DE112021006266T5 - Leistungshalbleitereinrichtung - Google Patents

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Hiromi Shimazu
Yujiro Kaneko
Yusuke Takagi
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Hitachi Astemo Ltd
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Abstract

Ein erstes Leistungshalbleiterelement und ein zweites Leistungshalbleiterelement einer Leistungshalbleitereinrichtung sind so beschaffen, dass, wenn Wärme, die durch das erste Leistungshalbleiterelement erzeugt wird, größer ist als Wärme, die durch das zweite Leistungshalbleiterelement erzeugt wird, ein erster Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements zu einem Ende der Leiterplatte größer ist als ein zweiter Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements zu einem mit dem zweiten Leistungshalbleiterelement verbundenen Ende einer zweiten Leiterplatte.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In den letzten Jahren ist die Verbreitung von Hybrid- und Elektroverkehrsmitteln ein dringendes Bedürfnis, um die Umweltbelastung zu verringern. Es ist wichtig, dass die an Verkehrsmitteln montierten Teile verkleinert und kostengünstig hergestellt werden. Zum Beispiel werden täglich Verbesserungen an Leistungswandlungseinrichtungen vorgenommen, um solche Anforderungen zu erfüllen. Das Erfüllen solcher Anforderungen führt zu Einrichtungen mit höherer Wärmeerzeugungsdichte. Wärme, die durch eine Leistungshalbleitereinrichtung erzeugt wird, ist im Vergleich zu anderen elektronischen Komponenten in einer Leistungswandlungseinrichtung groß, so dass die Kühlleistung von Leistungshalbleitereinrichtungen verbessert werden muss.
  • Ein Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist eine in PTL 1 unten offenbarte Leistungshalbleitereinrichtung. Diese Leistungshalbleitereinrichtung ist ein versiegelter Körper, der einen Leistungshalbleiterchip enthält, dessen Vorder- und Rückseitenoberflächen an eine leitende Platte gelötet sind und durch ein Harz versiegelt sind, wobei eine Leiterplatte freiliegt. Der versiegelte Körper ist in einem Metallgehäuse mit einem ersten und einem zweiten Wärmeableitungselement untergebracht, und jedes der ersten und zweiten Wärmeableitungselemente ist durch einen isolierenden Klebstoff (isolierendes Element), der eine thermische Leitfähigkeit aufweist, mit der Leiterplatte verbunden. Dies verhindert eine Verschlechterung der Wärmeableitungsleistung der Einrichtung. Es wird eine Technik offenbart, die eine hochzuverlässige Leistungshalbleitereinrichtung, die über eine hohe Wärmewiderstandsfähigkeit verfügt, bereitstellt.
  • Zitierliste
  • Patentliteratur
  • PTL 1: JP 2018-113343 A
  • Überblick über die Erfindung
  • Technisches Problem
  • In einem Leistungszyklus, in dem ein Leistungshalbleiterchip wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, wird eine thermische Belastung erzeugt und nimmt zu. In dieser Einsatzumgebung, in der hohe Temperaturen auftreten, wird in einem isolierenden Harz, das eine thermische Leitfähigkeit aufweist und als Wärmeableitungselement dient, an einem verbundenen Teil zwischen einem wärmeerzeugenden Teil und dem Wärmeableitungselement eine hohe thermische Belastung erzeugt. Dies kann eine Ablösung des isolierenden Harzes von einer Leiterplatte verursachen und beeinträchtigt die Wärmeableitung einer Leistungswandlungseinrichtung nachteilig.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leistungshalbleitereinrichtung, die verkleinert werden kann und zudem eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweist, bereitzustellen.
  • Lösung des Problems
  • Eine Leistungswandlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Leistungshalbleitereinrichtung, die ein Leistungshalbleiterelement, eine mit dem Leistungshalbleiterelement verbundene Leiterplatte und eine mit einer Oberfläche der Leiterplatte verbundene Isolierschicht enthält, wobei die Oberfläche einer mit dem Leistungshalbleiterelement verbundenen Oberfläche gegenüberliegt, wobei das Leistungshalbleiterelement ein erstes Leistungshalbleiterelement und ein zweites Leistungshalbleiterelement enthält, und wenn Wärme, die durch das erste Leistungshalbleiterelement erzeugt wird, größer ist, als Wärme, die durch das zweite Leistungshalbleiterelement erzeugt wird, ist ein erster Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements zu einem Ende der Leiterplatte größer als ein zweiter Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements zu einem Ende der Leiterplatte.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Leistungshalbleitereinrichtung, die verkleinert werden kann und zudem eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweist, bereitgestellt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • [1] 1 ist eine äußere Draufsicht auf ein Leistungsmodul gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • [2] 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' in 1.
    • [3] 3 ist eine Querschnittsansicht eines in 2 dargestellten Leistungshalbleitermoduls, bei dem jedoch ein Wärmeableitungselement entfernt wurde.
    • [4] 4 ist ein Chip-Layout-Diagramm des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • [5] 5 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • [6] 6 ist eine in 5 dargestellte Querschnittsansicht, wobei jedoch ein einen Strömungspfad enthaltender Körper entfernt ist.
    • [7] 7 ist eine erste beispielhafte Modifikation von 4.
    • [8] 8 ist eine zweite beispielhafte Modifikation von 4.
