JP2001298129A - 電力半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
2a,2bが電力半導体モジュール1の基板4に結合さ
れており、線材ピン3が設けられており、線材ピン3
が、パネル5との電気的な接続部を形成するために運転
中にブシュ2a,2b内に導入されるように形成されて
いる形式の電力半導体モジュールを改良して、熱的に限
定された機械的な応力を簡単な手段で補償するために電
力半導体モジュールの端子を基板に直接接触させるよう
な電力半導体モジュールを提供する。 【解決手段】 ブシュ2a,2bによって、導入された
線材ピンを挟持可能であり、前記ブシュ2a,2bが、
前記線材ピンの直径よりも小さな最小直径領域を有して
いる
Description
成部材の種々異なる材料特性に基づき惹起される機械的
な応力を補償する、基板とケーシングとを有する電力半
導体モジュールに関する。
カーエレクトロニクス、エネルギーマネージメントの分
野において使用されており、産業的な駆動技術ならびに
自動化技術においてもますます使用される傾向にある。
一般的には複数の電力半導体が組み合わされて、顧客の
特殊な要求に合わせられたモジュールを成す。
一般的に個々の電子的な構成素子はセラミック基板上に
はんだ付けされている。場合によってはこのセラミック
基板自体はボトムプレート(ヒートシンク)にはんだ付
けされている。これにより運転中における電子的な構成
素子からの十分な熱導出が保証される。図5には例えば
アウアーバッハ、シュバルツバウアー、ラーメル、レニ
ンガー、ゾマーによる「ツーフェアレッスィッヒカイト
・フォン・アルミニウム・ディックドラートボンドフェ
アビンドゥンゲン(zuverlaessigkeit von Al-Dickdrah
t-Bondverbindungen)、1996年ミュンヘンISHM
コンファレンツ」において開示されているような集積さ
れたゲート(IGBT)を有するバイポーラトランジス
タモジュールの側方断面図が示されている。この図から
分かるようにこのような電力半導体モジュール15はシ
リコンチップ19を有しており、このシリコンチップ1
9はセラミック基板17上にはんだ付けされている。こ
のセラミック基板17自体はベースプレート18にはん
だ付けされる。これらのシリコンチップ19は互いにア
ルミニウム線材20によって接続されている。さらにケ
ーシング22の側方でピン16が導出されている。これ
らのピン16は後に行われる組付けの際にパネル(図示
せず)にはんだ付けされる。さらにこのモジュールの構
成素子は電気的に絶縁するためにシリコーンゲル24で
充填されている。この場合電力半導体モジュール15の
ケーシング22はカバー23によって閉鎖されている。
ネルに電気的に接続することを保証するために、さらに
アルミニウムボンディング接続部21がモジュールに設
けられている。その際このボンディング接続部の端部は
それぞれ一方ではシリコンチップ19に、他方ではピン
16のバルコニー区分にはんだ付けされている。図5か
ら分かるように、アルミニウムボンディング接続部21
は円弧状に湾曲された形状を有している。このいわゆる
伸張ループもしくは補償領域は、温度変化によって構成
部材の種々異なる材料特性に基づき生ぜしめられる、不
利な機械的な応力の影響を回避するために必要である。
実なボンディング接続を保証できるように、接続部(端
子)をはんだ付け過程において高価な工作物支持体によ
って所定の位置に固定する必要がある。これにより製造
工程はコスト高に行われ、かつ故障し易くなる。さらに
このようなアルミニウムボンディング接続部の使用時に
最大限許容できる電力はボンディング線材長さおよびボ
ンディング線材直径によって制限されてしまう。
に限定された機械的な応力を簡単な手段で補償するため
に電力半導体モジュールの端子を基板に直接接触させる
ような電力半導体モジュールを提供することである。
