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DE19509441C2 - Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung - Google Patents

Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung

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DE19509441C2
DE19509441C2 DE19509441A DE19509441A DE19509441C2 DE 19509441 C2 DE19509441 C2 DE 19509441C2 DE 19509441 A DE19509441 A DE 19509441A DE 19509441 A DE19509441 A DE 19509441A DE 19509441 C2 DE19509441 C2 DE 19509441C2
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Germany
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metal
hybrid power
integrated hybrid
circuit device
resin layer
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Kazuji Yamada
Hideki Miyazaki
Kazuo Kato
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Hitachi Ltd
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Hybrid-Schaltungs­ vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere auf eine integrierte Hybrid-Schaltungsvorrichtung mit einem reduzierten Schaltrauschen des Leistungselementes und einer verbesserten dielektrischen Festigkeit des Verdrahtungsteiles des Leistungselementes.
Zwei Arten von Schaltungssubstraten sind u. a. bei konventionellen Leistungsmodulen verwendet worden, bei welchen Leistungselemente in einer integrierten Hybrid- Schaltung montiert sind. Das erste Substrat war ein Schaltungssubstrat, bei welchem eine obere Oberfläche eines aus Cu oder Al als ein Hauptbestandteil hergestelltes Metallsubstrat mit Epoxidharz oder Polyimidharz, welchen anorganische Füllstoffe, wie z. B. SiO2 zugegeben wurden, isoliert wurde. Das zweite war ein Schaltungssubstrat, bei welchem eine obere Oberfläche eines Metallsubstrates mit Keramik isoliert wurde.
Ersteres wurde hauptsächlich für ein Produkt mit einem Leistungsvermögen von 600 V/30 A oder weniger verwendet, und letzteres wurde für ein Produkt verwendet, welches ein Leistungsvermögen von mehr als 600 V/30 A aufwies.
Andererseits gibt es auch Leistungsmodule unter Verwendung eines kombinierten Schaltungssubstrates der oben erwähnten zwei Arten von Substraten, d. h. ein Schaltungssubstrat, bei welchem eine obere Oberfläche eines Metallsubstrates mit organischen Filmen wie z. B. Epoxidharz an einem Teil und mit Keramik an einem anderen Teil isoliert ist.
Das Leistungsmodul dieses Typs ist in der JP-A-3-195053 beschrieben. Das Halbleiter-Leistungselement ist mit dem Metallsubstrat durch Keramikplättchen wie z. B. aus Aluminiumnitrid verbunden, bei welchen Wärmeleitung gut ist. Als Metallsubstrat wird Cu verwendet.
Kleine Steuerelemente wie z. B. Treiber-IC's sind mit den Verdrahtungen verbunden, welche auf der Isolierschicht ausgebildet sind, die auf dem Metallsubstrat aufgebracht ist. Als Isolierschicht wird Polyimidharz verwendet.
Bei diesem Leistungsmodul sind die Eingangs- und Ausgangsverdrahtungen der Steuerschaltung und des Halbleiter-Leistungselementes auf dem Polyimidharz ausgebildet. Lediglich die Halbleiter-Leistungselemente sind mit dem Metallsubstrat über das Keramikplättchen verbunden. Außerdem sind die Steuerschaltung und das Halbleiter-Leistungselement miteinander mit Aluminiumdraht verbunden.
Die Wärmedissipation kann durch Verwendung von Keramik für den Montierabschnitt des Halbleiter-Leistungselementes in dem obigen Leistungsmodul verbessert werden. Mit einer Erhöhung des elektrischen Stromes in einer Halbleiter- Leistungsvorrichtung kann sich jedoch ein sog. Rauschen, das sind Störungen, welche zur Zeit des Schaltens erzeugt werden, und ein Rauschen von der Eingangs-/Ausgangsverdrahtung in der Verdrahtung ausbreiten, die in der Nähe des Leistungselementes ausgebildet ist.
Das in die Verdrahtung für das kleine Ansteuer-Signal eindringende Rauschen erzeugt z. B. Operationsfehler eines Treiber-IC oder Mikrocomputers.
Bei einem Leistungsmodul dieses Typs sind zwei Arten von Isolatoren wie z. B. Keramik und Polyimid und eine Kollektorelektrode sowie eine Eingabe- /Ausgabeverdrahtung des Halbleiter-Leistungselementes mit einem Al-Draht verbunden. Wenn diese Struktur auf Halbleiter-Hochleistungselemente angewendet wird, kann daraus ein Problem des Ansteigens des Verdrahtungswiderstandes erwachsen, was zu einem erhöhten Leistungsverlust des Halbleiterelementes führt. Da als Metallsubstrat für die integrierte Hybrid-Leistungsschaltung eine Kupferplatte verwendet wird, ist Löten leicht, wenn das Keramikplättchen mit dem Substrat verbunden ist, und die Wärmedissipation ist ebenfalls gut.
