DE10260663A1

DE10260663A1 - Halbleiterleistungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10260663A1
Application number: DE10260663A
Authority: DE
Inventors: Naohiko Hirano; Takanori Teshima; Yoshimi Nakase; Shoji Miura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: US20030122232A1; US6917103B2; JP2003258166A; CN1430268A; JP3627738B2; CN1226785C; DE10260663B4

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung (11) enthält einen Halbleiterchip (12), eine erste Wärmesenke (13), eine zweite Wärmesenke (14) und ein Formharz (17). Die erste Wärmesenke (13) ist elektrisch und thermisch mit einer Fläche des Halbleiterchips (12) verbunden, um als eine Elektrode für den Halbleiterchip (12) zu fungieren, und um die von dem Halbleiterchip (12) erzeugte Wärme abzugeben. Die zweite Wärmesenke (14) ist elektrisch und thermisch mit einer anderen Fläche des Halbleiterchips (12) verbunden, um als eine andere Elektrode für den Halbleiterchip (12) zu fungieren, und um die Wärme abzugeben. Der Halbleiterchip (12) und die ersten und zweiten Wärmesenken (13, 14) sind mit dem Formharz (17) bedeckt, so dass die Wärmesenken (13, 14) auf einer im wesentlichen flachen Fläche (19) des Formharzes (17) freigelegt sind. Die Vorrichtung (11) ist vorteilhafter Weise kostensparend in der Herstellung und weist eine vorteilhafte Wärmeabgabefähigkeit auf, da die Einrichtung zum Isolieren der Wärmesenken (13, 14) und Abgeben der Wärme von dem Halbleiterchip (12) mit obigem Aufbau einfach wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, bei der ein wärmeerzeugender Halbleiterchip zwischen einem Paar Wärmesenken liegt, und ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung.

Ein Halbleiterchip zum Steuern großer elektrischer Leistung und Strom erzeugt soviel Wärme im Betrieb, dass eine vorgeschlagene Halbleitervorrichtung, die den Chip enthält, ein Paar Wärmesenken enthält, die aus einem Metall, wie z. B. Kupfer und Aluminium, hergestellt sind, um die von dem Chip erzeugte Wärme effizient abzugeben. Wie in Fig. 1 dargestellt liegt bei einer vorgeschlagenen Halbleitervorrichtung 1 ein Halbleiterchip 2 und ein Kopplungsmittel 5 zwischen einer ersten Wärmesenke 3 oder einer unteren Wärmesenke 3 und einer zweiten Wärmesenke 4 oder einer oberen Wärmesenke 4. Die obere Wärmesenke 4 und das Kopplungsmittel 5, das Kopplungsmittel 5 und der Chip 2, und der Chip 2 und die untere Wärmesenke 3 sind jeweils durch Lötmittel verbunden.

Die oberen und unteren Wärmesenken 4, 3 fungieren auch als Elektroden für den Halbleiterchip. Ein Formharz 6 liegt zwischen den Wärmesenken 3, 4, um den Chip 2, das Kopplungsmittel 5 und die Lötmittel abzudichten. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die obere und die untere Wärmesenke 4, 3 jeweils auf der unteren Fläche und der oberen Fläche der Vorrichtung 1 freigelegt. Daher übertragen die obere und untere Wärmesenke 4, 3 wirkungsvoll die von dem Chip 2 erzeugte Wärme und bauen diese ab, während sie teilweise durch das Formharz 6 isoliert sind.

Wie in Fig. 2 gezeigt, liegt die verwendete Halbleitervorrichtung 1 zwischen einem Kühlbauteil 7 und einer U-förmigen Metallhalterung 9, die mit dem Kühlbauteil 7 über Schrauben 10 verbunden ist. Zwei Isolierfolien 8 sind jeweils zwischen dem Kühlungsbauteil 7 und der Vorrichtung 1 und zwischen der Vorrichtung 1 und der Metallhalterung 9 angesiedelt. Das Kühlbauteil 7 ist aus einem Metall, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, hergestellt, das wirkungsvoll Wärme übertragen und abbauen kann. Obwohl nicht dargestellt, enthält das Kühlbauteil einen Kühlwasserkanal. Die Metallhalterung 9 ist aus einem Metall wie z. B. Kupfer oder Aluminium hergestellt. Die Isolierfolien 8 müssen aus einem isolierenden Material hergestellt werden, das thermisch leitend und elastisch schrumpffähig ist.

In der Halbleitervorrichtung 1 sind die obere und die untere Wärmesenken 4, 3 freigelegt, so dass die Isolierfolien 8 benötigt werden, um die freigelegten Oberflächen zu isolieren, und die Metallhalterung 9 wird benötigt, um die von dem Chip 2 erzeugte Wärme von der oberen Wärmesenke 4 zu dem Kühlbauteil 7 zu übertragen. Daher ist der Aufbau des in Fig. 2 gezeigten zusammengebauten Gegenstandes relativ kompliziert, und die Herstellungskosten des zusammengebauten Produktes sind relativ hoch.

Darüber hinaus weicht die Dicke der Halbleitervorrichtung 1 in einem bestimmten Ausmaß ab. Daher ist es schwierig, die Kraft, mit der die Metallhalterung 9 die Halbleitervorrichtung 1 gegen das Kühlbauteil 7 drückt, zu steuern, wenn die Halbleitervorrichtung 1 mit der Metallhalterung 9 an dem Kühlbauteil 7 befestigt wird. Wenn die Dicke der Halbleitervorrichtung 1 zu sehr von einem vorbestimmten Wert abweicht, bricht die Halbleitervorrichtung 1 oder ist nicht fest an dem Kühlbauteil 7 befestigt. Wenn nur die Isolierfolien 8 die Kraft genug absorbieren würden, könnte obiges Problem gelöst sein. Allerdings war bisher noch kein Material verfügbar, das ausreichend elastisch schrumpffähig war, um für die Isolierfolien 8 verwendet zu werden.

