DE60317270T2 - Halbleitermodul und Leistungswandler - Google Patents

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K. Mashino
H. Anan
Y. Ochiai
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitermodul und einen damit versehenen Umrichter.
  • Manche Arten von Umrichtern enthalten ein Halbleitermodul, in dem Halbleiterbauteile in Chipform in einem IC-Gehäuse angeordnet sind. Der Großteil der Umrichter enthält jedoch ein Halbleitermodul, in dem die Halbleiterbauelemente so wie sie sind angeordnet sind. Dadurch soll die Kühlung des Halbleitermoduls durch direktes Abführen der von den Halbleiterbauelementen abgegebenen Wärme verbessert werden.
  • Beispiele für Halbleitermodule dieser bekannten Art sind in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Hei 10-56131 beschrieben. In der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Hei 10-56131 sind verschiedene Produkte beschrieben, die so konstruiert sind, daß die von den einzelnen Halbleiterchips erzeugte Wärme über die beiden Hauptflächen des jeweiligen Halbleiterchips abgeführt wird.
  • Diese Produkte umfassen zum Beispiel ein Halbleitermodul, bei dem die einzelnen Halbleiterchips zwischen isolierenden Substraten liegen, die ihrerseits zwischen Kupferplatten liegen, so daß die von den Halbleiterchips erzeugte Wärme an deren beiden Hauptflächen abgeführt wird.
  • Die US-A-6072240 beschreibt ein Halbleiterbauelement mit mehreren IGBT-Chips, die zwischen zwei thermisch gut leitenden isolierenden Substraten liegen. Mit einem dieser Substrate sind die Chips über ein elektrisch isolierendes Element verbunden, und das andere liegt rittlings über dem Bauelement und dem anderen Substrat.
  • Die DE-A-19932953 beschreibt ebenfalls eine Anordnung, bei der Halbleiterchips zwischen zwei Blöcken angeordnet sind, die einen Weg für den Wärmefluß zum Kühlen der Chips bilden.
  • Bei Umrichtern, die in einer Umgebung mit ausgeprägten Wärmezyklen betrieben werden, etwa bei den in einem Kraftfahrzeug verwendeten Umrichtern, steigt mit der Verschärfung der Standards für die Stromversorgung die Größe des durch die Halbleiterbauelemente fließenden Stroms an und damit die von den Halbleiterbauelementen erzeugte Wärme, so daß die Wärmezyklen noch stärker in Erscheinung treten. Es ist daher erforderlich, daß das Kühlvermögen der Halbleitermodule, die den Umrichter bilden, gegenüber dem Kühlvermögen der herkömmlichen Halbleitermodule verbessert wird.
  • Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Halbleitermodul mit verbessertem Kühlvermögen geschaffen werden. Die vorliegende Erfindung soll auch einen sehr zuverlässigen, kompakten und preisgünstigen Umrichter umfassen, mit dem auch in einer Umgebung mit ausgeprägten Wärmezyklen der Normalbetrieb aufrecht erhalten werden kann.
  • Um dies zu erreichen, umfaßt die vorliegende Erfindung das Halbleitermodul nach Patentanspruch 1.
  • In den Zeichnungen ist
  • 1 eine Aufsicht auf den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wechselrichters;
  • 2 eine Schnittansicht durch den Abschnitt II-II', gesehen in der Richtung des Pfeiles in der 1;
  • 3 eine Schnittansicht durch den Abschnitt III-III', gesehen in der Richtung des Pfeiles in der 1;
  • 4 eine Schnittansicht, die vergrößert die Ausgestaltung einer Phase in der 2 zeigt;
  • 5 eine Schnittansicht, die vergrößert die Ausgestaltung des Halbleiterchips der 4 zeigt;
  • 6 eine Schnittansicht, die die Materialzusammensetzung des elektrisch leitenden Klebemittels zeigt, das zum Verbinden von zwei Komponenten des Wechselrichters der 1 verwendet wird;
  • 7 eine Schnittansicht, die als Vergleichsbeispiel zur 6 die Materialzusammensetzung eines elektrisch leitenden Klebemittels zeigt;
  • 8 eine Schaltungsdarstellung des Schaltungsaufbaus des Wechselrichters der 1;
  • 9 eine Schnittansicht des Halbleiterchips, die eine andere Anordnung der Leitungsverbindung zwischen der Gate-Elektrode des Halbleiterchips und dem Verdrahtungselement zeigt;
  • 10 eine Aufsicht auf den Halbleiterchip, die eine andere Anordnung der Leitungsverbindung zwischen der Gate-Elektrode des Halbleiterchips und dem Verdrahtungselement zeigt;
  • 11 eine Schnittansicht durch den Abschnitt XI-XI', gesehen in der Richtung des Pfeiles in der 10;
  • 12 eine Aufsicht auf den Halbleiterchip, die eine andere Anordnung der Leitungsverbindung zwischen der Gate-Elektrode des Helbleiterchips und dem Verdrahtungselement zeigt; und
  • 13 eine Schnittansicht durch den Abschnitt XIII-XIII', gesehen in der Richtung des Pfeiles in der 12.
