DE112018005941T5 - Halbleitervorrichtung, leistungsmodul und leistungsversorgung - Google Patents

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Rohm Co Ltd
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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung (2) beinhaltet: eine Wärmequelle (8) (TS), die ein Halbleiterbauteil aufweist, das in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; eine Wärmediffusionseinheit (10), die thermisch mit der Wärmequelle (8) (TS) verbunden ist, wobei die Wärmediffusionseinheit einen Raum in einer Richtung entgegengesetzt zu der Wärmequelle aufweist; eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16, 16, 16, ..., 16), die in dem Raum der Wärmediffusionseinheit (10) angeordnet sind, wobei ein Ende der Vielzahl von Finneneinheiten mit der Wärmediffusionseinheit verbunden ist; und eine Basiseinheit (14), die mit der Wärmediffusionseinheit (10) verbunden ist, wobei die Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16, 16, 16, ..., 16) mit der Basiseinheit (14) über eine Vielzahl von Wärmekontakteinheiten CP1, CP2, CP3, ..., CPn verbunden ist. Bereitgestellt werden eine Halbleitervorrichtung, ein Leistungsmodul und eine Leistungsversorgung, die jeweils vom Luftkühlungstyp sind und die jeweils eine hohe Wärmedissipations-Performance haben und ein geringes Gewicht realisieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, betreffen eine Halbleitervorrichtung, ein Leistungsmodul und eine Leistungsversorgung.
  • STAND DER TECHNIK
  • Herkömmlicherweise sind als eine Art von Leistungsmodulen solche Leistungsmodule bekannt geworden, bei denen ein Perimeter bzw. Umriss eines Halbleiterbauteils bzw. von Halbleiterbauteilen, einschließlich eines Leistungselementes bzw. von Leistungselementen (Chip(s)), wie ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), mit Harz umgossen ist.
  • In einem Betriebszustand ist es generell vorgesehen bzw. üblich, bei einem Halbleiterbauteil, das Wärme erzeugt, Wärmeradiatoren, z.B. eine Wärmesenke und eine Finne, so anzuordnen und die Wärme hin zu der Rückflächenseite des Substrates so abstrahlen zu lassen, um das Halbleiterbauteil zu kühlen.
  • In jüngeren Jahren ist eine Zunahme der Wärmeerzeugungsdichte von elektronischen Materialien ein Problem geworden. Demzufolge ist es zur Verbesserung der Performance von Kühlvorrichtungen wünschenswert, eine Übergangstemperatur („junction temperature“) Tj von Komponenten auf Werte innerhalb vorgegebener Werte zu unterdrücken bzw. einzuschränken. Beispielsweise in Leistungsmodulen, die für Leistungswandlungseinheiten von elektrischen Fahrzeugen verwendet werden, sind als Kühlvorrichtungen hauptsächlich Kühlvorrichtungen vom Wasserkühlungstyp verwendet worden. Kühlvorrichtungen vom Wasserkühlungstyp erfordern jedoch Tanks zum Speichern von Kühlmitteln („refrigerants“), Pumpen zum Beschicken bzw. Zuführen von Wasser, und dergleichen, und das gesamte Kühlsystem wird daher kompliziert und groß, so dass dessen Gewicht schwer wird.
    • Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungs-Publikationsnummer 2009-033799
    • Patentliteratur 2: Japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungs-Publikationsnummer 2009-277699
    • Patentliteratur 3: Japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungs-Publikationsnummer 2001-223308
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Technisches Problem
  • Die Ausführungsformen stellen eine Halbleitervorrichtung, ein Leistungsmodul und eine Leistungsversorgung bereit, die jeweils vom Luftkühlungstyp sind, die jeweils eine hohe Wärmedissipations-Performance haben und die ein geringes Gewicht realisieren.
  • Lösung des Problems
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, mit: einer Wärmequelle, die ein Halbleiterbauteil aufweist, wobei das Halbleiterbauteil in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; einer Wärmediffusionseinheit, die thermisch mit der Wärmequelle verbunden ist, wobei die Wärmediffusionseinheit einen Raum in einer Richtung entgegengesetzt zu der Wärmequelle beinhaltet; und einer Vielzahl von Finneneinheiten, die in dem Raum der Wärmediffusionseinheit angeordnet sind, wobei ein Ende der Vielzahl von Finneneinheiten mit der Wärmediffusionseinheit verbunden ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Ausführungsformen wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, mit: einer Wärmequelle, die aus einem Halbleiterbauteil aufgebaut ist bzw. ein Halbleiterbauteil aufweist, wobei das Halbleiterbauteil in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; einer Wärmediffusionseinheit, die mit der Wärmequelle thermisch verbunden ist; und einer Vielzahl von Wärmedissipationseinheiten („heat dissipation units“), die mit der Wärmediffusionseinheit („thermal diffusion unit“) verbunden sind, wobei die Wärmediffusionseinheit eine Kühlvorrichtung aufweist, die die Wärmedissipationseinheit räumlich enthält.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Ausführungsformen wird ein Leistungsmodul bereitgestellt, wobei das oben erwähnte Halbleiterbauteil eine Konfiguration von einem beliebigen Modul aufweist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus einem 1-in-1-Modul, einem 2-in-1-Modul, einem 4-in-1-Modul, einem 6-in-1-Modul, einem 7-in-1-Modul, einem 8-in-1-Modul, einem 12-in-1-Modul und einem 14-in-1-Modul besteht.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Ausführungsformen wird eine Leistungsversorgung („power supply“) bereitgestellt, die dazu konfiguriert ist, eine Eingangsspannung zu wandeln und die gewandelte Eingangsspannung auszugeben, und zwar unter Verwendung der oben genannten Halbleitervorrichtung oder des oben genannten Leistungsmoduls.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß den Ausführungsformen können die Halbleitervorrichtung, das Leistungsmodul und die Leistungsversorgung bereitgestellt werden, die jeweils vom Luftkühlungstyp sind, die jeweils eine hohe Wärmedissipations-Performance haben und die jeweils ein geringes Gewicht realisieren.
  • Figurenliste
    • [1] Ein konzeptionelles Diagramm zum Erläutern eines Zustandes einer Übertragung von Wärme, die von einem Leistungsmodul (nachstehend auch als PM, „power module“ bezeichnet) erzeugt ist.
    • [2] Ein Vergleichsdiagramm der Wärmeübertragungsfähigkeit von unterschiedlichen Kühlverfahren.
    • [3] Eine schematisches Konfigurationsdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [4] Ein schematisches Querschnittsdiagramm einer Konfiguration zum Bereitstellen einer Wärmediffusionseinheit zum Diffundieren („diffusing“) von Wärme unter Verwendung von hoch-wärmeleitfähigem Material bzw. -Materialien, und einer Wärmekontaktraumeinheit zwischen einer Luftkühlfinneneinheit und der Wärmediffusionseinheit, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [5] Ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Wärmewiderstandsschaltung, die eine Konfiguration darstellt, bei der Luftkühlfinneneinheiten sich in thermischem Kontakt mit einer Wärmediffusionseinheit an einer Vielzahl von Punkten befinden, um eine Reduktion eines Wärmewiderstandes bzw. eines Wärmewiderstandswertes zu realisieren, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [6] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
    • [7] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
    • [8] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
    • [9] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
    • [10] Ein Erläuterungsdiagramm eines Berechnungsevaluationsverfahrens einer Wärmefluidsimulation in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [11] Ein Erläuterungsdiagramm von jeweiligen Kompositmaterialien bzw. Bestandteilen, die auf die Wärmefluidsimulation angewendet werden, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [12] (a) Ein Erläuterungsdiagramm eines äquivalenten Wärmewiderstandes einer Luftkühlfinneneinheit in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen, und (b) ein Konfigurationsdiagramm einer äquivalenten Wärmewiderstandsschaltung einer Luftkühlfinneneinheit.
    • [13] (a) Ein Erläuterungsdiagramm eines äquivalenten Wärmewiderstandes von drei Luftkühlfinneneinheiten in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen, und (b) ein Konfigurationsdiagramm einer äquivalenten Wärmewiderstandsschaltung von drei Luftkühlfinneneinheiten in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [14] Ein Simulationsergebnis einer Beziehung zwischen einem Wärmewiderstand Rth (Finne) (K/W) und einer Länge LF (mm) einer Luftkühlfinne unter Verwendung eines Materials als ein Parameter, wenn eine Basiseinheit und eine Luftkühlfinne aus dem gleichen Material hergestellt sind, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [15] Ein Simulationsergebnis einer Beziehung zwischen einem Verhältnis RATIO und der Länge LF (mm) der Luftkühlfinne, und zwar unter Verwendung eines Materials als ein Parameter, wenn die Basiseinheit und die Luftkühlfinneneinheit aus dem gleichen Material hergestellt sind, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [16] (a) Ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wenn die Basiseinheit und die Luftkühlfinneneinheit aus dem gleichen Material hergestellt sind, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen, (b) ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wenn die Basiseinheit und die Luftkühlfinneneinheit aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, und (c) ein Diagramm, das eine Performance-Liste von jedem Material von Graphit, Cu, Al, einer Legierung („alloy“), und Fe zeigt.
    • [17] Ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis, wenn die Basiseinheit und die Luftkühlfinneneinheit aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt sind (Länge der Luftkühlfinne LF = 80 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [18] Ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis, wenn die Basiseinheit und die Luftkühlfinneneinheit aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt sind (Länge der Luftkühlfinne LF = 40 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [19] Ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis, wenn die Basiseinheit und die Luftkühlfinneneinheit aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt sind (Länge der Luftkühlfinne LF = 20 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [20] Ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis, wenn die Basiseinheit und die Luftkühlfinneneinheit aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt sind (Länge der Luftkühlfinne LF = 10 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [21] (a) Ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis des Verhältnisses RATIO und des Wärmewiderstandes, wenn die Basiseinheit und die Luftkühlfinneneinheit hergestellt sind aus Cu-Cu, Cu-Graphit, Al-Graphit, Legierung-Graphit, oder Fe-Graphit (Länge der Luftkühlfinne LF = 80 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen, und (b) ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis des Verhältnisses RATIO und des Wärmewiderstandes, wenn die Basiseinheit und die Luftkühlfinneneinheit hergestellt sind aus Cu-Cu, Cu-Graphit, Al-Graphit, Legierung-Graphit, oder Fe-Graphit (Länge der Luftkühlfinne LF = 10 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [22] (a) Ein Simulationsergebnis einer Beziehung zwischen dem Wärmewiderstand und der Anzahl von Finnen unter Verwendung der Länge LF der Luftkühlfinne als ein Parameter, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen, und (b) ein Simulationsergebnis einer Beziehung zwischen dem Verhältnis RATIO und der Anzahl von Finnen unter Verwendung der Länge LF der Luftkühlfinne als ein Parameter, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [23] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform.
    • [24] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform.
    • [25] (a) Ein Konfigurationsdiagramm aus einer Vogelperspektive eines SiC-PM (2-in-1) 8 gemäß den Ausführungsformen, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen montiert ist, (b) ein Vorderansichtsdiagramm des SiC-PM (2-in-1) 8 gemäß den Ausführungsformen, und zwar bei Betrachtung aus der Richtung eines Pfeils A in 25(a), und (c) ein Draufsichtsdiagramm des SiC-PM (2-in-1) 8 gemäß den Ausführungsformen, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen montiert ist.
    • [26] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm eines Konfigurationsbeispiels, bei dem das SiC-PM auf der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen montiert ist.
    • [27] (a) Eine Prozessansicht eines Montageverfahrens des SiC-PM (2-in-1) gemäß den Ausführungsformen, bei dem das SiC-PM an einer Dampfkammer („vapor chamber“) angebracht wird, (b) eine Prozessansicht des Montageverfahrens des SiC-PM (2-in-1) gemäß den Ausführungsformen, wobei die Luftkühlfinneneinheit an der Dampfkammer angebracht wird, und (c) eine Prozessansicht des Montageverfahrens des SiC-PM (2-in-1) gemäß den Ausführungsformen, wobei ein Lüfter daran angebracht wird.
    • [28] (a) Ein Konfigurationsdiagramm aus einer Vogelperspektive eines SiC-PM (6-in-1) gemäß den Ausführungsformen, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen montiert ist, (b) ein Seitenansichtsdiagramm des SiC-PM (6-in-1) gemäß den Ausführungsformen, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen montiert ist, und (c) ein Draufsichtsdiagramm des SiC-PM (6-in-1) gemäß den Ausführungsformen, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen montiert ist.
    • [29] (a) Eine Prozessansicht eines Montageverfahrens des SiC-PM (6-in-1) gemäß den Ausführungsformen, wobie das SiC-PM an einer Dampfkammer angebracht wird, (b) eine Prozessansicht des Montageverfahrens des SiC-PM (6-in-1) gemäß den Ausführungsformen, wobei die Luftkühlfinneneinheit an der Dampfkammer angebracht wird, und (c) eine Prozessansicht des Montageverfahrens des SiC-PM (6-in-1) gemäß den Ausführungsformen, wobei ein Lüfter daran angebracht wird.
    • [30] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm eines weiteren Konfigurationsbeispiels des SiC-PM (6-in-1) gemäß den Ausführungsformen.
    • [31] (a) Eine Ansicht aus der Vogelperspektive eines oberen Behälters („container“) einer Dampfkammer, die auf die Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen anwendbar ist, (b) eine Ansicht aus der Vogelperspektive eines unteren Behälters hiervon, und (c) ein Erläuterungsdiagramm eines Operationsprinzips der Dampfkammer.
    • [32] Ein schematisches Konfigurationsdiagramm aus der Vogelperspektive, das eine laminierte Struktur einer Graphitplatte (Graphitlage) zeigt, die ein Graphitsubstrat bildet bzw. aufbaut, und zwar anwendbar auf die Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
    • [33] (a) Ein schematisches Konfigurationsdiagramm aus der Vogelperspektive eines Anwendungsbeispiels eines Graphitsubstrats mit einer XY-Orientierung in einem Beispiel eines Graphitsubstrats, das auf die Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen anwendbar ist, (b) ein schematisches Konfigurationsdiagramm aus der Vogelperspektive, die ein Anwendungsbeispiel eines Graphitsubstrats mit einer XZ-Orientierung zeigt, und (c) ein Erläuterungsdiagramm, das einen Aspekt zeigt, bei dem ein Graphitsubstrat mit einer XZ-Orientierung erhalten wird durch Drehen des Graphitsubstrates mit der XY-Orientierung um 90 Grad.
    • [34] Ein Simulationsergebnis einer Wirkungsverifikation bzw. Wirkungsnachweises einer Kühlvorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel.
    • [35] Ein Simulationsergebnis einer Wirkungsverifikation der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform (Cu).
    • [36] Ein Simulationsergebnis einer Wirkungsverifikation der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform (CuVC).
    • [37] Ein Simulationsergebnis eines Wärmewiderstandes Rth (Finne) der Halbleitervorrichtungen gemäß einem Vergleichsbeispiel 1, einem Vergleichsbeispiel 2, der Ausführungsform (Cu) und den Ausführungsformen (CuVC).
    • [38] Ein schematisches Schaltungsdarstellungsdiagramm eines Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors auf Siliziumcarbidbasis (SiC-MOSFET) eines 1-in-1-Moduls, wobei das PM an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen montiert ist.
    • [39] Ein detailliertes Schaltungsdarstellungsdiagramm des SiC-MOSFET des 1-in-1-Moduls, bei dem es sich um das PM handelt, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
    • [40] Ein schematisches Schaltungsdarstellungsdiagramm eines SiC-MOSFET eines 2-in-1-Moduls, bei dem es sich um das PM handelt, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
    • [41] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm, das einen SiC-MOSFET mit einer Source-Padelektrode SP und einer Gate-Padelektrode GP zeigt, bei dem es sich um ein Beispiel des Halbleiterbauteils handelt, das auf das PM anzuwenden ist, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
    • [42] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm, das einen IGBT mit einer Emitter-Padelektrode EP und einer Gate-Padelektrode GP zeigt, bei dem es sich um ein Beispiel des Halbleiterbauteils handelt, das auf das PM anzuwenden ist, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
    • [43] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm eines doppelt implantierten SIC-MOSFET (SiC-DIMOSFET), bei dem es sich um ein Beispiel eines Halbleiterbauteils handelt, das auf das PM anzuwenden ist, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
    • [44] Ein schematisches Querschnittsstrukturdiagramm eines Graben-SiC-MOSFET (SiC-TMOSFET), bei dem es sich um ein Beispiel des Halbleiterbauteils handelt, das auf das PM anzuwenden ist, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
    • [45] Ein Beispiel einer Schaltungskonfiguration, bei der der SiC-MOSFET als ein Halbleiterbauteil angewendet wird, und wobei ein Snubber-Kondensator zwischen einem Leistungsterminal PL und einem Erdungsterminal (Masseterminal) NL angeschlossen ist, und zwar in einer Schaltungskonfiguration eines dreiphasigen Wechselstrominverters (AC-Inverters), der aufgebaut ist durch Aufnahme des PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
    • [46] Ein Beispiel einer Schaltungskonfiguration, bei der der SiC-MOSFET als das Halbleiterbauteil angewendet ist, und zwar in einer Schaltungskonfiguration eines dreiphasigen Wechselstrom-Inverters (AC-Interver), der aufgebaut ist durch Aufnahme des PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden werden die Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Beschreibung der nachstehenden Zeichnung sind identische oder ähnliche Bezugszeichen identischen oder ähnlichen Teilen zugewiesen. Es ist jedoch anzumerken, dass die Zeichnungen schematischer Natur sind und daher die Beziehung zwischen Dicke und Ebenengröße und das Verhältnis der der Dicke(n) sich von einem tatsächlichen Gegenstand unterscheiden können. Daher sollten eine detaillierte Dicke und Größe unter Berücksichtigung der nachstehenden Erläuterung bestimmt werden. Selbstverständlich sollen auch solche Teile enthalten sein, von denen sich die Beziehung und das Verhältnis einer wechselseitigen Größe auch in wechselseitigen Zeichnungen unterscheidet.
