DE69323823T2

DE69323823T2 - Halbleiterverbundelement mit reduzierter interner Induktanz

Info

Publication number: DE69323823T2
Application number: DE69323823T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Kawasaki-Shi Kanagawa-Ken Matsuda; Tetsujiro Fujisawa-Shi Kanagawa-Ken Tsunoda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-08-19
Filing date: 1993-08-19
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: DE69323823D1; JPH0669415A; EP0588094A1; JP3053298B2; US5347158A; EP0588094B1; KR940004837A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung, die hohe Schaltgeschwindigkeiten mit einem großen Strom ermöglichen kann. Zum Erreichen von hohen Schaltgeschwindigkeiten und Halbleitereinrichtungen muß deren interne Induktivität oder Induktanz gering sein, um Stoßspannungen zu verringern.
Die EP 0 427 143 A2 offenbart eine Halbleitereinrichtung mit einem keramischen Substrat, auf dem eine erste metallische Leiterplatte für einen Pluspol und eine zweite metallische Leiterplatte für einen Mittenabgriff angeordnet sind, so daß ein Spalt dazwischen gebildet ist. Die zweite metallische Leiterplatte umfaßt eine Ausnehmung, in der eine dritte metallische Leiterplatte für einen Minuspol angeordnet ist, und zwar isoliert von der zweiten metallischen Leiterplatte. Ein erster, zweiter und dritter Energieanschluß ist jeweils mit der ersten, zweiten und dritten Metalleiterplatte verbunden. Halbleiter sind jeweils auf der ersten metallischen Leiterplatte angeordnet und sie sind über Drähte mit der zweiten metallischen Leiterplatte verbunden. Auf der Seite der dritten metallischen Leiterplatte, die nicht auf den Spalt zugekehrt ist, sind weitere Halbleiter angeordnet, die mit der dritten metallischen Leiterplatte über Drähte verbunden sind. Die ersten, zweiten und dritten Energieanschlüsse bilden eine Kontaktierungsstreifenleitung, die so gebildet ist, daß sie breit ist und daß sie einen kleinen Bandabstand zwischen den jeweiligen Energieanschlüssen aufweist.
Allgemein gesagt weist eine Halbleitereinrichtung zur Verwendung mit einem großen Strom den grundlegenden Aufbau auf, der mit Hilfe der in Fig. 10 gezeigten Ersatzschaltung beschrieben wird, die zwei Transistoren und zwei Dioden umfaßt. Diese Einrichtung wird im Gebiet der Leistungselektronik verwendet, um eine Leistungsumwandlung, eine Leistungssteuerung usw. zu erreichen.
Eine derartige Einrichtung wird hauptsächlich auf eine Dreiphasenmotor-Ansteuerschaltung angewendet. In Fig. 11 ist der Aufbau dieser Schaltung als ein Beispiel gezeigt. Wie in dieser Figur gezeigt, werden sechs Steuertransistoren benötigt, um den Dreiphasenmotor anzusteuern. Somit werden drei Halbleitereinrichtungen, die einen Aufbau mit zwei Schaltungen aufweisen, der in Fig. 10 gezeigt ist, benötigt, um die Ansteuerschaltung zu konstruieren.
Abgesehen von der in Fig. 10 gezeigten Schaltung kann die Halbleitereinrichtung zur Verwendung mit einem großen Strom den in Fig. 12a oder 12b gezeigten Schaltungsaufbau aufweisen. Die in Fig. 12a gezeigte Schaltung weist einen Aufbau auf, der eine Schaltung umfaßt, und der andere Aufbau, der in Fig. 12b gezeigt ist, weist einen Aufbau auf, der aus zwei Schaltungen gebildet ist.
Die Motorsteuerschaltung, in der die voranstehend erwähnte Halbleitereinrichtung angewendet wird, wird gewöhnlicherweise in dem PWM (Impulsbreitenmodulation) Steuermodus angesteuert.
Die Trägerfrequenz dieses Modes ist durch die Entwicklung von Halbleitereinrichtungen über 10 kHz angestiegen. Wenn die Trägerfrequenz zunimmt, dann wird die Größe eines Rauschens, das von einem Motor erzeugt wird, klein. Um die Trägerfrequenz zu erhöhen, sollte die Halbleitereinrichtung bei einer sehr hohen Geschwindigkeit umgeschaltet werden. In diesem Fall wird jedoch eine Spannung in eine Induktivität L in einer Hauptschaltung gemäß der abrupten Stromänderung, die sich bei dieser Schaltung bei jeder Umschaltung ergibt, induziert. Als Folge wird eine Stoßspannung -L (di/dt) erzeugt. Wenn die Größe dieser Stoßspannung extrem groß ist, können Halbleiterelemente, die in der Halbleitereinrichtung enthalten sind, zerstört werden. Zusätzlich stellt diese Stoßspannung die Ursache von falschen Betriebsvorgängen und die Zerstörung von externen Steuer- und Schutzschaltungen dar. Demzufolge sollte die Stoßspannung so weit wie möglich verkleinert werden.
Die Größe einer Stoßspannung hängt weitestgehend von der Induktivität L ab. Um die Größe dieser Stoßspannung zu verringern, sollten deshalb externe Verdrahtungen so angeordnet werden, daß die Größe der Induktivität L ein Minimum wird. Ferner, wie in den Fig. 13a und 13b gezeigt, wird eine Snubber-Schaltung, die aus einem Widerstand, einem Kondensator, wenigstens einer Diode und anderen Elementen gebildet ist, bereitgestellt, um die Größe der Induktivität L zu verkleinern.
In dem voranstehend erwähnten Stand der Technik sind jedoch Gegenmaßnahmen nur für die externe Induktivität L der Halbleitereinrichtung vorgenommen worden. Mit anderen Worten, keine Gegenmaßnahme wird für die Verringerung einer internen Induktivität L vorgenommen, die sich auf der internen Schaltung der Halbleitereinrichtung ergibt.
