DE112018000405T5 - Halbleiteranordnung und leistungswandlergerät - Google Patents

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power
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Yo Tanaka
Shinnosuke Soda
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Es werden eine Halbleiteranordnung, die mit einer Leiterplatte versehen ist und eine Vergrößerung der Grundfläche verhindern kann, und ein Leistungswandlergerät einschließlich der Halbleiteranordnung aufgezeigt. Die Halbleiteranordnung (101) weist eine Leiterplatte (1), ein Leistungshalbleiterelement (3), einen Isolierblock (5), einen Steuersignalanschluss (7), einen ersten Hauptanschluss (9a) und einen zweiten Hauptanschluss (9b) auf. Das Leistungshalbleiterelement (3) ist mit einer Hauptfläche der Leiterplatte (1) verbunden. Der Isolierblock (5) ist um das Leistungshalbleiterelement (3) herum angeordnet und mit einer Öffnung (5c) direkt über dem Leistungshalbleiterelement (3) ausgebildet. Der Steuersignalanschluss (7) wird in den Isolierblock (5) gesteckt und damit am Isolierblock (5) befestigt. Der Steuersignalanschluss (7) weist einen gebogenen Bereich (7t) auf, der teilweise über das Leistungshalbleiterelement (3) aus dem Isolierblock (5) ragt und mit dem Leistungshalbleiterelement (3) verbunden ist. Der erste Hauptanschluss (9a) ist mit dem gleichen Leistungshalbleiterelement (3a) verbunden wie das Leistungshalbleiterelement (3a), an das der Steuersignalanschluss (7) angeschlossen ist. Der zweite Hauptanschluss (9b) ist mit der Leiterplatte (1) verbunden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung und ein Leistungswandlergerät, insbesondere eine Halbleiteranordnung wie ein Leistungsmodul und ein Leistungswandlergerät einschließlich desselben.
  • STAND DER TECHNIK
  • Herkömmlicherweise wird in einer Halbleiteranordnung und insbesondere in einem Leistungsmodul, das mit einem hohen Strom zu tun hat, ein Verdrahtungselement, wie beispielsweise ein Bonddraht, in der Signalverdrahtung verwendet, um den Betrieb von Leistungshalbleiterelementen, einschließlich des Leistungsmoduls, zu steuern. Mit anderen Worten, ein Steuersignalpad eines Leistungshalbleiterelements und ein Steuersignalanschluss zur elektrischen Verbindung des Leistungsmoduls mit der Außenseite sind durch ein Verdrahtungselement, wie beispielsweise einen Bonddraht, miteinander verbunden.
  • In einem Leistungsmodul, das in einer mechanisch vibrierenden Umgebung wie z.B. einer Transporteinrichtung oder dergleichen eingesetzt wird, kann der Bonddraht zum Verbinden des Steuersignalpads und des Steuersignalanschlusses aufgrund von Vibrationen und thermischer Ermüdung getrennt werden, was eine Steuerung des Leistungsmoduls unmöglich macht.
  • Im Allgemeinen ist in einem Leistungsmodul der Steuersignalanschluss um das Leistungshalbleiterelement herum angeordnet und der Steuersignalanschluss ist mit dem Steuersignalpad durch Drahtbonden oder dergleichen verbunden. Daher ist es notwendig, einen Raum für die Anordnung des Steuersignalanschlusses und einen Raum für die Bewegung eines Bondwerkzeugs während des Drahtbondens zu sichern. Daher kann das Leistungsmodul mit einem Bonddraht durch die Vergrößerung seiner Grundfläche groß werden.
  • Um diesem Problem zu begegnen, beschreibt beispielsweise die Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2010-287 726 A (Patentdokument 1) eine Struktur, in der ein in einem Isolierblock fixierter Steuersignalanschluss über ein Lot mit einem Steuersignalpad des Leistungshalbleiterelements verbunden ist. Mit einer solchen Struktur ist es möglich, den Ausfall des Steuersignalpads und des Steuersignalanschlusses durch thermische Ermüdung zu verhindern. Da sich der Steuersignalanschluss entlang der Dickenrichtung über die Hauptfläche des Leistungshalbleiterelements erstreckt, ermöglicht das Bonden des Steuersignalanschlusses eine Vergrößerung der Grundfläche der Halbleiteranordnung zu verhindern.
  • In der Halbleiteranordnung, die in der Japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2010-287 726 A (Patentdokument 1) beschrieben ist, wird der Halbleiterchip jedoch mit der Basisleitung verlötet, und die Positionsbeziehung zwischen der unter der Basisleitung anzuordnenden Leiterplatte und dem Steuersignalpad oder dergleichen ist ungenau. In diesem Zusammenhang beschreiben beispielsweise die Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2015-41 716 A (Patentdokument 2) und die Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 8-12 5115 A (Patentdokument 3) eine Leistungs-Halbleiteranordnung wie ein Leistungsmodul, in dem die Leiterplatte und der Steuersignalanschluss oder dergleichen genau angeordnet sind.
  • STAND DER TECHNIK
    • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2010-287 726 A
    • Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2015-41 716 A
    • Patentdokument 3: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 8-12 5115 A
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Allerdings ist der Steuersignalanschluss sowohl in der Japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2015-41 716 A (Patentdokument 2) als auch in der Japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 8-12 5115 A (Patentdokument 3) nicht direkt mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden. Mit anderen Worten sind in den obigen Publikationen der Steuersignalanschluss und die Leiterplatte an einer Stelle außerhalb des Leistungshalbleiterelements in der Draufsicht elektrisch miteinander verbunden. Im Vergleich zu dem Fall, dass beispielsweise der Steuersignalanschluss mit dem Leistungshalbleiterelement so verbunden ist, dass er sich mit diesem überlappt, ist die Grundfläche also etwas größer.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der oben genannten Probleme gemacht und ihr Ziel ist es, eine Halbleiteranordnung bereitzustellen, die mit einer Leiterplatte versehen ist, bei der eine Vergrößerung ihrer Grundfläche verhindert wird, und ein Leistungswandlergerät einschließlich der Halbleiteranordnung aufzuzeigen.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Die Halbleiteranordnung nach der vorliegenden Erfindung weist eine Leiterplatte, ein Leistungshalbleiterelement, einen Isolierblock, einen Steuersignalanschluss, einen ersten Hauptanschluss und einen zweiten Hauptanschluss auf. Das Leistungshalbleiterelement ist mit einer Hauptfläche der Leiterplatte verbunden. Der Isolierblock ist um das Leistungshalbleiterelement herum angeordnet und wird mit einer Öffnung direkt über dem Leistungshalbleiterelement gebildet. Der Steuersignalanschluss wird in den Isolierblock gesteckt und damit am Isolierblock befestigt/gebondet. Der Steuersignalanschluss weist einen gebogenen Bereich auf, der teilweise über das Leistungshalbleiterelement hinaus aus dem Isolierblock ragt und mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden ist. Der erste Hauptanschluss ist mit dem gleichen Leistungshalbleiterelement verbunden wie das Leistungshalbleiterelement, an das der Steuersignalanschluss angeschlossen ist. Der zweite Hauptanschluss wird mit der Leiterplatte verbunden/gebondet.