  • Darüber hinaus stellen die Ausführungsformen, die nachstehend gezeigt sind, die Vorrichtung und das Verfahren zum Materialisieren bzw. Umsetzen der technischen Idee beispielhaft dar; und die Ausführungsformen spezifizieren nicht das Material, die Form, die Struktur, die Anordnung etc. von jedem Komponententeil, wie nachstehend. Die Ausführungsformen können geändert werden, ohne den Grundgedanken oder Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen.
  • [Erste Ausführungsform]
  • (Basistechnologie)
  • 1 zeigt ein Konzeptdiagramm bzw. konzeptionelles Diagramm zum Erläutern eines Zustandes einer Übertragung von Wärme, die von einem PM 80 erzeugt wird. Das PM 80 ist an einer Kühlvorrichtung 90 montiert. Die Kühlvorrichtung 90 ist in einem Kühlmittel („refrigerant“) 28 angeordnet. Das Kühlmittel 28 ist Wasser im Falle von Wasserkühlung, oder ist Luft im Falle einer Luftkühlung.
  • Das PM 80 beinhaltet ein Halbleiterbauteil Q20, das einer Wärmequelle (nachstehend als TM bzw. TS bezeichnet, „thermal source“) entspricht, die in einem Betriebszustand Wärme erzeugt. Das Halbleiterbauteil Q20 ist beispielsweise auf einem isolierenden Keramiksubstrat angeordnet. Das isolierende Keramiksubstrat kann beispielsweise gebildet sein mit einem Direkt-Bond-Kupfer-Substrat (DBC-Substrat, „Direct Bonding Copper“). In dem in 1 gezeigten Beispiel beinhaltet das isolierende Keramiksubstrat ein Keramiksubstrat 21, eine vorderflächenseitige Elektrodenschicht 23 des Keramiksubstrats 21 und eine rückflächenseitige Elektrodenschicht 22 des Keramiksubstrats 21. Das Halbleiterbauteil Q20 ist beispielsweise mittels einer gebrannten Ag-Schicht 27 auf die vorderflächenseitige Elektrodenschicht 23 gebondet. Darüber hinaus ist die rückflächenseitige Elektrodenschicht 22 mit der Kühlvorrichtung 90 verbunden, und zwar über eine Wärmeleitungsschicht 25. Das Halbleiterbauteil Q20 kann beispielsweise einen IGBT, eine Diode, einen Si-basierten MOSFET, einen SiC-basierten MOSFET oder einen GaN-basierten FET beinhalten. Die Wärmeleitungsschicht 25 kann eine beliebige Schicht einer Wärmeleitungslagenschicht oder einer Lötschicht oder einer gebrannten Ag-Schicht beinhalten, um Beispiele zu nennen. Das PM 80 ist mit einer Gussharzschicht 300 harz-vergossen, wie Silikonharz oder ein Polyimidharz.
  • Wärme von dem Halbleiterbauteil Q20, das der Wärmequelle TS entspricht, die in dem Betriebszustand Wärme erzeugt, wird übertragen auf die Kühlvorrichtung 90, und zwar über die gebrannte Ag-Schicht 27, das isolierende Keramiksubstrat (23 / 21 / 22) und die Wärmeleitungsschicht 25, wie es durch dicke Pfeile angedeutet ist. Ferner wird die Wärme von der Kühlvorrichtung 90 zu dem Kühlmittel 28 übertragen, wie Wasser oder Luft, wie es durch dünne Pfeile gezeigt ist.
  • Nachstehend wird der Wärwiderstand bzw. Wärmewiderstandswert Rja von dem Halbleiterbauteil Q20 zu dem Kühlmittel 28 ausgedrückt durch die Gesamtsumme eines Wärmewiderstandes in einer Wärmeleitungseinheit TC und eines Wärmewiderstandes in einer Wärmetransfereinheit TT.
  • Der thermische Widerstand bzw. Wärmewiderstand in der Wärmeleitungseinheit TC ist ein thermischer Widerstand in dem PM 80 und wird ausgedrückt durch t/λA. Nachstehend bezeichnet t eine Dicke der Wärmeleitungseinheit TC, A bezeichnet einen Wärmeübertragungskoeffizienten der Wärmeleitungseinheit TC, und A bezeichnet eine Wärmeübertragungsfläche („heat transfer area“).
  • Der Wärmewiderstand in der Wärmetransfereinheit TT ist ein Wärmewiderstand in der Kühlvorrichtung 90 und wird ausgedrückt durch 1/HA. Vorliegend bezeichnet H einen Wärmeübertragungskoeffizienten in der Kühlvorrichtung 90.
  • Der Wärmewiderstand Rja wird ausgedrückt durch die Gleichung (1): Rja = t/ λ A + 1/HA
    Figure DE112018005941T5_0001
    Obgleich der Wärmewiderstand in der Wärmetransfereinheit TT vom Wasserkühlungstyp niedriger ist als der Wärmewiderstand in der Wärmeleitungseinheit TC, ist der Wärmewiderstand in der Wärmeleitungseinheit TC vom Luftkühlungstyp im Wesentlichen der gleiche wie der Wärmewiderstand in der Wärmetransfereinheit TT, und beträgt etwa 50% des gesamten Wärmewiderstandes Rja.
  • In diesem Zusammenhang wird ein Vergleich zwischen Wärmeübertragungsfähigkeiten in den unterschiedlichen Kühlverfahren durchgeführt bzw. ausgedrückt, wie es in 2 gezeigt ist.
  • In dem Falle des Luftkühlungstyps, bei dem das Kühlmittel 28 Luft ist, beträgt der Wärmeübertragungskoeffizient einige (W/m2·K) bis einige Hundert (W/m2·K). Im Falle des Wasserkühlungstyps, bei dem das Kühlmittel 28 Wasser ist, beträgt der Wärmeübertragungskoeffizient einige zehn (W/m2·K) bis einige Tausend (W/m2·K). Die Effizienz der Wärmeübertragung vom Luftkühlungstyp ist niedriger als die Effizienz der Wärmeübertragung vom Wasserkühlungstyp, und die Kühl-Performance des Luftkühlungstyps ist relativ niedrig. Da ein Kühlsystem vom Wasserkühlungstyp erfordert, dass Wasser zirkuliert, wird darüber hinaus das gesamte Kühlsystem kompliziert. Andererseits kann der Mechanismus zum Zirkulieren des Kühlmittels bei dem Luftkühlungstyp stark vereinfacht werden, so dass das System im Vergleich zu jenem vom Wasserkühlungstyp vereinfacht werden kann. Demgemäß, um das Kühlsystem zu vereinfachen, ist es wünschenswert, eine Kühlvorrichtung vom Luftkühltyp, die einen Wärmewiderstandswert hat, der in der Wärmetransfereinheit erzeugt wird, mit dem gleichen Grad bzw. in gleicher Höhe wie jener der Kühlvorrichtung vom Wasserkühltyp zu realisieren.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen, die in 3 gezeigt ist, beinhaltet: eine Wärmequelle 8 (TS); eine Wärmediffusionseinheit 10, die mit der Wärmequelle 8 (TS) verbunden ist; eine Basiseinheit 14, die mit der Wärmediffusionseinheit („thermal diffusion unit“) 10 verbunden ist; und Luftkühlfinneneinheiten 161 , 162 , 163 , ..., 16n , die über die Basiseinheit 14 verbunden sind, und Wärmekontakteinheiten CP1, CP2, CP3, ..., CPn. Es ist eine Vielzahl der Wärmekontakteinheiten CP vorhanden, und die Basiseinheit 14 ist mit den Luftkühlfinneneinheiten 161 , 162 , 163 , ..., 16n an den jeweiligen Wärmekontakteinheiten CP1, CP2, CP3, ..., CPn verbunden.
  • Alternativ hierzu kann die Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen, die in 4 gezeigt ist, Folgendes beinhalten: eine Wärmequelle 8 (TS); eine Wärmediffusionseinheit 10, die mit der Wärmequelle 8 (TS) verbunden ist; und eine Wärmekontaktraumeinheit SPACE zwischen der Wärmediffusionseinheit 10 und der Luftkühlfinneneinheit (nicht gezeigt).
  • Die Wärmediffusionseinheit 10 beinhaltet ein thermisch hochleitfähiges Material und kann Wärme diffundieren („diffuse“). Die Wärmediffusionseinheit 10 kann beispielsweise aus Kupfer (Cu) als das thermisch hochleitfähige Material gebildet sein, und eine Dampfkammer („vapor chamber“) kann für die Wärmediffusionseinheit 10 verwendet werden. Die Wärmediffusionseinheit 10 und die Luftkühlfinneneinheit (nicht gezeigt) sind miteinander über die Wärmekontakteinheit CP verbunden.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen beinhaltet eine Wärmediffusionseinheit 10, die dazu konfiguriert ist, Wärme unter Verwendung eines thermisch hochleitfähigen Materials zu diffundieren, und einen Wärmekontaktraum SPACE zwischen der Wärmediffusionseinheit 10 und der (nicht gezeigten) Luftkühlfinneneinheit, wobei aufgrund der Tatsache, dass die Luftkühlfinneneinheiten mit der Wärmediffusionseinheit 10 an einer Vielzahl von Punkten thermisch kontaktiert sind, eine Reduktion des Wärmewiderstandes der Kühlvorrichtung realisiert werden kann.
  • 5 zeigt eine schematische Konfiguration einer Wärmewiderstandsschaltung zum Erläutern einer Konfiguration, bei der eine Vielzahl von den Luftkühlfinneneinheiten 161 , 162 , 163 , ..., 16n sich in thermischem Kontakt bzw. Wärmekontakt mit der Wärmediffusionseinheit 10 befinden, und zwar an einer Vielzahl von Wärmekontakteinheiten CP1, CP2, CP3, ..., CPn, um die Reduktion des Wärmewiderstandes zur realisieren, und zwar in der Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen beinhaltet: die Wärmediffusionseinheit 10, die dazu konfiguriert ist, Wärme unter Verwendung des thermisch hochleitfähigen Materials zu diffundieren; die Basiseinheit 14, die mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden ist; und die Wärmekontakteinheiten CP1, CP2, CP3, ..., CPn in thermischem Kontakt mit der Basiseinheit 14 und der Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 161 , 162 , 163 , ..., 16n an der Vielzahl der Punkte, wobei die Vielzahl der Luftkühlfinneneinheiten 161 , 162 , 163 , ..., 16n thermisch mit der Wärmediffusionseinheit 10 über die Basiseinheit 14 an der Vielzahl von Punkten kontaktiert sind, und hierdurch the Reduktion des Wärmewiderstandes der Kühlvorrichtung realisiert werden kann.
  • [Konfiguration der ersten Ausführungsform]
  • 6 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur einer Halbleitervorrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform.
  • Die in 6 gezeigte Halbleitervorrichtung 2, die eine Kühlvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform beinhaltet, weist zwei Wärmedissipationseinheiten („heat dissipation units“) 6 auf.
  • Wie es in 6 gezeigt ist, beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform eine Wärmequelle 8 (TS), die ein Halbleiterbauteil aufweist bzw. durch dieses gebildet ist, wobei das Halbleiterbauteil in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; eine Wärmediffusionseinheit 10, die mit der Wärmequelle 8 (TS)verbunden ist; und eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm), (16FB1, 16FB2, 16FB3, ..., 16FBm), die mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden sind.
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 Basiseinheiten 14PA, 14PB, die mit der Wärmediffusionseinheit 10 über Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB verbunden sind. Die Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB können Wärmeleitungslagenschichten oder Lötmittelschichten bzw. Lötschichten sein, um Beispiele zu nennen. Darüber hinaus sind die Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm), (16FB1, 16FB2, 16FB3, ..., 16FBm) mit den Basiseinheiten 14PA, 14PB über eine Vielzahl von Wärmekontakteinheiten verbunden.
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 eine Wärmekontaktraumeinheit OA zwischen der Wärmediffusionseinheit 10 und der Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm), (16FB1, 16FB2, 16FB3, ..., 16FBm), wobei die Wärmekontaktraumeinheit OA von der Wärmediffusionseinheit 10 und einer Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm), (16FB1, 16FB2, 16FB3, ..., 16FBm) umgeben ist. Vorliegend kann die Wärmekontaktraumeinheit OA eine Luftschicht sein, die durch durch natürliche Luftkühlung oder erzwungene Luftkühlung gebildet ist.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 kann ferner eine Öffnung AP mit bzw. zu einem externen Raum beinhalten. Alternativ hierzu kann, solange eine Struktur vorhanden ist, die die Luftströmung gewährleistet, die Öffnung AP auch nicht vorgesehen werden.
  • Die Wärmediffusionseinheit 10 kann dazu konfiguriert sein, um die Wärme effizient unter Verwendung eines thermisch hochleitfähigen Materials bzw. unter Verwendung von thermisch hochleitfähigen Materialien zu diffundieren. Beispielsweise kann die Wärmediffusionseinheit 10 Kupfer (Cu) oder eine Dampfkammer beinhalten.
  • Darüber hinaus können die Basiseinheiten 14PA, 14PB und die Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm), (16FB1, 16FB2, 16FB3, ..., 16FBm) aus dem gleichen Material aufgebaut sein, oder können aus Materialien aufgebaut sein, die sich voneinander unterscheiden.
  • Darüber hinaus kann die Wärmediffusionseinheit 10 oder können die Basiseinheiten 14PA, 14PB ein Graphitsubstrat beinhalten, das eine anisotrope thermische Leitfähigkeit bzw. Wärmeleitfähigkeit hat. Genauer gesagt können die Wärmediffusionseinheit 10 oder die Basiseinheiten 14PA, 14PB die anisotrope Wärmeleitfähigkeit des Graphitsubstrates effizient nutzen, indem das Graphitsubstrat in einer Orientierungsrichtung bereitgestellt wird, bei der der Wärmeübertragungskoeffizient des Graphitsubstrates relativ hoch ist.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • 7 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur einer Halbleitervorrichtung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der zweiten Ausführungsform beinhaltet zwei Wärmedissipationseinheiten 6, wie es in 7 gezeigt ist.
  • Wie es in 7 gezeigt ist, beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der zweiten Ausführungsform eine Wärmequelle 8 (TS), die ein Halbleiterbauteil aufweist bzw. aus einem Halbleiterbauteil aufgebaut ist, das in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; eine Wärmediffusionseinheit 10, die mit der Wärmequelle 8 (TS) verbunden ist; und eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm), (17FB1, 17FB2, 17FB3, ..., 17FBm), die mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden sind.
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 Basiseinheiten 14PA, 15PB, die mit der Wärmediffusionseinheit 10 über Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB verbunden sind. Die Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB können beispielsweise Wärmeleitungslagenschichten oder Lötmittelschichten sein. Darüber hinaus sind die Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm), (17FB1, 17FB2, 17FB3, ..., 17FBm) jeweils mit den Basiseinheiten 14PA, 15PB über eine Vielzahl von Wärmekontakteinheiten verbunden .
  • In der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der zweiten Ausführungsform sind die Basiseinheit 14PA und die Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm) aus dem gleichen Material aufgebaut. Darüber hinaus sind die Basiseinheit 14PB und die Luftkühlfinneneinheiten (17FB1, 17FB2, 17FB3, ..., 17FBm) aus dem gleichen Material aufgebaut.
  • Andererseits sind die Basiseinheit 14PA und die Basiseinheit 14PB aus Materialien aufgebaut, die sich voneinander unterscheiden, und die Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm) und die Luftkühlfinneneinheiten (17FB1, 17FB2, 17FB3, ..., 17FBm) sind aus Materialien aufgebaut bzw. zusammengesetzt, die sich voneinander unterscheiden.
  • Beispielsweise kann die Basiseinheit 14PA aus einem Material mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit aufgebaut sein, und die Basiseinheit 14PB kann aus einem Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit aufgebaut sein. In ähnlicher Weise können die Luftkühlfinneneinheiten (16FA1, 16FA2, 16FA3, ..., 16FAm) aus einem Material mit einer relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit aufgebaut sein, und die Luftkühlfinneneinheiten (17FB1, 17FB2, 17FB3, ..., 17FBm) können aus einem Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit aufgebaut sein. Weitere Konfigurationen sind die gleichen wie bei der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • 8 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur einer Halbleitervorrichtung 2 gemäß einer dritten Ausführungsform.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der dritten Ausführungsform beinhaltet zwei Wärmedissipationseinheiten 6, wie es in 8 gezeigt ist.
