DE112020007839T5 - Halbleitervorrichtung, Leistungskonvertierungsvorrichtung und mobiler Körper - Google Patents

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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung mit einer verbesserten Zuverlässigkeit zur Verfügung zu stellen durch Verringern eines Ausmaßes, in welchem durch ein Halbleiterelement erzeugte Wärme durch eine Wärmeabstrahlplatte an ein Bonding-Teil zwischen einer Metallelektrode und einem isolierenden Substrat übertragen wird. Um dies zu bewirken, weist die Halbleitervorrichtung eine Wärmeabstrahlplatte, mindestens ein isolierendes Substrat, ein Halbleiterelement und eine Metallelektrode auf, wobei das mindestens eine isolierende Substrat auf einer Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, das Halbleiterelement über eins des mindestens einen isolierenden Substrats auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, die Metallelektrode über eins des mindestens einen isolierenden Substrats auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, und die Wärmeabstrahlplatte in einem Bereich zwischen einem Bereich, wo das Halbleiterelement gebondet ist, und einem Bereich, wo die Metallelektrode gebondet ist, einen verengten Teil aufweist, der eine schmalere Breite in einer Dickenrichtung aufweist als Breiten anderer Stellen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, eine Leistungskonvertierungsvorrichtung und einen mobilen Körper.
  • Hintergrund Stand der Technik
  • Patentdokument 1 offenbart zum Beispiel eine Halbleitervorrichtung, in welcher jedes eines Halbleiterelements und einer Elektrode über ein isolierendes Bauteil an eine Wärmeabstrahlplatte gebondet ist.
  • Dokument des Stands der Technik
  • Patentdokument
  • Patentdokument 1: Offengelegte, japanische Patentanmeldung Nr. 2005-276968
  • Zusammenfassung
  • Durch die Erfindung zu lösendes Problem
  • In einer Halbleitervorrichtung wird, wenn jedes eines Halbleiterelements und einer Metallelektrode über ein isolierendes Substrat an ein Wärmeabstrahlplatte gebondet wird, von dem Halbleiterelement erzeugte Wärme durch die Wärmeabstrahlplatte an ein Bonding-Teil zwischen der Metallelektrode und dem isolierenden Substrat übertragen. Wenn die von dem Halbleiterelement erzeugte Wärme leicht an das Bonding-Teil zwischen der Metallelektrode und dem isolierenden Substrat übertragen wird, ist es wahrscheinlich, dass sich das Bonding-Teil zwischen der Metallelektrode und dem isolierenden Substrat verschlechtert, wodurch die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung reduziert wird.
  • Die vorliegende Offenbarung ist vorgesehen, ein solches Problem zu lösen, und eine Aufgabe davon ist, eine Halbleitervorrichtung, in welcher ein Ausmaß, in welchem durch ein Halbleiterelement erzeugte Wärme durch eine Wärmeabstrahlplatte an ein Bonding-Teil zwischen einer Metallelektrode und einem isolierenden Substrat übertragen wird, verringert wird und eine Zuverlässigkeit verbessert wird, eine Leistungskonvertierungsvorrichtung, die die Halbleitervorrichtung verwendet, und einen mobilen Köper, der die Leistungskonvertierungsvorrichtung verwendet, zur Verfügung zu stellen.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Eine Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung weist eine Wärmeabstrahlplatte, mindestens ein isolierendes Substrat, ein Halbleiterelement und eine Metallelektrode auf, wobei das mindestens eine isolierende Substrat auf eine Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, das Halbleiterelement über eins des mindestens einen isolierenden Substrats auf die eine Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, die Metallelektrode über eins des mindestens einen isolierenden Substrats auf die eine Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, und die Wärmeabstrahlplatte in einem Bereich zwischen einem Bereich, wo das Halbleiterelement gebondet ist, und einem Bereich, wo die Metallelektrode gebondet ist, einen verengten Teil aufweist, der eine schmalere Breite in einer Dickenrichtung aufweist als Breiten anderer Stellen.
  • Eine Leistungskonvertierungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung weist eine Hauptkonvertierungsschaltung, welche die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung aufweist und welche eine eingegebene elektrische Leistung konvertiert und die konvertierte elektrische Leistung ausgibt, und eine Steuerschaltung, welche an die Hauptkonvertierungsschaltung ein Steuersignal ausgibt, das die Hauptkonvertierungsschaltung steuert.
  • Ein mobiler Körper der vorliegenden Offenbarung weist die Leistungskonvertierungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung und einen elektrischen Motor auf, der durch die von der Leistungskonvertierungsvorrichtung ausgegebene elektrische Leistung angetrieben wird.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Die Wärmeabstrahlplatte der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung weist in einem Bereich zwischen einem Bereich, wo das Halbleiterelement gebondet ist, und einem Bereich, wo die Metallelektrode gebondet ist, einen verengten Teil auf, der eine schmalere Breite in einer Dickenrichtung aufweist als diejenige anderer Stellen. Somit ist die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung eine, in welcher ein Ausmaß, in welchem Wärme, die durch das Halbleiterelement erzeugt wird, durch die Wärmeabstrahlplatte an das Bonding-Teil zwischen der Metallelektrode und dem isolierenden Substrat übertragen wird, verringert wird und eine Zuverlässigkeit verbessert wird.
  • Die Leistungskonvertierungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung weist die Hauptkonvertierungsschaltung auf, welche die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung aufweist und welche eine eingegebene elektrische Leistung konvertiert und die konvertierte elektrische Leistung ausgibt. Somit wird die Leistungskonvertierungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, welche die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung aufweist.
  • Der mobile Körper der vorliegenden Offenbarung weist die Leistungskonvertierungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung auf. Somit wird der mobile Körper zur Verfügung gestellt, der die Leistungskonvertierungsvorrichtung verwendet.
  • Zusätzlich werden Aufgaben, Eigenschaften, Aspekte und Vorteile, die sich auf die Techniken beziehen, die in der vorliegenden Spezifikation offenbart werden, aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, die nachfolgend gezeigt werden, offenbarer.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
    • 3 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Wärmeabstrahlplatte einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
    • 4 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
    • 5 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
    • 6 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt.
    • 7 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform zeigt.
    • 8 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform zeigt.
    • 9 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform zeigt.
    • 10 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der achten Ausführungsform zeigt.
    • 11 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Leistungskonvertierungssystems zeigt, in welchem eine Leistungskonvertierungsvorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform eingesetzt wird.
    • 12 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines mobilen Körpers gemäß einer elften Ausführungsform zeigt.
