JP2007116172A - パワー半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】効果的な電流の供給と電流の流出が達成され、簡単で且つ経済的な製造プロセスを可能とする、複数のパワー半導体素子を備えたパワー半導体モジュールを紹介する。
【解決手段】 少なくとも１つの第１パワー半導体素子（７０ａ）がその第１主面を用いて基板（５）の方を向いてこの基板（５）上に配置され、負荷電位及び制御電位を有するそれぞれの導体パス（５４、５６ａ）と回路に適して接続されていて、少なくとも１つの第２パワー半導体素子（７０ｂ）がその第２主面を用いて基板（５）の方を向いてこの基板（５）上に配置され、負荷電位を有する導体パス（５４）と回路に適して接続されていて、更に、少なくとも１つの負荷端子要素（４４、４６）が、パワー半導体素子（７０ａ／ｂ）において基板（５）とは反対側の負荷端子面上に配置され、電導接続されていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御可能なパワー半導体素子（パワー半導体構成品）を備えたパワー半導体モジュールに関する。
例えば特許文献１及び特許文献２から知られているようなパワー半導体モジュールが本発明の出発点である。この種のパワー半導体モジュールは、従来技術により、ハウジングと、このハウジング内に配置されていて好ましくは冷却構成部品上に直接的に取り付ける電気絶縁式の少なくとも１つの基板とを有する。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、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とを備えている。更に周知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用の端子要素（ターミナル要素）と、内部に配置されている接続要素とを有する。パワー半導体モジュールの内部における回路に適した接続部用のこれらの接続要素は、多くの場合、ワイヤボンディング接続部として形成されている。
制御可能なパワー半導体素子は、従来技術に従い、バイポーラのパワー半導体素子ではコレクタの負荷端子面として形成されているその第２主面を用い、基板における割り当てられた導体パス（導体トラック）上にロウ付けされ、それと電導接続されている。ここでパワー半導体素子の第１主面は２つの接触面を有し、この際、１つは制御端子（ゲート端子）として、１つはエミッタの負荷端子面として形成されている。制御接触面もエミッタ接触面も、ワイヤボンディング接続部を用い、回路に適して他のパワー半導体素子又は他の接触面と電導接続されている。
特に単位面積あたり高い電流容量を有するパワー半導体素子用のワイヤボンディング接続部において、ボンディング接続部の必須の電流容量を達成するために単位面積が多数のボンディングワイヤを有し且つ各ボンディングワイヤが複数のボンディングフットを有する必要があることは短所である。更にボンディング接続部において、電気接続が互いに離間されている複数のボンディングフットを介して確立され、それによりパワー半導体素子の接触面に対する電流入力が均一に行なわれないことは短所である。
同様に特許文献１又は特許文献３から知られているように押圧力接触式（プレッシャコンタクト式）のパワー半導体モジュールが知られている。特許文献１では、電気絶縁式であるが熱伝導する効果的な接触を確立するため且つ稼動時に発生する熱を有効に排出するために、押圧力を導入するものである構造体の様々な要素を用い、基板が冷却構成部品に対して押し付けられる。この際、押圧力の導入は、素子が装備されていなく別個にフリーとされている基板の領域に対して行なわれる。ここで、パワー半導体素子及び接続要素のために使用可能とされる基板の面が、圧力を導入する要素により制限されることは短所である。更に、最善の熱連結が、熱源の領域、即ち各々のパワー半導体素子の領域でなく、隣接する領域で達成されることは短所である。
パワー半導体モジュールの前記の全ての形態において、基板は、異なる電位を有する導体パス、典型的には両方の直流電位及び交流電位を有する。更に、例えば制御電位である補助電位を有する導体パスが基板上に配置されている。
例えば特許文献３からは、直接的にパワー半導体素子に対する押圧力装置が知られていて、この際、ベースプレートと圧力を導入する要素との間にはそれぞれ１つのパワー半導体素子が配置されている。目下、押圧力が直接的にパワー半導体素子上に導入されるこの種の押圧力接触式の構造体は、実際には多くの場合でパワーダイオード及びパワーサイリスタのために知られている。この種の構造体の短所は、押圧力が選択的に各パワー半導体素子に対して別々に導入されることである。