Darüber hinaus wird in der Halbleitervorrichtung 1 die von dem Halbleiterchip 2 erzeugte Wärme teilweise von der oberen Wärmesenke 4 zu dem Kühlbauteil 7 durch eine der Isolierfolien 8 und die Metallhalterung 9 übertragen. Daher ist der Wärmeübertragungsweg durch die obere Wärmesenke 4 viel länger als durch die untere Wärmesenke 3, so dass die obere Wärmesenke 4 die Wärme weniger wirkungsvoll abbaut als die untere Wärmesenke 3.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Aspekte gemacht. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellungskosten der Halbleiterleistungsvorrichtung durch Vereinfachung der Einrichtung zum Isolieren einer Wärmesenke und der Einrichtung zum Abbauen der Wärme von der Wärmesenke zu reduzieren, und darüber hinaus die Wärmeabbaufähigkeit der Wärmesenke zu verbessern.

In der vorliegenden Erfindung enthält eine Halbleitervorrichtung einen Halbleiterchip, eine erste Wärmesenke, eine zweite Wärmesenke und ein Formharz. Die erste Wärmesenke ist elektrisch und thermisch mit einer Oberfläche des Halbleiterchips verbunden, um als eine Elektrode für den Halbleiterchip zu fungieren und die von dem Halbleiterchip erzeugte Wärme abzubauen. Die zweite Wärmesenke ist elektrisch und thermisch mit einer anderen Oberfläche des Halbleiterchips verbunden, um als eine andere Elektrode für den Halbleiterchip zu fungieren, und die Wärme abzubauen. Der Halbleiterchip und die Wärmesenken sind mit dem Formharz bedeckt, so dass die Wärmesenken auf einer im wesentlichen flachen Oberfläche des Formharzes freigelegt sind.

Mit dem obigen Aufbau wird die Einrichtung zum Isolieren der Wärmesenken und Abbauen der Wärme von dem Halbleiterchip einfach, so dass die Vorrichtung vorteilhafter Weise in der Herstellung wirtschaftlich ist und vorteilhafter Weise Wärmeabbaufähigkeiten aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Obige und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung deutlicher.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer vorgeschlagenen Halbleitervorrichtung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen mit der vorgeschlagenen Vorrichtung und einer Kühleinheit zusammengebauten Gegenstand;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A und 4B sind Vorder- und Seitenansichten eines jeweils mit der Halbleitervorrichtung von Fig. 3 und einer Kühleinheit zusammengebauten Gegenstands;
Fig. 5 ist eine Vorderansicht eines anderen mit der Halbleitervorrichtung von Fig. 3 und einer Kühleinheit zusammengebauten Gegenstands;
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist eine Seitenansicht der Halbleitervorrichtung von Fig. 11;
Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 ist eine Querschnittsansicht eines Gegenstandes in Explosionsdarstellung, der mit der Halbleitervorrichtung von Fig. 13, einer Isolierplatte und einem Kühlbauteil zusammengebaut ist;
Fig. 16 ist eine Querschnittsansicht eines Gegenstandes in Explosionsdarstellung, der mit der Halbleitervorrichtung gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einem Kühlbauteil zusammengebaut ist;
Fig. 17 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 18 ist eine Draufsicht auf die untere Wärmesenke von Fig. 17.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung wird detaillierter mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben.

