DE112021003671T5 - Leistungshalbleitervorrichtung - Google Patents

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Akihiro Namba
Takahiro Araki
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Abstract

Eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem leitenden Abschnitt, einer Schaltungskomponente, einem Substrat, das den leitenden Abschnitt und die Schaltungskomponente trägt, und einem Versiegelungselement versehen, wobei das Versiegelungselement einen ersten Strömungsweg bildet und der erste Strömungsweg ein mit einer Leistungsschaltung thermisch verbundenes erstes Gebiet und ein mit der Schaltungskomponente thermisch verbundenes zweites Gebiet aufweist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitervorrichtung.
  • Technischer Hintergrund
  • Auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge ist eine Verkleinerung von Motorwechselrichtern für die Maximierung des Batteriemontageraums erforderlich. Neben der Verkleinerung ist zur Verwirklichung eines kleinen Wechselrichters mit einer höheren Leistungsdichte eine Struktur mit einer geringen Größe und einer hohen Kühlleistung erforderlich, so dass technische Verbesserungen vorgenommen wurden.
  • Als technischer Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist die folgende PTL 1 bekannt. PTL 1 zeigt eine Konfiguration, bei der in einer Leiterplatte 10 einer elektronischen Vorrichtung 100 ein geformtes Harz 50 einen strömungswegbildenden Abschnitt 53, der eine Öffnung 230 verschließt, so dass ein Teil eines Strömungswegs 220 gebildet ist, und einen Dichtungsabschnitt 52, in dem ein O-Ring 400 an einer den strömungswegbildenden Abschnitt 53 umgebenden Position angeordnet ist, aufweist. Der strömungswegbildende Abschnitt 53 ist an einem Anbringungsobjekt 200 angebracht, wobei der O-Ring 400 sandwichförmig zwischen dem Dichtungsabschnitt 52 und dem Anbringungsobjekt 200 angeordnet ist, während die Öffnung 230 geschlossen ist. Es ist eine Technik einer elektronischen Vorrichtung offenbart, welche die Wärmeabfuhr gewährleisten kann, ohne die Anzahl der Komponenten durch diese Konfiguration zu erhöhen.
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
  • PTL 1: JP 2016-119427 A
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Bei der in PTL 1 erwähnten herkömmlichen Struktur ist es erforderlich, die Fläche zu vergrößern, die für die Einsiegelung eines Kühlmittels an der Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte erforderlich ist. Wenn sich der Abstand zwischen einem Kondensator und einer Treiberschaltung und einem Leistungsmodul vergrößert, treten Bedenken auf, dass die Induktivität ansteigt. Auch in diesem Fall muss ein Strömungsweg getrennt hinzugefügt werden, um eine Wärme erzeugende Schaltungskomponente zu kühlen, wodurch der Strömungsweg kompliziert werden kann und die Größe der Vorrichtung erhöht werden kann.
  • Angesichts des vorstehend Erwähnten besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Leistungshalbleitervorrichtung bereitzustellen, die das Verwirklichen sowohl einer geringen Induktivität als auch einer Verkleinerung ermöglicht, indem sowohl eine Verbesserung der Montagedichte einer Schaltungskomponente als auch eine Verbesserung der Kühlleistung erreicht werden.
  • Lösung des Problems
  • Eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: ein Leistungshalbleiterelement, einen leitenden Abschnitt, der einen Hauptstrom des Leistungshalbleiterelements überträgt, eine Schaltungskomponente, die den Hauptstrom oder einen das Leistungshalbleiterelement steuernden Steuerstrom durchlässt, ein Substrat, welches das Leistungshalbleiterelement, den leitenden Abschnitt und die Schaltungskomponente trägt, und ein Versiegelungselement, welches das Leistungshalbleiterelement, den leitenden Abschnitt, die Schaltungskomponente und das Substrat versiegelt. Das Leistungshalbleiterelement und der leitende Abschnitt bilden eine Leistungsschaltung, die einen Wechselstrom ausgibt, das Versiegelungselement bildet einen ersten Strömungsweg für ein Kühlmittel, und der erste Strömungsweg weist ein thermisch mit der Leistungsschaltung verbundenes erstes Gebiet und ein thermisch mit der Schaltungskomponente verbundenes zweites Gebiet auf.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Es kann eine Leistungshalbleitervorrichtung bereitgestellt werden, die es ermöglicht, dass sowohl eine geringe Induktivität als auch eine Verkleinerung verwirklicht werden, indem sowohl eine Verbesserung der Montagedichte einer Schaltungskomponente als auch eine Verbesserung der Kühlleistung erreicht werden.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 2 eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 3 eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 4 eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 5 eine Modifikation von 4,
    • 6 eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 7 eine perspektivische Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 8 eine perspektivische Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 9 eine perspektivische Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 10 eine perspektivische Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 11 eine Modifikation von 10 und
    • 12 eine perspektivische Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen dienen der beispielhaften Beschreibung der vorliegenden Erfindung, und es werden Fortlassungen und Vereinfachungen vorgenommen, sofern es für die Klarheit der Beschreibung angemessen ist. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen anderen Formen ausgeführt werden. Sofern nichts anderes spezifiziert, kann jede Komponente einzeln oder mehrfach vorhanden sein.