  • Wie es in 8 gezeigt ist, beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der dritten Ausführungsform eine Wärmequelle 8 (TS), die ein Halbleiterbauteil aufweist bzw. aus einem Halbleiterbauteil aufgebaut ist, das in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; eine Wärmediffusionseinheit 10, die mit der Wärmequelle 8 (TS) verbunden ist; und eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS), (16FB1L, 16FB2L, 16FB3L, ..., 16FBmL), die mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden sind.
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 Basiseinheiten 14PA, 14PB, die mit der Wärmediffusionseinheit 10 über Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB verbunden sind. Die Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB können beispielsweise Wärmeleitungslagenschichten oder Lötmittelschichten sein. Darüber hinaus sind die Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS), (16FB1L, 16FB2L, 16FB3L, ..., 16FBmL) jeweils mit den Basiseinheiten 14PA, 14PB über eine Vielzahl von Wärmekontakteinheiten verbunden.
  • Darüber hinaus sind die Basiseinheiten 14PA, 14PB und die Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS), (16FB1L, 16FB2L, 16FB3L, ..., 16FBmL) aus dem gleichen Material aufgebaut bzw. zusammengesetzt.
  • Bei der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der dritten Ausführungsform ist die Konfiguration so, dass eine Länge der Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS) relativ gesehen kürzer ist als eine Länge der Luftkühlfinneneinheiten (16FB1L, 16FB2L, 16FB3L, ..., 16FBmL). Weitere Konfigurationen sind die gleichen wie jene der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • [Vierte Ausführungsform]
  • 9 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur einer Halbleitervorrichtung 2 gemäß einer vierten Ausführungsform.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der vierten Ausführungsform beinhaltet zwei Wärmedissipationseinheiten 6, wie es in 9 gezeigt ist.
  • Wie es in 9 gezeigt ist, beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der vierten Ausführungsform eine Wärmequelle 8 (TS), die ein Halbleiterbauteil aufweist oder aus einem Halbleiterbauteil aufgebaut ist, das in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; eine Wärmediffusionseinheit 10, die mit der Wärmequelle 8 (TS) verbunden ist; und eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS), (17FB1L, 17FB2L, 17FB3L, ..., 17FBmL), die mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden sind.
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 Basiseinheiten 14PA, 15PB, die mit der Wärmediffusionseinheit 10 über Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB verbunden sind. Die Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB können beispielsweise Wärmeleitungslagenschichten oder Lötmittelschichten sein. Darüber hinaus sind die Vielzahl der Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS), (17FB1L, 17FB2L, 17FB3L, ..., 17FBmL) mit den Basiseinheiten 14PA, 15PB über eine Vielzahl von Wärmekontakteinheiten verbunden.
  • In der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der vierten Ausführungsform sind die Basiseinheit 14PA und die Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS) aus dem gleichen Material aufgebaut bzw. zusammengesetzt. Darüber hinaus sind die Basiseinheit 14PB und die Luftkühlfinneneinheiten (17FB1L, 17FB2L, 17FB3L, ..., 17FBmL) aus dem gleichen Material aufgebaut bzw. zusammengesetzt.
  • Andererseits sind die Basiseinheit 14PA und die Basiseinheit 14PB aus Materialien aufgebaut bzw. zusammengesetzt, die sich voneinander unterscheiden, und die Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS) und die Luftkühlfinneneinheiten (17FB1L, 17FB2L, 17FB3L, ..., 17FBmL) sind aus Materialien aufgebaut bzw. zusammengesetzt, die sich voneinander unterscheiden.
  • Beispielsweise kann die Basiseinheit 14PA aus einem Material mit einer relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit aufgebaut sein, und die Basiseinheit 14PB kann aus einem Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit aufgebaut sein. In ähnlicher Weise können die Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS) aus dem Material mit der relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit aufgebaut sein, und die Luftkühlfinneneinheiten (17FB1L, 17FB2L, 17FB3L, ..., 17FBmL) können aus dem Material mit der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit aufgebaut sein.
  • Bei der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der vierten Ausführungsform, ist eine Konfiguration derart vorgesehen, dass eine Länge der Luftkühlfinneneinheiten (16FA1S, 16FA2S, 16FA3S, ..., 16FAmS) relativ gesehen kürzer ist als eine Länge der Luftkühlfinneneinheiten (16FB1L, 16FB2L, 16FB3L, ..., 16FBmL). Weitere Konfigurationen sind die gleichen wie jene der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der dritten Ausführungsform.
  • Wie es oben erläutert ist, beinhaltet, wie es in 5 gezeigt ist, die Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen die Wärmediffusionseinheit 10, die dazu konfiguriert ist, die Wärme unter Verwendung eines thermisch hochleitfähigen Materials zu diffundieren, wobei die Basiseinheit 14 mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden ist und wobei die Wärmekontakteinheiten CP1, CP2, CP3, ..., CPn sich in thermischem Kontakt befinden mit der Basiseinheit 14 und der Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 161 , 162 , 163 , ..., 16n an der Vielzahl Punkten, wobei die Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 161 , 162 , 163 , ..., 16n thermisch mit der Wärmediffusionseinheit 10 über die Basiseinheit 14 an der Vielzahl von Punkten kontaktiert sind, wodurch die Reduktion des Wärmewiderstandes der Kühlvorrichtung innerhalb eines begrenzten Raumes (Wärmekontaktraumeinheit OA) realisiert werden kann.
  • Für die Luftkühlfinne (die Basiseinheit 14 + die Luftkühlfinneneinheiten 161 , 162 , 163 , ..., 16n ), die den Raum (Wärmekontaktraumeinheit OA) einnimmt bzw. innerhalb dieses Raumes angeordnet ist, sind verschiedene Kombinationen möglich. Beispielsweise können die Luftkühlfinnen aus einem gleichförmigen Material gebildet sein, oder können unter Verwendung von unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Darüber hinaus können die Luftkühlfinnen unter Verwendung eines thermisch relativ hochleitfähigen Materials gebildet sein, unter Verwendung von thermisch relativ niedrig leitfähigen Materialen, oder aus einer Kombination hiervon.
  • (Wärmefluidsimulation)
  • 10 ist ein Erläuterungsdiagramm eines Berechnungsevaluationsverfahrens einer Wärmefluidsimulation in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen. In einem Wärmefluidsimulationsmodell ist die Wärmequelle 8 (TS) auf der Basiseinheit 14 angeordnet, so dass sie die gesamte Oberfläche bzw. Fläche hiervon erwärmt. In 10 bezeichnet T1 eine Oberflächentemperatur der Basiseinheit, T2 bezeichnet eine Fußtemperatur der Luftkühlfinneneinheit und T3 bezeichnet eine Kopftemperatur bzw. Spitzentemperatur („tip temperature“) der Luftkühlfinneneinheit. W1 bezeichnet eine Dicke der Kühlvorrichtung, WP bezeichnet eine Breite der Luftkühlfinneneinheit, LF bezeichnet eine Länge der Luftkühlfinneneinheit, LB bezeichnet eine Basislänge und L1 bezeichnet eine Basisbreite. In diesem Fall betragen die Dicke der Kühlvorrichtung W1 = 70 mm, die Basislänge LB = 5 mm, die Basisbreite L1 = 70 mm und ein Raum der Luftkühlfinneneinheit FS = LF/20. Die Kühlbedingungen sind eine Luftkühlung bei einer Luftgeschwindigkeit von 10 m / sec an der vorderseitigen Fläche der Finnen, und die Außenlufttemperatur Ta = 20°C. In der nachstehenden Kalkulation wird der Wärmewiderstand der Luftkühlfinneneinheit 16 untersucht, indem das Zangenverhältnis („tongs ratio“) (LF/FS) auf 20 festgelegt wird und indem die Länge der Luftkühlfinne LF geändert wird.
  • Als die Finnenevaluationsgegenstände werden der Wärmewiderstandswert Rth (Finne) (K/W) der Finne und ein Temperaturdifferenzverhältnis bzw. Temperaturunterschiedverhältnis RATIO innerhalb der Finne definiert und durch die folgenden Gleichungen (2) und (3) angewendet: Rth ( Finne ) ( K/W ) = ( T1 − Ta ) /W
    Figure DE112018005941T5_0002
     RATIO = ( T 2 − T3 ) / ( T 1 − T 2 )
    Figure DE112018005941T5_0003
    In der Gleichung (2) bezeichnet W eine Dissipationsleitung in der Wärmequelle 8 (TS) und entspricht W einer Dissipationsleitung des Halbleiterbauteils, um ein Beispiel zu nennen. RATIO ist ein Index, der eine Temperaturverteilung innerhalb der Luftkühlfinneneinheit 16 angibt, und entspricht einer Temperaturdifferenz der Basiseinheit / Temperaturdifferenz der Luftkühlfinneneinheit 16.
  • 11 zeigt eine Erläuterung hinsichtlich jedes Komposit- bzw. Zusammensetzungsmaterials, das auf die Wärmefluidsimulation angewendet wird, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen. Vorliegend werden als die Materialien, die die Luftkühlfinnen zusammensetzen, die aus der Basiseinheit 14 und der Luftkühlfinneneinheit 16 aufgebaut bzw. zusammengesetzt sind, Graphit, Kupfer (Cu), Aluminium (Al), eine Legierung („alloy“), und Fe angenommen. Der Wärmeübertragungskoeffizient von Graphit beträgt 1500 (W/mK) in der x-Richtung, 5 (W/mK) in der y-Richtung und 1500 (W/mK) in der z-Richtung. Die Wärmeübertragungskoeffizienten von Kupfer (Cu), von Aluminium (Al), von der Legierung und von dem Fe betragen 400 (W/mK), 237 (W/mK), 100 (W/mK) bzw. 50 (W/mK). Die Länge der Luftkühlfinne LF beträgt 10 mm bis 80 mm, der Luftkühl-Finnenraum FS beträgt 0,5 mm to 4 mm, und die Anzahl der Finnen beträgt 61 bis 16.
  • Die Wärmefluidsimulation der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen wird evaluiert hinsichtlich des Wärmewiderstandes Rth (Finne) (K/W) der Luftkühlfinneneinheit, indem das Material der Luftkühlfinne und die Länge der Luftkühlfinne LF verändert werden. Darüber hinaus wird auch eine korrelative Beziehung zwischen dem Wärmewiderstand Rth (Finne) und der Temperaturdifferenz im Inneren der Finne evaluiert, und zwar durch Einführen des Temperaturdifferenzverhältnisses RATIO innerhalb der Finne.
  • (Äquivalente Wärmewiderstandsschaltung)
  • Bei der Wärmefluidsimulation der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen erfolgt eine Durchführung, indem die Luftkühlfinneneinheit in die optionale Anzahl von Elementen unterteilt wird. In dem nachstehenden Beispiel erfolgt die Unterteilung in zwei, die jeweils eine Breite Δ haben.
  • 12(a) zeigt eine Erläuterung eines äquivalenten Wärmewiderstandes von einer Luftkühlfinneneinheit, und 12(b) zeigt die äquivalente Wärmewiderstandsschaltung der einen Luftkühlfinneneinheit 1, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen. In 12(b) bezeichnen r1, r2 und r3 Wärmewiderstände, V1, V2 und V3 bezeichnen Temperaturen und I1, I2 und I3 bezeichnen Wärmeflüsse bzw. Wärmeströme.
  • In ähnlicher Weise zeigt 13(a) eine Erläuterung eines äquivalenten Wärmewiderstandes von drei Luftkühlfinneneinheiten, und 13(b) zeigt die äquivalente Wärmewiderstandsschaltung der drei Luftkühlfinneneinheiten, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen. In 13(b) bezeichnen r1, r2, r3, r1', r2', r3', r1", r2" und r3" Wärmewiderstände, V1, V2, V3, V1', V2', V3', V1", V2" und V3" bezeichnen Temperaturen und I1, I2, I3, I1', I2', I3', I1", 12" und 13" bezeichnen Wärmeströmungen bzw. -ströme.
  • (Ergebnis der Wärmefluidsimulation)
  • 14 zeigt ein Simulationsergebnis einer Beziehung zwischen einem Wärmewiderstand Rth (Finne) (K/W) und einer Länge LF (mm) der Luftkühlfinne unter Verwendung eines Materials, aus dem die Finne aufgebaut ist, als ein Parameter, wenn die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus dem gleichen Material hergestellt sind, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
  • 15 zeigt ein Simulationsergebnis einer Beziehung zwischen RATIO und der Länge LF (mm) der Luftkühlfinne, und zwar unter Verwendung eines Materials, aus dem die Finne zusammengesetzt ist, als ein Parameter, wenn die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus dem gleichen Material hergestellt sind, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
  • Wie es in 14 gezeigt ist, neigt der Wärmewiderstand Rth (Finne) (K/W) dazu, reduziert zu werden, wenn die Länge LF der Luftkühlfinne gleich ist oder kleiner ist als 20 (mm), und zwar unabhängig davon, welches Material verwendet wird. Wenn die Länge LF der Luftkühlfinne LF = 20 mm ist und wenn das Zusammensetzungsmaterial bzw.. Kompositmaterial der Luftkühlfinneneinheit Kupfer (Cu) ist, wird der niedrigste Wärmewiderstand Rth (Finne) (K / W) erhalten, wenn die Länge der Luftkühlfinne LF = 20 mm beträgt.
  • Darüber hinaus lässt sich, wie es in 15 gezeigt ist, eine Tendenz einer Reduktion des Wärmewiderstandes beobachten, wenn der Wert von RATIO so niedrig ist wie gleich 5 oder kleiner als 5, und zwar unabhängig von dem Zusammensetzungsmaterial der Luftkühlfinneneinheit.
  • Aus den oben genannten Wärmefluidsimulationsergebnissen heraus wird die Temperaturdifferenz innerhalb der Luftkühlfinne reduziert, indem die Länge LF der Luftkühlfinne verkürzt wird (kleiner gleich 20 mm) (RATIO ist gleich oder kleiner als 5). Darüber hinaus wird es als Ergebnis davon, dass das Finnenintervall bzw. der Finnenabstand schmal bzw. eng wird, möglich, die Anzahl der Finnen zu erhöhen, und die Fläche bzw. der Flächenbereich („area“) zum effizienten Übertragen der Wärme auf die Luft wird vergrößert, wodurch eine Reduktion des Wärmewiderstandes realisiert werden kann. Darüber hinaus wird gezeigt, dass der Einfluss des Wärmeübertragungskoeffizienten der Finnenmaterialien auch reduziert werden kann.
  • Aus den obigen Wärmefluidsimulationsergebnissen ergibt sich, dass bei der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen eine Struktur zur Reduzierung des Wärmewiderstandes wirksam ist, bei der eine Vielzahl von hinsichtlich der Größe kleinen Luftkühlfinneneinheiten miteinander verbunden werden.
  • - Beispiel der Verwendung von Zusammensetzungsmaterialien -
  • Bei dem Halbleiterbauteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Performance bzw. Leistungsfähigkeit der Luftkühlfinne durch Kombinieren von unterschiedlichen Materialien für die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 untersucht, und zwar auf der Basis des Kriteriums bzw. des Maßstabes von einer Finne aus Kupfer (Cu).
  • 16(a) zeigt eine schematische Konfiguration, wenn die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus dem gleichen Material hergestellt sind, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen. 16(b) zeigt eine schematische Konfiguration, wenn die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus Materialien hergestellt sind, die sich voneinander unterscheiden, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen. 16(c) ist ein Diagramm, das eine Performance-Liste für jedes Material von Graphit, Cu, Al, einer Legierung und Fe zeigt, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen. Als die Performance-Gegenstände bzw. Performance-Parameter, werden der Wärmeübertragungskoeffizient (W/mK), die Kosten der Materialien und deren Gewicht berücksichtigt.
  • Während der Wärmeübertragungskoeffizient von Finnen aus Kupfer (Cu) 400 (W/mK) beträgt, ist der Wärmeübertragungskoeffizient von Graphit in der Orientierungsrichtung so hoch wie 1500 (W/mK), und die Wärmeübertragungskoeffizienten von Al, einer Legierung und Fe sind jeweils so niedrig wie 237, 100 bzw. 50.
  • Auf der Grundlage des Kriteriums der Materialkosten der Finnen aus Cu sind die Materialkosten des Graphits teuer und die Materialkosten von Al und Fe sind günstig. Die Materialkosten der Legierung hängen von den Materialien hiervon ab.
  • Auf der Grundlage des Kriteriums des Gewichtes von Finnen aus Cu sind die Gewicht von Graphit und Aluminium leicht und das Gewicht von Eisen ist schwer. Das Gewicht der Legierung hängt von den Materialien hiervon ab.
