DE112017008277T5 - Halbleitervorrichtung und leistungsumwandlungsvorrichtung - Google Patents

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Yuji Imoto
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Abstract

Die Aufgabe besteht darin, eine Technik bereitzustellen, die verhindern kann, dass Risse in einem unerwünschten Teilbereich in einem Harz auftreten. Eine Halbleitervorrichtung enthält eine elektronische Schaltung (7), die ein Halbleiterelement (4), eine mit der elektronischen Schaltung (7) direkt verbundene Metallelektrode (5) und ein Kapselungsharz (6) umfasst. Das Kapselungsharz (6) kapselt die elektronische Schaltung (7) und die Metallelektrode (5) ein. Ein Endteilbereich (5a) der Metallelektrode (5) auf einer Oberfläche, die einer der elektronischen Schaltung (7) zugewandten Oberfläche entgegengesetzt ist, ist spitzförmig, und ein Endteilbereich (5b) der Metallelektrode (5) auf der der elektronischen Schaltung (7) zugewandten Oberfläche ist bogenförmig oder stumpf geformt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, in der ein Harz eine Metallelektrode einkapselt, und eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, die selbige enthält.
  • Hintergrundtechnik
  • Die Leistungsmodule vom Gehäuse- oder Spritzpress-Typ, in denen Harze Metallelektroden einkapseln, haben tendenziell eine Struktur zum direkten Verbinden eines Halbleiterelements oder einer Schaltungsoberfläche mit einer Metallelektrode, um die hohe Zuverlässigkeit und einen großen Strom zu unterstützen. Obgleich die Zuverlässigkeit einer Verbindung des Halbleiterelements mit der Metallelektrode in dieser Struktur hoch ist, verursachen Differenzen im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement, der Schaltungsoberfläche, auf der das Halbleiterelement montiert ist, und der Metallelektrode thermische Spannungen, die die Zuverlässigkeit unter einer thermischen Umgebung reduzieren.
  • Verschiedene Technologien zum Reduzieren des Effekts thermischer Spannungen wurden vorgeschlagen. Beispielsweise wird gemäß der Technologie eines Patentdokuments 1 ein Randteilbereich einer Metallelektrode angeschrägt oder abgerundet. Solch eine Struktur kann die thermische Spannung entlasten, die sich leicht auf einem seitlichen Teilbereich der Metallelektrode konzentriert, und Risse in einem Harz reduzieren.
  • Dokument nach dem Stand der Technik
  • Patentdokument
  • [Patentdokument 1] ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. H2-240955
  • Zusammenfassung
  • Durch die Erfindung zu lösendes Problem
  • Das Streben nach höherem Strom und niedrigerer Induktivität in solch einer Struktur erfordert Änderungen, wie etwa Metallelektroden zu verdicken und die Metallelektroden näher an Halbleiterelemente zu bringen. Differenzen in einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Halbleiterelementen oder isolierenden Substraten, die aus zum Beispiel Keramik bestehen, (zum Beispiel 4 ppm/K) und Metallelektroden (zum Beispiel 17 ppm/K in Kupfer) sind jedoch verhältnismäßig groß. Das Vornehmen solcher Änderungen erhöht verhältnismä-ßig die Spannungen, denen Harze von den Metallelektroden ausgesetzt werden. Selbst wenn der Randteilbereich gemäß der Technologie des Patentdokuments 1 angeschrägt oder abgerundet ist, können somit Risse im Harz nicht verhindert werden. Außerdem bestand ein Problem, dass Risse in einem erwünschten Teilbereich auftreten.
  • Obgleich ein Annähern eines Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Kapselungsharzes an einen Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Metallelektrode Risse im Harz um die Metallelektrode herum reduzieren kann, nimmt eine Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kapselungsharz und einem isolierenden Substrat zu. Folglich löst sich das Kapselungsharz vom isolierenden Substrat, was ein Problem einer Reduzierung der Zuverlässigkeit einer Halbleitervorrichtung hervorruft. Obgleich ein Zusetzen eines Silikonweichmachers zum Kapselungsharz die Widerstandsfähigkeit des Kapselungsharzes gegen die Spannungen erhöhen kann, tritt ein Problem der Zunahme der Kosten des Kapselungsharzes auf.
  • Folglich wurde im Hinblick auf die Probleme die vorliegende Erfindung konzipiert, und die Aufgabe besteht darin, eine Technik bereitzustellen, die verhindern kann, dass Risse in einem unerwünschten Teilbereich in einem Harz auftreten.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: eine elektronische Schaltung, die ein Halbleiterelement enthält; eine Metallelektrode, die mit der elektronischen Schaltung direkt verbunden ist; und ein Harz, das die elektronische Schaltung und die Metallelektrode einkapselt, wobei ein Endteilbereich der Metallelektrode auf einer Oberfläche, die einer der elektronischen Schaltung zugewandten Oberfläche entgegengesetzt ist, spitzförmig ist und ein Endteilbereich der Metallelektrode auf der der elektronischen Schaltung zugewandten Oberfläche bogenförmig oder stumpf geformt ist.
  • Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Endteilbereich der Metallelektrode auf einer Oberfläche, die einer der elektronischen Schaltung zugewandten Oberfläche entgegengesetzt ist, spitzförmig und ist ein Endteilbereich der Metallelektrode auf der der elektronischen Schaltung zugewandten Oberfläche bogenförmig oder stumpf geformt. Diese Struktur kann verhindern, dass Risse in einem unerwünschten Teilbereich in einem Harz auftreten.
  • Die Aufgabe, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlicher werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Querschnitt, der eine Struktur einer relevanten Halbleitervorrichtung schematisch veranschaulicht.
    • 2 ist ein Querschnitt, der eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 schematisch veranschaulicht.
    • 3 ist ein Querschnitt, der eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2 schematisch veranschaulicht.
    • 4 ist ein Querschnitt, der eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 3 schematisch veranschaulicht.
    • 5 ist ein Querschnitt, der eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 4 schematisch veranschaulicht.
    • 6 ist ein Querschnitt, der eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5 schematisch veranschaulicht.
    • 7 ist ein Querschnitt, der eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 5 schematisch veranschaulicht.
    • 8 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, für das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform 6 verwendet wird.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • [Relevante Halbleitervorrichtung]
  • Bevor Halbleitervorrichtungen gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wird eine für diese Halbleitervorrichtungen relevante Halbleitervorrichtung beschrieben (auf die im Folgenden als „relevante Halbleitervorrichtung“ verwiesen wird).
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur der relevanten Halbleitervorrichtung schematisch veranschaulicht. Wie in 1 veranschaulicht ist, ist ein isolierendes Substrat 2 auf einer Basisplatte 1 angeordnet. Das isolierende Substrat 2 umfasst Metallkomponenten 2a wie etwa eine Schaltungsstruktur. Ein Halbleiterelement 4 ist über ein Bondingmaterial wie etwa ein Lötmetall 3a an die Metallkomponente 2a des isolierenden Substrats 2 gebondet. Eine Metallelektrode 5 ist über ein Bondingmaterial wie etwa ein Lötmetall 3b an das Halbleiterelement 4 gebondet. Ein Kapselungsharz 6 kapselt das Halbleiterelement 4 und die Metallelektrode 5 ein.
  • Sowohl die Endteilbereiche 5a auf der oberen Oberfläche der Metallelektrode 5 als auch die Endteilbereiche 5b auf der Unterseite der Metallelektrode 5 sind hier abgerundet. Diese Struktur kann die von den seitlichen Oberflächen der Metallelektrode 5 auf das Kapselungsharz 6 gegebene Spannungskonzentration entlasten.
  • In einer Halbleitervorrichtung, für die ein höherer Strom und eine niedrigere Induktivität angestrebt werden, kann jedoch selbst die Struktur von 1 nicht verhindern, dass Risse im Kapselungsharz 6 auftreten. Außerdem kann ein unerwünschter Teilbereich, zum Beispiel ein das Halbleiterelement 4 umgebender Teilbereich, die Risse aufweisen, was ein Problem einer Reduzierung der Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung verursacht. Im Gegensatz dazu können die Halbleitervorrichtungen gemäß Ausführungsformen solch ein Problem lösen.
  • [Ausführungsform 1]
  • 2 ist ein Querschnitt, der eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. Die Bestandteilelemente der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 werden mit den gleichen Bezugsziffern der relevanten Halbleitervorrichtung beschrieben, falls sie mit den Bestandteilelementen der relevanten Halbleitervorrichtung identisch oder diesen ähnlich sind.
  • Die Halbleitervorrichtung von 2 umfasst die Basisplatte 1, das isolierende Substrat 2. die Lötmetalle 3a und 3b, das Halbleiterelement 4, die Metallelektrode 5 und das Kapselungsharz 6, das ein Harz ist. Beispielsweise wird diese Halbleitervorrichtung für einen Inverter, der einen Motor eines Verbrauchergeräts, eines Elektroautos oder einer elektrischen Eisenbahn steuert, oder für einen regenerativen Wandler genutzt.
  • Das isolierende Substrat 2 ist auf der Basisplatte 1 angeordnet. Die Basisplatte 1 enthält zum Beispiel Kupfer (Cu). Das isolierende Substrat 2 enthält beispielsweise eine Keramik. Das isolierende Substrat 2 kann auf der Basisplatte 1 montiert sein, ohne mit der Basisplatte 1 integriert zu sein, oder kann mit der Basisplatte 1 integriert sein. Darüber hinaus muss die rückseitige Oberfläche der Basisplatte 1 keine flache Oberfläche sein, sondern kann eine Oberfläche sein, in die ein Kühler wie etwa Stift-Lamellen integriert ist.
