DE112016004980B4

DE112016004980B4 - Leistungs-halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE112016004980B4
Application number: DE112016004980.3T
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Besshi; Ryuichi Ishii; Masaru Fuku; Takayuki Yamada; Takao Mitsui
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: WO2017073233A1; US10553559B2; US20180197838A1; JP6366857B2; DE112016004980T5; CN107851639B; JPWO2017073233A1; CN107851639A

Abstract

Leistungs-Halbleitereinrichtung, die Folgendes aufweist:ein Isoliersubstrat, das so konfiguriert ist, dass es eine erste Leiterschicht und eine zweite Leiterschicht aufweist, die jeweils an gegenüberliegenden Flächen in der Dickenrichtung einer Isolierschicht ausgebildet sind;eine Mehrzahl von Halbleiterelementen, die so konfiguriert sind, dass sie mit der ersten Leiterschicht über eine erste Ankerschicht verbunden sind;ein externes Verbindungselement, das so konfiguriert ist, dass es gemeinsam mit den Halbleiterelementen verwendet wird, und das einen Elementkoppler und ein externes Verbindungsende aufweist, wobei der Elementkoppler so konfiguriert ist, dass er entlang der ersten Leiterschicht verläuft, wobei die Halbleiterelemente zwischen dem externen Verbindungselement und der ersten Leiterschicht angeordnet sind, und dass er mit den Halbleiterelementen über eine zweite Ankerschicht verbunden wird, wobei das externe Verbindungsende so konfiguriert ist, dass ein Ende des Elementkopplers in der Dickenrichtung gebogen ist; undein Rahmenelement, das so konfiguriert ist, dass es die Mehrzahl von Halbleiterelementen an der ersten Leiterschicht umgibt und mit der ersten Leiterschicht über eine dritte Ankerschicht verbunden wird;wobei das Rahmenelement einen Passbereich aufweist, der an das externe Verbindungsende angepasst ist, undwobei das externe Verbindungselement mindestens zwei Vorsprünge aufweist, die in Richtung der Halbleiterelemente verlaufen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungs-Halbleitereinrichtung.
Stand der Technik
In jüngster Zeit werden Leistungs-Halbleitereinrichtungen in Anbetracht von Umweltbeeinträchtigungen allgemein industriell und in elektrischen Schienenfahrzeugen verwendet und auch an Fahrzeugen montiert. Insbesondere müssen Leistungs-Halbleitereinrichtungen, die an Fahrzeugen montiert sind, eine hohe Zuverlässigkeit auf begrenztem Raum bieten, und sie müssen zu geringen Kosten einen Mehrwert in Hinblick auf eine verbesserte Treibstoff-Effizienz bieten, wenn sie an einem Motor und einem Wechselrichter installiert sind, im Vergleich zu einem herkömmlichen Brennstoffmotor-Antriebssystem.
Genauer gesagt: Eine wassergekühlte Leistungs-Halbleitereinrichtung, die typischerweise in einem Motorraum montiert wird, muss eine hohe Wärme-Widerstandsfähigkeit und Vibrations-Widerstandfähigkeit im Motorraum bieten und auch in ihren Abmessungen verringert sein. Eine der internen Komponenten einer Leistungs-Halbleitereinrichtung, die einen großen Anteil an den Kosten haben, ist ein Halbleiterelement. Demzufolge wird eine Kostenverringerung bei der Herstellung von Halbleiterelementen durch eine Verringerung der Verluste der Halbleiterelemente erzielt, oder durch eine Verringerung der Größe der Halbleiterelemente, um die Anzahl von Halbleiterelementen zu erhöhen, die aus einem Wafer erhalten werden können, und zwar durch eine Verbesserung des Betriebstemperaturbereichs, indem die Wärmeabführungsstruktur verbessert wird.
Eine Leistungs-Halbleitereinrichtung weist ein Halbleiterelement auf, die hauptsächlich aus Si (linearer Ausdehnungskoeffizient: 2,5 ppm/K) hergestellt ist, und eine externe Verdrahtung, die aus Cu (linearer Ausdehnungskoeffizient: 16,8 ppm/K), Al (linearer Ausdehnungskoeffizient: 23,0 ppm/K) hergestellt ist, und dergleichen. Das Leistungs-Halbleiterelement hat eine Produkt-Lebensdauer, die durch die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen den Elektroden an den oberen und unteren Flächen des Halbleiterelements und der externen Verdrahtung bestimmt wird.
Das Halbleiterelement weist eine untere Flächenelektrode auf, die durch Löten oder dergleichen verbunden ist, und die Verbesserung der Zuverlässigkeit durch eine Materialverbesserung erreicht eine gewisse Grenze. In jüngster Zeit wird erwogen, ein Zusammenbauen der Komponenten oder dergleichen mittels einer CuSn-Verbindung, durch Ag-Sintern, durch Cu-Sintern oder dergleichen anzuwenden, was eine höhere Festigkeit als mit einem Lot erreicht.
Die obere Flächenelektrode des Halbleiterelements wird herkömmlicherweise durch eine Al-Drahtbond-Verbindung verbunden, um die erforderliche Stromkapazität und Verbindungs-Zuverlässigkeit zu erreichen. Eine Verringerung der Größe der Halbleiterelemente führt jedoch zu einer Zunahme der Stromdichte pro Volumeneinheit eines verbundenen Bereichs, was auf unerwünschte Weise zu einer Verschlechterung der Verbindungs-Zuverlässigkeit führen kann.
Stand der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 2013-171870 A ,
Patentdokument 2: DE 10 2006 027 482 B3 ,
Patentdokument 3: DE 11 2014 000 756 T5 .

Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Die oben angesprochenen Probleme von herkömmlichen Halbleitereinrichtungen werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
Wie beispielsweise in dem Patentdokument 1 offenbart, weist eine Leistungs-Halbleitereinrichtung (Leistungs-Halbleitermodul) eine Mehrzahl von Sätzen auf, die jeweils eine Mehrzahl von Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) aufweisen, die als Leistungsumrichtungs-Schalteinrichtungen verwendet werden, sowie eine Freilaufdiode (FWD) in invers-paralleler Verbindung. Die Mehrzahl von Sätzen ist an einer Isolierplatine angeordnet und damit verdrahtet, so dass eine Halbleiterelement-Konfiguration einer Wechselrichterschaltung oder dergleichen erhalten wird.
Die Isolierplatine, die auf einem Metallsubstrat verankert wird, ist darauf mit den unteren Flächenelektroden der IGBTs und den unteren Enden einer Mehrzahl von externen Anschlüssen ausgebildet, die verlötet sind. Die oberen Elektroden der IGBTs sind mit einer Al-Verdrahtung durch Drahtbonden versehen, und die Al-Verdrahtung ist elektrisch mit den externen Anschlüssen verbunden.
