DE112016006536T5 - Leistungshalbleitervorrichtung und Leistungshalbleiterkernmodul - Google Patents

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Yoshiko Tamada
Yoshihiro Yamaguchi
Seiji Oka
Tetsuo Motomiya
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Es ist eine Aufgabe eine Druckkontakt-Leistungshalbleitervorrichtung und ein Leistungshalbleiterkernmodul bereitzustellen, die eingerichtet sind, ihre Größen geeignet zu reduzieren. Jedes Leistungshalbleiterkernmodul umfasst das Folgende: eine Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips, welche eine Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen und eine Mehrzahl von Dioden umfasst, die in einer Draufsicht nebeneinanderliegenden; und eine Mehrzahl von ersten Federn, die zwischen einer oberen Metallplatte und einer leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist. Die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen jedes Leistungshalbleiterkernmoduls ist in einer Draufsicht entlang einer L-förmigen Linie, oder einer kreuzförmigen Linie, oder einer T-förmigen Linie angeordnet.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Druckkontakt-Leistungshalbleitervorrichtung und ein Leistungshalbleiterkernmodul.
  • Stand der Technik
  • In jüngster Zeit wurden zahlreiche Verfahren vorgeschlagen, die eine Druckkontakt-Leistungshalbleitervorrichtung betreffen, die mittels eines Druckkontaktes verpackt wird, oder die andere Arten von Halbleitervorrichtungen betreffen. Patentdokument 1 offenbart zum Beispiel ein Druckkontakt-Hochleistungshalbleitermodul, das eine leitfähige Basisplatte, eine leitfähige Abdeckplatte, eine Mehrzahl von starren Modulgehäusekomponenten, und eine Mehrzahl von Halbleiter-Chips umfasst.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Halbleiter-Chip über eine Unterseite, die mittels einer ersten Elektrode mit der Basisplatte verbunden ist, und eine Oberseite verfügt, die mittels einer zweiten Elektrode und einer Mehrzahl von flexiblen und komprimierbaren Kontaktkomponenten (individuelle Druck-Pins, die Elemente für eine elektrische Verbindung darstellen) mit der Abdeckplatte verbunden ist. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Halbleiter-Chips und die Kontaktkomponenten durch ein Submodulgehäuseelement aus einem Polyamid-Harz geführt werden.
  • Stand der Technik
  • Patentdokument
  • Patentdokument 1: Japanische Patent-Nr. 4280626
  • Durch die Erfindung zu lösendes Problem
  • Das Hochleistungshalbleitermodul in Patentdokument 1 ist derart eingerichtet, dass eine Mehrzahl vorgeprüfter Submodule parallel zueinander in einer einzigen Modulgehäusekomponente angeordnet sind. Danach wird eine Gate-Elektrode eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), der ein Halbleiter-Chip ist, über einen Bonddrahtkontakt mit einem Gate-Runner verbunden, der auf der Seite des Halbleiter-Chips angeordnet ist, und wird somit in einem einzigen, gemeinsamen Gate-Signalleiter zusammengeführt. Der Gate-Signalleiter ist wahrscheinlich in der Lage, über einen an einer Modulabdeckung angebrachten Gate-/Hilfskontaktbereich elektrisch mit der Außenseite zu kommunizieren.
  • In einem solchen Aufbau ist ein Gate eines selbstabschaltenden Halbleiterelements mittels eines Bonddrahtkontaktes mit einem zwischen den Chips angeordneten Gate-Runner verbunden. Daher besitzt die Basisplatte in Übereinstimmung mit einem Draht am Gate-Runner einen großen Bereich. Dies ist ungeeignet für eine kleine Vorrichtung. Entsprechend kann statt des Gate-Runners ein elektrischer Federkontaktbereich eingesetzt werden. Leider ist schwierig, den elektrischen Federkontaktbereich, der einzeln bereitgestellt wird, bezüglich eines Leiters, der mit dem elektrischen Federkontaktbereich verbunden ist, in der Fertigung zu positionieren. Dies verschlechtert die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung zwischen dem elektrischen Federkontaktbereich und dem Leiter.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf dieses Problem umgesetzt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Druckkontakt-Leistungshalbleitervorrichtung und ein Leistungshalbleiterkernmodul bereitzustellen, die in der Lage sind, ihre Größen in geeigneter Weise zu reduzieren.
  • Mittel zur Lösung des Problems
  • Eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterkernmodulen, in welchen eine leitfähige Abdeckplatte über einer leitfähigen Basisplatte angeordnet ist. Jedes Leistungshalbleiterkernmodul umfasst das Folgende: eine Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips, die eine Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen und eine Mehrzahl von Dioden umfasst, die in einer Draufsicht nebeneinanderliegen; eine obere Metallplatte, die zwischen jedem selbstabschaltendem Halbleiterelement oder jeder Diode, und der leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist; eine untere Metallplatte, die zwischen jedem selbstabschaltenden Halbleiterelement oder jeder Diode, und der leitfähigen Basisplatte angeordnet ist; und eine Mehrzahl von ersten Federn, die zwischen der oberen Metallplatte und der leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist. Die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen jedes Leistungshalbleiterkernmoduls sind in einer Draufsicht entlang einer L-förmigen Linie, einer kreuzförmigen Linie oder einer T-förmigen Linie angeordnet.
