DE102016202067A1

DE102016202067A1 - Leistungshalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102016202067A1
Application number: DE102016202067.6A
Authority: DE
Inventors: Kenta NAKAHARA; Hiroshi Yoshida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2016-02-11
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2036-02-12
Also published as: DE102016202067B4; JP6320331B2; CN105990277A; JP2016171269A; US9412679B1; CN105990277B

Abstract

Ein Isoliersubstrat (10) umfasst einen Basisbereich (11), der aus Metall hergestellt ist und als Abstrahlfläche (SR) dient, eine Isolierschicht (12) und ein Schaltungsmuster (2). Das Isoliersubstrat (10) weist eine konvexe Wölbung in der Abstrahlfläche bei Umgebungstemperatur auf. Ein Leistungshalbleiterelement (3) ist auf dem Schaltungsmuster (2) montiert. Ein Dichtmaterial (7) weist eine größere Dicke als eine Dicke des Isoliersubstrats (10) auf. Das Dichtmaterial (7) weist einen linearen Ausdehnungskoeffizienten auf, der größer als ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Isoliersubstrats (10) in einer Richtung auf gleicher Ebene einer Montagefläche (SM) ist. Eine Wärmeleitschicht (20) ist auf der Abstrahlfläche (SR) des Basisbereichs (11) angeordnet und ist bei Umgebungstemperatur fest und bei einer Temperatur flüssig, die höher als oder gleichhoch wie eine Phasenänderungstemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungshalbleitervorrichtung und insbesondere auf eine Leistungshalbleitervorrichtung, die eine Abstrahlfläche umfasst, die durch eine Kühleinheit gekühlt wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2012-191010 offenbart eine Halbleitervorrichtung, auf der Leistungshalbleiterelemente montiert sind. Die Halbleitervorrichtung ist an einer Kühlrippe befestigt, auf die eine Wärmeleitpaste aufgebracht ist, um die von den Halbleiterelementen erzeugte Wärme abzuführen, und ist mit zu verwendenden Schrauben fixiert.
Bei der Halbleitervorrichtung kann eine Temperatur einer Abstrahlfläche, an der die Kühlrippe mit der Wärmeleitpaste dazwischen befestigt ist, gemäß einem Betriebszustand der Leistungshalbleiterelemente stark variieren. Dies verändert eine gewölbte Form der Abstrahlfläche und ein Phänomen, bei dem die Wärmeleitpaste aus dem Bereich zwischen einer Kühlfläche und der Kühlrippe herausgepresst wird, kann auftreten. Dieses Phänomen wird auch als Fett-Auspumpen bezeichnet. Eine Wiederholung des Auspumpens im Verlauf eines Wärmezyklus erhöht den Wärmewiderstand zwischen der Abstrahlfläche und der Kühlrippe, und dadurch verschlechtern sich die Wärmeableiteigenschaften der Leistungshalbleitervorrichtung erheblich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme konzipiert und es ist deren Aufgabe, eine Leistungshalbleitervorrichtung bereitzustellen, die das Verhindern eines Herausdrückens einer Wärmeleitschicht aus einem Bereich zwischen einem Isoliersubstrat und einer Kühleinheit im Verlauf eines Wärmezyklus ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche offenbaren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine Leistungshalbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gehäuse, zumindest ein Isoliersubstrat, zumindest ein Leistungshalbleiterelement, zumindest einen Verdrahtungsbereich, eine Vielzahl von Elektroden, ein Dichtmaterial und eine Wärmeleitschicht. Das Isoliersubstrat ist am Gehäuse befestigt. Das Isoliersubstrat weist eine Abstrahlfläche und eine Montagefläche gegenüber der Abstrahlfläche auf. Das Isoliersubstrat weist eine konvexe Wölbung in der Abstrahlfläche bei Umgebungstemperatur auf. Die Montagefläche ist im Gehäuse untergebracht. Das Isoliersubstrat umfasst einen Basisbereich, eine Isolierschicht und ein Schaltungsmuster. Der Basisbereich ist aus Metall hergestellt. Der Basisbereich dient als Abstrahlfläche. Die Isolierschicht ist auf dem Basisbereich angeordnet. Das Schaltungsmuster ist auf der Isolierschicht angeordnet. Das Schaltungsmuster dient als Montagefläche. Das Halbleiterelement ist auf dem Schaltungsmuster des Isoliersubstrats montiert. Der Verdrahtungsbereich verbindet das Leistungshalbleiterelement und einen Bereich des Schaltungsmusters des vom Leistungshalbleiterelement entfernten Isoliersubstrats. Die Elektroden sind am Gehäuse befestigt und mit zumindest einem Schaltungsmuster des Isoliersubstrats und dem Leistungshalbleiterelement elektrisch verbunden. Das Dichtmaterial dichtet das Leistungshalbleiterelement auf dem Isoliersubstrat im Gehäuse ab. Das Dichtmaterial weist eine größere Dicke als eine Dicke des Isoliersubstrats auf. Das Dichtmaterial weist einen linearen Ausdehnungskoeffizienten auf, der größer als ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Isoliersubstrats in einer Richtung auf gleicher Ebene der Montagefläche des Isoliersubstrats ist. Die Wärmeleitfläche ist auf der Abstrahlfläche angeordnet und ist bei Umgebungstemperatur fest und ist bei einer Temperatur flüssig, die höher als oder gleich hoch wie eine Phasenänderungstemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur ist.