  • Das isolierende Substrat 2 umfasst die Metallkomponenten 2a wie etwa eine Schaltungsstruktur. Das Halbleiterelement 4 ist über ein Bondingmaterial wie etwa das Lötmetall 3a an die Metallkomponente 2a des isolierenden Substrats 2 gebondet.
  • Eine elektronische Schaltung 7 ist eine Schaltung, die die Basisplatte 1, das isolierende Substrat 2, die Lötmetalle 3a und 3b und das Halbleiterelement 4 umfasst, und ist mit der Metallelektrode 5 direkt verbunden.
  • Die Metallelektrode 5 ist oberhalb des Halbleiterelements 4 angeordnet und über das Lötmetall 3b mit dem Halbleiterelement 4 elektrisch verbunden. Die Metallelektrode 5 ist beispielsweise ein Elektrodenanschluss und enthält zumindest eines von Kupfer, Aluminium und den anderen Metallmaterialien. Die Schaltungsstruktur und das Halbleiterelement 4 und das Halbleiterelement 4 und die Metallelektrode 5 sind mit, nicht aber darauf beschränkt, einem Lötmetall gebondet. Diese können beispielsweise mit Silber (Ag) gebondet sein.
  • Die obere Oberfläche der Metallelektrode 5 ist eine Oberfläche, die der der elektronischen Schaltung 7 zugewandten Oberfläche entgegengesetzt ist, und die Unterseite der Metallelektrode 5 ist die der elektronischen Schaltung 7 zugewandte Oberfläche gemäß der Ausführungsform 1. Darüber hinaus sind die Endteilbereiche 5a auf der oberen Oberfläche der Metallelektrode 5 spitzförmig, und die Endteilbereiche auf der Oberfläche der Unterseite der Metallelektrode 5 sind angeschrägt, das heißt stumpf geformt. Die Endteilbereiche 5b der Metallelektrode 5 können abgerundet, das heißt bogenförmig, statt angeschrägt sein.
  • Das Kapselungsharz 6 kapselt die elektronische Schaltung 7 und die Metallelektrode 5 ein. Dementsprechend füllt das Kapselungsharz 6 die Umgebungsbereiche des Halbleiterelements 4 und der Metallelektrode 5.
  • [Schlussfolgerung der Ausführungsform 1]
  • Wird die Metallelektrode 5 durch einen Temperaturzyklusbetrieb oder Leistungszyklusbetrieb einmal erhitzt oder erzeugt sie Wärme, wird die Metallelektrode 5 ausgedehnt, aber das Kapselungsharz 6 in Kontakt mit dem Halbleiterelement 4 und dem isolierenden Substrat 2, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten niedriger sind, wird durch das Halbleiterelement 4 und das isolierende Substrat 2 zurückgehalten. Folglich wird das Kapselungsharz 6 der Spannung von der Metallelektrode 5 ausgesetzt. Das Kapselungsharz 6 wird hier der intensiven Spannung von den Endteilbereichen 5b, die stumpf geformt sind, weniger ausgesetzt und wird der intensiven Spannung von den Endteilbereichen 5a, die spitzförmig sind, mehr ausgesetzt.
  • Selbst wenn Risse im Kapselungsharz 6 auftreten, werden somit bevorzugt Risse 8 erzeugt, die von der elektronischen Schaltung 7 vergleichsweise entfernt sind und von den Endteilbereichen 5a aus beginnen. Nachdem die Risse 8, die von den Endteilbereichen 5a aus beginnen, auftreten, nimmt die Spannung, der das Kapselungsharz 6 von der Metallelektrode 5 ausgesetzt wird, ab. Folglich kann verhindert werden, dass Risse in der Nähe der elektronischen Schaltung 7 auftreten.
  • Folglich kann ein Teilbereich mit Rissen in der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 gesteuert werden, und es kann verhindert werden, dass Risse in einem unerwünschten Teilbereich und in einer unerwünschten Richtung wie etwa dem Umgebungsbereich des Halbleiterelements 4 auftreten.
