DE10251248A1

DE10251248A1 - Leistungshalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10251248A1
Application number: DE10251248A
Authority: DE
Inventors: Dai Nakajima; Yoshihiro Kashiba; Hideaki Chuma
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2003-10-02
Also published as: FR2837022B1; US6979843B2; US20030213979A1; FR2837022A1; JP2003264265A

Abstract

Leistungshalbleitervorrichtung, die einen Anschlussrahmen verwendet, um einen Anschluss zu einer Halbleitervorrichtung herzustellen, und einen Aufbau aufweist, der am Anschlussteil des Anschlussrahmens weniger anfällig für Ermüdungsbruch ist. Ein Formharz eines Gehäuses (14) wird verwendet, um den Anschlussrahmen (6, 7, 13), die Halbleitervorrichtung (1) und den Metallblock (15), der als Substrat für die Befestigung der Halbleitervorrichtung dient, integral zu ummanteln. Das den Anschlussrahmen (6) und die Halbleitervorrichtung (1) umgebende Formharz festigt die Verbindung zwischen diesen, was zu einer Leistungshalbleitervorrichtung führt, die am Anschlussteil des Anschlussrahmens (6) weniger anfällig für Ermüdungsbruch ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungshalbleitervorrichtungen wie beispielsweise Wechselrichter.