  • Positionen, Größen, Formen, Bereiche und dergleichen der in den Zeichnungen dargestellten Komponenten können keine tatsächlichen Positionen, Größen, Formen, Bereiche und dergleichen repräsentieren, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die Position, Größe, Form, den Bereich und dergleichen, die in den Zeichnungen offenbart sind, beschränkt.
  • (Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und Konfigurationen davon)
  • 1 ist eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Leistungshalbleiterelement 1 ist über ein Lot 2 mit leitenden Abschnitten 5a und 5b verbunden, so dass eine Leistungsschaltung gebildet ist. Das Leistungshalbleiterelement 1 ist beispielsweise eine Kombination aus einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und einer Diode oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
  • Die leitenden Abschnitte 5a und 5b übertragen einen Kollektor-/Emitterstrom, der ein Hauptstrom des Leistungshalbleiterelements 1 ist. Eine Schaltungskomponente 8 ist mit einer den Strom glättenden Kondensatorschaltung und/oder einer einen Gate-Strom, wobei es sich um einen Steuerstrom handelt, ausgebenden Treiberschaltung versehen.
  • Ein Versiegelungselement 7 besteht aus einem Material in der Art von Harz und formt das Leistungshalbleiterelement 1, die leitenden Abschnitte 5a und 5b und die Schaltungskomponente 8 ein und befestigt sie versiegelnd am Substrat 3. Das Leistungshalbleiterelement 1 und die leitenden Abschnitte 5a und 5b bilden die Leistungsschaltung und werden vom Substrat 3 getragen und sind darauf angeordnet.
  • Das Versiegelungselement 7 bildet einen ersten Strömungsweg 9 und einen zweiten Strömungsweg 14. Der erste Strömungsweg 9 und der zweite Strömungsweg 14 ermöglichen das Hindurchströmen eines Kühlmittels zur Kühlung der leitenden Abschnitte 5a und 5b und der Schaltungskomponente 8, die Wärme erzeugen. Zusätzlich füllt das Versiegelungselement 7 eine Oberflächenstufe des Substrats 3 mit dem Gießharz, um das Kühlmittel auf einfache Weise in den Strömungsweg einzusiegeln.
  • Der erste Strömungsweg 9 ist durch das Versiegelungselement 7, den leitenden Abschnitt 5a, die Schaltungskomponente 8 und ein Strömungsweggehäuse 6 gebildet. Der leitende Abschnitt 5a weist eine nicht mit dem Versiegelungselement 7 bedeckte freiliegende Oberfläche auf, so dass er in Kontakt mit dem im ersten Strömungsweg 9 strömenden Kühlmittel gelangt. Der leitende Abschnitt 5a kann auf dieser freiliegenden Oberfläche in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel stehen oder zum Schutz mit einer Fülllage oder dergleichen eines wärmeleitenden Elements bedeckt sein, so dass er in indirektem Kontakt mit dem Kühlmittel steht.
  • Das Strömungsweggehäuse 6 ist durch das Versiegelungselement 7 befestigt, so dass eine Fläche des Strömungsmittelgehäuses in direkten Kontakt mit dem Kühlmittel gelangt, und es ist auf einer Fläche des Versiegelungselements 7 installiert, die auf der dem Substrat 3 entgegengesetzten Seite liegt.
  • Ein Dichtungselement 4 ist in einer im Versiegelungselement 7 oder im Strömungsweggehäuse 6 bereitgestellten Rille angeordnet und schließt das im ersten Strömungsweg strömende Kühlmittel durch Verbinden und Befestigen des Strömungsweggehäuses 6 und des Versiegelungselements 7 ein. Das Dichtungselement 4 ist beispielsweise aus einem O-Ring oder einer Dichtungsscheibe gebildet.
  • Das Substrat 3 ist mit einem Durchgangsloch zur Installation der Schaltung versehen. Im Substrat 3 wird eine auf der Oberseite der Zeichnung liegende Fläche als erste Fläche 31 bezeichnet und wird eine auf ihrer Unterseite liegende Fläche als zweite Fläche 32 bezeichnet.
