DE112019006927B4 - Halbleitervorrichtung, Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung sowie Leistungswandler - Google Patents

Halbleitervorrichtung, Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung sowie Leistungswandler Download PDF

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Abstract

Halbleitervorrichtung, die Folgendes aufweist:- eine Halbleitereinheit (1);- einen Leiterrahmen (2), mit dem die Halbleitereinheit (1) verbunden ist;- eine isolierende Schicht (3), auf welcher der Leiterrahmen (2) angeordnet ist;- eine Metall-Basisplatte (4), die auf einer Fläche der isolierenden Schicht (3) angeordnet ist, die einer Fläche gegenüberliegt, auf welcher der Leiterrahmen (2) angeordnet ist;- ein abdichtendes Element (5) zur Abdichtung der Halbleitereinheit (1), des Leiterrahmens (2), der isolierenden Schicht (3) und der Metall-Basisplatte (4) in einer derartigen Weise, dass ein Bereich des Leiterrahmens (2) und zumindest ein Bereich der Metall-Basisplatte (4) freiliegen;- einen Trägerrahmen (6) mit zumindest einer Öffnung (61), in welcher der zumindest eine freiliegende Bereich der Metall-Basisplatte (4) eingefügt ist, der in Bezug auf das abdichtende Element (5) freiliegt; und- ein Wärmeabführungselement (7), das mit mehreren Rippen (7a) versehen ist, die durch Falten einer Metallplatte gebildet sind, und das an ein Teil des zumindest einen freiliegenden Bereichs der Metall-Basisplatte (4), der in die zumindest eine Öffnung (61) eingefügt ist, und an den Trägerrahmen (6) geschweißt ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die ein Wärmeabführungselement mit mehreren Rippen aufweist, ein Herstellungsverfahren für eine solche Halbleitervorrichtung sowie auf einen Leistungswandler.
  • STAND DER TECHNIK
  • Herkömmlicherweise ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, bei der eine Mehrzahl von Halbleitereinheiten auf einer Leiterplatte, einem Leiterrahmen oder dergleichen montiert ist, und die gesamte Halbleitereinheit ist mit einem abdichtenden Element integriert. Im Allgemeinen ist eine derartige Halbleitervorrichtung jedoch einer großen Wärmemenge von den Halbleitereinheiten ausgesetzt. Daher wird eine Metall-Basisplatte zur Wärmeabführung, wie beispielsweise ein Wärmeverteiler, in Kontakt mit einer isolierenden Schicht angeordnet, auf der die Leiterplatte und der Leiterrahmen angeordnet sind.
  • Darüber hinaus ist ein Wärmeabführungselement, an dem mehrere Rippen angeordnet sind, an der Oberfläche der Metall-Basisplatte der Halbleitervorrichtung angebracht. Zwischen der Metall-Basisplatte und dem Wärmeabführungselement wird üblicherweise Fett eingesetzt, um den thermischen Kontaktwiderstand zu reduzieren. Die thermische Leitfähigkeit des Fetts ist jedoch weitaus geringer als jene von Metall, und darüber hinaus tritt ein als „Herausfließen“ bezeichnetes Phänomen auf, bei dem das Fett aufgrund des Wärmezyklus herausströmt, so dass die Wärmeabführung verschlechtert wird. Als eine Gegenmaßnahme werden Verfahren zum Verbinden des Wärmeabführungselements ohne Verwenden von Fett untersucht.
  • In der JP 2012- 49 167 A sind zum Beispiel Nuten in der Fläche ausgebildet, die der Fläche der Metall-Basisplatte gegenüberliegt, auf der eine Leistungs-Halbleitereinheit angeordnet ist, und ein Wärmeabführungselement wird durch Verstemmen in den Nuten der Metall-Basisplatte befestigt. Wenn das Wärmeabführungselement jedoch in der vorstehend beschriebenen Weise durch Verstemmen an der Metall-Basisplatte befestigt wird, ist eine komplexe Bearbeitung, wie beispielsweise Bildung der Nuten und ähnliche Bearbeitungen, an der Metall-Basisplatte erforderlich.
  • Bei der JP 2016- 174 034 A ist ein Kühlkörper (eine Wärmesenke) vorgesehen, der eine Faltrippe, die durch Falten einer Metallplatte gebildet wird, und eine mit der Faltrippe verbundene Basisplatte aufweist, und der Kühlkörper ist unter Verwendung eines Verbindungsmetalls mit einer Leiterschicht eines isolierenden Substrats verbunden. Die Verwendung der Faltrippe trägt zu einer Reduzierung der Wärmekapazität im Vergleich zu herkömmlichen Rippen mit dem gleichen Volumen, der Leichtigkeit eines thermischen Verbindens, wie beispielsweise eines Verbindens mit einem Lot, sowie der Eliminierung einer komplexen Bearbeitung bei, wie beispielsweise einer Nutenbildung.
  • Die JP 2001- 274 297 A zeigt einen flachen Kühlkörper, der einen gitterförmigen Kühlmitteldurchlass aufweist. Der Kühlkörper wird durch Verbinden einer Aluminium-Gitterplatte und einer unebenen Platte mit mehreren Vertiefungen durch ein lasergeschweißtes Verbindungsteil gebildet, das kontinuierlich entlang der gesamten Umfangskanten der Platten und der Umfangskanten der Vertiefungen ausgebildet ist. Das lasergeschweißte Verbindungsteil verbindet so die Aluminium-Gitterplatte und die unebene Platte, wobei eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Verbindungsfestigkeit erhalten bleiben.
  • Um effizient Wärme aus der Halbleitereinheit abzuführen, muss die Anzahl von Rippen erhöht werden, und an der Metall-Basisplatte muss ein großes Wärmeabführungselement angebracht werden. Im Fall einer Halbleitervorrichtung, bei der das abdichtende Element durch ein Spritzpress-Verfahren (ein Transferformen) oder dergleichen gebildet wird, ist die Metall-Basisplatte indessen bevorzugt integral mit einer Halbleitereinheit und anderen Komponenten abgedichtet, um ihre Verbindungszuverlässigkeit sicherzustellen, so dass die Abmessung der Metall-Basisplatte normalerweise durch die Abmessung des Formkörpers beim Formvorgang beschränkt ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösendes Problem
  • Wenn die Breite der Verbindungsfläche eines Wärmeabführungselements mit mehreren Rippen, die durch Falten einer Metallplatte gebildet werden, jedoch über die Breite der Metall-Basisplatte hinausgeht, können die gefalteten Formen nicht aufrechterhalten werden, so dass ein Problem dahingehend entsteht, dass sich die Wärmeabführung verschlechtert.
  • Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, und hat die Aufgabe, eine Halbleitervorrichtung, die eine Wärmeabführung unter Verwendung eines Wärmeabführungselements mit mehreren Rippen sicherstellt, die durch Falten einer Metallplatte gebildet sind, ein Herstellungsverfahren für eine solche Halbleitervorrichtung sowie einen Leistungswandler anzugeben.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Halbleitervorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9. Ferner erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie durch einen Leistungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
  • Effekt der Erfindung
  • Bei der Halbleitervorrichtung und dem Leistungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein freiliegender Bereich der Metall-Basisplatte, der in Bezug auf ein abdichtendes Element freiliegt, in die Öffnung eines Trägerrahmens eingefügt, und ein Wärmeabführungselement mit mehreren Rippen, die durch Falten einer Metallplatte gebildet sind, ist sowohl mit der Metall-Basisplatte als auch dem Trägerrahmen verbunden. Mit einer derartigen Konfiguration kann die gefaltete Form von jeder der Rippen des Wärmeabführungselements aufrechterhalten werden, und die Wärmeabführung kann sichergestellt werden. Darüber hinaus kann die Halbleitervorrichtung durch das Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mittels einfacher Prozesse erhalten werden.
