DE102005040058A1

DE102005040058A1 - Leistungshalbleitermodul und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102005040058A1
Application number: DE102005040058A
Authority: DE
Inventors: Osamu Ikawa; Eiji Mochizuki; Masayuki Soutome; Norio Arikawa
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2025-08-25
Also published as: CN101609826A; CN1753177A; DE102005040058B4; US7723846B2; CN101609826B; JP2006093255A; JP4453498B2; US8158458B2; US20100055845A1; US20060060982A1

Abstract

Ein Leistungshalbleitermodul (1) gemäß der Erfindung enthält Zuleitungsrahmen (9), die für Innenzuleitungen (30) und Außenzuleitungen (6) dienen. Die Außenzuleitungen (6), welche gleichzeitig durch Löten an Halbleiter-Chips (8) angeschlossen werden, erübrigen es, die herkömmlichen Kontaktierungsdrähte einen nach dem anderen zu kontaktieren, und ermöglichen eine wirtschaftliche Herstellung des Leistungshalbleitermoduls (1). Da zum Verbinden der Außenzuleitungen (6) und der Halbleiter-Chips (8) kein Kontaktierungsdraht verwendet wird, wird eine ausreichende Strombelastbarkeit erzielt. Da bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls (1) keine Drahtkontaktierung erfolgt, werden die Kontaktierung zwischen einer isolierenden Leiterplatte (7) und den Halbleiter-Chips (8) und die Kontaktierung zwischen den Halbleiter-Chips (8) und den Zuleitungsrahmen (9) in einem einzigen Schritt des Aufschmelzlötens gleichzeitig durchgeführt. Infolgedessen verkürzt sich die Montagezeit und wird das Leistungshalbleitermodul wirtschaftlich hergestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, welches in seinem Innern einen oder mehrere Halbleiter-Chips enthält, auf welchen Leistungshalbleiter-Einrichtungen angebracht sind. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls.

Leistungshalbleitermodule werden für Wechselrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Werkzeugmaschinen, Industrieroboter und derartige Vorrichtungen in Form von von diesen Industrievorrichtungen unabhängigen Gehäusen verwendet. Das Leistungshalbleitermodul beherbergt in seinem Innern einen oder mehrere Halbleiter-Chips, worauf Isolierschicht-Bipolartransistoren (im folgenden als "IGBTs" bezeichnet) und derartige Leistungshalbleiter-Einrichtungen, die eine Stromrichtschaltung darstellen, angebracht sind. Das Leistungshalbleitermodul ist wie oben beschrieben auf einer vorbestimmten Steuer-Leiterplatte zum Steuern einer der Vorrichtungen befestigt (vgl. JP P 2002-50722 A (1 und 2)). Im folgenden wird ein Leistungshalbleitermodul beschrieben, in dem eine Vielzahl von Halbleiter-Chips untergebracht sind.

Gewöhnlich sind im Leistungshalbleitermodul die Halbleiter-Chips durch Löten auf einer isolierenden Leiterplatte befestigt. Im Leistungshalbleitermodul sind dessen mit der Steuer-Leiterplatte verbundene Außenzuleitung und dessen Halbleiter-Chips durch Drahtkontaktierung unter Verwendung von Metalldrähten verbunden. Dann wird das Leistungshalbleitermodul, welches in seinem Innern die auf der isolierenden Leiterplatte befestigten und durch Drahtkontaktierung mit den Außenzuleitungen verbundenen Halbleiter-Chips enthält, durch Vergießen in ein Kunstharzgehäuse eingeschlossen. Eine auf der Seite gegenüber der Seite des Kunstharzgehäuses, auf welcher Außenzuleitungen befestigt sind, angeordnete Kühlfläche steht in Kontakt mit einer Kühlrippe, so dass die in den Leistungshalbleiter-Einrichtungen erzeugte Wärme nach außen abgegeben werden kann.

Da die Querschnittsfläche der Metalldrähte, welche im oben beschriebenen Leistungshalbleitermodul die Außenzuleitungen und die Halbleiter-Chips verbinden, relativ klein ist, ist der Strombelastbarkeit eines Metalldrahts eine gewisse Grenze gesetzt. Ein dicker Metalldraht kann die Strombelastbarkeit verbessern. Jedoch ist es schwierig, den dicken Metalldraht durch Ultraschall-Kontaktierung oder durch Schweißen zu kontaktieren.

Der Herstellungsprozess zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls umfasst den Schritt des Lötens des Halbleiter-Chips auf die isolierende Leiterplatte und den Schritt des Verbindens der Halbleiter-Chips und der Außenzuleitungen durch Drahtkontaktierung. Die Metalldraht-Kontaktierung wird Draht für Draht durchgeführt. Da zum Herstellen des Leistungshalbleitermoduls gewöhnlich 200 bis 500 Metalldrähte verwendet werden, kostet das Kontaktieren der Metalldrähte viel Zeit.

In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen ist es Aufgabe der Erfindung, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, welches wirtschaftlich hergestellt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren zu schaffen, welches die wirtschaftliche Herstellung des Leistungshalbleitermoduls ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus Patentanspruch 1. Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, wobei auch andere Kombinationen von Merkmalen als die beanspruchten möglich sind.

Das Leistungshalbleitermodul gemäß der Erfindung enthält einen oder mehrere Halbleiter-Chips, worauf Leistungshalbleiter-Einrichtungen angebracht sind. Das Leistungshalbleitermodul ist auf der Steuer-Leiterplatte einer Hauptvorrichtung befestigt. Das Leistungshalbleitermodul enthält Zuleitungsrahmen, ein Anschlussklemmengehäuse und eine isolierende Leiterplatte.

Die Zuleitungsrahmen enthalten in ihren ersten Endabschnitten mit der Steuer-Leiterplatte verbundene Außenzuleitungen und in ihren zweiten Endabschnitten mit den Halbleiter-Chips verbundene Innenzuleitungen.

Die Zuleitungsrahmen sind in das Anschlussklemmengehäuse, welches in seinem Innern die Innenzuleitungen der Zuleitungsrahmen beherbergt, integriert.

Die isolierende Leiterplatte ist im Anschlussklemmengehäuse so untergebracht, dass die eine Hauptoberfläche der isolierenden Leiterplatte zu der Seite hin freiliegt, welche der Seite, auf welcher das Anschlussklemmengehäuse auf der Steuer-Leiterplatte befestigt ist, gegenüberliegt, so dass eine Kühlfläche gebildet wird. Der eine oder die mehreren Halbleiter-Chips sind auf der anderen Hauptoberfläche der isolierenden Leiterplatte, welche der Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte gegenüber liegt, befestigt.

Der eine oder die mehreren Halbleiter-Chips sind auf die isolierende Leiterplatte hartgelötet. Die Zuleitungsrahmen sind auf den einen oder die mehreren Halbleiter-Chips auf der Seite gegenüber der Seite der isolierenden Leiterplatte hartgelötet. Obwohl verschiedene Arten des Hartlötens anwendbar sind, ist es vorzuziehen, den einen oder die mehreren Halbleiter-Chips auf der isolierenden Leiterplatte durch Löten mittels Oberflächenmontage zu befestigen und die Zuleitungsrahmen auf dem einen oder den mehreren Halbleiter-Chips durch Löten mittels Oberflächenmontage zu befestigen.

Das durch das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung hergestellte Leistungshalbleitermodul enthält einen oder mehrere Halbleiter-Chips, worauf Leistungshalbleiter-Einrichtungen angebracht sind, und das Leistungshalbleitermodul ist auf der Steuer-Leiterplatte zum Steuern einer Hauptvorrichtung angebracht.

Der eine oder die mehreren Halbleiter-Chips werden durch Bilden von Leistungshalbleiter-Einrichtungen auf einem oder mehreren vorbestimmten Halbleitersubstraten gebildet. Im Schritt des Bildens einer isolierenden Leiterplatte werden auf der einen Hauptoberfläche einer Isolierschicht Elektroden darstellende Elektrodenschichten gebildet und wird auf der anderen Hauptoberfläche der Isolierschicht eine eine Kühlfläche darstellende Kühlschicht gebildet. Auf den Elektroden werden erste Lotschichten gebildet. Dann wird der eine oder werden die mehreren Halbleiter-Chips auf den ersten Lotschichten befestigt und werden auf dem einen oder den mehreren Halbleiter-Chips zweite Lotschichten gebildet.

