JP2002353408A - 圧力接触によるパワー半導体モジュール - Google Patents

圧力接触によるパワー半導体モジュール

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造コストの低減と同時に、性能、信頼性、
耐用年数が向上されるパワー半導体モジュールを提供す
る。 【解決手段】 素子８が、それらの第１主面上に少なく
とも部分的に配設されていて導体通路ならびに接触面が
設けられている可撓性の導体プレート９を用いて接触さ
れ、可撓性の導体プレート９が、素子８を回路に応じて
互いに及び／又は基板２の接触面３と接続し、それによ
り、可撓性の導体プレート９が、回路に応じたモジュー
ルの電気接続部、及び／又は、少なくとも１つの外部の
導体プレート５の接触面６に対する回路に応じた接続部
を形成すること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１の前提部
に記載した、能動素子及び／又は受動素子（即ち、能動
素子、又は受動素子、又は能動素子及び受動素子）を備
えたパワー半導体モジュール、特に電流変換モジュール
に関する。この種のパワー半導体モジュールは様々な文
献から知られている。製造コストの低減と同時に、性
能、信頼性、並びに耐用年数を向上するには個々の構成
部品のための構造技術の方式を変更することが必然的な
前提条件である。
【０００２】
【従来の技術】本発明の出発点である最新のパワー半導
体モジュールは、例えばドイツ特許出願公開第19903875
号明細書(DE19903875A1)に記載されているように、ベー
スプレートを伴わないモジュールであり、それらは以下
の構成要素からできている： ・ ケーシング ・ セラミック基板：このセラミック基板は、この基板
上に配設されていて回路に応じて実施されている金属被
覆を有し、これらの金属被覆は例えばＤＣＢ（直接銅結
合 direct copper bonding）法により製造される。 ・ 例えば、ダイオード、トランジスタ、抵抗、センサ
などのような、前記のセラミック基板上にロウ付け技術
を用いて材料接合式で取り付けられている素子 ・ 素子の構成化側（パターン側）を、他の素子、基
板、及び／又は、外部に通じる接続要素と結合するため
のボンド結合部 ・ 個々の素子を互いに絶縁するために有利にはシリコ
ンゴムからできているシーリング材料
【０００３】この種のパワー半導体モジュールでは、冷
却体にモジュールを熱的に接触させるために圧力接触を
用いる構造技術が極めて有利であることが明らかになっ
た。特に広面に渡るロウ付け結合を品質に応じて制御す
ることは極めて困難であり、それによりパワー半導体モ
ジュールの信頼性と耐用年数が損なわれてしまうことが
示された。
【０００４】このような圧力接触されるパワー半導体モ
ジュールにおける圧力発生は機械的に安定性のある圧力
プレートを用いて達成される。更なる構成に応じ、生成
された圧力は、例えばドイツ特許発明第19648562号明細
書(DE19648562C1)に示されているように圧力プレートの
特別な構成を用いて直接的に基板上に伝えられ得る、又
は、ドイツ特許出願公開第19903875号明細書(DE1990387
5A1)に記載されている弾性の圧力蓄積体を用いて基板上
に伝えられ得る。
【０００５】ドイツ特許出願公開第4132947号明細書(DE
4132947A1)から、可撓性の導体プレート、並びに、パワ
ー半導体モジュールに導電性及び／又は絶縁性のペース
トを使用することが知られている。これらは、セラミッ
ク製の基板の代用として、並びに、素子間を接続するた
めに使用される。
【０００６】米国特許第4180828号明細書(US4180828)で
は、可撓性のフォイルを介して基板の導体通路と素子を
接続することが記載されている。フォイルと素子の間な
いしはフォイルと導体通路の間における電気接触はロウ
付け結合または接着結合により確立される。
【０００７】ドイツ特許発明第19648562号明細書(DE196
48562C1)またはドイツ特許出願公開第19903875号明細書
(DE19903875A1)に記載されている製造方法には、最新の
モジュールでは通常であるように多数の素子が互いに及
び／又は基板と接触されなくてはならないという短所が
ある。これは、ボンド技術的には多数の個々のボンド結
合部を用いることにより実現され、この際、通常は素子
あたり必ず１０個までのボンド結合部が存在する。これ
らのボンド結合部は直列に製造されるので、その製造に
