DE102015219852A1 - Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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Abstract

Ein Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung kann enthalten: einen Anschluss am unteren Ende, mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips, die am Anschluss am unteren Ende installiert sind, mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter, die an dem mindestens einen Paar Leistungs-Halbleiterchips angebracht sind, einen Anschluss am oberen Ende, der an dem mindestens einen Paar waagrechter Abstandshalter installiert ist, und mindestens ein Paar senkrechte Abstandshalter, die zwischen dem Anschluss am oberen Ende und dem Anschluss am unteren Ende angeordnet sind.

Description

  • HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen allgemein ein Leistungsmodul eines Inverters für ein Fahrzeug und insbesondere ein Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung mit einem Abstandshalter, der eine Struktur und/oder Form hat, mit der eine mechanische Halterung und/oder ein elektrischer Anschluss unter Berücksichtigung der Isolierung durch Aufbringen eines keramischen Substrats auf einer Fläche, die mit einer zweiseitigen Kühleinrichtung in Kontakt steht, zur elektrischen Isolierung eines Leistungsmoduls erreicht werden können und ein Herstellungsverfahren dafür.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Im Allgemeinen verwenden umweltfreundliche Fahrzeuge einen Elektromotor als Antriebsmittel. Der typische Elektromotor wird durch Phasenstrom angetrieben, der über ein Versorgungskabel von einem Inverter geliefert, der eine Gleichspannung durch ein Impulsbreiten-Modulationssignal (PWM) von einer Steuerung in eine Dreiphasenwechselspannung wandelt. Außerdem ist der Inverter mit einem Leistungsmodul verbunden, das von einer Batterie mit Gleichspannung (DC) versorgt wird und Energie zum Antrieb des Elektromotors liefert.
  • Im Allgemeinen ist ein Leistungsmodul so konfiguriert, dass sechs oder drei Phasen in einem Block integriert sind. Da ein Leistungsmodul aufgrund der Spannungsversorgung Wärme erzeugt, werden bei dem Leistungsmodul verschiedene Konzepte zur Kühlung der erzeugten Wärme angewendet, um einen stabilen Betrieb zu erreichen.
  • 1 ist eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls mit einer normalen an beiden Seiten angeordneten Kühlung. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind oben und unten Kupferplatten 120 angeordnet, an deren Enden Stromanschlüsse 110 ausgebildet sind, und ein Chip 130 ist mit einem Signalanschluss 160 über einen Draht 140 verbunden. Ein Abstandshalter 150 ist zwischen dem Chip 130 und der Kupferplatte 120 angeordnet.
  • Wenn das Leistungsmodul wie in 1 dargestellt konfiguriert ist, ist die interne Schaltungskonfiguration kompliziert, so dass es schwierig ist, mehr als einen von sechs Schaltern einer Inverterschaltung zu implementieren. Da außerdem an der Außenseite keine elektrische Isolierungsbehandlung erfolgt, muss eine eigene Isolierfolie mit niedriger Wärmeleitfähigkeit (z. B. ca. 5 bis 10 W/mK) oder dgl. angebracht werden, so dass sich die thermischen Eigenschaften verschlechtern. Ferner wird üblicherweise Drahtbonden zum Anschließen des Chips an den Signalanschluss angewendet, so dass zur Überbrückung einer solchen Höhe eine Struktur mit großer Breite benötigt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Es wird ein Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung bereitgestellt, das die Kühlleistung und die Zuverlässigkeit verbessern kann, indem es die Wärmestrahlung in zwei Richtungen fördert. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auf ein Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung mit verbesserter Kühlleistung und Zuverlässigkeit gerichtet, indem die Wärmestrahlung in zwei Richtungen und ein Herstellungsverfahren dafür implementiert werden. Ferner sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf ein Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung gerichtet, das eine Vereinfachung des Prozesses erreichen und die Senkung der Herstellungskosten durch einen verbesserten Herstellungsprozess kann erzielen kann sowie ein Herstellungsverfahren dafür.
  • Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Offenbarung erschließen sich aus der folgenden Beschreibung und werden anhand der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung deutlich. Außerdem ist es für den Fachmann, an den sich die vorliegende Offenbarung richtet, offensichtlich, dass die vorliegende Offenbarung durch die beanspruchten Mittel und deren Kombinationen verwirklicht werden kann.