Es gibt jedoch dann ein Problem dahingehend, daß das Gewicht des gesamten Systems, welches diese integrierte Hybrid-Schaltung anwendet, ansteigt, da Kupfer schwer ist.
Die DE 31 19 239 A1 offenbart ein Mehrsicht-Keramikgehäuse, bei dem zur Vergrößerung der Bauteiledichte eine Anzahl von jeweils leitende Leiterbahnen tragenden keramischen Schichtkörpern oder Platten vorgesehen ist, die einen inneren Hohlraum des Gehäuses bilden, in dem ein oder mehrere Halbleiterplättchen angeordnet sind, die zur Bildung einer Halbleiterplättchen-Anordnung miteinander verbunden sind. Das Halbleiterplättchen oder die Halbleiterplättchen-Anordnung ist über kurze Drahtverbindungen mit den Leiterbahnen der Schichtkörper verbunden. Eine Leistungs- oder Hybridschaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist nicht offenbart.
Die DE 35 16 995 C2 offenbart ein Leistungshalbleiter-Bauelement, bei dem leitfähige Schichten aus Aluminium- bzw. Kupferfilm bestehen. Dabei handelt es sich jedoch nicht um ein hybrides Bauelement, welches einen Leistungsteil und Steuerteil, aufweist, sondern um eine Stromversorgung (Umrichter).
Die JP-A-62-1258 beschreibt ein Halbleiterbauelement mit einer Mehrschicht- Dünnfilmverdrahtung, wobei die einzelnen Verdrahtungsebenen durch Metallschichten gebildet werden, die auf einer Seite keramiklaminiert sind und jeweils durch eine Harzschicht voneinander getrennt sind. Eine hybride oder Leistungshalbleiter-Struktur ist nicht offenbart.
Die JP 63-318147 A offenbart schließlich ein Halbleiterbauelement, bei welchem die Anschlüsse in mehrfacher Ausführung vorgesehen sind, wobei die Anschlüsse je­ weils symmetrisch zur Längs- und Querachse des Gehäuses angeordnet sind, damit das Halbleiterbauelement richtungsunabhängig montiert werden kann. Eine Hybrid­ struktur ist nicht offenbart.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Störungen durch Rauschen durch den Verdrah­ tungswiderstand bei einer Erhöhung des elektrischen Stromes eines Halbleiter- Leistungselementes in einer integrierten Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung zu reduzieren, wobei eine kleine und leichte integrierte Hybrid-Leistungsschal­ tungsvorrichtung herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine integrierte Hybrid-Leistungsschal­ tungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Charakteristisch weist eine Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Isolierschicht, welche aus einem organischen Harz ausgebildet ist, welches an einem Metallsubstrat haftet und eine Vielzahl von Fenstern auf, in wel­ chen Keramikplättchen mit dem Metallsubstrat durch die jeweiligen Fenster gebon­ det sind. Metallfolien sind auf den Keramikplättchen ausgebildet, und die Halbleiter- Leistungselemente sind mit den jeweiligen Keramikplättchen über die Metallfolien befestigt.
Die Leitungswege der Steuerschaltungs-Elemente sind beispielsweise an den ge­ wünschten Positionen der Oberfläche der Isolierschicht ausgebildet, während die Leitungswege für die Halbleiter-Leistungselemente an den anderen Positionen der Oberfläche der Isolierschicht ausgebildet sind. Die Elektroden der aneinandergren­ zenden Halbleiter-Leistungselemente sind elektrisch mit Metallfolien verbunden. Die Metallfolien stellen das Verdrahtungsmaterial und auch die Elektroden für die Halbleiter-Leistungselemente dar.
Wenn mehrere untere Elektroden des Halbleiter-Leistungselementes verbunden sind, sind die Metallfolien in Form einer Brücke an der Oberfläche der jeweiligen unterteilten Keramikplättchen gebondet, während ein Teil der Metallfolie mit der Eingabe-/Ausgabeverdrahtung verbunden ist.
Selbst wenn die unteren Elektroden der Halbleiter-Leistungselemente unabhängig sind, wird die Metallfolie zwischen das Halbleiter-Leistungsplättchen und das Keramikplättchen eingefügt, wobei ein Teil dieser Metallfolie mit der Eingabe- /Ausgabeverdrahtung verbunden ist.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein organischer Mehrschichtfilm als Isoliermaterial verwendet, im Gegensatz zu den Keramikplättchen zum Montieren des Halbleiter-Leistungselementes, und Klein- Signalverdrahtungen, wie z. B. Signalleitungen sind im Inneren des Mehrschichtfilmes ausgebildet, und Masseschichten bzw. Grundschichten sind an deren Hauptoberflächen ausgebildet, um dadurch das Rauschen zu eliminieren.