    • [9] 9 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • [10] 10 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die Darstellungen zum Beschreiben der vorliegende Erfindung sind, werden Auslassungen und Vereinfachungen vorgenommen, die zur Verdeutlichung der Beschreibung geeignet sind. Die vorliegende Erfindung kann in anderen verschiedenen Formen ausgeführt werden. Sofern nicht anders angegeben, kann die Anzahl der einzelnen Komponenten eine oder mehr sein.
  • Positionen, Größen, Formen und Bereiche von in den Zeichnungen dargestellten Komponenten repräsentieren möglicherweise nicht tatsächliche Positionen, Größen, Formen und Bereiche. Dies dient zum Vereinfachen des Verständnisses der Erfindung. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die Positionen, Größen, Formen und Bereiche, die zum Beispiel in den Zeichnungen offenbart sind, beschränkt.
  • (Erste Ausführungsform und Gesamtkonfiguration)
  • 1 ist eine äußere Draufsicht auf ein Leistungsmodul gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' in 1. Die Linie A-A' ist eine Schnittlinie, die durch ein Leistungshalbleiterelement gezogen ist.
  • In dem Leistungsmodul 100 ist ein Leistungshalbleitermodul 30 durch Wärmeableitungselemente 7 entlang einer Richtung über zwei Oberflächen (zwei Oberflächen auf der näheren und der weiter entfernten Seite in Bezug auf einen Betrachter von 1) des Leistungshalbleitermoduls 30 sandwichartig umgeben und ist mit den Wärmeableitungselementen 7 verbunden. Das Leistungshalbleitermodul 30 enthält einen externen Anschluss 31 (nur in 1 dargestellt), der auf die Außenseite von Bestandteilen des Leistungshalbleitermoduls 30 vorsteht. Durch den externen Anschluss 31 ist das Leistungshalbleitermodul 30 mit einer anderen Komponente verbunden, die im Inneren einer Leistungswandlungseinrichtung montiert ist, auf der das Leistungsmodul 100 montiert ist.
  • Das Wärmeableitungselement7 ist ein Metallelement mit thermischer Leitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit und enthält mehrere Wärmeableitungsrippen 7a auf einer Oberfläche, die einer mit dem Leistungshalbleitermodul 30 verbundenen Oberfläche entgegengesetzt ist. Durch das Leistungshalbleitermodul 30 erzeugte Wärme wird durch die Wärmeableitungsrippen 7a abgeleitet. Man beachte, dass die als Stiftrippe gebildete Wärmeableitungsrippe 7a eine Rippe mit unterschiedlicher Form sein kann, zum Beispiel eine gerade Rippe oder eine gewellte Rippe.
  • Das Wärmeableitungselement 7 besteht zum Beispiel aus Cu, einer Cu-Legierung oder einem Kompositmaterial wie etwa Cu-C und Cu-CuO, oder alternativ Al, einer Al-Legierung oder einem Kompositmaterial wie etwa AlSiC und Al-C.
  • Ein Wärmeableitungselementende 7b (2) ist eine mit einem Gehäuse (nicht dargestellt) der Leistungswandlungseinrichtung zu verbindende Oberfläche. Als Verfahren zum Verbinden des Wärmeableitungselementendes 7b mit dem Gehäuse kann zum Beispiel Reibrührschweißen („friction stir welding“; FSW), Laserschweißen oder Hartlöten verwendet werden. Durch Verwenden eines solchen Verbindens gelangt das Kühlmittel nicht in das Innere der Leistungshalbleitereinrichtung 30, wenn das Leistungsmodul 100 in einen Strömungspfad einer Leistungswandlungseinrichtung, in dem ein Kühlmittel wie etwa Wasser, Öl oder eine organische Substanz fließt, eingesetzt wird.
  • Ein Paar getrennter Wärmeableitungselemente 7, die das Leistungshalbleitermodul 30 sandwichartig umgeben, ist als zwei Elemente aus demselben Material dargestellt. Ein Paar getrennter Wärmeableitungselemente 7 kann jedoch auch aus zwei Elementen aus unterschiedlichen Materialien bestehen, solange die Elemente Wärme ableiten. Die sandwichartig umgebenden Wärmeableitungselemente 7 sind als getrennte Elemente dargestellt, können aber auch integriert sein.
  • Das Leistungshalbleitermodul 30 enthält ein erstes Leistungshalbleiterelement 1, ein zweites Leistungshalbleiterelement 11, eine erste Leiterplatte 3 und eine dritte Leiterplatte 4, die mit dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 verbunden sind, sowie eine zweite Leiterplatte 13 und eine vierte Leiterplatte 14, die mit dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 verbunden sind. In das Leistungshalbleitermodul 30 ist ein Dichtungsharz 9 eingegossen, um die Verbindung und Fixierung der Komponenten zu verstärken.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht des in 2 dargestellten Leistungshalbleitermoduls, wobei jedoch die Wärmeableitungselemente entfernt sind.
