DE69908053T2 - Leistungsmodulsubstrat sowie sein herstellungsverfahren, und halbleitervorrichtung mit dem substrat - Google Patents

Leistungsmodulsubstrat sowie sein herstellungsverfahren, und halbleitervorrichtung mit dem substrat Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Leistungsmodulsubstrat zu Verwendung in einem Leistungsmodul, welches Wärme ableitet, einem Verfahren zu seiner Herstellung, sowie einer Halbleitervorrichtung, welche das Substrat enthält, und im Besonderen mit einem Leistungsmodulsubstrat, welches so aufgebaut ist, dass es mit Hilfe von Außengewindeschrauben direkt mit einem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ verbunden werden kann, einem Verfahren zu seiner Herstellung, sowie einer Halbleitervorrichtung, welche das Substrat enthält.
  • Diskussion des Hintergrunds
  • Ein geläufiges Substrat für ein Leistungsmodulsubstrat, wie er in 22 dargestellt ist, ist von demjenigen Typ, bei dem ein keramisches Substrat 1 aus AlN hergestellt ist, und erste und zweite Kupferplatten 2 und 3 an den gegenüber liegenden Seiten des keramischen Substrats 1 aufgeschichtet und mit ihm zusammengefügt sind, und eine Ni-Auflage auf der Oberseite eines Kühlkörpers 4, welcher aus Cu hergestellt ist, ausgebildet ist, und der Kühlkörper 4 außerdem auf das zweite Cu-Blech aufgeschichtet ist und durch ein Lötmittel 6 angefügt ist. Im Fall einer Halbleitervorrichtung, die über ein Halbleiterelement 7 verfügt, das an diesem Substrat angebracht ist, ist die Aufheizung relativ groß. Deswegen wird die Halbleitervorrichtung mit einem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 8 verbunden, welcher die Wärme durch die Zirkulation von Kühlwasser 8a in seinem Inneren forciert nach außen ableitet. Die Befestigung des Leistungsmodulsubstrats auf dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 8 wird durch die Ausbildung von Befestigungslöchern 4a im Kühlkörper 4 erreicht, sowie durch das Hindurchschieben von Außengewindeschrauben 9 durch die Befestigungslöcher 4a, und indem die Außengewindeschrauben 9 in Innengewindeschrauben 8b, die in dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 8 ausgebildet sind, eingeschraubt werden. In der Halbleitervorrichtung, die so wie es oben beschrieben worden ist, verbunden wurde, wird Wärme, welche vom Halbleiterelement und so weiter emittiert wird, von dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 8 durch das erste Kupferblech 2, das keramische Substrat 1, das zweite Kupferblech 3, das Lötmittel 6 und den Kühlkörper 4 nach außen abgeleitet.
  • In der oben beschriebenen, konventionellen Halbleitervorrichtung ist der Weg des Wärmetransfers vom Halbleitereiement 7 oder etwas Ähnlichem zum Kühlköper vom Wasserkühlungs-Typ 8 relativ lang. Es wirkt sich dabei insbesondere störend aus, dass Wärme von dem Halbleiterelement 7 nicht effizient zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 8 transferiert werden kann, weil das zweite Kupferblech 3 mit dem Lötmittel 6, das nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, auf den Kühlkörper des Wasserkühlungs-Typ 8 aufgeschichtet und mit ihm verbunden ist. Um dieses Problem zu lösen, könnte vorgeschlagen werden, dass Befestigungslöcher 1a direkt in dem keramischen Substrat 1 ausgebildet werden können, ohne dass dabei der Kühlkörper vorhanden ist, wobei dann die Außengewindeschrauben 9 durch die Befestigungslöcher 1a gesteckt werden und in die Innengewindeschrauben 8b, die sich im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 8 befinden, geschraubt werden, wie es in 21 dargestellt ist, so dass der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 8 abgekürzt wird.
  • Aber in diesem Fall tritt das Problem auf, dass es sehr schwierig ist, Befestigungslöcher 1a herzustellen, nachdem das keramische Substrat gebrannt worden ist, weil das Substrat 1 nach dem Brennen hart und spröde ist. In Hinsicht auf die Ausformung der Befestigungslöcher 1a vor dem Brennen, um das keramische Substrat 1 erst dann zu brennen, tritt weiter das Problem auf, dass die Bohrung der Befestigungslöcher 1a auf Grund des Schrumpfens beim Brennen nicht exakt geformt sein kann. Selbst wenn das Befestigungsloch 1a akkurat geformt werden könnte, besteht die Gefahr, dass das keramische Substrat 1, welches spröde ist, auf Grund der Kraftausübung beim Anziehen der Außengewindeschraube 9, die dann erzeugt wird, wenn das keramische Substrat 1 mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 8 verbunden wird, einen Sprung bekommen könnte.
  • US-A-5,155,661 und US-A-5,172,755 offenbaren ein Leistungsmodulsubstrat, welches ein keramisches Substrat, mit einem, auf seiner Oberfläche ausgebildeten, Schaltkreis umfasst, sowie einen festen Rahmen, der sich am Rand des keramischen Substrats befindet, und so aufgebaut ist, dass das keramische Substrat mit einem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ verbunden werden kann. Die Verwendung von Metallfeinblechen, um einen geeigneten Weg zur Integration von Rahmen und keramischem Substrat bereitzustellen, wird nicht offenbart. JP-A-7 078 936 offenbar ein Leistungsmodulsubstrat, welches ein Substrat umfasst, welches über einem, auf ihm ausgebildeten, Schaltkreis und einem Metallrahmen, der sich am Rand des Substrats befindet, verfügt, wobei das Substrat nicht aus Metall ist. Die Verwendung von Metallfeinblechen, um einen geeigneten Weg zur Integration des Rahmens und des keramischen Substrats bereitzustellen, wird nicht offenbart.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Daraus folgernd ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Leistungsmodulsubstrat bereitzustellen, bei welchem der Weg des Wärmetransfers von einem Halbleiterelement zu einem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ verkürzt ist, und bei welchem Wärme deshalb vom Halbleiterelement effektiv abgegeben werden kann, ohne dass dabei das keramische Substrat beschädigt wird, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine Halbleitervorrichtung, in welcher das Substrat enthalten ist.
  • Gemäß den Merkmalen der vorliegenden Erfindung, wie sie in den FIG. 1 und 6 dargestellt sind, wird ein Leistungsmodulsubstrat bereitgestellt, welches ein keramisches Substrat 11 umfasst, auf dessen Oberfläche ein Schaltkreis 17 ausgebildet ist, und welches einen Metallrahmen 12 besitzt, der sich am Rand des keramischen Substrats 11 befindet, und welches so strukturiert ist, dass das keramische Substrat 11 mit einem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden werden kann.
  • In diesem Leistungsmodulsubstrat ist das keramische Substrat 11 durch den Metallrahmen 12 mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden. Außengewindeschraubens diesem Grund wird keine externe Kraft aus das keramische Substrat 11 direkt ausgeübt, und das Brechen des keramischen Substrat 11, als Folge des Verbindens, wird verhindert. Wärme aus der Halbleitervorrichtung, die aus dem Schaltkreis 17 angebracht ist, kann effektiv zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und abgegeben werden.
  • Das keramische Substrat 11 besteht vorzugsweise aus Aln, Si3N4 oder Al2O3. Wenn AlN als keramisches Substrat 11 eingesetzt wird, werden die thermische Leitfähigkeit und die Hitzeresistenz erhöht. Die Verwendung von Si3N4 verbessert die Härte und die Hitzeresistenz. Durch die Verwendung von Al2O3 wird die Hitzeresistenz erhöht.
  • In dem obigen Leistungsmodulsubstrat ist der Metallrahmen 12 vorzugsweise genauso dick, wie das keramische Substrat 11, oder wie das keramische Substrat 11, das über den Schaltkreis 17 verfügt, und ist mit einer Vielzahl von Perforationen 12a versehen, die so geformt sind, dass sie das keramische Substrat 11 umschließen, und Metallfeinbleiche 13, die über durchgehende Löcher 13a verfügen, welche in Verbindung mit den entsprechenden Perforationen 12a stehen, und die Kontaktbereiche 13b enthalten, deren Unterseiten wenigstens teilweise die ringsum verlaufende Oberfläche des keramischen Substrats 11 oder des Schaltkreises 17 berühren, befinden sich auf der Oberfläche des Metallrahmens 12, wobei das keramische Substrat 11, auf dem sich der Schaltkreis 17 befindet und das Kontakt mit den Unterseiten der Kontaktbereiche 13b hat, mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden werden kann, indem Außengewindeschrauben 26 in die durchgehende Löcher 13a und die Perforationen 12a inseriert werden, und die Außengewindeschrauben 26 in Innengewindeschraube 27a, welche in dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben 26 noch weiter in Befestigungslöcher 27a, welche so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, eingesteckt werden, und in die Muttern 31 geschraubt werden.
  • Wie oben beschrieben worden ist, sind die Perforationen 12a und die durchgehende Löcher 13a in dem Metallrahmen 12 ausgebildet, und die Metallfeinbleche 13 sind entsprechend an der Oberfläche des Metallrahmens 12 angebracht. Wenn also die Außengewindeschrauben 26 durch die durchgehende Löcher 13a und die Perforationen 12a gesteckt werden und in die Innengewindeschrauben 27a (FIG. 2C), die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt werden, oder weiter durch die Befestigungslöcher 27c, die so geformt sind, dass die den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, gesteckt werden und in Muttern 31 (6) geschraubt werden, wird die Kraft beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26 folglich nicht direkt auf das keramische Substrat 11 ausgeübt, wodurch das Zerbrechen des keramischen Substrats 11 verhindert wird, das ansonsten durch die Kraftausübung beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26 bewirkt werden könnte. Wärme aus einem Halbleiterelement, welches auf dem Schaltkreises 17 angebracht ist, kann effektiv zu dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und abgeleitet werden.
  • In dem Fall, wenn der Metallrahmen 12 und das Metallfeinblech 13, das sich auf der Oberfläche des Metallrahmens 12 befindet, aus einem Material hergestellt sind, das im Vergleich zu dem keramischen Material 11 relativ leicht herzustellen ist, und die durchgehende Löcher 13a sowie die Perforationen 12a in dem Metallfeinblech 13 und dem Metallrahmen 12 entsprechend ausgebildet sind, indem sie diese durchdringen, können Befestigungslöcher in dem Leistungsmodulsubstrat einfach und mit hoher Präzision bei der Bohrung hergestellt werden.
  • Wie es in 8 gezeigt ist, wird es ebenfalls bevorzugt, dass ein Metallrahmen 62 dicker als das keramische Substrat 11 ist, oder als das keramische Substrat mit dem Schaltkreises 17, und mit einer Vielzahl von Perforationen 62a, die so geformt sind, dass sie das keramische Substrat 11 umschließen, versehen ist, und dass ein Metallfeinblech 13, das über durchgehende Löcher 63a verfügen, welche in Verbindung mit den entsprechenden Perforationen 62a stehen und einander gegenüberliegende Bereiche 63b enthalten, deren Unterseiten wenigstens einem Teil der ringsum verlaufenden Oberfläche des keramischen Substrats 11 gegenüberliegen, oder dem Schaltkreis 17, sich auf der Oberfläche des Metallrahmens 62 befindet, und elastische Stücke 64, von denen jedes eine Dicke hat, die der Differenz zwischen dem keramischen Substrat 11, oder dem keramischen Substrat 11 mit dem Schaltkreis 17, und dem Metallrahmen 62 entspricht, oder ein bisschen größer als die Differenz ist, jeweils zwischen die Oberfläche des keramischen Substrats 11, oder des Schaltkreises 17, und die gegenüberliegenden Bereiche 63b eingefügt sind, wobei das keramische Substrat 11, auf welchem sich der Schaltkreis 17 befindet, und welches durch die elastischen Stücke 64 Kontakt mit den Unterseiten der gegenüberliegenden Bereiche 63b hat, mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden werden kann, indem Außengewindeschrauben durch die durchgehende Löcher 63a und die Perforationen 62a gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a, die in dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben 26 weitet in die Befestigungslöcher 27a, die in dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben 2b jeweils in die Muttern 31 geschraubt werden.
  • In dem obigen Leistungsmodulsubstrat wird das Zerbrechen des keramischen Substrats 11, das durch die Kraftausübung beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26 verursacht werden könnte, verhindert. Wärme vom Halbleiterelement 23, das auf dem Schaltkreises 17 montiert ist, kann auf effektive Weise zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert werden, und außerdem gleichen die elastischen Stücke 64, die jeweils zwischen die Oberfläche des keramischen Substrats 11, oder des Schaltkreises 17, und die gegenüberliegenden Bereiche 63b eingelegt worden sind, die Fehler bei der Befestigung zwischen dem keramischen Substrat 11 und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 aus, die durch Expansion oder Schrumpfen entstanden sind. Somit wird das Zerbrechen des keramischen Substrats 11, das durch die Temperaturveränderung verursacht werden kann, verhindert.
  • Noch besser sind in dem Leistungsmodulsubstrat sowohl die Oberseite als auch die Unterseite von jedem elastischen Stück 64 jeweils durch ein hitzeresistentes Bindemittel 66 mit der Oberfläche des keramischen Substrats 11, oder mit dem Schaltkreis 17, und der Oberfläche des entsprechenden, gegenüberliegenden Bereichs 36b verbunden.