    • 13 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Halbleitervorrichtung eines Vergleichsbeispiels zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • <Vergleichsbeispiel>
  • 13 zeigt eine Halbleitervorrichtung 70 als ein Vergleichsbeispiel jeder nachfolgend beschriebenen Ausführungsform.
  • Die Halbleitervorrichtung 70 weist ein Halbleiterelement 1, eine Metallelektrode 2, ein isolierendes Substrat 3, ein Bonding-Material 5, eine Wärmeabstrahlplatte 6, einen Draht 7, ein Gehäuse 8 und ein Versiegelungsmaterial 9 auf.
  • Das isolierende Substrat 3 weist eine isolierende Schicht 30 und Metallstrukturen 4 auf. Ein Material der isolierenden Schicht 30 ist zum Beispiel Keramik. Die Metallstrukturen 4 sind auf beiden Hauptoberflächen der isolierenden Schicht 30 ausgebildet. Ein Material der Metallstrukturen 4 ist zum Beispiel Kupfer.
  • Das Halbleiterelement 1 ist zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder eine Freilaufdiode (FWD). Das Halbleiterelement 1 ist zum Beispiel ein Siliziumhalbleiterelement, das einen Siliziumhalbleiter verwendet.
  • Das isolierende Substrat 3 ist mittels des Bonding-Materials 5 an die Wärmeabstrahlplatte 6 gebondet. Das Bonding-Material 5 ist zum Beispiel ein Lötmittel. Ein Material der Wärmeabstrahlplatte 6 ist zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder beides.
  • Das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 sind mittels des Bonding-Materials 5 an die Metallstrukturen 4 auf einer Oberfläche des isolierenden Substrats 3 gebondet. Das heißt, das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 sind über das isolierende Substrats 3 auf einer Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 gebondet. Das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 sind über die Metallstrukturen 4 und den Draht 7 elektrisch verbunden.
  • Das Halbleiterelement 1, das isolierende Substrat 3 und der Draht 7 sind in dem Gehäuse 8 angeordnet und durch das Versiegelungsmaterial 9 geschützt. Ein Material des Gehäuses 8 ist zum Beispiel Polyphenylensulfid- (PPS-) Harz. Das Versiegelungsmaterial 9 ist zum Beispiel Silikongel. Die Metallelektrode 2 wird verwendet, um die Halbleitervorrichtung 70 elektrisch mit einer externen Schaltung zu verbinden.
  • Wenn das Halbleiterelement 1 in Betrieb ist, wird Wärme erzeugt. Die Wärme, die von dem Halbleiterelement 1 erzeugt wird, wird durch die Wärmeabstrahlplatte 6 durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 an ein Bonding-Teil übertragen. Als eine Folge wird eine thermische Beanspruchung an dem Bonding-Teil durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 generiert, das Bonding-Material 5 wird spröde und es wird wahrscheinlicher, dass sich die Metallelektrode 2 von dem isolierenden Substrat 3 ablöst. Auf diese Weise ist die Wärme, die durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 zu dem Bonding-Teil übertragen wird, ein Faktor beim Verkürzen der Betriebslebensdauer der Halbleitervorrichtung 70.
  • <A. Erste Ausführungsform>
  • <A-1. Konfiguration>
  • 1 zeigt eine Halbleitervorrichtung 71 der vorliegenden Ausführungsform.
  • Verglichen mit der Halbleitervorrichtung 70 unterscheidet sich die Halbleitervorrichtung 71 darin, dass ein Loch 10 in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen ist. Die Halbleitervorrichtung 71 ist in anderer Hinsicht der Halbleitervorrichtung 70 ähnlich.
  • In der Halbleitervorrichtung 71 ist das Loch 10 in einem Bereich der Wärmeabstrahlplatte 6 zwischen einem Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und einem Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, das heißt, einem in 1 gezeigten Bereich 50 vorgesehen. Das Loch 10 ist zum Beispiel eine Durchgangsbohrung, welche von einer Seitenoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 zu einer anderen Seitenoberfläche gegenüber der einen Seitenoberfläche hindurchgeht. Außerdem ist das Loch 10 zum Beispiel eine Sackbohrung, welche eine Öffnung auf nur einer Seitenoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 aufweist, und welche nicht zu einer anderen Seitenoberfläche hindurchgeht.
  • Das Loch 10 weist eine Säulenform auf und erstreckt sich in einer Richtung, welche eine Richtung kreuzt, die einen Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und einen Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, verbindet (zum Beispiel eine senkrechte Richtung der Papieroberfläche von 1).
  • Auf diese Weise weist die Wärmeabstrahlplatte 6 in dem Bereich zwischen dem Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und dem Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, aufgrund des Lochs 10 einen verengten Teil 40 auf, der eine geringere Breite in der Dickenrichtung aufweist als diejenige anderer Stellen. Hierbei bedeutet der Ausdruck, dass die Breite des verengten Teils 40 in der Dickenrichtung schmaler ist als diejenige anderer Stellen, dass die Breite des verengten Teils 40 in der Dickenrichtung ausschließlich des Lochs 10, das heißt W2 + W3, kleiner ist als eine Breite W1 der Wärmeabstrahlplatte 6 in der Dickenrichtung an anderen Stellen.
  • <A-2. Betrieb>
  • Wenn das Halbleiterelement 1 im Betrieb ist, wird Wärme erzeugt. Obwohl die von dem Halbleiterelement 1 erzeugte Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 durch die Wärmeabstrahlplatte 6 an das Bonding-Teil übertragen wird, wird ein Ausmaß, in welchem die von dem Halbleiterelement 1 erzeugte Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 durch die Wärmeabstrahlplatte 6 an das Bonding-Teil übertragen wird, aufgrund dessen verringert, dass die Wärmeabstrahlplatte 6 einen verengten Teil 40 aufweist. Als eine Folge wird eine thermische Beanspruchung, die durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 während des Betriebs der Halbleitervorrichtung 71 an dem Bonding-Teil generiert wird, unterbunden und eine Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 71 wird verbessert.
  • Allgemein ist die thermische Leitfähigkeit von Luft etwa 0,0241 W/mK bei etwa Raumtemperatur, und diese ist kleiner als die thermische Leitfähigkeit von Kupfer bei etwa 403 W/mK und die thermische Leitfähigkeit von Aluminium bei etwa 236 W/mK, welche beide Beispiele des Materials der Wärmeabstrahlplatte 6 sind. Entsprechend wird durch das Füllen des Lochs 10 mit Luft das Ausmaß, in welchem die von dem Halbleiterelement 1 erzeugte Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 durch die Wärmeabstrahlplatte 6 an das Bonding-Teil übertragen wird, verringert. Das Innere des Lochs 10 ist jedoch nicht notwendigerweise mit Luft gefüllt. Die Halbleitervorrichtung 71 kann zum Beispiel in dem Loch 10 eine Substanz aufweisen, die eine kleinere thermische Leitfähigkeit als diejenige des Materials der Wärmeabstrahlplatte 6 aufweist, wie Harz.