Wenn sich die Wärmeleitfläche in der vorliegenden Erfindung durch den Temperaturanstieg aufgrund der Wärme vom Leistungshalbleiterelement verflüssigt, weist das hinreichend dicke Dichtmaterial einen größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als das Isoliersubstrat auf, was die konvexe Form der Abstrahlfläche des Isoliersubstrats entlastet. Somit sammelt sich die flüssige Wärmeleitschicht in der Mitte des Isoliersubstrats an, wodurch die Wärmeleitschicht zwischen dem Isoliersubstrat und der Kühleinheit bleibt. Wenn die Form der Abstrahlfläche des Isoliersubstrats durch den Temperaturabfall zur ursprünglichen konvexen Form zurückkehrt, verliert die Wärmeleitschicht die Liquidität, wodurch das Herausdrücken der Wärmeleitschicht aus dem Bereich zwischen dem Isoliersubstrat und der Kühleinheit verhindert wird. Demzufolge wird verhindert, dass die Wärmeleitschicht aus dem Bereich zwischen dem Isoliersubstrat und der Kühlrippe im Verlauf eines Wärmezyklus herausgedrückt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigt:
1 eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Leistungshalbleitervorrichtung in einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht;
2 eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration der Leistungshalbleitervorrichtung in 1 einschließlich einer Kühleinheit schematisch veranschaulicht;
3 eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung in einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht;
4 eine schematische Querschnittsansicht längs einer Linie IV-IV in 3;
5 eine Darstellung einer Schaltung in 3;
6 eine Draufsicht, die eine Modifikation von 3 veranschaulicht;
7 eine Darstellung einer Schaltung in 6;
8 eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung in einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht;
9 eine Draufsicht, die eine Modifikation von 8 veranschaulicht;
10 eine Draufsicht, die eine Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung in einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht;
11 eine Darstellung der Schaltung in 10;
12 eine Draufsicht, die eine Modifikation von 10 veranschaulicht; und
13 eine Darstellung einer Schaltung in 12.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den nachfolgenden Zeichnungen sind die gleichen oder entsprechenden Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und daher werden deren Beschreibungen hier nicht wiederholt.
Erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Mit Bezug auf 1 umfasst ein Leistungsmodul 101 (eine Leistungshalbleitervorrichtung) ein Gehäuse 1, ein Isoliersubstrat 10, Leistungshalbleiterelemente 3, einen Metalldraht 4 (einen Verdrahtungsbereich), Elektroden 5, ein Dichtmaterial 7 und eine Wärmeleitschicht 20.
Das Gehäuse 1 ist aus isolierendem Material hergestellt. Das Gehäuse 1 weist Durchgangsöffnungen HL auf, die entlang eines Außenumfangs des Leistungsmoduls 101 angeordnet sind.
Das Isoliersubstrat 10 ist am Gehäuse 1 befestigt. Die Befestigung kann z. B. durch Bonden mit einem Klebemittel 6 ausgeführt werden. Das Isoliersubstrat 10 weist eine Abstrahlfläche SR und eine Montagefläche SM gegenüber der Abstrahlfläche SR auf. Die Montagefläche SM ist im Gehäuse 1 untergebracht.
Genauer gesagt umfasst das Isoliersubstrat 10 eine Basisplatte 11 (einen Basisbereich), eine Isolierfolie 12 (eine Isolierschicht) und ein Schaltungsmuster 2. Die Basisplatte 11, die Isolierfolie und das Schaltungsmuster 2 sind integriert.
Die Basisplatte dient als Abstrahlfläche SR. Die Basisplatte 11 ist aus Metall hergestellt. Das Metall der Basisplatte 11 weist vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. In einem Beispiel dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels ist die Basisplatte 11 eine aus Kupfer hergestellte Platte mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 17 ppm und weist eine Dicke von 2 mm auf.
Die Isolierfolie 12 ist auf der Basisplatte 11 angeordnet. Ein Material für die Isolierfolie 12 weist vorzugsweise ein hohes Isoliervermögen auf. In einem Beispiel dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels ist die Isolierfolie 12 eine Folie, die aus Epoxidharz hergestellt ist und eine Dicke von 0,1 mm aufweist.
Das Schaltungsmuster 2 ist auf der Isolierfolie 12 angeordnet. Das Schaltungsmuster 2 dient als die Montagefläche SM. Das Schaltungsmuster 2 ist vorzugsweise aus Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt. In einem Beispiel dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels ist das Schaltungsmuster 2 ein Muster, das aus Kupfer mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 17 ppm hergestellt ist und eine Dicke von 0,5 mm aufweist.