  • Anhand der 1 bis 8 wird nun eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 8 zeigt in der vorliegenden Ausführungsform die Schaltung für einen Umrichter. Der Umrichter der vorliegenden Ausführungsform ist dafür vorgesehen, im Motoransteuersystem eines Kraftfahrzeugs verwendet zu werden (zum Beispiel im Motoransteuersystem für ein Elektroauto oder ein Hybridfahrzeug oder im Motoransteuersystem für die Lasten von Kraftfahrzeugmotoren wie Klimaanlagen und Bremsen). Der im folgenden beispielhaft beschriebene Umrichter ist ein Wechselrichter 100, in dem der Gleichstrom von einer Batterie 200 (die zum Beispiel mit einer Ladespannung von 42 V betrieben wird) in einen dreiphasigen Wechselstrom umgewandelt und dann einem Wechselstrommotor 300 (zum Beispiel einem Synchronmotor, einem Induktionsmotor und dergleichen) zugeführt wird.
  • Der Wechselrichter 100 ist so aufgebaut, daß der Gleichstrom von der Batterie 200, der über eine positiv gepolte Gleichstromschiene 110 und eine negativ gepolte Gleichstromschiene 120 zugeführt wird, durch die Schaltvorgänge der MOS-FETs 171, 172 und 181 bis 183, die vom Gatesteuersignal 151 eines Schaltungssteuerblocks 150 gesteuert werden, für jede Phase in einen Wechselstrom umgewandelt wird, der dann entsprechend den einzelnen Phasen über die Wechselstrom-Ausgangsschienen 161 bis 163 zu dem Wechselstrommotor 300 geführt wird. Dabei werden die Wandlerschaltungen 131 bis 133 von den MOS-FETs 171 bis 173, die einen oberen Zweig 141 bilden, und den MOS-FETs 181 bis 183, die einen unteren Zweig bilden, gebildet.
  • Die Wandlerschaltung 131 der u-Phase besteht aus dem MOS-FET 171 des oberen Zweigs 141 und dem MOS-FET 181 des unteren Zweigs 142. Die Drain-Seite des MOS-FETs 171 ist mit der positiv gepolten Gleichstromschiene 110 verbunden und die Source-Seite mit der Wechselstrom-Ausgangsschiene 161. Die Source-Seite des MOS-FETs 181 ist mit der negativ gepolten Gleichstromschiene 120 verbunden und die Drain-Seite mit der Wechselstrom-Ausgangsschiene 161.
  • Die Wandlerschaltung 132 der v-Phase besteht aus dem MOS-FET 172 des oberen Zweigs 141 und dem MOS-FET 182 des unteren Zweigs 142. Die Drain-Seite des MOS-FETs 172 ist mit der positiv gepolten Gleichstromschiene 110 verbunden und die Source-Seite mit der Wechselstrom-Ausgangsschiene 162. Die Source-Seite des MOS-FETs 182 ist mit der negativ gepolten Gleichstromschiene 120 verbunden und die Drain-Seite mit der Wechselstrom-Ausgangsschiene 162.
  • Die Wandlerschaltung 133 der w-Phase besteht aus dem MOS-FET 173 des oberen Zweigs 141 und dem MOS-FET 183 des unteren Zweigs 142. Die Drain-Seite des MOS-FETs 173 ist mit der positiv gepolten Gleichstromschiene 110 verbunden und die Source-Seite mit der Wechselstrom-Ausgangsschiene 163. Die Source-Seite des MOS-FETs 183 ist mit der negativ gepolten Gleichstromschiene 120 verbunden und die Drain-Seite mit der Wechselstrom-Ausgangsschiene 163.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform werden für die Halbleiterbauelemente der Wandlerschaltungen MOS-FETs verwendet. Die Wandlerschaltungen können jedoch auch aus anderen Schaltelementen wie IGBTs oder bipolaren Transistoren bestehen.
  • Die 1 bis 5 zeigen die tatsächliche Ausgestaltung des Wechselrichters 100 mit dem Schaltungsaufbau der 8. Der Wechselrichter 100 umfaßt ein Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols, das den oberen Zweig 141 bildet; ein Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols, das den unteren Zweig 142 bildet; eine Schienenanordnung 30, die die positiv gepolte Gleichstromschiene 110, die negativ gepolte Gleichstromschiene 120 und die Wechselstrom-Ausgangsschienen 161 bis 163 bildet; ein isolierendes Element 50 und ein Wärmeabführelement 60. Der Wechselrichter 100 weist darüberhinaus noch den Schaltungssteuerblock 150 auf, der in Verbindung mit der 8 erwähnt wurde, dieser Schaltungssteuerblock ist in den 1 bis 5 nicht dargestellt.
  • Das Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols und das Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols sind auf dem isolierenden Element 50 linear nebeneinander angeordnet. Das isolierende Element 50 ist ein keramisches, flaches, platten- oder bogenartiges Element aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, etwa aus Aluminiumnitrid. Das Wärmeabführelement 60 ist mit dem Boden des isolierenden Elements 50 verbunden. Das Wärmeabführelement 60 ist ein mit Rippen versehenes Wärmeleitelement aus einem Metall wie Aluminium.
  • Das Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols besteht aus drei Halbleiterchips 11, die die MOS-FETs 171 bis 173 bilden, die in Verbindung mit der 8 erwähnt wurden. Das Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols besteht aus drei Halbleiterchips 21, die die MOS-FETs 181 bis 183 bilden, die in Verbindung mit der 8 erwähnt wurden.
  • Die Halbleiterchips 11 und 21 im Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols und im Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols sind in der bezüglich der Orientierungsrichtung des Positiv-Pol-Halbleitermoduls 10 und des Negativ-Pol-Halbleitermoduls 20 vertikalen Richtung linear nebeneinander angeordnet (im folgenden wird die Orientierungsrichtung der beiden Elemente als "erste Richtung" bezeichnet, und die Richtung, in der die Halbleiterchips angeordnet sind, wird als "zweite Richtung" bezeichnet). Im Positiv-Pol-Halbleitermodul 10 und im Negativ-Pol-Halbleitermodul 20 liegen die Halbleiterchips 11 und 21, die die Wandlerschaltung für eine der Phasen bilden, bezüglich der ersten Richtung gegenüber.