Das Metallsubstrat hat eine äußere Peripherie, die mit einem Harzgehäuse versehen ist, das eine Rahmenform hat. Das Harzgehäuse ist an der äußeren Peripherie verankert und umgibt die gesamte Isolierplatine. Das Harzgehäuse und das Metallsubstrat bilden einen Innenraum des Harzgehäuses, der mit einem Isolierharz-Dichtungsmaterial gefüllt ist, so dass eine Leistungs-Halbleitereinrichtung gebildet wird.
Bei einer derart konfigurierten herkömmlichen Leistungs-Halbleitereinrichtung führt ein Herstellen der Al-Verdrahtung durch Drahtbonden mit den oberen Flächenelektroden der IGBTs zu den folgenden Problemen. Genauer gesagt: Für das Drahtbonden der Al-Verdrahtung an das Metallsubstrat wird ein entsprechender Verdrahtungsraum benötigt, und die Stromdichte wird durch die Verringerung der Abmessungen des Halbleiterelements erhöht, wie oben beschrieben, was zu einer geringeren Verbindungs-Zuverlässigkeit führt.
Zudem sei auf Patentdokumente 2 und 3 verwiesen, die ebenso herkömmliche Leistungs-Halbleitereinrichtungen zeigen. Das Patentdokument 2 betrifft eine gehauste Halbleiterschaltungsanordnung, beispielhaft ein Leistungshalbleitermodul, mit Kontakteinrichtungen zur elektrischen Verbindung der Halbleiterbauelemente mit externen Zuleitungen. Dabei ist eine Verbindungseinrichtung aus einem Folienverbund aus mindestens zwei elektrisch leitenden Schichten mit jeweils einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht vorgesehen, wobei mindestens eine leitende Schicht in sich strukturiert ist und somit Leiterbahnen ausbildet. Das Patentdokument 3 betrifft eine Halbleitervorrichtung, die eine Klemmenstruktur aufweist, welche die Fixierung einer Klemme eines Gehäuses zum Einfügen verstärkt und ein starkes Drahtbonden ermöglicht. Dabei werden eine hintere Oberfläche eines vorstehenden Abschnitts einer Klemme und eine Innenwand eines Rahmens durch ein Klebeharz fest aneinander fixiert. Daher kann eine Halbleitervor-richtung erhalten werden, welche die Klemme und einen Halbleiter-Chip mit einem Draht stark verbinden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die oben erwähnten Probleme zu lösen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leistungs-Halbleitereinrichtung anzugeben, die ausgehend von einer herkömmlichen Konfiguration eine Verbesserung der Verbindungs-Zuverlässigkeit zwischen einer Elektrode und der Verdrahtung eines Leistungs-Halbleiterelements bietet.
Wege zum Lösen der Probleme
Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, gibt die vorliegende Erfindung eine Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 1 an. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leistungs-Halbleitereinrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
Die erfindungsgemäße Leistungs-Halbleitereinrichtung weist Folgendes auf:

- ein Isoliersubstrat, das so konfiguriert ist, dass es eine erste Leiterschicht und eine zweite Leiterschicht aufweist, die jeweils an gegenüberliegenden Flächen in der Dickenrichtung einer Isolierschicht ausgebildet sind;
- eine Mehrzahl von Halbleiterelementen, die so konfiguriert sind, dass sie mit der ersten Leiterschicht über eine erste Ankerschicht verbunden sind;
- ein externes Verbindungselement, das so konfiguriert ist, dass es gemeinsam mit den Halbleiterelementen verwendet wird, und das einen Elementkoppler und ein externes Verbindungsende aufweist, wobei der Elementkoppler so konfiguriert ist, dass er entlang der ersten Leiterschicht verläuft, wobei die Halbleiterelemente zwischen dem externen Verbindungselement und der ersten Leiterschicht angeordnet sind, und dass er mit den Halbleiterelementen über eine zweite Ankerschicht verbunden wird, wobei das externe Verbindungsende so konfiguriert ist, dass ein Ende des Elementkopplers in der Dickenrichtung gebogen ist; und
- ein Rahmenelement, das so konfiguriert ist, dass es die Mehrzahl von Halbleiterelementen an der ersten Leiterschicht umgibt und mit der ersten Leiterschicht über eine dritte Ankerschicht verbunden wird; wobei das Rahmenelement einen Passbereich aufweist, der an das externe Verbindungsende angepasst ist, und das externe Verbindungselement mindestens zwei Vorsprünge aufweist, die in Richtung der Halbleiterelemente verlaufen.

Wirkungen der Erfindung
Die Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Rahmenelement, das mit dem Passbereich versehen ist, und das externe Verbindungselement auf, das mit dem Vorsprung versehen ist. Das externe Verbindungsende des externen Verbindungselements verläuft in der Dickenrichtung und ist aus der oberen Fläche der Leistungs-Halbleitereinrichtung extrahiert, so dass eine Verringerung der Größe der Leistungs-Halbleitereinrichtung erzielt wird.
Ferner hat das Rahmenelement den Passbereich an das externe Verbindungsende angepasst, und das externe Verbindungselement hat mindestens zwei Vorsprünge, so dass eine präzise Positionierung des externen Verbindungselements ohne Verwendung eines Schablonenwerkzeugs erzielt werden kann. Diese Konfiguration ermöglicht eine präzise Bestimmung der minimalen Dicke und der maximalen Dicke der zweiten Ankerschicht. Daher kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Konfiguration eine weiter stabilisierte Verbindungs-Zuverlässigkeit des externen Verbindungselements erzielt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß Ausführungsform 1.
2 ist eine Schnittansicht der in 1 dargestellten Leistungs-Halbleitereinrichtung.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß Ausführungsform 2.
4 ist eine Schnittansicht der in 3 dargestellten Leistungs-Halbleitereinrichtung.
5 ist eine Schnittansicht einer Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß Ausführungsform 3.
6 ist eine Schnittansicht einer Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß Ausführungsform 4.
7 ist eine Schnittansicht einer Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß einem Modifikationsbeispiel der in 3 dargestellten Leistungs-Halbleitereinrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung
Es werden nachstehend Leistungs-Halbleitereinrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Diese Zeichnungen zeigen identische oder ähnliche Bestandteilselemente, die mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Um unnötige Redundanzen zu vermeiden und das Verständnis für Fachleute zu erleichtern, kann die folgende Beschreibung gewisse Einzelheiten von bereits wohlbekannten Sachverhalten und eine wiederholte Bezugnahme auf im Wesentlichen identische Konfigurationen nicht enthalten. Ferner sind die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen nicht dahingehend zu verstehen, dass sie die in den Ansprüchen wiedergegebenen Gegenstand in irgendeiner Weise einschränken.