  • In dem Leistungshalbleitermodul 30 ist der Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements 1 zu einem Ende 3b auf derselben Seite der ersten Leiterplatte 3 als erste Länge L1 definiert, der Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 zu einem Ende 13b auf derselben Seite der zweiten Leiterplatte 13 ist als zweite Länge L2 definiert, der Abstand von einem anderen Ende des ersten Leistungshalbleiterelements 1 zu einem anderen Ende 3c auf derselben Seite der ersten Leiterplatte 3 ist als dritte Länge L3 definiert, der Abstand von einem anderen Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 zu einem anderen Ende 13c auf derselben Seite der zweiten Leiterplatte 13 ist als vierte Länge L4 definiert, der Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements 1 zu einem Ende auf derselben Seite der dritten Leiterplatte 4 ist als fünfte Länge L5 definiert, und der Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 zu einem Ende auf derselben Seite der vierten Leiterplatte 14 ist als sechste Länge L6 definiert. Die Dicke der ersten Leiterplatte 3 ist als T1 definiert und die Dicke der zweiten Leiterplatte 13 ist als T2 definiert.
  • Von der ersten Leiterplatte 3 und der zweiten Leiterplatte 13 ist jede durch eine Oberfläche, die einer mit dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 verbundenen Oberfläche entgegengesetzt ist, über eine Isolierschicht 5 mit dem Wärmeableitungselement 7 (siehe 2) verbunden. Von der dritten Leiterplatte 4 und der vierten Leiterplatte 14 ist jede durch eine Oberfläche, die einer mit dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 verbundenen Oberfläche entgegengesetzt ist, über eine Isolierschicht 5 mit dem Wärmeableitungselement 7 verbunden. Dies ermöglicht es Wärme, durch Wärmeleitung in der Isolierschicht 5 aus dem Leistungshalbleitermodul 30 abgeleitet zu werden.
  • Die erste Leiterplatte 3, die zweite Leiterplatte 13, die dritte Leiterplatte 4 und die vierte Leiterplatte 14 sind zum Beispiel aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet.
  • Obwohl in 3 nicht dargestellt, ist von der ersten Leiterplatte 3, der zweiten Leiterplatte 13, der dritten Leiterplatte 4 und der vierten Leiterplatte 14 jede tatsächlich mit einem externen Substrat (nicht dargestellt) anschlussverbunden („lead-connected“) oder, falls erforderlich, integral mit einem Anschluss gebildet.
  • Die Isolierschicht 5 ist ein isolierendes Element mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und ist aus einem Material, das eine hohe Durchschlagfestigkeitsspannung aufweist, gebildet. Zum Beispiel kann als Material der Isolierschicht 5 ein feines Pulver aus Aluminiumoxid (Alumina) oder Aluminiumnitrid oder eine isolierende Folie oder ein Kohlenstoff enthaltender Klebstoff verwendet werden.
  • In 3 bedeckt die Isolierschicht 5 in Bezug auf die Aufwärts-Abwärts-Richtung die untere Oberfläche der ersten Leiterplatte 3, die untere Oberfläche der zweiten Leiterplatte 13, die obere Oberfläche der dritten Leiterplatte 4 und die obere Oberfläche der vierten Leiterplatte 14, bei denen es sich um freiliegende Oberflächen von Teilen des Leistungshalbleitermoduls 30, die nicht mit dem Formharz 9 bedeckt sind, handelt. Die untere Oberfläche der ersten Leiterplatte 3 und die untere Oberfläche der zweiten Leiterplatte 13 sind bündig mit der unteren Oberfläche des Dichtungsharzes 9. Die obere Oberfläche der dritten Leiterplatte 4 und die obere Oberfläche der vierten Leiterplatte 14 sind bündig mit der oberen Oberfläche des Dichtungsharzes 9.
  • Die erste Leiterplatte 3, mit der das erste Leistungshalbleiterelement 1 verbunden ist, und die zweite Leiterplatte 13, mit der das zweite Leistungshalbleiterelement 11 verbunden ist, sind benachbart zueinander angeordnet. Die dritte Leiterplatte 4, mit der das erste Leistungshalbleiterelement 1 verbunden ist, und die vierte Leiterplatte 14, mit der das zweite Leistungshalbleiterelement 11 verbunden ist, sind benachbart zueinander angeordnet.
  • Zwischen dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 und der ersten Leiterplatte 3, zwischen dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 und der dritten Leiterplatte 4, zwischen dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 und der zweiten Leiterplatte 13 und zwischen dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 und der vierten Leiterplatte 14 ist ein Verbindungsmaterial 10 mit einer thermischen Leitfähigkeit vorgesehen.
  • Es werden die in 3 definierten ersten bis sechsten Längen L1 bis L6 beschrieben. Das erste Leistungshalbleiterelement 1 ist ein Leistungshalbleiterelement mit einem Verlust, der größer ist als der Verlust des zweiten Leistungshalbleiterelements 11. Wenn ein Verkehrsmittel gefahren wird, erzeugt das erste Leistungshalbleiterelement 1 eine größere Menge an Wärme als das zweite Leistungshalbleiterelement 11. Daher wird die Durchschnittstemperatur des ersten Leistungshalbleiterelements 1 höher als die Durchschnittstemperatur des zweiten Leistungshalbleiterelements 11. In diesem Fall handelt es sich zum Beispiel bei dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 um einen BipolarTransistor mit isoliertem Gate („insulated gate bipolar transistor“; IGBT) und bei dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 um eine Diode.
  • In einem Querschnitt, der senkrecht zu der Verbindungsfläche zwischen der ersten Leiterplatte 3 und dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 verläuft und das erste Leistungshalbleiterelement 1 schneidet, ist die erste Länge L1 als der Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements 1 zu dem Ende 3b der ersten Leiterplatte 3 definiert, und die dritte Länge L3 ist als der Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements 1 zu dem Ende 3c der ersten Leiterplatte 3 definiert.
