel der Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der vierten Ausführungsform zeigt;
    • 7 eine schematische Querschnittsansicht, die das zweite Beispiel der Konfiguration des Leistungsmoduls gemäß der vierten Ausführungsform zeigt;
    • 8 eine schematische Querschnittsansicht, die das erste Beispiel der Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der fünften Ausführungsform zeigt;
    • 9 eine schematische Querschnittsansicht, die das zweite Beispiel der Konfiguration des Leistungsmoduls gemäß der fünften Ausführungsform zeigt;
    • 10 eine schematische Querschnittsansicht, die die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der sechsten Ausführungsform zeigt;
    • 11 eine schematische Querschnittsansicht, die das erste Beispiel der Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der siebten Ausführungsform zeigt;
    • 12 eine schematische Querschnittsansicht, die das zweite Beispiel der Konfiguration des Leistungsmoduls gemäß der siebten Ausführungsform zeigt;
    • 13 eine schematische Querschnittsansicht, die das erste Beispiel der Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der achten Ausführungsform zeigt;
    • 14 eine schematische Querschnittsansicht, die das zweite Beispiel der Konfiguration des Leistungsmoduls gemäß der achten Ausführungsform zeigt;
    • 15 eine schematische Querschnittsansicht, die das erste Beispiel der Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der neunten Ausführungsform zeigt;
    • 16 eine schematische Querschnittsansicht, die das zweite Beispiel der Konfiguration des Leistungsmoduls gemäß der neunten Ausführungsform zeigt;
    • 17 eine schematische Querschnittsansicht, die das erste Beispiel der Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der zehnten Ausführungsform zeigt;
    • 18 eine schematische Querschnittsansicht, die das zweite Beispiel der Konfiguration des Leistungsmoduls gemäß der zehnten Ausführungsform zeigt; und
    • 19 eine schematische Querschnittsansicht, die die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der elften Ausführungsform zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Wenn Namen von Metallmaterialien, wie beispielsweise Kupfer und Aluminium, bei der folgenden Beschreibung erwähnt werden, ohne spezifischer bestimmt zu werden, wird angenommen, dass diese Metallmaterialien eine Kupferlegierung und eine Aluminiumlegierung aufweisen, die jeweils andere Zusätze aufweisen.
  • Erste Ausführungsform
  • Zunächst wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben. Bezogen auf 1 weist ein Leistungsmodul 101 in der vorliegenden Ausführungsform hauptsächlich Folgendes auf: Eine isolierte Leiterplatte 1, ein Halbleiter-Element 3, eine Pufferplatte 5 (die erste Pufferplatte), und ein Basis-Substrat 7 (ein Wärmeableitkörper).
  • Die isolierte Leiterplatte 1 weist Folgendes auf: Eine isolierende Keramikplatte 8, die in einer flachen Plattenform ausgebildet ist und die eine Hauptoberfläche 8a und die andere Hauptoberfläche 8b auf der gegenüberliegenden Seite hiervon aufweist; und eine Leiter-Dünnschicht 9, die so ausgebildet ist, dass sie auf jede von der einen Hauptoberfläche 8a und der anderen Hauptoberfläche 8b der isolierenden Keramikplatte 8 aufgeschichtet wird. Mit anderen Worten weist die isolierte Leiterplatte 1 eine Konfiguration auf, bei der die isolierende Keramikplatte 8 zwischen Leiter-Dünnschichten 9 von beiden Seiten von der einen Hauptoberfläche 8a und der anderen Hauptoberfläche 8b sandwichartig angeordnet ist. Wie in 1 gezeigt, ist jede der Leiter-Dünnschichten 9 so ausgebildet, dass sie eine entsprechende Fläche von der einen Hauptoberfläche 8a und der anderen Hauptoberfläche 8b fast gesamt bedeckt, kann jedoch auch so ausgebildet sein, dass sie eine entsprechende Fläche von der einen Hauptoberfläche 8a und der anderen Hauptoberfläche 8b lediglich teilweise bedeckt. Zumindest in 1 bedeckt jede Leiter-Dünnschicht 9 eine entsprechende Fläche von der einen Hauptoberfläche 8a und der anderen Hauptoberfläche 8b in 1 fast vollständig. Dementsprechend ist die eine Hauptoberfläche 1a der der gesamten isolierten Leiterplatte 1 auf der Oberfläche der Leiter-Dünnschicht 9 von der einen Hauptoberfläche 8a der isolierenden Keramikplatte 8 ausgebildet, und die andere Hauptoberfläche 1b der gesamten isolierten Leiterplatte 1 ist auf der Oberfläche der Leiter-Dünnschicht 9 auf der anderen Hauptoberfläche 8b der isolierenden Keramikplatte 8 ausgebildet.
  • Das Halbleiterelement 3 ist beispielsweise ein dünner plattenförmiger Halbleiterchip, der einen IGBT aufweist, der darauf angeordnet ist, und ist auf der Seite der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1, das heißt der oberen Seite in 1 angeordnet. Die Pufferplatte 5 ist zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3 ausgebildet. Die Pufferplatte 5 ist in einer flachen Plattenform ausgebildet, die die eine Hauptoberfläche 5a an der Seite des Halbleiterelements 3, das heißt an der Oberseite in 1 aufweist, und die die andere Hauptoberfläche 5b auf der Seite der isolierten Leiterplatte 1, das heißt auf der Unterseite in 1 aufweist. Somit ist das Halbleiterelement 3 mit der einen Hauptoberfläche 5a der Pufferplatte 5 verbunden.
  • Ferner ist das Basis-Substrat 7 auf der Seite der anderen Hauptoberfläche 1b auf der entgegengesetzten Seite der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1, das heißt an der Unterseite in 1 angeordnet. Das Basis-Substrat 7 ist in einer flachen Plattenform ausgebildet, die die eine Hauptoberfläche 7a an der Seite der isolierten Leiterplatte 1, das heißt der Oberseite in 1 aufweist, und die andere Hauptoberfläche 7b auf der gegenüberliegenden Seite der einen Hauptoberfläche 7a.
  • Ein Verbindungsmaterial 11 (das erste Verbindungsmaterial) ist zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und der Pufferplatte 5 angeordnet. Mit anderen Worten ist die Pufferplatte 5 auf der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1 verbunden, und zwar mit dem Verbindungsmaterial 11 dazwischen angeordnet. Ferner ist das Verbindungsmaterial 11 (das zweite Verbindungsmaterial) ebenfalls zwischen dem Halbleiterelement 3 und der Pufferplatte 5 angeordnet. Mit anderen Worten ist das Halbleiterelement 3 auf der einen Hauptoberfläche 5a der Pufferplatte 5 befestigt, und zwar mit dem Verbindungsmaterial 11 dazwischen angeordnet. Ferner ist ein Verbindungsmaterial 13 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 angeordnet. Mit anderen Worten ist das Basis-Substrat 7 auf der anderen Hauptoberfläche 1b der isolierten Leiterplatte 1 befestigt, und zwar mit dem Verbindungsmaterial 13 dazwischen angeordnet.
  • Wie in 1 gezeigt, weisen die Elemente, die an der Unterseite in der Figur angeordnet sind, in Draufsicht grundsätzlich eine größere Fläche auf als die Elemente an der Oberseite der Figur. Insbesondere weist die Pufferplatte 5 eine größere Fläche auf als das Halbleiterelement 3, die isolierte Leiterplatte 1 weist eine größere Fläche auf als die Pufferplatte 5, und das Basis-Substrat 7 weist eine größere Fläche auf als die isolierte Leiterplatte 1.
  • Bezugnehmend auf 2 weist bei dem Leistungsmodul 101 das Verbindungsmaterial 11 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und der Pufferplatte 5 beispielsweise in Draufsicht eine rechteckige Form (eine viereckige Form) auf und ist mittels einer Trennlinie 15 in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt. In 2 sind beispielsweise zwei Trennlinien 15 in Längsrichtung und in Lateralrichtung derart ausgebildet, dass sie sich entlang der Endfläche bzw. der Stirnseite des Verbindungsmaterials 11 in Draufsicht erstrecken.
  • Da die Trennlinien 15 als ein Bereich ausgebildet wird, aus dem das Verbindungsmaterial 11 ausbildende Element entfernt wird, ist das das Verbindungsmaterial 11 ausbildende Element nicht in der Trennlinie 15 angeordnet. Dann werden die Verbindungsmaterialien 11 in Längsrichtung in drei Reihen und in drei Linien in Lateralrichtung derart angeordnet, dass sie durch die Trennlinien 15 voneinander beabstandet sind. In dem ersten Beispiel in 2 sind geteilte Verbindungsmaterialien 11 in einem Gittermuster angeordnet.
  • Auf dem Verbindungsmaterial 11 wird ein Pasten-Material aufgebracht, das dann zum Beispiel gesintert wird, um die isolierte Leiterplatte 1 und die Pufferplatte 5 zu verbinden. Dieses Pasten-Material wird mittels von Verfahren, wie beispielsweise einem bekannten Siebdruckverfahren oder einem Dispenser-Auftrageverfahren aufgebracht. Abhängig von der Art, der Menge und dergleichen des Bindemittels, das in dem Pasten-Material enthalten ist, wird die Dicke des Verbindungsmaterials 11 und die Breite der Trennlinie 15 (die Breite in Richtung entlang der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1) verändert. So wird im Folgenden die Größe des Verbindungsmaterials 11 nach dem Sintern beschrieben. Die Breite in einer Draufsicht in der Richtung, die sich mit der Erstreckungsrichtung von jeder Trennlinie 15 schneidet, ist beispielsweise vorzugsweise gleich oder größer als 10 µm und ferner vorzugsweise gleich oder kleiner als die Dicke des Verbindungsmaterials 11. Das Gleiche gilt auch für den Fall, dass die Trennlinie 15 nicht nur in dem Verbindungsmaterial 11 als erstes Verbindungsmaterial, wie in 2 gezeigt, sondern auch als zweites Verbindungsmaterial ausgebildet ist, wie es beispielsweise später beschrieben wird.
  • Bezugnehmend auf 3 kann sich eine Vielzahl von Trennlinien 15 so erstrecken, dass sie in einer schrägen Richtung bezogen auf die Endfläche bzw. Stirnseite des Verbindungsmaterials 11 in einer Draufsicht beabstandet zueinander sind, bei der die geteilten Verbindungsmaterialien 11 jeweils beispielsweise eine Rombusform aufweisen können. In diesem Fall schneiden sich ein Paar von benachbarten Trennlinien 15, die sich von oben links nach unten rechts in 4 erstrecken, und ein Paar von benachbarten Trennlinien 15, die sich von oben rechts nach unten links in erstrecken, so dass sie eine Rombusform ausbilden.
  • In den 2 und 3 ist der Kantenbereich der Trennlinie 15 in einer Winkelform ausgebildet, kann jedoch auch in einer abgerundeten R-Form ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Spannungskonzentration bei dem Verbindungsmaterial 11 verringert werden. Ähnlich hierzu kann der äußere Kantenbereich im gesamten Verbindungsmaterial 11 ebenfalls in gerundeter R-Form ausgebildet werden.
  • In 1 ist die Trennlinie 15 nicht im zweiten Verbindungsmaterial 11 angeordnet, kann jedoch ferner ebenfalls im zweiten Verbindungsmaterial 11, wie im ersten Verbindungsmaterial 11, angeordnet sein.
  • Im Folgenden wird das Material und dergleichen von jedem der oben beschriebenen Elemente beschrieben, die das Leistungsmodul 101 ausbilden.