Ausführungsform 1
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, und 2 ist eine Schnittansicht davon. Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 weist Haupt-Bestandteilselemente auf, nämlich eine Mehrzahl von Halbleiterelementen 5, ein externes Verbindungselement 7, ein Rahmenelement 8 und ein Isoliersubstrat 10.Diese Bestandteilselemente werden nachstehend nacheinander beschrieben.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, weist das Isoliersubstrat 10 eine erste Leiterschicht 1, eine Isolierschicht 2 und eine zweite Leiterschicht 3 auf. Die erste Leiterschicht 1 und die zweite Leiterschicht 3 sind jeweils auf gegenüberliegenden Flächen in einer Dickenrichtung 11 der Isolierschicht 2 ausgebildet. Die Isolierschicht 2 ist vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, wie z. B. AlN, Si₃N₄ oder Al₂O₃ gefertigt, die Isoliereigenschaften und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt. Beispiele für die Isolierschicht 2 umfassen auch eine Epoxidharz-Isolierschicht, die einen BN-Füllstoff oder dergleichen enthält.
Die Isolierschicht 2 ist ungefähr 0,3 mm bis 1 mm dick. Jede von der ersten Leiterschicht 1 und der zweite Leiterschicht 3 kann aus Cu, Al oder dergleichen gefertigt sein, oder sie kann gestapelte Schichten aus Cu und Al aufweisen. Jede von der ersten Leiterschicht 1 und der zweiten Leiterschicht 3 ist ungefähr 0,2 mm bis 1 mm dick. Da die Leistungs-Halbleiterelemente 5 mit der ersten Leiterschicht 1 verbunden sind, erzielt eine erste Leiterschicht 1, die eine größere Dicke hat, eine höhere Wärmeabführung von den Leistungs-Halbleiterelementen 5.
Indessen üben die erste Leiterschicht 1 und die zweite Leiterschicht 3, die eine größere Dicke haben, höhere thermische Belastungen auf die Isolierschicht 2 aus. Daher benötigen die erste Leiterschicht 1 und die zweite Leiterschicht 3, die eine größere Dicke haben, eine große Reserve, um eine Beschädigung der Isolierschicht 2 zu vermeiden. Die erste Leiterschicht 1 und die zweite Leiterschicht 3 sind demzufolge in der Praxis 0,3 mm bis 0,6 mm dick.
Die Mehrzahl von Halbleiterelementen 5 ist mit der ersten Leiterschicht 1 verbunden. Die Leistungs-Halbleiterelemente 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weisen sowohl einen IGBT als auch eine Diode auf, wie später noch beschrieben. Die Leistungs-Halbleiterelemente 5 sind typischerweise aus Si gefertigt, und sie können alternativ aus einem Material, wie z. B. GaN oder SiC gefertigt sein, was einen Betrieb bei einer hohen Temperatur ermöglicht. Die Verwendung eines solchen Materials, das einen Betrieb bei einer hohen Temperatur ermöglicht, führt vorzugsweise zu einer Verringerung der Größe der gesamten Leistungs-Halbleitereinrichtung 101.
Jedes der Halbleiterelemente 5 weist eine Elektrode auf, die an jeder der zwei gegenüberliegenden Flächen in dessen Dickenrichtung ausgebildet sind, und die Elektrode an einer ersten der Flächen, z. B. einer unteren Fläche, ist mit der ersten Leiterschicht 1 mittels einer ersten Ankerschicht 4 verbunden. Die erste Ankerschicht 4 ist aus einer metallischen Substanz gefertigt, die eine hohe Leitfähigkeit hat und mechanisch verankerbar ist, wie z. B. mit einem Lot, mit einem Ag-Leiter oder einem Cu-Leiter. Wenn die erste Ankerschicht 4 aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt gefertigt ist, wie z. B. einer Ag-Schicht, kann eine höhere Zuverlässigkeit in der ersten Ankerschicht 4 in einem Fall erreicht werden, wenn die Betriebstemperatur der Leistungs-Halbleiterelemente 5 ansteigt.
Das externe Verbindungselement 7 weist Haupt-Bestandteilselemente auf, nämlich einen Elementkoppler 7a und ein externes Verbindungsende 7d, die integral miteinander ausgebildet sind. Der Elementkoppler 7a wird gemeinsam von den Halbleiterelementen 5 verwendet, verläuft entlang der ersten Leiterschicht 1, wobei die Halbleiterelemente 5 zwischen dem externen Verbindungselement 7 und der ersten Leiterschicht 1 angeordnet sind, und ist mit jeder der Elektroden an einer zweiten der Flächen, z. B. einer oberen Fläche, der entsprechenden der Halbleiterelemente 5 unter Verwendung einer zweiten Ankerschicht 6 verbunden. Das externe Verbindungsende 7d ist in der Dickenrichtung 11 von dem Elementkoppler 7a aus gebogen und erzielt eine elektrische Verbindung mit einer externen Einrichtung.
Das externe Verbindungselement 7, das so konfiguriert ist, dient dazu, Wärme, die an den Leistungs-Halbleiterelementen 5 erzeugt wird, an einen Bereich abzuführen, der mit der externen Einrichtung oder mit einem externen Dichtungsmaterial (nicht dargestellt) verbunden ist. Daher muss das externe Verbindungselement 7 auch eine hohe thermische Leitfähigkeit haben und ist zweckmäßigerweise aus Cu oder dergleichen gefertigt.
Das externe Verbindungselement 7 ist beispielsweise ungefähr 0,2 mm bis 1 mm dick. Das externe Verbindungselement 7, das eine größere Dicke hat, übt eine höhere thermische Belastung auf das Leistungs-Halbleiterelement 5 aus und ist folglich in der Dicke beschränkt. Indessen erzeugt das externe Verbindungselement 7 mit einer übermäßig kleinen Dicke eine große Wärme infolge des ohmschen Widerstands während der Energiebeaufschlagung. Das externe Verbindungselement 7 muss folglich eine geeignete Dicke aufweisen.
Ferner ist das externe Verbindungselement 7 am Elementkoppler 7a mit mindestens zwei Vorsprüngen 7b versehen, die in Richtung der Halbleiterelemente 5 verlaufen. Dieses Merkmal wird später noch beschrieben.