  • Effekt der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind der Steuersignalanschluss und der erste Hauptanschluss direkt mit dem gleichen Leistungshalbleiterelement verbunden/gebondet. So ist es im Vergleich zu dem Fall, dass beispielsweise der Steuersignalanschluss außerhalb des Leistungshalbleiterelements angeordnet und über einen Bonddraht mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden ist, möglich, den Platzbedarf (in der Draufsicht) zu reduzieren, was eine weitere Verkleinerung der Halbleiteranordnung ermöglicht.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Draufsicht, die die Konfiguration eines Leistungsmoduls nach einer ersten Ausführungsform darstellt;
    • 2 ist ein schematischer Querschnitt, der die Konfiguration eines Bereiches entlang der Linie II-II in 1 darstellt;
    • 3 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration eines Leistungsmoduls nach einem ersten Beispiel einer zweiten Ausführungsform und entsprechend 2 der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
    • 4 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration eines Leistungsmoduls nach einem zweiten Beispiel der zweiten Ausführungsform und entsprechend 2 der ersten Ausführungsform darstellt;
    • 5 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einer dritten Ausführungsform und gemäß 2 der ersten Ausführungsform veranschaulicht; und
    • 6 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines mit einem Leistungswandlergerät ausgestatteten Energieumwandlungssystems nach einer vierten Ausführungsform veranschaulicht.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Ausführungsform 1
  • Zunächst wird ein Leistungsmodul als Halbleiteranordnung der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. 1 ist eine Draufsicht, die schematisch die Konfiguration des Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform darstellt, und 2 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration des Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform schematisch darstellt.
  • Gemäß 1 und 2 weist ein Leistungsmodul 101, das als Halbleiteranordnung der vorliegenden Ausführungsform dient, eine Leiterplatte 1, ein Leistungshalbleiterelement 3, einen Isolierblock 5, einen Steuersignalanschluss 7 und einen Hauptanschluss 9 auf.
  • Die Leiterplatte 1 ist ein tafelförmiges Element, das als Basis für das gesamte Leistungsmodul 101 dient. Die Leiterplatte 1 weist ein Isolierelement 1a, ein Schaltungsmuster 1b und eine Metallschicht 1c auf.
  • Das Isolierelement 1a zum Beispiel ist ein tafelförmiges Substrat aus Keramik und hat in der Draufsicht eine z.B. rechteckige Form. Das keramische Material ist vorzugsweise eines aus der Gruppe bestehend aus beispielsweise Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Isolierelement 1a besteht nicht unbedingt aus keramischem Material, sondern kann beispielsweise aus einem organischen Material bestehen, das mit einem keramischen Füllstoff gefüllt ist. Das organische Material ist vorzugsweise eines aus der Gruppe bestehend aus z.B. Epoxidharz, Polyimidharz und Cyanatharz, und der keramische Füllstoff ist vorzugsweise eines aus der Gruppe bestehend aus z.B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Bornitrid.
  • Das Schaltungsmuster 1b ist so ausgebildet, dass es mindestens einen Bereich einer Hauptfläche des Isolierelementes 1a abdeckt, das auf der Oberseite (die dem Leistungshalbleiterelement 3 zugewandte Seite) in 2 vorgesehen ist. Vorzugsweise hat das Schaltungsmuster 1b z.B. in der Draufsicht ein oder mehrere rechteckige Muster. Die Metallschicht 1c ist so ausgebildet, dass sie mindestens einen Bereich der anderen Hauptfläche des Isolierelementes 1a abdeckt, das auf der Unterseite (der dem Leistungshalbleiterelement 3 gegenüberliegenden Seite) in 2 vorgesehen ist. Vorzugsweise hat die Metallschicht 1c z.B. in der Draufsicht ein oder mehrere rechteckige Muster.
  • Das Schaltungsmuster 1b und die Metallschicht 1c bestehen beispielsweise aus einer dünnen Schicht Kupfer, aber das Material des Schaltungsmusters 1b und der Metallschicht 1c ist nicht auf Kupfer beschränkt. Das Material, aus dem das Schaltungsmuster 1b und die Metallschicht 1c bestehen, kann jedes beliebige Material sein, das durch ein direktes Verbindungs-/Bondverfahren oder ein aktives Metallbindungs-/Bondverfahren mit dem Isolierelement 1a verbunden werden kann. Insbesondere ist das Material für das Schaltungsmuster 1b und die Metallschicht 1c vorzugsweise ein Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich das direkte Verbindungs-/Bondverfahren auf ein Verfahren dahingehend, dass das Isolierelement 1a und das Schaltungsmuster 1b oder das Isolierelement 1a und die Metallschicht 1c durch eine direkte Reaktion verbunden werden. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich das aktive Metallbindungs-/Bondverfahren auf ein solches Verfahren, dass das Isolierelement 1a und das Schaltungsmuster 1b oder das Isolierelement 1a und die Metallschicht 1c unter Verwendung eines Lötmaterials verbunden werden, dem ein aktives Metall wie Titan oder Zirkonium zugesetzt wird.
  • Das Leistungshalbleiterelement 3 beispielsweise ist in der Draufsicht als rechteckiger Halbleiterchip ausgebildet. Das Leistungshalbleiterelement 3 ist vorzugsweise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), eine FWD (Free Wheel Diode), ein MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder dergleichen. Das Leistungshalbleiterelement 3 ist jedoch nicht auf die oben genannten beschränkt. In den 1 und 2 ist das Leistungshalbleiterelement 3 als zwei mit einem Zwischenraum getrennte Leistungshalbleiterelemente 3a und 3b ausgebildet, wobei die Anzahl der Leistungshalbleiterelemente nicht auf zwei beschränkt ist. Das Leistungshalbleiterelement 3, d.h. die beiden Leistungshalbleiterelemente 3a und 3b, sind in 2 mit mindestens einem Bereich einer Hauptfläche der Leiterplatte 1, d.h. der Hauptfläche auf der Oberseite (der dem Leistungshalbleiterelement 3 zugewandten Seite) verbunden. Insbesondere ist das Leistungshalbleiterelement 3a über ein Elemente-Verbindungsmaterial 3ag mit einem Bereich der oberen Hauptfläche des Schaltungsmusters 1b der Leiterplatte 1 verbunden. Ebenso ist das Leistungshalbleiterelement 3b über ein Elemente-Verbindungs-/Bondmaterial 3bg mit einem Bereich der oberen Hauptfläche des Schaltungsmusters 1b der Leiterplatte 1 verbunden.
