JP2007096311A - 過電流防護装置を備えたパワー半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】大きすぎる電流に基づく破裂のようなパワー半導体モジュールの破壊を防止するために、パワー半導体モジュールの内部に配置されている防護装置を用い、パワー半導体モジュールを構成すること。
【解決手段】安全装置（６）が、第１ライン横断面に比べて小さい第２ライン横断面を有する第２接続要素（６０）から成り、２つの接続パス（５２）間、及び／又は接続パス（５２）と負荷端子要素（４２、４４、４６）との間に配置されていて、この第２接続要素（６０）が一区画内で破裂防護手段（６２）により覆われていること。
【選択図】図２

Description

本発明は、好ましくは冷却体上に取り付けるベースプレートを備えたハウジングと、このハウジング内に配置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（接続トラック）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複数のパワー半導体素子（パワー半導体構成品）とを備えている。更にこのパワー半導体モジュールは、外部負荷接触部及び外部補助接触部のための端子要素（ターミナル要素）と、パワー半導体モジュールの内部の接続部のための接続要素をも有する。
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。この特許文献１は、第１パワースイッチ及び第２パワースイッチを備えたハーフブリッジ回路装置の形式のパワー半導体モジュールを開示している。それらのパワースイッチの各々はパワートランジスタの並列回路として形成されていて、それらのパワートランジスタには対応するフリーホイーリングダイオードが各々に備えられている。この際、対応するパワーダイオードを備えたそれぞれの第１及び第２パワートランジスタは固有の基板上に配設されている。
従来技術として挙げられた前記の特許文献に従い、この種のパワー半導体モジュールの基板は絶縁基板として形成されていて、これらの基板は、支持マテリアルとしての及びベースプレート又は冷却体に対する電気絶縁のための絶縁材料ボディから成る。この絶縁材料ボディは従来技術によると、産業セラミック、例えば酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムから成る。この絶縁材料ボディにおいてパワー半導体モジュールの内部側のその第１主面上には、互いに電気絶縁されている金属性の複数の接続パスが設けられている。またこれらの接続パスの上には複数のパワー半導体素子が配設されている。
多くの場合、絶縁材料ボディはパワー半導体モジュールの内部とは反対側のその第２主面上に、第１主面上の接続パスと同じ素材及び同じ厚さの金属性の層を同様に有する。しかし通常においてこの層は、それ自体、構造化（パターン化）されてなく、その理由はこの層が例えばベースプレートに対するロウ付け接続部のために用いられるためである。接続パス並びに第２主面の金属性の層は好ましくはＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）法により塗布された銅から成り、この際、この銅は１ｍｍよりも小さい典型的な厚さを有する。
更に、従来技術による前記のパワー半導体モジュールは、両方の直流端子のため及び少なくとも１つの交流端子のための負荷端子要素を有する。これらの負荷端子要素は、外側の接触部を、基板上の対応する接続パスと接続させる。
従来技術によるパワー半導体モジュールは、内部絶縁のために、接続要素の上方に至るまで高誘電率の封止剤（シーリングコンパウンド）で封止されている。
現代のパワー半導体素子、特にパワートランジスタは、技術進歩の流れにより常に増加する電流密度を有する。パワー半導体素子と接続パスとの間の典型的な接続要素は、ボンディング接続部、ここでは特にワイヤボンディング接続部である。従来技術によると、パワー半導体モジュールの使用時の様々な故障状況がパワー半導体モジュール内の又はパワー半導体モジュールの配線内の適切なセンサによって検知され、コントロール電子装置により、例えばパワースイッチのオフのような対抗措置が開始される。しかしながら、それにより検知されない又は完全には検知されない故障状況も存在する。これらの場合には、パワー半導体モジュールの内部において、一時的に流れる過電流が発生し、この過電流はボンディングワイヤに過剰の負荷をかける。過電流は少なくとも１つのボンディングワイヤの溶解を導き、この際、存在するインダクタンスにより、電気アークの形式の電流の流れが維持されることになる。このことは、封止剤を有するパワー半導体モジュールにおいて、短い時間間隔で不足することになる封止剤の圧縮性、及びそれにより急速に増加することになる内部圧力に基づき、多くの場合、パワー半導体モジュールの破裂／爆発を導いてしまう。
