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Diese
Erfindung betrifft ein Halbleitermodul und ein Verfahren zur Herstellung
eines Halbleitermoduls und betrifft insbesondere ein Halbleitermodul, auf
dem Leistungshalbleitervorrichtungen montiert sind, sowie ein Verfahren
zur Herstellung eines derartigen Halbleitermoduls.
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In
Wechselrichtervorrichtungen, unterbrechungsfreien Stromversorgungsvorrichtungen,
Zerspanungsmaschinen, Industrierobotern und anderen Geräten
werden Halbleitermodule eingesetzt, die von der Haupteinheit des
Gerätes unabhängig sind.
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Für
den Aufbau derartiger Halbleitermodule wird allgemein eine Metallgrundplatte
mit vorgeschriebener Dicke als ein Sockel verwendet, und ein Gehäuse,
in dem Leistungshalbleitervorrichtungen montiert sind, wird auf
der Metallgrundplatte vorgesehen (siehe beispielsweise
JP 2003-289130 A ). Als Beispiel
zeigt
7 eine schematische Darstellung eines Halbleitermoduls,
bei dem eine Metallgrundplatte als Sockel verwendet wird.
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Dieses
Halbleitermodul 100 verwendet eine Metallgrundplatte 101 mit
mehreren Millimetern Dicke als Sockel; auf die Metallgrundplatte 101 ist
eine Metallfolie 103 mit einer dazwischenliegenden Lotschicht 102 aufgebracht.
Auf der Metallfolie 103 und mit ihr verbunden ist eine
Isolierplatte 104, und auf der Isolierplatte 104 und
mit ihr verbunden sind Metallfolien 105, 106.
Ferner sind auf die Metallfolien 105, 106 Halbleitervorrichtungen 109, 110 mit
dazwischenliegenden Lotschichten 107, 108 aufgebracht. Hier
sind die Halbleitervorrichtungen 109, 110 beispielsweise
IGBTs (Isolierschicht-Bipolartransistoren), FWDs (Freilaufdioden)
oder andere Vorrichtungen. Auf die Halbleitervorrichtungen 109, 110 sind Wärmeverteiler 113, 114 mit
dazwischenliegenden Lotschichten 111, 112 aufgebracht.
Ein Harzgehäuse 115, das so formgegossen ist,
dass es die Halbleitervorrichtungen 109, 110 und Ähnliches
umgibt, ist durch den oberen Rand der Metallgrundplatte 101 in seiner
Position fixiert.
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Obgleich
nicht dargestellt sind Metalldrähte, Anschlussstifte und Ähnliches
am Umfang der Halbleitervorrichtungen 109 und 110 angeordnet;
beispielsweise sind Elektroden der Halbleitervorrichtungen 109, 110 mit
einem auf der Isolierplatte 104 gebildeten Schaltungsmuster
elektrisch verbunden oder elektrische Verbindungen sind zwischen
Elektroden der Halbleitervorrichtungen 109, 110 gebildet.
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Ferner
ist das Innere des Harzgehäuses 115 mit einem
Gel 116 gefüllt, um den Kontakt zwischen Metalldrähten
und Ähnlichem zu verhindern und die Halbleitervorrichtungen 109, 110 und Ähnliches
gegen Nässe, Feuchtigkeit und Staub zu schützen.
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Ein
Kühlelement 130 ist unter dem Halbleitermodul 100 angeordnet,
Schrauben oder ähnliches sind durch in dem Harzgehäuse 115 und
der Metallgrundplatte 101 vorgesehene Löcher 117 geführt
und durch Festziehen der Schrauben oder dergleichen wird die Metallgrundplatte 101 in
engen Kontakt mit dem Kühlelement 130 gebracht.
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Es
kommt vor, dass durch Festziehen der Schrauben oder dergleichen
das Harzgehäuse in der Nähe der Löcher 117 beschädigt
wird; um eine derartige Beschädigung zu verhindern, sind
Metallverstärkungsringe 118 an der Innenseite
der Löcher 117 in dem Harzgehäuse 115 vorgesehen.
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Ein
derartiges Halbleitermodul 100 verwendet jedoch eine dicke
Metallgrundplatte 101 als einen Sockel, so dass das Gewicht
und die Größe des Halbleitermoduls nicht vermindert
werden können.
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Kürzlich
wurde ein Halbleitermodul kleiner Größe offenbart,
das keine Metallgrundplatte 101 als Sockel verwendet (siehe
beispielsweise Komatsu, Saotome und Igawa, "Shou youryou
IGBT mojuru (IGBT-Modul mit kleiner Kapazität)", Fuji Jihou,
Bd. 78, Nr. 4, 2005, Seiten 260–263).
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8 ist
eine schematische Darstellung eines Halbleitermoduls, das keine
Metallgrundplatte verwendet.
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Dieses
Halbleitermodul 200 ist auf einer Isolierplatte 104,
einer unter der Isolierplatte 104 gebildeten Metallfolie 103 und
oberhalb der Isolierplatte 104 gebildeten Metallfolien 105, 106 gegründet.
Auf den Metallfolien 105, 106 sind Halbleitervorrichtungen 109, 110 mit
dazwischenliegenden Lotschichten 107, 108 angebracht.
Bei diesem Typ eines Halbleitermoduls 200 wird ein Harzgehäuse 115,
das so formgegossen ist, dass es die Halbleitervorrichtungen 109, 110 umgibt,
von dem oberen Rand der Isolierplatte 104 in seiner Position
fixiert. Das Innere des Harzgehäuses 115 ist in ähnlicher
Weise mit einem Gel 116 gefüllt, das ein Silikonmaterial
enthält.
