DE112019006776T5 - Halbleiterbauelement, verfahren zur herstellung desselben und leistungswandler - Google Patents

Halbleiterbauelement, verfahren zur herstellung desselben und leistungswandler Download PDF

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Hodaka Rokubuichi
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Ein Halbleiterbauelement (1) enthält einen Kühlkörper (3), eine Isolierschicht (5), einen Leiterrahmen (7), ein Leistungshalbleiterelement (9), ein Dichtharz (13) und Rippen (23). Der Kühlkörper (3) hat eine erste Hauptoberfläche (3a) und eine zweite Hauptoberfläche (3b), die einander gegenüberliegen. Auf der ersten Hauptoberfläche (3a) des Kühlkörpers (3) ist ein Leiterrahmen (7) mit einem Leiteranschluss (7a) unter Zwischenschaltung der Isolierschicht (5) angeordnet. Das Leistungshalbleiterelement (9) ist auf dem Leiterrahmen (7) montiert. Das Dichtharz (13) ist so geformt, dass es einen inneren Bereich (4b) abdeckt, der sich innerhalb eines äußeren Peripheriebereichs (4a) befindet, der sich um den gesamten Umfang entlang des äußeren Umfangs der ersten Hauptoberfläche (3a) des Kühlkörpers (3) befindet. Entlang des Dichtharzes (13) im äußeren Peripheriebereich (4a) der ersten Hauptoberfläche (3a) ist eine erste Vertiefung (15) ausgebildet.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung desselben, sowie einen Leistungswandler.
  • STAND DER TECHNIK
  • Viele Halbleiterbauelemente sind mit Leistungshalbleiterelementen ausgestattet, die wärmeerzeugende Komponenten sind. Bei derartigen Halbleiterbauelementen kommt es im Betrieb zu einer Wärmeerzeugung durch die Leistungshalbleiterelemente. Die Halbleiterbauelemente verwenden daher ein relativ dickes Metall- oder Keramiksubstrat mit einem Schaltungsmuster zur effizienten Ableitung der erzeugten Wärme.
  • Um die Wärmeableitungsfläche weiter zu vergrößern und die Wärmeableitung zu verbessern, schlagen Patentdokument 1 und Patentdokument 2 beispielsweise ein Halbleiterbauelement vor, das mit einem Kühlkörper versehen ist, dessen Größe größer ist als die Größe eines Leistungsmoduls, das ein mit Harz versiegeltes Leistungshalbleiterelement enthält.
  • In einer Kühlstruktur des in Patentdokument 1 vorgeschlagenen Leistungsmoduls ist ein Wärmeübertragungselement, wie z.B. Wärmeübertragungsfett, zwischen einem Leistungsmodul, das ein mit Harz versiegeltes Leistungshalbleiterelement enthält, und einem als Kühlkörper dienenden Radiator angeordnet.
  • In dem in Patentdokument 2 vorgeschlagenen Halbleiterbauelement sind ein Halbleitermodul, das ein mit Harz versiegeltes Leistungshalbleiterelement enthält, und ein als Kühlkörper dienender Kühler durch Klebelot verbunden.
  • STAND DER TECHNIK
    • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2013-16 606 A
    • Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2010-114 257 A
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • In dem herkömmlichen Halbleiterbauelement, das mit einem Kühlkörper versehen ist, der eine Größe hat, die größer ist als die Größe des Leistungsmoduls, ragt ein Leiteranschluss, der an einen Leiterrahmen anschließt, aus einer Seitenfläche des Harzes heraus, welches das Leistungshalbleiterelement abdichtet. Dies erschwert das integrale Versiegeln des Kühlkörpers, des Leistungshalbleiterelements und dergleichen mit einer Form für Spritzpressen („Transferforming“).
  • Aus diesem Grund wird nach dem Versiegeln des Leistungshalbleiterelements mit Harz der Kühlkörper auf das das Leistungshalbleiterelement versiegelnde Harz montiert, wobei ein Wärmeübertragungselement wie Wärmeübertragungsfett oder Klebelot dazwischengeschaltet wird. Leider ist der Wärmewiderstand des Wärmeübertragungselements wie Wärmeübertragungsfett oder der Wärmewiderstand des Klebelots einer der Faktoren, die eine weitere Verbesserung der Wärmeabführungseigenschaften verhindern.
  • Die vorliegende Erfindung soll das oben genannte Problem lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit verbesserten Wärmeableitungseigenschaften bereitzustellen. Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements bereitzustellen. Ein weiteres Ziel ist es, einen Leistungswandler bereitzustellen, an dem ein solches Halbleiterbauelement verwendet wird.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Ein Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Kühlkörper, ein Schaltungsmuster, ein Leiterteil, ein Halbleiterelement und ein Dichtelement. Der Kühlkörper hat eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche, die einander gegenüberliegen. Das Schaltungsmuster ist an der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht angeordnet. Das Leiterteil ist elektrisch mit dem Schaltungsmuster verbunden. Das Halbleiterelement ist auf dem Schaltungsmuster angebracht und elektrisch mit dem Schaltungsmuster verbunden. Das Dichtelement ist an der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers ausgebildet, um das Halbleiterelement und das Schaltungsmuster abzudichten. Das Leiterteil ist von einer Oberfläche aus freigelegt, die sich auf der Seite befindet, die der Seite gegenüberliegt, auf der sich der Kühlkörper im Dichtelement befindet. Das Dichtelement ist so geformt, dass es einen inneren Bereich abdeckt, der sich innerhalb eines äußeren Peripheriebereichs befindet, der sich um einen gesamten Umfang entlang eines äußeren Umfangs der ersten Hauptfläche des Kühlkörpers befindet. Der äußere Peripheriebereich in der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers hat eine erste Vertiefung entlang des Dichtelements.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet die folgenden Schritte. Ein Kühlkörper mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, die einander gegenüberliegen, wird vorbereitet. Ein Schaltungsmuster wird vorbereitet. Ein Halbleiterelement wird auf dem Schaltungsmuster angebracht und das Halbleiterelement wird elektrisch mit dem Schaltungsmuster verbunden. Ein mit dem Schaltungsmuster elektrisch verbundenes Leiterteil wird in Richtung einer Seite angeordnet, die der Seite, auf der der Kühlkörper angeordnet werden soll, relativ zum Schaltungsmuster gegenüberliegt. Das Schaltungsmuster, das elektrisch mit dem Halbleiterelement verbunden ist, wird unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht montiert, die auf der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers angeordnet ist. Eine untere Form und eine obere Form werden vorbereitet, wobei die obere Form einen Hohlraum, der mit einem Dichtelement zum Abdichten des Halbleiterelements und des Schaltungsmusters zu füllen ist, und einen Vorsprung aufweist, der in Richtung der unteren Form vorsteht. Der Kühlkörper mit dem darauf montierten Schaltungsmuster ist in der unteren Form angeordnet. Der Kühlkörper ist sandwichartig zwischen der unteren Form und der oberen Form angeordnet, so dass das Halbleiterelement und das Schaltungsmuster im Hohlraum untergebracht sind. Der Hohlraum wird mit dem Dichtelement gefüllt, um das Halbleiterelement und das Schaltungsmuster abzudichten. Die untere Form und die obere Form werden entfernt, um das Leiterteil von einer Oberfläche freizulegen, die sich auf einer Seite befindet, die der Seite gegenüberliegt, auf der sich der Kühlkörper im Dichtelement befindet. In dem Schritt des Einlegens des Kühlkörpers zwischen die obere Form und die untere Form wird ein Bereich um den gesamten Umfang entlang des äußeren Umfangs des Kühlkörpers eingelegt. An einem Bereich der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers ist eine erste Vertiefung entsprechend dem Vorsprung ausgebildet.
