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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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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.
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Diskussion des Hintergrunds
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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,
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch Verlöten oder Schweißen, wie
es oben beschrieben ist, kann der Metallrahmen 112 leicht und
beständig
an dem keramischen Substrat 111 fest angebracht werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.