JP2004253798A - パワー半導体モジュールの押付接触装置 - Google Patents

パワー半導体モジュールの押付接触装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 ケーシングの外に配設されている導体プレートと接続パスをリバーシブルに電気接続させるための少なくとも部分的に弾性的に構成されているコネクティング導体と、このコネクティング導体と導体プレートを押付接触させるための少なくとも１つの形状安定性押付部材とを有するパワー半導体モジュール用の装置を紹介することであり、この際、前記押付部材は導体プレート上に構成要素或いは素子を位置付けること並びにその冷却を可能とさせるものである。
【解決手段】 押付部材５０が、導体プレート４０側のその主面５１２に、この主面を導体プレート４０から離間させる多数の押付要素５２０、５３０を有すること。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コンパクトなパワー半導体モジュール用の押付接触装置に関する。
本発明の出発点であり、高出力を有するこの種のパワー半導体モジュールにおいて構成サイズに関する現代構成は、特許文献１又は特許文献２から知られている。
特許文献１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を開示し、このパワー半導体モジュールはケーシングと電気絶縁式の基板とを有し、この基板の方は絶縁材料ボディを有し、この絶縁材料ボディは、この絶縁材料ボディ上に設けられていて互いに絶縁されている金属性の多数の接続パスと、この絶縁材料ボディ上に設けられていて回路に適してそれらの接続パスと接続されている多数のパワー半導体構成要素（パワー半導体素子）とを備えている。ケーシングの外に配設されている導体プレートに対する外部電気接続は、少なくとも部分的に弾性的に構成されているコネクティング導体を用いて行われる。
更にこのパワー半導体モジュールは、捩込接続部を通過させるために中央に配設されている孔を有する。この捩込接続部は、導体プレートにてパワー半導体モジュールの反対側に配設されていてこの導体プレート上に面を介して載置する形状安定性押付部材と共に、モジュールの押付接触のために用いられる。この押付接触は同時に２つの役割を満たす：一方では、導体プレートとコネクティング要素の確実な電気接触部であり、他方では、冷却体とモジュールの熱接触部であり、この際、両方の接触部はリバーシブルである。
説明した従来技術によるそれらのパワー半導体モジュールにおける短所は、周知の押付部材が、例えば、抵抗、コンデンサ、又は集積回路のような他の構成要素の配設を、導体プレートにてこの押付部材により覆われる部分上において許さないということである。
更に例えば特許文献２から、パワー半導体モジュールから導体プレートへのコネクティング要素がロウ付けピンとして実施されているパワー半導体モジュールが知られている。これらのロウ付けピンは、制御コネクティング要素として並びに負荷コネクティング要素として、パワーモジュール内部のパワー半導体構成要素（パワー半導体素子）を、導体プレート上に配設されている導線と電気接続させるために用いられる。従って、このパワー半導体モジュールは、導体プレートと、直接的にか又は特許文献２で開示されているようにアダプタボードを用いて接続され得る。パワー半導体モジュールと冷却体との間の熱接触は、捩込接続部を用いた電気接触に依存せずに確立される。
この種のパワー半導体モジュールの構成における短所として、異なる２つの接続技術（捩込接続部及びロウ付け接続部であり、これらは複数の作業ステップにより実施されなくてはならない）が、モジュールを上位のシステム内に組み込むために必要不可欠であるということが挙げられる。この際、特に短所であることとして、ロウ付け接続部の接触確実性が寿命に渡って提供されていないこと、及び、ロウ付け接続部がパワー半導体モジュールの交換を多大の手間と費用を伴わずには可能としないということが挙げられる。
ドイツ特許発明第19630173号明細書 ドイツ特許発明第19924993号明細書
本発明が解決しようとする課題は、ケーシングの外に配設されている導体プレートと接続パスをリバーシブルに電気接続させるための少なくとも部分的に弾性的に構成されているコネクティング導体と、このコネクティング導体と導体プレートを押付接触させるための少なくとも１つの形状安定性押付部材とを有するパワー半導体モジュール用の装置を紹介することであり、この際、前記の押付部材は、導体プレート上に構成要素（素子）を同時に位置付けること並びにその冷却を可能とさせるものである。