  • Infolgedessen kann eine Rissbildung im Halbleiterelement 4 verhindert werden, und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer einer Halbleitervorrichtung unter einer thermischen Umgebung können erhöht werden. Darüber hinaus besteht beispielsweise kein Bedarf daran, die Eigenschaften für das Kapselungsharz 6 konkret abzustimmen und eine Beschichtung (engl.: coding) der Endoberfläche der Metallelektrode 5 hinzuzufügen, um die Spannung zu entlasten, was eine Zunahme der Kosten reduzieren kann. Darüber hinaus kann eine Pressbearbeitung, die die Form eines zu bearbeitenden Objekts leicht ändern kann, indem das Design einer Folgeverbundstufe (engl.: progressive die stage) geändert wird, die Metallelektrode 5 ausbilden. Somit können zusätzliche Kosten eines Produkts verringert werden. Außerdem sollten die oben erwähnten Maßnahmen nur an einem minimalen Teilbereich, der für die Zuverlässigkeit notwendig ist, ergriffen werden. Folglich besteht kein Bedarf daran, die Harzeigenschaften, die die Zuverlässigkeit beeinflussen können, oder einen Designparameter in einem Montageprozess genauestens zu verwalten. Infolgedessen kann man eine Reduzierung der Verwaltungskosten und einer Ausschussrate erwarten.
  • Das Halbleiterelement 4 kann Silizium (Si) oder einen Halbleiter mit breiter Bandlücke wie etwa Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) enthalten. Insbesondere weist der Halbleiter mit breiter Bandlücke eine Hochtemperaturbeständigkeit auf. Folglich ist eine Erhöhung der Zuverlässigkeit unter einer thermischen Umgebung in einer Struktur, in der das Halbleiterelement 4 der Halbleitervorrichtung den Halbleiter mit breiter Bandlücke enthält, besonders effektiv. Außerdem kann das Halbleiterelement 4 beispielsweise ein MOSFET, ein IGBT, eine SBD oder ein PN-Diode sein.
  • [Ausführungsform 2]
  • 3 ist ein Querschnitt, die eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. Die gleichen Bezugsziffern sind den Bestandteilelementen gemäß der Ausführungsform 2 zugeordnet, falls die Bestandteilelemente mit den oben erwähnten Bestandteilelementen identisch oder diesen ähnlich sind, und die verschiedenen Bestandteilelemente werden vorwiegend beschrieben.
  • Die Halbleitervorrichtung der 3 umfasst die Basisplatte 1, das isolierende Substrat 2, die Lötmetalle 3a und 3b, das Halbleiterelement 4, die Metallelektrode 5, das Kapselungsharz 6, das ein Harz ist, und einen Draht 9, der ein Schaltungselement ist.
  • Der Draht 9 ist beispielsweise ein Aluminiumdraht und ist mit dem Halbleiterelement 4 verbunden. Die Metallelektrode 5 ist seitlich zum Draht 9 und oberhalb des Halbleiterelements 4 angeordnet und über das Halbleiterelement 4 und das Lötmetall 3b mit dem Draht 9 elektrisch verbunden.
  • Die elektronische Schaltung 7 ist eine Schaltung, die die Basisplatte 1, das isolierende Substrat 2, die Lötmetalle 3a und 3b, das Halbleiterelement 4 und den Draht 9 umfasst, und ist mit der Metallelektrode 5 direkt verbunden. Das Kapselungsharz 6 kapselt die elektronische Schaltung 7 und die Metallelektrode 5 ein.
  • Gemäß der Ausführungsform 2 ist ein seitlicher Teilbereich 5c der Metallelektrode 5, der ein Teilbereich ist, der der dem Draht 9 zugewandten Seite entgegengesetzt ist, spitzförmig, und ein seitlicher Teilbereich 5d der Metallelektrode 5, der ein dem Draht 9 zugewandter Teilbereich ist, ist abgerundet, das heißt bogenförmig. Der seitliche Teilbereich 5d kann durch Modellieren in einem Biegeprozess während eines Pressvorgangs ähnlich der später zu beschreibenden Ausführungsform 3 angeschrägt oder annähernd abgerundet werden. Obgleich der zentrale Teilbereich des seitlichen Teilbereichs 5c in einer Dickenrichtung in 3 spitzförmig ist, können die Endteilbereiche auf der oberen Oberfläche der Metallelektrode 5 ähnlich der Ausführungsform 1 (2) spitzförmig sein.
  • [Schlussfolgerung der Ausführungsform 2]
  • In der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 können ähnlich der Ausführungsform 1 die Risse 8, die vom Draht 9 vergleichsweise entfernt sind und vom seitlichen Teilbereich 5c aus beginnen, bevorzugt erzeugt werden. Folglich kann verhindert werden, dass Risse in einem unerwünschten Teilbereich wie etwa dem Umgebungsbereich des Drahts 9 auftreten. Infolgedessen kann ein Bruch im Draht 9 verhindert werden, und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Halbleitervorrichtung können erhöht werden.