Somit ist die Verringerung der Größe der Induktivität L, die sich auf der internen Schaltung ergibt, höchst wünschenswert, um die Stoßspannung so weit wie möglich zu verkleinern.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist die interne Induktivität L der Halbleitereinrichtung aus den folgenden Teilen gebildet: der Induktivität LC1 an dem ersten Energieanschluß; der Induktivität LC2E1 an dem zweiten Energieanschluß; der Induktivität LE2 an dem dritten Energieanschluß und der Induktivität LB'g an dem Bondungsdrahtteil.
Allgemein wird die Selbstinduktivität eines Leiters, der ein Zylinder mit einer Länge l, einem Radius a und einer Permeabilität u ist, wie in Fig. 14a gezeigt, wie folgt ausgedrückt, wenn ein Strom gleichförmig durch die Querschnittsfläche des Leiters fließt:
Wenn zwei Zylinder vorhanden sind, wobei einer davon eine Länge l und einen Radius a aufweist und der andere eine Länge 1 und einen Radius b aufweist, die parallel mit einem Abstand d angeordnet sind, wie in Fig. 14b gezeigt, dann ergibt sich eine Gegeninduktivität M wie folgt, zusätzlich zu der Selbstinduktivität LS.
In diesem Fall weist die Gegeninduktivität M einen positiven Wert auf, wenn beide Ströme auf den jeweiligen Zylindern in der gleichen Richtung fließen. Wenn andererseits jeder Strom auf den jeweiligen Zylindern in entgegengesetzte Richtungen fließen, dann weist M einen negativen Wert auf.
Dann wird die Gesamtinduktivität L der in Fig. 14b gezeigten Leiter wie folgt geschrieben:
L = Ls + M ... (3)
Wie sich aus den obigen Formeln ergibt, hängt die Induktivität L stark von der Länge l der Leiter, deren Querschnitte, dem Abstand d zwischen ihnen und den Richtungen der Ströme ab.
In der herkömmlichen Halbleitereinrichtung ist die Länge der internen Verdrahtungen für Energieanschlüsse lang und die Querschnittsfläche ist groß und somit weist jeder Energieanschluß einen großen Selbstinduktivitätswert Ls auf.
Zusätzlich können die Längen und die Stromrichtungen von den Energieanschlüssen nicht so eingestellt werden, daß die Größe der Gegeninduktivität M reduziert wird. Infolgedessen ist die Größe der Gegeninduktivität M von den Energieanschlüssen ein großer Wert in der herkömmlichen Einrichtung geworden. Demzufolge weist eine Induktivität LC1, LC2E1 oder LE2 von jeweiligen in Fig. 10 gezeigten Energieanschlüssen einen großen Wert in jedem Energieanschluß auf.
Noch zusätzlich können die Stromrichtungen auf einem internen Bondungsdraht und auf einem Substrat in der herkömmlichen Einrichtung nicht so eingestellt werden, daß die Größe der Gegeninduktivität M reduziert wird. Deshalb bleibt die Größe einer Gegeninduktivität M in den Bondungsdrähten in der herkömmlichen Einrichtung groß.
Wie voranstehend erläutert, weist die interne Induktivität der herkömmlichen Einrichtung einen relativ großen Wert bezüglich des Induktivitätswerts auf, der sich von externen Verdrahtungen ergibt. Diese Tatsache verhindert die Verkleinerung der voranstehend erwähnten Stoßspannung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Halbleitereinrichtung bereitzustellen, die eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist und die eine kleine interne Induktivität aufweist, um Stoßspannungen zu verkleinern.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Mit einer derartigen Halbleitereinrichtung kann ein Umschalten mit hoher Geschwindigkeit und mit einem großen Strom ausgeführt werden, ohne daß die Halbleiter zerstört werden und ohne daß falsche Betriebsvorgänge oder eine Zerstörung einer externen Schaltung verursacht werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt eine Halbleitereinrichtung:
a) ein Substrat, das ein erstes und ein zweites Substratteil umfaßt, die auf einer Abstrahlungsplatte so angeordnet sind, daß ein Spalt zwischen den Substratteilen gebildet wird;
b) wobei jedes Substratteil umfaßt:
b1) ein erstes Verpackungssubstrat mit einem ersten Leiter und einem ersten Isolator angeordnet auf der Abstrahlungsplatte;
b2) ein zweites Verpackungssubstrat, das auf einem Teil des ersten Verpackungssubstrats an dem Spalt angeordnet ist und einen zweiten Leiter und einen zweiten Isolator angeordnet auf dem ersten Leiter umfaßt;
b3) wobei das zweite Verpackungssubstrat so gebildet ist, daß auf einer Seite davon, die auf den Spalt gerichtet ist, und einer zweiten Seite davon, die nicht auf den Spalt gerichtet ist, der erste Leiter freigelegt ist; und
b4) Halbleiterelemente, die auf dem ersten Leiter angeordnet sind mit einer ersten Seite davon, die auf die zweite Seite des zweiten Verpackungssubstrats gerichtet ist, und einer zweiten Seite;
c) einen dritten Leiter, der den ersten Leiter des ersten Substratteils an der ersten Seite des zweiten Verpackungssubstrats davon mit dem zweiten Leiter des zweiten Substratteils verbindet;
d) einen ersten Energieanschluß, der den zweiten Leiter des ersten Substratteils kontaktiert;
e) einen zweiten Energieanschluß, der den ersten Leiter des zweiten Substratteils an der ersten Seite des zweiten Verpackungssubstrats davon kontaktiert; und