  • - Wärmewiderstandberechnungsergebnis (Beispiel der Verwendung von Zusammensetzungsmatrialien) -
  • Der Nutzen der Verwendung der Zusammensetzungsmaterialien wird für jedes Material kalkuliert und analysiert. Kupfer (Cu), Aluminium (Al), die Legierung und Fe werden als die Materialien der Basiseinheit 14 angewendet, und Graphit, Kupfer (Cu), Aluminium (Al), die Legierung und Fe werden als die Materialien der Luftkühlfinneneinheit 16 angewendet. Die numerischen Werte in den nachstehenden 17 bis 20 bezeichnen den Wärmewiderstand Rth (Finne) (K/W). Hinsichtlich der in Prozent (%) angegebenen Werte der Basiseinheit 14 und der Luftkühlfinneneinheit 16 geben die schwarz ausgefüllten Dreiecke „▼“ eine Reduktionsrate des Wärmewiderstandes Rth (Finne) (K/W) an, und die weißen Dreiecke „△“ bezeichnen eine Erhöhungsrate des Wärmewiderstandes Rth (Finne) (K/W) an, und zwar basierend auf dem Kriterium bzw. dem Maßstab für den Fall von Kupfer (Cu).
  • 17 zeigt ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis für den Fall, dass die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt sind (Länge der Luftkühlfinneneinheit LF = 80 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
  • 18 zeigt ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis für den Fall, dass die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt sind (Länge der Luftkühlfinneneinheit LF = 40 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
  • 19 zeigt ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis für den Fall, dass die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt sind (Länge der Luftkühlfinneneinheit LF = 20 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
  • 20 zeigt ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis für den Fall, dass die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt sind (Länge der Luftkühlfinneneinheit LF = 10 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
  • Aus den oben genannten Ergebnissen wird nachgewiesen, dass die Reduktionswirkung auf den Wärmewiderstand groß ist, wenn das thermisch hochleitfähige Material für die Luftkühlfinneneinheit 16 verwendet wird, wenn die Länge der Luftkühlfinneneinheit LF der Luftkühlfinneneinheit 16 relativ lang ist. Dies liegt darin, da eine Finne mit einem großen Wert von RATIO stark durch den Wärmeübertragungskoeffizienten der Luftkühlfinneneinheit 16 beeinflusst wird.
  • Andererseits wird nachgewiesen, dass dann, wenn die Länge LF der Luftkühlfinne der Luftkühlfinneneinheit 16 relativ kurz ist, keine große Wirkung hinsichtlich des Erhöhens des Wärmewiderstandes auftritt, selbst wenn das Material mit der niedrig angesetzten thermischen Leitfähigkeit für die Luftkühlfinneneinheit 16 und die Basiseinheit 14 verwendet wird. Dies liegt daran, da die Finne mit einem kleinen Wert von RATIO weniger durch den Wärmeübertragungskoeffizienten der Luftkühlfinneneinheit 16 beeinflusst bzw. beeinträchtigt wird.
  • - Simulationsergebnis von RATIO und Wärmewiderstand Rth (Finne) (K/W) -
  • 21(a) zeigt ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis von RATIO und dem Wärmewiderstand Rth (Finne) (K/W), wenn die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 hergestellt sind aus Cu-Cu, Cu-Graphit (Cu-Gr), Al-Graphit (Al-Gr), Legierung-Graphit oder Fe-Graphit (Länge der Luftkühlfinneneinheit 16 beträgt LF = 80 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen. Wie es in 21(a) gezeigt ist, neigt der Wert von RATIO dann, wenn das Material der Basiseinheit 14 der Luftkühlfinneneinheit 16 Cu-Cu ist, was als das Kriterium bzw. der Maßstab gezeigt ist, dazu, groß zu , und die Kühleffizienz neigt dazu, falsch bzw. stark zu werden. Für dieses Ergebnis kann dann, wenn Graphit für die Luftkühlfinneneinheit 16 verwendet wird, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, der Wärmewiderstand verringert werden. Die in Prozent (%) angegebenen Werte bezeichnet die Reduktionsrate des Wärmewiderstandes in Bezug auf den Kriteriumswert. Wenn die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus Cu-Gr hergestellt sind, ist der Wärmewiderstandswert um etwa 30% reduziert. In ähnlicher Weise ist auch der Wert von RATIO um etwa 30% reduziert.
  • 21(b) zeigt ein Wärmewiderstandssimulationsergebnis von RATIO und dem Wärmewiderstandswert Rth (Finne) (K/W), wenn die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 hergestellt sind aus Cu-Cu, Cu-Graphit, Al-Graphit, Legierung-Graphit oder Fe-Graphit (Länge der Luftkühlfinneneinheit 16 beträgt LF = 10 mm), und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen. Wie es in 21(b) gezeigt ist, wenn das Material der Basiseinheit 14 und der Luftkühlfinneneinheit 16 Cu-Cu ist, was als das Kriterium angegeben ist, neigt der Wert von RATIO dazu, klein zu sein und die Kühleffizienz neigt dazu, hoch zu sein. Im Gegensatz hierzu, selbst wenn Graphit (Gr) für die Luftkühlfinneneinheit 16 verwendet wird, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, wird die Kühl-Performance kaum geändert. Selbst wenn ein günstiges und leichtes Material für die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 verwendet wird, wird die Kühl-Performance kaum verändert. Die in Prozent (%) angegebenen Werte bezeichnen die Erhöhungsrate des Wärmewiderstandes in Bezug auf den Kriteriumswert bzw. Maßstab. Wenn die Basiseinheit 14 und die Luftkühlfinneneinheit 16 aus Fe-Gr hergestellt sind, ist der Wärmewiderstand um bis zu etwa 13% erhöht. Andererseits wird der Wert von RATIO reduziert.
  • - Simulationsergebnis von Wärmewiderstandswert Rth (Finne) (K/W) und RATIO -
  • Es wird berechnet, ob die Reduktion des Wärmewiderstandes möglich ist, und zwar selbst durch eine weitere von der Größe her klein bemessene Luftkühlfinneneinheit, indem das Zangenverhältnis („tongs ratio“) (LF/FS) erhöht wird und der Finnenraum FS reduziert wird, um die Anzahl der Luftkühlfinnen zu erhöhen, und zwar in einer Region, wo die Länge der Luftkühlfinne LF kurz ist (gleich oder kleiner als 20 mm). Für die Luftkühlfinneneinheit wird Kupfer (Cu) verwendet, das einen Wärmeübertragungskoeffizienten von 400 (W/mK) hat, wobei die Länge der Luftkühlfinne LF 2 mm bis 20 mm beträgt, wobei der Finnenraum FS 0,2 mm bis 1 mm beträgt, und wobei die Anzahl der Finnen 40 bis 100 beträgt.
  • 22(a) zeigt ein Simulationsergebnis einer Beziehung zwischen dem Wärmewiderstand Rth (Finne) (K/W) und der Anzahl der Finnen unter Verwendung der Länge LF der Luftkühlfinne als ein Parameter, und 22(b) zeigt ein Simulationsergebnis einer Beziehung zwischen dem Wert von RATIO und der Anzahl der Finnen, und zwar unter Verwendung der Länge LF der Luftkühlfinne als ein Parameter, und zwar in der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
  • Wie es in 22(a) gezeigt ist, ist die Reduktionswirkung hinsichtlich des Wärmewiderstandes Rth (Finne) (K/W) dann, wenn die Anzahl der Finnen erhöht wird, bemerkenswerter, wenn die Länge LF der Luftkühlfinne kürzer ist. Für denn Fall einer Feinbearbeitungsfinne beträgt der Luftkühl-Finnenraum FS etwa 0,2 mm.
  • Wie es in 22(b) gezeigt ist, ist die Reduktionswirkung des Wertes von RATIO dann, wenn die Anzahl der Finnen erhöht wird, bemerkenswerter, wenn die Länge LF der Luftkühlfinne länger ist. Wie es in 15 gezeigt ist, ist dann, wenn der Wert von RATIO gleich ist oder kleiner als 5, die Materialabhängigkeit der Luftkühlfinneneinheit reduziert. Der Wert von RATIO ist vorzugsweise gleich oder kleiner als 5.
  • Zusätzlich hierzu, wenn die obige Kalkulation unter der Annahme durchgeführt wird, dass das Material der Luftkühlfinneneinheit Al ist, das einen Wärmeübertragungskoeffizienten von 237 (W / mK) hat, lassen sich in den obigen Berechnungsergebnissen keine signifikanten Änderungen beobachten.
  • [Fünfte Ausführungsform]
  • 23 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur einer Halbleitervorrichtung 2 gemäß einer fünften Ausführungsform.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der fünften Ausführungsform beinhaltet vier Wärmedissipationseinheiten 6.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der fünften Ausführungsform weist auf: eine Wärmequelle 8 (TS), die aus einem Halbleiterbauteil besteht bzw. ein Halbleiterbauteil aufweist, welches Wärme in einem Betriebszustand erzeugt; eine Wärmediffusionseinheit 10, die thermisch mit der Wärmequelle 8 (TS) verbunden ist; und eine Vielzahl von Wärmedissipationseinheiten 6, die mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden sind, wobei die Wärmediffusionseinheit 10 eine Kühlvorrichtung aufweist, die die Wärmedissipationseinheit bzw. die Wärmedissipationseinheiten 6 räumlich enthält (mittels der Wärmekontaktraumeinheit OA).
  • Die Wärmediffusionseinheit 10 beinhaltet eine Öffnung AP, und der Raum (Wärmekontaktraumeinheit OA), der die Wärmedissipationseinheit enthält, ist in der Öffnung AP geöffnet. Alternativ hierzu kann die Wärmediffusionseinheit 10 die Wärmedissipationseinheit 6 in einem räumlich geschlossenen Zustand (ohne Öffnung AP) enthalten.
  • Die Wärmedissipationseinheit 6 kann Basiseinheiten 14PA, 14PB und eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 16FB aufweisen, die mit den Basiseinheiten 14PA, 14PB verbunden sind, und die Basiseinheiten 14PA, 14PB können in Kontakt sein mit der Wärmediffusionseinheit 10. Beispielsweise sind die Basiseinheiten 14PA, 14PB jeweils über die Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden. Die Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB können beispielsweise Wärmeleitungslagenschichten oder Lötmittelschichten sein.
  • Ein Abschnitt der Wärmedissipationseinheit 6 kann eine kontaktlose bzw. kontaktfreie Einheit („Non-contact unit“) NC enthalten, und zwar außer der Wärmediffusionseinheit 10 und der Öffnung AP. Diese wird verwendet, um den direkten Kontakt zwischen der Luftkühlfinneneinheit 16FA, 16FB und der Wärmediffusionseinheit 10 zu vermeiden, wodurch die Wärmedissipations-Performance gewährleistet wird.
  • Der Wert von RATIO = (T2-T3)/(T1-T2) ist gleich oder kleiner als 25/LB (mm), wobei T1 eine Oberflächentemperatur der Basiseinheit ist, wobei T2 eine Fußtemperatur der Luftkühlfinneneinheit ist, wobei T3 eine Kopf- bzw. Spitzentemperatur der Luftkühlfinneneinheit ist und wobei LB (mm) eine Basislänge der Basiseinheit ist. Für den Fall, dass LB (mm) = 5 (mm) ist, beträgt beispielsweise der Wert RATIO = 25/LB (mm) = 5 oder weniger.
  • Zusätzlich hierzu ist der Wärmetransferkoeffizient bzw. Wärmeübertragungskoeffizient des Materials, welches die Wärmediffusionseinheit 10 bildet bzw. aus dem diese zusammengesetzt ist, vorzugsweise gleich oder größer als der Wärmeübertragungskoeffizient jenes Materials, das die Wärmedissipationseinheit 6 bildet bzw. aus dem diese zusammengesetzt ist. Dies ist vorgesehen, um die Wärmestrahlungs-Performance („heat radiation performance“) zu verbessern und die Wärme effektiv abzuleiten („dissipate“).
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der fünften Ausführungsform, die in 23 gezeigt ist, eine Wärmequelle 8 (TS), die ein Halbleiterbauteil aufweist bzw. aus einem Halbleiterbauteil aufgebaut ist, welches in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; eine Wärmediffusionseinheit 10, die mit der Wärmequelle 8 (TS) verbunden ist; eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 16FB, die mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden sind; und eine Wärmekontaktraumeinheit OA zwischen der Wärmediffusionseinheit 10 und der Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 16FB. Vorliegend kann die Wärmekontaktraumeinheit OA eine Luftschicht sein, die durch natürliche Luftkühlung oder eine erzwungene Luftkühlung gebildet ist.
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 Basiseinheiten 14PA, 14PB, die über Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden sind. Darüber hinaus sind die Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 16FB mit den Basiseinheiten 14PA, 14PB jeweils über eine Vielzahl von Wärmekontakteinheiten verbunden.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 kann ferner eine Öffnung AP in zu einem externen Raum aufweisen. Alternativ hierzu kann die Öffnung AP auch nicht vorgesehen sein, solange eine Struktur vorgesehen ist, die die Luftströmung gewährleistet.
  • Die Wärmediffusionseinheit 10 kann dazu konfiguriert sein, um die Wärme unter Verwendung eines thermisch hochleitfähigen Materials bzw. unter Verwendung von thermisch hochleitfähigen Materialien effizient abzuleiten bzw. zu diffundieren („diffuse“) . Beispielsweise kann die Wärmediffusionseinheit 10 Kupfer (Cu) oder eine Kupfer-Dampfkammer („copper vapor chamber“, CuVC) beinhalten.
  • Darüber hinaus sind die Basiseinheiten 14PA, 14PB und die Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 16FB aus dem gleichen Material aufgebaut bzw. zusammengesetzt.
  • Darüber hinaus kann die Wärmediffusionseinheit 10 oder können die Basiseinheiten 14PA, 14PB ein Graphitsubstrat mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Genauer gesagt können die Wärmediffusionseinheit 10 oder die Basiseinheiten 14PA, 14PB die anisotrope Wärmeleitfähigkeit des Graphitsubstrates effizient nutzen, indem das Graphitsubstrat in einer Orientierungsrichtung angeordnet wird, in der ein Wärmeübertragungskoeffizient des Graphitsubstrates relativ hoch ist.
  • [Sechste Ausführungsform]
  • 24 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur einer Halbleitervorrichtung 2 gemäß einer sechsten Ausführungsform.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der sechsten Ausführungsform beinhaltet vier Wärmedissipationseinheiten 6.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der sechsten Ausführungsform beinhaltet: eine Wärmequelle 8 (TS), die ein Halbleiterbauteil aufweist bzw. aus einem Halbleiterbauteil aufgebaut ist, welches in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; eine Wärmediffusionseinheit 10, die thermisch mit der Wärmequelle 8 (TS) verbunden ist; und eine Vielzahl von Wärmedissipationseinheiten 6, die mit der Wärmediffusionseinheit verbunden sind, wobei die Wärmediffusionseinheit 10 eine Kühlvorrichtung aufweist, die die Wärmedissipationseinheit 6 räumlich enthält (durch die Wärmekontaktraumeinheit OA).
  • Die Wärmediffusionseinheit 10 beinhaltet eine Öffnung AP, und der Raum (Wärmekontaktraumeinheit OA), der die Wärmedissipationseinheit 6 enthält, ist über bzw. in der Öffnung AP geöffnet. Alternativ hierzu kann die Wärmediffusionseinheit 10 die Wärmedissipationseinheit 6 in einem räumlichen geschlossenen Zustand enthalten (ohne Öffnung AP).
  • Die Wärmedissipationseinheit 6 beinhaltet: Basiseinheiten 14PA, 14PB, 14PA, 15PB; und eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 17FB, 16FAS, 17FBL, die mit den Basiseinheiten 14PA, 14PB, 14PA, 15PB verbunden sind, wobei die Basiseinheiten 14PA, 14PB, 14PA, 15PB in Kontakt mit der Wärmediffusionseinheit 10 sein können. Die Basiseinheiten 14PA, 14PB, 14PA, 15PB sind mit der Wärmediffusionseinheit 10 jeweils über die Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB verbunden. Die Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB können Wärmeleitungslagenschichten oder Lötmittelschichten sein, um Beispiele zu nennen.
  • Ein Abschnitt der Wärmedissipationseinheit 6 kann außer der Wärmediffusionseinheit 10 und der Öffnung AP eine kontaktlose bzw. kontaktfreie Einheit NC beinhalten. Diese wird dazu verwendet, um den direkten Kontakt zwischen den Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 17FB, 16FAS, 17FBL und der Wärmediffusionseinheit 10 zu vermeiden, wodurch die Wärmedissipations-Performance gewährleistet wird.
  • Der Wert von RATIO = (T2-T3)/(T1-T2) ist vorzugsweise gleich oder kleiner als 25/LB (mm),
    wobei T1 eine Oberflächentemperatur der Basiseinheit ist, wobei T2 eine Fußtemperatur der Luftkühlfinneneinheit ist, wobei T3 eine Kopftemperatur der Luftkühlfinneneinheit ist und wobei LB (mm) eine Basislänge der Basiseinheit ist. Es ist für den Fall von LB (mm) = 5 (mm) beispielsweise bevorzugt, wenn RATIO = 25/LB (mm) = 5 oder weniger.
  • Zusätzlich hierzu ist der Wärmeübertragungskoeffizient des Materials, das die Wärmediffusionseinheit 10 bildet bzw. aus dem diese zusammengesetzt ist, vorzugsweise gleich oder größer als der Wärmeübertragungskoeffizient jenes Materials, das die Wärmedissipationseinheit 6 bildet bzw. aus dem diese zusammengesetzt ist.