は多大な消費時間が必要とされ、それによりモジュール
製造における主要なコスト部分の原因となる。
【０００８】ドイツ特許出願公開第4132947号明細書(DE
4132947A1)による製造方法は、部分的に極めて複雑な層
構造、並びに、旧式のロウ付け結合の更なる使用を有し
ている。従って、パワー半導体モジュールの効果的な構
造は保証されていない。
【０００９】米国特許第4180828号明細書(US4180828)で
は可撓性のフォイルがロウ付け技術または接着技術を用
いて素子ないしは基板の導体通路に備え付けられてい
る。この種のロウ付け結合部を実際に製造することは困
難であり、その理由は、フォイルを通じる熱入力によ
り、フォイルの損傷及び／又は破壊を回避するための特
別の技術が要求されるためである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、個々の半導
体素子間、ないしは、半導体素子と様々な形式の接触面
との間、例えば半導体素子と基板の接触面との間におけ
るボンド結合部及び／又はロウ付け結合部が少なくとも
部分的に排除され得るパワー半導体モジュールを提供す
ることを課題とし、このパワー半導体モジュールは、耐
用年数と信頼性に関して少なくとも従来技術と同価値の
品質を有し、低コストで製造可能である。また、追加的
な課題は、個々の素子の相互間の絶縁を簡素化すること
である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記の課題は、請求項１
の特徴部に記載した措置により解決される。また、前記
の追加的な課題は、請求項２の特徴部に記載した措置に
より解決される。他の有利な構成は従属項に掲げられて
いる。この際、以下の説明において、導体プレートは、
実質的に堅固な構成のものとは限らず、従来技術でも記
載されているような最新の可撓性開発製品としても理解
される。また、これらは「可撓性導体プレート（フレキ
シブル・プリント基板）」と称され、互いに対して並び
に表面に対して絶縁されている様々な導体通路の構造、
及び、電気接触のために表面に対して絶縁されていない
接触面の様々な構造により特徴付けられている。本明細
書において、材料接合式の結合とは、関与部材の材料的
なかみ合いにより成される結合のことで、この結合を解
除するにはその継目を破壊するしかないものであり、例
えば、ロウ付け、接着、溶接などである。また、材料結
束式の結合とは、関与部材が外力（例えば摩擦力）によ
り結合されるもので、例えば、押圧による結合、ねじ込
みによる結合などである。
【００１２】高い信頼性と長い耐用年数を提供すると同
時に低コストでパワー半導体モジュールを製造するに
は、特に費用と時間のかかる生産ステップが、より簡単
でより速いものとして実現されるべき解決策によって置
き換えられる必要がある。半導体素子をパワー半導体モ
ジュールに備え付けること、及び、それに引き続くボン
ド結合を用いる回路に応じた配線は、特に消費時間を要
求することになる。
【００１３】回路に応じた配線における本発明の形態
は、ボンド結合部の代わりに可撓性の導体プレートを少
なくとも部分的に用いて行われる。ボンド結合が直列に
製造されるのに対し、可撓性導体プレートを用いる結合
は迅速に実施すべき唯一の作業工程だけを要求する。特
にロウ付け結合による材料接合式の結合における上述し
た短所に基づき、その使用は出来るだけ僅かな使用領域
に制限される。本発明では２つの同価値の選択解決策が
提供される。
【００１４】半導体素子がセラミック製の基板の接触面
上に材料接合式で取り付けられる。この際、基板のこれ
らの接触面は、これらが個々の半導体素子間における回
路に応じた接続を実現するように形成されている。材料
接合式の結合は、例えば、ロウ付けにより、又は、部分
的には可撓性接続部も可能とする最新の接着法により実
施され得る。互いの半導体素子間および基板の他の接触
面に対する、回路に応じた半導体素子の他の配線は、可
撓性導体プレートを用いて実現される。この導体プレー
トはモジュールの圧力接触部により半導体素子の第１主
面と材料結束式に結合される。この圧力接触部、即ち圧
力によりコンタクトを形成させる部分は、従来技術によ
り、圧力を蓄積する要素とシステム内に圧力を挿入する
圧力プレートとから構成される。接触のために必要な圧
力は、冷却体とパワー半導体モジュールを結合すること
によって初めて確立される。従って、冷却体に対するパ
ワー半導体モジュールの熱的な接触と同時にパワー半導
体モジュールにおける信頼性のある完全な電気接触が実
現される。