Im parallel zu den oben beschriebenen Schritten durchgeführten Schritt des Bildens von Zuleitungsrahmen werden durch Stanzen einer vorbestimmten Metallplatte Zuleitungsrahmen, welche über Traversen verbundene Zuleitungen enthalten, gebildet. Dann wird durch Spritzgießen eines Kunstharzes unter Verwendung einer vorbestimmten Gießform ein in seinem Innern die Zuleitungsrahmen beherbergendes Anschlussklemmengehäuse gebildet.

Dann wird eine isolierende Leiterplatte auf dem Anschlussklemmengehäuse befestigt und werden die Innenzuleitungen der Zuleitungsrahmen in Kontakt mit den jeweiligen zweiten Lotschichten gebracht. Dann werden die erste und die zweite Lotschicht zum Aufschmelzen gebracht, um die isolierende Leiterplatte mit dem einen oder den mehreren Halbleiter-Chips zu verlöten und um den einen oder die mehreren Halbleiter-Chips mit den Zuleitungsrahmen zu verlöten.

Dann wird das Anschlussklemmengehäuse zwecks isolierender Versiegelung mit einem thermisch aushärtbaren Kunstharz gefüllt und wird das aushärtbare Kunstharz ausgehärtet. Dann werden Zuleitungen der Zuleitungsrahmen getrennt, um Außenzuleitungen an den Zuleitungsrahmen zu bilden.

Im Leistungshalbleitermodul gemäß der Erfindung sind die Außenzuleitungen und die Innenzuleitungen einstückig an den Zuleitungsrahmen gebildet und sind die Halbleiter-Chips an die Innenzuleitungen und an die isolierende Leiterplatte hartgelötet. Da es, im Gegensatz zur herkömmlichen Drahtkontaktierung, gemäß der Erfindung nicht notwendig ist, Metalldrähte einen nach dem anderen zu kontaktieren, werden Leistungshalbleitermodule wirtschaftlich hergestellt und verringert sich die Anzahl der Bestandteile. Die Verbindung über Zuleitungsrahmen ermöglicht, eine ausreichende Strombelastbarkeit zu erzielen.

Drahtkontaktierung kommt beim Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls gemäß der Erfindung nicht zur Anwendung. Die Kontaktierung zwischen der isolierenden Leiterplatte und dem einen oder den mehreren Halbleiter-Chips und die Kontaktierung zwischen dem einen oder den mehreren Halbleiter-Chips und den Zuleitungsrahmen werden in einem einzigen Schritt des Aufschmelzlötens durchgeführt. Deshalb verkürzt sich die Montagezeit und werden Leistungshalbleitermodule wirtschaftlich hergestellt.

