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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, die für eine Leistungshalbleitervorrichtung
verwendet werden kann, die ein Leistungsschaltelement aufweist,
sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben, und insbesondere
betrifft sie eine Verbesserung zum kompatiblen Implementieren der Verbesserung
der Spannungsfestigkeit über
Hauptstromanschlüssen
und der Verringerung von Induktivitäten.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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14 ist
eine vordere Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Leistungshalbleitervorrichtung
zeigt. In dieser Vorrichtung ist eine Metallbasisplatte 2,
die als ein Wärmeanschlag
dient, in dem Bodenabschnitt eines elektrisch isolierenden boxenartigen
Gehäuses 1 eingepasst,
so dass eine Speicherkammer 3 durch das Gehäuse 1 und
die Metallbasisplatte 2 definiert wird. Isoliersubstrate 4 sind
an der oberen Oberfläche
der Metallplatte 2 fixiert, das heißt einer Hauptoberfläche, die
der Speicherkammer 3 gegenüberliegt.
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Andererseits
sind Kupferfolienelemente (nicht gezeigt) an den unteren Oberflächen der
Isoliersubstrate 4, das heißt den Hauptflächen, die
der Metallbasisplatte 2 gegenüberliegen, ausgebildet, und
diese Kupferfolienele mente sind an die Metallbasisplatte 2 gelötet, wodurch
die Isoliersubstrate 4 an der Metallbasisplatte 2 fixiert
sind. Gemusterte Kupferfolienelemente, das heißt Verdrahtungsmuster 5, sind
auf den oberen Oberflächen
der Isoliersubstrate 4, das heißt den Hauptoberflächen, die
denjenigen gegenüberliegen,
die der Metallbasisplatte 2 gegenüberliegen, ausgebildet. Leistungsschaltelemente (nicht
gezeigt), die die Form von blanken Chips (Halbleiterchips, die nicht
in Harz gegossen sind) aufweisen, sind mit den Verdrahtungsmustern 5 verbunden.
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Ein
Paar elektrisch leitender Hauptstromanschlüsse 6 und 7 sind
an dem Gehäuse 1 fixiert. Die
Hauptstromanschlüsse 6 und 7 weisen
obere Endabschnitte auf, die zum Äußeren des Gehäuses 1 freigelegt
sind, sowie untere Endabschnitte, die mit den Verdrahtungsmustern 5 verbunden
sind. Die Hauptstromanschlüsse 6 und 7 sind
elektrisch mit Hauptelektroden (beispielsweise Emitterelektroden und
Kollektorelektroden von Transistorelementen) der Leistungsschaltelemente
verbunden. Mit anderen Worten sind die Hauptstromanschlüsse 6 und 7 ausgelegt,
die Hauptelektroden der Leistungsschaltelemente mit dem Äußeren zu
verbinden. Daher fließt
ein Hauptstrom, der von den Leistungsschaltelementen geschaltet
wird, durch das Paar Hauptstromanschlüsse 6 und 7.
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Die
Hauptstromanschlüsse 6 und 7 sind
in eine Nut 8 eingeführt,
die in der oberen Oberfläche des
Gehäuses 1 definiert
ist, und sind am Gehäuse 1 durch
Blockieren der Nut 8 mit einem Deckel 9 fixiert. Hauptteile
der Hauptstromanschlüsse 6 und 7 ausschließlich der
oberen Endabschnitte, die zum Äußeren freigelegt
sind, sind in der Speicherkammer 3 gespeichert bzw. untergebracht.
Die Speicherkammer 3 ist mit einer elektrisch isolierenden
Füllung 10 ausgefüllt, wodurch
die Leistungsschaltelemente etc. in der Speicherkammer 3 geschützt sind
und die Spannungsfestigkeit über
dem Paar Hauptstromanschlüsse 6 und 7 verbessert
wird.
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Eine
ausreichende Spannungsfestigkeit wird erlangt, da die Speicherkammer 3 mit
der Füllung 10 gefüllt ist,
wodurch die Hauptstromanschlüsse 6 und 7 parallel
und in der Nähe
zueinander in der Speicherkammer 3 ausschließlich einem
Abschnitt nahe bei der oberen Oberfläche des Gehäuses 1 angeordnet
sind. Somit werden Induktivitäten,
die sich parasitär
in den Hauptstromanschlüssen 6 und 7 entwickeln,
unterdrückt.
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Die
oberen Endabschnitte der Hauptstromanschlüsse 6 und 7,
die zum Äußeren des
Gehäuses 1 freigelegt
sind, sind jedoch an dem Gehäuse 1 in
einem breiten Raum fixiert, um eine hohe Spannungsfestigkeit über denselben
zu garantieren. Außerdem
muss daher in der Speicherkammer 3 der Zwischenraum zwischen
den Hauptstromanschlüssen 6 und 7 in
der Nähe
des Gehäuses 1 breit
eingestellt sein. Mit anderen Worten ist der Zwischenraum zwischen
den Hauptstromanschlüssen 6 und 7 in
einem Bereich nahe beim Gehäuse 1,
das heißt
einem Abschnitt 11 dicht bei dem oberen Endabschnitt verbreitert,
und die Induktivitäten
sind in diesem Abschnitt unvorteilhaft erhöht.
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Wenn
die Hauptstromanschlüsse 6 und 7, die
als Pfade für
den Hauptstrom dienen, hohe Induktivitäten aufweisen, kann der Hauptstrom
nicht mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden, und außerdem entwickelt
sich eine hohe Stoßspannung
im Anschluss an den Schaltbetrieb. Daher sind die Hauptstromanschlüsse 6 und 7,
die hohe Induktivitäten
aufweisen, für
eine Halbleitervorrichtung ungeeignet, die einen hohen Hauptstrom
mit einer hohen Geschwindigkeit schaltet.