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthält ein Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung: einen Anschluss am unteren Ende; mindestens ein Paar Leistungs-Halbleiterchips, die am Anschluss am unteren Ende installiert sind; mindestens ein Paar waagrechte Abstandshalter, die an dem mindestens einem Paar Leistungs-Halbleiterchips angebracht sind; einen Anschluss am oberen Ende, der an dem mindestens einem Paar waagrechter Abstandshalter installiert ist; und mindestens ein Paar senkrechte Abstandshalter, die zwischen dem Anschluss am oberen Ende und dem Anschluss am unteren Ende angeordnet sind.
  • In diesem Fall kann das mindestens ein Paar senkrechte Abstandshalter zur Einstellung der Höhe zwischen dem Anschluss am oberen Ende und dem Anschluss am unteren Ende konfiguriert sein.
  • Außerdem kann das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter für die elektrische Verbindung des Anschlusses am oberen Ende mit dem Anschluss am unteren Ende konfiguriert sein.
  • Außerdem können das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter und das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter aus einem leitfähigen keramischen Material bestehen.
  • Außerdem kann das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter mit einer Neigung konfiguriert sein, so dass ein Bereich des mindestens einen Paares waagrechter Abstandshalter, der mit dem Anschluss am oberen Ende in Kontakt steht, breiter sein kann als ein Bereich des mindestens einen Paares waagrechter Abstandshalter, der mit dem mindestens einen Paar Leistungs-Halbleiterchips in Kontakt steht.
  • Außerdem kann der Anschluss am oberen Ende enthalten: eine erste Kupferplatte, die zur Bildung eines Ausgangsanschlusses und eines Elektrodenanschlusses konfiguriert ist; eine zweite Kupferplatte, die zum Kontakt durch eine externe Komponente konfiguriert ist; und eine leitfähige Keramikplatte, die zwischen der ersten Kupferplatte und der zweiten Kupferplatte angeordnet ist.
  • Außerdem kann der Anschluss am unteren Ende enthalten: eine erste Kupferplatte, die zur Bildung eines Ausgangsanschlusses und zweier Elektrodenanschlüsse konfiguriert ist, wobei der Ausgangsanschluss dazwischen angeordnet ist; eine zweite Kupferplatte, die zum Kontakt durch eine externe Komponente konfiguriert ist; und eine leitfähige Keramikplatte, die zwischen der ersten Kupferplatte und der zweiten Kupferplatte angeordnet ist.
  • Außerdem kann der Anschluss am oberen Ende oder der Anschluss am unteren Ende aus Direct-Bond-Kupfer (DBC) bestehen.
  • Außerdem kann das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips so konfiguriert sein, das es einen Halbleiterchip-Abschnitt und einen Diodenchip-Abschnitt enthält, und das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter kann ein Paar Abstandshalter enthalten, die zum Halbleiterchip-Abschnitt bzw. zum Diodenchip-Abschnitt weisen.
  • Alternativ kann das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips so konfiguriert sein, dass es einen Halbleiterchip-Abschnitt und einen Diodenchip-Abschnitt enthält, und das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter kann einen Abstandshalter mit vereinheitlichter Form enthalten, der sowohl zum Halbleiterchip-Abschnitt als auch zum Diodenchip-Abschnitt weist.
  • Außerdem kann das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter so konfiguriert sein, dass es Elektrodenanschlüsse oder Ausgangsanschlüsse mit gleicher Polarität miteinander verbindet.
  • Außerdem können das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips und der Anschluss am oberen Ende, das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter und das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips und das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter und der Anschluss am oberen Ende jeweils mittels Weichlöten aneinander befestigt sein.
  • Außerdem kann das Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung ferner ein Gehäuse enthalten, das durch Formen in einem Zustand konfiguriert ist, indem der Anschluss am unteren Ende, das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips, das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter, der Anschluss am oberen Ende und das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter installiert worden sind.
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthält ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung: Herstellen eines Anschlusses am unteren Ende; Anbringen mindestens eines Paares Leistungs-Halbleiterchips am Anschluss am unteren Ende; Anbringen mindestens eines Paares waagrechte Abstandshalter an dem mindestens einem Paar Leistungs-Halbleiterchips; Anbringen mindestens eines Paares senkrechte Abstandshalter in einem vorgegeben Abstand von dem mindestens einen Paar waagrechten Abstandshaltern; und Anbringen am Anschluss am oberen Ende an dem mindestens einem Paar waagrechte Abstandshalter und dem mindestens einem Paar senkrechte Abstandshalter. Das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter kann zwischen dem Anschluss am oberen Ende und dem Anschluss am unteren Ende angeordnet sein.
