DE60306040T2 - Halbleitermodul und Leistungswandlervorrichtung - Google Patents

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Hitachi Yoshitaka 1-chome Chiyoda-ku Ochiai
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul und eine Leistungswandlervorrichtung, die ein solches Halbleitermodul verwendet.
  • Manche Typen von Leistungswandlervorrichtungen umfassen ein Halbleitermodul, in dem Chip-ähnliche Halbleitervorrichtungen in gepackter IC-Form angebracht sind. Die große Mehrzahl von Leistungswandlervorrichtungen umfasst jedoch ein Halbleitermodul, in dem Halbleitervorrichtungen so wie sie sind, angebracht sind. Letzteres soll die Kühlwirkung verbessern, indem die von den Halbleitervorrichtungen abgegebene Wärme direkt abgeführt wird.
  • Beispiele der als Halbleitermodule dieses herkömmlichen Typs bekannten Produkte sind in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Hei 10-56131 offenbart. In der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Hei 10-56131 werden verschiedene Produkte vorgeschlagen, die so entworfen sind, dass die von den jeweiligen Halbleiterchips abgegebene Wärme von den zwei Hauptflächen jedes Halbleiterchips abgeführt wird. Diese Produkte umfassen beispielsweise ein Halbleitermodul, bei dem jeder Halbleiterchip zwischen isolierende Substrate eingebettet ist, wobei diese isolierenden Substrate zwischen Kupferplatten eingebettet sind, so dass die von dem Halbleiterchip abgegebene Wärme von seinen zwei Hauptflächen abgeführt wird.
  • Das Dokument DE 19 932 953 A offenbart Chips, die zwischen wärmeleitende Blöcke eingebettet sind, wodurch Wärme von beiden Seiten abgeführt wird, und eine Schraubkonstruktion für das Druckkon taktieren der Chips.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Bei Leistungswandlervorrichtungen, die in einer rauen Wärmekreislaufumgebung verwendet werden, wie etwa bei einer in einem Kraftfahrzeug angebrachten Leistungswandlervorrichtung ist, wie in Standards, die Energieversorgungen betreffen, festgelegt ist, die Stärke des durch Halbleitervorrichtungen fließenden Stroms größer, womit von den Halbleitervorrichtungen wiederum mehr Wärme abgegeben wird, was den Wärmekreislauf noch verschlimmert.
  • Daher wird gefordert, dass die Kühlleistung der Halbleitermodule, die die Leistungswandlervorrichtung bilden, gegenüber der Kühlleistung herkömmlicher Halbleitermodule, höher ist.
  • Die vorliegende Erfindung besteht darin, ein Halbleitermodul zu schaffen, dessen Kühlleistung höher ist. Die vorliegende Erfindung besteht außerdem darin, eine hoch zuverlässige, kompakte und kostengünstige Leistungswandlervorrichtung zu schaffen, die auch dann, wenn sie in einer rauen Wärmekreislaufumgebung verwendet wird, den normalen Betrieb aufrechterhalten kann.
  • Um das Obige zu erreichen, zeichnet sich die vorliegende Erfindung durch ein Halbleitermodul gemäß den Ansprüchen 1-5 aus.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein Grundriss, der die Konfiguration einer Wechselrichtervorrichtung als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Zeigt;
  • 2 ist eine Querschnittsansicht des Schnitts II-II' aus Richtung des Pfeils in 1 betrachtet;
  • 3 ist eine Querschnittsansicht des Schnitts III-III' aus Richtung des Pfeils in 1 betrachtet;
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration einer Phase aus 2 in vergrößerter Form zeigt;
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration des Halbleiterchips von 4 in vergrößerter Form zeigt;
  • 6 ist eine Querschnittsansicht, die die Materialzusammensetzung des elektrisch leitenden Haftmittels, das zum Verbinden von zwei Komponenten der Wechselrichtervorrichtung von 1 verwendet wird, zeigt;
  • 7 ist eine Querschnittsansicht, die die Materialzusammensetzung eines elektrisch leitenden Haftmittels als Vergleichbeispiel zu 6 zeigt;
  • 8 ist ein Schaltplan, der den Schaltungsaufbau der Wechselrichtervorrichtung von 1 zeigt;
  • 9 ist ein Grundriss, der die Konfiguration einer weiteren Wechselrichtervorrichtung als zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 10 ist eine Querschnittsansicht des Schnitts X-X' aus Richtung des Pfeils in 9 betrachtet; und
  • 11 ist eine Querschnittsansicht des Schnitts XI-XI', aus Richtung des Pfeils in 9 betrachtet; und
  • 12 ist eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration einer Phase aus 10 in vergrößerter Form zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden wird gemäß den 1 bis 8 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 8 zeigt den Schaltungsaufbau der Leistungswandlervorrichtung, die zur vorliegenden Ausführungsform gehört.
  • Die Leistungswandlervorrichtung in der vorliegenden Ausführungsform ist für eine Anbringung in dem Motorantriebssystem eines Kraftfahrzeugs (beispielsweise eines Motorantriebssystem für ein elektrisches Kraftfahrzeug oder ein hybrides Kraftfahrzeug oder ein Motorantriebssystem für Kraftfahrzeugmotorlasten wie etwa eine Klimaanlage und Bremsen) vorgesehen, wobei diese Leistungswandlervorrichtung im Folgenden unter Annahme einer Wechselrichtervorrichtung 100 als Beispiel beschrieben wird, durch die die Gleichstromleistung von einer Batterie 200 (die beispielsweise bei einer Ladespannung von 42 V arbeitet) in eine Dreiphasen-Wechselstromleistung umgewandelt und dann einem Wechselstrommotor 300 (beispielsweise einem Synchronmotor, einem Induktionsmotor oder dergleichen) zugeführt werden soll.
  • Die Wechselrichtervorrichtung 100 ist so konstruiert, dass die Gleichstromleistung der Batterie 200, die über einen Positivpol-Gleichstrombus 110 und einen Negativpol-Gleichstrombus 120 zugeführt wird, zuerst während der Schaltvorgänge der MOSFETs 171, 172, 181 und 183, die durch das Gate-Steuersignal 151 eines Steuerschaltungsblocks 150 gesteuert werden, in Wechselstromleistung für jede Phase umgesetzt und dann über die Wechselstrom-Ausgangsbusse 161 bis 163 entsprechend jeder Phase dem Wechselstrommotor 300 zugeführt werden. Genauer sind durch die MOSFETs 171 bis 173, die einen oberen Zweig 141 bilden, und die MOSFETs 181 bis 183, die einen unteren Zweig 142 bilden, Umsetzschaltungen 131 bis 133 gebildet.
  • Die Umsetzschaltung 131 einer u-Phase umfasst den MOSFET 171 des oberen Zweigs 141 und den MOSFET 181 des unteren Zweigs 142. Die Drain-Seite des MOSFET 171 ist mit dem Positivpol-Gleichstrombus 110 verbunden, während die Source-Seite mit dem Wechselstrom-Ausgangsbus 161 verbunden ist. Die Source-Seite des MOSFET 181 ist mit dem Negativpol-Gleichstrombus 120 verbunden, während die Drain-Seite mit dem Wechselstrom-Ausgangsbus 161 verbunden ist.
  • Die Umsetzschaltung 132 einer v-Phase umfasst den MOSFET 172 des oberen Zweigs 141 und den MOSFET 182 des unteren Zweigs 142. Die Drain-Seite des MOSFET 172 ist mit dem Positivpol-Gleichstrombus 110 verbunden, während die Source-Seite mit dem Wechselstrom-Ausgangsbus 162 verbunden ist. Die Source-Seite des MOSFET 182 ist mit dem Negativpol-Gleichstrombus 120 verbunden, während die Drain-Seite mit dem Wechselstrom-Ausgangsbus 162 verbunden ist.
