JP2001298129A - 電力半導体モジュール - Google Patents

電力半導体モジュール

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JP2001298129A JP2001051229A JP2001051229A JP2001298129A JP 2001298129 A JP2001298129 A JP 2001298129A JP 2001051229 A JP2001051229 A JP 2001051229A JP 2001051229 A JP2001051229 A JP 2001051229A JP 2001298129 A JP2001298129 A JP 2001298129A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ブシュ２ａ，２ｂが設けられており、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、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

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、温度変化により構
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。
【０００２】
【従来の技術】電力半導体モジュールは近年では著しく
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。
【０００３】このような電力半導体モジュールにおいて
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。
【０００４】シリコンチップ１９をピン１６を介してパ
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。
【０００５】このような電力半導体モジュールでは、確
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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、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ことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
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。
【０００８】
【発明の効果】本発明ではつまり、基板に結合された少
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。
【０００９】本発明の有利な構成ではブシュが基板には
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。
【００１０】本発明の別の有利な構成でははんだを予め
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。
【００１１】本発明のさらに別の構成では線材ピンが基
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。
【００１２】基板をパネルに電気的に接続するための、
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。
【００１３】本発明の別の有利な構成ではブシュも線材
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。
【００１４】本発明の別の有利な構成ではブシュが底区
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。
【００１５】本発明の有利な構成に基づきブシュの外周
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。
【００１６】本発明の別の有利な構成に基づき、電力半
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。
【００１７】電力半導体モジュールの別の有利な改良形
態は請求項２〜２０に記載されている。
【００１８】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態を図面に示
した実施例に基づき詳説する。
【００１９】基板４とケーシング６とを有する本発明の
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。
【００２０】図１に示した本発明の実施例では電力半導
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。
【００２１】図１から分かるように、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。
【００２２】本発明をより理解できるように基板４の原
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。
【００２３】基板４を加熱した際に、この基板４上にプ
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。
【００２４】図３には図２のブシュ２ａの展開図が示さ
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。
【００２５】図４には変えられたブシュ２ｂの実施例が
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。
【００２６】ブシュ２ｂの外周面区分の展開図が図４の
（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。
【００２７】本発明は簡単な構造を特徴とし、大きな手
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】パネルに接続された本発明による電力半導体モ
ジュールを部分的に断面して示した側面図である。
【図２】基板に結合されたブシュと、図１の電力半導体
モジュールの線材ピンとを拡大して示した図である。
【図３】図２で使用されたブシュの星形の展開図である
【図４】図４の（ａ）は基板に接続されたブシュの別の
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。
【図５】従来技術に基づく電力半導体モジュールの図で
ある。
【符号の説明】
１ 電力半導体モジュール、 ２ａ，２ｂ ブシュ、
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399007752 Ｍａｘ−Ｐｌａｎｃｋ−Ｓｔｒａｓｓｅ ５、Ｄ−59581 Ｗａｒｓｔｅｉｎ、Ｂ. Ｒ．Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ (72)発明者 ティロ シュトルツェ ドイツ連邦共和国 アルンスベルク アム ヘレフェルダー バッハ 15

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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。
  10. 【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。
  11. 【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。
  12. 【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。
  13. 【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。
  14. 【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。
  15. 【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。
  16. 【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。
  17. 【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。
  18. 【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。
  19. 【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。
  20. 【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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