  • <B. Zweite Ausführungsform>
  • 2 zeigt eine Halbleitervorrichtung 72 der vorliegenden Ausführungsform.
  • Verglichen mit der Halbleitervorrichtung 71 unterscheidet sich die Halbleitervorrichtung 72 darin, dass eine innere Aushöhlung 11, die keine Öffnung aufweist, anstelle des Lochs 10 zwischen dem Bereich der Wärmeabstrahlplatte 6, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und dem Bereich der Wärmeabstrahlplatte 6, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, vorgesehen ist. Die Halbleitervorrichtung 72 ist in anderer Hinsicht der Halbleitervorrichtung 71 ähnlich.
  • Die innere Aushöhlung 11 weist eine Säulenform auf und erstreckt sich in einer Richtung, welche eine Richtung kreuzt, die einen Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und einen Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, verbindet.
  • Die Wärmeabstrahlplatte 6 der Halbleitervorrichtung 72 weist in dem Bereich zwischen dem Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und dem Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, einen verengten Teil 40 auf, der aufgrund der inneren Aushöhlung 11 eine schmalere Breite in der Dickenrichtung aufweist als diejenige anderer Stellen.
  • In der Halbleitervorrichtung 72 wird das Ausmaß einer Übertragung einer von dem Halbleiterelement 1 erzeugten Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 durch die Wärmeabstrahlplatte 6 an das Bonding-Teil aufgrund des verengten Teils 40 verringert. Als eine Folge wird eine Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 72 verbessert.
  • Die innere Aushöhlung 11 wird zum Beispiel durch ein Ausbilden eines Sacklochs und dann Bedecken eines Öffnungsteils des Sacklochs mit dem gleichen Material wie dasjenige der Wärmeabstrahlplatte ausgebildet. Da die innere Aushöhlung 11, die in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen ist, keine Öffnung aufweist, kann das Erscheinungsbild der Wärmeabstrahlplatte 6 von demjenigen der Wärmeabstrahlplatte 6 ohne die innere Aushöhlung 11 unverändert ausgelegt werden.
  • Die innere Aushöhlung 11 ist mit Luft gefüllt. In der Halbleitervorrichtung 72 wird ein Eindringen von Fremdstoffen, wie eines thermisch leitfähigen Fetts, das zwischen einem Kühlkörper und der Wärmeabstrahlplatte eingebracht wird, Feuchtigkeit oder dergleichen in die innere Aushöhlung 11 verhindert, und eine Verschlechterung eines Wärmeisolationsvermögens aufgrund eines Eindringens von Fremdstoffen in die innere Aushöhlung 11 wird verhindert. Die Halbleitervorrichtung 72 kann jedoch in der inneren Aushöhlung 11 zum Beispiel eine Substanz mit einer kleineren thermischen Leitfähigkeit als diejenige des Materials der Wärmeabstrahlplatte 6 enthalten, wie Harz.
  • <C. Dritte Ausführungsform>
  • 4 zeigt eine Halbleitervorrichtung 73 der vorliegenden Ausführungsform.
  • In der Halbleitervorrichtung 73 ist die Wärmeabstrahlplatte 6 durch ein Kombinieren einer Mehrzahl von unabhängigen Teilen, das heißt, einem Teil 6a und einem Teil 6b, ausgebildet. Wie in 3 gezeigt, ist ein Vertiefungsteil 12a auf einer Seitenoberfläche des Teils 6a vorgesehen, und ein Vertiefungsteil 12b ist auf einer Seitenoberfläche des Teils 6b vorgesehen. Außerdem ist, wie in 4 gezeigt, das Loch 10 durch ein Zusammenbringen des Vertiefungsteils 12a und des Vertiefungsteils 12b ausgebildet. Die Halbleitervorrichtung 73 ist in anderer Hinsicht der Halbleitervorrichtung 71 der ersten Ausführungsform ähnlich.
  • In der Halbleitervorrichtung 73 weist die Wärmeabstrahlplatte 6 in dem Bereich zwischen dem Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und dem Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, einen verengten Teil 40 auf, der aufgrund des Lochs 10 eine schmalere Breite in der Dickenrichtung aufweist als diejenige anderer Stellen. In der Halbleitervorrichtung 73 wird das Ausmaß einer Übertragung der von dem Halbleiterelement 1 erzeugten Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 durch die Wärmeabstrahlplatte 6 an das Bonding-Teil aufgrund des verengten Teils 40 verringert. Als eine Folge wird eine Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 73 verbessert.
  • Anstelle des Lochs 10 kann die in der zweiten Ausführungsform beschriebene innere Aushöhlung 11 durch den Vertiefungsteil auf der Seitenoberfläche des Teils 6a und den Vertiefungsteil auf der Seitenoberfläche des Teils 6b ausgebildet sein.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist, da die Wärmeabstrahlplatte 6 durch das Kombinieren der Mehrzahl von unabhängigen Teilen ausgebildet ist und das Loch 10 durch das Zusammenbringen des Vertiefungsteils 12a des Teils 6a und des Vertiefungsteils 12b des Teils 6b ausgebildet ist, das Bearbeiten zum Ausbilden des Lochs 10 einfach.
  • In dem Fall der im Patentdokument 1 offenbarten Struktur, in welcher ein hitzebeständiges Harz zwischen Wärmeabstrahlteilen vorgesehen ist, wird eine Anzahl von Komponenten erhöht, und weiter ist, da unterschiedliche Materialien ein Bonding erfordern, mehr Bearbeiten erforderlich. In der vorliegenden Ausführungsform wird das hitzebeständige Harz zwischen dem Teil 6a und dem Teil 6b nicht benötigt. Außerdem werden, da das Teil 6a und das Teil 6b aus dem gleichen Material hergestellt werden, das Teil 6a und das Teil 6b leicht zusammen gebondet. Das Teil 6a und das Teil 6b werden zum Beispiel durch ein Bonding-Material gebondet. Zusätzlich können das Teil 6a und das Teil 6b so angeordnet werden, dass sie in Kontakt miteinander sind, ohne dass sie zusammen gebondet werden.
  • <D. Vierte Ausführungsform>
  • 5 zeigt eine Halbleitervorrichtung 74 der vorliegenden Ausführungsform.
  • Verglichen mit der Halbleitervorrichtung 71 der ersten Ausführungsform unterscheidet sich die Halbleitervorrichtung 74 darin, dass das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 an verschiedene isolierende Substrate gebondet sind. Die Halbleitervorrichtung 74 ist in anderer Hinsicht der Halbleitervorrichtung 71 ähnlich.