  • Der Halbleiterchip 11 hat einen flachen, plattenartigen Aufbau mit einer Oberseite, einer Unterseite und vier Seitenflächen, er besteht aus einem Siliziumchip 11 mit einer Source-Elektrode 2, einer Gate-Elektrode 6 (Steuerelektrode) und einem Schutzring 7 auf der Oberseite sowie einer Drain-Elektrode 5 auf der Unterseite; und aus einem Source-Elektroden-Verbindungselement 4, das mittels Lot 3 mit der Source-Elektrode 2 verbunden ist.
  • Der Halbleiterchip 21 hat den gleichen Aufbau wie der Halbleiterchip 11, die Oberseite und die Unterseite des Halbleiterchips 21 zeigen jedoch in die entgegengesetzte Richtung wie beim Halbleiterchip 11 (das heißt, daß der Halbleiterchip 21 bezüglich der vertikalen Richtung der 5 um 180 Grad gedreht ist). Auf der Oberseite des Halbleiterchips 21 befindet sich eine Drain-Elektrode und auf der Unterseite eine Source-Elektrode, eine Gate-Elektrode und ein Schutzring. Das Source-Elektroden-Verbindungselement 4 des Halbleiterchips 21 ist ein flaches, plattenartiges, elektrisch leitendes Element aus einem Metall wie Kupfer. Der Schutzring 7 ist im oberen oder unteren Randbereich des Siliziumchips 1 vorgesehen und bildet die Grenze zwischen den Potentialflächen auf der Oberseite und der Unterseite des Siliziumchips 1.
  • Der Halbleiterchip 11 (21) ist an den Seitenflächen angeordnet und damit verbunden, die zur Oberseite und Unterseite des Halbleiterchips 11 zeigen (das heißt der Oberseite und Unterseite des Siliziumchips 1) und liegt mit den Seiten, die zur Oberseite und Un terseite des Halbleiterchips 11 zeigen, zwischen den elektrisch leitenden Elementen 12 und 13 (22 und 23).
  • Die Seite des elektrisch leitenden Elements 12, die zur Oberseite des Halbleiterchips 11 zeigt (genauer zur Oberseite des Siliziumchips 1), mit anderen Worten die Verbindungsfläche bezüglich des Halbleiterchips 11, ist mittels eines elektrisch leitenden Klebers 14 derart mit der Oberseite (dem Source-Elektroden-Verbindungselement 4) des Halbleiterchips verbunden, daß sie mit dem Source-Elektroden-Verbindungselement 4 elektrisch verbunden ist.
  • Die Seite des elektrisch leitenden Elements 22, die zur Oberseite des Halbleiterchips 21 zeigt (genauer zur Oberseite des Siliziumchips 1), ist mittels eines elektrisch leitenden Klebers 24 derart mit der Oberseite des Halbleiterchips (das heißt der Oberseite des Siliziumchips 1) verbunden, daß sie mit der Drain-Elektrode 5 elektrisch verbunden ist. Die elektrisch leitenden Elemente 12 und 22 sind wärmeleitende Blockelemente aus einem Metall, zum Beispiel Kupfer.
  • Die Seite des elektrisch leitenden Elements 13, die zur Unterseite des Halbleiterchips 11 zeigt (genauer zur Unterseite des Siliziumchips 1), mit anderen Worten die Verbindungsfläche des Halbleiterchips 11, ist über einen elektrisch leitenden Kleber 15 derart mit der Unterseite des Halbleiterchips (das heißt der Unterseite des Siliziumchips 1) verbunden, daß sie mit der Drain-Elektrode 5 verbunden ist. Die Seite des elektrisch leitenden Elements 23, die zur Unterseite des Halbleiterchips 21 zeigt (genauer zur Unterseite des Siliziumchips 1), mit anderen Worten die Verbindungsfläche des Halbleiterchips 21, ist über einen elektrisch leitenden Kleber 25 derart mit der Unterseite des Halbleiterchips (das heißt dem Source-Elektroden-Verbindungselement 4) verbunden, daß sie mit dem Source-Elektroden-Verbindungselement 4 elektrisch verbunden ist. Die elektrisch leitenden Elemente 13 und 23 sind wärmeleitende Blockelemente aus einem Metall, zum Beispiel Kupfer.
  • Auf diese Weise wird bei der vorliegenden Ausführungsform dadurch, daß der Halbleiterchip 11 (21) mit der Oberseite und der Unterseite zwischen die elektrisch leitenden Elemente 12 und 13 (22 und 23) gelegt wird, eine doppelseitig verdrahtete Struktur geschaffen. Die Anzahl der Komponenten im Positiv-Pol-Halbleitermodul 10 und im Negativ-Pol-Halbleitermodul 20 ist dadurch minimal, und die Verbindungen werden mit wenig Aufwand drahtlos hergestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird durch den beschriebenen Aufbau die Anzahl der Drahtverbindungen zwischen den Komponenten für die Stromwege sowohl im Positiv-Pol-Halbleitermodul 10 als auch im Negativ-Pol-Halbleitermodul 20 minimal, so daß die Risiken, die durch Bruch und dergleichen entstehen, gering sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist damit die Zuverlässigkeit des Wechselrichters 100 erhöht.