ＤＥ１０３１６３５５Ｂ３
本発明の基礎を成す課題は、大きすぎる電流に基づく破裂のようなパワー半導体モジュールの破壊を防止するために、パワー半導体モジュールの内部に配置されている防護装置を用い、パワー半導体モジュールを更に構成することである。
パワー半導体モジュールの内部の大きすぎる電流に対する防護装置は、以下、簡単に安全装置と称するものとする。
前記の課題は、本発明に従い、請求項１の構成要件の措置により解決される。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。
本発明の思想は、好ましくは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する。このパワー半導体モジュールは少なくとも次の構成要素を有する：ハウジング、負荷端子及び補助端子用の端子要素、接続パスを備えた少なくとも１つの基板、及び少なくとも１つのパワー半導体素子。
負荷端子用の端子要素は、ハウジングから外へ通じ、ハウジング内部に配置されているパワー半導体素子の電気接続のために用いられる。ベースプレート又は冷却体に対して電気絶縁式で形成されている基板の方は、絶縁材料ボディ、好ましくは産業セラミックと、この上でベースプレート又は冷却体とは反対側のその第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とから成る。これらの接続パス上にはパワー半導体素子が配置され、第１ライン横断面（第１電線横断面）を有する第１接続要素を用い、回路に適して接続されている。これらの第１接続要素は、好ましくは、複数の個別のボンディングワイヤを有するボンディング接続部として構成されている。この種のボンディング接続部は、ボンディング接続部の全てのボンディングワイヤの横断面積の合計により形成される第１ライン横断面を有する。
パワー半導体モジュールはその内部において少なくとも１つの安全装置を有し、この際、この安全装置は、第１ライン横断面に比べて小さい第２ライン横断面を有する第２接続要素から成る。この安全装置は、２つの接続パス間、及び／又は接続パスと負荷端子要素との間に配置されている。更にこの第２接続要素は一区画内で完全に破裂防護手段により覆われている。この破裂防護手段は、破裂の間で終了する急速な圧力上昇を破裂防護手段内に導くことなく、電気アークの管理された形成を可能とする。
次に本発明の解決策を図１〜図３に基づいて更に説明する。
図１は、従来技術によるパワー半導体モジュール（１）の回路トポロジーを示している。ここでは、多くのパワーエレクトロニクス回路トポロジーの基本構成要素であるハーフブリッジ回路が描かれている。この際、上側の第１パワースイッチ（７０）は下側の第２パワースイッチ（７２）と直列に接続されている。第１パワースイッチ（７０）は直流中間回路の正端子（４２）と接続されている。第２パワースイッチ（７２）は直流中間回路の負端子（４６）と接続されている。回路の中央タップはハーフブリッジ回路の交流出力部（４４）を形成している。
パワースイッチ（７０、７２）は、少なくとも１つのパワートランジスタ（７０ａ、７２ａ）と、これに対して逆並列に接続されている少なくとも１つのパワーダイオード（７０ｂ、７２ｂ）とにより配置構成されている。
図２は、本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の回路トポロジーを示している。図示されている回路トポロジーは同様にハーフブリッジ回路である。ところが本発明の思想はどの別の回路トポロジーにも取入れ可能である。本発明に従い、この回路を基礎にするパワー半導体モジュール（１）は、少なくとも１つの安全装置、ここでは３つの安全装置（６ａ／ｂ／ｃ）が回路内に組み込まれていることにより構成されている。
この際、有利な形態は、中央タップと交流端子（４４）との間の安全装置（６ｂ）の配置構成である。
他の有利な形態は、各々の直流端子（４２、４６）とそれに対応するパワースイッチ（７０、７２）との間にそれぞれの安全装置（６ａ、６ｃ）を配置することである。
パワー半導体モジュール（１）の内部に３つの安全装置（６ａ／ｂ／ｃ）を配置することは、最も費用を要するが同時に本発明の最も安全な形態である。１つだけの安全装置（６ａ／ｂ／ｃ）の配置は、起こりうる全ての故障状況に対して防護を成さないが、費用と利用に関して有意義な妥協点を提供する。