Nun wird im folgenden die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen, welche die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen, ausführlich beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche das äußere Erscheinungsbild eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2(A) ist eine Draufsicht des Leistungshalbleitermoduls.
2(B) ist eine Vorderansicht des Leistungshalbleitermoduls.
2(C) ist eine Unteransicht des Leistungshalbleitermoduls.
3(A) ist eine Seitenansicht des Leistungshalbleitermoduls.
3(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A in 3(A).
3(C) ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs B in 3(B).
4 ist eine Schnittansicht des auf der Steuer-Leiterplatte eines Wechselrichters befestigten Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform.
5 ist ein Ablaufdiagramm, welches die Herstellungsschritte gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform beschreibt.
6(A) ist eine Draufsicht eines Halbleiter-Chips.
6(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie C-C in 6(A).
7(A) zeigt eine isolierende Kunstharzschicht und Kupferfolienmuster, welche auf einer isolierenden Haupt-Leiterplatte gebildet sind.
7(B) zeigt auf die Kupferfolienmuster in 7(A) gedruckte erste Lotschichten.
7(C) zeigt auf den ersten Lotschichten in 7(B) befestigte Halbleiter-Chips.
7(D) zeigt auf die Halbleiter-Chips und die Kupferfolienmuster aufgebrachte zweite Lotschichten.
8(A) zeigt durch Pressformung aus einer rechteckigen Kupferplatte ausgestanzte Zuleitungsrahmen.
8(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie D-D in 8(A).
9(A) ist eine Draufsicht, welche ein in seinem Innern die Zuleitungsrahmen beherbergendes Anschlussklemmengehäuse zeigt.
9(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie E-E in 9(A).
10(A) ist eine Draufsicht, welche an den Zuleitungsrahmen gebildete Innenzuleitungen zeigt.
10(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie E-E in 10(A).
10(C) ist ein Längsschnitt der Innenzuleitung einschließlich eines im mittleren Teil ihres Endabschnitts gebildeten kleinen Vorsprungs.
11(A) ist eine Draufsicht, welche eine auf dem Anschlussklemmengehäuse befestigte isolierende Leiterplatte zeigt.
11(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie E-E in 11(A).
11(C) ist eine Schnittansicht, welche die mit der zweiten Lotschicht in Kontakt gebrachte Innenzuleitung zeigt.
12(A) ist eine Draufsicht, welche ein in das Anschlussklemmengehäuse gefülltes Epoxidharz zeigt.
12(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie E-E in 12(A).
12(C) ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs F in 12(B).
13(A) ist eine Draufsicht, welche die voneinander getrennten Außenzuleitungen zeigt.
13(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie E-E in 13(A).
14 ist eine Schnittansicht eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, welche eine isolierende DCB-Leiterplatte verwendet.
15 ist eine Draufsicht, welche das mittels der im Anschlussklemmengehäuse gebildeten spitzen Ausschnitte am Anschlussklemmengehäuse eingehakte Epoxidharz zeigt.
16(A) ist eine Schnittansicht, welche ein erhabenes erstes Schraubenaufnahme-Halteende und eine durch das erste Schraubenaufnahme-Halteende hindurch gebildete Schraubenaufnahmebohrung zum Anschrauben sowohl des Leistungshalbleitermoduls als auch der Steuer-Leiterplatte an die Kühlrippe zeigt.
16(B) ist eine Schnittansicht, welche ein erhabenes zweites Schraubenaufnahme-Halteende und eine durch das zweite Schraubenaufnahme-Halteende hindurch gebildete Schraubenaufnahmebohrung zum Anschrauben des Leistungshalbleitermoduls und der Steuer-Leiterplatte an die Kühlrippe zeigt.
17(A) ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche ein erhabenes drittes Schraubenaufnahme-Halteende, das aus einer Schraubbefestigungsplatte nach oben vorsteht, zeigt.
17(B) ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche ein erhabenes viertes Schraubenaufnahme-Halteende, das aus der Schraubbefestigungsplatte nach oben vorsteht, zeigt.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit einem Leistungshalbleitermodul zum Steuern eines Wechselrichters beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche das äußere Erscheinungsbild eines Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In den folgenden Beschreibungen werden die vertikalen Lagebeziehungen bisweilen bezüglich der Ausrichtung des in 1 gezeigten Leistungshalbleitermoduls beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, enthält ein Leistungshalbleitermodul 1 ein eine später beschriebene isolierende Leiterplatte beherbergendes Kunstharz-Anschlussklemmengehäuse 2 und auf der isolierenden Leiterplatte befestigte Halbleiter-Chips. Da das Anschlussklemmengehäuse 2 mit einem Epoxidharz (aushärtbaren Kunstharz) 3 gefüllt und versiegelt ist, sind die isolierende Leiterplatte und die Halbleiter-Chips in 1 nicht dargestellt.
Schraubbefestigungsplatten 4 zum Kontaktieren des Leistungshalbleitermoduls 1 an eine später beschriebene Kühlrippe mittels Schrauben gehen von einem Seitenflächen-Paar am Rumpf des Anschlussklemmengehäuses 2 aus. Ein Vorsprung 5 zum Positionieren des Leistungshalbleitermoduls 1 beim Befestigen des Leistungshalbleitermoduls 1 auf der nicht gezeigten Steuer-Leiterplatte eines Wechselrichters ist auf der Oberseite der Schraubbefestigungsplatte 4 angeordnet.
Eine Vielzahl von Außenzuleitungen 6, welche mit der oben beschriebenen Steuer-Leiterplatte verbunden werden, erstrecken sich vom anderen Seitenflächen-Paar des Anschlussklemmengehäuses 2 nach außen.
2(A) ist eine Draufsicht des Leistungshalbleitermoduls. 2(B) ist eine Vorderansicht des Leistungshalbleitermoduls. 2(C) ist eine Unteransicht des Leistungshalbleitermoduls. 3(A) ist eine Seitenansicht des Leistungshalbleitermoduls. 3(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A in 3(A). 3(C) ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs B in 3(B).
Wie in diesen Figuren (insbesondere in 3(B)) gezeigt, enthält das Leistungshalbleitermodul 1 das Anschlussklemmengehäuse 2, welches in seinem Innern eine isolierende Leiterplatte 7, auf der isolierenden Leiterplatte 7 befestigte Halbleiter-Chips 8 und die Halbleiter-Chips 8 mit der Steuer-Leiterplatte verbindende Zuleitungsrahmen 9 beherbergt. Das Anschlussklemmengehäuse 2 ist mit einem Epoxidharz 3 gefüllt und versiegelt. Die Außenzuleitungen 6 sind aus den Endabschnitten der Zuleitungsrahmen 9 gebildet.