  • Im elektrisch leitenden Element 12 (22) sind parallel in der ersten Richtung drei Durchgangsöffnungen ausgebildet. Der Halbleiterchip 11 (21) ist in der ersten Richtung mit dem Mittelabschnitt der jeweiligen Durchgangsöffnung verbunden. Das heißt, daß das elektrisch leitende Element 12 (22) als einfach brückenartiges oder bogenartiges Element ausgebildet ist, wobei an der Oberseite des elektrisch leitenden Elements in der zweiten Richtung an beiden Enden der Oberseite Seitenwände vorgesehen sind sowie zwei Stützwände, durch die der Raum zwischen den Seitenwänden in der zweiten Richtung in drei gleiche Räume aufgeteilt wird, so daß das elektrisch leitende Element rittlings auf der Laminatstruktur aus dem Halbleiterchip 11 (21) und dem elektrisch leitenden Element 13 (23) sitzt.
  • Die Seitenwände und die Stützwände des elektrisch leitenden Elements 12 (22) sind jeweils auf der Installationsfläche des elektrisch leitenden Elements 13 (23) in elektrisch isolierender Art mit dem elektrisch leitenden Element 12 (23) verbunden, das heißt jede der Wände ist mit der Oberseite des isolierenden Elements 50 verbunden. In den drei gleichmäßig aufgeteilten Räumen des elektrisch leitenden Elements 12 (22) ist die Laminatstruktur aus dem Halbleiterchip 11 (21) und dem elektrisch leitenden Element 13 (23) so angeordnet, daß sie auf beiden Seiten der Laminatstruktur in der Laminatrichtung zwischen den elektrisch leitenden Elementen 12 und 13 (22 und 23) liegt. Die Dicke der Platte des elektrisch leitenden Elements 12 (23) ist größer als die Dicke des Halbleiterchips 11 (21).
  • Die elektrisch leitenden Kleber 14, 15, 24 und 25 sind jeweils eine Mischung aus metallischen Teilchen (metallischem Füllmaterial) oder Metallpartikeln und Kunstharz. Die 6 zeigt einen Querschnitt durch den aufgebrachten und ausgehärteten elektrisch leitenden Kleber 14, 15, 24 und 25 bei der vorliegenden Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Mischung aus einem Epoxydharz 400 und Silberteilchen 500 mit nadelartigen Vorsprüngen als elektrisch leitender Kleber 14, 15, 24 und 25 verwendet. Wie aus der Darstellung hervorgeht, sind bei dem elektrisch leitenden Kleber 14, 15, 24 und 25 der vorliegenden Ausführungsform benachbarte Silberteilchen 500 im Epoxydharz 400 eng vermischt, während gleichzeitig die Innenseite der Vorsprünge der Silberteilchen 500 mit dem Epoxydharz 400 gefüllt ist, so daß keine freien Zwischenräume entstehen.
  • Verglichen mit einem elektrisch leitenden Kleber, der sich durch Mischen eines globalen metallischen Füllmittels 700 mit Kunstharz 600 ergibt, wird bei den elektrisch leitenden Klebern 14, 15, 24 und 25 der vorliegenden Ausführungsform schon beim Hinzufügen einer kleinen Menge von metallischen Teilchen oder Metallpartikeln eine hohe elektrische Leitfähigkeit erhalten, wobei gleichzeitig auch eine hohe mechanische Festigkeit erhalten wird. Das heißt, daß zum Erreichen einer elektrischen Leitfähigkeit wie bei der vorliegenden Ausführungsform ein elektrisch leitender Kleber aus einem globalen metallischen Füllmittel und Kunstharz (vgl. 7) so mit dem metallischen Füllmittel gefüllt werden muß, daß sich keine Zwischenräume mehr ergeben.
  • Da dadurch jedoch auch die Menge an Kunstharz abnimmt, nimmt die mechanische Festigkeit ab. Um eine hohe elektrische Leitfähigkeit mit einer kleinen Menge von metallischen Teilchen oder Metallpartikeln zu erreichen und auch eine hohe mechanische Festig keit zu erhalten, wird daher vorzugsweise ein elektrisch leitender Kleber 14, 15, 24 und 25 verwendet, wie er bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird.
  • Beispiele für elektrisch leitende Kleber, die ein metallisches Füllmittel mit nadelartigen Vorsprüngen enthalten, sind in der Ausgabe vom Juli 2001 von "Electronic Materials" enthalten, die auf den Seiten 89 bis 96 elektrisch leitende Kleber zeigt.
  • Da sowohl die Impedanz als auch der thermische Widerstand klein sind, ist das Lot, das gewöhnlich zum Verbinden von zwei Elementen einer Laminatstruktur verwendet wird, in der elektrischen Leitfähigkeit und der thermischen Leitfähigkeit ausgezeichnet. Für einen Wechselrichter, der auf beiden Seiten jedes Halbleiterchips Wärme abgibt, kann die auf die Oberfläche des Lots wirkende thermische Ermüdung durch Verteilen der thermischen Spannungen verringert werden.