  • Da das elastische Stück 64 zwischen die Oberfläche des keramischen Substrats 11, oder den Schaltkreis 17, und den entsprechenden gegenüberliegenden Bereich 63b eingelegt und mit ihnen zusammengefügt ist, wird in diesem Leistungsmodulsubstrat verhindert, dass sich das Substrat in seinem Nutzungsumfeld ablöst, was durch Vibration oder etwas Ähnliches bewirkt werden könnte, wodurch das keramische Substrat 11, bei dem der Schaltkreis 17 über die elastischen Stücke 64 in Kontakt mit den Unterseiten der gegenüberliegenden Bereiche 63b steht, auf effektive Weise mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden werden kann.
  • Noch besser hat in dem Leistungsmodulsubstrat aus der vorlegenden Erfindung jedes der elastischen Stricke 64 einen rechteckigen Querschnitt und ein Verhältnis X/Y von 0,08, wobei X die Breite des Querschnitts und Y die Dicke des elastischen Stücks 64 darstellen,
  • Vorzugsweise verfügt das keramische Substrat 11 aus dem Leistungsmodulsubstrat der vorliegenden Erfindung über eine Metallfolie 11a, die an ihre Rückseite angefügt ist, und der Auflagedruck P der Metallfolie 11a, durch welchen das keramische Substrat 11 an den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 gebunden wird, gegen den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27, und der Koeffizient μ der Reibung zwischen der Metallfolie 11a und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 haben ein Verhältnis zueinander, das sich durch die Formel μ P ≤ 10 (MPa) ausdrücken lässt.
  • Dadurch wird eine Verschiebung des keramischen Substrats 11 in horizontaler Richtung, was durch die thermische Expansion bewirkt wird, möglich, und ein Zerbrechen des keramischen Substrats 11 wird verhindert.
  • Der Metallrahmen 72 aus der Leistungsmodulsubstrat der vorliegenden Erfindung, wie es an den 9 und 13 gezeigt ist, befindet sich, bevorzugt an mindestens einem Teil des Randes des keramischen Substrats 11, hat eine Dicke, die genauso oder etwas geringer als diejenige des keramischen Substrats 11 ist, und verfügt über eine Vielzahl von Perforationen 72a, die so geformt sind, dass sie das keramische Substrat 11 umschließen, ein erstes Metallfeinblech 73, in dem sich erste durchgehende Löcher 73a befinden, die in Verbindung mit den entsprechenden Perforationen 72a stehen, und das einen Schaltkreis 72 besitzt, welches in einem Teil des ersten Metallfeinblechs 73 ausgebildet ist, und welcher dem keramischen Substrat 11 gegenüberliegt, ist durch ein Lötmaterial 76 mit der Oberfläche des keramischen Substrats 11 und diejenige des Metallrahmens 72 verbunden, und ein zweites Metallfeinblech 74, in dem sich zweite durchgehende Löcher 74a befinden, die jeweils in Verbindung mit den Perforationen 72a und den ersten durchgehende Löchern 73a stehen, und das dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 gegenüber liegt, ist durch das Lötmaterial 76 mit der Rückseite des keramischen Substrats 11 und derjenige des Metallrahmens 72 verbunden, wodurch das keramische Substrat 11 mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden werden kann, indem die Außengewindeschrauben 26 durch die ersten durchgehende Löcher 73a, die Perforationen 72a und die zweiten durchgehende Löcher 74a gesteckt werden, die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a, die in den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben 26 weiter durch die Befestigungslöcher 27c, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben 26 in die Muttern 31 geschraubt werden.
  • In dem oben beschriebenen Leistungsmodulsubstrat sind die ersten durchgehende Löcher 73a, die Perforationen 72a und die zweiten durchgehenden Löcher 74a jeweils in dem Metallrahmen 72, der mit dem keramischen Substrat 11 zusammengefügt ist, sowie in den ersten und zweiten Metallfeinblechen 73 und 74, die an die Vorderseite und die Rückseite des Metallrahmens 72 gefügt sind, ausgebildet. Wenn folglich die Außengewindeschrauben 26 durch die ersten durchgehende Löcher 73a, die Perforationen 72a und die zweiten durchgehende Löcher 74a gesteckt werden, in die Innengewindeschrauben 27a, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt werden, oder weiter durch die Befestigungslöcher 27c, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, gesteckt werden, und in die Muttern 31 geschraubt werden, dann wird beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26 die Kraft nicht direkt auf das keramische Substrat 11 ausgeübt, wodurch ein Zerbrechen des keramischen Substrats 11, das durch die Kraftausübung beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26 verursacht werden könnte, verhindert wird, Wärme aus dem Halbleiterelement 23, das auf dem Schaltkreises 77 montiert ist, kann auf effektive Weise zu dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert werden.
  • Es ist noch besser, wenn der Metallrahmen 112 des Leistungsmodulsubstrats der vorliegenden Erfindung, wie es in den 14 und 19 gezeigt wird, an mindestens einem Teil des Randes des keramischen Substrats 111 fest angebracht ist und über eine Vielzahl von Perforationen 112a verfügt, die so ausgebildet sind, dass das keramische Substrat 111 zwischen ihnen liegt, Manschetten 116, von denen jede einen zylindrischen Abschnitt 116a umfasst, sowie über ein durchgehendes hoch 116c und einen Flansch 116b, der in Kontakt mit der oberen Seite des Metallrahmens 112 steht, und die zusammen eine Einheit bilden, verfügt, jeweils gleitend durch die Perforationen 112a eingesteckt sind, elastische Stücke 117 jeweils zwischen die Flanschabschnitte 116b und die Oberseite des Metallrahmens 112 eingelegt sind, wodurch das keramische Substrat 111, an welchem der Metallrahmen 112 fest angebracht ist, mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden werden kann, indem die Außengewindeschrauben 26 durch die Perforationen 116c gesteckt werden, die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a, welche im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben 26 weiter durch die Befestigungslöcher 27c, welche im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben 26 in die Muttern 31 geschraubt werden.
  • Es ist noch besser wenn der Metallrahmen 112 des Leistungsmodulsubstrats der vorliegenden Erfindung, wie es in 16 gezeigt wird, mindestens an einem Teil des Randes des keramischen Substrats 111 befestigt ist, und seine vielen Einstecklöcher 112a so geformt sind, dass das keramische Substrat 111 zwischen ihnen liegt, Dichtungen 118, die Verbindungslöcher 118a haben, welche in Verbindung mit den entsprechenden Einstecklöchern 112a stehen, an der Oberseite des Metallrahmens 112 angebracht sind, und elastische Stücke 117 jeweils zwischen die Dichtungen 118 und die Oberseite des Metallrahmens 112 eingelegt werden, wodurch das keramische Substrat 111, an welchem der Metallrahmen 112 fest angebracht ist, mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden werden kann, indem die Außengewindeschrauben 26 gleitend durch die Verbindungslöcher 118a, sowie durch die Einstecklöcher 112b gesteckt werden, die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a, welche im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet Sind, geschraubt werden, oder die Außengewindeschrauben 26 weiter durch die Befestigungslöcher 27c, welche im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben 26 in die Muttern 31 geschraubt werden.
  • Wie aus der obigen Beschreibung zu ersehen ist, können die Perforationen 112a und die Einstecklöcher 112b, da sie in dem Metallrahmen 112, der auf dem keramischen Substrat 111 fest angebracht ist, ausgebildet sind, leicht und mit sehr präziser Bohrung hergestellt werden, im Vergleich zu dem Fall, wenn die Befestigungslöcher 1a direkt in dem keramischen Substrat 1 ausgebildet sind, wie es in FIG. 1 dargestellt ist.
  • Des Weiteren wird dann, wenn das keramische Substrat 111 vermittels der Außengewindeschrauben 26 sowie durch die Verwendung der Perforationen 112a und der Einstecklöcher 112b mir dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden wird, die Kraft beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26 nicht auf das keramische Substrat 111 direkt ausgeübt, wodurch ein Zerbrechen des keramischen Substrat 111, verursacht durch die Kraft, die beim Anziehen der Außengewindeschrauben 2b ausgeübt wird, verhindert wird. Wähne aus dem Halbleiterelement 23, das auf dem Schaltkreises 111a montiert ist, kann auf effektive Weise zu dein Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert werden.
  • Außerdem gleichen die elastischen Stücke 117, die jeweils zwischen die Manschetten 116 oder die Dichtungen 11B und die Oberseite des Metallrahmens 112 eingelegt sind, die Befestigungsfehler zwischen dem keramischen Substrat 111 und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27, die durch Expansion oder Schrumpfen entstanden sind, aus, was durch deren Elastizität bewirkt wird. Dadurch wird ein durch Temperaturveränderungen bewirktes Zerbrechen des keramischen Substrats 111 verhindert.
  • Noch besser ist es, wenn der Metallrahmen 112 des Leistungsmodulsubstrats aus der vorliegenden Erfindung wenigstens teilweise durch Verlöten oder Schweißen an dem keramischen Substrat 111 fest angebracht wird.
  • Durch Verlöten oder Schweißen, wie es oben beschrieben ist, kann der Metallrahmen 112 leicht und beständig an dem keramischen Substrat 111 fest angebracht werden.
  • Noch mehr zu bevorzugen ist es, wenn das keramische Substrat 11 in dem Leistungsmodulsubstrat der vorliegenden Erfindung 0,2 mm bis 3,5 mm dick ist.
  • Wenn die Dicke des keramischen Substrats 11 unter 0,2 mm liegt, kann das keramische Substrat 11, das durch den Metallrahmen vermittels des Einschraubens der Außengewindeschrauben 2b, mit dem Mühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden ist, zerbrechen, was durch die Kraftausübung beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26 verursacht wird. Wenn die Dicke des keramischen Substrats 11 über 3,5 mm liegt, ist die mechanische Stabilität des keramischen Substrats 11 so groß, dass es direkt vermittels der Außengewindeschrauben 26 mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in 9 dargestellt ist, wird ein Verfahren zur Herstellung des Leistungsmodulsubstrat bereit gestellt, dass folgende Schritte umfasst: Bereitstellen des Metallrahmens 72, welcher genauso dick oder etwas dünner als das keramische Substrat 11 ist, an mindestens einem Teil des Randes des keramischen Substrats 11, Verbinden des ersten und zweiten Metallfeinblechs 73 und 74 mit der Oberfläche des keramischen Substrats 11 und des Metallrahmens 72 durch das Lötmaterial 76, wodurch das keramische Substrat 11 mit dem Metallrahmen 72 zusammengefügt wird, Ausformen des Schaltkreises 77 in dem Abschnitt des ersten Metallfeinblechs 73, der mit dem keramischen Substrat 11 korrespondiert, und passend dazu die entsprechende Herstellung der ersten durchgehende Löcher 73a, der Perforationen 72a sowie der zweiten durchgehende Löcher 74a jeweils indem ersten Metallfeinblech 73, dem Metallrahmen 72 sowie dem zweiten Metallfeinblech 74, damit sie diese durchdringen.
  • Gemäß des Verfahrens zur Herstellung des Leistungsmodulsubstrat, können sowohl der Metallrahmen 72 zusammen mit dem keramischen Substrat 11, als auch das erste und zweite Metallfeinblech 73 und 74, die jeweils an die Vorderseite und die Rückseite des Metallrahmens 72 gefügt sind, einfach bearbeitet werden, verglichen mit dem keramischen Substrat 1. Die ersten durchgehenden Löcher 73a, die Perforationen 72a und die zweiten durchgehenden Löcher 74a sind so geformt, dass sie jeweils das erste Metallfeinblech 73, den Metallrahmen 72 und das zweit Metallfeinblech 74 durchdringen, weswegen die Befestigungslöcher leicht und mit präzisen Befestigungsbohrungen in dem Leistungsmodulsubstrat gebildet werden können.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereit gestellt, wie sie in FIG. 2 dargestellt ist, worin das Halbleiterelement 23 auf dem Schaltkreises 17 des Leistungsmodulsubstrat 21 aus der vorliegenden Erfindung befestigt ist, ein Rahmenstück 25, das über Pole 24 verfügt, die sich an seinem Rand befinden, so mit der Oberfläche des Leistungsmodulsubstrats 21 verbunden ist, dass es das Halbleiterelement 23 umschließt, die Pole 24 und das Halbleiterelement 23 miteinander verbunden sind, und ein Isolierungsgel 29 eingefüllt ist, eine Abdeckplatte 25a mit der Oberseite des Rahmenstücks 25 verbunden ist, die Außengewindeschrauben 26 durch die durchgehenden Löcher 13a des Metallfeinblechs 13 und die Perforationen 12a des Metallrahmens 12 in dem Leistungsmodulsubstrat 21 gesteckt sind, und worin das Leistungsmodulsubstrat 21 direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden ist, indem die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a, welche in dem Kühlkörper des Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt sind, oder weiter durch die Befestigungslöcher (in 2 nicht dargestellt), die so ausgebildet sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, gesteckt sind, und die Außengewindeschrauben 26 in die Muttern geschraubt sind.
