JP2010034557A

JP2010034557A - パワー半導体モジュールと接続装置とを有する装置

Info

Publication number: JP2010034557A
Application number: JP2009169993A
Authority: JP
Inventors: Knebel Markus; クネーベルマルクス
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2010-02-12
Also published as: CN101635288B; EP2148557A3; CN101635288A; DE102008034467B4; DE102008034467A1; KR20100011946A; EP2148557A2

Abstract

【課題】交互に設けられた連続層として形成されている接触要素を備えたパワー半導体モジュールと、外部の導体プレートと導電接続する接続装置とを有する押付け接触式の装置を紹介する。
【解決手段】パワー半導体モジュール（１）がハウジング（３）と第１接触要素（６）と第１支持部（３０）とを有し、第１接触要素（６）が、通過案内部（３４）からハウジング（３）内に達し且つ接続装置（２）と接触する第１接触部分（６６ａ）を有し、接続装置（２）が絶縁材成形体（２２）と第２接触要素（２４ａ）と第２支持部（２０ａ）とを有し、第２接触要素（２４ａ）が第１接触要素（６）の第１接触部分（６６ａ）と接触する第２接触部分（２４０ａ）と、外部の導体プレート（７）と接触する第３接触部分（２４２）とを有し、そして少なくとも１個の接触部分がこの接触部分に付設の支持部に対して弾力的に構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、パワー半導体素子の負荷端子及び制御端子を電気接続するための接触要素を備えたコンパクトなパワー半導体モジュールと、外部の導体プレート（プリント回路板）とその接触要素を接続するための接続装置とを有する押付け接触式（プレッシャーコンタクト式）の装置に関する。この際、以下、負荷接続部の概念としてはパワー半導体モジュールの接触装置と外部の配線要素との間の接続部として理解され、ここでは負荷端子、即ち例えばハーフブリッジ回路では中間回路の直流入力部並びに交流出力部として理解される。

それに対応し、以下、制御接続部としては外部の制御端子要素とパワー半導体モジュールの補助端子或いは制御端子との接続部として理解される。これには更にパワー半導体モジュールのセンサ接続部も含まれている。

例えば特許文献１又は特許文献２から知られているパワー半導体モジュールが本発明の出発点を形成する。特許文献１は捩込み押付け接触式のパワー半導体モジュールを開示している。この際、導体プレートとパワー半導体モジュールの負荷接続部は従来技術による捩込み接続部を用いて達成される。この際、補助端子或いは制御端子の制御接続部はバネ接触要素と導体プレートの導体パス部分との間の接続部として形成されている。その発明に従い、負荷端子要素と導体プレートの配置と捩込み固定により制御接続部への押圧力の導入が行われる。このような形式のパワー半導体モジュールの構成は特に１０アンペアを超える電流負荷に適している。

特許文献２は、絶縁中間層を備えた第１導電フォイルと第２導電フォイルのフォイル結合体から成るパワー半導体素子用接触要素を開示している。そのパワー半導体素子は超音波溶接を用いて第１導電層と永続的に確実に電気接続されている。パワー半導体素子におけるモジュール内部の回路に適した接続部（負荷端子も制御端子も含む）がここで公開されているが、特許文献２では外部の結合部に対する負荷接続部及び制御接続部の詳細は開示されていない。

特許文献３は、ハウジングと、基板と、特許文献２から知られているフォイル結合体としての接触要素とを備えたパワー半導体モジュールを開示し、ここでフォイル結合体は、定義された個々の部分をもってハウジング内の案内部分を通じてハウジングの外面へと達し、そこで外部の導体プレートと負荷端子及び制御端子の接続が保証されている。この際、従来技術に従う負荷端子及び制御端子の接触部が機械的なストレス負荷又は熱膨張に関して許容範囲を許していないことは短所である。

ドイツ特許出願公開第102004025609号明細書ドイツ特許出願公開第10355925号明細書ドイツ特許出願公開第102006078013号明細書

本発明の基礎を成す課題は、交互に設けられた連続層として形成されている接触要素を備えたパワー半導体モジュールと、外部の導体プレートと導電接続するための接続装置とを有する押付け接触式の装置を紹介することであり、この装置は簡単に製造されるべきであり、パワー半導体モジュールと外部の導体プレートとの間において信頼性がありいつでも取外し可能である負荷端子及び制御端子の接触部を有し、この接触部は機械的なストレス負荷及び／又は熱膨張に対して許容範囲をもって構成されている。