  • Die Umsetzschaltung 133 einer w-Phase umfasst den MOSFET 173 des oberen Zweigs 141 und den MOSFET 183 des unteren Zweigs 142. Die Drain-Seite des MOSFET 173 ist mit dem Positivpol-Gleichstrombus 110 verbunden, während die Source-Seite mit dem Wechselstrom-Ausgangsbus 163 verbunden ist. Die Source-Seite des MOSFET 183 ist mit dem Negativpol-Gleichstrombus 120 verbunden, während die Drain-Seite mit dem Wechselstrom-Ausgangsbus 163 verbunden ist.
  • Obwohl die oben beschriebene vorliegende Ausführungsform MOS-FETs als Halbleitervorrichtungen, die die Umsetzschaltungen bilden, verwendet, können diese Umsetzschaltungen in ähnlicher Weise aus anderen Schaltelementen wie etwa IGBTs oder Bipolartransistoren aufgebaut sein.
  • Die 1 bis 5 zeigen die Konfiguration einer heutigen Wechselrichtervorrichtung 100 mit dem Schaltungsaufbau von 8. Die Wechselrichtervorrichtung 100 umfasst: ein Positivpol-Halbleitermodul 10, das den oberen Zweig 141 bildet, ein Negativpol-Halbleitermodul 20, das den unteren Zweig bildet, eine Busschiene 30, die einen Positivpol-Gleichstrombus 110 bildet, einen Negativpol-Gleichstrombus 120 und Wechselstrom-Ausgangsbusse 161 bis 163 sowie ein Wärmeabführelement 60.
  • Obwohl die Wechselrichtervorrichtung 100 ferner den in Verbindung mit 8 erwähnten Steuerschaltungsblock 150 enthält, ist dieser in den 1 bis 5 nicht gezeigt. Das Positivpol-Halbleitermodul 10, das Negativpol-Halbleitermodul 20 und die Busschiene 30 sind linear in unmittelbarer Nähe zueinander an der Grundfläche 50 angeordnet, derart, dass die Busschiene 30 zwischen dem Positivpol-Halbleitermodul 10 und dem Negativpol-Halbleitermodul 20 positioniert ist. Das Wärmeabführelement 60 ist mit der Unterseite der Grundfläche 50 verbunden. Das Wärmeabführelement 60 ist ein rippenähnliches wärmeleitendes Element, das aus einem Metall wie etwa Aluminium hergestellt ist.
  • Das Positivpol-Halbleitermodul 10 enthält drei Halbleiterchips 11, die die in Verbindung mit 8 erwähnten MOSFETs 171 bis 173 bilden. Das Negativpol-Halbleitermodul 20 enthält drei Halbleiterchips 21, die die in Verbindung mit 8 erwähnten MOSFETs 181 bis 183 bilden.
  • Die Halbleiterchips 11 und 21 in dem Positivpol-Halbleitermodul 10 bzw. dem Negativpol-Halbleitermodul 20 sind in unmittelbarer Nähe zueinander in vertikaler Richtung in Bezug auf die Orientierungsrichtung des Positivpol-Halbleitermoduls 10, des Negativpol-Halbleitermoduls 20 und der Busschiene 30 linear angeordnet (im Folgenden wird die Orientierungsrichtung dieser drei Elemente als "erste Richtung" bezeichnet, während die Richtung, in der die Halbleiterchips angeordnet sind, gleich der Ausdehnungsrichtung der Busschiene 30 ist und als "zweite Richtung" bezeichnet wird).
  • Außerdem stehen die Halbleiterchips 11 und 21, die die Umsetzschaltungen derselben Phase bilden, in dem Positivpol-Halbleitermodul 10 und dem Negativpol-Halbleitermodul 20 in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten Positionsbeziehung.
  • Der Halbleiterchip 11 ist eine flache, plattenartige Struktur, die aus einer Oberseite, einer Unterseite und vier Seiten gebildet ist, und umfasst: einen Siliciumchip 1, der aus einer Source-Elektrode 2, einer Gate-Elektrode 6 (Steuerelektrode) und einem Schutzring 7 an der Oberseite sowie einer Drain-Elektrode 5 an der Unterseite besteht, und ein Source-Elektrode-Verbindungselement 4, das mittels Lot 3 mit der Source-Elektrode 2 verbunden ist.
  • Obwohl der Halbleiterchip 21 dieselbe Konstruktion wie der Halbleiterchip 11 besitzt, weisen sowohl die Oberseite als auch die Unterseite des Halbleiterchips 21 in Richtungen, die zu jenen des Halbleiterchips 11 entgegengesetzt sind (d. h., dass der Halbleiterchip 21 strukturell um 180 Grad in Bezug auf die vertikale Richtung von 5 gedreht ist).
  • An der Oberseite des Halbleiterchips 21 ist eine Drain-Elektrode positioniert, während an der Unterseite eine Source-Elektrode, eine Gate-Elektrode und ein Schutzring positioniert sind. Das Source-Elektrode-Verbindungselement 4 des Halbleiterchips 21 ist ein flaches, plattenartiges elektrisch leitendes Element, das aus einem Metall wie etwa Kupfer gefertigt ist. Der Schutzring 7 ist an dem oberen oder unteren Randabschnitt des Siliciumchips 1 vorgesehen und bildet die Grenze zwischen den Potentialbereichen an der Oberseite und der Unterseite des Siliciumchips 1.
  • Der Halbleiterchip 11 (21) ist mit seiner Oberseite und seiner Unterseite (genauer der Oberseite und der Unterseite des Siliciumchips 1) zwischen den isolierenden Substraten 12 und 13 (22 und 23), die an der Oberseite und der Unterseite des Halbleiterchips 11 (21) angeordnet und damit verbunden sind, eingebettet. Die isolierenden Substrate 12 und 13 (22 und 23) sind flache, plattenartige Keramikelemente, die aus einem stark wärmeleitenden Aluminiumnitridmate rial oder dergleichen gebildet sind.
  • An jener Seite des isolierenden Substrats 12 (22), die zur Oberseite des Halbleiters 11 (21) (genauer zur Oberseite des Siliciumchips 1) weist, mit anderen Worten an der Verbindungsseite bezüglich des Halbleiters 11 (21), ist durch ein Metallisierungs- oder Galvanisierungsprozesses ein Verdrahtungsmuster 8 ausgebildet. Jene Seite des isolierenden Substrats 12, die zur Oberseite des Halbleiters 11 weist, ist mit dessen oberer Seite (nämlich dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4) mittels Lot 16 verbunden, so dass das Verdrahtungsmuster 8 mit dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4 elektrisch verbunden ist.
  • Jene Seite des isolierenden Substrats 22, die zur Oberseite des Halbleiters 21 weist, ist mit dessen oberer Seite (genauer der Oberseite des Siliciumchips 1) mittels Lot 26 verbunden, so dass das Verdrahtungsmuster 8 mit der Drain-Elektrode 5 elektrisch verbunden ist. Das Verdrahtungsmuster 8 ist ein dünnes, platten- oder folienartiges elektrisch leitendes Element, das aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, gefertigt ist.
  • An jener Seite des isolierenden Substrats 13 (23), die zur Unterseite des Halbleiters 11 (21) (genauer zur Unterseite des Siliciumchips 1) weist, mit anderen Worten an der Verbindungsseite bezüglich des Halbleiters 11 (21), ist durch ein Metallisierungs- oder Galvanisierungsprozesses ein Verdrahtungsmuster 9 ausgebildet. Jene Seite des isolierenden Substrats 12, die zur Unterseite des Halbleiters 11 weist, ist mit dessen unterer Seite (genauer der Unterseite des Siliciumchips 1) mittels Lot 17 verbunden, so dass das Verdrahtungsmuster 9 mit der Drain-Elektrode 5 elektrisch verbunden ist.
  • Jene Seite des isolierenden Substrats 23, die zur Unterseite des Halbleiters 21 weist, ist mit dessen unterer Seite (genauer dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4) mittels Lot 16 verbunden, so dass das Verdrahtungsmuster 9 mit dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4 elektrisch verbunden ist. Das Verdrahtungsmuster 9 ist ein dünnes, platten- oder folienartiges elektrisch leitendes Element, das aus einem Metall (beispielsweise Kupfer) gefertigt ist.