  • In dieser Halbleitervorrichtung ist der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23, das auf dem Schaltkreises 17 des Leistungsmodulsubstrat montiert ist und direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden ist, kürzer als der konventionelle Weg, der in Fig. 22 dargestellt ist, so dass Wärme vom Halbleiterelement 23 weitaus effektiver zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und nach außen abgegeben werden kann, als vergleichsweise dazu bei dem konventionellen Typ.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren eine Halbleitervorrichtung bereit gestellt, wie sie in 7 dargestellt ist, in welcher der Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 einen Kühlkörper-Korpus 27d umfasst, welcher über ein Wasserpassage 27b und eine Kühlkörperabdeckung 27e, welche die Wasserpassage 27b abdichten kann, verfügt, das Halbleiterelement 23 auf dem Schaltkreises 17 des Leistungsmodulsubstrat 21 aus der vorliegenden Erfindung angebracht ist, die Außengewindeschrauben 26 durch die durchgehenden Löcher 13a des Metallfeinblechs 13 und die Perforationen 12a des Metallrahmens 12 des Leistungsmodulsubstrat 21 gesteckt sind, das Leistungsmodulsubstrat 21 direkt mit der Kühlkörperabdeckung 27e verbunden ist, indem die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27f, welche in der Kühlkörperabdeckung 27e ausgebildet sind, geschraubt sind, ein Rahmenstück 25, das an seinem inneren Randes mit Polen 24 versehen ist, so mit der Oberfläche der Kühlkörperabdeckung 27e verbunden ist, dass es das Leistungsmodulsubstrat 21 umschließt, die Pole 24 mit dem Halbleiterelement 23 verbunden sind und das Isolierungsgel eingefüllt ist, eine Abdeckplatte 25a mit der Oberseite des Rahmenstücks 25 verbunden ist, und die Kühlkörperabdeckung 27e mit dem Kühlkörper-Korpus 27d verschraubt ist.
  • In dieser Halbleitervorrichtung ist der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23 zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ebenfalls kürzer als beim konventionelle Typ, so dass die Wärme vom Halbleiterelement 23 noch effektiver zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und nach außen abgegeben werden kann. Als Besonderheit sind bei dieser Halbleitervorrichtung das Leistungsmodulsubstrat 21 und alles weitere schon vorher auf der Kühlkörperabdeckung 27e montiert worden. Folglich kann die Halbleitervorrichtung durch einfache Arbeitsschritte erhalten werden, womit gemeint ist, dass nur noch die Kühlkörperabdeckung 27e an den Kühlkörper-Korpus 27d geschraubt werden muss.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, so wie sie in FIG. 10 dargestellt ist, wird auch noch eine Halbleitervorrichtung bereit gestellt, bei welcher das Halbleiterelement 23 am Schaltkreises 77 des Leistungsmodulsubstrat 81 aus der vorliegenden Erfindung angebracht ist, das Rahmenstück 25, das über die Pole 24 verfügt, die an seinem inneren Rand liegen, so mit der Oberfläche des Leistungsmodulsubstrat 81 verbunden ist, dass es das Halbleiterelement 23 umschließt, die Pole 24 mit dem Halbleiterelement 23 verbunden sind, und das Isolierungsgel 29 eingefüllt ist, die Abdeckplatte 25a mit der Oberseite des Rahmenstücks 25 verbunden ist, und das Leistungsmodulsubstrat 81 mit den Außengewindeschrauben 26 direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 26 verbunden ist.
  • In dieser Halbleitervorrichtung ist der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23, das auf dem Schaltkreises 77 des Leistungsmodulsubstrat aus der vorliegenden Erfindung, welches direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden ist, montiert ist, zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 kürzer als der Weg des Transfers bei der konventionellen Halbleitervonichtung, welche in FIG. 22 abgebildet ist. Wärme aus dem Halbleiterelement 23 kann durch den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 weitaus effektiver nach außen abgegeben werden, als vergleichsweise mit dem konventionellen Typ.
  • Wie in den FIG. 14, 16, 19 und 20 dargestellt ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung des Weiteren eine Halbleitervorrichtung bereit gestellt, in welcher das Halbleiterelement 23 am Schaltkreises 111a des Leistungsmodulsubstrat 110, 120 aus der vorliegenden Erfindung montiert ist, das Rahmenstück 25, das über die Pole 24 verfügt, die sich an seinem inneren Rand befinden, so mit der Oberfläche des Leistungsmodulsubstrat 110, 120 verbunden ist, dass es das Halbleiterelement 23 (20) umschließt, die Pole 24 mit dem Halbleiterelement 23 verbunden sind, und das Isolierungsgel 29 eingefüllt ist, die Abdeckplatte 25a mit der Oberseite des Rahmenstücks 25 verbunden ist, und die Außengewindeschrauben 26 durch die durchgehenden Löcher 116c (FIG. 14) der Manschetten 116, gemäß der vorliegenden Erfindung, und die Verbindungslöcher 118a der Dichtungen 118, gemäß der vorliegenden Erfindung, und die Einstecklöcher 112b des Metallrahmens (16), gemäß der vorliegenden Erfindung, eingesteckt sind, und das Leistungsmodulsubstrat 110, 120 direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden ist, indem die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a (20), welche im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt sind, oder die Außengewindeschrauben 26 weiter durch die Befestigungslöcher 27a, welche so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, gesteckt sind, und die Außengewindeschrauben 26 in die Muttern 31 (19) geschraubt sind.
  • In dieser Halbleitervorrichtung ist der Weg des Wärmetransfers von der Halbleitervorrichtung 23, welche auf dem Schaltkreises 111a des Leistungsmodulsubstrat 110, 120, das direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden, montiert ist, zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 kürzer als bei dem konventionellen Typ, welcher in FIG. 22 gezeigt ist, so dass die Wärme vom Halbleiterelement 23 weitaus effektiver zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und nach außen abgeleitet werden kann, als vergleichsweise mit dem konventionellen Typ.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Eine vollständigere Einschätzung der Erfindung und vieler damit zusammenhängender Vorteile kann leicht eneicht werden, weil dies alles durch den Bezug auf die folgende, detaillierte Beschreibung, wenn sie in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, besser verstanden werden kann. Die Zeichnungen beinhalten Folgendes:
  • 1 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch ein Leistungsmodulsubstrat, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • FIG. 2A, 2B und 2C stellen ein Fließschema für die Produktion einer Halbleitervonichtung dar, welche das Leistungsmodulsubstrat enthält;
  • FIG. 3 ist eine pespektivische Ansicht, die das Stadium zeigt, in dem das Leistungsmodulsubstrat an einem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ fest angebracht wird;
  • 4 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch die Halbleitervorrichtung, welche ein anderes Leistungsmodulsubstrat enthält;
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht, die das Stadium zeigt, in dem das andere Leistungsmodulsubstrat am Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ fest angebracht wird;
  • 6 ist eine Ansicht eines Querschnitts, die 4 entspricht und zeigt, wie das Leistungsmodulsubstrat durch das Durchstecken von Außengewindeschrauben durch Befestigungslöcher, sowie das Einschrauben der Außengewindeschrauben in Muttern fest angebracht wird;
  • 7 ist eine Ansicht eines Querschnitts, die 2C entspricht und zeigt, wie ein Rahmenstück mit der Oberfläche des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ zusammengefügt wird;
  • FIG. 8 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch eine Halbleitervorrichtung, gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche 2C entspricht;
  • FIG. 9A bis 9D stellen ein Fließschema der Produktion dar, welches ein Verfahren für die Herstellung eines Leistungsmodulsubstrat gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • FIG. 10A, 10B und 10C stellen ein Fließschema für die Produktion einer Halbleitervorrichtung dar, welche das obige Substrat enthält;
  • 11 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Beziehung des keramischen Substrats, des Metallrahmens sowie des ersten und zweiten Metallfeinblechs zueinander veranschaulicht;
  • 12 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Beziehung eines anderen keramischen Substrats, des Metallrahmens sowie des ersten und Matallfeinblechs zueinander veranschaulicht;
  • FIG. 13 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch eine andere Halbleitervonichtung, die das obige Leistungsmodulsubstrat enthält, entsprechend FIG. 10C;
  • 14 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch ein Leistungsmodulsubstrat, gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 15 ist eine perspektivische Ansicht, die das Stadium zeigt, in dem das Leistungsmodulsubstrat an dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ fest angebracht wird;
  • FIG. 16 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch ein Leistungsmodulsubstrat, gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • FIG. 17 ist eine perspektivische Ansicht, die das Stadium zeigt, in dem das Leistungsmodulsubstrat am Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ fest angebracht wird;
  • FIG. 18 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch ein weiteres Leistungsmodulsubstrat der vorliegenden Erfindung;
  • FIG. 19 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch ein Leistungsmodulsubstrat, welches angebracht wird, indem Außengewindeschrauben durch Befestigungslöcher des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ gesteckt werden, entsprechend FIG. 14;
  • FIG. 20A bis 20C stellen ein Fließschema für die Produktion einer Halbleitervorrichtung dar, welche das obige Leistungsmodulsubstrat enthält;
  • 21 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch ein konventionelles Beispiel, entsprechend FIG. 1; und
  • 22 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch ein anderes konventionelles Beispiel, entsprechend FIG. 1.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Hier wird jetzt Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei gleiche Referenzziffern identische oder sich entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen.
  • Nachfolgend wird hier eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Wie in 1 dargestellt ist, enthält das Leistungsmodulsubstrat aus der vorliegenden Erfindung ein keramisches Substrat 11, auf dessen Oberfläche ein Schaltkreis 17 ausgebildet ist, einen Metallrahmen 12 und Metallfeinbleche 13. Das keramische Substrat ist 0,635 mm dick. Der Schaltkreis wird durch das Ätzen einer Metallfolie, was in 1 allerdings nicht dargestellt ist, welche mit dem keramischen Substrat 11 zusammengefügt ist, hergestellt. Das Verbinden des keramischen Substrats 11 mit der Metallfolie erfolgt in dem Fall, wenn die Metallfolie aus Cu besteht, und das keramische Substrat 11 aus Al2O3 hergestellt ist, durch ein aktives Metallbearbeitungsverfahren, bei welchem das keramische Substrat 11 und die Metallfolie mit einer Ag-Cu-Ti Lötmaterialfolie, welche als Lötmittel zwischen das keramische Material 11 und die Metallfolie gebracht wird, überschichtet werden, und sie einer Belastung von 0,5~2 kg f/cm2 ausgesetzt werden, gefolgt von einer Erhitzung auf 800 900°C im Vakuum. Für den Fall, dass die Metallfolie aus Cu besteht und das keramische Substrat 11 aus AlN hergestellt ist, wird die Metallfolie vermittels des selben Metallverarbeitungsverfahrens mit dem keramischen Substrat 11 verbunden, wie es oben beschrieben worden ist.
  • Für den Fall, dass die Metallfolie aus Al besteht, und das keramische Substrat 11 aus Al2O3 oder AlN hergestellt ist, wird Metallfolie mit einer Reinheit des Al von mindestens 99,98 Gewichts-% und einem Schmelzpunkt von 660°C verwendet. Die Metallfolie wird durch ein Lötmaterial vom Al-Si-Typ, dessen Schmelzpunkt unter demjenigen der Metallfolie liegt, aufgeschichtet und verbunden. Genauer gesagt, enthält das Lötmaterial vom Al-Si-Typ 84 bis 97 Gewichts-% Al und 3 bis 15 Gewichts-% Si. Der Schmelzpunkt des Lötmaterials 16 reicht von 570 bis 650°C. Zum Zweck des Beschichtens und des Verbindens wird eine Belastung von 9,5 bis 2 kg f/cm2 auf das keramische Substrat 11 und die Metallfolie ausgeübt, wobei eine Folie, welche aus dem Al-Si-Lötmaterial besteht, als Lötmittel zwischen sie gebracht wird, und unter Vakuum auf eine Temperatur von 600 bis 650°C erhitzt wird, wodurch die Metallfolie mit dem keramischen Substrat 11 verbunden wird. Die Metallfolie, die so, wie es oben beschrieben worden ist, mit dem keramischen Substrat 11 verbunden worden ist, wird geätzt, um so den Schaltkreis zu erzeugen.
  • So wie es in den FIG. 1 und 3 gezeigt ist, hat der Metallrahmen 12 die selbe Dicke wie das keramische Substrat 11, oder wie das keramische Substrat 11 mit dem Schaltkreis 17, und befindet sich auf dem Rand des keramischen Substrats 11. Der Metallrahmen 12 ist aus einer Aluminium-Legierung, rostfreiem Stahl, Kupfer, Titan, Kovar (Fe 54%, Ni 29% und Co 17%) oder einer 42-Legierung (Fe 58% und Ni 42%) hergestellt. In dieser Ausführungsform, wie sie in FIG. 3 dargestellt ist, ist der Metallrahmen 12 so geformt, dass er den gesamten Rand des keramischen Substrats 11 umgibt und ein Dicke hat, welche der Dicke des keramischen Substrats 11 entspricht, indem eine Metallplatte so gestanzt wird, dass sie die selbe Dicke wie das keramische Substrat 11 bekommt.