Die zweite Ankerschicht 6 ist vorzugsweise aus einem Material, wie z. B. einem Lot, aus Ag oder aus Cu gefertigt, oder aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie etwa einer CuSn-Legierung. Da die zweite Ankerschicht 6 so angeordnet ist, dass sie in direktem Kontakt mit den Leistungs-Halbleiterelementen 5 steht, hat sie vorzugsweise einen hohen Schmelzpunkt. Genauer gesagt: Wenn Metall bei einer Temperatur verwendet wird, die nicht niedriger ist als die Rekristallisationstemperatur, dann diffundiert seine Kristall-Korngrenze so, dass sie wandert, und dann werden die Kristallkörner vergröbert.
Im Ergebnis hat das Metall die Eigenschaft, dass es weniger widerstandsfähig gegenüber Metall-Ermüdung ist. Ein Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wie z. B. Lot ist industriell einfach handhabbar, da es bei einer niedrigen Erwärmungstemperatur verbunden wird. In Erwägung gezogene Materialien in Hinblick auf die Langzeit-Zuverlässigkeit umfassen jedoch ein Ag-Sintermaterial, ein Cu-Sintermaterial und ein CuSn-Sintermaterial, die einen niedrigen Schmelzpunkt haben, der zu Beginn des Verbindens niedrig ist, aber während des Verbindens ansteigt.
Das Rahmenelement 8 umgibt alle Halbleiterelemente 5, so dass ein Außenrand des Isoliersubstrats 10 gebildet wird. Das Rahmenelement 8 hat in diesem Fall eine Rahmenform, ist an der gesamten peripheren Kante der ersten Leiterschicht 1 ausgebildet, und es ist mit der ersten Leiterschicht 1 über die dritte Ankerschicht 9 verbunden. Wie dargestellt, hat jede der Elektroden der Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 ein distales Ende, das von der Außenfläche des Rahmenelements 8 vorsteht, so dass es möglich ist, dass es mit der externen Einrichtung elektrisch verbunden wird.
Das Rahmenelement 8 besteht aus einem Harzmaterial, das mit Vorsprüngen geformt werden kann und eine hohe Wärmebeständigkeit hat. Bevorzugte Beispiele des Materials umfassen Polyphenylensulfid (PPS), ein Flüssigkristallharz und ein fluorbasiertes Harz. Ein Dichtungsmaterial wird in das Innere des Rahmenelements 8 injiziert, wo die Halbleiterelemente 5, das externe Verbindungselement 7 und dergleichen angeordnet sind, und es dichtet das Innere ab. Dieses Abdichten gewährleistet die Isolierung zwischen einem Kollektor und einem Emitter des jeweiligen Halbleiterelements 5 und die Isolierung zwischen dem Kollektor und einem Kühlkörper um eine Fläche des Isoliersubstrats 10 herum.
Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die so konfiguriert ist, bezieht sich auf einen Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er einen Motor oder dergleichen antreibt. Für den Fall, dass der Wechselrichter so konfiguriert ist, dass er den Motor antreibt, erlaubt es die Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 für gewöhnlich, dass dort ein Strom von mehreren hundert Ampere hindurchfließt. Das externe Verbindungselement 7 muss innerhalb einer zulässigen Element-Temperatur und einer zulässigen Umgebungstemperatur entsprechend dem fließenden Strom gehalten werden.
Wie bei einer herkömmlichen Leistungs-Halbleitereinrichtung kann eine Temperaturveränderung der Halbleiterelemente oder dergleichen infolge einer Zunahme oder Abnahme der Last des Motors eine thermische Belastung an einer Verbindung innerhalb der Leistungs-Halbleitereinrichtung hervorrufen, und eine wiederholte Temperaturveränderung kann eine Verschlechterung der Verbindung hervorrufen. Demzufolge hat die Leistungs-Halbleitereinrichtung eine Lebensdauer-Begrenzung trotz der Erfordernisse zur Langzeit-Verwendung. Die Lebensdauer der Leistungs-Halbleitereinrichtung muss daher für die Garantie eines Zeitraums mit sicherer Verwendung konzipiert sein.
Auch bei der Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterliegt das externe Verbindungselement 7 infolge eines Temperaturanstiegs während der Energiebeaufschlagung einer Ausdehnung oder Kontraktion. Insbesondere ist das externe Verbindungselement 7 mit den oberen Flächenelektroden der Leistungs-Halbleiterelemente 5 verankert.
Demzufolge wird eine starke Verformung des externen Verbindungselements 7 zur Ausübung von Belastungen auf die Leistungs-Halbleiterelemente 5 führen, so dass Defekte, wie z. B. eine Verformung der oberen Flächenelektroden der Leistungs-Halbleiterelemente 5 und dergleichen hervorgerufen werden können.
Ferner wird die zweite Ankerschicht 6 bei der Ausübung von thermischen Belastungen einen Riss bekommen, der wächst. Eine Abnahme der Querschnittsfläche einer Verbindung in der zweiten Ankerschicht 6 wird zu einer Zunahme der Selbsterwärmung an der Verbindung und zu einer Zunahme wiederholter thermischer Belastungen führen.
Wenn die Verbindung ein fortgeschrittenes Risswachstum hat und die Halbleiterelemente 5 und das externe Verbindungselement 7 voneinander getrennt sind, haben die oberen Flächenelektroden der Leistungs-Halbleiterelemente 5 und das externe Verbindungselement 7 eine große Potentialdifferenz dazwischen und verursachen eine Lichtbogen-Entladung, was zu einer Fehlfunktion der Leistungs-Halbleitereinrichtung führt. Die zweite Ankerschicht 6 braucht demzufolge ein Risswachstum mit einer geeigneten niedrigen Geschwindigkeit.
Es ist in Hinblick auf die Verdrahtungs-Induktivität bevorzugt, dass die Leistungs-Halbleiterelemente 5 einen Satz aus einem IGBT und eine Diode aufweisen, die einander benachbart angeordnet sind. Die vorliegende Ausführungsform nimmt diese Form an, wie oben beschrieben. Eine solche Konfiguration hat das folgende Problem.
Andererseits muss in einem Fall, in welchem jedes der Leistungs-Halbleiterelemente mit einem dedizierten Verbindungselement versehen ist, jedes Element mit einem oberen Bereich des Moduls verbunden werden. Diese Konfiguration führt zu einer Zunahme des Raums zum Verarbeiten oder zu einer Zunahme der Anzahl von Verarbeitungsschritten, was im Hinblick auf die Produktivität und die Kosten nicht bevorzugt ist.
Die Mehrzahl von Leistungs-Halbleiterelementen, die gleichzeitig mit dem einzelnen Verbindungselement verbunden sind, kann eine Verringerung der Verdrahtungs-Induktivität und eine gleichzeitige Verarbeitung von mehreren Verbindungen nur mit einem einzelnen Lötvorgang erzielen, was folglich zu einer besseren Produktivität führt. In Anbetracht dessen stellt die vorliegende Ausführungsform das einzelne externe Verbindungselement 7 für die Mehrzahl von Halbleiterelementen 5 zur Verfügung, wie oben beschrieben.
