JP2004200677A - パワー半導体モジュールのためのケーシング - Google Patents

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Abstract

【課題】 ベースプレートを有するパワー半導体モジュール又は冷却体上に直接的に取り付けるパワー半導体モジュールのためのケーシングを提供する。
【解決手段】 ケーシング（１０）が、接続レーン及びパワー半導体素子の配設された電気絶縁基板を包囲し、更に、カバーと、側壁を形成するフレーム状の少なくとも１つのケーシング部分とから構成されている。このケーシング部分が主フレーム（１２０）と少なくとも１つの固定フレーム（１３０）から構成されていて、主フレームが端子要素（３０、３２）を受容するためのガイド（１２２、１２８）を有する。固定フレームが、基板に向かう方向の端子要素の運動を防止するために、この固定フレームが少なくとも部分的に端子要素の端子ブラケット（３１０、３２０）上に載置されるように主フレームに対して配設されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ベースプレートを有するパワー半導体モジュール又は冷却体上に直接的に取り付けるパワー半導体モジュールのためのケーシングに関する。この種のパワー半導体モジュールは、従来技術により、端子要素を有するケーシングと、基板とを有し、この基板は、回路に適してこの基板上に配設され且つ接続されている、サイリスタ及び／又はダイオードのようなパワー半導体素子、また、逆並列に接続されているフリーホイーリングダイオードを有するＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のようなパワートランジスタを有する。
従って本発明の出発点は、例えば下記特許文献１から知られているような現代のパワー半導体モジュールである。これらのパワー半導体モジュールは、本発明にとって本質的な構成要素を特に考慮すると、以下のものから構成されている：
・ パワー半導体モジュールの底部であり、この底部は、ベースプレートであってこのベースプレート上に配設されている基板を有するベースプレートか、又は、基板だけから構成されている。
・ 基板であって、この基板は、回路に適して構造化されている即ちパターン化されている接続レーンを有し、これらの接続レーン上にはパワー半導体素子及び他の素子が配設されている。
・ 少なくとも部分的に枠状であるケーシングであり、このケーシングは基板を包囲し、このケーシング内には外部の導線と素子或いは基板を電気接続するための端子要素が埋設されている。
・ パワー半導体モジュールの上側の閉鎖部としてのカバー。
パワー半導体モジュールにおける端子要素は実質的に２つの異なる役割を有する。即ち、一方では、外部の負荷電流導線をパワー半導体素子と接続させる役割であり、他方では、パワー半導体素子を制御するため、パワー半導体モジュール内部のセンサと接続するため、又は、パワー半導体モジュール内部の他の素子と接続するための外部の制御端子及び／又は補助端子を接続させる役割である。負荷電流のための端子導体は好ましくは外部の導線に対する捩込接続部を有し、それに対し、外部の制御端子及び／又は補助端子は好ましくは差込接触部として形成されている。パワー半導体モジュールの内部では、従来技術に従い、多くの場合、ワイヤボンディング接続部が、端子要素と、素子の配設されている基板の接続レーンとの間の電気接触部を形成する。ワイヤボンディング接続部のために端子要素は好ましくは基板に対して平行に指向され且つケーシングに包囲されていない部分面を有する。
この種の端子導体は同様に下記特許文献２で開示されている。そこでは、ワイヤボンディング時に発生する振動に対し、インジェクションによりケーシング内に形成された端子導体における接続部のより高い安定性を達成するために、端子導体をケーシング内部のそれらの経過に渡り９０度よりも小さい角度で幾重にも折り曲げることが提案される。
従来技術における短所として、前記の特許文献では端子要素がインジェクションによりケーシング内に形成されているということが挙げられる。このことは、一方では、端子要素の様々な構成のために複数のケーシングバリエーションを予め用意しなくてはならないという結果を伴う。他方では、プラスチックがその製造の冷却段階中に収縮してしまう。その結果としてプラスチック内の金属性端子要素の固定部の十分な強度が得られない。ところがこの強度は端子要素の部分面と基板の接続レーンとの間のワイヤボンディング接続部の品質にとって決定的なことであり、その理由は、ワイヤボンディングは、その特徴とされる振動により、安定して備えられている面を必要とするためである。