  • Die Metallfeinbleche 13 befinden sich an der Oberseite des Metallrahmens 12 und verfügen über die Kontaktbereiche 13b, mit denen die Unterseiten der Metallfeinbleche 13 den Kontakt zu den gegenüberliegenden Bereichen des keramischen Substrats 11, die zur ringsherum verlaufenden Oberfläche des keramischen Substrats 11 gehören, herstellen. Das Metallfeinblech beseht aus rostfreiem Stahl. In dem Metallfeinblech 13 und dem etallrahmen 12 sind einander entsprechend durchgehende Löcher 13a und Perforationen 12a ausgebildet, die diese durchdringen und das keramische Substrat 11 umschließen, indem sie mit Hilfe eines Werkzeugs, wie etwa einem Bohrer oder etwas Ähnlichem bearbeitet worden sind.
  • Im Folgenden wird jetzt eine Halbleitervorrichtung beschrieben, welche das Leistungsmodulsubstrat 21 enthält, das so aufgebaut ist, wie es oben beschrieben worden ist.
  • Wie in 2A gezeigt wird, ist ein Halbleiterelement 23 mit Hilfe eines Lötmittels 23a auf einem Schaltkreis 17, der in dem Leistungsmodulsubstrat 21 ausgebildet ist, montiert. Auf der anderen Seite ist der Metallrahmen 12 angebracht, um das keramische Substrat 11 zu umgeben. Ein hitzeresistenter Klebstoff des Polyamid-Typs ist jeweils zwischen die Kontaktbereiche 13b der Metallfeinbleche 13 und des keramischen Substrats 11, das den Schaltkreis 17 besitzt, sowie zwischen die Metallfeinbleche 13b und den Metallrahmen 12 aufgetragen worden, und danach werden die Metallfeinbleche 13 auf den Metallrahmen 12 aufgebracht, wodurch der Metallrahmen 12, das keramische Substrat 11 und die Metallfeinbleche 13 zusammengefügt werden. Wie in 2B dargestellt ist, wird an die Oberfläche des zusammengefügten, keramischen Substrats 11 und die Metallfeinbleche 13 ein Rahmenstücke 25 gefügt, welches Pole 24 besitzt, die sich an seinem inneren Rand befinden, um das Halbleiterelement 23 zu umgeben. Die Pole 24 sind durch Verbindungsdrähte 23b mit dem Halbleiterelement 23 verbunden. Danach wird, wie in 2C gezeigt, ein Isolationsgel, wie etwa Silikongel 29, in den Zwischenraum, der von dem Rahmenstück 25 umgeben ist, gefüllt, um das Halbleiterelement 23 abzudichten. Dann wird eine Abdeckplatte 25a mit der oberen Seite des Rahmenstücks 25 verbunden.
  • Anschließend wird ein Silikonharz auf den Bereich des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27, mit welchen das Leistungsmodulsubstrat 21 auf dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 fest angebracht werden soll, aufgetragen, falls dies nötig sein sollte. Das keramische Substrat 11 wird darauf angebracht. Außengewindeschrauben 26 werden durch die durchgehenden Löcher 13a der Metallfeinbleche 13 und die Perforationen 12a des Metallrahmens 12 gesteckt und in Innengewindeschrauben 27a, die in dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, eingeschraubt. Eine Wasserpassage 27b, durch welche Kühlwasser 28 zirkuliert, ist innerhalb des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet. Dadurch erhält der Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 einen Aufbau, der es ermöglicht, dass die Wärme durch die Zirkulation des Kühlwassers 28 durch die Wasserpassage 27b nach außen abgegeben wird. Die Oberseite des keramischen Substrats 11, auf welcher sich der Schaltkreis 17 befindet, wird mit den Unterseiten der Kontaktbereiche 13b der Metallfeinbleche 13, die mit Hilfe der Außengewindeschrauben 26 am Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 fest angebracht sind, in Kontakt gebracht, wodurch das keramische Substrat 11 gegen die Kontaktbereiche 13b gepresst wird und direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden wird, womit die Halbleitervorrichtung, welche in 1 dargestellt ist, erhalten wird. In dieser Halbleitervorrichtung ist der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23 zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 kürzer als der konventionelle Transferweg, der in FIG. 22 gezeigt wird, Wärme vom Halbleiterelement 23 wird auf effektive Weise zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und nach außen abgegeben.
  • In der oben beschriebenes Ausführungsform ist das Metallfeinblech 13 beschrieben, welches Kontaktbereiche 13b besitzt, deren Unterseiten Kontakt mit der Oberfläche des keramischen Substrats 11 haben. Wie in 4 gezeigt ist, können die Unterseiten dieser Kontaktbereiche 13b aber auch Kontakt zur Oberfläche des Schaltkreises 17 haben, indem der Metallrahmen 12 verwendet wird, dessen Dicke gleich derjenigen des keramischen Substrats 11 mit dem Schaltkreis 17 ist.
  • Des Weiteren sind in der oben beschriebenen Ausführungsform die Kontaktbereiche 13b in den Metallfeinblechen 13 so ausgebildet, dass die Unterseiten der Kontaktbereiche 13b Bereiche des keramischen Substrats 11 auf der gegenüberliegenden Seite berühren, die Teil der ringsum laufenden Oberfläche des keramischen Substrats 11 sind. Wie jedoch in 5 dargestellt ist, können die Metallfeinbleche 13, welche den gesamten Rand des keramischen Substrats 11, auf dem sich der Schaltkreis befindet, umschließen, vorhanden sein, und die Kontaktbereiche 13b, deren Unterseiten Kontakt mit dem gesamten Rand des keramischen Substrats 11 haben, können vorhanden sein
  • Zusätzlich wird in der oben beschriebenen Ausführungsform das keramische Substrat 11, bei welchem sich der Schaltkreis 17 nur auf der Oberfläche befindet, verwendet, und die Außengewindeschrauben 26 werden durch die durchgehenden Löcher 13a der Metallfeinbleche 13 und die Perforationen 12a des Metallrahmens 12 gesteckt und in die Innengewindeschrauben 27a, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt. Wie jedoch in 6 dargestellt ist, kann an der Rückseite des keramischen Substrats 11 eine Metallfolie 11a vorhanden sein, und die Außengewindeschrauben 26, die durch die durchgehenden Löcher 13a des Metallfeinblechs 13 und die Perforationen 12a des Metallrahmens 12 gesteckt sind, können des Weiteren durch Befestigungslöcher 27e, die so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, gesteckt sein und in Muttern 31 geschraubt sein.
  • Außerdem ist in der oben beschriebenen Ausführungsform eine Halbleitervorrichtung beschrieben worden, bei welcher das Rahmenstück 25 mit der Oberfläche des Leistungsmodulsubstrats 21 verbunden ist. Wie jedoch in 7 dargestellt ist, kann in dem Fall, wenn der Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 einen Kühlkörper-Korpus 27d mit einer Wasserpassage 27b sowie eine Kühlkörperabdeckung 27e, welche in der Lage ist, die Wasserpassage 27b abzudichten, beinhaltet, das Rahmenstück 25 mit der Oberfläche der Kühlkörperabdeckung 27e verbunden sein, um so das Leistungsmodulsubstrat 21 zu umschließen. Dies ist besonders für eine Halbleitervonichtung geeignet, die ein kleines Leistungsmodulsubstrat 21 mit einem kleinen Halbleiterelement 23, bei welchem die Wärmemenge relativ groß ist, enthält.
  • Das bedeutet für die Halbleitervorrichtung aus 7 im konkreten Fall, dass das Halbleiterelement 23 auf dem Schaltkreis 17 des Leistungsmodulsubstrats 21 angebracht ist, und dass das Leistungsmodulsubstrat 21 direkt mit der Kühlkörperabdeckung 27e verbunden ist, indem die Außengewindeschrauben 26 durch die durchgehenden Löcher 13a, des Metallfeinblechs 13 und die Perforationen 12a des Metallrahmens 12 gesteckt sind, und die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27f, die in der Kühlkörperabdeckung 27e ausgebildet sind, geschraubt sind.
  • Das Rahmenstück 25, das an seinem inneren Rand über die Pole 24 verfügt, ist so mit der Oberfläche der Kühlkörperabdeckung 27e verbunden, dass es das Leistungsmodulsubstrat 21 umschließt. Die Pole 24 sind mit dem Halbleiterelement 23 verbunden, das Isolierungsgel 29 ist eingefüllt, und eine Abdeckplatte 25a ist mit der Oberseite des Rahmenstücks 25 verbunden. Wie oben beschrieben worden ist, kann die Halbleitervorrichtung hergestellt werden, indem die Kühlkörperabdeckung 27e, auf welcher das Leistungsmodulsubstrat 21 oder etwas Ähnliches montiert ist, an den Kühlkörper-Korpus 27d geschraubt wird. In dieser Halbleitervorrichtung, die in 7 abgebildet ist, ist der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23 zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 kürzer als der konventionelle Weg. Wärme vom Halbleiterelement 23 kann effektiv zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und nach außen abgegeben werden. Als Besonderes wird das Leistungsmodulsubstrat 21 oder etwas Ähnliches im Voraus auf der Kühlkörperabdeckung 27e montiert, und deswegen kann die Halbleitervorrichtung durch einfache Arbeitsschritte, nämlich lediglich durch Festschrauben der Kühlkörperabdeckung 27 auf dem Kühlkörper-Korpus 27d, hergestellt werden.
  • Im Folgenden soll hier eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 8 beschrieben werden. In 8 und in den oben beschriebenen Ausführungsformen werden gleiche Teile mit den gleichen Referenznummern bezeichnet, und auf eine Wiederholung der Beschreibung wir verzichtet.
  • Wie in FIG. 8 dargestellt ist, enthält das Leistungsmodulsubstrat 61 dieser Ausführungsform das keramische Substrat 11, auf dessen Oberfläche der Schaltkreis 17 ausgebildet ist, einen Metallrahmen 62 und Metallfeinbleche 63. Der Metallrahmen 62 ist dicker als das keramische Substrat 11, oder das keramische Substrat 11 mit dem Schaltkreis 17, und befindet sich am Rand des keramischen Substrats 11. Der Metallrahmen 62 wird durch das Stanzen einer Metallplatte, die aus einer Aluminium-Legierung, rostfreiem Stahl, Kupfer, Titan, Kovar (Fe 54%, Ni 29% und Co 17%), einer 42-Legierung (Fe 58% und Ni 42%) oder etwas Ähnlichem hergestellt ist, in solch eine Form gebracht, dass er den gesamten Rand des keramischen Substrats 11 umschließt. In dem Metallrahmen 62 sind Perforationen 62a auf solche Art ausgebildet, dass sie den Metallrahmen 62 durchdringen und das keramische Substrat 11 umschließen, indem er mit einem Werkzeug, wie etwa einem Bohrer, bearbeitet worden ist.
  • Die Metallfeinbleche 63 befinden sich an der Oberseite des Metallrahmens 62 und verfügen über gegenüberliegende Bereiche 63b, deren Unterseiten einem Teil oder sogar der gesamten ringsum laufenden Oberfläche des keramischen Substrats 11, oder des Schaltkreises 17, gegenüberliegen. in 8 liegen die gegenüberliegenden Bereiche 63b dem Schaltkreis 17 gegenüber. Die Metallfeinbleche 63 bestehen aus rostfreiem Stahl. In den Metallfeinblechen 63 sind durchgehende Löcher 63a, welche die Metallfeinbleche 63 durchdringen, in Verbindung mit den Perforationen 62a des Metallrahmens 62 stehen, ausgebildet, indem sie mit einem Werkzeug, wie etwa einem Bohrer, bearbeitet worden sind. Die elastischen Stücke 64 sind zwischen das keramische Substrat 11, oder die Oberfläche des Schaltkreises 17, und die gegenüberliegenden Bereiche 63b eingefügt. In dieser Außengewindeschraubensführungsform werden die elastischen Stücke 64 durch das Stanzen einer Scheibe aus synthetischem Gummi, das eine Dicke hat, die der Differenz zwischen der Dicke der keramischen Substrats 11, oder des keramischen Substrats 11 mit dem Schaltkreis 17, und derjenigen des Metallrahmens 62 entspricht, oder ein Dicke hat, die etwas größer als diese Differenz ist, so bearbeitet, dass sie einen rechteckigen Querschnitt haben. In diesem Fall ist jedes elastische Stück 64 so geformt, dass es die Gleichung, X/Y = 0,08 oder mehr, erfüllt, wobei X der Breite des Querschnitts und Y der Dicke des elastischen Stücks 64 entspricht. Sowohl die Oberseite als auch die Unterseite des elastischen Stücks 64 sind jeweils durch einen hitzeresistenten Klebstoff mit der Oberfläche des keramischen Substrats 11 oder des Schaltkreises 17 und derjenigen der gegenüberliegenden Bereiche 63b zusammengefügt.