  • In einem Leistungshalbleiterkernmodul gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist eine leitfähige Abdeckplatte oberhalb einer leitfähigen Basisplatte angeordnet. Das Leistungshalbleiterkernmodul umfasst: eine Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips, die eine Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen und eine Mehrzahl von Dioden umfasst, die in einer Draufsicht nebeneinanderliegen; eine obere Metallplatte, die zwischen einem Teil jedes selbstabschaltenden Halbleiterelements oder jeder Diode, und der leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist; eine untere Metallplatte, die zwischen jedem selbstabschaltenden Halbleiterelement oder jeder Diode, und der leitfähigen Basisplatte angeordnet ist; eine Mehrzahl von ersten Federn, die zwischen der oberen Metallplatte und der leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist; ein Signalsubstrat, das aus einem Bereich eines unteren Teils der leitfähigen Abdeckplatte nach unten herausragt, wobei sich der Bereich oberhalb eines verbleibenden Bereichs befindet, der sich vom Teil jedes selbstabschaltenden Halbleiterelements unterscheidet; eine zweite Feder, die zwischen dem verbleibenden Teil jedes selbstabschaltenden Halbleiterelements und dem Signalsubstrat angeordnet ist, und den verbleibenden Teil und das einzelne Substrat elektrisch miteinander verbindet; und einen Rahmen, der die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen und die Mehrzahl von Dioden einzeln umgibt. Ein oberer Teil des Rahmens verfügt über eine Aussparung, die in das Signalsubstrat eingefügt ist.
  • Auswirkungen der Erfindung
  • Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Mehrzahl von selbstabschalteten Halbleiterelementen jedes Leistungshalbleiterkernmoduls in einer Draufsicht entlang der L-förmigen Linie, der kreuzförmigen Linie, oder der T-förmigen Linie angeordnet. Dies verbessert die Wärmeableitungsfähigkeit des selbstabschaltenden Halbleiterelements und reduziert die Größe der Vorrichtung.
  • Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung verfügt der obere Teil des Rahmens über die Aussparung, die in das Signalsubstrat eingefügt wird. Folglich fungiert die Aussparung als eine Positionierungshilfe, wodurch die Größe der Vorrichtung reduziert wird, während die Positionierung zwischen dem Signalsubstrat und der zweiten Feder vereinfacht wird.
  • Diese und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Figuren deutlicher.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Draufsicht eines Aufbaus eines Teils einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
    • 2 ist eine schematische Draufsicht eines Aufbaus eines Leistungshalbleiterkernmoduls gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus des Leistungshalbleiterkernmoduls gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus des Leistungshalbleiterkernmoduls gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 5 ist eine schematische Draufsicht eines Aufbaus eines Teils einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
    • 6 ist eine schematische Draufsicht eines Aufbaus eines Teils einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
    • 7 ist eine schematische Draufsicht eines Aufbaus eines Teils einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer Modifikation.
  • Beschreibung der Ausführungsform(en)
  • <Erste Ausführungsform>
  • 1 ist eine schematische Draufsicht eines Aufbaus eines Teils einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Leistungshalbleitervorrichtung in 1 umfasst insgesamt vier (eine Mehrzahl von) im Wesentlichen viereckige Leistungshalbleiterkernmodule, die in zwei Reihen und zwei Spalten in Längs- und Querrichtung angeordnet sind. Es wird darauf hingewiesen, dass eine beliebige Anzahl von Leistungshalbleiterkernmodulen angeordnet sein kann, und dass es erforderlich ist, zwei oder mehr Leistungshalbleiterkernmodule anzuordnen.
  • 2 ist eine schematische Draufsicht eines Leistungshalbleiterkernmoduls gemäß der ersten Ausführungsform, und ist konkret eine vergrößerte Draufsicht eines Bereichs A in 1. Die 3 und 4 stellen Querschnittsansichten des Aufbaus des Leistungshalbleiterkernmoduls dar. Konkret ist 3 eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie B-B' in 2 entnommen wurde; darüber hinaus ist 4 eine Querschnittsansicht, die entlang einer Linie C-C' in 2 entnommen wurde.
  • Wie in den 3 und 4 veranschaulicht, umfasst das Leistungshalbleiterkernmodul eine leitfähige Basisplatte 1 und eine leitfähige Abdeckplatte 2, die oberhalb der leitfähigen Basisplatte 1 angeordnet ist.
  • Das Leistungshalbleiterkernmodul umfasst das Folgende: eine Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips umfassend eine Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 und eine Mehrzahl von Dioden 6; obere Metallplatten, die in dieser Ausführungsform obere Chip-Metallplatten 8 sind; und untere Metallplatten, die in dieser Ausführungsform untere Chip-Metallplatten 9 sind.