  • In einem Querschnitt, der senkrecht zu der Verbindungsfläche zwischen der ersten Leiterplatte 3 und dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 verläuft und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 schneidet, ist die zweite Länge L2 definiert als der Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 zu dem Ende 13b der zweiten Leiterplatte 13, und die vierte Länge L4 ist als der Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 zu dem Ende 13c der zweiten Leiterplatte 13 definiert.
  • Das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 sind auf der ersten Leiterplatte 3 bzw. der zweiten Leiterplatte 13 so angeordnet, dass die erste Länge L1 größer ist als die zweite Länge L2. Genauer ausgedrückt sind das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 so angeordnet, dass nur die zweite Länge L2 klein ist im Vergleich zu einer herkömmlichen Konfiguration, bei der die erste Länge L1 und die zweite Länge L2 im Wesentlichen gleich sind. Diese Konfiguration wurde unter der Berücksichtigung gewählt, dass eine thermische Belastung, die erzeugt wird, wenn das Leistungshalbleitermodul 30 angesteuert wird, eine Beschädigung wie etwa das Abblättern und Reißen der Isolierschicht 5 verursachen kann.
  • Wenn zum Beispiel das Leistungshalbleitermodul 30 in einem durch ein Kühlmedium wie etwa das Wärmeableitungselement 7 gekühlten Zustand angesteuert wird und das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 energetisiert sind, erzeugen das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 Wärme und erhöhen die Temperatur innerhalb des Leistungsmoduls 100.
  • Die Elemente verformen sich durch den Temperaturanstieg, um sich auszudehnen, allerdings um unterschiedliche Beträge. Insbesondere wird in den Isolierschichten 5 durch Unterschiede im Verformungsbetrag zwischen den Leiterplatten 3, 13, 4 und 14 und dem Wärmeableitungselement 7 eine thermische Belastung erzeugt. Der größte Faktor für die in der Isolierschicht 5 erzeugte thermische Belastung ist die Temperatur der Leiterplattenenden 3b und 13b. Die thermische Belastung ist für eine höhere Temperatur der Leiterplattenenden 3b und 13b höher. Man beachte, dass das Leistungshalbleiterelement 1 und das Leistungshalbleiterelement 11, bei denen es sich um wärmeerzeugende Elemente handelt, die höchste Temperatur aufweisen und die nächsthöhere Temperatur die der Leiterplatten 3, 13, 4 und 14 (in keiner bestimmten Reihenfolge) ist, die nächsthöhere Temperatur die der Isolierschicht 5 ist und die nächsthöheren Temperaturen die des Wärmeableitungselements 7 sind.
  • Bei einem Verfahren, um thermische Belastungen, die die Isolierschicht 5 beeinträchtigen, zu vermeiden, sind die erste Länge L1 und die zweite Länge L2 so groß eingestellt, dass ein großer Abstand zwischen dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 und dem Ende 3b der ersten Leiterplatteund zwischen dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 und dem Ende 13b der zweiten Leiterplatte entsteht, um den Anstieg der Temperatur der Enden 3b und 13b, der durch die durch das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11, die wärmeerzeugende Körper sind, erzeugte Wärme verursacht wird, zu unterdrücken. Das Anwenden dieser Methode kann eine Beschädigung der Isolierschicht 5 aufgrund von thermischer Belastung verhindern, kann aber die Größe des Leistungsmoduls 100 erhöhen.
  • Da das erste Leistungshalbleiterelement 1 eine größere Menge an Wärme als das zweite Leistungshalbleiterelement 11 erzeugt, ist die thermische Belastung in der Isolierschicht 5 für die erste Leiterplatte 3 durch das Ende 3b der ersten Leiterplatte 3b größer als die thermische Belastung in der Isolierschicht 5 für die zweite Leiterplatte 13 durch das Ende 13b der zweiten Leiterplatte. Wenn also die erste Länge L1 und die zweite Länge L2 gleich sind, wird während des Ansteuerns die Temperatur des Endes 3b der ersten Leiterplattehöher als die Temperatur des Endes 13b der zweiten Leiterplatte. Daher ist es wahrscheinlich, dass eine Beschädigung wie etwa das Abblättern und Reißen der Isolierschicht 5 aufgrund eines Unterschieds in der Stärke der Ausdehnungsverformung auftritt.
  • Aus diesem Grund sind das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 auf der ersten Leiterplatte 3 bzw. der zweiten Leiterplatte 13 so angeordnet, dass die erste Länge L1 größer ist als die zweite Länge L2. Dementsprechend kann die zweite Länge L2 dadurch bestimmt werden, dass nur die Größe der zweiten Leiterplatte 13 verringert wird, die mit dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 verbunden ist, das eine geringe Wärmemenge erzeugt und daher die thermische Belastung in der Isolierschicht 5 kaum beeinflusst, ohne die maximale thermische Belastung in der Isolierschicht 5 zu erhöhen. Auf diese Weise kann das Leistungsmodul 100 verkleinert und dabei die Zuverlässigkeit unter beibehalten werden.
  • Das Beziehung zwischen der dritten Länge L3 und der vierten Länge L4 ist dieselbe wie die Beziehung zwischen der ersten Länge L1 und der zweiten Länge L2.