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 gemäß der sechsten Ausführungsform, die in 24 gezeigt ist, eine Wärmequelle 8 (TS), die ein Halbleiterbauteil aufweist bzw. aus einem Halbleiterbauteil besteht bzw. aufgebaut ist, das in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; eine Wärmediffusionseinheit 10, die mit der Wärmequelle 8 (TS) verbunden ist; und eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 17FB, 16FAS, 17FBL, die mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden sind.
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 Basiseinheiten 14PA, 14PB, 14PA, 15PB, die über Wärmeleitungsschichten 12SA, 12SB mit der Wärmediffusionseinheit 10 verbunden sind. Darüber hinaus sind die Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 17FB, 16FAS, 17FBL jeweils über eine Vielzahl von Wärmekontakteinheiten mit den Basiseinheiten 14PA, 14PB, 14PA, 15PB verbunden.
  • Darüber hinaus beinhaltet die Halbleitervorrichtung 2 eine Wärmekontaktraumeinheit OA zwischen der Wärmediffusionseinheit 10 und der Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 17FB, 16FAS, 17FBL, die die Wärmediffusionseinheit 10 und die Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 17FB, 16FAS, 17FBL umgibt bzw. mit diesen umgeben ist. Hierbei kann die Wärmekontaktraumeinheit OA eine Luftschicht sein, die durch natürliche Luftkühlung oder erzwungene Luftkühlung gebildet ist.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 kann ferner eine Öffnung AP hin zu einem externen Raum aufweisen. Alternativ hierzu kann die Öffnung AP auch nicht vorgesehen sein, solange eine Struktur vorgesehen ist, die die Luftströmung gewährleistet.
  • Die Wärmediffusionseinheit 10 kann dazu konfiguriert sein, unter Verwendung eines thermisch hochleitfähigen Materials bzw. von thermisch hochleitfähigen Materialien die Wärme effizient zu diffundieren. Beispielsweise kann die Wärmediffusionseinheit 10 Kupfer (Cu) oder eine Kupfer-Dampfkammer (CuVC) enthalten.
  • In der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der sechsten Ausführungsform sind die Basiseinheiten 14PA, 14PB und die Luftkühlfinneneinheiten 16FA aus dem gleichen Material aufgebaut. Darüber hinaus sind die Luftkühlfinneneinheit 16FA und die Luftkühlfinneneinheit 17FB aus Materialien aufgebaut, die sich voneinander unterscheiden.
  • Andererseits sind die Basiseinheit 14PA und die Luftkühlfinneneinheit 16FAS aus dem gleichen Material aufgebaut. Die Basiseinheit 15PB und die Luftkühlfinneneinheit 17FBL sind aus dem gleichen Material aufgebaut. Die Luftkühlfinneneinheit 16FAS und die Luftkühlfinneneinheit 17FBL sind aus Materialien aufgebaut, die sich voneinander unterscheiden.
  • Beispielsweise können die Basiseinheiten 14PA, 14PB aus einem thermisch relativ schwach leitenden bzw. leitfähigen Material aufgebaut sein oder können aus einem thermisch relativ hoch leitenden Material aufgebaut sein. Andererseits kann die Luftkühlfinneneinheit 16FA aus einem thermisch relativ schwach leitfähigen Material bzw. leitenden Material aufgebaut sein, und die Luftkühlfinneneinheit 17FB kann aus einem thermisch relativ hoch leitenden Material aufgebaut sein.
  • Darüber hinaus sind in der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der sechsten Ausführungsform die Basiseinheit 14PA und die Luftkühlfinneneinheit 16FAS aus dem gleichen Material aufgebaut. Darüber hinaus sind die Basiseinheit 15PB und die Luftkühlfinneneinheit 17FBL aus dem gleichen Material aufgebaut.
  • Andererseits sind die Basiseinheit 14PA und die Basiseinheit 15PB aus Materialien aufgebaut, die sich voneinander unterscheiden, und die Luftkühlfinneneinheit 16FAS und die Luftkühlfinneneinheit 17FBL sind aus Materialien aufgebaut, die sich voneinander unterscheiden.
  • Beispielsweise kann die Basiseinheit 14PA aus einem thermisch relativ schwach leitenden Material aufgebaut sein, und die Basiseinheit 15PB kann aus einem thermisch relativ hoch leitenden Material aufgebaut sein. In ähnlicher Weise können die Luftkühlfinneneinheiten 16FA, 16FAS aus einem thermisch relativ schwach leitenden Material aufgebaut sein, und die Luftkühlfinneneinheiten 17FB, 17FBL können aus einem thermisch relativ hoch leitenden Material aufgebaut sein.
  • In der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der sechsten Ausführungsform ist die Konfiguration derart, dass die Länge der Luftkühlfinneneinheit 16FAS relativ kurz ist verglichen mit der Länge der Luftkühlfinneneinheit 17FBL. Andere Konfigurationen sind die gleichen wie jene der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der fünften Ausführungsform.
  • Die Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen beinhaltet die Wärmediffusionseinheit 10, die dazu konfiguriert ist, die Wärme unter Verwendung eines thermisch hochleitenden bzw. hochleitfähigen Materials zu diffundieren, beinhaltet die Basiseinheit, die mit der Wärmediffusionseinheit verbunden ist, und beinhaltet die Wärmekontakteinheit, die sich in thermischem Kontakt mit der Basiseinheit und der Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten befindet, und zwar an der Vielzahl von Punkten, wobei die Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten sich in thermischem Kontakt mit der Wärmediffusionseinheit befinden, und zwar über die Basiseinheit an der Vielzahl von Punkten, wodurch die Verringerung des Wärmewiderstandes der Kühlvorrichtung in einem begrenzten Raum (Wärmekontaktraumeinheit OA) realisiert werden kann.
  • Darüber hinaus können die Wärmediffusionseinheit 10 oder die Basiseinheiten 14PA, 14PB, 14PA, 15PB ein Graphitsubstrat aufweisen, das eine anisotrope thermische Leitfähigkeit hat. Genauer gesagt können die Wärmediffusionseinheit 10 oder die Basiseinheiten 14PA, 14PB, 14PA, 15PB die anisotrope Wärmeleitfähigkeit des Graphitsubstrates effizient verwenden, indem das Graphitsubstrat in einer Orientierungsrichtung angeordnet wird, in der ein Wärmeübertragungskoeffizient des Graphitsubstrates relativ hoch ist.
  • (Konfigurationsbeispiel von SiC-PM (2-in-1))
  • 25(a) zeigt eine Ansicht aus einer Vogelperspektive einer Konfiguration eines (2-in-1) SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen, das an der Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen montiert ist; 25(b) ist ein Vorderansichtsdiagramm hiervon, und zwar bei einer Betrachtung in Richtung des Pfeils A in 25(a); und 25(c) ist ein Draufsichtsdiagramm hiervon.
  • Das SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen, das in den 25(a) bis 25(c) gezeigt ist, kann in der Halbleitervorrichtung 2 montiert sein, die in den Ausführungsformen offenbart ist. Das SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen kann in jeder beliebigen der Halbleitervorrichtungen 2 montiert sein, die jeweils in der ersten bis sechsten Ausführungsform offenbart sind.
  • Das SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen wird angeordnet, indem es zwischen einer Druckplatte 40 und der Wärmediffusionseinheit 10 unter Druck gesetzt wird. In diesem Fall kann das Unter-Druck-Setzen durch einen Schraubvorgang implementiert werden. Die Wärmediffusionseinheit 10 kann beispielsweise aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer-Dampfkammer gebildet sein.
  • Das SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen beinhaltet eine 2-in-1-Konfiguration. DieSchaltungskonfiguration ist ähnlich zu jener, die in 40 gezeigt ist, wie nachstehend beschrieben.
  • In den 25(a) bis 25(c) bezeichnen die Bezugszeichen SS1, GT1 jeweils eine Source-Erfassungsterminalelektrode und eine Gate-Signalterminalelektrode eines Transistors Q1 auf einer Seite eines oberen Zweiges des SiC-PM 8, der die 2-in-1-Konfiguration enthält, und die Bezugszeichen SS4, GT4 bezeichnen jeweils eine Source-Erfassungsterminalelektrode bzw. eine Gate-Signalterminalelektrode eines Transistors Q4 auf einer Seite eines unteren Zweiges des SiC-PM 8, der die 2-in-1-Konfiguration beinhaltet. Darüber hinaus bezeichnen die Bezugszeichen P, N jeweils eine positivseitige Leistungseingangsterminalelektrode (erste Leistungsquelle) bzw. eine negativseitige Leistungseingangsterminalelektrode (zweite Leistungsquelle) des SiC-PM 8, der die 2-in-1-Konfiguration beinhaltet, und das Bezugszeichen O bezeichnet eine Ausgangsterminalelektrode hiervon.
  • 26 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur eines Konfigurationsbeispiels, bei dem das SiC-PM 8 an einem mittleren Abschnitt der Wärmediffusionseinheit 10 der Halbleitervorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform montiert ist.
  • Das PM 8 beinhaltet ein Halbleiterbauteil Q20 entsprechend der Wärmequelle TS, die in einem Betriebszustand Wärme erzeugt. Das Halbleiterbauteil Q20 ist beispielsweise auf einem isolierenden Keramiksubstrat angeordnet. Das isolierende Keramiksubstrat kann beispielsweise aus einem DBC-Substrat gebildet sein.
    In dem in 26 gezeigten Beispiel beinhaltet das isolierende Keramiksubstrat ein Keramiksubstrat 21, eine vorderflächenseitige Elektrodenschicht 23 des Keramiksubstrates 21 und eine rückflächenseitige Elektrodenschicht 22 des Keramiksubstrates 21. Das Halbleiterbauteil Q20 ist beispielsweise mittels einer gebrannten Ag-Schicht 27 auf die vorderflächenseitige Elektrodenschicht 23 gebondet. Darüber hinaus ist die rückflächenseitige Elektrodenschicht 22 mit der Halbleitervorrichtung 2 über eine Wärmeleitungsschicht 25 verbunden. Das Halbleiterbauteil Q20 kann beispielsweise einen IGBT, eine Diode, einen Si-basierten MOSFET oder einen GaN-basierten FET beinhalten. Die Wärmeleitungsschicht 25 kann eine beliebige Schicht einer Wärmeleitungslagenschicht, einer Lötmittelschicht oder einer gebrannten Ag-Schicht („Ag fired layer“) beinhalten. Darüber hinaus ist das PM 8 mit einer Gussharzschicht 300 harz-vergossen („resin-molded“), und zwar wie beispielsweise ein Silikonharz oder ein Polyimidharz.
  • Wärme von dem Halbleiterbauteil Q20, das der Wärmequelle TS entspricht, die in dem Betriebszustand Wärme erzeugt, wird auf die Halbleitervorrichtung 2 über die gebrannte Ag-Schicht 27, das isolierende Keramiksubstrat (23 / 21 / 22) und die Wärmeleitungsschicht 25 übertragen.
  • (Montageverfahren des SiC-PM (2-in-1))
  • Bei einem Montageverfahren des SiC-PM (2-in-1) 8 gemäß den Ausführungsformen zeigt 27(a) einen Prozess des Anbringens des SiC-PM 8 an der Dampfkammer 10, 27(b) zeigt einen Prozess des Anbringens der Luftkühlfinneneinheit 16F an der Dampfkammer 10, und 27(c) zeigt einen Prozess des Anbringens des Lüfters 50F hieran.
    1. (A) Zunächst wird, wie es in 27(a) gezeigt ist, eine Wärmeleitungslage auf eine Bodenfläche des SiC-PM 8 gesetzt, und die Druckplatte 40 wird auf dem SiC-PM 8 angeordnet. Die Druckplatte 40 wird mittels Schraubbefestigung unter Druck gesetzt, und das SiC-PM 8 wird an der Dampfkammer 10 angebracht. In diesem Fall kann anstelle des Verwendens der Wärmeleitungslage ein Lötvorgang durchgeführt werden. In 27(a) sind die Wärmeleitungslage und das Schraubgewinde nicht gezeigt.
    2. (B) Als Nächstes wird, wie es in 27(b) gezeigt ist, eine Wärmeleitungslage zwischen den Basiseinheiten 14A, 14B der Luftkühlfinneneinheit 16F und der Dampfkammer 10 angeordnet, eine Druckplatte wird durch Schraubbefestigung unter Druck gesetzt, um die Luftkühlfinneneinheit 16F an der Dampfkammer 10 anzubringen. In diesem Fall kann anstelle des Verwendens der Wärmeleitungslage ein Lötvorgang durchgeführt werden. In 27(b) sind die Wärmeleitungslage und das Schraubgewinde nicht gezeigt.
    3. (C) Als Nächstes wird, wie es in 27(c) gezeigt ist, der Lüfter 50F an einer Vorderseite der Luftkühlfinneneinheit 16F angebracht.
  • (Konfigurationsbeispiel eines SiC-PM (6-in-1))
  • 28(a) zeigt eine Ansicht aus der Vogelperspektive einer Konfiguration eines (6-in-1) SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen, das an der Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen montiert ist; 28(b) zeigt ein Seitenansichtsdiagramm hiervon; und 28(c) zeigt ein Draufsichtsdiagramm hiervon.
  • Das SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen kann an der Halbleitervorrichtung 2 montiert werden, die in den Ausfüh-rungsformen offenbart ist, wie es in den 28(a) bis 28(c) gezeigt ist. Das SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen kann an einer beliebigen der Halbleitervorrichtungen 2 montiert werden, die jeweils in der ersten bis sechsten Ausführungsform offenbart sind. In diesem Zusammenhang entspricht die Struktur der Halbleitervorrichtung, die in den 28(a) bis 28(c) gezeigt ist, einer weiteren bzw. einer nochmals erweiterten Struktur der Halbleitervorrichtungen 2, die in der fünften bis sechsten Ausführungsform offenbart sind. Genauer gesagt sind drei Wärmekontaktraumeinheiten OA, die die Wärmediffusionseinheit 10 umgeben bzw. hiervon umgeben sind, vorgesehen, wie es in 30 gezeigt ist, die nachstehend beschrieben wird. In den 28(a) bis 28(c) sind die Wärmediffusionseinheiten (Dampfkammern entsprechend 10V und 10W) auch an der vorderseitigen Fläche und der rückseitigen Fläche der Kühlvorrichtung angeordnet, und zwar auf eine ähnliche Art und Weise wie in 30; eine Darstellung der Wärmediffusionseinheiten ist jedoch weggelassen, um die interne Struktur zu zeigen.
  • Das SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen wird angeordnet, indem es zwischen der Druckplatte 40 und der Wärmediffusionseinheit 10 unter Druck gesetzt wird, wie es in den 28(a) bis 28(c) gezeigt ist. In diesem Fall kann das Unter-Druck-Setzen durch einen Schraubvorgang implementiert werden. Die Wärmediffusionseinheit 10 kann beispielsweise aus Kupfer (Cu) oder einer Kupfer-Dampfkammer gebildet sein.
  • Das SiC-PM 8 gemäß den Ausführungsformen beinhaltet eine 6-in-1-Konfiguration. Die Schaltungskonfiguration ist ähnlich zu jener, die 45 gezeigt ist, die nachstehend beschrieben wird.
  • In den 28(a) bis 28(c) bezeichnen die Bezugszeichen SS, GT und CS jeweils eine Source-Erfassungsterminalelektrode, eine Gate-Signalterminalelektrode bzw. eine Strom-Erfassungsterminalelektrode von jedem Transistor Q1 bis Q6 des SiC-PM 8, der die 6-in-1-Konfiguration enthält. Darüber hinaus bezeichnen die Bezugszeichen TH1, TH2 jeweils Thermistorterminalelektroden zur Temperaturerfassung. Darüber hinaus bezeichnen Bezugszeichen P, N jeweils eine positivseitige Leistungseingangsterminalelektrode (erste Leistungsquelle) und eine negativseitige Leistungseingangsterminalelektrode (zweite Leistungsquelle) des SiC-PM 8, das die 6-in-1-Konfiguration enthält. Darüber hinaus bezeichnen die Bezugszeichen U, V, W jeweils Ausgangsterminalelektroden.
  • (Montageverfahren des SiC-PM (6-in-1))
  • Bei einem Montageverfahren des SiC-PM (6-in-1) 8 gemäß den Ausführungsformen zeigt 29(a) einen Prozess des Anbringens des SiC-PM 8 an der Dampfkammer 10, 29(b) zeigt einen Prozess des Anbringens der Luftkühlfinneneinheit 16F an der Dampfkammer 10, und 29(c) zeigt einen Prozess des Anbringens der Lüfter 50F1, 50F2 daran.
    1. (A) Zunächst wird, wie es in 29(a) gezeigt ist, eine Wärmeleitungslage auf eine Bodenfläche des SiC-PM 8 gesetzt, und die Druckplatte 40 wird auf dem SiC-PM 8 angeordnet. Die Druckplatte 40 wird durch Schraubbefestigung unter Druck gesetzt, und das SiC-PM 8 wird an der Dampfkammer 10 angebracht. Anstelle des Verwendens der Wärmeleitungslage kann in diesem Fall ein Lötvorgang bzw. -prozess durchgeführt werden. In 29(a) sind die Wärmeleitungslage und das Schraubgewinde nicht gezeigt.
