DE10331335B4

DE10331335B4 - Leistungs-Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10331335B4
Application number: DE2003131335
Authority: DE
Inventors: Dai Nakajima; Taishi Fukuoka Sasaki; Toru Kimura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: US20040089931A1; CN1284233C; US6903457B2; JP2004165406A; KR20040042793A; KR100709278B1; DE10331335C5; JP3740117B2; CN1501484A; DE10331335A1

Abstract

Leistungs-Halbleitervorrichtung, die folgendes aufweist:
– einen Wärmeverteiler (5; 5a, 5b), der eine erste Hauptfläche (5T) und eine zweite Hauptfläche (5B) aufweist, die einander gegenüberliegend sind;
– ein Leistungs-Halbleiterelement (7a, 7b, 8a, 8b), das auf der ersten Hauptfläche (5T) vorgesehen ist;
– ein Formharzgehäuse (1) mit einer ersten Hauptfläche (1B) und einer zweiten Hauptfläche (1T), die gegenüberliegend zu der ersten Hauptfläche (1B) angeordnet ist, wobei das Formharzgehäuse (1) den Wärmeverteiler (5; 5a, 5b) und das Leistungs-Halbleiterelement (7a, 7b, 8a, 8b) überdeckt, während die zweite Wärmeverteiler-Hauptfläche (5B) freiliegt;
– mindestens eine Durchgangsöffnung (2; 2a, 2b), die in einem nicht peripheren Bereich des Formharzgehäuses (1) ausgebildet ist und die sich unter Umgehung des Leistungs-Halbleiterelements (7a, 7b, 8a, 8b) und des Wärmeverteilers (5; 5a, 5b) durch die erste Hauptfläche (1B) sowie die zweite Hauptfläche (1T) des Formharzgehäuses (1) erstreckt;
– eine Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung (10) mit einer oberen Oberfläche, wobei die...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Leistungs-Halbleitervorrichtungen.
Aus der US 3 539 875 A eine Halbleitervorrichtung bekannt, die einen Halbleiterchip aufweist, der auf einer ersten Hauptfläche in Form einer oberen Oberfläche eines Basisteiles angeordnet ist. Das Basisteil besteht aus einem beliebigen gut wärmeleitenden Material, das gute elektrische Isoliereigenschaften besitzt. Insofern wirkt das Basisteil der herkömmlichen Anordnung als Wärmeverteiler. Die herkömmliche Anordnung weist ferner ein Formharzgehäuse aus einem Kapselungsmaterial auf, das gute Isoliereigenschaften besitzen soll, wobei der Formharzkörper dazu ausgelegt ist, daß er den Wärmeverteiler in Form des Basisteiles und das Halbleiterelement in Form des Halbleiterchips überdeckt, derart, daß eine untere Hauptfläche, welche der oberen Oberfläche gegenüberliegt, des Wärmeverteilers freiliegt. Die herkömmliche Halbleiteranordnung besitzt ferner ein Durchgangsloch in Form einer Öffnung, die nicht einem Umfangsbereich des Formharzgehäuses vorgesehen ist, wobei das Durchgangsloch durch die oberen und unteren Hauptflächen des Formharzgehäuses durchgeht, jedoch das Halbleiterelement und den Wärmeverteiler nicht beeinträchtigt. Das Durchgangsloch dient zur Aufnahme einer Schraube, um die Anordnung an einer Montageplatte zu befestigen.
Bei einer herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtung sind Leistungs-Halbieiterelemente mittels Lötmaterial mit einer oberen Oberfläche eines isolierenden Substrats verbunden, wobei die Bodenfläche des isolierenden Substrats mittels Lötmaterial mit der oberen Oberfläche einer Metall-Basisplatte verbunden ist. Die Leistungs-Halbleiterelemente sind durch Verbindungsdrähte mit Elektroden auf dem isolierenden Substrat verbunden.
Die Metall-Basisplatte ist mittels einer Vielzahl von Schrauben an der oberen Oberfläche einer Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung befestigt. Öffnungen zum Einführen der Schrauben sind an mehreren Stellen entlang des Umfangs der Metall-Basisplatte sowie an einer Stelle im Zentrum der Metall-Basisplatte gebildet. Ein Harzgehäuse ist an der oberen Oberfläche der Metall-Basisplatte befestigt, und zwar unter Aussparung der einen Schraube, die im Zentrum der Metall-Basisplatte angeordnet ist.