  • Wenn wie bei der vorliegenden Ausführungsform im Falle der Verbindung von zwei Elementen des Wechselrichters mit den Ansteigen des Standards für die Stromversorgung die Größe des durch die Halbleiterbauteile fließenden Stroms bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen in einer Umgebung mit ausgeprägten Wärmezyklen zunimmt, besteht die Befürchtung, daß insbesondere bei der Verbindung eines keramischen isolierenden Substrats mit einem Kupfer-Blockelement der Unterschied im linearen Ausdehnungskoeffizienten dazwischen an der Oberfläche der Lotverbindung eine thermische Ermüdung hervorruft, die zu einem von dieser Oberfläche ausgehenden Bruch führt. Aus diesem Grund ist alternativ zum Lot ein Verbindungsmittel erforderlich, das hinsichtlich der Impedanz und des thermischen Widerstands wie Lot kleine Werte aufweist und das hinsichtlich der mechanischen Festigkeit bessere Eigenschaften wie Lot hat.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird daher für die Verbindung der beiden Elemente der beschriebene elektrisch leitende Kleber verwendet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist daher in der Verbindung von zwei Elementen des Wechselrichters auch bei einem Ansteigen des Standards für die Stromversorgung und einer Zunahme des durch die Halbleiterbauteile fließenden Stroms bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen in einer Umgebung mit ausgeprägten Wärmezyklen sowie einem großen Unterschied des linearen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Elemente die auf die Oberfläche der Verbindung einwirkende thermische Ermüdung verringert, so daß der Wechselrichter in einer Umgebung mit ausgeprägten Wärmezyklen stabil betrieben werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist daher die Zuverlässigkeit des Wechselrichters erhöht.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es auch möglich, die thermische Ermüdung an der Oberfläche der Verbindung weiter zu verringern und die Zuverlässigkeit des Wechselrichters weiter zu erhöhen, da der Wechselrichter so aufgebaut ist, daß die Wärme von beiden Seiten jedes Halbleiterchips abgeführt wird.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der elektrisch leitende Kleber 14 und 15 (24 und 25) für die Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 11 (21) und den elektrisch leitenden Elementen 12 und 13 (22 und 23) verwendet. Der elektrisch leitende Kleber kann darüberhinaus auch für die Verbindung zwischen der Source-Elektrode 2 und dem Source- Elektroden-Verbindungselement 4 des Siliziumchips 1 und die Verbindung zwischen den elektrisch leitenden Elementen 12, 13, 22 und 23 und dem isolierenden Element 50 verwendet werden. Die Zuverlässigkeit des Wechselrichters wird dadurch weiter erhöht.
  • Die Gleichstromschiene 30 entspricht der Eingangsverdrahtung und besteht aus einer positiv gepolten Gleichstromschiene 31 und einer negativ gepolten Gleichstromschiene 32. Die positiv gepolte Gleichstromschiene 31 wird durch Integration damit vom elektrisch leitenden Element 12 gebildet, wobei der flache, plattenförmige äußere Verbindungsanschlußabschnitt 31a dieser Schiene so geformt ist, daß der seitliche Endabschnitt der negativ gepolten Gleichstromschiene 32 an dem Ende des oberen Wandabschnitts in der zweiten Richtung, das das elektrisch leitende Element 12 bildet, nach außen vorsteht. Die negativ gepolte Gleichstromschiene 32 wird durch Integration damit vom elektrisch leitenden Element 22 gebildet, wobei der flache, plattenförmige äußere Verbindungsanschlußabschnitt 32a dieser Schiene so geformt ist, daß der seitliche Endabschnitt der positiv gepolten Gleichstromschiene 31 an dem Ende des oberen Wandabschnitts in der zweiten Richtung, das das elektrisch leitende Element 22 bildet, nach außen vorsteht.
  • Die Wechselstromschienen 40 umfassen eine u-Phasen-Wechselstromschiene 41, eine v-Phasen-Wechselstromschiene 42 und eine w-Phasen-Wechselstromschiene 43. Die u-Phasen-Wechselstromschiene 41, die v-Phasen-Wechselstromschiene 42 und die w-Phasen-Wechselstromschiene 43 werden durch Integration des elektrisch leitenden Elements 12 des Halbleitermoduls 10 auf der Seite des positiven Pols und des elektrisch leitenden Elements 22 des Halbleitermoduls 20 auf der Seite des negativen Pols für jede der Phasen gebildet, wobei jede der Wechselstromschienen ein flaches, plattenartiges Element ist, das sich in der ersten Richtung vom Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols zum Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols erstreckt und an der dem Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols gegenüberliegenden Seite vom Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols vorsteht.
  • An dem Abschnitt, der vom Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols der u-Phasen-Wechselstromschiene 41 zu der dem Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols gegenüberliegenden Seite vorsteht, ist ein äußerer Verbindungsanschlußabschnitt 41a ausgebildet. An dem Abschnitt, der vom Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols der v-Phasen-Wechselstromschiene 42 zu der dem Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols gegenüberliegenden Seite vorsteht, ist ein äußerer Verbindungsanschlußabschnitt 42a ausgebildet. An dem Abschnitt, der vom Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols der w-Phasen-Wechselstromschiene 43 zu der dem Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols gegenüberliegenden Seite vorsteht, ist ein äußerer Verbindungsanschlußabschnitt 43a ausgebildet.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform können die Anzahl der Komponenten für den Wechselrichter 100 verringert und der Aufbau des Wechselrichters 100 vereinfacht werden, da als Gleichstromschienen 30 das elektrisch leitende Element 12 des Halbleitermoduls 10 auf der Seite des positiven Pols und das elektrisch leitende Element 22 des Halbleitermoduls 20 auf der Seite des negativen Pols verwendet werden und da als Wechselstromschienen 40 das elektrisch leitende Element 13 des Halbleitermoduls 10 auf der Seite des positiven Pols und das elektrisch leitende Element 23 des Halbleitermoduls 20 auf der Seite des negativen Pols verwendet werden. Es ergibt sich damit ein kompakter und wenig aufwendiger Wechselrichter 100.