  • [Ausführungsform 3]
  • 4 ist ein Querschnitt, der eine Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. Die gleichen Bezugsziffern werden den Bestandteilelementen gemäß der Ausführungsform 3 zugeordnet, falls die Bestandteilelemente mit den oben erwähnten Bestandteilelementen identisch oder diesen ähnlich sind, und die verschiedenen Bestandteilelemente werden vorwiegend beschrieben.
  • In der Halbleitervorrichtung von 4 weisen Teilbereiche der Metallelektrode 5, die Rändern 5e in 2 (Teilbereiche in unmittelbarer Nähe zu den Rändern 5e) benachbart sind, eine nach oben umgebogene Form auf. Mit anderen Worten haben die Teilbereiche der Metallelektrode 5 in unmittelbarer Nähe zu den Rändern 5e eine hochgezogene Form. Folglich werden die Endteilbereiche 5b auf der unteren Seite durch Modellieren in einem Biegeprozess während eines Pressvorgangs ungefähr abgerundet. Diese Formen können gebildet werden, indem beispielsweise eine flache Metallelektrode, indem sie gepresst wird, umgebogen wird. Jedoch können die Formen durch, nicht aber darauf beschränkt, Abdünnen eines zentralen Teilbereichs 5f der Metallelektrode mittels eines maschinellen Bearbeitung wie etwa Schneiden ausgebildet werden.
  • [Schlussfolgerung der Ausführungsform 3]
  • In der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 3 können Endteilbereiche 5a auf der oberen Oberfläche, wo die Risse 8 leicht auftreten, vom Halbleiterelement 4 entfernter als jene gemäß der Ausführungsform 1 gelegen sein. Folglich kann der Teilbereich mit Rissen effektiver gesteuert werden, und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Halbleitervorrichtung können mehr erhöht werden. Darüber hinaus können die Spannungen, die erzeugt werden, wenn Produkte über beispielsweise einen Lötprozess zusammengebaut werden, im Allgemeinen die Biegespannung erzeugen, die die Ausdehnung der Metallelektrode 5 in einer Tiefenrichtung von 4 beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu kann, da die Form von 4 gemäß der Ausführungsform 3 die Festigkeit gegen die Biegespannung erhöhen kann, eine Verformung der Metallelektrode 5 verhindert werden, und die Produktqualität kann gesteigert werden.
  • [Ausführungsform 4]
  • 5 ist eine Draufsicht, die eine Struktur der Metallelektrode 5 einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die gleichen Bezugsziffern werden den Bestandteilelementen gemäß der Ausführungsform 4 zugeordnet, falls die Bestandteilelemente mit den oben erwähnten Bestandteilelementen identisch oder diesen ähnlich sind, und die verschiedenen Bestandteilelemente werden vorwiegend beschrieben.
  • Wie in 5 veranschaulicht ist, umfasst gemäß der Ausführungsform 4 die Metallelektrode 5 vorstehende Teile 5g, und die elektronische Schaltung 7, die das Halbleiterelement 4 und die Drähte 9 umfasst, ist in einer anderen Richtung als der Orientierungsrichtung der Spitzen der vorstehenden Teile 5g angeordnet. Obgleich die vorstehenden Teile 5g in 5 annähernd dreieckig sind, können sie beispielsweise pfeilförmig sein. Obgleich die Spitzen der vorstehenden Teile 5g zur Ebenenrichtung der Metallelektrode 5 hin orientiert sind und die vorstehenden Teile 5g an jeweiligen Positionen angeordnet sind, um das Halbleiterelement 4 und die Drähte 9 in der Draufsicht in 5 sandwichartig zu umgeben, sind die vorstehenden Teile 5g nicht auf diese beschränkt. Die vorstehenden Teile 5g sollen beispielsweise in einem Teilbereich angeordnet sein, wo die Risse 8 bevorzugt und erwünscht erzeugt werden.
  • [Schlussfolgerung der Ausführungsform 4]
  • Gemäß der Ausführungsform 4 kann der Teilbereich mit Rissen effektiver gesteuert werden. Darüber hinaus können die Risse verteilt erzeugt werden, und jeder der Risse kann verkleinert werden.
  • [Ausführungsform 5]
  • 6 ist eine Draufsicht, die eine Struktur der Metallelektrode 5 einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. Die gleichen Bezugsziffern werden den Bestandteilelementen gemäß der Ausführungsform 5 zugeordnet, falls die Bestandteilelemente mit den oben erwähnten Bestandteilelementen identisch oder diesen ähnlich sind, und die verschiedenen Bestandteilelemente werden vorwiegend beschrieben.
  • Wie in 6 gemäß der Ausführungsform 5 veranschaulicht ist, ist die Metallelektrode 5 in Richtung des Halbleiterelements 4 so geneigt, dass der seitliche Teilbereich 5c der Metallelektrode 5, der ein Teilbereich ist, der der dem Draht 9 zugewandten Seite entgegengesetzt ist, näher zum Halbleiterelement 4 liegt als der seitliche Teilbereich 5d der Metallelektrode 5, der ein dem Draht 9 zugewandter Teilbereich ist.