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Das
Dokument EP-A-0 578 108 beschreibt ein Halbleiterleistungsmodul,
das ein Schaltungssubstrat aufweist, das mit Verdrahtungsmustern
entlang seiner Hauptoberfläche
versehen ist und mit einem Schaltelement, das ein Paar Hauptelektroden
aufweist, beladen ist. Ein Gehäuse
nimmt das Schaltungssubstrat auf. Ein Paar elektrisch leitender Hauptstromanschlüsse ist
mit den Verdrahtungsmustern verbunden, so dass erste und zweite
Endabschnitte eines Paares von ersten Endabschnitten elektrisch
jeweils mit ersten und zweiten Hauptelektroden des Paares der Hauptelektroden
gekoppelt sind. Außerdem
ist ein elektrisch isolierendes Element zum Koppeln der Hauptstromanschlüsse miteinander
vorgesehen. Die beiden Hauptstromanschlüsse weisen dieselben Ebenenkonturen
in jeweiligen Hauptteilen auf, die parallel zueinander sind, wobei
sich deren Ebenenkonturen einander überlappen. Ein zusätzlicher
externer Energieversorgungsanschluss ist mit einem Hauptstromanschluss mittels
eines leitenden Bolzens und einer leitenden Nut verbunden und erstreckt
sich von dem Gehäuse zum Äußeren des
Gehäuses.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung,
die für
eine hohe Spannungsfestigkeit, einen hohen Strom und ein Schalten
mit hoher Geschwindigkeit durch Verringerung der Induktivitäten der
Hauptstromanschlüsse geeignet
ist, wobei eine Spannungsfestigkeit über den Hauptstromanschlüssen gewährleistet
wird, sowie ein Verfahren zu schaffen, das zur Herstellung einer
derartigen Halbleitervorrichtung geeignet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung
auf: ein Schaltungssubstrat, das mit Verdrahtungsmustern entlang
seiner Hauptoberfläche
versehen ist und mit einem Schaltelement mit einem Paar Hauptelektroden
beladen ist; ein Gehäuse,
das das Schaltungssubstrat unterbringt; ein Paar elektrisch leitender Hauptstromanschlüsse, die
mit den Verdrahtungsmustern verbunden sind, so dass jeweils erste
und zweite Endabschnitte eines Paares erster Endabschnitte elektrisch
mit ersten und zweiten Hauptelektroden des Paares Hauptelektroden
gekoppelt sind, und mit einem Paar zweiter Endabschnitte versehen
sind, die von dem Gehäuse
zum Äußeren des Gehäuses vorstehen;
eine elektrische Isolierfüllung, die
in das Innere des Gehäuses
gefüllt
ist; und ein elektrisches Isolierelement zum festen Koppeln des Paares
Hauptstromanschlüsse
miteinander, während eine
elektrische Isolierung dazwischen aufrechterhalten wird, wobei das
Paar Hauptstromanschlüsse
dieselben Ebenenkonturen in jeweiligen Hauptteilen ausschließlich des
Paares erster Endabschnitte und einschließlich des Paares zweiter Endabschnitte
aufweist, das Isolierelement das Paar Hauptstromanschlüsse fest
miteinander koppelt, so dass die jeweiligen Hauptteile des Paares
Hauptstromanschlüsse
parallel zueinander sind und sich deren Ebenenkonturen einander überdecken,
das Isolierelement ein elektrisch isolierendes flaches Plattenelement aufweist,
das zwischen das Paar zweiter Endabschnitte eingeführt ist
und von dem Gehäuse
zum Äußeren des
Gehäuses
vorsteht, und das flache Plattenelement sich auswärts von
den Ebenenkonturen entlang sämtlicher
Bereiche der zweiten Endabschnitte, die außerhalb des Gehäuses liegen,
erstreckt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht das Isolierelement
aus elektrisch isolierendem Harz, das einstückig mit dem Paar Hauptstromanschlüsse ausgeformt
ist.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse die
Form einer Box auf, die obere, Boden- und Seitenflächen aufweist, wobei
das Schaltungssub strat parallel zur Bodenfläche des Gehäuses eingestellt ist, die jeweiligen Hauptteile
des Paares Hauptstromanschlüsse
die Form flacher Platten aufweisen, die parallel zur Bodenfläche des
Gehäuses
sind, und die zweiten Endabschnitte des Paares Hauptstromanschlüsse von der
Seitenfläche
des Gehäuses
zum Äußeren vorstehen.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Gehäuse durch
Bonden eines Gehäuseoberteils,
das die obere Fläche
enthält,
und eines Gehäuseunterteils,
das die Bodenfläche
enthält,
miteinander ausgebildet, und das Paar Hauptstromanschlüsse wird
zwischen dem Gehäuseoberteil
und dem Gehäuseunterteil
zusammen mit dem Isolierelement gehalten, wodurch das Paar zweiter Endabschnitte
von der Seitenfläche
des Gehäuses zum Äußeren vorsteht.
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Gemäß einem
fünften
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Paar Hauptstromanschlüsse ein
Paar gebogener Kopplungsteile auf, die jeweils die jeweilige Hauptteile
und das Paar erster Endabschnitte miteinander koppeln, wobei erste
und zweite Kopplungsteile des Paares Kopplungsteile jeweils mit
ersten und zweiten der Hauptteile des Paares Hauptstromanschlüsse bündig sind,
so dass deren Ebenenkonturen einander überdecken, und die Füllung aus
einem Material besteht, das eine Verformung der Kopplungsteile zumindest
um die Kopplungsteile nicht stört.
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Gemäß einem
sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Paar Hauptstromanschlüsse ein
Paar gebogener Kopplungsteile auf, die jeweils die jeweiligen Hauptteile
und das Paar erster Endabschnitte miteinander koppeln, und die Füllung besteht
aus einem Material, das eine Verformung der Kopplungsteile zumindest
um die Kopplungsteile nicht stört.
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Gemäß einem
siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zur
Herstellung einer Halbleitervorrichtung auf: einen Schritt des Vorbereitens
eines Schaltungssubstrats, das mit Verdrahtungsmustern entlang seiner
Hauptoberfläche versehen
ist; einen Gehäusevorbereitungsschritt
des Ausbildens zweier Elemente, die in der Lage sind, ein Gehäuse auszubilden,
um das Schaltungssubstrat unterzubringen, in der Gestalt einer Box
mit oberen, Boden- und Seitenflächen,
durch Zusammenbonden, das heißt
einem Gehäuseoberteil,
das die obere Fläche
enthält,
und einem Gehäuseunterteil,
das die Bodenfläche
enthält;
einen Anschlussausbildungsschritt des Ausbildens eines Paares Hauptstromanschlüsse durch
Ausbilden eines elektrisch leitenden Materials in Gestalten, die
dieselben Ebenenkonturen in jeweiligen Hauptteilen ausschließlich einem
Paar erster Endabschnitte aufweisen; einen Einheitausbildungsschritt
des festen Koppelns des Paares Hauptstromanschlüsse durch ein Isolierelement
miteinander, so dass die jeweiligen Hauptteile des Paares Hauptstromanschlüsse parallel
zueinander sind und sich die Ebenenkonturen einander überdecken,
während eine
elektrische Isolierung zwischen dem Paar Hauptstromanschlüsse aufrechterhalten
wird, wodurch eine Anschlusseinheit ausgebildet wird, die durch
das Paar Hauptstromanschlüsse,
die fest miteinander gekoppelt sind, und das Isolierelement als das
Ergebnis definiert wird; einen Schritt des Fixierens eines Schaltelements,
das ein Paar Hauptelektroden aufweist, mit den Verdrahtungsmustern,
wodurch das Schaltelement auf das Schaltungssubstrat geladen wird;
einen Schritt des Anbringens des Schaltungssubstrats auf der Innenseite
des Gehäuseunterteils;
einen Bondschritt des Bondens des Gehäuseoberteils und des Gehäuseunterteils,
das mit dem Schaltungssubstrat versehen ist, miteinander, während die
Anschlusseinheit dazwischen gehalten wird, so dass ein Paar zweiter
Endabschnitte des Paares Hauptstromanschlüsse von dem Gehäuse zum Äußeren des Gehäuses vorsteht,
wodurch die Anschlusseinheit in das Gehäuse integriert wird; einen
Schritt des Verbindens erster und zweiter Endabschnitte des Paares
erster Endabschnitte mit den Verdrahtungsmustern, die jeweils elektrisch
mit ersten und zweiten Hauptelektroden des jeweiligen Paares Hauptelektroden
des Schaltelements zu koppeln sind, nach oder gleichzeitig mit dem
Bondschritt; und einen Füllschritt
zum Füllen
des Gehäuses
mit einer elektrisch isolierenden Füllung, wobei das Isolierelement
derart ausgebildet ist, dass es ein elektrisch isolierendes flaches
Plattenelement aufweist, das zwischen dem Paar zweiter Endabschnitte
angeordnet ist und von dem Gehäuse
zum Äußeren des
Gehäuses
vorsteht, wobei sich das flache Plattenelement von den Ebenenkonturen
nach Außen
entlang sämtlicher
Bereiche der zweiten Endabschnitte, die außerhalb des Gehäuses liegen,
erstreckt.
