JP2008198597A - 接触バネを有するパワー半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】接触部の信頼性を改善するために接触バネの接触部分が改善されて構成されている押付接触式のパワー半導体モジュールを紹介する。
【解決手段】基板（２）と、この基板（２）の主面上に配置されている導体パス（２０）と、第１主面をもって第１導体パス上に配置されている少なくとも１つの半導体素子（３）と、接触バネ（５）として形成されていて導体パス（２０）又は半導体素子（３）の第２主面上の接触面（３０）から出発する端子要素とを有するパワー半導体モジュール（１）において、それらの接触バネ（５）が第１及び第２接触部分（５２、５４）を有すること、及び、各々の接触バネ（５）が平たい成形体として形成されていて、それらの接触部分（５２、５４）が屈曲部（５２０、５４０）を有し、この屈曲部（５２０、５４０）に直交し、他の凸状の湾曲部（５２２、５４２）を有すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、接触バネ（コンタクトスプリング）として形成されている端子要素を有する押付接触方式（プレッシャコンタクト方式）のコンパクトなパワー半導体モジュールに関する。構成サイズに関連して高出力を有するこの種のパワー半導体モジュールの現代形態が本発明の出発点であり、特許文献１又は特許文献２から知られている。

特許文献１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を開示し、このパワー半導体モジュールはハウジングと電気絶縁式の基板とを有し、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（導電トラック）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。またハウジング外に配置されている導体プレート（プリント回路板）に対する外部電気接続は、少なくとも部分的に弾性的に構成されている端子要素を用いて行われる。

更にこのパワー半導体モジュールは、捩込み接続部を通過させるための中央に配置された少なくとも１つの穴を有する。この穴は、導体プレートにてパワー半導体モジュールとは反対側に配置され且つこの導体プレート上に平面的に載置してモジュールを押付接触させる形状安定性の押付部材と共に用いられる。この押付接触方式は同時に２つの役割を果たす：一方では導体プレートと端子要素の確実な電気接触機能であり、他方では冷却体とモジュールの熱接触機能であり、この際、両方の接触機能は可逆である、即ち元の状態に戻すことができるものである。

特許文献２は、特殊に構成された押付部材を有する上記のパワー半導体モジュールの装置を開示している。ここでは接触バネが２重のＺ字形状で構成されている。この種の接触バネは、例えば型抜き曲げ成形体として平たい金属条片から製造されている。

これらの接触バネは、導体プレートとの接触のための第１接触部分を有する。更にこの接触バネの平たい成形体はこの第１接触部分の領域で屈曲部を有する。基板の導体パス（導電トラック）との接触のための第２接触部分は他の変形部をもってなく、この際、接触部は、先のとがってない状態で導体パス上に立つ平たい成形体の端部により形成されている。

上記の接触バネの周知の形態の短所は、接触箇所の領域で接触バネのエッジが稼働中に接触パートナーの対応接触箇所を損傷し、それにより電気端子の信頼性が損なわれるということである。このことは、パワー半導体素子の稼動時にこのパワー半導体素子が加熱され、異なる膨張係数により接触部分の接触面と接触パートナーの接触面とが互いに運動することに起因する。従って接触部分のエッジの熱的なこの運動も、稼動時のパワー半導体モジュールの振動も、接触パートナーの対応接触面を損傷してしまう。

独国特許出願公開第１９６３０１７３号明細書 独国特許出願公開第１０３０６６４３明細書

本発明の基礎を成す課題は、達成される接触部の信頼性を改善するために接触バネの接触部分が改善されて構成されている、平たい金属成形体として形成された接触バネを有する押付接触式の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。

本発明の出発点は前述の周知の方式の押付接触式のパワー半導体モジュールである。冷却構成部材上に配置可能であるこのパワー半導体モジュールは基板を有し、この基板は、この基板の主面上に配置されている導体パス（導電トラック）を備えている。この導体パスの少なくとも１つには少なくとも１つの半導体素子が配置されている。