  • Figurenliste
  • In den Figuren zeigen:
    • 1 eine Querschnittsabbildung, die eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 2 eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Explosionsansicht einer Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 3 eine schematische Abbildung einer Konfiguration, die einen Bereich eines Wärmeabführungselements der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 4 eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 5 eine schematische Abbildung einer Konfiguration, welche die an einem externen Gehäuse angebrachte Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 6 ein Flussdiagramm, das einen Herstellungsprozess für die Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 7 eine Querschnittsabbildung, die eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 8 eine schematische Abbildung, die einen vergrößerten Bereich der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 9 eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration einer Metall-Basisplatte der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 10 eine schematische Abbildung, die einen Herstellungsprozess für die Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 11 eine perspektivische Abbildung, die eine schematische Konfiguration eines Trägerrahmens einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 12 eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration einer Metall-Basisplatte der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 13 eine Querschnittsabbildung, die eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 14 eine schematische Abbildung der Konfiguration eines Leistungswandlungssystems gemäß Ausführungsform 5, bei dem ein Leistungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
  • ARTEN ZUR REALISIERUNG DER ERFINDUNG
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist eine Querschnittsabbildung, die eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine perspektivische Abbildung, die eine schematische Konfiguration zeigt, bei der die Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung in Komponenten getrennt ist, wobei die Komponenten in der Dickenrichtung der Vorrichtung angeordnet sind. In dieser Figur ist die Dickenrichtung der Halbleitervorrichtung durch die Z-Achse gekennzeichnet, die Breitenrichtung derselben ist durch die Y-Achse gekennzeichnet, und die Tiefenrichtung derselben ist durch die X-Achse gekennzeichnet.
  • In der folgenden Beschreibung wird auf die positive Richtung und die negative Richtung der Z-Achse als die Richtung nach oben beziehungsweise die Richtung nach unten Bezug genommen. Außerdem umfassen die Begriffe „identisch“, „parallel“, „vertikal“ und „orthogonal“ der Bedeutung nach „im Wesentlichen identisch“, „im Wesentlichen parallel“, „im Wesentlichen vertikal“ bzw. „im Wesentlichen orthogonal“, wenn nichts anderes spezifiziert ist.
  • Wie in 1 gezeigt, weist eine Halbleitervorrichtung 100 eine Halbleitereinheit 1, einen Leiterrahmen 2, eine isolierende Schicht 3, eine Metall-Basisplatte 4, ein abdichtendes Element 5, einen Trägerrahmen 6 sowie ein Wärmeabführungselement 7 auf. Das Wärmeabführungselement 7 ist sowohl mit der Metall-Basisplatte 4 als auch dem Trägerrahmen 6 verbunden.
  • Die Halbleitereinheit 1 ist über eine Verbindungsschicht 8, wie beispielsweise ein Lot, mit dem Leiterrahmen 2 verbunden.
  • Der Leiterrahmen 2 ist auf der isolierenden Schicht 3 angeordnet, um eine Verdrahtungsschaltung zu bilden. Für eine elektrische Verbindung zwischen den Halbleitereinheiten 1, zwischen Bereichen des Leiterrahmens 2 und zwischen der Halbleitereinheit 1 und dem Leiterrahmen 2 werden Drähte 9 verwendet, wie beispielsweise Aluminium-Drähte. Die Metall-Basisplatte 4 ist auf der Fläche angeordnet, die der Fläche der isolierenden Schicht 3 gegenüberliegt, mit deren Oberfläche die Halbleitereinheit 1 verbunden ist.
  • Bei der Metall-Basisplatte 4 handelt es sich um ein Metallsubstrat, um Wärme zu verteilen, die von der Halbleitereinheit 1 über die isolierende Schicht 3 transferiert wird. Für die Metall-Basisplatte 4 wird ein Metallmaterial mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit verwendet, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer.
  • Die Halbleitereinheit 1, der Leiterrahmen 2, die isolierende Schicht 3 und die Metall-Basisplatte 4 sind mit dem abdichtenden Element 5 in einer derartigen Weise abgedichtet, dass ein Bereich des Leiterrahmens 2 und ein Bereich der Metall-Basisplatte 4 in Bezug auf das abdichtende Element 5 freiliegen.
  • Der Trägerrahmen 6 weist eine Öffnung 61 in der Mitte auf, die in Bezug auf die Abmessung der unteren Fläche der Metall-Basisplatte 4 entspricht. Ein in Bezug auf das abdichtende Element 5 freiliegender Bereich der Metall-Basisplatte 4 ist in die Öffnung 61 des Trägerrahmens 6 eingefügt. Von dem in Bezug auf das abdichtende Element 5 freiliegenden Bereich der Metall-Basisplatte 4 ist ein in die Öffnung 61 eingefügter Bereich mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden. Darüber hinaus ist die Fläche, die der Fläche des Trägerrahmens 6 auf der Seite der isolierenden Schicht 3 gegenüberliegt, mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden. Es ist hier anzumerken, dass die Fläche der Metall-Basisplatte 4 und die Fläche des Trägerrahmens 6, die jeweils mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden sind, bevorzugt bündig zueinander sind, um die Verbindungszuverlässigkeit sicherzustellen.
  • Der Trägerrahmen 6 besteht zum Beispiel aus einem Metall mit einer hohen Steifigkeit. Aufgrund der hohen Vibrationsbeständigkeit, die durch den aus einem Metall mit einer hohen Steifigkeit bestehenden Trägerrahmen 6 geliefert wird, kann die Verbindungszuverlässigkeit zwischen der Metall-Basisplatte 4, dem Wärmeabführungselement 7 und dem Trägerrahmen 6 sichergestellt werden. Wenn ein Metall mit einer geringen Steifigkeit, wie beispielsweise Aluminium, für den Trägerrahmen 6 verwendet werden soll, kann die Steifigkeit durch eine Vergrößerung der Dicke desselben sichergestellt werden. Es ist bevorzugt, dass der Trägerrahmen 6 zur Erhöhung von dessen Steifigkeit aus verschiedenen Metallarten besteht und für eine hohe Vibrationsbeständigkeit durch einen Laser-Schweißvorgang, durch Verstemmen oder dergleichen an der Metall-Basisplatte 4 befestigt wird.
  • 1 zeigt ein Beispiel, bei dem die Fläche, die der Fläche der Metall-Basisplatte 4 gegenüberliegt, auf der die isolierende Schicht 3 angeordnet ist, eine ähnliche Abmessung wie die Öffnung 61 des Trägerrahmens 6 aufweist und in dieser angebracht ist. Stattdessen kann jedoch auch ein Zwischenraum oder ein Verbindungsmaterial, wie beispielsweise ein Lot, zwischen dem Trägerrahmen 6 und der Metall-Basisplatte 4 angeordnet sein.
  • Ferner zeigt 1 ein Beispiel, bei dem es sich bei dem Trägerrahmen 6 um eine einzelne Platte mit der Öffnung 61 handelt, die eine in der Mitte angeordnete Öffnung ist. Stattdessen kann der Trägerrahmen 6 jedoch auch aus einer Mehrzahl von Platten bestehen, die in einer derartigen Weise angeordnet sind, dass die Öffnung 61 in der Mitte angeordnet ist.
  • 3 ist eine schematische Abbildung, die einen vergrößerten Bereich des Wärmeabführungselements der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. 3(a) zeigt die Rippen des Wärmeabführungselements, deren Flächen übereinanderliegen, und 3(b) zeigt die Rippen des Wärmeabführungselements, wobei ein Abstand zwischen deren Flächen verbreitert ist. Wie in 3 gezeigt, wird das Wärmeabführungselement 7 zum Beispiel durch mehrmaliges Falten einer einzelnen dünnen Metallplatte gebildet, so dass mehrere Rippen 7a vorliegen.
  • Jede der Rippen 7a ist so abgewinkelt, dass sie einander gegenüberliegende Flächen 71 aufweist, und weist ein Ende 72 auf, bei dem es sich um einen herumgefalteten Bereich handelt. Wenn auf die Rippen 7a jeweils eine externe Kraft angewendet wird, dehnen sich diese aus und ziehen sich zusammen wie eine Feder, wobei sie sich von dem Zustand in 3(a), in dem die Flächen 71 einander gegenüberliegen, wobei ihre Flächen übereinanderliegen, in den Zustand verformen, in dem der Abstand zwischen den Flächen 71 verbreitert ist, wie in 3(b) gezeigt.
  • Wenn der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen 71 in den Rippen 7a verbreitert wird, so wird die Kontaktfläche zwischen dem Wärmeabführungselement 7 und der Metall-Basisplatte 4 und zwischen dem Wärmeabführungselement 7 und dem Trägerrahmen 6 reduziert, und der Wärmetransfer ist nicht effizient. Wie in 3(a) gezeigt, sind die Rippen 7a daher so gefaltet, dass sie in einer derartigen Weise übereinanderliegen, dass sich die einander gegenüberliegenden Flächen 71 entlang der Richtung senkrecht zu der Fläche befinden, mit deren Oberfläche die Metall-Basisplatte 4 verbunden ist.