  • Die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 und die Mehrzahl von Dioden 6 liegen in einer Draufsicht nebeneinander. Im Beispiel von 1 sind fünf selbstabschaltende Halbleiterelemente 5 und vier Dioden 6 in einer 3 × 3 Matrix angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Chip-Anordnung nicht auf die Matrix von 3 × 3 beschränkt ist.
  • Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass Beispiele für jedes selbstabschaltende Halbleiterelement 5 einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) umfassen. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass Beispiele für jede Diode 6 eine Schottky-Diode (SBD) und eine PN-Diode umfassen.
  • Die oberen Chip-Metallplatten 8 sind jeweils zwischen einem Teil des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5 oder der Diode 6, und der leitfähigen Abdeckplatte 2 angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass in der ersten Ausführungsform eine einzelne obere Chip-Metallplatte 8 auf einem einzelnen selbstabschaltenden Halbleiterelement 5 angeordnet ist.
  • Die unteren Chip-Metallplatten 9 sind jeweils zwischen dem selbstabschaltenden Halbleiterelement 5 oder der Diode 6, und der leitfähigen Basisplatte 1 angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass in der ersten Ausführungsform eine einzelne untere Chip-Metallplatte 9 auf einer einzelnen Diode 6 angeordnet ist.
  • Zusätzlich zu diesen Komponenten umfasst das Leistungshalbleiterkernmodul eine Mehrzahl von Druckkontakt-Drahtfedern 3 (erste Federn), Signal-Drahtfedern 4 (zweite Federn), ein Signalsubstrat 7, und Federstützen 13, die isolierende Eigenschaften besitzen.
  • Die Federstützen 13 und die Mehrzahl von Druckkontakt-Drahtfedern 3 sind jeweils zwischen der oberen Chip-Metallplatte 8 und der leitfähigen Abdeckplatte 2 angeordnet. Die Federstütze 13 verfügt auf der oberen Chip-Metallplatte 8 über eine Mehrzahl zylindrischer Löcher. Die Mehrzahl von Druckkontakt-Drahtfedern 3 wird in die Mehrzahl von zylindrischen Löchern eingefügt. Darüber hinaus steht die Mehrzahl von Druckkontakt-Drahtfedern 3 in Kontakt mit der oberen Chip-Metallplatte 8 und der leitfähigen Abdeckplatte 2, während sie sich in einer Auf- und Abwärtsrichtung ausdehnen.
  • Die Federstütze 13 und die Signal-Drahtfeder 4 sind zwischen dem Signalsubstrat 7 und einem freiliegenden Bereich des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5 angeordnet, wobei der freiliegende Bereich von der oberen Chip-Metallplatte 8 freigelegt wird (d.h., der freiliegende Bereich ist der verbleibende Bereich, der sich vom Teil des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5 unterscheidet). Die Federstütze 13 verfügt über ein zylindrisches Loch auf dem freiliegenden Bereich des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5. Die Signal-Drahtfeder 4 wird in das zylindrische Loch eingefügt. Des Weiteren steht die Signal-Drahtfeder 4 in Kontakt mit dem freiliegenden Bereich des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5 und dem Signalsubstrat 7, während sie sich in einer Auf- und Abwärtsrichtung ausdehnt. Dementsprechend verfügt die Signal-Drahtfeder 4 über zwei Enden: eines ist elektrisch mit einem im freiliegenden Bereich des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5 angeordneten Signal-Pad eines Gates oder eines Emitters verbunden; und das andere ist elektrisch mit dem Signalsubstrat 7 des Gates oder des Emitters verbunden.
  • Beispiele für jede Druckkontakt-Drahtfeder 3 und jede Signal-Drahtfeder 4 umfassen eine Spiralfeder und einen Federring. Es wird darauf hingewiesen, dass die Signal-Pads des Gates und des Emitters des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5 elektrisch mit den Signalsubstraten 7 des Gates und des Emitters verbunden sein können. Dementsprechend kann eine Mehrzahl von Signal-Drahtfedern 4 vorgesehen werden.
  • Wie in den 3 und 4 veranschaulicht, ragt das Signalsubstrat 7 aus einem Bereich des unteren Teils der leitfähigen Abdeckplatte 2 nach unter hervor, wobei sich der Bereich oberhalb des freiliegenden Bereichs des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5 befindet. Darüber hinaus wird das Signalsubstrat 7 für jedes Leistungshalbleiterkernmodul bereitgestellt und verfügt, wie in den 1 und 2 veranschaulicht, in einer Draufsicht über eine L-Form. Das Signalsubstrat 7 ist von der leitfähigen Abdeckplatte 2 isoliert und ist eingerichtet, in eine Richtung erregt zu werden, in die sich das Signalsubstrat 7 erstreckt. Im Beispiel von 1 ist das Signalsubstrat 7 mit fünf selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 auf kollektive Weise verbunden. Solch ein Aufbau realisiert eine gemeinsame Verbindung zwischen Signaldrähten oberhalb des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5, wodurch eine kleine Leistungshalbleitervorrichtung erzielt wird.