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Gemäß einem
achten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Einheitausbildungsschritt
einen Schritt des integralen Ausformens der Anschlusseinheit durch
ein Ausformungsharz in Form des Isolierelements, während das
Paar Hauptstromanschlüsse
in seiner Positionsbeziehung zur Anschlusseinheit, die auszubilden
ist, aufrechterhalten wird, auf.
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In
der Vorrichtung gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen die jeweiligen Hauptteile
des Paares Hauptstromanschlüsse
dieselben Ebenenkonturen auf und sind parallel zueinander derart
angeordnet, dass sich die Ebenenkonturen einander überdecken,
wodurch die Induktivitäten
des Paares Hauptstromanschlüsse
unterdrückt
werden. Über
das Paar Hauptstromanschlüsse
wird außerdem
eine hohe Spannungsfestigkeit in dem Inneren des Gehäuses auf
Grund der Anordnung der elektrisch isolierenden Füllung dazwischen
garantiert, während
ebenfalls eine hohe Spannungsfestigkeit in dem Äußeren des Gehäuses auf
Grund der Anordnung des elektrisch isolierenden Plattenelements
dazwischen gewährleistet
wird, das sich in Richtung des Äußeren von
den Ebenenkonturen der Abschnitte, die in Richtung des Äußeren des
Gehäuses
vorstehen, erstreckt. Das heißt,
diese Vorrichtung implementiert kompatibel den Erhalt einer hohen
Spannungsfestigkeit und die Verringerung der Induktivitäten.
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In
der Vorrichtung gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht das Isolierelement zum
festen Koppeln des Paares Hauptstromanschlüsse miteinander aus Harz, das
integral mit dem Paar Hauptstromanschlüsse vergossen bzw. ausgeformt
ist, wodurch die Anschlusseinheit, die ein gekoppelter Körper des
Paares Hauptstromanschlüsse
und des Isolierelements ist, leicht herzustellen ist.
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In
der Vorrichtung gemäß dem dritten
Aspekt der vorliegenden Erfindung stehen die zweiten Endabschnitte
des Paares Hauptstromanschlüsse
von der Seitenfläche
des boxförmigen
Gehäuses
vor, während
sich das Schaltungssubstrat parallel zur Bodenfläche befindet, wodurch die Vorrichtung
in einer kompakten Gestalt mit einem geringen Gesamtgewicht hergestellt
werden kann. Außerdem
weisen die jeweiligen Hauptteile des Paares Hauptstromanschlüsse die
Form von einfachen flachen Platten auf, wodurch das Paar Hauptstromanschlüsse leicht herzustellen
ist.
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In
der Vorrichtung gemäß dem vierten
Aspekt der vorliegenden Erfindung sind das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil
miteinander gebondet, während
das Paar Hauptstromanschlüsse
und das Isolierelement dazwischengehalten werden, wodurch die Struktur
der zweiten Endabschnitte des Paares Hauptstromanschlüsse, das
von der Seitenfläche
des Gehäuses
vorsteht, einfach ausgebildet werden kann.
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In
der Vorrichtung gemäß dem fünften Aspekt
der vorliegenden Erfindung sind die jeweiligen Hauptteile und die
jeweiligen ersten Endabschnitte des Paares Hauptstromanschlüsse durch
die jeweiligen Teile des Paares gebogener Kopplungsteile miteinander
gekoppelt, wobei das Material eine Verformung der Kopplungsteile
nicht stört
und um dieselben gefüllt
ist, wodurch eine Wärmeverzerrung,
die durch eine Wärmeerzeugung
der Schaltelemente etc. verursacht wird, durch die Kopplungsteile
während
des Betriebes der Vorrichtung absorbiert wird. Demzufolge wird eine
Konzentration der thermischen Spannung auf die Verbindungsteile
zwischen dem Paar erster Endabschnitte und den Verdrahtungsmustern
eliminiert oder verringert, wodurch diese Abschnitte vor einer Beschädigung auf
Grund thermischer Spannungen geschützt werden. Außerdem ist das
Paar Kopplungsteile jeweils mit den Hauptteilen des Paares Hauptstromanschlüsse bündig und
deren Ebenenkonturen überdecken
einander, wodurch die Induktivitäten
ebenfalls in den Kopplungsteilen unterdrückt werden.
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In
der Vorrichtung gemäß dem sechsten
Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die jeweiligen Hauptteile
und die jeweiligen ersten Endabschnitte des Paares Hauptstromanschlüsse durch
jeweilige Kopplungsteile des Paares gebogener Kopplungsteile miteinander
gekoppelt, wobei das Material, das eine Verformung der Kopplungsteile
nicht stört,
um dieselben gefüllt
ist, wodurch eine Wärmeverzerrung, die
durch eine Wärmeerzeugung
der Schaltelemente etc. verursacht wird, durch die Kopplungsteile
während
des Betriebes der Vorrichtung absorbiert wird. Demzufolge wird eine
Konzentration der thermischen Spannung auf die Verbindungsabschnitte
zwischen dem Paar erster Endabschnitte und den Verdrahtungsmustern
eliminiert oder verringert, wodurch diese Abschnitte gegenüber einer
Beschädigung
auf Grund einer thermischen Spannung geschützt werden.
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In
dem Herstellungsverfahren gemäß dem siebten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Anschlusseinheit so ausgebildet,
dass die Hauptteile des Paares Hauptstromanschlüsse parallel zueinander sind
und sich einander überdecken,
wodurch die Induktivitäten
des Paares Hauptstromanschlüsse verringert
werden. Außerdem
wird das Gehäuse
mit der elektrisch isolierenden Füllung gefüllt, wodurch eine hohe Spannungsfestigkeit über dem
Paar Hauptstromanschlüsse
in dem Inneren des Gehäuses
erzielt wird. Außerdem
wird das elektrisch isolierende flache Plattenelement entlang sämtlicher
Bereiche der Abschnitte des Paares Hauptstromanschlüsse, die
sich nach Außen
von dem Gehäuse
erstrecken, in dem Einheitausbildungsschritt dazwischen angeordnet,
während
das flache Plattenelement derart ausgebildet wird, dass es sich
in Richtung des Äußeren der
Ebenenkonturen entlang der gesamten Bereiche erstreckt, wodurch
eine hohe Spannungsfestigkeit über
dem Paar Hauptstromanschlüsse
ebenfalls im Äußeren des
Gehäuses erzielt
werden kann. Das heißt,
es wird eine Vorrichtung, die kompatibel das Aufrechterhalten einer
hohen Spannungsfestigkeit und die Verringerung der Induktivitäten implementiert,
hergestellt. Außerdem werden
das Gehäuseoberteil
und das Gehäuseunterteil
miteinander gebondet, um die Anschlusseinheit in dem Bondschritt
dazwischenzuhalten, wodurch die Struktur der zweiten Endabschnitte
des Paares Hauptstromanschlüsse,
die sich nach Außen
von dem Gehäuse
erstrecken, auf einfache Weise erhalten werden kann.
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In
dem Herstellungsverfahren gemäß dem achten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Anschlusseinheit integral
durch ein Ausformungsharz in die Gestalt des Isolierelements ausgebildet, wobei
das Paar Hauptstromanschlüsse
in der Positionsbeziehung in der Anschlusseinheit, die in dem Einheitsausbildungsschritt
auszubilden ist, aufrechterhalten wird, wodurch die Anschlusseinheit
leicht herzustellen ist.
