JP2003511864A - 電力半導体モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
ュールに関する。
、複数の半導体構成素子を有しており、前記の半導体素子は上側で第1のキャリ
アサブストレートの条導体平面と電気的に接続しており、かつ下側で第2のキャ
リアサブストレートの条導体平面と電気的に接続している。両方のキャリアサブ
ストレート及びその間に配置された半導体構成素子から形成される積層体は、さ
らにキャリアサブストレートを積み重ねることにより拡張することができ、この
場合、それぞれ2つのキャリアサブストレートの間で半導体構成素子を備えた層
が生じる。放熱を改善するために2つの外側のキャリアサブストレートの少なく
とも一方にヒートシンクとして機能する金属プレートが配置されている。
形成される装置は気密(hermetisch)に密閉されたケーシング部材中へ入れなけ
ればならない。この場合、熱はまずヒートシンクへ伝達され、引き続きようやく
ケーシング壁を通過して外方へ達することができるという欠点がある。ヒートシ
ンクを同時にケーシング壁として、例えば金属ケーシング底部として設計した場
合、ケーシングの気密密閉において多大な問題が生じる。ヒートシンクは有効な
冷却を達成するためにかなり大きくなければならないため、全体で著しく大きな
構造を気密に密閉しなければならず、その際、ケーシングの構成は使用したヒー
トシンクもしくは放熱体のサイズに依存する。密閉されたケーシング中のヒート
シンクは後からもはや変更できないため、発熱する半導体構成素子のタイプ及び
数に放熱体を柔軟に適応させることは不可能である。
を用いて冷却しなければならないという難点が生じる。公知の装置の場合では高
価な方法で放熱体中へ、冷却液を流通させる冷却通路を導入しなければならない
。ケーシング内部空間中に存在する放熱体に接するように冷却通路が構成されて
いるために、気密に密閉されたケーシング内への冷媒の供給及び排出を可能にす
るために著しく費用をかけなければならない。
る。積層体のそれぞれの上方及び下方のキャリアサブストレートが、同時に電力
半導体モジュールの上方及び下方のケーシング壁を形成しかつ半導体構成素子か
ら生じた熱を外側のキャリアサブストレートへ運び出し、この熱は外側のキャリ
アサブストレートから直接ケーシング部材を取り囲む外側空間に放出することが
でき、ケーシング部材内部の放熱体に放出されない。このケーシング部材は外側
のキャリアサブストレートから形成される上方及び下方のケーシング壁並びにケ
ーシング壁部の4つの側壁を形成する取り囲む壁部からなり、前記の壁部はキャ
リアサブストレートに固定されている。簡単な方法で、気密に密閉しかつ極端に
コンパクトな構造を実現することができ、さらにこの構造はケーシング周囲への
著しく有効な放熱を可能にする。本発明による電力半導体モジュールが冷却通路
の高価な構成なしでかつケーシング構造の変更なしで周囲を流動する冷媒中で使
用できるか又は放熱体と接触させることができることが特に有利である。外側の
キャリアサブストレートへ放出された熱は直接有利にそれぞれのヒートシンクに
伝達されるのが有利である。多様なかつ柔軟な使用方法により、本発明による電
力半導体モジュールは先行技術において公知の解決策と比較して著しい利点を有
する。
る。
トレート及びそれぞれ半導体構成素子の下方に配置されたキャリアサブストレー
トとの電気的接続がはんだ付けによって形成されることにより、積層体中の熱を
外側のキャリアサブストレートへ特に迅速に放出することを可能にする。
可能な及び伝熱性の媒体により完全に充填されていることによりなお改善するこ
とができる。
ートの主表面に対して垂直方向に延びるキャリアサブストレートの端面上に、流
動性の硬化可能な媒体が取り囲む壁部を形成するように設置することができる。
それにより積層体に接する壁部の固定のための付加的製造工程は省略することが
できる。
kapillar fliessfaehiger Kleber)を使用することができる。