Wie in den 2(A) bis 2(C) gezeigt, enthält das Anschlussklemmengehäuse 2 einen mit einem rechteckigen Rahmen geformten Rumpf 11. Wie in 3(C) deutlich gezeigt, ist in der oberen Öffnung des Rumpfs 11 längs des Innenumfangs von dessen rechteckigem Rahmen ein Absatz 12 gebildet. Der Absatz 12 ermöglicht das Verstärken der Adhäsion des Epoxidharzes 3 am Anschlussklemmengehäuse 2 und das Halten des ausgehärteten Epoxidharzes 3. Die untere Öffnung des Rumpfs 11 ist so aufgeweitet, dass ein Absatz 13 zum Einfügen der isolierenden Leiterplatte 7 gebildet wird. Der Absatz 13 ist einwärts nach oben abgeschrägt. Zur isolierenden Leiterplatte 7 hin vorstehende Vorsprünge 14 sind in der Nähe der vier Ecken des Absatzes 13 angeordnet. Die Funktionen der Vorsprünge 14 werden später beschrieben.
Wie in 3(B) deutlich gezeigt, ist die Rahmenbreite des Rumpfs 11 zum Halten des eingefüllten Epoxidharzes 3 ein wenig größer als dessen Rahmenbreite zum Einfügen der isolierenden Leiterplatte 7 und ist die Innenfläche des rahmenförmigen Rumpfs 11 in dessen Höhenrichtung gestuft. Wie in den 2(A) bis 2(C) gezeigt, ist ein Paar von Flanschen 15 an beiden Endabschnitten jeder langen Seitenfläche des mit dem Epoxidharz 3 gefüllten Abschnitts im Rumpf 11 angeordnet. Die Flansche 15 auf der einen Seitenfläche stehen entgegengesetzt zu den Flanschen 15 auf der anderen Seitenfläche und senkrecht zur Längsrichtung des Rumpfs 11 vor. Die wie oben beschrieben angeordneten Flansche 15 verbessern die Steifigkeit des mit dem Epoxidharz 3 gefüllten Abschnitts im Rumpf 11. Demgegenüber sind feine Rinnen 16, welche die Unterseite des Rumpfs 11 wesentlich dünner machen, in diesem gebildet, so dass die Steifigkeit des Abschnitts im Rumpf 11 zum Einfügen der isolierenden Leiterplatte 7 verringert wird. Die oben beschriebenen Schraubbefestigungsplatten 4 erstrecken sich von den Endflächen über die Breite des Abschnitts im Rumpf 11 zum Einfügen der isolierenden Leiterplatte 7 nach außen.
Ein Schraubenaufnahme-Halteende 21 zum Einführen einer später beschriebenen Schraube ist an einer vom Rumpf 11 des Anschlussklemmengehäuses 2 beabstandeten Stelle der Schraubbefestigungsplatte 4 angeordnet. Eine Schraubenaufnahmebohrung 22 ist senkrecht in den mittleren Teil des Schraubenaufnahme-Halteendes 21 gebohrt. Ein ringförmiger Vorsprung 23 ist an der Unterseite der Schraubbefestigungsplatte 4 so angeordnet, dass der ringförmige Vorsprung 23 aus der Unterseite der Schraubbefestigungsplatte 4 hervorsteht. Die Schraubenaufnahmebohrung 22 ist durch den Mittelpunkt des hervorstehenden ringförmigen Vorsprungs 23 gebildet. Die ferne Endfläche des ringförmigen Vorsprungs 23 dient als eine Kontaktfläche, welche mit einer später beschriebenen Kühlrippe Kontakt hat. Ein Ausschnitt 24 mit U-förmigem Querschnitt ist zwischen dem Schraubenaufnahme-Halteende 21 und dem Rumpf 11 des Anschlussklemmengehäuses 2 so gebildet, dass der unter dem Ausschnitt 24 zwischen dem Schraubenaufnahme-Halteende 21 und dem Rumpf 11 des Anschlussklemmengehäuses 2 belassene Abschnitt der Schraubbefestigungsplatte 4 (im folgenden als der "Boden des Ausschnitts 24" bezeichnet) dünn ist. Ein sich in Querrichtung des Anschlussklemmengehäuses 2 erstreckender langer Schlitz 25 ist im mittleren Teil des Bodens des Ausschnitts 24 gebildet, um dessen Biegsamkeit zu erhöhen.
Die isolierende Leiterplatte 7 ist als eine zum unteren Innenumfang des Rumpfs 11 des Anschlussklemmengehäuses 2 passende rechteckige Platte geformt, wie in den 2(B) und 2(C) gezeigt. Wie in 3(C) deutlich gezeigt, enthält die isolierende Leiterplatte 7 ein Hauptsubstrat 26 aus Aluminium oder Kupfer, eine isolierende Kunstharzschicht 27 aus einem Epoxidharz, das einen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Füllstoff (wie Aluminiumnitrid-Pulver und Kieselsäureanhydrid-Pulver) enthält, und auf die isolierende Kunstharzschicht 27 gedruckte Kupferfolienmuster 28. Der Halbleiter-Chip 8 ist über eine Lotschicht 29 auf der Kupferfolie oberflächenmontiert. Ein enger Spalt ist zwischen der isolierenden Leiterplatte 7 und dem Rumpf 11 des Anschlussklemmengehäuses 2 gebildet, so dass die isolierende Leiterplatte 7 sicher innerhalb des Rumpfs 11 gehalten werden kann, wobei das Epoxidharz 3 den Spalt ausfüllt. Wie in 3(A) deutlich gezeigt, liegt die Unterseite der isolierenden Leiterplatte 7 unter dem Anschlussklemmengehäuse 2 frei, so dass eine Kühlfläche gebildet wird. Die Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte 7 ragt um eine bestimmte Länge nach unten über die fernen Endflächen der ringförmigen Vorsprünge 23 hinaus.
Der Zuleitungsrahmen 9 ist eine lange Kupferplatte, die so mit dem Rumpf 11 des Anschlussklemmengehäuses 2 vergossen ist, dass der Zuleitungsrahmen 9 sich parallel zum Rumpf 11 des Anschlussklemmengehäuses 2 erstreckt. Das eine Ende des Zuleitungsrahmens 9 erstreckt sich so vom Rumpf 11 nach außen, dass eine Außenzuleitung 6 mit L-förmigem Längsquerschnitt gebildet wird, und das andere Ende des Zuleitungsrahmens 9 erstreckt sich so in den Rumpf 11 hinein, dass eine Innenzuleitung 30 mit L-förmigem Längsquerschnitt gebildet wird. Der Endabschnitt der Außenzuleitung 6 liegt fast in derselben Ebene wie die Oberseite des Rumpfs 11 und erstreckt sich parallel zur Oberseite des Rumpfs 11. Der Endabschnitt der Außenzuleitung 6 ist durch Löten an die Steuer-Leiterplatte eines später beschriebenen Wechselrichters kontaktiert. Der Endabschnitt der Innenzuleitung 30 erstreckt sich parallel zur Oberseite des Halbleiter-Chips 8 und ist über eine Lotschicht 31 mit der Elektrode des Halbleiter-Chips 8 verbunden.
Das wie oben beschrieben konfigurierte Leistungshalbleitermodul 1 ist auf der Steuer-Leiterplatte eines Wechselrichters montiert, und am Leistungshalbleitermodul 1 ist eine Kühlrippe angebracht. 4 ist eine Schnittansicht des auf der Steuer-Leiterplatte eines Wechselrichters befestigten Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform. Der Vereinfachung wegen zeigt 4 eine Teil-Schnittansicht.
Beim Befestigen des Leistungshalbleitermoduls 1 auf einer Steuer-Leiterplatte 101 wird das Leistungshalbleitermodul 1 durch Einführen der Positioniervorsprünge 5 am Leistungshalbleitermodul 1 in durch die Steuer-Leiterplatte 101 hindurch gebildete Positionierlöcher 102 an eine vorbestimmte Stelle der Steuer-Leiterplatte 101 gesetzt. Lotschichten 103 sind an den Stellen, welche den Außenzuleitungen 6 des Leistungshalbleitermoduls 1 entsprechen, im voraus durch Siebdruck gebildet. Beim Aufsetzen des Leistungshalbleitermoduls 1 werden die Außenzuleitungen 6 auf den Lotschichten 103 angebracht. Die Schraubenaufnahmebohrungen 22 des Leistungshalbleitermoduls 1 werden an den Stellen, welche durch die Steuer-Leiterplatte 101 hindurch im voraus gebildeten Aufnahmebohrungen 104 entsprechen, angebracht.