  • In diesem Fall kann das Verfahren das Befestigen des mindestens einen Paares Leistungs-Halbleiterchips und des Anschlusses am oberen Ende, des mindestens einen Paares waagrechter Abstandshalter und des mindestens einen Paares Leistungs-Halbleiterchips bzw. des mindestens einen Paares waagrechter Abstandshalter und des Anschlusses am oberen Ende aneinander mittels eines Weichlötverfahrens enthalten.
  • Außerdem kann das Verfahren ferner das Ausbilden eines Gehäuses durch Formen in einem Zustand enthalten, in dem der Anschluss am unteren Ende, das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips, das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter, der Anschluss am oberen Ende und das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter installiert worden sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls mit einer normalen an zwei Seiten angeordneten Kühlung;
  • 2 ist eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
  • 3 ist ein Äquivalent-Schaltschema des Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung von 2;
  • 4 ist eine Draufsicht einer internen Auslegung des Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung von 3;
  • 5 ist eine Draufsicht eines Beispiels einer internen Auslegung des Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung von 2;
  • 6A ist eine Draufsicht eines anderen Beispiels einer internen Auslegung des Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung von 2;
  • 6B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in 6A;
  • 7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einem Wärmedehnungskoeffizienten und dem Verformungsgrad des Weichlots entsprechend den Materialien eines Abstandshalters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
  • 8 ist eine Ansicht eines ersten Beispiels einer Form für einen Abstandshalter von 6A;
  • 9 ist eine Ansicht eines zweiten Beispiels einer Form für einen Abstandshalter von 6A;
  • 10 ist eine Ansicht eines dritten Beispiels einer Form für einen Abstandshalter von 6A; und
  • 11 ist ein Flussdiagramm einer Prozedur zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch auf unterschiedliche Weise verwirklicht werde und ist nicht dahingehend auszulegen, dass sie auf die hierin angegebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Diese Ausführungsformen sollen die Offenbarung umfassend und vollständig machen und dem Fachmann den Gültigkeitsbereich der vorliegenden Offenbarung vermitteln. Zur Verdeutlichung der vorliegenden Offenbarung sind die Teile, die keinen Bezug zur Erläuterung haben, weggelassen worden, und in der gesamten Offenbarung kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche Teile in allen verschiedenen Figuren und Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • In den Zeichnungen ist die Dicke von Schichten und Zonen der Übersichtlichkeit halber übertrieben dargestellt. In der gesamten Beschreibung kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche Elemente. Wenn ein Teil wie eine Schicht, ein Film, ein Bereich, eine Platte und dgl. als ”über” einem anderen Teil beschrieben wird, schließt dies den Fall ein, in dem sich das Teil unmittelbar oberhalb des anderen Teils befindet, sowie den Fall, in dem sich ein weiteres Teil zwischen ihnen befindet. Wenn dagegen angegeben wird, dass sich das Teil unmittelbar oberhalb des anderen Teils befindet, bedeutet dies, dass sich kein weiteres Teil dazwischen befindet. Wenn außerdem angegeben wird, dass ein erster Abschnitt ”vollständig” auf einem zweiten Abschnitt ausgebildet ist, bedeutet dies nicht nur, dass der erste Abschnitt auf der gesamten Oberfläche (oder der ganzen Oberfläche) des zweiten Abschnitts ausgebildet ist, sondern auch, dass der erste Abschnitt nicht auf einem Teil des Randes desselben ausgebildet ist.
  • Die hierin verwendete Terminologie hat den Zweck, nur bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Offenbarung nicht einschränken. Wie hierin verwendet sollen die Singularformen ”einer, eine, eines” und ”der, die, das” auch die Pluralformen umfassen, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes angibt. Außerdem versteht es sich, dass die Begriffe ”aufweisen” und/oder ”aufweisend” bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile angibt, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente, Bauteile und/oder Gruppen derselben ausschließt. Wie hierin verwendet enthält die Formulierung ”und/oder” sämtliche Kombinationen eines oder mehrerer der aufgeführten Positionen.
  • Es versteht sich, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugtechnisch” oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
  • Im Folgenden werden ein Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung und ein Herstellungsverfahren dafür gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 2 ist eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie in 2 dargestellt enthält das Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung 200 einen Anschluss am unteren Ende 210, einen ersten und einen zweiten Leistungs-Halbleiterchip 231 und 232, die am Anschluss am unteren Ende 210 installiert sind, einen ersten und einen zweiten waagrechten Abstandshalter 251-1 und 251-2, die am ersten und zweite Leistungs-Halbleiterchip 231 und 232 angebracht sind, einen Anschluss am oberen Ende 260, der am ersten und zweiten waagrechten Abstandshalter 251-1 und 251-2 installiert ist, und einen ersten und einen zweiten senkrechten Abstandshalter 252-1 und 252-2, die zwischen dem Anschluss am oberen Ende 260 und dem Anschluss am unteren Ende 210 angeordnet sind.
