JP2007221128A - 少なくとも１個のパワー半導体モジュールと冷却部とを備えた構造体および関連する製造方法 - Google Patents

少なくとも１個のパワー半導体モジュールと冷却部とを備えた構造体および関連する製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】少なくとも１個のパワー半導体モジュールと冷却部とを備えた構造体および関連する製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は押圧接触構造のパワー半導体モジュールと冷却部とを備えた構造体および関連する製造方法に関する。本明細書において、負荷端子要素は、帯状区間とこの帯状区間から延在した接触脚部とを有する金属成形体として形成されている。この帯状区間は基板表面に対して平行にかつ基板表面から離隔して配置されている。接触脚部は帯状区間から基板の導体路まで達し、かつこの導体路に接触している。冷却部と筐体と押圧板は第１ユニットを形成し、この第１ユニットは基板と負荷端子要素とによって形成された第２ユニットから機械的に切り離されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、押圧接触構造の少なくとも１個のパワー半導体モジュールと冷却部とを備えた構造体と、関連する製造方法に関する。
本発明の出発点は、例えば特許文献１によって知られているようなパワー半導体モジュールである。このような半導体モジュールは従来技術では、電気絶縁された少なくとも１枚の基板を内蔵する筐体を備え、この基板は好ましくは冷却部上に直接取り付けられている。基板自体は絶縁材料本体を備え、この絶縁材料本体はその上に設けられ互いに絶縁された複数の金属接続線と、この金属接続線の上に設けられ回路に合わせてこの金属接続線に接続されたパワー半導体素子を備えている。公知のパワー半導体モジュールはさらに、外部の負荷端子および補助端子のための端子要素と、パワー半導体モジュールの内部に配置された接続要素を備えている。パワー半導体モジュールの内部の、回路に合わせた接続のためのこの接続要素はほとんどがワイヤボンディング接続部として形成されている。
同様に、特許文献２、特許文献３または特許文献４によって知られているような押圧接触構造のパワー半導体モジュールが公知である。
特許文献２の場合、押圧装置は、押圧力を発生するための、好ましくは金属製の安定した押圧要素と、押圧力を蓄えるための弾性クッション要素と、基板表面の別個の範囲に押圧力を加えるためのブリッジ要素とを備えている。ブリッジ要素は好ましくはプラスチック成形体として形成され、クッション要素寄りのこのプラスチック成形体の面から、複数の押圧フィンガーが基板表面の方へ出発形成されている。
このような押圧装置によって、基板は冷却部に押し付けられ、それによって基板と冷却部間の熱伝達が持続的に確実に行われる。この場合、弾性的なクッション要素は、熱負荷が異なる場合にもパワー半導体モジュールの寿命にわたって一定の押圧状態を維持する働きをする。
特許文献３に記載の発展形成された公知の押圧要素は、一方では重量と安定性の間のきわめて有利な関係を有し、他方では電気絶縁された貫通案内部を備えている。そのために、押圧要素は金属芯を内蔵するプラスチック成形体として形成されている。この金属芯は端子要素、特にばね接触構造の補助端子要素を貫通案内するための切欠きを有する。プラスチック成形体は、補助端子要素がプラスチック成形体によって金属芯から電気絶縁されるようにこの切欠きを取り囲んでいる。
さらに、基板寄りの表面に複数の押圧フィンガーを有する発展形成された押圧要素が知られている。この場合、金属芯は好ましくは予備調節された曲げ部を備えている。この両手段の組み合わせによって、このような押圧要素は上記の押圧装置の機能をすべて提供することができる。
特許文献４により、負荷端子要素を備えたパワー半導体モジュールが知られている。この負荷端子要素は、複数の区間において互いに密接して基板表面に対して垂直に延設され、かつそこから延在した接触脚部を備えるように形成されている。この接触脚部は導体路に対して電気的に接触し、同時に押圧力を基板に加え、それによって冷却部に対して基板を熱的に接触させる。この場合、押圧力は従来技術による手段によって加えられ、蓄積される。