形材料からなることも考えられる。キャリアサブストレート及び半導体構成素子
からなる積層体は、次いで例えば射出成型法で、もしくはトランスファー成形に
より製造することができる。
であり、前記のコンタクト部材はキャリアサブストレート上に配置されたそれぞ
れ1つの条導体と電気的に接続されており、キャリアサブストレート間の中空室
から横側に突き出ており、さらに取り囲む壁部を貫いてケーシング部材から外方
へ延びている。取り囲む壁部が導電性材料からなる場合、例えばコンタクト部材
のための絶縁性ブシュが設けられていてもよい。ケーシング部材の気密密閉を達
成するために、絶縁ブシュは、例えばガラスブシュとして取り囲む壁部のそれぞ
れ1つの穿孔中へ導入されていてもよい。
に対して垂直方向に延びるキャリアサブストレートの端面に少なくとも部分的に
固定されているように設計されている。この壁部は例えば1つの金属ストリップ
から製造されていてもよく、前記の金属ストリップはキャリアサブストレートの
端面側に接着されるか又ははんだ付けされるか又はその他の方法で固定される。
が特に有利であり、前記のフレームは上方のキャリアサブストレートと下方のキ
ャリアサブストレートとの間に、少なくとも1つの半導体構成素子が少なくとも
完全にフレームにより取り囲まれ、その際、前記のフレームは上方のキャリアサ
ブストレートと並びに下方のキャリアサブストレートと密に結合するように挿入
される。この場合、2つのキャリアサブストレート間の各中空室のためにそれぞ
れ1つのフレームが必要である。
の取り囲む条導体と並びに下方のキャリアサブストレートの取り囲む条導体と大
面積ではんだ付けされているのが有利である。フレームのはんだ付けはキャリア
サブストレートの条導体上に半導体構成素子にはんだ付けするのと一緒に行うの
が有利である。この種の電力半導体モジュールの製造は特に簡単でかつ確実に実
施可能である。取り囲むフレームの場合にキャリアサブストレート間の中空室か
ら接続部が横側に突き出ることができないため、半導体構成素子の電気的接続は
キャリアサブストレート内の貫通接続部を介して外側に引き出され、外側のキャ
リアサブストレートの外側でコンタクト部材と電気的に接続される。
層を備えた少なくとも1つのキャリアサブストレートが配置されているように設
計され、この場合、形成された積層体はキャリアサブストレートの平面に対して
垂直方向に柔軟なバネ弾性で圧縮可能である。それにより、有利に電力半導体モ
ジュールをヒートシンクの相応して構成された溝部又はポケット中にはめ込むこ
とができ、その際、柔軟なバネ弾性層の張力により外側のキャリアサブストレー
トはヒートシンクに対して強固に押し当てられる。このためネジ止めによる結合
は不要である。柔軟なバネ弾性層は例えば柔軟に変形可能なプラスチックから製
造することができる。もう一つの実施例において、柔軟なバネ弾性層を同一平面
上の複数の配置されたバネ部材によって構築することが考えられる。
レート1,2,3からなる積層体を有している。ここに記載された実施例におい
て、電力半導体モジュールは合計で3つのキャリアサブストレートを有するが、
2つだけのキャリアサブストレートからなる積層体でも、3より多いキャリアサ
ブストレートからなる積層体でも使用することができる。キャリアサブストレー
ト1,2,3は図1a〜1dの例において挙げられたIMS−サブストレート(
絶縁された金属サブストレート)であり、これはそれぞれ1つの金属プレート1
1,12,13を有する。この金属プレートは少なくとも1つの主面上に薄い絶
縁層21,22,23,24を備えている。この絶縁層上にそれぞれ1つの薄い
金属層が設置されており、その中に条導体31〜36が公知の方法での構造化に
より構成されている。第1のキャリアサブストレート1はその下側に条導体31
,32を有する。キャリアサブストレートはその上側に条導体33を有し、下側
に2つの条導体34及び35を有する。第3のキャリアサブストレートはその上