f) einen dritten Energieanschluß, der den ersten Leiter des ersten Substratteils an der zweiten Seite der Halbleiterelemente kontaktiert.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen in der Halbleitereinrichtung, die den ersten Aspekt aufweist, die ersten und zweiten Energieanschlüsse ein flaches Teil auf, dessen Breite größer als dessen Höhe ist, und sind benachbart angeordnet, um im wesentlichen parallel zueinander zu sein.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß in der Halbleitereinrichtung mit den ersten und zweiten Aspekten die Einrichtung so konstruiert ist, daß der Hauptstrom auf dem ersten Energieanschluß in die entgegengesetzte Richtung des Hauptstroms auf dem zweiten Anschluß fließt und der Hauptstrom auf den ersten Leitern in die entgegengesetzte Richtung des Hauptstroms auf einer Verdrahtung fließt, die die Halbleiterelemente mit dem zweiten Leiter verbindet.
Gemäß der ersten, zweiten und dritten Aspekte ist die Größe einer Selbstinduktivität jedes Strukturteils wesentlich verkleinert, so daß die Stoßspannung der gesamten Einrichtung verkleinert wird.
Infolgedessen wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Halbleitereinrichtung bereitgestellt, die Umschaltungen mit einer hohen Geschwindigkeit und einem hohen Strom (d. h., mit einem großen di/dt Wert) erzielen kann, ohne zerstört zu werden und ohne falsche Betriebsvorgänge und die Zerstörung von externen Schaltungen zu bewirken.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich näher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht, die den internen Aufbau einer Halbleitereinrichtung zur Verwendung mit einem großen Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, insbesondere in dem Zustand, bevor Energieanschlüsse mit vorgegebenen Positionen eines Substrats verbunden worden sind;
Fig. 2 eine dreidimensionale Ansicht, die den internen Aufbau der Einrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, insbesondere in dem Zustand, nachdem Energieanschlüsse mit den vorgegebenen Positionen verbunden worden sind;
Fig. 3 eine dreidimensionale Ansicht, die das externe Erscheinungsbild der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung zeigt, nachdem sie mit Harz vergossen worden ist;
Fig. 4 eine vergrößerte dreidimensionale Ansicht, die einen Teil eines Aufbaus der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung zeigt;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht zum Erläutern des Aufbaus einer Jumper-Platte, die in Fig. 2 gezeigt ist;
Fig. 6a und 6b Ansichten zum Erläutern des Aufbaus der in Fig. 2 gezeigten Energieanschlüsse.
Fig. 7 eine vergrößerte Seitenansicht zum Erläutern des Umrißaufbaus der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung;
Fig. 8 eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis d/w (w: die Breite eines Energieanschlusses; d: der Abstand zwischen Energieanschlüssen) und der Größe einer Induktivität pro Einheitslänge eines Energieanschlusses zeigt;
Fig. 9a eine Kurve, die die Wellenformcharakteristik einer Stoßspannung zeigt, die beim Ausschalten der Halbleitereinrichtung gemäß einem Stand der Technik der vorliegenden Erfindung erhalten wird;
Fig. 9b eine Kurve, die die Wellenformcharakteristik einer Stoßspannung zeigt, die beim Ausschalten der Halbleitereinrichtung gemäß dieser Erfindung erhalten wird;
Fig. 10 eine Ansicht, die die Ersatzschaltung der Halbleitereinrichtung gemäß dem Stand der Technik dieser Erfindung zeigt;
Fig. 11 eine Ansicht, die den Aufbau einer Dreiphasenmotor- Ansteuerschaltung zeigt, in der die Halbleitereinrichtung dieser Erfindung angewendet wird;
Fig. 12a und 12b Ansichten, die die Ersatzschaltungen der Halbleitereinrichtungen gemäß dem Stand der Technik dieser Erfindung zeigen;
Fig. 13a und 13b Ansichten, die Snubber-Schaltungen zum Verringern der Stoßspannung zeigen, die in einer Halbleitereinrichtung erzeugt wird;
Fig. 14a und 14b Ansichten zum Erläutern der Induktivität, die in einem gewöhnlichen Leiter verursacht wird; und
Fig. 15 eine Ansicht, die den internen Aufbau einer Halbleitereinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 und 2 zeigen den internen Aufbau einer Halbleitereinrichtung zur Verwendung mit einem großen Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigt Fig. 1 den Einrichtungsaufbau, bei dem Energieanschlüsse noch nicht an bestimmten Positionen auf einem Substrat angebracht worden sind. Andererseits zeigt Fig. 2 den Aufbau der Einrichtung, bei dem die Anschlüsse bereits an den bestimmten Positionen angebracht worden sind. Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die das Erscheinungsbild der Halbleitereinrichtung zeigt, deren interner Aufbau in Fig. 2 gezeigt ist, wobei die Einrichtung einen Harzvergießungsprozeß durchlaufen hat.