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、パワー半導体モジュールと、外部の導体プレートと接続するための接続装置とを備えた装置から出発する。

この際、パワー半導体モジュールは、ハウジングと、導体パス（導電トラック）を備えた少なくとも１個の基板と、これらの導体パス上に回路に適して配置されたパワー半導体素子を有する。更にこのパワー半導体モジュールは少なくとも１個の第１接触要素を有し、この際、この第１接触要素は、少なくとも１個の第１導電層と少なくとも１個の絶縁層として交互に設けられた連続層から成る。少なくとも１個の導電層はそれ自体が構造化されていてそれにより第２導体パスを形成し、これらの導体パスは回路に適してパワー半導体素子の負荷端子面及び制御端子面と接触する。

前記の接触要素は、ハウジング内に配置されている第１案内部分を用いてパワー半導体モジュールの内部からハウジングの外面へと導かれ、ハウジングの外面においてハウジング内の通過案内部から出てから第１接触部分を形成する。更にこの接触要素にはその第１接触部分において第１支持部が付設されていて、この第１支持部は、押付け接触で発生する接触要素の第１接触部分に対する取付け力を受けるためのものである。この第１支持部は、好ましくはハウジング材料から一体式に形成されている。

前記の接続装置は、絶縁材成形体と、少なくとも１個の第２導電接触要素とを有し、この第２導電接触要素に付設の第２支持部を備えている。第２接触要素は、その第２及び第３接触部分において、絶縁材成形体の第１主面から、絶縁材成形体内に配置されている第２案内部分を通じて絶縁材成形体の第２主面へと通じ、そこで外部の導体プレートとの回路に適した接続部を形成する。この際、第２接触部分は、絶縁材成形体内の通過案内部内へ第２接触要素が入るまでのパワー半導体モジュール側の部分として定義される。第３接触部分は、絶縁材成形体内の通過案内部から第２接触要素が出てからの外部の導体プレート側の部分として定義される。

外部の導体プレートと第２接触要素の第３接触部分との回路に適した接続は従来技術に従って好ましくは差込みロウ付け取付け方式を用いて行われるが、それに制限されることはなく表面ロウ付け取付け方式を用いても行われ得る。

本装置の押付け接触は、好ましくは、ハウジングと接続装置の間の捩込み接続部又はリベット接続部又はスナップロック接続部を用いて行われる。それに加え例えば追加的に外部の導体プレートが捩込み接続部又はスナップロック接続部を用いて接続装置と接続され得る。それによりパワー半導体モジュールと、外部の導体プレートと接触するための接続要素との間における力締付け式で信頼性があり可逆的な電気接続部が達成される。

本発明に従い例えば第１接触要素はその第１接触部分において弾力的に形成されている。同様に選択的に又は追加的に第２接触要素をその第２接触部分において弾力的に形成することも有利であり得る。この際、押付け接触及び稼動により発生する機械的なストレス負荷と熱負荷に対する接触要素の保護のため、各々の接触部分とそれに各々付設の支持部との間に弾性的なクッション要素を配置することは有利であり得る。

従来技術に従う装置並びにその部分領域の拡大図を示す断面図である。本発明に従う装置の第１構成を示す部分断面図である。本発明に従う装置の第２構成を示す部分断面図である。弾力的に構成された接触要素を備えた本発明に従う装置の他の構成を示す部分断面図である。弾性的に構成された接触要素を備えた本発明に従う装置の他の構成を示す部分断面図である。

本発明の解決策を図１〜図５の実施例に基づき更に説明する。

図１は従来技術に従う装置の構成を示していて、パワー半導体モジュール（１）と、接続装置（２）と、外部の導体プレート（７：プリント回路板）とを備えている。構造の見易さのために冷却体（１８）が図示されている。