特許文献５により、パワー半導体モジュールを内部絶縁する方法が知られている。このパワー半導体モジュールは公知の従来技術と異なり、所定の充填高さまで絶縁シリコーンゲルが充填されていない。従来技術と異なり、この文献では、多量のシリコーンゲルを節約する、絶縁すべき部品と接続要素をコーティングするための方法が紹介されている。
独国特許出願公開第１９７１９７０３Ａ１号明細書 独国特許出願公開第４２３７６３２Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９９０３８７５Ａ１号明細書 独国特許第１０１２７９４７Ｃ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０２１９２７Ａ１号明細書
本発明の根底をなす課題は、基板の任意の熱膨張がパワー半導体モジュールの筐体に伝達されない、押圧接触構造の少なくとも１個のパワー半導体モジュールを備えた構造体と、この構造体のための関連する製造方法を紹介することである。
この課題は、請求項１と７の特徴構成を有する手段によって解決される。有利な実施形は従属請求項に記載されている。
本発明の思想は、冷却部に押圧接触させる構造のパワー半導体モジュールの構造体から出発し、このパワー半導体モジュールは少なくとも１枚の基板と、この基板上に配置された少なくとも２個の制御可能なパワー半導体素子と、例示的なバイポーラトランジスタと、筐体と、外部に通じる負荷端子要素およびコントロール端子要素とを備えている。基板自体は絶縁材料本体を備え、パワー半導体モジュールの内部寄りの絶縁材料本体の第１主面上には、負荷電位を有する導体路が配置されている。基板はさらに、パワー半導体素子を制御するための制御電位を有する好ましくは少なくとも１つの導体路を備えている。
パワー半導体モジュールはさらに負荷端子要素を備え、この負荷端子要素はそれぞれ、帯状区間とこの帯状区間から延在した複数の接触脚部とを有する金属成形体として形成されている。各帯状区間は基板表面に対して平行にかつ基板表面から離隔して配置されている。接触脚部は帯状区間から延在して基板まで達し、そこで回路に適合するように負荷端子の接触部を形成している。そのために、接触脚部は好ましくは、基板上で、負荷電位を有する導体路に接触しているかあるいはパワー半導体素子に直接接触している。
さらに、好ましくは積層体を形成する負荷端子要素の帯状区間と基板との間に、絶縁材成形体を配置することができる。この絶縁材成形体は接触脚部を貫通案内するための切欠きを有する。この場合、絶縁材成形体は好ましくは、電気的な端子要素のための切欠きのみを有する完全に閉じた面を形成している。さらに、絶縁材成形体が冷却部上のパワー半導体モジュールの固定装置のための切欠きを備えていると有利である。
パワー半導体モジュールの筐体は本発明に従い、冷却部に固定連結されている。同様に、押圧板は筐体に機械的に固定連結されている。従って、冷却部と筐体と押圧板とは、構造体の第１ユニットを形成している。少なくとも１枚の基板は、例えば熱の作用によって枠状の筐体内で狭い範囲内を動くことができるように、この筐体内に配置されている。同様に、負荷端子要素と補助端子要素は同様に、筐体にあまり強固に連結されていない。負荷端子要素と補助端子要素はすべてのガイド内で筐体と相対的に動くことができる。押圧力が弾性的な蓄圧器によって加えられるので、ここでも強固な連結は行われない。従って、第１ユニットは、少なくとも１枚の基板と負荷端子要素と補助端子要素とによって形成された第２ユニットから機械的に切り離されている。
第２のユニットが、冷却部上に少なくとも１個のパワー半導体モジュールを配置した本発明の構造体の第１ユニット内で移動度を有することにより、例えば熱の作用によって生じる基板の移動がパワー半導体モジュールの筐体に伝達されないという重要な利点がある。
上記の構造体を製造するための関連する方法は次の重要なステップを含む。すなわち、そのステップとは、相互の適切な電気絶縁体を有する負荷端子要素を、パワー半導体モジュールの筐体内に配置するステップと、
負荷端子要素の上方に蓄圧器を配置するステップと、
蓄圧器上において押圧板を筐体上または筐体内に仮止めするステップと、
回路に合わせて接続されたパワー半導体素子を載置しかつ絶縁材の塊によって電気絶縁された少なくとも１枚の基板を、筐体の付設凹部内に配置し、この場合絶縁材の塊が基板と筐体とを付着連結するステップと、
少なくとも１個のパワー半導体モジュールを冷却部上に配置し、筐体を冷却部上に固定するステップと、
押圧板を筐体および／または冷却部にねじ止めすることによって、蓄圧器を介してパワー半導体モジュールに押圧力を加え、そして負荷端子要素の接触脚部を介して少なくとも１枚の基板に押圧力を加えて、基板を冷却部に熱的に接触させるステップと、である。