  • Das Leistungshalbleiterkernmodul wird verpackt, während es von oben und unten zusammengedrückt wird, d.h., von der leitfähigen Basisplatte 1 und der leitfähigen Abdeckplatte 2. Die Druckkontakt-Drahtfeder 3 und die Signal-Drahtfeder 4 werden somit komprimiert, wodurch im Ansprechen auf die Kompression eine Rückstellkraft erzeugt wird. Die Rückstellkraft der Signal-Drahtfeder 4 veranlasst, dass die Signal-Drahtfeder 4 in Kontakt mit dem selbstabschaltenden Halbleiterelement 5 und dem Signalsubstrat 7 steht. Dies verbessert die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung (Verbindungsstelle) zwischen dem selbstabschaltenden Halbleiterelement 5 und dem Signalsubstrat 7, zusätzlich wird eine Betriebszuverlässigkeit des Chips verbessert. Es wird darauf hingewiesen, dass eine elektrische Verbindung (Verbindungsstelle) bezüglich der Druckkontakt-Drahtfeder 3 auf ähnliche Weise realisiert werden kann, wie bei der Signal-Drahtfeder 4, wodurch die Diode 6 und eine weitere Komponente elektrisch verbunden werden; alternativ kann die Diode 6 mittels einer Bonddrahtes (nicht gezeigt) mit der weiteren Komponente verbunden werden.
  • Zusätzlich zu diesen Komponenten umfasst das Leistungshalbleiterkernmodul ein Versiegelungsharz 10 und einen Rahmen (einen inneren Harzrahmen 11 und einen äußeren Harzrahmen 12).
  • Der innere Harzrahmen 11 ist an der leitfähigen Basisplatte 1 befestigt, während er die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 und die Mehrzahl von Dioden 6 einzeln umgibt. Das heißt, der innere Harzrahmen 11 trennt die Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips (die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 und die Mehrzahl von Dioden 6) voneinander.
  • Der äußere Harzrahmen 12 ist an der leitfähigen Abdeckplatte 2 befestigt, während er den inneren Harzrahmen 11 umgibt. Das Versiegelungsharz 10 wird in einen Behälter gefüllt, der aus der leitfähigen Basisplatte 1 und dem inneren Harzrahmen 11 ausgebildet wird, so dass eine vorgegeben Höhe erreicht wird.
  • Wie in 4 veranschaulicht, verfügt der obere Teil des inneren Harzrahmens 11 über eine Aussparung, welche ein Ausschnitt 11a ist. Zusätzlich verfügt der obere Teil des Harzrahmens 12 über eine Aussparung oder einen Ausschnitt (nicht gezeigt). Darüber hinaus ist das Signalsubstrat 7 in den Ausschnitt 11a des inneren Harzrahmens 11 und den Ausschnitt des äußeren Harzrahmens 12 eingefügt. Aufgrund eines solchen Aufbaus fungieren die Ausschnitte als Positionierungshilfen. Dies erleichtert das Positionieren des Signalsubstrats 7 und des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5 in Bezug zur Signal-Drahtfeder 4. Darüber hinaus stellt dieser Aufbau einen geeigneten elektrischen Kontakt her, wodurch die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung (Verbindungsstelle) verbessert wird.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass der innere Harzrahmen 11 als Stopper fungiert, der verhindert, dass ein Abstand zwischen der leitfähigen Basisplatte 1 und der leitfähigen Abdeckplatte 2 bei der Druckbeaufschlagung von oben und unten, d.h. von diesen Platten, kürzer wird, als ein bestimmter Wert. Daher ermöglicht eine Anpassung der Höhe des inneren Harzrahmens 11, dass die Druckkontakt-Drahtfedern 3 und die Signal-Drahtfeder 4 geeignete Rückstellkräfte (Drücke) erzeugen können. Darüber hinaus ermöglicht eine einheitliche Höhe des inneren Harzrahmens 11, dass der Abstand zwischen der leitfähigen Basisplatte 1 und der leitfähigen Abdeckplatte 2 einheitlich gehalten werden kann. Dies ermöglicht der Mehrzahl von Druckkontakt-Drahtfedern 3 eine einheitliche Abwärtskraft (Druck) auf die Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips auszuüben, die im Inneren angeordnet sind, und infolgedessen auf die obere Chip-Metallplatten 8, die auf den Leistungshalbleiter-Chips angeordnet sind, wodurch eine Zuverlässigkeit der Verbindung verbessert wird.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1, ist die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 jedes Leistungshalbleiterkernmoduls in der ersten Ausführungsform in einer Draufsicht entlang einer L-förmigen (dem L-förmigen Signalsubstrat 7) Linie angeordnet. Die Dioden 6 sind somit in der Mitte des Leistungshalbleiters in 1 angeordnet; zusätzlich sind die selbstabschaltenden Halbleiterelemente 5 und infolgedessen die Signal-Drahtfedern 4 im äußeren Randbereich des Leistungshalbleiters in 1 angeordnet.