図３は、本発明に従うパワー半導体モジュール（１）を示している。このパワー半導体モジュール（１）はベースプレート（２）を有し、ベースプレート（２）上にはハウジング（３）並びに基板（５）が配置されている。基板（５）は、絶縁材料ボディ（５４）と、両方の主面上に配置されている金属性の積層部とから成る。ベースプレート（２）側の金属性の積層部（５３）は平坦に形成され、構造化（パターン化）されていない。この積層部（５３）とベースプレート（２）との間のロウ付け接続部を用い、これらは互いに固定されている。それに対し、パワー半導体モジュール内部側の積層部はそれ自体が構造化されていて、従って基板（５）の接続パス（接続トラック、５２）を形成している。
端子要素（ターミナル要素）は、ここでは正極性の直流端子（４２）と、交流端子（４４）とが示されているが、金属成形体により形成され、これらの金属成形体はそれらの一方の端部においてロウ付け技術により、対応する接続パス（５２）と接続されていて、それらの他方の端部において捩込み接続のための穴を有している。
これらの接続パス（５２）上にはパワー半導体素子（７０、７２）が配置されていて、ここではパワーダイオード（７０ｂ）が図示されている。パワー端子（４２、４４）及び詳細には描かれていない補助端子が電気的な端子要素を形成している。接続パス（５２）と、図２による回路トポロジーに従うパワー半導体素子（７０、７２）、ここでパワーダイオード（７０ｂ）との回路に適した接続部は、ボンディング接続部（４０）として形成されている。このボンディング接続部（４０）は、例えばそれぞれ３００μｍの直径を有する１０本の個別のボンディングワイヤを有し、それにより、ほぼ０.７１ｍｍ２である、このパワー半導体素子に対する接続部の第１ライン横断面（第１電線横断面）が得られる。
更にパワー半導体モジュール（１）の本発明に従う安全装置（６）の２つの実施形態が描かれている。第１形態は、正端子の導体パス（５２）とパワーダイオード（７０ｂ）の導体パス（５２）との間のボンディング接続部（６０）を有し、そのパワーダイオード（７０ｂ）はその導体パス（５２）上にカソード側で配置されている。このボンディング接続部（６０）は、それぞれ３００μｍの直径を有する５本のボンディングワイヤを用いて形成されている。従って、第１ライン横断面を１００としたときの５０の値をとる第２ライン横断面が得られる。この第２ライン横断面が第１ライン横断面を１００としたときの４０と６０との間の値をとると特に有利である。明らかに少ないこの第２ライン横断面で十分であり、その理由は、一時的な電流の流れ、所謂衝撃電流の場合には、ライン横断面だけが決定値であるためである。それに比べ、パワー半導体素子に対するボンディング接続部の形態は、例えばパワー半導体素子上の電流配分のような他の値により決定される。それによりこれらの接続部は、典型的には、衝撃電流の負荷容量にとって必要であるよりも明らかに大きなライン横断面をもって形成されている。
この第２接続要素（６０）を形成するボンディングワイヤは、対応する導体パス（５２）とのそれらの各々の接触面を除き、破裂防護手段としてのシリコン酸化物（６２）により囲まれている。このシリコン酸化物（６２）は、有利には５０μｍと２ｍｍとの間の粒径（粒子サイズ）を有する。シリコン酸化物（６２）は、この際、純粋物質（６２ａ）として、又は１００のうち９０のシリコン酸化物の最低濃度を有する物質混合物（６２ｂ）として提供される。
シリコン酸化物（６２ｂ）に結合剤が付加されていると特に有利である。それによりシリコン酸化物（６２ｂ）のカバーが必ずしも必要ではなく、その理由は、シリコン酸化物が結合形状でボンディングワイヤ（６０）を包囲し、従ってパワー半導体モジュール（１）内のその位置で固定されているためである。
破裂防護手段（６２）を有するボンディングワイヤ（６０）は、フレーム状の装置（３２）により囲まれていて、この装置はハウジング部分として形成されていて、基板（５）上に接着接続部を用いて配置されている。従って破裂防護手段（６２）と、封止剤、好ましくはシリコンゴム（８０）との間の接触が防止されている。更にハウジング（３）はその上側において適切な孔（３０）を有し、この孔は、破裂防護手段（６２）をパワー半導体モジュールに充填するためのものである。
図示されている第２形態はフレーム状の境界装置（リミット装置、６４）を示し、この境界装置（６４）は好ましくはプラスチック材料から成り、接着技術を用いて基板（５）と接続されている。この境界装置（６４）の内部にはボンディング接続部（６０）並びに破裂防護手段（６２ａ）が配置されている。これが結合剤の付加を伴わない場合、破裂防護手段（６２ａ）を意図された位置に固定するために、例えばエポキシ樹脂である閉鎖手段（６６）が設けられている。
従来技術によるパワー半導体モジュールの回路トポロジー示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの回路トポロジーを示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの形態を示す図である。
