JP2021119596A - パワー半導体モジュール - Google Patents

パワー半導体モジュール Download PDF

Info

Publication number
JP2021119596A
JP2021119596A JP2021012147A JP2021012147A JP2021119596A JP 2021119596 A JP2021119596 A JP 2021119596A JP 2021012147 A JP2021012147 A JP 2021012147A JP 2021012147 A JP2021012147 A JP 2021012147A JP 2021119596 A JP2021119596 A JP 2021119596A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
base plate
plane
power semiconductor
cross
semiconductor module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2021012147A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6978745B2 (ja
Inventor
ミラド・マレキ
Maleki Milad
ハラルト・バイヤー
Harald Bayer
ドミニク・トリューセル
Truessel Dominik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Energy Ltd
Original Assignee
ABB Power Grids Switzerland AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Power Grids Switzerland AG filed Critical ABB Power Grids Switzerland AG
Publication of JP2021119596A publication Critical patent/JP2021119596A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6978745B2 publication Critical patent/JP6978745B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
    • H01L23/4006—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs with bolts or screws
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/495—Lead-frames or other flat leads
    • H01L23/49541—Geometry of the lead-frame
    • H01L23/49544—Deformation absorbing parts in the lead frame plane, e.g. meanderline shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3157—Partial encapsulation or coating
    • H01L23/3171—Partial encapsulation or coating the coating being directly applied to the semiconductor body, e.g. passivation layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/495—Lead-frames or other flat leads
    • H01L23/49568—Lead-frames or other flat leads specifically adapted to facilitate heat dissipation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
    • H01L23/4006—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs with bolts or screws
    • H01L2023/4075—Mechanical elements
    • H01L2023/4081—Compliant clamping elements not primarily serving heat-conduction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
    • H01L23/4006—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs with bolts or screws
    • H01L2023/4075—Mechanical elements
    • H01L2023/4087—Mounting accessories, interposers, clamping or screwing parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3121—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed a substrate forming part of the encapsulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49838—Geometry or layout