  • [Schlussfolgerung der Ausführungsform 5]
  • Die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Metallelektrode 5 und dem Halbleiterelement 4 hat einen verhältnismäßig großen Einfluss auf den seitlichen Teilbereich 5c der Metallelektrode 5, der näher zum Halbleiterelement 4 liegt, und hat einen verhältnismäßig geringen Einfluss auf den seitlichen Teilbereich 5d der Metallelektrode 5, der vom Halbleiterelement 4 entfernter ist. Da die Spannung, der das Kapselungsharz 6 vom seitlichen Teilbereich 5c der Metallelektrode 5 ausgesetzt wird, größer als die Spannung ist, der das Kapselungsharz 6 vom seitlichen Teilbereich 5d der Metallelektrode 5 ausgesetzt wird, können die Risse 8, die vom Draht 9 vergleichsweise entfernt sind und vom seitlichen Teilbereich 5c aus beginnen, bevorzugt erzeugt werden. Folglich kann der Teilbereich mit Rissen effektiver gesteuert werden.
  • Obgleich die Struktur, in der die Ausführungsform 5 für die Ausführungsform 2 verwendet wird, oben beschrieben ist, kann die Ausführungsform 5 für die anderen Ausführungsformen 1, 3 und 4 und für die relevante Halbleitervorrichtung, wie in 7 veranschaulicht, verwendet werden.
  • [Ausführungsform 6]
  • Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung ist eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, die eine Hauptumwandlungsschaltung enthält, die die Halbleitervorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 5 enthält. Obgleich die oben erwähnten Halbleitervorrichtungen nicht auf spezifische Leistungsumwandlungsvorrichtungen beschränkt sind, wird die Ausführungsform 6 eine Verwendung der Halbleitervorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 5 für einen Dreiphasen-Inverter beschreiben.
  • 8 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, für das die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 6 verwendet wird.
  • Das in 8 veranschaulichte Leistungsumwandlungssystem umfasst eine Stromversorgung 100, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 und eine Last 300. Die Stromversorgung 100, die eine DC-Stromversorgung ist, stellt der Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 DC-Leistung bereit. Die Stromversorgung 100 kann eine von verschiedenen Stromversorgungen einschließlich eines DC-Systems, einer Solarbatterie, einer wiederaufladbaren Batterie, einer mit einem AC-System verbundenen Gleichrichterschaltung und eines AC/DC-Wandlers sein. Die Stromversorgung 100 kann auch ein DC/DC-Wandler sein, der eine von einem DC-System abgegebene DC-Leistung in eine vorbestimmte Leistung umwandelt.
  • Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200, die ein zwischen die Stromversorgung 100 und die Last 300 geschalteter Dreiphasen-Inverter ist, wandelt die von der Stromversorgung 100 bereitgestellte DC-Leistung in AC-Leistung um, um der Last 300 die AC-Leistung bereitzustellen. Wie in 8 veranschaulicht ist, enthält die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 eine Hauptumwandlungsschaltung 201, welche die DC-Leistung in die AC-Leistung umwandelt, und eine Steuerungsschaltung 203, die an die Hauptumwandlungsschaltung 201 ein Steuerungssignal zum Steuern der Hauptumwandlungsschaltung 201 abgibt.
  • Die Last 300 ist ein Dreiphasen-Elektromotor, der durch die von der Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 bereitgestellte AC-Leistung angetrieben wird. Die Last 300 ist nicht auf eine spezifische Nutzung beschränkt, sondern ist der auf verschiedenen Typen elektrischer Vorrichtungen montierte Elektromotor. Folglich wird die Last 300 als Elektromotor für beispielsweise ein Hybridauto, ein Elektroauto, ein Schienenfahrzeug, einen Lift oder eine Klimaanlage genutzt.