  • An den durchlöcherten Abschnitten der elektrisch leitenden Elemente 12 und 22 in der ersten Richtung ist ein Verdrahtungselement 70, das von den zu der dem Halbleitermodul 10 auf der Seite des positiven Pols und dem Halbleitermodul 20 auf der Seite des negativen Pols zeigenden Seite der elektrisch leitenden Elemente 12 und 22 gegenüberliegenden Seite durchlöcherten Abschnitten in die Halbleitermodule eingeführt wird, über eine Metallkugel 71 mit der Gate-Elektrode 6 des Halbleiterchips 11 (21) verbunden.
  • Das Verdrahtungselement 70 ist dadurch elektrisch mit der Gate-Elektrode 6 verbunden. Das Verdrahtungselement 70 ist ein dünnes, plattenartiges oder bogenartiges Element zur Signalübertragung, mit dem Gate-Steuersignale 151 (Schaltsteuersignale zum Einschalten und Abschalten der MOS-FETs 171 bis 173 und 181 bis 183) vom Schaltungssteuerblock 150 zu den Gates der MOS-FETs geführt werden. Das heißt, daß das Verdrahtungselement 70 entweder ein elektrisch leitendes Element ist, das mit einer Kunstharzschicht abgedeckt ist, oder ein elektrisch leitendes Element, das an einer Seite einer Kunstharzschicht angebracht ist. Die Kunstharzschicht ist eine flexible Schicht aus einem isolierenden Kunstharz. Die Metallkugel 71 ist ein globales, elektrisch leitendes und klebendes Element aus Lot.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird diese Verdrahtungsverbindung zum Verbinden der Gate-Elektrode 6 mit dem Verdrahtungselement 70 verwendet. Der Grund dafür ist, daß die Gate-Elektrode 6 in dem Bereich, der vom Schutzring 7 umgeben ist, auf der Oberseite oder der Unterseite des Siliziumchips 1 weiter außen liegt als die Source-Elektrode 2 und es daher erforderlich ist, beim Anschluß für die Gate-Elektrode 6 einen Abstand sicherzustellen, bei dem die Verteilung des elektrischen Feldes für den Schutzring 7 nicht beeinträchtigt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird diese Verdrahtungsverbindung und die elektrische Verbindung zwischen der Source-Elektrode 2 und den elektrisch leitenden Elementen 12 und 23 wie folgt erhalten:
    Die Source-Elektrode 2 und die elektrisch leitenden Elementen 12 und 23 werden über das Source-Elektroden-Verbindungselement 4 elektrisch verbunden. Die Größe der Verbindungsfläche des Source-Elektroden-Verbindungselements 4 ist dabei auf die Größe der Elektrodenfläche der Source-Elektrode 2 beschränkt, so daß zwischen dem Verdrahtungselement 70 und der Gate-Elektrode 6 ein Verdrahtungsverbindungsraum erhalten wird.
  • Das Source-Elektroden-Verbindungselement 4 weist eine Plattendicke auf, die den erforderlichen Isolationsabstand zwischen dem Schutzring 7 und dem Verdrahtungselement 70 sicherstellt. Dadurch wird der erforderliche Platz für die Verdrahtungsverbindung zwischen dem Siliziumchip 1 und den elektrisch leitenden Elementen 12 und 23 erhalten.
  • Bei der beschriebenen vorliegenden Ausführungsform entsteht, weil der Halbleiterchip 11 (21) zwischen den elektrisch leitenden Elementen 12 und 13 (22 und 23) liegt, sowohl an der Oberseite als auch der Unterseite des Halbleiterchips 11 (21) ein Wärmeabführkanal, und da die Querschnittfläche des Wärmeabführabschnitts des Wärmeabführkanals durch Verbinden des elektrisch leitenden Elements 12 (22) mit der Installationsfläche des elektrisch leitenden Elements 12 (22), mit anderen Worten der Oberfläche des isolierenden Elements 50 derart, daß die vom Halbleiterchip 11 (21) und dem elektrisch leitenden Element 13 (23) gebildete Laminatstruktur überspannt wird, größer wird, wird der an der Oberseite des Halbleiterchips 11 (21) abgegebene und in Laminatrichtung der Laminatstruktur zur Oberseite fließende Wärmestrom 80 verteilt und ein Wärmestrom 81 erzeugt, der hinsichtlich der vertikalen Seite der Laminatrichtung der Laminatstruktur in verschiedene Richtungen strömt (in der Zeichnung ist nur der Wärmefluß in der hinsichtlich der Laminatrichtung der Laminatstruktur senkrechten und horizontalen Richtung gezeigt).
  • Danach wird der Wärmestrom 81 zusammen mit dem Wärmestrom 82, der von der Unterseite des Halbleiterchips 11 (21) abgegeben wird und in der Laminatrichtung der Laminatstruktur nach unten strömt, über das isolierende Element 50 von einer Wärmeabführanordnung 60 nach außen abgegeben.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der thermische Widerstand sowohl des Halbleitermoduls 10 auf der Seite des positiven Pols als auch des Halbleitermoduls 20 auf der Seite des negativen Pols erheblich verringert, so daß ein Temperaturanstieg der beiden Module vermieden wird. Die Erfinder haben empirisch verifiziert, daß der thermische Widerstand sowohl des Halbleitermoduls 10 auf der Seite des positiven Pols als auch des Halbleitermoduls 20 auf der Seite des negativen Pols auf etwa 1/3 des herkömmlichen Werts verringert werden kann und daß auch der Temperaturanstieg der beiden Module auf etwa 1/3 des herkömmlichen Werts verringert werden kann (das heißt, daß das Kühlvermögen gegenüber dem eines herkömmlichen Produkts auf das etwa 1,5-fache erhöht ist).