  • Die Halbleitervorrichtung 74 kann eine Konfiguration aufweisen, in welcher eine Modifikation zu der Halbleitervorrichtung der zweiten oder dritten Ausführungsform hinzugefügt ist, sodass das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 an verschiedene isolierende Substrate gebondet sind.
  • Wie in 5 gezeigt, weist die Halbleitervorrichtung 74 eine Mehrzahl von isolierenden Substraten auf, das heißt, ein isolierendes Substrat 3a und ein isolierendes Substrat 3b. Das isolierende Substrat 3a weist eine isolierende Schicht 30a und die Metallstrukturen 4 auf. Die Metallstrukturen 4 sind auf beiden Hauptoberflächen der isolierenden Schicht 30a ausgebildet. Das isolierende Substrat 3b weist eine isolierende Schicht 30b und die Metallstrukturen 4 auf. Die Metallstrukturen 4 sind auf beiden Hauptoberflächen der isolierenden Schicht 30b ausgebildet. Das isolierende Substrat 3a und das isolierende Substrat 3b sind mittels des Bonding-Materials 5 an die Wärmeabstrahlplatte 6 gebondet. Das Halbleiterelement 1 ist mittels des Bonding-Materials 5 an das isolierende Substrat 3a gebondet und die Metallelektrode 2 ist mittels des Bonding-Materials 5 an das isolierende Substrat 3b gebondet. Das heißt, das Halbleiterelement 1 ist über das isolierende Substrat 3a an die Wärmeabstrahlplatte 6 gebondet und die Metallelektrode 2 ist über das isolierende Substrat 3b an die Wärmeabstrahlplatte 6 gebondet.
  • In der Halbleitervorrichtung 74 wird das Ausmaß einer Übertragung der von dem Halbleiterelement 1 erzeugten Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3b durch die Wärmeabstrahlplatte 6 an das Bonding-Teil aufgrund des verengten Teils 40 ebenfalls verringert. Als eine Folge wird eine Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 74 verbessert.
  • In der Halbleitervorrichtung 71 der ersten Ausführungsform wird die von dem Halbleiterelement 1 erzeugte Wärme durch das isolierende Substrat 3 an die Metallelektrode 2 übertragen. In der Halbleitervorrichtung 74 ist es, da das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 an verschiedene isolierende Substrate gebondet sind und das Versiegelungsmaterial 9 zwischen dem isolierenden Substrat 3a und dem isolierenden Substrat 3b aufweisen, schwierig, dass die von dem Halbleiterelement 1 erzeugte Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 an das Bonding-Teil übertragen wird.
  • <E. Fünfte Ausführungsform>
  • Eine Modifikation kann zu den Halbleitervorrichtungen den ersten, dritten und vierten Ausführungsformen hinzugefügt werden, sodass eine Mehrzahl von Löchern 10 in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen ist, und eine Modifikation kann zu der Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform hinzugefügt werden, sodass eine Mehrzahl von inneren Aushöhlungen 11 vorgesehen ist. Außerdem kann die Wärmeabstrahlplatte 6 mit mindestens zweien, die aus der Gruppe der Durchgangsbohrung, der Sackbohrung und der inneren Aushöhlung ausgewählt werden, oder allen der Durchgangsbohrung, der Sackbohrung und der inneren Aushöhlung versehen sein.
  • 6 zeigt eine Halbleitervorrichtung 75 der vorliegenden Ausführungsform. In 6 ist die Halbleitervorrichtung 75 als eine Konfiguration gezeigt, in welcher im Gegensatz zu der Halbleitervorrichtung 71 der ersten Ausführungsform das Loch 10 zu einer Mehrzahl geändert ist. Die Halbleitervorrichtung 75 ist in anderer Hinsicht der Halbleitervorrichtung 71 ähnlich.
  • In der Halbleitervorrichtung 75 ist die Mehrzahl von Löchern 10 in einer Richtung angeordnet, die den Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und den Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, verbindet. Jedes der Löcher 10 erstreckt sich in der Richtung, die die Richtung kreuzt, die den Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und den Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, verbindet.
  • Wenn ein Abstand zwischen dem Halbleiterelement 1 und der Metallelektrode 2 gleich oder größer ist als eine Dicke der Wärmeabstrahlplatte 6, kann durch das Vorsehen der Mehrzahl von Löchern 10, das heißt, durch das Bereitstellen einer Mehrzahl von verengten Teilen 40, die von dem Halbleiterelement 1 durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 an das Bonding-Teil übertragene Wärme verglichen mit einem Fall, in welchem ein Loch 10 vorgesehen ist, weiter reduziert werden. Als eine Folge wird die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 75 verbessert.
  • Wenn ein Abstand zwischen dem Halbleiterelement 1 und der Metallelektrode 2 gleich oder größer ist als die Dicke der Wärmeabstrahlplatte 6, kann, obwohl die von dem Halbleiterelement 1 durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 an das Bonding-Teil übertragene Wärme durch ein Verbreitern des einen Lochs 10, das in der Halbleitervorrichtung 71 der ersten Ausführungsform vorgesehen ist, in der Richtung, die das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 verbindet, reduziert werden kann, ist es durch das Bereitstellen der Mehrzahl von Löchern 10 möglich, eine Reduzierung einer Festigkeit der Wärmeabstrahlplatte 6 zu unterbinden, und es ist weiter möglich, dass weniger Wärme ermöglicht wird, durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 von dem Halbleiterelement 1 zu dem Bonding-Teil übertragen zu werden.
  • <F. Sechste Ausführungsform>
  • In den ersten bis fünften Ausführungsformen sind das Loch 10 oder die innere Aushöhlung 11 nicht auf eine Säulenform beschränkt und können eine viereckige Prismenform, eine dreieckige Prismenform oder eine andere beliebige Form aufweisen, solange der verengte Teil 40 in dem Bereich zwischen dem Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und dem Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, ausgebildet wird. Die Form des Lochs 10 oder der inneren Aushöhlung 11 kann eine Form sein, die gemäß einer Form und einem Material der Wärmeabstrahlplatte 6 leicht zu fertigen ist.
  • Als ein Beispiel der Halbleitervorrichtung 76 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt 7 eine Konfiguration, in welcher im Vergleich zu der Halbleitervorrichtung 71 gemäß der ersten Ausführungsform ein Loch 10b, das eine viereckige Prismenform aufweist, und ein Loch 10c, das eine dreieckige Prismenform aufweist, anstelle des Lochs 10, das eine Säulenform aufweist, in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen sind. Die Halbleitervorrichtung 76 ist in anderer Hinsicht der Halbleitervorrichtung 71 ähnlich.