Für den Fall, dass das externe Verbindungselement eine Verbindungsfläche hat, die gleichzeitig mit der Mehrzahl von Halbleiterelementen verbunden wird und ein Ende hat, das in der Dickenrichtung des Isoliersubstrats nach oben vorsteht, und zwar zur Verringerung der Größe des Moduls, kann das folgende Problem entstehen.
Das externe Verbindungselement hat einen Schwerpunkt, der gegenpüber dem Schwerpunkt der Mehrzahl von Leistungs-Halbleiterelementen versetzt ist. Das externe Verbindungselement hat dann eine instabile Haltung. Wenn das externe Verbindungselement unter Verwendung der zweiten Ankerschicht verbunden wird, kann die zweite Ankerschicht eine große Differenz bei der Dicke zwischen einem Bereich für das eine der Halbleiterelemente und einen Bereich für ein anderes der Halbleiterelemente haben. Das externe Verbindungselement könnte schlimmstenfalls invertiert werden.
Solche eine Differenz bei der Dicke der zweiten Ankerschicht verursacht die folgenden Probleme. In einem Fall, in welchem die zweite Ankerschicht eine ziemlich große Dicke besitzt, empfängt die zweite Ankerschicht eine relativ geringe thermische Belastung, aber die oberen Flächenelektroden der Leistungs-Halbleiterelemente nehmen eine große thermische Belastung auf. Dies beschleunigt das Risswachstum der oberen Flächenelektroden.In einem anderen Fall, in welchem die zweite Ankerschicht eine ziemlich kleine Dicke hat, empfängt die zweite Ankerschicht eine ziemlich große thermische Belastung, und sie hat ein sehr schnelles Risswachstum.
Wie daraus ersichtlich, wird die Zuverlässigkeit an den Verbindungen zwischen den Elektroden der Halbleiterelemente und dem externen Verbindungselement bezogen, indem präzise die minimale Dicke und die maximale Dicke der zweiten Ankerschicht bestimmt werden.
Um die maximale Dicke und die minimale Dicke der zweiten Ankerschicht 6 präzise zu bestimmen, hat bei der vorliegenden Ausführungsform das Rahmenelement 8 einen Passbereich 8b, und das externe Verbindungselement 7 hat einen Vorsprung 7b.
Der Passbereich 8b verhindert die Inversion des externen Verbindungselements 7 und reguliert den Versatz des externen Verbindungselements 7, indem er an das externe Verbindungsende 7d des externen Verbindungselements 7 angepasst wird. Der Passbereich 8b und das externe Verbindungselement 7 können aneinander in einem Zustand angepasst werden, in welchem der Passbereich 8b vollständig oder teilweise in Kontakt mit einer Kontaktfläche des externen Verbindungselements 7 ist.Beide Fälle erzielen ähnliche Wirkungen.
Der Vorsprung 7b des externen Verbindungselements 7 steht in Richtung des Halbleiterelements 5 von einer Kontaktfläche 7e in Kontakt mit der zweiten Ankerschicht 6 an dem Elementkoppler 7a vor und ist an einer oder mehreren Positionen entsprechend der zweiten Ankerschicht 6 am Leistungs-Halbleiterelement 5 ausgebildet. In einem Fall, in welchem jedes der Leistungs-Halbleiterelemente 5 darauf mit zwei zweiten Ankerschichten 6 versehen ist, sind zwei Vorsprünge 7b an jedem der Leistungs-Halbleiterelemente 5 ausgebildet. Die Vorsprünge 7b haben vorzugsweise die gleiche Höhe. Der Vorsprung 7b und die zweite Ankerschicht 6 sind relativ so angeordnet, dass der Vorsprung 7b innerhalb der zweiten Ankerschicht 6 angeordnet ist, so dass er eine Dicken-Regulierungswirkung ausübt.
Daher kann eine Variation der fertiggestellten Dicke nach dem Verankern unterbunden werden, indem der Vorsprung 7b näher am Zentrum als ein Ende von jeder der zweiten Ankerschichten 6 angeordnet wird. Falls der Vorsprung 7b einen Bereich hat, in dem die Belastungen konzentriert werden, wäre der Bereich ein Startpunkt des Risses, wenn die Temperaturbelastungen wiederholt ausgeübt werden. Demzufolge hat der Vorsprung 7b vorzugsweise eine zylindrische oder elliptisch zylindrische Form.
Das Ausbilden des Vorsprungs 7b am externen Verbindungselement 7 und des Passbereichs 8b des Rahmenelements 8 ermöglicht eine präzise Bestimmung der minimalen Dicke und der maximalen Dicke der zweiten Ankerschicht 6, ohne ein Schablonenwerkzeug zu verwenden. Dies ermöglicht eine Verbesserung - im Vergleich zu einer herkömmlichen Konfiguration - der Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen der Elektrode von jedem der Halbleiterelemente 5 und dem externen Verbindungselement 7.
Das externe Verbindungsende 7d des externen Verbindungselements 7 verläuft in der Dickenrichtung 11 des Isoliersubstrats 10 und ist aus der Fläche (obere Fläche) der Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 herausgezogen, so dass eine Größenverringerung der Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 erzielt wird. Ferner ist das externe Verbindungselement 7 entsprechend der Mehrzahl von Halbleiterelementen 5 ausgebildet, so dass sowohl eine Produktivität, als auch eine Kosteneffizienz erzielt werden.
Außerdem hat das externe Verbindungselement 7 vorzugsweise einen gebogenen Bereich 7f (siehe 2) mit großer Krümmung zwischen dem Elementkoppler 7a und dem externen Verbindungsende 7d, so dass eine große Belastungs-Entlastung gewährleistet wird, d. h. eine Beseitigung des Ausdehnens und des Zusammenziehens oder der Vibrationen des externen Verbindungselements 7. Solch eine Belastungs-Entlastung wird alternativ gewährleistet, wenn das externe Verbindungsende 7d verwendet wird, das mit einer Biegung mit einer S-Form, einem Bolzentyp oder dergleichen versehen ist.
Ausführungsform 2
3 zeigt eine Leistungs-Halbleitereinrichtung 102 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2, die ein externes Verbindungselement 7-2 aufweist, das erhalten wird, indem das externe Verbindungselement 7 gemäß Ausführungsform 1 modifiziert wird. Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 102 ist ähnlich wie die Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß der Ausführungsform 1 konfiguriert, mit Ausnahme des externen Verbindungselements 7-2, das hauptsächlich nachstehend beschrieben wird. 4 ist eine Schnittansicht der Leistungs-Halbleitereinrichtung 102 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2.