  • Das Signalsubstrat 7 verfügt über zwei Enden 7a, die an Ausschnitten der Seitenflächen des Leistungshalbleiterkernmoduls (der äußere Harzrahmen 12) zur Außenseite des Leistungshalbleiterkernmoduls freiliegen. Obwohl nicht gezeigt, sind die freiliegenden Enden 7a des Signalsubstrats 7 der nebeneinanderliegenden Leistungshalbleiterkernmodule elektrisch miteinander verbunden. Die Verbindung kann zum Beispiel eine elektrische Verbindung mittels eines Kabels sein. Es können unterschiedliche Verbindungsarten eingesetzt werden, die eine Verbindung mit einem Verbinder, einer Lotverbindung, und einer Schraubverbindung umfassen.
  • Hier trifft ein Leistungshalbleiterkernmodul, das in einer Draufsicht gedreht wird, mit den anderen Leistungshalbleiterkernmodulen zusammen. Wenn zum Beispiel die Lage der L-Form eines Leistungshalbleiterkernmoduls in 1 um jeweils 90 Grad gedreht wird, trifft das eine Leistungshalbleiterkernmodul mit den drei anderen Leistungshalbleiterkernmodulen zusammen. Solch ein Aufbau, der es ermöglicht, die Leistungshalbleitervorrichtung aus einer einzigen Art von Leistungshalbleiterkernmodulen auszubilden, erhöht die Produktivität und erzielt eine Kostenreduktion.
  • Wie in 1 veranschaulicht, sind die leitfähige Basisplatte 1, die leitfähige Abdeckplatte 2, und die Mehrzahl von (vier in 1) Leistungshalbleiterkernmodulen, welche die vorgenannten Komponenten umfassen, die von diesen Platten eingefasst sind, auf einer gemeinsamen Kollektor-Metallplatte 16 angeordnet. Darüber hinaus liegen die Signalsubstrate 7 (ein Gate-Signalsubstrat und ein Emitter-Signalsubstrat) der einzelnen Leistungshalbleiterkernmodule an den Seitenflächen der Leistungshalbleiterkernmodule frei. Zudem sind die Enden der Signalsubstrate 7 elektrisch miteinander verbunden. Hier sind die Emitter-Signalsubstrate, deren Enden elektrisch miteinander verbunden sind, elektrisch mit einer gemeinsamen Emitter-Metallplatte (nicht gezeigt) verbunden. Die gemeinsame Emitter-Metallplatte (nicht gezeigt) wird mit jedem Leistungshalbleiterkernmodul an einer gegenüberliegenden Position der gemeinsamen Kollektor-Metallplatte 16 pressverschweißt. Somit weist die Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform einen integrierten Aufbau auf, welcher die Mehrzahl von Leistungshalbleiterkernmodulen, die gemeinsame Kollektor-Metallplatte 16, und die gemeinsame Emitter-Metallplatte (nicht gezeigt) umfasst.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform ist derart eingerichtet, dass die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 jedes Leistungshalbleiterkernmoduls in einer Draufsicht entlang der L-förmigen Linie angeordnet ist. Die Dioden 6 sind somit in der Mitte des Leistungshalbleiters angeordnet; außerdem sind die selbstabschaltenden Halbleiterelemente 5 im äußeren Randbereich des Leistungshalbleiters angeordnet. Dies verbessert die Wärmeableitungsfähigkeit der selbstabschaltenden Halbleiterelemente 5. Infolgedessen kann das selbstabschaltende Halbleiterelement 5 aus einem Element bestehen, das eine große Wärmeentwicklung besitzt.
  • In der ersten Ausführungsform ist der Ausschnitt, in den das Signalsubstrat 7 eingefügt wird, oberhalb des Rahmens (des inneren Harzrahmens 11 und des äußeren Harzrahmens 12) angeordnet. Folglich fungiert der Ausschnitt als Positionierungshilfe. Dies erleichtert das Positionieren des Signalsubstrats 7 und des selbstabschaltenden Halbleiterelements 5 bezüglich der Signal-Drahtfeder 4. Außerdem realisiert dieser Aufbau einen geeigneten elektrischen Kontakt, wodurch die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung (Verbindungsstelle) verbessert wird.
  • In der ersten Ausführungsform liegt das Signalsubstrat 7 am Ausschnitt zur Außenseite des Leistungshalbleiterkernmoduls frei. Dies realisiert eine elektrische Verbindung zwischen den freiliegenden Bereichen der Signalsubstrate 7 der nebeneinanderliegenden Leistungshalbleiterkernmodule. Entsprechend kann eine Anpassung der Anzahl der parallel miteinander verbundenen Leistungshalbleiterkernmodule eine Leistungshalbleitervorrichtung mit einer gewünschten Stromkapazität erzeugen. Darüber hinaus kann die Kostenreduktion und eine einfache Fertigung erreicht werden.