  • Ein Leistungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Hauptwandlerschaltung mit dem oben beschriebenen Halbleiterbauelement zur Umwandlung der Eingangsleistung und zur Ausgabe der umgewandelten Leistung sowie eine Steuerschaltung zur Ausgabe eines Steuersignals an die Hauptwandlerschaltung zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung.
  • Effekt der Erfindung
  • Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement ist das Leiterteil von einer Oberfläche aus freigelegt, die sich auf einer Seite befindet, die der Seite gegenüberliegt, auf der der Kühlkörper im Dichtelement angeordnet ist. Das Dichtelement ist so ausgebildet, dass es einen inneren Bereich abdeckt, der sich innerhalb eines äußeren Peripheriebereichs befindet, der sich um den gesamten Umfang entlang der ersten Hauptfläche des Kühlkörpers erstreckt. Mit dieser Konfiguration wird die im Halbleiterelement erzeugte Wärme effizienter an den Kühlkörper übertragen. Dadurch kann die übertragene Wärme effizienter abgeführt werden, wodurch die Wärmeableitungseigenschaften verbessert werden.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt des Einlegens des Kühlkörpers zwischen die obere Form und die untere Form der Bereich um den gesamten Umfang entlang des äußeren Umfangs des Kühlkörpers eingelegt und der Hohlraum wird mit dem Dichtharz gefüllt. Durch dieses Verfahren kann ein Halbleiterbauelement mit verbesserten Wärmeableitungseigenschaften hergestellt werden.
  • In dem Leistungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung wird das oben beschriebene Halbleiterbauelement verwendet, um einen Leistungswandler mit guten Wärmeableitungseigenschaften und hoher Isolierleistung bereitzustellen.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 1 gezeigten Linie II-II in der ersten Ausführungsform;
    • 3 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements in der ersten Ausführungsform;
    • 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements in der ersten Ausführungsform zeigt,
    • 5 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 4 gezeigten Schritt in der ersten Ausführungsform durchgeführt wird;
    • 6 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 5 gezeigten Schritt in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 7 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 6 gezeigten Schritt in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 8 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 7 gezeigten Schritt in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 9 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 8 gezeigten Schritt in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 10 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 9 gezeigten Schritt in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 11 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 10 gezeigten Schritt in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 12 ist eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Art der Verwendung des Halbleiterbauelements in der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 13 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements gemäß einer Modifikation in der ersten Ausführungsform;
    • 14 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Leiterrahmen des Halbleiterbauelements gemäß einer weiteren Modifikation in der ersten Ausführungsform zeigt,
    • 15 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Leiterrahmen des Halbleiterbauelements gemäß einer weiteren Modifikation in der ersten Ausführungsform zeigt,
    • 16 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 17 ist eine Querschnittsansicht eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements in der zweiten Ausführungsform;
    • 18 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 17 gezeigten Schritt in der zweiten Ausführungsform durchgeführt wird;
    • 19 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 18 gezeigten Schritt in der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 20 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 19 gezeigten Schritt in der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 21 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 20 gezeigten Schritt in der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 22 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 21 gezeigten Schritt in der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 23 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt bei einer Modifikation des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements in der zweiten Ausführungsform zeigt,
    • 24 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt zeigt, der nach dem in 23 gezeigten Schritt in der zweiten Ausführungsform durchgeführt wird;
    • 25 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Halbleiterbauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 26 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Halbleiterbauelements in der dritten Ausführungsform;
    • 27 ist eine Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements in der dritten Ausführungsform zeigt, und
    • 28 ist ein Blockdiagramm eines Leistungswandlers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsform 1
  • Nachfolgend wird ein Halbleiterbauelement gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben. Wie in 1 und 2 gezeigt, beinhaltet ein Halbleiterbauelement 1 einen Kühlkörper 3, eine Isolierschicht 5, einen Leiterrahmen 7, ein Leistungshalbleiterelement 9, ein Dichtharz 13 und Rippen 23.
  • Der Kühlkörper 3 hat eine erste Hauptoberfläche 3a und eine zweite Hauptoberfläche 3b, die einander gegenüberliegen. Auf der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 ist ein als Schaltungsmuster dienender Leiterrahmen 7 mit dazwischenliegender Isolierschicht 5 angeordnet. Der Leiterrahmen 7 beinhaltet einen Leiteranschluss 7a. Das Leistungshalbleiterelement 9 ist als Halbleiterelement auf den Leiterrahmen 7 montiert. Das Leistungshalbleiterelement 9 ist über einen Bonddraht 11 elektrisch mit dem Leiterrahmen 7 verbunden.
  • Das Dichtharz 13 ist z.B. ein Formharz aus Epoxidharz zum Abdichten des Leiterrahmens 7, des Leistungshalbleiterelements 9 und dergleichen und bildet eine äußere Form des Halbleiterbauelements 1. Das Dichtharz 13 deckt die erste Hauptoberflächenseite 3a des Kühlkörpers 3 ab. Auf der zweiten Hauptoberflächenseite 3b des Kühlkörpers 3 ist das Dichtharz 13 nicht ausgebildet.
  • Der Leiteranschluss 7a ragt aus der Fläche heraus, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der Seite befindet, auf der sich der Kühlkörper 3 im Dichtharz 13 befindet. Der Leiteranschluss 7a ist als Leiterteil durchgehend mit dem Leiterrahmen 7 verbunden. An der zweiten Hauptoberfläche 3b des Kühlkörpers 3 ist eine Mehrzahl von Rippen 23 einstückig angeordnet.
  • Die Komponenten, die das Halbleiterbauelement 1 bilden, werden im Einzelnen beschrieben. Der Kühlkörper 3 mit der Isolierschicht 5 auf der ersten Hauptoberfläche 3a fungiert als Metallplatte. Der Kühlkörper 3 hat durch die auf der zweiten Hauptoberfläche 3b angeordneten Rippen 23 eine ausreichende Wärmeableitungsleistung.
  • Der Kühlkörper 3 ist z.B. aus einem metallischen Material, wie Aluminium oder Kupfer, mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und mit einer ausreichenden Wärmeabgabeleistung gebildet. Die Rippen 23 können flache, plattenförmige Rippen oder stiftförmige Rippen sein. Eine erste Vertiefung 15, die in der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 gebildet wird, ist eine Vertiefung, die erzeugt wird, wenn der Kühlkörper 3 zwischen einer oberen Form und einer unteren Form eingeschlossen wird, so dass das Dichtharz 13 nicht aus der Form austritt, wenn das Dichtharz 13 durch Wärme und Druck mit der Form geformt wird.