【００１５】本発明の第２のバリエーションとして、半
導体素子を、材料接合式、有利には接着法を用いて可撓
性導体プレートに固定することが提案される。基板上お
よび可撓性導体プレートにおける回路に応じた接続は第
１形態に対応して実現される。半導体素子が設けられて
いる可撓性導体プレートを基板上に取り付けることによ
り、パワー半導体モジュールにおける回路に応じた完全
な配線が確立される。配線の完全な機能性は、冷却体と
の熱伝導接続を含めた上述の圧力接触により初めて達成
される。
【００１６】両方の解決策の複合形は、特別な使用時に
おいて有利であり得る。
【００１７】両方の解決策は、材料結束式の導電性接続
の確立がパワー半導体モジュール内に既に冷却体上の熱
接触のために設けられている圧力接触部によって同様に
行われるという同一の有利な特性を有する。
【００１８】更に可撓性導体プレートは、外部のパワー
接続部及び／又は制御接続部の部分的な接触のために用
いられる。この場合、同様に材料結束式及び／又は材料
接合式の接続バリエーションが考えられる。材料結束式
のバリエーションではパワー半導体モジュールの圧力接
触部が、耐久性のある接続のため、即ち耐久性のある確
実な接触のために同様に用いられる。
【００１９】個々の素子を互いに絶縁する本発明の形態
は軟質の絶縁材によって行われる。この絶縁材はペース
ト状または泡状の構成を有する。絶縁材は有利には素子
の第１主面ならびに素子間の中間空間に塗布される。
【００２０】それに引き続き、本発明のパワー半導体モ
ジュールの他の製造プロセスにおいて可撓性導体プレー
トが取り付けられる。この導体プレートには、回路に応
じた接続が保証されているように素子の第１主面側でイ
ボ状突起が配設されている。加圧により、イボ状突起
は、接触が要求されている箇所において絶縁材を押しの
ける。余分な絶縁材は、適切な穴を通じ、素子が備え付
けられている基板と可撓性導体プレートとの間の領域か
ら押し出される。従って、圧力接触部を用いることによ
り、一方では、素子ないしは基板の接触面と可撓性導体
プレートとの間において確実な電気接触が確立され、他
方では、素子が備え付けられている基板と可撓性導体プ
レートとの間の中間空間が絶縁材で完全に満たされてい
ることが保証される。このことは個々の素子間の絶縁を
確実なものとする。
【００２１】
【発明の実施の形態】次に本発明の解決策の実施形態を
図１及び図２を用いて説明する。この際、図２は図１の
細部を示している。ケーシングの図は図面の見易さのた
めに省略されている。
【００２２】図面には、本発明の特徴を有する、冷却体
１を備えた構造体内のパワー半導体モジュールの横断面
が示されている。冷却体１は熱伝導性で有利にはセラミ
ック製の基板２と結合されている。非図示の熱伝導ペー
ストと、基板２の第２主面の同様に非図示の平らな金属
被覆とを用いたこの結合は、従来技術により、パワーク
ラスの半導体モジュール内に発生する廃熱を運び去るた
めに極めて適していると示されたものである。
【００２３】冷却体１に対して電気絶縁するセラミック
製の基板２は、その第１主面上に接触面３を有し、これ
らの接触面３は金属被覆として形成されている。基板２
のこれらの接触面３上には半導体素子８が設けられてい
る。接触面３は、接触面３上に配置すべき素子８の基板
２側の第２主面が回路に応じて接続されるように形成さ
れている。素子８としては、パワーダイオード、パワー
サイリスタ、パワートランジスタ、更には、センサ、抵
抗、集積回路なども用いられる。
【００２４】本発明の解決策の第１形態において、半導
体素子８は材料接合式で接触部３と結合されている。こ
の材料接合式の結合は現今の従来技術により有利にはロ
ウ付けにより確立される。ここでは全ての半導体素子８
のロウ付けを１回の作業手順で可能とするロウ付け方法
が使用される。半導体素子８においてセラミック製の基
板２とは反対側の夫々の第１主面における回路に応じた
接続は、本発明により、可撓性の導体プレート９を用い
て達成される。この可撓性導体プレート９は材料接合式
ではなく材料結束式で半導体素子８の第１主面と結合さ
れている。耐久性と信頼性のある電気接触は全構造体を
圧力接触させた後に初めて達成される。
【００２５】この実施形態において半導体素子８と接触
するための可撓性導体プレート９の接触面は有利にはイ
ボ状の突起２１を有する。一方ではこれらのイボ状突起
が確実な接触を保証し、それにより他方では全パワー半
導体モジュールの効果的な圧力接触が確実に成され得
る。
【００２６】本発明の解決策で可能な他の形態では半導