ＤＥ４２３７６３２Ａ１ ＤＥ１９７１９７０３Ａ１ ＤＥ１０３６０５７３Ａ１
本発明の基礎を成す課題は、効果的な電流の供給と電流の流出が達成され、簡単で且つ経済的な製造プロセスを可能とする、複数のパワー半導体素子を備えた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、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、少なくとも１つの基板と、少なくとも２つの制御可能なパワー半導体素子（例えばバイポーラトランジスタ）と、ハウジングと、外方に通じる負荷端子要素及び制御端子要素とを備えた、冷却構成部品上に配置するためのパワー半導体モジュールに関している。基板自体は絶縁材料ボディを有し、パワー半導体モジュールの内部側のその第１主面上に、負荷電位を有する少なくとも１つの導体パスを有する。更にこの基板は、制御電位を有する少なくとも１つの導体パスを有する。制御可能なパワー半導体素子は、第１負荷端子面、例えばエミッタ端子、及び制御端子面を備えた第１主面を有し、また第２負荷端子面、例えばコレクタ端子を備えた第２主面を有する。
本発明に従うパワー半導体モジュールは少なくとも１つの第１パワー半導体素子を有し、この第１パワー半導体素子はその第１主面を用いて基板の方を向いてこの基板上に配置され、負荷電位及び制御電位を有するそれぞれの導体パスと回路に適して接続されている。更にこのパワー半導体モジュールは少なくとも１つの第２パワー半導体素子を有し、この第２パワー半導体素子はその第２主面を用いて基板の方を向いてこの基板上に配置され、負荷電位を有する導体パスと回路に適して接続されている。本発明に従うパワー半導体モジュールの少なくとも１つの負荷端子要素は、パワー半導体素子の負荷端子面上に配置され、これと電導接続されている。
次に本発明の解決策を図１及び図２の実施例に基づいて更に説明する。
図１は、本発明に従うパワー半導体モジュール（１）のＡ-Ａ線（図２参照）に沿った断面を示している。パワー半導体モジュール（１）はハウジング（３）を有し、ハウジング（３）は、フレーム状のハウジング部分（３２）と、このフレーム状のハウジング部分（３２）とスナップ・ロック・接続するためのロックノーズ（３６）を備えたカバー（３４）とを有している。この際、フレーム状のハウジング部分（３２）は基板（５）を包囲している。基板（５）の方は、好ましくは酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムのような絶縁セラミックスである絶縁材料ボディ（５２）を有する。基板（５）は、パワー半導体モジュール（１）の内部側の第１主面上に、それ自体が構造化（パターン化）されている銅積層部を有する。この銅積層部の個々の部分はパワー半導体モジュール（１）の導体パス（導電トラック、５４、５６ａ／ｂ）を形成している。基板（５）の第２主面は、従来技術に従い、構造化されていない銅積層部（５８）を有する。
これらの導体パス（５４）上には、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のような制御可能なパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）が本発明に従って配置されている。これらのパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）はそれらの電気端子のために３つの接触面を有する。第１接触面はＩＧＢＴのエミッタ端子（７２）に割り当てられ、第２接触面はＩＧＢＴの制御端子（ゲート端子、７４）に割り当てられ、第３接触面はコレクタ端子（７６）に割り当てられている。コレクタ端子（７６）はＩＧＢＴ（７０ａ／ｂ）の第２主面上に配置されていて、エミッタ端子（７２）及び制御端子（７４）はＩＧＢＴ（７０ａ／ｂ）の第１主面上に配置されていて、この際、この制御端子の位置としてはＩＧＢＴの角領域が有利である。
パワー半導体モジュール（１）は第１パワー半導体素子（７０ａ）を有し、これらの各々の第１主面は基板（５）の方を向いてこの基板（５）上に配置されている。この際、エミッタ接触面（７２）は、これに割り当てられていて負荷電位を導いている導体パス（５４）と電導接続されている。制御接触面（７４）は、これに割り当てられていて補助（制御）電位を導いている導体パス（５６ａ）と電導接続されている。