  • In dieser Weise ist bei der vorliegenden Ausführungsform durch Einbetten der Halbleiterchips 11 (21) mit den Seiten, die zu den Oberseiten und Unterseiten der isolierenden Substrate 12 und 13 (22 und 23) mit den Verdrahtungsmustern 8 bzw. 9 weisen, zwischen diese Substrate eine doppelseitige Verdrahtungsstruktur ausgeführt. Dadurch ist die Anzahl von Komponenten sowohl in dem Positivpol-Halbleitermodul 10 als auch in dem Negativpol-Halbleitermodul 20 minimal gehalten und eine drahtlose, verbindungsarme Verarbeitung verwirklicht.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform hält die oben beschriebene Struktur wiederum die Anzahl von Verdrahtungsverbindungen zwischen den Komponenten, die die Stromwege sowohl des Positivpol-Halbleitermoduls 10 als auch des Negativpol-Halbleitermoduls 20 bilden, minimal und verringert Gefahren hinsichtlich eines Bruchs und dergleichen wesentlich. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Zuverlässigkeit der Wechselrichtervorrichtung 100 daher höher.
  • An der entgegengesetzten Seite des isolierenden Substrats 13 (23) in Bezug auf den Halbleiterchip 11 (21) ist ein Blockelement 15 (25) angeordnet. Die Blockelemente 15 und 25 sind aus einer einzigen metallischen, wärmeleitenden, flachen Platte (beispielsweise aus Kupfer) gefertigt, die sowohl dem Positivpol-Halbleitermodul 10 als auch dem Negativpol-Halbleitermodul 20 gemeinsam ausgebildet ist, und bilden die Grundfläche 50. Jene Seite des Blockelements 15 (25), die dem isolierenden Substrat 13 (23) zugewandt ist, ist mit dessen entgegengesetzter Seite in Bezug auf den Halbleiterchip 11 (21) mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs 19 (29) verbunden.
  • Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel, bei dem die Blockelemente 15 und 25 zu einer einzigen sowohl dem Positivpol-Halbleitermodul 10 als auch dem Negativpol-Halbleitermodul 20 gemeinsamen flachen Platte ausgebildet ist, beschrieben worden ist, können die Blockelemente 15 und 25 auch für jedes der betreffenden Halbleitermodule getrennt ausgebildet sein.
  • An der entgegengesetzten Seite zu dem Halbleiterchip 11 (21) des isolierenden Substrats 12 (22) ist ein Blockelement 14 (24) angeordnet. Die Blockelemente 14 und 24 sind metallische wärmeleitende Elemente (beispielsweise aus Kupfer), wobei jene Seite des Blockelements 14 (24), die dem isolierenden Substrat 12 (22) zugewandt ist, mit dessen entgegengesetzter Seite in Bezug auf den Halbleiterchip 11 (21) mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs 18 (28) verbunden ist.
  • In dem Blockelement 14 (24) sind parallel in einer ersten Richtung drei Durchgangslöcher ausgebildet. Die Schichtenstruktur, die aus dem Halbleiterchip 11 (21) und den isolierenden Substraten 12 und 13 (22 und 23) besteht, ist mit dem Mittelabschnitt jedes Durchgangslochs in seiner ersten Richtung verbunden. Das heißt, dass das Blockelement 14 (24) zu einem einzigen brückenartigen oder bogen artigen Element ausgebildet ist, so dass von einer oberen Wand ausgehend Seitenwände, die an beiden Enden der oberen Wand in ihrer zweiten Richtung vorgesehen sind, und zwei Stützwände, durch die der Raum zwischen den Seitenwänden in drei gleiche Räume in der zweiten Richtung aufgeteilt wird, das Blockelement 14 (24) die Schichtenstruktur, die aus dem Halbleiterchip 11 (21) und den isolierenden Substraten 12 und 13 (22 und 23) besteht, überspannt. Die Seitenwände und Stützwände des Blockelements 14 (24) sind mit dem Blockelement 15 (25) verbunden.
  • In den drei gleichmäßig aufgeteilten Räumen des Blockelements 14 (24) ist die aus dem Halbleiterchip 11 (21) und den isolierenden Substraten 12 und 13 (22 und 23) bestehende Schichtenstruktur mit beiden Seiten in ihrer Schichtungsrichtung zwischen den Blockelementen 14 und 15 (24 und 25) eingebettet gelagert. Die Plattendicke des Blockelements 14 (24) ist größer als die Dicke der aus dem Halbleiterchip 11 (21) und den isolierenden Substraten 12 und 13 (22 und 23) bestehenden Schichtenstruktur in Schichtungsrichtung.
  • Die elektrisch leitenden Klebstoffe 18, 19, 28 und 29 sind jeweils ein Gemisch aus metallischen Teilen (metallischen Füllstoffen) oder metallischen Partikeln und Harz. 6 zeigt die Querschnittsstruktur von aufgetragenen und ausgehärteten elektrisch leitenden Klebstoffen 18, 19, 28 und 29 bei der vorliegenden Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden Gemische aus Epoxidharz 400 und Silberpartikel 500 mit nadelartigen Vorsprüngen als elektrisch leitende Klebstoffe 18, 19, 28 und 29 verwendet. Wie aus der Figur hervorgeht, sind in den elektrisch leitenden Klebstoffen 18, 19, 28 und 29 der vorliegenden Ausführungsform benachbarte Silberpartikel 500 dicht in das Epoxidharz 400 gemischt, wobei gleichzeitig das Innere der Vorsprünge der Silberpartikel 500 mit dem Epoxidharz 400 aufgefüllt ist, um keinen Zwischenraum zu schaffen.
  • Im Vergleich mit einem elektrisch leitenden Klebstoff, der durch Vermischen eines globalen metallischen Füllstoffs mit Harz gebildet ist, kann mit den elektrisch leitenden Klebstoffe 18, 19, 28 und 29 bei der vorliegenden Ausführungsform allein dadurch, dass eine kleine Menge an metallischen Teilen oder Metallpartikeln hinzugegeben wird, eine hohe elektrische Leitfähigkeit erzielt und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit erreicht werden. Das heißt, dass zum Erzielen einer elektrischen Leitfähigkeit gleich jener, die bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, der elektrisch leitende Klebstoff, bei dem ein globaler metallischer Füllstoff 700 und Harz 600 vermischt sind (siehe 7), mit dem metallischen Füllstoff so aufgefüllt sein muss, dass kein Zwischenraum geschaffen ist.
  • Da jedoch die Menge an Harz dementsprechend abnimmt, nimmt auch die mechanische Festigkeit ab. Um mit einer kleinen Menge an metallischen Teilen oder Metallpartikeln eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu erzielen und außerdem eine hohe mechanische Festigkeit zu erreichen, sollten bei der vorliegenden Ausführungsform daher vorzugsweise solche elektrisch leitenden Klebstoffe 18, 19, 28 und 29 verwendet werden.
  • Beispiele der elektrisch leitenden Klebstoffe, die einen metallischen Füllstoff mit nadelartigen Vorsprüngen enthalten, sind in der Ausgabe von "Electronic Materials" vom Juli 2001, die auf den Seiten 89-96 elektrisch leitende Klebstoffe darstellt, angeführt.
  • Da das gewöhnlich zum Verbinden zweier Elemente der Schichten struktur verwendete Lot sowohl eine niedrige Impedanz als auch einen niedrigen Wärmewiderstand aufweist, besitzt es eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und eine ausgezeichnet Wärmeleitfähigkeit. Bei einer Wechselrichtervorrichtung, die Wärme von beiden Flächen eines jeden Halbleiterchips abführt, kann durch Verteilen der Wärmebeanspruchung außerdem die von der Oberfläche des Lots erfahrene thermische Ermüdung verringert werden.