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Bei
einem derartigen Halbleitermoduls 200 braucht keine dicke
Metallgrundplatte als Sockel verwendet zu werden, so dass das Halbleitermodul leichter
und kompakter ausgeführt werden kann und die Kosten reduziert
werden können.
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Da
bei einem Halbleitermodul 200 dieses Typs keine Metallgrundplatte
vorhanden, ist ein Metallhaken 119 für den Einbau
an einem Seitenabschnitt des Harzgehäuses 115 separat
vorgesehen ist. Eine Schraube oder dergleichen wird durch den Metallhaken 119 geführt
und durch Festziehen der Schraube oder dergleichen wird das Halbleitermodul 200 an
dem Kühlelement 130 befestigt.
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Bei
dem Aufbau eines in 8 gezeigten Halbleitermoduls 200 wird
jedoch ein weiches Gel 116, das ein Silikonmaterial enthält,
als das Versiegelungsmaterial in dem Harzgehäuse 115 verwendet.
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Wenn
eine Schraube verwendet wird, um das mit einem derartigen Gel 116 versiegelte
Halbleitermodul fest an dem Kühlelement 130 zu
befestigen, treten in der Isolierplatte 104 innerhalb des Halbleitermoduls 200 übermäßige
Spannungen auf und in einigen Fällen wird die Isolierplatte 104 beschädigt. Das
heißt, dass deshalb, weil das Gel 116 weich ist, eine
Verformung (Verwindung) der Isolierplatte 104 nicht unterdrückt
werden kann, so dass die Isolierplatte 104 beschädigt
wird.
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Um
eine derartige Beschädigung zu vermeiden, muss das Halbleitermodul 200 an
dem Kühlelement 130 in einem Ausmaß befestigt
werden, dass keine Beschädigung der Isolierplatte 104 auftritt.
Somit kann bei diesem Aufbau eines Halbleitermoduls 200 die
Metallfolie 103 nicht fest in engen Kontakt mit dem Kühlelement 130 gebracht
werden, so dass das Problem auftritt, dass eine angemessene Kühlwirkung
nicht erzielt wird.
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Ferner
wird in dem Halbleitermodul 200 jedes Mal dann, wenn die
Halbleitervorrichtungen 109, 110 betrieben werden,
Wärme abgegeben, und diese Wärme verursacht ferner
eine Verformung der Isolierplatte 104. Wenn somit das Halbleitermodul 200 über
eine lange Zeitperiode verwendet wird, wird die Verformung der Isolierplatte 104 wiederholt,
so dass das Problem auftrat, dass sich die Lotschichten 107, 108 unmittelbar
unter den Halbleitervorrichtungen 109, 110 ablösen.
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Ferner
wird in einem derartigen Halbleitermodul 200 die Dicke
der Isolierplatte 104 erhöht, um eine angemessene
mechanische Festigkeit sicherzustellen (beispielsweise auf annähernd
0,6 mm oder größer).
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Bei
einem eine derartig dicke Isolierplatte 104 verwendenden
Halbleitermodul 200 besteht jedoch eine Beschränkung
der Wärmeleitfähigkeit von den unteren Flächen
der Halbleitervorrichtungen 109, 110 zu dem Kühlelement 130,
so dass das Problem entstand, dass Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen
nicht in derartige Halbleitermodule integriert werden konnten.
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Auch
erfordert dieser Aufbau eines Halbleitermoduls 200 den
zusätzlichen Herstellungsschritt des separaten Einbaus
eines Metallhakens 119 für die Montage des Harzgehäuses 115.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Halbleitermodul zu schaffen, bei dem reduziertes
Gewicht, kleinere Baugröße und geringere Kosten
für ein Halbleitermodul erreicht werden, in dem Leistungshalbleitervorrichtungen
montiert sind, das eine angemessene Kühlwirkung aufweist
und in dem Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen montiert werden
können Aufgabe ist es ferner ein Verfahren zur Herstellung
eines Halbleitermoduls zu schaffen.
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Die
Lösung der Aufgabe ergibt sich aus Patentanspruch 1 bzw.
6. Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung. Dabei sind auch andere Kombinationen von Merkmalen
als in den Ansprüchen beansprucht möglich.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe schafft diese Erfindung ein Halbleitermodul,
enthaltend eine Isolierplatte; eine erste Metallfolie, die mit einer
ersten Hauptfläche der Isolierplatte verbunden ist; mindestens
eine zweite Metallfolie, die mit einer zweiten Hauptfläche
der Isolierplatte verbunden ist; mindestens eine Halbleitervorrichtung,
die auf der zweiten Metallfolie verbunden ist; ein Harzgehäuse,
das die erste Metallfolie, die Isolierplatte, die zweite Metallfolie
und die Halbleitervorrichtung auf der Seite oberhalb der unteren
Fläche der ersten Metallfolie umgibt; und Harz, das in
den Raum zwischen der Innenseite des Harzgehäuses und die äußere
Umfangsrandfläche der ersten Metallfolie und die Außenflächen
der Isolierplatte, der zweiten Metallfolie und der Halbleitervorrichtung
gepackt ist; wobei mittels der unteren Fläche der ersten
Metallfolie und des von dem Harzgehäuse freiliegenden Harzes
eine ebene Fläche gebildet ist, die in engen Kontakt mit
einem äußeren verbundenen Element gebracht werden
kann.