  • Im Folgenden wird die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 im Detail beschrieben. Die Hauptumwandlungsschaltung 201 enthält Schaltelemente und Freilaufdioden (nicht dargestellt). Ein Umschalten des Schaltelements bewirkt, dass die von der Stromversorgung 100 bereitgestellte DC-Leistung in die AC-Leistung umgewandelt wird. Die AC-Leistung wird dann der Last 300 bereitgestellt. Die spezifische Schaltungskonfiguration der Hauptumwandlungsschaltung 201 ist von verschiedenen Arten. Die Hauptumwandlungsschaltung 201 gemäß der Ausführungsform 6 ist eine Dreiphasen-Vollbrückenschaltung mit zwei Niveaus und kann sechs Schaltelemente und sechs Freilaufdioden, die mit den jeweiligen Schaltelementen antiparallel verbunden sind, umfassen. Zumindest eines der Schaltelemente und der Freilaufdioden der Hauptumwandlungsschaltung 201 enthält ein Halbleitermodul 202, für das die Halbleitervorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 5 verwendet wird. Die sechs Schaltelemente bilden drei Paare oberer und unterer Arme, wobei in jedem Paar davon die beiden Schaltelemente in Reihe miteinander verbunden sind. Die drei Paare oberer und unterer Arme bilden die jeweiligen Phasen (U-Phase, V-Phase und W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Ausgangsanschlüsse der jeweiligen Paare oberer und unterer Arme, d.h. drei Ausgangsanschlüsse, der Hauptumwandlungsschaltung 201 sind mit der Last 300 verbunden.
  • Die Hauptumwandlungsschaltung 201 enthält eine (nicht dargestellte) Ansteuerungsschaltung zum Ansteuern jedes der Schaltelemente. Die Ansteuerungsschaltung kann im Halbleitermodul 202 eingebettet sein oder kann vom Halbleitermodul 202 separat vorgesehen sein. Die Ansteuerungsschaltung erzeugt Ansteuerungssignale zum Ansteuern der Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 201 und stellt die Ansteuerungssignale Steuerungselektroden der Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 201 bereit. Konkret gibt die Ansteuerungsschaltung an die Steuerungselektroden der Schaltelemente gemäß dem Ansteuerungssignal von der später zu beschreibenden Steuerungsschaltung 203 das Ansteuerungssignal zum Schalten des Schaltelements in einen EIN-Zustand und das Ansteuerungssignal zum Schalten des Schaltelements in einen AUS-Zustand ab. Das Ansteuerungssignal ist ein Spannungssignal (EIN-Signal), das gleich einer Schwellenspannung des Schaltelements oder höher ist, wenn das Schaltungselement im EIN-Zustand gehalten wird. Das Ansteuerungssignal ist ein Spannungssignal (AUS-Signal), das gleich der Schwellenspannung des Schaltelements oder niedriger ist, wenn das Schaltelement im AUS-Zustand gehalten wird.
  • Die Steuerungsschaltung 203 steuert die Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 201, so dass der Last 300 eine gewünschte Leistung bereitgestellt wird. Konkret berechnet die Steuerungsschaltung 203 eine Zeit (EIN-Zeit), zu der jedes der Schaltelemente der Hauptumwandlungsschaltung 201 in den EIN-Zustand eintreten muss, basierend auf der Leistung, die der Last 300 bereitgestellt werden muss. Beispielsweise kann die Hauptumwandlungsschaltung 201 gesteuert werden, indem eine Pulsweitenmodulations-(PWM- )Steuerung durchgeführt wird, um die EIN-Zeit der Schaltelemente gemäß der Spannung, die abgegeben werden muss, zu modulieren. Die Steuerungsschaltung 203 gibt dann eine Steuerungsanweisung (Steuerungssignal) an die in der Hauptumwandlungsschaltung 201 enthaltene Ansteuerungsschaltung aus, so dass die Ansteuerungsschaltung zu jeder Zeit das EIN-Signal an das Schaltelement abgibt, das in den EIN-Zustand eintreten muss, und das AUS-Signal an das Schaltelement abgibt, das in den AUS-Zustand eintreten muss. Die Ansteuerungsschaltung gibt das EIN-Signal oder das AUS-Signal als das Ansteuerungssignal gemäß diesem Steuerungssignal an die Steuerungselektrode jedes der Schaltelemente ab.
  • Da die Halbleitervorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 5 als zumindest eines der Schaltelemente und der Freilaufdioden der Hauptumwandlungsschaltung 201 in der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 6 verwendet wird, kann verhindert werden, dass Risse in einem unerwünschten Teilbereich in einem Harz auftreten.
  • Obgleich die Ausführungsform 6 das Beispiel einer Verwendung der Halbleitervorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 5 für den Dreiphasen-Inverter mit den beiden Niveaus beschreibt, ist die Ausführungsform 6 nicht darauf beschränkt, sondern kann für die verschiedenen Leistungsumwandlungsvorrichtungen verwendet werden. Obgleich die Ausführungsform 6 die Halbleitervorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 5 als die Leistungsumwandlungsvorrichtung mit den zwei Niveaus beschreibt, kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung drei oder mehr Niveaus aufweisen. Darüber hinaus kann die Halbleitervorrichtung für einen einphasigen Inverter verwendet werden, wenn einer einphasigen Last Leistung bereitgestellt wird. Darüber hinaus kann die Halbleitervorrichtung auch für einen DC/DC-Wandler oder einen AC/DC-Wandler verwendet werden, wenn beispielsweise einer DC-Last Leistung bereitgestellt wird.