体素子８の第１主面が可撓性導体プレート９と材料接合
式で結合される。この結合は有利には導電性接着剤で確
立される。同様にロウ付け技術による結合も考えられ
る。可撓性導体プレート９と半導体素子８から成る結合
体は製造プロセス中に基板２上に次のように取り付けら
れる。即ち、回路に応じた接触が確立されるように半導
体素子８の第２主面が基板２の接触面３上に位置するよ
うにである。基板２の接触面３との耐久性と信頼性のあ
る電気接触は同様に全構造体における圧力接触後に初め
て達成される。
【００２７】パワー半導体モジュールにおいて必要不可
欠であるパワー接続部および制御接続部の接触は同様に
可撓性導体プレート９を用いて実現され得る。そのため
に、例えば、少なくとも１つの堅固な導体プレート５ま
たは可撓性でもある導体プレート５上で外部に導かれて
いる接続部が、導体プレート５上に設けられている接触
部６を使い、可撓性導体プレート９を用いて直接的にパ
ワー半導体モジュールの対応する接続部と材料結束式で
パワー半導体モジュール内に設けられている圧力接触部
を用いて接続される。基板２と同じ厚さを必ずしも有す
る必要のない外部の導体プレート５は少なくとも部分的
にその第２主面を用いて電気絶縁した状態で冷却体１上
に配置されている。可撓性導体プレート９は、導体プレ
ート５における外部のパワー接続部および制御接続部と
接触する目的で次のように導体プレート５を覆ってい
る。即ち、可撓性導体プレート９の対応する接触面と外
部の導体プレート５の接触面６との間の電気接触が少な
くとも部分的に得られるようにである。
【００２８】材料結束式の全ての接触部は、圧力を導入
する堅固な圧力プレート１１と可撓性で弾性の圧力蓄積
体１０とを用いて加圧を行った後に初めて耐久性と信頼
性をもって閉鎖される。圧力導入のためには例えばねじ
込み式接続方式が用いられる。このねじ込み式接続方式
のために、圧力プレート１１、必要に応じて圧力蓄積体
１０、基板２、及び／又は、外部の導体プレート５に
は、貫通部１３、１４、１５、７が設けられ得る。従っ
て組立時には、冷却体１上で、冷却体１に対して熱伝導
し且つ電気絶縁するパワー半導体モジュールの接触と、
全ての材料結束式の導電接触とが同時に確立される。
【００２９】更に、可撓性導体プレート９、半導体素子
８、及び／又は、基板２の接触面３を伴う他のパワー接
続部及び／又は制御接続部を可能とするために貫通部１
２が設けられ得る。
【００３０】基板２と可撓性導体プレート９の間の中空
空間４は、従来技術に従い、電気的な閃絡を防止するた
めに、電気絶縁体、例えばシリコンゴムで満たされ得
る。
【００３１】個々の素子を互い絶縁する本発明の形態は
ペースト状の絶縁材２０を使用し、この絶縁材２０は、
基板２の接触面３と半導体素子８を結合させた後にこの
結合体上に平たく塗布される。このペースト状の絶縁材
上に配置されている導体プレート９は、圧力プレート１
１並びに圧力蓄積体１０から成る圧力接触部を用いて基
板２の方向に押圧される。この際、半導体素子８の接触
面ないしは基板２の接触面３と可撓性導体プレート９を
電気接触させるためのイボ状突起２１は、この領域にあ
る絶縁材を押しのける。従って、長期に渡り安定性のあ
る電気接触が保証される。更に、半導体素子８が備え付
けられている基板２と可撓性導体プレート９の間におけ
る残りの全ての中空空間は、圧力接触により、完全に又
は必要であれば部分的に絶縁材で満たされる。余分な絶
縁材は適切な穴を通じて又はパワー半導体モジュールの
縁で排除される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による解決策の実施形態を示す図であ
る。
【図２】図１の細部を示す図である。
【符号の説明】
１ 冷却体１ ２ 基板（セラミック製） ３ 基板の接触面 ４ 中空空間 ５ 外部の導体プレート ６ 外部の導体プレートの接触部 ７ 貫通部 ８ 半導体素子 ９ 可撓性導体プレート １０ 圧力蓄積体 １１ 圧力プレート １２ 貫通部 １３ 貫通部 １４ 貫通部 １５ 貫通部 ２０ 絶縁材 ２１ イボ状突起 ２２ 導体通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハインリヒ ハイルブロンナー ドイツ連邦共和国 デー・90547 シュタ イン ビルケンヴェーク ６

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ケーシングと、セラミック製の基板２と、
    回路に応じて基板２上に配設されて構成化されている導