  • Da bei der vorliegenden Ausführungsform im Fall einer Zweielementverbindung der Wechselrichtervorrichtung, bei der, wie durch die Standards, die Energieversorgungen betreffen, festgelegt ist, die Stärke des Stroms, der durch Halbleitervorrichtungen während ihrer Verwendung, bei der sie in einem Kraftfahrzeug angebracht sind, in einer rauen Wärmekreislaufumgebung, insbesondere in der Verbindung zwischen einem keramischen, isolierenden Substrat und einem Kupferblockelement, fließt, größer ist, besteht die Gefahr, dass der große Unterschied zwischen beiden hinsichtlich des linearen Ausdehnungskoeffizienten die Oberfläche der Lötverbindung einer thermischen Ermüdung aussetzt und zu einem Bruch, der von dieser Oberfläche ausgeht, führt.
  • Aus diesem Grund ist ein Bindemittel, dessen Impedanz und dessen Wärmewiderstand so niedrig wie bei Lot sind, dessen mechanische Festigkeit jedoch höher als jene von Lot ist, als zu Lot alternatives Bindemittel erforderlich.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird daher für eine Zweielementverbindung ein solcher elektrisch leitender Klebstoff, wie er oben beschrieben worden ist, verwendet. Dementsprechend kann in der vorliegenden Ausführungsform bei einer Zweielementverbindung der Wechselrichtervorrichtung, bei der, wie durch die Standards, die Energieversorgungen betreffen, festgelegt ist, die Stärke des Stroms, der durch Halbleitervorrichtungen während ihrer Verwendung, bei der sie in einem Kraftfahrzeug angebracht sind, in einer rauen Wärmekreislaufumgebung fließt, größer ist, auch dann, wenn der Unterschied zwischen den zwei Elementen hinsichtlich des linearen Ausdehnungskoeffizienten groß ist, die thermische Ermüdung, der die Oberfläche der Verbindung ausgesetzt ist, verringert werden, weshalb die Wechselrichtervorrichtung in einer rauen Wärmekreislaufumgebung stabil betrieben werden kann.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist die Zuverlässigkeit der Wechselrichtervorrichtung daher höher. Da die Wechselrichtervorrichtung in der vorliegenden Ausführungsform so konstruiert ist, dass von beiden Flächen eines jeden Halbleiterchips Wärme abgeführt wird, ist es auch möglich, die thermische Ermüdung, der die Oberfläche der Verbindung ausgesetzt ist, weiter zu verringern und die Zuverlässigkeit der Wechselrichtervorrichtung weiter zu verbessern.
  • Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wird, in dem für die Verbindung zwischen den isolierenden Substraten 12, 13, 22 und 23 und den Blockelementen 14, 15, 24 und 25 ein elektrisch leitender Klebstoff verwendet wird, kann der elektrisch leitende Klebstoff auch für eine Verbindung zwischen den isolierenden Substraten 12 und 22 (13 und 23) und den Verdrahtungsmustern 8 (9), zwischen der Source-Elektrode 2 und dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4 des Siliciumchips 1 und zwischen weiteren Abschnitten verwendet werden. Hiermit kann die Zuverlässigkeit der Wechselrichtervorrichtung weiter verbessert wer den.
  • Die Busschiene 30 ist zwischen dem Positivpol-Halbleitermodul 10 und dem Negativpol-Halbleitermodul 20 und in der Mitte der Grundfläche 50 durch Schichten der Positivpol-Gleichstrombusschiene 31, der Negativpol-Gleichstrombusschiene 32, der w-Phase-Busschiene 33, der v-Phase-Busschiene 34 und der u-Phase-Busschiene 35, und zwar von unten her in dieser Reihenfolge, ausgebildet. Um die Kontaktflächen zwischen diesen Abschnitten elektrisch zu isolieren, ist ein isolierendes Element 36 zwischen der Grundfläche 50 und der Busschiene 30 und zwischen anderen Busschienen vorgesehen. Die Positivpol-Gleichstrombusschiene 31 und die Negativpol-Gleichstrombusschiene 32 sind zu einer Eingangsverdrahtung äquivalent. Die w-Phase-Busschiene 33, die v-Phase-Busschiene 34 und die u-Phase-Busschiene 35 sind zu einer Ausgangsverdrahtung äquivalent.
  • An einem Ende der Positivpol-Gleichstrombusschiene 31 in ihrem zweiten Abschnitt ist ein Abschnitt 31a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet. An einem Ende der Negativpol-Gleichstrombusschiene 32 in ihrem zweiten Abschnitt ist ein Abschnitt 32a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet.
  • An dem anderen Ende der u-Phase-Busschiene 35 in ihrem zweiten Abschnitt ist ein Abschnitt 35a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet. An dem anderen Ende der v-Phase-Busschiene 34 in ihrem zweiten Abschnitt ist ein Abschnitt 34a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet. An dem anderen Ende der w-Phase-Busschiene 33 in ihrem zweiten Abschnitt ist ein Abschnitt 33a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet.
  • In der Busschiene 30, die wie bei der vorliegenden Ausführungsform zu einer Schichtenstruktur gefügt ist, fließt der Strom zur Wechselrichterschaltung alternierend, wobei die durch den alternierend fließenden Strom erzeugten Magnetfelder zueinander versetzt sind. Hiermit nimmt bei der vorliegenden Ausführungsform die auf die Wechselrichterschaltung störend einwirkende Reaktanz ab und wird die an die Halbleiterchips 11 und 21 während eines Schaltens bei hohem Strom angelegte Überspannung unterdrückt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist daher die Zuverlässigkeit der Wechselrichtervorrichtung 100 höher.
  • Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel des Schichtens der Busschienenkomponenten in der oben erwähnten Reihenfolge beschrieben worden ist, ist die Schichtung der Busschienenkomponenten nicht auf die oben erwähnte Reihenfolge begrenzt, wobei auch dann, wenn die die w-Phase-Busschiene 33, die v-Phase-Busschiene 34 und die u-Phase-Busschiene 35, die Negativpol-Gleichstrombusschiene 32 und die Positivpol-Gleichstrombusschiene 31, und zwar von unten her in dieser Reihenfolge, ausgebildet sind, kein Problem entsteht.
  • In diesem Fall sollten jedoch vorzugsweise die Oberseite und die Unterseite jedes Halbleiters 11 (Siliciumchips 1) in dem Positivpol-Halbleitermodul 10 und die Oberseite und Unterseite jedes Halbleiters 21 (Siliciumchips 1) in dem Negativpol-Halbleitermodul 20 umgekehrt werden, um ein kreuzweises Überlagern zwischen den Verbindungselementen, das später beschrieben wird, zu verhindern.
  • Ein Ende eines Verbindungsleiters 37 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 9 des isolierenden Substrats 13 verbunden, das nur mit der Unterseite jenes Halbleiterchips 11 unter allen drei in 1 gezeigten Halbleiterchips verbunden ist, der in der zweiten Richtung auf der linken Seite positioniert ist.
  • Das andere Ende des Verbindungsleiters 37 ist durch Lot mit der Positivpol-Gleichstrombusschiene 31 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Drain-Elektrode 5 des betreffenden Halbleiterchips 11 und die Positivpol-Gleichstrombusschiene 31 elektrisch verbunden. Ein Ende eines Verbindungsleiters 38 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 8 des isolierenden Substrats 12 verbunden, das mit der Oberseite des betreffenden Halbleiterchips 11 verbunden ist.
  • Das andere Ende des Verbindungsleiters 38 ist durch Lot mit der u-Phase-Wechselstrombusschiene 35 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Basiselektrode 2 des betreffenden Halbleiterchips 11 und die u-Phase-Wechselstrombusschiene 35 elektrisch verbunden. Die Verbindungsleiter 37 und 38 sind flache, plattenartige elektrisch leitenden Elemente, die aus einem Metall (beispielsweise Kupfer) gefertigt sind.