  • Durch eine Kombination des Einstellens der ersten Länge L1 größer als die Dicke T1 der ersten Leiterplatte und des Einstellens der zweiten Länge L2 größer als die Dicke T2 der zweiten Leiterplatte verteilt sich außerdem Wärme, die durch die Leistungshalbleiterelemente 1 und 11 erzeugt wird, und dadurch kann ein Effekt des Verbesserns der Wärmeableitung erzielt werden.
  • Weiterhin kann das Leistungsmodul 100 weiter verkleinert werden, indem man das zweite Leistungshalbleiterelement mit einer kleineren Fläche versieht als das erste Leistungshalbleiterelement 1.
  • Die fünfte Länge L5 ist größer als die sechste Länge L6. Dies ermöglicht ein Verkleinern der Leiterplatten 4 und 14 und verhindert gleichzeitig eine Beschädigung der mit der dritten Leiterplatte 4 und der vierten Leiterplatte 14 verbundenen Isolierschichten 5 aufgrund von thermischer Belastung an den Enden der Leiterplatten 4 und 14.
  • Die Beziehung zwischen der ersten Länge L1 und der fünften Länge L5 ist L1 ≥ L5, und die Beziehung zwischen der zweiten Länge L2 und der sechsten Länge L6 ist L2 ≥ L6. Dies ermöglicht ein Verkleinern und verhindert gleichzeitig eine Beschädigung der Isolierschicht 5.
  • 4 ist ein Chip-Layout-Diagramm des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist ein Konzeptlayoutdiagramm des ersten Leistungshalbleiterelements 1 und des zweiten Leistungshalbleiterelements 11. In 5 sind ein erstes Leistungshalbleiterelement 1 und ein zweites Leistungshalbleiterelement 11 auf der ersten Leiterplatte 3 angeordnet. Ähnlich sind ein erstes Leistungshalbleiterelement 1 und ein zweites Leistungshalbleiterelement 11 auf der zweiten Leiterplatte 13 angeordnet. Die erste Leiterplatte 3 und die zweite Leiterplatte sind benachbart angeordnet und sind elektrisch getrennt. Die Schnittlinie A-A' befindet sich an derselben Position wie die in 1 dargestellte Schnittlinie A-A'.
  • Das Seitenverhältnis (Verhältnis von Länge zu Breite) des ersten Leistungshalbleiterelements 1 ist kleiner als das Seitenverhältnis des zweiten Leistungshalbleiterelements 11. Die erste Leiterplatte 3 und die zweite Leiterplatte 13 sind in einer Anordnung von ineinandergreifenden L-Formen benachbart angeordnet.
  • Mit dieser Anordnung kann auch ein Effekt des Verkleinerns des Leistungshalbleitermoduls 30 (siehe 3) erzielt werden. Dies unterdrückt eine Beschädigung des isolierenden Elements 5, das mit einem Leiterplattenende des Leistungshalbleitermoduls 30 verbunden ist und verbessert somit die Wärmeableitungsleistung der Leistungshalbleitereinrichtung 30, und es kann eine äußerst zuverlässige Leistungswandlungseinrichtung erhalten werden.
  • Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform besitzt das Leistungsmodul 100 eine Struktur, bei der die Isolierschicht 5 zusammen mit den Leiterplatten 3, 13, 4 und 14 durch das Dichtungsharz 9 versiegelt ist, so dass der Unterschied in der durch den Temperaturanstieg verursachten thermischen Verformung zwischen den Leiterplatten 3, 13, 4 und 14 und der Isolierschicht 5, der auftritt, wenn die Leistungshalbleiterelemente 1 und 11 Wärme erzeugen, gering ist und somit die in der mit den Leiterplattenenden 3b und 13b verbundenen Isolierschicht 5 erzeugte thermische Belastung gering ist. Dementsprechend ist es weniger wahrscheinlich, dass eine Beschädigung auftritt. Daher kann eine Leistungshalbleitereinrichtung, die weiterhin sehr zuverlässig ist, bereitgestellt werden.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • 5 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 ist eine in 5 dargestellte Querschnittsansicht, wobei jedoch ein einen Strömungspfad enthaltender Körper entfernt ist.
  • In einem Leistungshalbleitermodul 30A ist von einer ersten Leiterplatte 3, einer zweiten Leiterplatte 13, einer dritten Leiterplatte 4 und einer vierten Leiterplatte 14 jede mit einer Isolierschicht 5A verbunden, und die Isolierschicht 5A ist über ein Verbindungsmaterial 20 mit einem Wärmeableitungselement (Strömungspfad enthaltender Körper) 17 verbunden. Das Wärmeableitungselement 17 besitzt einen Strömungspfad 17a, und in dem Strömungspfad 17a fließt ein Kühlmittel, das Wärme des Leistungshalbleitermoduls 30A ableitet.
  • Wie in 6 dargestellt, ist die Ausführungsform mit Dichtungsharz 9A versiegelt und fixiert, so dass eine Oberfläche der Isolierschicht 5A auf einer einer mit den Leiterplatten 3, 13, 4 und 14 verbundenen Oberfläche entgegengesetzten Seite freiliegt. Dies ermöglicht das Versiegeln und Fixieren des Leistungshalbleitermoduls 30A einschließlich der Isolierschichten 5A.
  • (Erste beispielhafte Modifikation, Zweite beispielhafte Modifikation)
  • Die 7 und 8 zeigen eine erste beispielhafte Modifikation und eine zweite beispielhafte Modifikation der in 4 dargestellten Ausführungsform.
