JP2005045237A - 等級分け可能な構造技術によるパワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 容易に等級分け可能であり、それと共に多数の同じコンポーネントを有する出力の異なるパワー半導体モジュールが構成され得る、パワー半導体モジュールを紹介する。
【解決手段】 全ての基板（５０）が完全に同一に形成されていて、全ての基板（５０）が互いに電気伝導接続されていて、全ての基板（５０）上に同種且つ同数のパワー半導体素子（５６）が配設されていて、更に各基板（５０）が、センサ機構構成部品を配設するための少なくとも１つの他の導体パス（５４ｂ）を有し、少なくとも１つの基板（５０）上にセンサ機構構成部品（５８）が配設されていること。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ベースプレートを備えたケーシングと、このケーシング内に配設されている電気絶縁式の少なくとも１つの基板とを有するパワー半導体モジュールに関する。そ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には、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複数の接続パスと、これらの接続パス上に設けられていて回路に適してこれらの接続パスと接続されているパワー半導体素子とが備えられている。前記の基板は、好ましくは、その下面に前記の接続パスと比較することのできる平坦な金属性の層を有する。更にこの種のパワー半導体モジュールは負荷接触部及び補助接触部のためのターミナル要素を有する。

本発明の出発点であるパワー半導体モジュールは例えば特許文献１から知られている。この種のパワー半導体モジュールは、定義されている電圧クラス及びパワークラス（出力クラス）を有する。例えば６００Ｖ、１２００Ｖ、１７００Ｖの電圧クラスが知られている。同様に様々なパワークラスも知られている。従って、広い使用領域を網羅し得るために、これらのクラスには対応するパワー半導体モジュールが提供される。与えられた多様性において合理的な製造を保証し得るために、電圧クラス及びパワークラスにおいて異なるクラスのために同種のターミナル要素を有する同種の外形の半導体モジュールが提供される。これらの半導体モジュールは、各々のクラスに依存し、これらの半導体モジュール内に含まれているパワー半導体素子の数と種類、基板の形、並びに、例えば組み込まれているセンサ機構構成部品のような他の機能性により区別される。異なるパワークラスのために異なる数の基板を含んでいるパワー半導体モジュールは従来技術を形成するものである。これらの基板は例えば次のことにより互いに区別される。即ち、センサ機構構成部品のような他の機能性のための導体パスがそれらの基板上に配設されているか否か、センサ機構構成部品が基板上に配設されているか否か、内部接続部が外部ターミナルに対していかに配設されているか、又は、基板が内部で互いにいかに接続されているかによってである。それにより、異なるクラスのためのパワー半導体モジュールは、外側構造は類似するがそれらの内部構造において特徴がある。このことは自動生産にとって不利であり、その理由は、異なるパワークラスのためにも異なる電圧クラスのためにも異なる基板が使用されるためである。

独国特許出願公開第10316355号明細書

従って本発明の基礎を成す課題は、容易に等級分け（スケーリング）可能であり、それと共に多数の同じコンポーネントを有する出力の異なるパワー半導体モジュールが構成され得る、パワー半導体モジュールを紹介することである。

前記の課題は請求項１に記載したパワー半導体モジュールにより解決され、更なる特殊な構成は従属請求項にて示されている。

本発明の基本思想は、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フレーム状のケーシングを有し、このケーシングには、このケーシング内に配設されている電気絶縁式の少なくとも１つの基板が備えられている。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には、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複数の接続パスが備えられていて、更にこの基板は、好ましくは、絶縁材料ボディの第２主面上に配設されている平坦な金属性の層を有する。第１主面の接続パス上には、回路に適してこれらの接続パスと接続されて複数のパワー半導体素子が配設されている。更にこのパワー半導体モジュールは負荷接触部及び補助接触部のための外部へと通じるターミナル要素を有する。