Die Epoxidharzfolie, welche die Dicke von 0,1 mm aufweist und als Isolierfolie 12 dient, ist hinreichend weniger leitfähig für einen linearen Ausdehnungskoeffizienten des Isoliersubstrats 10 als die Kupferplatte, welche die Dicke von 2 mm aufweist und als Basisplatte 11 dient, und die Kupferschicht, welche die Dicke von 0,5 mm aufweist und als Schaltungsmuster 2 dient. Demzufolge ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der lineare Ausdehnungskoeffizient des Isoliersubstrats 10 in einer Richtung auf gleicher Ebene der Montagefläche SM des Isoliersubstrats 10 fast gleich 17 ppm, was der lineare Ausdehnungskoeffizient der Basisplatte 11 und des Schaltungsmusters 2 ist.
Das Isoliersubstrat 10 weist eine konvexe Wölbung in der Abstrahlfläche SR bei Umgebungstemperatur (von ungefähr 25 °C) auf. Das Isoliersubstrat 10 weist die konkave Wölbung in der Abstrahlfläche SR an einem oberen Grenzwert einer Betriebstemperatur der Leistungshalbleiterelemente 3 auf. Die Temperatur, bei der die Form der Abstrahlfläche SR sich von der konvexen Form zur konkaven Form verändert, ist vorzugsweise niedriger als eine Betriebstemperatur unter stationären Betriebsbedingungen, und die Temperatur wird in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit 125 °C angenommen.
Die Leistungshalbleiterelemente 3 sind auf dem Leitungsmuster 2 des Isoliersubstrats 10 montiert. Die Leistungshalbleiterelemente 3 sind Transistorelemente wie z. B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT´s) und Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET´s).
Der Metalldraht 4 verbindet die Leistungshalbleiterelemente 3 und einen Bereich des Schaltungsmusters 2 des von den Leistungshalbleiterelementen 3 entfernten Isoliersubstrats 10.
Die Elektroden 5 sind mit einer Außenseite des Leistungsmoduls 101 elektrisch verbunden. Die Elektroden 5 sind am Gehäuse 1 befestigt und liegen am Gehäuse 1 frei. Die Elektroden 5 sind mit mindestens einem Schaltungsmuster 2 des Isoliersubstrats 10 und den Leistungshalbleiterelementen 3 durch den Metalldraht 4 elektrisch verbunden.
Das Dichtmaterial 7 dichtet die Leistungshalbleiterelemente 3 auf dem Isoliersubstrat 10 im Gehäuse 1 ab. Das Dichtmaterial 7 ist aus einem Isoliermaterial, wie z. B. einem Harz und einem Gel, hergestellt. Das Dichtmaterial 7 weist eine Dicke auf, die größer als eine Dicke des Isoliersubstrats 10 ist und die in einem Beispiel dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels 10 mm beträgt. Das Dichtmaterial 7 weist einen linearen Ausdehnungskoeffizienten auf, der größer als der lineare Ausdehnungskoeffizient des Isoliersubstrats 10 in der Richtung auf gleicher Ebene der Montagefläche SM ist und der in einem Beispiel dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels 19 ppm beträgt. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Dichtmaterials 7 ist niedriger als oder gleichgroß wie das 1,5 fache des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Isoliersubstrats 10 in der Richtung auf gleicher Ebene der Montagefläche SM.
Die Wärmeleitschicht 20 ist auf der Abstrahlfläche SR angeordnet. Die Wärmeleitschicht 20 ist aus einem Phasenänderungs-Wärmeleitmaterial hergestellt. Die Wärmeleitschicht 20 ist bei Umgebungstemperatur fest und bei einer Temperatur flüssig, die höher oder gleich hoch wie eine Phasenänderungstemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur ist. Hierbei kann sich „fest“ auf einen gummiartigen Zustand beziehen, während sich „flüssig“ auf einen fettartigen Zustand beziehen kann. Die Phasenänderungstemperatur ist niedriger als ein oberer Grenzwert einer Betriebstemperatur des Leistungsmoduls 101 und ist vorzugsweise niedriger als eine Betriebstemperatur unter stationären Betriebsbedingungen. Darüber hinaus ist die Phasenänderungstemperatur vorzugsweise ausreichend höher als die Umgebungstemperatur und ist vorzugsweise z. B. höher als oder gleich 40 °C. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass ein Phasenänderungs-Wärmeleitmaterial mit einer Phasenänderungstemperatur von 45 °C verwendet wird. Beispielsweise kann "LOCTITE TCP 4000 PM“, das ein Produktname der Henkel AG & Co. KGaA ist, als Phasenänderungs-Wärmeleitmaterial verwendet werden.
Die Wärmeleitschicht 20 wird z. B. folgendermaßen ausgebildet. Zuerst wird eine Paste hergestellt, die das Phasenänderungs-Wärmeleitmaterial und ein Lösungsmittel enthält. Als nächstes wird die Paste auf die Basisplatte 11 aufgebracht. Das Lösungsmittel in der Paste wird verdampft, um dadurch die Wärmeleitschicht 20 auszubilden.