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist diese Einrichtung hauptsächlich gebildet aus einem Substrat 1, umfassend ein erstes und ein zweites Substratteil, die so angeordnet sind, daß ein Spalt dazwischen gebildet wird, auf das Dioden und Transistoren gebondet sind, und Energieanschlüssen 3, 5 und 7, die jeweils an einer vorgegebenen Position des Substrats 1 angebracht sind. Das Substrat 1 weist eine Abstrahlungsplatte 9 auf, die aus Cu gebildet ist und eine Dicke von ungefähr 3,5 mm aufweist. Auf beide Substratteile, die jeweils auf der Platte 9 angeordnet sind, ist ein erstes Verpackungssubstrat 19 (das nachstehend als ein erstes DBC Substrat 19 bezeichnet wird) gelötet. Dieses Substrat 19 ist gebildet aus einer dritten Kupferschicht 11, einer ersten isolierenden Keramikplatte 13, die aus Al&sub2;O&sub3;, AlN und anderen Materialien gebildet ist, und aus ersten und vierten Cu Schichten 15 und 17, die auf der ersten Keramikplatte 13 gebildet sind, wobei sie voneinander getrennt sind. Diese Schichten 11, 15 und 17 und die Platte 13 werden auf der Abstrahlungsplatte 9 durch das DBC (direktes Kupferbondieren oder Direct Bonding Copper) Verfahren gebildet. Zusätzlich wird auf der ersten Cu Schicht 15 unter Verwendung des DBC Verfahrens ein zweites Verpackungssubstrat 27 gebildet, das aus einer ersten isolierenden Keramikplatte 23, die aus Al&sub2;O&sub3;, AlN, etc. gebildet ist, und einer zweiten Cu Schicht 25 besteht. Dieses zweite Substrat 27 (das nachstehend als ein zweites DBC Substrat bezeichnet wird) weist eine Vielzahl von Paaren (in dieser Ausführungsform drei Paare) eines Teils mit einer großen Breite und eines anderen Teils mit einer kleinen Breite auf, wobei diese jeweils alternierend in einer Linie angeordnet sind. Auf anderen Teilen der ersten Cu Schicht 15 sind die Kollektor- oder Drainbereiche (Rückseiten- Spitzenelektroden) der Transistoren 29 und die Kathodenbereiche (Rückseiten-Spitzenelektroden) der Dioden 31 gelötet. Die Emitter- oder Sourcebereiche (Vorderseiten- Spitzenelektroden) der Transistoren 29 und die Anodenbereiche (Vorderseiten-Spitzenelektroden) der Dioden 31 sind mit der zweiten Cu Schicht 25 auf dem zweiten DBC Substrat 27 über Al Bondungsdrähte 33 verbunden.
In dem Aufbau sind die erste Cu Schicht 15, die mit den Rückseiten-Spitzenelektroden der Transistoren 29 und der Dioden 31 verbunden ist, und die zweite Cu Schicht 25, die mit den Vorderseiten-Spitzenelektroden der Transistoren 29 und der Dioden 31 verbunden ist, in der Form einer gleichförmigen Platte mit einer großen Breite. Somit werden die Hauptströme, die durch die erste Cu Schicht 15 und die zweite Cu Schicht 25 fließen, gleichförmig über diese Schichten verstreut, so daß eine Stromkonzentration verhindert wird. Infolgedessen wird die Selbstinduktivitäts- Komponente Ls, die in den Schichten 15 und 25 existiert, in diesem Aufbau verkleinert.
Zusätzlich sind die erste Cu Schicht 15 und die Al Bondungsdrähte 33 benachbart so angeordnet, daß sie im wesentlichen parallel zueinander sind, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Ströme auf der ersten Cu Schicht 15 und den Al Bondungsdrähten 33 fließen in zueinander unterschiedlichen Richtungen. Infolgedessen weist die Gegeninduktivität M in diesem Gebiet einen negativen Wert auf, was somit die Induktivitätskomponente in diesem Gebiet weiter verringert.
Die Basis- oder Gate-Gebiete der Transistoren 29 sind mit einer vierten Cu Schicht 17 auf dem ersten DBC Substrat 19 über Al Bondungsdrähte 35 verbunden. Somit wird die C&sub1; Schaltung 37 auf der rechten Seite der Strahlungsplatte 9 gebildet.
Auf der linken Seite der Strahlungsplatte 9 ist eine C&sub2; Schaltung 41 gebildet, die eine Punktsymmetrie zu der C&sub1; Schaltung 37 bezüglich des zentralen Punkts 39 der Strahlungsplatte 9 aufweist. Weil die C&sub2; Schaltung 41 den gleichen Aufbau wie derjenige der C&sub1; Schaltung 37 aufweist, wird die ausführliche Beschreibung dieser Schaltung weggelassen.
Die Breite der Teile des zweiten DBC Substrats 27 in der C&sub2; Schaltung 41 wird kleiner ausgebildet als die Breite der anderen Teile. Andererseits werden Teile des zweiten DBC Substrats 27 in Gebieten, die zu den ersten Bereichen 45 benachbart sind, in der Breite größer als die Breite der anderen Teile gebildet. Somit werden zweite Bereiche 47 in dem zweiten DBC Substrat 27 gebildet. Zwischen ersten Bereichen 45 und zweiten Bereichen 47, die aufeinander zu gerichtet sind, ist die erste Cu Schicht 15 mit der zweiten Cu Schicht 25 über Jumper-Platten 49 an einer Vielzahl von Punkten verbunden, um die C&sub1; Schaltung 37 mit der C&sub2; Schaltung 41 zu verbinden. In dieser Ausführungsform werden die Schaltungen 37 und 41 mit drei Punkten verbunden, wie in Fig. 1 gezeigt.
Eine vergrößerte Ansicht einer Jumper-Platte 49 ist in Fig. 5 gezeigt. Die Platte 49 ist aus leitenden Materialien, beispielsweise Cu gebildet. Diese weist ebenfalls eine Dicke von ungefähr 0,5 mm auf und kann in der Form einer flachen Platte sein. Jedoch ist es ratsam, daß die Platte 49 die in Fig. 5 gezeigte Form aufweist. In diesem Fall kann ein Vergießungsharz leicht in die unteren Teile der Jumper- Platten 49 bei einem Verpackungsprozeß dieser Einrichtung eintreten. Wenn Platten 49 in der Form einer flachen Platte sind, kann ein Vergießungsharz nicht leicht in die unteren Teile der Jumper-Platten 49 eindringen, so daß Blasen in dem Harz erzeugt werden und somit die Isolation und die Haltbarkeit gegenüber Wasser der Einrichtung verschlechtert wird.