Erste Ausführungsform

Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer ersten Ausführungsform einen Halbleiterchip 12, der Wärme erzeugt, eine erste Wärmesenke 13, oder obere Wärmesenke 13, eine zweite Wärmesenke 14, oder untere Wärmesenke 14, ein Kopplungsmittel 15 und ein Formharz 17. Die obere und die untere Wärmesenke 14, 13 sind elektrisch und thermisch mit dem Halbleiterchip 12 verbunden, um die Wärme von dem Halbleiterchip abzugeben, und um als eine Elektrode für den Halbleiterchip zu fungieren. Das Kopplungsmittel 15 liegt zwischen dem Halbleiterchip 12 und der oberen Wärmesenke 14, um den Halbleiterchip 12 und die obere Wärmesenke elektrisch und thermisch zu verbinden.
Der Halbleiterchip 12 ist z. B. ein Leistungshalbleiter, wie z. B. ein Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode (IGBT) oder ein Thyristor in Form von z. B. einer dünnen rechteckigen Platte. Die obere Wärmesenke 14, die untere Wärmesenke 13 und das Kopplungsmittel 15 sind z. B. aus Kupfer hergestellt. Anstatt Kupfer kann ein Metall mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. Aluminium, verwendet werden.
Wie in Fig. 3 dargestellt, sind eine erste Fläche oder die untere Fläche des Chips 12 und die obere Fläche der unteren Wärmesenke 13 durch ein Lötmittel 16 verbunden, wie auch eine zweite Fläche oder die obere Fläche des Chips 12 und die untere Fläche des Kopplungsmittels 15, und auch die obere Fläche des Kopplungsmittel 15 und die untere Fläche der oberen Wärmesenke 14. Die von dem Halbleiterchip 12 erzeugte Wärme wird übertragen und über das Kopplungsmittel 15 und die obere und untere Wärmesenke 14, 13 von der Halbleitervorrichtung 11 aus nach außen abgegeben.
Die obere Wärmesenke und die untere Wärmesenke 14, 13 ist mit dem Halbleiterchip 12 über das Kopplungsmittel 15 und das Lötmittel 16 elektrisch verbunden, um jeweils z. B. als eine Kollektorelektrode und als eine Emitterelektrode zu fungieren. Obwohl nicht dargestellt, ist eine Steuerelektrode des Halbleiterchips 12, wie z. B. ein Gate-Kontaktfleck, elektrisch mit einem Chipträger verbunden, der von dem Formharz 17 mit einem Bonddraht hervorsteht.
Jede Wärmesenke 14, 13 weist eine Dicke von ungefähr einem Millimeter auf. Die obere Wärmesenke 14, die eine Verlängerung 14a enthält, wird durch Biegen einer Metallplatte ausgebildet. Die obere Wärmesenke und die untere Wärmesenke 14, 13, das Kopplungsmittel 15 und die Lötmittel 16 sind in das Formharz 17 eingebettet, das z. B. aus Epoxidharz hergestellt ist, so dass die Verlängerung 14a und die untere Wärmesenke 16 auf der unteren Fläche 19 des Formharzes 17 freigelegt sind, und die freigelegten Flächen der Verlängerung 14a und der unteren Wärmesenke 13 sind im wesentlichen auf einer gemeinsamen Ebene, wie in Fig. 3 dargestellt. Das Formharz 17 wird durch Insert- Molding ausgebildet, bei dem die obere Wärmesenke und die untere Wärmesenke 14, 13, das Kopplungsmittel 15 und die Lötmittel 16 mit dem Epoxidharz unter Verwendung eines Gussformpaares eingegossen werden, das nicht dargestellt ist.
Wie in den Fig. 4A und 4B dargestellt, enthält die Halbleitervorrichtung 11 zwei Anschlüsse 14b, 13a, die von dem Formharz 17 hervorstehen. Jeder Anschluss 14b, 13a enthält einen horizontalen Abschnitt und einen vertikalen Abschnitt. Die vertikalen Abschnitte liegen einander nicht gegenüber, wie in Fig. 4A gezeigt. Die obere Wärmesenke 14 ist mit einem der Anschlüsse 14b elektrisch verbunden, dessen horizontaler Abschnitt sich von einem vorderen Ende der oberen Wärmesenke 14 in Fig. 3 nach vorne erstreckt. Andererseits ist die untere Wärmesenke 13, die eine rechteckige Platte ist, elektrisch mit dem anderen Anschluss 13a verbunden, dessen horizontaler Abschnitt sich von einem hinteren Ende der unteren Wärmesenke 13 in Fig. 3 nach hinten erstreckt. Das Kopplungsmittel 15 ist eine rechteckige Platte, die etwas kleiner als der Halbleiterchip 12 ist. Der Abstand zwischen den Wärmesenken 13, 14 ist z. B. ungefähr 1 bis 2 mm.
Wenn die Halbleitervorrichtung 11 an einer Kühleinheit 20 befestigt ist, wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, wird zunächst die Halbleitervorrichtung 11 auf einem Kühlbauteil 21 der Kühleinheit 20 mit einer Isolierfolie 22 zwischen der Vorrichtung 11 und dem Kühlbauteil 21 angeordnet, so dass die untere Fläche 19 des Formharzes 17 der Isolierfolie 22 gegenüberliegt. Daher sind die freigelegten Flächen der Verlängerung 14a und der unteren Wärmesenke 13 jeweils mit dem Kühlbauteil 21 durch die Isolierfolie 22 thermisch verbunden.
Die Isolierfolie 22 ist aus einem Isoliermaterial hergestellt, das thermisch leitend ist und mit einem vorbestimmten Grad elastisch schrumpffähig ist. Das Kühlbauteil 21 ist aus einem Metall, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, das effizient Wärme abgeben kann, hergestellt. Obwohl nicht dargestellt, enthält das Kühlbauteil 21 einen Kühlwasserkanal.
Dann wird eine U-förmige Plastikhalterung 23 auf einer vorbestimmten Position platziert, und die Halbleitervorrichtung 1 wird mit dem Kühlbauteil 21 durch Anziehen der Schrauben 24 befestigt, um die Befestigung der Halbleitervorrichtung 11 an der Kühleinheit 20 abzuschließen.
Bei dem zusammengebauten Gegenstand der Fig. 4A und 4B sind die Verlängerung 14a und die untere Wärmesenke 13 nur durch eine Isolierfolie 22 an der Fläche isoliert, die auf der unteren Fläche 19 des Formharzes 17 frei liegt. Darüber hinaus ist die Plastikhalterung 23 billiger als die Metallhalterung 9 von Fig. 2. Daher ist der Aufbau des zusammengebauten Gegenstands, wie er in den Fig. 4A und 4B dargestellt ist, relativ einfach, und die Herstellungskosten des zusammengebauten Gegenstands sind relativ niedrig.
Darüber hinaus wird die von dem Halbleiterchip 12 erzeugte Wärme vorteilhaft von seinen zwei Flächen an das Kühlbauteil 21 über das Kopplungsmittel 15, die obere Wärmesenke und die untere Wärmesenke 14, 13 und die Isolierfolie 22 übertragen und abgegeben. Daher ist der reine Wärmeübertragungsweg bei dem zusammengebauten Gegenstand der Fig. 4A und 4B kürzer als der bei dem zusammengebauten Gegenstand der Fig. 2, so dass die Wärme effizienter bei dem zusammengebauten Gegenstand der Fig. 4A und 4B als bei dem zusammengebauten Gegenstand der Fig. 2 abgegeben wird.
Bei dem zusammengebauten Gegenstand der Fig. 4A und 4B drückt die Plastikhalterung 23 die Vorrichtung 11 direkt gegen das Kühlbauteil 21. Allerdings kann, wie in Fig. 5 gezeigt, eine Feder 26 zwischen einer Plastikhalterung 25 und der Vorrichtung 11 angeordnet sein, um die Vorrichtung 11 gegen das Kühlbauteil 21 unter Verwendung der Federkraft der Feder 26 zu drücken. Die Feder 26 selbst kann verhindern, dass die Vorrichtung 11 bricht, so dass ein Material, das nicht elastisch schrumpffähig ist, für die Isolierfolie 22 verwendet werden kann.