Das isolierende Substrat, mit dem die Leistungs-Halbleiterelemente verbunden sind, ist im Inneren des Gehäuses angeordnet. In das Gehäuse ist Gel eingespritzt, um für Isolierung zu sorgen und die Drähte zu schützen. Ferner enthält das Gehäuse auch Epoxy-Harz, das auf dem Gel plaziert ist, um für eine luftdichte Ausführung zu sorgen; in diesem Zusammenhang wird auf die Veröffentlichung der japanischen Offenlegungsschrift JP 2000-228 490 A (1 und 2) verwiesen.
Bei einer solchen herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtung ist das Gehläuse an der Metall-Basisplatte unter Freilassung der Schraube fixiert, die sich im Zentrum der Metall-Basisplatte befindet. Dies führt zu nutzlosem, verschwendetem Raum im Zentrum der Metall-Basisplatte und damit wiederum zu einem Anstieg der Größe der Vorrichtung.
Ferner ist das Gehäuse teuer und verursacht eine Steigerung der Kosten.
Zusätzlich dazu führen die Prozesse des Einspritzens und Aushärtens des Gels sowie des Einspritzens und Aushärtens des Epoxy-Harzes zu einer Verringerung der Produktivität.
Bei Verwendung der Leistungs-Halbleitervorrichtung in einer Anwendung, in der diese externen Vibrationen (z. B. bei Verwendung in einem Fahrzeug) ausgesetzt ist, vibrieren bzw. schwingen das Gehäuse und die Metall-Basisplate nahezu zusammen, jedoch schwingt das Gel erst nach einer gewissen Verzögerung, so daß es zu einer relativen Verlagerung zwischen dem Gel sowie dem Gehäuse und der Metall-Basisplatte kommt. Das Gel zieht dann an den Drähten, die aufgrund von Ermüdung an den Verbindungen mit den Elektroden brechen können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Angabe einer klein dimensionierten, leichten und kostengünstigen Leistungs-Halbleitervorrichtung mit ausgezeichneter Produktivität und Vibrationsbeständigkeit.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Leistungs-Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen, wie sie im Anspruch 1 angegeben sind.
Erfindungsgemäß weist eine Leistungs-Halbleitervorrichtung einen Wärmeverteiler, ein Leistungs-Halbleiterelement, ein Formharzgehäuse und mindestens eine Durchgangsöffnung auf. Der Wärmeverteiler hat eine erste und eine zweite Hauptfläche, die einander gegenüberliegend sind. Das Leistungs-Halbleiterelement ist auf der ersten Hauptfläche vorgesehen.
Das Formharzgehäuse weist eine Hauptfläche auf, die in der gleichen Ebene wie die zweite Hauptfläche angeordnet ist, während die andere Hauptfläche gegenüberliegend zu der einen Hauptfläche angeordnet ist, und das Formharzgehäuse überdeckt den Wärmeverteiler und das Leistungs-Halbleiterelement unter Freilegung der zweiten Hauptfläche.
Die mindestens eine Durchgangsöffnung ist in einem nicht peripheren Bereich des Formharzgehäuses ausgebildet und erstreckt sich durch die eine Hauptfläche sowie die andere Hauptfläche unter Umgehung des Leistungs-Halbleiterelements und des Wärmeverteilers.
Auf diese Weise läßt sich eine klein dimensionierte, leichte und kostengünstige Leistungs-Halbleitervorrichtung mit ausgezeichneter Produktivität und Vibrationsbeständigkeit erzielen.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen noch näher beschrieben; darin zeigen:
1 eine Perspektivansicht zur Erläuterung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Draufsicht von oben zur Erläuterung der Leistungs-Halbleitervorrichtung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
3 eine Draufsicht von unten zur Erläuterung der Leistungs-Halbleitervorrichtung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
4 eine Draufsicht von oben zur Erläuterung der Leistungs-Halbleitervorrichtung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei das Formharzgehäuse entfernt ist;
5 ein Schaltbild der Leistungs-Halbleitervorrichtung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 4;
7 und 8 Schnittansichten, bei denen die Leistungs-Halbleitervorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels an einer Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung angebracht ist;
9 eine Schnittansicht einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine Schnittansicht einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 bis 13 Schnittansichten von Leistungs-Halbleitervorrichtungen gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
14 eine Draufsicht von oben zur Erläuterung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
15 ein Schaltbild zur Erläuterung der Leistungs-Halbleitervorrichtung des fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
16 eine Perspektivansicht zur Erläuterung der Leistungs-Halbleitervorrichtung des fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
17 eine Draufsicht von oben zur Erläuterung einer Modifizierung des fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
18 eine Perspektivansicht zur Erläuterung der Modifizierung des fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
19 eine Draufsicht von oben zur Erläuterung einer Modifizierung der bevorzugten Ausführungsbeispiele Eins bis Fünf;
20 eine Draufsicht von oben zur Erläuterung der Leistungs-Halbleitervorrichtung der 19, wobei das Formharzgehäuse entfernt ist; und
21 ein Schaltbild der in 20 dargestellten Leistungs-Halbleitervorrichtung.
Erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Die 1 bis 3 zeigen eine Perspektivansicht, eine Draufsicht von oben bzw. eine Draufsicht von unten zur Erläuterung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Formharzgehäuse 1 ist aus einem unter Wärme aushärtenden Harzmaterial, wie z. B. Epoxy-Harz, gebildet und weist eine obere Oberfläche 1T und eine untere Oberfläche bzw. Bodenfläche 1B auf. Weiterhin besitzt das Formharzgehäuse 1 eine Durchgangsöffnung 2, die in einer nicht peripheren Position (bei dem vorliegenden Beispiel in etwa im Zentrum) ausgebildet ist und zwischen der oberen Oberfläche 1T und der Bodenfläche 1B durchgehend ausgebildet ist.
Elektroden 3N, 3P, 4a und 4b ragen mit ihren ersten Enden aus entsprechenden Seiten des Formharzgehäuses 1 heraus nach außen. Wie unter Bezugnahme auf 3 zu sehen ist, weist ein Wärmeverteiler 5 eine Bodenfläche 5B auf, die in der Bodenfläche 1B des Formharzgehäuses 1 freiliegt. Der Wärmeverteiler 5 weist eine Öffnung 6 auf, die die Durchgangsöffnung 2 umschließt.
Bei dem Wärmeverteiler 5 handelt es sich um eine Metallplatte (z. B. eine Kupferplatte) mit einer Dicke von ca. 3 mm. Wie später noch beschrieben ist, wird das Formharzgehäuse an einer Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung angebracht. Bei Anbringung des Formharzgehäuses an einer elektrisch leitfähigen Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung wird ein isolierendes Beschichtungsmaterial oder ein isolierendes Material, wie Silikonharz oder Silikongummi, dazwischen vorgesehen.
Anstatt der Anordnung von solchem Beschichtungsmaterial oder isolierendem Material kann auch eine isolierende Harzschicht mit einer Dicke von etwa 200 μm und einem Füllmaterialgehalt von etwa 50%, wie z. B. Bornitrid, an der Bodenfläche 5B des Wärmeverteilers 5 ausgebildet sein. Zum Verhindern einer Beschädigung der isolierenden Harzschicht beispielsweise aufgrund eines Einbringens von Verunreinigungen kann auch Kupferfolie mit einer Dicke von etwa 100 μm an der Bodenfläche der isolierenden Harzschicht ausgebildet sein.
4 zeigt eine von oben gesehene Draufsicht auf die Leistungs-Halbleitervorrichtung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei das Formharzgehäuse 1 entfernt ist. 5 zeigt ein Schaltbild der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in 5 zu sehen ist, besitzt die Leistungs-Halbleitervorrichtung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels IGBTs (d. h. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) 7a und 7b sowie Freilaufdioden 8a und 8b.
Die Kollektoren der IGBTs 7a und 7b und die Kathoden der Freilaufdioden 8a und 8b sind alle mit der Elektrode 3P verbunden. Die Emitter der IGBTs 7a und 7b und die Anoden der Freilaufdioden 8a und 8b sind alle mit der Elektrode 3N verbunden. Die Gates der IGBTs 7a und 7b sind mit den Elektroden 4a bzw. 4b verbunden.
Wie unter Bezugnahme auf 4 zu sehen ist, sind die Chips der IGBTs 7a und 7b sowie der Freilaufdioden 8a und 8b mittels Lötmaterial auf der oberen Oberfläche 5T des Wärmeverteilers 5 angebracht. Die Kollektoren der IGBTs 7a und 7b und die Kathoden der Freilaufdioden 8a und 8b sind an den Bodenflächen der jeweiligen Chips ausgebildet. Somit sind die Kollektoren der IGBTs 7a und 7b und die Kathoden der Freilaufdioden 8a und 8b alle mit dem Wärmeverteiler 5 elektrisch verbunden.
Das zweite Ende der Elektrode 3P ist durch Lötmaterial mit der oberen Oberfläche 5T des Wärmeverteilers 5 verbunden. Somit sind die Kollektoren der IGBTs 7a und 7b und die Kathoden der Freilaufdioden 8a und 8b durch den Wärmeverteiler 5 alle mit der Elektrode 3P elektrisch verbunden.