本発明によるパワー半導体モジュールは、パワークラスに応じ、複数の同一の基板を有し、これらの基板ではパワー半導体素子の配置構成が同じである。更に各基板は、少なくとも１つのセンサ機構構成部品を配設するための他の導体パスを有し、この際、少なくとも１つの基板上にセンサ機構構成部品が配設されている。

パワー半導体モジュールのこの形態において、完全に同一の基板、及び、パワー半導体素子の装備により、モジュールを合理的に製造できることは有利であり、その理由は、異なるパワークラスにとって、パワー半導体モジュール内に配設される基板の数だけを変更すればよいためである。センサ機構構成部品のような追加的な機能性も容易に組込可能であり、その理由は、そのために必要な導体パスが各基板上に同様に設けられているためである。従って、パワー半導体モジュール内部には装備における違いだけが存在し、基板の種類又は形状に違いは存在しない。従って、負荷ターミナル及び補助ターミナルを内部接続及び外部接続する接続要素のためのターミナル面は、同様に全ての基板上において同一である。

次に、図１〜図４に関連する実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。

図１には従来技術に従うパワー半導体モジュールが俯瞰図として示されている。ここでは冷却体（ヒートシンク）上に取り付けるベースプレート（２０）を有するパワー半導体モジュール（１０）が描かれている。例えば捩込み接続により冷却体上に取り付けるためにこのベースプレート（２０）はその角の領域にて各々穴（２２）を有する。更にこのモジュールはフレーム状のケーシング（３０）並びに電気絶縁式の２つの基板（５０）を有する。各々の基板の方は絶縁材料ボディ（５２）を有し、この絶縁材料ボディには、ベースプレート（２０）とは反対側のその第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複数の接続パス（導体パス、５４）が備えられている。この基板（５０）は、ベースプレート（２０）側の絶縁材料ボディ（５２）の第２主面上に第１主面の接続パス（５４）と同種の平坦な金属被覆を有する。基板（５０）のこの金属性の層とベースプレート（２０）との材料結合式の接続部は、例えば、平坦に実施されているロウ付け部から成る。接続パス（５４）上には、ワイヤボンディング接続部（４８）を用いて回路に適してこれらの接続パスと接続され、パワー半導体素子（５６）並びにセンサ機構構成部品（５８）が配設されている。電気接触のために部分モジュール（１０）は負荷ターミナルのための接続要素であるターミナル要素（４０、４２、４４）を有する。この際、ターミナル要素（４２、４４）は直流ターミナルであり、交流ターミナル要素（４０）は２つで実施されている。

基板（５０）の接続パス（５４）は、直接的に又はロウ付けブリッジ（４６）を用い、部分的に互いに並びにターミナル要素（４０）と互いに接続されている。センサ機構構成部品（５８）のために並びに従来技術によるその外部接触のために基板の１つは他の導体パス（５４ａ）を有する。従って、パワー半導体モジュール内部に配設されている双方の導体パスは、それらの異なる機能性が原因で異なる形を有している。

図２〜図４には、各々、本発明に従うパワー半導体モジュール（１０）が俯瞰図として示されている。このパワー半導体モジュールは、図１に描かれている従来技術のものに対し、全ての基板（５０）が、パワークラスにより等級分け（スケーリング）が成される基板の数に依存せず、各々、完全に同一に形成されていることにより区別される。この際、絶縁材料ボディ（５２）の大きさと種類並びに全ての接続パス（５４）の配置構成と種類は同一である。

更に全ての基板は、各々、同数及び同種のパワー半導体素子（５６）を有する。唯一の違いは、各々の基板における他の構成要素の装備、ここではセンサ機構構成部品（５８）の装備にある。

図２には、２つの基板（５０）を有するパワー半導体モジュール（１０）が示されている。双方の基板（５０）は、センサ機構構成部品（５８）のような他の機能性のための他の接続パス（導体パス、５４ｂ）をも含め、同数且つ同形の接続パス（５４）を有する。