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Ferner
schafft diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls,
enthaltend die Schritte: Herstellen einer Platine, die eine Isolierplatte,
eine mit der ersten Hauptfläche der Isolierplatte verbundene
erste Metallfolie und mindestens eine mit einer zweiten Hauptfläche
der Isolierplatte verbundene zweite Metallfolie aufweist; Montieren
mindestens einer Halbleitervorrichtung auf der zweiten Metallfolie;
Platzieren eines Harzgehäuses, das die erste Metallfolie,
die Isolierplatte, die zweite Metallfolie und die Halbleitervorrichtung
auf der Seite oberhalb der unteren Seite der ersten Metallfolie
umgibt, auf der Platine; Gießen von Harz in Pastenform
in den Raum zwischen der Innenseite des Harzgehäuses und
der äußeren Umfangsrandfläche der ersten Metallfolie
und den Außenflächen der Isolierplatte, der zweiten
Metallfolie und der Halbleitervorrichtungen; und Warmhärten
des eingegossenen Harzes, wobei eine ebene Fläche, die
in engen Kontakt mit einem äußeren verbundenen
Element gebracht werden kann, mittels der unteren Fläche
der ersten Metallfolie und des von dem Harzgehäuse freiliegenden Harzes
gebildet wird.
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Bei
dem Halbleitermodul und dem Verfahren zur Herstellung des Halbleitermoduls
ist die erste Metallfolie mit der ersten Hauptfläche der
Isolierplatte verbunden, mindestens eine zweite Metallfolie ist
mit einer zweiten Hauptfläche der Isolierplatte verbunden
und mindestens eine Halbleitervorrichtung ist auf der zweiten Metallfolie
befestigt (gebondet). Ferner umgibt ein Harzgehäuse die
erste Metallfolie, die Isolierplatte, die zweite Metallfolie und
die Halbleitervorrichtung auf der Seite oberhalb der unteren Fläche der
ersten Metallfolie und Harz wird in den Raum zwischen der Innenseite
des Harzgehäuses und die äußere Umfangsrandfläche
der ersten Metallfolie und die Außenflächen der
Isolierplatte, der zweiten Metallfolie und der Halbleitervorrichtungen
gepackt. Ferner wird mittels der unteren Fläche der ersten
Metallfolie und des vom Harzgehäuse freiliegenden Harzes eine
ebene Fläche gebildet, die in engen Kontakt mit einem äußeren
verbundenen Element gebracht werden kann.
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In
einem Halbleitermodul und einem Verfahren zur Herstellung eines
Halbleitermoduls gemäß dieser Erfindung wird eine
erste Metallfolie mit einer ersten Hauptfläche einer Isolierplatte
verbunden, mindestens eine zweite Metallfolie wird mit einer zweiten
Hauptfläche der Isolierplatte verbunden und mindestens
eine Halbleitervorrichtung wird auf der zweiten Metallfolie verbunden.
Ferner umgibt ein Harzgehäuse die erste Metallfolie, die
Isolierplatte, die zweite Metallfolie und die Halbleitervorrichtung auf
der Seite oberhalb der unteren Fläche der ersten Metallfolie
und Harz wird in den Raum zwischen der Innenfläche des
Harzgehäuses und die äußere Umfangsrandfläche
der ersten Metallfolie und die Außenflächen der
Isolierplatte, der zweiten Metallfolie und der Halbleitervorrichtung
gepackt. Ferner wird mittels der unteren Fläche der ersten
Metallfolie und des vom Harzgehäuse freiliegenden Harzes
eine ebene Fläche gebildet, die in engen Kontakt mit einem äußeren
verbundenen Element gebracht werden kann.
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Dadurch
können ein Halbleitermodul und ein Verfahren zur Herstellung
eines Halbleitermoduls verwirklicht werden, bei welchen das Halbleitermodul,
in welchem Leistungshalbleitervorrichtungen montiert sind, ein geringes
Gewicht, eine kleine Baugröße und niedrige Kosten
aufweist, eine angemessene Kühlwirkung erzielt und mit
Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen bestückt werden kann.
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Nachfolgend
werden Aspekte der Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine schematische Darstellung von Hauptteilen, die die Konfiguration
eines Halbleitermoduls erläutert;
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2 ist
eine erste Darstellung, die einen Prozess in einem Herstellungsverfahren
für ein Halbleitermodul erläutert;
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3 ist
eine zweite Darstellung, die einen Prozess in einem Herstellungsverfahren
für ein Halbleitermodul erläutert;
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4 ist
eine dritte Darstellung, die einen Prozess in einem Herstellungsverfahren
für ein Halbleitermodul erläutert;
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5 erläutert
den Aufbau einer zu einer konvexen Form verformten Platine;
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6 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung von wesentlichen Teilen,
die ein modifiziertes Beispiel eines Halbleitermoduls erläutert;
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7 ist
eine schematische Darstellung eines Halbleitermoduls, welches eine
Metallgrundplatte als Sockel verwendet; und
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8 ist
eine schematische Darstellung eines Halbleitermoduls, das keine
Metallgrundplatte verwendet.
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Zunächst
wird die Konfiguration eines Halbleitermoduls erklärt.
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1 ist
eine schematische Darstellung von Hauptteilen, die zur Erklärung
der Konfiguration eines Halbleitermoduls dient. In (A) ist hier
eine schematische Darstellung der oberen Flächen von Hauptabschnitten
eines Halbleitermoduls 1 gezeigt, und in (B) ist eine schematische
Darstellung eines Querschnitts der Hauptabschnitte des Halbleitermoduls 1 gezeigt.
In (C) ist eine schematische Darstellung der unteren Flächen
der Hauptabschnitte des Halbleitermoduls 1 gezeigt.
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In
(B) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A–B
in den Darstellungen (A) und (C) gezeigt. In den Darstellungen (A)
und (B) ist ein Zustand dargestellt, in welchem ein Kühlelement 40 (Kühlrippen),
welches das äußere verbundene Element darstellt,
mit der unteren Fläche des Halbleitermoduls 1 verbunden
ist. In (C) ist jedoch das Kühlelement 40 nicht
gezeigt, um die untere Fläche des Halbleitermoduls 1 deutlich
darzustellen.