  • In dem Fall, wenn die Metallfolie 11a mit der Rückseite des keramischen Substrats 11 verbunden ist, sind die Oberfläche der Metallfolie 11a und diejenige des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27 vorzugsweise so ausgerichtet, dass der Auflagedruck P der Metallfolie 11a gegen den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27, welcher entsteht, wenn das keramische Substrat 11 mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden wird, die Gleichung μP ≤ 10 (MPa) erfüllt, wobei μ den Koeffizienten für die Reibung zwischen der Metallfolie 11a und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 darstellt. Wenn der Oberflächendruck P und der Reibungskoeffizient μ die Gleichung μP ≤ 10 (MPa) erfüllen, kann das keramische Substrat 11, als Folge der thermischen Expansion, in horizontaler Richtung verschoben werden, ohne dass es zum Zerbrechen des keramischen Substrats 11 kommt.
  • Um die Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Leistungsmodulsubstrats 61, das so wie oben beschrieben aufgebaut ist, herzustellen, wird als erstes das Halbleiterelement 23 auf dem Schaltkreis 17 montiert, und der Metallrahmen 62 am Rand des Halbleiterelement 23 angebracht. Anschließend wird ein hitzeresistenter Klebstoff vom Polyamid-Typ auf die gegenüberliegenden Bereiche 63b der Metallfeinbleche 63, die Oberfläche des Schaltkreises 17 oder das keramische Substrat 11, die den gegenüberliegenden Bereichen 63b gegenüber liegen, sowie sowohl auf die Oberseite als auch auf die Unterseite des elastischen Stückes 64 aufgetragen. Dann werden die elastischen Stücke 64 auf die ringsum laufende Oberfläche des Schaltkreises 17 aufgebracht, und das Metallfeinblech 63 wird auf den Metallrahmen 62 platziert. Folglich werden der Metallrahmen 62, das keramische Substrat 11, die elastischen Stücke 64 und das Metallfeinblech 63 zu einer Einheit zusammengefügt. Danach wird das Rahmenstück 25, das mit den Polen 24 versehen ist, mit der Oberfläche des keramischen Substrats 11 verbunden. die Pole 24 werden durch Verbindungsdrähte 23b mit dem Halbleiterelement 23 verbunden. Das Isolationsgel 29 wird in den Zwischenraum, der vom Rahmenstück 25 umschlossen wird, eingefüllt, wodurch das Halbleiterelement 23 abgedichtet wird. Die Abdeckplatte 25a wird mit der Oberseite des Rahmenstücks 25 verbunden.
  • Daran anschließend wird ein Silikonharz auf denjenigen Bereich des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27 aufgetragen, an welchem das Leistungsmodulsubstrat 61 fest angebracht werden soll, falls dies nötig ist. Das keramische Substrat 11 wird darauf aufgebracht. Die Außengewindeschrauben 26 werden durch die durchgehenden Löcher 63a des Metallfeinblechs 63 und die Perforationen 62a des Metallrahmens 62 gesteckt und in die Innengewindeschrauben 27a, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt. Die Oberseite des Schaltkreises 17 wird vermittels der elastischen Stücke 64 in Kontakt mit den Unterseiten der gegenüberliegenden Bereiche 63b der Metallfeinbleche 36 gebracht, welche mit Hilfe von Außengewindeschrauben 26 fest am Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 angebracht sind. Das keramische Substrat wird von dem gegenüberliegenden Bereich 63b über die elastischen Stücke 64 herunter gedrückt, um direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden zu werden. Dadurch wird die Halbleitervorrichtung erhalten, die in FIG. 8 dargestellt ist. in dieser Halbleitervorrichtung ist der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23 zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 kürzer als der konventionelle Transferweg, und die Wärme kann effektiv abgegeben werden.
  • Die Temperatur des keramischen Substrats 11 und des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27 steigt auf Grund des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23, und beide dehnen sich entsprechend aus. In diesem Fall ist der thermale Expansionskoeffizient des keramischen Substrats 11 generell niedriger als derjenige des, aus Metall gefertigten, Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27. Folglich wird die Länge einer jeden Außengewindeschraube 26, die in die Innengewindeschrauben 27a geschraubt ist, in der Perforation 62a länger, als es die Perforation 62a selber ist. Die Längenzunahme der Außengewindeschraube 26 wird jedoch durch das elastische Stück 64, auf Grund dessen Elastizität, auf ein tolerierbares Maß ausgeglichen. Das bedeutet insbesondere, dass Befestigungsfehler zwischen dem keramischen Substrat 11 und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27, die durch Expansion oder Schrumpfen entstanden sind, vom elastischen Stück 64 ausgeglichen werden, was durch die Elastizität bewirkt wird, so dass ein Zerbrechen des keramischen Substrats 11, auf Grund von Temperaturveränderungen, verhindert wird.
  • In der oben beschriebenen, zweiten Ausführungsform, ist die Halbleitervorrichtung beschrieben, in welcher das Rahmenstück 25 an die Oberfläche des Leistungsmodulsubstrats 61 gebunden ist, und die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a, welche im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt sind. Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist, können die Außengewindeschrauben 26 aber auch noch durch die Befestigungslöcher 27c, welche so im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, dass sie ihn durchdringen, gesteckt und in Muttern 31 geschraubt sein (6). In dem Fall, wenn der Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 den Kühlkörper-Korpus 27d mit der Wasserpassage 27b und der Kühlkörperabdeckung 27e, welche die Wasserpassage 27b abzudichten vermag, beinhaltet, kann das Rahmenstück 25 mit der Oberfläche der Kühlkörperabdeckung 27e verbunden sein, um das Leistungsmodulsubstrat 61 zu umschließen (7).
  • Im Folgenden soll hier eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die FIG. 9 bis 13 beschrieben werden. In diesen Abbildungen und in den oben beschriebenen Außengewindeschraubensführungsformen bezeichnen gleiche Referenznummern gleiche Teile, und auf eine wiederholte Beschreibung wird verzichtet.
  • Wie in den FIG. 9 und 13 dargestellt ist, umfasst in dieser Ausführungsform ein Leistungsmodulsubstrat 81 das keramische Substrat 11, einen Metallrahmen 72, der sich am gesamten Rand des keramischen Substrats 11 befindet und genauso dick oder etwas dünner als das keramische Substrat 11 ist, sowie über Perforationen 72a verfügt, die so geformt sind, dass sie das keramischen Substrat 11 umschließen, ein erstes Metallfeinblech 73, das durch ein Lötmittel 76 an die Oberflächen des keramischen Substrats 11 und des Metallrahmens 72 gefügt ist und über erste durchgehende Löcher 73a verfügt, die in Verbindung mit den Perforationen 72a stehen, und einen Schaltkreis 77, der auf einem Bereich davon ausgebildet ist, welcher dem keramischen Substrat 11 gegenüber liegt, und ein zweites Metallfeinblech 74, das durch ein Lötmittel an die Rückseiten des keramischen Substrats 11 und des Rahmens 72 gefügt ist und über zweite durchgehende Löcher 74a verfügt, die in Verbindung mit den Perforationen 72a sowie den ersten durchgehenden Löchern 73a stehen und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 gegenüber liegen.
  • Im Folgenden soll hier ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmodulsubstrats 81 beschrieben werden.
  • (a) Anbringung des Metallrahmens am Rand des keramischen Substrats
  • Wie in 9A und 11 gezeigt ist, besteht das keramische Substrat 11 aus Al2O3, AlN, Si3N4 oder SiC, während der Metallrahmen 72 aus einer Aluminium-Legierung, rostfreiem Mahl, Titan, Kovar (Fe 54%, Ni 29% und Co 17%) oder einer 42-Legierung (Fe 58% und Ni 42%) besteht. Wie in 11 dargestellt ist, ist der Metallrahmen 72 aus der Ausführungsform so geformt, dass er den gesamten Rand des keramischen Substrats 11 umgibt, und er wird hergestellt, indem eine Metallplatte, die genauso dick oder etwas dünner als das keramische Substrat 11 ist, so gestanzt wird, dass sie die selbe Dicke wie das keramische Substrat 11 hat.
  • (b) Geschichtetes Zusammenfügen des ersten und zweiten Metallfeinblechs, des keramischen Substrats und des Metallrahmens
  • Das erste und zweite Metallfeinblech 73 und 74 werden mit Cu oder Al gefertigt und sind so geformt, dass sie das gleiche Profil wie der Metallrahmen 72 haben.
  • In dem Fall, wenn das erste und zweite Metallfeinblech 73 und 74 aus Cu gemacht sind, und das keramische Substrat 11 aus Al2O3 besteht, wird der Metallrahmen 72 aus rostfreiem Stahl oder Kupfer gefertigt. Wie in FIG. 9A und 11 gezeigt ist, sind das erste und das zweite Metallfeinblech 73 und 74 durch das aktive Metallverfahren auf das keramische Substrat 11 und den Metallrahmen 72 aufgeschichtet und mit ihnen zusammengefügt, bei welchem Verfahren das keramische Substrat 11, der Metallrahmen 72 und die Metallfeinbleche mit Lötmaterial-Folien aus Ag-Cu-Ti, die zwischen sie gelegt werden, überschichtet werden, und eine Belastung von 0,5 bis 2 kgf/cm2 auf sie ausgeübt wird, worauf eine Erhitzung auf eine Temperatur von 800 bis 900°C unter Vakuum folgt, wodurch das keramische Substrat 11 und der Metallrahmen 72 miteinander vereinigt werden, wie es in 9B dargestellt ist.
  • Des Weiteren ist in dem Fall, wenn das erste und das zweite Metallfeinblech 73 und 74 aus Cu sind, und das keramische Substrat 11 mit Aln hergestellt ist, der Metallrahmen 72 ebenfalls aus rostfreiem Stahl oder Kupfer gefertigt. Das erste und das zweite Metallfeinblech 73 und 74 sind mit dem selben aktiven Metallverfahren, das oben beschrieben worden ist, auf das Substrat 11 und den Metallrahmen 72 geschichtet und mit ihnen zusammengefügt, wodurch das keramische Substrat 11 und der Metallrahmen 72 miteinander vereinigt werden, wie es in 9B dargestellt ist.
  • Des Weiteren ist in dem Fall, wenn das erste und das zweite Metallfeinblech 73 und 74 aus Al gemacht sind, und das keramische Substrat 11 aus Al2O3, AlN oder Si3N4 hergestellt ist, der Metallrahmen 72 mit rostfreiem Stahl oder einer Aluminium-Legierung gefertigt. Als Aluminium-Legierung wird bevorzugt eine Legierung mit einer Al-Reinheit von mindestens 99,5 Gewichts-% verwendet. Für das erste und das zweite Metallfeinblech 73 und 74 wird bevorzugt eine Legierung mit einer Al-Reinheit von mindestens 99,98 Gewichts-% und einem Schmelzpunkt von 650°C verwendet. Auf den Metallrahmen 72 werden das erste und das zweite Metallfeinblech 73 und 74 aufgeschichtet und durch das Lötmaterial 76 vom Al-Si-Typ, dessen Schmelzpunkt niedriger als derjenige des ersten und zweiten Metallfeinblechs 73 und 74 ist, damit verbunden. Das Lötmaterial 76 vom Al-Si-Typ enthält 87 bis 84 Gewichts-% Al und 11 bis 13,5 Gewichts-% Si, und der Bereich der Auflösungstemperatur des Lötmaterials 76 liegt zwischen 570 und 590°C. Für das Aufschichten und Zusammenfügen wird als Lötmaterial 76 eine Folie aus dein Lötmaterial vom Al-Si-Typ zwischen das keramische Substrat 11 und das jeweilige erste und zweite Metallfeinblech 73 und 74 gebracht, und in diesem Stadium wird dann eine Belastung von 0,5 bis 2 kgf/cm2 ausgeübt, worauf ein Erhitzen bei einer Temperatur von 600 bis 650°C unter Vakuum folgt, wodurch das erste und das zweite Metallfeinblech 73 und 74 auf das keramische Material 11 und den Metallrahmen 72 geschichtet und mit ihnen zusammengefügt werden, und das keramische Substrat 11 mit dem Metallrahmen 72, so wie es in 9B dargestellt ist, vereinigt wird.
  • (c) Bildung von Schaltkreis und Bildung von erstem durchgehenden Loch, Perforation und zweitem durchgehenden Loch.
  • Wie in FIG. 9C gezeigt ist, wird auf dem Bereich des ersten Metallfeinblechs 73, der mit dem keramischen Substrat 11 korrespondiert, durch ein Ätzverfahren der vorherbestimmte Schaltkreis 11 erzeugt. Das erste Metalfeinblech 73, der Metallrahmen 72 und das zweite Metallfeinblech 74 werden mit Hilfe eines Bohrers 78 bearbeitet, und erste durchgehende Löcher 73a, Perforationen 72a sowie zweite durchgehende Löcher 74a, weiche sie durchdringen, werden gebildet, die das keramische Substrat 11 jeweils einschließen, wie in FIG. 9D dargestellt ist, wodurch das Leistungsmodulsubstrat 81 erzeugt wird.