ＥＰＯ特許出願公開第0750345号明細書 ドイツ特許発明第4325942号明細書
本発明が解決しようとする課題は、端子要素における基板に向かう運動性及び基板から離れる運動性が最小であることにより端子要素がケーシング内で持続的に保持可能な状態で固定され、この際、ケーシングには端子要素がフレキシブルに備え付けられ得る、パワー半導体モジュールのためのケーシングを紹介することである。
前記の課題は、請求項１に記載したケーシングにより解決され、特別な構成は従属請求項に記載されている。
ベースプレートを有するパワー半導体モジュール又は冷却体上に直接的に取り付けるパワー半導体モジュールのための従来技術に対応するケーシングの本発明による改善構成を次に説明する。このケーシングは少なくとも１つの電気絶縁基板を包囲し、この基板上には互いに絶縁されている金属被覆された接続レーンが配設されていて、これらの接続レーン上にはパワー半導体素子が配設されている。このケーシングは、複数の部分、即ち、少なくとも１つのカバー、並びに、側壁を形成するフレーム状の少なくとも１つのケーシング部分から構成されている。本発明の本質は、このフレーム状のケーシング部分の方が少なくとも１つの主フレーム並びに少なくとも１つの固定フレームから構成されているということである。この主フレームは端子要素を受容するためのガイドを有し、この際、これらの端子要素は、基板側で、端子ブラケットとして少なくとも１つの部分面を基板に対して平行に延びるように有している。更にこれらの端子要素は少なくとも１つのストッパ面を有し、このストッパ面は主フレームの対抗支持部に当接し、それにより基板から離れる方向の端子要素の運動が防止される。少なくとも１つの固定フレームは、この固定フレームが少なくとも部分的に端子要素の端子ブラケット上に載置されるように主フレームに対して配設されていて、それにより基板に向かう方向の端子要素の運動が防止される。
パワー半導体モジュールのケーシングのこの構成により、ケーシング自体の製造方法に依存せず、端子要素がケーシング内部で機械的に安定して固定されていることが保証されている。更にケーシングの本発明によるこの構成では、基板上に設けられている各々の回路装置のために必要不可欠である主フレームのガイドだけに端子導体を備え付ければよいという長所が挙げられる。従ってこのケーシングにより様々な機能性のパワー半導体モジュールが製造され得る。
更に、固定フレームが、端子ブラケットの支持部、即ち、基板の接続レーン又は半導体素子に対するワイヤボンディング接続部が出発するケーシング内部の端子導体の部分面の支持部として用いられることが有利である。このことは有利であり、その理由は、それにより、ワイヤボンディング接続部を端子ブラケット上に製造する際に作用する、基板の方向の力に対し、反力が対抗されるためである。従って本発明のケーシングは、端子要素のポジションの機械的な安定性を提供すると同時にフレキシブルな構成を提供する。
次に図１〜３に関する実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１には、本発明に従うケーシングを有するパワー半導体モジュールが斜視俯瞰図として示されている。ここでケーシング（１０）は２つの基板（４０）を包囲し、これらの基板（４０）上には回路に適して構造化即ちパターン化され金属被覆された面が配設されている。これらの金属被覆面は、接続レーン（４１）として機能し、これらの接続レーン（４１）上に配設されているパワー半導体素子（５０）とロウ付けを用いて接続されている。更にこのパワー半導体モジュールは、接続要素としての端子要素（３０、３２）とパワー半導体素子（５０）及び／又は接続レーン（４１）を電気接触させるためのワイヤボンディング接続部（８０）を有し、これらのワイヤボンディング接続部（８０）は図面の見易さのために部分的にしか示されていない。それらの端子要素（３０、３２）は、パワー半導体モジュールの外部の端子に対して用いられる。そのためにこのパワー半導体モジュールは負荷端子要素（３０）並びに補助・制御端子要素（３２）を有する。更にケーシング（１０）は冷却体との捩込接続のための２つの穴（１４０）を有する。