前記の課題は請求項１に記載した装置により解決される。特殊な構成は従属請求項に記載されている。
本発明の基本思想は、前記の従来技術による、ベースプレートを備えた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から出発し、このパワー半導体モジュールはケーシングを有し、このケーシングは、このケーシング内に配設されている少なくとも１つの電気絶縁式の基板を有する。この基板の方は絶縁材料ボディを有し、この絶縁材料ボディは、その第１主面上に設けられていて互いに絶縁されている金属性の多数の接続パスと、好ましくはその第２主面上に配設されている金属性の平らな層とを備えている。その第１主面の接続パス上には多数のパワー半導体構成要素（パワー半導体素子）が配設されていて、これらのパワー半導体構成要素は、回路に適してそれらの接続パスと接続されている。
このパワー半導体モジュールは、負荷コネクティング用のコネクティング要素としても制御コネクティング用のコネクティング要素としても、少なくとも部分的に弾性的に構成されているコネクティング導体を有する。これらのコネクティング導体は、接続パスと、ケーシングの外に配設されている導体プレート及びこの導体プレート上に配設されている外部接続パスとの電気接続部を確立する。コネクティング導体と導体プレートの外部接続パスとの間の確実な電気接触は、押付接触のための装置を用いて達成される。この装置の圧力導入、即ち押付力の導入は、ベースプレート又は冷却体と接続される少なくとも１つの形状安定性押付部材を用いて行われ、この際、この接続部は好ましくは捩込接続部を用いて確立される。従って、押付部材、導体プレート、パワー半導体モジュール、ベースプレート又は冷却体から構成される構造体が得られる。
本発明による押付部材の構成は、導体プレート側のその第２主面に、個別に又は互いに接続されている多数の押付要素を有する。これらの押付要素は、押付部材の第２主面を導体プレートから次のように離間させる。即ち、導体プレートにて押付部材側の第１主面上に、例えば、抵抗、コンデンサ、及び／又は集積回路のような構成要素が配設され得るようにである。
押付要素は好ましくは次のように配設されている。即ち、これらの押付要素が、導体プレートに対し、コネクティング導体の接触箇所が反対側の主面上に配設されている箇所で又はその箇所の近くに隣接して圧力をかけるようにである。
従って、パワー半導体モジュールの本発明による構成において、押付部材によって突出された導体プレートの領域に構成要素（素子）が配設され得て、それにより、この導体プレートの全ての面需要は、より良い利用に基づき、従来技術による装置よりも小さい。
押付部材は好ましくは次のように形成される。即ち、この押付部材が、その両方の主面を接続する孔を有し、押付要素が、押付部材の少なくとも１つの縁部からこの孔へ対流の流れが可能であるように配設されているようにである。このことは有利であり、その理由は、それにより導体プレートと押付部材との間に配設されている構成要素（素子）が効果的に冷却されるためである。
次に、図１〜３に関連する実施形態に基づき、本発明を詳細に説明する。
図１には、本発明に従う押付部材を備えたパワー半導体モジュールが３次元図として示されている。このパワー半導体モジュール或いはそのケーシング（１０）は、プリント回路基板である導体プレート（４０）の下側に配設されている。導体プレート（４０）にてケーシング側の第２主面は、第１主面（４１０、図２参照）と同様に外部接続パス（４３０）を支持し、これらの外部接続パス（４３０）は、負荷電流コネクティングパス（４３２）及び／又は補助或いは制御コネクティングパス（４３４）として実施されている。これらのコネクティングパスの多数は、導体プレート（４０）の接触面及び／又は押付接触部を用いてパワー半導体モジュールのコネクティング導体に接触する。
導体プレート（４０）の第１主面上には、電気絶縁式の形状安定性プラスチックから成る押付部材（５０）が配設されていて、この押付部材は、捩込接続部（６０）を用い、導体プレートの孔、ケーシングの孔、並びに基板の孔を介して冷却体と接続されている。この接続部を用いることにより、導体プレートとコネクティング導体との間の電気接続の押付接触、並びに、基板と冷却体との間の熱接触の押付接触が確立される。押付部材は、導体プレート側のその第２主面をこの導体プレートから離間させるために、細条片としてのバー状の押付要素（５３０）を有し、これらの押付要素は、ここではそれらの接続によりフレームを形成する。従って、導体プレートの第１主面と押付部材の第２主面との間に例えばコンデンサのような構成要素（素子）を配設することが可能である。これらの構成要素を冷却するために、バー状の押付要素（５３０）は孔（５３２）を有する。これらの孔を通じ、冷却空気が押付部材の下側に到達する。押付部材の両方の主面（５１０、５１２）を接続する孔（５４０）は、前記の孔（５３２）からこれらの孔（５４０）への対流の流れにより冷却効果を改善する。