側に条導体36を有する。図1aに示されているように、3つのキャリアサブス
トレート1,2,3の間の2つの中空室4,5中に半導体構成素子40〜43が
配置されている。図1a及び図1cで確認できるように、半導体構成素子41及
び43はその下側で下方のキャリアサブストレート3の条導体36上にはんだ付
けされており、それにより条導体36と電気的に接続している。第2のキャリア
サブストレート2は下方の条導体34及び35と半導体構成素子41,43の上
側ではんだ付けされている。条導体34はこの場合それぞれ図示されていない第
1の接続部と及び第2の条導体35は半導体構成素子41,43の第2の接続部
と電気的に接続している。中央の第2のキャリアサブストレートの上方の条導体
33上に2つの他の半導体構成素子40,42とはんだ付けされている。半導体
構成素子40,42上の条導体31,32とはんだ付けされている第1のキャリ
アサブストレート1は積層体の終端を形成する。この半導体構成素子40〜43
は例えば電力トランジスタである。
各中空室4,5中にさらに半導体構成素子及び他の電子的回路部材が設けられて
いてもよい。この半導体構造体は条導体31〜36と導電性接着剤を用いて結合
されていてもよい。しかしながら半導体構成素子のはんだ付けが有利である。そ
れというのも、はんだ付け接続を介して半導体構成素子から発生する熱は外側の
キャリアサブストレート1及び3へ特に迅速に放出されるためである。さらに、
示した方法で3より多いキャリアサブストレートを相互に積層するか又は2つだ
けのキャリアサブストレートを使用することももちろん可能である。場合により
、異なる条導体を相互に接続するか又はキャリアサブストレートに対して垂直方
向への放熱を改善するためにキャリアサブストレート中へ貫通接続部を導入する
ことができる。キャリアサブストレートの選択は、IMS−サブストレートに制
限されない。例えば、セラミックコアを有するDCB(Direct copper bonded)
−サブストレート又は他の適当なサブストレートを使用することもできる。
ブストレート1及び下方のキャリアサブストレート3は電力半導体モジュールの
上方及び下方のケーシング壁を形成する。ケーシング部の4つの側壁は周囲を取
り囲む壁部70により形成され、この壁部はキャリアサブストレート1,2,3
の主表面に対して垂直方向に延在する、キャリアサブストレートの端面15,1
6,17に固定されている。壁部70は金属シートとして構成されていることが
でき、例えばはんだ付け、接着又は他の方法によりキャリアサブストレートの端
面に固定される。図1b及び1dに示されているように、6つのコンタクト部材
51〜56は条導体の1つとそれぞれ接続している。電力半導体モジュールに向
かうコンタクト部材の端部は、このためキャリアサブストレートの中空室4,5
中で所属する条導体とはんだ付けされているか又は他の適当な方法で接続されて
いる。図1dからわかるように、コンタクト部材53は例えば条導体33と電気
的に接続している。コンタクト部材51,55は図1dには示されていない上方
の条導体31及び32とはんだ付けされている。これは半導体構成部材のはんだ
付けと一緒に実施することができる。
ト部材51〜65の端部は壁部70を貫いてケーシング部材から突き出ている。
。壁部70の端面壁71に接して開口部中に設けられかつコンタクト部材を同心
に取り囲むガラスブシュ59は金属製壁部70に対するコンタクト部材の絶縁体
として機能する。壁部70は一体に構成されているか又はいくつかの部分から構
成されていてもよい。図1dで最もよくわかるように、例えばガラスブシュを備
えた端面壁71は別々に製造され、キャリアサブストレートをU字型に取り囲む
金属シートと結合させることもできる。端面壁71がキャリアサブストレートの
積層体からいくらか離れている場合、図1aに示されているように、一方で上方
及び下方のケーシング壁と及び他方で端面壁71と接続するカバー部72,73
がケーシング部材の密閉に利用される。コンタクト部材51〜56の適当な構成