ケーシング（１０）は、本発明の方式により、フレーム状の部分（１２）を有し、このフレーム状の部分（１２）の方は主フレーム（１２０）並びに２つの固定フレーム（１３０）から構成されている。主フレーム（１２０）は端子要素（３０、３２）を位置決めするためのガイド（１２２、１２８）を有する。主フレーム（１２０）の両方の長手側には各々３つのガイド（１２２）が負荷端子要素（３０）のために設けられていて、これらの負荷端子要素（３０）は、基板（４０）側のそれらの端部において、パワー半導体素子（５０）及び／又は接続レーン（４１）との接続のためのボンディングワイヤ（８０）を配設するための端子ブラケット（３１０）を有する。これらの端子ブラケット（３１０）は、ワイヤボンディング接続部（８０）の製造時に端子ブラケット（３１０）の機械的に安定したポジションを保証するために固定フレーム（１３０）上に載置されている。更にこの固定フレーム（１３０）は、この固定フレーム（１３０）上に配設されているノーズを用い、主フレーム（１２０）の対応する穴（１２６）と接続されていて、この主フレーム（１２０）のようにベースプレート上に載置されている。また固定フレーム（１３０）は、基板（４０）を位置決めするためのフレームを形成し得る。この実施例における回路トポロジーでは全てのガイド（１２２）に負荷端子（３０）が備え付けられている。他の回路トポロジーではガイド（１２２）の１つ又は複数において備え付けが成されない場合もあり得る。
ケーシング（１０）の両方の短手側には各々４つのガイド（１２８）が補助・制御端子要素（３２）のための設けられていて、これらの補助・制御端子要素（３２）は、同様に、基板（４０）側のそれらの端部において、パワー半導体素子（５０）及び／又は接続レーン（４１）との接続のためのボンディングワイヤ（８０）を配設するための端子ブラケット（３２０）を有する。これらの端子ブラケット（３２０）は同様に固定フレーム（１３０）上に載置されている。図示されている回路トポロジーでは６つの補助或いは制御端子要素が必要であり、それにより、２つのガイド（１２８ａ）には補助・制御端子要素（３２）は取り付けられていない。
図２には、図１による本発明に従うケーシングの長手側に沿った主フレームの断面図が示されている。全ケーシング（１０）は、カバー（１４）と、主フレーム（１２０）並びに固定フレーム（１３０）から形成されるフレーム状のケーシング部分（１２）とにより構成される。ケーシング（１０）の全ての部分（１４、１２０、１３０）は同様の絶縁プラスチックから成り得る。パワー半導体モジュールの下側の閉鎖部はベースプレート（７０）により構成されている。主フレーム（１２０）は、部分的にベースプレート（７０）上に配設されていて、ベースプレート（７０）を包囲する突出部を有する。更に主フレーム（１２０）は負荷端子要素（３０）を位置決めするためのガイド（１２２）を有する。これらのガイド（１２２）には対抗支持部（１２４）が負荷端子要素（３０）のストッパ面（３１２）のためのストッパとして配設されている。それにより、ベースプレート或いは基板から離れる方向の負荷端子要素（３０）の運動を防止することが保証されている。
更に固定フレーム（１３０）が描かれていて、この固定フレーム（１３０）は、この固定フレーム（１３０）上に配設されているノーズ（１３２）を用い、主フレーム（１２０）の対応する穴（１２６）により、この主フレーム（１２０）と面を介して結合されている。選択的に主フレーム（１２０）と固定フレーム（１３）である補助フレームと間の結合は接着によっても行なわれる。固定フレーム（１３０）はベースプレート（７０）上に同様に面を介して載置されている。負荷端子要素（３０）の端子ブラケット（３１０）は、固定フレーム（１３０）において基板或いはベースプレートの反対側に載置されていて、それにより、ベースプレート或いは基板に向かう方向の負荷端子要素（３０）の運動を防止することが保証されている。
補助或いは制御端子要素（３２）は、対応的な方式により、主フレーム（１２０）並びに固定フレーム（１３０）を用いて固定される。
従って主フレーム（１２０）を固定フレーム（１３０）と結合させることにより、端子要素（３０、３２）が配設されているケーシング（１０）をワイヤボンディング時に機械的に負荷可能である状態でベースプレート（７０）上に配設することが達成される。