  • Im ersten Strömungsweg 9 wird ein vom leitenden Abschnitt 5a, vom Versiegelungselement 7 und vom Strömungsweggehäuse 6 umgebenes Gebiet als erstes Gebiet 10 bezeichnet und wird ein von der Schaltungskomponente 8, dem Versiegelungselement 7 und dem Strömungsweggehäuse 6 umgebenes Gebiet als zweites Gebiet 11 bezeichnet. Das erste Gebiet 10 ist thermisch mit dem Leistungshalbleiterelement 1 oder dem leitenden Abschnitt 5a verbunden. Zumindest ein Teil des zweiten Gebiets 11 ist durch das Versiegelungselement 7 und eine Fläche (freiliegende Fläche) der Schaltungskomponente 8 oder des wärmeleitenden Elements gebildet und durch die Schaltungskomponente 8 thermisch verbunden.
  • Die Schaltungskomponente 8 ist durch das Versiegelungselement 7 so im zweiten Gebiet 11 befestigt, dass die Oberfläche der Schaltungskomponente in Kontakt mit dem Kühlmittel steht. Die Oberfläche der Schaltungskomponente 8 ist vom Versiegelungselement 7 freigelassen und bildet einen Teil der Bodenfläche des ersten Strömungswegs 9. Eine Kontaktfläche der Schaltungskomponente 8 mit dem Kühlmittel ist mit einem Zwischenelement bedeckt, so dass sie zum Komponentenschutz nicht in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel steht. Das Zwischenelement ist beispielsweise eine Fülllage eines wärmeleitenden Elements. Dies verbessert die Kühlwirkung der Schaltungskomponente 8. Zusätzlich kann die Kühlwirkung durch Installieren der Schaltungskomponente 8 im Strömungswegabschnitt 9 weiter verbessert werden. Weil die Schaltungskomponente 8 in der Nähe des Leistungshalbleiterelements 1 installiert ist, kann zusätzlich die Induktivität verringert werden.
  • Zusätzlich bildet das Versiegelungselement 7 auf der Seite der ersten Fläche 31 des Substrats 3 den ersten Strömungsweg 9 und ferner auf der Seite der zweiten Fläche 32 des Substrats 3 den zweiten Strömungsweg 14 und weist der zweite Strömungsweg 14 ein drittes Gebiet 15 auf, das thermisch mit der Leistungsschaltung verbunden ist. Dadurch wird die Schaltungskomponente 8, während die Leistungsschaltung von beiden Flächen durch das Kühlmittel gekühlt wird, gleichzeitig durch den ersten Strömungsweg 9 gekühlt, wodurch die Kühlwirkung verbessert wird, während gleichzeitig die Montagedichte verbessert wird. Eine freiliegende Fläche des leitenden Abschnitts 5b im dritten Gebiet 15, die zum Strömungsweg 14 hin freiliegt, kann unter Verwendung eines wärmeleitenden Elements beschichtet sein, so dass sie indirekt gekühlt wird, ohne direkt dem Kühlmittel ausgesetzt zu sein.
  • 2 ist eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die leitenden Abschnitte 5a und 5b weisen jeweils die vom Versiegelungselement 7 freigelassene Fläche auf, und ein Drahtabschnitt (Kühldraht) 12 mit einem gebogenen Abschnitt ist mit der freiliegenden Fläche verbunden. Die Kühldrähte 12 sind auf den freiliegenden Flächen der leitenden Abschnitte 5a und 5b installiert, um die Wärmeabfuhrflächen der leitenden Abschnitte 5a und 5b zu vergrößern. Dadurch wird die Wärmeabfuhrfläche vergrößert, so dass die Kühlwirkung verbessert wird. Die Kühldrähte 12 werden durch ein Verbindungsverfahren in der Art von Ultraschallschweißen, Löten oder Widerstandsschweißen mit den leitenden Abschnitten 5a und 5b verbunden. Der Kühldraht 12 besteht aus einem Material in der Art von Aluminium, Kupfer oder SUS.
  • 3 ist eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die leitenden Abschnitte 5a und 5b weisen die vom Versiegelungselement 7 freigelassenen Flächen auf, und Stiftrippen (Kühlrippen) 13 sind auf den freigelassenen Flächen bereitgestellt. Die Kühlrippen 13 sind installiert, um die Wärmeabfuhrflächen der leitenden Abschnitte 5a und 5b zu vergrößern, und sie weisen eine zylindrische Form, eine prismatische Form, eine Plattenform oder dergleichen auf. Diese Vergrößerung der Wärmeabfuhrfläche verbessert die Kühlwirkung. Im Fall eines Zylinders oder eines Prismas sind die jeweiligen Stifte der Kühlrippe 13 vorzugsweise zickzack- oder gitterförmig zur Kühlmittelströmung angeordnet. Bei der Kühlrippe 13 kann es sich um ein Element handeln, das durch Einschneiden in die leitenden Abschnitte 5a und 5b oder Gießen unter Verwendung einer Form mit den leitenden Abschnitten 5a und 5b integriert wird, oder sie kann durch Verbinden eines anderen Elements mit den leitenden Abschnitten 5a und 5b gebildet werden. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem die Kühlrippe 13 plattenförmig ausgebildet ist und parallel zur Strömung des Kühlmittels verläuft.