  • Die Last der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 6 ist nicht auf den Elektromotor wie oben beschrieben beschränkt. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung kann auch als Stromversorgungsvorrichtung einer Elektroerodiermaschine, einer Laserstrahlmaschine, einer Kochvorrichtung mit Induktionsheizung oder eines Systems zur berührungsfreien Leistungseinspeisung genutzt werden und kann ferner als Leistungskonditionierer beispielsweise eines Solarenergiesystems oder eines Elektrizitätsspeichersystems genutzt werden.
  • Ausführungsformen können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung frei kombiniert und geeignet modifiziert oder weggelassen werden.
  • Obgleich diese Erfindung im Detail beschrieben wurde, ist die Beschreibung in allen Aspekten veranschaulichend und schränkt die Erfindung nicht ein. Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen konzipiert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 4
    Halbleiterelement,
    5
    Metallelektrode,
    5a, 5b
    Endteilbereich,
    5c, 5d
    seitlicher Teilbereich,
    5e
    Rand,
    5g
    vorstehender Teil,
    6
    Kapselungsharz,
    7
    elektronische Schaltung,
    9
    Draht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP H2240955 [0004]

Claims (9)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: eine elektronische Schaltung, die ein Halbleiterelement enthält; eine Metallelektrode, die mit der elektronischen Schaltung direkt verbunden ist; und ein Harz, das die elektronische Schaltung und die Metallelektrode einkapselt, wobei ein Endteilbereich der Metallelektrode auf einer Oberfläche, die einer der elektronischen Schaltung zugewandten Oberfläche entgegengesetzt ist, spitzförmig ist und ein Endteilbereich der Metallelektrode auf der der elektronischen Schaltung zugewandten Oberfläche bogenförmig oder stumpf geformt ist.
  2. Halbleitervorrichtung, aufweisend: eine elektronische Schaltung, die eine Halbleitervorrichtung und ein Schaltungselement enthält; eine Metallelektrode, die mit der elektronischen Schaltung direkt verbunden ist; und ein Harz, das die elektronische Schaltung und die Metallelektrode einkapselt, wobei ein Teilbereich der Metallelektrode, der ein Teilbereich ist, der einer dem Schaltungselement zugewandten Seite entgegengesetzt ist, spitzförmig ist und ein Teilbereich der Metallelektrode, der ein dem Schaltungselement zugewandter Teilbereich ist, bogenförmig oder stumpf geformt ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Schaltungselement einen Draht umfasst.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Teilbereich der Metallelektrode, der einem Rand der Metallelektrode benachbart ist, eine nach oben umgebogene Form aufweist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metallelektrode einen vorstehenden Teil enthält, und die elektronische Schaltung in einer anderen Richtung als einer Orientierungsrichtung einer Spitze des vorstehenden Teils angeordnet ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Metallelektrode seitlich zu dem Schaltungselement und oberhalb des Halbleiterelements angeordnet ist, und die Metallelektrode in Richtung des Halbleiterelements so geneigt ist, dass der Teilbereich der Metallelektrode, der der Teilbereich ist, der der dem Schaltungselement zugewandten Seite entgegengesetzt ist, näher zum Halbleiterelement liegt als der Teilbereich der Metallelektrode, der der dem Schaltungselement zugewandte Teilbereich ist.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Halbleiterelement einen Halbleiter mit breiter Bandlücke enthält.
  8. Halbleitervorrichtung, die ein Halbleiterelement enthält, wobei die Halbleitervorrichtung aufweist: eine elektronische Schaltung, die das Halbleiterelement und ein Schaltungselement enthält; eine Metallelektrode, die mit der elektronischen Schaltung direkt verbunden und seitlich zur elektronischen Schaltung und oberhalb des Halbleiterelements angeordnet ist; und ein Harz, das die elektronische Schaltung und die Metallelektrode einkapselt, wobei die Metallelektrode in Richtung des Halbleiterelements so geneigt ist, dass ein Teilbereich der Metallelektrode, der ein Teilbereich ist, der einer dem Schaltungselement zugewandten Seite entgegengesetzt ist, näher zum Halbleiterelement liegt als ein Teilbereich der Metallelektrode, der ein dem Schaltungselement zugewandter Teilbereich ist.
  9. Leistungsumwandlungsvorrichtung, aufweisend: eine Hauptumwandlungsschaltung, die die Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält, wobei die Hauptumwandlungsschaltung eine eingespeiste Leistung umwandelt, um eine resultierende Leistung abzugeben; und eine Steuerungsschaltung, die an die Hauptumwandlungsschaltung ein Steuerungssignal zum Steuern der Hauptumwandlungsschaltung abgibt.
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