DE69216016T2 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, wie zum Beispiel einen bipolaren IsolierschichtTransistor (IGBT), in dem viele Halbeiteranordnungen in einem Behälter untergebracht sind, wobei deren Elektroden mit einem Anschluß verbunden sind, der aus dem Behälter herausgezogen ist.
  • Im US Patent 3.401.317, wird eine Anordnung beschrieben, in der ein Sicherungsglied enthalten ist, indem ein Ende einer Spannfeder an einer Leiterplatte eines Leiterplatten-Paares weichgelötet ist, das andere Ende der Feder an die andere Leiterplatte des Paares hartangelötet ist, und die Leiterplatten auseinander gehalten werden, um der Feder eine Zugspannung aufzuerlegen. Wenn die Temperatur der Weichlot-Verbindung steigt, löst sich die Verbindung und die Feder zieht sich zusammen, wobei die elektrische Verbindung zwischen den Leiter-Platten unterbrochen wird.
  • Das Französische Patent 2.555.812 beschreibt eine Anordnung zum Befestigen einer Mehrzahl von IC-Chips auf einem Substrat, wobei jeder Chip in thermischen Kontakt mit einem wärmeableitenden Block steht, der selbst in thermischen Kontakt mit einen wärmeleitenden Deckel ist, der die IC-Chip-Anordnung abdeckt, wobei ein äußerer Kühlkörper an Außenseite des Deckels angebracht ist.
  • In einem Modul, in dem zum Beispiel viele IGBT-Chips in einem Behälter untergebracht und parallel verbunden sind, können die unter den Chips befindlichen Kollektorelektroden miteinander verbunden werden, indem die Chips auf einem elektrisch leitendem Substrat befestigt werden, aber die auf den Chips befindlichen Emitterelektroden müssen einzeln mit einem Leiter verbunden werden,
  • der an einen Anschluß angeschlossen ist, der sich aus dem Behälter erstreckt. Eine solche Verbindung wurde früher herkömmlich durch Aluminium-Verbindungsleitungen hergestellt, mit vielen mit einem Chip in Abhängigkeit von der Strombelastbarkeit verbundenen Leitungen.
  • Die industriellen und fahrzeugtechnischen Anwendungen haben in den letzten Jahren zu der Forderung geführt, daß IGBT-Module höherer Belastbarkeiten als herkömmliche Module aufweisen und daß sie kompakt sind und eine niedrige Induktivität haben. Jedoch erlaubt es der herkömmliche Modulaufbau, in dem die Verbindung von der Emitterseite auf Aluminium-Leitungsverbindung beruht, daß Wärme von der Kollektorseite abgeleitet wird, indes nicht von der Emitterseite. Je größer die Belastbarkeit der Module ist, desto größer muß als Resultat die Anzahl der IGBT-Chips sein, die in dem Modul integriert werden müssen, was einen unvermeidlichen Größenzuwachs des Moduls selbst erzeugt. Zusätzlich muß die Anzahl der im Modul verbundenen Aluminiumleitungen notwendigerweise von einigen Duzend zu einigen Hundert Leitungen zunehmen, was die Induktivität jeder einzelnen Leitung anwachsen läßt, was es wiederum schwierig macht, das Modul bei Anwendungen mit hohen Frequenzen zu verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung soll eine Halbleiteranordnung bereitstellen, die fähig ist, die Anzahl der Halbleiterelemente herunterzudrücken, indem nicht nur die Wärmeableitung von den IGBT-Modulen verbessert wird, sondern auch von der Oberseite der Halbleiterelemente, auch wenn ihre Belastbarkeit erhöht wird, und dafür zu sorgen, daß sie dennoch fähig ist, die innere Induktivität zur Verbindung zu den oberen Elektroden nicht zu erhöhen.
  • Um die obigen Ziele zu erreichen, hat eine Halbleiteranordnung nach der vorliegenden Erfindung einen Aufbau, in dem eine Mehrzahl von Halbleiterelementen in einem Behälter untergebracht sind, Elektroden an einer Seite jedes Elements hergestellt werden, um mit kontaktherstellenden Körpern Verbindung aufzunehmen, die aus einem Metall bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sich dem des Materials der Halbleiterelemente nähert, und die Elektroden durch elektrisch leitende Federn unter Druck gesetzt werden, die zwischen den kontaktherstellenden Körper und einem Anschluß-Körper angeordnet sind, dessen eine Seite nach außen offenliegt.