  • 4 ist eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ein erster Strömungsweg 9A oder ein zweiter Strömungsweg 14A ist mit einem Versiegelungselement 7A und einem mit dem Versiegelungselement 7A verbundenen Strömungsweggehäuse 6A versehen. Insbesondere bildet das Versiegelungselement 7A, wie in 4 dargestellt, zumindest einen Teil der Bodenfläche des ersten Strömungswegs 9A oder des zweiten Strömungswegs 14A und ist das Strömungsweggehäuse 6A mit einer vertieften Form versehen und weist eine der Bodenfläche des ersten Strömungswegs 9A oder des zweiten Strömungswegs 14A entgegengesetzte obere Fläche und mit der oberen Fläche verbundene Seitenflächen auf. Indem sowohl das Versiegelungselement 7A als auch das Strömungsweggehäuse 6A mit einer vertieften Form versehen werden, kann die Fläche des Strömungswegs für das Kühlmittel in einfacher Weise vergrößert werden. Dies verbessert die Kühlwirkung der leitenden Abschnitte 5a und 5b.
  • 5 ist eine Modifikation von 4.
  • Ein Versiegelungselement 7B weist eine flach ausgebildete Oberfläche auf, die in Kontakt mit einem ersten Strömungsweg 9B und einem Strömungsweggehäuse 6B steht. Ähnlich wie in 4 ist das Strömungsweggehäuse 6B mit einer Vertiefung versehen. Dadurch ist nicht nur eine obere Fläche des ersten Strömungswegs 9B, sondern auch ein Teil einer Wand des ersten Strömungswegs 9B im Strömungsweggehäuse 6B installiert. Diese Konfiguration erleichtert die Herstellung einer Halbleitervorrichtung.
  • 6 ist eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Substrat 3C weist ein Substratdurchgangsloch 161 als erstes Durchgangsloch, das gebildet ist, um einen ersten Strömungsweg 9C und einen zweiten Strömungsweg 14C miteinander leitend zu machen, getrennt von einem für die Installation der Leistungsschaltung bereitgestellten Durchgangsloch auf. Ähnlich ist auch das Versiegelungselement 7C mit einem Versiegelungselement-Durchgangsloch 162 als zweites Durchgangsloch versehen, um den ersten Strömungsweg 9C und den zweiten Strömungsweg 14C miteinander leitend zu machen.
  • Ein Durchgangsloch 16, das mit dem Substratdurchgangsloch 161 und dem Versiegelungselement-Durchgangsloch 162 versehen ist, ermöglicht das Hindurchfließen des im ersten Strömungsweg 9C und im zweiten Strömungsweg 14C strömenden Kühlmittels. Auf diese Weise kann das Kühlmittel durch die Bildung eines Strömungswegeinlasses und eines Strömungswegauslasses jeweils an einer Position in die Halbleitervorrichtung und aus dieser heraus strömen, wobei der Strömungswegeinlass und der Strömungswegauslass im ersten Strömungsweg 9C oder im zweiten Strömungsweg 14C bereitgestellt sein müssen.
  • 7 ist eine Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenngleich der in der Beschreibung der 3 bis 6 verwendete mit der Kühlrippe 13 versehene leitende Abschnitt 5a auch in 7 und den nachfolgenden Zeichnungen verwendet wird, kann die Kühlrippe 13 im leitenden Abschnitt 5a nicht bereitgestellt sein und kann der in 2 beschriebene Kühldraht 12 anstelle der Kühlrippe 13 bereitgestellt sein. Das Gleiche gilt für den leitenden Abschnitt 5b.
  • Ein erster Strömungsweg 9D kühlt die drei Ausgangsphasen einer Leistungswandlungsvorrichtung, d. h. die leitenden Abschnitte 5a für drei Phasen der Leistungsschaltung. Jede Phase gibt einen Wechselstrom ab und ist in Reihe mit dem Strömungswegabschnitt 9D angeordnet. Die drei Phasen der Leistungsschaltung sind linear und in Reihe mit dem Strömungswegabschnitt 9D angeordnet. Der Strömungswegabschnitt 9D ist auch mit einer linearen Form versehen. Auf diese Weise kann der Druckverlust des Kühlmittels in Bezug auf die Wand des Strömungswegs verringert werden. Dadurch kann die Durchflussrate des Kühlmittels erhöht werden, so dass die Kühlwirkung verbessert wird.
  • Ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass 17, wobei es sich um einen Einströmungsabschnitt, durch den das Kühlmittel in das Strömungsweggehäuse 6B strömt, und einen Ausströmungsabschnitt, durch den das Kühlmittel aus dem Strömungsweggehäuse 6D ausströmt, handelt, sind im Strömungsweggehäuse 6D senkrecht zur Oberfläche des Substrats 3 ausgebildet. Durch die Ausbildung des Kühlmitteleinlasses und des Kühlmittelauslasses 17 senkrecht zum Substrat 3 können die Abmessungen des Kühlmitteleinlasses und des Kühlmittelauslasses 17 maximiert werden und kann der Druckverlust in Bezug auf die Wand der Strömungswegs verringert werden.
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass 17E sind horizontal zur Oberfläche des Substrats 3 ausgebildet und befinden sich in einem Strömungsweggehäuse 6E, das die Seitenwand eines ersten Strömungswegs 9E bildet. Durch diese Anordnung ist die Laminierung der Leistungshalbleitervorrichtung dünn, was zu einer Verkleinerung beiträgt.
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die drei Phasen der Leistungsschaltung sind entlang einer linearen ersten Reihe 91 in Längsrichtung des Substrats 3 angeordnet, und die Schaltungskomponente 8 ist entlang einer zur ersten Reihe parallelen zweiten Reihe 92 angeordnet. Ein erster Strömungsweg 9F erstreckt sich entlang der ersten Reihe 91 und kühlt die Dreiphasen-Leistungsschaltung und die Schaltungskomponente 8. In 9 ist der Strömungswegabschnitt 9F in einer zur Oberfläche des Substrats 3 horizontalen Richtung S-förmig ausgebildet. Durch die S-förmige Ausbildung des Strömungswegabschnitts 9F kann die Isolation zwischen den drei Phasen der Leistungsschaltung gewährleistet werden und kann die Schaltungskomponente 8 durch denselben Strömungswegabschnitt 9F gekühlt werden, so dass die Kühlwirkung verbessert werden kann.
  • Während der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass 17F, die im Strömungsweggehäuse 6F bereitgestellt sind, senkrecht zur Oberfläche des Substrats 3 verlaufen, wenn der S-förmige Strömungswegabschnitt 9F gebildet ist, können der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass auch horizontal zur Oberfläche des Substrats 3 verlaufen, solange es bei der jeweiligen Konfiguration kein Problem gibt.
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wenngleich ein Kühlmitteleinlass 17G senkrecht zur Oberfläche des Substrats 3 ausgebildet ist, befindet sich kein Kühlmittelauslass 17G im selben Strömungswegabschnitt 9G, sondern über das Durchgangsloch 16 in einem auf der entgegengesetzten Seite des Substrats 3 liegenden Strömungswegabschnitt. Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht der Durchgang durch das Durchgangsloch 16 des Substrats 3 eine Vereinfachung eines Strömungswegs zum Kühlen beider Oberflächen des Substrats 3 und eine Verkleinerung der Leistungshalbleitervorrichtung und eine Verringerung der Anzahl der Komponenten, was zu einer Verringerung des Druckverlusts führt.
  • 11 ist eine Modifikation von 10.
  • In einem Strömungswegabschnitt 9H ist ein Eckabschnitt der in den 9 und 10 dargestellten S-förmigen Strömungswegwand als gekrümmte Strömungswegwand 20 geformt. Weil die mäanderförmig ausgebildete gekrümmte Strömungswegwand 20 eine Verringerung des Druckverlusts des Kühlmittels in Bezug auf ein Strömungsweggehäuse 6H ermöglicht und weil die Strömungswegwand gleichzeitig gekrümmt ausgebildet ist, können die Strömungsgeschwindigkeit und die Durchflussrate des Kühlmittels erhöht werden, so dass die Kühlwirkung verbessert wird.
  • 12 ist eine perspektivische Ansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die Kühlrippen 13 sind in den leitenden Abschnitten des oberen bzw. des unteren Arms des Dreiphasen-Leistungshalbleiters bereitgestellt. Eine Trennplatte 19 ist zwischen den im Strömungsweg eines Strömungsweggehäuses 6J freistehend angeordneten Kühlrippen 13 ausgebildet. Die Trennplatte 19 ist im Versiegelungselement 7 oder im Strömungsweggehäuse 6J ausgebildet. Dies gewährleistet einen Isolationsabstand zwischen den Leistungshalbleitervorrichtungen. Zusätzlich wird das Kühlmittel durch die Steuerung seiner Strömung in einem Strömungswegabschnitt 9J durch die Trennplatte 19 geradegerichtet und wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels an der Oberfläche des leitenden Abschnitts erhöht und vergleichmäßigt, was zu einer Verbesserung der Kühlwirkung führt.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Operationen und Wirkungen erreicht.