  • Die Isolierschicht 5 wird beispielsweise aus einem wärmehärtenden Harz wie Epoxidharz gebildet. Um die Wärmeableitungsleistung der Isolierschicht 5 zu verbessern, wird das duroplastische Harz mit einem Füllstoff gefüllt, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der wärmeleitende Füllstoff ist vorzugsweise ein anorganisches Pulver aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder dergleichen. Unter den anorganischen Pulvern dieser Materialien kann die Isolierschicht 5 mit anorganischem Pulver eines Materials gefüllt sein oder mit anorganischen Pulvern von zwei oder mehr Materialien gefüllt sein.
  • Da das wärmehärtende Harz in der Isolierschicht 5 oft mit anorganischem Pulver, das eine höhere Wärmeableitungsleistung hat, hoch gefüllt ist, ist es notwendig, das Dichtharz 13 durch Wärme und Druck unter einem hohen Druck auszuhärten, um die intrinsische Wärmeleitfähigkeit und die isolierenden Eigenschaften zu gewährleisten. Wenn Siliziumnitrid als anorganisches Pulver zugegeben wird, beträgt der Formgebungsdruck für die Formgebung von Dichtharz 13 beispielsweise etwa 5 MPa bis 15 MPa.
  • Die mit einem solchen anorganischen Pulver gefüllte Isolierschicht 5 kann bei Bedarf entsprechend gewählt werden. Wenn das Dichtharz 13 durch Wärme und Druck unter einem hohen Formgebungsdruck ausgehärtet wird, ist eine solche Maßnahme wie die Vergrößerung des Bereichs der ersten Vertiefung 15 erforderlich, um zu verhindern, dass das Dichtharz aus der Form austritt.
  • Der als Schaltungsmuster dienende Leiterrahmen 7 wird z.B. aus einem gestanzten Kupferblech gebildet. Das auf dem Leiterrahmen 7 montierte Leistungshalbleiterelement 9 ist nicht auf ein siliziumbasiertes Leistungshalbleiterelement beschränkt und kann z.B. ein SiC-basiertes Leistungshalbleiterelement oder ein GaN-basiertes Leistungshalbleiterelement sein.
  • Das Element, das den Leiterrahmen 7 und das Leistungshalbleiterelement 9 elektrisch verbindet, ist nicht auf den Bonddraht 11 beschränkt und kann beispielsweise eine direkte Leitung sein, die aus einer Kupferplatte gebildet ist. Der Leiteranschluss 7a, bei dem es sich um einen Endbereich des Leiterrahmens 7 handelt, ragt nicht aus der Seitenfläche des Dichtharzes 13 heraus, sondern ragt auf der gegenüberliegenden Seite der Seite, auf der sich der Kühlkörper 3 im Dichtharz 13 befindet, wie oben beschrieben, aus der Oberfläche heraus.
  • Das Dichtharz 13 ist so ausgebildet, dass es einen inneren Bereich 4b abdeckt, der sich innerhalb eines äußeren Umfangsbereichs 4a befindet, der sich um den gesamten Umfang entlang des äußeren Umfangs der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 befindet. Die erste Vertiefung 15 wird entlang des Dichtharzes 13 im äußeren Peripheriebereich 4a der ersten Hauptoberfläche 3a gebildet, der nicht mit Dichtharz 13 bedeckt ist. Grate des Dichtharzes 13 können an der Oberfläche eines Teils des äußeren Peripheriebereichs 4a des Kühlkörpers 3 haften, an dem die erste Vertiefung 15 nicht ausgebildet ist.
  • Wie in 1 bis 3 gezeigt, ist es wünschenswert, dass eine zweite Vertiefung 17 im inneren Bereich 4b der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3, die mit Dichtharz 13 bedeckt wird, gebildet wird. In einem Spritzpressverfahren wird die zweite Vertiefung 17 mit Dichtharz 13 gefüllt, um die Haftung zwischen Dichtharz 13 und Kühlkörper 3 bzw. die Rissfestigkeit zu verbessern. Beispielsweise wird bei einem Zuverlässigkeitstest, bei dem abwechselnd ein Test unter hohen Temperaturen und ein Test unter niedrigen Temperaturen durchgeführt wird (Temperaturzyklus), die Ablösung von Dichtharz 13 vom Kühlkörper 3 und die Rissbildung von Dichtharz 13 unterdrückt.
  • Obwohl die Form (Querschnittsform) der zweiten Vertiefung 17 halbkreisförmig oder rechteckig sein kann, ist eine Form wünschenswert, die die Möglichkeit verringert, dass sich das in die zweite Vertiefung 17 eingefüllte Dichtharz 13 von der zweiten Vertiefung 17 ablöst. Das Verfahren zum Formen der zweiten Vertiefung 17 ist nicht auf die maschinelle Bearbeitung beschränkt, und die zweite Vertiefung kann durch Schmieden oder mehrstufiges Pressen geformt werden. Unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit oder der Produktionskosten kann das Verfahren zum Formen der zweiten Vertiefung 17 entsprechend gewählt werden.
  • Es ist wünschenswert, dass das Dichtharz 13 anorganisches Pulver, z.B. aus Kieselsäure oder Aluminiumoxid, enthält. Bei Dichtharz 13, das ein solches anorganisches Pulver enthält, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Dichtharzes 13 näher am Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers 3, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leiterrahmens und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leistungshalbleiterelements 9 liegen, wodurch ein Verziehen des gesamten Halbleiterbauelements 1 unterdrückt wird. Das Halbleiterbauelement 1 gemäß der ersten Ausführungsform ist wie oben beschrieben ausgebildet.
  • Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements wie oben beschrieben wird nun erläutert. Wie in 4 dargestellt, wird ein Kühlkörper 3 mit einer ersten Hauptoberfläche 3a und einer zweiten Hauptoberfläche 3b, die einander gegenüberliegen, hergestellt. Die zweite Hauptoberfläche 3b des Kühlkörpers 3 ist mit einer Vielzahl von Rippen 23 versehen. Erste Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 weist eine zweite Vertiefung 17 auf.
  • Anschließend wird die Isolierschicht 5 gebildet, indem eine Harzzusammensetzung (Material) mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Epoxidharz, auf einen Bereich aufgebracht wird, in dem der Leiterrahmen 7 (siehe 2) in der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 montiert werden soll. Beispielsweise kann anstelle des Auftragens einer Harzzusammensetzung eine blattförmige Harzzusammensetzung gegen die erste Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 gepresst und an dieser befestigt werden.
  • Anschließend werden ein Leiterrahmen vorbereitet und Lötpaste auf einen Bereich aufgetragen, in dem ein elektronisches Bauteil, wie z.B. ein Leistungshalbleiterelement, montiert werden soll. Anschließend wird ein elektronisches Bauteil auf der Lotpaste platziert. Anschließend wird, wie in 5 gezeigt, das elektronische Bauelement, wie z.B. das Leistungshalbleiterelement 9, auf den Leiterrahmen 7 montiert, beispielsweise durch einen Reflow-Prozess.
  • Anschließend wird, wie in 6 gezeigt, das Leistungshalbleiterelement 9 und dergleichen mit dem Leiterrahmen 7 durch einen Bonddraht 11 elektrisch verbunden. Anstelle eines Bonddrahtes kann z.B. auch eine direkte Leitung wie eine Kupferplatte verwendet werden. Anschließend wird im Leiterrahmen 7 ein Bereich, der als Leiteranschluss 7a dient, nach oben gebogen (siehe 7). Nachdem ein als Leiteranschluss 7a dienender Bereich im Leiterrahmen 7 vorgebogen ist, kann das elektronische Bauteil auf den Leiterrahmen 7 montiert werden.