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Die
vorherigen und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden genaueren
Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen
deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
Seitenschnittansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 eine
Draufsicht, die eine Anschlusseinheit der Vorrichtung der 1 zeigt,
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3 eine
Schnittansicht der Anschlusseinheit entlang der Linie B-B der 2,
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4 eine
teilweise gebrochene perspektivische Ansicht der Anschlusseinheit,
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5 eine
perspektivische Ansicht, die einen Abschnitt um den inneren Endabschnitt
der Anschlusseinheit zeigt,
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6 eine
Vorderansicht der Vorrichtung der 1,
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7 eine
auseinander gezogene Draufsicht der Vorrichtung der 1,
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8 eine
Draufsicht, die Leistungssubstrate etc. der Vorrichtung der 1 zeigt,
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9 ein
Schaltungsdiagramm eines Hauptteils einer Leistungsschaltung der
Vorrichtung der 1,
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10 ein
Herstellungsschrittdiagramm der Vorrichtung der 1,
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11 ein
Herstellungsschrittdiagramm der Vorrichtung der 1,
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12 ein
Herstellungsschrittdiagramm der Vorrichtung der 1,
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13 eine
Seitenschnittansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer
Modifikation zeigt, und
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14 eine
Vorderansicht einer herkömmlichen
Halbleitervorrichtung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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<1. Skizze der Vorrichtungsstruktur>
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1 ist
eine Seitenschnittansicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Vorrichtung 100 ist
als das sogenannte intelligente Leistungsmodul ausgebildet, das
Leistungsschaltelemente und Steuerelemente zum Steuern derselben
aufweist. Typische Nennwerte liegen bei beispielslosen Werten einer
Spannungsfestigkeit von 4,2 kV und einem Hauptstrom von 1200 A.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, ist in der Halbleitervorrichtung 100 eine
Speicherkammer 22 vorgesehen, die durch ein elektrisch
isolierendes boxenförmiges
Gehäuse 21,
das eine Bodenplatte 20 und eine Öffnung aufweist, die an seiner
oberen Oberfläche
ausgebildet ist, das heißt
einer Oberfläche
gegenüber
der Bodenplatte 20, und einen Deckel 44 definiert
ist, der die obere Oberfläche
bedeckt. Das Gehäuse 21 besteht
zum Beispiel aus einem BMC-Harz (Masseformungsverbund (bulk molding
compound)). Das BMC-Harz, das ein Material ist, das durch Mischen
einer Füllung,
Glasfaser und anderen Zusätzen
zu einem ungesättigten
Polyesterharz bereitet wird, ist auf Grund seiner thermischen Aushärtungseigenschaft
zum Ausformen mit einer Form geeignet, und weist eine ausgezeichnete
Dimensionsgenauigkeit, mechanische Festigkeit, Wärmewiderstand und Wasserwiderstand
auf. Mit anderen Worten ist das BMC-Harz als ein Material für das Gehäuse 21 der Hochleistungsvorrichtung 100 geeignet.
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Ein
boxenförmiger
Kühlungslüfter 23 zur Wärmestrahlung
befindet sich auf der oberen Oberfläche der Bodenplatte 20,
das heißt
einer Hauptfläche,
die der Speicherkammer 22 gegenüberliegt. Dieser Kühlungslüfter 23 besteht
aus einem wärmeleitenden
Metall wie zum Beispiel Kupfer, wobei eine labyrinthartige Passage
(nicht gezeigt) in dessen Inneren zum Zuführen einer Flüssigkeit
wie zum Beispiel Wasser, das als Kühlmittel dient, ausgebildet
ist. Außerdem
sind Einlass- und Auslassöffnungen
für das
Kühlmittel
an Seitenwänden
des Kühlungslüfters 23 geöffnet, und
ein Paar Stopfen 24 (1 zeigt
nur einen dieser Stopfen 24) sind an diesen Einlass- und Auslassöffnungen
befestigt, die von den Seitenwänden
des Gehäuses 21 zum Äußeren vorzustehen,
um eine Verbindung mit einer externen Vorrichtung, die das Kühlmittel
zuführt,
zu ermöglichen.
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Ein
Leistungssubstrat (Schaltungssubstrat) 30 ist auf der oberen
Oberfläche
des Kühlungslüfters 23 fixiert. Kupferfolienelemente
(nicht gezeigt) sind auf den unteren Oberflächen elektrisch isolierender Substratkörper (Isoliersubstrate) 25,
die in dem Leistungssubstrat 30 enthalten sind, das heißt auf Hauptoberflächen, die
dem Kühlungslüfter 23 gegenüberliegen,
angeordnet, und diese Kupferfolienelemente sind an den Kühlungslüfter 23 gelötet, wodurch
das Leistungssubstrat 30 auf der oberen Oberfläche des
Kühlungslüfters 23 fixiert
ist.
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Gemusterte
Kupferfolienelemente, das heißt Verdrahtungsmuster 26,
sind auf den oberen Oberflächen
der Substratkörper 25,
das heißt
den Hauptoberflächen,
die denjenigen, die dem Kühlungslüfter 23 gegenüberliegen,
gegenüberliegen,
ausgebildet. Blanke chipartige IGBT-Elemente 27, die als
Leistungsschaltelemente dienen, sind an den Verdrahtungsmustern 26 durch
Löten fixiert.
Die Substratkörper 25 bestehen
vorzugsweise aus Keramik, das einen ausgezeichneten Wärmewiderstand
aufweist.
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Ein
Paar elektrisch leitender Hauptstromanschlüsse 31 und 32,
die durch ein Isolierelement 23 aneinander fixiert sind,
ist an einer Seitenwand des Gehäuses 21 fixiert.
Innere Endabschnitte (erste Endabschnitte) der Hauptstromanschlüsse 31 und 32 sind
an die Verdrahtungsmuster 26 gelötet, während äußere Endabschnitte (zweite
Endabschnitte) von diesen zum Äußeren des
Gehäuses 21 freigelegt sind.
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Die
Hauptstromanschlüsse 31 und 32 sind jeweils
durch die Verdrahtungsmuster 26, wie es später beschrieben
wird, elektrisch mit Emitterelektroden und Kollektorelektroden gekoppelt,
die Hauptelektroden der IGBT-Elemente 27 sind.
Das heißt,
die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 sind
ausgelegt, die Hauptelektroden der IGBT-Elemente 27 mit dem Äußeren zu
verbinden. Daher fließt ein
Hauptstrom, der durch die IGBT-Elemente 27 geschaltet wird,
durch die Hauptstromanschlüsse 31 und 32.
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Eine
Abtrennungsplatte 36 ist an der Innenseite des Gehäuses 21 angebracht,
um die Speicherkammer 22 in obere und untere Bereiche zu
unterteilen. Die Abtrennungsplatte 36 ist mit einer Öffnung 37 zur
Erleichterung des Einfüllens
einer Füllung 43,
die später
beschrieben wird, versehen, und die oberen und unteren Bereiche
kommunizieren durch diese Öffnung 37 miteinander.
Ein Steuersubstrat 38 ist an der oberen Oberfläche der
Abtrennungsplatte 36 fixiert. Steuerelemente 39 sind
auf der oberen Oberfläche
des Steuersubstrats 38, das vorgeschriebene Verdrahtungsmuster
(nicht gezeigt) aufweist, geladen.
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Außerdem sind
Relaisstifte 40 zur elektrischen Verbindung mit den Verdrahtungsmustern 26 und
ein Signalanschluss 41 zur elektrischen Verbindung mit
dem Äußeren mit
dem Steuersubstrat 38 verbunden. Die Relaisstifte 40 und
der Signalanschluss 41 sind mit den Steuerelementen 39 durch das
Steuersubstrat 38 verbunden. Der Signalanschluss 41 führt durch
eine Seitenwand des Gehäuses 21,
so dass sein äußerer Endabschnitt
zum Äußeren freigelegt
ist.