In diesem Zustand wird Aufschmelzlöten durchgeführt, um das Leistungshalbleitermodul 1 an die Steuer-Leiterplatte 101 zu kontaktieren. Da in der Nähe der vier Ecken auf der Oberseite des Rumpfs 11 des Anschlussklemmengehäuses 2 kleine Vorsprünge 17 gebildet sind, ist zu dem Zeitpunkt, wenn die Lotschichten zum Aufschmelzen gebracht werden, eine gewisse Lotschichtdicke sichergestellt.
Die Einheit, in welcher das Leistungshalbleitermodul 1 und die Steuer-Leiterplatte 101 kombiniert sind, ist auf einer Kühlrippe 110, deren Oberseite eben ist, befestigt. Eine Gewindebohrung 111 ist an der Stelle der Kühlrippe 110, welche der Schraubenaufnahmebohrung 22 des Leistungshalbleitermoduls 1 entspricht, gebildet. Die Einheit, in welcher das Leistungshalbleitermodul 1 und die Steuer-Leiterplatte 101 kombiniert sind, wird durch Einführen einer Schraube 120 von der Seite der Steuer-Leiterplatte 101 in die Schraubenaufnahmebohrungen 104 und 22 und durch Eindrehen der Schraube 120 in die Gewindebohrung 111 an der Kühlrippe 110 befestigt. Da die Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte 7 wie vorher beschrieben um eine bestimmte Länge nach unten über die fernen Endflächen der ringförmigen Vorsprünge 23 hinausragt, werden die Böden der Ausschnitte 24 wegen der Höhendifferenz durch das Anschrauben verbogen. Da die Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte 7 fest an die Kühlrippe 110 gedrückt wird, wird ein hervorragender Wärmeübergang zwischen der isolierenden Leiterplatte 7 und der Kühlrippe 110 erzielt, und deshalb wird eine ausreichende Wärmeabstrahlwirkung erzielt.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls ausführlich beschrieben. 5 ist ein Ablaufdiagramm, welches die Herstellungsschritte gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform beschreibt. Die 6(A) bis 14 sind Zeichnungen zur Beschreibung der Schritte zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls. Im folgenden wird der Herstellungsprozess entsprechend der Reihenfolge der in 5 beschriebenen Schrittnummern (S11 bis S37) beschrieben.
Zuerst werden Halbleiter-Chips 8 gebildet (Schritt S11). 6(A) ist eine Draufsicht des Halbleiter-Chips B. 6(B) ist eine Schnittansicht längs der Linie C-C in 6(A).
Im einzelnen werden IGBTs, Freilaufdioden (FWDs) und derartige Leistungshalbleiter-Einrichtungen auf einem vorbestimmten Halbleitersubstrat gebildet. Polyimidschichten 42 werden auf den Oberflächen der Leistungshalbleiter-Einrichtungen außer auf deren Elektrodenoberflächen gebildet. Vernickelungsschichten 43 werden durch stromloses Niederschlagen auf den jeweiligen Elektroden der Leistungshalbleiter-Einrichtungen gebildet. Vergoldungsschichten 44 werden durch stromloses Niederschlagen auf den Vernickelungsschichten 43 gebildet. Dann wird das Halbleitersubstrat in Chips 41 zerschnitten. Die oben beschriebenen Niederschlagsbehandlungen werden durchgeführt, um das Fließvermögen des Lots zu verbessern, da die Elektroden der Leistungshalbleiter-Einrichtungen Aluminiumschichten sind. Die Niederschlagsbehandlungen bewirken, dass die Oberflächen der Polyimidschichten 42 das Lot abstoßen und dass das Lot genau an den Elektroden anhaftet, soweit die Menge des später aufge brachten Lots angemessen ist.
Gleichzeitig mit dem Bilden der Halbleiter-Chips 8 wird eine isolierende Leiterplatte 7 gebildet (Schritt S12). Wie in 3(C) gezeigt, ist auf einem Hauptsubstrat 26 aus Aluminium oder Kupfer eine isolierende Kunstharzschicht 27 aus einem Epoxidharz, das einen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Füllstoff (wie Aluminiumnitrid-Pulver und Kieselsäureanhydrid-Pulver) enthält, gebildet. Dann werden auf der isolierenden Kunstharzschicht 27 Kupferfolienmuster 28, welche die Elektroden darstellen, gebildet, wie in 7(A) gezeigt.
Dann werden durch Siebdruck Lotschichten 29 (erste Lotschichten) an den vorbestimmten Stellen auf die Muster 28 gedruckt, wie in 7(B) gezeigt (Schritt S13). Dann werden die Halbleiter-Chips 8 auf den jeweiligen Lotschichten 29 befestigt, wie in 7(C) gezeigt (Schritt S14). Außerdem wird gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ein Thermistor 45 zur Temperaturerfassung auf der Lotschicht befestigt. Dann werden mit einem Spender Lotschichten 31 (zweite Lotschichten) an den vorbestimmten Stellen auf die Halbleiter-Chips 8 und an den vorbestimmten Stellen auf die Muster 28 aufgebracht, wie in 7(D) gezeigt (Schritt S15).
Unabhängig von den oben beschriebenen Schritten werden das Anschlussklemmengehäuse 2 und derartige Teile gebildet.
Im einzelnen werden die in 8(A) gezeigten Zuleitungsrahmen 9 durch Stanzen einer vorbestimmten rechteckigen Kupferplatte durch Pressformerei gebildet (Schritt S21). In den Zuleitungsrahmen 9 sind Zuleitungen 51 durch Traversen verbunden, so dass die Zuleitungsrahmen 9 eben sind, wie in 8(B), welche eine Schnittansicht längs der Linie D-D in 8(A) ist, gezeigt. Die benachbarten Zuleitungen sind durch Traversen 52 auf ihrer Innenzuleitungs-Seite und durch Traversen 53 auf ihrer Außenzuleitungs-Seite so verbunden, dass die benachbarten Zuleitungen kurzgeschlossen sind.
Dann werden die Zuleitungsrahmen 9 in eine vorbestimmte Gießform gesetzt und wird das in seinem Innern, wie in 9(A) gezeigt, die Zuleitungsrahmen 9 beherbergende Anschlussklemmengehäuse 2 durch Spritzgießen eines Polyphenylensulfid-Kunstharzes (im folgenden als ein "PPS-Kunstharz" bezeichnet) gebildet (Schritt S22). Vorsprünge 14 und der Absatz 12, wie in 3(C) gezeigt, werden durch Spritzgießen am Anschlussklemmengehäuse 2 gebildet. Auch Schraubbefestigungsplatten 4 werden durch Spritzgießen so gebildet, dass die Schraubbefestigungsplatten 4 in das Anschlussklemmengehäuse integriert sind. In diesem Zustand sind die Zuleitungsrahmen 9 noch eben, wie in 9(B), welche eine Schnittansicht längs der Linie E-E in 9(A) ist, gezeigt. Zur Verbesserung der Haftfähigkeit des PPS-Kunstharzes am Epoxidharz kann dem PPS-Kunstharz eine vorbestimmte Menge eines Polyhydroxyetherharzes oder eines Esters beigemischt werden.
Dann werden die Traversen 52 auf der Innenzuleitungs-Seite des Zuleitungsrahmens 9 abgeschnitten und werden, wie in 10(A) und 10(B) gezeigt, die Innenzuleitungen 30 gebildet, indem die Innenzuleitungs-Seite des Zuleitungsrahmens 9 senkrecht zu dessen Ebene gepresst wird (Schritt S23). Gleichzeitig wird durch die auf die Innenzuleitung 30 angewendete Prägeformung im mittleren Teil des Endabschnitts der Innenzuleitung 30 ein nach unten vorstehender Vorsprung 61 gebildet, wie in 10(C) gezeigt.
Dann wird die isolierende Leiterplatte 7 auf dem Anschlussklemmengehäuse 2 befestigt, wie in 11(A) und 11(B) gezeigt, und werden die Innenzuleitungen 30 der Zuleitungen 51 in Kontakt mit der Lotschicht 31 gebracht, wie in 11(C) gezeigt (Schritt S31). In dieser Phase ragt die Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte 7 um eine bestimmte Länge nach unten über die fernen Endflächen der ringförmigen Vorsprünge 23 der Schraubbefestigungsplatten 4 hinaus, wie oben beschrieben.