  • Der Anschluss am unteren Ende 210 enthält eine erste Kupferplatte 213 zur Bildung eines zweiten Ausgangsanschlusses 213-2 und eines positiven Elektrodenanschlusses (+) 213-1 sowie eines ersten negativen Elektrodenanschlusses (–) 213-3 mit dem Ausgangsanschluss 213-2 dazwischen, eine zweite Kupferplatte 211 für den Kontakt mit einer externen Komponente (z. B. einem Kühlgerät) und eine leitfähige Keramikplatte 212, die zwischen der ersten Kupferplatte 213 und der zweiten Kupferplatte 211 angeordnet ist.
  • Ein Direct-Bonded-Kupfer (DBC) ähnlich dem der obigen Struktur kann als der Anschluss am unteren Ende 210 dienen. Außerdem kann der Anschluss am unteren Ende 210 durch ein Schaltungsmuster auf einem Keramiksubstrat leicht isoliert werden oder er kann entsprechend jedem Bereich wie in 2 dargestellt geteilt werden.
  • Außerdem enthält der Anschluss am oberen Ende 260 eine erste Kupferplatte 263 zur Bildung eines ersten Ausgangsanschlusses 263-1 und eines zweiten negativen Elektrodenanschlusses (–) 263-2, eine zweite Kupferplatte 261 für den Kontakt mit einer externen Komponente (z. B. einem Kühlgerät) und eine zwischen der ersten Kupferplatte 263 und der zweiten Kupferplatte 261 angeordnete leitfähige Keramikplatte 262. Ein DBC kann als der Anschluss am oberen Ende 260 dienen.
  • Der erste Leistungs-Halbleiterchip 231 ist auf der oberen Oberfläche des Anschlusses am unteren Ende 210 installiert. In diesem Fall werden der positive Elektrodenanschluss (+) 213-1 des Anschlusses am unteren Ende 210 und der erste Leistungs-Halbleiterchip 231 durch ein Weichlötverfahren miteinander verbunden. Das heißt, der positive Elektrodenanschluss (+) 213-1 und der erste Leistungs-Halbleiterchip 231 werden miteinander durch eine 1-1. Weichlotschicht 221-1 verbunden.
  • Der erste waagrechte Abstandshalter 251-1 ist auf der oberen Oberfläche des ersten Leistungs-Halbleiterchips 231 angebracht. Es versteht sich von selbst, dass der erste Leistungs-Halbleiterchip 231 und der erste waagrechte Abstandshalter 251-1 durch eine 1-2. Weichlotschicht 222-1 miteinander verbunden werden.
  • Der erste Ausgangsanschluss 263-1 des Anschlusses am oberen Ende 260 ist auf der oberen Oberfläche des ersten waagrechten Abstandshalters 251-1 installiert. Es versteht sich von selbst, dass der erste Ausgangsanschluss 263-1 und der erste waagrechte Abstandshalter 251-1 durch eine 1-3. Weichlotschicht 223-1 miteinander verbunden werden.
  • Analog ist der zweite Leistungs-Halbleiterchip 232 auf der oberen Oberfläche des Anschlusses am unteren Ende 210 installiert. In diesem Fall werden der zweite Ausgangsanschluss 213-2 des Anschlusses am unteren Ende 210 und der zweite Leistungs-Halbleiterchip 232 durch ein Weichlötverfahren miteinander verbunden. Das heißt, der zweite Ausgangsanschluss 213-2 und der zweite Leistungs-Halbleiterchip 232 sind durch eine 2-1. Weichlotschicht 221-2 miteinander verbunden.
  • Der zweite waagrechte Abstandshalter 251-2 ist auf der oberen Oberfläche des zweiten Leistungs-Halbleiterchips 232 angebracht. Es versteht sich von selbst, dass der zweite Leistungs-Halbleiterchip 232 und der zweite waagrechte Abstandshalter 251-2 durch eine 2-2. Weichlotschicht 222-2 miteinander verbunden werden.