Zweite Ausführungsform

Wie in Fig. 6 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer zweiten Ausführungsform eine erste Wärmesenke 13, oder eine untere Wärmesenke 13, und eine zweite Wärmesenke 27, oder eine obere Wärmesenke 27. Die obere Wärmesenke 27 enthält zwei Verlängerungen 27a an ihren zwei horizontalen Enden, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Verlängerung 27a und die untere Wärmesenke 13 sind auf der unteren Fläche 19 eines Formharzes 17 freigelegt, und die freigelegten Flächen der Verlängerung 27a und der unteren Wärmesenke 13 sind im wesentlichen auf einer gemeinsamen Ebene. Bezüglich anderer struktureller Aspekte ist die Vorrichtung 11 von Fig. 6 und die Vorrichtung 11 von Fig. 3 gleich. Daher ist die Vorrichtung 11 von Fig. 6 bezüglich der Wärmeabbaufähigkeit besser als die Vorrichtung 11 von Fig. 3, während sie bei anderen Effekten im wesentlichen gleich der Vorrichtung 11 in Fig. 3 ist.

Dritte Ausführungsform

Wie in Fig. 7 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer dritten Ausführungsform einen Halbleiterchip 12, der Wärme erzeugt, und eine erste Wärmesenke 30, oder eine linke Wärmesenke 30, eine zweite Wärmesenke 31, oder eine rechte Wärmesenke 31, ein Kopplungsmittel 15 und ein Formharz 17. Die rechte Wärmesenke 31 und die linke Wärmesenke 30 sind auf der im wesentlichen flachen unteren Fläche 29 des Formharzes 17 freigelegt, und die freigelegten Flächen der rechten Wärmesenke 31 und der linken Wärmesenke 30 sind im wesentlichen auf einer gemeinsamen Ebene.
Wie in Fig. 7 dargestellt, sind eine erste Fläche, oder eine linke Fläche des Chips 12 und die rechte Fläche der linken Wärmesenke 30 durch ein Lötmittel 16 verbunden, wie auch die zweite Fläche, oder die rechte Fläche des Chips 12 und die linke Fläche des Kopplungsmittels 15, und auch die rechte Fläche des Kopplungsmittels 15 und die linke Fläche der rechten Wärmesenke 31. Die linke und rechte Fläche des Chips 12, an denen der Chip 12 thermisch und elektrisch mit der linken und rechten Wärmesenke 30, 31 verbunden ist, sind im wesentlichen senkrecht zu der unteren Fläche 29.
Die linke und rechte Wärmesenke 30, 31, die ungefähr würfelförmig sind, sind aus einem Metall wie z. B. Kupfer oder Aluminium hergestellt, das ein thermisch und elektrisch exzellenter Leiter ist. Wie in Fig. 7 gezeigt, enthält die Halbleitervorrichtung 11 zwei Anschlüsse 31a, 30a, die nach oben von dem Formharz 17 her hervorstehen. Die rechte Wärmesenke 31 ist mit einem der Anschlüsse 31a elektrisch verbunden, und die linke Wärmesenke 30 ist mit dem anderen Anschluss 30a elektrisch verbunden.
Bei der Vorrichtung von Fig. 7 wird die durch den Halbleiterchip 12 erzeugte Wärme im wesentlichen gleich durch die linke Wärmesenke und die rechte Wärmesenke 30, 31 von der Halbleitervorrichtung 11 nach außen übertragen. Bei anderen Effekten ist die Vorrichtung 11 von Fig. 7 im wesentlichen gleich der Vorrichtung 11 von Fig. 3.

Vierte Ausführungsform

Wie in Fig. 8 gezeigt, sind in einer Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer vierten Ausführungsform die erste und zweite Fläche, oder die linke und rechte Fläche des Halbleiterchips 12, an denen der Chip 12 thermisch und elektrisch mit der ersten Wärmesenke und der zweiten Wärmesenke 30, 31 oder der linken Wärmesenke und der rechten Wärmesenke 30, 31, elektrisch verbunden ist, in Bezug auf die im wesentlichen flache untere Fläche 29 des Formharzes 17 abgeschrägt. Daher sind die linke Wärmesenke und die rechte Wärmesenke 30, 31 von Fig. 8 in ihrer Wärmeableitfähigkeit voneinander verschieden. Bezüglich diesen Aspekts ist die Vorrichtung 11 von Fig. 8 von der Vorrichtung 11 von Fig. 7 verschieden, bezüglich anderer Aspekte sind die Vorrichtung 11 von Fig. 8 und die Vorrichtung 11 von Fig. 7 gleich, so dass die Vorrichtung 11 von Fig. 8 im wesentlichen gleich der Vorrichtung 11 von Fig. 7 bezüglich anderer Effekte ist.
Wie in Fig. 8 gezeigt, ist der Winkel zwischen der rechten Fläche und der Bodenfläche der linken Wärmesenke 30 kleiner als der zwischen der linken Fläche und der Bodenfläche der rechten Wärmesenke 31. Daher ist der Wärmeübertragungsweg durch die linke Wärmesenke 30 kürzer als der durch die rechte Wärmesenke 31, so dass die in dem Chip 12 erzeugte Wärme effektiver durch die linke Wärmesenke 30 als durch die rechte Wärmesenke 31 abgegeben wird. Somit funktioniert die Halbleitervorrichtung 11 von Fig. 8 vorteilhaft, wenn der Chip mehr Wärme auf seiner linken Seite als auf seiner rechten Seite in Fig. 8 erzeugt. Wenn der Chip mehr Wärme an seiner rechten Seite als an seiner linken Seite in Fig. 8 erzeugt, kann die Beziehung des Winkels zwischen der linken Wärmesenke und der rechten Wärmesenke 30, 31 umgekehrt verändert werden.