  • (1) Bereitgestellt werden das Leistungshalbleiterelement 1, die leitenden Abschnitte 5a und 5b, die einen Hauptstrom des Leistungshalbleiterelements 1 übertragen, die Schaltungskomponente 8, die den Hauptstrom oder einen das Leistungshalbleiterelement 1 steuernden Steuerstrom durchlässt, das Substrat 3, welches das Leistungshalbleiterelement 1, die leitenden Abschnitte 5a und 5b und die Schaltungskomponente 8 trägt, sowie das Versiegelungselement 7, welches das Leistungshalbleiterelement 1, die leitenden Abschnitte 5a und 5b, die Schaltungskomponente 8 und das Substrat 3 versiegelt. Das Leistungshalbleiterelement 1 und die leitenden Abschnitte 5a und 5b bilden die Leistungsschaltung, die einen Wechselstrom ausgibt. Das Versiegelungselement 7 bildet den ersten Strömungsweg 9 für ein Kühlmittel. Der erste Strömungsweg 9 weist das thermisch mit der Leistungsschaltung verbundene erste Gebiet 10 und das thermisch mit der Schaltungskomponente verbundene zweite Gebiet auf. Auf diese Weise kann eine Leistungshalbleitervorrichtung bereitgestellt werden, bei der sowohl eine geringe Induktivität als auch eine Verkleinerung durch Verbessern der Montagedichte einer Schaltungskomponente und Verbessern der Kühlleistung verwirklicht werden können.
  • (2) Die Oberfläche der Schaltungskomponente 8 ist vom Versiegelungselement 7 freigelassen und bildet einen Teil der Bodenfläche des ersten Strömungswegs 9. Auf diese Weise kann die Kühlwirkung der Leistungsschaltung verbessert werden.
  • (3) Der leitende Abschnitt 5a, 5b weist die vom Versiegelungselement 7 freigelassene Fläche auf, und der den gebogenen Abschnitt aufweisende Drahtabschnitt 12 ist mit der freiliegenden Fläche verbunden. Auf diese Weise kann die Kühlwirkung der Leistungsschaltung verbessert werden.
  • (4) Der leitende Abschnitt 5a, 5b weist die vom Versiegelungselement 7 freigelassene Fläche auf, und die Stiftrippe 13 ist auf der freigelassenen Fläche bereitgestellt. Auf diese Weise kann die Kühlwirkung der Leistungsschaltung verbessert werden.
  • (5) Das Versiegelungselement 7 bildet auf der Seite der ersten Fläche 31 des Substrats 3 den ersten Strömungsweg 9 und ferner auf der Seite der zweiten Fläche 32 des Substrats 3 den zweiten Strömungsweg 14, und der zweite Strömungsweg 14 weist das dritte Gebiet 15 auf, das thermisch mit der Leistungsschaltung verbunden ist. Auf diese Weise kann die Leistungsschaltung von beiden Seiten gekühlt werden.
  • (6) Der erste Strömungsweg 9 und der zweite Strömungsweg 14 weisen jeweils das Versiegelungselement 7 und die mit dem Versiegelungselement 7 verbundenen Strömungsweggehäuse 6 auf, das Versiegelungselement 7 bildet zumindest einen Teil der Bodenflächen des ersten Strömungswegs 9 und des zweiten Strömungswegs 14, und die Strömungsweggehäuse 6 weisen die den Bodenflächen des ersten Strömungswegs 9 und des zweiten Strömungswegs 14 entgegengesetzten oberen Flächen und die mit den oberen Flächen verbundenen Seitenflächen auf. Auf diese Weise kann die Strömungsrate des durch den ersten Strömungsweg 9 oder den zweiten Strömungsweg 14 strömenden Kühlmittels erhöht werden.
  • (7) Das Substrat 3 weist das erste Durchgangsloch 161 auf, und das Versiegelungselement 7 weist das zweite Durchgangsloch 162 auf, das den ersten Strömungsweg 9 und den zweiten Strömungsweg 14 miteinander leitend macht und durch das erste Durchgangsloch 161 hindurchtritt. Durch diese Konfiguration kann die Anzahl der Strömungswegeinlässe und -auslässe verringert werden, indem der erste Strömungsweg 9 und der zweite Strömungsweg 14 als ein einziger Strömungsweg verwendet werden. Zusätzlich kann die Kühlwirkung der Leistungsschaltung durch das durch das erste Durchgangsloch 161 und das zweite Durchgangsloch 162 hindurchtretende Kühlmittel erhöht werden.