  • <G. Siebte Ausführungsform>
  • 8 ist ein Diagramm, das eine Halbleitervorrichtung 77 der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
  • In der Halbleitervorrichtung 77 ist ein Vertiefungsteil 13 auf der Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 auf einer Seite vorgesehen, wo das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 gebondet sind. Die Wärmeabstrahlplatte 6 weist den verengten Teil 40 in dem Bereich zwischen dem Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und dem Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, auf. Eine Breite des verengten Teils 40 in der Dickenrichtung ist aufgrund des Vertiefungsteils 13 schmaler als diejenige anderer Stellen.
  • Eine Konfiguration der Halbleitervorrichtung 77 ist derjenigen der Halbleitervorrichtung 71 der ersten Ausführungsform ähnlich außer, dass die Form der Wärmeabstrahlplatte 6 anders ist und das Bonding-Material 5 in dem Vertiefungsteil 13 enthalten ist.
  • Der Vertiefungsteil 13 erstreckt sich in der Richtung, welche die Richtung kreuzt, die den Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und den Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, verbindet.
  • Das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 sind über das isolierende Substrat 3 auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 gebondet. Das heißt, das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 sind über das gleiche isolierende Substrat auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 gebondet. Das isolierende Substrat 3 ist durch das Bonding-Material 5 an einer Position, die dem Vertiefungsteil 13 zugewandt, an die Wärmeabstrahlplatte 6 gebondet. Deshalb wird, wenn die Wärmeabstrahlplatte 6 und das isolierende Substrat 3 durch das Bonding-Material 5 zusammen gebondet werden, das Innere des Vertiefungsteils 13 mit dem Bonding-Material 5 gefüllt. Das heißt, die Halbleitervorrichtung 77 enthält das Bonding-Material 5 in dem Vertiefungsteil 13. Das Bonding-Material 5 ist zum Beispiel ein Lötmittel.
  • Das Lötmittel, welches ein Beispiel des Bonding-Materials 5 ist, weist eine kleinere thermische Leitfähigkeit auf als Kupfer oder Aluminium, welche Materialien der Wärmeabstrahlplatte 6 sind. Zum Beispiel ist die thermische Leitfähigkeit eines Lötmittels mit einer 50-Sn-Zusammensetzung 49 W/mK. Deshalb ist ein Ausmaß, in welchem eine von dem Halbleiterelement 1 erzeugte Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 durch die Wärmeabstrahlplatte 6 an das Bonding-Teil übertragen wird, aufgrund der Konfiguration, in welcher der Vertiefungsteil 13 in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen ist und das Lötmittel in dem Vertiefungsteil 13 enthalten ist, verringert. Als eine Folge wird eine Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 77 verbessert.
  • Zusätzlich kann die vorliegende Ausführungsform mit der vierten Ausführungsform kombiniert werden, um die Wärmeabstrahlplatte 6 der Halbleitervorrichtung 74 der vierten Ausführungsform mit der Wärmeabstrahlplatte 6 der Halbleitervorrichtung 77 zu ersetzen. In diesem Fall gibt es zum Beispiel kein isolierendes Substrat 3a und isolierendes Substrat 3b an einer Position, die dem Vertiefungsteil 13 zugewandt ist, und der Vertiefungsteil 13 ist mit dem Versiegelungsmaterial 9 gefüllt. Obwohl das Versiegelungsmaterial 9 zum Beispiel Silikongel ist, weist das Silikongel eine kleinere thermische Leitfähigkeit auf als Kupfer oder Aluminium, welche Materialien der Wärmeabstrahlplatte 6 sind. Deshalb wird in einer solchen Konfiguration das Ausmaß, in welchem eine von dem Halbleiterelement 1 erzeugte Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 durch die Wärmeabstrahlplatte 6 an das Bonding-Teil übertragen wird, auch verringert. Als eine Folge wird die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung 77 verbessert.
  • In der Halbleitervorrichtung 77 ist, da der Vertiefungsteil 13 auf der Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen ist, eine Bearbeitung einfacher und die Kosten können zum Beispiel verglichen mit dem Fall der ersten Ausführungsform, in welcher das Loch 10, das eine Öffnung auf der Seitenoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 aufweist, in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen ist, verringert werden.
  • <H. Achte Ausführungsform>
  • Die Form des Vertiefungsteils, der in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen ist, ist nicht eingeschränkt, solange der verengte Teil 40 in dem Bereich zwischen dem Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und dem Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, ausgebildet wird, und die Form kann gemäß einer Form und einem Material der Wärmeabstrahlplatte 6 leicht zu fertigen sein. Der Vertiefungsteil braucht kein Vertiefungsteil zu sein, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist wie die Halbleitervorrichtung 77 der siebten Ausführungsform und kann ein Vertiefungsteil sein, der einen V-förmigen Querschnitt aufweist, oder ein Vertiefungsteil, der einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist. Außerdem kann eine Mehrzahl von Vertiefungsteilen vorgesehen sein. Als eine Halbleitervorrichtung 78 der vorliegenden Ausführungsform zeigt 9 eine Halbleitervorrichtung, in welcher ein Vertiefungsteil 13b, der einen V-förmigen Querschnitt aufweist, und ein Vertiefungsteil 13c, der einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen sind. Der Vertiefungsteil 13b und der Vertiefungsteil 13c erstrecken sich in der Richtung, welche die Richtung kreuzt, die den Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und den Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, verbindet.
  • Außerdem brauchen sich die Vertiefungsteile, die in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen sind, nicht notwendigerweise in der Richtung zu erstrecken, welche die Richtung kreuzt, die den Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und den Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, verbindet. Zum Beispiel kann die Mehrzahl von Vertiefungsteilen einzeln arrangiert und in der Richtung angeordnet sein, welche die Richtung kreuzt, die den Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und den Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, verbindet.
  • In einer in 10 gezeigten Halbleitervorrichtung 79 ist ein Vertiefungsteil 13d auf der Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 auf der Seite gegenüber der Seite vorgesehen, wo das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 über das isolierende Substrat 3 gebondet sind, und diese Art von Vertiefungsteil 13d bildet den verengten Teil 40 in dem Bereich zwischen dem Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und dem Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist. Der Vertiefungsteil 13d erstreckt sich in der Richtung, welche die Richtung kreuzt, die den Bereich, wo das Halbleiterelement 1 gebondet ist, und den Bereich, wo die Metallelektrode 2 gebondet ist, verbindet.
  • Wenn der Vertiefungsteil auf der Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte 6 auf der Seite gegenüber der Seite vorgesehen ist, wo das Halbleiterelement 1 und die Metallelektrode 2 über das isolierende Substrat 3 gebondet sind, kann die Form des Vertiefungsteils, das in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen ist, beliebig sein, oder eine Mehrzahl von Vertiefungsteilen kann in der Wärmeabstrahlplatte 6 vorgesehen sein.