  • Der zweite negative Elektrodenanschluss (–) 263-2 des Anschlusses am oberen Ende 260 ist auf der oberen Oberfläche des zweiten waagrechten Abstandshalters 251-2 installiert. Es versteht sich von selbst, dass der zweite negative Elektrodenanschluss (–) 263-2 und der zweite waagrechte Abstandshalter 251-2 durch eine 2-3. Weichlotschicht 223-2 miteinander verbunden werden. Das heißt, in einem Zustand, in dem ein Bereich elektrisch geteilt ist, fließt Strom vom positiven Elektrodenanschluss (+) 213-1 durch den ersten Leistungs-Halbleiterchip 231 und den ersten waagrechten Abstandshalter 251-1 zum ersten Ausgangsanschluss 263-1 des Anschlusses am oberen Ende 260. Dann fließt der Strom zur Ausgangseinheit 263-1, dem ersten senkrechten Abstandshalter 252-1 und dem zweiten Ausgangsanschluss 213-2 des Anschlusses am unteren Ende 210. Außerdem fließt der Strom über den zweiten negativen Elektrodenanschluss (–) 263-2 und den zweiten senkrechte Abstandshalter 252-2 zum ersten negativen Elektrodenanschluss (–) 263-3 des Anschlusses am unteren Ende 210.
  • Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für einen Fall beschrieben worden sind, bei dem die Verbindung mittels Weichlotschichten 221-1, 222-1, 223-1, 221-2, 222-2 und 223-2 erfolgt, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt, und es kann auch ein elektrisch leitfähiger Kleber verwendet werden.
  • Der erste senkrechte Abstandshalter 252-1 ist zwischen dem ersten Leistungs-Halbleiterchip 231 und dem zweiten Leistungs-Halbleiterchip 232 angeordnet und verbindet den Ausgangsanschluss 213-2 des Anschlusses am unteren Ende 210 und den Ausgangsanschluss 263-1 des Anschlusses am oberen Ende 260. Außerdem ist der zweite senkrechte Abstandshalter 252-2 an der rechten Seite des zweiten Leistungs-Halbleiterchips 232 angeordnet und verbindet den ersten negativen Elektrodenanschluss (–) 213-3 des Anschlusses am unteren Ende 210 und den zweiten negativen Elektrodenanschluss (–) 263-2 des Anschlusses am oberen Ende 260.
  • Die senkrechten Abstandshalter 252-1 und 252-2 und/oder die waagrechten Abstandshalter 251-1 und 251-2 können aus einem leitfähigen Keramikmaterial bestehen. Der erste und zweite waagrechte Abstandshalter 251-1 und 251-2 dienen zur Höheneinstellung zwischen dem Anschluss am oberen Ende 260 und dem Anschluss am unteren Ende 210. Außerdem stellen der erste und zweite waagrechte Abstandshalter 251-1 und 251-2 eine elektrische Verbindung her. Außerdem verbinden die senkrechten Abstandshalter 252-1 und 252-2 die Elektrodenanschlüsse und/oder Ausgangsanschlüsse mit gleicher Polarität miteinander.
  • Die senkrechten Abstandshalter 252-1 und 252-2 und/oder die waagrechten Abstandshalter 251-1 und 251-2 fungieren als Strom- und/oder Wärmepfade. Die senkrechten Abstandshalter 252-1 und 252-2 und/oder die waagrechten Abstandshalter 251-1 und 251-2 müssen deshalb eine hervorragende elektrisch und/oder Wärmeleitfähigkeit haben und aus einem Material mit einem Wärmedehnungskoeffizienten bestehen, der dem der Leistungs-Halbleiterchips 231 und 232, dem Anschluss am oberen Ende 260, dem Anschluss am unteren Ende 210 und dgl. ähnlich ist, um die Zuverlässigkeit des Blocks sicherzustellen.
  • Deshalb wird gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung statt eines Materials auf Metallbasis wie Kupfer oder Aluminium leitfähige Keramik verwendet.
  • Die Leistungs-Halbleiterchips 231 und 232 können konfiguriert werden mit: einem Halbleiterschaltelement wie einem Feldeffekttransistor (FET), einem Metalloxid-Halbleiter-FET (MOSFET), einem Bipolartransisor mit isoliertem Gate (IGBT), einer Leistungsgleichrichterdiode oder dgl.; einem Thyristor; einem Abschaltthyristor (GTO); einem TRIAC; einem siliziumgesteuerten Gleichrichter (SCR); einer integrierten Schaltung (IC) oder dgl. Speziell im Fall eines Halbleiterbauelements ein Bipolartransistor, einem Leistungs-Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder dgl. Der Leistungs-MOSFET arbeitet bei hoher Spannung und hohem Strom und hat so eine doppelt-diffundierte Metalloxid-Halbleiterstruktur, die sich von einem normalen MOSFET unterscheidet.