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In
dem gezeigten Halbleitermodul 1 ist eine Platine aus einer
rechteckigen Isolierplatte 10, einer Metallfolie 11,
die durch ein DCB-Verfahren (Direct Copper Bonding) auf der unteren
Fläche der Isolierplatte 10 gebildet ist, und
mindestens eine weitere Metallfolie 12 (in 1 zwei
Metallfolien 12) gebildet, die durch dasselbe DCB-Verfahren
auf der oberen Fläche der Isolierplatte 10 gebildet
ist; und mindestens eine Halbleitervorrichtung 14, 15 ist
auf den Metallfolien 12 mit einer dazwischenliegenden bleifreien Lotschicht 13 auf
Zinn (Sn)-Silber (Ag)-Basis montiert. Hier ist die Isolierplatte 10 beispielsweise
aus Aluminiumoxid-Sinterkeramik (Al2O3) gebildet, und die Metallfolien 11, 12 sind
aus Metall gebildet, dessen Hauptbestandteil Kupfer (Cu) ist. Die
Halbleitervorrichtungen 14, 15 sind beispielsweise
IGBT-Vorrichtungen, FWD-Vorrichtungen, Leistungs-MOSFETs (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren) und/oder
andere Leistungshalbleitervorrichtungen.
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Ferner
sind Wärmeverteiler 16, deren Hauptbestandteil
Kupfer ist, über eine Lotschicht 17 mit derselben
Zusammensetzung auf den Oberflächenelektroden (nicht dargestellt)
mit diesen verbunden, die auf den oberen Flächen der Halbleitervorrichtungen 14, 15 angeordnet
sind.
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In
dem Halbleitermodul 1 wird eine Isolierplatte mit einer
Dicke von annähernd 0,35 mm oder weniger als Isolierplatte 10 verwendet,
um den Wärmeableitweg von den unteren Flächen
der Halbleitervorrichtungen 14, 15 zu der oberen
Fläche des Kühlelements 40 zu verkürzen.
Ferner ist die Dicke der mit den Hauptflächen der Isolierplatte 10 verbundenen
Metallfolien 11, 12 dicker als die in 7 und 8 gezeigten
Metallfolien 103, 105, 106, die beispielsweise
eine Dicke von 0,5 bis 0,6 mm haben.
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Insbesondere
in 1 sind, obgleich nicht dargestellt, eine Vielzahl
von anderen Halbleitervorrichtungen als die Halbleitervorrichtungen 14, 15 (z. B.
IGBT-Vorrichtungen, FWD-Vorrichtungen, Leistungs-MOSFETs und Ähnliche)
auf der Isolierplatte 10 montiert, und zusätzlich
zu den Metallfolien 12 sind eine Vielzahl von Elektrodenanschlüssen
und Ähnliches auf der Isolierplatte 10 angeordnet.
Am Umfang der Halbleitervorrichtungen 14, 15 sind
Metalldrähte, Anschlussstifte und Ähnliches angeordnet, um
beispielsweise die Elektroden der Halbleitervorrichtungen 14, 15 und
die entsprechenden Metallfolien elektrisch zu verbinden oder um
die Elektroden der Halbleitervorrichtungen 14, 15 unter
Verwendung von Metalldrähten miteinander zu verbinden.
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Ferner
ist ein formgegossenes Harzgehäuse 20 am Halbleitermodul 1 vorgesehen,
so dass es die Metallfolie 11, die Isolierplatte 10,
Metallfolien 12, Halbleitervorrichtungen 14, 15 und
die Wärmeverteiler 16 oberhalb der unteren Fläche 11a der
Metallfolie 11 umgibt.
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Hier
ist das Material des Harzgehäuses 20 beispielsweise
PPS (Polyphenylensulfid). Ferner sind Befestigungsabschnitte 20a zur
Verschraubung an einem Seitenabschnitt des Harzgehäuses 20 vorgesehen,
um so die Montage des Halbleitermoduls 1 auf dem Kühlelement 40 zu
erlauben. Die Befestigungsabschnitte 20a sind einstückig
mit dem Harzgehäuse 20 formgegossen und verlaufen
von den Seitenflächen des Harzgehäuses 20 nach
außen.
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Ein
sehr starres Epoxyharz 30 ist in den Raum zwischen der
Innenfläche des Harzgehäuses 20 und der äußeren
Umfangsrandfläche der Metallfolie 11 und den Außenflächen
der Isolierplatte 10, der Metallfolien 12, der
Halbleitervorrichtungen 14, 15 und der Wärmeverteiler 16 gepackt
(gegossen). Die untere Fläche der Metallfolie 11 liegt
jedoch frei unbedeckt von dem Epoxyharz 30.
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Dieses
Epoxyharz 30 wird durch eine Harzeinlauföffnung 20b gegossen,
die in der Mitte der oberen Fläche des Harzgehäuses 20 vorgesehen
ist, um die Halbleitervorrichtungen 14, 15, die
Isolierplatte 10 und Ähnliches (Einzelheiten sind
nachstehend erörtert) zu versiegeln. Ferner wird das Epoxyharz 30 so
gepackt, dass es ins Innere der Befestigungsabschnitte 20a eintritt.
Löcher 21, durch welche Schraubbolzen oder andere
Gewindeabschnitte geführt werden können, sind
die Befestigungsabschnitte 20a und das die Befestigungsabschnitte 20a füllende
Epoxyharz 30 durchdringend gebildet.