In einem Fall, in welchem die zweite Ankerschicht 6, die in 3 und 4 dargestellt ist, aus einem Lot gebildet ist, wird die zweite Ankerschicht 6 ausgebildet, indem eine Lotpaste aufgedruckt oder aufgetragen wird, oder indem ein Platten-Lot montiert wird. Das Verbinden des Lots, das so ausgebildet worden ist, wird eine Lotball-Dispersion verursachen. Dieses Problem wird nachstehend detailliert beschrieben.
Eine Lotpaste verursacht eine Lotball-Dispersion während der Fluss-Verflüchtigung. Platten-Lot verursacht eine Lotball-Dispersion, wenn es bei einer Temperatur jenseits eines Lot-Schmelzpunktes geschmolzen wird, und zwar während eines Reduktionsprozesses vom trockenen Typ. Solch ein Platten-Lot neigt dazu, mehr Dispersion während eines Vakuum-Abzugsprozesses zur Leerstellen-Verringerung während des Lot-Schmelzens aufzuweisen.
Die Lotball-Dispersion kann unterbunden werden, indem die Menge des zugeführten Lots verringert wird. In einem Fall jedoch, in dem das zugeführte Lot kurz ist oder die Halbleiterelemente und das externe Verbindungselement nicht in einem festen Positionsverhältnis angeordnet sind, bildet sich ein Bereich aus, in welchem die Lot-Benetzbarkeit unzureichend ist, und es wird ferner eine Trennung infolge einer Belastungs-Konzentration entwickelt. Ein Erhöhen der Menge des zugeführten Lots zur Vermeidung einer solchen unzureichenden Benetzung auf eine unnötige Weise führt zu einer Zunahme der Lotball-Dispersion und einer Erzeugung einer großen Menge von leitfähigen Fremdstoffen.
Eine Leistungs-Halbleitereinrichtung hat einen gewährleisteten räumlichen Isolierabstand und einen Kriech-Isolierabstand entsprechend einer Betriebsspannung von mehreren hundert Volt bis mehreren tausend Volt. Eine Dispersion der leitfähigen Fremdstoffe kann einen zusätzlichen Beseitigungsschritt sowie einen Inspektionsschritt erforderlich machen, und er kann zu einer Qualitäts-Verschlechterung führen. Es ist also nötig, das Positionsverhältnis zwischen den Halbleiterelementen und dem externen Verbindungselement präzise zu bestimmen und eine geeignete Menge Lot zuzuführen.
In Anbetracht dessen gilt Folgendes: Um die geeignete Menge Lot der zweiten Ankerschicht 6 zuzuführen, ist die Leistungs-Halbleitereinrichtung 102 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2 ähnlich wie die Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 gemäß Ausführungsform 1 konfiguriert. Insbesondere besitzt das Rahmenelement 8 den Passbereich 8b, das externe Verbindungselement 7-2 hat den Vorsprung 7b und ferner eine Aussparung 7c.
Die Aussparung 7c ist an der Kontaktfläche 7e in Kontakt mit der zweiten Ankerschicht 6 am Elementkoppler 7a ausgebildet. Die Aussparung 7c kann das externe Verbindungselement 7-2 durchdringen, wie in 3 und 4 dargestellt, oder sie kann so ausgebildet sein, dass sie es nicht durchdringt, wie in 7 dargestellt. Die Aussparung 7c ist nicht auf die dargestellte runde Form beschränkt, sondern kann jegliche geeignete Form haben. Die Aussparung 7c kann beispielsweise eine Nutform haben.
Die Aussparung 7c, die an der Kontaktfläche 7e ausgebildet ist, dient als Rückzugs-Raum für das Lot, das zum Ausbilden der zweiten Ankerschicht 6 zugeführt wird, und sie empfängt überschüssiges Lot, wenn das zugeführte Lot die geeignete Menge überschreitet. Die Aussparung 7c absorbiert oder stellt eine Variation der Menge des zugeführten Lots ein. Diese Konfiguration kann eine Erzeugung von leitfähigen Fremdstoffen und einer unzureichenden Lot-Benetzung verhindern oder hemmen, und sie kann die Dicke der zweiten Ankerschicht 6 präzise bestimmen.
Im Ergebnis wird eine weitere Verbesserung im Vergleich zu der herkömmlichen Konfiguration erzielt, und zwar hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen der Elektrode von jedem der Halbleiterelemente 5 und dem externen Verbindungselement 7. Diese Konfiguration hemmt augenscheinlich eine Beschädigung, die von den leitfähigen Fremdstoffen verursacht wird.
Ausführungsform 3
5 zeigt eine Leistungs-Halbleitereinrichtung 103 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 3, die ein Rahmenelement 8-2 aufweist, das erhalten wird, indem das Rahmenelement 8 gemäß Ausführungsform 1 oder 2 modifiziert wird. Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 103 ist ähnlich wie die Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß Ausführungsform 1 oder 2 konfiguriert, mit der Ausnahme des Rahmenelements 8-2, das hauptsächlich nachstehend beschrieben wird.
Das Rahmenelement 8-2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat ein konvexes Element 8c an einer Kontaktfläche 8e in Kontakt mit der dritten Ankerschicht 9 zusätzlich zum Passbereich 8b. Wie in einer vergrößerten Ansicht in 5 dargestellt, steht das konvexe Element 8c von der Kontaktfläche 8e in Richtung der ersten Leiterschicht 1 vor. Die Kontaktfläche 8e ist eine Fläche, an welcher das Rahmenelement 8-2 in Kontakt mit der dritten Ankerschicht 9 kommt, die das Rahmenelement 8-2 an der ersten Leiterschicht 1 fixiert.
Die Ausbildung des Vorsprungs 7b am externen Verbindungselement 7 sowie des Passbereichs 8b und des konvexen Elements 8c am Rahmenelement 8-2, wie oben beschrieben, kann eine präzise Bestimmung der minimalen Dicke und der maximalen Dicke der zweiten Ankerschicht 6 erzielen, ohne ein Schablonenwerkzeug zu verwenden. Demzufolge kann eine Verbesserung - im Vergleich zu einer herkömmlichen Konfiguration - der Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen der Elektrode von jedem der Halbleiterelemente 5 und dem externen Verbindungselement 7 erzielt werden.