Dann wird in diesem Zustand Aufschmelzlöten durchgeführt (Schritt S32). Im einzelnen werden die erste Lotschicht 29 und die zweite Lotschicht 31 gleichzeitig zum Aufschmelzen gebracht und werden die Halbleiter-Chips 8 gleichzeitig an die isolierende Leiterplatte 7 und an die Innenzuleitungen 30 gelötet. Die von den Polyimidschichten abgestoßenen Lotschichten bewegen sich durch Selbstausrichtung an die Stellen zwischen den Innenzuleitungen 30 und den Elektroden der Halbleiter-Chips B. Infolgedessen bewegen sich auch die Halbleiter-Chips 8 auf eine selbstausrichtende Art und Weise und werden an den jeweiligen richtigen Stellen kontaktiert. Da durch die Vorsprünge 61 auf den Innenzuleitungen 30, wie in 11(C) gezeigt, eine erforderliche Lotdicke zwischen den Innenzuleitungen 30 und den Halbleiter-Chips 8 sichergestellt ist, wird eine ausreichende Lötkontaktierungsfestigkeit erzielt.
Dann wird Vorwärmen durchgeführt (Schritt S33) und wird schmelzflüssiges Epoxidharz 3 in das Anschlussklemmengehäuse 2 gefüllt, wie in den 12(A) und 12(B) gezeigt (Schritt S34). Wie in 12(C), welche die vergrößerte Ansicht des Bereichs F in 12(B) darstellt, gezeigt, wird das Epoxidharz 3 durch den durch die Vorsprünge 14 zwischen dem Anschlussklemmengehäuse 2 und der isolierenden Leiterplatte 7 gebildeten Spalt eingefüllt. Das das Anschlussklemmengehäuse 2 ausfüllende Epoxidharz 3 wird in einem Aushärteofen ausgehärtet (Schritt S35). Das Epoxidharz 3 wird vom Absatz 12 des Anschlussklemmengehäuses 2 sicher gehalten. Um zu verhindern, dass sich das Epoxidharz 3 von den Halbleiter-Chips 8 oder vom Zuleitungsrahmen 9 ablöst, ist vorzugsweise ein Epoxidharz auszuwählen, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher mit denjenigen der Halbleiter-Chips 8 und der Zuleitungsrahmen 9 nahezu übereinstimmt.
In diesem Zustand werden durch Einspeisen eines Stroms in ein Paar von Traversen 53 Isolationsprüfungen durchgeführt (Schritt S36). Dann werden, wie in den 13(A) und 13(B) gezeigt, die Außenzuleitungen 6 gebildet, indem die außenzuleitungsseitigen Abschnitte der Zuleitungen 51, welche die Isolationsprüfungen bestanden haben, senkrecht zur Ebene der Zuleitungen 51 gepresst werden, um die Traversen 53 abzuschneiden, so dass die Zuleitungen 51 voneinander getrennt werden (Schritt S37). Obwohl die Erfindung bis jetzt im Zusammenhang mit dem DIP-Anschlussklemmengehäuse 2, bei welchem die Außenzuleitungen 6 von beiden Seitenflächen des Gehäuses ausgehen, beschrieben wurde, kann das Anschlussklemmengehäuse auch ein SIP-Gehäuse, bei welchem die Außenzuleitungen von einer Seitenfläche des Gehäuses ausgehen, oder ein QFP-Gehäuse, bei welchem die Außenzuleitungen von der Gehäuseoberseite ausgehen, sein.
Wie oben beschrieben, umfassen die Zuleitungsrahmen 9 im Leistungshalbleitermodul 1 gemäß der ersten Ausführungsform die Innenzuleitungen 30 und die Außenzuleitungen 6. Die Außenzuleitungen 6 werden durch Löten gleichzeitig an die Halbleiter-Chips 8 kontaktiert. Im Vergleich zur Kontaktierung der Außenzuleitungen und der Halbleiter-Chips über Kontaktierungsdrähte verringert sich deshalb die Anzahl der Bestandteile. Da es nicht erforderlich ist, die Außenzuleitungen eine nach der anderen an den Halbleiter-Chip zu kontaktieren, wird das Leistungshalbleitermodul 1 wirtschaftlich hergestellt. Da Außenzuleitungen und Halbleiter-Chips nicht über Kontaktierungsdrähte verbunden werden, ist eine ausreichende Strombelastbarkeit sichergestellt.
Bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung kommt keine Drahtkontaktierung zur Anwendung. Die Kontaktierung zwischen der isolierenden Leiterplatte 7 und den Halbleiter-Chips 8 und die Kontaktierung zwischen den Halbleiter-Chips 8 und den Zuleitungsrahmen 9 werden in einem einzigen Schritt des Aufschmelzlötens gleichzeitig durchgeführt. Deshalb verkürzt sich die Montagezeit extrem und wird ein Leistungshalbleitermodul sehr wirtschaftlich hergestellt.
Obwohl die Erfindung bis jetzt im Zusammenhang mit ihrer ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben wurde, sind für den Durchschnittsfachmann Änderungen und Abwandlungen offensichtlich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.
Eine das Aluminium-Hauptsubstrat 26 und die auf dem Aluminium Hauptsubstrat 26 gebildete isolierende Kunstharzschicht 27 umfassende Aluminium-Isolierplatte, wie in den 3(A) bis 3(C) gezeigt, dient in der ersten und in der zweiten Ausführungsform als die isolierende Leiterplatte 7. Alternativ kann problemlos eine DCB-Isolierplatte (DCB: Direct Copper Bond = Direkt-Kupfer-Kontaktierung) als Ersatz für die Aluminium-Isolierplatte verwendet werden.
14 ist eine Schnittansicht eines Leistungshalbleitermoduls 201 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung, welches eine DCB-Isolierplatte verwendet. 14 zeigt den Querschnittsaufbau, welcher dem in 3(B) gezeigten Querschnittsaufbau ähnelt. Zur Vereinfachung werden die gleichen Bezugszeichen wie in 3(B) verwendet, um gleiche oder ähnliche Bestandteile zu benennen, und wird auf erneute Beschreibungen derselben verzichtet.
Wie aus 14 ersichtlich, sind auf dem Leistungshalbleitermodul 201 eine isolierende Leiterplatte 207, welche ein isolierendes Keramiksubstrat 211 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (SiN) und derartiger Keramik umfasst; eine auf der Unterseite des isolierenden Keramiksubstrats 211 durch Auflaminieren von Kupferfolien gebildete Kühlfläche 212; und auf der Oberseite des isolierenden Keramiksubstrats 211 gebildete Kupferfolienmuster 213 angebracht. Halbleiter-Chips 8 sind über die Lotschichten 29 auf den Kupferfolienmustern 213 oberflächenmontiert. Die Vorsprünge 14 auf dem Anschlussklemmengehäuse 2 kommen mit dem Keramiksubstrat 211 in Kontakt.
Die Vernickelungsschichten 43 und die Vergoldungsschichten 44 werden durch stromloses Niederschlagen auf den Elektroden der Leistungshalbleiter-Chips 8 gebildet, um das Fließvermögen des Lots gemäß der zweiten Ausführungsform, wie anhand der 6(A) und 6(B) beschrieben, zu verbes sern. Alternativ können die Nickelschichten und die Goldschichten durch andere Verfahren gebildet werden. Zum Beispiel können Plasma-CVD-, Bedampfungs-, Zerstäubungs- und derartige Verfahren zum Niederschlagen dünner Schichten als Ersatz für das stromlose Niederschlagen verwendet werden. Als Ersatz für die Nickelschichten können Zinnschichten niedergeschlagen werden.