  • (8) Das Strömungsweggehäuse 6 weist den Einströmungsabschnitt 17, der bewirkt, dass das Kühlmittel in den Strömungsweg 9 strömt, und den Ausströmungsabschnitt 17, der bewirkt, dass das Kühlmittel aus dem Strömungsweg 9 ausströmt, auf, der Einströmungsabschnitt 17 und der Ausströmungsabschnitt 17 sind im ersten Strömungsweg 9 ausgebildet, und drei Phasen der Leistungsschaltung sind linear im ersten Strömungsweg 8 angeordnet. Auf diese Weise kann die Dreiphasen-Leistungsschaltung wirksam gekühlt werden.
  • (9) Der Einströmungsabschnitt 17 und der Ausströmungsabschnitt 17 sind an der Seitenwand des ersten Strömungswegs 9 ausgebildet. Diese Anordnung ermöglicht eine Verringerung der Laminierung in Höhenrichtung der Leistungshalbleitervorrichtung, was zur Verkleinerung beiträgt.
  • (10) Das Strömungsweggehäuse 6 weist den Einströmungsabschnitt 17, der bewirkt, dass das Kühlmittel in das Strömungsweggehäuse 6 strömt, und den Ausströmungsabschnitt 17, der bewirkt, dass das Kühlmittel aus dem Strömungsweggehäuse 6 ausströmt, auf. Die drei Phasen der Leistungsschaltung sind entlang der linearen ersten Reihe 91 angeordnet. Die Schaltungskomponente 8 befindet sich entlang der zur ersten Reihe 91 parallelen zweiten Reihe 92. Der erste Strömungsweg 9 erstreckt sich nicht entlang der ersten Reihe 91 und kühlt die drei Phasen der Leistungsschaltung und die Schaltungskomponente 8. Diese Anordnung trägt zur Isolierung zwischen den Leistungsschaltungen bei und ermöglicht eine Kühlung der Leistungsschaltung und der Schaltungskomponente 8 mit einem einzigen Strömungsweg.
  • (11) Das Versiegelungselement 7 ist zwischen den drei Phasen der Leistungsschaltung bereitgestellt, so dass der erste Strömungsweg 9 mäanderförmig ausgebildet ist. Diese Anordnung ermöglicht eine Verringerung des Druckverlusts in Bezug auf den Eckabschnitt des Strömungswegs 9.
  • (12) Die Leistungsschaltung weist den Trennabschnitt 19 auf, der sich zwischen den oberen und unteren Armen der Leistungsschaltung auf der im ersten Strömungsweg 9 freiliegenden Fläche befindet. Auf diese Weise wird das Kühlmittel gleichgerichtet und wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberfläche des leitenden Abschnitts erhöht und vergleichmäßigt, was zu einer Verbesserung der Kühlwirkung führt.
  • Wie vorstehend beschrieben, können Entfernungen, Ersetzungen durch eine andere Konfiguration und ein Hinzufügen einer anderen Konfiguration erfolgen, ohne vom technischen Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und Aspekte davon sind auch im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung vorhanden. Ferner kann eine Konfiguration verwendet werden, welche die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und mehrere Modifikationen kombiniert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Leistungshalbleiterelement
    2
    Lot
    3, 3C
    Substrat
    31
    erste Fläche
    32
    zweite Fläche
    4
    Dichtungselement
    5a, 5b
    leitender Abschnitt
    6, 6A, 6B, 6D, 6E, 6G, 6H, 6J
    Strömungsweggehäuse
    7
    Versiegelungselement
    8
    Schaltungskomponente
    9, 9A bis J
    erster Strömungsweg
    91
    erste Reihe
    92
    zweite Reihe
    10
    erstes Gebiet
    11
    zweites Gebiet
    12
    Kühldraht
    13
    Kühlrippe
    14, 14A, 14C
    zweiter Strömungsweg
    15
    drittes Gebiet
    16
    Durchgangsloch
    161
    Substratdurchgangsloch
    162
    Versiegelungselement-Durchgangsloch
    17, 17E, 17F, 17G
    Kühlmitteleinlass und -auslass
    19
    Trennplatte
    20
    gekrümmte Strömungswegwand
  • 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 2016119427 A [0004]

Claims (14)

  1. Leistungshalbleitervorrichtung, aufweisend: ein Leistungshalbleiterelement, einen leitenden Abschnitt, der einen Hauptstrom des Leistungshalbleiterelements überträgt, eine Schaltungskomponente, die den Hauptstrom oder einen das Leistungshalbleiterelement steuernden Steuerstrom durchlässt, ein Substrat, welches das Leistungshalbleiterelement, den leitenden Abschnitt und die Schaltungskomponente trägt, und ein Versiegelungselement, welches das Leistungshalbleiterelement, den leitenden Abschnitt, die Schaltungskomponente und das Substrat versiegelt, wobei das Leistungshalbleiterelement und der leitende Abschnitt eine Leistungsschaltung bilden, die einen Wechselstrom ausgibt, das Versiegelungselement einen ersten Strömungsweg für ein Kühlmittel bildet und der erste Strömungsweg ein mit der Leistungsschaltung thermisch verbundenes erstes Gebiet und ein mit der Schaltungskomponente thermisch verbundenes zweites Gebiet aufweist.