補助端子要素は、押圧板を配置する前に、任意の２つのステップの間でそのために設けられたガイド内に配置される。さらに、蓄圧器上において押圧板を筐体内に仮止めすることが、押圧板と筐体との間のスナップ止め継手によって行われるときわめて有利である。絶縁材の塊が最初に、それぞれ基板の縁領域の周りに履帯（Raupe）のように取り付けられ、続いて履帯の内部にある範囲に鋳込まれると同様に有利である。
図１、２に示した実施形態に基づいて本発明の解決策をさらに説明する。
図１は、パワー半導体モジュール１の構造体の断面を示している。このパワー半導体モジュールは構造体の冷却部２に固定連結された枠状の筐体部分を有する筐体３を備えている。この場合、枠状の筐体部分は少なくとも１枚の基板５を取り囲んでいる。この基板は絶縁材料本体５２、好ましくは酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムなどの絶縁セラミックスを備えている。
基板５はパワー半導体モジュール１の内部寄りの第１主面上に、パターン加工された金属被覆層を備えている。この場合、好ましくは銅被覆層として形成されたこの金属被覆層の個々の区間は、パワー半導体モジュール１の導体路５４を形成している。基板５の第２主面は従来技術に従い、パターン加工されていない銅被覆層５６を備えている。
基板５の導体路５４上には、例えばそれぞれ逆平行に接続されたフリーホイーリングダイオードを備えたＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）またはＭＯＳ−ＦＥＴなどの制御可能および／または制御されないパワー半導体素子６０が配置されている。このパワー半導体素子は例えばワイヤボンディング接続部６２を用いて、回路に合わせて他の導体路５４に接続されている。
異なる必要電位を有する負荷端子要素４０、４２、４４は、パワー半導体モジュール１の内部のパワー電子回路を外部に接続する働きをする。そのために、負荷端子要素４０、４２、４４は、基板表面に対して平行に各々１つの帯状区間４０２、４２２、４４２を有する金属成形体として形成されている。その際、帯状区間４０２、４２２、４４２は積層体を形成しており、個々の負荷端子要素４０、４２、４４の帯状区間は、必要な絶縁体、例えばプラスチックフィルム４６の形態の絶縁体によってのみ互いに離隔されている。必要な補助端子要素は見やすくするためにこの断面図には示していない。
本発明によるパワー半導体モジュール１は好ましくは、負荷端子要素４０、４２、４４の帯状区間４０２、４２２、４４２の積層体と基板５との間に、絶縁材成形体３０として形成された中間層を備えている。この絶縁材成形体３０は本実施形態では、スナップ止め継手９０を用いて枠状の筐体３内に配置されている。
絶縁材成形体３０自体は負荷端子要素４０、４２、４４の接触脚部４００、４２０、４４０を通過させるための切欠き３２を備えている。この切欠き３２がこの接触脚部４００、４２０、４４０のためのガイドとして形成されているときわめて有利である。それによって、基板５またはその導体路５４と相対的な負荷端子要素４０、４２、４４の位置決めが単なる切欠きを有する構造体と比べて改善される。この切欠き３２は本発明に従い、横方向のあらゆる方向において次のような幅を有する。すなわち、切欠き３２は、接触脚部４００、４２０、４４０の案内を確実にし、かつ少なくとも０．２ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍのその横方向移動を保証するのに適した幅を有する。
パワー半導体モジュール１と冷却部２を熱的に接続し、同時に負荷端子要素４０、４２、４４と基板５の導体路５４を電気的に接触させるための押圧装置７０は、圧力発生のための押圧要素７２と、蓄圧器７４としての弾性クッション要素とによって形成されている。押圧力はクッション要素７４を経て負荷端子要素４０、４２、４４の帯状区間４０２、４２２、４４２からなる積層体に伝えられ、接触脚部４００、４２０、４４０に加えられる。これによって、この接触脚部が基板５の導体路５４に導電接続される。
このような押圧接触部７０は、パワー半導体モジュール１の寿命にわたって、接触がきわめて確実であることが判った。さらに、ガイドまたは竪坑３４としての絶縁材成形体３０の切欠き３２の形成が、押圧接触部にとって有利である。なぜなら、これによって接触脚部４００、４２０、４４０の位置決めがきわめて正確であるからである。