  • Die Elemente-Verbindungsmaterialien 3ag und 3bg sind zwischen den Rückseitenelektroden (nicht dargestellt) der Leistungshalbleiterelemente 3a, 3b und dem Schaltungsmusters 1b vorgesehen, um die Rückseitenelektroden der Leistungshalbleiterelemente 3a und 3b mit dem Schaltungsmuster 1b zu verbinden. Das Elementen-Verbindungsmaterial 3ag oder 3bg ist ein Hochtemperaturlot, das beispielsweise Blei und Zinn enthält. Das Elemente-Verbindungsmaterial 3ag oder 3bg ist jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann eine Silber-Nanopartikelpaste oder ein leitfähiges Haftmittel mit Silberpartikeln und Epoxidharz als Elemente-Verbindungsmaterial 3ag oder 3bg verwendet werden.
  • Eine Hauptfläche, d.h. die obere Hauptfläche des Leistungshalbleiterelements 3a, ist mit einem Steuersignalpad 3p und einem Hauptelektrodenpad 3ap und eine Hauptfläche, d.h. die obere Hauptfläche des Leistungshalbleiterelements 3b ist mit einem Hauptelektrodenpad 3bp ausgebildet. Das auf der Hauptfläche jedes der Leistungshalbleiterelemente 3a, 3b vorgesehene Pad ist jedoch nicht auf die oben genannten beschränkt. Sowohl das Steuersignalpad 3p als auch das Hauptelektrodenpad 3ap oder 3bp können auf der Oberfläche jedes der Leistungshalbleiterelemente 3a und 3b vorgesehen werden, aber es ist akzeptabel, dass darauf nur das Steuersignalpad 3p oder nur das Hauptelektrodenpad 3ap oder 3bp gebildet wird. So sind beispielsweise sowohl das Steuersignalpad 3p als auch das Hauptelektrodenpad 3ap auf dem Leistungshalbleiterelement 3a in 2 vorgesehen, aber nur das Hauptelektrodenpad 3bp ist auf dem Leistungshalbleiterelement 3b in 2 vorgesehen. In der Draufsicht von 1 werden drei Steuersignalpads 3p mit einem dazwischen liegenden Zwischenraum gebildet, wobei die Anzahl der Steuersignalpads 3p nicht auf drei begrenzt ist.
  • Unter dem Gesichtspunkt der Aufrechterhaltung exzellenter elektrischer und mechanischer Eigenschaften ist es vorzuziehen, dass das Steuersignalpad 3p und die Hauptelektrodenpads 3ap und 3bp aus einem beliebigen Metall oder einer Legierung bestehen, die zwei oder mehr Metalle enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Kupfer, Silber, Nickel und Gold.
  • Der Isolierblock 5 ist in der Draufsicht von 1 um das Leistungshalbleiterelement 3 herum angeordnet und wird beispielsweise rechteckig so geformt, dass er das Leistungshalbleiterelement 3 umgibt. Konkret wird der Isolierblock 5 mit einer Öffnung 5c direkt über den Leistungshalbleiterelementen 3a und 3b gebildet. Mit anderen Worten ist der Isolierblock 5 in der Draufsicht von 1 um das Leistungshalbleiterelement 3 herum, aber nicht direkt über dem Leistungshalbleiterelement 3 angeordnet. Der Isolierblock 5 ist in Draufsicht mit einem relativ äußeren Bereich auf der Oberseite des Schaltungsmusters 1b durch ein nicht in 2 dargestelltes Klebematerial verbunden. So bilden die obere Hauptfläche des Schaltungsmusters 1b und der rechteckige Rahmen des Isolierblocks 5 ein Gehäuse, und das Leistungshalbleiterelement 3 und dergleichen sind im Gehäuse untergebracht. Der Isolierblock 5 ist jedoch nicht auf die oben genannte Konfiguration beschränkt. So kann beispielsweise der Isolierblock 5 mit der Oberfläche eines Kühlkörpers 13 verbunden sein, der später beschrieben wird.
  • Vorzugsweise besteht der Isolierblock 5 aus einem spritzgießfähigen Isoliermaterial mit hoher Hitzebeständigkeit. Insbesondere wird das Material des Isolierblocks 5 vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt, die beispielsweise aus Polyphenylensulfid, Polybutylenterephthalat, Flüssigkristall- und Fluorharz besteht. Der Isolierblock 5 und das Schaltungsmuster 1b bilden das Gehäuse für das gesamte Leistungsmodul 101.
  • Wie in 2 dargestellt, ist der Steuersignalanschluss 7 in den Isolierblock 5 eingesetzt. Dadurch ist der Steuersignalanschluss 7 am Isolierblock 5 befestigt. Der Steuersignalanschluss 7 weist einen Bereich auf, der sich in horizontaler Richtung, also in linker und rechter Richtung in 2 erstreckt, und einen Bereich, der sich in vertikaler Richtung, also in Auf- und Abrichtung in 2, erstreckt. Der Steuersignalanschluss 7 weist einen gebogenen Bereich 7t an der Grenze zwischen dem in horizontaler Richtung verlaufenden Bereich und dem in vertikaler Richtung verlaufenden Bereich auf. Der in horizontaler Richtung aus dem gebogenen Bereich 7t verlaufende Bereich des Steuersignalanschlusses 7t ragt teilweise aus dem Isolierblock 5 heraus. Aus einem anderen Blickwinkel ragt der gebogener Bereich 7t teilweise aus dem Isolierblock 5 über dem Leistungshalbleiterelement 3 heraus. Ein Bereich des Steuersignalanschlusses 7, der aus dem Isolierblock 5 herausragt, ist mit dem Leistungshalbleiterelement 3a verbunden. Konkret ist der Steuersignalanschluss 7 mit dem Steuersignalpad 3p beispielsweise über ein Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g verbunden, das auf einer Hauptfläche des Leistungshalbleiterelements 3a vorgesehen ist. Mit anderen Worten, der Steuersignalanschluss 7 und das Steuersignalpad 3p sind über ein Verbindungsmaterial, d.h. das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g, miteinander verbunden. Darüber hinaus ragt der in vertikaler Richtung verlaufende Bereich des Steuersignalanschlusses 7 teilweise am oberen Ende aus dem Isolierblock 5 freigelegt heraus.
  • In der Draufsicht von 1 ist die Breite des Steuersignalanschlusses 7 schmaler als die Breite des Steuersignalpads 3p in vertikaler Richtung in 1, dies ist aber nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise die Breite des Steuersignalanschlusses 7 gleich der Breite des Steuersignalpads 3p in vertikaler Richtung in 1 sein, oder die Breite des Steuersignalanschlusses 7 kann größer sein als die Breite des Steuersignalpads 3p. In der Draufsicht von 1 werden drei Steuersignalanschlüsse 7 mit einem dazwischen liegenden Zwischenraum gebildet, wobei die Anzahl der Steuersignalanschlüsse 7 nicht auf drei begrenzt ist.