  • Anschließend wird, wie in 7 gezeigt, der Leiterrahmen 7 mit dem darauf montierten Leistungshalbleiterelement 9 und dergleichen auf die Isolierschicht 5 montiert. Anschließend werden, wie in 8 dargestellt, eine obere Form 51 und eine untere Form 53 als Form 50 für Spritzpressen vorbereitet. Die obere Form 51 hat einen Vorsprung 51a, der in Richtung der unteren Form 53 vorsteht, um ein Auslaufen des zu füllenden Dichtharzes in den Hohlraum zu verhindern. Die obere Form 51 hat außerdem ein Aufnahmeloch 51b zur Aufnahme des Leiteranschlusses.
  • Anschließend wird, wie in 9 gezeigt, der Kühlkörper 3 mit dem darauf montierten Leiterrahmen 7 und dergleichen in die untere Form 53 eingesetzt. Anschließend wird, wie in 10 gezeigt, die obere Form 51 an die untere Form 53 angenähert, so dass der äußere Umfangsbereich des Kühlkörpers 3 zwischen der oberen Form 51 und der unteren Form 53 eingeschlossen ist. In der ersten Hauptoberfläche 3a wird ein Bereich, der an die obere Form 51 anstößt, zum äußeren Peripheriebereich 4a (siehe 1).
  • In diesem Moment wird der Leiteranschluss 7a in das Aufnahmeloch 51b der oberen Form 51 eingesetzt. Dabei kann in der oberen Form 51 ein Mechanismus zur Veränderung der Breite des Aufnahmelochs 51b vorgesehen sein. Wenn der Kühlkörper 3 zwischen der oberen Form 51 und der unteren Form 53 eingeklemmt ist, stellt dieser Mechanismus die Öffnungsweite des Aufnahmelochs 51b auf einen Zustand ein, der ausreichend breiter ist als die Dicke des Leiteranschlusses 7a, wodurch das Einführen des Leiteranschlusses 7a in das Aufnahmeloch 51b erleichtert wird. Nach dem Einsetzen des Leiteranschlusses 7a in das Aufnahmeloch 51b wird die Öffnungsweite des Aufnahmelochs 51b an die Dicke des Leiteranschlusses 7a angepasst, so dass das Dichtharz 13 (siehe 11) eingegossen werden kann.
  • Eine Passfläche, an der die obere Form 51 und die untere Form 53 zusammengefügt werden, ist im Wesentlichen mit der Ebene abgestimmt, auf der sich die erste Hauptfläche 3a des Kühlkörpers 3 befindet. Dabei wird der Druck zum Einklemmen des Kühlkörpers 3 so eingestellt, dass der an der oberen Form 51 gebildete Vorsprung 51a in die erste Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 eindringt.
  • Anschließend wird, wie in 11 gezeigt, das Dichtharz 13 in einen Hohlraum 55 gegossen. Da in diesem Moment der Vorsprung 51a der oberen Form 51 in die erste Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 eindringt, kann das Dichtharz 13 daran gehindert werden, aus dem Hohlraum 55 in Richtung der Paarungsfläche zwischen der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 und der oberen Form 51 auszutreten.
  • Das Dichtharz 13 wird in der Form 50 (Hohlraum 55) erhitzt und ausgehärtet. Nach dem Aushärten des Dichtharzes 13 wird das Halbleiterbauelement 1 aus der Form 50 entfernt. Anschließend kann gegebenenfalls ein zusätzlicher thermischer Aushärtungsprozess in einem Ofen oder dergleichen durchgeführt werden, um das Dichtharz 13 weiter auszuhärten.
  • Wie in 12 gezeigt, wird das Halbleiterbauelement 1, das dem thermischen Aushärtungsprozess unterzogen wird, in ein Gehäuse 21 eingebaut, um eine Luftkühlstruktur oder eine Wasserkühlstruktur zu verwenden. Der Einbau des Halbleiterbauelements 1 in das Gehäuse 21 kann z.B. dadurch erfolgen, dass der Kühlkörper 3 mit Schrauben 19 am Gehäuse 21 befestigt wird. Alternativ kann der Kühlkörper 3 am Gehäuse 21 befestigt werden, beispielsweise durch Schweißen oder Rührreibschweißen.
  • Beim oben beschriebenen Halbleiterbauelement 1 ist das Dichtharz 13, welches das Leistungshalbleiterelement 9 und dergleichen abdichtet, direkt an der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 angeformt, so dass Dichtharz 13 und Kühlkörper 3 integriert/verbunden sind. Außerdem ist das Dichtharz 13 so ausgebildet, dass es den inneren Bereich 4b abdeckt, der sich innerhalb des äußeren Peripheriebereichs 4a befindet, der sich um den gesamten Umfang entlang des äußeren Umfangs der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 befindet, und die Fläche des Kühlkörpers 3 ist zweidimensional gesehen größer als die Fläche des Dichtharzes 13 - zweidimensional gesehen.
  • Wärmeübertragungsfett o.ä. muss nicht aufgetragen werden und dementsprechend wird der Wärmewiderstand reduziert, so dass die im Leistungshalbleiterelement 9 o.ä. erzeugte Wärme effizienter an den Kühlkörper 3 übertragen wird. Infolgedessen kann die übertragene Wärme effizient abgeführt werden, wodurch die Wärmeableitungseigenschaften verbessert werden.
  • Da das Dichtharz 13 und der Kühlkörper 3 integriert bzw. miteinander (einstückig) verbunden sind, ist es nicht notwendig, den Kühlkörper 3 zu befestigen, nachdem das Dichtharz 13, das das Leistungshalbleiterelement und dergleichen abdichtet, geformt wurde. Dies trägt zur Reduzierung von Fertigungsschritten bei.
  • Des Weiteren ragt der Leiteranschluss 7a nicht von der Seitenfläche des Dichtharzes 13, sondern von der oberen Fläche des Dichtharzes 13 nach oben, und der Leiteranschluss 7a ragt von der Fläche fort, die sich auf der gegenüberliegenden Seite zu der Seite befindet, auf der sich der Kühlkörper 3 im Dichtharz 13 befindet. Diese Konfiguration trägt zur Größenreduzierung des Halbleiterbauelements 1 bei.
  • Wenn das Dichtharz 13 einstückig an den Kühlkörper 3 angeformt wird, ist der äußere Umfangsbereich des Kühlkörpers 3 zwischen der oberen Form 51 und der unteren Form 53 so eingeklemmt, dass die zusammengefügte Oberfläche zwischen der oberen Form 51 und der unteren Form 53 im Wesentlichen mit der Ebene übereinstimmt, auf der sich die erste Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 befindet und der Vorsprung 51a der oberen Form 51 in die erste Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 eindringt.
  • Durch diese Anordnung wird verhindert, dass das in den Hohlraum 55 gefüllte Dichtharz 13 zur Gegenfläche zwischen der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 und der oberen Form 51 hin ausläuft. Der Vorsprung 51a der oberen Form 51 dringt in die erste Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 ein, wodurch in der ersten Hauptoberfläche 3a entlang des Dichtharzes 13 die erste Vertiefung 15 gebildet wird.