において、端面壁71はキャリアサブストレートの端面に当接されていてもよい
。端面壁71とキャリアサブストレートとの間の間隔及びキャリアサブストレー
ト間の中空室4,5は流動性の、硬化性の及び熱伝導性の媒体、例えばフリップ
−チップ技術からアンダーフィルとして公知である毛管接着剤(Kapillarkleber
)で充填されていてもよい。流動性の、硬化性の及び熱伝導性の媒体により外側
のキャリアサブストレートでの放熱は改善され、さらに形成されたケーシングの
気密性が高まる。有利に、ケーシング部材は壁部70を端面壁15,16,17
に固定することにより気密に密閉される。
サブストレート1,2,3はこの実施例の場合DCB−サブストレートからなり
、このサブストレートはそれぞれ例えばAl2O3又はAlNからなるセラミッ
クプレート61,62,63を有し、前記のセラミックプレートは上側及び下側
で銅層で被覆されている。銅層中には条導体30〜37が構造化されており、こ
の場合、条導体31〜36は図1a及び1cに示された条導体に相当する。キャ
リアサブストレート1,2,3の間の中空室4,5内に半導体構成素子40〜4
7が配置されており、これらの素子は第1の実施例に記載したと同様に条導体3
1〜36とはんだ付けされている。図1a〜1dの実施例とは異なるのは、この
場合、取り囲む壁部が2つの取り囲む長方形のフレーム80により形成されてお
り、その際、それぞれ1つの中空室4,5中にそれぞれ1つの密閉フレームが配
置されており、このフレームがそこに収納された半導体構成素子を取り囲む。フ
レーム80は有利に金属フレームであり、この金属フレームはキャリアサブスト
レートの条導体38,39と接続されている。図示されているように、例えば上
方のフレーム80はキャリアサブストレート2上の密閉された条導体39とはん
だ付けされており、かつキャリアサブストレート1の密閉された条導体38とは
んだ付けされており、この場合、半導体構成素子40,42,44,46は全部
キャリアサブストレート1,2の間の密閉された条導体38,39の内部に配置
されている。電力半導体モジュールの電気的接続は、図1とは異なり、積層体の
横側から引き出されているのではなく、貫通接続部81〜86を介して外側キャ
リアサブストレート1,3の外面のコンタクト部材51〜56と接続されている
。コンタクト部材51〜56は積層体の外側の条導体30及び37から構造化に
より形成され、場合により金属シートにより補強される。有利に、電力半導体モ
ジュールとは反対側のコンタクト部材51〜56の端部はビームリードとして電
力半導体モジュールから突き出ている。図2a及び2bに示されているように、
このため半導体構成素子40,42,44,46の上方の接続部と接続した条導
体31及び32は貫通接続部81及び85を介して直接外側へと導かれ、半導体
構成素子40,42,44,46の下方の接続部と接続した条導体33はコンタ
クト部材88を介して貫通接続部83にはんだ付けされている。コンタクト部材
88のはんだ付けは半導体構成素子40,42,44,46のはんだ付けと一緒
に行うことができ、その際、コンタクト部材の高さは半導体構成素子の高さとほ
ぼ一致する。同様のことが条導体34〜36及び下方の半導体構成部材41,4
3,45,47及び下方のコンタクト部材88にも通用する。
に示された例とは中央のキャリアサブストレート2が異なる形状で構成されてい
る点で異なっている。例えば、層90は柔軟に変形可能なプラスチックからなる
か又は同一平面上に配置された複数のバネ部材からなる。柔軟に変形可能な層9
0の上側及び下側にはそれぞれセラミック層62a及び62bが設けられている
。セラミック層62a及び62bの柔軟に変形可能な層90に対して反対側に条
導体33及び34が設けられている。その他に、電力半導体モジュールの構築は
図2aに示された例と同じように行われる。しかしながら、柔軟な層90が絶縁
材料、例えばプラスチックからなる場合に、条導体33及び34を直接柔軟な層