Spalte von etwa einigen Millimetern sind zwischen den zweiten Enden der Elektroden 3N, 4a und 4b und der oberen Oberfläche 5T des Wärmeverteilers 5 vorhanden. Die Emitter und die Gates der IGBTs 7a und 7b und die Anoden der Freilaufdioden 8a und 8b sind auf der oberen Oberfläche der jeweiligen Chips ausgebildet. Die Emitter der IGTS 7a und 7b und die Anoden der Freilaufdioden 8a und 8b sind mit dem zweiten Ende der Elektrode 3N durch Verbindungsdrähte 9 verbunden, die beispielsweise aus Aluminium hergestellt sind. In ähnlicher Weise sind die Gates der IGBTs 7a und 7b mit dem jeweiligen zweiten Ende der Elektroden 4a und 4b durch Drähte 9 verbunden.
6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 4. Das Formharzgehäuse 1 überdeckt den Wärmeverteiler 5, den IGBT 7a und die Freilaufdiode 8b, während die Bodenfläche 56 des Wärmeverteilers 5 freiliegt. Die Durchgangsöffnung 2 ist unter Umgehung des Wärmeverteilers 5, des IGBT 7a und der Freilaufdiode 8b positioniert. Die Bodenfläche 1B des Formharzgehäuses 1 und die Bodenfläche 5B des Wärmeverteilers 5 sind in der gleichen Ebene angeordnet.
Die 7 und 8, die auf 6 Bezug nehmen, sind Schnittansichten, bei denen die Leistungs-Halbleitervorrichtung des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels an einer Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 angebracht ist. Unter Bezugnahme auf 7 ist die obere Oberfläche der Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 in Berührung mit der Bodenfläche 5B des Wärmeverteilers 5, wobei wärmeleitendes Fett (nicht gezeigt) auf Silikonbasis dazwischen angeordnet ist.
Die Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 weist eine in ihrer oberen Oberfläche ausgebildete Schraubenöffnung 11 auf. Eine Andrückplatte 12 ist aus SK-Stahl mit einer Dicke von ca. 1 mm gebildet und weist eine sich durch diese hin durcherstreckende Schraubenöffnung 13 auf. Die Bodenfläche der Andrückplatte 12 ist in Berührung mit der oberen Oberfläche 1T des Formharzgehäuses 1.
Eine Schraube 14 ist in die Schraubenöffnungen 11, 13 und durch die Durchgangsöffnung 2 hindurch eingeschraubt, um die Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 und die Andrückplatte 12 unter Zwischenschaltung des Formharzgehäuses 1 festzulegen. Eine Federscheibe 15 ist zwischen dem Kopf der Schraube 14 und der oberen Oberfläche 1T des Formharzgehäuses 1 bzw. der Andrückplatte 12 plaziert.
Unter Bezugnahme auf 8 befindet sich die obere Oberfläche der Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 in Berührung mit der Bodenfläche 5B des Wärmeverteilers 5, wiederum unter Zwischenanordnung von wärmeleitendem Fett (nicht gezeigt) auf Silikonbasis. Die Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 weist eine in ihrer oberen Oberfläche ausgebildete Schraubenöffnung 11 auf.
Eine Schraube 14 ist in die Schraubenöffnung 11 und die Durchgangsöffnung 2 eingeschraubt, um das Formharzgehäuse 1 und die Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 festzulegen. Eine Federscheibe 15 ist zwischen dem Kopf der Schraube 14 und der oberen Oberfläche 1T des Formharzgehäuses 1 angeordnet.
Wie bereits erwähnt, wird das Formharzgehäuse 1 aus einem unter Wärme aushärtenden Harzmaterial gebildet. Da unter Wärme aushärtende Harzmaterialien mit geringerer Wahrscheinlichkeit Kriecherscheinungen unterliegen als thermoplastische Harze, kann die obere Oberfläche 1T des Formharzgehäuses 1 direkt mit dem Druck der Schraube 14 oder der Federscheibe 15 beaufschlagt werden.
Wie vorstehend dargestellt, ist es bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht notwendig, ein Gehäuse an einer Metall-Basisplatte festzulegen und eine im Zentrum der Metall-Basisplatte plazierte Schraube zu umgehen. Dies eliminiert die Platzverschwendung im Zentrum der Metall-Basisplatte. Ferner drücken der Kopf der Schraube 14 und die Federscheibe 15 direkt auf die obere Oberfläche der Andrückplatte 12 oder auf die obere Oberfläche 1T des Formharzgehäuses 1 und nicht auf die obere Oberfläche 5T des Wärmeverteilers 5.
Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, einen Bereich auf dem Wärmeverteiler 5 für die Druckbeaufschlagung durch die Schraube 14 und die Federscheibe 15 sicherzustellen, so daß damit keine Notwendigkeit für einen unnötig großen Wärmeverteiler 5 besteht. Dies ermöglicht eine kleinere Dimensionierung der Vorrichtung als dies bei herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtungen der Fall ist.