  • Ein Ende eines Verbindungsleiters 39 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 9 des isolierenden Substrats 23 verbunden, das nur mit der Unterseite jenes Halbleiterchips 21 unter allen drei in 1 gezeigten Halbleiterchips 21 verbunden ist, der in der zweiten Richtung auf der linken Seite positioniert ist. Das andere Ende des Verbindungsleiters 39 ist durch Lot mit der Negativpol-Gleichstrombusschiene 32 verbunden.
  • Durch diese Verbindungen sind die Basiselektrode 2 des betreffenden Halbleiterchips 21 und die Negativpol-Gleichstrombusschiene 32 elektrisch verbunden. Ein Ende eines Verbindungsleiters 40 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 8 des isolierenden Substrats 22 verbunden, das mit der Oberseite des betreffenden Halbleiterchips 21 verbunden ist.
  • Das andere Ende des Verbindungsleiters 40 ist durch Lot mit der u-Phase-Wechselstrombusschiene 35 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Drain-Elektrode 5 des betreffenden Halbleiterchips 21 und die u-Phase-Wechselstrombusschiene 35 elektrisch verbunden. Die Verbindungsleiter 39 und 40 sind flache, plattenartige elektrisch leitenden Elemente, die aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, gefertigt sind.
  • Ein Ende eines Verbindungsleiters 41 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 9 des isolierenden Substrats 13 verbunden, das nur mit der Unterseite jenes Halbleiterchips 11 unter allen drei in 1 gezeigten Halbleiterchips 11 verbunden ist, der in der zweiten Richtung zentral positioniert ist. Das andere Ende des Verbindungsleiters 41 ist durch Lot mit der Positivpol-Gleichstrombusschiene 31 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Drain-Elektrode 5 des betreffenden Halbleiterchips 11 und die Positivpol-Gleichstrombusschiene 31 elektrisch verbunden.
  • Ein Ende eines Verbindungsleiters 42 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 8 des isolierenden Substrats 12 verbunden, das mit der Oberseite des betreffenden Halbleiterchips 11 verbunden ist. Das andere Ende des Verbindungsleiters 42 ist durch Lot mit der v-Phase-Wechselstrombusschiene 34 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Basiselektrode 2 des betreffenden Halbleiterchips 11 und die v-Phase-Wechselstrombusschiene 34 elektrisch verbunden.
  • Die Verbindungsleiter 41 und 42 sind flache, plattenartige elektrisch leitende Elemente, die aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, gefertigt sind.
  • Ein Ende eines Verbindungsleiters 43 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 9 des isolierenden Substrats 23 verbunden, das nur mit der Unterseite jenes Halbleiterchips 21 unter allen drei in 1 gezeigten Halbleiterchips 21 verbunden ist, der in der zweiten Richtung zentral positioniert ist.
  • Das andere Ende des Verbindungsleiters 43 ist durch Lot mit der Negativpol-Gleichstrombusschiene 32 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Basiselektrode 2 des betreffenden Halbleiterchips 21 und die Negativpol-Gleichstrombusschiene 32 elektrisch verbunden. Ein Ende eines Verbindungsleiters 44 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 8 des isolierenden Substrats 22 verbunden, das mit der Oberseite des betreffenden Halbleiterchips 21 verbunden ist.
  • Das andere Ende des Verbindungsleiters 44 ist durch Lot mit der v-Phase-Wechselstrombusschiene 34 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Drain-Elektrode 5 des betreffenden Halbleiterchips 21 und die v-Phase-Wechselstrombusschiene 34 elektrisch verbunden. Die Verbindungsleiter 43 und 44 sind flache, plattenartige elektrisch leitenden Elemente, die aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, gefertigt sind.
  • Ein Ende eines Verbindungsleiters 45 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 9 des isolierenden Substrats 13 verbunden, das nur mit der Unterseite jenes Halbleiterchips 11 unter allen drei in 1 gezeigten Halbleiterchips 11 verbunden ist, der in der zweiten Richtung auf der rechten Seite positioniert ist. Das andere Ende des Verbindungsleiters 45 ist durch Lot mit der Positivpol-Gleichstrombusschiene 31 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Drain-Elektrode 5 des betreffenden Halbleiterchips 11 und die Positivpol-Gleichstrombusschiene 31 elektrisch verbunden.
  • Ein Ende eines Verbindungsleiters 46 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 8 des isolierenden Substrats 12 verbunden, das mit der Oberseite des betreffenden Halbleiterchips 11 verbunden ist. Das andere Ende des Verbindungsleiters 46 ist durch Lot mit der w-Phase-Wechselstrombusschiene 33 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Basiselektrode 2 des betreffenden Halbleiterchips 11 und die w-Phase-Wechselstrombusschiene 33 elektrisch verbunden. Die Verbindungsleiter 45 und 46 sind flache, plattenartige elektrisch leitende Elemente, die aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, gefertigt sind.
  • Ein Ende eines Verbindungsleiters 47 ist durch Lot mit dem Verdrahtungsmuster 9 des isolierenden Substrats 23 verbunden, das nur mit der Unterseite jenes Halbleiterchips 21 unter allen drei in 1 gezeigten Halbleiterchips 21 verbunden ist, der in der zweiten Richtung auf der rechten Seite positioniert ist.
  • Das andere Ende des Verbindungsleiters 47 ist durch Lot mit der Negativpol-Gleichstrombusschiene 32 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Basiselektrode 2 des betreffenden Halbleiterchips 21 und die Negativpol-Gleichstrombusschiene 32 elektrisch verbunden.
  • Ein Ende eines Verbindungsleiters 48 ist durch Lot mit dem Ver drahtungsmuster 8 des isolierenden Substrats 22 verbunden, das mit der Oberseite des betreffenden Halbleiterchips 21 verbunden ist. Das andere Ende des Verbindungsleiters 48 ist durch Lot mit der w-Phase-Wechselstrombusschiene 33 verbunden. Durch diese Verbindungen sind die Drain-Elektrode 5 des betreffenden Halbleiterchips 21 und die w-Phase-Wechselstrombusschiene 33 elektrisch verbunden. Die Verbindungsleiter 47 und 48 sind flache, plattenartige elektrisch leitende Elemente, die aus einem Metall (beispielsweise Kupfer) gefertigt sind.
  • Wie oben beschrieben worden ist, sind bei der vorliegenden Ausführungsform genau dadurch, dass die Busschiene 30 zwischen dem Positivpol-Halbleitermodul 10 und dem Negativpol-Halbleitermodul 20 angeordnet ist, das Positivpol-Halbleitermodul 10, das Negativpol-Halbleitermodul 20 und die Busschiene 30 in unmittelbarer Nähe linear angeordnet.
  • Gemäß dieser Konfiguration kann die elektrische Verbindung zwischen dem Positivpol-Halbleitermodul 10, dem Negativpol-Halbleitermodul 20 und der Busschiene 30 durch Verwendung der Verbindungsleiter 37 bis 48 einfach hergestellt werden. Hiermit verringert sich bei der vorliegenden Ausführungsform die Anzahl von Komponenten der Wechselrichtervorrichtung 100 und vereinfacht sich die Konfiguration der Wechselrichtervorrichtung 100. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können bei der Wechselrichtervorrichtung 100 daher sowohl die Abmessungen verkleinert als auch die Kosten gesenkt werden.
  • Da gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Schichtungsreihenfolge der Elemente, die die Busschiene 30 bilden, entsprechend der besonderen Konfiguration des Positivpol-Halbleitermoduls 10 und des Negativpol-Halbleitermoduls 20 verändert ist, überkreuzen sich auch die Verbindungsleiter 37 bis 48 nicht zwischen dem Positivpol-Halbleitermodul 10, dem Negativpol-Halbleitermodul 20 und der Busschiene 30.