An einem Teil der Oberfläche des oben erwähnten Mehrschichtfilmes kann eine Eingabe-/Ausgabeverdrahtung ausgebildet sein. Und als Material für diesen Mehrschichtfilm kann Epoxidharz oder das Polyimidharz ausgewählt werden, wobei es wünschenswert ist, das Harzmaterial mit einem Metallsubstrat mittels eines Klebemittels zu bonden. Als Metallsubstrat wird Al oder eine Al-Legierung verwendet, um das Gewicht des Moduls zu verringern. Da ein direktes Löten des Al oder der Al-Legierung und des Keramikplättchens schwierig ist, sind das Al oder die Al-Legierung mit Überzugsfilmen wie z. B. Ni und Cu überzogen, um die Oberfläche des zu lötendenden Al oder der zu lötendenden Al-Legierung zu modifizieren.
Da die Oberfläche des Al oder der Al-Legierung mit einem Oxidfilm überzogen ist, ist es im allgemeinen schwierig, einen Überzugsfilm darauf auszubilden. Bei der Herstellung wird die Oberfläche des Al oder der Al-Legierung geätzt, um den Oxidfilm zu entfernen, wobei deren Oberfläche chemisch durch Zink substituiert wird. Dann wird auf dem Zinkfilm ein Ni-Überzugsfilm ausgebildet, um eine lötbare Oberfläche zu erzeugen (Zn- Substitutionsverfahren).
Wenn bei der vorliegenden Erfindung mehrere untere Elektroden des Halbleiter- Leistungselementes verbunden sind, sind Metallfolien wie eine Brücke an jeder der Oberflächen der unterteilten Keramikplättchen angebracht, während ein Teil der oberen Metallfolie mit der Eingabe-/Ausgabeverdrahtung verbunden ist. Selbst wenn die unteren Elektroden des Halbleiter-Leistungselementes unabhängig voneinander sind, werden die Metallfolien zwischen die Halbleiter- Leistungselemente und die Keramikplättchen eingefügt und sind die Teile der Metallfolie mit der Eingabe-/Ausgabeverdrahtung verbunden.
Durch ein Direktbondverfahren oder ein Verfahren mit aktiviertem Metall werden die Metallfolien auf der Oberfläche der Keramikplättchen gebondet, und Teile der oberen Metallfolien werden mit dem Eingabe-/Ausgabe-Anschluß verbunden, um eine elektrische Verbindung zu erhalten. Im Ergebnis erhöht sich der Strom-Querschnitt im Vergleich zu dem Fall, bei dem Keramikplättchen und das Halbleiterelement mit einem Al-Draht verbunden sind. Deshalb kann der elektrische Verlust des Halbleiterelementes vernachlässigt werden. Außerdem kann die Anzahl der Al-Drähte reduziert werden.
Andererseits kann das Rauschen, welches in dem Halbleiter-Leistungselement zum Zeitpunkt des Ein- oder Ausschaltens eines großen elektrischen Stromes erzeugt wird, oder das Rauschen, das in den Klein-Signalleitungen von der Eingabe- /Ausgabeverdrahtung eindringt, wie folgt absorbiert werden. Die Klein- Signalleitungen sind in dem Mehrfachschichtfilm ausgebildet, und eine Grundschicht ist an der Oberfläche des Filmes ausgebildet, so daß das Rauschen in die Grundschicht abgleitet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend detaillierter unter Bezug auf die beigefügte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 ist eine Perspektivansicht zum Erklären eines Beispiels der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf das Beispiel, welches in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' von Fig. 2;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B' von Fig. 2;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Teiles der in Fig. 2 gezeigten Steuerschaltung;
Fig. 6A und 6B zeigen ein Beispiel des Herstellungsverfahrens einer integrierten Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 7A bis 7C zeigen ein weiteres Beispiel des Herstellungsprozesses der integrierten Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 8A bis 8C zeigen die Strukturen der Leitungswege für die Eingabe- und Ausgabeverdrahtung;
Fig. 9A und 9B zeigen die Beziehung zwischen der Größe des auf dem Schaltungssubstrat ausgebildeten Fensters und der Größe des Keramikplättchens;
Fig. 10 erläutert eine Ausführungsform des herkömmlichen Standes der Technik.
Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnittene Perspektivansicht der integrierten Hybrid- Leistungsschaltung dieser Erfindung, in welcher Teile des Harzgehäuses 13, eines Außenanschlusses 14, eines Packungsharzes 12 und eines Gels 11 nicht dargestellt sind. Bei der integrierten Hybrid-Leistungsschaltung dieser Erfindung ist das Metallsubstrat 1 mit dem Schaltungssubstrat 2 abgedeckt. Ein Fenster 21, welches zur Oberfläche des Metallsubstrates 1 durchdringt, ist an gewünschten Positionen des Schaltungssubstrates 2 ausgebildet. Ein Keramikplättchen 10 ist an der freigelegten Oberfläche des Metallsubstrates 1 gebondet. Das Keramikplättchen 10 besteht aus Aluminiumnitrid mit einer guten thermischen Leitfähigkeit.