  • Durch die Übernahme der kompakten Halbleiterchips 11 und 21 können bei der vorliegenden Ausführungsform die Abmessungen des Halbleitermoduls 10 auf der Seite des positiven Pols und des Halbleitermoduls 20 auf der Seite des negativen Pols verringert werden, wobei die Temperatur der beiden Module innerhalb des für die Halbleiterchips 11 und 21 erlaubten Temperaturbereichs bleibt, auch wenn durch Anheben der Standards für die Batterie 200 als der in einem Kraftfahrzeug angebrachten Stromquelle der in die Halbleiterchips 11 und 21 fließende Strom größer wird.
  • Entsprechend ist es mit der vorliegenden Ausführungsform möglich, einen sehr zuverlässigen, kompakten und billigen Wechselrichter 100 zu schaffen, der auch in einer Umgebung mit ausgeprägten Wärmezyklen normal betrieben werden kann.
  • Da bei der vorliegenden Ausführungsform das elektrisch leitende Element 12 (22) eine Brückenform oder Bogenform hat, liegt die Querschnittfläche des Wärmeabführabschnitts des Wärmeabführkanals in dem Bereich, der mit den Abmessungen zum Anbringen des Wechselrichters 100 in einem Kraftfahrzeug in Einklang steht, wobei die Größe des elektrisch leitenden Elements 12 (22) in der Laminatrichtung oder vertikalen Richtung der vom Halbleiterchip 11 (21) und dem elektrisch leitenden Element 12 (23) gebildeten Laminatstruktur nicht mehr als erforderlich zunimmt.
  • Mit der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem die Wärmeabführanordnung 60 mit der Unterseite des isolierenden Elements 50 verbunden ist. Der thermische Widerstand sowohl des Halbleitermoduls 10 auf der Seite des positiven Pols als auch des Halbleitermoduls 20 auf der Seite des negativen Pols kann dadurch weiter auf etwa 1/2 des herkömmlichen Werts verringert werden, daß auch mit den Oberseiten der elektrisch leitenden Elemente 12 und 22 eine ähnliche Wärmeabführanordnung verbunden wird.
  • Mit der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem die Verdrahtungsverbindung zwischen der Gate-Elektrode 6 und dem Verdrahtungselement 70 durch die Metallkugel 71 erfolgt. Die Verbindung zwischen der Gate-Elektrode 6 und dem Verdrahtungselement 70 kann jedoch gleichermaßen durch das Anschließen des einen Endes eines herausführenden Kabels 72 (eines elektrisch leitenden Verdrahtungsmaterials) mit der Gate-Elektrode 6 und dann, nach dem Herausziehen des anderen Endes des Kabels 72 aus dem Halbleiterchip 11 oder 21 unter Beibehaltung des erforderlichen Abstands zum Schutzring 7, Anschließen des anderes Endes an das Verdrahtungselement 70 erfolgen.
  • Wie in den 10 bis 13 gezeigt, kann die Gate-Elektrode 6 in dem vom Schutzring 7 umgebenen Gebiet auch weiter innen liegen als die Source-Elektrode 2. In einem solchen Fall kann das eine Ende des herausführenden Kabels 72, dessen anderes Ende mit der Gate-Elektrode 6 verbunden ist, dadurch mit dem Verdrahtungselement 70 verbunden werden, daß es mittels entweder eines in einer Kerbe 74 im Source-Elektroden-Verbindungselement liegenden herausführenden Abschnitts 73, eines aus einer Kombination einer Nut 74 mit einer Öffnung 75 gebildeten herausführenden Abschnitts 73 oder eines durch Durchlöchern gebildeten herausführenden Abschnitts herausgeführt wird. Wenn die elektrisch leitenden Elemente 12 und 23 ohne Verwendung des Source-Elektroden-Verbindungselements 4 verbunden werden sollen, kann durch Versehen der elektrisch leitenden Elemente 12 und 23 mit einem ähnlichen herausführenden Abschnitt eine ähnliche Anschlußverbindung hergestellt werden.
  • In der Beschreibung bezeichnen die Bezugszeichen die folgenden Teile:
    10 ... Halbleitermodul auf der Seite des positiven Pols, 11, 21 ... Halbleiterchips, 12, 13, 22, 23 ... elektrisch leitende Elemente, 14, 15, 24, 25 ... elektrisch leitender Kleber, 20 ... Halbleitermodul auf der Seite des negativen Pols, 30 ... Schienenanordnung, 40 Wechselstromschienen, 50 ... isolierendes Element, 60 ... Wärmeabführelement.
  • Mit der beschriebenen Ausführungsform läßt sich ein Halbleitermodul schaffen, dessen Kühlvermögen erhöht ist. Mit der vorliegenden Ausführungsform ist es auch möglich, einen sehr zuverlässigen, kompakten und billigen Umrichter zu schaffen, der auch in einer Umgebung mit ausgeprägten Wärmezyklen normal betrieben werden kann.