に本発明による構成では、ブシュが設けられており、該
ブシュが電力半導体モジュールの基板に結合されてお
り、線材ピンが設けられており、該線材ピンが、パネル
との電気的な接続部を形成するために運転中にブシュ内
に導入されるように形成されている形式の、電力半導体
モジュールのための接続装置において、ブシュによっ
て、導入された線材ピンを挟持可能であり、前記ブシュ
が、前記線材ピンの直径よりも小さな最小直径領域を有
しているようにした。
なくとも1つのブシュと、このブシュ内に導入可能な少
なくとも1つの線材ピンとが設けられていて、この線材
ピンはケーシングに接続可能である各パネルに電気的に
接続するために働くようになっていることを特徴とす
る、基板とケーシングとを有する電力半導体モジュール
が得られる。この際に絶縁性を改良するためにはケーシ
ングが有利にはプラスチックから形成されている。
んだ付けされている。これに関連してブシュを別の電子
的な構成素子と一緒に炉走行中に基板にはんだ付けする
ことも考えられる。これにより有利には電力半導体モジ
ュールの効率のよい製造を達成することができる。
準備するために基板に湿潤可能な面が設けられており、
この湿潤可能な面は基板の表面に配置されたエッチング
孔を取り囲むように構成されている。さらにこの基板に
ははんだペーストが印刷されている。炉走行前もしくは
はんだ付け前にブシュがはんだペースト上に載置され
る。引き続き生じる、炉走行中のはんだペーストの流動
化によって、湿潤可能な面とブシュとの間の表面張力が
惹起される。この表面張力はブシュをエッチング孔にセ
ンタリングする。これにより基板上におけるブシュの簡
単な位置決めが非常に正確な位置許容誤差で行われる。
電力半導体モジュールの製造はさらに簡素化される。
板に結合されたブシュ内に導入されている。したがって
ブシュと線材ピンとによって2部分から成る差込系が形
成され、この差込系はこれまで使用されていたような冒
頭に記載の、基板とパネルとの間のボンディング接続の
代わりに使用される。ブシュの有利な形状によって線材
ピンはブシュ内に堅固に挟持されている。しかしこの線
材ピンをブシュ内で外部からの力作用のもとで軸線方向
で移動させることもできる。この構成によって有利に
は、線材ピンの、ブシュとは反対側の端部がパネルに接
続されて、電力半導体モジュールがパネルに取り付けら
れた状態において、温度変化に基づいた不利な機械的な
応力を直接緩衝することができる。この構成の別の利点
は線材ピンは炉走行後に初めてブシュに導入されるの
で、線材ピンのはんだ付け性がパネルに取り付けられる
まで保たれたままであるという点にある。
ブシュと線材ピンとから成る2部分構成の差込系の利点
は、従来のボンディング接続部と比べてより大きな、基
板とパネルとの間の最大電力が許容されることである。
これまでの電流負荷容量に関する臨界的なパラメータ、
線材直径およびボンディング線材長さは本発明の差込系
では単に副次的な意味しかなしていない。
ピンも錫メッキされた銅または銅合金から構成されてい
る。これにより構成部材の良好なはんだ付け性が保証さ
れている。これに関連して一般的に、例えば鉄および銅
に生じ得る、不利な接触部腐食を防止するためにブシュ
および線材ピンのために最適に材料が選択される。
分と外周面区分とから成っており、しかも最も簡単な形
式ではこの外周面区分は例えばほぼ円筒状の形を有して
いる。円筒直径に関連した正確な許容誤差を保たなくて
も線材ピンの十分な挟持が保証されている。線材ピンの
導入を改良するためにこのピンはその端部に、面取りさ
れた角部を有しており、この角部は導入斜面として働
く。前記した2部分の差込系をこのように簡単な構成に
よっても有利には保証することができる。
面区分が漏斗状に形成されており、これにより線材ピン
の導入はさらに簡素化される。これに対して択一的に導
入斜面を線材ピンにも設けることができる。この漏斗状