Um die Kollektorelektroden des Halbleiter-Leistungselementes 6 zu verbinden oder um die Kollektorelektrode und den Eingabe-/Ausgabeleitungsweg 32 für die Leistungsschaltung zu verbinden, haftet eine Metallbrücke 33 an der Oberfläche des Aluminiumnitrids. Das Halbleiter-Leistungselement ist an der oben genannten Metallüberbrückung befestigt.
An dem Schaltungssubstrat 2 haftet die Eingabe-/Ausgabeverdrahtung 32 des Leitungsweges für die oben erwähnte Leistungsschaltung, und Anschlußflächen 34 für die Grundschicht 35 oder eine Eingabe/Ausgabe des Steuer- bzw. Gatter-Signals sind ebenso ausgebildet. Das Schaltungssubstrat 2 ist eine aus Mehrfachschichten bestehende Platte, welche aus Epoxidharz, Polyimidharz u. a. hergestellt ist und an dem Metallsubstrat 1 mit einem Klebemittel befestigt ist.
Die Signalleitungen, welche Durchgangslöcher oder Innenanschlüsse aufweisen, sind im Inneren des Schaltungssubstrates 2 ausgebildet. Fig. 2 zeigt das Innere der in Fig. 1 gezeigten integrierten Hybrid-Leistungsschaltung.
Im Schaltungssubstrat 2 ist eine Vielzahl von Fenstern 21 ausgebildet. Das Halbleiter-Leistungselement 6 ist durch das Keramikplättchen 10 an der freigelegten Oberfläche des Metallsubstrates 1 innerhalb des Fensters befestigt.
Mittels der Metallbrücke 33 wird eine Verbindung zwischen den Kollek­ torelektroden des Halbleiter-Leistungselementes 6 und der Verbindung zwischen der Kollektorelektrode des Halbleiter-Leistungselementes 6 und dem Leitungsweg verwirklicht, welcher die Eingabe-/Ausgabeverdrahtung 32 der Leistungsschaltung aufweist.
Die Al-Drähte 7 werden für eine Verbindung zwischen der oberen Elektrode des Halbleiter-Leistungselementes 61 (IGBT usw.) und der der angrenzenden Hochgeschwindigkeitsdiode 62 und für eine Verbindung zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode des Halbleiter-Leistungselementes 61 ver­ wendet. An der Oberfläche des Schaltungssubstrates 2 in der Nähe der Eingabe- /Ausgabeverdrahtung 32 des Leitungsweges für die Leistungsschaltung ist keine Verdrahtung für die Steuerschaltung ausgebildet, sondern die Grundschicht 35 ausgebildet.
Die Gatter-Signalelektrode bzw. Gate-Signalelektrode der Halbleiter-Leistung­ elemente 61, wie z. B. IGBT und Anschlußfläche 34, welche an der Oberfläche des Schaltungssubstrates 2 ausgebildet sind, sind miteinander mit dem Al-Draht 7 verbunden. Diese Anschlußfläche 34 dient zur Übertragung des Signals von einer Steuerschaltung, welche einen Treiber-IC 9 usw. aufweist, zu dem Halbleiter- Leistungselement 61 wie z. B. IGBT.
Der Steuerungstreiber IC 9 und die Elektronikbauteile wie z. B. der Widerstandschip 8 sind mit der Anschlußfläche 34 durch innere Anschlüsse oder einen Leitungsweg für die nichtgezeigte Steuerschaltung verbunden. Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' von Fig. 2, in welcher die unteren Elektroden, d. h. die Kollektorelektroden der aneinandergrenzenden Halbleiter-Leistungselemente verbunden sind. Das Schaltungssubstrat 2 mit dem Fenster 21 an dem Montierteil des Halbleiter-Leistungselementes haftet an dem Metallsubstrat 1 mittels eines Klebemittels 4. Der Leitungsweg für die Steuerschaltung 31 oder die Grundschicht 35 sind im inneren des Schaltungssubstrates 2 ausgebildet.
Die Oberfläche des Metallsubstrates 1 ist in dem Fenster, welches in dem oben erwähnten Schaltungssubstrat ausgebildet ist, freigelegt, und das Keramikplättchen 10 ist auf der freigelegten Oberfläche mit einem Niedertemperaturlot 52 gebondet.