符号の説明
１ パワー半導体モジュール
２ ベースプレート
３ ハウジング
３０ 孔
３２ フレーム状の装置
４０ ボンディング接続部
４２ 直流中間回路の正端子
４４ 交流出力部（交流端子）
４６ 直流中間回路の負端子
５ 基板
５２ 金属性の積層部（接続パス：導体パス）
５３ 金属性の積層部
５４ 絶縁材料ボディ
６ａ、６ｂ、６ｃ 安全装置
６０ ボンディング接続部
６２ シリコン酸化物
６４ フレーム状の境界装置
６６ 閉鎖手段
７０ 第１パワースイッチ
７０ａ パワートランジスタ
７０ｂ パワーダイオード
７２ 第２パワースイッチ
７２ａ パワートランジスタ
７２ｂ パワーダイオード
８０ 封止剤（シリコンゴム）

Claims (10)

  1. 少なくとも１つの安全装置（６）を備えたパワー半導体モジュールであって、このパワー半導体モジュール（１）が、ハウジング（３）と、外側に通じる負荷端子要素（４２、４４、４６）と、ハウジング（３）内に配置されている電気絶縁式の少なくとも１つの基板（５）とを少なくとも有し、この基板（５）が、絶縁材料ボディ（５４）と、パワー半導体モジュール（１）の内部側の第１主面上に設けられていて互いに電気絶縁されていて異なる極性を有する金属性の複数の接続パス（５２）と、これらの接続パス（５２）の１つの接続パス上に配置されている少なくとも１つのパワー半導体素子（７０、７２）とを有し、このパワー半導体素子（７０、７２）が、回路に適したこのパワー半導体素子（７０、７２）の接続部のために第１ライン横断面を有する第１接続要素（４０）を備えている、前記パワー半導体モジュールにおいて、安全装置（６）が、第１ライン横断面に比べて小さい第２ライン横断面を有する第２接続要素（６０）から成り、２つの接続パス（５２）間、及び／又は接続パス（５２）と負荷端子要素（４２、４４、４６）との間に配置されていて、この第２接続要素（６０）が一区画内で破裂防護手段（６２）により覆われていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 第１接続要素（４０）及び／又は第２接続要素（６０）が、同種の複数の個別のボンディングワイヤを有するそれぞれのボンディング接続部として形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 安全装置（６）の第２接続要素（６０）及び破裂防護手段（６２）が、フレーム状のハウジング部分（３２）により又はフレーム状の境界装置（６４）により包囲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。
  4. 安全装置（６）のフレーム状のハウジング部分（３２）又はフレーム状の境界装置（６４）が、基板（５）とは反対側で破裂防護手段（６２）の上側に閉鎖装置（６６）を有す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. 安全装置（６）のフレーム状のハウジング部分（３２）又はフレーム状の境界装置（６４）が、接着接続部を用いて基板（５）と接続されてい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。
  6. ハウジング（３）が、フレーム状のハウジング部分（３２）の領域に孔（３０）を有す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。
  7. 破裂防護手段（６２）が、５０μｍと２ｍｍとの間の粒径を有するシリコン酸化物から、１００に対する９０よりも多くの割合をもって構成され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. 破裂防護手段（６２）に結合剤が付加されていることを特徴とする、請求項７に記載のパワー半導体モジュール。
  9. 第２接続要素（６０）の第２ライン横断面が、第１接続要素（４０）の第１ライン横断面を１００としたときの４０と６０との間の値をと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。
  10. パワー半導体モジュール（１）がハーフブリッジ回路を形成し、安全装置（６ａ／ｂ／ｃ）が少なくとも１つの負荷端子（４２、４４、４６）とパワー半導体素子（７０、７２）との間に配置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。
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