  • Alternativ können eine Mehrzahl von Halbleiterelementen in einem Behälter untergebracht werden, mit an einer Seite jedes Elements hergestellten Elektroden, um mit kontaktherstellenden Körpern Verbindung aufzunehmen, die aus einem Metall bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sich dem des Materials der Halbleiterelemente nähert, und mit einem wärmeleitenden, druckausübenden Körper über elektrisch leitende Platten gekoppelt ist, wobei die Elektroden durch wärmeleitende Federn, die zwischen dem druckausübenden Körper und einem Anschluß-Körper angeordnet sind, dessen eine Seite nach außen offenliegt, und die elektrisch leitende Platten jedem Element gemeinsam sind und elektrisch mit dem Anschluß-Körper verbunden sind. Vorteilhafterweise sind Auflageplatten, die aus einem Metall bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sich dem des Materials der Halbleiterelemente nähert zwischen die Elektroden auf der anderen Seite jedes Halbleiterelements und dem anderen Anschluß-Körper eingeschoben, dessen eine Seite nach außen offenliegt. Es ist ebenfalls vorteilhaft, daß der Raum innerhalb des Behälters mit einem wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel einem Gel, gefüllt wird.
  • Infolge der kontaktherstellenden Körper und der elektrisch leitenden, und daher wärmeleitenden Federn, die zwischen die Elektroden auf der einen Seite jedes Halbleiterelements und einem teilweise offenliegenden Anschluß- Körper angeordnet sind, und der kontaktherstellenden, aus Metall bestehenden Körpern und den druckausübenden Körpern, die mit den kontaktherstellenden Körpern über eingeschobene elektrisch leitende Platten gekoppelt sind, wird die an den Halbleiterelementen erzeugte Wärme auf den Anschluß-Körper durch den kontaktherstellenden Körper und die Feder, oder durch den kontaktherstellenden Körper, die druckausübenden Körper und die Feder übertragen. Daher wird diese Wärme durch die offenliegende Fläche dieses Anschlußkörpers nach außen abgeleitet, wodurch eine Erhöhung der Strombelastbarkeit jedes Halbleiterelements ermöglicht wird. Darüberhinaus ist, da es möglich ist den Strom direkt zu dem Anschluß-Körper durch die kontaktherstellenden, aus Metall bestehenden Körper zu leiten oder zu dem Anschluß-Körper von den kontaktherstellenden Körpern durch gemeinsame elektrisch leitende Platten, eine Verbindung zwischen jedem Element und den Elektroden unter Verwendung von Leitungsverbindungen nicht länger erforderlich, was wiederum zu einer Verminderung der Induktivität führt. Desweiteren wird die Wärmeableitung durch Füllung mit einem Gel-Material verbessert, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  • Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die zeichnungen beschrieben werden, in denen:
  • Figur 1 ein Teil-Querschnitt eines IGBT-Moduls gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • Figur 2 eine Draufsicht eines IGBT-Chips ist;
  • Figur 3 ein Teil-Querschnitt eines IGBT-Moduls gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • Figur 4 eine perspektivische Umrißzeichnung eines IGBT-Moduls gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist; und
  • Figur 5 eine Seitenansicht einer Wechselrichter-Baugruppe ist, die IGBT-Module gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • Die in Figur 1 gezeigte Ausführung besitzt einen Aufbau, bei dem die Glieder, die eine Rolle bei der Wärmeableitung spielen, auch als Stromwege dienen. An der oberen Oberfläche des aus Silizium bestehenden und in der Figur gezeigten IGBT 1, ist die Emitter-Sammelelektrode 11 so angeordnet, daß sie den Torelektroden-Aufbau abdeckt, wie in der Draufsicht der Figur 2 gezeigt wird, während die Kollektorelektrode 12 unterhalb des IGBT-chips angeordnet ist. Die Kante 13 ist um den Umfang des Chips 1 herum ausgebildet, um die Haltespannung sicherzustellen. Die