の構成では外周面区分がアームを有しており、これらの
アームの間にはスリットが形成されている。基板ではん
だ付け後に清掃過程が行われる場合には、有利にはスリ
ットにより流体材料残留物がブシュの内側から流出し、
残留することなく取り除かれるよう保証されている。
導体モジュールのケーシング内にシリコーンゲルが構成
素子を絶縁するために充填されている。前述のスリット
はブシュの所定の領域においてシリコーンゲルから空気
を逃すことを保証しているので、確実な絶縁が保証され
ている。
態は請求項2〜20に記載されている。
した実施例に基づき詳説する。
電力半導体モジュール1が図1において部分的に断面し
て示されている。この断面された領域において、少なく
とも1つのブシュ2a,2bが基板4に結合されている
のが分かる。この実施例ではブシュ2a,2bが有利に
は基板4にはんだ付けされている。さらに少なくとも1
つの線材ピン3が各ブシュ2a,2b内に導入されてい
て、この線材ピン3が基板4の表面に対してほぼ垂直に
延在するようになっている。その際線材ピン3の、ブシ
ュ2a,2bに導入されていない他方の自由端部は、基
板4をプレートに電気的に接続するために働く。
体モジュール1がケーシング6の結合装置7を介してパ
ネル5に取り付けられる。図1に示した実施例では線材
ピン3の自由端部は有利にはパネル5にはんだ付けされ
ている。さらに、パネル5への電力半導体モジュール1
の確実な取り付けを保証するために、ケーシング6は結
合装置7を有している。本発明の実施例では、これらの
結合装置7は有利にはプラスチックスナップフックから
成っており、このプラスチックスナップフックはパネル
5にクリップ留めされる。さらにケーシング6はケーシ
ング上面6aを有しており、このケーシング上面6aに
は少なくとも1つの開口8が設けられている。このケー
シング上面6aは本実施例において有利にはケーシング
6と一体的に形成されている。これに対して択一的に、
ケーシング上面6aを、ケーシング6に結合される個々
の部材として構成することもできる。
シング上面6aの開口8を通って延びている。このよう
な形式で線材ピン3はケーシングから導出されている。
線材ピン3はケーシング上面6aの開口8を通って延び
ていることにより、さらに線材ピン3の付加的なガイド
が保証されている。この実施例ではケーシング上面6a
がケーシング6と同様の形式でプラスチックから成って
いるので、前述した構成部材との確実な絶縁が保証され
ている。さらに基板4とケーシング上面6aとの間の中
間室内にはシリコーンゲル14が充填されている。この
シリコーンゲル14は最大数のブシュ2a,2bおよび
線材ピン3のさらに改良された互いの絶縁を保証してい
る。この実施例ではシリコーンゲル14は、このシリコ
ーンゲル14とケーシング上面6aとの間に中空室が残
されるようにケーシング6内に充填されている。
理的な構造を1つのブシュ2aと1つの線材ピン3と一
緒に、拡大して図2に側方断面図として示した。この基
板4は2つの銅層4bの間に層状に収容されたセラミッ
ク層4aから成っている。この図から明確に分かるよう
に、ブシュ2aに面した側の銅層4bはエッチング孔9
bを有しており、このエッチング孔9bは金属的に湿潤
可能な面(図示せず)によって取り囲まれている。この
エッチング孔9bに相応してブシュ2aの底区分11は
中央孔9aを有している。
リントされたはんだペースト10が溶け出すと、基板4
の湿潤可能な面とブシュ2の底区分11の下面との間で
作用する表面張力が、銅層4bに設けられたエッチング
孔9bと中央孔9aの自動センタリングを生ぜしめる。
図2にはエッチング孔9bと中央孔9aとのこのような
センタリングが示されている。さらにブシュ2aは個々
のアーム12を有しており、これらのアーム12は基板
4の表面に対してほぼ垂直に延びている。このブシュ2
aのアーム12はブシュ2aが漏斗形を形成するように
底区分11に対して相対的に曲げられている。さらにこ