    • H01L23/49844—Geometry or layout for devices being provided for in H01L29/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

【課題】生産性が改善された高品質のパワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】パワー半導体モジュールにおいて、ベースプレート１２は、クランプ部２８でクランプ力４０を加えることによって放熱素子２４に接続されるように構成され、成形部品の生産性が改善されるとともに長期信頼性および完全性が改善されている。【選択図】図３

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関する。本発明は、特に、製造されるモジュールの生産性および品質を改善するパワー半導体モジュールに関する。
パワー半導体モジュールは、一般的に当該技術では広く知られている。パワー半導体モジュールは、１つ以上のパワー半導体装置を含む電気回路を搭載することができるベースプレートを含み得る。パワー半導体モジュールを保護するために、パワー半導体モジュールの少なくとも一部を封止材料で封止することができる。この封止体はトランスファー成形プロセスにおいて形成することができる。トランスファー成形は、封止材料を金型に圧入することができる製造プロセスである。このプロセス中に、封止材料は、ベースプレート上の電気回路を覆うだけでなくベースプレートの端面も覆うことができる。
パワー半導体モジュールを確実に保護するために、通常、封止材料は、十分な機械的強度と、半導体モジュールの構成要素に対する良好な密着性と、化学的および電気的抵抗性と、高い熱安定性と、使用温度範囲における耐湿性とを有する。
パワー半導体モジュールの電気回路は熱を発生し得るものであり、パワー半導体モジュールの機能を維持するためにはこの熱を放散させる必要がある。パワー半導体モジュールのベースプレートから熱を放散させるためのさまざまな冷却技術があり、たとえば、効率的な放熱のために冷却材の流れを提供することができる冷却器にベースプレートを接触させるという冷却技術がある。平坦なベースプレートを備えたモジュールを冷却器の表面に固定してもよく、冷却フィンを有するベースプレートを備えたモジュールを冷却器の開口部に固定して冷却フィンが冷却材と接触するようにしてもよい。
ベースプレートを冷却器に装着する場合、冷却器とパワー半導体モジュールとを機械的に接続することによって装着することが多い。クランプ部を用いることにより、パワー半導体モジュールのベースプレートを、クランプ力によって冷却器に対して押圧することができる。クランプ力を加えることにより、ベースプレートと冷却器との間の接続を十分に緊密なものにする、および／またはベースプレートに面する冷却路を有する開放冷却器に冷却液が与えられる場合には適切な密封性を与えることができる。
しかしながら、クランプ力を封止材料に加えることが、封止材料に損傷を与えパワー半導体モジュールの完全性に影響する場合がある。
ＤＥ２０２０１５００６８９７Ｕ１には、リードフレーム等の相互接続装置を封止材料で封止されるベースプレートに接続することが記載されている。
ＤＥ１０２０１７２１８８７５Ａ１には、ベースプレートと、ベースプレートの上面に搭載された電子部品と、電子部品およびベースプレートを封止する封止体とを含むパワーモジュールが記載されている。封止体は、ベースプレートの上面の一部に、クランプ装置を用いてパワーモジュールを装着するために外部からアクセスできるように、設計されている。
しかしながら、上記引用文献には、とりわけパワー半導体モジュールの機械的完全性について、依然として改善の余地がある。
発明の概要
したがって、本発明の目的は、先行技術の少なくとも１つの短所を少なくとも一部克服するための解決策を提供することである。特に、本発明の目的は、生産性が改善された高品質のパワー半導体モジュールを提供することである。
これらの目的は、少なくとも一部、独立請求項１の特徴を有するパワー半導体モジュールによって達成される。これらの目的はさらに、少なくとも一部、独立請求項１３の特徴を有するパワー半導体モジュールと放熱素子とクランプ部とからなる装置によって達成される。好都合な実施形態は、従属請求項、以下の説明および図面において提供され、記載されている実施形態は、単独でも、それぞれの実施形態の任意の組み合わせとしても、明確に除外されない限り、本発明の特徴を提供する。
封止材料で少なくとも一部が覆われたベースプレートを備えるパワー半導体モジュールについて説明する。ベースプレートは、第１面と、第１面の反対側に位置する第２面と、第１面と第２面とを接続する端面とを含み、ベースプレートは、その第１面に電気回路が設けられるように構成され、ベースプレートは、その第２面を放熱素子と接触させるように構成され、ベースプレートは、その第１面において少なくとも１つの第１領域を含み、第１領域は、ベースプレートの端面に隣接して位置し、第１平面に延在し、少なくとも１つの第１領域において、ベースプレートには封止材料がなく、ベースプレートは、クランプ部でクランプ力を少なくとも１つの第１領域に加えることにより、放熱素子に接続されるように構成され、ベースプレートは、第１領域に隣接する端面において、少なくとも部分的に封止材料で覆われ、以下で定義される特徴ａ）および特徴ｂ）のうちの少なくとも一方が実現され、特徴ａ）および特徴ｂ）は、
ａ）端面において、封止材料は、第１平面と平行に延在する第１断面エリアと、第２平面における第２断面エリアとを有し、第２平面は第１平面と平行に延在しかつ第１平面とは異なり、第１断面エリアは、第２断面エリアと比較して、第１平面により近く、第１断面エリアは第２断面エリアよりも小さい、という特徴、および、