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Die
Steuerelemente 39 übertragen
Gatesignale durch die Relaisstifte 40 auf ein externes
Signal hin, das von dem Signalanschluss 41 eingegeben wird,
wodurch Schaltungsoperationen der IGBT-Elemente 27 durchgeführt werden.
Außerdem
sind die Steuerelemente 39 ausgelegt, die IGBT-Elemente 27 durch
Erfassen einer Abnormität
wie zum Beispiel eine Überhitzung
oder eines Überstromes
der IGBT-Elemente 27 durch die Relaisstifte 40 und
im Notfall durch Abtrennen der IGBT-Elemente 27 zu schützen.
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Die
Speicherkammer 22 ist mit der elektrisch isolierenden Füllung 43 gefüllt, wodurch
Schaltungsteile wie zum Beispiel die IGBT-Elemente 27,
die in der Speicherkammer 22 untergebracht sind, gegenüber Wasser
und Ähnlichem
geschützt
werden, wobei die Spannungsfestigkeit über dem Paar Hauptstromanschlüsse 31 und 32 verbessert
wird. Da eine ausreichende Spannungsfestigkeit auf Grund der Füllung 43 erhalten
wird, sind die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 in
der Speicherkammer 22 parallel zueinander und in Annäherung zueinander angeordnet.
Somit werden Induktivitäten,
die sich parasitär
in den Hauptstromanschlüssen 6 und 7 entwickeln,
unterdrückt.
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In
Abschnitten der Hauptstromanschlüsse 31 und 32,
die von der Seitenwand des Gehäuses
nach Außen
hin vorstehen, sind die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 außerdem durch
das Isolierelement 33 mit einer ausreichenden Spannungsfestigkeit,
was später
beschrieben wird, elektrisch voneinander isoliert, wodurch die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 ebenfalls
in diesen Abschnitten parallel zueinander und in Annäherung zueinander
angeordnet sind. Daher werden die Induktivitäten, die sich in den Hauptstromanschlüssen 31 und 32 entwickeln,
entlang der gesamten Hauptstromanschlüsse 31 und 32 verringert.
Das heißt
die Induktivitäten
werden im Vergleich zu den Hauptstromanschlüssen 6 und 7,
die in der herkömmlichen
Vorrichtung vorgesehen sind, bei derselben Spannungsfestigkeit weiter
unterdrückt.
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Die
Füllung 43 wird
beispielsweise aus einem Gelsilikonharz bereitet. Alternativ kann
der untere Bereich, der unter der Abtrennungsplatte 36 vorgesehen
ist, mit Gelsilikonharz gefüllt
werden, während der
obere Bereich mit einem Epoxidharz gefüllt werden kann. In diesem
Gehäuse
muss der Deckel 44 nicht vorgesehen werden. Alternativ
kann die gesamte Speicherkammer 22 mit einem Isoliergas wie
zum Beispiel Siliziumfluorid (SF6) oder Ähnlichem
gefüllt sein.
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In
der Vorrichtung 100 sind sämtliche Elemente wie zum Beispiel
die Hauptstromanschlüsse 31 und 32,
der Signalanschluss 41 und die Stopfen 24, die
von dem Gehäuse 21 in
Richtung zum Äußeren vorstehen,
an den Seitenwänden
angebracht. Daher weist die Vorrichtung 100 eine Gestalt
auf, die in der Lage ist, den Anforderungen hinsichtlich der Verringerung
der Höhe
und der Raumeinsparung zu genügen.
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<2. Struktur der Anschlusseinheit>
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Die
Hauptstromanschlüsse 31 und 32 und das
Isolierelement 33, das diese Anschlüsse fest miteinander koppelt,
während
es gleichzeitig dieselben gegeneinander isoliert, bilden eine Anschlusseinheit 35.
Ein Verbinder, der als eine externe Vorrichtung dient, greift entfernbar
in einen Abschnitt der Anschlusseinheit 35, die zum Äußeren des
Gehäuses 21 vorsteht,
ein. Zwei Elektrodenplatten, die an diesem Verbinder vorgesehen
sind, werden jeweils in Druckkontakt mit den freigelegten Oberflächen der Hauptstromanschlüsse 31 und 32 gebracht,
wodurch eine elektrische Verbindung erzielt wird.
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Die
Struktur der Anschlusseinheit 35 wird nun genauer beschrieben. 2 ist
eine Draufsicht, die die Anschlusseinheit 35 zeigt. Eine
Abschnittsstruktur der Anschlusseinheit 35 entlang der
Linie A-A der 2 wurde bereits in 1 gezeichnet. 3 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B der 2.
Außerdem
ist 4 eine teilweise gebrochene perspektivische Ansicht
der Anschlusseinheit 35, und 5 ist eine
perspektivische Ansicht, die einen Abschnitt F um den inne ren Endabschnitt der
Anschlusseinheit 35 der 2 zeigt.
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Wie
es in den 2 bis 5 gezeigt
ist, weisen die beiden Hauptstromanschlüsse 31 und 32 die
Form von flachen Platten auf, die dieselben Ebenenkonturen in Hauptteilen
aufweisen, die aus sämtlichen
Teilen mit Ausnahme der inneren Endabschnitte bestehen, die an den
Verdrahtungsmustern 26 fixiert sind, und begrenzten Abschnitte,
die damit gekoppelt sind. Die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 sind
elektrisch gegeneinander isoliert und durch das Isolierelement 33 aneinander
fixiert, so dass deren Hauptoberflächen parallel zueinander sind
und sich ihre Ebenenkonturen in den jeweiligen Hauptteilen einander überdecken.
Das Isolierelement 33 fixiert die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 in äußeren Endabschnitten,
die von der Seitenwand des Gehäuses 21 zum Äußeren vorstehen,
und in der Nähe
davon.
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Das
Isolierelement 33 weist ein flaches Plattenelement 45 auf,
das zwischen den Hauptstromanschlüssen 31 und 32 zur
elektrischen Isolierung derselben gegeneinander und zur Aufrechterhaltung derselben
in paralleler Position zueinander angeordnet ist, und ein Paar Halteelemente 46 und 47 auf,
die einstückig
mit dem flachen Plattenelement 45 gekoppelt und die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 halten und
an dem flachen Plattenelement 45 fixieren.
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Die
Anschlusseinheit 35 ist an dem Gehäuse 21 fixiert, so
dass sie nicht nur die Hauptstromanschlüsse 31 und 32,
sondern auch das Isolierelement 33 durchläuft, wie
es in 1 gezeigt ist. Mit anderen Worten sind die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 durch
das flache Plattenelement 45 elektrisch gegeneinander isoliert,
und zwar nicht nur in dem Äußeren des
Gehäuses 21,
sondern auch in der Speicherkammer 22 in der Nähe des Gehäuses 21.
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Die
Ebenenkontur des flachen Plattenelements 45 wird an dem Äußeren der
Ebenenkonturen der Hauptstromanschlüsse 31 und 32 positioniert.
Mit anderen Worten erstreckt sich das flache Plattenelement 45 auswärts von
den Ebenenkonturen der Hauptstromanschlüsse 31 und 32 entlang
deren en äußeren Endabschnitten
und den Abschnitten, die nahe daran liegen. Somit wird der Kriechabstand
zwischen den Hauptstromanschlüssen 31 und 32 erhöht, wodurch
eine hohe Spannungsfestigkeit über denselben
aufrechterhalten wird.