  • In 4 sind die Leistungshalbleiterelemente und die Leiterplatten in einer L-förmigen Anordnung angeordnet, aber, wie in den 7 und 8 dargestellt, können das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 auf jeder von der ersten Leiterplatte 3 und der zweiten Leiterplatte 13 angeordnet werden, während die Beziehung zwischen der ersten Länge L1 und der zweiten Länge L2 erhalten bleibt. Die maximale Seitenlänge des ersten Leistungshalbleiterelements 1 ist kleiner als die maximale Seitenlänge des zweiten Leistungshalbleiterelements 11.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • 9 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In einem Leistungshalbleitermodul 30B ist eine erste Leiterplatte 3B ein einzelnes Teil, auf dem ein erstes Leistungshalbleiterelement 1 und ein zweites Leistungshalbleiterelement 11 angeordnet sind. Eine dritte Leiterplatte 4B ist ebenfalls ein einzelnes Teil, auf dem das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 auf einer Seite, die der mit der ersten Leiterplatte 3B verbundenen Seite entgegengesetzt ist, angeordnet sind. Orndet man das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 auf einer Leiterplatte in dieser Konfiguration an, müssen nur die erste Länge L1 und die zweite Länge L2 berücksichtigt werden und es besteht keine Notwendigkeit, die inneren Enden 3c und 13c (siehe 3, 5) auf der Innenseite der bei der ersten Ausführungsform dargestellten Leiterplatten zu berücksichtigen.
  • Bei der Ausführungsform sind die erste Länge L1 und die zweite Länge L2 größer als die Dicke T1 der ersten Leiterplatte, so dass sich die Wärme des ersten Leistungshalbleiterelements 1 und des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 ausreichend verteilt, um die Wärmeableitung zu verbessern.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine 2-in-1 Leistungshalbleitereinrichtung exemplifiziert, aber die vorliegende Erfindung kann auch auf eine 1-in-1-Leistungshalbleitereinrichtung mit einer gepackten Struktur, in der ein IGBT und eine Diode mit einer einzelnen Leiterplatte verbunden sind, und auch auf eine 6-in-1-Leistungshalbleitereinrichtung angewandt werden.
  • Bei dem Leistungshalbleitermodul 30 der vorliegenden Ausführungsform kann ein Wärmeableitungselement 7 durch beide Enden des Wärmeableitungselements 7 verbunden sein.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • 10 ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Das Leistungshalbleitermodul 30C der vorliegenden Ausführungsform besitzt eine Struktur, bei der ein Wärmeableitungselement 17 nur auf einer Seite zur Kühlung vorgesehen ist. Bei dieser Struktur ist eine Isolierschicht 5 nur auf der Seite vorgesehen, auf der das Wärmeableitungselement 17 vorgesehen ist, und dies trägt zu einer weiteren Verkleinerung einer Leistungswandlungseinrichtung bei.
  • Gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurden, wird der folgende Effekt erzielt.
    1. (1) Eine Leistungshalbleitereinrichtung enthält ein Leistungshalbleiterelement, eine mit dem Leistungshalbleiterelement verbundene Leiterplatte und die Isolierschicht 5, die mit einer Oberfläche der Leiterplatte, die der mit dem Leistungshalbleiterelement verbundenen Oberfläche entgegengesetzt ist, verbunden ist. Das Leistungshalbleiterelement enthält das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11. Wenn die durch das erste Leistungshalbleiterelement 1 erzeugte Wärme größer ist als die durch das zweite Leistungshalbleiterelement 11 erzeugte Wärme, ist der erste Abstand L1, der der Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements 1 zu dem Ende 3b (3c) der ersten Leiterplatte ist, größer als der zweite Abstand L2, der der Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 zu dem Ende 13b (13c) der zweiten Leiterplatte ist. Dies ermöglicht eine Leistungshalbleitereinrichtung, die verkleinert werden kann und zudem eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweist.
    2. (2) Die Leiterplatte enthält die mit dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 verbundene erste Leiterplatte 3 und die mit dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 verbundene zweite Leiterplatte 13. In einem Querschnitt, der senkrecht zu der Verbindungsfläche zwischen der ersten Leiterplatte 3 und dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 verläuft und das erste Leistungshalbleiterelement 1 schneidet, ist die erste Länge L1 (L3) definiert als der Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements 1 zu dem Ende 3b der ersten Leiterplatte (3c). In einem Querschnitt, der senkrecht zu der Verbindungsfläche zwischen der zweiten Leiterplatte 13 und dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 verläuft und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 schneidet, ist die zweite Länge L2 (L4) als der Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 zu dem Ende 13b (13c) der zweiten Leiterplatte definiert. Dementsprechend können der erste Abstand L1 und der zweite Abstand L2, die den Effekt der vorliegenden Erfindung bewirken, definiert werden.
    3. (3) Wenn das erste Leistungshalbleiterelement 1 und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 auf derselben Leiterplatte 3B angeordnet sind, ist der erste Abstand L1 in einem Querschnitt, der senkrecht zu der Verbindungsfläche zwischen der Leiterplatte 3B und dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 verläuft und das erste Leistungshalbleiterelement 1 schneidet, als der Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements 1 zu einem Ende der Leiterplatte 3B definiert. In einem Querschnitt, der senkrecht zu der Verbindungsfläche zwischen der Leiterplatte 3B und dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 verläuft und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 schneidet, ist die zweite Länge L2 als der Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 zu einem Ende der Leiterplatte 3B definiert. Dementsprechend können der erste Abstand L1 und der zweite Abstand L2, die den Effekt der vorliegenden Erfindung bewirken, für eine andere Ausführungsform definiert werden.