Kollektorelektrode 12 ist an eine Auflageplatte 2 hartgelötet oder angeschweißt, die aus Molybdän (MO) besteht und annähernd den gleichen thermischer Ausdehnungskoeffizienten wie die aus Silizium bestehende Platte aufweist. Diese Mo- Platte 2 ist an der aus Kupfer bestehenden Kollektoranschluß-Platte 3 befestigt, deren eine Fläche nach außen offenliegt, über die Zwischen-Platte 20 unter Verwendung von Schrauben 41. Jedoch kann die Platte eher hart- oder weichgelötet werden, als daß sie festgeschraubt wird. Die kontaktherstellende Mo-Platte 5 ist in Kontakt mit der Oberfläche der Emitter-Sammelelektrode 11. Die ringförmige Feder 6 ist zwischen dieser kontaktherstellende Mo- Platte 5 und der Emitteranschluß-Platte 7 angeordnet, die nach außen offenliegt. Die Feder besteht aus Stahl, der eine Dicke von etwa 2 mm aufweist, und eine gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit zeigt. Die Feder wird an der Mo-Platte 5 und der Anschluß-Platte 7 mit Schrauben 42 festgeschraubt. Deshalb sind die Strom- und Wärmewege, die aus der Emitter-Sammelelektrode 11, der Mo-Platte 5 und der Feder 6 bestehen, zwischen dem Chip 1 und der Emitteranschluß-Platte 7 angebracht. Bei diesem Aufbau wird ein unter Druck stehender Kontakt zwischen der kontaktherstellenden Mo-Platte 5 und der Emitter-Sammelelektrode 11 geschaffen, und die Mo-Platte 5 kann zum Beispiel an die aus Aluminium (A1) bestehende Elektrode 11 angeschweißt werden.
  • Die Feder 6 dient auch in diesem Fall dazu, die Zuverlässigkeit der Verbindung des Chips 1 zu der kontaktherstellenden Mo-Platte 5 oder der Mo-Auflageplatte 2 zu erhöhen. Obwohl nicht gezeigt, ist die Torelektrode über Al- Leitungsverbindung mit dem Tor-Anschluß verbunden, der nach außen offenliegt.
  • Figur 3 zeigt einen Aufbau, bei dem die Glieder, die die Rolle der Wärmeableitung spielen, und die Glieder, die als Stromflußweg wirken, unabhängig voneinander sind, wobei den Teilen, die mit denen in Figur 1 gemeinsam sind, die gleichen Bezugsziffern gegeben werden. In diesem Fall wird die A1203-(Aluminiumoxid)-Platte 9, die ein Isolator ist, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, an der kontaktherstellenden Mo-Platte 5 durch die Schraube 43 befestigt, mit einer Kupfer-Platte, die eine Dicke von etwa 1 mm hat, gehalten zwischen der Aluminiumoxid-Platte und der kontaktherstellenden Mo-Platte, und die Feder 61, die aus Silber (Ag) besteht und eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, wird in zwei Schritten zwischen die A1203-Platte 9 und der Emitteranschluß-Platte 7 eingefügt. Die Cu-Platte 8 wird gebogen und an in der Figur nicht gezeigten Punkten auf die Anschluß-Platte 7 angeschraubt oder hartgelötet. Auf diese Weise wird ein wärmeableitender Weg hergestellt, der aus der Emitter-Sammelelektrode 11, der kontaktherstellenden Mo-Platte 5, der Cu Platte 8, der A1203 Platte 9, und der Feder 61 besteht, und ein Stromflußweg, bestehend aus der kontaktherstellenden Mo-Platte 5 und der Cu- Platte 8, wird zwischen dem Chip 1 und der Emitteranschluß-Platte 7 hergestellt. Unterdessen werden ein Abschnitt der A1203-Platte und die Feder 61 in den ausgesparten Teil 71 der Anschluß Platte 7 eingesetzt, um die Höhe des Behälters so niedr£g wie möglich zu halten, und ein Teil der Wärme breitet sich von der Seite der A1203- Platte 9 zur Innenseite des ausgesparten Teils 71 durch den Zwischenraum aus.
  • Wie in den Figuren 1 und 3 gezeigt, ist es möglich, ein IGBT-Modul so herzustellen, daß sein Volumen auf etwa die Hälfte von herkömmlichen Modulen reduziert wird, um es dem Modul zu gestatten, von beiden Seiten gekühlt zu werden. Desweiteren wird die Wärmeableitung in Richtung der Emitteranschluß-Seite 7 durch das Einbringen eines Gels mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verbessert, wie es zum Beispiel ein Kunstoffgel ist, das Aluminiumoxid enthält.