  • Der Hauptanschluss 9 weist einen ersten Hauptanschluss 9a und einen zweiten Hauptanschluss 9b auf. Der erste Hauptanschluss 9a ist mit dem Hauptelektrodenpad 3ap auf der Oberseite des Leistungshalbleiterelements 3a und dem Hauptelektrodenpad 3bp auf der Oberseite des Leistungshalbleiterelements 3a, 3b über ein erstes Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9ag bzw. ein zweites Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9bg auf der Unterseite des ersten Hauptanschlusses 9a verbunden. Mit anderen Worten ist der erste Hauptanschluss 9a an das gleiche Leistungshalbleiterelement 3a gebondet wie das Leistungshalbleiterelement 3a, an das der Steuersignalanschluss 7 gebondet ist. Weiterhin ist der erste Hauptanschluss 9a mit dem Leistungshalbleiterelement 3b über das zweite Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9bg verbunden. Mit anderen Worten, der erste Hauptanschluss 9a ist sowohl mit dem Hauptelektrodenpad 3ap des Leistungshalbleiterelements 3a als auch mit dem Hauptelektrodenpad 3bp des Leistungshalbleiterelements 3b verbunden.
  • Ähnlich wie beispielsweise der Steuersignalanschluss 7 weist der erste Hauptanschluss 9a einen Bereich auf, der sich in horizontaler Richtung, also in linker und rechter Richtung, in 2 erstreckt, und einen Bereich, der sich in vertikaler Richtung, also in Auf- und Abrichtung in 2, erstreckt. Der erste Hauptanschluss 9a weist einen gebogenen Bereich an der Grenze zwischen dem in horizontaler Richtung verlaufenden Bereich und dem in vertikaler Richtung verlaufenden Bereich auf. Der sich in horizontaler Richtung vom gebogenen Bereich erstreckende Bereich ist sowohl mit dem Hauptelektrodenpad 3ap des Leistungshalbleiterelements 3a als auch mit dem Hauptelektrodenpad 3bp des Leistungshalbleiterelements 3b verbunden. Daher ist der in horizontaler Richtung des ersten Hauptanschlusses 9a verlaufende Bereich länger als der des zweiten Hauptanschlusses 9b und des Steuersignalanschlusses 7. In 2 ist der gebogene Bereich des ersten Hauptanschlusses 9a mit dem Leistungshalbleiterelement 3b verbunden, ist aber nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise der gebogene Bereich des ersten Hauptanschlusses 9a mit dem Leistungshalbleiterelement 3a verbunden sein.
  • Mit anderen Worten ist in zwei der Leistungshalbleiterelemente 3 das Leistungshalbleiterelement 3a sowohl an den Steuersignalanschluss 7 als auch an den ersten Hauptanschluss 9a gebondet, während das Leistungshalbleiterelement 3b nur an den ersten Hauptanschluss 9a gebondet ist.
  • Nun ist der zweite Hauptanschluss 9b mit einem Bereich der oberen Hauptfläche des Schaltungsmusters 1b über ein drittes Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9cg verbunden. Ähnlich wie beim Steuersignalanschluss 7 ist der zweite Hauptanschluss 9b in den Isolierblock 5 eingesetzt und damit am Isolierblock 5 befestigt. Der zweite Hauptanschluss 9b weist einen Bereich auf, der sich in horizontaler Richtung erstreckt, d.h. in 2 in linker und rechter Richtung, und einen Bereich, der sich in vertikaler Richtung erstreckt, d.h. in 2 in Auf- und Abrichtung. Der zweite Hauptanschluss 9b weist einen gebogenen Bereich an der Grenze zwischen dem in horizontaler Richtung verlaufenden Bereich und dem in vertikaler Richtung verlaufenden Bereich auf. Der in horizontaler Richtung aus dem gebogenen Bereich verlaufende Bereich des zweiten Hauptanschlusses 9b ragt teilweise aus dem Isolierblock 5 heraus. Der aus dem Isolierblock 5 herausstehende Bereich des Steuersignalanschlusses 7 ist über das dritte Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9cg mit dem Schaltungsmuster 1b verbunden. Darüber hinaus ragt der in vertikaler Richtung verlaufende Bereich des zweiten Hauptanschlusses 9b teilweise am oberen Ende aus dem Isolierblock 5 frei heraus.
  • Vorzugsweise bestehen der Steuersignalanschluss 7, der erste Hauptanschluss 9a und der zweite Hauptanschluss 9b aus einem Material mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit wie Kupfer, Aluminium oder einer Legierung, die mindestens eines von Kupfer und Aluminium enthält. Das Material für den Steuersignalanschluss 7, den ersten Hauptanschluss 9a und den zweiten Hauptanschluss 9b ist jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Darüber wird bevorzugt, dass das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g, das erste Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9ag, das zweite Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9bg und das dritte Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9cg ein Hochtemperaturlot sind, das beispielsweise Blei und Zinn enthält. Allerdings sind das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g, das erste Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9ag, das zweite Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9bg und das dritte Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9cg nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann eine Silber-Nanopartikelpaste oder ein leitfähiges Haftmittel mit Silberpartikeln und Epoxidharz als Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g, erstes Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9ag, zweites Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9bg und drittes Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9cg verwendet werden.
  • Darüber hinaus sind, wie in der Draufsicht von 1 dargestellt, der erste Hauptanschluss 9a und der zweite Hauptanschluss 9b jeweils als tafelförmiges Leitungselement ausgebildet. Die Form des ersten Hauptanschlusses 9a und des zweiten Hauptanschlusses 9b darf jedoch auch nicht-tafelförmig sein.
  • Der erste Hauptanschluss 9a und der zweite Hauptanschluss 9b können beispielsweise über einen Draht aus einer Aluminiumlegierung mit den Leistungshalbleiterelementen 3a, 3b oder dergleichen verbunden werden. In diesem Fall müssen das erste Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9ag, das zweite Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9bg und das dritte Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9cg nicht auf den Hauptelektrodenpads 3ap, 3bp und dem Schaltungsmuster 1b vorgesehen werden. In den 1 und 2 ist gezeigt, dass der zweite Hauptanschluss 9b in den Isolierblock 5 eingesetzt und damit an diesem befestigt ist. Aber dies ist nicht einschränkend gemeint.
  • Das Schaltungsmuster 1b, das Leistungshalbleiterelement 3, der in horizontaler Richtung verlaufende Bereich des Steuersignalanschlusses 7, der in horizontaler Richtung verlaufende Bereich des ersten Hauptanschlusses 9a, der in horizontaler Richtung verlaufende Bereich des zweiten Hauptanschlusses 9b und dergleichen sind mit einem Dichtungsharz 11 versiegelt. Mit anderen Worten ist das Dichtungsharz 11 so angeordnet, dass es das Innere des Gehäuses, bestehend aus dem Isolierblock 5 und dem Schaltungsmuster 1b, ausfüllt. So werden der in den Isolierblock 5 eingesetzte und sich in horizontaler Richtung erstreckende Bereich des Steuersignalanschlusses 7, der in den Isolierblock 5 eingesetzte und sich in horizontaler Richtung erstreckende Bereich des zweiten Hauptanschlusses 9b und der in horizontaler Richtung erstreckende Bereich des ersten Hauptanschlusses 9a mit dem Dichtungsharz 11 abgedeckt. Ein Bereich des Bereichs, der sich in vertikaler Richtung des ersten Hauptanschlusses 9a erstreckt, d.h. ein Bereich, der relativ nah am gebogener Bereich liegt, ist ebenfalls mit dem Dichtungsharz 11 abgedeckt.