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Vorzugsweise
ist eine Vorstehung 48 an einer Kantenoberfläche des
flachen Plattenelements 45, das sich über die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 erstreckt,
ausgebildet, die sich entlang der Kantenoberfläche erstreckt. Diese Vorstehung 48 ist
ausgelegt, den Kriechabstand zwischen den Hauptstromanschlüssen 31 und 32 entlang
der Kantenoberfläche
zu erhöhen,
wodurch die Spannungsfestigkeit über
den Hauptstromanschlüssen 31 und 32 weiter verbessert
wird.
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Wie
es in 5 gezeigt ist, weisen die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 U-förmige gebogene
Abschnitte 55 und 56 auf, die in der Form von U-Gestalten
vorstehen, die jeweils mit den Hauptteilen in den Abschnitten, die
in der Speicherkammer 22 gespeichert sind, bündig sind.
Beinabschnitte 53 und 54, die senkrecht zu den
Vorwärtsenden
der U-förmigen
gebogenen Abschnitte 55 und 56 gebogen sind, sind
jeweils einstückig
damit gekoppelt. Außerdem sind
innere Endabschnitte 51 und 52, die an den Verdrahtungsmustern 26 zu
fixieren sind, einstückig
mit den Vorwärtsenden
der Beinabschnitte 53 und 54 gekoppelt.
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In
sämtlichen
Abschnitten der Hauptstromanschlüsse 31 und 32 ausschließliche der
inneren Endabschnitte 51 und 52 und der Beinabschnitte 53 und 54 und
einschließlich
der U-förmigen
gebogenen Abschnitte 55 und 56 sind die Hauptoberflächen parallel
zueinander, und die Ebenenkonturen überdecken einander. Somit sind
die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 derart
ausgebildet, dass sie die Induktivitäten minimieren.
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Die
U-förmigen
gebogenen Abschnitte 55 und 56, die Beinabschnitte 53 und 54 und
die inneren Endabschnitte 51 und 52, die von den
flachen plattenähnlichen
Hauptteilen der Hauptstromanschlüsse 31 und 32 vorstehen,
sind in sechs Abschnitten entsprechend den Abschnitten, die mit
den Verdrahtungsmustern 26 verbunden sind, vorgesehen (siehe 2).
Die U-förmigen
gebogenen Abschnitte 55 und 56 absorbieren eine
Wärmeverzerrung,
die einer Wärmeerzeugung
während
des Betriebs der Vorrichtung 100 folgt, wodurch eine Konzentration
der thermischen Spannung an den Verbindungsabschnitten zwischen
den inneren Endabschnitten 51 und 52 und den Verdrahtungsmustern 26 eliminiert
oder verringert wird und die Verbindungsabschnitte vor einer Beschädigung,
die durch die thermische Spannung verursacht wird, geschützt werden.
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Ein
Material, das eine Verformung der U-förmigen gebogenen Abschnitte 55 und 56 nicht
stört, beispielsweise
Gelsilikonharz, wird als die Füllung 43 zumindest
in einem Abschnitt der Speicherkammer 22 um die U-förmigen gebogenen
Abschnitte 55 und 56, beispielsweise der Bereich
unter der Abtrennungsplatte 36, ausgewählt, so dass die U-förmigen gebogenen
Abschnitte 55 und 56 vorgeschriebene Funktionen
erfüllen
können.
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Elektrisch
leitendes Kupfer ist am Besten als Material für die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 geeignet.
Ande rerseits wird das Material für
das Isolierelement 33 vorzugsweise aus Epoxidharz bereitet, das
eine ausgezeichnete elektrische Isolierfähigkeit und mechanische Festigkeit
besitzt und ein Ausformen ermöglicht,
eine Spannungsfestigkeit garantiert, da kaum Blasen in dem Prozess
des Ausformens ausgebildet werden, und für eine präzise Ausformung geeignet ist.
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Zur
Herstellung der Anschlusseinheit 35 werden die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 zunächst durch
Durchstoßen
einer Kupferplatte auf deren Umrisse und anschließendes Biegen
von Abschnitten, die den inneren Endabschnitten 51 und 52 und
den Beinabschnitten 53 und 54 entsprechen, ausgebildet. Danach
werden die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 in
eine vorgeschriebene Form bzw. Spritzform in einem Zustand der Überdeckung
parallel zueinander mit einem konstanten Zwischenraum dazwischen
gesetzt. Epoxidharz wird zum Beispiel in die Form eingespritzt und
aufgeheizt/gehärtet,
wodurch das Ausformen des Isolierelements 33 zum festen
Koppeln der Hauptstromanschlüsse 31 und 32 miteinander durchgeführt wird.
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Somit
werden das flache Plattenelement 45 und die Halteelemente 46 und 47 gleichzeitig
als einstückig
gekoppelte Elemente ausgebildet. Außerdem werden die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 an
dem Isolierelement 33 gleichzeitig mit der Ausformung des
Isolierelements 33 fixiert. Das heißt die Anschlusseinheit 35 kann
auf einfache Weise durch Pressverarbeiten der Kupferplatte und Ausformungsverarbeiten
des Isolierelementes 33 hergestellt werden. Außerdem kann
ein hoher Grad an Parallelität zwischen
den Hauptstromanschlüssen 31 und 32 und
ein genaues Überdecken
von deren Ebenenkonturen auf vorteilhafte Weise durch ein einfaches
Verfahren erzielt werden.
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<3. Struktur der Integration der Anschlusseinheit
im Gehäuse>
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Die
Struktur der Integration der Anschlusseinheit 35 in das
Gehäuse 21 wird
im Folgenden beschrieben. 6 ist eine
Vorderansicht der Vorrichtung 100. Wie es in 6 gezeigt
ist, wird das Gehäuse 21 durch
Bonden eines Gehäuseunterteils 61, das
die Bodenseite 20 und einen offenen oberen Abschnitt aufweist,
und eines Gehäuseoberteils 62 vom Rahmentyp,
das einen offenen Boden und obere Abschnitte aufweist, miteinander
ausgebildet. Das Gehäuseoberteil 62 weist
die Abtrennungsplatte 36 (1) in seinem
Inneren auf.
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Die
Anschlusseinheit 35 ist in einen Leerraum eingeführt, der
zwischen dem Gehäuseunterteil 61 und
dem Gehäuseoberteil 62 definiert
ist. Mit anderen Worten wird die Anschlusseinheit 35 durch
das Gehäuseunterteil 61 und
das Gehäuseoberteil 62 gehalten,
wodurch sie durch das Gehäuse 21 gelangt. Die
Anschlusseinheit 35, das Gehäuseunterteil 61 und
das Gehäuseoberteil 62 sind
durch ein Klebemittel aneinander fixiert. Löcher 64 sind in der
vorderen Seitenwand des Gehäuseoberteils 62 zum
Fixieren der Vorrichtung 100 an einer externen Vorrichtung oder
einen externen Verbinder vorgesehen, der in die Anschlusseinheit 35 mittels
Schrauben eingreift.