  • Figur 4 zeigt die äußere Erscheinung eines IGBT-Moduls, wie es in den Figuren 1 und 3 veranschaulicht worden ist, bei dem die Emitteranschluß-Platte 7 an der Oberseite des Behälters, umgeben von isolierenden Seitenwänden 10, offenliegt, während der Toranschluß 13 aus einer Seite herausragt. Der Emitteranschluß 7 ist mit Kühlkörper-Befestigungslöchern 72 durchbohrt.
  • Figur 5 veranschaulicht den Aufbau des obenerwähnten IGBT-Moduls, das als Dreiphasen-Wechselrichter-Baugruppe aufgebaut ist. Sechs IGBT-Module sind mehrlagig in drei Teilen, von denen jedes aus zwei Modulen besteht, über drei dazwischenliegende Kühlkörper 23 zwischen zwei Kühlkörpern 22 angeordnet. In die Kühlkörper 22 und 23 sind Löcher 24 gebohrt, um Wärmeübertragungsrohre einzusetzen oder Kühlwasser fließen zu lassen. Da die niederinduktiven Module so zusammengebaut sind, daß die Kühlkörper, die auch als elektrische Verbindungsglieder dienen, wie oben beschrieben auf beiden Seiten des Moduls in Kontakt mit den Anschluß Platten sind, besitzt die Wechselrichter-Baugruppe als auch Ganzes eine niedrige Induktivitgt und ist kompakt. Obwohl die obigen Ausführungen in Bezug auf IGBT- Module erläutert wurden, versteht es sich von selbst, daß die Ausführungen auch auf ein Modul angewandt werden kann, daß viele andere Halbleiterelemente einschließt.
  • Durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung, indem die kontaktherstellenden Körper auf die Elektroden jedes Halbleiterelements gedrückt werden, wobei eine Feder verwendet wird, die den Kontakt mit der Innenseite einer Anschluß-Platte herstellt, in der eine Seite der Halbleiteranordnung, die viele Halbleiterelemente in einem Behälter enthält, zur Außenseite des Behälters offenliegt, und indem gleichzeitig die Feder als ein Teil der Wege für Wärme und Strom verwendet wird, ist es möglich, Wärme von beiden Seiten eines Substrats abzuleiten, wodurch es ermöglicht wird, ein Modul mit einem kleinen Volumen herzustellen, um eine große Strombelastbarkeit auszuhalten, und sich unterscheidet von herkömmlichen Halbleiteranordnungen, in denen elektrische Verbindungen durch Leitungsverbindungen ausgeführt werden. Zusätzlich wird, da keine Leitungen für Verbindungen innerhalb des Behälters verwendet werden, die innere Induktivität herabgesetzt, wodurch es ermöglicht wird, das Modul in hohen Frequenzbereichen zu verwenden.

Claims (4)

1. Halbleiteranordnung, in der eine Mehrzahl von Halbleiterelementen (1) in einem Behälter untergebracht sind, Elektroden (11) an einer Seite jedes Elements hergestellt werden, um mit kontaktherstellenden Körpern (5) Verbindung aufzunehmen, die aus einem Metall bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sich dem des Materials der Halbleiterelemente (1) nähert, und die Elektroden (11) durch elektrisch leitende Federn (6) unter Druck gesetzt werden, die zwischen den kontaktherstellenden Körper (5) und einem Anschluß-Körper (7) angeordnet sind, dessen eine Seite nach außen offenliegt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, in der die kontaktherstellenden Körper (5) mit einem wärmeleitenden, druckausübenden Körper (9) über elektrisch leitende Platten (8) gekoppelt sind, wobei die Federn wärmeleitende Fedem (61) sind, die zwischen dem druckausübenden Körper (9) und dem Anschluß-Körper (7) angeordnet sind, dessen eine Seite nach außen offenliegt, und die elektrisch leitende Platten (8) jedem Element gemeinsam sind und elektrisch mit dem Anschluß-Körper (7) verbunden sind.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, in der Auflageplatten (2) vorgesehen sind, die aus einem Metall bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient sich dem des Materials der Halbleiterelemente nähert und die Platten (2) zwischen die Elektroden (12) auf der anderen Seite jedes Halbleiterelements (1) und einem anderen jeweiligen Anschluß-Körper (3) eingeschoben sind, dessen eine Seite nach außen offenliegt.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, in der der Raum innerhalb des Behälters mit einem wärmeleitenden Gel-Material gefüllt wird.
DE69216016T 1991-09-13 1992-09-04 Halbleiteranordnung Expired - Lifetime DE69216016T2 (de)

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