Beschreibung des Stands der Technik

Fig. 13 zeigt eine herkömmliche Leistungshalbleitervorrichtung. Bei dieser Leistungshalbleitervorrichtung ist eine auf der Bodenfläche einer Halbleitervorrichtung 1 wie einer Diode angeordnete Elektrode 1a auf einem Verdrahtungsmuster 3 in der oberen Oberfläche eines Keramiksubstrats 2 durch Löten befestigt. Das Keramiksubstrat 2 ist durch Lot 8 auf einer Grundplatte 4 befestigt, die beispielsweise aus sauerstofffreiem hoch leitfähigen Kupfer besteht.
Ein Gehäuse 5 ist auf die Grundplatte 4 geschraubt oder geklebt. Das Gehäuse 5 ist beispielsweise aus PPS (Polyphenylsulfid) hergestellt. Anschlussrahmen 6, 7 und eine Schraubenmutter 12 sind in das Gehäuse 5 integriert. Ein Ende der Anschlussrahmen 6 und 7 fungiert als Innenelektrode 6a bzw. 7a, und das andere Ende fungiert als Außenelektrode 6b bzw. 7b. Die Schraubenmutter 12 ist angeordnet, um (nicht gezeigte) Außenverdrahtung an die Außenelektroden 6b und 7b anzuschließen. Die Verwendung eines Bolzens (nicht gezeigt), der durch Befestigungsdruck die Außenverdrahtung an die Außenelektroden 6b und 7b anschließt, reduziert den Kontaktwiderstand zwischen diesen.
Die Innenelektrode 6a ist über einen Aluminiumdraht 9 an eine Elektrode 1b angeschlossen, die in der oberen Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 angeordnet ist, und das Verdrahtungsmuster 3 auf dem Keramiksubstrat 2 ist über einen weiteren Aluminiumdraht an die Innenelektrode 7a angeschlossen. Die Aluminiumdrähte haben beispielsweise einen Durchmesser von ca. einigen Hundert µm.
Der vom Gehäuse 5 und der Grundplatte 4 umgebene Innenraum ist mit einem Siliziumgel 10 gefüllt, um isolierende Eigenschaften sicherzustellen. Ein Deckel 11 zum Schutz des Siliziumgels 10 gegen Außenluft ist so angeordnet, dass er die Oberfläche des Gehäuses 5 abdeckt.
Bei der in Fig. 13 gezeigten Halbleitervorrichtung werden die Aluminiumdrähte 9 als Verdrahtung benutzt. Um den Widerstandsverlust zu reduzieren, wenn Strom durch die Aluminiumdrähte 9 fließt, muss die Querschnittsfläche der Aluminiumdrähte 9 vergrößert werden (d. h. der Drahtdurchmesser muss vergrößert werden) oder alternativ die Anzahl an Drähten. Der Anschluss der Aluminiumdrähte 9 an jede Elektrode erfordert eine Anschlussfläche, die eine Breite von zumindest nicht weniger als dem doppelten Durchmesser der Aluminiumdrähte 9 und eine Länge von zumindest nicht weniger als drei Mal des Durchmessers aufweist. Falls gewünscht wird, die Fläche der Halbleitervorrichtung 1 zu reduzieren, indem die Strommenge pro Einheitsfläche der Halbleitervorrichtung 1 erhöht wird, ist es notwendig, eine große Anschlussfläche sicherzustellen, was einer kleineren Auslegung der Halbleitervorrichtung 1 im Wege steht.
Dazu kommt das Problem, dass die Anschlussgrenzfläche zwischen der oberen Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 und der Elektrode 1b einer Ablösung aufgrund von Temperaturzyklen (Wärmezyklen) unterworfen ist. Besteht die Halbleitervorrichtung 1 aus Silizium, beträgt ihr linearer Ausdehnungskoeffizient ca. 2,3 × 10^-6 [/K]. Andererseits beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient von Aluminium ca. 23 × 10^-6 [/K]. Aufgrund dieses Unterschieds beim linearen Ausdehnungskoeffizienten wird durch die Wärmeabgabe während des Einsatzes der Halbleitervorrichtung Wärmespannung hervorgerufen, und diese induziert eine Ablösung an der Anschlussgrenzfläche. Diese Wärmespannung tritt immer dann zyklisch auf, wenn die Beanspruchung der Halbleitervorrichtung erhöht und gesenkt wird, oder wenn der Strom ein- und ausgeschaltet wird.
Besteht beispielsweise ein Temperaturunterschied von 50°C, erleiden die Aluminiumdrähte 9 eine Ablösung in einem Temperaturzyklus von mehreren Millionen Malen. Deshalb muss notwendiger Weise vermieden werden, dass die Temperatur der Halbleitervorrichtung 1 je nach Beanspruchungsumständen in der Leistungshalbleitervorrichtung stark variiert.
Werden mehrere Drähte für einen einzelnen Anschluss verwendet, wird Strom in einer Inselform aus der Anschlussfläche jedes Drahts den Elektroden zugeführt, was das folgende Problem hervorruft. Und zwar haben die Abschnitte der Elektrode, die sich in der Nachbarschaft der Drahtanschlussflächen befinden, einen geringen Widerstand, wohingegen den Abschnitten, die von den Drahtanschlussflächen entfernt sind, eine zusätzliche Widerstandskomponente haben, die einen Widerstandsverlust erhöht. Ein großer Widerstandsverlust an den Elektroden in der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 stellte Schwierigkeiten bei der Erzielung zufriedenstellender Gerätekennlinien dar.
Folglich ist es zu einer gewünschten Erhöhung der Stromdichte der Halbleitervorrichtung 1 notwendig, die folgenden Maßnahmen zu ergreifen: (i) Vergrößern der Abmessungen der Halbleitervorrichtung, um deren exotherme Dichte zu senken; oder (ii) die Halbleitervorrichtungen parallel zu schalten, um die exotherme Dichte pro Vorrichtung zu senken. Mit diesen Maßnahmen wird jedoch die Gesamtgröße der Leistungshalbleitervorrichtung vergrößert, und dadurch werden auch ihre Herstellungskosten höher.
Auch dauert es von einer bis zu ein paar Sekunden, um einen einzelnen Aluminiumdraht 9 anzuschließen. Demnach dauert die Herstellung eines Hochleistungsmoduls, das Millionen von Drähten benötigt, eine ganz erhebliche Zeit, was ebenfalls dessen Herstellungskosten in die Höhe treibt.
Fig. 14 zeigt eine andere herkömmliche Leistungshalbleitervorrichtung, die sich von derjenigen von Fig. 13 unterscheidet. Bei dieser Halbleitervorrichtung ist eine Elektrode 1a, die auf der Bodenfläche einer Halbleitervorrichtung 1 angeordnet ist, an ein Ende 7a eines Anschlussrahmens 7 aus Kupferlegierung angelötet. Das andere Ende 7b des Anschlussrahmens 7 fungiert als Außenelektrode. Eine Elektrode 1b, die auf der oberen Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 angeordnet ist, ist über einen Aluminiumdraht 9 an ein Ende eines Anschlussrahmen 6 angeschlossen. Das andere Ende 6b des Anschlussrahmens 6 fungiert als Außenelektrode.
Die Halbleitervorrichtung 1, der Aluminiumdraht 9, und Teile der Anschlussrahmen 6 und 7 werden mittels eines Spritzpressverfahrens unter Verwendung eines Formharzes 14 integral ummantelt.
Der Einsatz eines Spritzpressverfahrens erleichtert die Herstellungsschritte für die Leistungshalbleitervorrichtung von Fig. 14. Dennoch verursacht die Verwendung des Aluminiumdrahts 9 dasselbe Problem wie bei der Leistungshalbleitervorrichtung von Fig. 13.
Fig. 15 zeigt noch eine andere Leistungshalbleitervorrichtung. Bei dieser Leistungshalbleitervorrichtung ist, wie im Beispiel von Fig. 13, einen Elektrode 1a, die auf der Bodenfläche einer Halbleitervorrichtung 1 angeordnet ist, auf einem Verdrahtungsmuster 3 in der oberen Oberfläche eines Keramiksubstrats 2 angelötet. Das Keramiksubstrat 2 ist mit Lot 8 auf einer Grundplatte 4 befestigt. Ein Gehäuse 5 ist auf die Grundplatte 4 geschraubt oder geklebt.
Die Leistungshalbleitervorrichtung von Fig. 15 verwendet keinen Aluminiumdraht 9. Statt dessen erstrecken sich die aus Kupfer bestehenden und integral im Gehäuse 5 ausgebildeten Anschlussrahmen 6 und 7 bis in die Nähe der Halbleitervorrichtung 1 bzw. des Verdrahtungsmusters 3. Eine Innenelektrode 6a des Anschlussrahmens 6 ist an eine Elektrode 1b auf der Oberfläche einer Halbleitervorrichtung 1 angeschlossen, und eine Innenelektrode 7a des Anschlussrahmens 7 ist an das Verdrahtungsmuster 3 angeschlossen. Die Innenelektroden 6a und 7a sind über einen leitfähigen Klebstoff mit der Elektrode 1b bzw. dem Verdrahtungsmuster 3 verbunden.
Durch die Verwendung der Anschlussrahmen 6 und 7 anstelle von Aluminiumdraht wird vermieden, dass die Gesamtabmessung der Leistungshalbleitervorrichtung größer wird und deren Herstellungskosten steigen, was Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung von Aluminiumdraht waren.
Dennoch besteht weiterhin ein anderes Problem bei der Leistungshalbleitervorrichtung von Fig. 15. Unterschiede im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Halbleitervorrichtung 1 und dem Anschlussrahmen 6 sind das Problem. Besteht die Halbleitervorrichtung 1 aus Silizium, beträgt ihr linearer Ausdehnungskoeffizient ca. 2,3 × 10^-6 [/K]. Andererseits beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient von Kupfer, aus dem der Anschlussrahmen 6 besteht, ca. 16,7 × 10^-6 [/K]. Aufgrund dieses Unterschieds wird während des Einsatzes der Leistungshalbleitervorrichtung durch die Wärmeabgabe Wärmespannung hervorgerufen. Aufgrund dieser Wärmespannung unterliegt der Anschlussteil des Anschlussrahmen 6 Ermüdungsbruch. Mit anderen Worten tritt eine Ablösung des leitfähigen Klebstoffs auf. Selbst wenn anstelle des leitfähigen Klebstoffs eine Lötverbindung verwendet wird, bleibt dieses Problem des Ermüdungsbruchs immer noch bestehen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungshalbleitervorrichtung bereitzustellen, die einen Anschlussrahmen zum Herstellen eines Anschlusses an eine Halbleitervorrichtung verwendet und einen Aufbau aufweist, der am Anschlussteil des Anschlussrahmens weniger anfällig für Ermüdungsbruch ist.
Nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Leistungshalbleitervorrichtung: eine Halbleitervorrichtung mit einer oberen Oberfläche und einer Bodenfläche; einen Metallblock, der auf der Bodenfläche der Halbleitervorrichtung befestigt ist; einen Anschlussrahmen, der auf der oberen Oberfläche der Halbleitervorrichtung befestigt ist; und ein Gehäuse aus Formharz, das die Halbleitervorrichtung, den Metallblock und den Anschlussrahmen integral ummantelt.
Das Gehäuse aus dem Formharz ummantelt den Anschlussrahmen, den Metallblock und die Halbleitervorrichtung integral. Das Formharz, das den Anschlussrahmen und die Halbleitervorrichtung umgibt, verstärkt die Verbindung zwischen diesen und ermöglich somit eine Leistungshalbleitervorrichtung mit einem Aufbau, der am Anschlussteil des Anschlussrahmens weniger anfällig für Ermüdungsbruch ist. Der Metallblock, der an der Bodenfläche der Halbleitervorrichtung befestigt ist, kann als Substrat verwendet werden, auf der die Halbleitervorrichtung angebracht ist. Wenn eine Elektrode auf der Bodenfläche der Halbleitervorrichtung angeordnet ist, kann der Metallblock als Verbindungsteil zur Elektrode verwendet werden. Der Metallblock kann auch als Wärmeverteiler verwendet werden, um die Wärmeabgabe der Halbleitervorrichtung zu zerstreuen. Das den Metallblock und die Halbleitervorrichtung umgebende Formharz verstärkt die Verbindung zwischen diesen.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlicher, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Leistungshalbleitervorrichtung nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht vor dem Ummanteln der Leistungshalbleitervorrichtung der ersten bevorzugten Ausführungsform mit einem Formharz;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht nach dem Ummanteln der Leistungshalbleitervorrichtung der ersten bevorzugten Ausführungsform mit Formharz;
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die eine Leistungshalbleitervorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Leistungshalbleitervorrichtung nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine Leistungshalbleitervorrichtung nach einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht vor dem Ummanteln der Leistungshalbleitervorrichtung der vierten bevorzugten Ausführungsform mit einem Formharz;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Leistungshalbleitervorrichtung nach einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Leistungshalbleitervorrichtung nach einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Leistungshalbleitervorrichtung nach einer siebten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht vor dem Ummanteln einer Leistungshalbleitervorrichtung nach einer achten bevorzugten Ausführungsform mit einem Formharz;
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht nach dem Ummanteln der Leistungshalbleitervorrichtung der achten bevorzugten Ausführungsform mit Formharz; und die Fig. 13 bis 15 sind Schnittansichten, die herkömmliche Leistungshalbleitervorrichtungen zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Erste bevorzugte Ausführungsform