  • Wenn das Dichtharz 13 einstückig an den Kühlkörper 3 angeformt ist, füllt ein Teil des Dichtharzes 13, das in den Hohlraum 55 gefüllt ist, auch die zweite Vertiefung 17, die in der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 ausgebildet ist. Dadurch kann die Haftung zwischen Dichtharz 13 und Kühlkörper 3 verbessert werden.
  • Im oben beschriebenen Halbleiterbauelement 1 ist in der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 die zweite Vertiefung 17 ausgebildet. Wie in 13 gezeigt, kann der Kühlkörper 3, bei dem die zweite Vertiefung nicht in der ersten Hauptoberfläche 3a ausgebildet ist, als Kühlkörper 3 verwendet werden.
  • Im oben beschriebenen Halbleiterbauelement 1 ist der Leiterrahmen 7 einmal gebogen, um von der Oberfläche des Dichtharzes 13 freigelegt zu werden. Der Aufbau des Leiterrahmens 7 kann beliebig verändert werden, z.B. unter Berücksichtigung des Isolationsabstandes zwischen Leiterrahmen 7 und Kühlkörper 3 oder des Anschlusses an eine direkte Leitung. Wie in 14 dargestellt, kann der Leiterrahmen 7 z.B. in mehreren Stufen gebogen werden. Wie in 15 gezeigt, kann der Leiterrahmen 7 um eine Länge, die etwa der Hälfte seiner Dicke entspricht, gebogen sein.
  • Ausführungsform 2
  • Nachfolgend wird ein Halbleiterbauelement gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Wie in 16 gezeigt, ist im Halbleiterbauelement 1 beispielsweise auf der ersten Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht 5 ein Muster einer Kupferplatte 8 angeordnet. Ein Metallleiter 25 ist als Leiterteil elektrisch mit der Kupferplatte 8 verbunden.
  • Der Metallleiter 25 ist auf einer Fläche freigelegt, die sich auf der Seite befindet, die der Seite gegenüberliegt, auf der sich der Kühlkörper 3 im Dichtharz 13 befindet. Die andere Konfiguration ähnelt der in 1 und 2 gezeigten Konfiguration des Halbleiterbauelements 1. Das gleiche Bauteil ist mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet und wird nicht weiter erläutert, sofern dies nicht erforderlich ist.
  • Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements, wie oben erläutert, wird nun beschrieben. Wie in 17 gezeigt, wird die Kupferplatte 8 auf die erste Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 unter Zwischenschaltung der Isolierschicht 5 aufgelegt und ein Pressvorgang (Erwärmen und Pressen) zum Aushärten der Isolierschicht 5 wird durchgeführt. Anschließend wird ein Ätzvorgang an der Kupferplatte 8 durchgeführt, um ein Schaltungsmuster der Kupferplatte 8 zu bilden. Anschließend werden, wie in 18 gezeigt, das Leistungshalbleiterelement 9 und der Metallleiter 25 mit der Kupferplatte 8 verlötet. Anschließend wird, wie in 19 gezeigt, das Leistungshalbleiterelement 9 und dergleichen über den Bonddraht 11 mit der Kupferplatte 8 elektrisch verbunden.
  • Anschließend wird, wie in 20 gezeigt, der Kühlkörper 3 mit der darauf montierten Kupferplatte 8 u.ä. in die untere Form 53 eingesetzt. Dann wird, wie in 21 gezeigt, die obere Form 51 an die untere Form 53 angenähert, so dass der äußere Umfangsbereich des Kühlkörpers 3 zwischen der oberen Form 51 und der unteren Form 53 eingeschlossen ist. Dabei wird der Druck zum sandwichartigen Einschließen des Kühlkörpers 3 so eingestellt, dass der an der oberen Form 51 gebildete Vorsprung 51a in die erste Hauptoberfläche 3a des Kühlkörpers 3 eindringt.
  • Anschließend wird, wie in 22 gezeigt, Dichtharz 13 in den Hohlraum 55 gegossen. Das Dichtharz 13 wird in der Form 50 (Hohlraum 55) erhitzt und ausgehärtet. Nach dem Aushärten des Dichtharzes 13 wird das Halbleiterbauelement 1 aus der Form 50 entfernt, wodurch das in 16 gezeigte Halbleiterbauelement 1 entsteht.
  • In dem oben beschriebenen Halbleiterbauelement 1 sind, ähnlich wie in dem zuvor beschriebenen Halbleiterbauelement 1, Dichtharz 13 und Kühlkörper 3 integriert, und die Fläche des Kühlkörpers 3 ist zweidimensional gesehen größer als die Fläche des Dichtharzes 13 - zweidimensional gesehen. Mit dieser Konfiguration kann die im Leistungshalbleiterelement 9 und dergleichen erzeugte Wärme effizienter an den Kühlkörper 3 übertragen werden. Infolgedessen kann die übertragene Wärme effizient abgeführt werden, wodurch die Wärmeableitungseigenschaften verbessert werden.
  • Ähnlich wie bei dem zuvor beschriebenen Halbleiterbauelement 1 ist es nicht notwendig, den Kühlkörper 3 zu befestigen, nachdem das Dichtharz 13, welches das Leistungshalbleiterelement 9 und dergleichen abdichtet, geformt ist. Dies trägt zur Reduzierung der Fertigungsschritte bei. Weiterhin ragt der Metallleiter 25 nicht von der Seitenfläche des Dichtharzes 13, sondern von der Oberseite nach oben. Diese Ausgestaltung trägt zur Größenreduzierung des Halbleiterbauelements 1 bei.
  • Bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements kann im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements die Höhe der Metallleiter 25 vom Kühlkörper 3 aufgrund von Variationen der Rippenabmessungen zum Zeitpunkt des Lötens der Metallleiter 25 an die Kupferplatte 8 oder aufgrund von Maßvariationen der Metallleiter 25 variieren.
  • Um den Hohlraum 55 mit Dichtharz 13 in einem Zustand zu befüllen, in dem der Kühlkörper 3 zuverlässig zwischen der oberen Form 51 und der unteren Form 53 eingebettet ist, ist es daher wünschenswert, eine wärmebeständige Schicht zu verwenden, die in der Lage ist, Toleranzen (Schwankungen) in der Höhe der Metallleiter 25 vom Kühlkörper 3 zu kompensieren. Dieses Verfahren wird nun beschrieben.
  • Wie in 23 gezeigt, wird eine wärmebeständige Schicht 61 zwischen der oberen Form 51 und der unteren Form 53 angeordnet, in der sich Kühlkörper 3 und dergleichen befinden. Anschließend wird die wärmebeständige Schicht 61 an die Oberfläche des Hohlraums 55 angepasst, z.B. durch Vakuumansaugung, und der Kühlkörper 3 wird zwischen die obere Form 51 und die untere Form 53 eingelegt (siehe 24). Anschließend wird, wie in 24 dargestellt, der Hohlraum 55 mit Dichtharz 13 befüllt. Nachdem das Dichtharz 13 erhitzt und ausgehärtet ist, wird das Halbleiterbauelement 1 aus der Form 50 entfernt.