  • Es ist vorzuziehen, dass die isolierende Keramikplatte 8, die die isolierte Leiterplatte 1 ausbildet, aus einem hochwärmeleitenden keramischen Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid ausgebildet ist. Es ist ferner vorzuziehen, dass die Leiter-Dünnschicht 9 aus einem guten Strom- und Wärmeleiter, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, hergestellt ist. Obwohl 1 zeigt, dass die Leiter-Dünnschicht 9 aus einer einzigen Schicht ausgebildet ist, kann die Leiter-Dünnschicht 9 aus einer Vielzahl von Schichten ausgebildet werden, die beispielsweise mittels Stapelns einer dünnen Kupferschicht und einer Aluminiumschicht erhalten wird. Obwohl es so nicht gezeigt ist, kann bei der isolierten Leiterplatte 1 die Leiter-Dünnschicht 9 direkt mit der einen Hauptoberfläche 8a und der anderen Hauptoberfläche 8b der isolierenden Keramikplatte 8 verbunden werden, und zwar ohne Verwendung eines Wachsmaterials und dergleichen, oder kann mit der einen Hauptoberfläche 8a und der anderen Hauptoberfläche 8b der isolierenden Keramikplatte 8 unter Verwendung eines Wachsmaterials und dergleichen verbunden werden.
  • Das Halbleiterelement 3 ist ein chipförmiges Element, das aus Silizium oder Siliziumcarbid (SiC) hergestellt ist. Das Basis-Substrat 7 dient als Element zum Aufnehmen der von dem Halbleiterelement 3 erzeugten Wärme von der Seite der einen Hauptoberfläche 7a und zum Ableiten der Wärme von der Seite der anderen Hauptoberfläche 7b nach außen. Es ist vorzuziehen, dass das Basis-Substrat 7 ein guter Wärmeleiter ist, der aus Aluminium oder Kupfer hergestellt ist. Das Basis-Substrat 7, das ein Wärmeableitkörper ist, kann derart ausgebildet sein, dass ein Wärmeableitungsmechanismus (nicht dargestellt) mit der anderen Hauptoberfläche 7b in 1 verbunden ist. Mit anderen Worten können das Basis-Substrat 7 und der Wärmeableitungsmechanismus (nicht abgebildet) kombiniert werden, um die von dem Halbleiterelement 3 erzeugte Wärme abzuführen. Dieser Wärmeableitungsmechanismus (nicht gezeigt) ist beispielsweise ein Flüssigkeitskühlungs-Wassermantel oder eine Luftkühlungs-Wärmesenke, wobei die Kühlungsart je nach Einsatzzweck gewählt werden kann. Auf diese Weise kann das Basis-Substrat 7 mit einem weiteren Wärmeableitungsmechanismus verbunden sein, die beide so kombiniert werden können, dass eine Funktion zur Wärmeabführung durchgeführt wird. Allerdings kann das Basis-Substrat 7 auch alleine als Wärmeableitungsmechanismus angeordnet werden. Wenn das Basis-Substrat 7 alleine als Wärmeableitungsmechanismus in dem Zustand angeordnet ist, in dem kein weiterer bzw. anderer Wärmeableitungsmechanismus hiermit verbunden ist, wird die Wärmeableitungseffizienz des Gesamtsystems weiter verbessert. Aus der oben beschriebenen Sicht ist es daher vorzusehen, dass das Basis-Substrat 7 alleine als Wärmeableitungsmechanismus verwendet wird.
  • 1 zeigt Folgendes: Das Verbindungsmaterial 11 als das erste Verbindungsmaterial, das zwischen der isolieren Leiterplatte 1 und der Pufferplatte 5 angeordnet ist; und das Verbindungsmaterial 11 als das zweite Verbindungsmaterial, das zwischen der Pufferplatte 5 und dem Halbleiterelement 3 angeordnet ist, wobei jedes dieser Verbindungsmaterialien 11 vorzugsweise aus einem niedertemperatur-gesinterten Material ausgebildet ist, das beispielsweise unter Verwendung von Silber-Nanopartikeln hergestellt ist. Allerdings kann das Verbindungsmaterial 11 auch aus Folgendem hergestellt sein: Einem Flüssigphasen-Diffusions-Verbindungsmaterial, wie beispielsweise Kupfer-Zinn; oder Lot. In der vorliegenden Beschreibung wird angenommen, dass das Verbindungsmaterial 11 aus einem niedertemperatur-gesinterten Material ausgebildet ist, das unter Verwendung von Silber-Nanopartikeln hergestellt wird, das also aus gesintertem Silber ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist das Verbindungsmaterial 11 als das erste Verbindungsmaterial aus einem Leitermaterial hergestellt. Da das Verbindungsmaterial 11 dazu verwendet wird, die Leiter-Dünnschicht 9a der isolierten Leiterplatte 1 und die Pufferplatte 5 zu verbinden, die aus einem Metallmaterial, wie beispielsweise einer Legierung, hergestellt ist, kann es allerdings die Leiter-Dünnschicht 9 und die Pufferplatte 5 verbinden, und zwar aufgrund der exzellenten Benetzungsfähigkeit ohne irgendwelche Probleme zu verursachen, und zwar selbst wenn das Verbindungsmaterial 11 aus einem Leitermaterial hergestellt ist.
  • Es ist vorzuziehen, dass das Verbindungsmaterial 13, das zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 in 1 angeordnet ist, beispielsweise aus Lot hergestellt ist. Allerdings kann das Verbindungsmaterial 13 aus einem niedertemperatur-gesinterten Material hergestellt sein, das unter Verwendung von Silber-Nanopartikeln hergestellt wird, oder aus einem Flüssigphasen-Diffusions-Verbindungsmaterial, wie beispielsweise Kupfer-Zinn hergestellt sein. In der vorliegenden Beschreibung wird im Folgenden angenommen, dass das Verbindungsmaterial 13 aus Lot hergestellt ist.
  • Um die Wärmebeanspruchung zu verringern, die zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3 verursacht wird, und zwar durch Verbinden dieser isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3, die verschiedene Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist die Pufferplatte 5 so angeordnet, dass sie sandwichartig zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3 angeordnet ist. Entsprechend ist die Pufferplatte 5 aus einem Material ausgebildet, das einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als das Halbleiterelement 3 und einen niedrigeren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als die isolierte Leiterplatte 1. In diesem Fall sind die Längenausdehnungskoeffizienten in aufsteigender Reihenfolge folgende: Halbleiterelement 3, Pufferplatte 5 und isolierte Leiterplatte 1. Der Längenausdehnungskoeffizient der isolierten Leiterplatte 1 bedeutet hierbei der gesamte Längenausdehnungskoeffizient der folgenden Elemente: isolierende Keramikplatte 8: und Leiter-Dünnschichten 9 auf der einen Hauptoberfläche 8a und der anderen Hauptoberfläche 8b der isolierenden Keramikplatte 8, die die isolierte Leiterplatte 1 ausbilden. Außerdem ist die Pufferplatte 5 aus einem Material ausgebildet, das einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Halbleiterelement 3 aufweist.
  • Wenn beispielsweise das Halbleiterelement 3 aus Siliziumcarbid hergestellt ist, hat der Längenausdehnungskoeffizient des Halbleiterelements 3 einen Wert von 4,6 × 10-6/°C. Wenn beispielsweise das Halbleiterelement 3 aus Silizium hergestellt ist, hat der Längenausdehnungskoeffizient des Halbleiterelement 3 einen Wert von 2,5 × 10-6/°C. Wenn die isolierte Leiterplatte 1 aus der isolierten Keramikplatte 8, die aus Siliziumnitrid hergestellt ist, und der Leiter-Dünnschicht 9 ausgebildet ist, die aus Kupfer hergestellt ist, variiert der Längenausdehnungskoeffizient der gesamten isolierten Leiterplatte 1 gemäß dem Volumenanteil, das heißt der Dicke, der isolierenden Keramikplatte 8 und der Leiter-Dünnschicht 9. Der scheinbare Längenausdehnungskoeffizient der gesamten isolierten Leiterplatte 1, der durch Analyse erhalten wird, variiert in einem Bereich von 4,8 × 10-6/°C oder mehr und 14,5 × 10-6/°C oder weniger. Außerdem ist der Längenausdehnungskoeffizient des Basis-Substrats 7, das aus Aluminium hergestellt ist, 24 × 10-6/°C.
  • Daher ist der Unterschied im Längenausdehnungskoeffizient zwischen dem Halbleiterelement und der isolierten Leiterplatte 1 kleiner, wenn das Halbleiterelement 3 aus Siliziumcarbid hergestellt ist als wenn das Halbleiterelement 3 aus Silizium hergestellt ist. Somit kann die Belastung zwischen dem Halbleiterelement 3 und der isolierten Leiterplatte 1 reduziert werden. Allerdings hat das Halbleiterelement 3, das aus Silizium hergestellt ist, einen Elastizitätsmodul (Modul der Längselastizität) von 169,7 GPa, wohingegen das Halbleiterelement 3, das aus Siliziumcarbid hergestellt ist, einen Elastizitätsmodul von 430 GPa aufweist. Mit anderen Worten weist das Halbleiterelement 3, das aus Siliziumcarbid hergestellt ist, eine extrem hohe Festigkeit auf. Wenn somit das Halbleiterelement 3 verwendet wird, das aus Siliziumcarbid hergestellt ist, muss die Belastung zwischen diesem Halbleiterelement 3 und der isolierten Leiterplatte 1 weiter verringert werden. Vor diesem Hintergrund kann somit gesagt werden, dass die Pufferplatte 5, die im Elastizitätsmodul niedriger sein sollte als das Halbleiterelement 3, vorzugsweise so ausgebildet ist, dass sie einen Elastizitätsmodul von weniger als 430 GPa aufweist.
  • Außerdem ändert sich der Längenausdehnungskoeffizient der isolierten Leiterplatte 1 gemäß dem Volumenanteil der isolierten Keramikplatte 8 und der Leiter-Dünnschicht 9, und zwar wie oben beschrieben. Selbst wenn dieser Längenausdehnungskoeffizient in irgendeiner Weise verändert wird, wird eine Zielkonflikt-Relation zwischen Befestigen auf der Seite der einen Hauptoberfläche 1a (Halbleiterelement 3) und Befestigen auf der Seite der anderen Hauptoberfläche 1b (Basis-Substrat 7) etabliert. Dementsprechend wird in 1 eine Zielkonflikt-Relation zwischen der Lebensdauer des Verbindungsmaterials 11, das aus gesintertem Silber hergestellt ist, und der Lebensdauer des Verbindungsmaterials 13 etabliert, das aus Lot hergestellt ist. Insbesondere wenn beispielsweise die Leiter-Dünnschicht 9, die aus Kupfer hergestellt ist, bei der isolierten Leiterplatte 1 in ihrer Dicke erhöht wird, um die Wärmeverteilungsleistung hiervon zu verbessern, wird der Längenausdehnungskoeffizient der isolierten Leiterplatte 1 erhöht. Somit wird der Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Basis-Substrat 7 und der isolierten Leiterplatte 1 herabgesetzt, der Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement 3 und der isolierten Leiterplatte 1 wird jedoch im Gegensatz hierzu vergrößert. Entsprechend wird die Belastung auf das Verbindungsmaterial 13 verringert, das aus Lot hergestellt ist, wohingegen die Belastung auf das Verbindungsmaterial 11 erhöht wird, das aus gesintertem Silber hergestellt ist, so dass die Lebensdauer von dem Verbindungsmaterial 11 verkürzt werden kann. Wird dagegen der Anteil der isolierenden Keramikplatte 8 in der isolierten Leiterplatte 1 erhöht, verringert sich der Längenausdehnungskoeffizient der isolierten Leiterplatte 1. Somit wird der Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement 3 und der isolierten Leiterplatte 1 verringert, der Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Basis-Substrat 7 und der isolierten Leiterplatte 1 erhöht sich hingegen jedoch. Entsprechend wird die Belastung auf das Verbindungsmaterial 11 verringert, das aus gesintertem Silber hergestellt ist, wohingegen die Belastung auf das Verbindungsmaterial 13 erhöht wird, das aus Lot hergestellt ist, so dass die Lebensdauer von dem Verbindungsmaterial 13 verkürzt werden kann.
  • Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Zielkonflikt-Relation ist es vorzuziehen, dass die Pufferplatte 5, die einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als das Halbleiterelement 3, einen niedrigeren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als die Leiterplatte 1 und einen niedrigeren Elastizitätsmodul aufweist als das Halbleiterelement 3, aus den folgenden Materialien ausgebildet wird. Insbesondere ist es vorzuziehen, dass die Pufferplatte 5 aus irgendeinem Material ausgebildet ist, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Eine Chrom-Kupfer-Legierung; einem Hüllmaterial, das mittels Aufschichtens (Stacking) einer Chrom-Kupfer-Legierung und Kupfer ausgebildet ist; einer Kupfer-Molybdän-Legierung; und einem Hüllmaterial, das aus einer Kupfer-Molybdän-Legierung und Kupfer ausgebildet ist. In diesem Fall hat die Chrom-Kupfer-Legierung einen Längenausdehnungskoeffizienten von 7 × 10-6/°C oder mehr oder 10 × 10-6/°C oder weniger, und das Hüllmaterial einer Chrom-Kupfer-Legierung und Kupfer hat einen Längenausdehnungskoeffizienten von 8 × 10-6/°C oder mehr oder 12 × 10-6/°C oder weniger. Ferner hat die Kupfer-Molybdän-Legierung einen Längenausdehnungskoeffizienten von 7 × 10-6/°C oder mehr und 11,1 × 10-6/°C oder weniger, wobei der Elastizitätsmodul in einem Bereich von 280 GPa bis 170 GPa variiert. Außerdem hat das Hüllmaterial einer Kupfer-Molybdän-Legierung und Kupfer einen Längenausdehnungskoeffizienten von 8,5 × 10-6/°C oder mehr und 11,5 × 10-6/°C oder weniger, wobei der Elastizitätsmodul in einem Bereich von 160 GPa bis 120 GPa variiert.
  • Zusätzlich zu der Relaxation der Belastung zwischen dem Halbleiterelement 3 und der isolierten Leiterplatte 1 durch Anordnen der Pufferplatte 5 dazwischen, die einen Längenausdehnungskoeffizienten eines Wertes zwischen dem Längenausdehnungskoeffizienten des Halbleiterelements 3 und dem Längenausdehnungskoeffizienten der isolierten Leiterplatte 1 aufweist, dient die Pufferplatte 5 dazu, die von dem Halbleiterelement 3 abgeführte Wärme in Richtung entlang jeder der Hauptoberflächen 5a und 5b zu verteilen. Das Halbleiterelement 3, das aus SiC hergestellt ist, erzeugt als Leistungshalbleiter-Element eine große Wärmemenge. Da dieses Halbleiterelement 3 in seiner Dicke reduziert ist, wird die große Menge der erzeugten Wärme nach unten übertragen, bevor sie sich in Lateralrichtung entlang der Hauptoberflächen verteilt. Um somit die Wärme in Lateralrichtung entlang der Hauptoberflächen des Halbleiterelements 3 und dergleichen stärker zu verteilen, wird diese Wärme mittels der Pufferplatte 5 in Richtung entlang der einen Hauptoberfläche 5a und der anderen Hauptoberfläche 5b dieser Pufferplatte 5 verteilt. Beispielsweise ist die Wärmeleitfähigkeit in der Pufferplatte 5, die aus einer Kupfer-Molybdän-Legierung hergestellt ist, 160 W/(m·K) oder mehr und 286 W/(m·K) oder weniger, und die Wärmeleitfähigkeit in der Pufferplatte 5, die aus einem Hüllmaterial einer Kupfer-Molybdän-Legierung und Kupfer hergestellt ist, erreicht 220 W/(m.K) oder mehr und 300 W/(m·K) oder weniger. Dementsprechend ist eine solche Pufferplatte 5 auch in der Wärmeverteilung in ihrer Lateralrichtung äußerst effektiv.
  • Im Folgenden werden die Funktionen und Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Bei dem Leistungsmodul 101 der vorliegenden Ausführungsform ist die Pufferplatte 5 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3 angeordnet. Dabei weist die Pufferplatte 5 einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten als das Halbleiterelement 3 auf, einen niedrigeren Längenausdehnungskoeffizienten als die isolierte Leiterplatte 1 auf und einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Halbleiterelement 3 auf. Somit kann die Belastung im Verbindungsbereich zwischen dem Halbleiterelement 3 und der isolierten Leiterplatte 1, die durch den Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement 3 und der isolierten Leiterplatte 1 verursacht wird, so verringert werden, dass Ermüdungserscheinungen und Risse im Verbindungsbereich unterdrückt und das Ausbilden bzw. Fortschreiten von Rissen verzögert werden kann.
  • Außerdem weist die Pufferplatte 5 eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise 160 W/(m.K) oder mehr auf, so dass die Effizienz der Verteilung der auf diese Pufferplatte 5 übertragenen Wärme in Richtung entlang der einen Hauptoberfläche 5a und der anderen Hauptoberfläche 5b der Pufferplatte 5 verbessert werden kann. Außerdem sind die isolierte Leiterplatte 1 und die Pufferplatte 5 in ebener Fläche größer als das Halbleiterelement 3. So wird die von dem Halbleiterelement 3 auf die Pufferplatte 5 übertragene Wärme anschließend über einen größeren Oberflächenbereich übertragen, und zwar aufgrund der Erstreckung der Pufferplatte 5 in Lateralrichtung, mit dem Ergebnis, dass deren Wärmewiderstand reduziert werden kann. Entsprechend ist der Wärmewiderstand in dem Wärmepfad von dem Halbleiterelement 3 als wärmeerzeugender Körper nach unten in 1 zu dem Basis-Substrat 7 stark reduziert, so dass eine exzellente Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann.
  • Werden die Pufferplatte 5, die isolierte Leiterplatte 1 und dergleichen, die in ebener Fläche größer sind als das Halbleiterelement 3, wie in der vorliegenden Ausführungsform verbunden, bleibt ein im Verbindungsmaterial enthaltendes Bindemittel insbesondere in dem Zentrumsbereich in einer Draufsicht tendenziell erhalten, wenn das Verbindungsmaterial 11, das die isolierte Leiterplatte 1 und die Pufferplatte 5 miteinander verbindet, erhitzt und verbunden wird. Das liegt daran, dass keine Überbrückungs-Passage für ein Bindemittel vorhanden ist.
  • Somit wird bei der vorliegenden Ausführungsform das Verbindungsmaterial 11 zum Verbinden der isolierten Leiterplatte 1 und der Pufferplatte 5 miteinander in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt, beispielsweise in einer Maschenform. Das kann eine Effizienz dahingehend verbessern, dass das Bindemittel, das in dem Verbindungsmaterial 11 enthalten ist, während des Warmverbindens durch die Trennlinie 15, die zum Trennen des Verbindungsmaterials 11 verwendet wird, nach außen von dem Verbindungsmaterial 11 abgegeben wird. Selbst das Bindemittel in dem Zentrumsbereich des Verbindungsmaterials 11 kann über die Trennlinie 15 nach außen abgegeben werden. Mit anderen Worten kann durch die Verwendung der Trennlinie 15 als Überbrückungs-Passage für das durch Erhitzen verdunstete Bindemittel das aus der Verdampfung des Bindemittels resultierende Gas vom Verbleib in dem Verbindungsmaterial 11 abgehalten werden. Da überflüssiges Gas somit nicht in dem Verbindungsmaterial 11 verbleibt, ist das Verbindungsmaterial 11 entsprechend dicht gepackt. Daher kann die Verbindungsstärke des Verbindungsmaterials 11 erhöht werden, und die Zuverlässigkeit des Verbindungsmaterials 11 kann verbessert werden. Die Verbindungsstärke des Verbindungsmaterials 11 wird derart erhöht, dass die Wärmeableitfähigkeit bzw. -leistung von dem Halbleiterelement 3 zu der isolierten Leiterplatte 1 weiter verbessert werden kann.
  • Selbst wenn das Verbindungsmaterial 11 in Lateralrichtung entlang seiner Hauptoberfläche durch Trennlinien 15 geteilt ist, da jedoch die Breite der Trennlinie 15 gleich zu oder größer ist als 10 µm und gleich zu oder kleiner ist als die Dicke des Verbindungsmaterials 11, wie oben beschrieben, wird auf die Effizienz der Wärmeverteilung in Lateralrichtung entlang der Hauptoberfläche zwischen der Pufferplatte 5 und der isolierten Leiterplatte 1, die mit dem Verbindungsmaterial 11 verbunden sind, kaum Einfluss genommen.
  • Wenn außerdem das Verbindungsmaterial 11, das beispielsweise aus gesintertem Silber hergestellt ist und als zweites Verbindungsmaterial dient, zwischen dem Halbleiterelement 3 und der Pufferplatte 5 angeordnet ist, kann ferner die Verbindungsstärke und die Wärmeleitfähigkeit von dem Halbleiterelement 3 zu der Pufferplatte 5 gewährleistet werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird insbesondere das Verbindungsmaterial 11, das aus gesintertem Silber hergestellt ist, als erstes und zweites Verbindungsmaterial verwendet. Gesintertes Silber weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Lot auf. Entsprechend kann unter Verwendung dieses gesinterten Silbers der Wärmewiderstand in dem Wärmeableitungspfad von dem Halbleiterelement 3 zu dem Basis-Substrat 7 derart reduziert werden, dass eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann.
  • Außerdem ist beispielsweise bei dem Leistungsmodul 101 in 1 lediglich das erste Verbindungsmaterial 11 in eine Vielzahl von Bereiche mittels der Trennlinie 15 in einer Draufsicht geteilt, wohingegen das zweite Verbindungsmaterial 11 und das Verbindungsmaterial 13 nicht mittels der Trennlinie 15 geteilt sind. Dabei kann das Verbindungsmaterial 11 beispielsweise wie bei dem ersten Verbindungsmaterial 11 aufgrund der Überbrückungs-Passage für das Bindemittel bevorzugt dicht gepackt sein. Ferner kann auch bei dem zweiten Verbindungsmaterial 11 und dem dritten Verbindungsmaterial 13 ein relativ großer Verbindungsbereich bevorzugt sichergestellt werden.
  • Zweite Ausführungsform
  • Zunächst wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Bezugnehmend auf 4, und zwar da ein Leistungsmodul 201 gemäß der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie die des Leistungsmoduls 101 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. Es sei angemerkt, dass das Leistungsmodul 201 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sich von dem Leistungsmodul 101 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass ein Verbindungsmaterial 13 (das dritte Verbindungsmaterial), das zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 angeordnet ist, in Draufsicht in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist. Mit anderen Worten ist das Verbindungsmaterial 13 als das dritte Verbindungsmaterial ähnlich zu dem Verbindungsmaterial 11 als das erste Verbindungsmaterial in den in 2 und 3 gezeigten ersten Ausführungsform mittels einer Trennlinie 15 in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt. Die Art des Unterteilens des Verbindungsmaterials 13 kann in diesem Fall die gleiche wie in 2 oder 3 sein.