Eine erste bevorzugte Ausführungsform richtet sich auf eine Leistungshalbleitervorrichtung, bei der Anschlussrahmen, eine Halbleitervorrichtung und ein Metallblock, der als Substrat für die Anbringung der Halbleitervorrichtung dient, durch ein Formharz des Gehäuses integral ummantelt sind. Das die Anschlussrahmen und die Halbleitervorrichtung umgebende Formharz verstärkt die Verbindung zwischen diesen, wodurch erzielt wird, dass die Leistungshalbleitervorrichtung am Anschlussteil der Anschlussrahmen weniger anfällig für Ermüdungsbruch ist.
Fig. 1 zeigt die Leistungshalbleitervorrichtung nach der ersten bevorzugten Ausführungsform. Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht vor dem Ummanteln mit dem Formharz. Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht nach dem Ummanteln mit dem Formharz.
Bei dieser Leistungshalbleitervorrichtung ist eine Hauptelektrode 1a (z. B. eine Anodenelektrode), die auf der Bodenfläche einer Halbleitervorrichtung 1 wie einem Thyristor angeordnet ist, an einen Metallblock 15 angelötet, der beispielsweise aus sauerstofffreiem hochleitfähigem Kupfer besteht (diese und weitere andere Lötverbindungen sind nicht dargestellt). Ein Anschlussrahmen 7 ist an seinem Endteil 7a am Metallblock 15 befestigt, beispielsweise durch Löten. Das andere Endteil 7b des Anschlussrahmens 7 fungiert als Außenelektrode der Hauptelektrode 1a.
Ein Anschlussrahmen 6 ist an seinem Endteil 6a an einer Hauptelektrode 1b (z. B. eine Kathodenelektrode), die auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 angeordnet ist, angelötet. Das andere Endteil 6b des Anschlussrahmens 6 fungiert als Außenelektrode der Hauptelektrode 1b.
Ein Ende des Aluminiumdrahts 9 ist an einer Signalelektrode 1c angelötet (z. B. eine Gate-Elektrode, die auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung angeordnet ist. Das andere Ende des Aluminiumdrahts 9 ist an einem Endteil 13a eines Anschlussrahmens 13 angelötet. Das andere Endteil 13b des Anschlussrahmens 13 fungiert als Außenelektrode der Signalelektrode 1c.
Obwohl in dieser bevorzugten Ausführungsform eine Lötverbindung als Befestigungsverfahren verwendet wird, kann auch eine andere Technik wie beispielsweise Verschweißen verwendet werden.
Das Formharz des Gehäuses 14 wird dazu verwendet, die Halbleitervorrichtung 1, den Metallblock 15, den Aluminiumdraht 9 und die Anschlussrahmen 6, 7, 13 integral zu ummanteln. Das Formharz des Gehäuses 14 erstreckt sich auch auf einer Seite des Metallblocks 15, die der Halbleitervorrichtung 1 entgegengesetzt ist, wodurch eine Oberfläche 14a ausgebildet wird. Ein Kühlkörper 16 ist an die Oberfläche 14a angeschlossen, um die Wärmeabgabe der Halbleitervorrichtung 1 zu zerstreuen.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform werden anstelle des Aluminiumdrahtes die Anschlussrahmen 6 und 7 für den Anschluss an die Hauptelektroden 1a und 1b der Halbleitervorrichtung 1 verwendet. Deshalb ist es möglich, eine Vergrößerung der Gesamtabmessung der Leistungshalbleitervorrichtung und einen Anstieg ihrer Herstellungskosten zu vermeiden, was Probleme waren, die im Zusammenhang mit dem Einsatz von Aluminiumdraht bestanden. Es ist festzuhalten, dass der Aluminiumdraht 9 verwendet werden kann, um die Signalelektrode 1c anzuschließen. Da die durch sie hindurchfließende Strommenge sehr klein ist, steigt die Temperatur nur leicht an und die Möglichkeit einer Ablösung liegt fern. Obwohl Fig. 1 das Beispiel zeigt, dass der Aluminiumdraht 9 dazu verwendet wird, die Signalelektrode 1c anzuschließen, kann der Anschlussrahmen 13 anstelle des Aluminiumdrahts 9 an der Signalelektrode 1c befestigt sein.
Darüber hinaus sind in dieser bevorzugten Ausführungsform die Anschlussrahmen 6, 7, 13, der Metallblock 15 und die Halbleitervorrichtung 1 integral mit dem Formharz des Gehäuses 14 ummantelt. Das den Anschlussrahmen 6 und die Halbleitervorrichtung 1 umgebende Formharz kann die Verbindung zwischen diesen verstärken und ermöglicht, dass die Leistungshalbleitervorrichtung am Anschlussteil des Anschlussrahmens 6 weniger anfällig für Ermüdungsbruch ist.
Zusätzlich kann der auf der Bodenfläche der Halbleitervorrichtung 1 befestigte Metallblock 15 als Substrat zur Anbringung der Halbleitervorrichtung 1 dienen. Wenn die Hauptelektrode 1a auf der Bodenfläche der Halbleitervorrichtung 1 angeordnet ist, kann der Metallblock 15 als Anschlussteil zur Hauptelektrode 1a dienen. Der Metallblock 15 kann auch als Wärmeverteiler dienen, um die von der Halbleitervorrichtung 1 abgegebene Wärme zu zerstreuen. Das den Metallblock 15 und die Halbleitervorrichtung 1 umgebende Formharz verstärkt die Verbindung zwischen diesen.
Es ist wünschenswert, dass das Endteil 6a des Anschlussrahmens 6, das der Hauptelektrode 1b als Befestigungsfläche dient, eine solche Form hat, dass es in die Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 eingeschoben werden kann, ohne mit dem Umfangsteil der Halbleitervorrichtung 1 Kontakt herzustellen. Und zwar deshalb, weil die notwendige Isoliereigenschaft aufgrund des Kontakts mit dem Umfangsteil der Halbleitervorrichtung 1 nicht sichergestellt sein könnte. Indem das Endteil 6a in die Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 eingeschoben wird, kann die Verbindungsfläche zwischen dem Anschlussrahmen 6 und der Hauptelektrode 1b kleiner ausgelegt werden als dies der Fall wäre, wenn der Großteil der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 an das Endteil 6a angeschlossen wäre. Im Ergebnis ist das Endteil 6a weniger anfällig für Ermüdungsbruch aufgrund von Temperaturzyklen.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform besitzt der Rahmen 6 eine Stufe 6c, um solch eine Form zu erhalten, dass das Endteil 6a in die Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 eingeschoben werden kann. Durch das Vorhandensein der Stufe 6c, kann das Formharz leicht in eine Stelle 14b zwischen dem Rahmen 6 und der Halbleitervorrichtung 1 eindringen, wodurch der Effekt erzielt wird, dass ein Auftreten von Hohlräumen im Gehäuse 14 unterdrückt wird.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist der Anschlussrahmen 6 bei der ersten bevorzugten Ausführungsform von konstanter Dicke. Dennoch ist es nicht wesentlich, die Dicke des Anschlussrahmens 6 konstant auszulegen.
Insbesondere besitzt das Endteil 6a, das der Hauptelektrode 1b als Befestigungsebene dient, vorzugsweise eine Dicke, die nicht mehr als die doppelte Dicke der Halbleitervorrichtung 1 beträgt. Indem die Dicke des Endteils 6a in diesem Maße reduziert wird, kann die Wärmespannung am Anschlussrahmen 6 so reduziert werden, dass der Anschlussrahmen 6 weniger anfällig für Ermüdungsbruch aufgrund von Wärmezyklen ist.
Deshalb kann die Dicke über verschiedene Abschnitte des Anschlussrahmens 6 in einem Ausmaß variieren, dass das Problem eines elektrischen Widerstandswerts nicht auftritt.
Das Gehäuse 14 wird wie folgt gebildet. Nachdem mit Bezug auf Fig. 2 die Halbleitervorrichtung 1 am Metallblock 15 befestigt wurde, werden ein vorgestanztes Teil 67 der Anschlussrahmen 6 und 7, und ein vorgestanztes Teil 130 des Anschlussrahmens 13 gebogen, um an die jeweiligen Elektroden angeschlossen zu werden. Dann wird ein Spritzpressverfahren durchgeführt, während dessen die vorgestanzten Teile 67 und 130 befestigt werden. Dann werden die vorgestanzten Teile 67 und 130 an ihren vorbestimmten Stellen abgetrennt und dann gebogen. Dies ergibt den in Fig. 3 gezeigten Zustand.