    4. (4) Die dritte Leiterplatte 4 ist mit einer Oberfläche des ersten Leistungshalbleiterelements 1, die der mit der ersten Leiterplatte 3 verbundenen Oberfläche entgegengesetzt ist, verbunden, die vierte Leiterplatte 14 ist mit einer Oberfläche des zweiten Leistungshalbleiterelements 11, die der mit der zweiten Leiterplatte 13 verbundenen Oberfläche entgegengesetzt ist, verbunden, und von der ersten bis vierten Leiterplatte 3, 13, 4 und 14 ist jede durch eine Oberfläche, die der Oberfläche, die mit der entsprechenden von dem ersten Leistungshalbleiterelement 1 und dem zweiten Leistungshalbleiterelement 11 verbunden ist, entgegengesetzt ist, über die Isolierschicht 5 mit dem Wärmeableitungselement 7 verbunden. Dies ermöglicht ein Kühlen beider Oberflächen des Leistungsmoduls 100.
    5. (5) Das erste Leistungshalbleiterelement 1 hat einen größeren Verlust als das zweite Leistungshalbleiterelement 11. Für diese Anordnung sind der erste Abstand L1 und der zweite Abstand L2, die den Effekt der vorliegenden Erfindung ermöglichen, erforderlich.
    6. (6) Das erste Leistungshalbleiterelement 1 ist ein IGBT und das zweite Leistungshalbleiterelement 11 ist eine Diode. Für diese Anordnung sind der erste Abstand L1 und der zweite Abstand L2, die den Effekt der vorliegenden Erfindung bewirken, erforderlich.
    7. (7) Das Seitenverhältnis des ersten Leistungshalbleiterelements 1 ist kleiner als das Seitenverhältnis des zweiten Leistungshalbleiterelements 11. Dies erhöht den Freiheitsgrad der Anordnung von Leistungshalbleiterelementen auf einer Leiterplatte, während der erste Abstand L1 und der zweite Abstand L2, die den Effekt der vorliegenden Erfindung bewirken, beibehalten werden.
    8. (8) Die maximale Seitenlänge des ersten Leistungshalbleiterelements 1 ist kleiner als die maximale Seitenlänge des zweiten Leistungshalbleiterelements 11. Dies erhöht den Freiheitsgrad der Anordnung von Leistungshalbleiterelementen auf einer Leiterplatte, während der erste Abstand L1 und der zweite Abstand L2, die den Effekt der vorliegenden Erfindung bewirken, beibehalten werden.
    9. (9) Der dritte Abstand L3, der der Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements 1 zu einem Ende der dritten Leiterplatte 4 ist, ist größer als der vierte Abstand L4, der der Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements 11 zu einem Ende der vierten Leiterplatte 14 ist. Dies vermeidet eine Beschädigung wie etwa das Abblättern und Reißen der Isolierschicht 5 auf jeder Seite des Leistungsmoduls 100, von dem beide Seiten gekühlt werden.
    10. (10) Der erste Abstand L1 ist gleich oder größer als der dritte Abstand L3, und der zweite Abstand L2 ist gleich oder größer als der vierte Abstand L4. Dies vermeidet eine Beschädigung wie etwa das Abblättern und Reißen der Isolierschicht 5 auf jeder Seite des Leistungsmoduls 100, von dem beide Seiten gekühlt werden.
    11. (11) Das Leistungshalbleitermodul 30 ist mit dem Wärmeableitungselement 7 an beiden Enden des Wärmeableitungselements 7 verbunden. Dies bietet signifikant den Effekt der vorliegenden Erfindung an einem Ende, an dem es wahrscheinlich ist, dass eine Beschädigung wie etwa das Abblättern und Reißen der Isolierschicht 5 auftritt.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann ein Leiterplattenende eine sich verjüngende Form besitzen. Wenn ein Leiterplattenende eine sich verjüngende Form besitzt, ist es wünschenswert, dass sich die Oberfläche des Leiterplattenendes von der mit der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte als Ebene verbundenen Isolierschicht von der Ecke des Leiterplattenendes, das mit der Isolierschicht in Kontakt steht, in eine Richtung eines Endes des Leistungshalbleiterelements in einem Winkel von 45 Grad oder weniger erstreckt.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen und andere Konfigurationen kombiniert werden, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass sie alle in der obigen Ausführungsform beschriebenen Konfigurationen enthält, und sie enthält auch jene, die keinen Teil der Konfigurationen enthalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erstes Leistungshalbleiterelement
    3, 3B
    erste Leiterplatte
    3b
    Ende der ersten Leiterplatte (Außenseite)
    3c
    Ende der ersten Leiterplatte (Innenseite)
    4, 4B
    dritte Leiterplatte
    5, 5A
    Isolierschicht
    7
    Wärmeableitungselement (Rippentyp)
    7a
    Wärmeableitungsrippe
    7b
    Wärmeableitungselementende
    9, 9A, 9C
    Dichtungsharz
    10
    Verbindungsmaterial
    11
    zweites Leistungshalbleiterelement
    13
    zweite Leiterplatte
    13b
    Ende der zweiten Leiterplatte (Außenseite)
    13c
    Ende der zweiten Leiterplatte (Innenseite)
    14
    vierte Leiterplatte
    17
    Wärmeableitungselement (Strömungspfad, der Körper enthält)
    17a
    Strömungspfad
    20
    Verbindungsmaterial (wärmeleitender Körper)
    30, 30A bis 30C
    Leistungshalbleitermodul
    31
    externer Anschluss
    100
    Leistungsmodul
    L1 bis L6
    erste bis sechste Länge
    T1
    Dicke der ersten Leiterplatte
    T2