  • Im Folgenden werden die Funktionen und Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform erreicht zusätzlich zu den Funktionen und Wirkungen der ersten Ausführungsform die folgenden Funktionen und Wirkungen.
  • Wie das Leistungsmodul 101 ist auch das Leistungsmodul 201 derart ausgebildet, dass die unteren Elemente in 4 in einer Draufsicht grundsätzlich größer sind als die oberen Elemente in 4. Entsprechend ist das Verbindungsmaterial 13 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 in ebener Fläche größer als das Verbindungsmaterial 11 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und der Pufferplatte 5. Während das Verbindungsmaterial 11 grundsätzlich unter Verwendung gesinterten Silbers hergestellt ist, kann das Verbindungsmaterial 13 möglicherweise auch aus gesintertem Silber hergestellt werden, wird aber grundsätzlich unter Verwendung von Lot hergestellt, das kostengünstiger ist als gesintertes Silber. Selbst wenn das Verbindungsmaterial 13 verwendet wird, das unter Verwendung von Lot hergestellt wird, aber dieses Verbindungsmaterial 13 vor dem Verbinden in einer aufzutragenden Pastenform vorliegt, besteht aufgrund des in der Paste enthaltenden Bindemittels die Möglichkeit, dass das bei der Verdampfung des Bindemittels beim Warmverbinden entstehende Gas nach dem Verbinden innerhalb des Verbindungsmaterials 13 verbleibt. So ist es in der vorliegenden Ausführungsform effektiv, das Verbindungsmaterial 13 mit der Trennlinie 15 auszubilden, die als ein Pfad dient, durch den das Gas nach außen abgegeben wird. Auf diese Weise kann das beim Wärmefügen bzw. Warmverbinden von dem aus Lot ausgebildeten Verbindungsmaterial 13 erzeugte Gas hocheffizient über die Trennlinie 15 nach außen abgegeben werden. Daraus folgt, dass die gleichen Funktionen und Wirkungen wie bei dem Verbindungsmaterial 11 in der ersten Ausführungsform auch bei dem Verbindungsmaterial 13 erreicht werden.
  • Obwohl nicht dargestellt, kann dieses Verbindungsmaterial, wenn die Trennlinie 15 auch in dem dritten Verbindungsmaterial wie in der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, als Verbindungsmaterial 11 aus gesintertem Silber verwendet werden. Das liegt daran, dass das Bindemittel-Gas in dem Verbindungsmaterial aus gesintertem Silber durch die Trennlinie 15 hocheffizient abgegeben werden kann, so dass die Verbindungsstärke des Verbindungsmaterials aus gesintertem Silber erhöht werden kann. Durch die Verwendung des Verbindungsmaterials aus gesintertem Silber als das dritte Verbindungsmaterial zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 kann ferner der Wärmewiderstand in dem Wärmeableitungspfad von dem Halbleiterelement 3 zu dem Basis-Substrat 7 gegenüber dem Fall des dritten Verbindungsmaterials aus Lot weiter reduziert werden, so dass eine extrem gute Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann. Das liegt daran, dass das Verbindungsmaterial 11 aus gesintertem Silber eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Verbindungsmaterial 13 aus Lot.
  • Dritte Ausführungsform
  • Zunächst wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Folgenden unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Bezugnehmend auf 5, und zwar da ein Leistungsmodul 301 gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die Leistungsmodule 101 und 201 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform aufweist, werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. Es sei angemerkt, dass das Leistungsmodul 301 in der vorliegenden Ausführungsform sich von den Leistungsmodulen 101 und 201 in der ersten und zweiten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass eine Vielzahl von Halbleiterelementen 3 auf der Seite der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1 derart angeordnet sind, dass sie voneinander beabstandet sind, wobei die Pufferplatte 5 dazwischen angeordnet ist. 5 zeigt eine Konfiguration, bei der das Verbindungsmaterial 11 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und der Pufferplatte 5 und das Verbindungsmaterial 13 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 jeweils mittels der Trennlinie 15 in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt sind. Allerdings muss das Verbindungsmaterial 13 in 5 nicht wie in 1 die Trennlinie 15 aufweisen.
  • Auch in der vorliegenden Ausführungsform, wie in der ersten Ausführungsform, kann die Pufferplatte 5 dazu führen, dass die von dem Halbleiterelement 3 erzeugte Wärme in Lateralrichtung entlang dessen Hauptoberfläche hocheffizient verteilt wird, während die Wärmebeanspruchung verringert wird, die hauptsächlich aus dem Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement 3 und der isolierten Leiterplatte 1 entsteht. Da das Verbindungsmaterial 11 als erstes Verbindungsmaterial in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist, kann das bei der Verdampfung des Bindemittels entstehende Gas sehr effizient nach außen abgegeben werden. Dementsprechend kann das Verbindungsmaterial 11 aus gesintertem Silber, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Lot aufweist, als das erste Verbindungsmaterial verwendet werden, und somit kann der Wärmewiderstand in dem Wärmeableitungspfad von dem Halbleiterelement 3 zu dem Basis-Substrat 7 reduziert werden, so dass eine extrem gute Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann.
  • Im Folgenden werden die Funktionen und Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform erreicht zusätzlich zu den Funktionen und Wirkungen der ersten und zweiten Ausführungsformen folgende Funktionen und Wirkungen.
  • Auch in der vorliegenden Ausführungsform, und zwar wenn die Pufferplatte 5 wie in der ersten Ausführungsform aus einer Kupfer-Molybdän-Legierung hergestellt ist, beträgt die elektrische Widerstandsfähigkeit 2,7 × 10-8 Ωm oder mehr und 5,3 × 10-8 Ωm oder weniger. Wenn die Pufferplatte aus Kupfer hergestellt ist, beträgt die elektrische Widerstandsfähigkeit 1,7 × 10-8 Ωm. Somit ist die elektrische Widerstandsfähigkeit der Pufferplatte 5 relativ gering. Wenn entsprechend eine Vielzahl von Halbleiterelementen 3 mit der Pufferplatte 5 mit dazwischenliegendem Verbindungsmaterial 11 verbunden werden, kann die Pufferplatte 5 als elektrische Verdrahtungsleitung zum elektrischen Verbinden der Vielzahl von Halbleiterelementen 3 miteinander fungieren. Da die Vielzahl von Halbleiterelementen 3 ferner elektrisch miteinander mittels der Pufferplatte 5 verbunden sind, verringert sich die benötigte Anzahl der elektrischen Leitungen, so dass das Leistungsmodul 301 vollständig verkleinert werden kann.
  • Vierte Ausführungsform
  • Zunächst wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Bezugnehmend auf 6, und zwar da ein Leistungsmodul 401 gemäß der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie die des Leistungsmoduls 101 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. Es sei angemerkt, dass das Leistungsmodul 401 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sich von dem Leistungsmodul 101 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass ein Harzmaterial 21 derart angeordnet ist, dass es eine Verbindungsmaterial-Endfläche bzw. -Stirnseite 11e bedeckt, die einer Endfläche bzw. Stirnseite des Verbindungsmaterials 11 entspricht, das als das erste Verbindungsmaterial dient. Auch das Leistungsmodul 401 in 6 ist wie in der dritten Ausführungsform so ausgebildet, dass eine Vielzahl von Halbleiterelementen 3 auf der Pufferplatte 5 so angeordnet sind, dass sie voneinander beabstandet sind. Allerdings kann das Leistungsmodul 401 auch wie das Leistungsmodul 101 in der ersten Ausführungsform derart ausgebildet sein, dass lediglich ein einziges Halbleiterelement 3 angeordnet ist.
  • Das Leistungsmodul 401 in 6 ist nicht nur mit der Verbindungsmaterial-Endfläche bzw. -Stirnseite 11e des Verbindungsmaterials 11 als erstes Verbindungsmaterial ausgebildet, sondern ferner mit einer Verbindungsmaterial-Endfläche 11e des Verbindungsmaterials 11 als zweites Verbindungsmaterial und einer Verbindungsmaterial-Endfläche 13e, die einer Endfläche des Verbindungsmaterials 13 als drittes Verbindungsmaterial entspricht. Wie in dem Leistungsmodul 401 in 6, kann das Harzmaterial 21 nur auf erforderliche Bereiche auf den Verbindungsmaterial-Endflächen 11e und 13e aufgetragen sein.
  • Bezugnehmend auf 7 kann allerdings in der vorliegenden Ausführungsform wie bei dem Leistungsmodul 402 das Harzmaterial 21 alle Elemente bedecken, und zwar inklusive der isolierten Leiterplatte 1, der Halbleiterelemente 3, der Pufferplatte 5, des ersten Verbindungsmaterials 11, des zweiten Verbindungsmaterials, und des dritten Verbindungsmaterials, und zwar so, dass diese darin eingeschlossen sind.
  • Der Begriff „Bedecken ..., so dass diese darin eingeschlossen sind“ bedeutet beispielsweise, dass das Harzmaterial 21 zumindest bereichsweise die Hauptoberflächen und/oder die Endflächen der isolierten Leiterplatte 1, des Halbleiterelements 3 und der Pufferplatte 5 bedeckt, und ferner die Endflächen des ersten Verbindungsmaterials 11, des zweiten Verbindungsmaterials 11 und des dritten Verbindungsmaterials 13 bedeckt. Mit anderen Worten bedeutet der Begriff „Bedecken ..., so dass diese darin eingeschlossen sind“ im Folgenden, dass das Harzmaterial 21 die freiliegende Außenfläche des Stapelaufbaus bzw. Schichtaufbaus fast vollständig bedeckt, die einen Hauptteil des Leistungsmoduls 402 bildet, das aus der isolierten Leiterplatte 1, dem Halbleiterelement 3 und dergleichen ausgebildet ist. Zusätzlich hierzu kann das Harzmaterial 21 in 7 lediglich die eine Hauptoberfläche 7a des Basis-Substrats 7 bedecken, allerdings kann das Harzmaterial 21 beispielsweise auch die Endfläche des Basis-Substrats 7 beispielsweise bedecken.
  • Obwohl es nicht in 7 dargestellt ist, kann in dem Leistungsmodul 402 ein Elektroden-Anschluss und dergleichen ausgebildet sein, der für eine elektrische Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Leistungsmoduls 402 benötigt wird, und das Harzmaterial 21 kann so dichtend angeordnet sein, dass zumindest ein Teil des Elektroden-Anschlusses freiliegt.
  • Die Funktionen und Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben.
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann zusätzlich zu den Funktionen und Wirkungen, die in jeder der oben beschriebenen Ausführungsform erreicht werden, auch die Wirkung der Belastungs-Relaxation durch das Harzmaterial 21 erwartet werden. Mit anderen Worten, auch wenn die Wirkung der Belastungs-Relaxation durch die Pufferplatte 5 durch das Reduzieren der Dicke der Pufferplatte 5 reduziert wird, wirkt das Harzmaterial 21 wie ein Kissen, so dass die durch die Wärmebeanspruchung verursachte Belastung verteilt werden kann. Somit kann die auf die Verbindungsmaterial-Endflächen 11e und 13e aufgebrachte Wärmebeanspruchung verringert werden. Dementsprechend kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Pufferplatte 5 um das der Relaxation der Wärmebeanspruchung entsprechenden Ausmaß gegenüber der ersten Ausführungsform und dergleichen reduziert werden. Somit kann der Wärmeableitungspfad von dem Halbleiterelement 3 zu dem Basis-Substrat 7 weiter verkürzt werden, so dass die Wärmeleitfähigkeit in dem Wärmeableitungspfad entsprechend verbessert werden kann.