ｂ）クランプ部に作用しベースプレートを放熱素子に対して押圧するクランプ力によってベースプレートが放熱素子に接続される場合において、クランプ部は、第１平面と平行でありかつ第１平面に接する第３断面エリアを有し、クランプ部は、第１平面と平行に延在しかつ第１平面とは異なる第３平面において、第４断面エリアを有し、第３断面エリアは第４断面エリアよりも小さい、という特徴である。
このようなパワー半導体モジュールは、とりわけ放熱素子に接続されるときの、したがって製造プロセス中の、パワー半導体モジュールの機械的安定性について、先行技術を上回る重要な利点を提供する。さらに、ベースプレートの改善された封止を、封止材料の向上した完全性とともに得ることができる。
このように、本発明は、電気回路を搭載することができる第１面と、第１面の反対側に位置する第２面と、第１面と第２面とを接続する端面とを有するベースプレートを備える、パワー半導体モジュールに関する。このような構成はパワー半導体モジュールの構成として一般的に知られている。
ベースプレートは、その第２面を、電気回路から発生した熱を放散させるために放熱素子と接触させるように構成されている。放熱素子は、たとえば冷却液で冷却するような能動冷却器であってもよく、または、放熱素子は、たとえばヒートシンクのような受動冷却器であってもよい。ベースプレートを放熱素子に接続するためのクランプ力が封止材料に働くことを避けるために、またさらに、安定性が高い構成を実現するために、ベースプレートはその第１面において少なくとも１つの第１領域を含む。少なくとも１つの第１領域は、ベースプレートの端面に隣接して位置し、第１平面に延在する。言い換えると、第１平面は、ベースプレートの第１面の第１領域によって定められる。
第１面全体が第１平面に延在していてもよく、または、１つ以上の第１領域のみが第１平面に延在していてもよい。
ベースプレートの少なくとも１つの第１領域において、ベースプレートには封止材料がない。言い換えると、ベースプレートは、少なくとも１つの第１領域において、封止材料で覆われておらずしたがって封止材料に接触していない。ベースプレートの第１面上の封止材料がないこの第１領域において、クランプ部のクランプ力を直接ベースプレートに加えることができる。言い換えると、第１領域は、クランプ部を位置決めするための支持部の働きをする。したがって、封止材料に損傷を与える危険性は減じられる。よって、ベースプレートは、クランプ部でクランプ力をベースプレートの少なくとも１つの第１領域に、したがって直接ベースプレートに与えることにより、放熱素子に接続されるように構成されている。
ベースプレートの端面は、たとえば、ベースプレートの第１平面と第２面の平面とに対して垂直に配置された平面に延在していてもよい。少なくとも１つの第１領域に隣接する端面は、封止材料が第１平面に接することができるよう、その少なくとも一部が封止材料の特に薄い部分で覆われていてもよい。これはパワー半導体モジュールの生産性の改善につながり得る。なぜなら、パワー半導体モジュールの封止のために適用されるトランスファー成形プロセスによってベースプレートの端面を覆うことができるからである。トランスファー成形プロセスでは、ベースプレートを金型に入れてもよく部分的に封止材料で覆ってもよい。ベースプレートおよび金型の寸法の許容誤差のおかげで、とりわけ、トランスファー成形中には横方向のクランプが行われないので、少なくとも１つの第１領域に隣接する端面において、ベースプレートは少なくとも部分的に封止材料で覆われる。結果として、封止材料の、たとえば定められた厚さおよび寸法を有する定められた層が、提供されるはずである。言い換えると、端面に設けられた封止材料は、電気回路とベースプレートの一部とを封止するために使用されるトランスファー成形プロセスの結果であってもよい。
クランプ部でクランプ力を第１面の第１領域のベースプレートに加えることによってベースプレートを放熱素子に装着するときに、クランプ力は、封止材料が存在しない第１領域に加えられるだけでなく、少なくとも１つの第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆っている封止材料にも加えられる可能性がある。これは特に、端面を覆っている封止材料が第１平面に接している場合のことである。言い換えると、封止材料はクランプ部も支え得るものである。脆性挙動を示すことが多い典型的な封止材料の特性が原因で、封止材料に亀裂が発生する危険性は回避できないことが多く、パワー半導体モジュールの機械的安定性が危うくなる場合がある。
上記リスクを減じるために、本発明は２つの選択肢を提案し、これらの選択肢はいずれも、同等の解決策により、封止材料の亀裂の危険性を大幅に減じる。
第１の選択肢に従うと、封止材料は、第１領域に隣接するベースプレートの端面上に、この封止材料が第１断面エリアと第２断面エリアとを有するように設けられ、第１断面エリアは、第１平面と平行に延在しかつ任意で第１平面に接し、第２断面エリアは、第２平面にあり、第２平面は、第１平面と平行に延在しかつ第１平面とは異なり、第１断面エリアは第２断面エリアよりも小さい。
このように、第１断面エリアは、第１平面と平行であり、任意で第１平面に接することで、クランプ部と接触するエリアとして作用し得る。これは、ベースプレートの第１面を垂直方向に見下ろしたときにベースプレートの端面上に見える封止材料のエリアであってもよい。言い換えると、第１断面エリアは、第１平面に最も近くかつ第１平面と平行な断面エリアであってもよい。第２平面は、第１平面と平行であり、ベースプレートの第１平面と第２面との間に位置していてもよく、または、ベースプレートの第２面に相当するものであってもよい。封止材料の第２断面エリアは、封止材料を第２平面に沿って切断した場合の、ベースプレートの端面上の封止材料の切断面のエリアに相当するものであってもよい。第２断面エリアは、第１断面エリアよりも大きい。