Der Absatz 12 ist, gemäß der ersten Ausführungsform, am oberen Teil im Anschlussklemmengehäuse 2 gebildet, wie in den 3(B) und 3(C) gezeigt, um die Adhäsion des Epoxidharzes 3 am Anschlussklemmengehäuse 2 zu verstärken. Alternativ kann eine Struktur, welche das Einhaken des Epoxidharzes 3 ermöglicht, zur Anwendung kommen. Das Epoxidharz 3 kann zum Beispiel durch in den oberen Teilen am Innenumfang des Anschlussklemmengehäuses 2 gebildete spitze Ausschnitte 302, wie in 15 gezeigt, fest am Anschlussklemmengehäuse 2 verankert sein.
Das Leistungshalbleitermodul 1 ist, gemäß der ersten Ausführungsform, auf der Steuer-Leiterplatte 101 befestigt wie in 4 gezeigt. Alternativ kann das Leistungshalbleitermodul 1 auf die abgewandelte Art und Weise, wie in den 16(A) bis 17(B) gezeigt, auf der Steuer-Leiterplatte 101 befestigt sein. In den 16(A) bis 17(B) werden die gleichen Bezugszeichen wie in 4 verwendet, um gleiche Bestandteile zu benennen, und auf erneute Beschreibungen derselben wird verzichtet.
Ein erhabenes Schraubenaufnahme-Halteende 405, wie in 16(A) gezeigt, kann zum Positionieren des Leistungshalbleitermoduls auf der Steuer-Leiterplatte 101 vorgesehen sein. Das Schraubenaufnahme-Halteende 405 ist auf einer Schraubbefestigungsplatte 404 des Leistungshalbleitermoduls so angebracht, dass das Schraubenaufnahme-Halteende 405 nach oben übersteht. Das Leistungshalbleitermodul wird durch Einführen des Schraubenaufnahme-Halteendes 405 in eine in der Steuer-Leiterplatte gebildete Aufnahmebohrung 114 auf der Steuer-Leiterplatte positioniert. Eine Schraubenaufnahmebohrung 406 zum Anschrauben des Leistungshalbleitermoduls und der Steuer-Leiterplatte 101 an die Kühlrippe 110 ist durch das Schraubenaufnahme-Halteende 405 hindurch gebildet. Die Schraubenaufnahmebohrung 406 geht auch für die vorher beschriebene Schraubenaufnahmebohrung 22. Das Leistungshalbleitermodul 1 und die Steuer-Leiterplatte 101 werden durch Eindrehen der Schraube 120 durch die Aufnahmebohrung 406 in die Gewindebohrung 111 der Kühlrippe 110 an der Kühlrippe 110 befestigt.
Alternativ ist ein aus einer Schraubbefestigungsplatte 424 vorstehendes erhabenes Schraubenaufnahme-Halteende 425 mit einem Absatz 427 versehen, wie in 16(B) gezeigt, so dass das Schraubenaufnahme-Halteende 425 auf der Höhe, auf welcher der Absatz 427 gebildet ist, mit der Steuer-Leiterplatte 101 zusammengefügt und an dieser befestigt ist. Durch Festlegen der Höhe des Absatzes 427 wird die Lagebeziehung zwischen den Außenzuleitungen 6 und der Steuer-Leiterplatte 101 bestimmt und wird außerdem beim Aufschmelzen der Lotschichten 103 eine gewisse Lotdicke sichergestellt.
Alternativ ist ein aus einer Schraubbefestigungsplatte 434 nach oben vorstehendes erhabenes Schraubenaufnahme-Halteende 435, wie in einer vergrößerten Schnittansicht in 17(A) gezeigt, so angeordnet, dass das ferne Ende des Schraubenaufnahme-Halteendes 435 mit der Steuer-Leiterplatte 101 zusammengefügt und an dieser befestigt ist. Durch Festlegen der Höhe des Schraubenaufnahme-Halteendes 435 wird die Lagebeziehung zwischen den Außenzuleitungen 6 und der Steuer-Leiterplatte 101 bestimmt und wird außerdem beim Aufschmelzen der Lotschichten 103 eine gewisse Lotdicke sichergestellt. Eine Schraubenaufnahmebohrung 436 zum Anschrauben des Leistungshalbleitermoduls und der Steuer-Leiterplatte 101 an die Kühlrippe 110 ist durch das Schraubenaufnahme-Halteende 435 hindurch gebildet. Die Schraubenaufnahmebohrung 436 ist auch für die vorher beschriebene Schraubenaufnahmebohrung 22 nutzbar. Das Leistungshalbleitermodul 1 und die Steuer-Leiterplatte 101 werden durch Eindrehen der Schraube 120 durch die Aufnahmebohrung 436 in die Gewindebohrung 111 der Kühlrippe 110 an der Kühlrippe 110 befestigt.
Alternativ ist ein zu seinem fernen Ende hin konisch zulaufendes und aus einer Schraubbefestigungsplatte 444 nach oben vorstehendes erhabenes Schraubenaufnahme-Halteende 445, wie in einer vergrößerten Schnittansicht in 17(B) gezeigt, so angeordnet, dass das Schraubenaufnahme-Halteende 445 an einer vorbestimmten Stelle seines Konus mit der Aufnahmebohrung 114 der Steuer-Leiterplatte 101 zusammengefügt und an dieser befestigt ist. Durch angemessenes Festlegen der Höhe und der Konizität des Schraubenaufnahme-Halteendes 445 wird die Lagebeziehung zwischen den Außenzuleitungen 6 und der Steuer-Leiterplatte 101 bestimmt und wird außerdem beim Aufschmelzen der Lotschichten 103 eine gewisse Lotdicke sichergestellt. Eine Schraubenaufnahmebohrung 436 zum Anschrauben des Leistungshalbleitermoduls 1 und der Steuer-Leiterplatte 101 an die Kühlrippe 110 ist durch das Schraubenaufnahme-Halteende 445 hindurch gebildet. Die Schraubenaufnahmebohrung 436 ist auch für die vorher beschriebene Schraubenaufnahmebohrung 22 nutzbar. Das Leistungshalbleitermodul 1 und die Steuer-Leiterplatte 101 werden durch Eindrehen der Schraube 120 durch die Aufnahmebohrung 436 in die Gewindebohrung 111 der Kühlrippe 110 an der Kühlrippe 110 befestigt.
Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung sind die Halbleiter-Chips 8 auf der isolierenden Leiterplatte 7 oberflächenmontiert und sind die Zuleitungsrahmen 9 auf den Halbleiter-Chips 8 oberflächenmontiert. Alternativ kann die sogenannte Steckmontage zur Anwendung kommen und können die Halbleiter-Chips 8 durch Löten an die isolierende Leiterplatte 7 und an den Zuleitungsrahmen 9 kontaktiert werden. Alternativ können Hartlöten unter Verwendung eines Hartlot-Füllmaterials einschließlich Silberpaste und ein elektrisch leitfähiger, von Lot verschiedener Klebstoff zur Anwendung kommen.
Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wird das Epoxidharz als isolierende Versiegelungsmasse verwendet. Alternativ kann problemlos Silikon-Gel und derartiges Gel-Füllmaterial in das Anschlussklemmengehäuse 2 gespritzt und darin ausgehärtet werden. Jedoch ist noch immer das Epoxidharz vorzuziehen, da das Epoxidharz sich durch hervorragenden Wärmeübergang, hervorragende Wärmebeständigkeit und hohe Steifigkeit auszeichnet. Bei Verwendung eines Gel-Füllmaterials ist es erforderlich, mit einer Kunstharzplatte Druck auf dessen Oberseite auszuüben und derartige Vorkehrungen zu treffen.
Obwohl im Zusammenhang mit den obigen Ausführungsformen nicht speziell beschrieben, ist es vorzuziehen, die Dicke der auf der isolierenden Leiterplatte 7 befestigten Halbleiter-Chips 8 gleichzumachen. Durch Gleichmachen der Dicke der Halbleiter-Chips 8 können die Biegelängen der Zuleitungsrahmen 9 auf der Seite der Innenzuleitungen 30 standardisiert werden. Infolgedessen ist die zum Bilden der Biegung durch Pressen verwendete Pressform einfach herzustellen.
Obwohl im Zusammenhang mit den obigen Ausführungsformen nicht speziell beschrieben, können Kupferkern-Kugeln oder Nickelkern-Kugeln mit einem gewissen Durchmesser (z.B. von einigen zehn bis zu einigen hundert um Durchmesser) in der Lötpaste dispergiert sein, um beim Aufschmelzen der Lotschichten eine gewisse Lotschichtdicke sicherzustellen.