Ferner besteht keine Notwendigkeit zur Verwendung eines teuren Gehäuses, so daß sich die Kosten im Vergleich zu denen für herkömmliche Leistungs-Halbleitervorrichtungen reduzieren lassen.
Darüber hinaus sind keine Vorgänge zum Einspritzen und Aushärten von Gel erforderlich, so daß sich die Produktivität im Vergleich zu herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtungen erhöht.
Selbst wenn die Leistungs-Halbleitervorrichtung in einer Anwendung zum Einsatz kommt, in der sie externen Vibrationen (z. B. bei Verwendung in einem Fahrzeug) ausgesetzt ist, kommt es ferner zu keinem Drahtbruch aufgrund von Ermüdung, wie dies dann auftreten würde, wenn das Gel an den Drähten zieht. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Vibrationsbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtungen.
Zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
9, die auf 6 Bezug nimmt, zeigt eine Schnittdarstellung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Formharzgehäuse 1 ist in einer derartigen Weise gekrümmt, daß der zentrale Bereich des Bodens 1B gegenüber seinem Randbereich vorsteht bzw. nach unten ragt.
Eine solche gekrümmte Konfiguration läßt sich durch derartiges Ausbilden der Materialien erzielen, daß das Ausmaß an Schrumpfen aufgrund von Aushärtung oder Schrumpfen aufgrund des Formvorgangs des Materials der Formharzgehäuses 1 größer ist als das Ausmaß an Wärmeschrumpfung des Materials des Wärmeverteilers 5.
Ferner ist vorzugsweise der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials des Formharzgehäuses 1 niedriger gewählt als der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials des Wärmeverteilers 5. Wenn zum Beispiel das Hauptmaterial des Wärmeverteilers 5 Kupfer ist, kann das Formharzgehäuse 1 aus einem Material hergestellt werden, das einen Koeffizienten der Schrumpfens aufgrund von Aushärtung von etwa 0,4% und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 15 × 10^–6/K aufweist.
Beispiele hierfür sind Phenol-Novolac-Epoxymaterialien, die ca. 70% gemischtes Füllmaterial aus kristallinem und geschmolzenem Siliziumoxid bzw. Quarzglas enthalten. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Formharzgehäuse 1 läßt sich durch Variieren des Mischungsverhältnisses von kristallinem und geschmolzenem Siliziumoxid steuern.
Wie vorstehend erläutert ist, ist bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels das Formharzgehäuse 1 derart gekrümmt, daß sein zentraler Bereich der Bodenfläche 1B relativ zu seinem Randbereich vorsteht. Dies steigert die Adhäsion zwischen dem Wärmeverteiler 5 und der Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10, wenn in der in 7 gezeigten Weise das Formharzgehäuse 1 mittels der Andrückplatte 12 und der Schraube 14 an der Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 angebracht ist.
Der Effekt nach unten läßt sich auch erzielen, wenn das Material des Formharzgehäuses 1 einen geringeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Wärmeverteilers 5 aufweist. Wenn die Temperatur des Formharzgehäuses 1 und des Wärmeverteilers 5 aufgrund von Wärmeerzeugung durch die IGBTs 7a, 7b und dergleichen ansteigt, krümmt sich das Formharzgehäuse 1 in einer derartigen Richtung, daß der zentrale Bereich der Bodenfläche 1B relativ zu seinem Randbereich vorsteht.
Eine Kraft wirkt dann in einer derartigen Richtung, daß die Bodenfläche 1B des Formharzgehäuses 1 gegen die obere Oberfläche der Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 gedrückt wird und dadurch wiederum die Adhäsion zwischen dem Wärmeverteiler 5 und der Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 verbessert wird.
Drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
10, die wiederum auf 6 Bezug nimmt, zeigt eine Schnittansicht einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Formharzgehäuse 1 ist derart gekrümmt, daß der zentrale Bereich seiner oberen Oberfläche 1T gegenüber seinem Randbereich vorsteht bzw. nach oben ragt.
Eine solche gekrümmte Form läßt sich durch derartiges Ausbilden der Materialien erzielen, daß das Ausmaß an Schrumpfen aufgrund von Aushärtung oder Schrumpfen aufgrund des Formvorgangs des Materials der Formharzgehäuses 1 kleiner ist als das Ausmaß an Wärmeschrumpfung des Materials des Wärmeverteilers 5.
Wenn zum Beispiel das Hauptmaterial des Wärmeverteilers 5 Aluminium ist, kann das Formharzgehäuse 1 aus einem Material hergestellt werden, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 20 × 10^–6/K aufweist.