  • <l. Neunte Ausführungsform>
  • In der Halbleitervorrichtung gemäß einer der ersten bis achten Ausführungsformen ist das Halbleiterelement 1 so beschrieben worden, dass es zum Beispiel ein Siliziumhalbleiterelement ist, jedoch in der Halbleitervorrichtung gemäß einer der ersten bis achten Ausführungsformen kann das Halbleiterelement 1 ein Halbleiterelement mit breiter Bandlücke sein, welches einen Halbleiter mit breiter Bandlücke verwendet. Das heißt, das Halbleiterelement 1 kann einen Halbleiter mit breiter Bandlücke aufweisen.
  • Der Halbleiter mit breiter Bandlücke ist ein Halbleiter, der eine breitere Bandlücke aufweist als diejenige von Silizium. Beispiele des Halbleiters mit breiter Bandlücke, der in dem Halbleiterelement 1 enthalten ist, umfassen zum Beispiel Siliziumkarbid, ein galliumnitrid-basiertes Material oder Diamant.
  • Das Halbleiterelement mit breiter Bandlücke kann bei einer höheren Temperatur arbeiten als das Siliziumhalbleiterelement. Wenn das Halbleiterelement mit breiter Bandlücke, das geeignet ist, bei einer höheren Temperatur zu arbeiten, anstelle des Siliziumhalbleiterelements als das Halbleiterelement 1 verwendet wird, kann zum Beispiel ein Kühlsystem zum Kühlen des Halbleiterelements 1 vereinfacht werden.
  • Wenn das Halbleiterelement 1 bei einer höheren Temperatur betrieben worden ist, wird mehr Wärme von dem Halbleiterelement 1 durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 an das Bonding-Teil übertragen. Da jedoch die Wärmeabstrahlplatte 6 den verengten Teil 40 aufweist, kann, selbst wenn das Halbleiterelement 1 bei einer höheren Temperatur betrieben worden ist, das Ausmaß, in welchem die von dem Halbleiterelement 1 erzeugte Wärme durch das Bonding-Material 5 zwischen der Metallelektrode 2 und dem isolierenden Substrat 3 durch die Wärmeabstrahlplatte 6 an das Bonding-Teil übertragen wird, verringert werden.
  • <J. Zehnte Ausführungsform>
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Halbleitervorrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen ersten bis neunten Ausführungsformen in einer Leistungskonvertierungsvorrichtung eingesetzt. Die Anwendung der Halbleitervorrichtung gemäß einer der ersten bis neunten Ausführungsformen ist nicht auf eine spezifische Leistungskonvertierungsvorrichtung beschränkt, jedoch wird ein Fall, in welchem die Halbleitervorrichtung gemäß einer der ersten bis neunten Ausführungsformen in einem 3-Phasen-Inverter eingesetzt worden ist, nachfolgend als die zehnte Ausführungsform beschrieben.
  • 11 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungskonvertierungssystems zeigt, in welchem eine Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt worden ist.
  • Das in 11 gezeigte Leistungskonvertierungssystem ist aus einer Leistungsversorgung 14, der Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 und einer Last 16 zusammengesetzt. Die Leistungsversorgung 14 ist eine Gleichstromleistungsversorgung, welche eine Gleichstromleistung an die Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 bereitstellt. Die Leistungsversorgung 14 kann aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt sein, zum Beispiel kann sie aus einem Gleichstromsystem, einer Solarzelle und einer Speicherbatterie zusammengesetzt sein, oder sie kann aus einer Gleichrichterschaltung oder einem mit einem Wechselstromsystem verbundenen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler zusammengesetzt sein. Außerdem kann die Leistungsversorgung 14 aus einem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler aufgebaut sein, welcher eine von dem Gleichstromsystem ausgegebene Gleichstromleistung in eine vorbestimmte elektrische Leistung konvertiert.
  • Die Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 ist der 3-Phasen-lnverter, der zwischen der Leistungsversorgung 14 und der Last 16 angeschlossen ist, und sie konvertiert die von der Leistungsversorgung 14 bereitgestellte Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung und liefert die Wechselstromleistung an die Last 16. Wie in 11 gezeigt, weist die Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 eine Hauptkonvertierungsschaltung 17, welche die Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung konvertiert und die Wechselstromleistung ausgibt, und eine Steuerschaltung 18, welche an die Hauptkonvertierungsschaltung 17 ein Steuersignal ausgibt, das die Hauptkonvertierungsschaltung 17 steuert, auf.
  • Die Last 16 ist ein 3-Phasen-Elektromotor, der durch die Wechselstromleistung angetrieben wird, die von der Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 bereitgestellt wird. Es ist zu beachten, dass die Last 16 ein Elektromotor ist, der auf verschiedenen Arten von elektrischer Ausrüstung montiert ist, und nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt ist, und er wird zum Beispiel als ein Elektromotor für ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, einen Aufzug oder eine Klimaanlage verwendet.
  • Die Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 wird nachfolgend detailliert beschrieben. Die Hauptkonvertierungsschaltung 17 weist ein Schaltelement und eine Freilaufdiode (nicht gezeigt) auf, und durch ein Schalten des Schaltelements konvertiert die Hauptkonvertierungsschaltung 17 eine von der Leistungsversorgung 14 bereitgestellte Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung und liefert die Wechselstromleistung an die Last 16. Obwohl es verschiedene spezifische Schaltungskonfigurationen der Hauptkonvertierungsschaltung 17 gibt, ist die Hauptkonvertierungsschaltung 17 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine 2-Stufen-3-Phasen-Vollbrückenschaltung, und sie kann aus sechs Schaltelementen und sechs Freilaufdioden, die anti-parallel zu jedem der Schaltelemente angeordnet sind, aufgebaut sein. Eine Halbleitervorrichtung 100, welche die Halbleitervorrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen ersten bis neunten Ausführungsformen ist, ist in mindestens einem jedes Schaltelements und jeder Freilaufdiode der Hauptkonvertierungsschaltung 17 eingesetzt. Sechs Schaltelemente sind mit jeden zwei Schaltelementen in Serie verbunden, sodass sie untere und obere Äste bilden, und jeder des oberen und unteren Asts bildet jede Phase (U-Phase, V-Phase und W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Außerdem sind Ausgangsanschlüsse jedes der oberen und unteren Äste, das heißt, die drei Ausgangsanschlüsse der Hauptkonvertierungsschaltung 17, mit der Last 16 verbunden.