  • Andererseits ist beispielsweise der andere Bereich des Bereichs, der sich in vertikaler Richtung des ersten Hauptanschlusses 9a erstreckt, d.h. das vom gebogenen Bereich entfernte obere Ende aus dem Dichtungsharz 11 freigelegt. Ebenso sind das obere Ende des in vertikaler Richtung verlaufenden Bereichs des Steuersignalanschlusses 7 und das obere Ende des in vertikaler Richtung verlaufenden Bereichs des zweiten Hauptanschlusses 9b, die aus dem Isolierblock 5 herausragend freiliegen, vom Dichtungsharz 11 frei.
  • Das Dichtungsharz 11 besteht zum Beispiel aus Silikonharz, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Dichtungsharz 11 kann ein oder mehrere aus der Gruppe sein, bestehend zum Beispiel aus einem Urethanharz, einem Epoxidharz, einem Polyimidharz, einem Polyamidharz, einem Polyamidimidharz, einem Polyamidimidharz, einem Acrylharz und einem Gummimaterial. Das Dichtungsharz 11 kann durch Mischen einer Vielzahl von Harzmaterialien gebildet werden oder zum Beispiel durch Aufbringen eines Epoxidharzes auf ein gelartiges Silikonharz.
  • In 2 ist das Dichtungsharz 11 so angeordnet, dass es das Innere des aus dem Isolierblock 5 und dem Schaltungsmuster 1b gebildeten Gehäuses ausfüllt, jedoch ist dies nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise das Dichtungsharz 11 so angeordnet werden, dass es nicht nur das Innere des Gehäuses ausfüllt, sondern auch die Außenseite des Gehäuses abdeckt. In diesem Fall ist es notwendig, ein Gehäuse (nicht dargestellt) oder dergleichen für den Kühlkörper 13 oder dergleichen vorzusehen, der später beschrieben werden soll, und das Gehäuse mit dem Dichtungsharz 11 zu füllen.
  • Im Leistungsmodul 101 ist der Kühlkörper 13 über ein Metallschicht-Verbindungsmaterial 1g mit der unteren Hauptfläche der Leiterplatte 1, insbesondere der Metallschicht 1c, verbunden. Wenn das Isolierelement 1a jedoch aus einem mit einem keramischen Füllstoff gefüllten organischen Material gebildet ist und der keramische Füllstoff aus der Gruppe Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Bornitrid ausgewählt ist, sind die Metallschicht 1c und das Metallschicht-Verbindungsmaterial 1g nicht erforderlich. Mit anderen Worten kann das Isolierelement 1a direkt auf dem Kühlkörper 13 angeordnet werden.
  • Der Kühlkörper 13 strahlt die beim Betrieb des Leistungsmoduls 101 entstehende Wärme nach außen ab. Daher wird der Kühlkörper 13 vorzugsweise aus einem Material mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Konkret kann das Material für den Kühlkörper 13 beispielsweise eine Legierung mit Aluminium oder Kupfer als Hauptbestandteil oder ein Verbundwerkstoff aus Siliziumkarbid und Aluminium (Al-SiC) sein. Das Material für den Kühlkörper 13 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, ist es wünschenswert, dass im Kühlkörper 13 ein Kühlmittelströmungspfad zur Förderung des Wärmeaustauschs ausgebildet ist.
  • Das Metallschicht-Verbindungsmaterial 1g ist vorzugsweise ein Hochtemperaturlot, das beispielsweise Blei und Zinn enthält. Das Metallschicht-Verbindungsmaterial 1g ist jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere können beispielsweise eine Silber-Nanopartikelpaste oder ein leitfähiges Klebemittel mit Silberpartikeln und einem Epoxidharz als Metallschicht-Verbindungsmaterial 1g verwendet werden.
  • Im Folgenden werden die Auswirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist der Steuersignalanschluss 7 so angeordnet, dass er sich teilweise mit dem Leistungshalbleiterelement 3a überlappt, an das der erste Hauptanschluss 9a gebondet ist, und der Steuersignalanschluss 7 ist direkt mit dem Leistungshalbleiterelement 3a über das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g verbunden. Im Vergleich zu dem Fall, dass beispielsweise der Steuersignalanschluss 7 in Draufsicht außerhalb des Leistungshalbleiterelements 3a angeordnet ist und der Steuersignalanschluss 7 über einen Bonddraht mit dem Leistungshalbleiterelement 3a verbunden ist, ist es daher möglich, Platz zu sparen. Insbesondere schließt der Raum in der vorliegenden Beschreibung einen Raum ein, der benötigt wird, um den Steuersignalanschluss 7 direkt mit z.B. der Leiterplatte 1 außerhalb des Leistungshalbleiterelements 3a zu verbinden, und einen Raum, der benötigt wird, um den Steuersignalanschluss 7 und das Leistungshalbleiterelement 3a über Drahtbonden zu verbinden. Daher ist es nach der vorliegenden Ausführungsform möglich, das Leistungsmodul 101 weiter zu verkleinern. Weiterhin ist es im Vergleich zu dem Fall, dass der Steuersignalanschluss 7 und das Leistungshalbleiterelement 3a über einen Bonddraht verbunden sind, möglich, die Drahttrennung durch Vibrationen und thermische Ermüdung zu verhindern.
  • Im Leistungsmodul 101 wird der Steuersignalanschluss 7 in den Isolierblock 5 eingesetzt und damit an diesem befestigt. Der Bereich des Steuersignalanschlusses 7, der teilweise in horizontaler Richtung aus dem Isolierblock 5 herausragt, einschließlich des gebogenen Bereichs, ist über den Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g mit dem Steuersignalpad 3p verbunden. Da der Steuersignalanschluss 7 den in horizontaler Richtung verlaufenden Bereich hat, kann sein Spitzenabschnitt direkt über dem Steuersignalpad 3p angeordnet werden. Dadurch werden, wie vorstehend beschrieben, der Steuersignalanschluss 7 und das Leistungshalbleiterelement 3a über das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g verbunden. Daher ist es, wie vorstehend beschrieben, im Vergleich zu dem Fall, dass der Steuersignalanschluss 7 und das Leistungshalbleiterelement 3a über einen Bonddraht verbunden sind, möglich, die Drahttrennung durch Vibration und thermische Ermüdung zu verhindern, und es ist möglich, den Platz für Drahtbonden o.ä. zu sparen, um das Leistungsmodul weiter zu verkleinern.
  • Darüber hinaus hat die vorliegende Ausführungsform auch folgende Auswirkungen. Wenn beispielsweise der Isolierblock 5 nicht mit der Öffnung 5c gebildet wird und damit das Leistungshalbleiterelement 3 vollständig durch den Isolierblock 5 abgedeckt ist, ist es unmöglich, den Übergang zwischen dem Steuersignalpad 3p und dem Steuersignalanschluss 7 von der Außenseite des Leistungsmoduls 101 zu inspizieren.