Genauer gesagt: Das konvexe Element 8c, das so ausgebildet ist, ermöglicht eine präzise Bestimmung der Dicke der dritten Ankerschicht 9 und eine geeignete Anordnung des Rahmenelements 8-2 relativ zur ersten Leiterschicht 1. Dies kann den Positionsversatz zwischen dem Passbereich 8b, der an dem Rahmenelement 8-2 ausgebildet ist, und dem externen Verbindungselement 7 minimieren. Das konvexe Element 8c trägt somit zur stabilen Positionierung des externen Verbindungselements 7 bei und ermöglicht auch eine präzise Bestimmung der Dicke der zweiten Ankerschicht 6.
Die Ausbildung von mindestens drei konvexen Elementen 8c an der Kontaktfläche 8e kann eine minimal notwendige Dickenbestimmung erzielen. Um eine zuverlässigere Dickenbestimmung zu erzielen, können alternativ die konvexen Elemente 8c kontinuierlich an der Kontaktfläche 8e des Rahmenelements 8-2 ausgebildet werden oder diskontinuierlich ausgebildet werden, d. h. von einer Kontaktfläche 8e zur anderen übersprungen werden.
Ausführungsform 4
Eine Leistungs-Halbleitereinrichtung 104 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 4 wird nun unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Die Leistungs-Halbleitereinrichtung 104 weist auch das Rahmenelement 8-2 auf, das bei der Ausführungsform 3 beschrieben ist. 6 zeigt die Leistungs-Halbleitereinrichtung 104, die erhalten wird, indem das Rahmenelement 8 durch das Rahmenelement 8-2 in der Leistungs-Halbleitereinrichtung 102 gemäß Ausführungsform 2 ersetzt wird, die das externe Verbindungselement 7-2 aufweist. Es ist alternativ möglich, eine Konfiguration anzunehmen, die erhalten wird, indem das Rahmenelement 8 durch das Rahmenelement 8-2 in der Leistungs-Halbleitereinrichtung 101 gemäß Ausführungsform 1 ersetzt wird.
Auch bei der Leistungs-Halbleitereinrichtung 104 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 4 weist das Rahmenelement 8-2 das konvexe Element 8c auf, das von der Kontaktfläche 8e in Richtung der ersten Leiterschicht 1 vorsteht. Das konvexe Element 8c ermöglicht eine präzise Bestimmung des Abstands zwischen dem Rahmenelement 8-2 und der ersten Leiterschicht 1 und eine präzise Bestimmung der Dicke der dritten Ankerschicht 9. Im Ergebnis hat die Leistungs-Halbleitereinrichtung 104 auch eine Konfiguration zum Minimieren des Positionsversatzes zwischen dem externen Verbindungselement 7-2 und dem Passbereich 8b des Rahmenelements 8-2. Die dritte Ankerschicht 9 ist vorzugsweise aus einem silikonbasierten Klebstoff in Hinblick auf die Bearbeitbarkeit gefertigt.
Für den Fall jedoch, in welchem die dritte Ankerschicht 9 entlang einer Seitenfläche von einer oberen Fläche der ersten Leiterschicht 1 verläuft und eine Grenzfläche mit der Isolierschicht 2 erreicht, kann die dritte Ankerschicht 9 Leerstellen, wie z. B. Luft einschließen, und dies kann die elektrische Feldverteilung verschlechtern. Es wird erwogen, dass dies möglicherweise zu einer Verkürzung des Kriech-Entladungsabstandes der Isolierschicht 2 führt, mit anderen Worten: des Kriech-Entladungsabstandes von der ersten Leiterschicht 1 zur zweiten Leiterschicht 3.
Um eine solche Möglichkeit zu unterbinden, hat das Rahmenelement 8-2 bei der Leistungs-Halbleitereinrichtung 104 gemäß der vorliegenden Ausführungsform 4 eine Aussparung 8d, die in der Kontaktfläche 8e in Kontakt mit der dritten Ankerschicht 9 ausgebildet ist. Die Aussparung 8d, die so ausgebildet ist, dient als Rückzugs-Raum für die dritte Ankerschicht 9. Wenn die dritte Ankerschicht 9, die eine geeignete Menge überschreitet, zugeführt wird, erhält die Aussparung 8d den Überschuss. Demzufolge kann man mit der Aussparung 8d eine Variation der Menge der dritten Ankerschicht 9 absorbieren oder einstellen.
Selbst in einem solchen Fall, in welchem die dritte Ankerschicht 9 übermäßig ausgebildet ist, kann es diese Konfiguration im Ergebnis verhindern, dass die dritte Ankerschicht 9 von der oberen Fläche der ersten Leiterschicht 1 zur Grenzfläche mit der Isolierschicht 2 abwärts fließt, kann eine Ausbildung von Leerstellen vermeiden, und kann eine Knappheit des Kriech-Entladungsabstandes verhindern.
Selbst wenn das Rahmenelement 8 eine verzerrte Form mit einer Verwerfung oder dergleichen hat, und selbst wenn die erste Leiterschicht 1 auch eine verzerrte Form mit einer Verwerfung oder dergleichen hat, ermöglicht diese Konfiguration gemäß der Ausführungsform 4 ferner eine Einstellung der Menge der dritten Ankerschicht 9. Demzufolge kann die Produktivität der Leistungs-Halbleitereinrichtung 104 signifikant verbessert werden.
Ausführungsform 5
Bei einer Leistungs-Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform 5 wird eine Modifikation an dem externen Verbindungselement 7 oder dem externen Verbindungselement 7-2 gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 4 vorgenommen. Die folgende Beschreibung bezieht sich daher hauptsächlich auf das externe Verbindungselement 7 oder das externe Verbindungselement 7-2.
Beispielsweise diversifizieren und variieren die Antriebsmotoren für Automobile, wie z. B. Motoren für ein Hybridfahrzeug, die einen oder zwei Motoren und einen Verbrennungsmotor aufweisen, für ein elektrisches Fahrzeug, das nur einen Motor aufweist und dergleichen. Demzufolge müssen die Wechselrichter, die zum Antreiben dieser Motoren verwendet werden, verschiedenartige Zuverlässigkeits-Spezifikationen gemäß den jeweiligen Systemen haben. Ferner müssen diese Wechselrichter gemäß den verschiedenartigen Zuverlässigkeits-Spezifikationen eine Kostenverringerung und eine hohe Qualität sowie eine Größenverringerung bieten.
Insbesondere in einem Fall, in welchem die Verbindung, die für die zweite Ankerschicht 6 relevant ist, eine hohe Zuverlässigkeit haben muss, ist es eine wirksame Maßnahme, dass jedes von dem externen Verbindungselement 7 und dem externen Verbindungselement 7-2 aus Cu gefertigt ist, und ferner, dass jedes von dem externen Verbindungselement 7 und dem externen Verbindungselement 7-2 einen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat, der ungefähr derjenige des Halbleiterelements ist (z. B. 2,5 ppm/K für Silicium).