更にこのパワー半導体モジュールは端子要素を有し、これらの端子要素は、好ましくはハウジング内でルーズな状態で定置された接触バネとして形成されている。従ってこれらの接触バネは、好ましくはパワー半導体モジュール外に配置された導体プレート（プリント回路板）である接触パートナーの接触面に対する、導体パスの接続部又は半導体素子の接触面の接続部を形成する。

またこれらの接触バネは第１及び第２接触部分を有し、この際、各々の接触バネは平たい金属成形体として形成されている。それらの接触部分自体は各々屈曲部を有し、この屈曲部に直交し、接触パートナーから離れる方向に向かい、他の凸状の湾曲部を有する。

他の湾曲部の適切な形成により、接触部分の領域内の接触バネの縁と接触パートナーの接触面との間の接触部が少なくとも減少又は完全に回避され得る。それにより稼動時の接触パートナーの接触面の損傷も多大に減少又は回避される。従って稼動時のパワー半導体モジュールの信頼性が改善される。

このパワー半導体モジュールの特に有利な他の構成は実施例の各々の説明で述べられている。次に本発明の解決策を図１〜図３の実施例に基づいて更に説明する。

図１及び図２は、異なる描写形式により本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の断面を示している。ここでは、ハウジング（３）と、冷却構成部品（４）上に直接的に取り付ける基板（２）と、内部から外部に通じる端子要素とを有する押付接触方式のパワー半導体モジュール（１）が図示されている。それらの端子要素は接触バネ（５）として形成されている。しかしながら本発明はパワー半導体モジュールのこの特殊な形態に限られるものではない。例えば、接触バネは、基板と内部に配置された導体プレート（プリント回路板）との間の接続要素としても用いられ得る。

ハウジング（３）は、接触バネ（５）に対する押付力導入のために、好ましくは、従来技術による中央に設けられた非図示の穴を有する。この穴と、同様に非図示の対応する押付体とを用い、押付力が、接触バネ（５）に対し、好ましくはハウジング（３）に対しても構成される。この押付力は、基板（２）と冷却構成部品（４）との間の確実な熱伝導接続をもたらす。同様にこの押付力は、接触バネ（５）と、対応する導体パス（２０）或いは半導体素子（３）の非図示の接触面との間の確実な電気接続をもたらす。

基板（２）は、好ましくは、絶縁層（２２）と、その上に配置されてパワー半導体モジュール（１）の導体パス（導電トラック、２０）を形成する金属被覆部とから成る。別の基板バリエーションも同様に有利であり得る。基板（２）の縁は全側方で上述のハウジング（３）により包囲されていて、ハウジング（３）と共にパワー半導体モジュール（１）の側面を形成している。

更にハウジング（３）は、案内部として形成されている竪穴（３０）を有し、これらの竪穴（３０）内には、各々、端子要素である接触バネ（５）が配置されている。これらの接触バネ（５）は、竪穴（３０）により押付力導入が妨げられないように竪穴（３０）内で可動な状態で配置されている。これらの接触バネ（５）は基本ボディを有し、この基本ボディは２重のＺ字形状に構成されている。接触バネ（５）の第１接触部分（５２、図３）において接触バネ（５）の端部は屈曲部（５２０、図３）を有する。この屈曲部（５２０）は、ハウジング（３）の穴（３０）内の支持部（３２）と共にパワー半導体モジュール（１）の製造プロセス中の脱落に対する保護部として用いられ、つまりここで初めて接触バネ（５）がハウジング（３）内に配置され、それに引き続き基板（２）がこの組立結合体へと配置されるためである。

これらの接触バネ（５）は、好ましくは、型抜き曲げ技術で製造された金属条片から形成される平たい成形体（図３参照）として形成されている。本発明に従い、これらの接触バネ（５）の第１及び第２接触部分（５２、５４、図３）はそれぞれの屈曲部（５２０、５４０、図３）を有し、この屈曲部に直交し、他の凸状の湾曲部（５２２、５４２、図３）を有する。