Vorzugsweise ist das Formharz aus einem Material, das hauptsächlich aus Epoxyharz besteht und eine starke Haftkraft aufweist. Wenn die Umgebungsbereiche der Halbleitervorrichtung 1 mit einem Material eines niedrigen E-Moduls wie einem Siliziumgel bedeckt sind, wie in den Fig. 13 und 15 gezeigt ist, ist es wahrscheinlich, dass aufgrund des Unterschieds beim Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Halbleitervorrichtung 1, dem Keramiksubstrat 2 und dem Anschlussrahmen 6 mechanische Spannung auftritt. Solch eine mechanische Spannung neigt dazu, Risse zu verursachen.
Auf der anderen Seite ermöglicht es das Formharz wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform, das die Halbleitervorrichtung 1, den Metallblock 15 und den Anschlussrahmen 6 umgibt, das Auftreten mechanischer Belastung aufgrund des Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zu unterdrücken und verstärkt dadurch die Verbindung zwischen diesen. Die Verwendung eines stark haftenden Materials erhöht diesen Effekt noch weiter.
Das Formharz ist vorzugsweise ein Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten, der sich im Bereich von t 20% von demjenigen des Metallblocks 15 unterscheidet.
Ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des Formharzes beträchtlich niedriger als derjenige des Metallblocks 15, schrumpft nach der Ummantelung mit Formharz der Metallblock 15 beim Abkühlschritt tendenziell stärker als das Formharz. Im Ergebnis könnte eine Verbindungslücke in der Grenzfläche zwischen dem Formharz und dem Metallblock 15 auftreten.
Ist andererseits der lineare Ausdehnungskoeffizient des Formharzes beträchtlich höher als derjenige des Metallblocks 15, könnte eine Verbindunglücke in der Grenzfläche zwischen dem Formharz und dem Metallblock 15 durch die Wärmeabgabe der Halbleitervorrichtung 1 während des Gebrauchs der Leistungshalbleitervorrichtung auftreten.
Unter diesen Umständen ist es wünschenswert, dass das Formharz und der Metallblock 15 einen ähnlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten haben.
Die Leistungshalbleitervorrichtung ist weniger anfällig für ein Verziehen, wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient des Metallblocks 15, der unter der Halbleitervorrichtung 1 liegt, ähnlich demjenigen des Formharzes ist, das über der Halbleitervorrichtung 1 liegt. Im Ergebnis ist es möglich, ein Auftreten von Rissen zwischen der Halbleitervorrichtung 1 und dem Anschlussrahmen 6 zu verhindern.
Obwohl in der ersten bevorzugten Ausführungsform sauerstofffreies hochleitfähiges Kupfer als Material für den Metallblock 15 verwendet wird, kann jedes Metall mit einem Linearen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, der demjenigen von Si ähnlich ist, wie z. B. Mo, CuMo-Legierung und SiC-Al. Die Verwendung eines solchen Metalls für den Metallblock 15 unterdrückt ferner Wärmezyklusermüdung der Lötstelle zwischen der Halbleitervorrichtung 1 und dem Metallblock 15. Auch in diesem Fall ist es notwendig, den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Formharzes einzustellen, beispielsweise durch Anheben der Füllstoffmenge.
Der oben erwähnte Aufbau ermöglicht es, Wärmezyklusermüdungsbruch der Lötstelle deutlich zu unterdrücken, der durch die Unterschiede im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Halbleitervorrichtung 1, dem Metallblock 15 und dem Anschlussrahmen 6 hervorgerufen wird.
Die erste bevorzugte Ausführungsform zeigt ein Beispiel, bei dem das Formharz dicker ist als der Metallblock 15, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Das Formharz hat die Eigenheit, dass es mit dem Aushärten nach dem Ausformen schrumpft, wohingegen der Metallblock 15 nicht schrumpft. Daher verzieht sich die Leistungshalbleitervorrichtung. Ein Auftreten von Verziehen senkt leicht die Anhaftung des Kühlkörpers 16 und beeinträchtigt daher die Abstrahlung. Von daher ist es wünschenswert, dass das Formharz eine geringe Dicke hat.
Bei der ersten bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Formharz zur Oberfläche 14a auf der Bodenfläche des Metallblocks 15. Die Bodenfläche des Metallblocks 15 kann freiliegend vom Gehäuse 14 sein. In diesem Fall kann nach dem Spritzpressen eine Isolierschicht wie ein Keramiksubstrat oder eine dünne Siliziumschicht an der freiliegenden Oberfläche des Metallblocks 15 befestigt werden. Alternativ kann bei der Befestigung des Gehäuses 14 am Kühlkörper 16 eine Isolierschicht wie ein Keramiksubstrat oder eine dünne Siliziumschicht zwischen den Kühlkörper 16 und die freiliegende Oberfläche des Metallblocks 15 eingebracht werden.
Wird ein Keramiksubstrat verwendet, ist dessen Wärmeleitfähigkeit zum Formharz hoch und der Wärmewiderstand somit herabgesetzt. Andererseits senkt die Verwendung einer dünnen Siliziumschicht die Herstellungskosten. Die Handhabungsleichtigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung kann verbessert werden, indem die Isolierung zwischen dem Metallblock 15 und dem Kühlkörper 16 wie oben beschrieben sichergestellt wird.
Der Kühlkörper 16 wird unter Verwendung einer Vorrichtung festgeklemmt. Die von der Halbleitervorrichtung 1 abgegebene Wärme wird auf den Metallblock 15, die Isolierschicht und den Kühlkörper 16 übertragen und dann abgeleitet. Ist der Wärmewiderstand zwischen der Isolierschicht und dem Kühlkörper 16 hoch, kann ein wärmeleitendes Fett zwischen diesen aufgetragen werden.
Obwohl Fig. 2 den Fall zeigt, bei dem nach dem Anbringen der Halbleitervorrichtung 1 am Metallblock 15 die Anschlussrahmen 6, 7 und 13 an der Halbleitervorrichtung 1 befestigt werden, kann auch jedes andere Herstellungsverfahren verwendet werden. Beispielsweise umfasst ein alternatives Verfahren folgende Schritte: (i) Positionieren der Halbleitervorrichtung 1, derart dass sie den Anschlussrahmen 6 und 7 entgegengesetzt ist; (ii) Anschließen der Anschlussrahmen 6 und 7 an die Halbleitervorrichtung 1; (iii) Anschließen des Anschlussrahmens 13 durch den Aluminiumdraht 9; (iv) Anschließen des Metallblocks 15 an der Bodenfläche der Halbleitervorrichtung 1; (v) Anschließen der jeweiligen Anschlussrahmen an den Metallblock 15, beispielsweise durch Widerstandsschweißen; und (vi) Anordnen eines integralen Aufbaus aus Anschlussrahmen 6, 7, 13, Halbleitervorrichtung 1 und Metallblock 15 in einer Metallform zum Spritzpressen, gefolgt von einer integralen Ausbildung mittels Spritzpressens.
Bei diesem Verfahren kann der schwere Metallblock 15 an der Halbleitervorrichtung 1 unmittelbar vor der Integration durch den Schritt des Spritzpressens befestigt werden. Dies verlängert einen Zeitraum des Transports, während dessen die Anschlussrahmen gehaltert werden, wodurch ein leichter und einfacher Transport ermöglicht wird. Es besteht kein Bedarf an spezieller Herstellungsausrüstung. Beträgt beispielsweise die Breite des Anschlussrahmens nicht mehr als ca. 70 mm, ist es unnötig, große Änderungen bei der Herstellungsausrüstung wie einer Chip- oder Drahtkontaktierungsvorrichtung vorzunehmen. Dadurch ist die Herstellungsausrüstung von niedrigen Kosten, und es kann leicht eine gemischte Herstellungsstraße mit anderen Vorrichtungen unterschiedlicher Art erzielt werden, wodurch die Produktivität erhöht wird. Dadurch wird ein preisgünstiges Produkt hergestellt.