Halbleiter-Leistungselemente 62, wie z. B. eine Hochgeschwindigkeitsdiode sind mit einem Hochtemperaturlot 51 an der Metallbrücke 33 verbunden. Ein Teil der Metallbrücke ist durch den Leitungsweg 32 für die Leistungsschaltung und durch das Niedertemperaturlot 52 verbunden.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B' von Fig. 2, welche den Teil zeigt, bei dem die Kollektorelektrode des Halbleiter-Leistungselementes 6.1 mit dem Leitungsweg für die Leistungsschaltung 32 durch die Metallbrücke 33 ver­ bunden ist. In der gleichen Art wie in Fig. 3 ist die Keramik 10 durch niedrig­ schmelzendes Lot 52 gebondet, während das Mehrschichtsubstrat durch einen Kleber gebondet ist. Außerdem ist an den Kreuzungspunkten der Leitungswege für die Leistungschaltung die Metallbrücke gebogen, um eine elektrische Verbindung der Leitungswege zu vermeiden.
Fig. 5 veranschaulicht die Struktur in der Nähe des Schaltungssubstrates, auf dem das Halbleiter-Leistungselement montiert ist. Fig. 5 beschreibt die Schnittansicht eines Steuerschaltungsteiles, an dem der Treiber-IC und die Widerstandselemente montiert sind.
Dieser Teil der Schaltungssubstrates 2 ist ein Teil, um das Halbleiter-Leistungs­ element zu steuern, während die Elektronikteile, wie z. B. der Treiber IC 9 und der Widerstandschip 8 durch Flächenbonden an seiner Oberfläche montiert sind. Desweiteren sind die Elektronikteile wie z. B. der Treiber IC 9 und das Wider­ standselement 8 an die Anschlußfläche 34 gelötet, welcher an der Oberfläche des Schaltungssubstrates ausgebildet ist.
Die Leitungswege für die Steuerschaltung sind nicht in dem Schaltungssubstrat 2 ausgebildet. Die Elektronikteile wie z. B. der oben erwähnte Treiber IC zum Steuern des Halbleiter-Leistungselementes 61 wie z. B. IGBT und der Widerstandschip sind durch die Leitungswege 31 wie z. B. die inneren Leitungen und in der Innenseite des Schaltungssubstrates 2 ausgebildetete Durchgangslöcher verbunden.
Die an der Oberfläche ausgebildeten Basisschichten 35 oder die hintere Oberfläche des Schaltungssubstrates 2 sind untereinander an gewünschten Positionen verbunden und sind mit Teilen der äußeren Anschlüsse verbunden.
Die Fig. 6A und 6B beschreiben den Herstellungsprozeß einer integrierten Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung. In Fig. 6A ist das Mehrschichtsubstrat, wie z. B. gedruckte Schaltungsplatten, in welchen Fenster 21 oder Leitungswege 3 ausgebildet sind, an dem Metallsubstrat 1 gebondet, welches aus Aluminium hergestellt ist, und zwar Mittels eines Klebemittels 4. In Fig. 6A ist ein Film 11 welcher z. B. aus Nickel hergestellt ist, an der freigelegten Metalloberfläche in dem Fenster 21 des Schaltungssubstrates 2 ausgebildet. Mittels Lot 5 wird das Halbleiter-Leistungselement 6 an der Oberfläche der Metallbrücke 33 gemäß Fig. 6B befestigt.
Das Keramikplättchen 10, welches mit einer metallisierten Schicht 101 überzogen ist, ist an der hinteren Oberfläche der Metallbrücke 33 gebondet. Reservelot bzw. überschüssiges Lot 5 wird an dem Teil der metallisierten Schicht 101 des Kera­ mikplättchens 10 aufgebracht.
Das Keramikplättchen 10, an welchem das Halbleiter-Leistungselement 6 befestigt ist, wird an der freigelegten Oberfläche des Metallsubstrates 1 in dem Fenster eingestellt bzw. adjustiert, und es wird geschmolzen, um erneut Bonden zu bewirken.
Die Fig. 7A bis 7C beschreiben ein weiteres Beispiel des Herstellungsprozesses einer integrierten Hybrid-Leistungschaltungsausrüstung gemäß dieser Erfindung. In Fig. 7A wird ein Keramikplättchen 10 an einem Metallsubstrat 1 mittels Lot gebondet. Zu diesem Zeitpunkt wird hochschmelzendes Lot 51 verwendet.
Dann wird gemäß Fig. 7B ein Mehrschichtsubstrat 23, wie z. B. eine gedruckte Schaltungplatte, in welcher Schaltungen innerer Verdrahtungen usw. sowie Fenster ausgebildet sind, mittels eines Klebemittels an dem Metallsubstrat 1 angebracht, auf welchem die Keramikplättchen 10 befestigt sind, wie es in Fig. 7A gezeigt ist. Desweiteren wird gemäß Fig. 7C die Metallbrücke 33, an die das Halbleiter- Leistungselement 6 im voraus gebondet ist, durch niedrigschmelzendes Lot 52 an dem Schaltungssubstrat 1 befestigt, an welches die Keramikplättchen 10 und das Mehrschichtsubstrat 23 mit der Schaltungsverdrahtung gebondet sind. Das Schaltungssubstrat 1 ist an der Metallbrücke 33 durch niedrig-schmelzendes Lot 52 gebondet. Die zwei Herstellungsprozesse sind bereits oben beschrieben worden.