  • Bei dem Herstellungsverfahren mit der wärmebeständigen Schicht/Folie dient die zwischen dem Metallleiter 25 und der oberen Form 51 angeordnete wärmebeständige Schicht 61 als Polsterelement. Wenn der Kühlkörper 3 zwischen der oberen Form 51 und der unteren Form 53 eingeklemmt ist, dringt daher in dem Fall, in dem der Metallleiter 25, dessen Höhe vom Kühlkörper 3 größer als eine Referenzhöhe ist, vorgesehen ist, der Metallleiter 25 in die wärmebeständige Schicht 61 ein, wodurch der Druck, der von der oberen Form 51 auf den Metallleiter 25 wirkt, gemindert wird. Dadurch kann eine Beschädigung des Klebebereichs zwischen Metallleiter 25 und Kupferplatte 8 sowie eine Beschädigung der unter der Kupferplatte 8 befindlichen Isolierschicht 5 unterdrückt werden.
  • Bei dem so hergestellten Halbleiterbauelement 1 steht ein oberer Bereich der Metallleiter 25 geringfügig über die Oberfläche des Dichtharzes 13 hinaus. Nach der Herstellung des Halbleiterbauelements 1 wird die in der oberen Form 51 verbliebene wärmebeständige Schicht 61 entnommen und entsorgt.
  • Ausführungsform 3
  • Bei dem zuvor beschriebenen Halbleiterbauelement 1 ist an der zweiten Hauptoberfläche 3b des Kühlkörpers 3 eine Vielzahl von Rippen 23 einstückig angeordnet. Hier wird ein Halbleiterbauelement beschrieben, bei dem ein Kühlkörper und eine Mehrzahl von Rippen separat vorgesehen sind.
  • Wie in 25 gezeigt, sind beispielsweise Flachplattenrippen 27 an die zweite Hauptoberflächenseite 3b des Kühlkörpers 3 im Halbleiterbauelement 1 geklebt. Wie in 26 gezeigt, ist beispielsweise eine Wellenrippe 29 auf die zweite Hauptoberflächenseite 3b des Kühlkörpers 3 im Halbleiterbauelement 1 geklebt.
  • Als Rippen können beispielsweise relativ preiswerte, durch Strangpressen von Aluminium hergestellte Rippen wie die Flachplattenrippen 27 oder die Wellenrippe 29 verwendet werden. Alternativ kann eine flexible Rippenstruktur verwendet werden, bei der eine dünne Aluminiumplatte in die Form der Rippen gefaltet wird. Die vom Kühlkörper 3 getrennten Rippen können mit dem Kühlkörper 3 durch Löten, Laserschweißen oder Einpassen durch Crimpen oder dergleichen verbunden werden.
  • Bei dem Halbleiterbauelement, bei dem der Kühlkörper von einer Vielzahl von Rippen getrennt ist, kann der Umformdruck des Dichtharzes im Spritzpressverfahren erhöht werden. Dieser Vorgang wird im Folgenden beschrieben. Wie in 27 gezeigt, kann, da der Kühlkörper 3 von einer Mehrzahl von Rippen getrennt ist, die untere Form 53, in die der Kühlkörper 3 eingesetzt werden soll, mit der gesamten zweiten Hauptoberfläche 3b des Kühlkörpers 3 in Kontakt gebracht werden.
  • Durch diese Anordnung kann zuverlässig verhindert werden, dass der Kühlkörper durch den Umformdruck beim Einbringen des Dichtharzes 13 in den Hohlraum 55 zur Umformung verformt wird. Dadurch kann ein höherer Umformdruck eingestellt werden, verglichen mit der Verwendung einer unteren Form 53 (siehe 10 und dergleichen), in der der Kühlkörper 3 mit einer Vielzahl von darauf angeordneten Rippen 23 angeordnet ist.
  • Um die intrinsische Wärmeleitfähigkeit und die isolierenden Eigenschaften der Isolierschicht 5, die zwischen dem Kühlkörper 3 und dem Leiterrahmen 7 angeordnet ist, zu gewährleisten, ist, je mehr anorganisches Pulver enthalten ist, ein höherer Aushärtungsdruck erforderlich, wenn ein Harz, wie z.B. Epoxidharz, das als Basis der Isolierschicht 5 dient, erhitzt und ausgehärtet wird. Insbesondere die Form des anorganischen Pulvers hat einen wesentlichen Einfluss auf die Druckhärtung. Wenn Siliziumnitrid in der Isolierschicht 5 enthalten ist, ist die Fließfähigkeit der Isolierschicht 5 im Vergleich zu Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid in der Isolierschicht 5 aufgrund der nicht kugelförmigen Form von Siliziumnitrid gering, und es ist oft ein hoher Druck erforderlich, um die intrinsische Wärmeleitfähigkeit oder andere Eigenschaften zu entwickeln.
  • Wenn die Isolierschicht 5 erhitzt und gepresst wird, um im Hohlraum unter Verwendung einer Form für das Spritzpressen ausgehärtet zu werden, kann ein von einer Vielzahl von Rippen getrennter Kühlkörper als Kühlkörper eingesetzt werden, so dass die Isolierschicht 5 unter einem höheren Druck ausgehärtet wird und eine höhere Wärmeleitfähigkeit für Isolierschicht 5 gewährleistet ist.
  • Wenn Siliziumnitrid als anorganisches Pulver eingesetzt wird, wird das Volumenverhältnis von Siliziumnitrid zum Volumen der Isolierschicht, die Siliziumnitrid enthält, auf weniger als 40 Volumenprozent eingestellt, um die intrinsische Wärmeleitfähigkeit und die isolierenden Eigenschaften bei einem Formgebungsdruck von etwa 5 MPa zum Zeitpunkt des Aufheizens und Aushärtens zu gewährleisten. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa 2 bis 5 W/(m·K). Wenn das Volumenverhältnis von Siliziumnitrid 40 Volumenprozent oder mehr und weniger als 50 Volumenprozent beträgt, ist ein Formungsdruck von etwa 10 MPa erforderlich, und die Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa 4 bis 6 W/(m·K).
  • Wenn das Volumenverhältnis von Siliziumnitrid 50 Volumenprozent oder mehr und weniger als 60 Volumenprozent beträgt, kann eine Wärmeleitfähigkeit bis zu 5 bis 14 W/(m K) entwickelt werden. In diesem Fall ist ein Umformdruck von 10 MPa oder mehr erforderlich. Dann kann, wie in 27 gezeigt, die untere Form 53, die mit der gesamten zweiten Hauptoberfläche 3b des Kühlkörpers 3 in Kontakt gebracht wird, verwendet werden, um ein zuverlässigeres Halbleiterbauelement mit hervorragenden Isolationseigenschaften und Wärmeleitfähigkeit herzustellen.
  • Ausführungsform 4
  • Es wird nun ein Leistungswandler beschrieben, bei dem das in den vorangegangenen ersten bis dritten Ausführungsformen beschriebene Halbleiterbauelement eingesetzt wird. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf einen bestimmten Leistungswandler beschränkt ist, wird ein dreiphasiger Wechselrichter, auf den die vorliegende Erfindung angewandt wird, im Folgenden als vierte Ausführungsform beschrieben.