このように、本実施形態では、第１平面から、第１平面に垂直でありかつ第２面の平面に向かって延在する平面までの、封止材料の端部領域は、第２面の平面から、第２面の平面に垂直でありかつ第１平面に向かって延在する平面までの、封止材料の端部領域と異なり得る。
したがって、封止材料は、第１平面と平行でありかつ第２面の平面と第１平面との間の中心にある平面について、対称形ではない可能性があることになる。
第１領域に隣接するベースプレートの端面上の封止材料のこのような設計は、クランプ力が加えられたときに封止材料に亀裂が発生するリスクを減じることを、見出すことができた。
より詳しくは、封止材料とクランプ部と間の接触エリアを小さくすることができるので、脆い封止材料に対する機械的影響も小さくなる。
さらに、この実施形態は、クランプ部から封止材料に加えられる圧力を、封止材料／ベースプレート界面の近くに作用させることができる。よって、クランプ部から封止材料に働くレバーの作用またはてこの効果をそれぞれ最小に減じることができる。このことが、封止材料の亀裂の危険性を大幅に減じる。
その結果、パワー半導体モジュールの製造およびクランプ中にパワー半導体モジュールに損傷が生じる危険性は大幅に減じられる。これにより、モジュールの製造中の欠陥および不良品の量を少なくすることができる。
それ以外にも、モジュールを最終的に適用する際に封止材料に破損部分が生じる危険性も大幅に減じられるので、モジュールの適用性が向上する。
さらに、パワー半導体装置が作業中に損傷を受ける危険性も減じられ、長期信頼性の改善が可能になる。
同一の利点を、第２の選択肢を考慮したときの代替またはその他のやり方で、得ることができ、第２の選択肢に従うと、クランプ部に作用しベースプレートを放熱素子に対して押圧するクランプ力によってベースプレートが放熱素子に接続される場合において、クランプ部が、第１平面と平行でありかつ第１平面に接する第３断面エリアを有し、クランプ部が、第１平面と平行に延在しかつ第１平面と異なる第３平面における第４断面エリアを有し、第３断面エリアは第４平面エリアよりも小さくなるように設計された、パワー半導体モジュールが提供される。
第３平面は、第１平面と平行であり、したがってベースプレートの第１面の第１領域と平行である。第３平面は、クランプエリアに対して圧力を加えるクランプ部の面の、ベースプレートの第１面と、平行に位置していてもよい。言い換えると、第３平面は、ベースプレートの第２面がベースプレートの第１面よりも下方に位置する場合、ベースプレートの第１面の上方に位置していてもよい。このように、第３断面エリアは、第１平面に最も近くしたがってベースプレートの第１領域と接触させることができる、クランプ部の断面エリアであってもよい。
クランプ部の第４断面エリアは、クランプ部を第３平面に沿って切断した場合の、クランプ部の切断面のエリアに相当するものであってもよい。いずれにしても、第４断面エリアは、第３断面エリアと比較して、第１平面からより遠い場所にある。
クランプ部のこのような設計は、クランプ部に作用しベースプレートを放熱素子に対して押圧するクランプ力によってベースプレートを放熱素子に接続する場合において、封止材料に亀裂が発生するリスクを減じる。よって、クランプ部から封止材料に働くレバーの作用またはてこの効果をそれぞれ最小に減じることができる。
第３断面エリアは第４断面エリアよりも小さいので、クランプ部に作用するクランプ力によってベースプレートを放熱素子に接続する場合において、クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触エリアは、第２平面の第２断面エリアよりも小さい。さらに、封止材料に対して働くレバーの作用は大幅に減じられ、これも亀裂の危険性を減じることになる。
また、要約すると、第４断面エリアは第３断面エリアよりも大きいので、潜在的に、クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触面積も、パワー半導体モジュールを放熱素子に装着するときに封止材料にしたがってパワー半導体モジュールに損傷が生じるリスクを減じる。
第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料に損傷が生じるリスクは、クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触エリアが小さいほど、低くなり得る。クランプ部と、ベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触エリアが全くない場合もあり得る。
上記２つの選択肢はいずれも、ベースプレートを放熱素子に接続する場合におけるクランプ部と封止材料との間の接触エリアを小さくする、またはゼロにさえすることができ、その結果、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料に対するクランプ力を減じることができる、という効果を有し得る。したがって、封止材料に生じ得る亀裂をより少なくすることができ、パワー半導体モジュールの機械的完全性を損なうリスクを減じることができる。
さらに、クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触エリアを減じるとともに、ベースプレート／封止材料界面から離れた場所から作用する圧力を減じることにより、ベースプレートの端面と、ベースプレートの端面を覆う封止材料との間の界面に作用するトルクも減じることができる。このことも、パワー半導体モジュールを放熱素子に装着するときにパワー半導体モジュールの機械的完全性を損なう危険性を減じる。
クランプ力は、放熱素子に接続することができ圧力をクランプ部に加えることができるねじによって生じさせることができる。クランプ部は、この圧力をベースプレートの第１領域上に伝える。クランプ部およびねじは、パワー半導体モジュールを放熱素子に装着するための固定装置を形成することができる。しかしながら、クランプ力の発生源は決してねじに限定されない。