Bei diesen beiden Beispielen dieser Erfindung werden zwei Isoliersubstrate verwendet. D. h. die Halbleiter-Leistungselemente werden an den Keramikplättchen befestigt, und die Verdrahtungsschaltung einschließlich der Steuerschaltung werden an dem aus organischen Harzen hergestellten Mehrschichtsubstrat ausgebildet.
Desweiteren weist jedes der Keramikplättchen eine solche Größe auf, daß ein oder mehrere Halbleiter-Leistungselemente daran befestigt werden können. Jedes der Keramikplättchen ist an dem Metallsubstrat unabhängig gebondet. Desweiteren wird dann ein Verbinden zwischen jedem Halbleiter-Leistungselement oder zwischen dem Halbleiter-Leistungselement und dem Leistungs-Leitungsweg der Eingabe- /Ausgabeverdrahtung usw. mittels der Metallbrücke ausgeführt, welche zwischen das Keramikplättchen und das Halbleiter-Leistungselement eingefügt ist.
Dadurch kann Wärme, welche in dem Halbleiterelement abgegebenen wird, sofort zu dem Metallsubstrat abgeleitet werden. Somit wird auch die Wärme des Halbleiterelementes nicht an die Steuerschaltung übertragen.
Wie oben erwähnt kann die integrierte Hybrid-Leistungschaltung dieser Erfindung zwei Arten von Isoliermaterialien aufweisen.
Die Schaltung kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, welches von dem in Fig. 6 gezeigten verschieden ist. D. h. die Leistungsschaltung wird zuerst hergestellt, und dann wird eine Steuerschaltung unter Verwendung eines organi­ schen Harzes an der Leistungsschaltung gebondet.
Die Fig. 8A, 8B und 8C beschreiben die Schnittansichten des Aufbaus der Leitungswege der Eingabe-/Ausgabeverdrahtung des Halbleiter-Leistungselementes. Diese Leitungsführung wird im Unterschied zu dem Leitungsweg für die Steuersignalschaltung bevorzugt, um einen elektrischen Widerstand zu haben, der so klein wie möglich ist, um den Verlust des Halbleiterelementes zu minimieren. Die Querschnittsfläche des Verdrahtungsteiles sollte groß ausgeführt sein. Es ist jedoch schwierig, den Oberflächenbereich des Leitungsweges zu vergrößern, da die Größe des Schaltungssubstrates limitiert ist. Deshalb werden die drei folgenden Arten des Aufbaus vorgeschlagen.
Bei dem in Fig. 8A gezeigten Aufbau haftet eine relativ dicke Metallfolie 36 aus Kupfer oder einer Kupfer-Aluminiumlegierung an dem Mehrschichtsubstrat 23 mittels des Klebemittels 4. Die Metallfolie 36 ist in einer gewünschten Form durch Pressen, Stanzen oder Ätzen ausgebildet. Diese Metallfolie wird mit einem Klebemittel an einer Position des Mehrschichtsubstrates 23 gebondet, welche Lei­ tungswege für die Steuerschaltung aufweist, welche im voraus ausgebildet wird.
In den Arten des Aufbaus, welche in den Fig. 8B und 8C gezeigt sind, wird die Eingabe-/Ausgabeverdrahtung für die Leitungs- oder für die Steuerschaltung im voraus in dem Mehrschichtsubstrat 23 ausgebildet. Die Metallfolie 36 wird durch Lot 5 oder das Klebemittel 4 an seinem Leitungsweg 32 nach Bildung eines Leitungsweges 32 der Eingabe-/Ausgabeverdrahtung für die Leistungsschaltung an der Oberfläche des Mehrschichtsubstrates 23 gebondet. Die Metallfolie wird in der gleichen Art wie bei dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Querschnittsfläche des Leitungsweges der Leistungschaltung sollte durch diese drei Arten des Aufbaus groß ausgeführt werden, ohne den Oberflächenbereich zu vergrößern, so daß der Verlust des Halbleiterelementes minimiert werden kann.
Fig. 9 zeigt die Größe des Fensters 21, das auf dem Schaltungssubstrat 2 ausgebildet ist, wo die Leitungswege für die Steuerschaltung oder die Leistungsschaltung ausgebildet sind. Um die integrierte Hybrid- Leistungsschaltungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung kompakt auszuführen, ist es wünschenswert, daß die Größe des auf dem Schaltungssubstrat 2 ausgebildeten Fensters nahezu gleich der Größe des Keramikplättchens 10 ist. Dabei ist jedoch zu befürchten, daß die Lotschicht 5 oder die metallisierte Schicht 101 zum Bonden der Keramikplättchen 10 auf dem Metallsubstrat 1 oder der Metallschicht 11 zum Löten, welche an der Oberfläche des Metallsubstrates 1 ausgebildet ist, zerstört werden, da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Keramikplättchens 10 und der des Metallsubstrates 1 im allgemeinen verschieden find. Der Grund dafür ist veranschaulicht wie folgt: Wie in Fig. 9B gezeigt, tritt die mechanische Spannung in der Richtung des Pfeiles auf, wenn das Metallsubstrat 1, welches einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und die Keramikplättchen 10 schrumpfen, und, nachdem sie gebondet werden, deformiert werden. Diese Spannung entspricht einer Kraft, die an beiden Seiten der Verbindung des Metallsubstrats 1 und der Keramik­ plättchen 10 angreift.