  • Außerdem enthält das Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung 200 ein geformtes Gehäuse 270. Als Material kann ein Epoxidgießharz oder dgl. verwendet werden.
  • 3 ist ein Äquivalent-Schaltschema des Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung von 2. Wie in 3 dargestellt ist der erste Leistungs-Halbleiterchip 231 als ein erster Schalter und der zweite Leistungs-Halbleiterchip 232 als ein zweiter Schalter konfiguriert. Der erste Leistungs-Halbleiterchip 231 ist mit einem Halbleiter 231-1 und einer Diode 231-2 konfiguriert. Selbstverständlich hat der zweite Leistungs-Halbleiterchip 232 die gleiche Struktur wie der erste Leistungs-Halbleiterchip 231.
  • 4 ist eine Draufsicht einer internen Auslegung des Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung 200 von 3. Wie in 4 dargestellt ist der erste Leistungs-Halbleiterchip 231, der der erste Schalter ist, mit einem ersten Halbleiterchip 411 und einem ersten Diodenchip 412 und der zweite Leistungs-Halbleiterchip 232, der der zweite Schalter, mit einem zweiten Halbleiterchip 421 und einem zweiten Diodenchip 422 konfiguriert.
  • 5 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel einer internen Auslegung des Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung 200 von 2 zeigt. Wie in 5 dargestellt enthält das Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung 200, das zwei Schalter hat: einen 1-1. waagrechten Abstandshalter 511 und einen 1-2. waagrechten Abstandshalter 512 zum Verbinden eines positiven Elektrodenanschlusses (+) und eines Ausgangsanschlusses in einem ersten Schalter 510; einen 2-1. waagrechten Abstandshalter 521 und einen 2-2. waagrechten Abstandshalter 522 zum Verbinden eines negativen Elektrodenanschluss (–) und eines Ausgangsanschlusses in einem zweiten Schalter 520; einen ersten senkrechten Abstandshalter 252-1 zum Verbinden derselben Ausgangsanschlüsse; und einen zweite senkrechten Abstandshalter 252-2 zum Verbinden derselben negativen Elektrodenanschlüsse. Das heißt, es sind insgesamt sechs Abstandshalter erforderlich.
  • 6A ist eine Draufsicht, die ein anderes Beispiel einer internen Auslegung des Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung 200 von 2 zeigt. Wie in 6A dargestellt ersetzt ein waagrechter Abstandshalter 610 die zwei in 5 gezeigten waagrechten Abstandshalter 511 und 512, und ein waagrechter Abstandshalter 620 ersetzt die in 5 gezeigten zwei waagrechten Abstandshalter 521 und 512 und ein waagrechter Abstandshalter 620 ersetzt die in 5 gezeigten zwei waagrechten Abstandshalter 521 und 522. Außerdem werden die Abstandshalter mit gleicher Polarität zu einem Abstandshalter vereinheitlicht, wodurch sich eine Struktur mit verbessertem Wärmediffusionseffekt ergibt. Eine derartige Struktur hat den Effekt, die Abstandshalter zu integrieren sowie die Kühlleistung zu verbessern, und beim Herstellungsprozess brauchen nur viermal statt sechsmal Abstandshalter auf einem Chip angeordnet zu werden, was den Prozess verbessert.
  • 6B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 6A. Wie in 6B dargestellt hat ein zweiter waagrechter Abstandshalter 620 eine Neigung 601, so dass ein Bereich, der mit dem Anschluss am oberen Ende (260 von 2) in Kontakt steht, bereiter sein kann als ein Bereich, der mit dem zweiten Leistungs-Halbleiterchip 232 in Kontakt steht. Mit anderen Worten, der zweite waagrechte Abstandshalter 620 ist so ausgebildet, dass ein Bereich, der mit der leitfähigen Keramikplatte 262 des Anschlusses am oberen Ende (260 von 2) in Kontakt steht, breiter ist als ein Bereich, der mit dem zweiten Leistungs-Halbleiterchip 232 in Kontakt steht, wodurch die Kühlleistung verbessert wird. Das heißt, der waagrechte Abstandshalter mit einer Neigung ausgebildet, wodurch die Kühlleistung weiter verbessert wird. Obwohl die obige Beschreibung für den zweiten waagrechte Abstandshalter 620 von 6B gilt, kann die gleiche Struktur auch beim ersten waagrechten Abstandshalter 610 angewendet werden.