Mit Bezug auf 2 umfasst ein mit einer Kühleinheit ausgestattetes Leistungsmodul 201 (eine Leistungshalbleitervorrichtung) das Leistungsmodul 101, eine Kühlrippe 51 (Kühleinheit), und Schrauben 52 (Beschläge). Die Kühlrippe 51 steht mit der Abstrahlfläche SR mit der Wärmeleitschicht 20 dazwischen in Berührung. Die Schrauben 52 werden durch die Durchgangsöffnungen HL des Gehäuses 1 in die Kühlrippe 51 geschraubt. Die Kühlrippe 51 wird durch die Axialkraft der Schrauben 52 gegen das Isoliersubstrat 10 mit der Wärmeleitschicht 20 dazwischen gepresst.
In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel erhöht sich eine Temperatur des Isoliersubstrats 10 auf ca. 45 °C durch Starten eines Betriebs des mit der Kühleinheit ausgestatteten Leistungsmoduls 201 und die Wärmeleitschicht 20 beginnt fettartig zu werden. Wenn sich die Temperatur auf ca. 125 °C erhöht, verändert sich die Form der Abstrahlfläche SR von der konvexen Form zur konkaven Form. Anschließend kann sich die Temperatur des Isoliersubstrats 10 bis zu einem oberen Grenzwert einer Betriebstemperatur des mit der Kühleinheit ausgestatteten Leistungsmoduls 201 erhöhen. Indessen weist die Abstrahlfläche SR die konkave Form auf. Die Temperatur des Isoliersubstrats 10 reduziert sich auf ca. 125° C durch Stoppen des Betriebs des mit der Kühleinheit ausgestatteten Leistungsmoduls 201, und die Form der Abstrahlfläche SR beginnt sich von der konkaven Form zur konvexen Form zu verändern. Wenn sich die Temperatur auf 45 °C verringert, beginnt sich die Wärmeleitschicht 20 vom fettartigen Zustand zum gummiartigen Zustand zu verändern.
Wenn sich in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Wärmeleitschicht 20 durch den Temperaturanstieg aufgrund der Wärme von den Leistungshalbleiterelementen verflüssigt, weist das ausreichend dicke Dichtmaterial 7 den größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als das Isoliersubstrat 10 auf, was die konvexe Form der Abstrahlfläche SR des Isoliersubstrats 10 entlastet. Dadurch sammelt sich die flüssige Wärmeleitschicht 20 in der Mitte des Isoliersubstrats 10 an, wodurch die Wärmeleitschicht 20 zwischen dem Isoliersubstrat 10 und der Kühleinheit bleibt. Wenn die Form der Abstrahlfläche SR des Isoliersubstrats 10 durch den Temperaturabfall zur ursprünglichen konvexen Form zurückkehrt, verliert die Wärmeleitschicht 20 ferner die Liquidität, wodurch das Herausdrücken der Wärmeleitschicht 20 aus dem Bereich zwischen dem Isoliersubstrat 10 und der Kühleinheit verhindert wird. Demzufolge wird verhindert, dass die Wärmeleitschicht 20 aus dem Bereich zwischen dem Isoliersubstrat 10 und der Kühlrippe 51 im Verlauf eines Wärmezyklus herausgedrückt wird. Mit anderen Worten wird ein Auspump-Phänomen verhindert.
Das Auspump-Phänomen wird verhindert, wodurch ein Anstieg in einem Wärmebeständigkeitskontakt zwischen dem Isoliersubstrat 10 und der Kühleinheit verhindert wird. Damit kann eine kompakte Kühlrippe 51 verwendet werden. Demzufolge kann die Größe des mit der Kühleinheit ausgerüsteten Leistungsmoduls 201 reduziert werden.
Wenn die Kühleinheit 51 an der Abstrahlfläche SR, an der die Wärmeleitschicht 20 vorgesehen ist, mit den Schrauben 52 bei Umgebungstemperatur befestigt wird, wird die konvexe Form der Abstrahlfläche SR gegen die Kühlrippe 51 gepresst, sodass die Axialkraft der Schrauben 52 auf einfache Weise erreicht werden kann. Somit kann die Kühlrippe 51 stärker gegen das Isoliersubstrat 10 gedrückt werden. Demzufolge kann das Isoliersubstrat 10 zuverlässiger gekühlt werden.
Die Abstrahlfläche SR des Isoliersubstrats 10 weist die konkave Wölbung am oberen Grenzwert der Betriebstemperatur der Leistungshalbleiterelemente 3 auf, sodass sich die hierbei flüssige Wärmeleitschicht 20 in der Mitte des Isoliersubstrats 10 zuverlässiger ansammelt. Dadurch wird zuverlässiger verhindert, dass die Wärmeleitschicht 20 aus dem Bereich zwischen dem Isoliersubstrat 10 und der Kühleinheit im Verlauf des Wärmezyklus herausgedrückt wird.