Da das Lot 5 Weichmetall ist, deformiert es sich leichter als andere Metalle. Deshalb kann die Spannung durch Erhöhen der Dicke der Lotschicht oder dadurch, daß die Neigung der Ecke bzw. Lotrippe kleiner gemacht wird, reduziert werden, da der Randabstand c des gelöteten Abschnittes ausgedehnt wird. Ein solcher Aufbau, bei dem die Lotschicht 5 dick ist, muß jedoch nicht als ein wärmedissipierender Aufbau bevorzugt sein, da die Dicke des Lotes viel kleiner ist als die Dicke des strukturellen Teiles wie z. B. des Aluminiumnitrid-Keramikplättchens oder eines Metallsubstrates. Anstelle des Ausdehnens des Randabstandes c zwischen dem Metallsubstrat 1 und dem Keramikplättchen 10 durch Erhöhen der Dicke der Lotschicht wird bei diesem Beispiel der Bondbereich des Lotes 5 größer ausgeführt als die Querschnittsfläche des Keramikplättchens 10, um den Randabstand auszudehnen.
Bei diesem Beispiel wird ein sog. Spannungsentlastungsaufbau angenommen, bei wel­ chem der Ecken- bzw. Spitzenbereich des flüssig sich ausbreitenden Lotes an der Oberfläche des Metallrandes 1 so sanft wie möglich ist. Der Randabstand c des Lotes an einem Ende des Verbindungsteiles wurde vergrößert, um die Spannung zu reduzieren.
Gemäß einem Experiment wurde herausgefunden, daß, wenn die Breite a der Lotnaht auf der Oberfläche des Metallsubstrates 1 kleiner ausgeführt wird als die Dicke b des Lotes 5, die auf die Randstirnfläche S der Lotnaht ausgeübte Spannung groß wird und eine mechanische Zerstörung in relativ kurzer Zeit auftritt.
Wenn andererseits die Breite a der Lotnaht größer ausgeführt wird als die Dicke b des Lotes, tritt lange keine Zerstörung auf. Die Ausbreitung bzw. die Breite a des Lotes kann nicht beliebig groß gemacht werden, da dadurch eine Miniaturisierung verhindert wird. Vom Standpunkt der Lebensdauer ist eine günstige Breite a der Lotnaht etwa bei 1 bis 1,5 × der Dicke b des Lotes gegeben.
Der Bereich des Fensters 21, welches auf dem Schaltungssubstrat 2 ausgebildet ist, sollte insgesamt der Ausbreitungsfläche des Lotes und der Fläche des Keramikplättchens 10 entsprechen. Im Ergebnis wird wunschgemäß die benetzte Lotausbreitungsfläche durch die auf dem Schaltungssubstrat 2 ausgebildete Fensterfläche begrenzt. Deshalb ist es möglich, die Streuung der Dicke des Lotes zu verringern, um so ein optisch schlechtes Aussehen des Lotes zu verhindern.
Wie zuvor beschrieben worden ist, weist die integrierte Hybrid-Schaltung die folgenden Vorteile auf.
Lediglich Halbleiter-Leistungselemente, welche Wärme abgeben, sind auf Keramik­ plättchen montiert, welche durch Lot an einem Metallsubstrat gebondet sind. Leitungswege für die Leistungsschaltung und die Steuerschaltung sind auf dem aus einem organischen Harz hergestellten Mehrschichtsubstrat ausgebildet. Im Ergebnis können die Wärmedissipationscharakteristiken eines Halbleiter- Leistungselementes verbessert werden. Die Verdrahtungsdichte kann erhöht werden, und die Größe der integrierten Hybrid-Leistungsschaltung kann klein ausgeführt werden.
Bei der Steuerschaltung werden die konvertionellen Leitungswege lediglich an der Oberfläche des Substrates ausgebildet. Ein Mehrschicht-Harzsubstrat wird bei dieser Erfindung verwendet. Ein Hauptteil der Verdrahtungsteile mit Ausnahme der Verbindungsteile für die elektronischen Teile ist dabei in der Innenseite des Mehrschicht- Harzsubstrates ausgebildet, wobei die Grundschicht an der Oberfläche der Verdrahtung ausgebildet ist. Im Ergebnis kann das Rauschen von der Leistungsschaltung stark reduziert werden.