Fünfte Ausführungsform

Wie in Fig. 9 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer fünften Ausführungsform zwei Halbleiterchips 32, 33, die Wärme erzeugen, zwei erste Wärmesenken 34a, 34b, oder zwei linke Wärmesenken 34a, 34b, eine zweite Wärmesenke 31, oder eine rechte Wärmesenke 31, zwei Kopplungsmittel 15, die nicht in Fig. 9 dargestellt sind, und ein Formharz 17. Die rechte Wärmesenke 31 und die linken Wärmesenken 34a, 34b sind auf der im wesentlichen flachen unteren Fläche 29 des Formharzes 17 freigelegt, und die freigelegten Flächen der rechten Wärmesenke 31 und der linken Wärmesenken 34a, 34b sind im wesentlichen auf einer gemeinsamen Ebene. Die Vorrichtung 11 von Fig. 9 weist im wesentlichen den gleichen Effekt wie die Vorrichtung 11 von Fig. 7 auf.
Wie in Fig. 9 dargestellt, sind eine erste Fläche, oder eine linke Fläche jedes Chips 32, 33 und die rechte Fläche der entsprechenden linken Wärmesenken 34a, 34b durch ein Lötmittel 16 verbunden, wie auch eine zweite Fläche, oder die rechte Fläche, jedes Chips 32, 33 und die linke Fläche des entsprechenden Kopplungsmittels 15, und auch die rechte Fläche jedes Kopplungsmittels 15 und die linke Fläche der rechten Wärmesenke 31. Wie in Fig. 9 gezeigt, enthält die Halbleitervorrichtung 11 drei Anschlüsse 31a, 34c, 34d, die von dem Formharz 17 her nach oben hervorstehen. Die rechte Wärmesenke 31 ist mit einem der Anschlüsse 31a elektrisch verbunden, und die linken Wärmesenken 34a, 34b sind mit den anderen Anschlüssen 34c, 34d elektrisch verbunden.
Die Vorrichtung 11 von Fig. 9 ist ein zwei-in-eins Leistungsmodul, das zwei Halbleiterchips 32, 33 enthält. Allerdings kann der Aufbau der Vorrichtung 11 von Fig. 9 ebenso auf ein sechs-in-eins Leistungsmodul angewendet werden, das sechs Halbleiterchips enthält. Eine Freilaufdiode kann vorteilhafter Weise in die Leistungsmodule als einer der Halbleiterchips eingebaut werden.
Die Vorrichtung 11 von Fig. 9 enthält zwei linke Wärmesenken 34a, 34b. Allerdings kann die Anzahl der ersten Wärmesenken größer als zwei sein. Andererseits enthält die Vorrichtung 11 von Fig. 9 eine rechte Wärmesenke. Allerdings kann die Anzahl der zweiten Wärmesenke größer als eins sein.

Sechste Ausführungsform

Wie in Fig. 10 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer sechsten Ausführungsform eine erste Wärmesenke 13, oder eine untere Wärmesenke 13, und eine zweite Wärmesenke 41, oder eine obere Wärmesenke 41.
Die obere Wärmesenke 41 enthält eine Metallplatte 42 und zwei Metallfüße 43, 44. Die Metallfüße 43, 44 haben dieselbe Funktion wie die Verlängerungen 27a von Fig. 6. Die Metallplatte 42 ist mit einem Kopplungsmittel 15 unter Verwendung eines Lötmittels 16 verbunden, und die Metallfüße 43, 44 sind mit der Metallplatte 42 an zwei horizontalen Enden der Metallplatte 42 unter Verwendung von Lötmitteln 45 verbunden, wie in Fig. 10 gezeigt.
Die Metallfüße 43, 44 und die untere Wärmesenke 13 sind auf der unteren Fläche 19 eines Formharzes 17 freigelegt, und die freigelegten Flächen der Metallfüße 43, 44 und der unteren Wärmesenke 13 sind im wesentlichen auf einer gemeinsamen Ebene. Die Vorrichtung 11 von Fig. 10 weist im wesentlichen denselben Effekt wie die Vorrichtung 11 von Fig. 6 auf. Allerdings ist es einfacher, die Metallfüße 43, 44 und die untere Wärmesenke 13 einzustellen, da die freigelegten Flächen dieser im wesentlichen auf einer gemeinsamen Ebene sind, als die Verlängerungen 27a und die untere Wärmesenke 13 einzustellen, da die freigelegten Flächen dieser im wesentlichen auf einer gemeinsamen Ebene sind.
Bei der Vorrichtung 11 von Fig. 10 ist die obere Wärmesenke 41 aus drei Metallbestandteilen zusammengesetzt, d. h. eine Metallplatte 42 und zwei Metallfüße 43, 44. Allerdings kann die obere Wärmesenke 41 aus zwei oder mehr als drei Bestandteilen bestehen.