    Dicke der zweiten Leiterplatte
  • 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 2018113343 A [0004]

Claims (11)

  1. Leistungshalbleitereinrichtung, die aufweist: ein Leistungshalbleiterelement; eine Leiterplatte, die mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden ist; und eine Isolierschicht, die mit einer Oberfläche der Leiterplatte verbunden ist, wobei die Oberfläche einer mit dem Leistungshalbleiterelement verbundenen Oberfläche entgegengesetzt ist, wobei das Leistungshalbleiterelement ein erstes Leistungshalbleiterelement und ein zweites Leistungshalbleiterelement enthält, und wenn Wärme, die durch das erste Leistungshalbleiterelement erzeugt wird, größer ist als Wärme, die durch das zweite Leistungshalbleiterelement erzeugt wird, ein erster Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements zu einem Ende der Leiterplatte größer ist als ein zweiter Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements zu einem Ende der Leiterplatte.
  2. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte eine erste Leiterplatte, die mit dem ersten Leistungshalbleiterelement verbunden ist, und eine zweite Leiterplatte, die mit dem zweiten Leistungshalbleiterelement verbunden ist, enthält, der erste Abstand in einem Querschnitt, der senkrecht zu einer Verbindungsfläche zwischen der ersten Leiterplatte und dem ersten Leistungshalbleiterelement verläuft und das erste Leistungshalbleiterelement schneidet, als ein Abstand von dem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements zu dem Ende der ersten Leiterplatte definiert ist, und der zweite Abstand in einem Querschnitt, der senkrecht zu einer Verbindungsfläche zwischen der zweiten Leiterplatte und dem zweiten Leistungshalbleiterelement verläuft und das zweite Leistungshalbleiterelement schneidet, als ein Abstand von dem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements zu dem Ende der zweiten Leiterplatte definiert ist.
  3. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Leistungshalbleiterelement und das zweite Leistungshalbleiterelement zusammen auf der Leiterplatte angeordnet sind, der erste Abstand in einem Querschnitt, der senkrecht zu einer Verbindungsfläche zwischen der Leiterplatte und dem ersten Leistungshalbleiterelement verläuft und das erste Leistungshalbleiterelement schneidet, als ein Abstand von dem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements zu dem Ende der Leiterplatte definiert ist, und der zweite Abstand in einem Querschnitt, der senkrecht zu einer Verbindungsfläche zwischen der Leiterplatte und dem zweiten Leistungshalbleiterelement verläuft und das zweite Leistungshalbleiterelement schneidet, als ein Abstand von dem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements zu dem Ende der Leiterplatte definiert ist.
  4. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine dritte Leiterplatte mit einer Oberfläche des ersten Leistungshalbleiterelements verbunden ist, wobei die Oberfläche einer mit der ersten Leiterplatte verbundenen Oberfläche entgegengesetzt ist, eine vierte Leiterplatte mit einer Oberfläche des zweiten Leistungshalbleiterelements verbunden ist, wobei die Oberfläche einer mit der zweiten Leiterplatte verbundenen Oberfläche entgegengesetzt ist, und eine Oberfläche von jeder der ersten bis vierten Leiterplatten über die Isolierschicht mit einem Wärmeableitungselement verbunden ist, wobei die Oberfläche einer Oberfläche, die mit einer entsprechenden von dem ersten Leistungshalbleiterelement und dem zweiten Leistungshalbleiterelement verbunden ist, entgegengesetzt ist.
  5. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Leistungshalbleiterelement einen Verlust, der größer ist als ein Verlust des zweiten Leistungshalbleiterelements, aufweist.
  6. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Leistungshalbleiterelement ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist und das zweite Leistungshalbleiterelement eine Diode ist.
  7. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Leistungshalbleiterelement ein Seitenverhältnis, das kleiner ist als ein Seitenverhältnis des zweiten Leistungshalbleiterelements, aufweist.
  8. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine maximale Seitenlänge des ersten Leistungshalbleiterelements kleiner ist als eine maximale Seitenlänge des zweiten Leistungshalbleiterelements.
  9. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 4, wobei ein dritter Abstand von einem Ende des ersten Leistungshalbleiterelements zu einem Ende der dritten Leiterplatte größer ist als ein vierter Abstand von einem Ende des zweiten Leistungshalbleiterelements zu einem Ende der vierten Leiterplatte.
  10. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 9, wobei der erste Abstand gleich dem dritten oder größer als der dritte Abstand ist, und der zweite Abstand gleich dem vierten oder größer als der vierte Abstand ist.
  11. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 4, wobei das Wärmeableitungselement durch beide Enden des Wärmeableitungselements verbunden ist.
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