Um den Induktivitätswert der Jumper-Platte 49 zu verkleinern, sollte ihre Länge l und die Höhe h so klein wie möglich sein. Im Gegensatz dazu sollte ihre Breite w so groß wie möglich sein. Aufgrund dieser Anordnung wird der Hauptstrom, der von der C&sub1; Schaltung 37 an die C&sub2; Schaltung 41 (und umgekehrt) fließt, gleichförmig verstreut, so daß eine Stromkonzentration verhindert wird und die Größe der Induktivität verkleinert wird.
Wenn jedoch die Länge l und die Höhe h zu klein sind und die Höhe w zu groß ist, kann ein Vergießungsharz nicht leicht in die unteren Teile der Platten 49 eindringen. Deshalb sollten diese Werte optimiert werden. In dieser Ausführungsform ist 1 gleich 6 mm, h ist 3 mm und w ist 5 mm.
Fig. 6a zeigt den Aufbau des C&sub2;E&sub1; Energieanschlusses 3 und des E&sub2; Energieanschlusses 5. Weil diese zwei Anschlüsse den gleichen Aufbau aufweisen, sind in Fig. 6a nur die Strukturelemente des E2 Energieanschlusses 5 gezeigt. Fig. 6b zeigt den Aufbau des C&sub1; Energieanschlusses 7.
Der Energieanschluß 5 (oder 7) umfaßt ein flaches Teil 51 (oder 53), eine Vielzahl (in dieser Ausführungsform drei) von Absorbierungspuffern 55 (oder 57) und eine Vielzahl (in dieser Ausführungsform zwei) von Schraubenlöchern 59 (oder 61).
Die Absorbierungspuffer 55 (oder 57) sind vorgesehen, um die vertikale Spannung zu absorbieren, die an die Energieanschlüsse 3 und 5 (oder 7) bei dem Harzvergießungsprozeß angewendet wird. Ferner dämpfen diese Absorbierungspuffer die Spannung, die sich aufgrund einer Temperaturänderung während der Verwendung der Halbleitereinrichtung ergibt.
Die Selbstinduktivität LC1S, LE2S und LC2E1S der Energieanschlüsse 3, 5 und 7, die den in den Fig. 6a und 6b gezeigten Aufbau aufweisen, können wegen der nachstehend aufgeführten Gründe in der Größe reduziert werden.
Der erste Grund besteht darin, daß die Anschlüsse 3, 5 und 7 die kürzesten Verdrahtungen bilden, die von der C&sub1; Schaltung 37 und der C&sub2; Schaltung 41 vertikal verlaufen. Der zweite Grund besteht darin, daß jeweilige Anschlüsse 3, 5 und 7 einen flachen Teil 51 (oder 53), in dem die Größe der Breite w größer als die Höhe 1 ist, eine Vielzahl von Absorbierungspuffern 55 (oder 57) und eine Vielzahl von Schraubenlöchern 59 (61) umfassen. Aufgrund dieses Aufbaus wird der Hauptstrom, der durch die Absorbierungspuffer (55 oder 57) von der C&sub1; Schaltung 37 oder der C&sub2; Schaltung 41 an eine externe Schaltung, die durch Schraubenlöcher 59 (oder 61) verbunden ist, fließt, oder der in die umgekehrte Richtung fließt, gleichförmig unter den Anschlüssen verstreut wird, wodurch eine Stromkonzentration verhindert und die Größe einer Selbstinduktivität verkleinert wird.
Wie in den Fig. 6a und 6b gezeigt, ist es wünschenswert, daß Absorbierungspuffer 55 (oder 57) auf beide Seiten eines Energieanschlusses 5 (oder 7) an beiden Enden eines flachen Teils 51 (oder 53) plaziert werden. Es ist auch wünschenswert, daß ein flaches Teil 51 (oder 53) fast die gleiche Breite w wie diejenige der ersten Cu Schicht 15 auf der C&sub1; Schaltung 37 (oder der C&sub2; Schaltung 41) aufweist. Ferner können so viele Absorbierungspuffer 55 (oder 57) und Schraubenlöcher 59 (oder 61) wie möglich vorgesehen werden.
Wenn nur eine kleinere Anzahl von Absorbierungspuffern 55 (oder 57) und Schraubenlöchern 59 (oder 60) bereitgestellt werden und wenn die Breite w des flachen Teils 51 (oder 53) klein ist, dann wird der Hauptstrom innerhalb bestimmter Gebiete konzentriert, wodurch die Verringerung einer Selbstinduktivität verhindert wird.
Die Absorbierungspuffer 55 des C2E1 Energieanschlusses 3 sind an die erste Cu Schicht 15 in dem ersten DBC Substrat 19 gelötet, welches in der C&sub2; Schaltung 51 enthalten ist. Die Absorbierungspuffer 55 des E&sub2; Energieanschlusses 5 sind an die zweite Cu Schicht 25 auf den breiteren Teilen des zweiten DBC Substrats 27 gelötet, das in der C&sub2; Schaltung 41 enthalten ist. Zusätzlich sind Absorbierungspuffer 57 des C&sub1; Energieanschlusses 7 auf freigelegte Abschnitte der ersten Cu Schicht 15 auf dem ersten DBC Substrat 19 gelötet, das in der C&sub1; Schaltung 37 enthalten ist. Die freigelegten Abschnitte der ersten Cu Schicht 15 werden gebildet, weil die Breite des zweiten DBC Substrats 27 in diesen Gebieten verkleinert ist.
Auf dem Substrat 1 ist ein flaches Teil 51 eines Energieanschlusses 5 im wesentlichen parallel zu einem flachen Teil 53 des Energieanschlusses 7 angeordnet. Ferner sind Absorbierungspuffer 55 im wesentlichen parallel zu Absorbierungspuffern 57 angeordnet. Die Breite d zwischen den Absorbierungspuffern 55 und 57 ist kleiner als 1/5 der Breite w von jedem Anschluß 5 oder 7, dessen Breite kleiner als diejenige des anderen ist. Wie sich aus den Fig. 4 und 7 entnehmen läßt, ist die Flußrichtung des Hauptstroms auf den Anschlüssen 5 und 7 entgegengesetzt zueinander. Infolgedessen ergibt sich eine Gegeninduktivität ME2C1 mit einem negativen Wert auf den Anschlüssen 5 und 7, was somit die Induktivität LE2 des Anschlusses 5 und die Induktivität LC1 des Anschlusses 7 verringert.