先に述べたことを要約すると、パワー半導体モジュールは、とりわけ、放熱素子に接続されるときのパワー半導体モジュールの機械的安定性、および、製造される高品質モジュールに関して、多大な利点を提供する。
パワー半導体モジュールのベースプレートはその第１面において少なくとも１つの第２領域を含み得る。ベースプレートの第２領域に電気回路が設けられ、第２領域におけるベースプレートと、電気回路とのうちの少なくとも一方が、少なくとも部分的に封止材料で覆われる。ベースプレートは、少なくとも１つの第１領域だけでなく少なくとも１つの第２領域を含み得る。具体例として、パワー半導体モジュールの電気回路は、ベースプレートの少なくとも１つの第２領域に設けられてもよい。ベースプレートのこの少なくとも１つの第２領域は、ベースプレートの少なくとも１つの第１領域の隣であってもよい。また、少なくとも１つの第２領域がベースプレートの端部ではなく中央に存在することも可能であろう。ベースプレートの少なくとも１つの第２領域において、ベースプレートおよび／または電気回路は、少なくとも部分的に封止材料で覆われていてもよい。封止材料は、電気回路および／またはベースプレートと直接接触していてもよく、電気回路および／または第２領域におけるベースプレートの第１面を覆っていてもよい。
よって、１つ以上の第２領域（一般的に数は限定されず所望の必要性に応じて選択することができる）がパワー半導体モジュールの能動機器を配置するために設けられ、１つ以上の第１領域がベースプレートを放熱素子に固定するために役立つことが、明らかになる。
第１領域の数について、この数も、一般的に限定されず所望の必要に応じて選択することができる。よって、第１断面エリアに対応する断面クランプエリアの数は、所望の必要性に応じて選択することができる。たとえば、そのうちの２つが互いに反対側に位置する４つのクランプエリアを設けることができる。
機械的安定性の向上に関して、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料の第１断面エリアは、第２断面エリアより、少なくとも１５％小さい、たとえば、少なくとも２５％小さい、特に、少なくとも５０％小さいものであってもよい。さらに、第１断面エリアは第２断面エリアより７５％小さくてもよい。
よって、クランプ部に作用しベースプレートを放熱素子に対して押圧するクランプ力によってベースプレートを放熱素子に接続する場合において、第３断面エリアが、第４断面エリアより、少なくとも１５％小さい、たとえば、少なくとも２５％小さい、特に少なくとも５０％小さい、パワー半導体モジュールを提供することができる。
結果として、クランプ部に作用しベースプレートを放熱素子に対して押圧するクランプ力によってベースプレートを放熱素子に接続する場合において、クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触エリアが、第２断面エリアおよび第４断面エリアのうちの少なくとも一方よりも少なくとも１５％小さい、パワー半導体モジュールを提供することができる。
クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触エリアを、第２断面エリアよりも小さくすることにより、封止材料に亀裂が導入される危険性を効果的に減じることができる。これは、封止材料の第１断面エリアを、第２断面エリアよりも小さくすることによって実現できる。しかしながら、パワー半導体モジュールの機械的安定性という理由から、ベースプレートの端面上から封止材料を完全になくさないことが好都合であろう。したがって、上記割合の数値は、ベースプレートの端面上に封止材料を置くことでベースプレートの端面を保護することと、パワー半導体モジュールを放熱素子に装着するときにパワー半導体モジュールに損傷を与えるリスクを減じることとを両立させる、妥当な数値であろう。
先に述べたように、第２平面は、ベースプレートの第１面の平面とベースプレートの第２面の平面との間にあってもよく、または、ベースプレートの第２面の平面に相当するものであってもよい。具体例として、第２平面がベースプレートの第２面の平面に相当するパワー半導体モジュールを提供することができる。第２平面は、ベースプレートの端面上の封止材料の第２断面エリアを定める。この第２平面の位置の選択により、ベースプレートの端面上の封止材料の安定性を大幅に高めることができる。
先に述べた、封止材料に損傷を与える危険性の低減は、第１領域に隣接するベースプレートの端面上の封止材料の厚さを変化させることによって実現することができる。これに従うと、封止材料が第１平面において第１厚さを有し第２平面において第２厚さを有し第１厚さが第２厚さよりも小さい、パワー半導体モジュールを提供することができる。具体例として、第１厚さおよび第２厚さは、ベースプレートの端面に垂直な方向において求めることができる。言い換えると、第１平面に垂直でありかつベースプレートの端面に垂直な平面に沿う、パワー半導体モジュールの断面図を見ると、第１厚さおよび第２厚さはこの断面図で直接示すことができる。
先に述べた、第１領域に隣接するベースプレートの端面上の封止材料の厚さを変化させることについて、したがって、第１厚さおよび第２厚さについて、ベースプレートの端面上の封止材料が、円弧、１つの段差または複数の段差、斜面（bevel）、および面取り（chamfer）のうちの少なくとも１つの形状を有し得る、パワー半導体モジュールを提供することができる。このことは、第１厚さを第２厚さよりも小さくできるだけでなく、第１厚さと第２厚さとを接続する封止材料の境界が、円弧、１つの段差または複数の段差、斜面、および／または面取りのうちの少なくとも１つの形状を有し得ることを、意味する。