  • 28 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungswandlersystems zeigt, in dem ein Leistungswandler gemäß der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt wird. Das in 28 dargestellte Leistungswandlersystem beinhaltet eine Stromversorgung 100, einen Leistungswandler 200 und eine Last 300. Die Stromversorgung 100 ist eine Gleichstrom-Stromversorgung und versorgt den Leistungswandler 200 mit Gleichstrom. Die Stromversorgung 100 kann mit einer Vielzahl von Stromversorgungen konfiguriert werden, zum Beispiel mit einem Gleichstromsystem, einer Solarzelle oder einer Speicherbatterie. Die Stromversorgung 100 kann mit einer Gleichrichterschaltung oder einem AC/DC-Wandler konfiguriert sein, der an ein AC-System angeschlossen ist. Die Stromversorgung 100 kann mit einem DC/DC-Wandler konfiguriert sein, der die von einem Gleichstromsystem abgegebene Gleichstromleistung in eine vorgegebene Leistung umwandelt.
  • Der Leistungswandler 200 ist ein dreiphasiger Wechselrichter, der zwischen die Stromversorgung 100 und die Last 300 geschaltet ist, die die von der Stromversorgung 100 gelieferte DC-Leistung in AC-Leistung umwandelt und die AC-Leistung an die Last 300 liefert. Wie in 28 gezeigt, beinhaltet der Leistungswandler 200 eine Hauptwandlerschaltung 201, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und den Wechselstrom auszugeben, und eine Steuerschaltung 203, um ein Steuersignal zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung 201 an die Hauptwandlerschaltung 201 auszugeben.
  • Die Last 300 ist hier ein dreiphasiger Elektromotor, der durch die vom Leistungswandler 200 gelieferte Wechselstromleistung angetrieben wird. Die Last 300 ist nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt und ist hier ein Elektromotor, der in einer Vielzahl von elektrischen Geräten installiert sein kann, z.B. als Elektromotor für ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, einen Aufzug oder ein Klimagerät.
  • Im Folgenden wird der Leistungswandler 200 im Detail beschrieben. Die Hauptwandlerschaltung 201 beinhaltet Schaltelemente und Freilaufdioden (nicht dargestellt). Die Schaltelemente werden geschaltet, wodurch die von der Stromversorgung 100 gelieferte Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umgewandelt wird, die wiederum der Last 300 zugeführt wird. Obwohl es eine Vielzahl von spezifischen Schaltungskonfigurationen der Hauptwandlerschaltung 201 gibt, ist die Hauptwandlerschaltung 201 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als eine zweistufige dreiphasige Vollbrückenschaltung und mit sechs Schaltelementen und sechs Freilaufdioden konfiguriert, die antiparallel zu den jeweiligen Schaltelementen geschaltet sind.
  • Das Halbleiterbauelement 1 gemäß mindestens einer der vorangehenden ersten bis dritten Ausführungsformen ist als Halbleitermodul 202 in mindestens einem der Schaltelemente und der Freilaufdioden der Hauptwandlerschaltung 201 eingesetzt. Die sechs Schaltelemente sind zu zweit in Reihe geschaltet und bilden obere und untere Zweige, wobei die oberen und unteren Zweige jeweils eine Phase (U-Phase, V-Phase, W-Phase) der Vollbrückenschaltung bilden. Die Ausgangsanschlüsse des oberen und unteren Zweiges, d. h. drei Ausgangsanschlüsse der Hauptwandlerschaltung 201 sind mit der Last 300 verbunden.
  • Die Hauptwandlerschaltung 201 enthält eine Ansteuerschaltung (nicht dargestellt) zum Ansteuern jedes Schaltelements. Die Ansteuerschaltung kann im Halbleitermodul 202 enthalten sein oder die Ansteuerschaltung kann separat vom Halbleitermodul 202 vorgesehen sein. Die Ansteuerschaltung erzeugt ein Ansteuersignal zur Ansteuerung eines Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 201 und liefert das Ansteuersignal an die Steuerelektrode des Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 201. Konkret wird gemäß einem später beschriebenen Steuersignal der Steuerschaltung 203 ein Ansteuersignal zum Einschalten eines Schaltelements und ein Ansteuersignal zum Ausschalten eines Schaltelements an die Steuerelektrode des jeweiligen Schaltelements ausgegeben. Wenn das Schaltelement eingeschaltet gehalten werden soll, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal (EIN-Signal), das gleich oder größer als eine Schwellenspannung des Schaltelements ist. Wenn das Schaltelement ausgeschaltet gehalten werden soll, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal (AUS-Signal), das gleich oder kleiner als eine Schwellenspannung des Schaltelements ist.
  • Die Steuerschaltung 203 steuert die Schaltelemente der Hauptwandlerschaltung 201 so, dass eine gewünschte Leistung an die Last 300 geliefert wird. Insbesondere wird die Zeit (EIN-Zeit), während der jedes Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 201 eingeschaltet werden soll, auf der Grundlage der an die Last 300 zu liefernden Leistung berechnet. Die Hauptwandlerschaltung 201 kann z.B. durch eine PWM-Steuerung gesteuert werden, die die EIN-Zeit der Schaltelemente in Abhängigkeit von einer auszugebenden Spannung moduliert. Dann wird ein Steuerbefehl (Steuersignal) an die Ansteuerschaltung der Hauptwandlerschaltung 201 ausgegeben, so dass zu jedem Zeitpunkt ein EIN-Signal an ein einzuschaltendes Schaltelement und ein AUS-Signal an ein auszuschaltendes Schaltelement ausgegeben wird. Die Ansteuerschaltung gibt entsprechend diesem Steuersignal ein EIN-Signal oder ein AUS-Signal als Ansteuersignal an die Steuerelektrode eines jeden Schaltelements aus.
  • In dem Leistungswandler gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in mindestens einem der Schaltelemente und der Freilaufdioden der Hauptwandlerschaltung 201 als Halbleitermodul 202 ein Halbleiterbauelement 1 gemäß der vorangegangenen ersten bis dritten Ausführungsform eingesetzt, so dass die elektrischen Isolationseigenschaften verbessert werden und dadurch die Zuverlässigkeit des Leistungswandlers erhöht wird.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung auf einen zweistufigen, dreiphasigen Wechselrichter angewendet wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und ist auf eine Vielzahl von Leistungswandlern anwendbar. Obwohl die vorliegende Erfindung in der vorliegenden Ausführungsform auf einen zweistufigen Leistungswandler angewendet wird, kann die vorliegende Erfindung auf einen dreistufigen oder mehrstufigen Leistungswandler angewendet werden, oder die vorliegende Erfindung kann auf einen einphasigen Wechselrichter angewendet werden, wenn der Strom einer einphasigen Last zugeführt wird. Wenn Strom zu einer DC Last oder dergleichen zugeführt wird, kann die vorliegende Erfindung auf einen DC/DC-Wandler oder einen AC/DC-Wandler angewendet werden.
  • Der Leistungswandler, der die vorliegende Erfindung verwendet, ist nicht auf einen Fall beschränkt, in dem die Last ein Elektromotor ist, und kann beispielsweise als eine Stromversorgungsvorrichtung für eine elektrische Funkenerosionsmaschine, eine Laserstrahlmaschine, einen Induktionsheizungsherd oder ein drahtloses Ladesystem verwendet werden, oder als Leistungsaufbereiter für ein Photovoltaiksystem oder ein Energiespeichersystem verwendet werden.