れらのアーム12は漏斗形のブシュ2aが最小直径領域
13を有するようにブシュ2a,2bの中央軸線9cの
方向で湾曲されている。この最小直径は線材ピン3の直
径よりもわずかに小さく形成されている。この線材ピン
3は軸線方向でブシュ2a内に導入可能であり、しかも
ブシュ2aに面した、線材ピン3の自由端部は、ブシュ
2aの底区分11に接触することなく、ブシュ2aの最
小直径領域13を介して挿入されている。この前述した
直径の違いはブシュ2aの最小直径領域13において線
材ピン3の挟持作用を生ぜしめる。
れている。この図からブシュ2aの外周面区分が、星状
に配置されたアーム12から成っていることがわかる。
これらのアーム12は中央孔9aを取り囲む底区分11
の縁部から半径方向で外側に向かって延びている。例え
ばこのような展開構造を1つの薄板または1つの帯状部
材から打抜き成形することは大きな手間をかけることな
く可能である。底区分11の縁部から半径方向で外側に
向かって延びる星状のアーム12は、次いでブシュ2a
が図2に示した漏斗形状を形成するように変形させられ
る。この星状の展開図から、星状のブシュ2aはアーム
12の間にスリットを有していると考えることもでき
る。これらのスリットははんだ付けに引き続き行われる
洗浄過程において流体材料残留物の流出を保証してい
る。さらにこれらのスリットは、シリコーンゲル14の
流込みの際に空気を流出させ、これにより流し込まれた
シリコーンゲル14に望まれない気泡が存在しないよう
に保証する。
示されている。このブシュ2bの原理的な構造はブシュ
2aの構造に相応している。同じ部材には同じ部材番号
を付与し、その説明も省いた。図4の(a)に示した側
方断面図から、ブシュ2bが最小直径領域13において
楔区分13aを有しているのが分かる。この楔区分13
aはブシュ2bの中心軸線に向かってそれぞれ半径方向
で内側に鋭角な角度で突出している。このような形式で
はブシュ2aと比べて線材ピン3のさらに確実な挟持作
用を得ることができるが、線材ピン3の、軸線方向の自
由度を完全になくすこともない。
(b)に示されている。この図から、ブシュ2bの外周
面区分が主として十字形に配置された4つのアーム12
によって形成されていることがわかる。同様の形式でブ
シュ2bを一枚の薄板または一枚の帯状部材から打ち抜
き加工することもでき、この場合このブシュ2bの製造
過程はアーム12の数がわずかであることに基づき全体
的に簡素化される。
間をかけることなく少ない方法段階で製造することがで
きるような電力半導体モジュールに関連している。ブシ
ュ2a,2b内における線材ピン3の軸線方向自由度に
よって、電力半導体モジュールが一般的に運転中にさら
される温度変化においても、欠点である機械的な応力が
モジュールに形成されないように保証されている。
ジュールを部分的に断面して示した側面図である。
モジュールの線材ピンとを拡大して示した図である。
1実施例であり、図4の(b)は図4の(a)のブシュ
の展開図である。
ある。
3 線材ピン、 4基板、 4a セラミック、 4b
銅、 5 パネル、 6 ケーシング、6a ケーシ
ング上面、 7 結合装置(スナップフック)、 8
開口、 9a 中央孔、 9b エッチング孔、 9c
中央軸線、 10 はんだペースト、 11 底区
分、 12 アーム、 13 最小直径領域、 13a
楔区分、 14 シリコーンゲル、 15 電力半導
体モジュール、 16 ピン、17 セラミック基板、
18 ベースプレート、 19 シリコンチップ、2
0 アルミニウム線材、 21 アルミニウムボンディ
ング接続部、 22ケーシング、 23 カバー、 2
4 シリコーンゲル
Claims (20)
- 【請求項1】 電力半導体モジュールのための接続装置
であって、ブシュ(2a,2b)が設けられており、該
ブシュ(2a,2b)が電力半導体モジュール(1)の
基板(4)に結合されており、線材ピン(3)が設けら