円弧の形状を有するということは、封止材料の境界の曲率を一定にできることを意味し得る。言い換えると、上記断面図において、第１厚さと第２厚さとを円弧で接続できることがわかるであろう。曲率は正でも負でもよく、このことは、封止材料の断面の境界が凸状でも凹状でもよいことを意味する。
１つの段差または複数の段差の形状を有するということは、第１厚さと第２厚さとを接続する封止材料の境界の方向が急激に変化することを意味し得る。さらに、方向の変化は、およそ９０度、たとえば９０度＋／−２０％であってもよい。言い換えると、上記断面において、第１厚さと第２厚さとを、階段関数の形態を有する線で接続できることが、わかるであろう。
斜面の形状を有するということは、第１厚さと第２厚さとを接続する封止材料の境界が一定の傾斜を有することを意味し得る。言い換えると、上記断面図において第１厚さと第２厚さとを直線で接続できることがわかるであろう。
さらに、斜面の形状を有するということは、第１厚さがゼロまたはゼロに近くてもよいことを意味し得る。このことは、クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面上の封止材料との間の接触エリアが、ゼロまたはゼロに近くてもよいことを、意味し得る。
面取りの形状を有するということは、第１厚さと第２厚さとを接続する封止材料の境界が一定の傾斜を有することを意味し得る。言い換えると、上記断面図において、第１厚さと第２厚さとを直線で接続できることがわかるであろう。しかしながら、斜面と比較した場合、面取りの形状を有するということは、第１厚さがゼロに近くはないであろうことを意味し得る。これはまた、クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面上の封止材料との間の接触エリアが、ゼロなくてもよいことを、意味し得る。
さらに、第１厚さが第２厚さよりも小さい限りにおいて、第１厚さと第２厚さとを接続する封止材料の境界は、その他任意の形状を有することも可能であろう。よって、上記断面図において、第１厚さと第２厚さとは、指数関数、放物線、双曲線、またはこれらの可能性のうちのいずれかを組み合わせたものの形状を有する線で、接続されていてもよい。
さらに他の実施形態に従うと、第２厚さ、たとえばベースプレートの端面にある封止材料の最大厚さは、０．１ｍｍ〜１０．０ｍｍ、たとえば０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲であってもよい。パワー半導体モジュールは、第２厚さが大きい場合により良好に保護することができる場合がある。さらに、第１厚さは、０．０５ｍｍ以上であってもよいが、第１厚さを第２厚さよりも小さくすることができる。
さらに他の実施形態に従うと、第１厚さは、０．０５ｍｍ未満、たとえば０ｍｍと０．０５ｍｍとの間であってもよい。この文脈において、第１平面から第２面の平面まで延びるベースプレートの厚さは、端面上の封止材料の平行な厚さと同一であってもよい、パワー半導体モジュールを提供することができる。ベースプレートの厚さは、ベースプレートの第１平面と第２面の平面との間の最短距離であってもよい。ベースプレートの厚さは、ベースプレートの第１平面と第２面に対して垂直に測定することができる。第１領域に隣接する端面上の封止材料の平行な厚さは、ベースプレートの厚さと平行であってもよい。同一であるということは、封止材料の平行な厚さが、より小さい厚さを意味するベースプレートの厚さの＋／−１０％に等しいことを、意味し得る。たとえば、同一であるということは、封止材料の平行な厚さが、より小さい厚さを意味する−１０％の誤差を許容するベースプレートの厚さに等しいことを、意味し得る。実質的にベースプレートの厚さである、ベースプレートの端面上の封止材料の平行な厚さにより、ベースプレートの端面の保護性を高めることができる。言い換えると、このことは、ベースプレートの端面全体を封止材料で覆うことができることを、意味し得る。さらに、これにより、トランスファー成形プロセスによるパワー半導体モジュールの生産性を高めることができる。
先に述べたように、パワー半導体モジュールのベースプレートは少なくとも１つの第１領域を含み、ベースプレートの第１面における第１領域に封止材料はない。ベースプレートを放熱素子に機械的に接続するには２つ以上の第１領域があるのが好都合であろう。したがって、ベースプレートが少なくとも２つの第１領域、たとえば４つの第１領域を含む、パワー半導体モジュールを提供することができる。具体例として、ベースプレートの第１面に２つの第１領域があり、この２つの第１領域に封止材料はなく、この２つの第１領域は、双方がベースプレートの端面に隣接し、対向して位置していてもよい。したがって、ベースプレートを放熱素子により簡単にかつ確実に接続することができる。
さらに他の具体例として、ベースプレートは４つの第１領域を含み得る。実質的に矩形のベースプレートの場合、これらの４つの第１領域は、矩形の各辺が４つの第１領域のうちの１つの第１領域の隣になるように位置していてもよい。特に、これらの４つの第１領域は、矩形の、対向する２つの辺が、４つの第１領域のうちの２つの隣になるように位置していてもよい。よって、第１領域のうちの１つは、矩形の同じ面上のもう１つの第１領域の隣に位置していてもよい。しかしながら、とりわけパワーモジュールが矩形でない場合、任意の数の第１領域が任意の位置に存在することも可能である。
ベースプレートを放熱素子に接続するために、ベースプレートは、決して必須ではないが選択肢として、少なくとも１つの第１領域に、リセスおよび／または孔を含み得る。具体例として、ベースプレートは、すべての第１領域においてリセスおよび／または孔を含む。特に、ベースプレートは、ベースプレートを放熱素子に固定するための、リセス、ねじ穴、取付穴および／またはその他任意のデバイスを含み得る。リセスは、半円形状または円の少なくとも一部の形状であってもよい。リセスは、どちらもリセスを有する２つのベースプレートが隣り合って位置する場合に、２つのリセスが合わさってねじ穴を形成できる、という利点を有し得る。したがって、これら２つのベースプレートは、１つのねじで同時に放熱素子に装着することができる。