  • Außerdem weist die Hauptkonvertierungsschaltung 17 eine Treiberschaltung (nicht gezeigt) auf, welche jedes Schaltelement treibt. Wenn die Halbleitervorrichtung 100 in dem Schaltelement eingesetzt wird, kann die Hauptkonvertierungsschaltung 17 eine Konfiguration aufweisen, in welcher die Halbleitervorrichtung 100 die Treiberschaltung darin integriert aufweist, oder sie kann eine Konfiguration aufweisen, in welcher die Hauptkonvertierungsschaltung 17 die Treiberschaltung getrennt von der Halbleitervorrichtung 100 aufweist. Die Treiberschaltung generiert ein Treibersignal zum Treiben der Schaltelemente der Hauptkonvertierungsschaltung 17 und stellt das Treibersignal an Steuerelektroden der Schaltelemente der Hauptkonvertierungsschaltung 17 bereit. Insbesondere werden ein Treibersignal zum Schalten der Schaltelemente in einen ein-Zustand und ein Treibersignal zum Schalten der Schaltelemente in einen aus-Zustand an die Steuerelektroden jedes Schaltelements gemäß einem Steuersignal von der nachfolgend beschriebenen Steuerschaltung 18 ausgegeben. Wenn die Schaltelemente in dem ein-Zustand gehalten werden, ist das Treibersignal ein Spannungssignal (ein-Signal) gleich oder höher als eine Schwellenwertspannung des Schaltelements, und wenn die Schaltelemente in dem aus-Zustand gehalten werden, ist das Treibersignal ein Spannungssignal (aus-Signal) gleich oder niedriger als die Schwellenwertspannung der Schaltelemente.
  • Die Steuerschaltung 18 steuert die Schaltelemente der Hauptkonvertierungsschaltung 17, sodass die gewünschte elektrische Leistung an die Last 16 bereitgestellt wird. Insbesondere wird eine Zeit, während welcher jedes Schaltelement der Hauptkonvertierungsschaltung 17 in dem ein-Zustand (ein-Zeit) sein sollte, basierend auf der an die Last 16 bereitzustellenden elektrischen Leistung berechnet. Zum Beispiel kann die Hauptkonvertierungsschaltung 17 durch eine PWM-Steuerung gesteuert werden, welche die ein-Zeit der Schaltelemente gemäß der auszugebenden Spannung moduliert. Außerdem wird zu jedem Zeitpunkt ein Steuerkommando (Steuersignal) an die Treiberschaltung, die in der Hauptkonvertierungsschaltung 17 vorgesehen ist, ausgegeben, sodass ein ein-Signal an die Schaltelemente ausgegeben wird, welche in dem ein-Zustand sein sollten, und ein aus-Signal wird an die Schaltelemente ausgegeben, welche in dem aus-Zustand sein sollten. Die Treiberschaltung gibt ein ein-Signal oder ein aus-Signal als ein Treibersignal gemäß dem Steuersignal an die Steuerelektroden jedes Schaltelements aus.
  • In der Leistungskonvertierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann, da die Halbleitervorrichtung gemäß einer der ersten bis neunten Ausführungsformen in mindestens einem der Schaltelemente und den Freilaufdioden der Hauptkonvertierungsschaltung 17 eingesetzt wird, eine Zuverlässigkeit verbessert werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Beispiel, in welchem die Halbleitervorrichtung gemäß einer der ersten bis neunten Ausführungsformen in einem 2-Stufen-3-Phasen-Inverter eingesetzt ist, beschrieben worden, jedoch ist die Anwendung der Halbleitervorrichtung gemäß einer der ersten bis neunten Ausführungsformen nicht darauf beschränkt, und die Halbleitervorrichtung kann in verschiedenen Leistungskonvertierungsvorrichtungen eingesetzt werden. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform eine 2-Stufen-Leistungskonvertierungsvorrichtung verwendet wird, kann auch eine 3-Stufen- oder Mehr-Stufen-Leistungskonvertierungsvorrichtung verwendet werden, und wenn die elektrische Leistung an eine Ein-Phasen-Last bereitgestellt wird, kann die Halbleitervorrichtung gemäß einer der ersten bis neunten Ausführungsformen in einem Ein-Phasen-Inverter eingesetzt werden. Außerdem kann, wenn die elektrische Leistung an eine Gleichstromlast oder dergleichen bereitgestellt wird, die Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten bis neunten Ausführungsformen in einem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler oder einem Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler eingesetzt werden.
  • Außerdem ist die Leistungskonvertierungsvorrichtung, in welcher die Halbleitervorrichtung gemäß einer der ersten bis neunten Ausführungsformen eingesetzt wird, nicht auf den vorstehend beschriebenen Fall beschränkt, in welchem die Last ein Elektromotor ist, und die Leistungskonvertierungsvorrichtung kann zum Beispiel als eine Leistungsversorgungsvorrichtung einer Funkenerosionsmaschine, einer Lasermaschine, eines Induktionsherds oder eines kontaktlosen Leistungsversorgungssystems verwendet werden, und kann sie weiter als ein Leistungsregler eines photovoltaischen Energieerzeugungssystems, eines Energiespeichersystems oder dergleichen verwendet werden.
  • <K. Elfte Ausführungsform>
  • 12 zeigt einen mobilen Körper 20 der vorliegenden Ausführungsform. Der mobile Körper 20 weist die Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 gemäß der zehnten Ausführungsform auf. Der mobile Körper 20 konvertiert eine von außen eingegebene Gleichstromleistung durch die Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 in eine Wechselstromleistung und arbeitet unter Verwendung der Wechselstromleistung. Der mobile Körper 20 bewegt sich durch einen Motor, der durch die Wechselstromleistung betrieben wird, die von der Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 ausgegeben wird.
  • Durch das Versehen des mobilen Körpers 20 mit der Leistungskonvertierungsvorrichtung 15 gemäß der zehnten Ausführungsform als die Leistungskonvertierungsvorrichtung kann eine Zuverlässigkeit verbessert werden.
  • Obwohl in 12 ein Fall angenommen wird, in welchem der mobile Körper 20 ein Schienenfahrzeug ist, ist der mobile Körper 20 nicht auf ein Schienenfahrzeug beschränkt und kann zum Beispiel ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Aufzug oder dergleichen sein.
  • Es ist zu beachten, dass jede der Ausführungsformen frei kombiniert werden kann und jede der Ausführungsformen nach Bedarf modifiziert oder weggelassen werden kann.