れており、該線材ピン(3)が、パネル(5)との電気
的な接続部を形成するために運転中にブシュ(2a,2
b)内に導入されるように形成されている形式のものに
おいて、 ブシュ(2a,2b)によって、導入された線材ピンを
挟持可能であり、前記ブシュ(2a,2b)が、前記線
材ピンの直径よりも小さな最小直径領域(13)を有し
ていることを特徴とする、電力半導体モジュールのため
の接続装置。 - 【請求項2】 最小直径領域(13)を形成するため
に、ブシュ(2a,2b)の外周面区分が、星状の展開
構造または十字形の展開構造から形成されており、該展
開構造が特に、ブシュ(2a,2b)が漏斗形状を有す
るように曲げられたアーム(12)を有している、請求
項1記載の接続装置。 - 【請求項3】 ブシュ(2a,2b)のアーム(12)
の間にスリットが形成されている、請求項2記載の接続
装置。 - 【請求項4】 最小直径領域(13)が楔形区分(13
a)を有しており、該楔形区分(13a)が、特に半径
方向内側にブシュ(2b)の中心軸線(9c)に向かっ
て鋭角な角度で突出している、請求項1から3までのい
ずれか1項記載の接続装置。 - 【請求項5】 ブシュ(2a,2b)が基板(4)には
んだ付けされている、請求項1から4までのいずれか1
項記載の接続装置。 - 【請求項6】 線材ピン(3)がブシュ(2a,2b)
内で力作用に基づき軸線方向に移動可能である、請求項
1から5までのいずれか1項記載の接続装置。 - 【請求項7】 外周面区分がほぼ円筒形状である、請求
項2から6までのいずれか1項記載の接続装置。 - 【請求項8】 ブシュ(2a,2b)の底区分(11)
が中央孔(9a)を有している、請求項1から7までの
いずれか1項記載の接続装置。 - 【請求項9】 基板(4)が金属的に湿潤可能な面を有
している、請求項1から8までのいずれか1項記載の接
続装置。 - 【請求項10】 基板(4)がエッチング孔(9b)を
有している、請求項1から9までのいずれか1項記載の
接続装置。 - 【請求項11】 金属的に湿潤可能な面がエッチング孔
(9b)を取り囲んでいる、請求項10記載の接続装
置。 - 【請求項12】 基板(4)に、はんだペースト(1
0)が印刷されている、請求項1から11までのいずれ
か1項記載の接続装置。 - 【請求項13】 ブシュ(2a,2b)が、基板(4)
の湿潤可能な面上に載置されている、請求項8から12
までのいずれか1項記載の接続装置。 - 【請求項14】 ブシュ(2a,2b)と、線材ピン
(3)とが、錫メッキされた銅または銅合金から形成さ
れている、請求項1から13までのいずれか1項記載の
接続装置。 - 【請求項15】 基板(4)がセラミック(4a)から
成っている、請求項1から14までのいずれか1項記載
の接続装置。 - 【請求項16】 絶縁を保証するために、ケーシング
(6)内でシリコーンゲル(4)がブシュ(2a,2
b)と線材ピン(3)との間に充填されている、請求項
1から15までのいずれか1項記載の接続装置。 - 【請求項17】 ケーシング(6)が、少なくとも1つ
の開口(8)を有するケーシング上面(6a)を有して
おり、前記開口(8)を通って線材ピン(3)が延びて
いる、請求項1から16までのいずれか1項記載の接続
装置。 - 【請求項18】 ケーシング(6)が、パネル(5)に
取り付けるための装置(7)を有しており、該装置
(7)を介して電力半導体モジュール(1)がパネル
(5)に結合可能である、請求項1から17までのいず
れか1項記載の接続装置。 - 【請求項19】 前記装置(7)がスナップフックから
形成されている、請求項18記載の接続装置。 - 【請求項20】 ケーシング(6)がプラスチックから
形成されている、請求項1から19までのいずれか1項
記載の結合装置。
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