Claims

Leistungshalbleitermodul, das in seinem Innern Leistungshalbleiter-Einrichtungen enthält, wobei das Leistungshalbleitermodul auf einer Steuer-Leiterplatte (101) einer Hauptvorrichtung befestigt ist, welches Leistungshalbleitermodul enthält: Zuleitungsrahmen (9), deren eine Endabschnitte mit der Steuer-Leiterplatte (101) verbundene Außenzuleitungen (6) enthalten und deren andere Endabschnitte mit einem oder mehreren Halbleiter-Chips (8) verbundene Innenzuleitungen (30) enthalten; ein Anschlussklemmengehäuse (2), in welches die Zuleitungsrahmen (9) eingeschlossen sind, so dass deren Innenzuleitungen (30) im Anschlussklemmengehäuse (2) untergebracht sind; eine im Anschlussklemmengehäuse (2) untergebrachte isolierende Leiterplatte (7), wobei die eine Hauptoberfläche der isolierenden Leiterplatte (7) zur Seite gegenüber der Steuer-Leiterplatte (101) hin freiliegt, um eine Kühlfläche zu bilden, und wobei auf der anderen Hauptoberfläche auf der Seite gegenüber der Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte (7) der eine oder die mehreren Halbleiter-Chips (8) angebracht ist bzw. sind; den einen oder die mehreren Halbleiter-Chips (8), welche an die isolierende Leiterplatte (7) hartgelötet sind; und die Zuleitungsrahmen (9), welche an den einen oder die mehreren Halbleiter-Chips (8) auf der Seite gegenüber der isolierenden Leiterplatte (7) hartgelötet sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei welchem der eine oder die mehreren Halbleiter-Chips (8) durch Löten auf der isolierenden Leiterplatte (7) oberflächenmontiert sind und die Zuleitungsrahmen (9) durch Löten auf dem einen oder den mehreren Halbleiter-Chips (8) oberflächenmontiert sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, bei welchem das Anschlussklemmengehäuse (2) ein Paar von Schraubbefestigungsplatten (4), welche sich vom Rumpf des Anschlussklemmengehäuses (2) in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, enthält, um das Eindrehen von Schrauben in eine Kühlrippe (110) zu ermöglichen, so dass die Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte (7) in Kontakt mit der Kühlrippe (110) kommt; und die Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte (7) um eine vorbestimmte Länge über die Kontaktflächen der Schraubbefestigungsplatten (4), über welche die Schraubbefestigungsplatten (4) mit der Kühlrippe (110) in Kontakt gebracht werden, zur Kühlrippe (110) hin hinausragt.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, bei welchem das Anschlussklemmengehäuse (2) zwecks isolierender Versiegelung mit einem unter Wärme aushärtbaren Kunstharz (3) gefüllt ist, wobei das aushärtbare Kunstharz (3) ausgehärtet ist, und das Anschlussklemmengehäuse (2) zwischen den Schraubenaufnahme-Halteenden der Schraubbefestigungsplatten (4) und dem Rumpf des Anschlussklemmengehäuses (2) gebildete Ausschnitte (24) enthält, so dass die unter den Ausschnitten zwischen den Schraubenaufnahme- Halteenden der Schraubbefestigungsplatten (4) und dem Rumpf des Anschlussklemmengehäuses (2) belassenen Abschnitte der Schraubbefestigungsplatten (4) dünn sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, bei welchem in den jeweiligen Abschnitten der Schraubbefestigungsplatten (4) unter den Ausschnitten (24) zwischen den Schraubenaufnahme-Halteenden der Schraubbefestigungsplatten (4) und dem Rumpf des Anschlussklemmengehäuses (2) Schlitze angeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, bei welchem die Kontaktfläche an jeder der Schraubbefestigungsplatten (4) die ferne Endfläche eines aus jeder der Schraubbefestigungsplatten (4) zur Kühlrippe (110) hin vorstehenden Vorsprungs (5) enthält.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, bei welchem das Anschlussklemmengehäuse (2) in den Kontaktierungsbereichen zwischen dem Anschlussklemmengehäuse (2) und der isolierenden Leiterplatte (7) einen oder mehrere zur isolierenden Leiterplatte (7) hin vorstehende Vorsprünge (14) enthält, um das aushärtbare Kunstharz (3) um den einen oder die mehreren Vorsprünge (14) herum in den Spalt zwischen dem Anschlussklemmengehäuse (2) und der isolierenden Leiterplatte (7) fließen zu lassen.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, bei welchem das Anschlussklemmengehäuse (2) eine adhäsionsverstärkende Struktur enthält, welche die Adhäsion des aushärtbaren Kunstharzes verstärkt.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, bei welchem die Außenzuleitungen (6) der Zuleitungsrahmen (9) so gebildet sind, dass die Außenzuleitungen (6) auf der Seite gegenüber der Kühlflächenseite des Anschlussklemmengehäuses (2) auf der Steuer-Leiterplatte (101) durch Löten oberflächenmontiert sind; und mindestens einer oder mehrere Vorsprünge (17) auf der zur Steuer-Leiterplatte (101) weisenden Oberfläche des Anschlussklemmengehäuses (2) und der Schraubbefestigungsplatten (4) gebildet sind, um eine gewisse Lotdicke zum Löten der Außenzuleitungen (6) an die Steuer-Leiterplatte (101) sicherzustellen.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, bei welchem die Außenzuleitungen (6) der Zuleitungsrahmen (9) so gebildet sind, dass die Außenzuleitungen (6) auf der Seite gegenüber der Kühlflächenseite des Anschlussklemmengehäuses (2) auf der Steuer-Leiterplatte (101) durch Löten oberflächenmontiert sind; und jede der Schraubbefestigungsplatten (4) eine Schraubenaufnahmebohrung enthält, durch welche eine Schraube eingeführt wird, um das Leistungshalbleitermodul und die Steuer-Leiterplatte (101) an die Kühlrippe (110) anzuschrauben.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 10, bei welchem jede der Schraubbefestigungsplatten (4) ein erhabenes Schraubenaufnahme-Halteende (21) enthält, welches die durch das erhabene Schraubenaufnahme-Halteende hindurch gebildete Schraubenaufnahmebohrung (22) aufweist, wobei das erhabene Schraubenaufnahme-Halteende in eine in der Steuer-Leiterplatte (101) gebildete Aufnahmebohrung eingeführt wird, um das Leistungshalbleitermodul auf der Steuer-Leiterplatte (101) zu positionieren.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei welchem zwei oder mehr Halbleiter-Chips (8) auf der isolierenden Leiterplatte (7) befestigt sind und die zwei oder mehr Halbleiter-Chips (8) in der Dicke gleich sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, bei welchem die zu verlötenden Abschnitte der Zuleitungsrahmen (9) teilweise mit jeweiligen zum Lot hin vorstehenden Vorsprüngen (61) versehen sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, bei welchem auf der Zuleitungsrahmen (9)-Seite des einen oder der mehreren Halbleiter-Chips (8), außer auf deren Elektroden, Polyimidschichten (42) gebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, das in seinem Innern Leistungshalbleiter-Einrichtungen enthält, wobei das Leistungshalbleitermodul auf einer Steuer-Leiterplatte (101) einer Hauptvorrichtung befestigt ist, welches Verfahren die folgenden Schritte enthält: (a) Bilden von Leistungshalbleiter-Einrichtungen auf einem oder mehreren vorbestimmten Halbleitersubstraten, um einen oder mehrere Halbleiter-Chips (8) zu bilden; (b) Bilden einer isolierenden Leiterplatte (7), welche eine Isolierschicht, Elektroden darstellende Elektrodenschichten auf der einen Hauptoberfläche der Isolierschicht und eine eine Kühlfläche darstellende Kühlschicht auf der anderen Hauptoberfläche der Isolierschicht enthält; (c) Bilden erster Lotschichten auf den jeweiligen Elektroden; (d) Befestigen des einen oder der mehreren Halbleiter-Chips (8) auf den ersten Lotschichten; (e) Bilden zweiter Lotschichten auf dem einen oder den mehreren Halbleiter-Chips (8); (f) Stanzen einer vorbestimmten Metallplatte, um Zuleitungsrahmen (9) zu bilden, wobei deren Zuleitungen über Traversen miteinander verbunden sind; (g) Bilden eines Anschlussklemmengehäuses (2) durch Spritzgießen eines Kunstharzes unter Verwendung einer vorbestimmten Gießform, um die Zuleitungsrahmen (9) in das Anschlussklemmengehäuse (2) zu integrieren; (h) Befestigen der isolierenden Leiterplatte (7) auf dem Anschlussklemmengehäuse (2), um die Innenzuleitungen (30) der Zuleitungsrahmen (9) mit den jeweiligen zweiten Lotschichten in Kontakt zu bringen; (k) Aufschmelzenlassen der ersten und zweiten Lotschichten, um die isolierende Leiterplatte (7) und den einen oder die mehreren Halbleiter-Chips (8) miteinander zu verlöten und den einen oder die mehreren Halbleiter-Chips (8) und die Zuleitungsrahmen (9) miteinander zu verlöten; (m) Füllen des Anschlussklemmengehäuses (2) mit einem unter Wärme aushärtbaren Kunstharz (3) zwecks isolierender Versiegelung und das Aushärten des aushärtbaren Kunstharzes; und (n) Trennen der Zuleitungen der Zuleitungsrahmen (9), um Außenzuleitungen (6) an den Zuleitungsrahmen (9) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner enthaltend den Schritt des Bildens von Innenzuleitungen (30) an den Zuleitungsrahmen (9) nach dem Schritt (g).
Verfahren nach Anspruch 15, ferner enthaltend den Schritt des Durchführens von Isolationsprüfungen an den Zuleitungsrahmen (9) vor dem Schritt (n), wobei der Schritt (n) an den Zuleitungsrahmen (9), welche die Isolationsprüfungen bestanden haben, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem Schritt (g) enthält: Bilden eines in den Rumpf des Anschlussklemmengehäuses (2) so integrierten Paars von Schraubbefestigungsplatten (4), dass die Schraubbefestigungsplatten (4) sich vom Rumpf des Anschlussklemmengehäuses (2) in entgegengesetzte Richtungen erstrecken; und Eindrehen von Schrauben durch die Schraubbefestigungsplatten (4) in eine Kühlrippe (110), um die Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte (7) in Kontakt mit der Kühlrippe (110) zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem Schritt (h) enthält: das Befestigen der isolierenden Leiterplatte (7) auf dem Anschlussklemmengehäuse (2), so dass die Kühlfläche der isolierenden Leiterplatte (7) um eine vorbestimmte Länge über die Kontaktflächen der Schraubbefestigungsplatten (4), über welche die Schraubbefestigungsplatten (4) mit der Kühlrippe (110) in Kontakt gebracht werden, zur Kühlrippe (110) hin hinausragt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem Schritt (g) enthält: das Bilden von Ausschnitten (24) zwischen den Schraubenaufnahme-Halteenden der Schraubbefestigungsplatten (4) und dem Rumpf des Anschlussklemmengehäuses (2), so dass die unter den Ausschnitten (24) zwischen den Schraubenaufnahme-Halteenden der Schraubbefestigungsplatten (4) und dem Rumpf des Anschlussklemmengehäuses (2) belassenen Abschnitte der Schraubbefestigungsplatten (4) dünn sind.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem Schritt (g) das einstückige Bilden eines oder mehrerer aus dem Anschlussklemmengehäuse (2) zur isolierenden Leiterplatte (7) hin vorstehender Vorsprünge in den Kontaktierungsbereichen zwischen dem Anschlussklemmengehäuse (2) und der isolierenden Leiterplatte (7) am Anschlussklemmengehäuse (2) enthält und Schritt (m) das Fließenlassen des aushärtbaren Kunstharzes um den einen oder die mehreren Vorsprünge herum in den Spalt zwischen dem Anschlussklemmengehäuse (2) und der isolierenden Leiterplatte (7) enthält.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem Schritt (g) das einstückige Bilden einer adhäsionsverstärkenden Struktur im Anschlussklemmengehäuse (2), wobei die adhäsionsverstärkende Struktur die Adhäsion des aushärtbaren Kunsthar zes verstärkt, enthält und Schritt (m) das Bewirken des Haltens des aushärtbaren Kunstharzes durch die adhäsionsverstärkende Struktur enthält.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem Schritt (d) das Befestigen zweier oder mehrerer Halbleiter-Chips (8) auf der isolierenden Leiterplatte (7) enthält, und Schritt (a) das Gleichmachen der Dicke der zwei oder mehreren Halbleiter-Chips (8) enthält.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem der Schritt des Bildens von Innenzuleitungen (30) an den Zuleitungsrahmen (9) das Anwenden einer Prägeformung enthält, um die zu verlötenden Abschnitte der Zuleitungsrahmen (9) teilweise mit jeweiligen zum Lot hin vorstehenden Vorsprüngen zu versehen.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem Schritt (a) das Bilden von Polyimidschichten (42) auf der Zuleitungsrahmen (9) Seite des einen oder der mehreren Halbleiter-Chips (8), außer auf deren Elektroden, und das Bilden von Niederschlagsschichten auf den Elektrodenoberflächen enthält und Schritt (k) das Ausrichten des einen oder der mehreren Halbleiter-Chips (8) auf eine selbstausrichtende Art und Weise enthält.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem Schritt (f) das Bilden ebener Zuleitungsrahmen (9) und das Integrieren der ebenen Zuleitungsrahmen (9) in das Anschlussklemmengehäuse (2) enthält; und die Bildung der Innenzuleitungen (30) und die Bildung der Außenzuleitungen (6) durch Pressformung erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem das im Schritt (m) verwendete aushärtbare Kunstharz (3) ein Epoxidharz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt (c) oder der Schritt (e) das Dispergieren von Kernkugeln mit einem vorbestimmten Durchmesser in den ersten Lotschichten oder den zweiten Lotschichten enthält oder der Schritt (c) und der Schritt (e) das Dispergieren von Kernkugeln mit einem vorbestimmten Durchmesser in den ersten Lotschichten und den zweiten Lotschichten enthalten.