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Das
Epoxyharz 30 wird auf die gleiche Höhe wie die
untere Fläche 11a der Metallfolie 11 gebracht. Eine
breite ebene Fläche 22 wird mittels einer Außenfläche 30a,
die von dem vom Harzgehäuse 20 freiliegenden Epoxyharz 30 gebildet
ist, und durch die untere Fläche 11a der Metallfolie
gebildet. Das heißt, dass die ebene Fläche 22,
die sich aus der äußeren Fläche 30a des
Epoxyharzes 30 und der unteren Fläche 11a der
Metallfolie 11 zusammensetzt, die Bodenfläche
des Halbleitermoduls 1 wird. Durch Vorsehen der ebenen
Fläche 22 kann das Halbleitermodul 1 an
der Bodenfläche in festen und engen Kontakt mit dem Kühlelement 40 gebracht
werden. Das vorstehend beschriebene Epoxyharz 30 enthält
einen anorganischen Füllstoff, der nicht dargestellt ist.
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Ferner
ist in dem Halbleitermodul der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Epoxyharzes 30 so eingestellt, dass er soweit möglich
an die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metallfolien 11, 12 angepasst
ist. Wenn beispielsweise der Wärmeausdehnungskoeffizient
der aus Kupfer hergestellten Metallfolien 11, 12 annähernd
16,5 ppm/K ist, dann ist der Wärmeausdehnungskoeffizient
des in das Harzgehäuse 20 gepackten Epoxyharzes 30 annähernd
15 ppm/K. Dadurch treten, wenn beispielsweise das Halbleitermodul 1 betrieben
wird, auch dann, wenn die Ausdehnung und Kontraktion der Metallfolien 11, 12 auftritt,
keine lokalen Spannungen in der Isolierplatte 10 oder an
den Halbleitervorrichtungen 14, 15 auf, da die
Wärmeausdehnungskoeffizienten abgestimmt sind.
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Obgleich
ferner die Wärmeleitfähigkeit des in der Vergangenheit
als Versiegelungsmaterial verwendeten Silikongels annähernd
0,3 W/mK beträgt, ist die Wärmeleitfähigkeit
des in das Harzgehäuse 20 gepackten Epoxyharzes 30 auf
annähernd 1 W/mK eingestellt. Somit wird durch die Halbleitervorrichtungen 14, 15 in
dem Halbleitermodul 1 erzeugte Wärme auf der Seite
des Kühlelements 40 abgeleitet und wird ferner
auf der Seite des Epoxyharzes 30 abgeleitet. Als Resultat
wird die von den Halbleitervorrichtungen 14, 15 erzeugte
Wärme oberhalb des Halbleitermoduls 1 und in seitliche
Richtungen verteilt, so dass das Halbleitermodul eine bessere Kühlwirkung hat
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Das
Halbleitermodul 1 ist mit dem Kühlelement 40 verbunden,
indem Schrauben oder ähnliches durch die Löcher 21 geführt
werden und mit dem Kühlelement 40 verschraubt
werden.
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Zur
weiteren Förderung der Kühlwirkung kann eine Thermo-Verbindung
bzw. wärmeleitende Masse (nicht dargestellt) oder ähnliches
zwischen der Bodenfläche des Halbleitermoduls 1 und
der oberen Fläche des Kühlelements 40 aufgetragen
sein.
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Mittels
dieses Aufbaus des Halbleitermoduls 1 sind die Außenflächen
der Isolierplatte 10, Metallfolien 11, 12 und
Halbleitervorrichtungen 14, 15 durch sehr starres
Epoxyharz 30 gestützt.
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Genauer
ausgedrückt wird ein sehr starres Epoxyharz 30 in
den Raum zwischen der Innenfläche des Harzgehäuses 20 und
der äußeren Umfangsrandfläche der Metallfolie 11 und
den Außenflächen der Isolierplatte 10,
Metallfolien 12 und Halbleitervorrichtungen 14, 15 gepackt.
Eine breite ebene Fläche 22 wird von einer Außenfläche 30a,
die von dem von dem Harzgehäuse 20 freiliegenden
Epoxyharz 30 gebildet wird, und von der unteren Fläche 11a der Metallfolie 11 gebildet.
Des Weiteren wird diese ebene Fläche 22 mit der
oberen Fläche des Kühlelements 40 in
Kontakt gebracht.
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Ein
Befestigungsabschnitt 20a, der einstückig mit
dem Harzgehäuse 20 gebildet ist, erstreckt sich
von einer Seitenfläche des Harzgehäuses 20, und
das Innere der Befestigungsabschnitte 20a ist ebenfalls
mit dem hoch harten Epoxyharz 30 gepackt.
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Mittels
dieses Aufbaus des Halbleitermoduls 1 kann das gesamte
Halbleitermodul 1 durch Schrauben oder dergleichen fest
an dem Kühlelement 40 befestigt werden, indem
Schrauben oder dergleichen durch die in einem Seitenabschnitt des
Harzgehäuses 20 vorgesehenen Löcher 21 geführt
werden. Und mittels dieser festen Befestigung können die
ebene Fläche 22 und die oberen Fläche
des Kühlelements 40 in festen und engen Kontakt
gebracht werden. Als Resultat kann eine bessere Kühlwirkung
für das Halbleitermodul 1 sichergestellt werden.
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Da
an dem Halbleitermodul 1 eine breite ebene Fläche 22 gebildet
ist, wird auch dann, wenn das gesamte Halbleitermodul 1 mittels
einer Schraube oder dergleichen fest am Kühlelement 40 befestigt ist,
der Kontaktdruck gleichmäßig über die
ebene Fläche 22 verteilt. Als Resultat treten
auch dann, wenn das gesamte Halbleitermodul 1 mittels einer
Schraube oder dergleichen fest an dem Kühlelement 40 befestigt
ist, keine lokalen Spannungen in der Isolierplatte 10 auf,
eine Verformung der Isolierplatte 10 wird vermieden und
die Beschädigung der Isolierplatte 10 wird verhindert.