  • Das Wärmeabführungselement 7 weist ebene Bereiche 7b jeweils zwischen den zueinander benachbarten Rippen 7a ebenso wie an beiden Enden in der Anordnungsrichtung der Rippen 7a auf, wobei die ebenen Bereiche 7b parallel zu der Metall-Basisplatte 4 und dem Trägerrahmen 6 sind. Das Wärmeabführungselement 7 ist an jedem ebenen Bereich 7b mittels eines Laser-Schweißvorgangs oder dergleichen entweder mit der Metall-Basis-Platte 4 oder dem Trägerrahmen 6 verbunden.
  • Das Wärmeabführungselement 7, das mehrere Rippen 7a aufweist, die durch Falten der Metallplatte in dieser Weise gebildet werden, ist durch dessen geringes Gewicht und geringe Wärmekapazität charakterisiert, und zwar im Vergleich mit einem Wärmeabführungselement, das durch integrales Formen einer Basisplatte und von Rippen durch Gießen hergestellt wird, und mit einem Wärmeabführungselement, das durch Verbinden mehrerer Rippen mit einer Basisplatte durch Verstemmen etc. hergestellt wird.
  • Daher kann leicht ein thermisches Verbinden durchgeführt werden, wie beispielsweise ein Schweißen, um das Wärmeabführungselement 7 mit der Metall-Basisplatte 4 und dem Trägerrahmen 6 zu verbinden. Hierbei besteht das Wärmeabführungselement 7 bevorzugt aus einem Metall der gleichen Art wie jener der Metall-Basisplatte 4 und des Trägerrahmens 6. Dadurch wird bei einem Verbinden mittels eines Schweißvorgangs ein Verbinden ohne übermäßiges Schmelzen von einem der Metalle ermöglicht.
  • 4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. 4 ist eine Abbildung, in der die Halbleitervorrichtung von 1 umgedreht worden ist, so dass das Wärmeabführungselement auf der oberen Seite gezeigt ist. Wie in 4 gezeigt, ist das Wärmeabführungselement 7 an einer Mehrzahl von Verbindungspunkten P mit der Metall-Basisplatte 4 und dem Leiterrahmen 6 verbunden.
  • Das Wärmeabführungselement 7 wird zum Beispiel bevorzugt mittels eines Schweißvorgangs mit der Metall-Basisplatte 4 und dem Trägerrahmen 6 verbunden. Bei einem Schweißvorgang werden die Metalle ohne ein Verbindungsmaterial, wie beispielsweise Fett, direkt miteinander verbunden, so dass es möglich ist, eine Erhöhung des thermischen Widerstands aufgrund des Verbindungsmaterials zu verhindern.
  • Die ebenen Bereiche 7b des Wärmeabführungselements 7 sind bevorzugt dünner als die Metall-Basisplatte 4 und der Trägerrahmen 6, mit denen das Wärmeabführungselement 7 zu verbinden ist. Wenn das Wärmeabführungselement 7 zum Beispiel mittels eines Laser-Schweißvorgangs mit der Metall-Basisplatte 4 verbunden wird, kann die Laser-Bestrahlungszeit verlängert werden, oder es kann die Laser-Ausgangsleistung erhöht werden, um den Schmelzbereich des Wärmeabführungselements 7 und der Metall-Basisplatte 4 zu erweitern.
  • In diesem Fall kann jedoch die übermäßige Wärme, die zu der Metall-Basisplatte 4 transferiert wird, die Isolierung der isolierenden Schicht 3 verschlechtern. Wird das Wärmeabführungselement 7 dünner als die Metall-Basisplatte 4 und der Trägerrahmen 6 gebildet, kann ein Schweißvorgang ohne Einwirkung einer übermäßigen Wärme durchgeführt werden.
  • Die Wärmeabführung des Wärmeabführungselements 7 wird gemäß einer Vergrößerung der Anzahl der Rippen 7a und der Gesamtabmessung des Wärmeabführungselements 7 verbessert. Die Metall-Basisplatte 4 muss jedoch integral mit der Halbleitereinheit 1 und anderen Komponenten abgedichtet werden, wenn das abdichtende Element 5 gebildet wird, so dass die Abmessung der Metall-Basisplatte 4 auf natürliche Weise durch den für das Formen verwendeten Formkörper begrenzt ist. Daher ist die Breite des Wärmeabführungselements 7 in einer Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung 100 von der Seite aus, mit der die Halbleitereinheit 1 verbunden ist, größer als die Breite der Metall-Basisplatte 4.
  • Wenn lediglich die Metall-Basisplatte 4 und das Wärmeabführungselement 7 verbunden sind, verursacht eine in den Zwischenraum zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen 71 in den Rippen 7a eingebrachte Kühlluft in diesem Fall in einem Bereich des Wärmeabführungselements 7, der aus der Oberfläche der Metall-Basisplatte 4 hervorragt, eine Verbreiterung des Abstands zwischen den Flächen 71, und somit können die Reduzierung der Verbindungsfestigkeit und die Verschlechterung der Wärmeabführung Anlass zur Sorge sein.
  • Hierbei handelt es sich bei der Breite um die Länge in entweder der Breitenrichtung (der Richtung der Y-Achse) oder der Tiefenrichtung (der Richtung der X-Achse) der Halbleitervorrichtung 100 in 1. Es ist anzumerken, dass die Breite des Wärmeabführungselements 7 größer als die Breite der Metall-Basisplatte 4 in der gleichen Richtung in zumindest einer von der Anordnungsrichtung (der Richtung der Y-Achse) der Rippen 7a des Wärmeabführungselements 7 und der Richtung (der Richtung der X-Achse) senkrecht zu der Anordnungsrichtung ist.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der freiliegende Bereich der Metall-Basisplatte 4 in der Öffnung 61 des Trägerrahmens 6 eingefügt und befestigt. Das Wärmeabführungselement 7 ist sowohl mit dem in die Öffnung 61 eingefügten freiliegenden Bereich der Metall-Basisplatte 4 als auch mit dem Trägerrahmen 6 verbunden, so dass dadurch das Wärmeabführungselement 7 gefaltet gehalten wird und eine Verringerung der Verbindungsfestigkeit und eine Verschlechterung der Wärmeabführung verhindert werden.
  • Es ist bevorzugt, dass der Trägerrahmen 6 ohne einen direkten Kontakt mit dem abdichtenden Element 5 angeordnet ist. Der Pfeil K in 1 zeigt den Kriech-Abstand zur Isolierung von dem Leiterrahmen 2 zu der Metall-Basisplatte 4 an. Wenn sich der Trägerrahmen 6, der elektrisch leitfähig ist, in Kontakt mit dem abdichtenden Element 5 befindet, verläuft der Kriech-Abstand zur Isolierung von dem Leiterrahmen 2, der aus der Seite des abdichtenden Elements 5 hervorsteht, zu der Metall-Basisplatte 4 von dem Leiterrahmen 2 zu dem Trägerrahmen 6 entlang des abdichtenden Elements 5, da der Trägerrahmen 6 elektrisch leitend mit der Metall-Basisplatte 4 verbunden ist.
  • Wenn der Trägerrahmen 6 ohne direkten Kontakt mit dem abdichtenden Element 5 angeordnet wird, kann der Kriech-Abstand zur Isolierung von dem Leiterrahmen 2, der aus der Seite des abdichtenden Elements 5 hervorsteht, zu der Metall-Basisplatte 4 vergrößert werden, so dass dadurch die Isolierung sichergestellt wird.
  • 5 ist eine schematische Abbildung einer Konfiguration, welche die an einem externen Gehäuse angebrachte Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 5 gezeigt, ist der Trägerrahmen 6 in der Halbleitervorrichtung 100 an dem externen Gehäuse 10 angebracht, das geerdet ist. In dem Trägerrahmen 6 sind Schraubenlöcher angeordnet, und die Halbleitervorrichtung 100 wird durch Anziehen von Schrauben 11 in den Schraubenlöchern des Trägerrahmens 6 an dem externen Gehäuse 10 befestigt.
  • Die Metall-Basisplatte 4, der Trägerrahmen 6, das Wärmeabführungselement 7 und die Schrauben 11 sind sämtlich aus elektrisch leitfähigen Materialien gebildet, wie beispielsweise aus Metall, so dass das Anbringen des Trägerrahmens 6 an dem externen Gehäuse 10 durch Anziehen der Schrauben den Trägerrahmen 6, die Metall-Basisplatte 4 und das Wärmeabführungselement 7 elektrisch miteinander verbindet, so dass dadurch ein stabiles Massepotential geliefert wird.