Gewöhnlicherweise verändert sich die Größe der Gegeninduktivität in Abhängigkeit von den Werten einer Anschlußbreite w und eines Abstands d zwischen dem C&sub1; Anschluß und dem E&sub2; Anschluß. Deshalb verändert sich die Größe einer Induktivität von jeweiligen Anschlüssen in Abhängigkeit von den Werten der Breite w und des Abstands d. Fig. 8 zeigt den Zusammenhang zwischen der Größe der Induktivität pro Einheitsmenge eines Anschlusses und dem Verhältnis d/w. Wie sich dieser Figur entnehmen läßt, nimmt die Größe der Induktivität pro Einheitslänge exponentiell in Abhängigkeit von dem Anwachsen des Verhältnisses d/w zu. Insbesondere steigt die Größe der Induktivität schnell an, wenn das Verhältnis d/w 0,2 überschreitet. Demzufolge sollte das Verhältnis d/w kleiner als 0,2 sein, d. h., d < w/5.
Ein Anschlußhalter 71, der aus Harz gebildet ist, wird vorher vorbereitet, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Energieanschlüsse 3, 5 und 7 werden an diesem Halter angebracht und dann wird das Harzgehäuse 73 angebracht und durch Harz auf einer Strahlungsplatte 9 vergossen. Infolgedessen wird eine Halbleitereinrichtung gebildet, die das in Fig. 3 gezeigte Erscheinungsbild aufweist.
In der Halbleitereinrichtung mit dem voranstehend erläuterten Aufbau kann die Länge jedes Energieanschlusses leicht minimiert werden, weil Energieanschlüsse 3 und 5 gegenüber jeweiligen Schaltungen 37 und 41 vertikal angebracht sind. Zusätzlich weist jeder Anschluß 3, 5 oder 7 ein flaches Teil, dessen Breite breiter als dessen Länge l ist, eine Vielzahl von Absorbierungspuffer 55, 55 oder 57, und eine Vielzahl von Schraubenlöchern 59, 59 und 61 auf. Ferner ist die Breite der ersten und der zweiten Cu Schicht, die mit Halbleiterelementen (Transistoren, Dioden etc.) verbunden sind, relativ groß. Infolgedessen wird der Hauptstrom, der durch diese Anschlüsse fließt, gleichförmig verstreut, wodurch die Größe einer Selbstinduktivität an jedem Anschluß verringert wird.
Zusätzlich sind die Anschlüsse 5 und 7 benachbart im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Der Strom fließt durch diese Anschlüsse 5 und 7 in entgegengesetzte Richtungen. Infolgedessen wird die Gegeninduktivität zwischen den Anschlüssen 5 und 7 verkleinert.
Noch weiter wird in dieser Ausführungsform das Verpackungssubstrat verwendet, das eine Zweischichtstruktur (aus einem ersten DBC Substrat 19 und einem zweiten DBC Substrat 27) aufweist. Deshalb fließt der Strom, wie in Fig. 4 gezeigt, in den entgegengesetzten Richtungen zwischen Bondungsdrähten 33 und der ersten Cu Schicht 15, wodurch auch die Größe einer Gegeninduktivität, die sich zwischen diesen ergibt, verkleinert wird. Somit wird die Gesamtgröße der internen Induktivität in dieser Halbleitereinrichtung stark verkleinert.
Obwohl diese Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Halbleitereinrichtung mit zwei Schaltungen beschrieben worden ist, kann diese Erfindung auf Halbleitereinrichtungen mit einer Schaltung, vier Schaltungen und sechs Schaltungen angewendet werden. Die Cu Muster auf den DBC Substraten, der Aufbau der Absorbierungspuffer, und die Anzahl der Absorbierungspuffer und der Schraubenlöcher, die in der voranstehend erwähnten Ausführungsform dargestellt sind, sollte nicht in einer beschränkenden Weise betrachtet werden. Das Substrat kann unter Verwendung von anderen Verfahren als dem DBC Verfahren hergestellt werden. Zusätzlich kann, wie in Fig. 15 gezeigt, eine fünfte Cu Schicht 21 unter der zweiten Schicht 23 gebildet werden.
In der in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform umfaßt ein Verpackungssubstrat 22 (ein zweites DBC Substrat 23) eine fünfte Cu Schicht 21, eine zweite isolierende Keramikplatte 23, die aus Al&sub2;O&sub3;, AlN etc. gebildet ist, und eine sechste Cu Schicht 25, wobei diese durch das DBC Verfahren aufgeschichtet sind. Dieses Substrat 27, das eine Vielzahl von (in dieser Ausführungsform 3) breiten Teilen und schmalen Teilen aufweist, die in einer Linie alternierend angeordnet sind, wird an die erste Cu Schicht 15 gelötet.
Zusammenfassend wird gemäß der vorliegenden Erfindung die interne Induktivität einer Halbleitereinrichtung wirksam verkleinert. In Fig. 9a ist die Wellenform-Charakteristik der Stoßspannung beim Ausschalten der herkömmlichen Halbleitereinrichtung gezeigt. Genauso zeigt Fig. 9b die Wellenform-Charakteristik der Stoßspannung beim Ausschalten, die von der Einrichtung dieser Erfindung erhalten wird.
Wie in diesen Figuren gezeigt, wird die Stoßspannung ΔV, die von der Einrichtung dieser Erfindung erhalten wird, gegenüber dem von der herkömmlichen Einrichtung erhaltenen Wert um 50% verringert. Somit kann die Halbleitereinrichtung dieser Erfindung eine Umschaltung mit einer hohen Geschwindigkeit und mit einem hohen Strom (d. h., mit einem großen di/dt Wert) erreichen, ohne zerstört zu werden und ohne falsche Betriebsvorgänge und die Zerstörung von externen Schaltungen zu verursachen.