Siebte Ausführungsform

Wie in Fig. 11 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer siebten Ausführungsform eine erste Wärmesenke 46, oder eine untere Wärmesenke 46, und eine zweite Wärmesenke 47, oder eine obere Wärmesenke 47. Die obere Wärmesenke 47 enthält zwei Verlängerungen 47a an ihren zwei horizontalen Enden, wie in Fig. 11 dargestellt. Die obere Wärmesenke 14 ist z. B. durch Biegen einer Metallplatte ausgebildet. Die untere Wärmesenke 46 ist auf der unteren Fläche 19 eines Formharzes 17 freigelegt. Jede Verlängerung 47a ist thermisch mit der unteren Wärmesenke 46 durch Isolierschichten 48 verbunden. Die Vorrichtung 11 von Fig. 11 hat im wesentlichen denselben Effekt wie die Vorrichtung 11 von Fig. 6.
Wie in Fig. 12 dargestellt, enthält die Halbleitervorrichtung 11 von Fig. 11 zwei Anschlüsse 47a, 46a, die von dem Formharz 17 hervorstehen. Jeder Anschluss 47b, 46a enthält einen horizontalen Abschnitt und einen vertikalen Abschnitt. Obwohl nicht dargestellt, liegen sich die vertikalen Abschnitte nicht einander gegenüber. Die obere Wärmesenke 47 ist mit einem der Anschlüsse 47b elektrisch verbunden. Die untere Wärmesenke 46 ist mit dem anderen Anschluss 46a elektrisch verbunden.
Jede Isolierschicht 48 enthält eine keramische Folie, hergestellt z. B. aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃). Bei dem Herstellungsverfahren der Vorrichtung 11 werden ein Halbleiterchip 12, ein Kopplungsmittel, die obere und untere Wärmesenke 47, 46 mit Lötmittel 16 gelötet, um einen Abstand von ungefähr 100 µm zwischen jeder Verlängerung 47a und der unteren Wärmesenke 46 auszubilden. Dann wird eine keramische Folie zwischen jeder Verlängerung 47a und der unteren Wärmesenke 46 mit einem Material wie z. B. Silikonfett, Silikongel und Silikonklebstoff, angeordnet, so dass das Material zwischen jeder Verlängerung 47a und der Keramikschicht und zwischen der Keramikschicht und der unteren Wärmesenke 46 angesiedelt ist.
Daher weisen die Isolierschichten 48 vorteilhafte Isolationsfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf. Das Material, der Aufbau und die Abmessung jeder Isolierschicht 48 muss auf der Basis der Merkmale wie Durchbruchspannung und thermischer Widerstand bestimmt werden, welche die Isolierschichten 48 benötigen.
Bei der Vorrichtung 11 von Fig. 11 ist es vorteilhaft, dass die Abmessungen der freigelegten Fläche der unteren Wärmesenke 46 so groß wie möglich sind. Darüber hinaus ist es auch vorteilhaft, dass die untere Fläche jeder Verlängerung 47a, bei der jede Verlängerung 47a mit der unteren Wärmesenke 46 thermisch verbunden ist, so groß wie möglich ist.
Bei der Halbleitervorrichtung von Fig. 11 ist jede Isolierschicht 48 unter Verwendung der Keramikschicht und einem Material wie z. B. Silikonfett ausgebildet. Allerdings kann jede Isolierschicht 48 auf eine andere Art ausgebildet werden. Z. B. werden Keramikschichten im voraus auf der unteren Fläche der Verlängerungen 47a oder der oberen Fläche der unteren Wärmesenke 46 an Stellen ausgebildet, an denen die untere Wärmesenke 46 mit jeder Verlängerung 47a thermisch verbunden ist. Die thermischen Schichten können durch thermisches Spritzen einer Keramik ausgebildet werden, die z. B. aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt ist. Dann werden jede Verlängerung 47a und die untere Wärmesenke 46 thermisch in dem Herstellungsprozess verbunden, so dass ein Material, wie z. B. Silikonfett, Silikongel und Silikonklebstoff zwischen der unteren Wärmesenke 46 und jeder Keramikschicht oder zwischen jeder Verlängerung 47a und der entsprechenden Keramikschicht angeordnet ist.
Alternativ werden Keramikschichten im voraus auf der unteren Fläche der Verlängerungen 47a und der oberen Fläche der unteren Wärmesenke 46 ausgebildet. Dann werden jede Verlängerung 47a und die untere Wärmesenke 46 in dem Herstellungsprozess thermisch verbunden, so dass ein Material, wie z. B. Silikonfett, Silikongel oder Silikonklebstoff zwischen der Keramikschicht auf jeder Verlängerung 47a und der entsprechenden Keramikschicht auf der unteren Wärmesenke 46 angeordnet ist.
Alternativ kann jede Isolierschicht 48 unter Verwendung eines Harzes ausgebildet werden, wie z. B. Epoxidharz und Polyimidharz. Insbesondere wird das Harz zwischen jede Verlängerung 47a und die untere Wärmesenke 46 in dem Herstellungsprozess platziert und ausgehärtet. Ein anorganischer Füllstoff kann dem Harz zugefügt werden.