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Ferner
wird auch dann, wenn während des Betriebs der Halbleitervorrichtungen 14, 15 erzeugte Wärme
eine Verformung der Isolierplatte 10 hervorrufen würde,
da innerhalb der Isolierplatte 10 auftretende Spannungsbelastungen
innerhalb des Epoxyharzes 30 wie vorstehend beschrieben
verteilt werden, eine Verformung der Isolierplatte 10 während des
Betriebs der Halbleitervorrichtungen 14, 15 unterdrückt
und eine Beschädigung der Isolierplatte 10 wird
verhindert.
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Da
des weiteren die Verformung der Isolierplatte 10 unterdrückt
wird, kann ebenfalls die Ablösung oder dergleichen der
Lotschicht 13 unmittelbar unterhalb der Halbleitervorrichtungen 14, 15 verhindert
werden.
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Das
Innere der Befestigungsabschnitte 20a ist mit hoch starrem
Epoxyharz 30 gefüllt, was deren Festigkeit verstärkt.
Auch wenn Schrauben oder dergleichen direkt durch die Löcher 21 geführt
werden und fest angezogen werden, tritt keine Beschädigung der
Befestigungsabschnitte 20a auf. Aus diesem Grund ist es
nicht erforderlich, wie in 7 gezeigt einen
Metallring 118 an der Innenseite der Löcher 21 zur
Verstärkung vorzusehen.
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In
dem Halbleitermodul 1 wird keine dicke Metallgrundplatte 101 verwendet,
wie dies in dem in 7 gezeigten Halbleitermodul 200 der
Fall ist. Als Resultat kann das Halbleitermodul leichter und kompakter
ausgeführt werden und die Kosten können reduziert
werden.
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In
dem Halbleitermodul 1 wird eine Isolierplatte 10 verwendet,
die dünner ist als in dem in 8 gezeigten
Halbleitermodul 200, und noch dünnere Metallfolien 11, 12 werden
verwendet. Somit wird für das Halbleitermodul 1 eine
größere Kühlwirkung als für
das Halbleitermodul 200 sichergestellt. Das hat zur Folge,
dass die Halbleitervorrichtungen 14, 15 in dem
Halbleitermodul 1 mit größerer Stabilität
arbeiten können.
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Der
ferner die Kühlwirkung des Halbleitermoduls 1 verbessert
ist, können leistungsfähigere Halbleitervorrichtungen
montiert werden, als in dem Halbleitermodul 200 vorhanden
sind.
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Insbesondere
beim Vergleich des Aufbaus von PIMs (Power Integrated Modules – integrierte Leistungsmodule),
die in der Schaltung von Wechselrichtern, Gleichrichtern und Bremsen
konfiguriert sind, sowie von Strukturen (6-in-1-Strukturen), in
welchen sechs Paare von IGBTs und FWDs, die in Wechselrichterschaltungen
parallel geschaltet sind, in ein Gehäuse gepackt sind,
ermöglicht die Struktur eines Halbleitermoduls 200 die
Montage von Halbleitervorrichtungen mit einem Nennstrom von bis
zu 15 A bei 1200 V im Fall einer PIM-Struktur und einem Nennstrom
von bis zu 35 A bei 1200 V im Fall einer 6-in-1-Struktur; demgegenüber
können bei Verwendung der Struktur des Halbleitermoduls 1 Halbleitervorrichtungen
mit einem Nennstrom von bis zu 35 A bei 1200 V im Fall einer PIM-Struktur
und mit einem Nennstrom von bis zu 50 A bei 1200 V im Fall einer 6-in-1-Struktur
montiert werden.
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Ferner
sind in dem Halbleitermodul 1 Löcher 21 mit
hoher Steifigkeit in einem Seitenabschnitt des Harzgehäuses 20 vorgesehen,
so dass es nicht erforderlich ist, wie in dem in 8 gezeigten
Halbleitermodul 200 einen Metallhaken 119 separat
zum Schutz vorzusehen. Als Resultat kann der Herstellungsprozess
des Halbleitermoduls verkürzt werden und Kosten können
reduziert werden.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleitermoduls 1 erläutert.
In den folgenden Zeichnungen sind Elemente, die denjenigen in 1 entsprechen,
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf eine detaillierte
Beschreibung derselben wird verzichtet.
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2 dient
zur Erläuterung eines Prozesses des Verfahrens zur Herstellung
eines Halbleitermoduls.
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Zunächst
wird, wie in der unteren Figur gezeigt, eine Platine 50 vorbereitet,
bei welcher mindestens eine Metallfolie 12 durch das DCB-Verfahren
auf eine Isolierplatte 10 aufgebracht ist. Dann wird mindestens
eine Halbleitervorrichtung 14, 15 mit einer dazwischenliegenden
Lotschicht (nicht gezeigt) auf der Metallfolie 12 montiert.
Hier weist das Material der Metallfolie 12 beispielsweise
Kupfer als Hauptbestandteil auf und ist beispielsweise 0,5 bis 0,6
mm dick. Dann wird ein Wärmeverteiler 16 mit jeder
der Hauptelektroden der Halbleitervorrichtungen 14, 15 mit
einer dazwischenliegenden Lotschicht (nicht gezeigt) verbunden.
Die Wärmeverteiler 16 sind durch Metalldrähte 18 mit
den Metallfolien 12 elektrisch verbunden.
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Eine
gemusterte Metallfolie (Kupfer mit einer Dicke von 0,5 bis 0,6 mm)
wird mit der unteren Fläche der Isolierplatte 10 in
der Platine 50 durch das DCB-Verfahren verbunden, aber
diese Metallfolie ist in der Figur nicht dargestellt.
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In
der oberen Figur ist ein Deckelabschnitt 20c gezeigt, der
den oberen Deckel des Harzgehäuses 20 bildet.