図３には、図２におけるものと比べ５０％高い出力性能を有するパワー半導体モジュール（１０）が示されている。図２のものと図１のものとは、パワー半導体モジュール（１０）自体の長さと、このパワー半導体モジュール（１０）内に配設されている基板（１０）の数とにおいてのみ区別される。更にこの際、１つの基板（５０）が他の導体パス（５４ｂ）上にセンサ機構構成部品（５８）を有している。他の２つの基板（５０）はもちろん導体パス（５４ｂ）を有するが、これらの導体パスにはここでは構成部品が装備されていない。

図４には、図２におけるものと比べ２倍の出力性能を有するパワー半導体モジュール（１０）が示されている。外部ターミナル（４０、４２、４４）の形が同じであり、ロウ付けコネクタ（４６）による基板（５０）の内部接続部の形が同じであり、ここでも、等級分けは、モジュールのより大きな長さを介し並びに他の同一の基板（５０）の配置構成によってのみ行われる。この際、２つの基板（５０）には他の導体パス（５４ｂ）上にセンサ機構構成部品（５８）が装備されていて、それに対し、他の２つの基板（５０）は同様に他の導体パス（５４ｂ）を有するが、その上に構成部品は配設されていない。

従来技術によるパワー半導体モジュールを俯瞰図として示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールを俯瞰図として示す図である。 異なるパワークラスの本発明に従う他のパワー半導体モジュールを俯瞰図として示す図である。 異なるパワークラスの本発明に従う他のパワー半導体モジュールを俯瞰図として示す図である。

符号の説明

１０ パワー半導体モジュール（部分モジュール）
２０ ベースプレート
２２ 穴
３０ ケーシング
４０、４２、４４ ターミナル要素
４６ ロウ付けブリッジ（ロウ付けコネクタ）
４８ ワイヤボンディング接続部
５０ 基板
５２ 絶縁材料ボディ
５４ 接続パス（導体パス）
５４ａ 導体パス
５４ｂ 接続パス（導体パス）
５６ パワー半導体素子
５８ センサ機構構成部品

Claims (5)

1. ベースプレート（２０）を備えた又は冷却体上に直接的に取り付ける、等級分け可能な構造技術によるパワー半導体モジュール（１０）であって、このパワー半導体モジュールが、フレーム状のケーシング（３０）と、カバー（７０）と、負荷接触部（４０、４２、４４）及び補助接触部のための外部へと通じるターミナル要素と、ケーシング（３０）内部に配設されている電気絶縁式の少なくとも２つの基板（５０）とを有し、それらの基板の方が、各々、絶縁材料ボディ（５２）と、ベースプレート（２０）又は冷却体とは反対側の絶縁材料ボディ（５２）の第１主面上に設けられていて互いに電気絶縁されている金属性の複数の接続パス（５４）と、これらの接続パス（５４）上に設けられていて回路に適してこれらの接続パス（５４）と接続されているパワー半導体素子（５６）とを有する、前記パワー半導体モジュールにおいて、
   全ての基板（５０）が完全に同一に形成されていて、全ての基板（５０）が互いに電気伝導接続されていて、全ての基板（５０）上に同種且つ同数のパワー半導体素子（５６）が配設されていて、更に各基板（５０）が、センサ機構構成部品を配設するための少なくとも１つの他の導体パス（５４ｂ）を有し、少なくとも１つの基板（５０）上にセンサ機構構成部品（５８）が配設されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. ベースプレート（２０）が、当該パワー半導体モジュールを冷却体と捩込み接続するための複数の穴（２２）を有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。
3. 基板（５０）の絶縁材料ボディ（５２）が、ベースプレート（２０）側又は冷却体側のその第２主面上に第１主面の接続パス（５４）と同種の平坦な金属被覆（５３）を有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。
4. 基板（５０）の金属性の層とベースプレート（２０）の材料結合式の接続部が、平坦に実施されているロウ付け部から成ることを特徴とする、請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
5. 同種の基板（５０）が互いにロウ付けブリッジ（４６）を用いて接続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。