  • Fünfte Ausführungsform
  • Zunächst wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Bezugnehmend auf 8, und zwar da ein Leistungsmodul 501 gemäß der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie diese der Leistungsmodule 101 und 201 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform aufweist, werden die gleichen Keramikplatten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. In diesem Fall wird in dem Leistungsmodul 501 in der vorliegenden Ausführungsform ein konkaver Bereich 23 in einem Bereich in der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1 ausgebildet und mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 11e des ersten Verbindungsmaterials 11 planar überlappt. Mit anderen Worten wird der von der einen Hauptoberfläche 1a nach unten versenkte konkave Bereich 23 gebildet in: einem Bereich, der in der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1 angeordnet ist und sich mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 11e des ersten Verbindungsmaterials 11 überschneidet, das unmittelbar über der einen Hauptoberfläche 1a (schneidend mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 11e) angeordnet ist; und einen an diesen Bereich angrenzenden Bereich.
  • Außerdem wird bei dem Leistungsmodul 501, wie oben beschrieben, der konkave Bereich 23, der von einer Hauptoberfläche 5a nach unten versenkt ist, ausgebildet in: einem Bereich, der in der einen Hauptoberfläche 5a der Pufferplatte 5 ausgebildet ist und sich mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 11e des zweiten Verbindungsmaterials 11 überschneidet, das unmittelbar über der einen Hauptoberfläche 5a (schneidend mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 11e) angeordnet ist; und einem Bereich, der an diesem Bereich angrenzt. Außerdem wird bei dem Leistungsmodul 501 der konkave Bereich 23, der von der einen Hauptoberfläche 7a nach unten versenkt ist bzw. vertieft ist, ausgebildet in: einem Bereich, der in der einen Hauptoberfläche 7a des Basis-Substrats 7 angeordnet ist und sich mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 13e des dritten Verbindungsmaterials 13 planar überlappt, das unmittelbar über der einen Hauptoberfläche 7a (schneidend mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 13e) angeordnet ist; und einen Bereich, der an diesem Bereich angrenzt.
  • Bezugnehmend auf 9 kann wie bei dem Leistungsmodul 501 in der vorliegenden Ausführungsform ein konkaver Bereich 24 nicht nur in einem Bereich ausgebildet werden, der sich mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 11e überlappt wie oben beschrieben, sondern kann ferner auch so ausgebildet sein, dass dieser sich fast vollständig in einem Bereich erstreckt, der in der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1 ausgebildet ist und sich mit dem ersten Verbindungsmaterial 11 planar überlappt, das unmittelbar über der einen Hauptoberfläche 1a angeordnet ist. Der konkave Bereich 24 ist derart ausgebildet, dass der unterste Teil des gestapelten Aufbaus bzw. der gestapelten Struktur, der aus dem ersten Verbindungsmaterial 11, das unmittelbar über dem konkaven Bereich 24 liegt, der Pufferplatte 5 über dem ersten Verbindungsmaterial 11 und dergleichen ausgebildet ist, so angeordnet werden kann, dass dieser in den konkaven Bereich 24 passt. Insbesondere wird die Hauptoberfläche, die an der Unterseite des ersten Verbindungsmaterials 11 und unmittelbar über dem konkaven Bereich 24 angeordnet ist, so ausgebildet, dass sie sich unterhalb der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1 in 9 erstreckt (auf der Seite, auf der das Basis-Substrat 7 angeordnet ist).
  • Außerdem kann bei dem Leistungsmodul 502 auf die oben beschriebene Weise, der konkave Bereich 24 so ausgebildet sein, dass er sich fast vollständig in einem Bereich erstreckt, der in der einen Hauptoberfläche 5a der Pufferplatte 5 angeordnet ist und sich planar mit dem zweiten Verbindungsmaterial 11 überlappt, das unmittelbar über der einen Hauptoberfläche 5a angeordnet ist. Außerdem kann bei dem Leistungsmodul 502 der konkave Bereich 24 so ausgebildet sein, dass er sich fast vollständig in einem Bereich erstreckt, der in der einen Hauptoberfläche 7a des Basis-Substrats 7 angeordnet ist und sich planar mit dem dritten Verbindungsmaterial 13 überlappt, das unmittelbar über der einen Hauptoberfläche 7a angeordnet ist. Jeder dieser konkaven Bereiche 24 ist ferner so ausgebildet, dass der unterste Teil der gestapelten Struktur, der über dem jeweiligen konkaven Bereich 24 ausgebildet ist und ein entsprechendes verbindungsmaterial von dem Verbindungsmaterial 11 und 13 unmittelbar oberhalb von dem jeweiligen konkaven Bereich 24 aufweist, so angeordnet werden kann, dass er in den jeweiligen konkaven Bereich 24 passt.
  • In den 8 und 9 ist das Verbindungsmaterial 11 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und der Pufferplatte 5 und das Verbindungsmaterial 13 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 jeweils so ausgebildet, dass es durch die Trennlinie 15 in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist. Allerdings muss das Verbindungsmaterial 13 in jeder von den 8 und 9 die Trennlinie 15 wie in 1 nicht aufweisen.
  • Im Folgenden werden die Funktionen und Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform erreicht zusätzlich zu den Funktionen und Wirkungen in jeder der oben beschriebenen Ausführungsform die folgenden Funktionen und Wirkungen.
  • Da die konkaven Bereiche 23 in der vorliegenden Ausführungsform wie oben beschrieben angeordnet ist, fließen die Verbindungsmaterialien 11 und 13, die unmittelbar über den konkaven Bereichen 23 angeordnet sind, in die konkaven Bereiche 23 hinein, so dass sich die Dicke von jedem von den Verbindungsmaterialien 11 und 13 erhöht. Mit anderen Worten können in der vorliegenden Ausführungsform die Endflächen 11e und 13e des Verbindungsmaterials 11 und 13 unmittelbar über den konkaven Bereichen 23 und die Bereiche benachbart zu den Endflächen 11e und 13e dicker ausgebildet werden als andere Bereiche. Dementsprechend kann die auf die Verbindungsmaterialien 11 und 13 wirkende Wärmebeanspruchung gemildert werden. Der konkave Bereich 24 kann auch ähnlich so geformt sein, dass die Verbindungsmaterialien 11 und 13 in die konkaven Bereiche 24 hineinfließen, so dass die Verbindungsmaterialien 11 und 13, die in den konkaven Bereichen 24 angeordnet sind, entsprechend in der Dicke erhöht werden können. Somit kann die auf die Verbindungsmaterialien 11 und 13 wirkende Wärmebeanspruchung verringert werden. Daher kann die Pufferplatte 5 bei der vorliegenden Ausführungsform in der Dicke um das Ausmaß reduziert werden, das der Relaxation der Wärmebeanspruchung gegenüber der ersten Ausführungsform und dergleichen entspricht. Somit kann der Wärmeableitungspfad von dem Halbleiterelement 3 zu dem Basis-Substrat 7 weiter verkürzt werden, so dass die Wärmeleitfähigkeit in dem Wärmeableitungspfad entsprechend verbessert werden kann.
  • Sechste Ausführungsform
  • Im Folgenden wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. Bezugnehmend auf 10, und zwar da ein Leistungsmodul 601 gemäß der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie diese der Leistungsmodule 101 und 201 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform aufweist, werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. Allerdings ist bei dem Leistungsmodul 601 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Pufferplatte 5 in einem Bereich, der an eine Pufferplatten-Endfläche bzw. - Stirnseite 5b angrenzt, die einer Endfläche bzw. Stirnseite hiervon entspricht, dünner ausgebildet als andere Bereiche, außer diesem angrenzenden Bereich, wobei der angrenzende Bereich eine Oberfläche aufweist, auf der die Pufferplatten-Neigungsabschnitte 51 und 52 ausgebildet sind. In solch einem verdünnten Bereich der Pufferplatte 5 fließt das Verbindungsmaterial 11, das unmittelbar über der Pufferplatte 5 oder unmittelbar unter der Pufferplatte 5 angeordnet ist, wobei das Verbindungsmaterial 11 so dicker ausgebildet wird als andere Bereiche. Dementsprechend ist das Verbindungsmaterial 11 in einem Bereich, der sich mit dem verdünnten Bereich der Pufferplatte 5 planar überlappt, der an der Pufferplatten-Endfläche 5e angrenzt, dünner ausgebildet als in anderen Bereichen ohne diesen planar überlappenden Bereich. Bei dem Leistungsmodul 601 in 10 sind wie in der dritten Ausführungsform eine Vielzahl von Halbleiterelementen 3 so auf der Pufferplatte 5 angeordnet, dass diese beabstandet voneinander sind. Allerdings kann bei dem Leistungsmodul 601 auch lediglich ein einziges Halbleiterelement 3 wie bei dem Leistungsmodul 101 gemäß der ersten Ausführungsform angeordnet sein.
  • Im Folgenden werden die Funktionen und Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Pufferplatte 5 so ausgebildet, dass sie einen Bereich aufweist, der in der Dicke reduziert ist, und zwar mittels der Pufferplatten-Neigungsbereiche 51 und 52, wie oben beschrieben. So wird das Verbindungsmaterial 11, das unmittelbar über oder unter den Pufferplatten-Neigungsbereichen 51 und 52 angeordnet ist und diese Pufferplatten-Neigungsbereiche 51 und 52 bedeckt, dicker ausgebildet als das Verbindungs-material 11, das den Bereich ohne die Pufferplatten-Neigungsbereiche 51 und 52 bedeckt. Entsprechend kann die auf das Verbindungsmaterial 11 wirkende Wärmebeanspruchung gemildert werden. So kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Pufferplatte 5 in ihrer Dicke um das der Relaxation der Wärmebeanspruchung entsprechende Ausmaß gegenüber der ersten Ausführungsform und dergleichen reduziert werden. Somit kann der Wärmeableitungspfad von dem Halbleiterelement 3 zu dem Basis-Substrat 7 weiter verkürzt werden, so dass die Wärmeleitfähigkeit in dem Wärmeableitungspfad entsprechend verbessert werden kann.
  • Siebte Ausführungsform
  • Im Folgenden wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Bezugnehmend auf 11, und zwar da ein Leistungsmodul 701 gemäß der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie diese des Leistungsmoduls 101 und 201 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform aufweist, werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. Allerdings unterscheidet sich das Leistungsmodul 701 gemäß der vorliegenden Ausführungsform von denen gemäß der ersten Ausführungsform und dergleichen dadurch, dass die Pufferplatte 5 (die zweite Pufferplatte) zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 angeordnet ist. Wie die Pufferplatte 5, die als die erste Pufferplatte dient, ist die Pufferplatte 5, die als die zweite Pufferplatte 5 dient, in einer flachen Plattenform ausgebildet, die die eine Hauptoberfläche 5a an der Oberseite in 11 und die andere Hauptoberfläche 5b an der Unterseite in 11 aufweist. Die Pufferplatte 5 als zweite Pufferplatte ist aus einem Material ausgebildet, das einen Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, der einen Wert zwischen dem Längenausdehnungskoeffizienten der isolierten Leiterplatte 1 und dem Längenausdehnungskoeffizienten des Basis-Substrats 7 aufweist.