Eine Vielzahl von Anschlussstiften 23 für äußere
Anschlusskontakte wird im Voraus so angeordnet, dass sie die Hauptfläche
des Deckelabschnitts 20c im Wesentlichen in zu diesem senkrechter
Richtung durchdringen.
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Nachdem
der Deckelabschnitt 20c relativ zu der Platine 50 positioniert
ist, wird der Deckelabschnitt 20c in Pfeilrichtung bewegt,
um den Deckelabschnitt 20c von der Oberseite der Platine 50 auf die
Platine 50 zu platzieren.
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3 erläutert
einen Prozess im Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls.
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Wie
in der unteren Figur gezeigt, ist dadurch, dass der Deckelabschnitt 20c auf
der Platine 50 platziert wurde, die Vielzahl der Anschlussstifte 23 und die
Vielzahl der Metallfolien 12 auf der Platine 50 in Kontakt.
Dann wird das Verlöten der in Kontakt stehenden Abschnitte
durchgeführt, so dass die Anschlussstifte 23 mit
den jeweiligen Metallfolien 12 elektrisch verbunden sind.
Durch Verbinden der Anschlussstifte 23 mit den jeweiligen
Metallfolien 12 wird der Deckelabschnitt 20c an
der Platine 50 befestigt.
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Wie
in der oberen Figur gezeigt, wird dann der äußere
Rahmenabschnitt 20d, der einen großen Teil des
Harzgehäuses 20 bildet, über der Platine 50 und
dem Deckelabschnitt 20c angeordnet. Wie vorstehend angeführt
hat dieser äußere Rahmenabschnitt 20d Befestigungsabschnitte 20a an
den Seiten, die einstückig gebildet und gearbeitet sind.
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Dann
wird der äußere Rahmenabschnitt 20d in
Pfeilrichtung zu der Platine 50 hin bewegt und der äußere
Rahmenabschnitt 20d wird von oben mit der Platine 50 und
dem Deckelabschnitt 20c zusammengeführt.
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4 erläutert
einen Prozess im Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls.
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In
der oberen Figur ist ein Zustand dargestellt, in dem der äußere
Rahmenabschnitt 20d mit der Platine 50 und dem
Deckelabschnitt 20c zusammengeführt ist. In diesem
Zustand sind auf der Seite oberhalb der unteren Fläche
der Metallfolie (nicht dargestellt), die mit der unteren Fläche
der Isolierplatte 10 verbunden ist, die Metallfolie, die
Isolierplatte 10, Metallfolien 12, Halbleitervorrichtungen 14, 15 und
Wärmeverteiler 16 von dem Harzgehäuse 20 (Deckelabschnitt 20c, äußerer
Rahmenabschnitt 20d) umgeben.
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Dann
wird das zusammengefügte Element 51 zwischen einem
unteren Gestell 60 und einem oberen Gestell 61 für
den Formgussvorgang eingeschlossen, wie in der unteren Figur gezeigt,
und ein warmhärtendes Epoxyharz 31 wird durch
eine Harzeinlauföffnung 20b, die in der Mitte
des Deckelabschnitts 20c vorgesehen ist, eingegossen. In
dieser Stufe liegt das Epoxyharz 31 in Pastenform vor.
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Wenn
das Epoxyharz 31 durch die Harzeinlauföffnung 20b gegossen
wird, fließt das Epoxyharz 31 in den Raum zwischen
der Innenfläche des Harzgehäuses 20 und
der äußeren Umfangsrandfläche der Metallfolie 11 und
den äußeren Flächen der Isolierplatte 10,
der Metallfolien 12 und der Halbleitervorrichtungen 14, 15 sowie
der Wärmeverteiler 16 und wird zusätzlich
in die Befestigungsabschnitte 20a gepackt. Die Innenfläche 60a des
unteren Gestells 60 bildet in Kontakt mit dem unteren Abschnitt des
zusammengefügten Elements 51 eine breite ebene
Fläche, die breiter als das zusammengefügte Element 51 ist.
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Nachdem
das Epoxyharz 31 in Pastenform vollständig in
das Harzgehäuse 20 gegossen wurde, wird dann das
zusammengefügte Element 51 für eine vorbestimmte
Zeitdauer auf die Aushärtungstemperatur des Epoxyharzes 31 erwärmt.
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Mittels
dieser Wärmebehandlung wird das in das Harzgehäuse 20 gegossene
Epoxyharz 31 ausgehärtet und das in 1 gezeigte
hoch feste Epoxyharz 30 versiegelt den Raum zwischen der
Innenfläche des Harzgehäuses 20 und einigen
der Außenflächen der Halbleitervorrichtungen 14, 15 der
Isolierplatte 10, Metallfolien 11, 12 und
Wärmeverteiler 16.
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Da
ferner die Innenfläche des unteren Gestells 60 in
Kontakt mit dem zusammengefügten Element 51 eine
ebene Fläche ist, wird eine breite flache Bodenfläche
durch die Hauptfläche der Metallfolie 11 und das
von dem Harzgehäuse 20 freiliegende Epoxyharz 31 gebildet.
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Während
des Packens des Epoxyharzes 31 sind kreisförmige
säulenförmige Vorsprünge 61a,
die an dem oberen Gestell 61 vorgesehen sind, in vorab in
den Befestigungsabschnitten 20a gebildete Löcher eingeführt
und die Spitzen der Vorsprünge 61a werden mit
dem unteren Gestell 60 in Kontakt gebracht. Dadurch fließt
kein Epoxyharz 31 in die Abschnitte, in welchen die Vorsprünge 61a positioniert
sind, und nachdem das Epoxyharz 31 ausgehärtet
ist, werden die in 1 gezeigten Löcher 21 gebildet.
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Durch
diese Herstellungsprozesse wird das in 1 gezeigte
Halbleitermodul 1 vollendet.