  • Als Nächstes wird jeder Bereich der Halbleitervorrichtung 100 im Detail beschrieben.
  • Bei der Halbleitereinheit 1 handelt es sich um eine Einheit, wie beispielsweise eine Diode, die in einer Wandlereinheit zum Umwandeln einer eingegebenen AC-Leistung in eine DC-Leistung verwendet wird, einen Bipolartransistor, der in einer Wechselrichtereinheit zum Umwandeln einer eingegebenen DC-Leistung in eine AC-Leistung verwendet wird, einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) sowie einen abschaltbaren Thyristor (GTO-Thyristor).
  • Bei dem Leiterrahmen 2 handelt es sich um eine Verdrahtungsschaltung mit einer vorgegebenen Form, die zum Beispiel durch Stanzen einer Kupfer-Platte oder einer Stahlplatte mit einer Dicke von etwa 0,6 mm gebildet wird. Wie in 1 gezeigt, weist der Leiterrahmen 2 einen Stufenbereich 2a auf, der so abgewinkelt ist, dass er von der isolierenden Schicht 3 getrennt ist, und das abdichtende Element 5 wird zwischen den Stufenbereich 2a und die isolierende Schicht 3 eingebracht. Der so gebildete Stufenbereich 2a des Leiterrahmens 2 verhindert einen dielektrischen Durchbruch, der entlang der Grenzschicht zwischen der isolierenden Schicht 3 und dem abdichtenden Element 5 möglicherweise auftritt.
  • Der Stufenbereich 2a des Leiterrahmens 2 wird zum Beispiel durch Abwinkeln oder Stanzen gebildet. Die Anhebung des Stufenbereichs 2a des Leiterrahmens 2 beträgt zum Beispiel zwischen 0,1 mm und der Hälfte der Dicke des Leiterrahmens 2, die gleich 0,3 mm ist. Die Anhebung von 0,1 mm oder mehr verhindert die Bildung eines Hohlraums in dem abdichtenden Element 5, das zwischen der isolierenden Schicht 3 und dem Leiterrahmen 2 eingebracht ist. Die Anhebung von 0,3 mm oder weniger, die gleich der Hälfte der Dicke des Leiterrahmens 2 oder geringer ist, stellt die Festigkeit des Rahmens sicher.
  • Die isolierende Schicht 3, die aus einem isolierenden Material mit einer hohen Wärmeabführung gebildet ist, isoliert den Leiterrahmen 2 von der Metall-Basisplatte 4. Die in der Halbleitereinheit 1 erzeugte Wärme wird über die isolierende Schicht 3 zu der Metall-Basisplatte 4 abgeführt. Die isolierende Schicht 3 ist aus einem wärmehärtenden Harz gebildet, wie beispielsweise aus Epoxid-Harz, in das ein Füllmaterial mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit gemischt ist, wie beispielsweise Silica, Aluminiumoxid und Bornitrid.
  • Das abdichtende Element 5 wird zum Beispiel mittels eines Transfer-Formvorgangs unter Verwendung eines Formkörpers bei einer hohen Temperatur aus einem wärmehärtenden Harz gebildet, wie beispielsweise aus Epoxid-Harz. Alternativ können Spritzgießen, Formpressen und dergleichen eingesetzt werden.
  • Als Nächstes wird das Herstellungsverfahren für die Halbleitervorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 6 ist ein Flussdiagramm, das einen Herstellungsprozess für die Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Bei dem Schritt zum Verbinden der Halbleitereinheit 1 wird die Verbindungsschicht 8, wie beispielsweise ein Lot, an einer vorgegebenen Position auf dem Leiterrahmen 2 aufgebracht, und die Halbleitereinheit 1 wird in einem Reflow-Prozess oder dergleichen mit der Oberfläche der Verbindungsschicht 8 verbunden. Das heißt, das aufgebrachte Lot schmilzt bei einer hohen Temperatur, und die Halbleitereinheit 1 und der Leiterrahmen 2 werden elektrisch verbunden. Als Nächstes werden die Halbleitereinheit 1 und der Leiterrahmen 2 mittels der Drähte 9 elektrisch verbunden. Hierbei werden die Drähte 9 für die elektrische Verbindung verwendet, das Mittel für die Verbindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, solange sie elektrisch verbunden werden können.
  • Als Nächstes werden die Halbleitereinheit 1, der Leiterrahmen 2, die isolierende Schicht 3 und die Metall-Basisplatte 4 in einem Schritt zum Abdichten mit einem Harz abgedichtet, wie zum Beispiel mittels eines Transfer-Formvorgangs. Die Metall-Basisplatte 4 wird in dem Formkörper angeordnet, und die isolierende Schicht 3 wird in einem halb ausgehärteten Zustand auf der Metall-Basisplatte 4 gestapelt. Dann wird der Leiterrahmen 2, mit dessen Oberfläche die Halbleitereinheit 1 verbunden ist, auf der isolierenden Schicht 3 angeordnet.
  • Als Nächstes wird ein Material für das abdichtende Element 5 mittels eines Geräts für den Transfer-Formvorgang in den Formkörper eingebracht. In diesem Schritt werden die Komponenten, die auf der Metall-Basisplatte 4 angeordnet sind, durch das abdichtende Element 5 abgedichtet. Insbesondere dichtet das abdichtende Element 5 die Halbleitereinheit 1, einen Bereich des Leiterrahmens 2, die isolierende Schicht 3 sowie einen Bereich der Metall-Basisplatte 4 ab.
  • In dem Schritt zum Abdichten wird aufgrund des Harz-Fülldrucks und der Harz-Temperatur in dem Formkörper nicht nur das Harz ausgehärtet, um das abdichtende Element 5 zu bilden, sondern auch die isolierende Schicht 3, die sich in einem halb ausgehärteten Zustand befindet, in einen ausgehärteten Zustand versetzt, während sie über den Leiterrahmen 2 gegen die Metall-Basisplatte 4 gepresst wird. Dadurch werden die Isolierung und die Wärmeabführung der isolierenden Schicht 3 verbessert.
  • Bei dem Schritt zum Abdichten ist es bevorzugt, die Aushärtungszeit für das Harz, das für das abdichtende Element 5 verwendet wird, an die Aushärtungszeit für die isolierende Schicht 3 von ihrem halb ausgehärteten Zustand aus anzupassen. Wenn die Aushärtungszeit für das Harz, das für das abdichtende Element 5 verwendet wird, länger als die Aushärtungszeit für die isolierende Schicht 3 von ihrem halb ausgehärteten Zustand aus ist, kann die früher ausgehärtete isolierende Schicht 3 zu einer Verschlechterung der Verbindung zwischen dem Leiterrahmen 2 und der isolierenden Schicht 3 führen, so dass dadurch die Wärmeabführung und die Isolierung der Halbleitervorrichtung 100 reduziert werden.
  • Wenn das abdichtende Element 5 nach dem Schritt zum Abdichten ausgehärtet ist, wird die Halbleitervorrichtung 100 aus dem Formkörper entnommen, und bei jeder Komponente wird die erforderliche Plattierung aufgebracht. Zum Beispiel wird die aus der Seite des abdichtenden Elements 5 herausragende Oberfläche des Leiterrahmens 2 plattiert, um einen Anschluss zu bilden. Dieser Prozess kann weggelassen werden, wenn diese im Voraus plattiert wird.
  • Als Nächstes wird der Schritt zum Verbinden des Wärmeabführungselements 7 durchgeführt. Der freiliegende Bereich der Metall-Basisplatte 4, der in Bezug auf das abdichtende Element 5 freiliegt, wird in die Öffnung 61 des Trägerrahmens 6 eingefügt und in dieser befestigt. Als Nächstes wird das Wärmeabführungselement 7 sowohl mit dem Teil des freiliegenden Bereichs der Metall-Basisplatte 4, der in die Öffnung 61 eingefügt worden ist, als auch mit dem Trägerrahmen 6 verbunden. Hierbei handelt es sich bei dem Verbindungsverfahren zum Beispiel um einen Schweiß-Prozess, und das Verbinden wird mittels einer Bestrahlung mit Laserlicht durch lokales Schmelzen bewerkstelligt.
  • Ein direktes Schweißen von Metallen ohne Aufbringen eines Verbindungsmaterials, wie beispielsweise von Fett, eines Haftmittels und eines Lots wird zwischen dem Wärmeabführungselement 7 und der Metall-Basisplatte 4 ebenso wie zwischen dem Wärmeabführungselement 7 und dem Trägerrahmen 6 durchgeführt; dadurch wird eine Erhöhung des thermischen Widerstands verhindert, die durch ein derartiges Verbindungsmaterial verursacht wird.