図２には、非図示の冷却体上並びに本発明による押付部材（５０）に直接的に取り付けるパワー半導体モジュールの断面図が示されている。このパワー半導体モジュールはケーシング（１０）を有し、このケーシングは、このケーシング内に配設されている電気絶縁式の基板（２０）、好ましくは従来技術によるＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）基板を備えている。この基板（２０）の方はセラミック製の絶縁材料ボディ（２１０）を有し、この絶縁材料ボディは、その第１主面上に設けられていて互いに絶縁されている金属性の多数の接続パス（２２０）と、その第２主面上に配設されている金属性の平らな層（２３０）を備えている。第１主面の接続パス（２２０）上には多数のパワー半導体構成要素（パワー半導体素子、２５０）が配設されていて、これらのパワー半導体構成要素は、ワイヤボンディング接続部（２５２）を用い、回路に適してそれらの接続パスと接続されている。
このパワー半導体モジュールは、負荷コネクティング用のコネクティング要素としても制御コネクティング用のコネクティング要素としても、少なくとも部分的に弾性的に構成されているコネクティング導体（３０）を有する。これらのコネクティング導体はケーシング（１０）内部でガイド（１１０）内に配設されている。コネクティング導体（３０）は、接続パス（２２０）と、ケーシング（１０）の外に配設されている導体プレート（４０）及びこの導体プレート上に配設されている外部接続パスとの電気接続部を確立する。コネクティング導体（３０）と導体プレート（４０）の外部接続パスとの間の確実な電気接触は、各々、押付接触装置を用いて達成される。この装置の圧力導入、即ち押付力の導入は、基板の下側に配設されている非図示の冷却体と接続される形状安定性押付部材（５０）を用いて行われる。この接続部は捩込接続部として形成されていて、この際、ケーシング（１０）はこの捩込接続部のためのガイド（１２０）を有する。
押付部材（５０）は、導体プレート（４０）の外部接続パス（４３０、図１参照）とコネクティング導体（３０）との間、並びに、コネクティング導体（３０）と基板（２０）の接続パス（２２０）との間の電気接続部を押付接触させるため、並びに、基板（２０）を冷却体と熱接触させるために用いられる。このために押付部材（５０）は、導体プレート側のその第２主面（５１２）に、個別に及び／又は互いに接続されている多数の押付要素（５２０、５３０）を有する。これらの押付要素は、例えばバー（５３０）又はフィンガー（５２０）として形成され得る。これらの押付要素（５２０、５３０）を用い、押付部材（５０）の第２主面（５１２）は導体プレート（４０）の第１主面（４１０）から次のように離間されている。即ち、導体プレート（４０）にて押付部材（５０）側の第１主面（４１０）上に、抵抗、コンデンサ、及び／又は集積回路のような構成要素（４５０）が配設され得るようにである。
押付要素（５２０、５３０）自体は次のように配設されている。即ち、これらの押付要素が、一方では、導体プレート（４０）に対し、コネクティング導体（３０）の接触箇所が反対側の第２主面（４１２）上に配設されている箇所で又はその箇所の近くに隣接して圧力をかけるように、他方では、導体プレート（４０）を介してケーシング（１０）の縁部上に圧力をかけるフレームを形成するようにである。更に、押付部材（５０）は、この押付部材（５０）と冷却体との間の捩込接続部（６０）を電気絶縁式で受け入れるためのスリーブ（５５０）を有する。
押付部材（５０）は、電気絶縁式の形状安定性プレスチックとメタルコア（５８０）から成る結合体で構成されていて、この際、メタルコアはプラスチック内に射出成形により形成されていて、それによりプラスチックにより包囲され、又は穴内に嵌め込まれ得る。従って、押付部材（５０）の両方の主面（５１０、５１２）間の厚さが同時に僅かである場合の安定性が保証される。選択的に又は追加的に第１主面（５１０）上にはバー状の補強構造部が配設され得る。