  • An der Gate-Elektrode 6 des Halbleiterchips 11 (21) ist ein Verdrahtungselement 70, das ausgehend von den Abschnitten der Blockelemente 14 und 24, die in der ersten Richtung der Busschiene 30 an ihrer entgegengesetzten Seite mit Löchern versehen sind, eingeführt worden ist, durch eine Metallkugel 71 verbunden. Hiermit ist das Verdrahtungselement 70 mit der Gate-Elektrode 6 elektrisch verbunden.
  • Das Verdrahtungselement 70 ist ein dünnes, plattenartiges oder blattartiges Signalübertragungselement, das Gate-Steuersignale 151 (Schaltsteuersignale zum Durchschalten und Sperren der MOSFETs 171-173 und 181-183) von dem Steuerschaltungsblock 150 an die Gates der MOSFETs anlegt. Genauer ist das Verdrahtungselement 70 entweder ein mit einer Harzschicht abgedecktes elektrisch leitendes Element oder ein an einer Seite einer Harzschicht befestigtes elektrisch leitendes Element. Die Harzschicht ist eine aus isolierendem Harz gebildete elastische Schicht. Die Metallkugel 71 ist ein globales, elektrisch leitendes und haftendes Element, das aus Lot gebildet ist.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine solche Verdrahtungsverbindung, wie sie oben beschrieben worden ist, verwendet, um die Gate-Elektrode 6 mit dem Verdrahtungselement 70 zu verbinden. Der Grund dafür ist, dass aufgrund dessen, dass die Position der Gate-Elektrode 6 in dem Bereich, der von dem Schutzring 7, der an einer Fläche der Oberseite oder der Unterseite des Siliciumchips 1 vorgesehen ist, umgeben ist, außerhalb von jener der Source-Elektrode 2 liegt, sichergestellt sein muss, dass der erforderliche Abstand den Entwurf des elektrischen Feldes des Schutzrings 7 nicht beeinflusst, und gleichzeitig die Verdrahtungsverbindung mit der Gate-Elektrode 6 ausgeführt werden muss.
  • Um bei der vorliegenden Ausführungsform die oben beschriebene Verdrahtungsverbindung zu ermöglichen, wird außerdem eine elektrische Verbindung zwischen der Source-Elektrode 2 und den Verdrahtungsmustern 8 und 9 der isolierenden Substrate 12 und 23 mittels des folgenden Verfahrens erreicht: Das heißt, dass die Source-Elektrode 2 und die Verdrahtungsmuster 8 und 9 der isolierenden Substrate 12 und 23 über das Source-Elektrode-Verbindungselement 4 elektrisch verbunden werden. Außerdem wird die Größe der Verbindungsfläche des Source-Elektrode-Verbindungselements 4 auf die Größe der Elektrodenoberfläche der Source-Elektrode 2 begrenzt, so dass ein Verdrahtungsverbindungszwischenraum zwischen dem Verdrahtungselement 70 und der Gate-Elektrode 6 erhalten werden kann.
  • Außerdem besitzt das Source-Elektrode-Verbindungselement 4 eine Plattendicke, die es ermöglicht, den erforderlichen Isolationsabstand zwischen dem Schutzring 7 und dem Verdrahtungselement 70 zu erhalten. Hierdurch ist zwischen dem Siliciumchip 1 und den isolierenden Substraten 12 und 23 der erforderliche Raum für eine Verdrahtungsverbindung sichergestellt.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Fall, in dem die Gate- Elektrode 6 und das Verdrahtungselement 70 durch eine solche Verbindung, wie sie oben beschrieben worden ist, verbunden sind, dargelegt worden. Falls in dem von dem Schutzring 7 umgebenen Bereich sich die Gate-Elektrode 6 an einer inneren Position zu jener der Source-Elektrode 2 befindet, kann jedoch die Notwendigkeit entstehen, die Verdrahtungsmuster 8 und 9 der isolierenden Substrate 12 und 23 und die Source-Elektrode 2 ohne Verwendung des Source-Elektrode-Verbindungselements 4 zu verbinden.
  • Falls dies der Fall ist, wird vorzugsweise ein Verfahren angewandt, bei dem ein Ende einer herausführenden Leitung (elektrisch leitenden Drahtleitung), deren anderes Ende mit der Source-Elektrode 2 verbunden ist, über eine entweder in dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4 oder den isolierenden Substraten 12 und 23 vorgesehenen Kerbe oder durch ein derartiges Loch hindurch herausgezogen wird und unter Beibehaltung des erforderlichen Abstands in Bezug auf den Schutzring 7 die herausführende Leitung herausgezogen und dann mit dem Verdrahtungselement 70 verbunden wird.
  • Da gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform sowohl an der Oberseite als auch der Unterseite des Halbleiterchips 11 (21) durch Einbetten dieses Halbleiterchips 11 (21) zwischen die isolierenden Substrate 12 und 13 (22 und 23) und die Blockelemente 14 und 15 (24 und 25) sowohl mit der Oberseite als auch der Unterseite des Halbleiterchips 11 (21) ein Wärmeabführkanal gebildet ist, und/oder da die Querschnittsfläche des Wärmestromabschnitts des Wärmeabführkanals durch Verbinden des Blockelements 13 (24) mit dem Blockelement 15 (25) quer über die durch den Halbleiterchip 11 (21) und die isolierenden Substrate 12 und 13 (22 und 23) gebildete Schichtenstruktur erweitert ist, verteilt sich ein Wärmestrom 80, der von der Oberseite des Halbleiterchips 11 (21) abgeführt wird und in einer Richtung zur Oberseite der Schichtungsrichtung der Schichtenstruktur fließt, so, dass ein Wärmestrom 81 erzeugt wird, der in verschiedene Richtungen in Bezug auf die zur Schichtungsrichtung der Schichtenstruktur vertikale Fläche fließt (in der Figur ist nur der Wärmestrom in einer senkrechten und einer horizontalen Richtung in Bezug auf die Schichtungsrichtung der Schichtenstruktur gezeigt). Anschließend wird der Wärmestrom 81 auf das Blockelement 15 (25) übertragen und zusammen mit einem Wärmestrom 82, der von der Unterseite des Halbleiterchips 11 (21) abgeführt wird und zur Unterseite der Schichtungsrichtung der Schichtenstruktur fließt, von einer Wärmeabführstruktur 60 nach außen abgeführt.
  • Hiermit verringert sich bei der vorliegenden Ausführungsform der Wärmewiderstand sowohl des Positivpol-Halbleitermoduls 10 als auch des Negativpol-Halbleitermoduls 20 wesentlich, wobei auch die Temperaturanstiege der beiden Module wesentlich geringer sind. Laut den Erfindern konnte empirisch nachgewiesen werden, dass sich der Wärmewiderstand sowohl des Positivpol-Halbleitermoduls 10 als auch des Negativpol-Halbleitermoduls 20 auf etwa die Hälfte des entsprechenden herkömmlichen Wertes verringert und sich auch die Temperaturanstiege beider Module auf etwa die Hälfte der entsprechenden herkömmlichen Werte verringern (d. h., dass die Kühlleistung um das Zweifache jener eines herkömmlichen Produkts erhöht werden kann).
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können daher durch Einführung noch kompakterer Halbleiterchips 11 und 21 das Positivpol-Halbleitermodul 10 und das Negativpol-Halbleitermodul 20 in der Abmessung verkleinert werden und Temperaturanstiege beider Module so gesteuert werden, dass sie auch dann, wenn die Menge des darin fließenden Stroms gemäß den Festlegungen der Standards, die sich auf die Batterie 200, die in einem Kraftfahrzeug angebrachte Leistungsversorgung, beziehen, erhöht ist, innerhalb des zulässigen Temperaturbereichs der Halbleiterchips 11 und 21 bleiben.
  • Dementsprechend ermöglicht die vorliegende Ausführungsform das Schaffen einer hoch zuverlässigen, kompakten und kostengünstigen Wechselrichtervorrichtung 100, deren normaler Betrieb selbst dann, wenn sie in einer rauen Wärmekreislaufumgebung verwendet wird, aufrechterhalten werden kann.