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Die
Metallfolie 11 kann so aufgebaut sein, dass sie an der
Bodenfläche eine konvexe Form an der Unterseite hat.
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Beispielsweise
wird, wie in 4 gezeigt, an der obersten Kontaktfläche 20e des
Harzgehäuses 20, die in Kontakt mit dem oberen
Gestell 61 steht, das Innere des Harzgehäuses 20 mit
Epoxyharz 31 gepackt, während die Kraft, mit der
das obere Gestell 61 auf die Kontaktfläche 20e presst,
reguliert wird. Das heißt, dass die Kraft, mit der das
obere Gestell 61 gegen die Kontaktfläche 20e presst,
eingestellt wird, und während eine Verwindung des gesamten zusammengefügten
Elements 51 verursacht wird, wird das Innere mit Epoxyharz 31 gepackt
und die Wärmebehandlung wird zum Aushärten des
Epoxyharzes 31 durchgeführt.
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Der
Zustand einer unter Verwendung dieses Verfahrens hergestellten Platine 50 ist
in 5 gezeigt.
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5 dient
dazu, den Aufbau einer in eine konvexe Form gebogenen Platine zu
erläutern. In dieser Figur ist nur die aus den Metallfolien 11, 12 und
der Isolierplatte 10 gebildete Platine 50 gezeigt und
die anderen Elemente, wie zum Beispiel die Halbleitervorrichtungen 14, 15,
wurden weggelassen.
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Wie
vorstehend erläutert wird Epoxyharz 31 eingespritzt
und gehärtet, während das gesamte zusammengefügte
Element 51 gebogen wird. Das Ausmaß der Verwindung
ist dergestalt, dass die äußeren Ränder
der Metallfolie 11 um 0 bis 100 μm von der zu dem
Mittelabschnitt der Metallfolie 11 tangentialen horizontalen
Ebene entfernt werden.
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Unmittelbar
nachdem das mit dieser konvex geformten Metallfolie 11 versehene
Halbleitermodul 1 auf dem Kühlelement 40 platziert
wird, steht nur die Umgebung des Mittelteils der Metallfolie 11 mit
dem Kühlelement 40 in Kontakt. Die Metallfolie 11 besteht jedoch
aus Metall und ist somit elastisch. Wenn somit Schrauben oder dergleichen
durch die Löcher 21 geführt werden, die
an den Seitenabschnitten des Halbleitermoduls 1 angeordnet
sind, und das Halbleitermodul 1 an den Seitenabschnitten
an dem Kühlelement 40 befestigt wird, erweitert
sich die Kontaktebene zwischen der Metallfolie 11 und dem
Kühlelement 40 allmählich vom Mittelteil
nach außen und schließlich wird die gesamte Fläche
der Metallfolie 11 in festen und engen Kontakt mit dem
Kühlelement 40 gebracht.
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Wenn
die untere Fläche der Metallfolie 11 zu einer
konkaven Form verformt würde, wäre der Mittelteil
der Metallfolie 11 nicht in Kontakt mit dem Kühlelement 40,
auch nachdem die Schrauben oder dergleichen festgezogen wurden.
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Indem
eine derartige konvex geformte Metallfolie 11 mit dem Halbleitermodul 1 verbunden
wird, können die Metallfolie 11 und das Kühlelement 40 in festen
und engen Kontakt gebracht werden und die Kühlwirkung des
Halbleitermoduls 1 kann weiter gesteigert werden.
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Schließlich
wird ein Beispiel der Verformung des Aufbaus des Halbleitermoduls 1 erläutert.
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6 ist
eine schematische Querschnittsansicht von Hauptabschnitten, die
zu Erläuterung eines Beispiels der Verformung eines Halbleitermoduls
verwendet wird.
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In
dem in dieser Figur gezeigten Halbleitermodul 2 ist mindestens
ein vorspringender Abschnitt 20f an der Innenfläche
des Harzgehäuses 20 vorgesehen, so dass das Harzgehäuse 20 und
das Epoxyharz 30 durch eine "Ankerwirkung" in festem und
engem Kontakt stehen. Diese vorspringenden Abschnitte 20f werden
mit dem Harzgehäuse 20 einstückig gegossen
und bearbeitet.
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Dadurch
bleiben auch dann, wenn ein gewisser Unterschied hinsichtlich der
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Harzgehäuses 20 und
des Epoxyharzes 30 besteht, bedingt durch die Ankerwirkung
der vorspringenden Abschnitte 20f das Harzgehäuse 20 und
das Epoxyharz 30 zuverlässig in engem Kontakt.
Auch wenn beispielsweise das Harzgehäuse 20 und
das Epoxyharz 30 bedingt durch den Betrieb der Halbleitervorrichtungen 14, 15 erwärmt werden
und ein Unterschied hinsichtlich der Ausdehnung und Zusammenziehung
des Harzgehäuses 20 und des Epoxyharzes 30 besteht,
tritt durch diese Ankerwirkung keine Verschiebung an der Grenzfläche zwischen
dem Harzgehäuse 20 und dem Epoxyharz 30 auf.
Ferner tritt an der Grenzfläche zwischen dem Harzgehäuse 20 und
dem Epoxyharz 30 keine Ablösung auf.
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In
den vorstehenden Aspekten wurden Beispiele erläutert, in
welchen die Halbleitermodule 1, 2 mit Wärmeverteilern 16 versehen
sind; Wärmeverteiler sind jedoch nicht unbedingt vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2003-289130
A [0003]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Komatsu, Saotome
und Igawa, "Shou youryou IGBT mojuru (IGBT-Modul mit kleiner Kapazität)", Fuji
Jihou, Bd. 78, Nr. 4, 2005, Seiten 260–263 [0010]