押圧要素７２は従来技術に従って、例えばバイメタルとして形成され内部に設けられた適当な金属芯と外側の補強成形部７６とを備えたプラスチック成形体として形成可能である。さらに、押圧要素７２が同時にパワー半導体モジュール１のカバーとしての働きをすると有利である。
構造体の第１ユニットは冷却部２、筐体３および押圧要素７２によって形成される。このユニットの部品は互いに固定連結されている。第２ユニットは回路に合わせて接続されたパワー半導体素子６０を有する基板５と負荷端子要素４０、４２、４４とによって形成される。両ユニットは互いに機械的に強固に連結されておらず、第２ユニットは、むしろ、第１ユニット内で横方向のあらゆる方向に少なくとも０．２ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍ移動可能である。
図２は本発明による構造体の第２ユニットの断面を三次元的に示している。この第２ユニットは２枚の基板５を備え、この基板上には、図示していないボンディング接続部によって回路に合わせて接続されたパワー半導体素子６０、６４が配置されている。このような回路は、それぞれ第１と第２のスイッチを形成する並列接続された複数のバイポーラトランジスタ６０、６４を備えたハーフブリッジ回路である。回路は同様に、必要なフリーホイーリングダイオード６４を備えている。この場合、ハーフブリッジ回路の第１と第２のスイッチはそれぞれ２枚の同一基板５上に半分ずつ分配されている。
本発明による構造体のこの第２ユニットの負荷端子要素４０、４２、４４と、基板５とこの負荷端子要素の位置が同様に図示してある。見やすくするために、個々の負荷端子要素４０、４２、４４の間の絶縁プラスチックフィルムは図示していない。
負荷端子要素４０、４２、４４は複数の接触脚部４００、４２０、４４０を備えている。この接触脚部は各負荷端子要素４０、４２、４４の付設の帯状区間４０２、４２２、４４２から延在している。この場合、それぞれ同じ極性の複数の接触脚部４００、４２０、４４０がそれぞれの極性の付設された導体路５４に接触している。持続的な接触を確実にする電気的接続は、上記の図示していない押圧装置７０によって行われる。
さらに、負荷端子要素４０、４２、４４からなる積層体の切欠き４０６、４２６、４４６が図示してある。この切欠きは補助端子要素を配置するために設けられている。すべての補助端子要素がパワー半導体モジュール１の縦方向において中央に配置されていると特に有利である。従って、すべての補助接続要素が最大でパワー半導体モジュール１の半分の長さのパワー半導体モジュールの縦方向区間に配置されていると有利である。さらに、補助端子要素がコイルばねとして形成されているときわめて有利である。
さらに、パワー半導体モジュール１の負荷端子要素、ここでは交流電源端子４０に延びる機械的に可撓性の区間４０８が図示してある。この可撓性区間４０８は基板５の上方の帯状区間４０２と、構造体と外部を電気的に接続するための付設の接触装置４０４との間に配置されている。
機械的に可撓性のこの区間４０８はここでは、パワー半導体モジュールの外側における可撓性負荷電流接続用に知られているような銅製のウェブとして形成されている。この銅製のウェブは接触装置４０４と帯状区間４０２の延長部に溶接技術で連結されている。
筐体内における第２ユニットの少なくとも０．２ｍｍの横方向移動度は、この可撓性区間４０８の代わりに、負荷端子要素、ここでは直流接続部４２、４４の適切に案内された接触装置４２４、４４４によって達成される。
冷却部を備えたパワー半導体モジュールの本発明による構造体の断面図である。 本発明による構造体の第２ユニットの断面を三次元的に示す図である。
符号の説明
１ パワー半導体モジュール
２ 冷却部
３ 筐体
５ 基板
４０、４２、４４ 負荷端子要素
４００、４２０、４４０ 接触脚部
４０２、４２２、４４２ 帯状区間
４０４、４２４、４４４ 接触装置
４０８ 可撓性区間
４６ 電気絶縁材、プラスチックフィルム
５２ 絶縁材料本体
５４ 導体路
６０、６４ パワー半導体素子
７０ 押圧装置
７２ 押圧板
７４ 蓄圧器

Claims (9)

  1. 冷却部（２）に押圧接触させる構造のパワー半導体モジュール（１）の構造体であって、
    前記パワー半導体モジュール（１）が少なくとも１枚の基板（５）と、この基板上に配置された少なくとも２個のパワー半導体素子（６０、６４）と、筐体（３）と、外部に通じる負荷端子要素（４０、４２、４４）およびコントロール端子要素と、形状安定性のある押圧板（７２）および弾性的な蓄圧器（７４）を有する押圧装置（７０）とを備え、