このパワー半導体モジュール（１）は電気絶縁式の基板（１０）を包囲するハウジング（３）を有する。基板（１０）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であるベースボディを有する。基板（１０）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されている導体パス（１２：導電トラック）を有する。基板（１０）のこれらの導体パス（１２）上にはパワー半導体素子（１４）が配置されていて回路に適して第１接触要素（６）を用いて接続されていて、この第１接触要素（６）は交互に設けられた連続層から形成されている。この連続層は、その詳細が図１の拡大図内で示されているが、導電性で各々それ自体が構造化されていてそれにより導体パスを形成する第１層（６０）及び第２層（６４）と、これらの層の間に配置されている絶縁層（６２）とから形成される。この際、第１導電層（６０）は点溶接接続部（６０２、６０６）を用いて回路に適してパワー半導体素子（１４）と接触している。更に第１接触要素（６）はハウジング（３）内の案内部分（３４）を通じてハウジング（３）の外面（３６）へと通じ、そこで、外部の導体プレート（７）との負荷接触及び制御接触（７２）のために適切に構成された接触部分（６６０、６６２）を有し、それらの接触はロウ付け接続部を用いて形成されている。

図２はパワー半導体モジュールを備えた本発明に従う装置の第１構成の部分断面図を示していて、図１のものと同じ構成要素については説明を省くものとする。接触要素（６）と共にパワー半導体モジュール（１）の左側が断面図として示されていて、その接触要素（６）はハウジング（３）の内部からハウジング（３）内の第１案内部分（３４）を通じてハウジング（３）の外面（３６）へと達し、この外面（３６）においてアーチ形状でそれにより弾力的に構成されている接触部分（６６）を形成している。更にこの第１接触部分（６６）にはハウジング（３）において支持部（３０）が付設されていて、この支持部（３０）は一体式にハウジング（３）の一部分から形成されている。更に支持部（３０）と第１接触部分（６６）の間には弾性クッション要素（４）が設けられていて、このクッション要素（４）は押付け接触時に第１接触要素（６）に作用するバネ力の維持のために用いられる。

更に接続装置（２）が図示されていて、この接続装置（２）は絶縁材成形体（２２）と第２接触要素（２４）とを有し、この第２接触要素（２４）はここでは帯板状に構成されていて、絶縁材成形体（２２）の第１主面（２２０）と平行に、パワー半導体モジュール（１）の第１接触要素（６）との接触のための第２接触部分（２４０）を形成している。更に第２接触要素（２４）は絶縁材成形体（２２）内の第２案内部分（２２４）を通じて第２主面（２２２）に達し、そこで外部の導体プレート（７）との接触のための第３接触部分（２４２）を形成している。

パワー半導体モジュール（１）と接続装置（２）との力締付け接続のための押圧力付勢は捩込み接続部（ボルト接続部）を用いて行われる。この際、パワー半導体モジュール（１）のハウジング（３）は、捩込み接続部（８）を受容するためのものであり突出し一体式に構成されている第１材料部分（３８）を有し、この部分はハウジング（３）の外面（３６）と一直線上に並んで面一に形成されている。同様に接続要素（２）は、突出し一体式に構成されている第２材料部分（２６）を有し、この部分は接続装置（２）の第１主面（２２０）と一直線上に並んで面一に形成されていて、第１材料部分（３８）に対応的に付設されている。両方の材料部分は互いに一直線上に並ぶ孔（８０）を有し、この孔（８０）は捩込み接続部（８）を受容するために用いられる。また外部の導体プレート（７）内の対応的に付設された他の孔（７０）が本発明に従う装置に外部の導体プレート（７）を取り付けるために用いられる。

図３は本発明に従う装置の他の構成の部分断面図を示している。上記のものと同じ構成要素については説明を省くものとする。ここではハウジング（３）の外面（３６）が第１接触部分（６６ａ）に付設されている支持部（３０）を同時に形成しているが、クッション要素は設けられていない。この際、接続装置（２）の第２接触要素（２４ａ）は帯板状でその第２接触部分（２４０ａ）ではアーチ形状でそれにより弾力的に構成されていて、帯板状の第２接触要素（２４ａ）の第２接触部分（２４０ａ）の終端片（２４４）は付設の第２支持部（２０ａ）に当接し、第２接触部分（２４０ａ）の凸状の湾曲部が押圧力付勢時にバネ作用を可能にする。

パワー半導体モジュール（１）との力締付け接続のための押圧力付勢はスナップロック接続部を用いて行われる。この際、接続装置（２）は突出し可動に構成されている材料部分（２８）を有し、この材料部分（２８）がロック装置（２８０）を形成している。それに対応しパワー半導体モジュール（１）のハウジング（３）は突出し堅固に形成されている材料部分（３２）を有し、この材料部分（３２）がロック支持部（３２０）として用いられる。