Achte Ausführungsform

Wie in Fig. 13 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer achten Ausführungsform eine erste Wärmesenke 46, oder eine untere Wärmesenke 46, und eine zweite Wärmesenke 49 oder eine obere Wärmesenke 49. Die obere Wärmesenke 49 enthält zwei Verlängerungen 49a an ihren zwei horizontalen Enden, die vertikal hervorstehen, wie in Fig. 13 dargestellt. Die untere Wärmesenke 46 ist auf der unteren Fläche 19 eines Formharzes 17 freigelegt. Jede Verlängerung 49a ist thermisch mit der unteren Wärmesenke 46 durch die Isolierschichten 48 verbunden. Daher weist die Vorrichtung 11 von Fig. 13 im wesentlichen dieselbe Wirkung wie die Vorrichtung 11 von Fig. 11 auf.

Neunte Ausführungsform

Wie in Fig. 14 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer neunten Ausführungsform eine erste Wärmesenke 46, oder eine untere Wärmesenke 46, und eine zweite Wärmesenke 50, oder eine obere Wärmesenke 50. Die obere Wärmesenke 50 enthält eine Verlängerung 50a, die vertikal hervorsteht, an ihrem einen horizontalen Ende, wie in Fig. 14 gezeigt. Die untere Wärmesenke 46 ist an der unteren Fläche 19 eines Formharzes 17 freigelegt. Die Verlängerung 50a ist thermisch mit der unteren Wärmesenke 46 durch eine Isolierschicht 48 verbunden.
Bei der Halbleitervorrichtung 11 von Fig. 13 wird die von dem Halbleiterchip 12 erzeugte Wärme zu der oberen Wärmesenke 49 übertragen, und weiter zu der unteren Wärmesenke 46 über zwei Verlängerungen 49a übertragen. Andererseits wird bei der Halbleitervorrichtung 11 von Fig. 14 die von dem Halbleiterchip 12 erzeugte Wärme zu der oberen Wärmesenke 50 übertragen, und ferner zu der unteren Wärmesenke 46 nur über eine Verlängerung 50a übertragen.
Trotzdem hat die obere Wärmesenke 50 von Fig. 14 im wesentlichen die gleiche Wärmeleitfähigkeit, oder Wärmeabgabefähigkeit, wie die obere Wärmesenke 49 von Fig. 13. Der Grund dafür ist, dass die obere Wärmesenke 50 von Fig. 14 dicker ist als die obere Wärmesenke 49 von Fig. 13, wenn die Wärmesenken 50, 49 an den Abschnitten verglichen werden, die parallel zu der unteren Wärmesenke 46 sind, und die Verlängerung 50a von Fig. 14 ist breiter als die Verlängerungen 49a von Fig. 13, wenn die Verlängerungen 50a, 49a in die horizontale Richtung von Fig. 13 und 14 verglichen wird.

Zehnte Ausführungsform

Bei dem zusammengebauten Gegenstand von den Fig. 4a und 4b sind die Halbleitervorrichtung 11 von Fig. 3 und das Kühlbauteil 21 thermisch durch die Isolierfolie 22 verbunden. Allerdings kann, wie in Fig. 15 gezeigt, eine Isolierplatte 51 anstatt der Isolierfolie 22 verwendet werden. Z. B. enthält die Isolierplatte 51 eine aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellte keramische Platte. Ein Material, wie z. B. Silikonfett oder Silikongel, wird im voraus auf zwei Flächen der keramischen Platte geschichtet. Dann wird beim Montageprozess die Isolierplatte 51 zwischen der Halbleitervorrichtung 11 von Fig. 13 und dem Kühlbauteil 21 platziert, wie in Fig. 15 gezeigt.
Anstatt auf die keramische Platte geschichtet zu werden, kann das Material auf die obere Fläche des Kühlbauteils 21, bei der das Kühlbauteil 21 mit der keramischen Platte thermisch verbunden ist, und der freigelegten Fläche der unteren Wärmesenke 46 geschichtet werden.

Elfte Ausführungsform

Bei dem zusammengebauten Gegenstand von Fig. 15 wird die Isolierplatte 51 verwendet, um die untere Wärmesenke 46 und das Kühlbauteil 21 zu isolieren, während sie thermisch verbunden werden. Allerdings kann, wie in Fig. 16 gezeigt, eine Isolierschicht 52 anstatt der Isolierplatte 51 verwendet werden. Z. B. enthält die Isolierschicht 22 eine keramische Platte aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃). Die keramische Platte ist auf der unteren Fläche der unteren Wärmesenke 46 aufgetragen, bei der die untere Wärmesenke 46 mit dem Kühlbauteil 21 thermisch verbunden ist.
Stattdessen kann die Isolierschicht 52 auf der oberen Fläche der unteren Wärmesenke 46 durch thermisches Spritzen eines keramischen Materials ausgebildet werden. Alternativ kann die Isolierschicht 52 unter Verwendung eines Harzes ausgebildet werden, wie z. B. Epoxidharz oder Polyimidharz. Ein anorganischer Füllstoff kann zu dem Harz hinzugefügt werden.
Wenn die Halbleitervorrichtung 11 an dem Kühlbauteil 21 bei dem Herstellungsprozess befestigt wird, ist es vorteilhaft, dass ein Material, wie z. B. Silikonfett, Silikongel und Silikonklebstoff zwischen die Isolierschicht 52 und das Kühlbauteil 21 platziert wird. Der zusammengebaute Gegenstand von Fig. 16 weist im wesentlichen die gleiche Wirkung wie der von Fig. 15 auf.