Wie vorstehend erläutert, ist bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels das Formharzgehäuse 1 derart gekrümmt, daß der zentrale Bereich seiner oberen Oberfläche 1T relativ zu seinem Randbereich vorsteht. Dies steigert die Adhäsion zwischen dem Wärmeverteiler 5 und der Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10, wenn in der in 8 gezeigten Weise das Formharzgehäuse 1 mittels der Schraube 14 an der Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 angebracht ist.
Viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Die 11 bis 13 zeigen Schnittdarstellungen von Leistungs-Halbleitervorrichtungen gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; dabei entsprechen die 11 bis 13 den 6, 9 bzw. 10. Wie in 3 gezeigt ist, weist der Wärmeverteiler 5 eine Öffnung 6 um die Durchgangsöffnung 2 herum auf.
Wie in den 11 bis 13 gezeigt ist, ist eine Aussparung 16 in der oberen Oberfläche des Formharzgehäuses 1 ausgebildet, die der Öffnung 6 des Wärmeverteilers 5 entspricht. Zur Milderung von Spannungskonzentrationen weist die Aussparung 16 vorzugsweise einen in etwa U-förmigen Querschnitt auf.
Wie in 4 gezeigt ist, ist kein Draht 9 über der Öffnung 6 angeordnet. Die Ausbildung der Aussparung 16 entsprechend der Öffnung 6 des Wärmeverteilers 5 verursacht somit keine Probleme hinsichtlich der Gewährleistung einer Isolierung.
Wie vorstehend veranschaulicht, ist bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels das Formharzgehäuse 1 in dem Bereich dünner, in dem die Aussparung 16 gebildet ist. Das Formharzgehäuse 1 und die Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 10 können somit mit einer geringeren Befestigungskraft eng aneinander angebracht werden, so daß der Durchmesser der Durchgangsöffnung 2 kleiner gemacht werden kann und sich damit eine Reduzierung der Größe und des Gewichts der Vorrichtung erzielen läßt.
Weiterhin eliminiert oder vermindert dies das Vorstehen des Kopfes der Schraube 14 über die obere Oberfläche 1T des Formharzgehäuses 1. Wenn eine Steuerplatte auf die Leistungs-Halbleitervorrichtungen der 11 bis 13 gestapelt wird, kann somit die Distanz zwischen der jeweiligen Leistungs-Halbleitervorrichtung und der Steuerplatte geringer sein, womit sich eine Größenreduzierung der Vorrichtung insgesamt erzielen läßt.
Fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
14 zeigt eine von oben gesehene Draufsicht zur Erläuterung einer Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei das Formharzgehäuse 1 entfernt ist. 15 zeigt ein Schaltbild der Leistungs-Halbleitervorrichtung des fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels.
16 zeigt eine Perspektivansicht der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß dem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie unter Bezugnahme auf 15 zu sehen ist, weist die Leistungs-Halbleitervorrichtung des fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels IGBTs 20a und 20b sowie Freilaufdioden 21a und 21b auf. Der Kollektor des IGBT 20a und die Kathode der Freilaufdiode 21a sind beide mit einer Elektrode 22P verbunden. Der Emitter des IGBT 20b und die Anode der Freilaufdiode 21a sind beide mit einer Elektrode 22N verbunden.
Der Emitter des IGBT 20a, der Kollektor des IGBT 20b, die Anode der Freilaufdiode 21a sowie die Kathode der Freilaufdiode 21b sind alle mit einer Elektrode 22O verbunden. Die Gates der IGBTs 20a und 20b sind mit Elektroden 23a bzw. 23b verbunden.
Wie unter Bezugnahme auf 14 zu sehen ist, sind die Chips des IGBT 20a sowie der Freilaufdiode 21a mittels Lötmaterial auf der oberen Oberfläche eines Wärmeverteilers 5a angebracht. Die Chips des IGBT 20b und der Freilaufdiode 21b sind mittels Lötmaterial auf der oberen Oberfläche eines Wärmeverteilers 5b angebracht.
Der Kollektor des IGBT 20a und die Kathode der Freilaufdiode 21a sind an den Bodenflächen der jeweiligen Chips ausgebildet. Somit sind der Kollektor des IGBT 20a und die Kathode der Freilaufdiode 21a beide mit dem Wärmeverteiler 5a elektrisch verbunden. Die Elektrode 22P ist durch Lötmaterial mit der oberen Oberfläche des Wärmeverteilers 5a verbunden. Somit sind der Kollektor des IGBT 20a und die Kathode der Freilaufdiode 21a durch den Wärmeverteiler 5a beide mit der Elektrode 22P elektrisch verbunden.