図４は本発明に従う装置の他の構成の部分断面図を示している。ここでは接続装置（２）の第２接触要素（２４ｂ）が針金状でその第２接触部分（２４０ｂ）ではフック形状に形成されていて、第２接触部分（２４０ｂ）が互いに逆方向の二重曲げ部を有し、それに付設の第２支持部（２０ｂ）がこの第２支持部側の曲げ部を支持している。

図５は第２接触要素（２４ｃ）の他の構成の部分断面図を示している。ここで第２接触要素（２４ｃ）は針金状であり適切なつる巻き部により螺線バネ状に形成されていて、第２接触部分（２４０ｃ）は第１つる巻き部においてそれに付設の支持部（２０ｃ）により支持される。

１パワー半導体モジュール
２接続装置
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ第２支持部
２２絶縁材成形体
２２０第１主面
２２２第２主面
２２４第２案内部分
２４、２４ａ第２接触要素
２４ｂ、２４ｃ第２接触要素
２４０、２４０ａ第２接触部分
２４０ｂ、２４０ｃ第２接触部分
２４２第３接触部分
２４４終端片
２６第２材料部分
２８材料部分
２８０ロック装置
３ハウジング
３０支持部
３２材料部分
３２０ロック支持部
３４第１案内部分
３６外面
３８第１材料部分
４クッション要素
６第１接触要素
６０第１導電層
６０２、６０６点溶接接続部
６６、６６ａ第１接触部分
６６０、６６２接触部分
６２絶縁層
６４第２導電層
７外部の導体プレート
７０孔
７２負荷接触部及び制御接触部
８捩込み接続部
８０孔
１０基板
１２導体パス
１４パワー半導体素子
１８冷却体

Claims

パワー半導体モジュール（１）と接続装置（２）とを備えた押付け接触式の装置において、
パワー半導体モジュール（１）が、ハウジング（３）と、第１接触要素（６）と、この第１接触要素（６）に付設の第１支持部（３０）とを有し、
第１接触要素（６）が、それ自体が構造化されていてそれにより導体パスを形成する少なくとも１個の導電層（６０、６４）と、少なくとも１個の電気絶縁層（６２）との交互に設けられた連続層から構成されていて、更にはハウジング（３）の外面（３６）に配置されている通過案内部（３４）からハウジング（３）内に達し且つ接続装置（２）と接触するための少なくとも１個の第１接触部分（６６）を有し、
接続装置（２）が、絶縁材成形体（２２）と、少なくとも１個の第２接触要素（２４）と、この第２接触要素（２４）に付設の第２支持部（２０）とを有し、
絶縁材成形体（２２）に付設の少なくとも１個の第２接触要素（２４）が、第１接触要素（６）の第１接触部分（６６）と接触するための第２接触部分（２４０）と、外部の導体プレート（７）と接触するための第３接触部分（２４２）とを有し、
少なくとも１個の接触部分がこの接触部分に付設の支持部に対して弾力的に構成されていることを特徴とする装置。
各々弾力的に構成されている接触要素（６、２４）の接触部分（６６、２４０）と、この接触部分に付設の第１支持部（３０、２０）との間に弾性的なクッション要素（４）が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
弾力的に形成されている第１又は第２接触部分が、アーチ形状（６６、２４０ａ）又はフック形状（２４０ｂ）又は螺旋形状（２４０ｃ）に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
接続装置（２）が少なくとも１個の第１突出部分（２６）を有し、ハウジング（３）が対応的に付設の少なくとも１個の第１突出部分（３８）を有し、両方の部分（２６、３８）が、捩込み接続部（８）を通過案内するための互いに一直線上に並ぶ孔（８０）を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
接続装置（２）の絶縁材成形体（２２）が、ロック装置（２８０）を備えた第２突出可動部分（２８）を有し、ハウジング（３）が、そのロック装置（２８０）に付設のロック支持部（３２０）を備えた第２突出部分（３２）を有する、又は、ハウジング（３）が、ロック装置（３９０）を備えた第２突出可動部分（３９）を有し、接続装置（２）の絶縁材成形体（２２）が、そのロック装置（３９０）に付設のロック支持部（２９０）を備えた第２突出部分（２９）を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。