Zwölfte Ausführungsform

Wie in Fig. 17 gezeigt, enthält eine Halbleitervorrichtung 11 gemäß einer zwölften Ausführungsform eine erste Wärmesenke 53, oder eine untere Wärmesenke 53, die eine Metallplatte und Isolierschichten 53a enthält, von welchen jede auf den oberen und unteren Flächen der unteren Wärmesenke 53 platziert ist. Jede der Isolierschichten 53a von Fig. 17 ist auf dieselbe Weise wie die Isolierschicht 52 von Fig. 16 ausgebildet.
Wie in Fig. 18 dargestellt, ist die Metallplatte an der Fläche 53B, an der ein Halbleiterchip 12 mit der unteren Wärmesenke 53 elektrisch verbunden ist, freigelegt. Die Vorrichtung 11 von Fig. 17 hat im wesentlichen die gleiche Wärmeableitfähigkeit wie die Vorrichtung 11 von Fig. 13. Zusätzlich dazu muss mit der Isolierschicht 53a auf der unteren Fläche der unteren Wärmesenke 52 keine Isolierfolie 22 zwischen der Halbleitervorrichtung 11 von Fig. 17 und einem Kühlbauteil 21 platziert werden, wenn die Vorrichtung 11 und das Kühlbauteil 21 wie in dem zusammengebauten Gegenstand von Fig. 4A und 4B thermisch verbunden sind.

Claims

1. Eine Halbleitervorrichtung (11) mit:
einem Halbleiterchip (12, 32), der Wärme erzeugt;
einer ersten Wärmesenke (13, 30, 34a), die elektrisch und thermisch mit einer ersten Fläche des Halbleiterchips (12, 32) verbunden ist, zum Fungieren als eine Elektrode für den Halbleiterchip (12, 32) und zum Ableiten der Wärme;
einer zweiten Wärmesenke (14, 31, 27, 41), die mit einer zweiten Fläche des Halbleiterchips (12, 32) elektrisch und thermisch verbunden ist, zum Fungieren als eine Elektrode für den Halbleiterchip (12, 32) und zum Abgeben der Wärme; und
einem Formharz (17), dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (12, 32) und die Wärmesenken (13, 14, 27, 30, 31, 34a, 41) mit dem Formharz (17) so bedeckt sind, dass die Wärmesenken (13, 14, 27, 30, 31, 34a, 41) auf einer im wesentlichen flachen Fläche (19, 29) des Formharzes (17) freigelegt sind.

2. Die Halbleitervorrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Enden der zweiten Wärmesenke (27, 41) auf der im wesentlichen flachen Fläche (19, 29) freigelegt sind.

3. Die Halbleitervorrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Fläche des Halbleiterchips (12) im wesentlichen senkrecht auf die im wesentlichen flache Fläche (29) stehen.

4. Die Halbleitervorrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Fläche des Halbleiterchips (12) in Bezug auf die im wesentlichen flache Fläche (29) abgeschrägt sind.

5. Die Halbleitervorrichtung (11) nach Anspruch 1, ferner mit einem anderen Halbleiterchip (33), der Wärme erzeugt.

6. Die Halbleitervorrichtung (11) nach Anspruch 5, ferner mit einer anderen ersten Wärmesenke (34b), dadurch gekennzeichnet, dass die andere erste Wärmesenke (34b) elektrisch und thermisch mit einer ersten Fläche des anderen Halbleiterchips (33) verbunden ist zum Fungieren als eine Elektrode für den anderen Halbleiterchip (33) und zum Abgeben der von dem anderen Halbleiterchip (33) erzeugten Wärme, dass die zweite Wärmesenke (31) elektrisch und thermisch mit einer zweiten Fläche des anderen Halbleiterchips (33) verbunden ist zum Fungieren als eine Elektrode für einen anderen Halbleiterchip (33) und zum Abgeben der von dem anderen Halbleiterchip (33) erzeugten Wärme, und dass der andere Halbleiterchip (33) und die andere erste Wärmesenke (34b) mit dem Formharz (17) so bedeckt sind, dass die andere erste Wärmesenke (34b) auf der im wesentlichen flachen Fläche (29) frei liegt.

7. Die Halbleitervorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmesenke (41) aus einer Vielzahl von Metallbauteilen (42, 43, 44) besteht.

8. Eine Halbleitervorrichtung (11) mit:
einem Halbleiterchip (12), der Wärme erzeugt;
einer ersten Wärmesenke (46, 53), die elektrisch und thermisch mit einer ersten Fläche des Halbleiterchips (12) verbunden ist zum Fungieren als eine Elektrode für den Halbleiterchip (12) und zum Abgeben der Wärme;
einer zweiten Wärmesenke (47, 49, 50), die elektrisch und thermisch mit einer zweiten Fläche des Halbleiterchips (12) verbunden ist zum Fungieren als eine Elektrode für den Halbleiterchip (12) und zum Abgeben der Wärme;
einer Isolierschicht (48, 53a), die zwischen den Wärmesenken (46, 53, 47, 49, 50) liegt; und
einem Formharz (17), dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (12), die Wärmesenken (46, 53, 47, 49, 50) und die Isolierschicht (48, 53a) mit dem Formharz so bedeckt sind, dass eine der Wärmesenken (46, 53, 47, 49, 50) auf einer im wesentlichen flachen Fläche (19) des Formharzes (17) freigelegt ist, und dass die Wärmesenken (46, 53, 47, 49, 50) thermisch durch die Isolierschicht (48, 53a) verbunden sind.

9. Die Halbleitervorrichtung (11) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmesenke (46) in Form einer Platte ausgebildet ist, dass die erste Wärmesenke (46) auf der im wesentlichen flachen Fläche (19) freigelegt ist, und dass zwei Enden der zweiten Wärmesenke (47, 49) thermisch mit der ersten Wärmesenke (46) verbunden sind.

10. Die Halbleitervorrichtung (11) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, ferner mit einer anderen Isolierschicht (53a), die auf einer freigelegten Fläche der ersten Wärmesenke (53) liegt.