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7 ist
eine Draufsicht der Vorrichtung 100, von der das Gehäuseoberteil 62 entfernt
ist, wobei ein Zustand gezeigt ist, bei dem Leistungssubstrate 30 auf
das Gehäuseunterteil 61 gesetzt
sind und die Anschlusseinheit 35 an dem Gehäuseunterteil 61 und
den Leistungssubstraten 30 fixiert ist. Wie es in 7 gezeigt
ist, ist die Anschlusseinheit 35 an der oberen Kante der
Seitenwand des Gehäuseunterteils 61 an
dem Isolierelement 33 fixiert. Außerdem ist die Anschlusseinheit 35 an
vorgeschriebenen Abschnitten der sechs Leistungssubstrate 30 fixiert,
die auf der oberen Oberfläche
des Kühlungslüfters 23 in
der Form von Inseln an den sechs Paaren der inneren Endabschnitte 51 und 52 angeordnet
sind.
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8 ist
eine Draufsicht, die die Leistungssubstrate 30 etc zeigt,
die auf der oberen Oberfläche des
Kühlungslüfters 23.
angeordnet sind. In 8 zeigen schräg gestrichelte
rechteckige Abschnitte Verbindungsabschnitte mit den inneren Endabschnitten 51 und 52.
Die sechs Leistungssubstrate 30, die in der Form von Inseln
voneinander isoliert sind, sind an der oberen Oberfläche des
Kühlungslüfters 23 angeordnet.
Zwei Verdrahtungsmuster 26a und 26b, die in der
Form von Inseln voneinander isoliert sind, bilden die Verdrahtungsmuster 26,
die an jedem Leistungssubstrat 30 angeordnet sind.
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Zwei
blanke chipartige IGBT-Elemente 27 und zwei blanke chipartige
Dioden 63 sind an dem Verdrahtungsmuster 26a fixiert.
Außerdem
sind die inneren Endabschnitte 51 und 52 jeweils
an den Verdrahtungsmustern 26a und 26b fixiert.
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Weiterhin
sind vier Relaissubstrate (Schaltungssubstrate) 70 an der
oberen Oberfläche
des Kühlungslüfters 23 benachbart
zu den Leistungssubstraten 30 angeordnet. Auf ähnliche
Weise wie die Leistungssubstrate 30 sind die Relaissubstrate 70 durch
Kupferfolienelemente (nicht gezeigt), die auf unteren Oberflächen von
Substratkörpern 71 ausgebildet
sind, die aus einem elektrisch isolierenden Material wie zum Beispiel
Keramik bestehen und an die obere Oberfläche des Kühlungslüfters 23 gelötet sind,
fixiert.
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Kupferfolienelemente 72 sind
auf den Substratkörpern 71 ausgebildet.
Außerdem
sind elektrisch isolierende Platten 73 auf den Kupferfolienelementen 72 fixiert,
um Teilbereiche davon zu bedecken. Gemusterte Kupferfolienelemente,
das heißt
Verdrahtungsmuster 74, sind auf den oberen Oberflächen der isolierenden
Platten 73 ausgebildet. Die unteren Endabschnitte der Relaisstifte 40 (1)
sind mit den Verdrahtungsmustern 74 durch Löten verbunden. Außerdem sind
die Verdrahtungsmuster 26a, 26b und 74,
die Kupferfolienelemente 72, die IGBT-Elemente 27 und
die Dioden 63 auf geeignete Weise durch Drähte w elektrisch
miteinander verbunden.
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9 ist
ein Schaltungsdiagramm, das Schaltungen zeigt, die auf den Leistungssubstraten 30 und
den Relaissubstraten 70 ausgebildet sind, das heißt Leistungsschaltungen
einschließlich
der IGBT-Elemente 27. Wie es in 9 gezeigt
ist, sind Kollektorelektroden C der IGBT-Elemente 27 mit den Verdrahtungsmustern 26a verbunden,
die mit dem Hauptstromanschluss 31 verbunden sind, während Emitterelektroden
E der IGBT-Elemente 27 mit den Verdrahtungsmustern 26b verbunden
sind, die mit dem Hauptstromanschluss 32 verbunden sind.
Das heißt
es sind 12 IGBT-Elemente 27 parallel zueinander zwischen
das Paar Hauptstromanschlüsse 31 und 32 geschaltet.
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Die
Dioden 63 sind parallel zu den jeweiligen IGBT-Elementen 27 geschaltet.
Die Dioden 63 weisen Anodenelektroden und Kathodenelektroden
auf, die mit den jeweiligen Emitterelektroden E und Kollektorelektroden
C der IGBT-Elemente 27 verbunden sind. Daher dienen die
Dioden 63 als Freilaufdioden, die ausgelegt sind, die IGBT-Elemente 27 zu
schützen.
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Gateelektroden
G der IGBT-Elemente 27 sind mit den Verdrahtungsmustern 74 durch
die Drähte
w verbunden. Erfassungselektroden (nicht gezeigt) begleiten die
IGBT-Elemente 27 zum
Wandeln von deren Ströme
in Spannungssig nale und zum Ausgeben derselben, und diese Erfassungselektroden
sind ebenfalls mit den Verdrahtungsmustern 74 durch die
Drähte
w verbunden.
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Gatespannungssignale,
die von den Steuerelementen 39 (1) übertragen
werden, werden in die Gatelektroden G der IGBT-Elemente 27 durch
die Relaisstifte 40, die Verdrahtungsmuster 74 und
die Drähte
w eingegeben. Die IGBT-Elemente 27 führen auf
die Gatespannungssignale hin, die in die Gateelektroden G eingegeben
werden, Schaltoperationen durch. Das heißt die Kollektorelektroden
C und die Emitterelektroden E werden auf die Gatespannungssignale
hin eingeschaltet (leiten) und ausgeschaltet (abgetrennt). Demzufolge
fließt
ein Hauptstrom intermittierend über
die Hauptstromanschlüsse 31 und 32.
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<4. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung>
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung 100 beschrieben.
Die 10 bis 12 stellen
Herstellungsschritte für
die Vorrichtung 100 dar. Zur Herstellung der Vorrichtung 100 wird
der Kühlungslüfter 23,
der zuvor unabhängig vorbereitet
wird, auf das Gehäuseunterteil 61 geladen,
das zuvor durch Ausformen vorbereitet wird, und mittels Schrauben
fixiert, wie es in 10 gezeigt ist. Danach werden
die Leistungssubstrate 30 und die Relaissubstrate 70 auf
die obere Oberfläche des
Kühlungslüfters 23 gelötet.
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Die
Leistungssubstrate 30 und die Relaissubstrate 70 werden
im Voraus mit den vorgeschriebenen Verdrahtungsmustern 26 und 74 versehen und
mit den Halbleiterelementen 27 und 63 beladen. Alternativ
können
die Halbleiterelemente 27 und 63 nach dem Fixieren
der Leistungssubstrate 30 und der Relaissubstrate 70 auf
der oberen Oberfläche
des Kühlungslüfters 23 aufgesetzt
werden. Nach der Fixierung der Leistungssubstrate 30 und
der Relaissubstrate 70 und dem Aufbringen der Halbleiterelemente 27 und 63 wird
ein Bonden mittels der Drähte w
(8) durchgeführt.
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Danach
oder parallel zum zuvor genannten Schritt wird die im Voraus vorbereitete
Anschlusseinheit 35 in das im Voraus vorbereitete Gehäuseoberteil 62 integriert. 11 ist
eine Seitenschnittansicht, die die Anschlusseinheit 35 zeigt,
die an dem Gehäuseoberteil 62 angebracht
ist. Ein Buckel 81 zum Fixieren der Anschlusseinheit 35 ist
an einem vorgeschriebenen Abschnitt der Bodenoberfläche der
Abtrennungsplatte 36 fixiert, die an dem Gehäuseoberteil 62 vorgesehen
ist. Ein Schraubenloch ist in diesem Buckel 81 ausgebildet.