  • Da jeder Abstand oder jede Lücke zwischen dem Wärmeabführungselement 7 und der Metall-Basisplatte 4 die Wärmeabführung reduziert, weist jeder der ebenen Bereiche 7b des Wärmeabführungselements 7 zumindest einen Verbindungspunkt P auf, um frei von einem derartigen Abstand oder einer derartigen Lücke und mit der Metall-Basisplatte 4 verbunden zu sein. Ferner werden der Trägerrahmen 6 und die Metall-Basisplatte 4 bevorzugt durch Schweißen, Verstemmen oder dergleichen aneinander befestigt, so dass dadurch die Vibrationsbeständigkeit verbessert wird.
  • Mit diesen erfolgten Schritten kann die in 1 gezeigte Halbleitervorrichtung 100 erhalten werden. Einige dieser Schritte können in der Reihenfolge vertauscht oder weggelassen werden. Danach wird die Halbleitervorrichtung 100 an dem externen Gehäuse 10 angebracht. Insbesondere wird die Halbleitervorrichtung 100 durch Anziehen der Schrauben 11 in den Schraubenlöchern, die in dem Trägerrahmen 6 angeordnet sind, an dem externen Gehäuse 10 befestigt.
  • Wie bisher beschrieben, weist die Halbleitervorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform Folgendes auf: die Halbleitereinheit 1, den Leiterrahmen 2, die isolierende Schicht 3 sowie die Metall-Basisplatte 4, die mittels des abdichtenden Elements 5 abgedichtet sind, den Trägerrahmen 6 mit der Öffnung 61, in die der freiliegende Bereich der Metall-Basisplatte 4 eingefügt ist, der in Bezug auf das abdichtende Element 5 freiliegt, sowie das Wärmeabführungselement 7, das die mehreren Rippen 7a aufweist, die durch Falten einer Metallplatte gebildet werden, und das sowohl mit dem in die Öffnung 61 eingefügten freiliegenden Bereich der Metall-Basisplatte 4 als auch mit dem Trägerrahmen 6 verbunden ist.
  • Auch wenn das Wärmeabführungselement 7 breiter als die Metall-Basisplatte 4 ist, wird eine Verbreiterung jeder Rippe 7a vermieden, um die gefaltete Form aufrechtzuerhalten, so dass dadurch die geforderte Wärmeabführung sichergestellt wird. Darüber hinaus ermöglicht das Herstellungsverfahren für die Halbleitervorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, dass die Halbleitervorrichtung 100 durch einfache Schritte erhalten wird.
  • Ausführungsform 2
  • Im Folgenden werden die bei der Ausführungsform 1 angegebenen Erläuterungen nicht wiederholt, und der Fokus wird auf die andersartigen Aspekte gelegt. 7 ist eine schematische Abbildung der Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Eine Halbleitervorrichtung 101 weist Folgendes auf: die Halbleitereinheit 1, den Leiterrahmen 2, die isolierende Schicht 3, eine Metall-Basisplatte 4, das abdichtende Element 5, den Trägerrahmen 6 sowie das Wärmeabführungselement 7. Das Wärmeabführungselement 7 weist die mehreren Rippen 7a auf, die durch Falten einer Metallplatte gebildet werden, und ist sowohl mit der Metall-Basisplatte 4 als auch dem Trägerrahmen 6 verbunden.
  • 8 ist eine schematische Abbildung, die einen vergrößerten Bereich der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei der Bereich in 7 durch die gestrichelte Linie A eingekreist ist. 9 ist eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration der Metall-Basisplatte der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In 9 wird die Metall-Basisplatte von einer Position auf der Seite aus betrachtet, auf der das Wärmeabführungselement angebracht ist. Wie in den 8 und 9 gezeigt, ist die äußere Peripherie der Metall-Basisplatte 4 mit Stufen in einer derartigen Weise ausgebildet, dass die mit der isolierenden Schicht 3 versehene Fläche 4a entlang der Seiten von der mit der isolierenden Schicht 3 versehenen Fläche 4a bis zu der mit dem Wärmeabführungselement 7 zu verbindenden Fläche 4b größer als die mit dem Wärmeabführungselement 7 zu verbindenden Fläche 4b ist.
  • Die Metall-Basisplatte 4 weist zwei Stufenflächen zwischen der mit der isolierenden Schicht 3 versehenen Fläche 4a und der mit dem Wärmeabführungselement 7 zu verbindenden Fläche 4b auf, wobei jede der Stufenflächen parallel zu den Flächen 4a und 4b ist. Die Stufenfläche, die sich in der Dickenrichtung näher bei der mit der isolierenden Schicht 3 versehenen Fläche 4a befindet, wird als erste Stufenfläche 4c bezeichnet; und die von dieser entfernte Stufenfläche wird als zweite Stufenfläche 4d bezeichnet.
  • 10 ist eine schematische Abbildung, die einen Herstellungsprozess für die Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 10 gezeigt, handelt es sich bei der ersten Stufenfläche 4c um eine Fläche, die in einem Bereich der Metall-Basisplatte ausgebildet ist, mit dem sich der Formkörper 12 in Kontakt befindet, wenn das abdichtende Element 5 durch das Transfer-Formverfahren oder dergleichen gebildet wird.
  • Da die erste Stufenfläche 4c so angeordnet ist, dass sie sich in Kontakt mit dem Formkörper 12 befindet, wie vorstehend beschrieben, wird verhindert, dass das Material für das abdichtende Element 5 auf die Fläche 4b der Metall-Basisplatte 4 strömt, die sich in Kontakt mit dem Wärmeabführungselement 7 befinden soll. 10 zeigt nur den unteren Formkörper, wobei der obere Formkörper weggelassen ist. Alternativ kann der obere Formkörper jedoch so angeordnet sein, dass er sich in Kontakt mit der ersten Stufenfläche 4c befindet.
  • Die zweite Stufenfläche 4d befindet sich lateral außerhalb der Öffnung 61 des Trägerrahmens 6, befindet sich nicht in Kontakt mit dem abdichtenden Element 5, befindet sich jedoch in Kontakt mit einer Fläche 6a, die einer Fläche 6b des Trägerrahmens 6 gegenüberliegt, wobei die Fläche 6b mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden ist, so dass sie dahingehend fungiert, die Metall-Basisplatte 4 zu befestigen. Die Metall-Basisplatte 4 mit der ersten Stufenfläche 4c und der zweiten Stufenfläche 4d, die an dieser ausgebildet sind, wie vorstehend beschrieben, verhindert einen physischen Kontakt des abdichtenden Elements 5 mit dem Trägerrahmen 6.
  • Hierbei ist beispielhaft eine Konfiguration mit zwei Stufenflächen aufgezeigt, es können jedoch mehr als zwei Stufenflächen vorhanden sein.
  • Der Pfeil K in 8 zeigt den Kriech-Abstand zur Isolierung von dem Leiterrahmen 2 bis zu der Metall-Basisplatte 4. Wenn sich der Trägerrahmen 6, der elektrisch leitfähig ist, in Kontakt mit dem abdichtenden Element 5 befindet, wird der Kriech-Abstand zur Isolierung von dem Leiterrahmen 2, der aus der Seite des abdichtenden Elements 5 herausragt, bis zu der Metall-Basisplatte 4 verkürzt, da der Trägerrahmen 6 elektrisch leitend mit der Metall-Basisplatte 4 verbunden ist, was die Isolierung verschlechtern kann und letztendlich zu einer Vergrößerung der Packungsabmessung der Vorrichtung führen kann.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform vergrößert der physische Abstand zwischen dem Trägerrahmen 6 und dem abdichtenden Element 5, der durch die erste Stufenfläche 4c und die zweite Stufenfläche 4d geliefert wird, die in der Metall-Basisplatte 4 ausgebildet sind, den Kriech-Abstand zur Isolierung von dem Leiterrahmen 2, der aus der Seite des abdichtenden Elements 5 herausragt, bis zu der Metall-Basisplatte 4, so dass dadurch die Isolierung sichergestellt wird.