Claims (11)

  1. Halbleitermodul (10; 20) mit einem Halbleiterbauelement (11; 21) mit einer Elektrode auf seinen beiden Oberflächen; und mit einem ersten und einem zweiten elektrisch leitfähigen Element (12, 13; 22, 23), die Anschlußschienen mit Verbindungsanschlüssen bilden, wobei das erste und das zweite elektrisch leitfähige Element (12, 13; 22, 23) jeweils elektrisch an eine der Elektroden des Halbleiterbauelements (11; 21) angeschlossen ist und thermisch leitfähig ist, wobei das Halbleiterbauelement (11; 21) und die elektrisch leitfähigen Elemente (12, 13; 22, 23) einen Abschnitt mit Laminatstruktur bilden, wobei die Laminatstruktur auf einem elektrisch isolierenden Element (50) angeordnet ist, das auf der Installationsfläche eines Wärmeabführelements (60) vorgesehen ist, und wobei das erste elektrisch leitfähige Element (12; 22) sowohl das Halbleiterbauelement (11; 21) als auch das zweite elektrisch leitfähige Element (13; 23) überspannt und über das elektrisch isolierende Element an die Installationsfläche des Wärmeabführelements (60) angeschlossen ist und eine Seite des zweiten elektrisch leitfähigen Elements (13; 23) über das elektrisch isolierende Element (5) auch an die Installationsfläche des Wärmeabführelements (60) angeschlossen ist.
  2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das erste elektrisch leitfähige Element (12; 22) das Halbleiterbauelement (11; 21) in Form einer Brücke oder eines Bogens überspannt.
  3. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterbauelement (11; 21) und jedes der elektrisch leitfähigen Elemente (12, 13; 22, 23) unter Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebers (14, 15; 24, 25) verbunden sind, in dem Metallstücke oder Metallpartikel mit Harz vermischt sind.
  4. Halbleitermodul nach Anspruch 2, wobei das Halbleiterbauelement (11; 21) und jedes der elektrisch leitfähigen Elemente (12, 13; 22, 23) oder jedes der elektrisch leitfähigen Elemente (12, 13; 22, 23) und jedes isolierende Element (50) unter Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebers (14, 15; 24, 25) verbunden sind, in dem Metallteilchen oder Metallpartikel mit Harz vermischt sind.
  5. Halbleitermodul nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Metallteilchen oder die Metallpartikel nadel- oder blattartige Vorsprünge aufweisen und die Vorsprünge in dem Harz in engem Kontakt stehen.
  6. Umrichter (100) zum Umwandeln eines Gleichstroms aus einer Gleichstromquelle (200) in einen dreiphasigen Wechselstrom, mit einer Gruppe oberer Zweige (141), die an die positive Seite der Gleichstromquelle (200) angeschlossen ist, und mit einer Gruppe unterer Zweige (142), die an die negative Seite davon angeschlossen ist; wobei die Zweige (141, 142) jeweils Halbleitermodule (10; 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 enthalten, wobei die Halbleiterbauelemente der Halbleitermodule als Schaltelemente (171–173, 181–183) für die Stromumwandlung verwendet werden und Ein- und Ausgangsverdrahtungen an die Halbleiterbauelemente angeschlossen sind.
  7. Umrichter (100) nach Anspruch 6, wobei die Eingangsverdrahtungen das erste elektrisch leitfähige Element (12) des Halbleitermoduls (10) des oberen Zweigs (141) und das erste elektrisch leitfähige Element (22) des Halbleitermoduls (20) des unteren Zweigs (142) umfassen, und wobei die Ausgangsverdrahtung durch elektrische Verbindung des zweiten elektrisch leitfähigen Elements (13) des Halbleitermoduls (10) des oberen Zweigs (141) mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Element (23) des Halbleitermoduls (20) des unteren Zweigs (142) gebildet wird.
  8. Umrichter (100) nach Anspruch 6, wobei die Halbleitermodule (10; 20) jeweils mehrere Halbleiterbauelemente (11; 21) aufweisen, und wobei das erste elektrisch leitfähige Element eine Seite der Halbleiterbauelemente jedes Moduls (10; 20) gemeinsam anschließt, wobei mehrere der zweiten elektrisch leitfähigen Elemente (13; 23) separat an die andere Seite der Halbleiterbauelemente (11; 21) jedes Moduls (10; 20) angeschlossen sind.
  9. Umrichter nach Anspruch 6, wobei der Umrichter ein Steuersignal-Verdrahtungselement (70) zum Anlegen von Steuersignalen an jedes der Halbleiterbauelemente (11; 21) aufweist, wobei das Steuersignal-Verdrahtungselement mittels einer Metallkugel (71) aus Lötmittel an das Halbleiterbauelement angeschlossen ist.
  10. Umrichter nach Anspruch 6, wobei der Umrichter ein Steuersignal-Verdrahtungselement (70) zum Anlegen von Steuersignalen an jedes der Halbleiterbauelemente (11; 21) aufweist, wobei das Steuersignal-Verdrahtungselement (70) über ein Anschlußverdrahtungskabel (72) elektrisch an das Halbleiterbauelement angeschlossen ist.
  11. Umrichter nach Anspruch 6, wobei der Umrichter ein Steuersignal-Verdrahtungselement (70) zum Anlegen von Steuersignalen an jedes der Halbleiterbauelemente (11; 21) aufweist, wobei das Steuersignal-Verdrahtungselement (70) an das Halbleiterbauelement (11; 21) über ein Anschlußverdrahtungskabel (72) angeschlossen ist, das durch eine Kerbe (74) oder ein Durchgangsloch (75), das in jedem der elektrisch leitfähigen Elemente (12, 13; 22, 23) vorgesehen ist, nach außen herausgeführt wird.
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