  • (d) Halbleitervorrichtung
  • Wie Wie in FIG. 10A gezeigt ist, wird das Halbleiterelement 23 mit Hilfe von Lötmittel 23a auf dem Schaltkreis 77, der in dem ersten Metallfeinblech 73 des Leistungsmodulsubstrats 81 ausgebildet ist, montiert. Wie in 10B gezeigt ist, wird auf der anderen Seite das Rahmenstück 25, an dessen innerem Rand sich die Pole 24 befinden, an der Oberfläche des Leistungsmodulsubstrats 81 befestigt, um das Halbleiterelement 23 zu umschließen. Die Pole 24 sind über Verbindungsdrähte 23b mit dem Halbleiterelement 23 verbunden. Danach wird ein Isolationsgel, wie etwa Silikongel 29, in den Zwischenraum gefüllt, der vom Rahmenstück 25 umgeben ist, um das Halbleiterelement 23 abzudichten, wie in 10C zu sehen ist. Dann wird die Abdeckplatte 25a mit der oberen Seite des Rahmenstücks 25 verbunden. Wie oben beschrieben worden ist, werden die Außengewindeschrauben 26 durch die ersten durchgehenden Löcher 73a, die Perforationen 72a sowie die zweiten durchgehenden Löcher 74a des Leistungsmodulsubstrats 81, auf dem das Halbleiterelement 23 montiert ist, gesteckt und in die Innengewindeschrauben 27a, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt. Der Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ist so aufgebaut, dass die Wasserpassage 27b, durch welche das Kühlwasser 28 zirkuliert, innerhalb des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet ist, und die Wärme über die Zirkulation des Kühlwassers 28 durch die Wasserpassage 27b nach außen abgegeben wird. Das Leistungsmodulsubstrat 81 ist durch die Außengewindeschrauben 26 direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden. Der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23, das auf dem Schaltkreis 77 des Leistungsmodulsubstrat 81 montiert ist, zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ist kürzer als der konventionelle, der in 22 dargestellt ist. Wärme vom Halbleiterelement 23 wird effektiv zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und nach außen abgegeben.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Metallrahmen 72 vorhanden, der den gesamten Rand des keramischen Substrats 11 umgibt. Wie jedoch in 12 dargestellt ist, können die Metallrahmen 72, welche das keramische Substrat 11 an gegenüberliegenden Seiten, die Teil des Randes des keramischen Substrats 11 sind, einschließen, vorhanden sein.
  • Des Weiteren ist das Leistungsmodulsubstrat 81 in der oben beschriebenen Ausführungsform mit Hilfe der Außengewindeschrauben 26, die in Innengewindeschrauben 27a, weiche im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt sind, direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden. Wie in 13 dargestellt ist, kann das Leistungsmodulsubstrat 81 direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden werden, indem die Außengewindeschrauben 26 weiter durch die Befestigungslöcher 27c, die so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, gesteckt sind, und die Außengewindeschrauben 26 in die Muttern 31 geschraubt werden.
  • Im Folgenden soll hier eine vierte Außengewindeschraubensführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden.
  • Wie in den FIG. 14 und 15 gezeigt ist, enthält ein Leistungsmodulsubstrat 110 der vorliegenden Erfindung ein keramisches Substrat 111, auf dessen Oberfläche ein Schaltkreis 111a ausgebildet ist, sowie Metallrahmen 112. Der Schaltkreis 111a ist auf die selbe Art und Weise wie in der ersten Ausführungsform erzeugt worden. Jeder Metallrahmen 112 besteht aus einem Rahmenkorpus 113 und einem Metallfeinblech 114. Der Rahmenkorpus 113 wird durch die Bearbeitung eines Metalls, das genauso dick ist wie das keramische Substrat 111, oder wie das keramische Substrat 111 mit dem Schaltkreis 111a, erzeugt. Beispiele für das Metall, das den Rahmenkorpus 113 bildet, sind eine Aluminium-Legierung, rostfreier Stahl, Kupfer, Titan, Kovar (Fe 54%, Ni 29%, Co 17%) oder eine 42-Legierung (Fe 58%, Ni 42 %) und so weiter. Die Metallfeinbleche 114 werden mit rostfreiem Stahl hergestellt. Die Metallfeinbleche 114 sind alle durch Löten oder Schweißen mit den oberen Seiten des Rahmenkorpus 113 zusammengefügt, und enthalten Kontaktbereiche 114b, deren Unterseiten Bereiche des Substrats 111, die sich auf der gegenüberliegenden Seite befinden und Teil der ringsum verlaufenden Oberfläche des keramischen Substrats 111 sind, berühren.
  • In jedem der Metallrahmen 112, der durch das Zusammenfügen des Metallfeinblechs 114 mit dem Rahmenkorpus 113 erzeugt worden ist, sind Perforationen 112a, welche sie durchdringen, ausgebildet, indem er mit einem Werkzeug, wie etwa einem Bohrer oder etwas Ähnlichem, bearbeitet worden ist. Wie in 15 dargestellt ist, werden in dieser Ausführungsform die Metallrahmen 112, nachdem Lötmaterialien (nicht dargestellt) zwischen die Kontaktbereiche 114b des Metallfeinblechs 114 und den Schaltkreis 111a gebracht worden sind, jeweils an den gegenüberliegenden Seiten des keramischen Substrats 111 angebracht. Durch eine Erhöhung der Temperatur auf einen vorher festgelegten Wert, werden die Metallrahmen 112 danach fest an den gegenüberliegenden Seiten des keramischen Substrats 111 befestigt, auf eine Art und Weise, dass die Perforationen 112a das keramische Substrat 111 einschließen. In diesem Fall wird als Lötmaterial ein Lötmaterial vom Al-Typ eingesetzt, dass einen höheren Schmelzpunkt als das Lötmittel hat, weiches verwendet wird, wenn das unten beschriebene Halbleiterelement 23 auf dem Schaltkreis 111a montiert wird. Beispiele für das Lötmaterial vom Al-Typ sind Al-7,5Si, Al-12Si, Al-10Si-4Cu oder Al-95Zn.
  • Wie in den FIG. 14 und 15 dargestellt ist, enthält das Leistungsmodulsubstrat 110 Manschetten 116 und elastische Stücke 117. Im Inneren einer jeden Manschette 116 sind ein zylindrischer Bereich 116a, dessen Außendurchmesser so bemessen ist, dass er gleitend durch die Perforation 112a gesteckt werden kann, und ein Flansch 116b, der Kontakt mit der Oberseite des Metallrahmens 112 hat, ausgebildet. In der Manschette 116 ist ein durchgehendes Loch 116c, das sowohl den Flansch 116b als auch den zylindrischen Bereich 116a durchdringt, ausgebildet. Jedes elastische Stück 117 wird hergestellt, indem ein Scheibe aus synthetischem Gummi in Form einer Lochscheibe gestanzt wird. Dieses lochscheibenförmige, elastische Stück 117 wird auf den zylindrischen Bereich 116a aufgepasst, und in diesem Stadium wird die Manschette 116 gleitend in die Perforation 112a eingesetzt, wobei das elastische Stück 117 zwischen den Flansch 116b und die Oberseite des Metallrahmens 112 gelangt.
  • Dieses Leistungsmodulsubstrat 110 ist so aufgebaut, dass die Außengewindeschrauben 26 durch die durchgehenden Löcher 116c der Manschetten 116 gesteckt werden und in die Innengewindeschrauben 27a, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt werden, oder noch weiter durch die Befestigungslöcher 27c, die so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, gesteckt werden, wie es in 19 dargestellt ist, und in die Muttern 31 geschraubt werden.
  • In dem Leistungsmodulsubstrat 110 wird das keramische Substrat 111 mit den Außengewindeschrauben 26 und durch Verwendung der Perforationen 112a mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden. Aber die Kraft beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26 wird nicht direkt auf das keramische Substrat 111 ausgeübt, sondern auf den Metallrahmen 112. Aus diesem Grund zerbricht das keramische Substrat 111 als Folge des Festanziehens der Außengewindeschrauben 26 nicht. Wärme vom Halbleiterelement 23, das auf dem Schaltkreis 111a montiert ist, kann effektiv zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert werden.
  • Da Wärme vom Halbleiterelement 23 transferiert wird, dehnen sich des Weiteren jeweils das keramische Substrat 111 und der Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 selber mit dem Zunehmen der Temperatur aus. Im Allgemeinen ist der thermale Expansionskoeffizient des keramischen Substrats 111 niedriger als derjenige des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27, der aus Metall besteht. Folglich wird die Länge einer jeden Außengewindeschraube 26, die in die Innengewindeschraube 27a geschraubt ist, in der Perforation 112a länger werden, als es die Perforation 112a selber ist. Der Längenzuwachs der Außengewindeschrauben 2b wird jedoch durch die elastischen Stücke 117, auf Grund deren Elastizität, ausgeglichen, und wird tolerierbar. Das bedeutet, dass die elastischen Stücke 117 die Befestigungsfehler zwischen dem keramischen Substrat 111 und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27, die durch Expansion oder Schrumpfen entstanden sind, ausgleichen, was durch die Elastizität bewirkt wird, und sie verhindern ein durch Temperaturveränderungen bewirktes Zerbrechen des keramischen Substrats 111.
  • Eine Halbleitervorrichtung, die das Leistungsmodulsubstrat 110, so wie oben beschrieben, enthält, soll hier jetzt beschrieben werden.
  • Wie in 20A gezeigt ist, wird als Erstes das Halbleiterelement 23 unter Verwendung eines Lötmittels 23a auf dem Schaltkreis 111a, der auf dem Leistungsmodulsubstrat 110 ausgebildet ist, montiert. Wie in 20B gezeigt ist, wird das Rahmenstück 25, an dessen innerem Rand sich die Pole 24 befinden ist, mit der Oberfläche des Leistungsmodulsubstrat 110, auf dem das Halbleiterelement 23 montiert ist, verbunden, um das Halbleiterelement 23 zu umschließen. Die Pole 24 sind durch Verbindungsdrähte 23b mit dem Halbleiterelement 23 verbunden. Wie in 20C gezeigt ist, wird ein Isolationsgel, wie etwa Silikongel 29, in den Zwischenraum, der vom Rahmenstück 25 umschlossen wird, gefüllt. Nachdem das Halbleiterelement 23 durch das Einfüllen des Isolationsgels abgedichtet worden ist, wird die Abdeckplatte 25a mit der Oberseite des Rahmenstücks 25 verbunden.
  • Anschließend wird ein Silikonharz auf den Bereich des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27 aufgetragen, an dem das Leistungsmodulsubstrat 110 fest angebracht werden soll, falls dies nötig ist. Das keramische Substrat 111 wird darauf befestigt. Der Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ist so aufgebaut, dass im Inneren des Kühlkörpers vom Wasserkühlungs-Typ 27 die Wasserpassage 27b, durch welche das Kühlwasser 28 zirkuliert, ausgebildet ist, und die Wärme über die Zirkulation des Kühlwassers 28 durch die Wasserpassage 27b nach außen abgegeben wird. Die Außengewindeschrauben 26 werden durch die durchgehenden Löcher 116c der Manschetten 116 gesteckt. Die Außengewindeschrauben 26 werden in die Innengewindeschrauben 27a, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt. Dementsprechend wird das keramische Substrat 111 direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden, um so die Halbleitervorrichtung zu erhalten.
  • In dieser Halbleitervorrichtung ist der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23 zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 kürzer als der konventionelle, der in 22 dargestellt ist, so dass Wärme vom Halbleiterelement 23 effektiv zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und nach außen abgegeben werden kann.
  • In der oben beschriebenen Halbleitervorrichtung werden die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt. Wie in 19 dargestellt ist, kann die Halbleitervorrichtung jedoch auch hergestellt werden, indem die Außengewindeschrauben 26 weiter durch die Befestigungslöcher 27c, die so ausgebildet sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben 26 jeweils in die Muttern 31 geschraubt werden.
  • Eine fünfte Ausführungsform des Leistungsmodulsubstrats der vorliegenden Erfindung soll hier jetzt mit Bezug auf die FIG. 16 und 17 beschrieben werden. In den FIG. 16 und 17 sowie in den oben beschriebenen Ausführungsformen werden gleiche Teile mit den selben Referenznummern versehen, und auf die wiederholte Beschreibung wird verzichtet.
  • Wie in FIG. 17 gezeigt ist, haben der Rahmenkorpus 113 und das Metallfeinblech 114 eine quadratische Form, um so den gesamten Rand des keramischen Substrats 111 zu umschließen. Das Metallfeinblech 114 ist so geformt, dass seine Unterseite Kontakt mit der gesamten ringsumlaufenden Oberfläche des keramischen Substrats 111 hat. In den Metallrahmen 112, die durch das Verbinden der oben beschriebenen Metallfeinbleche 114 mit den Rahmenkorpussen 113 erzeugt wurden, sind in Bereichen gegenüberliegender Seiten eines jeden Metallrahmens 112 Einstecklöcher 112b ausgebildet worden, indem sie mit einem Werkzeug, wie etwa einem Bohrer, bearbeitet worden sind, um so das keramische Substrat 111 einzuschließen. Der Metallrahmen 112 ist fest am keramischen Substrat 111 angebracht, indem die Kontaktbereiche 114b des Metallfeinblechs 114 auf dem Schaltkreis 111a mit dem Al-Lötmaterial überschichtet werden, und die Temperatur auf einen vorher festgelegten Wert angehoben wird, damit die Kontaktbereiche 114b mit einem Teil, oder sogar dem ganzen, Schaltkreis 111a verbunden werden. Beispiele für das Al-Lötmaterial sind Al-7,5-Si, Al-12Si, Al-10Si-4Cu oder Al-95Zn. Das Verbinden der Kontaktbereiche 114b mit einem Teil des Schaltkreises 111a wird dann durchgeführt, wenn die thermalen Expansionskoeffizienten des keramischen Substrats 111 und des Metallrahmens 112 unterschiedlich sind. Wenn die Kontaktbereiche 114b mit dem ganzen Schaltkreis 111a verbunden werden sollen, ist es notwendig, dass die Koeffizienten für die thermale Expansion des keramischen Substrats 111 und des Metallrahmens 112 im Wesentlichen gleich sind.