  2. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltungskomponente eine vom Versiegelungselement freigelassene Oberfläche aufweist und einen Teil der Bodenfläche des ersten Strömungswegs bildet.
  3. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der leitende Abschnitt eine vom Versiegelungselement freigelassene Fläche aufweist und ein Drahtabschnitt, der einen gebogenen Teil aufweist, mit der freiliegenden Fläche verbunden ist.
  4. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der leitende Abschnitt eine vom Versiegelungselement freigelassene Fläche aufweist und ein Drahtabschnitt, der einen gebogenen Teil aufweist, mit der freiliegenden Fläche verbunden ist.
  5. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der leitende Abschnitt eine vom Versiegelungselement freigelassene Fläche aufweist und eine Stiftrippe auf der freiliegenden Fläche bereitgestellt ist.
  6. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der leitende Abschnitt eine vom Versiegelungselement freigelassene Fläche aufweist und eine Stiftrippe auf der freiliegenden Fläche bereitgestellt ist.
  7. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Versiegelungselement den ersten Strömungsweg auf einer ersten Seite des Substrats bildet und ferner einen zweiten Strömungsweg auf einer zweiten Seite des Substrats bildet und der zweite Strömungsweg ein thermisch mit der Leistungsschaltung verbundenes drittes Gebiet aufweist.
  8. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erste Strömungsweg und der zweite Strömungsweg jeweils das Versiegelungselement und mit dem Versiegelungselement verbundene Strömungsweggehäuse aufweisen, das Versiegelungselement zumindest einen Teil der Bodenflächen des ersten Strömungswegs und des zweiten Strömungswegs bildet und die Strömungsweggehäuse den Bodenflächen des ersten Strömungswegs und des zweiten Strömungswegs entgegengesetzte obere Flächen und mit den oberen Flächen verbundene Seitenflächen aufweisen.
  9. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Substrat ein erstes Durchgangsloch aufweist und das Versiegelungselement ein zweites Durchgangsloch aufweist, das den ersten Strömungsweg und den zweiten Strömungsweg miteinander leitend macht und durch das erste Durchgangsloch hindurchtritt.
  10. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Strömungsweggehäuse einen Einströmungsabschnitt, der bewirkt, dass das Kühlmittel in den Strömungsweg einströmt, und einen Ausströmungsabschnitt, der bewirkt, dass das Kühlmittel aus dem Strömungsweg ausströmt, aufweist, der Einströmungsabschnitt und der Ausströmungsabschnitt im ersten Strömungsweg ausgebildet sind und drei Phasen der Leistungsschaltung im ersten Strömungsweg linear angeordnet sind.
  11. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Einströmungsabschnitt und der Ausströmungsabschnitt an einer Seitenwand des ersten Strömungswegs ausgebildet sind.
  12. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Strömungsweggehäuse einen Einströmungsabschnitt, der bewirkt, dass das Kühlmittel in das Strömungsweggehäuse einströmt, und einen Ausströmungsabschnitt, der bewirkt, dass das Kühlmittel aus dem Strömungsweggehäuse ausströmt, aufweist, drei Phasen der Leistungsschaltung entlang einer linearen ersten Reihe angeordnet sind, die Schaltungskomponente entlang einer zur ersten Reihe parallelen zweiten Reihe angeordnet ist und der erste Strömungsweg so ausgebildet ist, dass er sich nicht entlang der ersten Reihe erstreckt und die drei Phasen der Leistungsschaltung und die Schaltungskomponente kühlt.
  13. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Versiegelungselement zwischen den drei Phasen der Leistungsschaltung bereitgestellt ist, so dass der erste Strömungsweg mäanderförmig ausgebildet ist.
  14. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Leistungsschaltung einen Trennabschnitt aufweist, der sich zwischen oberen und unteren Armen der Leistungsschaltung auf einer im ersten Strömungsweg freiliegenden Fläche befindet.
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