Der Kollektor des IGBT 20b und die Kathode der Freilaufdiode 21b sind an den Bodenflächen der jeweiligen Chips ausgebildet. Somit sind der Kollektor des IGBT 20b und die Kathode der Freilaufdiode 21b beide mit dem Wärmeverteiler 5b elektrisch verbunden. Die Elektrode 22O ist durch Lötmaterial mit der oberen Oberfläche des Wärmeverteilers 5b verbunden. Somit sind der Kollektor des IGBT 20b und die Kathode der Freilaufdiode 21b durch den Wärmeverteiler 5b beide mit der Elektrode 22O elektrisch verbunden.
Spalte von in etwa einigen Millimetern sind zwischen den Elektroden 23a und 22O und der oberen Oberfläche des Wärmeverteilers 5a sowie zwischen den Elektroden 22N und 23b und der oberen Oberfläche des Wärmeverteilers 5b vorhanden. Die Emitter und die Gates der IGBTs 20a und 20b und die Anoden der Freilaufdioden 21a und 21b sind auf der oberen Oberfläche der jeweiligen Chips ausgebildet.
Das Gate des IGBT 20a ist durch einen Draht 9 mit der Elektrode 23a verbunden. Der Emitter des IGBT 20a und die Anode der Freilaufdioden 21a sind durch einen Draht 9 mit der Elektrode 220O verbunden. Das Gate des IGBT 20b ist durch einen Draht 9 mit der Elektrode 23b verbunden. Der Emitter des IGBT 20b und die Anode der Freilaufdiode 21b sind ebenfalls durch einen Draht 9 mit der Elektrode 22N verbunden.
Unter Bezugnahme auf 14 sind die Wärmeverteiler 5a und 5b in etwa symmetrisch um die Öffnung 6 herum angeordnet. Eine in etwa symmetrische Posi tionierung der Wärmeverteiler 5a und 5b verhindert, daß durch die Schraube 14 hervorgerufene Spannungen ungleichmäßig werden. Zwischen dem Wärmeverteiler 5a und dem Wärmeverteiler 5b ist ein Spalt 24 zum Gewährleisten einer Isolierung vorgesehen. Unter Bezugnahme auf 16 ist eine nutartige Aussparung 30, die dem Spalt 24 entspricht, in der oberen Oberfläche 1T des Formharzgehäuses 1 ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Aussparung 30 im Querschnitt in etwa U-förmig ausgebildet, um Spannungskonzentrationen abzuschwächen. Wie in 14 gezeigt ist, ist über dem Spalt 24 kein Draht 9 angeordnet. Die Ausbildung der Aussparung 30 entsprechend dem Spalt 24 verursacht somit keine Probleme bei der Gewährleistung der Isolierung.
Wie vorstehend veranschaulicht, weist bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß dem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel die obere Oberfläche 1T des Formharzgehäuses 1 die nutartige Aussparung 30 entsprechend dem Spalt 24 auf. Bei den Leistungs-Halbleitervorrichtungen der 9 und 10 ermöglicht dies dem Formharzgehäuse 1 in einfacher Weise ein Verformen, wenn es durch die Schraube 14 mit Druck beaufschlagt wird.
Infolgedessen können das Formharzgehäuse 1 und die Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung 20 mit einer geringeren Druckbeaufschlagungskraft eng aneinander befestigt werden, so daß sich eine Größen- und Gewichtsreduzierung der Vorrichtung erzielen läßt.
Die 17 und 18 zeigen eine von oben gesehene Draufsicht bzw. eine Perspektivansicht einer Modifizierung des fünften Ausführungsbeispiels. Wie unter Bezugnahme auf 17 zu sehen ist, ist der Wärmeverteiler in vier Wärmeverteiler 5₁ bis 5₄ unterteilt. Die Wärmeverteiler 5₁ bis 5₄ sind etwa symmetrisch um die Öffnung 6 angeordnet. Spalte 24a und 24b sind zwischen einander benachbarten Wärmeverteilern 5₁ bis 5₄ angeordnet. Wie in 18 zu sehen ist, weist die obere Oberfläche 1T des Formharzgehäuses 1 nutartige Aussparungen 30a und 30b entsprechend den Spalten 24a und 24b auf.
19 zeigt eine von oben gesehene Draufsicht auf eine Modifizierung der Ausführungsbeispiele eins bis fünft. Während bei den fünf bevorzugten Ausführungsbeispielen die einzelne Durchgangsöffnung 2 etwa im Zentrum des Formharzgehäuses 1 vorhanden ist, kann eine Vielzahl (im vorliegenden Beispiel zwei) von Durchgangsöffnungen 2a und 2b in der in 19 dargestellten Weise in einem nicht peripheren Bereich des Formharzgehäuses 1 vorgesehen sein.