  • Da das Blockelement 14 (24), wie beispielsweise in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt ist, zu einer Brückenform oder Bogenform ausgebildet ist, kann außerdem die Querschnittsfläche des Wärmestromabschnitts des Wärmeabführkanals innerhalb jenes Bereichs, der den Abmessungen der Wechselrichtervorrichtung 100 für die Anbringung in einem Kraftfahrzeug genügt, vergrößert werden, ohne die Schichtenstruktur, die durch den Halbleiterchip 11 (21) und die isolierenden Substrate 12 und 13 (22 und 23) gebildet ist, in ihrer Schichtungsrichtung oder ihrer vertikalen Richtung mehr als notwendig zu erweitern.
  • Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel, bei dem die Wärmeabführstruktur 60 mit der Unterseite der Grundfläche 50 verbunden ist, beschrieben worden ist, verringert sich der Wärmewiderstand sowohl des Positivpol-Halbleitermoduls 10 als auch des Negativpol-Halbleitermoduls 20 ebenso auf etwa die Hälfte des entsprechenden herkömmlichen Wertes, wenn eine ähnliche Wärmeabführstruktur mit den Oberseiten der Blockelemente 14 und 24 verbunden ist.
  • Als nächstes wird in Übereinstimmung mit den 9 bis 12 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 9 bis 12 zeigen den Schaltungsaufbau einer heutigen Leistungswandlervorrichtung. Bei der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich die Konfiguration der Schichtenstruktur, die zwischen die Blockelemente 14 und 15 (24 und 25) in dem Positivpol-Halbleitermodul 10 (Negativpol-Halbleitermodul 20) eingeführt ist, von der bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Konfiguration.
  • Bei der zweiten Ausführungsform ist die Schichtenstruktur, die aus dem Halbleiterchip 11 (21), den elektrisch leitenden Elementen 73 und 74 (83 und 84) und den isolierenden Elementen 75 und 76 (85 und 86) zusammengesetzt ist, zwischen Blockelemente 14 und 15 (24 und 25) in einer Positionsbeziehung, die zu jener der ersten Ausführungsform ähnlich ist, eingebettet. Die elektrisch leitenden Elemente 73, 74, 83 und 84 sind flache, plattenartige Elemente, die aus einem Metall (beispielsweise Kupfer) gefertigt sind. Die isolierenden Elemente 75, 76, 85 und 86 sind flache, plattenartige Keramikelemente, die aus einem stark wärmeleitenden Material wie etwa einem Aluminiumnitridmaterial gebildet sind.
  • Jene Seite des elektrisch leitenden Elements 73, die der Oberseite des Halbleiterchips 11 zugewandt ist, ist mittels Lot 16 mit dessen Oberseite (dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4) verbunden, um eine elektrische Verbindung mit dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4 sicherzustellen. Jene Seite des elektrisch leitenden Elements 74, die der Unterseite des Halbleiterchips 11 zugewandt ist, ist mittels Lot 17 mit dessen Unterseite (genauer der Unterseite des Siliciumchips 1) verbunden, um eine elektrische Verbindung mit der Drain-Elektrode 5 sicherzustellen.
  • Jene Seite des elektrisch leitenden Elements 83, die der Oberseite des Halbleiterchips 21 zugewandt ist, ist mittels Lot 26 mit dessen Oberseite (dem Siliciumchip 1) verbunden, um eine elektrische Verbindung mit der Drain-Elektrode 5 sicherzustellen. Jene Seite des elektrisch leitenden Elements 84, die der Unterseite des Halbleiterchips 21 zugewandt ist, ist mittels Lot 27 mit dessen Unterseite (dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4) verbunden, um eine elektrische Verbindung mit dem Source-Elektrode-Verbindungselement 4 sicherzustellen.
  • Jene Seite des isolierenden Elements 75 (85), die der entgegengesetzten Seite des elektrisch leitenden Elements 73 (83) in Bezug auf den Halbleiterchip 11 (21) zugewandt ist, ist mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs 90 (91) mit der entgegengesetzten Seite des elektrisch leitenden Elements 73 (83) in Bezug auf den Halbleiterchip 11 (21) verbunden. Jene Seite des isolierenden Elements 76 (86), die der entgegengesetzten Seite des elektrisch leitenden Elements 74 (84) in Bezug auf den Halbleiterchip 11 (21) zugewandt ist, ist mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs 92 (93) mit der entgegengesetzten Seite des elektrisch leitenden Elements 74 (84) in Bezug auf den Halbleiterchip 11 (21) verbunden. Die elektrisch leitenden Klebstoffe 90 bis 93 sind aus demselben Material wie jenem der ersten Ausführungsform geschaffen, so dass es denselben Aufbau wie jenes der ersten Ausführungsform besitzt.
  • Jene Seite des Blockelements 14 (24), die der entgegengesetzten Seite des isolierenden Elements 75 (85) in Bezug auf das elektrisch lei tende Element 73 (83) zugewandt ist, ist mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs 94 (95) mit der entgegengesetzten Seite des isolierenden Elements 75 (85) in Bezug auf den Halbleiterchip 11 (21) verbunden.
  • Jene Seite des Blockelements 15 (25), die der entgegengesetzten Seite des isolierenden Elements 76 (86) in Bezug auf das elektrisch leitende Element 74 (84) zugewandt ist, ist mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs 96 (97) mit der entgegengesetzten Seite des isolierenden Elements 76 (86) in Bezug auf den Halbleiterchip 11 (21) verbunden.
  • Die Konfiguration von Busschienen bei der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der Konfiguration bei der ersten Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Busschienen in Busschienen 51 für Gleichstromverwendung, die eine Eingangsverdrahtung bilden, und Busschienen 52 für Wechselstromverwendung, die eine Ausgangsverdrahtung bilden, unterteilt, wobei diese beiden Typen von Busschienen so angeordnet sind, dass sie zueinander orthogonal sind. Die Busschienen 51 für Gleichstromverwendung bestehen aus einer Positivpol-Gleichstrombusschiene 53 und einer Negativpol-Gleichstrombusschiene 54, die zwischen der linear vorgesehenen Struktur, die durch das Positivpol-Halbleitermodul 10 und das Negativpol-Halbleitermodul 20 gebildet ist, angeordnet sind.
  • Die Positivpol-Gleichstrombusschiene 53 besteht aus dem elektrisch leitenden Element 73 und ist aus einem flachen, plattenartigen ersten Abschnitt, der sich von dem Positivpol-Halbleitermodul 10 zum Negativpol-Halbleitermodul 20 in Bezug auf die Anordnungs richtung beider Module erstreckt (im Folgenden wird diese Richtung als dritte Richtung bezeichnet), und einem flachen, plattenartigen Abschnitt, der sich in einer Richtung erstreckt, die sowohl zur Richtung der Ausdehnung des ersten Abschnitts als auch zur Richtung der Anordnung des Positivpol-Halbleitermoduls 10 und des Negativpol-Halbleitermoduls 20 einen rechten Winkel bildet (und die im Folgenden als vierte Richtung bezeichnet wird), zwischen der linear vorgesehenen Struktur aus dem Positivpol-Halbleitermodul 10 und dem Negativpol-Halbleitermodul 20 (mit anderen Worten zwischen den Blockelementen 14 und 24) gebildet, derart, dass der Querschnitt in der vierten Richtung die Form eines L aufweist. An einem Ende der Positivpol-Gleichstrombusschiene 53 in ihrer vierten Richtung ist ein Abschnitt 53a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet.