図３は、本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の接触バネ（５）の形態の詳細を示している。これらの接触バネ（５）は、好ましくは、型抜き曲げ方法を用いて製造された平たい金属成形体として形成されている。この際、接触バネ（５）の基本ボディ（５０）は２重のＺ字形状の形態を有し、それによりバネ機能が提供されている。更に金属成形体の各々の端部における両方の接触部分（５２、５４）は屈曲部（５２０、５４０）を有するように形成されている。この際、この屈曲部（５２０、５４０）の角度範囲が１２０度と１９０度の間に位置すると特に有利である。

この屈曲部（５２０、５４０）に直交し、両方の接触部分（５２、５４）は他の湾曲部（５２２、５４２）を有する。この際、接触部分（５２、５４）の中央に対する湾曲部（５２２、５４２）の外エッジの高さの差（Ｈ）が接触バネ（５）の幅（Ｂ）の１００分の２と１００分の１０の間であると特に有利である。接触バネ（５）の幅（Ｂ）が例えば２ｍｍであるとすると外エッジは４０μｍと２００μｍの間で凸状で後退している。

この追加的な湾曲部（５２２、５４２）は、好ましくは、対応する屈曲部（５２０、５４０）の半分の角度範囲よりも大きく且つその中央を中心に対称に延在する角度範囲（５２４）を有する。同様に、湾曲部（５２２、５４２）が、例えば導体パス（２０）又は半導体素子（３）の接触面（３０）又は導体プレート（６）における接触箇所に対して垂直に少なくとも±２０度の角度範囲（５２６）内で形成されていると特に有利であり得る。

本発明に従うパワー半導体モジュールの断面を３次元描写で示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの断面を２次元描写で示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの接触バネの形態の詳細を示す図である。

符号の説明

１ パワー半導体モジュール
２ 基板
２０ 導体パス
２２ 絶縁層
３ ハウジング
３０ 竪穴
３２ 支持部
４ 冷却構成部品
５ 接触バネ
５０ 基本ボディ
５２ 第１接触部分
５４ 第２接触部分
５２０ 屈曲部
５４０ 屈曲部
５２２ 湾曲部
５２４ 角度範囲
５２６ 角度範囲
５４２ 湾曲部

Claims (8)

1. 基板（２）と、この基板（２）の主面上に配置されている導体パス（２０）と、第１主面をもって第１導体パス上に配置されている少なくとも１つの半導体素子（３）と、接触バネ（５）として形成されていて導体パス（２０）又は半導体素子（３）の第２主面上の接触面（３０）から出発する端子要素とを有するパワー半導体モジュール（１）において、
   それらの接触バネ（５）が第１及び第２接触部分（５２、５４）を有すること、及び、各々の接触バネ（５）が平たい成形体として形成されていて、それらの接触部分（５２、５４）が屈曲部（５２０、５４０）を有し、この屈曲部（５２０、５４０）に直交し、他の凸状の湾曲部（５２２、５４２）を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 接触バネ（５）が基板（２）の導体パス（２０）又は半導体素子（３）の接触面（３０）から外部に通じ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. 接触バネ（５）の平たい成形体が、型抜き曲げ技術で形成された金属条片から成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. 接触バネ（５）の基本ボディが２重のＺ字形状に構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。
5. 接触部分（５２、５４）の中央に対する湾曲部（５２２、５４２）の外エッジの高さの差（Ｈ）が接触バネ（５）の幅（Ｂ）の１００分の２と１００分の１０の間であ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. 屈曲部（５２０）の角度範囲が１２０度と１９０度の間に位置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。
7. 湾曲部（５２２、５４２）の角度範囲（５２４）が少なくとも屈曲部（５２０）の半分の角度範囲を超え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。
8. 湾曲部（５２２、５４２）が接触箇所（６、２０、３０）に対して垂直に少なくとも±２０度の角度範囲（５２６）内に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。

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