    2. (B) Als Nächstes wird, wie es in 29(b) gezeigt ist, eine Wärmeleitungslage zwischen die Basiseinheiten 14PA, 14PB der Luftkühlfinneneinheit 16F und der Dampfkammer 10 gesetzt, und eine Druckplatte wird durch Schraubbefestigung unter Druck gesetzt, um die Luftkühlfinneneinheit 16F an der Dampfkammer 10 anzubringen. Anstelle des Verwendens der Wärmeleitungslage kann in diesem Fall ein Lötprozess durchgeführt werden. In 29(b) sind die Wärmeleitungslage und das Schraubgewinde nicht gezeigt.
    3. (C) Als Nächstes werden, wie es in 29(c) gezeigt ist, die Lüfter 50F1, 50F2 an einer Vorderseite der Luftkühlfinneneinheit 16F angebracht.
  • (Ein weiteres Konfigurationsbeispiel eines SiC-PM (6-in-1))
  • 30 zeigt eine weitere Konfiguration eines SiC-PM (6-in-1) gemäß den Ausführungsformen, das an der Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen montiert ist.
  • Die Dampfkammer 10, die auf die Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen anwendbar ist, kann eine monolithische Struktur enthalten, oder kann eine Struktur enthalten, die aufgeteilt ist, wie es in 30 gezeigt ist.
  • In der in 30 gezeigten Konfiguration sind Wärmediffusionseinheiten 10U, 10V, 10W vorgesehen, die getrennt voneinander bzw. unterteilt sind. Darüber hinaus sind Leistungsmodule PM 80U, 80V, 80W, die unterteilt sind, so dass sie einer U-Phase, einer V-Phase bzw. einer W-Phase entsprechen, jeweils auf den unterteilten Wärmediffusionseinheiten 10U, 10V, 10W angeordnet, und hierdurch kann die Effizienz der Wärmedissipation weiter verbessert werden. Obgleich in 30 die Basiseinheit und die Wärmeleitungsschicht, die mit der Luftkühlfinneneinheit 16F verbunden sind, auf die gleiche Art und Weise wie in 23 gebildet sind, ist eine Darstellung hiervon weggelassen.
  • (Dampfkammer)
  • 31(a) zeigt eine Ansicht aus der Vogelperspektive eines oberen Behälters („container“) 10UP einer Dampfkammer 10, die auf die Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen anwendbar ist, 31(b) zeigt eine Ansicht aus einer Vogelperspektive eines unteren Behälters 10DW hiervon, und 31(c) zeigt ein Erläuterungsdiagramm eines Operationsprinzips hiervon. Eine Vielzahl von Dochten („wicks“) 10WK sind auf dem unteren Behälter 10DW gebildet. Die Vielzahl von Dochten 10WK ermöglicht eine Flüssigkeitsströmung durch Oberflächenspannung.
    1. (A) Zunächst verdampft weil Wärme erzeugt wird, wenn das PM 8 (TS) in Betrieb ist, das sich in Kontakt mit der Dampfkammer 10 befindet, ein Arbeitsfluid, um Dampf zu erzeugen (VP).
    2. (B) Als Nächstes wird eine Dampfströmung VF erzeugt, wobei der Dampf sich aufgrund einer Druckdifferenz zwischen einem Hochdruckabschnitt HP und einem Niedrigdruckabschnitt LP bewegt, die durch die Verdampfung (VP) des Arbeitsfluides hervorgerufen wird, wie es in 31(c) gezeigt ist.
    3. (C) Als Nächstes wird Wärme an einem Ende der Dampfkammer 10 dissipiert bzw. abgeleitet, und ein Zustand der Dampfströmung VF ändert sich in einen Zustand einer Flüssigkeit (COD), und zwar durch Kondensationseffekte.
    4. (D) Als Nächstes wird, wie es in 31(c) gezeigt ist, eine Flüssigkeitsströmung LP (OBERFLÄCHENSPANNUNG) erzeugt, und zwar durch eine Kapillarkraft, in Zusammenwirkung bzw. in Begleitung der Oberflächenspannung, und zwar durch die Vielzahl von Dochten 10WK.
  • In der Dampfkammer 10, die auf die Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen anwendbar ist, ist die Wärmeübertragungseffizienz aufgrund der Phasenänderung extrem hoch, und es kann beispielsweise ein Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten von etwa 3000 (W/mK) in Grad erhalten werden.
  • (Graphitplatte)
  • 32 zeigt eine schematische Ansicht aus der Vogelperspektive einer Konfiguration einer laminierten Struktur einer Graphitplatte (Graphitlage), die ein Graphitsubstrat aufweist bzw. aus einem Graphitsubstrat aufgebaut ist, und zwar anwendbar auf die Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen.
  • Wie es in 32 gezeigt ist, haben Graphitlagen GS1, GS2, GS3, ..., GSn von jeder Fläche, und zwar aus n Schichten, viele kovalente Bindungen bzw. Bond-Verbindungen („bonding“) von hexagonalem Kristall in einer laminierten Kristallstruktur, und die Graphitlagen GS1, GS2, GS3, ..., GSn von jeder Fläche sind dazwischen aneinander mittels Van-der-Waal-Kräfte gebondet.
  • Genauer gesagt ist das Graphit, bei dem es sich um einen Kohlenstoff handelt, und zwar basierend auf einem anisotrop wärmeleitfähigen Material, ein laminierter Kristallkörper aus einer hexagonalen Gitterstruktur von Karbon- bzw. Kohlenstoffatomen, und die Wärmeleitung hiervon ist ebenfalls anisotrop, und die Graphitlagen GS1, GS2, GS3, ..., GSn, die in 32 gezeigt sind, haben in Bezug auf eine Kristallflächenrichtung (auf der XY-Ebene) eine Wärmeleitfähigkeit, die höher ist als jene in einer Dickenrichtung der Z-Achse.
  • In einem Beispiel des Graphitsubstrates, das auf die Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen anwendbar ist, zeigt 33(a) eine schematische Ansicht aus der Vogelperspektive einer Konfiguration eines Anwendungsbeispiels eines Graphitsubstrats GP (XY) einer XY-Orientierung, zeigt 33(b) eine schematische Ansicht aus der Vogelperspektive einer Konfiguration eines Graphitsubstrats GP (XZ) in einer XZ-Orientierung, und zeigt 33(c) ein Erläuterungsdiagramm, das einen Aspekt zeigt, bei dem ein Graphitsubstrat GP (XZ) einer XZ-Orientierung erhalten wird durch Drehen der Graphitsubstrate GP (XY) einer XY-Orientierung um 90 Grad.
  • In der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen können zwei Typen von Graphitsubstraten auf die Wärmediffusionseinheit 10 angewendet werden. Genauer gesagt können ein Graphitsubstrat GP (XZ), das eine XZ-Orientierung hat, und zwar mit einem in einer Dickenrichtung höheren Wärmeübertragungskoeffizienten als in einer Ebenenrichtung, und ein Graphitsubstrat GP (XY), das die XY-Orientierung hat, und zwar mit einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten in der Ebenenrichtung als in der Dickenrichtung, angewendet werden.
  • Demgemäß wird beispielsweise, wie es in 33(a) gezeigt ist, das Graphitsubstrat GP (XY), das die XY-Orientierung hat, mit Wärmeleitfähigkeiten von X = 1500 (W/mK), Y = 1500 (W/mK) und Z = 5 (W/mK) bereitgestellt.
  • Unterdessen wird beispielsweise, wie es in 33(b) gezeigt ist, das Graphitsubstrat GP (XZ), das die XZ-Orientierung hat, bereitgestellt mit Wärmeleitfähigkeiten von X = 1500 (W/mK), Y = 5 (W/mK) und Z = 1500 (W/mK).
  • Zusätzlich hierzu beträgt die Dichte von jedem Graphitsubstrat GP (XY) und GP(XZ) etwa 2,2 (g/cm3), und die Dicke hiervon beträgt beispielsweise etwa 0,7 mm bis etwa 10 mm, und die Größe hiervon ist beispielsweise gleich oder kleiner als etwa 40 mm x etwa 40 mm.
  • Darüber hinaus kann in der Halbleitervorrichtung 2 gemäß den Ausführungsformen das Graphitsubstrat auf die Wärmedissipationseinheit 6 angewendet werden. Genauer gesagt kann das Graphitsubstrat auf die Basiseinheit 14 der Luftkühlfinne angewendet werden, die die Wärmedissipationseinheit 6 aufbaut bzw. bildet. Der Punkt bzw. Grund, dass zwei Typen von Graphitsubstraten angewendet werden können, ist der gleiche, wie oben beschrieben.
  • Bei den Ausführungsformen können Graphitsubstrate GP(XY) und GP (XZ), die anisotrop sind und die einen hohen Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit haben, verwendet werden, und hierdurch kann die Halbleitervorrichtung mit einer zufriedenstellenden Wärmediffundierbarkeit und einer einfachen Struktur bereitgestellt werden, und zwar mit der Fähigkeit, den Wärmewiderstand weiter zu reduzieren.
  • (Simulationsergebnis von Wirkungsverifikation)
  • 34 zeigt ein Simulationsergebnis einer Wirkungsverifikation („effect verfication“) einer Kühlvorrichtung 90 gemäß einem Vergleichsbeispiel. In 34 ist die Wärmediffusionseinheit aus bzw. als Kupfer (Cu) oder als eine Kupfer-Dampfkammer (CuVC) auf einer Basisfläche angeordnet, und die Luftkühlfinneneinheit erstreckt sich in einer vertikalen Richtung von der Basisfläche. In 34 beträgt die Basisbreite L1 70 mm, und die Basislänge LB beträgt 5 mm. Die Luftkühlfinneneinheit ist mit Kupfer (Cu) gebildet, wobei die Breite der Luftkühlfinne WP 0,6 mm beträgt, wobei der Finnenabstand bzw. Finnenraum FS 2,5 mm beträgt, und wobei die Länge der Luftkühlfinne LF 80 mm beträgt. Die Dicke W1 der Kühlvorrichtung beträgt 70 mm.
  • Gemäß dem Simulationsergebnis der Wirkungsverifikation der Kühlvorrichtung 90 gemäß dem Vergleichsbeispiel wird nachgewiesen, dass die Wärme nicht bis hin zu einem Kopfabschnitt der Luftkühlfinneneinheit übertragen wird, wie es in 34 gezeigt ist.
  • 35 zeigt ein Simulationsergebnis einer Wirkungsverifikation der Halbleitervorrichtung 2, die die Kühlvorrichtung (Cu) gemäß den Ausführungsformen beinhaltet. In 35 sind die Wärmediffusionseinheit und die Luftkühlfinneneinheit in einer ähnlichen Art und Weise aufgebaut, wie es in 6 gezeigt ist. In 35 ist die Wärmediffusionseinheit mit Kupfer (Cu) gebildet, wobei die Basisbreite L1 80 mm beträgt und wobei die Basislänge LB 5 mm beträgt. Die Luftkühlfinneneinheit ist mit Kupfer (Cu) gebildet, wobei die Breite WP der Luftkühlfinne 0,3 mm beträgt, wobei der Finnenraum FS 1,5 mm beträgt und wobei die Länge LF der Luftkühlfinne 30 mm beträgt. Die Dicke der Kühlvorrichtung W1 beträgt 70 mm.
  • Gemäß dem Simulationsergebnis der Wirkungsverifikation der Halbleitervorrichtung 2, die die Kühlvorrichtung gemäß den Ausführungsformen (Cu) enthält, ist nachgewiesen, dass der Wärmeübertragungszustand relativ gesehen an einer Seitenfläche der Wärmediffusionseinheit, die sich in Kontakt befindet mit der Basiseinheit, reduziert ist, wie es in 35 gezeigt ist.
  • 36 zeigt ein Simulationsergebnis einer Wirkungsverifikation der Halbleitervorrichtung 2, die die Kühlvorrichtung (CuVC) gemäß den Ausführungsformen enthält. Auch in 36 sind die Wärmediffusionseinheit und die Luftkühlfinneneinheit auf eine ähnliche Art und Weise aufgebaut, wie es in 6 gezeigt ist. In 36 ist die Wärmediffusionseinheit mit Kupfer (CuVC) gebildet, wobei die Basisbreite L1 80 mm beträgt und wobei die Basislänge LB 5 mm beträgt. Die Luftkühlfinneneinheit ist mit Kupfer (Cu) gebildet, wobei die Breite WP der Luftkühlfinne 0,3 mm beträgt, wobei der Finnenraum FS 1,5 mm beträgt und wobei die Länge LF der Luftkühlfinne 30 mm beträgt. Die Dicke W1 der Kühlvorrichtung beträgt 70 mm.
  • Gemäß dem Simulationsergebnis der Wirkungsverifikation der Halbleitervorrichtung 2, die die Kühlvorrichtung (CuVC) gemäß den Ausführungsformen beinhaltet, wie es in 36 gezeigt ist, ist nachgewiesen, das die Wärme bis hin zu dem Kopfabschnitt der Luftkühlfinneneinheit übertragen werden kann.
  • 37 zeigt Simulationsergebnisse des thermischen Widerstandes bzw. thermischen Widerstandswertes bzw. Wärmewiderstandes Rth (Finne) der Halbleitervorrichtungen, die Kühlvorrichtungen gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 gemäß der Ausführungsform (Cu) und gemäß der Ausführungsform (CuVC) aufweisen. Die Halbleitervorrichtung, die die Kühlvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 enthält, entspricht einem Beispiel des Bildens der Wärmediffusionseinheit mit Kupfer (Cu) in der Konfiguration, die in 34 gezeigt ist. Die Halbleitervorrichtung, die die Kühlvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 enthält, entspricht einem Beispiel des Bildens der Wärmediffusionseinheit mit der Kupfer-Dampfkammer (CuVC) in der Konfiguration, die in 34 gezeigt ist. Die Halbleitervorrichtung, die die Kühlvorrichtung (Cu) gemäß der Ausführungsform enthält, entspricht der Konfiguration, die in 35 gezeigt ist, und die Halbleitervorrichtung, die die Kühlvorrichtung (CuVC) gemäß der Ausführungsform enthält, entspricht der Konfiguration, die in 36 gezeigt ist.
  • Die Werte des thermischen Widerstandes bzw. Wärmewiderstandes Rth (Finne) (K/W) des Vergleichsbeispiels 1, des Vergleichsbeispiels 2, der Ausführungsform (Cu) und der Ausführungsform (CuVC) betragen jeweils etwa 0,12 (K/W), etwa 0,12 (K/W), etwa 0,14 (K/W) und etwa 0,065 (K/W).
  • Bei der Halbleitervorrichtung, die die Kühlvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 enthält, wird aufgrund der Tatsache, dass sich die Wärme auf der Basisfläche ausbreitet, die Wirkung eines niedrigen Wärmewiderstandes, die erhalten wird durch Bilden der Wärmediffusionseinheit mit der Kupfer-Dampfkammer (CuVC), nicht erhalten.
  • In der Halbleitervorrichtung, die die Kühlvorrichtung gemäß der Ausführungsform (Cu) enthält, ist eine Wärmeübertragung zu der Seitenfläche der Wärmediffusionseinheit, die sich in Kontakt befindet mit der Basiseinheit der Luftkühlfinne, reduziert.
  • In der Halbleitervorrichtung, die die Kühlvorrichtung (CuVC) gemäß der Ausführungsform enthält, kann eine Wärmeübertragung hin zu der seitlichen bzw. Seitenfläche der Wärmediffusionseinheit in Kontakt mit der Basiseinheit der Luftkühlfinne realisiert werden. Daher ist die Kühleffizienz erhöht und der Wärmewiderstandswert Rth (Finne) (K/W) um etwa 46% reduziert, verglichen mit jenem Wert der Vergleichsbeispiele 1 und 2.
  • (Konkretes Beispiel eines Halbleiterbauteils)
  • 38 zeigt eine schematische Schaltungsdarstellung eines SiC-MOSFET eines PM vom 1-in-1-Modultyp 52, und zwar anwendbar als ein Halbleiterbauteil in dem PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • Die Diode DI, die mit dem SiC-MOSFET Q umgekehrt parallel verbunden ist, ist in 38 gezeigt. Diese kann auch weggelassen werden, wenn als Diode DI eine parasitäre Diode verwendet wird. Eine Hauptelektrode des SiC-MOSFET Q wird dargestellt bzw. ausgedrückt mittels eines Drain-Terminals DT und eines Source-Terminals ST.
  • Darüber hinaus zeigt 39 eine detaillierte Schaltungsdarstellung eines SiC-MOSFET eines PM 52 vom 1-in-1-Modultyp, und zwar anwendbar als ein Halbleiterbauteil in dem PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • Das PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, beinhaltet eine Konfiguration, bei der das Halbleiterbauteil beispielsweise das PM 52 vom 1-in-1-Modultyp ist. Genauer gesagt ist ein Stück des MOSFET Q in einem Modul enthalten. Als ein Beispiel können fünf Chips (MOSFET × 5) daran montiert werden, und ein maximum von fünf Stücken von MOSFETs Q kann jeweils miteinander parallel angeschlossen werden. Es ist anzumerken, dass es auch möglich ist, einen Teil der fünf Stücke von Chips für die Diode DI daran zu montieren.