Beispielsweise in einem Fall, in welchem jedes von dem externen Verbindungselement 7 und dem externen Verbindungselement 7-2 aus einem Überzugsmaterial gebildet ist, das drei gestapelte Schichten aus Cu, Invar (d. h. Fe-36% Ni-Legierung) und Cu aufweist, kann der scheinbare lineare Ausdehnungskoeffizient einer Elektrodenfläche gesteuert werden, indem die Dickenverhältnisse dieser Schichten eingestellt werden. Beispielsweise ist der lineare Ausdehnungskoeffizient 4 ppm/K mit dem Invar, das ein großes Verhältnis hat (Cu: Invar: Cu = 1 : 8: 1), und er ist 13 ppm/K mit dem Invar, das ein kleines Verhältnis hat (Cu: Invar: Cu = 2: 1: 2).
Die linearen Ausdehnungskoeffizienten des externen Verbindungselements 7 und des externen Verbindungselements 7-2 können passend zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium (2,5 ppm/K) und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten von Cu (17 ppm/K) variiert werden. Beispielsweise können die linearen Ausdehnungskoeffizienten des externen Verbindungselements 7 und des externen Verbindungselements 7-2 so eingestellt werden, dass sie geringer sind als der lineare Ausdehnungskoeffizient einer Cu-Legierung, und dass sie größer sind als der lineare Ausdehnungskoeffizient des Halbleiterelements.
Demzufolge hat die zweite Ankerschicht 6 einen Verzerrungswert, der signifikant verringert ist, indem die Differenz im linearen Ausdehnungskoeffizienten von jedem von dem externen Verbindungselement 7 und dem externen Verbindungselement 7-2 von demjenigen der Leistungs-Halbleiterelemente 5 herabgesetzt ist. Dies kann eine Verbesserung der Verbindungs-Zuverlässigkeit des externen Verbindungselements 7 und des externen Verbindungselements 7-2 bewirken.
Die Anmelderin hat festgestellt, dass das externe Verbindungselement 7 und das externe Verbindungselement 7-2 aus Cu : Invar : Cu = 1 : 1 : 1 wirksam eine Lebensdauer-Verlängerung vom Zehnfachen oder mehr der Lebensdauer einer Elektrode aus einer Cu-Legierung erzielen kann. Es wurde herausgefunden, dass eine Cu-Mo-Legierung, eine Cu-W-Legierung und dergleichen eine Verbesserung der Verbindungs-Zuverlässigkeit erzielen, ohne eine extreme Verschlechterung der thermischen Leitfähigkeit hervorzurufen.
Wie oben beschrieben, können das externe Verbindungselement 7 und das externe Verbindungselement 7-2 eine signifikante Verbesserung der Verbindungs-Zuverlässigkeit erzielen, indem lediglich das Material und die Form verändert werden. Demzufolge sind das externe Verbindungselement 7 und das externe Verbindungselement 7-2 auf verschiedenartige Wechselrichter für unterschiedliche Verwendungsumgebungen und Betriebsmodi verwendbar, indem bloß deren Material und Form verändert wird.
Dies ermöglicht eine Vereinheitlichung der Schritte zum Herstellen der Leistungs-Halbleitereinrichtungen und kann eine Verringerung der Produktionskosten erzielen. Die Wechselrichter können folglich eine Größenverringerung, eine hohe Vibrations-Widerstandfähigkeit und eine Kostenverringerung erzielen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, oder die in den unterschiedlichen Ausführungsformen enthaltenen Konfigurationen können miteinander kombiniert werden.
Beschreibung der Bezugszeichen

1: erste Leiterschicht
2: Isolierschicht
3: zweite Leiterschicht
4: erste Ankerschicht
5: Halbleiterelement
6: zweite Ankerschicht
7: externes Verbindungselement
7a: Elementkoppler
7b: Vorsprung
7c: Aussparung
7d: externes Verbindungsende
7e: Kontaktfläche
7-2: externes Verbindungselement
8: Rahmenelement
8b: Passbereich
8c: konvexes Element
8d: Aussparung
8e: Kontaktfläche
8-2: Rahmenelement
9: dritte Ankerschicht
10: Isoliersubstrat
101 bis 104: Leistungs-Halbleitereinrichtung

Claims

Leistungs-Halbleitereinrichtung, die Folgendes aufweist: ein Isoliersubstrat, das so konfiguriert ist, dass es eine erste Leiterschicht und eine zweite Leiterschicht aufweist, die jeweils an gegenüberliegenden Flächen in der Dickenrichtung einer Isolierschicht ausgebildet sind; eine Mehrzahl von Halbleiterelementen, die so konfiguriert sind, dass sie mit der ersten Leiterschicht über eine erste Ankerschicht verbunden sind; ein externes Verbindungselement, das so konfiguriert ist, dass es gemeinsam mit den Halbleiterelementen verwendet wird, und das einen Elementkoppler und ein externes Verbindungsende aufweist, wobei der Elementkoppler so konfiguriert ist, dass er entlang der ersten Leiterschicht verläuft, wobei die Halbleiterelemente zwischen dem externen Verbindungselement und der ersten Leiterschicht angeordnet sind, und dass er mit den Halbleiterelementen über eine zweite Ankerschicht verbunden wird, wobei das externe Verbindungsende so konfiguriert ist, dass ein Ende des Elementkopplers in der Dickenrichtung gebogen ist; und ein Rahmenelement, das so konfiguriert ist, dass es die Mehrzahl von Halbleiterelementen an der ersten Leiterschicht umgibt und mit der ersten Leiterschicht über eine dritte Ankerschicht verbunden wird; wobei das Rahmenelement einen Passbereich aufweist, der an das externe Verbindungsende angepasst ist, und wobei das externe Verbindungselement mindestens zwei Vorsprünge aufweist, die in Richtung der Halbleiterelemente verlaufen.
Leistungs-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Elementkoppler eine Aussparung aufweist, die in einer Kontaktfläche ausgebildet ist, die mit der zweiten Ankerschicht in Kontakt steht.
Leistungs-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rahmenelement ferner ein konvexes Element aufweist, das in Richtung der ersten Leiterschicht verläuft, wobei das konvexe Element an einer Kontaktfläche ausgebildet ist, die mit der dritten Ankerschicht in Kontakt steht.
Leistungs-Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Rahmenelement ferner eine Aussparung aufweist, die in der Kontaktfläche ausgebildet ist, die mit der dritten Ankerschicht in Kontakt steht.
Leistungs-Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das externe Verbindungselement einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der niedriger ist als der lineare Ausdehnungskoeffizient einer Cu-Legierung, und der höher ist als der lineare Ausdehnungskoeffizient der Halbleiterelemente.