  • Bei dem Leistungsmodul 701 sind die eine Hauptoberfläche 5a der zweiten Pufferplatte 5 und die isolierte Leiterplatte 1 mittels des Verbindungsmaterials 11 aus gesintertem Silber miteinander verbunden, wobei die andere Hauptoberfläche 5b der zweiten Pufferplatte 5 und das Basis-Substrat 7 ebenfalls mittels des Verbindungsmaterials 11 aus gesintertem Silber miteinander verbunden sind. Allerdings kann das Verbindungsmaterial, das zwischen der zweiten Pufferplatte 5 und dem Basis-Substrat 7 angeordnet ist, das oben beschriebene dritte Verbindungsmaterial 13 sein. Außerdem ist das Verbindungsmaterial 11 auf der einen Hauptoberfläche 5a der zweiten Pufferplatte 5 in ebener Fläche größer als das Verbindungsmaterial 11 auf der einen Hauptoberfläche 5a der ersten Pufferplatte 5. Um die isolierte Leiterplatte 1 und die zweite Pufferplatte 5 hervorragend zu verbinden, ist es daher vorzuziehen, dass die Trennlinie 15 auch bei dem Verbindungsmaterial 11, der diesem Verbindungsbereich entspricht, vorgesehen ist.
  • Im Folgenden werden die Funktionen und Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Insbesondere wenn die isolierte Leiterplatte 1 und das Basis-Substrat 7 mittels des Verbindungsmaterials 11 aus gesintertem Silber miteinander verbunden werden, erhöht sich der Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem gesinterten Silber und dem jeweiligen daran angrenzenden Element. Dementsprechend ist es vorzuziehen, dass die Pufferplatte sandwichartig zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 angeordnet wird. Auf diese Weise wird ähnlich wie bei der Pufferplatte 5 in der ersten Ausführungsform die Differenz bzw. der Unterschied zwischen den Längenausdehnungskoeffizienten verringert, so dass die Wärmebeanspruchung verringert werden kann.
  • Unter Bezugnahme auf 12, und zwar auch wenn die Pufferplatte 5 an der Seite der anderen Hauptoberfläche 1b der isolierten Leiterplatte 1 wie in der vorliegenden Ausführungsform angeordnet ist, kann das Verbindungsmaterial 13 aus Lot derart angeordnet sein, dass es die eine Hauptoberfläche 5a und die andere Hauptoberfläche 5b der zweiten Pufferplatte 5 wie in dem Leistungsmodul 702 bedeckt. In 12 ist auch keine Trennlinie 15 bei dem Verbindungsmaterial 13 auf der anderen Hauptoberfläche 5b der zweiten Pufferplatte 5 ausgebildet, allerdings kann auch hier bei diesem Verbindungsmaterial 13 die Trennlinie 15 ausgebildet sein.
  • Achte Ausführungsform
  • Bezugnehmend auf 13 wird bei einem Leistungsmodul 801 in dem ersten Beispiel der achten Ausführungsform das erste Verbindungsmaterial 11 zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und der ersten Pufferplatte 5 nicht durch die Trennlinie 15 in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt, sondern ein einzelner Bereich erstreckt sich vollständig in eine Draufsicht. In diesem Punkt unterscheidet sich 13 strukturell von 1, die die erste Ausführungsform zeigt, bei der das Verbindungsmaterial 11 in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist.
  • Bezugnehmend auf 14 sind bei einem Leistungsmodul 802 in dem zweiten Beispiel der achten Ausführungsform wie in 5, die die dritte Ausführungsform zeigt, eine Vielzahl von Halbleiterelementen 3 so angeordnet, dass sie voneinander auf der Seite der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1 beabstandet sind, wobei die Pufferplatte 5 dazwischenliegend angeordnet ist. In 14 ist jedoch jedes von dem ersten Verbindungsmaterial 11, das zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und der ersten Pufferplatte 5 angeordnet ist, und dem dritten Verbindungsmaterial 13, das zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 angeordnet ist, nicht durch die Trennlinie 15 in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt, sondern ein einzelner Bereich erstreckt sich vollständig in einer Draufsicht. In diesem Punkt unterscheidet sich 14 strukturell von 5, die die dritte Ausführungsform zeigt, bei der jedes von den Verbindungsmaterialien 11 und 13 in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist.
  • Die Konfigurationen in 13 und 14 unterscheiden sich von den Konfigurationen in 1 bzw. 5 nur in den oben beschriebenen Punkten, sind jedoch in anderen Punkten identisch mit den Konfigurationen in 1 bzw. 5. Dementsprechend werden die gleichen Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt.
  • Selbst bei der Konfiguration, bei der die Verbindungsmaterialien 11 und 13 jeweils keine Trennlinie 15 wie in der vorliegenden Ausführungsform aufweisen, ist es vorzuziehen, zumindest zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3 die Pufferplatte 5 mit einem Längenausdehnungskoeffizienten anzuordnen, der einen Wert zwischen dem Längenausdehnungskoeffizienten der isolierten Leiterplatte 1 und dem Längenausdehnungskoeffizienten des Halbleiterelements 3 aufweist. Somit kann die Wärmebeanspruchung, die aus dem Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3 resultiert, verringert werden, Ermüdungserscheinungen und Risse im Verbindungsbereich können unterdrückt werden und das Ausbilden bzw. Fortschreiten von Rissen kann verzögert werden. Ferner kann mittels der Pufferplatte 5 die Wärme, die von dem Halbleiterelement 3 nach unten übertragen wird, hocheffizient in Lateralrichtung entlang der Hauptoberfläche der Pufferplatte 5 verteilt werden. Somit wird der Wärmewiderstand in dem Wärmepfad, der sich von dem Halbleiterelement 3 als wärmeerzeugender Körper nach unten in 1 zu dem Basis-Substrat 7 erstreckt, stark reduziert, so dass eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann.
  • Neunte Ausführungsform
  • Zunächst wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform im Folgenden unter Bezugnahme auf 15 beschrieben. Bezugnehmend auf 15, und zwar da ein Leistungsmodul 901 gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie diese des Leistungsmoduls 101 gemäß der ersten Ausführungsform aufweist, werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. Bei dem Leistungsmodul 901 gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch die Anzahl der Trennlinien 15 in dem ersten Verbindungsmaterial 11 erhöht, und die Trennlinie 15 ist ferner in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 zwischen dem Halbleiterelement 3 und der ersten Pufferplatte 5 angeordnet, und in eine Vielzahl von Bereiche in einer Draufsicht unterteilt. In den oben beschriebenen Punkten unterscheidet sich das Leistungsmodul 901 von dem Leistungsmodul 101 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Auch bei dem ersten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform, wie bei der ersten Ausführungsform, wird das Pasten-Material zum Ausbilden des Verbindungsmaterials 11 mittels eines Verfahrens, wie beispielsweise einem bekannten Siedruckverfahren oder einem Dispenser-Auftrageverfahren aufgetragen. Alternativ hierzu kann beispielsweise ein Verfahren zum Befestigen eines flächenförmigen Verbindungsmaterials in einem halbtrockenen Zustand auf der einen Hauptoberfläche 1a verwendet werden. In allen diesen Fällen, und zwar wenn das Material gesintert wird, wird die Dicke des Verbindungsmaterials 11 und die Breite der Trennlinien 15 (die Breite in Richtung entlang der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte) geändert, und zwar gemäß der Art, der Menge und dergleichen des Bindemittels, das in dem Pasten-Material enthalten ist. Dementsprechend wird die nach dem Sintern des Verbindungsmaterials 11 erhaltene Größe im Folgenden auch wie in der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist es vorzuziehen, dass die ebene Fläche des Bereichs, der der Trennlinie 15 entspricht, entlang welcher das zweite Verbindungsmaterial 11 in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist, gleich groß ist wie oder kleiner ist als 20 % der ebenen Fläche des Halbleiterelements 3, und dass die Breite der Trennlinie 15 (in der Rechts-Links-Richtung in 15) gleich groß ist wie oder kleiner ist als die Dicke des zweiten Verbindungsmaterials 11 (in der Oben-Unten-Richtung in 15). Mit anderen Worten existiert das Verbindungsmaterial 11 nicht in dem Bereich, der der Trennlinie 15 entspricht, wo das Halbleiterelement 3 und die Pufferplatte 5 nicht miteinander verbunden sind. Wenn also die Fläche des Bereichs, der der Trennlinie 15 in einer Draufsicht entspricht, entlang welcher das Halbleiterelement 3 und die Pufferplatte 5 nicht miteinander verbunden sind, gleich groß ist wie oder kleiner ist als 20 % der Fläche des Halbleiterelements 3 in einer Draufsicht, aber solange die Breite der Trennlinie 15 gleich groß ist wie oder kleiner ist als die Dicke des zweiten Verbindungsmaterials 11, dann ist der Wärmewiderstand in dem Bereich, der dem zweiten Verbindungsmaterial 11 entspricht, verglichen zu dem Fall, dass die Trennlinie 15 nicht existiert, kaum erhöht.
  • Dasselbe gilt beispielsweise auch für den Fall, dass die Trennlinien 15 vertikal und horizontal derart ausgebildet sind, dass die Breite der Trennlinie 15 in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 einen Wert von 10 µm hat und der Abstand zwischen einem Paar benachbarter Trennlinien 15 einen Wert von 0,2 mm beträgt (siehe 2); und für den Fall, dass die Breite der Trennlinie 15 in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 einen Wert von 20 µm hat. Mit anderen Worten, selbst wenn die Breite der Trennlinien 15 einen Wert von 10 µm oder 20 µm hat, aber solange die Gesamtfläche des Bereichs, der der Trennlinie 15 in einer Draufsicht entspricht, gleich groß ist wie oder kleiner ist als 20 % des Gesamtbereichs des Halbleiterelements 3, und solange die Breite der Trennlinie 15 gleich ist wie oder kleiner ist als die Dicke des zweiten Verbindungsmaterials 11, ist der Wärmewiderstand in dem zweiten Bereich, der dem zweiten Verbindungsmaterial 11 entspricht, verglichen mit dem Fall, bei dem keine Trennlinie 15 existiert, kaum erhöht. Das Gleiche gilt auch für den Fall, dass die Dicke des Halbleiterelements 3 beispielsweise dünner ist als 100 µm bis 400 µm in 15 und für das Beispiel, bei dem die Dicke auf etwa 50 µm reduziert ist.
  • Außerdem ist es vorzuziehen, dass die Trennlinie 15 sich kontinuierlich von dem Zentrumsbereich in Richtung des Endes des zweiten Verbindungsmaterials 11 in einer Draufsicht erstreckt.
  • Im Folgenden werden die Funktionen und Wirkungen in 15 beschrieben, die das erste Beispiel der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die vorliegende Ausführungsform erreicht zusätzlich zu den Funktionen und Wirkungen der ersten Ausführungsform die folgenden Funktionen und Wirkungen.
  • Im Vergleich zu dem Leistungsmodul 101 in 1 wird bei dem Leistungsmodul 901 in 15 die Anzahl der Trennlinien 15 in dem ersten Verbindungsmaterial 11 erhöht, und die Trennlinie 15 ist auch in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 ausgebildet. Wenn dementsprechend die Überbrückungs-Passage für das Bindemittel in dem ersten Verbindungsmaterial 11 in ihrer Anzahl im Vergleich zu der ersten Ausführungsform erhöht ist, ist das Verbindungsmaterial 11 dicht gepackt, so dass dessen Verbindungsstärke weiter erhöht werden kann und dessen Wärmeableitungsfähigkeit bzw. -leistung weiter verbessert werden kann. Selbst wenn die Anzahl der Trennlinien 15 wie oben beschrieben erhöht wird, jedoch das Gebiet, das von den Bereichen eingenommen wird, die den Trennlinien 15 in dem Gebiet des gesamten Bereichs entsprechen, der sich mit dem Halbleiterelement 3 überlappt, gleich oder kleiner als 20 % ist, und wenn die Breite von jeder Trennlinie 15 gleich zu oder kleiner ist als die Dicke des Verbindungsmaterials 11, dann wird der Wärmewiderstand in dem ersten Verbindungsmaterial kaum erhöht, so dass die Wärmeleitfähigkeit bzw. -leistung hoch gehalten werden kann.
