JP2005045238A - 曲げ強化ベースプレートを備えたパワー半導体モジュール - Google Patents

曲げ強化ベースプレートを備えたパワー半導体モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】 提供されている厚さにおいてベースプレートの長手方向の曲げ剛性が向上されているパワー半導体モジュールを紹介する。
【解決手段】 基板（５０）がベースプレート（２０）上に配設されていて、更にベースプレート（２０）が補強構造物（２４）を有し、この補強構造物（２４）がベースプレート（２０）の長手方向に延在し、更にこの補強構造物（２４）がベースプレート材料自体から変形により形成されていて、ベースプレート（２０）により提供されている面から突出していること。
【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冷却体に対する熱連結のためのベースプレートを有する。この際、効果的な熱伝達を保証するためには、このベースプレートがパワー半導体モジュールの固定後にできるだけ完全な状態で冷却体と接触状態にあることが特に重要である。現代のパワー半導体モジュールではコンパクトな構造形態に特に価値が置かれ、それ故、基板の面部分がこの基板上に配設されているパワー半導体素子により特に高くなっているので、これらのパワー半導体モジュールは角領域にだけ冷却体との接続のための接続装置を有している。特に高出力のパワー半導体モジュールは、好ましくは、長手方向の大きさが横方向の大きさよりも遥かに大きいという構造形態を有する。基板がベースプレート側にて他の金属被覆を有することは有利である。この金属被覆を用い、基板はベースプレートと材料結合式で接続されている。従来技術においてこの接続部はロウ付けを用いて製造される。
比較的大きな長手方向の大きさを有するパワー半導体モジュールでは基板とベースプレートのロウ付け接続部がベースプレートの凹状の撓みを導くことになる。この際、凹状の撓みという表現は、ベースプレートの中央領域の撓みがパワー半導体モジュールの方向に行われるという撓みとして理解され、凸状の撓みという表現は、冷却体の方向への撓みとして理解される。パワー半導体モジュールと冷却体との間の効果的な熱伝達のためにはベースプレートの凸状の撓みが有利であり、その理由は、それによりベースプレートが冷却体上の固定後にこの冷却体上に平たく載置されるためである。凹状の撓みでは平たい載置は行われない。従って従来技術によるベースプレートは製造時に既に凸状の撓みをもって製造される。ベースプレートのこの所謂プリロードにも拘らず、基板のロウ付けは、ベースプレートが充分に剛性をもって実施されていない場合、ベースプレートの凹状の撓みを導いてしまう。充分な剛性は、従来技術では、対応的に厚く設計されたベースプレートにより達成される。
他方、パワー半導体モジュールの安価でコンパクトな製造は、できるだけ小さな厚さを有するベースプレートを要求する。従って従来技術において、特に横方向の大きさと比べて遥かに大きな長手方向の大きさを有するパワー半導体モジュールは、ベースプレートが厚いという短所か又はより薄いベースプレートの凹状の撓みという短所を有する。
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、提供されている厚さにおいてベースプレートの長手方向の曲げ剛性が向上されてい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、前記従来技術による、冷却体上に取り付けるベースプレートを備えた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。
本発明のパワー半導体モジュールは、長手方向に少なくとも１つの補強構造物を有するベースプレートを有する。この補強構造物は、ベースプレートの一部を変形することにより形成され、ベースプレート自体により定義されている面から、冷却体に対して平行に突出する。このベースプレート上には、１つの基板、好ましくは複数の個々の基板が配設されている。この際、従来技術ではロウ付け接続部として形成されている材料結合式の接続部が用いられる。
パワー半導体モジュールのこの構成において、提供されているベースプレートの厚さでこのベースプレートの剛性が長手方向で遥かに向上されていて、それによりベースプレートの製造時に生産される凸状の撓みが基板のロウ付け後にも提供されていることは有利である。
次に、図１〜図６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には従来技術による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。冷却体上に取り付けるためにベースプレート（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（５４）が備えられている。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（５３、図２）を有する。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。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。
図２〜図４には、従来技術によるパワー半導体モジュールの側面図（図２）、本発明に従うパワー半導体モジュールの側面図（図３、図４）が示されていて、各々、Ａ−Ａ線（図１参照）の断面に沿った側面図である。それらの側面図には、各々、フレーム状のケーシング（３０）を有するパワー半導体モジュール（１０）が描かれている。ベースプレート（２０）上には所謂ＤＣＢ（Direct Copper Bonding ダイレクト・カッパー・ボンディング）基板（５０）が配設されている。この基板は、例えば酸化アルミニウムセラミックス又は窒化アルミニウムセラミックスの絶縁材料ボディ（５２）を有し、この絶縁材料ボディには、そのベースプレート（２０）側に、平坦な銅層（５３）が設けられていて、そのベースプレート（２０）とは反対側に、構造化（パターン化）された銅層（５４）が設けられている。この銅層（５４）はパワー半導体モジュールの接続パスを表す。これらの接続パス（５４）上には、構成要素（５６）、一般的にはパワー半導体素子やセンサ機構構成部品が配設されている。回路に適した接続はワイヤボンディング接続部（４４）を用いて行われる。
更に各々のパワー半導体モジュールの補助ターミナル要素が描かれている。これらの補助ターミナル要素は、接触バネ（６０）と、導体プレート（プリント配線板、７１）上に配設されている導体パス（７２）と、ターミナルピン（７６）とにより構成される。導体プレートであってこの導体プレートの接触面（７８）上にてそれらの接触バネが終端するという導体プレート（７１）は、ここではカバー（７０）のインテグラル構成部材である。ここでカバー自体は、フレーム状に形成されていて、導体プレート（７１）をそのエッジのところで包囲し、導体プレート（７１）を完全に覆うことはない。
図２には、図１に従う従来技術によるパワー半導体モジュールのＡ−Ａ線に沿った断面が側面図として示されている。ベースプレート（２０）は平坦な銅プレートから成り、この銅プレートは、長手方向において、ほぼ１５ｃｍの長さでほぼ２ｍｍの凸状のプリロードを有する。
図３には、本発明に従うパワー半導体モジュールの断面が側面図として示されている。ここでベースプレート（２０）の長手側は、中断を伴うことなく、部分（２４ａ）を介し、穴（図１、２２）の間で、モジュール内部の方向、即ちベースプレート（２０）にて冷却体とは反対側の方向に各々ほぼ９０°で上方に向かって曲げられている。この補強構造物（２４）により、従来技術と比べて少なくとも２０％薄いベースプレートが使用され得て、同時に曲げ剛性の向上は６０％に及ぶ。凸状にプリロードされているベースプレートは、基板のロウ付け後にもこの凸状のプリロードを維持する。この際、このプリロードは従来技術におけるものと同様にほぼ２ｍｍである。
図４には、本発明に従うパワー半導体モジュールの他の構成の断面が側面図として示されている。ここでは、パワー半導体モジュール（１０）の長手側に沿った複数の部分で、長手方向に延在する型押し領域（２４）が配設されていることにより、ベースプレート（２０）の補強構造物（２４）が実現される。これらの型押し領域は、冷却体（８０）側にて、ベースプレート（２０）の材料、通常では銅が、局部的にモジュール内部の方向に押し込まれるように構成されている。それにより、ベースプレート（２０）にて冷却体（８０）とは反対側にはアーチング部が得られる。それにより型押しの領域において長手方向の補強が達成される。型押し領域（２４ｂ）は、好ましくは４：１よりも大きな長さ対幅の比率を有する。更に、個々の型押し領域が互いに２０％よりも大きく重なり合っていると有利である。ベースプレート（２０）は追加的に上記の凸状のプリロードを有する。当然のことであるが選択的に唯一の型押し部（２４ｂ）もベースプレート（２０）の全長に渡って長手方向に延在するように配設され得る。
図５には、本発明によるパワー半導体モジュールのベースプレートが３次元図として示されている。ここではベースプレート（２０、図３参照）が示されていて、この際、冷却体（８０）とパワー半導体モジュール（１０）の捩込み接続部のために決定されている穴（２２）の間に、各長手側において、切欠き（リセス、２６）をもたらすことにより部分（２４ａ）が自由に型抜きされる。この部分（２４ａ）は、ベースプレート自体により提供されている面から基板の方向に曲げられている。更に基板（２０）は上記のように凸状にプリロードされている。本発明に従うパワー半導体モジュールのべースプレート（２０）のこの構成は周知の型抜き・曲げ・技術で行われる。
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。 図１によるパワー半導体モジュールのＡ−Ａ線に沿った断面を側面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の断面を側面図として示す図である。 本発明によるパワー半導体モジュールの他の構成の断面を側面図として示す図である。 本発明によるパワー半導体モジュールのベースプレートを３次元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
２０ ベースプレート
２２ 穴
２４ 補強構造物
２４ａ 部分
２４ｂ 型押し領域
２６ 切欠き
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
４８ ワイヤボンディング接続部
５０ 基板
５２ 絶縁材料ボディ
５３ 金属被覆（銅層）
５４ 接続パス（銅層）
５６ パワー半導体素子
５８ センサ機構構成部品
６０ 接触バネ
７０ カバー
７１ 導体プレート（プリント配線板）
７２ 導体パス
７６ ターミナルピン
７８ 接触面
８０ 冷却体