  • Die Negativpol-Gleichstrombusschiene 54 besteht aus dem elektrisch leitenden Element 83 und ist aus einem flachen, plattenartigen ersten Abschnitt, der sich von dem Negativpol-Halbleitermodul 20 zu dem Positivpol-Halbleitermodul 10 in Bezug auf die dritte Richtung erstreckt, und einem flachen, plattenartigen Abschnitt, der sich in der vierten Richtung in rechten Winkeln in Bezug auf die Ausdehnungsrichtung des ersten Abschnitts erstreckt, zwischen der linear vorgesehenen Struktur aus dem Positivpol-Halbleitermodul 10 und dem Negativpol-Halbleitermodul 20 (mit anderen Worten zwischen den Blockelementen 14 und 24) gebildet, derart, dass der Querschnitt in der vierten Richtung die Form eines L aufweist. Der zweite Abschnitt der Positivpol-Gleichstrombusschiene 53 und jener der Negativpol-Gleichstrombusschiene 54 überlappen sich in der dritten Richtung über ein isolierendes Element 55. An einem Ende der Negativpol-Gleichstrombusschiene 54 in ihrer vierten Richtung ist ein Abschnitt 54a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet.
  • Die Busschienen 52 für Wechselstromverwendung bestehen aus einer u-Phase-Busschiene 56, einer v-Phase-Busschiene 57 und einer w-Phase-Busschiene 56. Die u-Phase-Busschiene 56, die v-Phase-Busschiene 57 und die w-Phase-Busschiene 58 sind durch Integration des elektrisch leitenden Elements 74 des Positivpol-Halbleitermoduls 10 und des elektrisch leitenden Elements 84 des Negativpol-Halbleitermoduls 20 für jede entsprechende Phase gebildet, wobei jede der drei Busschienen eine flache, plattenartige Struktur ist, die sich von dem Negativpol-Halbleitermodul 20 zu dem Positivpol-Halbleitermodul 10 in Bezug auf die dritte Richtung erstreckt und von dem Positivpol-Halbleitermodul 10 zur entgegengesetzten Seite in Bezug auf das Negativpol-Halbleitermodul 20 vorsteht.
  • An jenem Abschnitt der u-Phase-Wechselstrombusschiene 56, der von dem Positivpol-Halbleitermodul 10 zur entgegengesetzten Seite in Bezug auf das Negativpol-Halbleitermodul 20 vorsteht, ist ein Abschnitt 56a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet. An jenem Abschnitt der v-Phase-Wechselstrombusschiene 57, der von dem Positivpol-Halbleitermodul 10 zur entgegengesetzten Seite in Bezug auf das Negativpol-Halbleitermodul 20 vorsteht, ist ein Abschnitt 57a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet.
  • An jenem Abschnitt der w-Phase-Wechselstrombusschiene 58, der von dem Positivpol-Halbleitermodul 10 zur entgegengesetzten Seite in Bezug auf das Negativpol-Halbleitermodul 20 vorsteht, ist ein Abschnitt 58a für externen Verbindungsanschluss ausgebildet.
  • Strukturell sind die anderen Abschnitte gleich jenen der ersten Ausführungsform, weshalb ihnen dieselben Bezugszeichen, die bei der ersten Ausführungsform verwendet wurden, zugeteilt worden sind. Aus diesem Grund entfällt eine Beschreibung der weiteren Abschnitte.
  • Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform ist es aufgrund dessen, dass der ersten Ausführungsform entsprechend ein doppelseitiger Wärmeabführkanal ausgebildet ist und die Querschnittsfläche seines Wärmestromabschnitts erweitert ist, möglich, der ersten Ausführungsform entsprechend den Wärmewiderstand sowohl des Positivpol-Halbleitermoduls 10 als auch des Negativpol-Halbleitermoduls 20 auf etwa die Hälfte des entsprechenden herkömmlichen Wertes zu verringern und Temperaturanstiege des Positivpol-Halbleitermoduls 10 und des Negativpol-Halbleitermoduls 20 auf etwa die Hälfte der entsprechenden herkömmlichen Werte zu senken und damit der ersten Ausführungsform entsprechend die Abmessungen des Positivpol-Halbleitermoduls 10 und des Negativpol-Halbleitermoduls 20 zu verkleinern und Temperaturanstiege beider Module zu unterdrücken.
  • Demgemäß ermöglicht die vorliegende Ausführungsform ebenso das Schaffen einer hoch zuverlässigen, kompakten und kostengünstigen Wechselrichtervorrichtung 100, deren normaler Betrieb auch dann, wenn sie in einer rauen Wärmekreislaufumgebung verwendet wird, aufrechterhalten werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es aufgrund dessen, dass die Gleichstrombusschienen 51 unter Verwendung der elektrisch leitenden Elemente 73 und 83, die das Positivpol-Halbleitermo dul 10 und das Negativpol-Halbleitermodul 20 bilden, gebildet sind und dass die Wechselstrombusschienen 52 unter Verwendung der elektrisch leitenden Elemente 74 und 84, die das Positivpol-Halbleitermodul 10 und das Negativpol-Halbleitermodul 20 bilden, gebildet sind, möglich, die Anzahl von Komponenten im Vergleich zu jener der ersten Ausführungsform zu verringern und die Konfiguration der Wechselrichtervorrichtung 100 zu vereinfachen.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es daher möglich eine noch kompaktere und kostengünstigere Wechselrichtervorrichtung 100 als jene der ersten Ausführungsform zu schaffen.
  • Die Bezugszeichen bedeuten die folgenden Teile:
    • 10
    Positivpol-Halbleitermodul,
    11, 21
    Halbleiterchips,
    12, 13, 22, 23
    Isolierende Substrate,
    14, 15, 24, 25
    Blockelemente,
    20
    Negativpol-Halbleitermodul,
    30
    Busschiene,
    51
    Busschiene für Gleichstromverwendung,
    52
    Busschiene für Wechselstromver wendung,
    60
    Wärmeabführelement,
    73, 74, 83, 84
    Elektrisch leitende Elemente,
    75, 76, 85, 86
    Isolierende Elemente.
  • Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, ein Halbleitermodul zu schaffen, dessen Kühlleistung höher ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es auch möglich, eine hoch zuverlässige, kompakte und kostengünstige Wechselrichtervorrichtung zu schaffen, deren normaler Betrieb auch dann, wenn sie in einer rauen Wärmekreislaufumgebung verwendet wird, aufrechterhalten werden kann.

Claims (5)

  1. Halbleitermodul, das mehrere Halbleiter-Schichtstoffe umfasst, die auf einem wärmeleitenden Element angebracht sind, wobei jeder der Halbleiter-Schichtstoffe einen Halbleiterchip (11; 21), der zwischen zwei isolierenden Substraten (12; 13; 22; 23) eingebettet ist, umfasst, wobei jedes isolierende Substrat auf seiner Oberfläche ein Verdrahtungsmuster (8; 9) besitzt, wobei der Halbleiterchip mit dem Verdrahtungsmuster elektrisch verbunden ist, wobei ein erstes wärmeleitendes Element (14; 24) die Schichtstoffe abdeckt und ein zweites wärmeleitendes Element (15; 25) die Schichtstoffe darauf anbringt, wobei das erste wärmeleitende Element (14; 24) einen Plattenabschnitt und mehrere Seitenwände, die mit den Enden des Plattenabschnitts verbunden sind, besitzt, wobei sich jeder der Schichtstoffe zwischen übergreifenden Elementen befindet, wobei die oberen Seiten der Schichtstoffe mit einer unteren Seite des ersten wärmeleitenden Elements (14; 24) verbunden sind und die unteren Seiten der Schichtstoffe mit einer oberen Seite des zweiten wärmeleitenden Elements (15; 25) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände des ersten wärmeleitenden Elements mit der oberen Seite des zweiten wärmeleitenden Elements (15; 25) verbunden sind.
  2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem die isolierenden Substrate und die wärmeleitenden Elemente durch einen elektrisch leitenden Klebstoff miteinander verbunden sind, in dem metallische Teile oder metallische Partikel mit Harz gemischt sind.
  3. Halbleitermodul nach Anspruch 2, bei dem die metallischen Teile oder metallischen Partikel nadelartige oder blattartige Vorsprünge besitzen.
  4. Halbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem das zweite wärmeleitende Element mit einer Wärmeabführstruktur verbunden ist.
  5. Leistungswandlervorrichtung, die ein Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfasst.
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