    電性の接触面３と、接触面３上に配設されている素子８
    と、可撓性の圧力蓄積体１０並びに圧力を生成する圧力
    プレート１１から成る圧力接触部と、パワー接続部およ
    び制御接続部とを有するパワー半導体モジュールにおい
    て、 素子８が、それらの第１主面上に少なくとも部分的に配
    設されていて導体通路ならびに接触面が設けられている
    可撓性の導体プレート９を用いて接触され、可撓性の導
    体プレート９が、素子８を回路に応じて互いに及び／又
    は基板２の接触面３と接続し、それにより、可撓性の導
    体プレート９が、回路に応じたモジュールの電気接続
    部、及び／又は、少なくとも１つの外部の導体プレート
    ５の接触面６に対する回路に応じた接続部を形成するこ
    とを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 【請求項２】ケーシングと、セラミック製の基板２と、
    回路に応じて基板２上に配設されて構成化されている導
    電性の接触面３と、接触面３上に配設されている素子８
    と、これらの素子８の少なくとも１つを電気的に接続す
    る導体プレート９と、可撓性の圧力蓄積体１０並びに圧
    力を生成する圧力プレート１１から成る圧力接触部と、
    パワー接続部および制御接続部とを有するパワー半導体
    モジュールにおいて、 素子８を互いに絶縁するために軟質の絶縁材２０が取り
    入れられていて、圧力接触部を用いた加圧により確実な
    導電性の接続部が形成されるように、素子８との導体プ
    レート９の接触部がイボ状の突起２１により形成される
    ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
  3. 【請求項３】少なくとも１つの素子８が、基板２の接触
    面３と材料接合式で結合されていて、可撓性の導体プレ
    ート９の少なくとも１つの接触面と圧力接触部を用いて
    材料結束式で導電するように結合されていることを特徴
    とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 【請求項４】少なくとも１つの素子８が、可撓性の導体
    プレート９の少なくとも１つの接触面と材料接合式で導
    電するように結合されていて、圧力接触部を用いて基板
    ２の少なくとも１つの接触面３と材料結束式で結合され
    ていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導
    体モジュール。
  5. 【請求項５】素子８が、パワーダイオード、パワーサイ
    リスタ、パワートランジスタ、センサ、抵抗、及び／又
    は、集積回路であることを特徴とする、請求項１または
    ２に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 【請求項６】材料接合式の接触部がロウ付けにより形成
    されることを特徴とする、請求項３または４に記載のパ
    ワー半導体モジュール。
  7. 【請求項７】材料接合式の接触部が導電性の接着剤を用
    いた接着結合部により形成されることを特徴とする、請
    求項３または４に記載のパワー半導体モジュール。
  8. 【請求項８】可撓性の導体プレート９が、少なくとも部
    分的に、少なくとも１つの外部の導体プレート５の接触
    面６に対するパワー半導体モジュールのパワー接続部及
    び／又は制御接続部の接触部を形成することを特徴とす
    る、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  9. 【請求項９】パワー接続部及び／又は制御接続部の接触
    部６が、少なくとも部分的に、ロウ付け又は接着を用い
    て材料接合式で形成されることを特徴とする、請求項８
    に記載のパワー半導体モジュール。
  10. 【請求項１０】パワー接続部及び／又は制御接続部の接
    触部６が、少なくとも部分的に、圧力接触部を用いて材
    料結束式で形成されることを特徴とする、請求項８に記
    載のパワー半導体モジュール。
  11. 【請求項１１】軟質の絶縁材２０がペースト状または泡
    状の構成を有することを特徴とする、請求項２に記載の
    パワー半導体モジュール。
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