パワー半導体モジュール（１）は更に第２パワー半導体素子（７０ｂ）を有し、これらの第２パワー半導体素子（７０ｂ）は、従来技術から知られているようにそれらの第２主面を用いて基板（５）の方を向き、割り当てられた導体パス（５４）上に配置されている。これらの第２パワー半導体素子（７０ｂ）は、これらの駆動のために、制御電位（ゲート電位）を導いている導体パス（５６ｂ）とのボンディング接続部（４０）を有する。
基板（５）の導体パス（５４、５６ａ）と、各々のパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）の割り当てられた接触面との間の電導接続部を、電導性接着接続部を用いて形成することは特に有利であり、この際、ロウ付けや加圧焼結のような別の周知の方法も同様に適している。
基板（５）上にパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）を前記のように配置することにより、基板（５）は、交流電圧電位である１つだけの電位を有する１つだけの負荷接続パス（５４）を有するように形成されている。基板（５）の他の電位は、制御電位（５６ａ／ｂ）、又は、例えば従来技術により知られているセンサ信号用の非図示の補助電位だけである。
負荷端子要素（４２、４４、４６）はパワー半導体モジュール（１）内部のパワーエレクトロニクス回路の外部接続のために用いられる。必須の補助端子要素は図面の見易さのために描かれていない。ここでは本発明に従い、第１負荷端子要素（４４）が、導体パスとではなく、第１パワー半導体素子（７０ａ）の第１負荷端子面（７６）、ここではコレクタ端子面と接続されていて、それにより正電位を有する負荷端子を形成している。同様に第２負荷端子要素（４６）が、第２パワー半導体素子（７０ｂ）の第２負荷端子面（７２）、ここではエミッタ端子面と接続されていて、それにより負電位を有する負荷端子を形成している。交流電位を有する負荷端子（４２）は、割り当てられた導体パス（５４）と直接的に接続されている。
説明したこの装置は特に有利であり、その理由は、ここでは負荷電位用のボンディング接続部が必要ではなく、それにより製造手間が従来技術に対して明らかに軽減され得るためである。更に、基板上の１つだけの負荷電位により、基板（５）の導体パスのトポロジーが極めて簡単に構成されている（図２参照）ことは特に有利である。同様に、パワー半導体素子（７０ａ／ｂ）に対する直接的な電流の供給及びそれらの間の好ましくは中央における電流の流出が特に有効である。
更にパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）が、基板（５）とは反対側のそれらの負荷接触面上に、加圧焼結接続を用いて配置されている金属成形体（６０）を有すると特に有利である。同様にこれらの金属成形体（６０）をロウ付けや接着のような別の周知の方法を用いて配置することも適している。これらの金属成形体（６０）は、好ましくはパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）に対する均質な負荷電流の取り入れのために用いられる。加圧焼結接続部においてパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）の負荷接触面は、そのために適していて好ましくは金から成る貴金属表面を有する。この負荷接触面上にこの負荷接触面と加圧焼結接続部を用いて電導接続されるかたちで金属成形体（６０）が配置されていて、この金属成形体（６０）は、割り当てられた負荷端子面の長さ寸法と、その最大の長さの広がりを１００としたときの５０よりも小さい厚さとを有する。金属成形体（６０）自体は、好ましくは銅から成り、少なくとも加圧焼結接続部の領域において電気的に塗布された貴金属表面をもっている。
本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の特に有利な他の形態は押圧力接触機構を有する。この際、パワー半導体素子（７０ａ／ｂ）上に配置されている少なくとも１つの負荷端子要素（４４、４６）が、周知の形態を用い、押圧力（８０）で付勢される。従って、負荷端子要素（４４、４６）とそれに割り当てられたパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）との押圧力接触式の電気接続部も、また選択的に、基板（５）と冷却構成部品（５０）との間の押圧力接触式の熱伝導接続部も形成され得る。