  • Des Weiteren wird ein Leistungsmodulsubstrat 120 bereitgestellt, das mit Unterlegscheiben 118 und den elastischen Stücken 117 ausgestattet ist. In den Unterlegscheiben 118 befinden sich Verbindungslöcher 118a, die in Verbindung mit den entsprechenden Einstecklöchern 112b stehen. Auf der anderen Seite wird jedes elastische Stück 117 hergestellt, indem eine Scheibe aus synthetischem Gummi in Form einer Lochscheibe gestanzt wird. Die Unterlegscheiben 118 werden jeweils über die lochscheibenförmigen, elastischen Stücke 117 auf die Oberseite des Metallrahmens 112 aufgebracht.
  • Das Leistungsmodulsubstrat 120 ist so aufgebaut, dass das keramische Substrat 111, an dem der Metallrahmen 112 fest angebracht ist, mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden ist, indem die Außengewindeschrauben 26 gleitend durch die Verbindungslöcher 118a der Unterlegscheiben 118, und durch die Einstecklöcher 112b des Metallrahmens 112 gesteckt werden, und indem die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt werden, oder weiter in die Befestigungslöcher 27c, die so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, gesteckt werden, und indem die Außengewindeschrauben 26 in die jeweiligen Muttern 31 geschraubt werden.
  • In diesem Leistungsmodulsubstrat 120 ist das keramische Substrat 111 mit Außengewindeschrauben 26 und unter Verwendung der Perforationen 112b mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden. Die Kraft beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26 wird jedoch nicht direkt auf das keramische Substrat 111, sondern auf den Metallrahmen 112, ausgeübt. Aus diesem Grund zerbricht das keramische Substrat 111 nicht in Folge der Kraftausübung beim Anziehen der Außengewindeschrauben 26. Wärme vom Halbleiterelement 23, das auf dem Schaltkreis 111a montiert ist, kann auf effektive Weise zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert werden. Wenn Wärme vom Halbleiterelement 23 transferiert wird, wodurch das keramische Substrat 111 und der Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 sich ausdehnen, und die Länge einer jeden Außengewindeschraube 26 im Einsteckloch 112b länger wird, als es das Einsteckloch 112b selber ist, wird der Längenzuwachs der Außengewindeschrauben 26 von den elastischen Stücken 117, auf Grund deren Elastizität, ausgeglichen Dadurch wird ein Zerbrechen des keramischen Substrats 111 als Folge von Temperaturschwankungen verhindert.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Metallrahmen 112 durch das teilweise oder vollständige Aneinanderlöten der Kontaktbereiche 114b des Metallfeinblechs 114 und des Schaltkreises 111a fest auf dem keramischen Substrat 111 angebracht. Der Metallrahmen 112 kann aber auch fest auf dem keramischen Substrat 111 angebracht werden, indem die Kontaktbereiche 114b direkt mit dem keramischen Substrat 111 verbunden werden, wie es in 18 dargestellt ist.
  • Des Weiteren wird der Metallrahmen 112 in der oben beschriebenen Außengewindeschraubensführungsform erzeugt, indem das Metallfeinblech 114 mit dem Rahmenkorpus 113 verbunden wird. Das Metallfeinblech kann jedoch auch zusammen mit dem Metallrahmen hergestellt werden, indem der Metallrahmen und so weiter unter der Bedingung ausgeschnitten wird, das er fest auf einem Teil oder auf dem gesamten Rand des keramischen Substrats 111 angebracht werden kann.
  • In der Halbleitervonichtung, welche das Leistungsmodulsubstrat 120 enthält, das so aufgebaut ist, wie es oben beschrieben worden ist, ist das keramische Substrat 111, auf dem der Metallrahmen 112 fest angebracht ist, mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 verbunden, indem die Außengewindeschrauben 26 gleitend durch die Verbindungslöcher 118a der Unterlegscheiben 118 und durch die Einstecklöcher 112b des Metallrahmens 112 gesteckt sind, und die Außengewindeschrauben 26 in die Innengewindeschrauben 27a, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 ausgebildet sind, geschraubt sind, oder die Außengewindeschrauben 26 weiter durch die Befestigungslöcher 27c, die so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 durchdringen, gesteckt und jeweils in die Muttern 31 geschraubt sind, um so die Halbleitervonichtung zu erhalten. In der Halbleitervorrichtung, welche das oben beschriebene Leistungsmodulsubstrat 120 enthält, ist der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement 23 zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 kürzer als der konventionelle, der in 22 dargestellt ist. Wärme vom Halbleiterelement 23 kann effektiv zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ 27 transferiert und nach außen abgegeben werden.
  • Wie oben beschrieben, ist das Leistungsmodulsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise so aufgebaut, dass der Metallrahmen mit den vielen Perforationen sich am Rand des keramischen Substrats befindet, und dass die Metallfeinbleche, deren durchgehende Löcher in Verbindung mit den Perforationen sowie den Kontaktbereichen stehen und deren Unterseiten Kontakt mit wenigstens einem Teil der ringsum verlaufenden Oberfläche des keramischen Substrats, oder des Schaltkreises, haben, auf der Oberfläche des Metallrahmens aufgebracht sind, wodurch das keramische Substrat dann mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ verbunden werden kann, indem die Außengewindeschrauben durch die durchgehenden Löcher und die Perforationen gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in die Innengewindeschrauben, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder die Außengewindeschrauben weiter durch die Befestigungslöcher, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ ausgebildet sind, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in die Muttern geschraubt werden. Deswegen wird die Kraft beim Anziehen der Außengewindeschrauben nicht auf das keramische Substrat direkt ausgeübt. Somit kann ein Zerbrechen des keramischen Substrats, als Folge der Kraftausübung beim Anziehen der Außengewindeschrauben, verhindert werden.
  • Wenn der Metallrahmen und das Metallfeinblech, das auf die Oberfläche des Metallrahmens aufgebracht worden ist, von solcher Art sind, dass sie, im Vergleich zu dem keramischen Substrat, relativ einfach bearbeitet werden können, kann die Bildung der durchgehenden Löcher und der Perforationen leicht durchgeführt werden, und die Befestigungslöcher können leicht und mit hoher Präzision bei der Befestigungsbohrung hergestellt werden. Wenn die elastischen Stücke zwischen die Oberfläche des keramischen Substrats, oder des Schaltkreises, und die gegenüberliegenden Bereiche der Metallfeinbleche eingefügt werden, werden die Befestigungsfehler zwischen dem keramischen Substrat und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ, die als Folge von Expansion oder Schrumpfung auftreten, durch die elastischen Stücke, auf Grund deren Elastizität, ausgeglichen. Folglich kann ein Zerbrechen des keramischen Substrats, als eine Folge der Temperaturveränderung, verhindert werden. In diesem Fall wird durch das Anfügen der elastischen Stücke mit einem thermoresistenten Klebstoff die Beweglichkeit der elastischen Stücke verhindert, so dass das keramische Substrat, das durch die elastischen Stücke Kontakt mit den Unterseiten der gegenüberliegenden Bereiche hat, effektiv mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ verbunden werden kann.
  • Vorzugsweise ist der Metallrahmen, der sich mindestens an einem Teil des Randes des keramischen Substrats befindet, genauso dick wie das keramische Substrat, oder geringfügig dünner und verfügt über eine Vielzahl Perforationen, die so geformt sind, dass sie das keramische Substrat einschließen, ist das erste Metallfeinblech, das über die ersten durchgehenden Löcher verfügt, welche in Verbindung mit den korrespondierenden Perforationen stehen, und das den Schaltkreis besitzt, welcher in dem Teil des ersten Metallfeinblechs ausgebildet ist, der dem keramischen Substrat gegenüber liegt, an der Oberfläche des keramischen Substrats und derjenigen des Metallrahmens befestigt, und ist das zweite Metallfeinblech, das über die zweiten durchgehenden Löcher verfügt, welche jeweils in Verbindung mit den Perforationen und den ersten durchgehenden Löchern stehen, und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ gegenüberliegt, an die Rückseite des keramischen Substrats und derjenigen des Metallrahmens gefügt. Wenn also die Außengewindeschrauben durch die ersten durchgehenden Löcher, die Perforationen und die zweiten durchgehenden Löcher, die jeweils im ersten Metallfeinblech, im Metallrahmen und im zweiten Metallfeinblech ausgebildet sind, gesteckt werden und in die Innengewindeschrauben, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder weiter durch die Befestigungslöcher, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ ausgebildet sind, gesteckt werden und in die Muttern geschraubt werden, wird beim Anziehen der Außengewindeschrauben folglich keinerlei Kraft direkt auf das keramische Substrat ausgeübt, wodurch ein Zerbrechen des keramischen Substrats, als Folge der Kraftausübung beim Anziehen der Außengewindeschrauben, verhindert werden kann.
  • Indem das erste und das zweite Metallfeinblech angefügt werden, um das keramische Substrat und den Metallrahmen zusammen zu fügen, und die ersten durchgehenden Löcher, die Perforationen und die zweiten durchgehenden Löcher jeweils im ersten Metallfeinblech, im Metallrahmen und im zweiten Metallfeinblech gebildet werden, um sie zu durchdringen, können die Befestigungslöcher einfach und mit hoher Präzision bei der Befestigungsbohrung im Leistungsmodulsubstrat hergestellt werden.
  • Da sich des Weiteren die Flansche der Manschetten oder die Unterlegscheiben, die gleitend durch die Perforationen gestecktwerden, jeweils an den Oberseiten des Metallrahmens befinden, und die Außengewindeschrauben, die durch die durchgehenden Löcher der Manschetten oder die Verbindungslöcher der Unterlegscheiben gesteckt werden, gleitend durch die Einstecklöcher des Metallrahmens gesteckt werden und in die Innengewindeschrauben, die im Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, wird der Fehler bei der Befestigung zwischen dem keramischen Substrat und dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ, der eine Folge des Expandierens oder Schrumpfens ist, von den elastischen Stücken, auf Grund deren Elastizität, ausgeglichen. Somit kann ein Zerbrechen des keramischen Substrats, als Folge der Temperaturschwankung, verhindert werden.
  • In der Halbleitervorrichtung, bei welcher das Halbleiterelement auf dem Schaltkreis montiert ist, und das Leistungsmodulsubstrat direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ verbunden ist, indem die Außengewindeschrauben durch die durchgehenden Löcher und die Perforationen gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben durch die durchgehenden Löcher der Manschetten gesteckt werden, oder die Außengewindeschrauben durch die Verbindungslöcher der Unterlegscheiben gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben dann gleitend durch die Einstecklöcher des Metallrahmens gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in die Innengewindeschrauben, die in dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben durch die Befestigungslöcher, welche so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ durchdringen, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben jeweils in die Muttern geschraubt werden, ist außerdem der Weg des Wärmetransfers vom Halbleiterelement, das auf dem Schaltkreis des Leistungsmodulsubstrat, welches direkt mit dem Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ verbunden ist, montiert ist, relativ kurz, und Wärme vom Halbleiterelement kann effektiv zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ transferiert werden. Als ein Resultat kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Weg des Wärmetransfers von dem Halbleiterelement öder etwas Ähnlichem zum Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ verkürzt werden, ohne dass dabei das keramische Substrat beschädigt wird, so dass die Wärme vom Halbleiterelement effektiv abgegeben werden kann.
  • In dem Fall, wenn der Kühlkörper vom Wasserkühlungs-Typ den Kühlkörper-Korpus, der über die Wasserpassage und die Kühlkörperabdeckung, welche die Wasserpassage abdichten kann, verfügt, ist das Leistungsmodulsubstrat vorzugsweise direkt mit der Kühlkörperabdeckung verbunden, ist das Rahmenstück mit der Oberfläche der Kühlkörperabdeckung verbunden, um das Leistungsmodulsubstrat einzuschließen, sind die Pole und das Halbleiterelement miteinander verbunden, und ist ein Isolierungsgel eingefüllt, weiter ist eine Abdeckplatte mit der Oberseite des Rahmenstücks verbunden, und die Kühlkörperabdeckung mit dem Kühlkörper-Korpus verschraubt. So kann die Halbleitervorrichtung durch simple Arbeitsschritte erhalten werden, womit das Anschrauben der Kühlkörperabdeckung an den Kühlkörper-Korpus gemeint ist.
  • Selbstverständlich sind zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung, unter der Vorgabe des oben Geschilderten, möglich. Es sollte von daher klar sein, dass innerhalb der Gebiets der angefügten Ansprüche die Erfindung auch anders ausgeführt werden kann, als es hier spezifisch beschrieben worden ist.