  • 7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Wärmedehnungskoeffizienten und dem Verformungsgrad des Weichlots entsprechend den Materialien eines Abstandshalters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Der Abstandshalter muss aus einem Material mit hervorragender elektrischer und/oder Wärmeleitfähigkeit bestehen und einen Wärmedehnungskoeffizienten ähnlich dem des Leistungs-Halbleiterchips und leitfähige Keramikplatte haben, um die Zuverlässigkeit des Blocks sicherzustellen.
  • Wenn die Abstandshalter wie in 7 dargestellt aus einem Material aus Metallbasis wie Kupfer, Aluminium oder dgl. besteht, wird die Kühlleistung verbessert. In diesem Fall wird jedoch die Differenz zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten groß, so dass ich im Weichlot Spannungen konzentrieren und die Zuverlässigkeit dadurch stark beeinträchtigt wird.
  • Die 8 bis 10 sind Ansichten, die Beispiele von Formen eines waagrechten Abstandshalters von 6A zeigen. 8 ist die Ansicht eines ersten Beispiels der Form eines Abstandshalters von 6A. Wie in 8 dargestellt ist ein waagrechter Abstandshalter ein waagrechter Abstandshalter 811 für einen Chip, der zur oberen Oberfläche eines Halbleiterchips weist, und ein waagrechter Abstandshalter 812 ist ein Abstandshalter für eine Diode. Außerdem hat der waagrechte Abstandshalter 811 für einen Chip einen Querschnitt in Form eines gleichschenkligen Vierecks und der waagrechte Abstandshalter 812 für eine Diode hat einen rechteckigen Querschnitt.
  • 9 ist eine Ansicht eines zweiten Beispiels eines Abstandshalters von 6B. Wie in 9 dargestellt haben ein waagrechter Abstandshalter 911 für einen Chip und ein waagrechter Abstandshalter 912 für eine Diode beide einen Querschnitt in Form eines gleichschenkligen Vierecks, wobei der waagrechte Abstandshalter 912 für eine Diode länger ist als der waagrechte Abstandshalter 911 für einen Chip.
  • 10 ist eine Ansicht eines dritten Beispiels eines Abstandshalters von 2. Wie in 10 dargestellt hat ein waagrechter Abstandshalter 1011 für einen Chip einen Querschnitt mit einer Stufe und ein waagrechter Abstandshalter 1012 für eine Diode hat einen rechteckigen Querschnitt.
  • 11 ist ein Flussdiagramm der Prozedur zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Wie in 11 dargestellt wird der Anschluss am unteren Ende (210 in 2) in Schritt S1110 hergestellt.
  • Die Leistungs-Halbleiterchips (231 und 232 in 2) werden in den Schritten S1120 und 1130 am Anschluss am unteren Ende 210 angebracht und verlötet. Nach dem Weichlöten werden die waagrechten Abstandshalter 251-1 und 251-2 in den Schritten S1140 und 1150 an den Leistungs-Halbleiterchips 231 und 232 angebracht und verlötet. Nach dem Weichlöten werden die senkrechten Abstandshalter (252-1 und 252-2 in 2) in Schritt S1160 in einem vorgegebenen Abstand von den waagrechten Abstandshaltern 251-1 und 251-2 angebracht. Nach dem Anbringen der senkrechten Abstandshalter wird der Anschluss am oberen Ende (260 in 2) in den Schritten S1170 und S1180 angebracht und verlötet. Schließlich wird in dem Zustand, in dem die waagrechten Abstandshalter, die senkrechten Abstandshalter, der Anschluss am oberen Ende usw. installiert worden sind, in Schritt S1190 ein Gehäuse geformt.
  • Da gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung der Abstandshalter die Wärmediffusion fördert, kann die Kühlleistung verbessert werden. Außerdem bestehen die Abstandshalter aus einem Keramikmaterial, so dass die Zuverlässigkeit verbessert werden kann. Ferner sind die Abstandshalter integriert, so dass eine Vereinfachung des Prozesses und eine Kostenreduzierug erzielt werden können.
  • Obwohl die vorliegende Offenbarung vorstehend anhand von spezifischen Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem in den angefügten Ansprüchen definierten Geist und Gültigkeitsbereich der Offenbarung abzuweichen.