Die Form und der Herstellungsprozeß für die Leitungswege für die Eingabe- /Ausgabe-Leistungsverdrahtung sind verschieden von denen der Leitungswege für die Steuerschaltung. Deshalb kann der Leitungswiderstand reduziert werden und kann ein Absenken des Wirkungsgrades des Halbleiters infolge eines Spannungs­ abfalls in der Verdrahtung verhindert werden.
Durch die Keramikplättchen wird eine Vielzahl von Halbleiter-Leistungselementen voneinander getrennt und isoliert.
Die Metallbrücke aus Metallfolie wird für die Verbindung zwischen den unteren Elektroden oder die Verbindung zwischen dem Halbleiter-Leistungselement und der Eingabe-/Ausgabeverdrahtung verwendet. Deshalb ist es möglich, eine Erhöhung der Kosten zu vermeiden, welche durch den komplizierten Herstellungsprozeß der konventionellen integrierten Hybrid-Schaltung unter Verwendung von Aluminiumdraht hervorgerufen werden. Es ist des weiteren möglich, den Leitungswiderstand zu reduzieren.

Claims (12)

1. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung, aufweisend:
ein Metallsubstrat (1),
eine Harzschicht (2), welche auf dem Metallsubstrat (1) ausgebildet ist,
eine Vielzahl von Leistungshalbleiter-Elementen (6), wobei Elektroden der aneinandergrenzenden Leistungshalbleiter-Elemente (6) durch Metallfolien (33) elektrisch verbunden sind,
eine Vielzahl von Steuerschaltungs-Elementen,
ein Leitungsweg für die Steuerschaltungs-Elemente, welcher an der Oberfläche der Harzschicht (2) ausgebildet ist,
eine Vielzahl isolierender Keramikplättchen (10),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Harzschicht (2) eine Vielzahl von Fenstern (21) aufweist, wobei eine Oberfläche des Metallsubstrats (1) in den Fenstern (21) freiliegt,
daß die Vielzahl von Keramikplättchen (10) auf der Oberfläche des Metall­ substrats (1) in den jeweiligen Bereichen der Fenster (21) angebracht sind,
daß die Vielzahl von Leistungshalbleiter-Elementen (6) auf der Vielzahl von Keramikplättchen (10) angebracht ist,
daß die Steuerschaltungs-Elemente an der Oberfläche der Harzschicht (2) angebracht sind, und
daß die Verdrahung (31) für die Steuerschaltungs-Elemente im Inneren der Harzschicht (2) ausgebildet ist und eine Grundschicht an beiden Hauptebenen der Harzschicht (2) ausgebildet ist.
2. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat (1) aus Al oder einer Al-Legierung ausgebildet ist.
3. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzschicht (2) ein Epoxidharz oder ein Polyi­ midsystemharz ist, welches ein Pulver oder Fasern aus Aluminiumoxid, Glas, Siliziumoxid, Bornitrid oder Aluminiumnitrid enthält.
4. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerschaltung-Element zumindest eines der folgen­ den Elemente enthält: ein Treiber-IC (9) zum Steuern der Leistungshalbleiter- Elemente (6), einen Chipwiderstand (8), einen Chipkondensator und einen Photokoppler.
5. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallfolie auf jedem der Keramikplättchen (10) ausgebildet ist und die Leistungshalbleiter-Elemente (6) auf der Metallfolie (33) auf den Keramikplättchen (10) angebracht sind.
6. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (33) ein Folienblatt mit einer vorgeschriebenen Form ist.
7. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (33) über der Harzschicht (2) in Form einer Brücke ausgebildet ist.
8. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitungsweg für die Leistungshalbleiter-Elemente (6) auf der Harzschicht (2) ausgebildet ist und die Leistungshalbleiter- Elemente (6) und die Leitungswege für die Leistungshalbleiter-Elemente (6) elektrisch durch die Metallfolien (33) verbunden sind, welche auf den Kera­ mikplättchen (10) ausgebildet sind, an denen die Leistungshalbleiter- Elemente (6) befestigt sind.
9. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzschicht (2) ein Mehrschichtfilm ist.
10. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallfilm am Oberflächenbereich des Metall­ substrates (1) ausgebildet ist, auf den die Keramikplättchen (10) gebondet sind.
11. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallfilm, welcher auf der Oberfläche des Metallsubstrates (1) ausgebildet ist, aus einer Nickel-Phosphor- oder Nickel- Bor-Legierung besteht.
12. Integrierte Hybrid-Leistungsschaltungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallfilm, welcher an der Oberfläche des Metallsubstrates (1) ausgebildet ist, ein laminierter Film aus einem Nickel- Phosphor-Film oder einem Nickel-Bor-Film einerseits sowie einem Goldfilm oder einem Kupferfilm andererseits ist.
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