図３には、本発明による押付部材（５０）の他の構成が、第２主面（５１２）を見る形式で３次元図として示されている。押付部材（５０）は、その第２主面（５１２）上にフィンガー状の多数の押付要素（５２０）を有する。それと同様に配設されているバー状の押付要素（５３０）は、互いに接続されていて、その配置構成により押付部材の縁部を形成する。これらバー状の押付要素（５３０）は更に孔（５３２）を有し、これらの孔は、押付部材（５０）の第１主面（５１２）の下側の領域に配設されている構成要素（素子）のための冷却空気開口部として機能する。
更にこの押付部材（５０）は、捩込接続部を受け入れるための２つのスリーブ（５５０）を有する。多数のこの種の捩込接続部は、電気接触部のためにも熱接触部のためにも確実な圧力導入を保証するために、パワー半導体モジュールの横向きの伸張が所定の伸張以降の場合に有意義である。
本発明による押付部材を備えたパワー半導体モジュールの３次元図を示す図である。 本発明による押付部材を備えたパワー半導体モジュールの断面図示す図である。 本発明による押付部材の他の構成を３次元図として示す図である。
符号の説明
１０ ケーシング
１２０ ガイド
２０ 基板
３０ コネクティング導体
２１０ 絶縁材料ボディ
２２０ 接続パス
２３０ 金属層
２５０ パワー半導体構成要素（パワー半導体素子）
２５２ ワイヤボンディング接続部
４０ 導体プレート
４１０ 第１主面
４３０ 外部接続パス
４３２ 負荷電流コネクティングパス
４３４ 補助或いは制御コネクティングパス
４５０ 構成要素（素子）
５０ 押付部材（圧力部材）
５１０ 第１主面
５１２ 第２主面
５２０ 押付要素（圧力要素）
５３０ 押付要素（圧力要素）
５３２ 孔
５４０ 孔
５５０ スリーブ
５８０ メタルコア
６０ 捩込接続部

Claims (8)

  1. ベースプレートを備えた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押付接触装置であって、ケーシング（１０）と、少なくとも１つの電気絶縁式の基板（２０）とを有し、この基板の方は絶縁材料ボディ（２１０）を有し、この絶縁材料ボディが、この絶縁材料ボディ上に設けられていて互いに絶縁されている金属性の多数の接続パス（２２０）と、この絶縁材料ボディ上に設けられていて回路に適してそれらの接続パスと接続されている多数のパワー半導体構成要素（２５０）とを備えていて、更には、ケーシング（１０）の外に配設されている導体プレート（４０）と接続パス（２２０）を電気接続させるための少なくとも部分的に弾性的に構成されているコネクティング導体（３０）と、このコネクティング導体（３０）と導体プレート（４０）を押付接触させるための少なくとも１つの形状安定性押付部材（５０）とを有する前記装置において、
    押付部材（５０）が、導体プレート（４０）側のその主面（５１２）に、この主面を導体プレート（４０）から離間させる多数の押付要素（５２０、５３０）を有することを特徴とする装置。
  2. 押付部材（５０）が、その両方の主面（５１０、５１２）を接続する少なくとも１つの孔（５４０）を有し、押付要素（５２０、５３０）が、押付部材（５０）の少なくとも１つの縁部からこの孔（５４０）へ対流の流れが可能であるように配設されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 押付部材（５０）が、捩込接続部（６０）を受け入れるための電気絶縁された少なくとも１つのスリーブ（５５０）を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  4. 押付部材（５０）が、電気絶縁式の形状安定性プラスチックから成ることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  5. 押付部材（５０）が、電気絶縁式のプレスチックとメタルコア（５８０）から成る結合体で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  6. 押付要素（５２０、５３０）が、バーとして、又は、フィンガーとして、又は、バー及びフィンガーとして形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  7. 押付要素の少なくとも２つのバー（５３０）が結びついて形成されていて、少なくとも部分的にフレームを形成することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
  8. バー（５３０）が、通過流のための孔（５３２）を有することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
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