Zweite bevorzugte Ausführungsform

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform ist eine Abwandlung der Leistungshalbleitervorrichtung der ersten bevorzugten Ausführungsform. Insbesondere sind Außenelektroden 6b, 7b und 13b von Anschlussrahmen 6, 7 und 13 an Stellen angeordnet, die von einer Hauptfläche eines Gehäuses 14 in einer senkrechten Richtung und von einer ebenen Fläche eines Metallblocks 15 weg vorspringen, an dem eine Halbleitervorrichtung 1 befestigt ist. Dieser Aufbau ermöglicht eine Verringerung der Dicke des Gehäuses 14, wodurch die Größe der Leistungshalbleitervorrichtung reduziert wird.
Fig. 4 zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Bei dieser Leistungshalbleitervorrichtung sind Teile der Anschlussrahmen 6, 7 und 13, die als Außenelektroden 6b, 7b und 13b freiliegend vom Gehäuse 14 sind, an einem vorspringenden Gehäuseteil 14e angeordnet, das von einer Hauptfläche 14d des Gehäuses 14 in einer senkrechten Richtung und (nach oben, wie in Fig. 4 zu sehen ist) weg von einem Befestigungsbereich der Halbleitervorrichtung 1 in der oberen Oberfläche des Metallblocks 15 vorspringt. Das Innere des vorspringenden Gehäuseteils 14e ist ein Leerraum 14f. Schraubenmuttern 12 sind jeweils bei Abschnitten des Leerraums 14f angeordnet, die in Kontakt mit den Außenelektroden 6b, 7b und 13b stehen. Die Schraubenmuttern 12 sind vorgesehen, um die Außenelektroden 6b, 7b und 13b an (nicht gezeigte) Außenverdrahtungen anzuschließen. Durch die Verwendung von (nicht gezeigten) Bolzen, die die Außenverdrahtungen durch Befestigungsdruck an die Außenelektroden 6b, 7b und 13b anschließen, kann der Kontaktwiderstand zwischen diesen reduziert werden.
Somit sollte sich durch die Anordnung der Außenelektroden 6b, 7b und 13b am vorspringenden Gehäuseteil 14e, die Hauptfläche 14d des Gehäuses 14 in einer Höhe befinden, die ausreicht, um die Anschlussrahmen 6, 7 und 13 zu bedecken. Dadurch wird eine Reduzierung der Dicke des Gehäuses 14 und somit eine Reduzierung der Größe der Leistungshalbleitervorrichtung ermöglicht. Zusätzlich sind die Außenelektroden 6b, 7b und 13b an der Stelle angeordnet, die in einer senkrechten Richtung zu und weg vom Befestigungsbereich der Halbleitervorrichtung 1 auf dem Metallblock 15 vorspringt. Selbst wenn auf einer Seite der Oberfläche des Gehäuses 14, an der der Metallblock 15 angeordnet ist, ein Kühlkörper 16 vorgesehen ist, ist es deshalb möglich, den Isolierabstand L1 zwischen dem Kühlkörper 16 und den Außenelektroden 6b, 7b und 13b zu vergrößern, wodurch die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung erhöht wird.
Im Gegensatz zur ersten bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich in der zweiten bevorzugten Ausführungsform das Formharz des Gehäuses 14 nicht auf einer Bodenfläche 15a auf der der Halbleitervorrichtung 1 entgegengesetzten Seite des Metallblocks 15. Anstatt dessen, ist die Bodenfläche 15a des Metallblocks 15 vom Gehäuse 14 freiliegend. Um den freiliegenden Teil zu bedecken, ist eine Isolierschicht 17, die beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht, mittels eines leitfähigen Klebstoffs am Metallblock 15 und Gehäuse 14 befestigt. Der Kühlkörper 16 ist auf die Isolierschicht 17 aufgecrimpt. Ansonsten ist die Konfiguration dieselbe wie diejenige der Leistungshalbleitervorrichtung der ersten bevorzugten Ausführungsform, und deshalb unterbleibt deren Beschreibung.
Gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform ermöglicht eine Reduzierung der Dicke des Gehäuses 14 eine Reduzierung der Menge des für die Herstellung notwendigen Formharzes, wodurch auch eine Abnahme bei den Herstellungskosten bewerkstelligt wird. Wird der Beitrag des Gehäuses 14 zur Steifigkeit der gesamten Leistungshalbleitervorrichtung mit dem Beitrag des Metallblocks 15 verglichen, dann ist das Verhältnis des Letzteren um den Abnahmebetrag bei der Dicke des Gehäuses 14 relativ erhöht. Da die Steifigkeit des Metallblocks 15 für gewöhnlich höher ist als diejenige des Formharzes, kann eine weitere Abnahme des Verzugs der Leistungshalbleitervorrichtung durch die oben erwähnte Konfiguration erzielt werden. Wie vorstehend beschrieben, wird der Verzug durch einen Unterschied im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metallblock 15 und dem Formharz sowie durch Aushärteschrumpfung des Formharzes hervorgerufen.
Eine Reduzierung des Verzugs der Leistungshalbleitervorrichtung ruft den folgenden Effekt hervor. Wird ein sehr steifes Material wie Aluminiumoxid für die Isolierschicht 17 verwendet, kann die auf die Isolierschicht 17 und den leitfähigen Klebstoff wirkende mechanische Spannung reduziert werden, um dadurch die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung zu erhöhen, die harschen Temperaturbedingungen unterliegt. Wenn die Befestigung mittels Lot anstelle von leitfähigem Klebstoff durchgeführt wird, ist eine bestimmte Lotdicke notwendig, um einen Verbindungsspalt zwischen der Isolierschicht 17 und dem Metallblock 15 einzubetten. Dennoch bringt geringerer Verzug der Bodenfläche 15a des Metallblocks 15 den Vorteil, dass zumindest eine ausreichende Dicke des Lots reduziert werden kann und somit einen niedrigen Wärmewiderstand ermöglicht.
Darüber hinaus besteht der Vorteil, dass, wenn der Kühlkörper 16 an der Isolierschicht 17 befestigt ist, geringerer Verzug der Oberfläche der Isolierschicht 17 den Wärmewiderstand zwischen dem Kühlkörper 16 und der Isolierschicht 17 senkt.
Im Falle der ersten bevorzugten Ausführungsform ist es notwendig, die Dicke der Leistungshalbleitervorrichtung zu erhöhen, um den Isolierabstand zwischen dem Kühlkörper 16 und den Außenelektroden zu erhöhen, die von den Seitenflächen vorspringen. Das Formharz sollte jedoch dick genug sein, um die Anschlussrahmen 6, 7, 13 und den Aluminiumdraht 9 im Gehäuse 14 einzuschließen.
In dem in Fig. 13 gezeigten Drahtkontaktierungsaufbau machen beispielsweise mehrere Aluminiumdrähte mit einem Durchmesser von 400 µm die elektrischen Verdrahtungen aus. Um die Aluminiumdrähte zu schützen, ist es notwendig, eine Bogenform unter Verwendung von Aluminiumdrähten auszubilden, die eine Höhe von ungefähr einigen Millimetern hat. Um die Aluminiumdrähte zu schützen, ist es notwendig, die Dicke des Gehäuses zu vergrößern.
Während die zweite bevorzugte Ausführungsform die Anschlussrahmen anstelle von Aluminiumdrähten verwendet, besteht keine Notwendigkeit, die Dicke des Formharzes in verschwenderischer Weise zu erhöhen, um Bögen von Drahtkontaktierung zu bedecken. Auch in der zweiten bevorzugten Ausführungsform wird der Aluminiumdraht 9 zur Verdrahtung der Signalelektrode 1c verwendet. Und zwar, weil die durch diese hindurchfließende Strommenge gering ist und deshalb ein kurzer oder schmaler Draht ausreicht. Deshalb fällt die Höhe der Bögen in eine Größenordnung von ungefähr einigen Hundert µm, was die Formharzdicke unmerklich beeinflusst.