  • Die Höhe von der zweiten Stufenfläche 4d der Metall-Basisplatte 4 zu der Fläche 4b derselben, die sich in Kontakt mit dem Wärmeabführungselement 7 befindet, ist so ausgelegt, dass sie im Wesentlichen gleich der Dicke des Trägerrahmens 6 ist. Das heißt, die Fläche 4b der Metall-Basisplatte 4, die sich in Kontakt mit dem Wärmeabführungselement 7 befindet, und die Fläche 6b des Trägerrahmens 6, mit der das Wärmeabführungselement 7 verbunden ist, sind bündig zueinander gestaltet, so dass die Zuverlässigkeit der Verbindung mit dem Wärmeabführungselement 7 sichergestellt wird.
  • Hierbei muss die erste Stufenfläche 4c auf der gesamten Peripherie der Metall-Basisplatte 4 angeordnet sein, um zu verhindern, dass das Material für das abdichtende Element 5 hereinströmt, die zweite Stufenfläche 4d muss jedoch nur bis zu dem Maß angeordnet sein, dass die Metall-Basisplatte 4 von dem Trägerrahmen 6 getragen wird, und es ist möglich, dass sie nur an den vier Ecken der Metall-Basisplatte 4 ausgebildet ist.
  • Auch wenn das Wärmeabführungselement 7, bei dem Rippen 7a durch Falten gebildet werden und das eine größere Breite als die Metall-Basisplatte 4 aufweist, wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, kann die gefaltete Form von jeder der Rippen 7a aufrechterhalten werden, und es kann die Wärmeabführung sichergestellt werden, indem die Metall-Basisplatte 4 in den Trägerrahmen 6 mit der ausgebildeten Öffnung 61 eingefügt und das Wärmeabführungselement 7 sowohl mit der Metall-Basisplatte 4 als auch dem Trägerrahmen 6 verbunden wird. Ferner ist die Metall-Basisplatte 4 bei der vorliegenden Ausführungsform mit den zwei Stufenflächen 4c und 4d versehen.
  • Diese Konfiguration ermöglicht eine Anordnung des Trägerrahmens 6 derart, dass er nicht in direkten Kontakt mit dem abdichtenden Element 5 kommt, während verhindert wird, dass sich das Material für das abdichtende Element 5 während des Formvorgangs um die Seite 4b der Metall-Basisplatte 4 herum wickelt, die mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden werden soll, so dass dadurch die Isolierung sichergestellt wird.
  • Ausführungsform 3
  • Im Folgenden werden die bei den Ausführungsformen 1 oder 2 gegebenen Erläuterungen nicht wiederholt, um den Fokus auf andersartige Aspekte zu legen.
  • Eine Halbleitervorrichtung 102 weist Folgendes auf: die Halbleitereinheit 1, den Leiterrahmen 2, die isolierende Schicht 3, eine Metall-Basisplatte 4, das abdichtende Element 5, einen Trägerrahmen 6 sowie das Wärmeabführungselement 7. Das Wärmeabführungselement 7 weist die mehreren Rippen 7a auf, die durch Falten einer Metallplatte gebildet werden, und ist sowohl mit der Metall-Basisplatte 4 als auch dem Trägerrahmen 6 verbunden.
  • 11 ist eine schematische Abbildung einer Konfiguration des Trägerrahmens der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Wie in 11 gezeigt, ist der Trägerrahmen 6 zum Beispiel mit vier Öffnungen 61 versehen.
  • 12 ist eine Draufsicht, die eine schematische Konfiguration der Metall-Basisplatte 4 der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 12 ist eine Draufsicht auf die Metall-Basisplatte 4 von der Seite aus, an der das Wärmeabführungselement 7 angebracht ist. Wie in 12 gezeigt, weist die Fläche an der Metall-Basisplatte 4, die der Fläche 4a gegenüberliegt, auf der die isolierende Schicht 3 angeordnet werden soll, eine Mehrzahl von Vorsprüngen 41 auf, die in Richtung zu der Seite des Wärmeabführungselements 7 hin hervorstehen. Die Mehrzahl der Vorsprünge 41 ist in die Öffnungen 61 des Trägerrahmens 6 eingefügt, der mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden werden soll.
  • Die Vorsprünge 41 sind so ausgebildet, dass ihre Höhe mit der Dicke des Trägerrahmens 6 übereinstimmt, und die Flächen 4e der Vorsprünge 41, die mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden werden sollen, und die Fläche 6b des Trägerrahmens 6, die mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden werden soll, werden bündig zueinander gestaltet. Das Wärmeabführungselement 7 wird mittels eines Laser-Schweißvorgangs oder dergleichen sowohl mit der Metall-Basisplatte 4 als auch mit dem Trägerrahmen 6 verbunden.
  • Von den Flächen an der Metallplatte 4, die der Fläche 4a gegenüberliegen, auf der die isolierende Schicht 3 angeordnet ist, ist die Fläche 4f, die sich um die Vorsprünge 41 herum befindet, so angeordnet, dass sie sich in Kontakt mit der Fläche 6a befindet, die der Fläche 6b an dem Trägerrahmen 6 gegenüberliegt, die mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden werden soll. Der Trägerrahmen 6 mit der Mehrzahl der Öffnungen 61, die so konfiguriert sind, wie vorstehend beschrieben, weist eine größere Kontaktfläche mit der Metall-Basisplatte 4 auf, so dass dadurch die Vibrationsbeständigkeit verbessert wird.
  • Es ist bevorzugt, dass die Metall-Basisplatte 4 zumindest eine Stufenfläche 4c aufweist, die an der Peripherie ausgebildet ist, so dass die Fläche derselben auf der Seite der isolierenden Schicht 3 in der Breitenrichtung breiter als die Fläche derselben auf der Seite des Wärmeabführungselements 7 ist. Die Stufenfläche 4c ist so angeordnet, dass sie sich bei der Durchführung des Formvorgangs mit dem Material für das abdichtende Element 5 in Kontakt mit dem Formkörper 12 befindet. Im Ergebnis wird das abdichtende Element 5 so gebildet, dass es nicht direkt in Kontakt mit dem Trägerrahmen 6 kommt.
  • Bei dem vorstehenden Beispiel weist der Trägerrahmen 6 vier der Öffnungen 61 auf, und dementsprechend ist die Metall-Basisplatte 4 mit vier der Flächen 4e in Kontakt mit dem Wärmeabführungselement 7 versehen. Die Anzahl der Öffnungen 61 ist jedoch nicht auf vier beschränkt, sondern kann gleich zwei, drei oder größer als vier sein.
  • Auch wenn das Wärmeabführungselement 7, bei dem die mehreren Rippen 7a durch Falten einer Metallplatte gebildet werden und das eine größere Breite als die Metall-Basisplatte 4 aufweist, wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, kann die gefaltete Form aufrechterhalten werden, und es kann die Wärmeabführung sichergestellt werden, indem die Metall-Basisplatte 4 in den Trägerrahmen 6 mit der ausgebildeten Öffnung 61 eingefügt und das Wärmeabführungselement 7 sowohl mit der Metall-Basisplatte 4 als auch dem Trägerrahmen 6 verbunden wird.
  • Ferner ist der Trägerrahmen 6 bei der vorliegenden Ausführungsform mit einer Mehrzahl der Öffnungen 61 versehen, und die Metall-Basisplatte 4 weist die Vorsprünge 41 auf, die jeweils in die jeweiligen vier Öffnungen 61 des Trägerrahmens 6 in dem in Bezug auf das abdichtende Element 5 freiliegenden Bereich eingefügt sind. Durch diese Konfiguration wird die Kontaktfläche zwischen der Metall-Basisplatte 4 und dem Trägerrahmen 6 vergrößert, so dass dadurch die Vibrationsbeständigkeit verbessert wird.
  • Ausführungsform 4
  • 13 ist eine Querschnittsabbildung, die eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Folgenden werden die bei den Ausführungsformen 1 bis 3 angegebenen Erläuterungen nicht wiederholt, um den Fokus auf die andersartigen Aspekte zu legen. Bei der Ausführungsform 2 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die zweite Stufenfläche 4d in der Metall-Basisplatte 4 angeordnet ist, während die Metall-Basisplatte 4 und die Öffnung 61 des Trägerrahmens 6 zur Befestigung der Metall-Basisplatte 4 und des Trägerrahmens 6 bei der vorliegenden Ausführungsform konisch sind.
  • Eine Halbleitervorrichtung 103 weist Folgendes auf: die Halbleitereinheit 1, den Leiterrahmen 2, die isolierende Schicht 3, eine Metall-Basisplatte 4, das abdichtende Element 5, einen Trägerrahmen 6 sowie das Wärmeabführungselement 7. Das Wärmeabführungselement 7 weist die mehreren Rippen 7a auf, die durch Falten einer Metallplatte gebildet werden, und ist sowohl mit der Metall-Basisplatte 4 als auch dem Trägerrahmen 6 verbunden.