  • In der ersten Ausführungsform besitzt das Signalsubstrat 7 in einer Draufsicht eine L-Form. Dies verbessert die Ausbeute des Substrats, wodurch die Kostenreduktion erreicht wird. Es wird darauf hingewiesen, dass das Signalsubstrat 7 aus einem gedruckten Substrat, das aus zwei oder mehr Schichten besteht, oder aus einem metallbeschichteten Substrat mit einer Isolierschicht ausgebildet werden kann, welche zwischen die Metalle eingefügt ist. Auf diese Weise wird eine Verdrahtung erreicht, indem ein schmales Signalsubstrat 7 verwendet wird. Dies realisiert eine kleinere Leistungshalbleitervorrichtung und ermöglicht, dass eine Gate-Schaltung und eine Emitter-Schaltung eine kurze Schleife besitzen, wodurch ein abnormaler Betrieb aufgrund elektromagnetischer Induktion und Rauschen verhindert wird.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass wenigstens das selbstabschaltende Halbleiterelement 5 oder die Diode 6 aus Silicium oder aus einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke (hergestellt aus Siliciumcarbid, Galliumnitrid, oder Diamant) ausgebildet wird. Solch ein Aufbau ermöglicht einen stabilen Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtung unter hohen Temperaturen, und eine schnelle SW-Geschwindigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung.
  • <Zweite Ausführungsform>
  • 5 ist eine schematische Draufsicht eines Aufbaus eines Teils einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, dass identische oder ähnliche Komponenten zwischen der Leistungshalbleitervorrichtung in der ersten Ausführungsform und der Leistungshalbleitervorrichtung in der zweiten Ausführungsform mittels derselben Bezugszeichen gekennzeichnet werden, und dass hier hauptsächlich Komponenten beschrieben werden, die sich zwischen diesen Leistungshalbleitervorrichtungen unterscheiden.
  • In der zweiten Ausführungsform ist die Mehrzahl von Halbleiter-Chips (die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 und die Mehrzahl von Dioden 6) in einer Draufsicht in einer L-förmigen Linie auf gleiche Weise wie jene in der ersten Ausführungsform angeordnet. Im Gegensatz zum Signalsubstrat 7 in der ersten Ausführungsform besitzt das Signalsubstrat 7 des Leistungshalbleiterkernmoduls in der zweiten Ausführungsform eine Kreuzform. Auf diese Weise kann sich die Form der Anordnung der Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips von der Form des Signalsubstrats 7 unterscheiden.
  • In der ersten Ausführungsform umfasst die Leistungshalbleitervorrichtung vier Leistungshalbleiterkernmodule, die miteinander verbunden sind. Für eine Leistungshalbleitervorrichtung, die fünf oder mehr miteinander verbundene Leistungshalbleiterkernmodule umfasst, bewirkt das Signalsubstrat 7, das in der ersten Ausführungsform eine einfache L-Form besitzt, einen nicht einheitlichen Abstand zwischen den nebeneinanderliegenden Signalsubstraten 7. Dies führt zu einer Signalverzögerung zwischen den Signalsubstraten 7, wodurch ein nicht einheitlicher Betrieb verursacht werden kann. Der nicht einheitliche Betrieb beeinflusst die selbstabschaltenden Halbleiterelemente 5 auf ungünstige Weise.
  • Das Signalsubstrat 7 in der zweiten Ausführungsform besitzt dementsprechend keine L-Form, sondern eine Kreuzform. Darüber hinaus verfügt das Signalsubstrat 7 über vier Enden 7a, die zur Außenseite des Leistungshalbleiterkernmoduls freiliegen. Das heißt, die Enden 7a des Signalsubstrats 7 liegen in den jeweiligen vier Seitenflächen des Leistungshalbleiterkernmoduls frei. Solch ein Aufbau realisiert auf einfache Weise elektrische Verbindungen zwischen den Enden 7a der nebeneinanderliegenden Signalsubstrate 7, wodurch die Fertigung der Leistungshalbleitervorrichtung vereinfacht wird. Zusätzlich realisiert dieser Aufbau einen einheitlichen Abstand zwischen den nebeneinanderliegenden Signalsubstraten 7 in einer Leistungshalbleitervorrichtung, die zwei oder mehr Leistungshalbleiterkernmodule umfasst, wodurch eine ungünstige Auswirkung auf das selbstabschaltende Halbleiterelement 5 reduziert wird.
  • In der ersten Ausführungsform wird die Mehrzahl von Leistungshalbleiterkernmodulen ausgebildet, indem das Leistungshalbleiterkernmodul einer einzigen Art für die Anordnung um jeweils 90 Grad gedreht wird. In der zweiten Ausführungsform kann eine identisch orientierte Anordnung des Leistungshalbleiterkernmoduls einer einzigen Art ohne solche Drehungen eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterkernmodulen ausbilden. Dies reduziert Fehler in der Anordnung, wodurch eine Arbeitseffizienz verbessert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Leistungshalbleitervorrichtung, obwohl sie im Beispiel von 5 vier Leistungshalbleiterkernmodule umfasst, eine beliebige Anzahl von Leistungshalbleiterkernmodulen umfassen kann; die Leistungshalbleitervorrichtung erfordert jedoch, dass zwei oder mehr Leistungshalbleiterkernmodule enthalten sind.