既に先に述べたように、パワー半導体モジュールは、実質的に矩形または平行四辺形の形状を有し得る。実質的に矩形の形状は、角が丸い矩形の形状であってもよい。実質的に矩形の形状は、いくつかのパワー半導体モジュールを積み重ねる可能性がある場合、または、パワー半導体モジュールを放熱素子もしくはその他任意の追加の構成要素に装着する場合に有利である可能性がある。しかしながら、所望の必要に応じて、パワー半導体モジュールの、たとえばベースプレートのその他の形状も可能である。
パワー半導体モジュールのさらに他の利点および技術的特徴に関して、パワー半導体とクランプ部と放熱素子とを備える装置、図面、および以下の説明を参照する。
本発明はさらに、パワー半導体モジュールと放熱素子とクランプ部とを備える装置に関し、パワー半導体モジュールはベースプレートを備え、ベースプレートは、クランプ部に作用しベースプレートを放熱素子に対して押圧するクランプ力によって放熱素子に接続され、パワー半導体モジュールは、以下の説明で述べるように構成される。
上記装置において、ベースプレートの第１面の第１領域上のクランプ部を用いてクランプ力を加えることにより、ベースプレートを放熱素子に装着する。クランプ部は、ベースプレートの第１面の第１領域に直接接触していてもよい。クランプ力は、パワー半導体モジュールを放熱素子に向けて押し下げるために、かつ、ベースプレートの第２面と放熱素子との間を密封するために使用することができる、ねじ切りされたクランプにより、発生することができる。封着リングを放熱素子の溝に設けて密封してもよい。
クランプ力は高圧力なので、封止材料の損傷を回避するために、ベースプレートの第１領域は封止材料で覆われていない。さらに、クランプ力は、封止材料がないベースプレートの第１領域に加えられるだけでなく、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料にも加えられるので、損傷が発生する危険性を減じるために、以下で定義される特徴ａ）または特徴ｂ）が実現される。特徴ａ）および特徴ｂ）は、
ａ）端面において、封止材料は、第１平面と平行に延在し任意で第１平面に接する第１断面エリアと、第２平面における第２断面エリアとを有し、第２平面は第１平面と平行に延在しかつ第１平面とは異なり、第１断面エリアは、第２断面エリアよりも小さい、という特徴、および、
ｂ）クランプ部に作用しベースプレートを放熱素子に対して押圧するクランプ力によってベースプレートが放熱素子に接続される場合において、クランプ部は、第１平面と平行でありかつ第１平面に接する第３断面エリアを有し、クランプ部は、第１平面と平行に延在しかつ第１平面とは異なる第３平面において、第４断面エリアを有し、第３断面エリアは、第４断面エリアよりも小さい、という特徴である。
上記装置は、封止材料に亀裂が導入される危険性の効果的な低減をもたらし得る。そのため、パワー半導体モジュールの機械的安定性が増す。
特徴ａ）および特徴ｂ）の双方が、クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触エリアの低減をもたらすことができる。よって、特徴ａ）が実現されてもよく、または特徴ｂ）が実現されてもよく、特徴ａ）および特徴ｂ）の双方が実現されてもよい。
クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触エリアの低減は、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料に対するクランプ力およびトルクの低減、および／またはレバー効果の低減を、もたらし得る。そのため、封止材料に発生する亀裂を少なくすることができ、パワー半導体モジュールの機械的完全性を損なうリスクを低減することができる。
上記接触エリアの低減は、パワー半導体モジュールの説明において述べたベースプレートの端面上の封止材料の設計によって実現することができる。さらに、これもパワー半導体モジュールの説明において述べたクランプ部の設計によって実現することができる。
クランプ部の設計に関して、第３断面エリアは、第４断面エリアよりも少なくとも１５％小さくてもよい。これは、クランプ部の厚さを変化させることによって実現することができる。これに対応して、第１断面エリアは、第２断面エリアよりも少なくとも１５％小さくてもよい。これは、ベースプレートの端面の封止材料の厚さを変化させることによって実現することができる。
このように、クランプ部が第１平面において第１厚さを有してもよく第３平面において第２厚さを有してもよく第１厚さを第２厚さよりも小さくすることができる、装置を提供することができる。クランプ部の第１厚さおよび第２厚さは、ベースプレートの端面に垂直な方向において求めることができる。
上記クランプ部の厚さを変化させることについて、クランプ部が円弧、１つの段差または複数の段差、および／または面取りの形状を有する装置を提供することができる。言い換えると、クランプ部の第１厚さを第２厚さよりも小さくすることができるだけでなく、第１厚さと第２厚さとを接続するクランプ部の境界も、円弧、１つの段差または複数の段差、および／または面取りの形状を有し得る。
円弧の形状を有するということは、クランプの境界の曲率を一定にできることを意味し得る。言い換えると、第１平面に垂直でありかつベースプレートの端面に垂直である平面における断面図において、第１厚さと第２厚さとを円弧で接続できることがわかるであろう。曲率は正でも負でもよく、このことは、クランプ部の境界が凸状でも凹状でもよいことを意味する。
１つの段差または複数の段差の形状を有するということは、第１厚さと第２厚さとを接続するクランプ部の境界の方向が急激に変化することを意味し得る。さらに、方向の変化は、およそ９０度であってもよい。言い換えると、上記断面図において、第１厚さと第２厚さとを階段関数の形態を有する線で接続できることがわかるであろう。