Claims (9)

  1. 冷却体（８０）上に取り付ける金属性のベースプレート（２０）を備えた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１つの基板（５０）とを有し、この基板の方が、絶縁材料ボディ（５２）と、ベースプレート（２０）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、ベースプレート（２０）側の絶縁材料ボディ（５２）の第２主面上に設けられている金属性の少なくとも１つの層（５３）とを有する、前記パワー半導体モジュールにおいて、
    基板（５０）がベースプレート（２０）上に配設されていて、更にベースプレート（２０）が補強構造物（２４）を有し、この補強構造物（２４）がベースプレート（２０）の長手方向に延在し、更にこの補強構造物（２４）がベースプレート材料自体から変形により形成されていて、ベースプレート（２０）により提供されている面から突出していることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 補強構造物（２４）が、ベースプレート（２０）の長手側の部分（２４ａ）から成り、これらの部分（２４ａ）が、ベースプレート（２０）自体により提供されている面から基板（５０）の方向に曲げら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。
  3. 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（８０）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。
  4. ベースプレート（２０）が型抜き・曲げ・部材として実施されていて、更に補強のための部分（２４）が切欠き（２６）により解放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. ベースプレート（２０）が、基板（５０）の金属性の層（５３）と、平坦に実施されているロウ付け部を用いて材料結合式で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。
  6. 補強のための各々の部分（２４）がベースプレート（２０）の全長手側に渡って延在し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。
  7. 各側の部分（２４）が中断され且つ互いに重なり合って配設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。
  8. 補強のための各々の部分（２４）が、捩込み接続部のためのベースプレート（２０）の穴（２２）の間に配設されていてこれらの穴（２２）から離間されてい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。
  9. 部分（２４）がベースプレート（２０）に対して直角に冷却体（８０）とは反対側の方向に曲げられてい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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