負荷端子要素（４４、４６）とパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）との間の押圧力接触機構を用いた電気接続部は、負荷が変わる場合にも周知の高い耐久性を有するという長所をもっている。基板（５）と冷却構成部品（５０）との間の押圧力接触機構を用いた熱接続部は、この際、押圧力はパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）を介して導入されるものであるが、廃熱が発生するところ、即ちパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）のところで熱連結が最善の状態で形成されているという特別な長所を有し、また、押圧力を導入するために基板（５）上に追加的な面を準備する必要がないために全装置がコンパクトに形成され得るという特別な長所を有する。
押圧力接触機構の枠内では金属成形体（６０）も特に有利であるとされ、その理由は、それらの金属成形体（６０）が、パワー半導体素子（７０ａ／ｂ）に対する押圧力を、各々の割り当てられた接触面を介して均一に配分し、それによりパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）を押圧力導入（８０）により起こり得る損傷から保護するためである。
図２は、本発明に従うパワー半導体モジュール（１）における基板（５）とパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）の配置構成を示している。これは、多くのパワーエレクトロニクス回路の基礎構成要素であるハーフブリッジ回路の例として描かれている。ハーフブリッジ回路は、正電位と接続されていて第１パワースイッチを形成する（図１参照）、逆並列接続された２つのパワーダイオード（７０ｃ）（非制御式のパワー半導体素子）を備えた４つの第１パワートランジスタ（７０ａ）と、第２パワースイッチ用の同様の装置（７０ｂ／ｄ）とから成っている。
更にセラミック基板（５）が図示されていて、その上には、交流電位を有する負荷電流を導いている導体パス（５４）並びに第１スイッチ及び第２スイッチの制御信号用のそれぞれの導体パス（５６ａ／ｂ）が配置されている。第１スイッチの制御式のパワー半導体素子（７０ａ）は再びＩＧＢＴであるが、それらの第１主面を用いて基板（５）側に配置されている。エミッタ接触面（７２）は、交流電位を導いている導体パス（５４）上に接着され、それによりこれと電気的に接続されている。第１ＩＧＢＴ（７０ａ）の制御接触面（７４）は、同様に接着接続部を用い、制御電流を導いている割り当てられた導体パス（５６ａ）と電導接続されている。
パワー半導体素子と基板の導体パスとの間に他の金属成形体が配置されていると有利であり得る。これらの金属成形体はパワー半導体素子を導体パスから離間するために用いられる。この際、各々のパワー半導体素子の各電位用として他の金属成形体が設けられなくてはならない。例えば、ＩＧＢＴ（７０ａ）用には、エミッタ接触用或いは制御接触用としてそれぞれ他の金属成形体が設けられなくてはならない。
第２スイッチの制御式のパワー半導体素子（７０ｂ）は、それらの第２主面を用いて基板（５）側に配置されている。コレクタ接触面（７６）は、同様に、交流電位を導いている導体パス（５４）上に接着され、それによりこれと電気的に接続されている。第２ＩＧＢＴの制御接触面（７６）は、それぞれのボンディング接続部（４０）を用い、制御電流を導いている割り当てられた導体パス（５６ｂ）と電導接続されている。
ここで非図示の負荷端子は図１に従って形成されている。
本発明に従うパワー半導体モジュールの断面を示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールにおける基板とパワー半導体素子の配置構成を示す図である。
符号の説明
１ パワー半導体モジュール
３ ハウジング
３２ ハウジング部分
３４ カバー
３６ ロックノーズ
４０ ボンディング接続部
４２、４４、４６ 負荷端子要素
５ 基板
５２ 絶縁材料ボディ
５４、５６ａ、５６ｂ 銅積層部／導体パス
５８ 銅積層部
６０ 金属成形体
７０ａ、７０ｂ パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）
７２ エミッタ端子
７４ ゲート端子
７６ コレクタ端子
８０ 押圧力

Claims (10)

  1. 少なくとも１つの基板（５）と、少なくとも２つの制御可能なパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）と、ハウジング（３）と、外側に通じる負荷端子要素（４２、４４、４６）及び制御端子要素とを備えた、冷却構成部品（５０）上に配置するためのパワー半導体モジュール（１）であって、基板（５）が絶縁材料ボディ（５２）を有し、パワー半導体モジュール（１）の内部側のその第１主面上に、負荷電位を有する少なくとも１つの導体パス（５４）と、制御電位を有する少なくとも１つの導体パス（５６ａ／ｂ）を有し、更に、制御可能なパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）が、第１負荷端子面（７２）及び制御端子面（７４）を備えた第１主面と、第２負荷端子面（７６）を備えた第２主面とを有する、前記パワー半導体モジュール（１）において、