90上に設置し、セラミック層62a及び62bを省略することも考えられる。
ブストレートの主表面に対して垂直方向に圧縮可能である。積層体の変形性にも
かかわらず、電力半導体モジュールのケーシングはしかしながら常に気密に密閉
されている。それというのも両方のフレーム80は圧縮の際に相互に可動である
ためである。図示された電力半導体モジュールは例えば放熱体95の溝状の収容
部中で圧縮されることにより使用される。柔軟なバネ弾性の層の張力により、外
側の条導体30及び37を備えた外側のキャリアサブストレート1及び3は放熱
体に対して強く押し当てられ、こうして放熱は改善される。電力半導体モジュー
ルと放熱体とのネジ止めはこのために必要とならない。
,3は中央のセラミックプレート61,62,63を備えたDCB−サブストレ
ートである。図1〜3に示された実施例と異なる点は、この場合、取り囲む壁部
はキャリアサブストレートに固定された取り囲む壁により構成されるのではなく
、積み重ねられた取り囲むフレームによって構成されるのでもなく、相応する形
状の射出成形金型内で、金型の離型後に射出成形材料からなる取り囲む壁部10
0が端面15〜16に残留するようにキャリアサブストレート1,2,3間の中
空室4,5中へ及びキャリアサブストレートの端面15,16,17に射出成形
される射出成形材料101によって構成されており、前記射出成形材料は電力半
導体モジュールを気密に密閉する。電力半導体モジュールの接続部51〜56は
図1と同様に条導体31〜35にはんだ付けされるコンタクト部材により形成さ
れる。コンタクト部材は射出成形により取り囲む前に有利に所望の形に曲げるこ
とができる。
る冷却液中に又は空気中に導入することもできる。外側のキャリアサブストレー
ト1,3はケーシング部材により直接周囲を流動する冷媒により冷却される。
導体、 40〜47 半導体構成素子、 70,80,100 壁部
Claims (17)
- 【請求項1】 複数の層の形で相互に重なって配置されたキャリアサブスト
レート(1,2,3)からなる積層体を有し、前記のキャリアサブストレート(
1,2,3)は少なくとも1つの主表面に少なくとも1つの条導体(31〜36
)を備えており、その際、積層体の隣り合う2つのキャリアサブストレートの間
に少なくとも1つの電子的半導体構成素子(40〜47)が配置されており、前
記の半導体構成素子は積層体中で半導体構成素子の上方に配置されたキャリアサ
ブストレートの少なくとも1つの他の条導体(31〜36)と電気的並びに伝熱
性に接続しておりかつ積層体中で半導体構成素子の下方に配置されたキャリアサ
ブストレートの条導体(31〜36)と接続されている電力半導体モジュールに
おいて、積層体の両方の外側のキャリアサブストレート(1,3)が、少なくと
も1つの半導体構成素子(40〜47)を密閉して取り囲むケーシング部材の上
方の壁部及び下方の壁部を形成し、その際、半導体構成素子から生じる熱は少な
くとも部分的に外側のキャリアサブストレート(1,3)により形成される上方
及び下方のケーシング壁へ放出されし、そこからケーシング部材の周囲に放出さ
れ、かつ積層されたキャリアサブストレート間の中空室(4,5)はキャリアサ
ブストレートに固定された取り囲む壁部(70,80,100)により密閉され
ていることを特徴とする電力半導体モジュール。 - 【請求項2】 上方の及び下方のケーシング壁(1,3)及び取り囲む壁部
(70,80,100)により形成されるケーシング部材が気密に密閉されたケ
ーシング部材である、請求項1記載の電力半導体モジュール。 - 【請求項3】 少なくとも1つの半導体構成素子(40〜47)と、半導体
構成素子の上方に配置されたキャリアサブストレートの少なくとも1つの条導体
(31〜36)及び半導体構成素子の下方に配置されたキャリアサブストレート
の少なくとも1つの条導体(31〜36)との電気的接続がハンダ付けにより形
成されている、請求項1記載の電力半導体モジュール。 - 【請求項4】 積層されたキャリアサブストレート(1,2,3)間の中空