  • Genauer gesagt, wie es in 39 gezeigt ist, ist ein Erfassungs-MOSFET Qs parallel mit dem SiC-MOSFET Q verbunden. Der Erfassungs-MOSFET Qs ist als ein sehr kleiner Transistor in dem gleichen Chip wie der SiC-MOSFET Q gebildet.
  • In 39 bezeichnet ein Bezugszeichen SS ein Source-Erfassungsterminal, ein Bezugszeichen CS bezeichnet ein Strom-Erfassungsterminal und ein Bezugszeichen G bezeichnet ein Gate-Terminal. Es ist anzumerken, dass auch in dem SiC-MOSFET Q gemäß den Ausführungsformen der Erfassungs-MOSFET Qs als ein sehr kleiner („minuteness“) Transistor in dem gleichen Chip gebildet sein kann.
  • (Schaltungskonfiguration)
  • Als Nächstes wird ein Schaltungskonfigurationsbeispiel des Halbleiterbauteils in dem PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, genau erläutert.
  • Nunmehr wird ein Halbleitergehäusebauteil (das sog. Modul von 2-in-1-Typ) erläutert, bei dem zwei Halbleiterbauteile in ein Gussharz versiegelt sind, und zwar als ein Modul, das als das Halbleiterbauteil des PM anwendbar ist, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • 40 zeigt eine Schaltungskonfiguration des PM vom 2-in-1-Modultyp (2-in-1-Modul) 100, auf das beispielsweise die SiC-MOSFETs Q1 und Q4 als das Halbleiterbauteil anwendbar sind.
  • Genauer gesagt beinhaltet, wie es in 40 gezeigt ist, das 2-in-1-Modul 100 eine Konfiguration eines Moduls mit der eingebauten Halbbrücke, bei der zwei SiC-MOSFETs Q1 und Q4 als ein Modul enthalten sind.
  • Nachstehend kann jeder der SiC-MOSFETs Q1 und Q4, die in dem Modul enthalten sind, als ein großer Transistor angesehen werden, es kann jedoch ein Chip oder eine Vielzahl von Chips parallel verbunden werden. Darüber hinaus beinhalten die Module ein 1-in-1-Modul, ein 2-in-1-Modul, ein 4-in-1-Modul, ein 6-in-1-Modul und dergleichen. Beispielsweise wird ein Modul, das zwei Stücke von Transistoren (Chips) auf einem Modul enthält, ein 2-in-1-Modul genannt, ein Modul, das zwei Stücke von 2-in-1-Modulen auf einem Modul enthält, wird das 4-in-1-Modul genannt, und ein Modul, das drei Stücke von 2-in-1-Modulen auf einem Modul enthält, wird das 6-in-1-Modul genannt.
  • Wie es in 40 gezeigt ist, beinhaltet das 2-in-1-Modul 100 zwei SiC-MOSFETs Q1 und Q4 und Dioden DI1 und DI4, die umgekehrt parallel mit den SiC-MOSFETs Q1 und Q4 verbunden sind, und zwar als ein Modul.
  • In 40 bezeichnet das Bezugszeichen G1 ein Anschlussterminal für ein Gate-Signal (das sog. Gate-Terminal) des SiC-MOSFET Q1, und das Bezugszeichen S1 bezeichnet ein Anschlussterminal für ein Source-Signal (das sog. Source-Erfassungsterminal) des SiC-MOSFET Q1. Auf ähnliche Art und Weise bezeichnet das Bezugszeichen G4 ein Anschlussterminal für ein Gate-Signal des SiC-MOSFET Q4, und das Bezugszeichen S4 bezeichnet ein Anschlussterminal für ein Source-Signal des SiC-MOSFET Q4.
  • Das Bezugszeichen P bezeichnet eine positivseitige Leistungseingangsterminalelektrode, das Bezugszeichen N bezeichnet eine negativseitige Leistungseingangsterminalelektrode, und das Bezugszeichen O bezeichnet eine Ausgangsterminalelektrode.
  • Die Halbleiterbauteile (Q2 und Q5) und Halbleiterbauteile (Q3 und Q6), die auf das PM anwendbar sind, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, können auf ähnliche Art und Weise realisiert werden.
  • - Leistungsversorgung -
  • Eine Leistungsversorgung gemäß den Ausführungsformen beinhaltet das oben genannte PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist. Bereitgestellt wird eine Leistungsversorgung, die dazu konfiguriert ist, eine Eingangsspannung zu wandeln und die gewandelte Eingangsspannung auszugeben, und zwar unter Verwendung der oben erwähnten Halbleitervorrichtung oder dem oben erwähnten Leistungsmodul.
  • Gemäß dem 2-in-1-Modul 100, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, wie es in 40 gezeigt ist, sind ein SiC-MOSFET (erstes Schaltbauteil) Q1 und ein SiC-MOSFET (zweites Schaltbauteil) Q4 seriell zwischen einer positivseitigen Leistungseingangsterminalelektrode (erste Leistungsquelle) P und einer negativseitige Leistungseingangsterminalelektrode (zweite Leistungsquelle) N angeschlossen; und die Leistungsversorgung (Leistungsversorgungsschaltung), die dazu konfiguriert ist, die Spannung des oben genannten Verbindungspunkt von der Ausgangsterminalelektrode O auszugeben, kann auf diese Art und Weise aufgebaut werden.
  • Als das PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, können nicht nur das 1-in-1-Modul und das 2-in-1-Modul sondern auch ein 4-in-1-Modul (vier in eins), ein 6-in-1-Modul (sechs in eins), ein 7-in-1-Modul (sieben in eins), bei dem ein Snubber-Kondensator etc. in dem 6-in-1-Modul bereitgestellt ist, ein 8-in-1-Modul (acht in eins), ein 12-in-1-Modul (zwölf in eins), ein 14-in-1-Modul (vierzehn in eins) und dergleichen angewendet werden.
  • (Bauteilstruktur)
  • 41 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur eines SiC-MOSFET 130A, der eine Source-Padelektrode SP und eine Gate-Padelektrode GP beinhaltet, wobei es sich hierbei um ein Beispiel der Halbleiterbauteile (Q1 und Q4) handelt, die auf das PM anwendbar sind, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • Wie es in 41 gezeigt ist, beinhaltet der SiC-MOSFET 130A: eine Halbleiterschicht 31, die aufgebaut ist durch Aufnahme einer Hochwiderstandsschicht („high-resistivity layer“) vom n--Typ; eine p-Körperregion 32, die auf einer Vorderflächenseite der Halbleiterschicht 31 gebildet ist; eine Source-Region 33, die auf einer vorderseitigen Fläche der p-Körperregion 32 gebildet ist; einen Gate-Isolierfilm 34, der auf einer vorderseitigen Fläche der Halbleiterschicht 31 angeordnet ist, und zwar zwischen den p-Körperregionen 32; eine Gate-Elektrode 35, die auf dem Gate-Isolierfilm 34 angeordnet ist; eine Source-Elektrode 36, die mit der Source-Region 33 und der p-Körperregion 32 verbunden ist; eine n+-Drain-Region 37, die auf einer rückseitigen Fläche gegenüberliegend der Oberfläche der Halbleiterschicht 31 angeordnet ist; und eine Drain-Elektrode 38, die mit der Drain-Region 37 vom n+-Typ verbunden ist.
  • Die Gate-Padelektrode GP ist mit der Gate-Elektrode 35 verbunden, die auf dem Gate-Isolierfilm 34 angeordnet ist, und die Source-Padelektrode SP ist mit der Source-Elektrode 36 verbunden, die mit der Source-Region 33 und der p-Körperregion 32 verbunden ist. Darüber hinaus sind, wie es in 41 gezeigt ist, die Gate-Padelektrode GP und die Source-Padelektrode SP auf einem Zwischenschichtisolierfilm 39 angeordnet, der zur Passivierung vorgesehen ist und die Oberfläche des SiC-MOSFET 130A bedeckt.
  • Zusätzlich hierzu kann eine Mikrostruktur-Transistorstruktur (nicht gezeigt) in der Halbleiterschicht 31 unterhalb der Gate-Padelektrode GP und der Source-Padelektrode SP gebildet sein.
  • Ferner kann, wie es in 41 gezeigt ist, die Source-Padelektrode SP so angeordnet sein, dass sie sich auf dem Zwischenschichtisolierfilm 39, der zur Passivierung dient, erstreckt, und zwar auch in der Transistorstruktur des mittleren Abschnittes.
  • Obgleich der SiC-MOSFET 130A aufgebaut ist durch Aufnahme eines n-Kanal-SiC-MOSFET vom Planar-Gate-Typ, wie es in 41 gezeigt ist, kann der SiC-MOSFET 130A aufgebaut sein durch Aufnahme eines vertikalen n-Kanal-SiC-TMOSFET vom Graben-Gate-Typ 130C, etc., wie er in 44 gezeigt ist, die nachstehend erwähnt ist.
  • Alternativ hierzu kann anstelle des SiC-MOSFET 130A auch ein GaN-basierter FET etc. als das Halbleiterbauteil angenommen werden, das auf das PM anzuwenden ist, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • Die Halbleiterbauteile ((Q2 und Q5) und (Q3 und Q6)), die auf das PM anwendbar sind, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, können auf ähnliche Art und Weise realisisert werden.
  • Ferner kann für die Halbleiterbauteile Q1 bis Q6, die auf das PM anwendbar sind, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, beispielsweise ein Halbleiter vom Typ mit breiter Bandlücke verwendet werden, dessen Bandlückenenergie in einem Bereich von 1,1 eV bis 8 eV liegt.
  • Auf ähnliche Art und Weise zeigt 42 eine schematische Querschnittsstruktur eines IGBT 130B, der eine Emitter-Padelektrode EP und eine Gate-Padelektrode GP aufweist, wobei es sich um ein Beispiel der Halbleiterbauteile (Q1, Q4) handelt, die auf das PM anwendbar sind, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • Wie es in 42 gezeigt ist, beinhaltet der IGBT 130B: eine Halbleiterschicht 31, die aufgebaut ist durch Aufnahme einer Hochwiderstandsschicht vom n--Typ; eine p-Körperregion 32, die auf einer Vorderflächenseite der Halbleiterschicht 31 gebildet ist; eine Emitter-Region 33E, die auf einer vorderseitigen Fläche der p-Körperregion 32 gebildet ist; einen Gate-Isolierfilm 34, der auf einer vorderseitigen Fläche der Halbleiterschicht 31 angeordnet ist, und zwar zwischen den p-Körperregionen 32; eine Gate-Elektrode 35, die auf dem Gate-Isolierfilm 34 angeordnet ist; eine Emitter-Elektrode 36E, die mit der Emitter-Region 33E und der p-Körperregion 32 verbunden ist; eine p+-Kollektor-Region 37P, die auf einer rückseitigen Fläche gegenüberliegend der Fläche der Halbleiterschicht 31 angeordnet ist; und eine Kollektor-Elektrode 38, die mit der p+-Kollektor-Region 37P verbunden ist.
  • Die Gate-Padelektrode GP ist mit der Gate-Elektrode 35 verbunden, die auf dem Gate-Isolierfilm 34 angeordnet ist, und die Emitter-Padelektrode EP ist mit der Emitter-Elektrode 36E verbunden, die mit der Emitter-Region 33E und der p-Körperregion 32 verbunden ist. Darüber hinaus sind, wie es in 42 gezeigt ist, die Gate-Padelektrode GP und die Emitter-Padelektrode EP auf einem Zwischenschichtisolierfilm 39 angeordnet, der zu zur Passivierung dient und der die Fläche des IGBT 130B bedeckt.
  • Zusätzlich hierzu kann eine Mikrostruktur-IGBT-Struktur (nicht gezeigt) in der Halbleiterschicht 31 unterhalb der Gate-Padelektrode GP und der Emitter-Padelektrode EP gebildet sein.
  • Ferner kann, wie es in 42 gezeigt ist, die Emitter-Padelektrode EP so angeordnet sein, dass sie sich auf dem Zwischenschichtisolierfilm 39, der zu Passivierungszwecken dient, erstreckt, und zwar auch in der IGBT-Struktur des mittleren Abschnittes.
  • Obgleich der IGBT 130B in 42 aufgebaut ist durch Aufnahme eines vertikalen n-Kanal-IGBT vom Planar-Gate-Typ, kann der IGBT 130B aufgebaut sein durch Aufnahme eines vertikalen n-Kanal-IGBT vom Graben-Gate-Typ, und dergleichen.
  • Die Halbleiterbauteile ((Q2 und Q5) und (Q3 und Q6)), die auf das PM anwendbar sind, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, können auch auf ähnliche Art und Weise realisiert werden.
  • Als die MOSFETs Q1 to Q6 sind SiC-basierte Leistungsbauteile, z.B. ein SiC-DIMOSFET und ein SiC TMOSFET, oder GaNbasierte Leistungsbauteile, z.B. ein GaN-basierter Transistor mit hoher Elektronenmobilität (HEMT) anwendbar. In einigen Fällen sind auch Leistungsbauteile, wie z.B. Si-basierte MOSFETs und IGBT, darauf anwendbar.
  • - SiC-DIMOSFET -
  • 43 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur eines SiC-DIMOSFET 130C, bei dem es sich um ein Beispiel eines Halbleiterbauteil 110 handelt, der auf das PM anzuwenden ist, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • Wie es in 43 gezeigt ist, beinhaltet der SiC-DIMOSFET 130C: eine Halbleiterschicht 31, die aufgebaut ist, durch Aufnahmee einer Hochwiderstandsschicht vom n--Typ; eine p-Körperregion 32, die auf einer Vorderflächenseiteder Halbleiterschicht 31 gebildet ist; eine n+-Source-Region 33, die auf einer vorderseitigen Fläche der p-Körperregion 32 gebildet ist; einen Gate-Isolierfilm 34, der auf einer vorderseitigen Fläche der Halbleiterschicht 31 zwischen den p-Körperregionen 32 angeordnet ist; eine Gate-Elektrode 35, die auf dem Gate-Isolierfilm 34 angeordnet ist; eine Source-Elektrode 36, die mit der Source-Region 33 und der p-Körperregion 32 verbunden ist; eine n+-Drain-Region 37, die auf einer rückseitigen Fläche gegenüberliegend der Oberfläche der Halbleiterschicht 31 angeordnet ist; und eine Drain-Elektrode 38, die mit der Drain-Region 37 vom n+-Typ verbunden ist.
  • In dem SiC-DIMOSFET 130C, der in 43 gezeigt ist, sind die p-Körperregion 32 und die n+-Source-Region 33, die auf der vorderseitigen Fläche der p-Körperregion 32 gebildet ist, mit doppelter Ionenimplantation („double ion implantation“, DII) gebildet, und die Source-Padelektrode SP bzw. SPD ist mit der Source-Region 33 und der Source-Elektrode 36 verbunden, die mit der p-Körperregion 32 verbunden sind.
  • Darüber hinaus ist eine Gate-Padelektrode GP (nicht gezeigt) mit der Gate-Elektrode 35 verbunden, die auf dem Gate-Isolierfilm 34 angeordnet ist. Darüber hinaus sind, wie es in 43 gezeigt ist, die Gate-Padelektrode GP und die Source-Padelektrode SP bzw. SPD auf einem Zwischenschichtisolierfilm 39 angeordnet, der zu Passivierungszwecken dient und der die Fläche des SiC-DIMOSFET 130C bedeckt.
  • Wie es in 43 gezeigt ist, wird aufgrund der Tatsache, dass eine Verarmungsschicht, wie sie durch gestrichelte Linien gezeigt ist, in der Halbleiterschicht 31 gebildet wird, die aus einer Hochwiderstandsschicht vom n--Typ aufgebaut ist, die in bzw. zwischen die p-Körperregionen 32 eingeführt ist, in dem SiC-DIMOSFET 130C ein Kanalwiderstand RJFET gebildet, der die Wirkung des FET (JFET) vom Übergangstyp („junction type FET, JFET) begleitet bzw. mit diesem einhergeht. Darüber hinaus sind, wie es in 43 gezeigt ist, Körperdioden BD jeweils zwischen den p-Körperregionen 32 und den Halbleiterschichten 31 gebildet.