Der lineare Ausdehnungskoeffizienten des Dichtmaterials 7 ist geringer oder gleichgroß wie das 1,5 fache des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Isoliersubstrats 10 in der Richtung auf gleicher Ebene der Montagefläche SM, sodass eine übermäßige Temperaturabhängigkeit eines Verzugs- bzw. Wölbungsmaßes im Isoliersubstrat 10 verhindert werden kann. Die Veränderung des Wölbungsmaßes kann z. B auf ca. kleiner oder gleich 50 µm pro Temperaturänderung von 100 °C unterdrückt werden. Dies kann zuverlässiger das Phänomen verhindern, bei dem die Wärmeleitschicht 20 aus dem Bereich zwischen dem Isoliersubstrat 10 und der Kühleinheit herausgedrückt wird, wobei das Phänomen durch die Änderung der Wölbung im Substrat im Verlauf des Wärmezyklus verursacht wird. In der herkömmlichen typischen Konfiguration beträgt eine Veränderung eines Wölbungsmaßes z. B. ca. 200 µm pro Temperaturänderung von 100 °C.
Darüber hinaus verwendet dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel den Metalldraht 4 (1) als Verdrahtungsbereich, jedoch kann stattdessen ein Metallrahmen verwendet werden, der in einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wird.
Zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
3 zeigt eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Leistungsmoduls 102 (einer Leistungshalbleitervorrichtung) in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht. 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht längs einer Linie IV-IV (3). 5 zeigt eine Darstellung einer Schaltung des Leistungsmoduls 102. In 3 ist das Dichtmaterial 7 (4) nicht dargestellt und ein Gehäuse 1p (4) ist mit dem Außenrand und den Durchgangsöffnungen HL (4) dargestellt.
Mit Bezug auf 4 umfasst das Isoliersubstrat 10 im Leistungsmodul 102 ein Isoliersubstrat 10ch (erstes Isoliersubstrat) mit einer Abstrahlfläche SRh (erste Abstrahlfläche), ein Isoliersubstrat 10cj (zweites Isoliersubstrat) mit einer Abstrahlfläche SRj (zweite Abstrahlfläche) und ein Isoliersubstrat 10ci (drittes Isoliersubstrat), das zwischen dem Isoliersubstrat 10ch und dem Isoliersubstrat 10cj angeordnet ist und eine Abstrahlfläche SRi (dritte Abstrahlfläche) aufweist. Die Abstrahlfläche SRi ragt weiter als die Abstrahlflächen SRh und SRj in Richtung zur Kühlrippe 51 (2) heraus.
Mit Bezug auf 3 umfasst das Isoliersubstrat 10 ferner ein Isoliersubstrat 10eh, ein Isoliersubstrat 10ei und ein Isoliersubstrat 10ej (3). Die Isoliersubstrate 10eh und 10ej weisen jeweils eine Konfiguration einer Abstrahlfläche auf, die einer Konfiguration der Abstrahlfläche der oben beschriebenen Isoliersubstrate 10ch bis 10cj ähnlich ist.
Das Leistungsmodul 102 umfasst eine Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen 3. Die Isoliersubstrate 10ch bis 10cj und 10eh bis 10ej weisen jeweils nur eines der darauf montierten Leistungshalbleiterelemente 3 auf. Mit anderen Worten umfasst das Leistungsmodul 102 die Vielzahl der Isoliersubstrate 10, auf denen jedes aus der Vielzahl der Halbleiterelemente 3 montiert ist.
Um einen Strompfad der in 5 dargestellten Schaltung mit dem Schaltungsmuster 2 auszubilden, umfasst das Leistungsmodul 102 einen Metallrahmen 4F (Verdrahtungsbereich) anstelle des Metalldrahts 4 (1).
Das Leistungsmodul 102 umfasst das Gehäuse 1p anstelle des Gehäuses 1 (1). Das Gehäuse 1p weist, wie in 4 dargestellt, Unterteilungsbereiche auf, die zwischen der Vielzahl der Isoliersubstrate 10 angeordnet sind. Dadurch kann die Vielzahl der Isoliersubstrate 10 am Gehäuse 1p befestigt werden. Das Gehäuse 1p weist mit Ausnahme dieses Punkts fast die gleiche Konfiguration wie die des Gehäuses 1 auf.
Das Leistungsmodul 102 umfasst eine Elektrode 5c (erste Eingangselektrode), eine Elektrode 5e (zweite Eingangselektrode) und Elektroden 5o (Ausgangselektroden). Die Elektrode 5c und die Elektrode 5e sind jeweils mit einer Kollektorseite und einer Emitterseite in einer Reihenanordnung der beiden Leistungshalbleiterelemente 3 in der in 5 dargestellten Schaltung verbunden. Die Elektroden 5o sind mit einem Mittelbereich dieser Reihenanordnung verbunden. Dadurch liegt ein positives Potenzial (erstes Potenzial) an der Elektrode 5c an, während ein negatives Potenzial (ein zweites Potenzial, das sich vom ersten Potenzial unterscheidet) an der Elektrode 5e anliegt. Die Elektroden 5o geben ein zwischen dem positiven Potenzial und dem negativen Potenzial geschaltetes Potenzial aus.
Die Konfiguration ist mit Ausnahme des oben beschriebenen fast die gleiche wie die Konfiguration des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels, sodass die gleichen oder entsprechende Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und deren Beschreibungen hier nicht wiederholt werden.