Claims (16)

  1. Ein Leistungsmodulsubstrat für eine Halbleitervorrichtung, das Folgendes beinhaltet: ein keramisches Substrat (1; 11; 111), auf dessen erster Hauptoberfläche ein Schaltkreises (17; 77; 111a) ausgebildet ist, und ein Metallrahmen (12; 62; 72; 112), welcher die Peripherie des keramischen Substrats umgibt und mit einer Vielzahl von Perforationen (12a; 62a; 72a; 112A) versehen ist, die in ihm ausgebildet sind, wobei eine zweite Hauptoberfläche des keramischen Substrat coplanar mit der Unterseite des Metallrahmens liegt, so dass das keramische Substrat und der Metallrahmen vermittels der vielen Perforationen mit einem Kühlkörper vom Wassertank-Typ (8; 27) verbunden werden können, welches dadurch charakterisiert ist, dass viele Metallfeinbleche (13; 63; 73; 74; 112a), welche über durchgehende Löcher (13a; 63a; 73a; 74A) verfügen, die in Verbindung mit den entsprechenden Perforationen (12a; 62a; 72a; 112a) stehen, auf der Oberfläche des Metallrahmens angebracht sind, die besagten Metallfeinbleche über Kontaktbereiche (13b; 114b) verfügen, deren Unterseiten wenigstens einen peripheren Teil der ersten Oberfläche des keramischen Substrats oder des darauf liegenden Schaltkreises berühren.
  2. Ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 1, bei welchem der Metallrahmen genauso dick wie das keramische Substrat oder wie das keramische Substrat mit dem Schaltkreis ist, wobei entweder das keramische Substrat oder der Schaltkreis die Kontaktbereiche (13b; 114b) direkt berührt, und das keramische Substrat mit einem Kühlkörper vom Wassertank-Typ (8) verbunden ist, indem Außengewindeschrauben (9) durch die durchgehenden Löcher und die Perforationen gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in Innengewindeschrauben (27a), welche in dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben durch Befestigungslöcher (27c), welche in dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ ausgebildet sind, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in Muttern (31) geschraubt werden.
  3. Ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 1, bei welchem der Metallrahmen dicker als das keramische Substrat, oder das keramische Substrat mit dem Schaltkreis, ist, elastische Stücke (24; 117), von denen jedes eine Dicke hat, welche der Differenz zwischen dem keramischen Substrat, oder dem keramischen Substrat mit dem Schaltkreis, und dem Metallrahmen entspricht, oder eine Dicke hat, welche etwas dicker als die Differenz ist, zwischen die Oberfläche des keramischen Substrats oder des Schaltkreises und den Kontaktbereichen eingelagert sind, wobei das keramische Substrat mit einem Kühlkörper vom Wassertank-Typ verbunden ist, indem Außengewindeschrauben durch die durchgehenden Löcher und die Perforationen gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in Innengewindeschrauben, welche in dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben durch Befestigungslöcher, welche in dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ ausgebildet sind, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in Muttern geschraubt werden.
  4. Ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 3, bei welchem sowohl die Oberseite als auch die Unterseite eines jeden elastischen Stücks durch ein hitzeresistentes Bindmittel an die Oberfläche des keramischen Substrats, oder an den Schaltkreis, und an die Oberfläche der entsprechenden Kontaktbereiche gebunden sind.
  5. Ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 3 oder 4, bei welchem jedes der elastischen Stücke einen rechteckigen Querschnitt aufweist, und das Verhältnis Y/X wenigstens 0,8 beträgt, wobei X die Breite des Querschnitts repräsentiert und Y die Dicke des elastischen Stücks.
  6. Ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 3, 4 oder 5, bei welchem das keramische Substrat über eine Metallfolie verfügt, die an seine Rückseite gebunden ist, und der Auflagedruck P der Metallfolie, durch welchen das keramische Substrat an den Kühlkörper vom Wassertank-Typ gebunden ist, gegen den Kühlkörper vom Wassertank-Typ, und der Koeffizient μ, der Reibung zwischen der Metallfolie und dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ, ein Verhältnis zueinander haben, das mit der Formel μP ≤ 10 in Mpa ausgedrückt wird.
  7. ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 1, bei welchem der Metallrahmen eine Dicke aufweist, welche derjenigen des keramischen Substrats entspricht, oder etwas dünner als sie ist, ein erstes Metallfeinblech durch ein Lötmaterial (16; 76) an die Oberfläche des keramischen Substrats und diejenige des Metallrahmens gebunden ist, besagtes erstes Metallfeinblech erste durchgehende Löcher hat, die in Verbindung mit den entsprechenden Perforationen stehen, und welches einen Schaltkreises besitzt, der in demjenigen Teil des ersten Metallfeinblechs ausgebildet ist, welcher dem keramischen Substrat gegenüber liegt, ein zweites Metallfeinblech (74) durch das Lötmaterial an die Rückseite des keramischen Substrats und diejenige des Metallrahmens gebunden ist, besagtes zweites Metallfeinblech zweite durchgehende Löcher hat, die in Verbindung mit den Perforationen und den ersten durchgehenden Löchern stehen, und welches dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ gegenüber liegt, wobei das keramische Substrat mit dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ verbunden ist, indem Außengewindeschrauben durch die ersten durchgehenden Löcher, die Perforationen und die zweiten durchgehenden Löcher gesteckt werden, die Außengewindeschrauben in Innengewindeschrauben, welche in dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben durch Befestigungslöcher, welche so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wassertank-Typ durchdringen, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in Muttern geschraubt werden.
  8. Ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 1, welches des weiteren noch Folgendes beinhaltet: Manschetten (116), von denen jede einen zylindrischen Abschnitt (116a) umfasst, der ein durchgehendes Loch (116c) und einem Flansch (116b) besitzt, die in Kontakt mit der oberen Seite des Metallrahmens stehen und zusammen miteinander geformt sind, welche gleitend durch die jeweiligen Perforationen gesteckt sind, und elastische Stücke (117), die jeweils zwischen die Flanschabschnitte und die obere Seite des Metallrahmens eingelegt sind, wobei das keramische Substrat, an dem der Metallrahmen festgemacht ist, mit dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ verbunden werden kann, indem Außengewindeschrauben durch die Perforationen gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in Innengewindeschrauben, welche in dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben durch Befestigungslöcher, welche in dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ ausgebildet sind, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in Muttern geschraubt werden.
  9. Ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 1, welches des weiteren noch Folgendes beinhaltet: Dichtungen (118), die Verbindungslöcher haben, welche in Verbindung mit den entsprechenden Perforationen stehen und an der Oberseite des Metallrahmens angebracht sind, und elastische Stücke, die jeweils zwischen die Dichtungen und die Oberseite des Metallrahmens eingelegt sind, wobei das keramische Substrat, an welchem der Metallrahmen festgemacht ist, mit dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ verbunden werden kann, indem die Außengewindeschrauben gleitend durch die Verbindungslöcher und durch die Einstecklöcher gesteckt werden, die Außengewindeschrauben in Innengewindeschrauben, welche in dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben durch Befestigungslöcher, welche in dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ ausgebildet sind, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben in Muttern geschraubt werden.
  10. Ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 8 oder 9, bei welchem der Metallrahmen wenigstens teilweise durch Anlöten oder Schweißen an dem keramischen Substrat festgemacht ist.
  11. Ein Leistungsmodulsubstrat gemäß Anspruch 2 oder 10, bei welchem das keramische Substrat 0,2 mm bis 3,5 mm dick ist.
  12. Ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmodulsubstrats, das Folgendes beinhaltet: – die Bereitstellung eines Metallrahmens (12; 62; 72; 112), welcher wenigstens zum Teil die Peripherie eines keramischen Substrats (1; 11; 111) umgibt, wobei der besagte Metallrahmen eine Dicke hat, die derjenige des keramischen Substrats entspricht oder etwas dünner ist, – das Binden von ersten und zweiten Metallfeinblechen (73; 74) an die jeweiligen Hauptoberflächen des keramischen Substrats und des Metallrahmens vermittels eines Lötmaterials (76), wobei das keramische Substrat mit dem Metallrahmen zusammengebracht wird, – das Ausbilden eines Schaltkreises (17; 77; 11a) in einem Bereich des ersten Metallfeinblechs oberhalb der ersten Hauptoberfläche des keramischen Substrats, und – das Ausbilden von ersten durchgehenden Löchern (73a), Perforationen und zweiten durchgehenden Löchern (74a), jeweils in dem ersten Metallfeinblech, dem Metallrahmen und dem zweiten Metallfeinblech, um diese zu durchdringen.
  13. Eine Halbleitervorrichtung, die Folgendes beinhaltet: ein Halbleiterelement (23), das auf dem Schaltkreis des Leistungsmodulsubstrat, gemäß Anspruch 2 oder 6, angebracht ist, bei welchem ein Rahmenstück (25), das über Pole (24) verfügt, die sich an seiner inneren Peripherie befinden, so mit der Oberfläche des Leistungsmodulsubstrat verbunden ist, dass es das Halbleiterelement umgibt, die Pole und das Halbleiterelement miteinander verbunden sind, und ein isolierender Füllstoff eingefüllt ist, eine Abdeckplatte (25a) mit der Oberseite des Rahmenstücks 25 verbunden ist, die Außengewindeschrauben durch die durchgehenden Löcher und die Perforationen des Metallfeinblechs und des Metallrahmens gesteckt sind, das Leistungsmodulsubstrat direkt mit dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ verbunden ist, indem die Außengewindeschrauben in die Innengewindeschrauben, welche in dem Kühlkörper des Wassertank-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder indem die Außengewindeschrauben weiter durch die Befestigungslöcher, die so geformt sind, dass sie den Kühlkörper vom Wassertank-Typ durchdringen, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben jeweils in die Muttern geschraubt werden.
  14. Eine Halbleitervorrichtung, die Folgendes beinhaltet: einen wassergekühlten Kühlkörper, der einen Kühlkörper-Korpus mit einer Wasserpassage und eine Kühlkörperabdeckung, welche die Wasserpassage abdichten kann, umfasst, ein Halbleiterelement, das am Schaltkreis des Leistungsmodulsubstrat angebracht ist, gemäß Anspruch 2 oder 6, wobei, die Außengewindeschrauben durch die durchgehenden Löcher des Metallfeinblechs und die Perforationen des Metallrahmens des Leistungsmodulsubstrat gesteckt sind, das Leistungsmodulsubstrat direkt mit der Kühlkörperabdeckung verbunden ist, indem die Außengewindeschrauben jeweils in die Innengewindeschrauben, welche in der Kühlkörperabdeckung ausgebildet sind, geschraubt werden, ein Rahmenstück (25) das über Pole (24) verfügt, die sich an seiner inneren Peripherie befinden, so an die Oberfläche der Kühlkörperabdeckung gebunden ist, dass es das Leistungsmodulsubstrat umgibt, die Pole mit dem Halbleiterelement verbunden sind, und ein Isolierungsgel eingefüllt ist, eine Abdeckplatte (25a) an die Oberseite des Rahmenstücks gebunden ist, und die Kühlkörperabdeckung am Kühlkörper-Korpus festgeschraubt ist.
  15. Eine Halbleitervorrichtung, die Folgendes beinhaltet: ein Halbleiterelement, das an dem Schaltkreis des Leistungsmodulsubstrat angebracht ist, gemäß Anspruch 7, bei welchem ein Rahmenstück (25) das über Pole (24) verfügt, die sich an seiner inneren Peripherie befinden, so an die Oberfläche des Leistungsmodulsubstrat gebunden ist, dass es das Halbleiterelement umgibt, die Pole mit dem Halbleiterelement verbunden sind, und ein Isolierungsgel eingefüllt ist, eine Abdeckplatte (25a) an die Oberseite des Rahmenstücks 25 gebunden ist, und das Leistungsmodulsubstrat vermittels der Außengewindeschrauben direkt an den Kühlkörper vom Wassertank-Typ gebunden ist.
  16. Eine Halbleitervorrichtung, die Folgendes beinhaltet: ein Halbleiterelement, das an dem Schaltkreis des Leistungsmodulsubstrat angebracht ist, gemäß Anspruch 8 oder 9, bei welchem ein Rahmenstück (25) das über Pole (24) verfügt, die sich an seiner inneren Peripherie befinden, so mit der Oberfläche des Leistungsmodulsubstrat verbunden ist, dass es das Halbleiterelement umgibt, die Pole mit dem Halbleiterelement verbunden sind, und ein Isolierungsgel eingefüllt ist, eine Abdeckplatte (25a) mit der Oberseite des Rahmenstücks verbunden ist, und die Außengewindeschrauben gemäß Anspruch 11 durch die durchgehenden Löcher der Manschetten und durch die Einstecklöcher des Metallrahmens gesteckt sind, und das Leistungsmodulsubstrat direkt mit dem Kühlkörper vom Wassertank-Typ verbunden ist, indem die Außengewindeschrauben in die Innengewindeschrauben, welche in dem Kühlkörper des Wassertank-Typ ausgebildet sind, geschraubt werden, oder weiter durch die Befestigungslöcher, die so ausgebildet sind, dass sie den Kühlkörper vom Wassertank-Typ durchdringen, gesteckt werden, und die Außengewindeschrauben jeweils in die Muttern geschraubt werden.
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