  • Erklärung der Bezugszeichen
    • 1
    Halbleiterelement
    2
    Metallelektrode
    3, 3a, 3b
    isolierendes Substrat
    4
    Metallstrukturen
    5
    Bonding-Material
    6
    Wärmeabstrahlplatte
    7
    Draht
    8
    Gehäuse
    9
    Versiegelungsmaterial
    10, 10b, 10c
    Loch
    11
    innere Aushöhlung
    12a, 12b, 13, 13b, 13c, 13d
    Vertiefungsteil
    15
    Leistungskonvertierungsvorrichtung
    20
    mobiler Körper
    30, 30a, 30b
    isolierende Schicht
    40
    verengter Teil
    70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 100
    Halbleitervorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2005276968 [0003]

Claims (21)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: eine Wärmeabstrahlplatte; mindestens ein isolierendes Substrat; ein Halbleiterelement; und eine Metallelektrode, wobei das mindestens eine isolierende Substrat auf einer Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, das Halbleiterelement über eins des mindestens einen isolierenden Substrats auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, die Metallelektrode über eins des mindestens einen isolierenden Substrats auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, und die Wärmeabstrahlplatte in einem Bereich zwischen einem Bereich, wo das Halbleiterelement gebondet ist, und einem Bereich, wo die Metallelektrode gebondet ist, einen verengten Teil aufweist, der eine schmalere Breite in einer Dickenrichtung aufweist als Breiten anderer Stellen.
  2. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmeabstrahlplatte mit mindestens einer inneren Aushöhlung oder mindestens einer Durchgangsbohrung oder mindestens einer Sackbohrung versehen ist, die eine Öffnung in einer Seitenoberfläche der Wärmeabstrahlplatte aufweist, und der verengte Teil aufgrund der mindestens einen inneren Aushöhlung, der mindestens einen Durchgangsbohrung oder der mindestens einen Sackbohrung eine schmalere Breite in der Dickenrichtung als die Breiten anderer Stellen aufweist.
  3. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei sich eine der mindestens einen inneren Aushöhlung, der mindestens einen Durchgangsbohrung oder der mindestens einen Sackbohrung in einer Richtung erstreckt, welche eine Richtung kreuzt, die einen Bereich, wo das Halbleiterelement gebondet ist, und einen Bereich, wo die Metallelektrode gebondet ist, verbindet.
  4. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Wärmeabstrahlplatte durch ein Kombinieren einer Mehrzahl von unabhängigen Teilen ausgebildet ist, und eine der mindestens einen inneren Aushöhlung, der mindestens einen Durchgangsbohrung oder der mindestens einen Sackbohrung durch ein Zusammenbringen von Vertiefungsteilen auf Seitenoberflächen von zwei oder mehr der Mehrzahl von unabhängigen Teilen ausgebildet ist.
  5. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Wärmeabstrahlplatte mit einer Mehrzahl von inneren Aushöhlungen, einer Mehrzahl von Durchgangsbohrungen oder einer Mehrzahl von Sackbohrungen als die mindestens eine innere Aushöhlung, die mindestens eine Durchgangsbohrung oder die mindestens eine Sackbohrung versehen ist.
  6. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine der mindestens einen inneren Aushöhlung, der mindestens einen Durchgangsbohrung oder der mindestens einen Sackbohrung eine innere Aushöhlung, eine Durchgangsbohrung oder eine Sackbohrung ist, die eine Säulenform, eine quadratische Prismenform oder eine dreieckige Prismenform aufweist.
  7. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine Vertiefungsteil auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte vorgesehen ist, und die Breite des verengten Teils in der Dickenrichtung durch den mindestens einen Vertiefungsteil verengt wird.
  8. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Wärmeabstrahlplatte mit einer Mehrzahl von Vertiefungsteilen als dem mindestens einen Vertiefungsteil versehen ist.
  9. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei sich einer des mindestens einen Vertiefungsteils in einer Richtung erstreckt, welche eine Richtung kreuzt, die einen Bereich, wo das Halbleiterelement gebondet ist, und einen Bereich, wo die Metallelektrode gebondet ist, verbindet.
  10. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei einer des mindestens einen Vertiefungsteils einen rechteckigen, einen V-förmigen oder einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.
  11. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei mindestens ein Vertiefungsteil auf einer Hauptoberfläche auf einer Seite gegenüber der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte vorgesehen ist, und die Breite des verengten Teils in der Dickenrichtung durch den mindestens einen Vertiefungsteil verengt wird.
  12. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Wärmeabstrahlplatte mit einer Mehrzahl von Vertiefungsteilen als dem mindestens einen Vertiefungsteil versehen ist.
  13. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei sich einer des mindestens einen Vertiefungsteils in einer Richtung erstreckt, welche eine Richtung kreuzt, die einen Bereich, wo das Halbleiterelement gebondet ist, und einen Bereich, wo die Metallelektrode gebondet ist, verbindet.
  14. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei einer des mindestens einen Vertiefungsteils einen rechteckigen, einen V-förmigen oder einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.
  15. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Halbleiterelement über ein erstes isolierendes Substrat, welches eins des mindestens einen isolierenden Substrats ist, auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, die Metallelektrode über das erste isolierende Substrat auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, das erste isolierende Substrat durch ein Lötmittel an einer Position, die mindestens einem des mindestens einen Vertiefungsteils zugewandt ist, an die Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, und das Lötmittel in dem Vertiefungsteil enthalten ist, der dem ersten isolierenden Substrat zugewandt ist.
  16. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Halbleiterelement über ein zweites isolierendes Substrat, welches eins des mindestens einen isolierenden Substrats ist, auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist, und die Metallelektrode über ein drittes isolierendes Substrat, welches eins des mindestens einen isolierenden Substrats ist und sich von dem zweiten isolierenden Substrat unterscheidet, auf der einen Hauptoberfläche der Wärmeabstrahlplatte gebondet ist.
  17. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Wärmeabstrahlplatte Kupfer, Aluminium oder beides aufweist.
  18. Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Halbleiterelement einen Halbleiter mit breiter Bandlücke aufweist.
  19. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei der Halbleiter mit breiter Bandlücke Siliziumkarbid, ein galliumnitrid-basiertes Material oder Diamant ist.
  20. Leistungskonvertierungsvorrichtung, aufweisend: eine Hauptkonvertierungsschaltung, welche die Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 aufweist, und welche eine eingegebene elektrische Leistung konvertiert und die konvertierte elektrische Leistung ausgibt; und eine Steuerschaltung, welche an die Hauptkonvertierungsschaltung ein Steuersignal ausgibt, das die Hauptkonvertierungsschaltung steuert.
  21. Mobiler Körper, aufweisend: die Leistungskonvertierungsvorrichtung gemäß Anspruch 20; und einen Elektromotor, der durch die elektrische Leistung angetrieben wird, die von der Leistungskonvertierungsvorrichtung ausgegeben wird.
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