Dritte bevorzugte Ausführungsform

Eine dritte bevorzugte Ausführungsform ist eine Abwandlung der Leistungshalbleitervorrichtung der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Insbesondere sind Außenelektroden an einem Punkt einwärts des Seitenfrontteils eines Gehäuses in einer Hauptfläche des Gehäuses angeordnet. Dies erhöht den Isolierabstand zwischen einem Kühlkörper und den Außenelektroden noch mehr.
Fig. 5 zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der dritten bevorzugten Ausführungsform. Bei dieser Vorrichtung sind auch Leiter 6e und 13d an Teile der Anschlussrahmen 6, 7 und 13 angelötet, die als Außenelektroden 6b, 7b bzw. 13b vom Gehäuse 14 freiliegend sind. Die sich ergebenden Verbindungen werden Außenelektroden genannt. Der Leiter ist auch an die Außenelektrode 7b angelötet. Dies ist in Fig. 5 nicht gezeigt, da er sich hinter dem Leiter 6e befindet.
In der dritten bevorzugten Ausführungsform hat das Gehäuse 14 kein vorspringendes Gehäuseteil 14e. Anstelle dessen sind die Leiter 6e und 13d an die Außenelektroden angeschlossen. Im Ergebnis sind die Außenelektroden an Stellen angeordnet, die von der Hauptoberfläche des Gehäuses 14 in einer senkrechten Richtung und weg von einer Seite eines Metallblocks 15 vorspringen, auf dem eine Halbleitervorrichtung 1befestigt ist. Ansonsten ist die Konfiguration dieselbe wie diejenige der Leistungshalbleitervorrichtung der zweiten bevorzugten Ausführungsform, weshalb deren Beschreibung unterbleibt.
Somit weist die dritte bevorzugte Ausführungsform das Merkmal auf, dass sich die Außenelektroden 6b, 6e, 7b, 13b und 13d an einem Punkt um den Abstand L3 einwärts vom Seitenstirnteil des Gehäuses 14 in der Hauptfläche 14d des Gehäuses 14 befinden. Dies vergrößert den Isolierabstand L2 zwischen dem Kühlkörper 16 und den Außenelektroden noch mehr, wodurch die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung weiter erhöht wird.
Vierte bevorzugte Ausführungsform
Eine vierte bevorzugte Ausführungsform ist auch eine Abwandlung der Leistungshalbleitervorrichtung der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Insbesondere sind Vorsprünge auf einer ebenen Fläche eines Metallblocks 15 vorgesehen, auf der eine Halbleitervorrichtung 1 befestigt ist.
Dies trägt zu Verbesserungen bei der Haftung an der Grenzfläche zwischen einem Formharz und dem Metallblock 15 bei.
Fig. 6 zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der vierten bevorzugten Ausführungsform. Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht vor der Ummantelung mit Formharz. Mit Bezug auf diese Figuren weist die vierte bevorzugte Ausführungsform das Merkmal auf, dass mehrere Vorsprünge 18 auf der ebenen Fläche des Metallblocks 15, auf der die Halbleitervorrichtung 1 befestigt ist, voneinander beabstandet sind. Die Vorsprünge 18 erzeugen eine Verankerungswirkung, um die Haftstärke zwischen dem Metallblock 15 und dem Formharz zu festigen, wodurch die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung gesteigert wird.
Besonders wirkungsvoll ist es, dass die Vorsprünge 18 kollektiv am Stirnteil des Metallblocks 15 und um die Halbleitervorrichtung 1 auf der Ebene des Metallblocks, auf dem die Halbleitervorrichtung 1 befestigt ist, angeordnet sind. Natürlich können auch Vorsprünge 18 dazwischen angeordnet sein, vorzugsweise mit hoher Dichte.
Bei der Leistungshalbleitervorrichtung der zweiten bevorzugten Ausführungsform könnte das folgende Phänomen auftreten, wenn ein Temperaturunterschied bei Wärmezyklusbedingungen unter Berücksichtigung harscher Umgebungsbedingungen auf einen hohen Wert gesetzt wird. Und zwar tritt zwischen dem Formharz und Metallblock 15 eine Ablösung auf und erreicht die Umgebung der Halbleitervorrichtung 1, und ein Riss entsteht in der Lötstelle eines Chipkontaktierungsteils der Halbleitervorrichtung 1. Dies zeigt, dass die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung weitestgehend durch das Formharz beeinflusst wird. Eine Leistungshalbleitervorrichtung, die für Verwendung unter harschen Umgebungsbedingungen zufriedenstellend ist, kann realisiert werden, - indem der Klebstoff zwischen dem Formharz und dem Metallblock 15 wie in der vierten bevorzugten Ausführungsform vermehrt wird.
Um eine Rissbildung selbst zu unterdrücken, ist es wirkungsvoll, die Vorsprünge 18 in der Nähe des Stirnteils des Metallblocks 15 anzuordnen. Um Rissfortbildung zur Lötstelle zu verhindern, die unter der Halbleitervorrichtung 1 liegt, ist es wirkungsvoll, die Vorsprünge 18 um die Halbleitervorrichtung 1 herum anzuordnen.
Indem mit Bezug auf Fig. 7 die Vorsprünge 18 des Metallblocks 15 kollektiv um die Befestigungsfläche der Halbleitervorrichtung 1 herum angeordnet werden, können die Vorsprünge 18 als Damm verwendet werden, um die Ausdehnung lotbenetzter Flächen zu unterdrücken. Insbesondere im Hinblick auf die Hauptfläche des Metallblocks 15 weisen die Umfangsteile der Vorsprünge 18 einen bestimmten Winke) auf, um einen Unterschied im Benetzungswinkel hervorzurufen, der den Effekt aufweist, die Ausdehnung lotbenetzter Flächen zu unterdrücken. Deshalb wird die Verwendung bleifreien Lots mit geringer Benetzungsausdehnung die Ausbildung einer Lotbarriere zur Eingrenzung des Bereichs der Lotausdehnung unnötig machen, was zu einer Reduzierung bei den Herstellungskosten führt.
Als Verfahren zur Ausbildung der Vorsprünge 18 kann ein Pressvorgang wie Prägen verwendet werden. Pressen erfordert eine in höchstem Maße kürzere maschinelle Bearbeitungszeit als Schneiden und weist hohe Produktivität auf. Bei der Ausbildung von Vorsprüngen durch Prägen kann ein Phänomen ausgenutzt werden, dass, wenn konvexe Teile auf einer Metallform gegen den Metallblock 15 gepresst werden, die Umgebung der gepressten Bereiche im Relief kraterartig ist.
Alternativ können dieselben Vorsprünge wie oben beschrieben oder durchgehende Löcher (die nicht gezeigt sind) in den Anschlussrahmen 6 und 7 vorgesehen sein. Dies ruft denselben Verankerungseffekt hervor wie oben beschrieben, wodurch die Haftung zwischen den Anschlussrahmen 6, 7, der Halbleitervorrichtung 1, und dem Metallblock 15 verstärkt wird.
Mit Bezug auf Fig. 6 ist eine Stufe 14g an der Wandfläche vorgesehen, die einem Leerraum 14f innerhalb eines vorspringenden Gehäuseteils 14e zugewandt ist. Dadurch ist der Isolierabstand bei der Stufe 14g vergrößert, und der Isolierabstand L4 zwischen dem Kühlkörper 16 und den Außenelektroden 6b, 7b und 13b kann sichergestellt werden, während der Betrag des Vorsprungs des vorspringenden Gehäuseteils 14e unterdrückt wird.
Andererseits ist die Konfiguration dieselbe wie diejenige der Leistungshalbleitervorrichtung der zweiten bevorzugten Ausführungsform, und deshalb unterbleibt deren Beschreibung.