  • Wie in 13 gezeigt, weist die Öffnung 61 des Trägerrahmens 6 eine konische Form auf, die derart geneigt ist, dass die Öffnungsbreite auf der Seite der isolierenden Schicht 3 größer ist. Die Metall-Basisplatte 4 weist eine konische Form derart auf, dass die Fläche 4a, auf der die isolierende Schicht 3 angeordnet ist, breiter als die Fläche 4b ist, die mit dem Wärmeabführungselement 7 verbunden werden soll. Wenn die Metall-Basisplatte 4 in die Öffnung 61 des Trägerrahmens 6 eingefügt wird, so wird der Trägerrahmen 6 in der Mitte des Konus an der Metall-Basisplatte 4 befestigt, wobei er von dem abdichtenden Element 5 physisch getrennt ist.
  • Auch wenn das Wärmeabführungselement 7, bei dem Rippen 7a durch Falten einer Metallplatte gebildet werden und das eine größere Breite als die Metall-Basisplatte 4 aufweist, wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, kann die gefaltete Form von jeder der Rippen 7a aufrechterhalten werden, und es kann die Wärmeabführung sichergestellt werden, indem die Metall-Basisplatte 4 in den Trägerrahmen 6 mit der ausgebildeten Öffnung 61 eingefügt und das Wärmeabführungselement 7 sowohl mit der Metall-Basisplatte 4 als auch dem Trägerrahmen 6 verbunden wird.
  • Ferner können bei der vorliegenden Ausführungsform der Trägerrahmen 6 und das abdichtende Element 5 getrennt voneinander befestigt werden, und der Kriech-Abstand zur Isolierung von dem Leiterrahmen 2 zu der Metall-Basisplatte 4 kann sichergestellt werden, indem die Außenfläche der Metall-Basisplatte 4 und die Innenfläche der Öffnung 61 des Trägerrahmens 6 konisch gestaltet werden.
  • Es ist anzumerken, dass bei den Ausführungsformen 1 bis 4 Beispiele gezeigt sind, bei denen das Wärmeabführungselement 7 aus einer einzelnen Metallplatte gebildet ist, es können jedoch auch mehrere Platten verwendet werden, zum Beispiel zwei oder mehr Platten. Die Verwendung mehrerer Metallplatten trägt zu einer Verbesserung der Steifigkeit der Vorrichtung bei.
  • Ausführungsform 5
  • Die vorliegende Ausführungsform zeigt die Verwendung der bei den Ausführungsformen 1 bis 4 beschriebenen Halbleitervorrichtung bei einem Leistungswandler. Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf einen speziellen Typ eines Leistungswandlers beschränkt. In der folgenden Beschreibung wird jedoch als Ausführungsform 5 ein Beispiel beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung bei einem Dreiphasen-Wechselrichter verwendet wird.
  • 14 ist ein Blockschaubild, das eine Konfiguration eines Leistungswandlungssystems zeigt, bei dem der Leistungswandler gemäß der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt wird.
  • Das Leistungswandlungssystem in 14 weist eine Stromversorgung 200, einen Leistungswandler 300 sowie eine Last 400 auf. Bei der Stromversorgung 200 handelt es sich um eine Gleichstromversorgung, die dem Leistungswandler 300 einen Gleichstrom zuführt. Die Stromversorgung 200 kann mit einer Vielzahl von Systemen konfiguriert sein; sie kann zum Beispiel mit einem Gleichstromsystem, einer Solarzelle, einer Speicherbatterie konfiguriert sein, oder sie kann mit einer Gleichrichterschaltung oder einem AC/DC-Wandler konfiguriert sein, der mit einem Wechselstromsystem verbunden ist. Ferner kann es sich bei der Stromversorgung 200 um einen DC/DC-Wandler handeln, der den von einem Gleichstromsystem abgegebenen Gleichstrom in einen vorgegebenen Gleichstrom umwandelt.
  • Der Leistungswandler 300, bei dem es sich um einen Dreiphasen-Wechselrichter handelt, der zwischen die Stromversorgung 200 und die Last 400 geschaltet ist, wandelt den von der Stromversorgung 200 zugeführten Gleichstrom in einen Wechselstrom um und führt den Wechselstrom der Last 400 zu. Wie in 14 gezeigt, weist der Leistungswandler 300 eine Hauptwandlerschaltung 301, die einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt, und eine Steuerschaltung 303 auf, die ein Steuersignal an die Hauptwandlerschaltung 301 ausgibt.
  • Bei der Last 400 handelt es sich um einen Dreiphasen-Elektromotor, der durch den von dem Leistungswandler 300 zugeführten Wechselstrom angetrieben wird. Bei der Last 400 handelt es sich um einen Elektromotor, der in der Anwendung nicht auf einen speziellen Zweck beschränkt ist, sondern bei einer breiten Vielfalt von elektrischen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden kann, wie beispielsweise in einem Hybrid-Fahrzeug, einem Elektrofahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Fahrstuhl und einer Klimaanlage.
  • Im Folgenden werden die Details des Leistungswandlers 300 beschrieben. Die Hauptwandlerschaltung 301 weist eine Schalteinheit sowie eine Reflux-Diode auf (beide nicht gezeigt). Die Hauptwandlerschaltung 301 wandelt den von der Stromversorgung 200 zugeführten Gleichstrom durch Schalten der Schalteinheit in einen Wechselstrom um und führt den Wechselstrom der Last 400 zu. Für die Hauptwandlerschaltung 301 gibt es eine Vielzahl von speziellen Schaltungskonfigurationen.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei der Hauptwandlerschaltung 301 um eine zweistufige Dreiphasen-Vollbrückenschaltung, die aus sechs Schalteinheiten und sechs Reflux-Dioden besteht, die zu ihrer entsprechenden Schalteinheit jeweils antiparallel geschaltet sind. Zumindest eine von den Schalteinheiten und den Reflux-Dioden der Hauptwandlerschaltung 301 weist die in einer der Ausführungsformen 1 bis 4 beschriebene Halbleitervorrichtung 302 auf.
  • Jeweils zwei der sechs Schalteinheiten sind in Reihe geschaltet und bilden obere und untere Zweige, und ein oberer und ein unterer Zweig bilden jeweils eine Phase (U-Phase, V-Phase und W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Die Ausgangsanschlüsse der oberen und unteren Zweige, das heißt, die drei Ausgangsanschlüsse der Hauptwandlerschaltung 301, sind jeweils mit der Last 400 verbunden.
  • Die Hauptwandlerschaltung 301 weist eine (nicht gezeigte) Treiberschaltung auf, welche die Schalteinheiten treibt. Die Treiberschaltung kann jedoch stattdessen innerhalb der Halbleitervorrichtung 302 oder getrennt von der Halbleitervorrichtung 302 angeordnet sein. Die Treiberschaltung erzeugt ein Treibersignal, das die jeweilige Schalteinheit der Hauptwandlerschaltung 301 treibt, und führt das Treibersignal der Steuerelektrode der jeweiligen Schalteinheit der Hauptwandlerschaltung 301 zu.
  • Insbesondere gibt die Treiberschaltung gemäß dem von einer (später beschriebenen) Steuerschaltung 303 empfangenen Steuersignal an die Steuerelektrode jeder Schalteinheit ein Treibersignal aus, das die Schalteinheit in einen EIN-Zustand versetzt, oder ein Treibersignal aus, das die Schalteinheit in einen AUS-Zustand versetzt. Wenn eine Schalteinheit jeweils in einem EIN-Zustand gehalten werden soll, wird dieser als Treibersignal ein Spannungssignal (ein EIN-Signal) zugeführt, das höher als die Schwellenspannung der Schalteinheit ist, während der Schalteinheit als Treibersignal ein Spannungssignal (ein AUS-Signal) zugeführt wird, das niedriger als die Schwellenspannung der Schalteinheit ist, wenn diese in einem AUS-Zustand gehalten werden soll.
  • Die Steuerschaltung 303 steuert die Schalteinheiten der Hauptwandlerschaltung 301 so, dass der Last 400 die gewünschte elektrische Leistung zugeführt wird. Insbesondere wird die Zeitspanne (die EIN-Zeitspanne), in der sich eine Schalteinheit der Hauptwandlerschaltung 301 jeweils in einem Ein-Zustand befinden soll, auf der Basis der elektrischen Leistung berechnet, die der Last 400 zuzuführen ist. Die Hauptwandlerschaltung 301 kann zum Beispiel mittels einer PWM-Steuerung gesteuert werden, bei der die EIN-Zeitspanne einer Schalteinheit gemäß der Spannung moduliert werden kann, die auszugeben ist.