    前記基板（５）が絶縁材料本体（５２）を備え、前記パワー半導体モジュール（１）の内部寄りの絶縁材料本体の第１主面上に、負荷電位を有する導体路（５４）が配置され、
    前記負荷端子要素（４０、４２、４４）がそれぞれ、帯状区間（４０２、４２２、４４２）とそれぞれこの帯状区間から延在した接触脚部（４０）とを有する金属成形体として形成され、上記帯状区間が基板表面に対して平行にかつ基板表面から離隔して配置され、前記接触脚部（４００、４２０、４４０）が前記帯状区間（４０２、４２２、４４２）から基板（５）の導体路（５４）まで達し、かつこの導体路に接触し、
    前記冷却部（２）と前記筐体（３）と前記押圧板（７２）とが第１ユニットを形成し、この第１ユニットが前記基板（５）と負荷端子要素（４０、４２、４４）とによって形成された第２ユニットから機械的に切り離されている、構造体。
  2. 前記パワー半導体モジュール（１）の縦方向中央に補助端子要素が配置され、前記パワー半導体モジュール（１）の付設の縦方向区間が最大で前記パワー半導体モジュール（１）の半分の長さを有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
  3. 前記パワー半導体モジュール（１）の前記負荷端子要素（４０、４２、４４）が、前記基板（５）の上方の前記帯状区間（４０２、４２２、４４２）と外部接続のための各接触装置（４０４、４２４、４４４）との間に、機械的に可撓性の区間（４０８）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
  4. 機械的に可撓性の前記区間（４０８）が銅製のウェブとして形成されていることを特徴とする請求項３に記載の構造体。
  5. 前記銅製のウェブが付設の負荷端子要素（４０、４２、４４）に対して溶接技術で連結されていることを特徴とする請求項４に記載の構造体。
  6. 前記各基板（５）が前記筐体（３）内で少なくとも０．２ｍｍの横方向移動度を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の構造体。
  7. 請求項１に記載の構造体の製造方法であって、次のステップ、すなわち、
    − 適切な相互の電気絶縁体（４６）を有する負荷端子要素（４０、４２、４４）を、パワー半導体モジュール（１）の筐体（３）内に相互に配置するステップと、
    − 前記負荷端子要素（４０、４２、４４）の上方に蓄圧器（７４）を配置するステップと、
    − 前記蓄圧器（７４）上に押圧板（７２）を筐体（３）上または筐体内で仮止めするステップと、
    − 回路に合わせて接続されたパワー半導体素子（６０、６４）を載置しかつ絶縁材の塊によって電気絶縁された少なくとも１枚の基板（５）を、筐体（３）の凹部内に配置し、その際に前記絶縁材の塊が前記基板（５）と前記筐体（３）を付着連結するステップと、
    − 少なくとも１個のパワー半導体モジュール（１）を冷却部（２）上に配置し、前記筐体（３）を前記冷却部（２）上に固定するステップと、
    − 前記押圧板（７２）を前記筐体（３）および／または前記冷却部（２）にねじ止めすることによって、前記押圧板（７２）を介して前記パワー半導体モジュール（１）に押圧力を加え、前記蓄圧器（７４）を介して前記負荷端子要素（４０、４２、４４）に押圧力を加え、そして前記負荷端子要素の接触脚部（４００、４２０、４４０）を介して少なくとも１枚の基板（５）に押圧力を加えて、前記基板を前記冷却部（２）に熱的に接触させるステップと、を含み、
    前記押圧板（７２）を配置する前に、任意の２つの上記ステップの間で補助端子要素を、そのために設けられたガイド内に配置することを特徴とする方法。
  8. 前記蓄圧器（７４）上に前記押圧板（７２）を前記筐体（３）内で仮止めすることが、前記押圧板（７２）と前記筐体（３）との間のスナップ止め継手によって行われることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. 前記絶縁材の塊が最初に、前記基板（５）の縁領域の周りに履帯のように取り付けられ、続いて履帯の内部にある範囲に鋳込まれることを特徴とする請求項７に記載の方法。
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