  • Außerdem wird durch das Ausbilden der Trennlinie 15 auch in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 die Anzahl der Überbrückungs-Passagen für das Bindemittel auch in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 wie in dem ersten Verbindungsmaterial 11 erhöht, so dass das Verbindungsmaterial 11 dicht gepackt ist. So kann die Verbindungsstärke weiter erhöht werden und die Wärmeableitungsfähigkeit bzw. -leistung kann weiter verbessert werden.
  • Das Folgende ist eine Übersicht über die Konfiguration, bei der eine Vielzahl von Trennlinien 15 vertikal und horizontal wie beispielsweise in 2 derart ausgebildet ist, dass die Breite der Trennlinie 15 in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 einen Wert von 10 µm hat und der Abstand zwischen einem Paar von benachbarten Trennlinien 15 einen Wert von 0,2 mm beträgt. Selbst wenn diese Konfiguration derart geändert wird, dass die Breite von jeder
    Trennlinie 15 in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 auf 20 µm erhöht wird, aber wenn das Gebiet, das von der ebenen Fläche dieser Trennlinien 15 in dem Bereich des gesamten Bereichs eingenommen wird, der sich mit dem Halbleiterelement 3 überlappt, gleich oder kleiner als 20 % ist, und wenn die Breite der Trennlinie 15 gleich oder kleiner als die Dicke des Verbindungsmaterials 11 ist, wird der Wärmewiderstand in dem ersten Verbindungsmaterial 1 kaum erhöht, so dass die Wärmeableitfähigkeit bzw. -leistung hochgehalten werden kann.
  • Auf diese Weise wird bei jedem von dem ersten Verbindungsmaterial 11 und dem zweiten Verbindungsmaterial 11, und zwar selbst wenn die Anzahl der Trennlinien 15 erhöht ist, der Wärmewiderstand kaum erhöht. Entsprechend kann das Verbindungsmaterial 11 in einer Draufsicht verkleinert werden, und die Trennlinie 15 kann als Belastungs-Pufferstruktur fungieren. Mit anderen Worten kann durch Erhöhen der Anzahl von Trennlinien 15 in dem Verbindungsmaterial 11 die Wirkung der Belastungsverringerung in dem Bereich verbessert werden, der dem Verbindungsmaterial 11 entspricht, während die Wärmeleitfähigkeit hochgehalten wird. Das liegt daran, dass wenn die Anzahl von Trennlinien 15 erhöht wird, der dem Verbindungsmaterial 11 entsprechende Bereich reduziert wird, so dass die Wärmebeanspruchung verringert werden kann.
  • Das Gleiche gilt auch beispielsweise für den Fall, dass das Halbleiterelement 3 wie oben beschrieben in seiner Dicke auf ca. 50 µm reduziert wird. Insbesondere bei dem Fall, dass das Elastizitätsmodul des Halbleiterelements 3 gleich wie oder kleiner als 430 GPa, jedoch relativ nah bei 430 GPa ist (sofern die Breite der Trennlinie 15 gleich wie oder kleiner ist als die Dicke des Verbindungsmaterials 11), kann die Belastung, die auf das erste und zweite Verbindungsmaterial 11 wirkt, durch Reduzieren der Dicke des Halbleiterelements 3 weiter reduziert werden. Dies liegt daran, dass, wenn das Halbleiterelement 3 in seiner Dicke reduziert wird, das Halbleiterelement 3 der durch Wärmebeanspruchung verursachten Verformung der isolierten Leiterplatte 1 leicht folgen kann. Somit kann die erste Pufferplatte 5 in ihrer Dicke so reduziert werden, dass der Wärmewiderstand zwischen dem Halbleiterelement 3 und der isolierten Leiterplatte 1 weiter verringert werden kann.
  • Bei dem Leistungsmodul 901 in 15 sind die Breiten der Trennlinien 15 in dem ersten und zweiten Verbindungsmaterial 11 möglicherweise nicht vollständig die gleichen. Insbesondere kann beispielsweise der Anteil des Gebiets bzw. des Bereichs der Trennlinie 15 in dem Zentralbereich des Verbindungsmaterials 11 in einer Draufsicht reduziert sein, so dass der Anteil des Bereichs erhöht ist, in dem das Verbindungsmaterial 11 ausgebildet ist. Außerdem kann der Anteil des Gebiets bzw. Bereichs der Trennlinie 15 an dem Ende des Verbindungsmaterials 11 in einer Draufsicht erhöht sein, so dass der Anteil des Bereichs reduziert ist, in dem das Verbindungsmaterial 11 ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der Wärmewiderstand in dem Verbindungsmaterial 11 in dem Bereich reduziert werden, der sich mit dem Zentralbereich des Halbleiterelements 3 überlappt, und die Wirkung des Verringerns der Umgebungsbelastung kann erhöht werden, so dass eine Verschlechterung der ursprünglichen Funktion des Verbindungsmaterials 11 unterdrückt werden kann.
  • Im Folgenden wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß dem zweiten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 16 näher beschrieben. Bezugnehmend auf 16, und zwar da ein Leistungsmodul 902 gemäß dem zweiten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie diese des Leistungsmodul 901 in 15 aufweist, werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. Bei dem Leistungsmodul 902 in 16 ist ein konkaver Bereich 23 in einem Bereich ausgebildet, der in der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1 angeordnet ist und sich planar mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 11e des ersten Verbindungsmaterials 11 überlappt, und zwar wie bei dem Leistungsmodul 501 in 8. Das Leistungsmodul 902 unterscheidet sich in diesem Punkt von dem Leistungsmodul 501. Zusätzlich wird bei dem Leistungsmodul 902 ein konkaver Bereich 23, der von der Hauptoberfläche 5a nach unten hin abgesenkt ist, ausgebildet in: einem Bereich, der in der einen Hauptoberfläche 5a der Pufferplatte 5 angeordnet ist und sich planar mit einer Verbindungsmaterial-Endfläche 11e des zweiten Verbindungsmaterials 11 überlappt, das unmittelbar über der einen Hauptoberfläche 5a angeordnet ist (schneidend mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 11e); und einem Bereich, der an diesen Bereich wie beim Leistungsmodul 501 in 8 angrenzt.
  • Beim Ausbilden des Verbindungsmaterials 11 unmittelbar über dem konkaven Bereich 23, beispielsweise wenn ein Pasten-Material mittels Siebdruckverfahren aufgetragen wird, ist es vorzuziehen, dass die Menge des Pasten-Materials, das auf das Ende des Verbindungsmaterials 11 aufzutragen ist, das an den konkaven Bereich 23 angrenzt, größer ist als in anderen Bereichen. Alternativ hierzu beim Ausbilden des Verbindungsmaterials 11 unmittelbar über dem konkaven Bereich 23, beispielsweise wenn ein Pasten-Material mittels des Dispenser-Auftrageverfahrens aufgetragen wird, ist es vorzuziehen, dass das Pasten-Material auf den konkaven Bereich 23 stärker als auf andere Bereiche aufgetragen wird. Auf diese Weise kann das Verbindungsmaterial 11 unmittelbar über dem konkaven Bereich 23 dicker als in anderen Bereichen ausgebildet werden. Das Gleiche gilt ebenfalls für die oben beschriebene fünfte Ausführungsform.
  • Im Folgenden werden die Funktionen und Wirkungen des Leistungsmoduls 902 näher beschrieben. Bei dem Leistungsmodul 902 ist der konkave Bereich 23 insbesondere an den Enden mit hoher Belastung in dem ersten und zweiten Verbindungsmaterial 11 wie bei der fünften Ausführungsform ausgebildet. Dementsprechend fließen die Verbindungsmaterialien 11 und 13, die unmittelbar über dem konkaven Bereich 23 angeordnet sind, in diesen konkaven Bereich 23, so dass das Verbindungsmaterialien 11 und 13 dicker sein sollen als andere Bereiche. Somit kann die auf das Verbindungsmaterial 11 und 13 wirkende Wärmebeanspruchung verringert werden. Daher kann das Leistungsmodul 902 in seiner Lebensdauer gegenüber dem Leistungsmodul 901 erhöht werden.
  • Zusätzlich ist lediglich ein Halbleiterelement 3 in jedem Leistungsmodul 901 und 902 in 15 bzw. 16 ausgebildet. Allerdings kann jedes Beispiel der vorliegenden Ausführungsform auch bei der Konfiguration angewendet werden, die eine Vielzahl von Halbleiterelementen 3 aufweist, wie beispielsweise bei der dritten Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind, wie oben beschrieben, lediglich das erste und zweite Verbindungsmaterial 11 jeweils durch die Trennlinie 15 in eine Vielzahl von Bereiche in Draufsicht unterteilt. Das dritte Verbindungsmaterial 13 ist jedoch nicht durch die Trennlinie 15 geteilt. Somit kann das Verbindungsmaterial, wie beispielsweise bei dem ersten und zweiten Verbindungsmaterial 11, bevorzugt dicht gepackt sein, und zwar aufgrund der Überbrückungs-Passage für das Bindemittel. So kann beispielsweise, wie bei dem dritten Verbindungsmaterial 13, ein relativ großer Befestigungsbereich bevorzugt sichergestellt werden.
  • Zehnte Ausführungsform
  • Im Folgenden wir die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 17 näher beschrieben. Bezugnehmend auf 17, und zwar da ein Leistungsmodul 1001 gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie die des Leistungsmoduls 901 gemäß der neunten Ausführungsform aufweist, werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. Das Leistungsmodul 1001 gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich jedoch strukturell von dem Leistungsmodul 901 dadurch, dass die Pufferplatte 5 und das erste Verbindungsmaterial 11 unmittelbar über der ersten Pufferplatte 5 nicht angeordnet sind.
  • Im Einzelnen weist das Leistungsmodul 1001 in 17 Folgendes auf: eine isolierte Leiterplatte 1; ein Halbleiterelement 3, das auf der Seite der einen Hauptoberfläche 1a der isolierten Leiterplatte 1 angeordnet ist; ein zweites Verbindungsmaterial 11, das zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3 angeordnet ist; und ein Basis-Substrat 7, das auf der Seite der anderen Hauptoberfläche 1b der isolierten Leiterplatte 1 angeordnet ist. Das zweite Verbindungsmaterial 11 ist mittels einer Trennlinie 15 in eine Vielzahl von bereiche in Draufsicht unterteilt bzw. aufgeteilt. Auch ein drittes Verbindungsmaterial 13 ist zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Basis-Substrat 7 angeordnet, allerdings ist die Trennlinie 15 nicht in diesem dritten Verbindungsmaterial 13 ausgebildet. Außerdem ist die ebene Fläche der Trennlinie 15 in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 gleich oder kleiner als 20 % der ebenen Fläche des Halbleiterelements 3, und die Breite der Trennlinie 15 ist gleich wie oder kleiner als die Dicke des zweiten Verbindungsmaterials.
  • Bei dem Leistungsmodul 1001 weist die isolierte Leiterplatte 1 einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten als das Halbleiterelement auf, und zwar um ein Ausmaß von gleich wie oder kleiner als 3 × 10-6/°C. Mit anderen Worten ist der Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3 relativ klein verglichen mit dem von jeder von den oben beschriebenen Ausführungsformen. In jedem von den oben beschriebenen Punkten unterscheidet sich das Leistungsmodul 1001 von dem Leistungsmodul 901.
  • Im Folgenden werden die Funktionen und Wirkungen in 17 beschrieben, die das erste Beispiel gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die vorliegende Ausführungsform erreicht zusätzlich zu den Funktionen und Wirkungen bei der neunten Ausführungsform folgende Funktionen und Wirkungen.