  • Daher ist es schwierig, die Qualität der Verbindung zwischen dem Steuersignalpad 3p und dem Steuersignalanschluss 7 von außen durch visuelle Beobachtung zu beurteilen. Wenn das Steuersignalpad 3p und der Steuersignalanschluss 7 mit einem Bindematerial wie beispielsweise Lot gebondet sind, können sie aufgrund der Positionsabweichung zwischen dem Steuersignalpad 3p und dem Steuersignalanschluss 7 nicht ausreichend verbunden werden, was zu einem fehlerhaften Produkt führt. Wenn die Verbindungsqualität zwischen dem Steuersignalpad 3p und dem Steuersignalanschluss 7 nicht von außen durch visuelle Beobachtung bewertet werden kann, kann ein defektes Produkt ausgeliefert werden. Um den Versand eines fehlerhaften Produkts zu verhindern, ist es erforderlich, die Verbindungsqualität zwischen dem Steuersignalpad 3p und dem Steuersignalanschluss 7 durch die zerstörungsfreie Prüfung oder die elektrische Eigenschaftsprüfung zu überprüfen, was die Herstellungskosten erhöht.
  • Daher ist in der vorliegenden Ausführungsform der Isolierblock 5 so angeordnet, dass er das Leistungshalbleiterelement 3 umschließt, und das Leistungshalbleiterelement 3 wird nicht durch den Isolierblock 5 abgedeckt, sondern mit dem Dichtungsharz 11 abgedichtet. Somit kann die Qualität der Verbindung zwischen dem Steuersignalpad 3p und dem Steuersignalanschluss 7 von außen durch visuelle Beobachtung bewertet werden. Im Vergleich zu dem Fall, dass die Bewertung durch Durchführung einer zerstörungsfreien Prüfung oder einer elektrischen Eigenschaftsprüfung erfolgt, ist es möglich, eine Erhöhung der Herstellungskosten des Leistungsmoduls 101 zu verhindern.
  • Darüber hinaus hat die vorliegende Ausführungsform auch folgende Auswirkungen. Im Leistungsmodul 101 der vorliegenden Ausführungsform ist der zweite Hauptanschluss 9b über das dritte Hauptanschluss-Verbindungsmaterial 9cg mit dem Schaltungsmuster 1b der Leiterplatte 1 verbunden. Im Vergleich zu dem Fall, dass der zweite Hauptanschluss 9b über einen Bonddraht mit der Leiterplatte 1 verbunden ist, ist es daher möglich, die Drahttrennung durch Vibration und thermische Ermüdung zu verhindern.
  • Ausführungsform 2
  • 3 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration eines Leistungsmoduls nach einem ersten Beispiel der zweiten Ausführungsform darstellt. Unter Bezugnahme auf 3 hat ein Leistungsmodul 201, das als Halbleiteranordnung nach dem ersten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform dient, im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie das Leistungsmodul 101 der ersten Ausführungsform, so dass dieselben Elemente durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet werden und ihre Beschreibung nicht wiederholt wird. Das Leistungsmodul 201 nach der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich jedoch vom Leistungsmodul 101 dadurch, dass der Steuersignalanschluss 7 direkt mit der Oberfläche des Steuersignalpads 3p verbunden ist, ohne das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g zu verwenden. Weiterhin ist im Leistungsmodul 201 eine Aussparung cc1 auf einem Bereich der Oberfläche vorgesehen, insbesondere auf einem Bereich der Oberseite eines Bereichs des Steuersignalanschlusses 7, der sich in horizontaler Richtung erstreckt und aus dem Isolierblock 5 herausragt.
  • Im Leistungsmodul 201 wird der Steuersignalanschluss 7 im Ultraschall-Bondverfahren mit dem Steuersignalpad 3p verbunden. Im Allgemeinen wird beim Ultraschallbonden ein Bondwerkzeug verwendet, um Ultraschallschwingung am Steuersignalanschluss 7 anzulegen, während das Leitungselement also der Steuersignalanschluss 7 von oben angedrückt wird, um den Steuersignalanschluss 7 mit dem Steuersignalpad 3p zu verbinden. Daher wird beim Aufbringen der Ultraschallschwingung durch das Bondwerkzeug auf der Oberseite des horizontalen Bereichs des Steuersignalanschlusses 7 eine Vertiefung gebildet. Dadurch wird die Aussparung cc1 auf der Oberseite des Steuersignalanschlusses 7 gebildet.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird im Leistungsmodul 201 von 3 die Aussparung cc1 auf der Oberseite des horizontalen Bereichs des Steuersignalanschlusses 7 gebildet, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. 4 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration eines Leistungsmoduls nach einem zweiten Beispiel der zweiten Ausführungsform darstellt. Unter Bezugnahme auf 4 hat ein Leistungsmodul 202, das als Halbleiteranordnung nach dem ersten Beispiel der vorliegenden Ausführungsform dient, im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie das Leistungsmodul 201, mit der Ausnahme, dass das Leistungsmodul 202 nicht mit der Aussparung cc1 auf der Oberseite des horizontalen Bereichs gebildet wird, und somit die Oberseite eine ebene Fläche ist.
  • Wie im Leistungsmodul 202 von 4 dargestellt, können der Steuersignalanschluss 7 und das Steuersignalpad 3p nach Möglichkeit direkt im Ultraschallbondverfahren miteinander verbunden werden, ohne dass die Aussparung cc1 auf der Oberseite des horizontalen Bereichs des Steuersignalanschlusses 7 gebildet wird. In diesem Fall ist es einfach zu bestimmen, ob der Steuersignalanschluss 7 und das Steuersignalpad 3p durch das Ultraschallbondverfahren direkt miteinander verbunden sind, indem man die freiliegende Verbindung visuell beobachtet, indem man beispielsweise das Dichtungsharz 11 eines Produktes von außen entfernt.
  • Im Folgenden werden die Auswirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Im Leistungsmodul 201 oder 202 der vorliegenden Ausführungsform wird der Steuersignalanschluss 7 durch ein Ultraschallbondverfahren direkt mit der Oberfläche des Steuersignalpads 3p verbunden. Im Vergleich zu dem Fall, dass der Steuersignalanschluss 7 über das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g wie im Leistungsmodul 101 nach der ersten Ausführungsform mit dem Steuersignalpad 3p verbunden wird, ist es daher möglich, die Stärke der Verbindung zwischen dem Steuersignalanschluss 7 und dem Steuersignalpad 3p zu erhöhen, was es ermöglicht, die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen dem Steuersignalanschluss 7 und dem Steuersignalpad 3p zu verbessern.