  • <Dritte Ausführungsform>
  • 6 ist eine schematische Draufsicht eines Aufbaus eines Teils einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, dass identische oder ähnliche Komponenten zwischen der Leistungshalbleitervorrichtung in der zweiten Ausführungsform und der Leistungshalbleitervorrichtung in der dritten Ausführungsform mittels derselben Bezugszeichen gekennzeichnet werden, und dass hier hauptsächlich Unterschiede zwischen den Komponenten dieser Leistungshalbleitervorrichtungen beschrieben werden.
  • In der ersten und zweiten Ausführungsform ist die Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips (die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 und die Mehrzahl von Dioden 6) in einer Draufsicht entlang einer L-förmigen Linie angeordnet. Hier wird in der ersten Ausführungsform das Leistungshalbleiterkernmodul einer einzigen Art um jeweils 90 Grad gedreht, damit die Anordnung die erzeugte Wärme verteilt und die Wärmeableitungsfähigkeit verbessert wird. In der zweiten Ausführungsform erzeugen die Leistungshalbleiterkernmodule einer einzigen Art, die so angeordnet sind, dass sie parallel zueinander verschoben sind, Unterschiede in der Wärmeentwicklung. Infolgedessen wird ein Anwender bei der thermischen Auslegung vor Probleme gestellt. Dies kann die Qualität der Leistungshalbleitervorrichtung ungünstig beeinflussen.
  • Um diesem Problem zu begegnen ist die Leistungshalbleitervorrichtung in der dritten Ausführungsform eingerichtet, die Unterschiede in der Wärmeentwicklung zu verbessern. Um genau zu sein, ist die Mehrzahl der Leistungshalbleiter-Chips (die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 und die Mehrzahl von Dioden 6) in der dritten Ausführungsform, wie in 6 veranschaulicht, in einer Draufsicht entlang einer kreuzförmigen Linie angeordnet. Dies erzielt eine homogene Verteilung der Wärmeentwicklung hinsichtlich der Leistungshalbleiterkernmodule. Dadurch werden die Unterschiede in der Wärmeentwicklung in der Leistungshalbleitervorrichtung verhindert. Dies vereinfacht die thermische Auslegung, wodurch die ungünstige Auswirkung auf die Qualität verhindert wird. Außerdem ist die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 nicht lokal versammelt, sondern im Wesentlichen so angeordnet, dass in einer Draufsicht Linien ausgebildet werden, wenn die Leistungshalbleiterkernmodule angeordnet werden. Infolgedessen wird die durch die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 erzeugte Wärme an Bereiche der Dioden 6 mit relativ niedriger Temperatur abgeleitet. Dadurch wird die Wärmeableitungsfähigkeit nicht beeinflusst. Darüber hinaus erleichtert das Signalsubstrat 7 in der dritten Ausführungsform, das eine Kreuzform besitzt, auf ähnliche Weise, wie das Signalsubstrat 7 in der zweiten Ausführungsform, die Fertigung der Leistungshalbleitervorrichtung und realisiert einen einheitlichen Abstand zwischen den nebeneinanderliegenden Signalsubtraten 7.
  • <Modifikation>
  • Die vorgenannten Ausführungsformen beschreiben, dass die Mehrzahl der selbstabschaltenden Halbleiterelemente 5 jedes Leistungshalbleiterkernmoduls in einer Draufsicht entlang einer L-förmigen Linie oder einer kreuzförmigen Linie angeordnet sein kann. Die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen 5 kann entlang einer Linie mit einer beliebigen Form angeordnet sein; zum Beispiel können die selbstabschaltenden Halbleiterelemente 5 jedes Leistungshalbleiterkernmoduls in einer Draufsicht entlang einer T-förmigen Linie angeordnet sein, wie in 7 veranschaulicht.
  • Die vorgenannten Ausführungsformen beschreiben, dass das Signalsubstrat 7 in einer Draufsicht eine L-Form oder eine Kreuzform besitzt. Das Signalsubstrat 7 kann eine beliebige Form annehmen; zum Beispiel kann das Signalsubstrat 7 eine T-Form besitzen, und drei Enden 7a der T-Form können zur Außenseite des Leistungshalbleiterkernmoduls freiliegen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die individuellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung frei kombiniert oder modifiziert und in geeigneter Weise ausgelassen werden können.
  • Während die Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in allen Aspekten veranschaulichend und nicht einschränkend. Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen erdacht werden können, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1 leitfähige Basisplatte, 2 leitfähige Abdeckplatte, 3 Druckkontakt-Drahtfeder, 4 Signaldrahtfeder, 5 selbstabschaltendes Halbleiterelement, 6 Diode, 7 Signalsubstrat, 8 obere Chip-Metallplatte, 9 untere Chip-Metallplatte, 11 innerer Harzrahmen, 11a Ausschnitt, 12 äußerer Harzrahmen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 4280626 [0004]

Claims (9)

  1. Leistungshalbleitervorrichtung umfassend eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterkernmodulen, in welchen eine leitfähige Abdeckplatte (2) oberhalb einer leitfähigen Basisplatte (1) angeordnet ist, • wobei jedes Leistungshalbleiterkernmodul umfasst: ◯ eine Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips, welche eine Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen (5) und eine Mehrzahl von Dioden (6) umfasst, die in einer Draufsicht nebeneinanderliegen, ◯ eine obere Metallplatte (8), die zwischen jedem selbstabschaltenden Halbleiterelement oder jeder Diode, und der leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist, ◯ eine untere Metallplatte (9), die zwischen jedem selbstabschaltenden Halbleiterelement oder jeder Diode, und der leitfähigen Basisplatte angeordnet ist, und ◯ eine Mehrzahl von ersten Federn (3), die zwischen der oberen Metallplatte und der leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist, und • wobei die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen jedes Leistungshalbleiterkernmoduls in einer Draufsicht entlang einer L-förmigen Linie, oder einer kreuzförmigen Linie, oder einer T-förmigen Linie angeordnet ist.