室(4,5)は、流動性の、硬化可能な及び伝熱性の媒体(101)により完全
に充填されている、請求項1記載の電力半導体モジュール。(図4) - 【請求項5】 流動性の、硬化可能な及び伝熱性の媒体がキャリアサブスト
レート(1〜3)の主表面に対して垂直方向に延びるキャリアサブストレートの
端面(15,16,17)上に、前記の流動性の硬化可能な媒体(101)が同
時に取り囲む壁部(100)を形成するように設置されている、請求項4記載の
電力半導体モジュール。(図4) - 【請求項6】 流動性の、硬化可能な及び伝熱性の媒体(101)が毛管流
動性接着剤である、請求項4又は5記載の電力半導体モジュール。 - 【請求項7】 流動性の、硬化可能な及び伝熱性の媒体(101)が射出成
形材料である、請求項4又は5記載の電力半導体モジュール。 - 【請求項8】 コンタクト部材(51〜56)が設けられており、前記コン
タクト部材(51〜56)はキャリアサブストレート(1〜3)上に配置された
それぞれ1つの条導体(31〜36)と電気的に接続されており、かつキャリア
サブストレート(1〜3)間の中空室(4,5)から横側に突き出ており、さら
に取り囲む壁部(70,100)を貫いてケーシング部材から外方へ延びている
、請求項1記載の電力半導体モジュール。(図1a〜1d、図4) - 【請求項9】 取り囲む壁部(70)中にコンタクト部材(51〜56)用
の絶縁ブシュ(59)が配置されている、請求項8記載の電力半導体モジュール
。(図1a〜1d) - 【請求項10】 絶縁ブシュ(59)が、取り囲む壁部(70)の穿孔中に
それぞれ導入されておりかつコンタクト部材(51〜56)を気密に密閉してい
るガラスブシュである、請求項9記載の電力半導体モジュール。 - 【請求項11】 取り囲む壁部(70)がキャリアサブストレート(1〜3
)の主表面に対して垂直方向に延びるキャリアサブストレートの端面(15,1
6,17)に少なくとも部分的に固定されている、請求項10記載の電力半導体
モジュール。(図1a〜1d) - 【請求項12】 取り囲む壁部が少なくとも1つの密閉して取り囲むフレー
ム(80)により形成されており、少なくとも1つの半導体構成素子(40〜4
7)が完全に前記のフレーム(80)により取り囲まれるように、前記のフレー
ムは上方及び下方のキャリアサブストレート(1,2,3)の間に挿入されてお
り、その際、前記のフレームは上方のキャリアサブストレート及び下方のキャリ
アサブストレートと密に結合している、請求項1記載の電力半導体モジュール。
(図2a、2b、3a、3b) - 【請求項13】 フレーム(80)が金属フレームであり、上方のキャリア
サブストレートの取り囲む条導体(38)と及び下方のキャリアサブストレート
の取り囲む条導体(39)と大面積ではんだ付けされている、請求項12記載の
電力半導体モジュール。 - 【請求項14】 半導体構成素子(40〜47)の電気的接続部はキャリア
サブストレート(1,2,3)中の貫通接続部(81〜86)を介して外方に延
びており、さらに外側のキャリアサブストレート(1,3)の外側でコンタクト
部材(51〜56)と電気的に接続されている、請求項12又は13記載の電力
半導体モジュール。 - 【請求項15】 積層体中に柔軟なバネ弾性層(90)を備えた少なくとも
1つのキャリアサブストレート(2)が、形成された積層体がキャリアサブスト
レート(1,2,3)の平面に対して垂直方向に柔軟なバネ弾性に圧縮可能であ
るように配置されている、請求項12から14までのいずれか1項記載の電力半
導体モジュール。(図3a、3b) - 【請求項16】 柔軟なバネ弾性層(90)が柔軟に変形可能なプラスチッ
クから製造されている、請求項15記載の電力半導体モジュール。 - 【請求項17】 柔軟なバネ弾性層(90)が同一平面上に配置された複数
のバネ部材により形成されている、請求項15記載の電力半導体モジュール。
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