  • Die Steuerschaltung 303 gibt die Steuersignale an die in der Hauptwandlerschaltung 301 enthaltene Treiberschaltung in einer derartigen Weise aus, dass zu jedem Zeitpunkt ein EIN-Signal an die jeweilige Schalteinheit ausgegeben wird, die sich im EIN-Zustand befinden soll, und ein AUS-Signal an die jeweilige Schalteinheit ausgegeben wird, die sich im AUS-Zustand befinden soll. Gemäß diesen Steuersignalen gibt die Treiberschaltung ein EIN-Signal oder ein AUS-Signal als Treibersignal an die Steuerelektrode von jeder der Schalteinheiten aus.
  • Bei dem Leistungswandler der vorliegenden Ausführungsform werden die Halbleitervorrichtungen 100 bis 103 gemäß den Ausführungsformen 1 bis 4 so eingesetzt, dass sie die Schaltelemente und die Reflux-Dioden der Hauptwandlerschaltung 301 bilden, so dass die Wärmeabführung sichergestellt werden kann.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Beispiel beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung bei einem zweistufigen Dreiphasen-Wechselrichter verwendet wird, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen beschränkt und kann bei verschiedenen Leistungswandlern verwendet werden. Anstelle des zweistufigen Leistungswandlers kann die vorliegende Erfindung auch bei einem mehrstufigen Leistungswandler mit drei Stufen oder mehr Stufen verwendet werden.
  • Ferner kann die vorliegende Erfindung auch bei einem Einphasen-Wechselrichter verwendet werden, wenn die Leistung einer einphasigen Last zugeführt wird. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung auch bei einem DC/DC-Wandler oder einen AC/DC-Wandler verwendet werden, wenn es sich bei der Last um eine Gleichstrom-Last oder dergleichen handelt.
  • Der Einsatz des Leistungswandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den Fall beschränkt, in dem es sich bei der Last um einen Elektromotor handelt, wie vorstehend beschrieben, und umfasst auch eine Stromversorgungseinheit für eine elektrischen Entladungsvorrichtung, eine Laserstrahlvorrichtung, ein Induktionskochfeld sowie ein drahtloses Stromversorgungssystem und umfasst ferner einen Leistungskonditionierer für ein photovoltaisches Stromerzeugungssystem und ein Stromspeichersystem.
  • Es ist anzumerken, dass eine Mehrzahl von den in den Ausführungsformen 1 bis 5 offenbarten Komponenten insoweit, als die vorliegende Erfindung nicht von ihrem Hauptinhalt abweicht, auch miteinander kombiniert werden kann, soweit zweckmäßig.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleitereinheit
    2
    Leiterrahmen
    3
    isolierende Schicht
    4
    Metall-Basisplatte
    5
    abdichtendes Element
    6
    Trägerrahmen
    7
    Wärmeabführungselement
    8
    Verbindungsschicht
    9
    Draht
    10
    externes Gehäuse
    11
    Schraube
    12
    Formkörper
    100, 101, 102, 103, 302
    Halbleitervorrichtung
    200
    Stromversorgung
    300
    Leistungswandler
    301
    Hauptwandlerschaltung
    303
    Steuerschaltung
    400
    Last

Claims (11)

  1. Halbleitervorrichtung, die Folgendes aufweist: - eine Halbleitereinheit (1); - einen Leiterrahmen (2), mit dem die Halbleitereinheit (1) verbunden ist; - eine isolierende Schicht (3), auf welcher der Leiterrahmen (2) angeordnet ist; - eine Metall-Basisplatte (4), die auf einer Fläche der isolierenden Schicht (3) angeordnet ist, die einer Fläche gegenüberliegt, auf welcher der Leiterrahmen (2) angeordnet ist; - ein abdichtendes Element (5) zur Abdichtung der Halbleitereinheit (1), des Leiterrahmens (2), der isolierenden Schicht (3) und der Metall-Basisplatte (4) in einer derartigen Weise, dass ein Bereich des Leiterrahmens (2) und zumindest ein Bereich der Metall-Basisplatte (4) freiliegen; - einen Trägerrahmen (6) mit zumindest einer Öffnung (61), in welcher der zumindest eine freiliegende Bereich der Metall-Basisplatte (4) eingefügt ist, der in Bezug auf das abdichtende Element (5) freiliegt; und - ein Wärmeabführungselement (7), das mit mehreren Rippen (7a) versehen ist, die durch Falten einer Metallplatte gebildet sind, und das an ein Teil des zumindest einen freiliegenden Bereichs der Metall-Basisplatte (4), der in die zumindest eine Öffnung (61) eingefügt ist, und an den Trägerrahmen (6) geschweißt ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Wärmeabführungselement (7) ebene Bereiche (7b) aufweist, die jeweils zwischen den Rippen (7a) angeordnet sind, wobei jeder der ebenen Bereiche (7b) mit der Metall-Basisplatte (4) oder dem Trägerrahmen (6) verbunden ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder der ebenen Bereiche (7b) des Wärmeabführungselements (7) dünner als die Metall-Basisplatte (4) und der Trägerrahmen (6) ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Trägerrahmen (6) so angeordnet ist, dass er sich nicht in Kontakt mit dem abdichtenden Element (5) befindet.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metall-Basisplatte (4) mit zumindest zwei Stufenflächen (4c, 4d) parallel zu einer Fläche, auf der die isolierende Schicht (3) angeordnet ist, zwischen der Fläche, auf der die isolierende Schicht (3) angeordnet ist, und einer Fläche, mit deren Oberfläche das Wärmeabführungselement (7) zu verbinden ist, in einer derartigen Weise versehen ist, dass die Fläche, auf der die isolierende Schicht (3) angeordnet ist, breiter als die Fläche ist, mit deren Oberfläche das Wärmeabführungselement (7) zu verbinden ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Trägerrahmen (6) eine Mehrzahl von Öffnungen (61) aufweist und die freiliegenden Bereiche der Metall-Basisplatte (4), die in Bezug auf das abdichtende Element (5) freiliegen, in den jeweiligen Öffnungen (61) eingefügt sind.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metall-Basisplatte (4) und die zumindest eine Öffnung (61) des Trägerrahmens (6) von der Seite der isolierenden Schicht in Richtung zu der Seite des Wärmeabführungselements hin konisch sind.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei es sich bei dem Trägerrahmen (6) um ein elektrisch leitfähiges Element handelt, das an einem geerdeten externen Gehäuse (10) anzubringen ist.
  9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Metall-Basisplatte (4) und das Wärmeabführungselement (7) jeweils aus einem Metall der gleichen Art bestehen.
  10. Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung, das Folgendes umfasst: - Verbinden einer Halbleitereinheit (1) mit einem Leiterrahmen (2); - Bilden eines abdichtenden Elements (5) nach einem Stapeln einer Metall-Basisplatte (4), einer isolierenden Schicht (3) und des Leiterrahmens (2), mit dem die Halbleitereinheit (1) verbunden ist, in einem Formkörper, um die Halbleitereinheit (1), den Leiterrahmen (2), die isolierende Schicht (3) und die Metall-Basisplatte (4) in einer derartigen Weise abzudichten, dass ein Bereich des Leiterrahmens (2) und ein Bereich der Metall-Basisplatte (4) in Bezug auf das abdichtende Element (5) freiliegen; und - Schweißen eines Wärmeabführungselements (7) mit mehreren Rippen (7a), die durch Falten einer Metallplatte gebildet werden, sowohl mit einem Teil des freiliegenden Bereichs, der in die Öffnung (61) eingefügt ist, als auch dem Trägerrahmen (6), nachdem der freiliegende Bereich der Metall-Basisplatte (4), der in Bezug auf das abdichtende Element (5) freiliegt, in die Öffnung (61) des Trägerrahmens (6) eingefügt wurde.
  11. Leistungswandler (300), der Folgendes aufweist: - eine Hauptwandlerschaltung (301), die eine Halbleitervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, um eine eingegebene elektrische Leistung umzuwandeln und die umgewandelte elektrische Leistung abzugeben; und - eine Steuerschaltung (303), um ein Steuersignal zum Steuern der Hauptwandlerschaltung (301) an die Hauptwandlerschaltung (301) auszugeben.
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