  • Der Unterschied im Längenausdehnungskoeffizienten zwischen der isolierten Leiterplatte 1 und dem Halbleiterelement 3 ist relativ klein im Vergleich zu dem von jeder von den oben beschriebenen Ausführungsformen. So wird die Anzahl der Trennlinien 15 in dem zweiten Verbindungsmaterial 11 im Vergleich zu der der ersten Ausführungsform und dergleichen vergrößert, so dass der der Trennlinie 15 entsprechende Bereich als Belastungs-Pufferstruktur dienen kann. Mit anderen Worten wird durch das Erhöhen der Anzahl von Trennlinien 15 in dem Verbindungsmaterial 11 der dem Verbindungsmaterial 11 entsprechende Bereich entsprechend einer derart erhöhten Anzahl von Trennlinien 15 verringert, so dass die Wärmebeanspruchung verringert werden kann. Dies kann zu einer Konfiguration führen, die die Pufferplatte 5 nicht aufweist. Dementsprechend kann im Vergleich zu den anderen Ausführungsformen der Wärmewiderstand in dem gesamten Bereich von dem Halbleiterelement 3 bis zu dem Basis-Substrat 7 aufgrund des Fehlens der Pufferplatte 5 deutlich reduziert werden.
  • Im Folgenden wird die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß dem zweiten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 18 beschrieben. Bezugnehmend auf 18, und zwar da ein Leistungsmodul 1002 gemäß dem zweiten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie diese des Leistungsmoduls 1001 gemäß 17 aufweist, werden die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung hiervon wird nicht wiederholt. Allerdings ist in 18 ein konkaver Bereich 23 ausgebildet in: einem Bereich, der in der einen Hauptoberfläche 1a angeordnet ist und sich planar mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 11e des zweiten Verbindungsmaterials 11 überschneidet; und einem Bereich, der in der einen Hauptoberfläche 7a angeordnet ist und sich planar mit der Verbindungsmaterial-Endfläche 13e des dritten Verbindungsmaterials 13 wie in 16 und dergleichen überschneidet. Durch Anordnen bzw. Ausbilden solcher konkaver Bereiche 23 können die gleichen Funktionen und Wirkungen wie diese der konkaven Bereiche 23 bei der fünften und neunten Ausführungsform erreicht werden.
  • Außerdem können die Leistungsmodule 1001 und 1002 in 17 bzw. 18 beispielsweise wie in der dritten Ausführungsform bei der Konfiguration angewendet werden, die eine Vielzahl von Halbleiterelementen 3 aufweist.
  • Elfte Ausführungsform
  • Bezugnehmend auf 19 weist ein Leistungsmodul 1101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform grundsätzlich die gleiche Konfiguration wie diese des Leistungsmoduls 1001 auf. Allerdings ist bei dem Leistungsmodul 1101 das Halbleiterelement 3 verglichen mit dem Leistungsmodul 1001 in der Dicke reduziert. Insbesondere hat das Halbleiterelement 3 eine Dicke, die gleich wie oder kleiner als 100 µm, vorzugsweise etwa 50 µm groß ist.
  • Insbesondere dann, wenn der Elastizitätsmodul des Halbleiterelements 3 gleich wie oder kleiner als 430 GPa, jedoch relativ nahe bei 430 GPa ist, kann die auf das zweite Verbindungsmaterial 11 wirkende Belastung weiter dadurch reduziert werden, dass die Dicke des Halbleiterelements 3 reduziert wird. Das liegt daran, dass, wenn das Halbleiterelement 3 in seiner Dicke reduziert wird, das Halbleiterelement 3 der Verformung der isolierten Leiterplatte 1 leichter folgen kann, die durch Wärmebeanspruchung verursacht wird. Dies kann zu einer Konfiguration führen, die die Pufferplatte 5 nicht aufweist.
  • Selbst wenn die Wärmeleitfähigkeit in dem Halbleiterelement 3 in Lateralrichtung (Rechts-Links-Richtung in 19) durch die reduzierte Dicke des Halbleiterelements 3 reduziert ist, aber solange die ebene Fläche der Trennlinie 15 in dem Verbindungsmaterial 11 gleich wie oder kleiner ist als 20 % der ebenen Fläche des Halbleiterelements 3, und solange die Breite der Trennlinie 15 gleich wie oder kleiner ist als die Dicke des Verbindungsmaterials 11, ist der Wärmewiderstand in dem Verbindungsmaterial 11 in etwa der gleiche wie bei dem Leistungsmodul 1001, bei dem das Halbleiterelement 3 in seiner Dicke nicht reduziert ist.
  • Dementsprechend kann bei der vorliegenden Ausführungsform, und zwar selbst, wenn das Halbleiterelement 3 in seiner Dicke nicht reduziert ist, die Belastung auf das Verbindungsmaterial 11 reduziert werden, ohne den Wärmewiderstand in dem gesamten Leistungsmodul 1001 signifikant zu erhöhen. So kann die Belastung des zweiten Verbindungsmaterials 11 verringert werden, so dass die Lebensdauer des Leistungsmoduls 1101 erhöht werden kann.
  • Die bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen (jedes Beispiel inkludiert) beschriebenen Merkmale können so verwendet werden, dass diese innerhalb eines Bereichs angemessen kombiniert werden können, indem keine technischen Inkonsistenzen auftreten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    isolierte Leiterplatte
    1a, 5a, 7a, 8a
    die eine Hauptoberfläche
    1b, 5b, 7b, 8b
    die andere Hauptoberfläche
    3
    Halbleiterelement
    5
    Pufferplatte
    5e
    Pufferplatten-Endfläche
    7
    Basis-Substrat
    8
    isolierende Keramikplatte
    9
    Leiter-Dünnschicht
    11, 13
    Verbindungsmaterial
    11e, 13e
    Verbindungsmaterial-Endfläche
    15
    Trennlinie
    21
    Harzmaterial
    23, 23
    konkaver Bereich
    51, 51
    Pufferplatten-Neigungsbereich
    101, 201, 301, 401, 402, 501, 502, 601, 701, 702, 801, 802, 901, 902, 1001, 1002, 1101
    Leistungsmodul

Claims (14)

  1. Leistungsmodul (101), das Folgendes aufweist: - eine isolierte Leiterplatte (1); - ein Halbleiterelement (3), das auf einer Seite auf der einen Hauptoberfläche (1a) der isolierten Leiterplatte (1) angeordnet ist; - eine erste Pufferplatte (5), die zwischen der isolierten Leiterplatte (1) und dem Halbleiterelement (3) angeordnet ist; - ein erstes Verbindungsmaterial (11), das zwischen der isolierten Leiterplatte (1) und der ersten Pufferplatte (5) angeordnet ist; - ein zweites Verbindungsmaterial (11), das zwischen dem Halbleiterelement (3) und der ersten Pufferplatte (5) angeordnet ist; und - ein Wärmeableitkörper (7), der auf einer Seite der anderen Hauptoberfläche auf einer gegenüberliegenden Seite von der einen Hauptoberfläche (1a) der isolierten Leiterplatte (1) angeordnet ist, wobei das erste Verbindungsmaterial (11) in Draufsicht in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist, und dazu ausgebildet ist, die isolierte Leiterplatte (1) und die erste Pufferplatte (5) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des ersten Verbindungsmaterials (11) ein niedertemperatur-gesintertes Material, ein Flüssigphasen-Diffusions-Verbindungsmaterial oder Lot ist, wobei die erste Pufferplatte (5) einen höheren Längenausdehnungskoeffizienten als das Halbleiterelement (3) und einen niedrigeren Längenausdehnungskoeffizienten als die isolierte Leiterplatte (1) aufweist, wobei die erste Pufferplatte (5) einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Halbleiterelement (3) aufweist, wobei der Längenausdehnungskoeffizient der isolierten Leiterplatte (1) einen Wert von 4,8 × 10-6/°C oder mehr und 14,5 × 10-6/°C oder weniger aufweist, und der Elastizitätsmodul der ersten Pufferplatte (5) geringer ist als 430 GPa.
  2. Leistungsmodul (901) gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Verbindungsmaterial (11) in Draufsicht in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist.
  3. Leistungsmodul (901) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei lediglich jedes von dem ersten Verbindungsmaterial (11) und dem zweiten Verbindungsmaterial (11) in Draufsicht in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist.
  4. Leistungsmodul (901) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei eine ebene Fläche einer Trennlinie, die zum Unterteilen des zweiten Verbindungsmaterials in eine Vielzahl von Bereiche verwendet wird, gleich wie oder kleiner als 20% einer ebenen Fläche des Halbleiterelements (3) ist, und wobei eine Breite der Trennlinie in Richtung entlang der einen Hauptoberfläche (1a) gleich wie oder kleiner ist als eine Dicke des zweiten Verbindungsmaterials (11).
  5. Leistungsmodul (101) gemäß Anspruch 1, wobei lediglich das erste Verbindungsmaterial (11) in Draufsicht in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist.
  6. Leistungsmodul (101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Verbindungsmaterial (11) aus einem niedertemperatur-gesinterten Material hergestellt ist, das unter Verwendung von Silber-Nanopartikeln hergestellt ist.
  7. Leistungsmodul (101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die isolierte Leiterplatte (1) und die erste Pufferplatte (5) in Draufsicht eine größere Fläche haben als das erste Halbleiterelement (3).
  8. Leistungsmodul (301) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Vielzahl von Halbleiterelementen (3) auf der Seite der einen Hauptoberfläche der isolierten Leiterplatte (1) angeordnet ist.
  9. Leistungsmodul (401) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Harzmaterial (21) angeordnet ist, um eine Endfläche des ersten Verbindungsmaterials (11) zu bedecken.
  10. Leistungsmodul (401) gemäß Anspruch 9, wobei das Harzmaterial (21) die isolierte Leiterplatte (1), das Halbleiterelement (3), die erste Pufferplatte (5) und das erste Verbindungsmaterial (11) so bedeckt, dass diese eingeschlossen sind.
  11. Leistungsmodul (501, 502) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein konkaver Bereich (23, 24) in einem Bereich ausgebildet ist, der in der einen Hauptoberfläche (1a) der isolierten Leiterplatte (1) angeordnet ist und sich planar mit einer Endfläche des ersten Verbindungsmaterials (11) überlappt.
  12. Leistungsmodul (502) gemäß Anspruch 11, wobei der konkave Bereich (24) in einem Bereich ausgebildet ist, der in der einen Hauptoberfläche (1a) der isolierten Leiterplatte (1) angeordnet ist und sich planar mit dem ersten Verbindungsmaterial (11) überlappt.
  13. Leistungsmodul (601) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die erste Pufferplatte (5) in einem Bereich angrenzend zu einer Endfläche (5e) der ersten Pufferplatte (5) dünner ausgebildet ist als in einem Bereich ohne den Bereich angrenzend zu der Endfläche, und wobei das erste Verbindungsmaterial (11) in einem Bereich, der sich planar mit dem Bereich angrenzend zu der Endfläche überlappt, dicker ausgebildet ist als in einem Bereich ohne den Bereich, der sich planar mit dem Bereich angrenzend zu der Endfläche überlappt.
  14. Leistungsmodul (702) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, das ferner Folgendes aufweist: - eine zweite Pufferplatte (5), die zwischen der isolierten Leiterplatte (1) und dem Wärmeableitkörper (7) angeordnet ist; und - ein drittes Verbindungsmaterial (13), das zwischen der zweiten Pufferplatte (5) und dem Wärmeableitkörper (7) angeordnet ist, wobei das dritte Verbindungsmaterial (13) in Draufsicht in eine Vielzahl von Bereiche unterteilt ist.
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