  • Ausführungsform 3
  • 5 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration eines Leistungsmoduls gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt. Unter Bezugnahme auf 5 hat ein Leistungsmodul 301, das als Halbleiteranordnung des ersten Beispiels der vorliegenden Ausführungsform dient, im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie das Leistungsmodul 101 der ersten Ausführungsform, so dass dieselben Elemente durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet werden und ihre Beschreibung nicht wiederholt wird. Im Leistungsmodul 301 der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch ein Bereich des Steuersignalanschlusses 7, der sich in horizontaler Richtung erstreckt und aus dem Isolierblock 5 herausragt, mit einer Aussparung cc2 auf einem Bereich seiner Oberfläche, insbesondere auf einem Bereich der Unterseite (der der Leiterplatte 1 zugewandten Oberfläche) gebildet. Daher kann das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g zwischen dem in horizontaler Richtung verlaufenden Bereich des Steuersignalanschlusses 7 und dem Steuersignalpad 3p so angeordnet werden, dass ein Bereich des Bindemittels in die Aussparung cc2 eingepasst ist. Mit anderen Worten wird im Leistungsmodul 301 das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g so in die Aussparung cc2 eingepasst, dass ein Bereich der Oberfläche des Bindemittels die Innenwandfläche der Aussparung berührt.
  • Das Maß der Aussparung cc2 wird frei bestimmt nach dem Maß des Steuersignalanschlusses 7, dem Maß des Steuersignalpads 3p und dem Maß des Steueranschluss-Verbindungsmaterials 7g, und zwar in Draufsicht vorzugsweise mit 300µm in vertikaler Richtung und 400µm in horizontaler Richtung. Mit anderen Worten, die Aussparung cc2 misst vorzugsweise etwa 300 µm oder mehr in vertikaler Richtung und etwa 400 µm oder weniger und in horizontaler Richtung.
  • Im Gegensatz zur Aussparung cc1 wird die Aussparung cc2 nicht im Ultraschallbondverfahren gebildet, sondern vor dem Schritt des Bondens des Steuersignalanschlusses 7 und des Steuersignalpads 3p.
  • Als nächstes werden die Auswirkungen der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Im Leistungsmodul 301 der vorliegenden Ausführungsform werden die Position des Steuersignalanschlusses 7 durch die Aussparung cc2 und das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g bestimmt. Denn wenn das Steueranschluss-Verbindungsmaterial 7g in die Aussparung cc2 so eingepasst wird, dass ein Bereich der Oberfläche des Bindemittels die Innenwandfläche der Aussparung berührt, wird die Position des Steueranschluss-Verbindungsmaterials 7g gegenüber der Aussparung cc2 bestimmt. Dadurch ist es möglich, Schwankungen in der Bondposition zwischen dem Steuersignalanschluss 7 und dem Steuersignalpad 3p zu verhindern.
  • Ausführungsform 4
  • Die vorliegende Ausführungsform bezieht sich auf ein Leistungswandlergerät, das mit der Halbleiteranordnung gemäß den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen ausgestattet ist. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf ein bestimmtes Leistungswandlergerät beschränkt ist, wird im Folgenden ein dreiphasiger Wechselrichter als vorliegende Erfindung nach einer vierten Ausführungsform bezeichnet.
  • 6 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines mit dem Leistungswandlergerät ausgestatteten Leistungswandlers nach der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht.
  • Das in 6 dargestellte Energiewandlungssystem weist eine Stromquelle 1000, ein Leistungswandlergerät 2000 und eine Last 3000 auf. Die Stromquelle 1000 ist eine Gleichstromquelle, die konfiguriert ist, um das Leistungswandlergerät 2000 mit Gleichstrom zu versorgen. Die Stromquelle 1000 kann auf verschiedene Weise gebildet werden, z.B. durch ein Gleichstromsystem, eine Photovoltaikbatterie und eine Speicherbatterie, oder durch eine Gleichrichterschaltung oder einen an ein Wechselstromsystem angeschlossenen AC/DC-Wandler. Weiterhin kann die Stromquelle 1000 einen DC/DC-Wandler aufweisen, der die von einem Gleichstromsystem gelieferte Gleichspannung in eine vorgegebene Leistung umwandelt.
  • Das Leistungswandlergerät 2000 ist ein dreiphasiger Wechselrichter, der zwischen die Stromquelle 1000 und die Last 3000 geschaltet und konfiguriert ist, um die von der Stromquelle 1000 gelieferte Gleichspannung in Wechselstrom umzuwandeln und die Wechselspannung an die Last 3000 zu liefern. Wie in 6 dargestellt, weist das Leistungswandlergerät 2000 eine Hauptumwandlerschaltung 2010 auf, die konfiguriert ist, um die Eingangsgleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln und die Wechselspannung auszugeben, und eine Steuerschaltung 2030, die konfiguriert ist, um ein Steuersignal an die Hauptumwandlerschaltung 2010 auszugeben, um die Hauptumwandlerschaltung 2010 zu steuern.
  • Die Last 3000 kann ein Drehstrommotor sein, der von der vom Leistungswandlergerät 2000 gelieferten Wechselspannung angetrieben wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Last 3000 nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt ist, sondern kann z.B. ein Elektromotor sein, der in verschiedenen elektrischen Geräten wie einem Hybridwagen, einem Elektroauto, einem Schienenfahrzeug, einem Aufzug oder einer Klimaanlage montiert ist.
  • Nachfolgend wird das Leistungswandlergerät 2000 ausführlich beschrieben. Die Hauptumwandlerschaltung 2010 weist Schaltelemente und Freilaufdioden (nicht dargestellt) auf und ist konfiguriert, um die von der Stromquelle 1000 gelieferte Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln und die Wechselspannung entsprechend dem Ein- und Ausschalten der Schaltelemente an die Last 3000 zu liefern. Obwohl es für die Hauptumwandlerschaltung 2010 verschiedene spezifische Schaltungskonfigurationen gibt, ist die Hauptumwandlerschaltung 2010 nach der vorliegenden Ausführungsform eine zweistufige dreiphasige Vollbrückenschaltung, die sechs Schaltelemente bzw. sechs antiparallel zu den Schaltelementen geschaltete Freilaufdioden aufweisen kann. Mindestens eines von jedem Schaltelement und jeder Freilaufdiode der Hauptumwandlerschaltung 2010 besteht aus einem Halbleitermodul 2020, das einem der Leistungsmodule 101, 201, 202 und 301 der ersten bis dritten oben beschriebenen Ausführungsformen entspricht. Jeweils zwei (ein Paar) der sechs Schaltelemente sind in Reihe geschaltet, um einen oberen Zweig und einen unteren Zweig zu bilden, und jedes Paar der Zweige bildet eine Phase (U-Phase, V-Phase, W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Die Ausgangsklemmen des oberen Zweigs und des unteren Zweigs, d.h. die drei Ausgangsklemmen der Hauptumwandlerschaltung 2010 sind mit der Last 3000 verbunden.