Fünfte bevorzugte Ausführungsform

Eine fünfte bevorzugte Ausführungsform ist auch eine Abwandlung der Leistungshalbleitervorrichtung der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Insbesondere ist ein Teil eines Anschlussrahmens, der an eine Leistungshalbleitervorrichtung 1 angeschlossen ist, als Abstrahlungsteil freiliegend von einer Hauptfläche des Gehäuses. Dies vergrößert die Abstrahlungswirkung der Halbleitervorrichtung, wodurch deren Wärmewiderstand gesenkt wird.
Fig. 8 zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der fünften bevorzugten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist ein Teil 6f des Anschlussrahmens 6, der an einer Hauptelektrode 1b der Halbleitervorrichtung 1 befestigt ist, freiliegend vom Teil 14h der Hauptfläche des Gehäuses 14, wie in Fig. 8 gezeigt ist.
Dieser Aufbau erhöht die Abstrahlungseigenschaft auf einer Oberfläche 1b der Halbleitervorrichtung 1, und der Abstrahlungswirkungsgrad der Halbleitervorrichtung 1 kann in Kombination mit der Abstrahlwirkung des Metallblocks 15 und Kühlkörpers 16 auf der Bodenfläche 1a erhöht werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung beim Wärmewiderstand der Leistungshalbleitervorrichtung.
Da der Wärmewiderstandsverlust noch weiter reduziert werden kann, kann insbesondere die Leistungsumsetzkennlinie, sogar wenn die Fläche der Halbleitervorrichtung 1 reduziert ist, nicht gesenkt werden. Dies ermöglicht es, die Fläche der Halbleitervorrichtung 1 zu reduzieren und die Anzahl an Halbleitervorrichtungen 1, die pro Wafer erhalten werden können, zu erhöhen, was somit zu einer Kostenabnahme führt. Alternativ ist es möglich, sofern die Fläche der Halbleitervorrichtung 1 nicht reduziert ist, die Menge an elektrischem Strom zu erhöhen, die durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 verarbeitet werden kann, was somit zu Verbesserungen in der Leistung der Leistungshalbleitervorrichtung führt.
Der weniger dicke Anschlussrahmen 6 könnte keine ausreichende Abstrahlungswirkung aufweisen, und deshalb hat er vorzugsweise eine Dicke von beispielsweise nicht weniger als 0,5 mm.
Die Zuverlässigkeit des Lötteils kann verbessert werden, indem die Dicke der unmittelbaren Umgebung des Teils des Anschlussrahmens 6, der an der Hauptelektrode 1b befestigt ist, wie vorstehend beschrieben reduziert wird.
Mit Bezug auf Fig. 8 ist das Teil 6f des Anschlussrahmens 6, der das Abstrahlteil ist, ein im Anschlussrahmen 6 vorgesehener eingelassener Bereich. Das Bodenteil des eingelassenen Bereichs ist auf der Elektrode 1b in der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 befestigt.
Wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform beschrieben, ist es wünschenswert, dass das Verbindungsteil des Anschlussrahmens 6 in die Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 eingeschoben ist, ohne Kontakt mit dem Umfangsteil der Halbleitervorrichtung 1 herzustellen. Zu diesem Zweck ist das Teil 6f des Anschlussrahmens 6 als eingelassener Bereich ausgebildet.
Im Hinblick auf Produktivität verwendet der Spritzpressvorgang vorzugsweise eine Metallform, die so konstruiert ist, dass die obere und untere Metallform zusammenpasst. Sie ist so angeordnet, dass der Anschlussrahmen 6 den eingelassenen Bereich aufweist, und das Bodenteil des eingelassenen Bereichs mit der Elektrode 1b auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 1 in Kontakt gebracht wird. Wenn die obere und untere Metallform geschlossen werden, wird deshalb die obere Metallform mit dem Teil 6f des Anschlussrahmens 6 keinen direkten Kontakt haben, der der Halbleitervorrichtung zugewandt ist. Im Ergebnis unterliegt die Halbleitervorrichtung 1, falls der Druck zum Schließen der Metallform erhöht werden sollte, keinem Druck, wodurch ein nachteiliger Effekt wie Bruch verhindert wird. Deshalb ist es unnötig, den Druck der Metallform auf einen kleinen Wert zu setzen. Dies macht es möglich, Formgrate etc. zu unterdrücken, die im ausgeformten Gehäuse 14 vorhanden sein könnten.
Obwohl in dieser Ausführungsform der im Anschlussrahmen 6 eingelassene Bereich die Form eines umgekehrten Trapezes hat, kann er von jeder Form sein, die Elastizität aufweist, wenn die untere und obere Form aufeinandergepasst werden.
Obwohl die Möglichkeit besteht, dass das Formharz zum eingelassenen Bereich des Anschlussrahmens 6 läuft oder Grate daran entstehen, kann beides beispielsweise auf die folgende Weise verhindert werden. Das Spritzpressen wird ausgeführt, nachdem ein flexibles Harz auf den eingelassenen Bereich des Anschlussrahmens 6 oder seine umliegenden Bereiche aufgetragen und das flexible Harz dann entfernt wird.
Ansonsten ist die Konfiguration dieselbe wie diejenige der Leistungshalbleitervorrichtung der zweiten bevorzugten Ausführungsform, weshalb deren Beschreibung unterbleibt.

Sechste bevorzugte Ausführungsform

Eine sechste bevorzugte Ausführungsform ist eine Abwandlung der Halbleitervorrichtung der fünften bevorzugten Ausführungsform. Insbesondere ist ein weiterer Metallblock am Teil 6f des Anschlussrahmens 6 befestigt, der das Abstrahlungsteil ist. Dieser Metallblock fungiert als Wärmeverteiler, um die von der Halbleitervorrichtung 1 abgegebene Wärme zu zerstreuen. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Abstrahlung der Halbleitervorrichtung 1 noch mehr, wodurch auch die Wärmebeständigkeit einer Leistungshalbleitervorrichtung weiter erhöht wird.
Fig. 9 zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der sechsten bevorzugten Ausführungsform. Der Aufbau von Fig. 9 unterscheidet sich von demjenigen von Fig. 8 darin, dass ein weiterer Metallblock 19 hinzugefügt ist. Der Metallblock 19 ist am Teil 6f des Anschlussrahmens 6 angelötet.
Bei diesem Aufbau fungiert der Metallblock 19 als Wärmeverteiler, um die von der Halbleitervorrichtung 1 abgegebene Wärme zu zerstreuen. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Abstrahlung der Halbleitervorrichtung 1 noch mehr erhöht und der Wärmewiderstand der Leistungshalbleitervorrichtung weiter gesenkt werden.
Der Metallblock 19 kann jede beliebige Form haben. Der Wirkungsgrad der Abstrahlung steigt noch mehr an, wenn der Metallblock 19 mit einem dickeren Element als der Anschlussrahmen 6 gebildet und fest am Teil 6f des Anschlussrahmens 6 befestigt ist. Der Anschlussrahmen 6 weist vorzugsweise eine große Dicke auf, wie vorstehend in der fünften bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde. Falls es schwierig sein sollte, diese Dicke zu vergrößern, kann die Abstrahlungseigenschaft erhöht werden, indem die Dicke des Metallblocks 19 gemäß der sechsten bevorzugten Ausführungsform vergrößert wird.
Wie der Metallblock 15 kann der Metallblock 19 aus sauerstofffreiem hochleitfähigem Kupfer oder jedem anderen Metall bestehen, z. B. SiC-Al, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem von Si näher kommt als demjenigen des Anschlussrahmens 6. Dadurch wird die Wärmespannung, mit der das Lötteil beaufschlagt wird, reduziert, und die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung wird für eine lange Zeit aufrechterhalten.
Ansonsten ist die Konfiguration dieselbe wie diejenige der Leistungshalbleitervorrichtung der fünften bevorzugten Ausführungsform, weshalb deren Beschreibung unterbleibt.