Claims (10)

  1. Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung, aufweisend: einen Anschluss am unteren Ende; mindestens ein Paar Leistungs-Halbleiterchips, die am Anschluss am unteren Ende installiert sind; mindestens ein Paar waagrechte Abstandshalter, die an dem mindestens einen Paar Leistungs-Halbleiterchips angebracht sind; einen Anschluss am oberen Ende, der an dem mindestens einen Paar waagrechten Abstandshalters installiert ist; und mindestens ein Paar senkrechte Abstandshalter, die zwischen dem Anschluss am oberen Ende und dem Anschluss am unteren Ende angeordnet sind.
  2. Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter zur Höheneinstellung zwischen dem Anschluss am oberen Ende und dem Anschluss am unteren Ende konfiguriert ist und das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter zur elektrischen Verbindung des Anschlusses am oberen Ende mit dem Anschluss am unteren Ende konfiguriert ist, und wobei der Anschluss am oberen Ende oder der Anschluss am unteren Ende aus Direct-Bonded-Kupfer (DBC) besteht, wobei das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter zum Verbinden der Elektrodenanschlüsse oder Ausgangsanschlüsse mit gleicher Polarität miteinander konfiguriert ist.
  3. Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter und das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter aus einem leitfähigen Keramikmaterial bestehen, und wobei das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter mit einer Neigung konfiguriert ist, so dass ein Bereich mindestens einen Paares waagrechter Abstandshalter, der mit dem Anschluss am oberen Ende in Kontakt steht, breiter ist als ein Bereich des mindestens einen Paares waagrechter Abstandshalter, der mit dem mindestens einen Paar Leistungs-Halbleiterchips in Kontakt steht.
  4. Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung nach Anspruch 1, wobei der Anschluss am oberen Ende enthält: eine erste Kupferplatte, die zur Bildung eines Ausgangsanschlusses und eines Elektrodenanschlusses konfiguriert ist; eine zweite Kupferplatte, die zum Kontakt durch eine externe Komponente konfiguriert ist konfiguriert ist; und eine leitfähige Keramikplatte, die zwischen der ersten Kupferplatte und der zweiten Kupferplatte angeordnet ist.
  5. Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung nach Anspruch 1, wobei der Anschluss am unteren Ende enthält: eine erste Kupferplatte, die zur Bildung eines Ausgangsanschlusses und zweier Elektrodenanschlüsse mit dem Ausgangsanschluss dazwischen konfiguriert ist; eine zweite Kupferplatte, die zum Kontakt mit einer externen Komponente konfiguriert ist; und eine leitfähige Keramikplatte, die zwischen der ersten Kupferplatte und der zweiten Kupferplatte angeordnet ist.
  6. Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips mit einem Halbleiterchip-Abschnitt und einem Diodenchip-Abschnitt konfiguriert ist, und das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter ein Paar Abstandshalter enthält, die jeweils zum Halbleiterchip-Abschnitt und zum Diodenchip-Abschnitt weisen.
  7. Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips mit einem Halbleiterchip-Abschnitt und einem Diodenchip-Abschnitt konfiguriert ist, und das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter einen Abstandshalter mit einer vereinheitlichten Form enthält, der sowohl zum Halbleiterchip-Abschnitt als auch zum Diodenchip-Abschnitt weist.
  8. Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips und der Anschluss am oberen Ende, das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter und das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips und das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter sowie der Anschluss am oberen Ende jeweils mittels Weichlöten miteinander verbunden sind.
  9. Leistungsmodul mit zweiseitiger Kühlung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Gehäuse, das in einem Zustand geformt wird, in dem der Anschluss am unteren Ende, das mindestens eine Paar Leistungs-Halbleiterchips, das mindestens eine Paar waagrechte Abstandshalter, der Anschluss am oberen Ende und das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter installiert worden sind.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls mit zweiseitiger Kühlung, aufweisend: Herstellen eines Anschlusses am unteren Ende; Installieren mindestens eines Paares Leistungs-Halbleiterchips am Anschluss am unteren Ende; Anbringen mindestens eines Paares waagrechter Abstandshalter an dem mindestens einem Paar Leistungs-Halbleiterchips; Anbringen mindestens eines Paares senkrechter Abstandshalter in einem vorgegebenen Abstand von dem mindestens einem Paar waagrechter Abstandshalter; und Installieren eines Anschlusses am oberen Ende an dem mindestens einen Paar waagrechter Abstandshalter und dem mindestens einen Paar senkrechter Abstandshalter, wobei das mindestens eine Paar senkrechte Abstandshalter zwischen dem Anschluss am oberen Ende und dem Anschluss am unteren Ende angeordnet ist.
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