Claims

1. Halbleitereinrichtung, umfassend:

a) ein Substrat (1) umfassend ein erstes und ein zweites Substratteil (13, 15; 23, 25), die auf einer Abstrahlungsplatte (9) so angeordnet sind, daß ein Spalt zwischen den Substratteilen gebildet ist;

b) wobei jedes Substratteil (13, 15; 23, 25) umfaßt:

b1) ein erstes Verpackungssubstrat (19) mit einem ersten Leiter (15) und einem ersten Isolator (13), das auf der Abstrahlungsplatte (9) angeordnet ist,

b2) ein zweites Verpackungssubstrat (27), das auf einem Abschnitt des ersten Verpackungssubstrats (19) an dem Spalt angeordnet ist und einen zweiten Leiter (25) und einen zweiten Isolator (23), der auf dem ersten Leiter (15) angeordnet ist, umfaßt,

b3) wobei das zweite Verpackungssubstrat (27) so gebildet ist, daß an einer ersten Seite davon, die auf den Spalt gerichtet ist, und einer zweiten Seite davon, die nicht auf den Spalt gerichtet ist, der erste Leiter (15) freigelegt ist, und

b4) auf dem ersten Leiter (15) angeordnete Halbleiterelemente (29; 31), deren erste Seite auf die zweite Seite des zweiten Verpackungssubstrats (27) gerichtet ist und die eine zweite Seite aufweisen;

c) einen dritten Leiter (49), der den ersten Leiter (15) des ersten Substratteils an der ersten Seite des zweiten Verpackungssubstrats (27) davon mit dem zweiten Leiter (25) des zweiten Substratteils verbindet;

d) einen ersten Energieanschluß (5), der den zweiten Leiter (25) des ersten Substratteils kontaktiert;

e) einen zweiten Energieanschluß (7), der den ersten Leiter (15) des zweiten Substratteils an der ersten Seite des zweiten Verpackungssubstrats (27) davon kontaktiert; und

f) einen dritten Energieanschluß (3), der den ersten Leiter (15) des ersten Substratteils (13, 15) an der zweiten Seite der Halbleiterelemente (29, 31) kontaktiert.

2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

b31) die erste Seite des zweiten Verpackungssubstrats (27) jedes Substratteils als ein alternierendes Muster von freigelegten ersten Leiterabschnitten und zweiten Leiterabschnitten gebildet ist;

b32) die alternierenden Muster der ersten und zweiten Substratteile so angeordnet sind, daß jeweils ein erster Leiterabschnitt des ersten Substratteils auf einen zweiten Leiterabschnitt des zweiten Substratteils gerichtet ist; und

c1) der dritte Leiter (49) einen ersten Leiterabschnitt des ersten Substratteils und einen gegenüberliegenden zweiten Leiterabschnitt des zweiten Substratteils kontaktiert.

3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente (29, 31) mit dem zweiten Leiter (25) durch eine erste Verdrahtung (33) verbunden sind.

4. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente (29, 31) Transistoren (29) umfassen, die erste und zweite Oberflächenelektroden aufweisen, die als eine Kollektor- oder Drainelektrode und eine Emitter- oder Sourceelektrode dienen, wobei die zweiten Oberflächenelektroden Rückoberflächenelektroden sind, die elektrisch mit dem ersten Leiter (15) verbunden sind, und wobei die ersten Oberflächenelektroden elektrisch mit dem zweiten Leiter (25) durch die erste Verdrahtung (33) verbunden sind.

5. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente (29, 31) Dioden (31) mit ersten und zweiten Oberflächenelektroden umfassen, die als eine Anode und eine Kathode dienen, wobei die zweiten Oberflächenelektroden Rückoberflächenelektroden sind, die elektrisch mit dem ersten Leiter (15) verbunden sind, und wobei die ersten Oberflächenelektroden elektrisch mit dem zweiten Leiter (25) durch die erste Verdrahtung (33) verbunden sind.

6. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten, zweiten und dritten Energieanschlüsse (5, 7, 3) mit einer Vielzahl von Schraubenlöchern (59, 61) versehen sind.

7. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Leiter (15) und die ersten Verdrahtungen (33) so angeordnet sind, daß während eines Betriebs der Halbleitereinrichtung ein Strom auf den ersten Leitern (15) in der entgegengesetzten Richtung zu einem Strom auf einer jeweiligen Verdrahtung (33) fließt.

8. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlungsplatte (9) aus Cu gebildet ist und eine Dicke von 3,5 mm aufweist.

9. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Isolatoren (13, 23) eine keramische Platte ist, die aus Al&sub2;O&sub3; oder AlN gebildet ist.

10. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Leiter (11) zwischen der Wärmeabstrahlungsplatte (9) und dem ersten Isolator (13) eingebettet ist.

11. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Leiter (17) auf einem freigelegten Abschnitt des ersten Isolators (13) an der zweiten Seite der Halbleiterelemente (29, 31) gebildet ist.

12. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß Basis- oder Gate-Gebiete der Transistoren (29) mit dem ersten Leiter (17) über eine zweite Verdrahtung (35) verbunden sind.

13. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten bis vierten Leiter (15, 25, 11, 17) aus Cu Schichten gebildet sind.

14. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Leiter (11), der erste Isolator (13) und der erste Leiter (15) durch ein Direktbondungs-Kupfer-(DBC)- Verfahren zum Bilden der ersten Verpackungssubstrate (19) aneinander gebondet sind.

15. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Isolator (23) und der zweite Leiter (25) durch ein Direktbondungs-Kupfer-(DBC)-Verfahren zum Bilden der zweiten Verpackungssubstrate (27) aneinander gebondet sind.

16. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (37), die aus der zweiten Verdrahtung (35), den Halbleiterelementen (29, 31) und der ersten Verdrahtung (33) auf dem zweiten Substratteil gebildet ist, bezüglich eines Mittelpunkts (39) der Abstrahlungsplatte (9) in Punktsymmetrie gegenüber einer Schaltung (41) angeordnet ist, die aus der ersten Verdrahtung (35), den Halbleiterelementen (29, 31) und der zweiten Verdrahtung (33) auf dem ersten Substratteil gebildet ist.

17. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Verpackungssubstrate (19, 27) der ersten und zweiten Substratteile auf der Wärmeabstrahlungsplatte (9) so befestigt sind, daß sie sich bezüglich eines Mittelpunkts (39) der Abstrahlungsplatte (9) in Punktsymmetrie aufeinander zu gekehrt sind.

18. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Energieanschlüsse (3, 5, 7) eine größere Breite als eine Höhe davon aufweisen.

19. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Leiter ein Jumper (49) ist, der eine Brückenform mit einer Überbrückungslänge von 6 mm, einer Höhe von 3 mm und eine Breite von 5 mm aufweist.

20. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Energieanschlüsse (5, 7) so angeordnet sind, daß während eines Betriebs der Halbleitereinrichtung ein Strom auf dem ersten Energieanschluß (5) der entgegengesetzten Richtung zu einem Strom auf dem zweiten Energieanschluß (7) fließt.

21. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Verdrahtung (33, 35) Al Bondungsdrähte sind.

22. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

d1) der erste Energieanschluß (5) eine Anzahl von Kontaktteilen (55) aufweist, die die zweiten Leiterabschnitte des ersten Substratteils kontaktieren; und

e1) der zweite Energieanschluß (7) eine Anzahl von Kontaktteilen (57) aufweist, die die ersten Leiterabschnitte des zweiten Leiterteils kontaktieren; und

f1) der dritte Energieanschluß (3) eine Anzahl von Kontaktteilen (55, 57) aufweist, die den ersten Leiter (15) des ersten Substratteils (13, 15) kontaktieren.

23. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktteile (55, 57) als Absorbierungspuffer (55, 57) für mechanische Spannungen gebildet sind, wobei die Absorbierungspuffer mit Kontaktansätzen versehen sind, jeder Puffer (55, 57) ein Paar von horizontal parallel verlaufenden Abschnitten aufweist, die benachbart zueinander in einer vertikalen Richtung angeordnet und an Enden miteinander verbunden sind, wobei die Abschnitte der Puffer (55, 57) der ersten, zweiten und dritten Energieanschlüsse (5, 7, 3) benachbart zueinander parallel sind.