    少なくとも１つの第１パワー半導体素子（７０ａ）がその第１主面を用いて基板（５）の方を向いてこの基板（５）上に配置され、負荷電位及び制御電位を有するそれぞれの導体パス（５４、５６ａ）と回路に適して接続されていて、少なくとも１つの第２パワー半導体素子（７０ｂ）がその第２主面を用いて基板（５）の方を向いてこの基板（５）上に配置され、負荷電位を有する導体パス（５４）と回路に適して接続されていて、更に、少なくとも１つの負荷端子要素（４４、４６）が、パワー半導体素子（７０ａ／ｂ）において基板（５）とは反対側の負荷端子面上に配置され、電導接続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. 少なくとも１つのパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）において基板（５）とは反対側の負荷端子面上に、金属成形体（６０）であって、割り当てられた負荷端子面の長さ寸法と、その最大の長さの広がりを１００としたときの５０よりも小さい厚さとを有する金属成形体（６０）が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。
  3. パワー半導体素子（７０ａ／ｂ）と基板（５）の導体パス（５４、５６）との間に他の金属成形体が配置されていて、各々のパワー半導体素子の各電位用に各々の金属成形体が設け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。
  4. パワー半導体素子（７０ａ／ｂ）上に配置されている少なくとも１つの負荷端子要素（４４、４６）が押圧力（８０）で付勢されていて、それにより、割り当てられたパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）に対するこの負荷端子要素（４４、４６）の押圧力接触式の電気接続部、及び／又は、基板（５）と冷却構成部品（５０）との間の押圧力接触式の熱伝導接続部が形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 基板（５）が、交流電圧電位である電位を有する負荷接続パス（５４）だけを有し、第１負荷端子要素（４４）が、第１パワー半導体素子（７０ａ）の第１負荷端子面と接続されていて、正電位を有する負荷端子を形成し、第２負荷端子要素（４６）が、第２パワー半導体素子（７０ｂ）の第２負荷端子面と接続されていて、負電位を有する負荷端子を形成していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 制御式のパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）に追加し、非制御式のパワー半導体素子（７０ｃ／ｆ）も、基板（５）の少なくとも１つの導体パス（５４）上に配置されていて、制御式のパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）と回路に適して接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  7. 基板（５）の導体パス（５４、５６ａ）とパワー半導体素子（７０ａ／ｂ）の対応する接触面との間の電導接続部が電導性接着接続部を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  8. 基板（５）上に、補助端子又はセンサ端子用の他の導体パスが形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  9. パワー半導体素子（７０ａ／ｂ）と金属成形体（６０）との間の電導接続部が加圧焼結接続部として形成されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載のパワー半導体モジュール。
  10. パワー半導体素子（７０ａ／ｂ）と金属成形体（６０）との間の電導接続部がロウ付け接続部又は接着接続部として形成されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載のパワー半導体モジュール。
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