Dieses bevorzuge Ausführungsbeispiel verwendet den Metallrahmen 4F (3 und 4) als Verdrahtungsbereich und daher kann eine Querschnittsfläche des Verdrahtungsbereichs weiter als die des Metalldrahts 4 (1) vergrößert werden. Demzufolge kann ein zulässiger Strom des Verdrahtungsbereichs vergrößert werden.
Die Vielzahl der Isoliersubstrate 10 wird anstelle des nur einen Isoliersubstrats verwendet und daher kann ein Wölbungsmaß in der Vielzahl der Isoliersubstrate 10 als Ganzes gesehen unterdrückt werden. Dies verhindert noch zuverlässiger das Phänomen, bei dem die Wärmeleitschicht 20 aus dem Bereich zwischen dem Isoliersubstrat 10 und der Kühleinheit herausgedrückt wird, wobei das Phänomen durch die Änderung der Wölbung im Substrat im Verlauf des Wärmezyklus verursacht wird.
Die Vielzahl der Isoliersubstrate 10 umfasst jeweils nur eines der darauf montierten Leistungshalbleiterelemente 3. Dies kann eine Wärmebeeinflussung zwischen den Leistungshalbleiterelementen 3 unterbinden.
Die Abstrahlfläche SRi (4) ragt weiter als die Abstrahlflächen SRh und SRj heraus. Dies ermöglicht es, dass das Isoliersubstrat 10ci noch zuverlässiger gegen die Kühlrippe 51 (2) gedrückt wird; ansonsten würde kaum eine ausreichende Kraft vom Gehäuse 1p auf das Isoliersubstrat 10ci ausgeübt werden, weil das Isoliersubstrat 10ci zwischen den Isoliersubstraten 10ch und 10cj angeordnet ist. Somit kann das Isoliersubstrat 10ci zuverlässiger gekühlt werden. Außerdem können die in den vorstehenden Abschnitten beschriebenen Wirkungen erreicht werden, wenn die Abstrahlfläche SRi nicht hervorsteht.
6 zeigt eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Leistungsmoduls 102t (einer Leistungshalbleitervorrichtung) einer Modifikation schematisch veranschaulicht. 7 zeigt eine Darstellung einer Schaltung des Leistungsmoduls 102t. Das Leistungsmodul 102t umfasst eine Elektrode 5ou, eine Elektrode 5ov und eine Elektrode 5ow (Ausgangselektroden) für eine Dreiphasen-Ausgabe anstelle der Elektroden 5o. Das Dichtmaterial 7 und das Gehäuse 1p (4) sind in 6 weggelassen. In dieser Modifikation kann das Mehrphasen-Leistungsmodul ähnliche Wirkungen wie die oben beschriebenen erreichen.
In den obigen Beschreibungen sind die Leistungshalbleiterelemente 3 als die Elemente (z. B. IGBT´s) beschrieben, die den Kollektor und den Emitter umfassen, jedoch sind die Leistungshalbleiterelemente 3 nicht auf jene beschränkt, die den Kollektor und den Emitter aufweisen. Die Leistungshalbleiterelemente 3 können z. B. eine Drain und eine Source aufweisen, die einem Kollektor bzw. einem Emitter entsprechen.
Drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
8 zeigt eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Leistungsmoduls 103 (einer Leistungshalbleitervorrichtung) in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht. Das Dichtmaterial 7 und das Gehäuse 1p (4) sind in 8 weggelassen.
Das Leistungsmodul 103 umfasst ein Isoliersubstrat 10h, ein Isoliersubstrat 10i und ein Isoliersubstrat 10j. Die Isoliersubstrate 10h bis 10j umfassen jeweils die beiden darauf montierten Leistungshalbleiterelemente 3, wobei die beiden Leistungshalbleiterelemente 3 miteinander elektrisch in Reihe verbunden sind. Daher kann eine Einheit, welche die beiden Leistungshalbleiterelemente 3 umfasst, die miteinander elektrisch in Reihe verbunden sind, auf jedem der Isoliersubstrate 10h bis 10j ausgebildet werden. Eine Anpassung der Anzahl von Einheiten kann eine Kapazität des Leistungsmoduls 103 einstellen. Die Gestaltung in der Einheit kann eine Konfiguration eines Isoliersubstrats standardisieren, das im Leistungsmodul 103 verwendet wird. Die Konfiguration der Einheit wird auf diese Weise standardisiert, wodurch eine Produktivität des Leistungsmoduls erhöht werden kann.
Darüber hinaus kann jedes der Isoliersubstrate mehr als zwei darauf in Reihe montierte Leistungshalbleiterelemente umfassen.
Die Konfiguration ist, mit Ausnahme des oben beschriebenen, nahezu die gleiche wie die Konfiguration des Leistungsmoduls 102 (zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel), so dass die gleichen oder entsprechenden Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind und deren Beschreibungen hier nicht wiederholt werden.
9 zeigt eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Leistungsmodul 103t (einer Leistungshalbleitervorrichtung) einer Modifikation schematisch veranschaulicht. Das Leistungsmodul 103t weist eine ähnliche Konfiguration einer Schaltung wie die Konfiguration (7) der Schaltung des Leistungsmoduls 102t auf. Das Dichtmaterial 7 und das Gehäuse 1p (4) sind in 9 weggelassen. In dieser Modifikation kann das Mehrphasen-Leistungsmodul ähnliche Wirkungen wie jene erreichen, die oben beschrieben sind. Die Anpassung an die Anzahl von Einheiten kann insbesondere die Anzahl von Phasen einstellen.
Viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
10 zeigt eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Leistungsmoduls 104 (einer Leistungshalbleitervorrichtung) in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht. Das Dichtmaterial 7 und das Gehäuse 1p (4) sind in 10 weggelassen.
Das Leistungsmodul 104 umfasst ein Isoliersubstrat 10c (erstes Isoliersubstrat) und ein Isoliersubstrat 10e (zweites Isoliersubstrat). Ein Schaltungsmuster 2c des Isoliersubstrats 10c weist einen Bereich auf, der mit der Elektrode 5c verbunden ist. Ein Schaltungsmuster 2e des Isoliersubstrats 10e weist einen Bereich, der mit der Elektrode 5e verbunden ist, und einen Bereich auf, der mit der Elektrode 5o verbunden ist.
Die Konfiguration ist, mit Ausnahme des oben beschriebenen, fast die gleiche wie die Konfiguration des Leistungsmoduls 102 (zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel), so dass die gleichen oder entsprechenden Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind und deren Beschreibungen hier nicht wiederholt werden.
Wie in 11 dargestellt, kann diese Konfiguration eine Richtung eines Stroms Ic von der Elektrode 5c und eine Richtung eines Stroms Ie zur Elektrode 5e durch eine Ausrichtung der Isoliersubstrate 10c und 10e auf annähernd entgegengesetzte Richtungen verändern. Als Folge davon kann eine Wirkung einer gegenseitigen Induktivität eine Induktivität zwischen den Mustern reduzieren, was insbesondere eine Herausforderung für ein Leistungsmodul mit hoher Kapazität darstellt.
12 zeigt eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines Leistungsmodul 104t (einer Leistungshalbleitervorrichtung) eine Modifikation schematisch veranschaulicht. 13 zeigt eine Darstellung einer Schaltung des Leistungsmoduls 104t. Das Dichtmaterial 7 und das Gehäuse 1p (4) sind in 12 weggelassen. In dieser Modifikation kann das Mehrphasen-Leistungsmodul ähnliche Wirkungen wie jene erreichen, die oben beschrieben sind.
Darüber hinaus können gemäß der vorliegenden Erfindung die obigen bevorzugten Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden, oder jedes bevorzugte Ausführungsbeispiel kann im Schutzumfang der Empfindung in geeigneter Weise variiert oder weggelassen werden.
Obwohl die Erfindung detailliert dargestellt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in allen Aspekten veranschaulichend und nicht einschränkend. Es ist daher selbstverständlich, dass diverse Modifikationen und Variationen erfolgen können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassend ist festzustellen:
Ein Isoliersubstrat 10 umfasst einen Basisbereich 11, der aus Metall hergestellt ist und als Abstrahlfläche SR dient, eine Isolierschicht 12 und ein Schaltungsmuster 2. Das Isoliersubstrat 10 weist eine konvexe Wölbung in der Abstrahlfläche bei Umgebungstemperatur auf. Ein Leistungshalbleiterelement 3 ist auf dem Schaltungsmuster 2 montiert. Ein Dichtmaterial 7 weist eine größere Dicke als eine Dicke des Isoliersubstrats 10 auf. Das Dichtmaterial 7 weist einen linearen Ausdehnungskoeffizienten auf, der größer als ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Isoliersubstrats 10 in einer Richtung auf gleicher Ebene einer Montagefläche SM ist. Eine Wärmeleitschicht 20 ist auf der Abstrahlfläche SR des Basisbereichs 11 angeordnet und ist bei Umgebungstemperatur fest und bei einer Temperatur flüssig, die höher als oder gleichhoch wie eine Phasenänderungstemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur ist.
Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 13 verwiesen.