  • Die in den Ausführungsformen beschriebenen Halbleiterbauelemente können bei Bedarf auf verschiedene Weise kombiniert werden. Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, sollten als illustrativ und nicht als einschränkend verstanden werden. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht in der vorstehenden Beschreibung einschränkend definiert und es ist beabsichtigt, dass alle Modifikationen, die innerhalb der Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz kommen, eingeschlossen sind.
  • Die vorliegende Erfindung wird in einem Halbleiterbauelement mit einem Leistungshalbleiterelement und einem Leistungswandler, an dem das Halbleiterbauelement angebracht ist, vorteilhaft genutzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleiterbauelement
    3
    Kühlkörper
    3a
    erste Hauptoberfläche
    3b
    zweite Hauptoberfläche
    4a
    äußerer Peripheriebereich
    4b
    innerer Bereich
    5
    Isolierschicht
    7
    Leiterrahmen
    7a
    Leiteranschluss
    8
    Kupferplatte
    9
    Leistungshalbleiterelement
    11
    Bonddraht
    13
    Dichtungsharz
    15
    erste Vertiefung
    17
    zweite Vertiefung
    19
    Schraube
    21
    Gehäuse
    23
    Rippe
    25
    Metallleiter
    27
    Flachplattenrippe
    29
    Wellenrippe
    50
    Form
    51
    obere Form
    51a
    Vorsprung
    51b
    Aufnahmeloch
    53
    untere Form
    55
    Hohlraum
    61
    wärmebeständige Schicht
    100
    Stromversorgung
    200
    Leistungswandler
    201
    Hauptwandlerschaltung
    202
    Halbleitermodul
    203
    Steuerschaltung
    300
    Last
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2013016606 A [0005]
    • JP 2010114257 A [0005]

Claims (13)

  1. Halbleiterbauelement, das Folgendes aufweist: einen Kühlkörper mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, die einander gegenüberliegen; ein Schaltungsmuster, das an der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers mit einer dazwischenliegenden Isolierschicht angeordnet ist; ein Leiterteil, das elektrisch mit dem Schaltungsmuster verbunden ist; ein Halbleiterelement, das auf dem Schaltungsmuster angebracht und mit dem Schaltungsmuster elektrisch verbunden ist; und ein auf der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers ausgebildetes Dichtelement zum Abdichten des Halbleiterelements und des Schaltungsmusters, wobei das Leiterteil von einer Oberfläche aus freiliegt, die sich auf einer Seite befindet, die einer Seite gegenüberliegt, auf der der Kühlkörper in dem Dichtelement angeordnet ist, wobei das Dichtelement so ausgebildet ist, dass es einen inneren Bereich abdeckt, der sich innerhalb eines äußeren Peripheriebereichs befindet, der sich um einen gesamten Umfang entlang eines äußeren Umfangs der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers befindet, und der äußere Peripheriebereich in der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers eine erste Vertiefung entlang des Dichtelements aufweist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Schaltungsmuster einen Leiterrahmen enthält, und das Leiterteil einen an den Leiterrahmen anschließenden Leiteranschluss aufweist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Schaltungsmuster eine Metallplatte enthält, und das Leiterteil einen mit der Metallplatte verbundenen Metallleiter mit beinhaltet.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der innere Bereich in der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers eine zweite Vertiefung aufweist, und die zweite Vertiefung mit einem Teil des Dichtelements gefüllt ist.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper auf der zweiten Hauptoberflächenseite Wärmeableitungsrippen aufweist.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die erste Vertiefung durchgehend entlang des Dichtelements ausgebildet ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Herstellen eines Kühlkörpers mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, die einander gegenüberliegen; Herstellen eines Schaltungsmusters; Anbringen eines Halbleiterelements auf dem Schaltungsmuster und elektrisches Verbinden des Halbleiterelements mit dem Schaltungsmuster; Anordnen eines Leiterteils, das elektrisch mit dem Schaltungsmuster verbunden ist, in Richtung einer Seite, die der Seite, auf der der Kühlkörper angeordnet werden soll, gegenüberliegt, relativ zu dem Schaltungsmuster; Anbringen des Schaltungsmusters, das elektrisch mit dem Halbleiterelement verbunden ist, mit einer Isolierschicht, die auf der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers angeordnet ist; Herstellen einer unteren Form und einer oberen Form, wobei die obere Form einen Hohlraum, der mit einem Dichtelement zum Abdichten des Halbleiterelements und des Schaltungsmusters zu füllen ist, und einen Vorsprung aufweist, der in Richtung der unteren Form vorsteht; Anordnen des Kühlkörpers mit dem darauf angebrachten Schaltungsmuster in der unteren Form; Anordnen des Kühlkörpers zwischen der unteren Form und der oberen Form so, dass das Halbleiterelement und das Schaltungsmuster in dem Hohlraum untergebracht sind; Füllen des Hohlraums mit dem Dichtelement zum Abdichten des Halbleiterelements und des Schaltungsmusters; und Entfernen der unteren Form und der oberen Form, um das Leiterteil von einer Oberfläche freizulegen, die sich auf einer gegenüberliegenden Seite zu der Seite befindet, auf der sich der Kühlkörper in dem Dichtelement befindet, wobei in dem Schritt des Einlegens des Kühlkörpers zwischen die obere Form und die untere Form ein Bereich um einen gesamten Umfang entlang eines äußeren Umfangs des Kühlkörpers sandwichartig angeordnet ist, und eine erste Vertiefung, die dem Vorsprung entspricht, an einem Bereich der ersten Hauptoberfläche des Kühlkörpers ausgebildet ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 7, das ferner einen Schritt beinhaltet, bei dem nach dem Entfernen der unteren Form und der oberen Form eine Wärmeableitungsrippe an der zweiten Hauptoberflächenseite des Kühlkörpers installiert wird.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 8, wobei in dem Schritt des Vorbereitens der unteren Form eine untere Form mit einem Platzierungsbereich als untere Form vorbereitet wird, wobei der Platzierungsbereich mit der gesamten Oberfläche der zweiten Hauptoberfläche des Kühlkörpers in Kontakt gebracht wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 7, wobei im Schritt des Vorbereitens des Schaltungsmusters ein Leiterrahmen mit einem als Leiteranschluss dienenden Bereich vorbereitet wird und in dem Schritt des Anordnens eines Leiterteils der als Leiteranschluss dienende Bereich als Leiterteil angeordnet wird.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 7, wobei in dem Schritt des Herstellens eines Schaltungsmusters eine Metallplatte mit einem Muster versehen wird, und im Schritt des Anordnens des Leiterteils ein Metallleiter als Leiterteil auf die Metallplatte geklebt wird.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 11, wobei im Schritt des Versiegelns des Halbleiterelements und des Schaltungsmusters der Hohlraum mit dem Versiegelungselement gefüllt wird, wobei zwischen der oberen Form und dem Metallleiter eine wärmebeständige Schicht eingefügt wird.
  13. Leistungswandler, der Folgendes aufweist: eine Hauptwandlerschaltung mit dem Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Hauptwandlerschaltung die Eingangsleistung umwandelt und die umgewandelte Leistung ausgibt; und eine Steuerschaltung zur Ausgabe eines Steuersignals zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung an die Hauptwandlerschaltung.
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