  • Weiterhin weist die Hauptumwandlerschaltung 2010 eine Treiberschaltung (nicht dargestellt) zum Treiben von mindestens einem der Schaltelemente und jeder Freilaufdiode (nachfolgend einfach als „(jedes) Schaltelement“ bezeichnet). Die Treiberschaltung kann im Halbleitermodul 2020 eingebaut oder vom Halbleitermodul 2020 getrennt sein. Die Treiberschaltung erzeugt ein Treibersignal zum Treiben des Schaltelements der Hauptumwandlerschaltung 2010 und liefert das Treibersignal an die Steuerelektrode des Schaltelements der Hauptumwandlerschaltung 2010. Insbesondere wird gemäß einem später zu beschreibenden Steuersignal aus der Steuerschaltung 2030 ein Steuersignal zum Einschalten des Schaltelements oder ein Steuersignal zum Ausschalten des Schaltelements an die Steuerelektrode jedes Schaltelements ausgegeben. Wenn ein Schaltelement im EIN-Zustand gehalten werden soll, ist das Treibersignal ein Spannungssignal (EIN-Signal), das gleich oder höher ist als die Schwellenspannung des Schaltelements, und wenn ein Schaltelement im AUS-Zustand gehalten werden soll, ist das Treibersignal ein Spannungssignal (AUS-Signal), das niedriger ist als die Schwellenspannung des Schaltelements.
  • Die Steuerschaltung 2030 steuert das Schaltelement der Hauptumwandlerschaltung 2010, um die gewünschte Leistung an die Last 3000 zu liefern. Insbesondere wird die Zeit (EIN-Zeit) für das Halten jedes Schaltelements der Hauptumwandlerschaltung 2010 im EIN-Zustand basierend auf der Höhe der an die Last 3000 zu liefernden Leistung berechnet. So kann beispielsweise die Hauptumwandlerschaltung 2010 durch eine PWM-Steuerung gesteuert werden, die die Einschaltzeit des Schaltelements entsprechend der Ausgangsspannung moduliert. Dem Treiberkreis der Hauptumwandlerschaltung 2010 wird ein Steuerbefehl (Steuersignal) zugeführt, so dass ein EIN-Signal an ein einzuschaltendes Schaltelement oder ein AUS-Signal an ein Schaltelement ausgegeben wird, das zum jeweiligen Zeitpunkt ausgeschaltet wird. Gemäß dem Steuersignal gibt die Treiberschaltung als Treibersignal ein EIN- oder AUS-Signal an die Steuerelektrode jedes Schaltelements aus.
  • Im Leistungswandlergerät nach der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, das Leistungswandlergerät zu verkleinern und die Drahttrennung durch Vibration und thermische Ermüdung zu verhindern, da das Leistungsmodul nach den ersten bis dritten Ausführungsformen als Schaltelement und Freilaufdiode der Hauptumwandlerschaltung 2010 eingesetzt wird.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung beispielhaft auf einen zweistufigen Drehstromwechselrichter angewendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann auf verschiedene Leistungswandlergeräte angewendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Leistungswandlergerät ein zweistufiges Leistungswandlergerät, es kann aber auch ein dreistufiges oder mehrstufiges Leistungswandlergerät sein. Für den Fall, dass die Stromversorgung einer einphasigen Last erfolgt, kann die vorliegende Erfindung auf einen einphasigen Wechselrichter angewendet werden. Wird einer Gleichstrom-Last oder dergleichen elektrische Energie zugeführt, kann die vorliegende Erfindung auf einen DC/DC-Wandler oder einen AC/DC-Wandler angewendet werden.
  • Darüber hinaus ist das Leistungswandlergerät, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wird, nicht auf den Fall beschränkt, dass die oben beschriebene Last ein Elektromotor ist, und es kann als Stromquelle für eine Funkenerosionsmaschine, eine Laserbearbeitungsmaschine, ein Induktionserwärmungskochgerät oder ein drahtloses Stromversorgungssystem verwendet werden, oder es wird beispielsweise als Leistungsaufbereiter für ein photovoltaisches Stromerzeugungssystem oder ein Energiespeichersystem verwendet.
  • Die in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale (Beispiele, die in jeder Ausführungsform enthalten sind) können angemessen kombiniert werden, solange sie technisch nicht unsinnig sind.
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind nur als Beispiel aufzufassen und nicht darauf beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1a
    Isolierelement
    1b
    Schaltungsmuster
    1c
    Metallschicht
    1g
    Metallschicht-Verbindungsmaterial
    3, 3a, 3b
    Leistungshalbleiterelement
    3ag, 3bg
    Elementen-Verbindungsmaterial
    3ap, 3bp
    Hauptelektrodenpad
    3p
    Steuersignalpad
    5
    Isolierblock
    5c
    Öffnung
    7
    Steuersignalanschluss
    7g
    Steueranschluss-Verbindungsmaterial
    7t
    gebogener Bereich
    9
    Hauptanschluss
    9a
    erster Hauptanschluss
    9ag
    erstes Hauptanschluss-Verbindungsmaterial
    9b
    zweiter Hauptanschluss
    9bg
    zweites Hauptanschluss-Verbindungsmaterial
    9cg
    drittes Hauptanschluss-Verbindungsmaterial
    11
    Dichtungsharz
    13
    Kühler
    101, 201, 202, 301
    Leistungsmodul
    1000
    Stromquelle
    2000
    Leistungswandlergerät
    2010
    Hauptumwandlerschaltung
    2030
    Steuerschaltung
    3000
    Last
    cc1, cc2
    Aussparung
  • 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 2010287726 A [0005, 0006]
    • JP 2015041716 A [0006, 0007]
    • JP 8125115 A [0006, 0007]

Claims (5)

  1. Halbleiteranordnung, Folgendes aufweisend: - eine Leiterplatte; - ein Leistungshalbleiterelement, das mit einer Hauptfläche der Leiterplatte verbunden ist; - einen Isolierblock, der so angeordnet ist, dass er das Leistungshalbleiterelement umschließt und mit einer Öffnung direkt über dem Leistungshalbleiterelement ausgebildet ist; - einen Steuersignalanschluss, der in den Isolierblock eingesetzt und damit am Isolierblock befestigt ist, und einen gebogenen Bereich aufweist, der teilweise über das Leistungshalbleiterelement aus dem Isolierblock herausragt und mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden ist; - einen ersten Hauptanschluss, der an das gleiche Leistungshalbleiterelement gebondet ist wie das Leistungshalbleiterelement, an das der Steuersignalanschluss gebondet ist; und - einen zweiten Hauptanschluss, der mit der Leiterplatte verbunden ist.
  2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, wobei ein Steuersignalpad auf einer Hauptoberfläche des Leistungshalbleiterelements vorgesehen ist, und der Steuersignalanschluss über ein Verbindungsmaterial mit dem Steuersignalpad verbunden ist.
  3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, wobei ein Steuersignalpad auf einer Hauptoberfläche des Leistungshalbleiterelements vorgesehen ist, und der Steuersignalanschluss direkt mit der Oberfläche des Steuersignalpads verbunden ist.
  4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Aussparung auf einem Bereich der Oberfläche des Steuersignalanschlusses gegenüber der Leiterplatte vorgesehen ist.
  5. Leistungswandlergerät, das Folgendes aufweist: - eine Hauptumwandlerschaltung mit der Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und konfiguriert zum Umwandeln einer elektrischen Eingangsleistung und zum Ausgeben der umgewandelten Leistung; und - eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, um ein Steuersignal an die Hauptumwandlerschaltung auszugeben, um die Hauptumwandlerschaltung zu steuern.
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