Bezugszeichenliste

1, 1p: Gehäuse
2: Schaltungsmuster
3: Leistungshalbleiterelement
4, 4F: Verdrahtungsbereich
5, 5c, 5e, 5o: Elektroden
6: Klebemittel
7: Dichtmaterial
10, 10c, 10e, 10ch, 10cj, 10ci, 10h, 10i, 10j: Isoliersubstrat
11: Basisbereich, Basisplatte
12: Isolierschicht, Isolierfolie
20: Wärmeleitschicht
51: Kühleinheit, Kühlrippe
52: Schraube
101, 102, 102t, 103, 103t, 104, 104t, 201: Leistungshalbleitervorrichtung
Ic, Ie: Strom
SR, SRh, SRj, SRi: Abstrahlfläche
SM: Montagefläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-191010 [0002]

Claims

Leistungshalbleitervorrichtung (101, 102, 102t, 103, 103t, 104, 104t) umfassend: ein Gehäuse (1); zumindest ein Isoliersubstrat (10), das am Gehäuse befestigt ist, eine Abstrahlfläche (SR) und eine Montagefläche (SM) gegenüber der Abstrahlfläche aufweist, und eine konvexe Wölbung in der Abstrahlfläche bei Umgebungstemperatur aufweist, wobei die Montagefläche im Gehäuse untergebracht ist, wobei das Isoliersubstrat umfasst einen Basisbereich (11), der ein Metall aufweist und als Abstrahlfläche dient, eine Isolierschicht (12), die auf dem Basisbereich angeordnet ist, und ein Schaltungsmuster (2), das auf der Isolierschicht angeordnet ist und als Montagefläche dient; zumindest ein Leistungshalbleiterelement (3), das auf dem Schaltungsmuster des Isoliersubstrats montiert ist; zumindest einen Verdrahtungsbereich (4, 4F), der das Leistungshalbleiterelement und einen Bereich des Schaltungsmusters des vom Leistungshalbleiterelement entfernten Leistungshalbleiterelements verbindet; eine Vielzahl von Elektroden (5), die am Gehäuse befestigt sind und mit zumindest einem Schaltungsmuster des Isoliersubstrats und dem Leistungshalbleiterelement elektrisch verbunden sind; ein Dichtmaterial (7), welches das Leistungshalbleiterelement auf dem Isoliersubstrat im Gehäuse abdichtet, wobei das Dichtmaterial eine größere Dicke als eine Dicke des Isoliersubstrats aufweist, wobei das Dichtmaterial einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Isoliersubstrats in einer Richtung auf gleicher Ebene der Montagefläche des Isoliersubstrats ist; und eine Wärmeleitschicht (20), die auf der Abstrahlfläche angeordnet ist und bei Umgebungstemperatur fest ist und bei einer Temperatur flüssig ist, die höher als oder gleichhoch wie eine Phasenänderungstemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur ist.
Leistungshalbleitervorrichtung (101, 102, 102t, 103, 103t, 104, 104t) nach Anspruch 1, wobei das Isoliersubstrat eine konkave Wölbung in der Abstrahlfläche bei einem oberen Grenzwert einer Betriebstemperatur des Leistungshalbleiterelements aufweist.
Leistungshalbleitervorrichtung (101, 102, 102t, 103, 103t, 104, 104t) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der lineare Ausdehnungskoeffizient des Dichtmaterials geringer als oder gleichgroß wie der 1,5 fache lineare Ausdehnungskoeffizient des Isoliersubstrats in der Richtung auf gleicher Ebene der Montagefläche des Isoliersubstrats ist.
Leistungshalbleitervorrichtung (101, 102, 102t, 103, 103t, 104, 104t) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verdrahtungsbereich einen Metallrahmen (4F) aufweist.
Leistungshalbleitervorrichtung (101, 102, 102t, 103, 103t, 104, 104t) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zumindest eine Leistungshalbleiterelement eine Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen aufweist, und das zumindest eine Isoliersubstrat eine Vielzahl von Isoliersubstraten (10ch bis 10cj, 10eh bis 10ej; 10h bis 10j; 10c, 10e) aufweist.
Leistungshalbleitervorrichtung (102, 102, 103, 103t) nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl der Isoliersubstrate ein erstes Isoliersubstrat (10ch, 10eh, 10h) mit einer ersten Abstrahlfläche (SRh), ein zweites Isoliersubstrat (10cj, 10ej; 10j) mit einer zweiten Abstrahlfläche (SRj) und ein drittes Isoliersubstrat (10ci, 10ei, 10i) aufweist, das zwischen dem ersten Isoliersubstrat und dem zweiten Isoliersubstrat angeordnet ist und eine dritte Abstrahlfläche (SRi) aufweist, wobei die dritte Abstrahlfläche weiter als die erste Abstrahlfläche und die zweite Abstrahlfläche herausragt.
Leistungshalbleitervorrichtung (102, 102t) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Vielzahl der Isoliersubstrate jeweils nur eines der darauf montierten Leistungshalbleiterelemente umfasst.
Leistungshalbleitervorrichtung (103, 103t) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Vielzahl der Isoliersubstrate jeweils zwei oder mehr der darauf montierten Leistungshalbleiterelemente umfassen, wobei zwei oder mehr der Leistungshalbleiterelemente miteinander in Reihe elektrisch verbunden sind.
Leistungshalbleitervorrichtung (104, 104t) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektroden umfassen: eine erste Eingangselektrode (5c) an der ein erstes Potenzial anliegt; eine zweite Eingangselektrode (5e), an der ein zweites Potenzial anliegt, das sich vom ersten Potenzial unterscheidet; und eine Ausgangselektrode (5o), die ein zwischen dem ersten Potenzial und dem zweiten Potenzial umgeschaltetes Potenzial ausgibt, und das Isoliersubstrat umfasst: ein erstes Isoliersubstrat (10c), das einen Bereich des Schaltungsmusters aufweist, der mit der ersten Eingangselektrode verbunden ist; und ein zweites Isoliersubstrat (10e) das einen Bereich des Schaltungsmusters aufweist, der mit der zweiten Eingangselektrode verbunden ist.
Leistungshalbleitervorrichtung (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner eine Kühleinheit (51) in Kontakt mit der Abstrahlfläche mit der Wärmeleitschicht dazwischen aufweist.