  2. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, • wobei die obere Metallplatte (8) zwischen einem Teil jedes selbstabschaltenden Halbleiterelements oder jeder Diode, und der leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist, • wobei jedes Leistungshalbleiterkernmodul weiter umfasst: ◯ ein Signalsubstrat (7), welches aus einem Bereich eines unteren Teils der leitfähigen Abdeckplatte (2) nach unten herausragt, wobei sich der Bereich oberhalb eines verbleibenden Bereichs befindet, der sich vom Teil jedes selbstabschaltenden Halbleiterelements (5) unterscheidet, ◯ eine zweite Feder (4), welche zwischen dem verbleibenden Bereich jedes selbstabschaltenden Halbleiterelements und dem Signalsubstrat angeordnet ist, und den verbleibenden Teil und das einzelne Substrat elektrisch miteinander verbindet, und ◯ einen Rahmen (11, 12) der die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen und die Mehrzahl von Dioden (6) einzeln umgibt, und • wobei ein oberer Teil des Rahmens jedes Leistungshalbleiterkernmoduls eine Aussparung (11a) umfasst, welche in das Signalsubstrat eingefügt ist.
  3. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 2, • wobei das Signalsubstrat (7) des Leistungshalbleiterkernmoduls von der Aussparung (11a) zu einer Außenseite des Leistungshalbleiterkernmoduls hin freiliegt, und • wobei freiliegende Bereiche der Signalsubstrate der nebeneinanderliegenden Leistungshalbleiterkernmodule elektrisch miteinander verbunden sind.
  4. Leistungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Signalsubstrat (7) in einer Draufsicht eine L-Form besitzt, und zwei Enden der L-Form zu einer Außenseite des Leistungshalbleiterkernmoduls hin freiliegen.
  5. Leistungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Signalsubstrat (7) in einer Draufsicht eine Kreuzform besitzt, und vier Enden der Kreuzform zu einer Außenseite des Leistungshalbleiterkernmoduls hin freiliegen.
  6. Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens das selbstabschaltende Halbleiterelement (5) oder die Diode (6) aus Siliciumcarbid, Galliumnitrid oder Diamant besteht.
  7. Leistungshalbleiterkernmodul, in welchem eine leitfähige Abdeckplatte (2) oberhalb einer leitfähigen Basisplatte (1) angeordnet ist, wobei das Leistungshalbleiterkernmodul umfasst: • eine Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Chips, welche eine Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen (5) und eine Mehrzahl von Dioden (6) umfasst, die in einer Draufsicht nebeneinander liegen; • eine obere Metallplatte (8), welche zwischen einem Teil jedes selbstabschaltenden Halbleiterelements oder jeder Diode, und der leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist; • eine untere Metallplatte (9), welche zwischen jedem selbstabschaltenden Halbleiterelement oder jeder Diode, und der leitfähigen Basisplatte angeordnet; • eine Mehrzahl von ersten Federn (3), welche zwischen der oberen Metallplatte und der leitfähigen Abdeckplatte angeordnet ist; • ein Signalsubstrat (7), welches aus einem Bereich eines unteren Teils der leitfähige Abdeckplatte (2) nach unten herausragt, wobei sich der Bereich oberhalb eines verbleibenden Bereichs befindet, der sich vom Teil jedes selbstabschaltenden Halbleiterelements unterscheidet; • eine zweite Feder (4), welche zwischen dem verbleibenden Bereich jedes selbstabschaltenden Halbleiterelements und dem Signalsubstrat angeordnet ist, und den verbleibenden Teil und das einzelne Substrat elektrisch miteinander verbindet; und • einen Rahmen (11, 12) der die Mehrzahl von selbstabschaltenden Halbleiterelementen und die Mehrzahl von Dioden einzeln umgibt, • wobei ein oberer Teil des Rahmens eine Aussparung (11a) umfasst, die in das Signalsubstrat eingefügt ist.
  8. Leistungshalbleiterkernmodul nach Anspruch 7, wobei das Signalsubstrat (7) von der Aussparung (11a) zu einer Außenseite des Leistungshalbleiterkernmoduls hin freiliegt.
  9. Leistungshalbleiterkernmodul nach Anspruch 7 oder 8, wobei wenigstens das selbstabschaltende Halbleiterelement (5) oder die Diode (6) aus Siliciumcarbid, Galliumnitrid oder Diamant besteht.
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