20 zeigt eine Draufsicht von oben zur Erläuterung der Leistungs-Halbleitervorrichtung der 19, wobei das Formharzgehäuse 1 entfernt ist. 21 zeigt ein Schaltbild der Leistungs-Halbleitervorrichtung der 20. Wie in den 20 und 21 zu sehen ist, weist die Leistungs-Halbleitervorrichtung IGBTs 71 bis 76, Freilaufdioden 81 bis 86 sowie Elektroden P, N, U, V, W, G1 bis G6 auf.

Claims

Leistungs-Halbleitervorrichtung, die folgendes aufweist: – einen Wärmeverteiler (5; 5a, 5b), der eine erste Hauptfläche (5T) und eine zweite Hauptfläche (5B) aufweist, die einander gegenüberliegend sind; – ein Leistungs-Halbleiterelement (7a, 7b, 8a, 8b), das auf der ersten Hauptfläche (5T) vorgesehen ist; – ein Formharzgehäuse (1) mit einer ersten Hauptfläche (1B) und einer zweiten Hauptfläche (1T), die gegenüberliegend zu der ersten Hauptfläche (1B) angeordnet ist, wobei das Formharzgehäuse (1) den Wärmeverteiler (5; 5a, 5b) und das Leistungs-Halbleiterelement (7a, 7b, 8a, 8b) überdeckt, während die zweite Wärmeverteiler-Hauptfläche (5B) freiliegt; – mindestens eine Durchgangsöffnung (2; 2a, 2b), die in einem nicht peripheren Bereich des Formharzgehäuses (1) ausgebildet ist und die sich unter Umgehung des Leistungs-Halbleiterelements (7a, 7b, 8a, 8b) und des Wärmeverteilers (5; 5a, 5b) durch die erste Hauptfläche (1B) sowie die zweite Hauptfläche (1T) des Formharzgehäuses (1) erstreckt; – eine Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung (10) mit einer oberen Oberfläche, wobei die Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung (10) eine in ihrer oberen Oberfläche ausgebildete Schraubenöffnung (11) aufweist; und – eine Schraube (14) mit einem Kopf, die in die Schraubenöffnung (11) und in die mindestens eine Durchgangsöffnung (2; 2a, 2b) einschraubbar ist, um das Formharzgehäuse (1) mit seiner ersten Hauptfläche (1B) gegen die obere Oberfläche der Wärmeabstrahlungs-Rippeneinrichtung (10) zu drücken, wobei die erste Hauptfläche (1B) des Formharzgehäuses (1) in der gleichen Ebene wie die zweite Hauptfläche (5B) des Wärmeverteilers (5; 5a, 5b) angeordnet ist, und wobei das Formharzgehäuse (1) derart gekrümmt ausgebildet ist, daß ein zentraler Bereich seiner ersten Hauptfläche (1B) relativ zu seinem Randbereich vorsteht, oder daß ein zentraler Bereich seiner zweiten Hauptfläche (1T) relativ zu seinem Randbereich vorsteht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wärmeverteiler (5; 5a, 5b) eine um die Durchgangsöffnung (2) herum ausgebildete Öffnung (6) aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Aussparung (16) in der zweiten Hauptfläche (1T) des Formharzgehäuses (1) entsprechend der Öffnung (6) ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wärmeverteiler (5; 5a, 5b) eine Vielzahl von Wärmeverteilern (5a, 5b) aufweist, und wobei die Vielzahl von Wärmeverteilern (5a, 5b) in etwa symmetrisch um die Durchgangsöffnung (2) herum angeordnet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei in der zweiten Hauptfläche (1T) des Formharzgehäuses (1) eine nutartige Aussparung (30) entsprechend einem Spalt zwischen den Wärmeverteilern (5a, 5b) ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, wobei die Aussparung (16, 30) im Querschnitt in etwa U-förmig ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausmaß an Schrumpfen aufgrund von Aushärten und das Ausmaß an durch den Formvorgang bedingtem Schrumpfen des Materials des Formharzgehäuses (1) unterschiedlich zu dem Ausmaß an Wärmeschrumpfen des Materials des Wärmeverteilers (5; 5a, 5b) ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials des Formharzgehäuses (1) niedriger ist als der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials des Wärmeverteilers (5; 5a, 5b).
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Ausmaß an Schrumpfen aufgrund von Aushärten oder das Ausmaß an durch den Formvorgang bedingtem Schrumpfen des Materials des Formharzgehäuses (1) geringer ist als das Ausmaß an Wärmeschrumpfen des Materials des Wärmeverteilers (5; 5a, 5b).
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner eine Andrückplatte (12), die mit der zweiten Hauptfläche (1T) des Formharzgehäuses (1) und mit dem Kopf der Schraube (14) in Kontakt steht, aufweist.