  • - SiC TMOSFET -
  • 44 zeigt eine schematische Querschnittsstruktur eines SiC TMOSFET, bei dem es sich um ein Beispiel eines Halbleiterbauteils handelt, der auf das PM angewendet werden kann, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • Wie es in 44 gezeigt ist, beinhaltet der SiC TMOSFET 130D: eine Halbleiterschicht 31N, die aufgebaut ist durch Aufnahme einer n-Schicht; eine p-Körperregion 32, die auf einer Vorderflächenseite der Halbleiterschicht 31N gebildet ist; eine n+-Source-Region 33, die auf einer vorderseitigen Fläche der p-Körperregion 32 gebildet ist; eine Graben-Gate-Elektrode 35TG, die durch die p-Körperregion 32 hindurchgeht, wobei die Graben-Gate-Elektrode 35TG in dem Graben gebildet ist, der bis hin zu der Halbleiterschicht 31N gebildet ist, und zwar über den Gate-Isolierfilm 34 und die Zwischenschichtisolierfilme 39U und 39B; eine Source-Elektrode 36, die mit der Source-Region 33 und der p-Körperregion 32 verbunden ist; eine n+-Drain-Region 37, die auf einer rückseitigen Fläche gegenüberliegend der Oberfläche der Halbleiterschicht 31N angeordnet ist; und eine Drain-Elektrode 38, die mit der Drain-Region 37 vom n+-Typ verbunden ist.
  • In 44 ist in dem SiC TMOSFET 130D eine Graben-Gate-Elektrode 35TG, die durch die p-Körperregion 32 hindurchgeht, in dem Graben gebildet, der bis hoch zu der Halbleiterschicht 31N gebildet ist, und zwar über den Gate-Isolierfilm 34 und die Zwischenschichtisolierfilme 39U und 39B; und die Source-Padelektrode SP ist mit der Source-Region 33 und der Source-Elektrode 36 verbunden, die mit der p-Körperregion 32 verbunden ist.
  • Darüber hinaus ist eine Gate-Padelektrode GP (nicht gezeigt) mit der Graben-Gate-Elektrode 35TG verbunden, und zwar angeordnet auf dem Gate-Isolierfilm 34. Darüber hinaus sind, wie es in 44 gezeigt ist, die Gate-Padelektrode GP und die Source-Padelektrode SP auf dem Zwischenschichtisolierfilm 39U angeordnet, der zu Passivierungszwecken dient und der die Fläche des SiC TMOSFET 130D bedeckt.
  • In dem SiC TMOSFET 130D wird ein Kanalwiderstand RJFET nicht gebildet, der die Wirkung eines FET vom Übergangseffekt (JFET-Wirkung) begleitet, wie in dem SiC-DIMOSFET 130C. Darüber hinaus sind Körperdioden BD jeweils zwischen den p-Körperregionen 32 und den Halbleiterschichten 31N gebildet, und zwar auf die gleiche Art und Weise wie in 43.
  • (Beispiel der Anwendung)
  • 45 zeigt ein Beispiel einer Schaltungskonfiguration, bei der der SiC-MOSFET als ein Halbleiterbauteil angewendet wird, und ein Snubber-Kondensator C ist zwischen dem Leistungsterminal PL und dem Erdungsterminal (Masseterminal) NL angeschlossen, und zwar in einem dreiphasigen Wechselstrom-Inverter 42 (AC-Inverter), der aufgebaut ist unter Verwendung des PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist.
  • Wenn das PM gemäß den Ausführungsformen mit der Leistungsquelle E verbunden wird, um Schaltvorgänge auszuführen, wird aufgrund einer Indukivität L, die in einer Verbindungsleitung enthalten ist, eine hohe Stoßspannung Ldi/dt erzeugt, und zwar aufgrund einer hohen Schaltgeschwindigkeit des SiC-MOSFET und SiC-IGBT. Beispielsweise lässt sich die Stoßspannung Ldi/dt darstellen wie folgt: di/dt = 3×109 (A/s), wobei eine Stromänderung di = 300A, und wobei eine mit dem Schalten einhergehende Zeitvariation dt = 100 ns.
  • Obgleich ein Wert der Stoßspannung Ldi/dt sich in Abhängigkeit von einem Wert der Induktivität L ändert, wird die Stoßspannung Ldi/dt auf die Leistungsquelle E überlagert. Eine derartige Stoßspannung Ldi/dt kann durch den Snubber-Kondensator C absorbiert werden, der zwischen dem Leistungsterminal PL und dem Erdungs (Masseterminal) NL angeschlossen ist.
  • (Konkretes Beispiel)
  • Als Nächstes wird der dreiphasige Wechselstrom-Inverter 44 beschrieben, der aufgebaut wird unter Verwendung des PM, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, und zwar unter Anwendung des SiC-MOSFET als das Halbleiterbauteil, wobei die Beschreibung unter Bezugnahme auf 46 erfolgt.
  • Wie es in 46 gezeigt ist, beinhaltet der dreiphasige AC-Inverter bzw. Wechselstrom-Inverter 44: eine PM-Einheit 200, die mit einem Gate-Treiber (GD) 180 verbunden ist; eine dreiphasige AC-Motoreinheit bzw. Wechselstrom-Motoreinheit 51; eine Leistungsversorgung oder Speicherbatterie (E) 53; und einen Wandler bzw. Konverter 55. Ein U-Phasen-, ein V-Phasen- und W-Phasen-Inverter sind jeweils mit der dreiphasigen AC-Motoreinheit 51 verbunden, wobei sie der U-Phase, der V-Phase bzw. der W-Phase der dreiphasigen AC-Motoreinheit 51 in der PM-Einheit 200 entsprechen.
  • In diesem Fall ist der GD 180 verbunden mit SiC-MOSFETs Q1 und Q4, mit SiC-MOSFETs Q2 und Q5 und mit SiC-MOSFETs Q3 und Q6.
  • Die PM-Einheit 200 beinhaltet die SiC-MOSFETs (Q1 und Q4), (Q2 und Q5) und (Q3 und Q6), die Inverterkonfigurationen haben, und zwar angeschlossen zwischen einem positiven Terminal (+) P und einem negativen Terminal (-) N des Konverters 55, mit dem die Leistungsversorgung oder Speicherbatterie (E) 53 verbunden ist. Darüber hinaus sind zwischen der Source und dem Drain der SiC-MOSFETs Q1 bis Q6 jeweils Freilaufdioden DI1 bis DI6 umgekehrt parallel angeschlossen.
  • Gemäß den Ausführungsformen können die Halbleitervorrichtung vom Luftkühlungstyp, das PM und die Leistungsversorgung bereitgestellt werden, die jeweils eine hohe Wärmedissipations-Performance haben und ein geringes Gewicht realisieren.
  • Als das Halbleiterbauteil, das auf das PM anwendbar ist, das an der Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen zu montieren ist, können nicht nur SiC-basierte Leistungsbauteile sondern auch Leistungsbauteile vom Typ mit großer bzw. breiter Bandlücke angewendet werden, wie z. B. ein GaN-basiertes oder ein Si-basiertes Leistungsbauteil.
  • Darüber hinaus ist eine Anwendung nicht nur auf Leistungsmodule (PMs) vom vergossenen Typ möglich, bei denen ein Harzverguss durchgeführt wird, sondern auch auf Leistungsmodule, die in Gehäusen vom Kasten- bzw. Case-Typ („case type packages“) aufgenommen sind.
  • [Weitere Ausführungsformen]
  • Wie oben erläutert, sollen die Ausführungsformen, die beschrieben worden sind, als eine Offenbarung einschließlich zugeordneter Beschreibung und Zeichnung illustrativ ausgelegt werden und nicht restriktiv. Die vorliegende Offenbarung verdeutlich für Fachleute eine Vielzahl von alternativen Ausführungsformen, Arbeitsbeispielen und Betriebstechniken.
  • Vor diesem Hintergrund decken die Ausführungsformen eine Vielzahl von Ausführungsformen ab, und zwar ob diese beschrieben sind oder auch nicht.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung, das PM und die Leistungsversorgung gemäß den Ausführungsformen können für Halbleitermodul-Techniken verwendet werden, einschließlich von Leistungsversorgungen, z.B. IGBT-Moduleen, Dioden-Modulen, MOS-Modulen (Si, SiC, GaN, Galliumoxid), etc., und können für breit anwendbare Gebiete angewendet werden, z.B. Inverter für elektrische Hybridfahrzeuge (HEVs), Elektrofahrzeuge (Electric Vehicles, EV), industrielle Inverter oder Konverter.
  • Bezugszeichenliste
    • 2:
    Halbleitervorrichtung
    6:
    Wärmedissipationseinheit
    8, 80, 80U, 80V, 80W:
    Leistungsmodul (PM) (TS)
    10, 10U, 10V, 10W:
    Wärmediffusionseinheit (Dampfkammer)
    12, 12SA, 12SB:
    Wärmeleitungsschicht (Wärmeleitungslagenschicht, Lötschicht)
    14, 14PA, 14PB, 14C, 14P:
    Basiseinheit
    15PB:
    Basiseinheit (thermisch hochleitfähiges Material)
    16, 16FA, 16FB, 16C, 16F, 161, 162, 163, ..., 16n:
    Luftkühlfinneneinheit
    17FB:
    Luftkühlfinneneinheit
    20, Q, Q1 to Q6:
    Halbleiterbauteil (SiC-MOSFET)
    21:
    Keramiksubstrat
    22:
    Rückseitiges Elektrodenmuster (rückflächenseitige Elektrodenschicht des Keramiksubstrats)
    23:
    Flächen-Elektrodenmuster (vorderflächenseitige Elektrodenschicht des Keramiksubstrats)
    25:
    Wärmeleitungsschicht (Wärmeleitungslagenschicht, Lötschicht, gebrannte Ag-Schicht)
    26:
    Lötschicht
    27:
    gebrannte Ag-Schicht
    40:
    Druckplatte
    42, 44:
    Dreiphasiger Wechselstrom-Inverter
    50,
    50F1, 50F2: Lüfter
    51:
    Dreiphasige Wechselstrom-Motoreinheit
    52:
    PM vom 1-in-1-Modultyp
    53:
    Leistungsversorgung oder Speicherbatterie (E)
    55:
    Konverter
    90:
    Kühlvorrichtung
    100:
    PM vom 2-in-1-Modultyp
    130A:
    Vertikaler N-Kanal-SiC-MOSFET vom Planar-Gate-Typ
    130B:
    Vertikaler N-Kanal-IGBT vom Planar-Gate-Typ
    130C:
    vertikaler N-Kanal SiC-TMOSFET vom Graben-Gate-Typ
    130D:
    SiC-DIMOSFET
    180:
    Gate-Treiber (GD)
    200:
    PM-Einheit
    300:
    Gussharzschicht
    GS (GS1, GS2, GS3, ..., GSn):
    Graphitlage
    GP (XY), GP (XZ):
    Graphitsubstrat
    CP1, CP2, CP3, ..., CPn:
    Wärmekontakteinheit
    AP:
    Öffnung
    OA,
    SPACE: Wärmekontaktraumeinheit
    NC:
    Kontaktfreie Einheit („Non-contact unit“)
    T1:
    Basiseinheit-Flächentemperatur
    T2:
    Luftkühlfinneneinheit-Fußtemperatur
    T3:
    Luftkühlfinneneinheit-Kopftemperatur
    Ta:
    Außenseitige Lufttemperatur
    W1:
    Dicke der Kühlvorrichtung
    WP:
    Breite der Luftkühlfinne
    LF:
    Länge der Luftkühlfinne
    FS:
    Finnenraum
    LB:
    Basislänge
    L1:
    Basisbreite
    Rth
    (Finne): Wärmewiderstandswert (K/W) von Luftkühlfinne
    RATIO:
    Temperaturunterschiedverhältnis innerhalb Luftkühlfinne
    r1, r2, r3, r1', r2', r3', r1", r2", r3":
    Wärmewiderstandswert
    V1, V2, V3, V1', V2', V3', V1", V2", V3":
    Temperatur
    I1, I2, I3, I1', I2', I3', I1", I2", I3":
    Wärmefluss bzw.-strom
    SS1, SS4:
    Source-Erfassungsterminalelektrode
    GT1, GT4:
    Gate-Signalterminalelektrode
    P:
    Positivseitige Leistungseingangsterminalelektrode (erste Leistungsquelle)
    N:
    Negativseitige Leistungseingangsterminalelektrode (zweite Leistungsquelle)
    O, U, V, W:
    Ausgangsterminalelektrode
  • 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.
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    • JP 2009277699 [0004]
    • JP 2001223308 [0004]

Claims (22)

  1. Halbleitervorrichtung mit: einer Wärmequelle, die ein Halbleiterbauteil aufweist, wobei das Halbleiterbauteil in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; einer Wärmediffusionseinheit, die mit der Wärmequelle thermisch verbunden ist, wobei die Wärmediffusionseinheit einen Raum in einer Richtung entgegengesetzt zu der Wärmequelle beinhaltet; und einer Vielzahl von Finneneinheiten, die in dem Raum der Wärmediffusionseinheit angeordnet ist, wobei ein Ende der Vielzahl von Finneneinheiten mit der Wärmediffusionseinheit verbunden ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit: einer Basiseinheit, die mit der Wärmediffusionseinheit verbunden ist, wobei ein Ende von jeder der Vielzahl von Finneneinheiten mit der Basiseinheit verbunden ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer Wärmekontaktraumeinheit zwischen der Wärmediffusionseinheit und der Vielzahl von Finneneinheiten, wobei die Wärmekontaktraumeinheit von der Wärmediffusionseinheit und der Vielzahl von Finneneinheiten umgeben ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1-3, wobei die Wärmediffusionseinheit Cu oder eine Dampfkammer aufweist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1-3, wobei die Wärmediffusionseinheit ein Graphitsubstrat mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Basiseinheit ein Graphitsubstrat mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Graphitsubstrat in einer Orientierungsrichtung angeordnet ist, bei der ein Wärmeübertragungskoeffizient des Graphitsubstrates relativ hoch ist.
  8. Halbleitervorrichtung mit: einer Wärmequelle, die aus einem Halbleiterbauteil besteht bzw. ein Halbleiterbauteil aufweist, wobei das Halbleiterbauteil in einem Betriebszustand Wärme erzeugt; einer Wärmediffusionseinheit, die thermisch mit der Wärmequelle verbunden ist; und einer Vielzahl von Wärmedissipationseinheiten bzw. Wärmeableitungseinheiten, die mit der Wärmediffusionseinheit verbunden sind, wobei die Wärmediffusionseinheit eine Kühlvorrichtung aufweist, die die Wärmedissipationseinheit räumlich enthält.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Wärmediffusionseinheit eine Öffnung aufweist und wobei der Raum, der die Wärmedissipationseinheit enthält, in der Öffnung bzw. über die Öffnung geöffnet ist.
  10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Wärmediffusionseinheit die Wärmedissipationseinheit in einem räumlichen geschlossenen Zustand enthält.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Wärmedissipationseinheit eine Basiseinheit und eine Vielzahl von Luftkühlfinneneinheiten aufweist, die mit der Basiseinheit verbunden sind, wobei die Basiseinheit in Kontakt ist mit der Wärmediffusionseinheit.
  12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9 oder 11, wobei ein Abschnitt der Wärmedissipationseinheit außer der Wärmediffusionseinheit und der Öffnung eine kontaktlose bzw. kontaktfreie Einheit aufweist.
  13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Wert eines Verhältnisses RATIO = (T2-T3)/(T1-T2) gleich ist oder kleiner ist als 25/LB (mm), wobei T1 eine Flächentemperatur der Basiseinheit ist, wobei T2 eine Fußtemperatur der Luftkühlfinneneinheit ist, wobei T3 eine Kopftemperatur der Luftkühlfinneneinheit ist, und wobei LB (mm) eine Basislänge der Basiseinheit ist.
  14. Halbleitervorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 8-13, wobei ein Wärmeübertragungskoeffizient eines Materials, das die Wärmediffusionseinheit bildet, gleich ist oder größer als ein Wärmeübertragungskoeffizient eines Materials, das die Wärmedissipationseinheit bildet.
  15. Halbleitervorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 8-14, wobei die Wärmediffusionseinheit Cu oder eine Dampfkammer aufweist.
  16. Halbleitervorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 8-14, wobei die Wärmediffusionseinheit ein Graphitsubstrat mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  17. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Basiseinheit ein Graphitsubstrat mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  18. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Graphitsubstrat in einer Orientierungsrichtung angeordnet ist, bei der ein Wärmeübertragungskoeffizient des Graphitsubstrats relativ hoch ist.
  19. Halbleitervorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1-18, wobei das Halbleiterbauteil ein beliebiges Bauteil aufweist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus einem IGBT, einer Diode, einem MOSFET, und zwar jeweils Si-basiert oder SiC-basiert, und einem FET, und zwar GaN-basiert, besteht.
  20. Leistungsmodul nach einem beliebigen der Ansprüche 1-18, wobei das Halbleiterbauteil eine Konfiguration eines beliebigen Moduls aufweist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus einem 1-in-1-Modul, einem 2-in-1-Modul, einem 4-in-1-Modul, einem 6-in-1-Modul, einem 7-in-1-Modul, einem 8-in-1-Modul, einem 12-in-1-Modul und einem 14-in-1-Modul besteht.
  21. Leistungsmodul nach Anspruch 20, wobei das Halbleiterbauteil einen Inverter oder einen Konverter vom 6-in-1-Modultyp aufbaut.
  22. Leistungsversorgung, die dazu konfiguriert ist, eine Eingangsspannung zu wandeln und die gewandelte Eingangsspannung auszugeben, und zwar unter Verwendung der Halbleitervorrichtung oder des Leistungsmoduls nach einem beliebigen der Ansprüche 1-18.
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