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Ein
Durchgangsloch, das in dem Hauptstromanschluss 32 ausgebildet
ist, ist zu dem Schraubenloch ausgerichtet und mit diesem verschraubt, wodurch
die Anschlusseinheit 35 an einer vorgeschriebenen Position
des Gehäuseoberteils 62 fixiert ist.
Gleichzeitig wird ein Klebemittel auf einen Abschnitt aufgetragen,
der in Kontakt mit dem Isolierelement 33 in der Seitenwand
des Gehäuseoberteils 62 oder
der Bodenoberfläche
der Abtrennungsplatte 36 gelangt, und diese Abschnitte,
die in Kontakt zueinander sind, werden aneinander gebondet/fixiert. Die
Relaisstifte 40 werden im Voraus in Eingriff mit der Abtrennungsplatte 36 gebracht.
Diese Relaisstifte 40 weisen ebenfalls U-förmige gebogene
Abschnitte auf, ähnlich
wie die Hauptstromanschlüsse 31 und 32 (siehe 10).
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Wie
es in 10 zu sehen ist, werden das Gehäuseoberteil 62 und
das Gehäuseunterteil 61 nach
dem Bonden und nachdem die Integration der Anschlusseinheit 35 in
das Gehäuseoberteil 62 durchgeführt ist
durch die Drähte
w aneinander gebondet. Zu diesem Zeitpunkt werden die in neren Endabschnitte 51 und 52 der
Hauptstromanschlüsse 31 und 32 mit
den Verdrahtungsmustern 26a und 26b gleichzeitig
mit dem Löten
der unteren Endabschnitte der Relaisstifte 40 und der Verdrahtungsmuster 74, die
auf den Relaissubstraten 70 vorgesehen sind, verlötet.
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Das
Gehäuseunterteil 61 und
das Gehäuseoberteil 62 werden
durch ein Klebemittel aneinander gebondet. Zu diesem Zeitpunkt werden
ebenfalls Kontaktabschnitte des Isolierelements 33 der
Anschlusseinheit 35 und das Gehäuseunterteil 61 aneinander
gebondet. Demzufolge werden das Gehäuseunterteil 61, die
Anschlusseinheit 35 und das Gehäuseoberteil 62 miteinander
integriert, wie es in 12 gezeigt ist.
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Danach
wird das Steuersubstrat 38, das im Voraus mit den Steuerelementen 39 und
dem Signalanschluss 41 verbunden wird, an der oberen Oberfläche der
Abtrennungsplatte 36, die an dem Gehäuseoberteil 62 vorgesehen
ist, fixiert. Gleichzeitig werden die oberen Endabschnitte der Relaisstifte 40,
die von der oberen Oberfläche
der Abtrennungswand 36 vorstehen, mit dem Steuersubstrat 38 durch
Löten verbunden.
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Danach
wird beispielsweise ein Gelsilikonharz in die Speicherkammer 22 (1)
eingespritzt, die durch das Gehäuseunterteil 61 und
das Gehäuseoberteil 62 definiert
ist. Die Abtrennungsplatte 36 ist mit einer Öffnung versehen,
so dass das Silikonharz auf einfache Weise in den Abschnitt unter
der Abtrennungsplatte 36 durch die Öffnung eingespritzt wird. Wenn
das Silikonharz eingespritzt wird, bis die Harzoberfläche die
Abtrennungsplatte 36 erreicht, wird danach das Epoxidharz
eingespritzt. Nach dem Einspritzen des Epoxidharzes bis zu einem
Abschnitt nahe der oberen Oberfläche
des Gehäuseoberteils 62 wird
der Deckel 44 angebracht, um die obere Oberfläche des
Gehäu seoberteils 62 abzudecken. Das
eingespritzte Epoxidharz wird aufgeheizt/gehärtet, wodurch die Vorrichtung 100 fertiggestellt
ist.
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Wie
es in 12 gezeigt ist, sind längliche Nuten 82 zum
Führen
von Schrauben, die in die Löcher 64 eingeführt werden,
an den Seitenwänden
des Gehäuseoberteils 62 ausgebildet,
um die Einführung der
Schrauben durch die Löcher 64,
die an der vorderen Seitenwand des Gehäuseoberteils 62 vorgesehen
sind, zu erleichtern. Die Löcher 64 und
die Nuten 82 werden gleichzeitig ausgebildet, wenn das
Gehäuseoberteil 62 ausgeformt
wird.
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Wie
es hier beschrieben ist, kann die Vorrichtung 100 auf einfache
Weise ohne besonders komplizierte und schwierige Schritte hergestellt
werden.
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<5. Modifikationen>
-
- (1) In der Vorrichtung 100 ist die
Anschlusseinheit 35 derart angebracht, dass sie von der
Seitenwand des Gehäuses 21 in
horizontaler Richtung, das heißt
der Richtung entlang der Bodenfläche vorsteht.
Somit kann die Vorrichtung 100 in eine flache Form gebracht
werden, die geeignet ist, Platz zu sparen. In einer Vorrichtung,
die unter Bedingungen verwendet wird, bei denen genügend Platz
vorhanden ist, muss die Anschlusseinheit 35 jedoch nicht
notwendigerweise von der Seitenwand des Gehäuses 21 vorstehen.
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13 zeigt
ein Beispiel für
eine derartige Vorrichtung 200. In 13 werden
Abschnitte, die mit denjenigen der Vorrichtung 100 der 1 identisch
sind oder mit diesen korrespondieren, mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet, um sich eine redundante Beschreibung zu ersparen. In
dieser Vorrichtung 200 steht eine Anschluss einheit 35 von
einem Deckel 44 vertikal zum Äußeren, das heißt senkrecht
zu einer Bodenplatte 20 oder dem Deckel 44 vor.
Das heißt
Hauptstromanschlüsse 31 und 32 sind senkrecht
in Abschnitten unterhalb einer Abtrennungsplatte 36 gebogen,
die nicht an einem Isolierelement 33 fixiert sind, während das
aufrechte Isolierelement 33 an der Abtrennungsplatte 36 und
dem Deckel 44 an Stelle der Seitenwand des Gehäuses 21 fixiert
ist.
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Außerdem können mit
dieser Vorrichtung 200 die Induktivitäten der Hauptstromanschlüsse 31 und 32 verringert
werden, wobei eine hohe Spannungsfestigkeit über diesen Anschlüssen 31 und 32 aufrechterhalten
wird, ähnlich
wie bei der Vorrichtung 100.
- (2) In
jeder der Vorrichtungen 100 und 200 sind die Leistungssubstrate 30 und
die Relaissubstrate 70, die die Leistungsschaltungen bilden,
auf dem Kühlungslüfter 23,
der das Kühlmittel
zirkuliert, ausgebildet. Bei einer Vorrichtung, die eine Nennleistung
aufweist, die kleiner als diejenige der zuvor genannten Vorrichtung
ist, kann jedoch eine Metallbasisplatte 2 an Stelle des
Kühlungslüfters 23 verwendet
werden, ähnlich
wie bei der in 14 gezeigten herkömmlichen
Vorrichtung. In diesem Fall ist keine Bodenplatte 20 an
dem Gehäuse 21 angebracht,
und die Bodenfläche
der Metallbasisplatte 2 ist zum Äußeren freigelegt.
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Während die
Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorhergehende
Beschreibung in sämtlichen
Aspekten nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Es ist
daher selbstverständlich,
dass zahlreiche Modifikationen und Variationen denkbar sind, ohne
von dem Bereich der Erfindung abzuweichen.