Siebte bevorzugte Ausführungsform

Eine siebte bevorzugte Ausführungsform ist eine Abwandlung der Halbleitervorrichtung der sechsten bevorzugten Ausführungsform. Insbesondere ist ein Luftspalt, der in der Lage ist, ein Kühlmittel (im Folgenden als "Docht" bezeichnet) im Metallblock 15 und dem weiteren Metallblock 19 vorgesehen. Das Kühlmittel leitet die von der Halbleitervorrichtung 1 abgegebene Wärme ab. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Abstrahlung der Halbleitervorrichtung und ermöglicht somit eine Abnahme beim Wärmewiderstand der Leistungshalbleitervorrichtung.
Fig. 10 zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der siebten bevorzugten Ausführungsform. Mit Bezug auf Fig. 10 unterscheidet sich diese Ausführungsform von derjenigen von Fig. 9 darin, dass Dochte 20 und 21 im Metallblock 15 bzw. dem weiteren Metallblock 19 vorgesehen sind. Die Dochte 20 und 21 sind mit einem Kühlmittel wie Flon oder seinem Ersatzmittel, Wasser oder Luft gefüllt.
Bei der Konfiguration, dass die Dochte 20 und 21 im Metallblock 15 bzw. dem weiteren Metallblock 19 ausgebildet sind, und die Dochte 20 und 21 mit dem Kühlmittel gefüllt sind, nimmt das Kühlmittel unmittelbar unter der Halbleitervorrichtung 1 die von dieser abgegebene Wärme auf und führt einen Wärmeaustausch mit der Außenumgebung durch. Insbesondere findet der Wärmeaustausch durch Erhitzungs- und Abkühlungsphänomene statt, die, wenn das Kühlmittel unmittelbar unter der Halbleitervorrichtung sich erhitzt, es sich von der Halbleitervorrichtung 1 weg und in die Dochte 20, 21 bewegt, und sich dann nach Kontakt mit niedrigen Temperaturen verflüssigt.
Mit Bezug auf Fig. 10, obwohl die Dochte 20, 21 als Luftspalt mit einer großen Anzahl an Rippen geformt sind, können sie von jeder beliebigen Form sein, die mit solch einem kleinen Luftspalt mit einer großen Oberfläche versehen ist und sich Kapillarerscheinungen zunutze machen kann. Beispielsweise können sie von einer derartigen Struktur sein, dass der Metallblock 15 und der weitere Metallblock 19 mit einer großen Menge Luftblasen gefüllt sind.
Indem die mit Kühlmittel gefüllten Dochte 20 und 21 im Metallblock 15 und dem weiteren Metallblock 19 angeordnet werden, leitet das Kühlmittel die von der Halbleitervorrichtung 1 abgegebene Wärme ab. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Abstrahlung der Halbleitervorrichtung und ermöglicht somit eine Abnahme beim Wärmewiderstand der Leistungshalbleitervorrichtung. Wenn Mo-Legierung und SiC-Al als Material für den Metallblock 15 und den weiteren Metallblock 19 verwendet werden, um die Zuverlässigkeit des Lötteils zu erhöhen, besteht das Problem, dass der Wärmewiderstand der Leistungshalbleitervorrichtung steigt, da deren Wärmeleitfähigkeit niedriger ist als diejenige von Cu. Nach der vorliegenden Erfindung unterdrückt die Anordnung der Dochte 20 und 21 unmittelbar in der Nähe der Halbleitervorrichtung 1 den Wärmewiderstand der Leistungshalbleitervorrichtung und reduziert die Fläche der Halbleitervorrichtung 1.
Bei der siebten bevorzugten Ausführungsform sind die Dochte 20 und 21 von der Art, die einen Wärmeaustausch durchführt, indem eine Phasenumwandlung in dem geschlossenen Raum verwendet wird. Beispielsweise können sie von jeder Art sein, die über eine Rohrleitung an einen externen Wärmeaustauscher angeschlossen ist und den Wärmeaustausch über eine Kühlwasserzirkulation bewerkstelligt.
Ansonsten ist die Konfiguration dieselbe wie diejenige der Leistungshalbleitervorrichtung in der sechsten Ausführungsform, weshalb deren Beschreibung unterbleibt.

Achte bevorzugte Ausführungsform

Eine achte bevorzugte Ausführungsform ist eine Abwandlung der Leistungshalbleitervorrichtung der ersten bevorzugten Ausführungsform. Insbesondere gibt es mehrere Einheiten aus Halbleitervorrichtung 1, Metallblock 15 und Anschlussrahmen 6, 7, 13, und alle Einheiten sind integral mit dem Formharz des Gehäuses 14 bedeckt.
Die Fig. 11 und 12 zeigen eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der achten bevorzugten Ausführungsform. Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht vor dem Ummanteln mit dem Formharz. Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht nach dem Ummanteln mit dem Formharz.
Mit Bezug auf diese Figuren gibt es mehrere Einheiten aus Halbleitervorrichtung 1, Aluminiumdraht 9, Metallblock 15 und Anschlussrahmen 6, 7, 13, die in Fig. 2 gezeigt sind. Das Formharz des Gehäuses 14 ummantelt alle Einheiten integral. Die Konfiguration in den Fig. 11 und 12 unterscheidet sich von derjenigen von Fig. 2 darin, dass die Position des Anschlussrahmens 7 parallel mit dem Anschlussrahmen 13 anstatt dem Anschlussrahmen 6 ist. Dieser Unterschied zielt darauf ab, einfach zu zeigen, dass die Anschlussrahmen 6, 7 und 13 willkürlich angeordnet sein können.
Indem das Formharz des Gehäuses 14 dazu verwendet wird, die mehreren Einheiten aus Halbleitervorrichtung 1, Metallblock 15 und Anschlussrahmen 6, 7, 13 integral zu ummanteln, ist es möglich, ein kompaktes Modul herzustellen, das mehrere Halbleitervorrichtungen erfordert, und das beispielsweise in einer dreiphasigen Wechselrichterschaltung verwendet wird.
Ansonsten ist die Konfiguration dieselbe wie diejenige der Leistungshalbleitervorrichtung der ersten bevorzugten Ausführungsform, weshalb deren Beschreibung unterbleibt.
Während die Erfindung im Einzelnen aufgezeigt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in allen ihren Aspekten illustrativ und nicht einschränkend. Deshalb versteht es sich von selbst, dass zahlreiche Abwandlungen und Variationen angedacht werden können, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Leistungshalbleitervorrichtung mit:
einer Halbleitervorrichtung (1), die eine obere Fläche (1b) und eine Bodenfläche (1a) aufweist;
einem Metallblock (15), der an der Bodenfläche der Halbleitervorrichtung befestigt ist;
einem Anschlussrahmen (6), der auf der oberen Fläche der Halbleitervorrichtung befestigt ist, und
einem Gehäuse (14) aus einem Formharz, das die Halbleitervorrichtung, den Metallblock und den Anschlussrahmen integral ummantelt.

2. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der
ein Teil des Anschlussrahmens vom Gehäuse als Außenelektrode (6b) freiliegend ist, und
die Außenelektrode an einer Stelle angeordnet ist, die von einer Hauptfläche (14d) des Gehäuses in einer senkrechten Richtung und weg von einer ebenen Fläche des Metallblocks vorspringt, auf der die Halbleitervorrichtung befestigt ist.

3. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Außenelektrode an einem Punkt innerhalb (Innenabstand L3) von einem Seitenfrontteil des Gehäuses in der Hauptoberfläche des Gehäuses angeordnet ist.

4. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 2, bei der
ein Teil (14e) des Gehäuses von dessen Hauptfläche vorspringt,
die Außenelektrode auf diesem Teil des Gehäuses angeordnet ist,
ein Luftspalt (14f), der sich zur Außenelektrode erstreckt, innerhalb dieses Teils des Gehäuses angeordnet ist, und
eine Stufe (14g) an einer Wandfläche dieses Teils des Gehäuses angeordnet ist, die dem Luftspalt zugewandt ist.

5. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Vorsprung (18) auf einer ebenen Fläche des Metallblocks angeordnet ist, auf der die Halbleitervorrichtung befestigt ist.

6. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Teil des Anschlussrahmens von einer Hauptfläche (14h) des Gehäuses als Abstrahlungsteil (6f) freiliegend ist.

7. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Abstrahlungsteil eine im Anschlussrahmen vorgesehene eingelassene Fläche ist, wobei ein Bodenteil der eingelassenen Fläche auf der oberen Fläche der Halbleitervorrichtung befestigt ist.

8. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 6, bei der ein weiterer Metallblock (19) auf dem Abstrahlungsteil befestigt ist.

9. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 8, bei der ein Luftspalt (21), der ein Kühlmittel halten kann, in dem weiteren Metallblock vorgesehen ist.

10. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Luftspalt (20), der ein Kühlmittel halten kann, in dem Metallblock vorgesehen ist.

11. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der
es mehrere Einheiten aus der Halbleitervorrichtung, dem Metallblock und dem Anschlussrahmen gibt, und
alle dieser mehreren Einheiten integral mit dem Formharz des Gehäuses ummantelt sind.

12. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, darüber hinaus mit: einem Kühlkörper (16) auf einer Seite der Oberfläche des Gehäuses, auf der der Metallblock angeordnet ist.

13. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Formharz einen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich im Bereich von ± 20% von demjenigen des Metallblocks unterscheidet.