図３には、図１による本発明に従うケーシングの分解図が示されている。主フレーム（１２０）が描かれていて、この主フレーム（１２０）は、この主フレーム（１２０）の内側に配設されている、負荷端子要素（３０）のためのガイド（１２２）並びに補助或いは制御端子要素（３２）のためのガイド（１２８）を有する。更にガイド（１２２）内部には対抗支持部（１２４）が配設されていて、この対抗支持部（１２４）は、負荷端子要素（３０）の両方のストッパ面（３１２）のためのストッパとして機能し、組立後、負荷端子要素（３０）がベースプレートから離れる方向に運動することを効果的に防止する。対応的な方式により、補助或いは制御端子要素（３２）のガイド（１２８）は、同様に、補助或いは制御端子要素（３２）の曲がったストッパ面（３２２）のストッパとしての対抗支持部を有する。それによりベースプレートから離れる方向の補助或いは制御端子要素（３２）の運動も効果的に防止される。
ベースプレートに向かう方向の全ての端子要素（３０、３２）の運動は両方の固定フレーム（１３０）により効果的に防止される。これらの固定フレーム（１３０）は、これらの固定フレーム（１３０）に配設されているノーズを用い、対応する穴（１２６）内にかみ合う。全ての端子要素の端子ブラケット（３１０、３２０）が固定フレーム（１３０）においてベースプレートの反対側で面を介して載置されることにより運動が防止される。
本発明に従うケーシングを有するパワー半導体モジュールを示す斜視俯瞰図である。 図１による本発明に従うケーシングの長手側に沿った断面図である。 図１による本発明に従うケーシングの分解図である。
符号の説明
１０ ケーシング
１２ ケーシングのフレーム状の部分
１２０ 主フレーム
１２２ ガイド
１２４ 対抗支持部
１２６ 穴
１２８ ガイド
１３０ 固定フレーム
１４ カバー
３０ 端子要素（負荷端子要素）
３１０ 端子ブラケット
３１２ ストッパ面
３２ 端子要素（補助・制御端子要素）
３２０ 端子ブラケット
３２２ ストッパ面
４０ 基板
４１ 接続レーン
５０ パワー半導体素子
７０ ベースプレート
８０ ワイヤボンディング接続部
１４０ 穴

Claims (6)

  1. ベースプレート（７０）を有するパワー半導体モジュール又は冷却体（７０）上に直接的に取り付けるパワー半導体モジュールのためのケーシング（１０）において、
    ケーシング（１０）が少なくとも１つの電気絶縁基板（４０）を包囲し、この基板上には互いに絶縁されている金属被覆された接続レーン（４１）が配設されていて、これらの接続レーン上にはパワー半導体素子（５０）が配設されていて、ケーシング（１０）が、複数の部分、即ち、少なくとも１つのカバー（１４）と、側壁を形成するフレーム状の少なくとも１つのケーシング部分（１２）とから構成されていて、更にはケーシング部分（１２）の方が主フレーム（１２０）並びに少なくとも１つの固定フレーム（１３０）から構成されていて、主フレーム（１２０）が、基板側に少なくとも１つの端子ブラケット（３１０、３２０）を有する端子要素（３０、３２）を受容するためのガイド（１２２、１２８）を基板（４０）に対して平行に延びるように有し、これらの端子要素（３０、３２）が少なくとも１つのストッパ面（３１２、３２２）を有し、このストッパ面が、基板（４０）から離れる方向の端子要素（３０、３２）の運動を防止するために主フレーム（１２０）の対抗支持部（１２４）に当接し、少なくとも１つの固定フレーム（１３０）が、基板（４０）に向かう方向の端子要素（３０、３２）の運動を防止するために、この固定フレーム（１３０）が少なくとも部分的に端子要素（３０、３２）の端子ブラケット（３１０、３２０）上に載置されるように主フレーム（１２０）に対して配設されていることを特徴とするケーシング。
  2. 主フレーム（１２０）が、固定フレーム（１３０）に配設されているノーズ（１３２）と主フレーム（１２０）の対応する穴（１２６）を用い、固定フレーム（１３０）と結合されていることを特徴とする、請求項１に記載のケーシング。
  3. 主フレーム（１２０）が、接着結合部を用い、固定フレーム（１３０）と結合されていることを特徴とする、請求項１に記載のケーシング。
  4. ケーシング（１０）の全ての部分（１４、１２０、１３０）が同様の絶縁プラスチックから成っていることを特徴とする、請求項１に記載のケーシング。
  5. 端子要素が負荷端子要素（３０）及び／又は補助／制御端子要素（３２）であることを特徴とする、請求項１に記載のケーシング。
  6. 固定フレーム（１３０）が、基板（４０）を位置決めするためのフレームを形成することを特徴とする、請求項１に記載のケーシング。
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