面取りの形状を有するということは、第１厚さと第２厚さとを接続するクランプ部の境界が一定の傾斜を有することを意味し得る。言い換えると、上記断面図において、第１厚さと第２厚さとを直線で接続できることがわかるであろう。
さらに、クランプ部の第１厚さが第２厚さよりも小さい限りにおいて、第１厚さと第２厚さとを接続するクランプ部の境界は、何らかの他の形状、たとえば任意の形状を有することも可能であろう。よって、上記断面図において、第１厚さと第２厚さとは、指数関数、放物線、双曲線、またはこれらの可能性のうちのいずれかを組み合わせたものの形状を有する線で、接続されていてもよい。
一般的に、ベースプレートにはこのように封止材料が設けられており、ベースプレートの少なくとも１つの第１領域において、ベースプレートの第１面には封止材料がなく、第１領域に隣接するベースプレートの端面は、少なくとも部分的に封止材料で覆われ、封止材料は第１平面に接し、特徴ａ）および特徴ｃ）のうちの少なくとも一方が当てはまる。これらの特徴は、
ａ）端面において、封止材料は、第１平面と平行に延在し任意で第１平面に接する第１断面エリアと、第２平面における第２断面エリアとを有し、第２平面は第１平面と平行に延在しかつ第１平面とは異なり、第１断面エリアは、第２断面エリアと比較して、第１平面により近く、第１断面エリアは、第２断面エリアよりも小さい、という特徴、および、
ｃ）クランプ部に作用しベースプレートを放熱素子に対して押圧するクランプ力によってベースプレートが放熱素子に接続される場合において、クランプ部と、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料との間の接触エリアは、第１平面と平行に延在しかつ第１平面とは異なる第２平面における第２断面エリアよりも小さいという、特徴である。
この点に関し、ベースプレートに封止材料を設けるステップはトランスファー成形プロセスを含み得る。
具体例として、封止材料は、トランスファー成形プロセスにおいて、ベースプレートの第１面の上と、第１領域に隣接するベースプレートの端面の上とに設けてもよい。
ベースプレートに封止材料を設けるステップによりパワー半導体モジュールを得てもよく、ベースプレートの端面上の封止材料は特徴ａ）および／または特徴ｃ）を有する。
これに代えて、ベースプレートの端面上の封止材料は、特徴ａ）および／または特徴ｃ）を実現するために、次の処理ステップにおいて後処理されてもよい。
この文脈において、後処理する方法は、第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料を面取りし、および／または傾斜をつけて切断するステップを含み得る。これは、上記特徴を実現するため、かつ、パワー半導体を放熱素子に接続する際に封止材料に損傷を与えるリスクを低減するための、簡単な方法となり得る。第１領域に隣接するベースプレートの端面を覆う封止材料は、封止材料が第２断面エリアよりも小さい第１断面エリアを有するように、面取りされ、および／または傾斜をつけて切断されてもよい。
さらに、この方法はクランプ部を与えるステップを含み得る。クランプ部は、クランプ部に作用しベースプレートを放熱素子に対して押圧するクランプ力によってベースプレートを放熱素子に接続する場合において、クランプ部が、第１平面と平行でありかつ第１平面に接する第３断面エリアを有していてもよく、また、クランプ部が、第１平面と平行でありかつ第１平面と異なる第３平面において第４断面エリアを有していてもよく、第３断面エリアは第４断面エリアよりも小さくてもよい。
先に述べたことを要約すると、本発明は、とりわけパワー半導体を放熱素子に装着するときに封止材料に損傷を与える危険性を減じることに関して、特にベースプレートの端面における封止材料においてパワー半導体モジュールの機械的安定性を如何にして高め、かつ、パワー半導体モジュールの生産性を如何にして高めるかという、重要な課題を解決する。
パワー半導体とクランプ部と放熱素子とを備える装置のさらに他の利点および技術的特徴に関して、パワー半導体モジュール、図面、および以下の説明を参照する。
本発明の上記およびその他の局面は、以下に記載の実施形態を参照すると明らかになり解明されるであろう。実施形態に開示されている個々の特徴は、単独で、または組み合わされて本発明のある局面を構成することができる。さまざまな実施形態の特徴は、ある実施形態から別の実施形態に引き継がれ得るものである。
本発明の第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールの概略斜視図を示す。 図１の実施形態のパワー半導体モジュールの一部を切り取ったものの概略斜視図を示す。 図１の実施形態のパワー半導体モジュールの断面図を示す。 図１の実施形態のパワー半導体モジュールの概略断面図を示す。 本発明の別の実施形態に係るパワー半導体モジュールの概略断面図を示す。
実施形態の説明
図１は、パワー半導体モジュール１０の概略斜視図を示す。図２は、図１のパワー半導体モジュール１０の一部を切り取ったものの詳細な斜視図を示す。パワー半導体モジュール１０は、封止材料１４で少なくとも一部が覆われたベースプレート１２を備える。パワー半導体モジュール１０のベースプレート１２は、第１面１６と、第１面１６の反対側に位置する第２面１８とを含む。第１面１６と第２面１８とはベースプレート１２の端面２０によって接続されている。ベースプレート１２は、その第１面１６に電気回路が設けられるように構成されている。図１の斜視図においてベースプレート１２の第２面１８は見えていない。
図３は、パワー半導体モジュール１０を放熱素子２４に装着する場合における、ベースプレート１２の第１面１６に垂直でありかつベースプレート１２の端面２０に垂直である図１に示される断面６８ａに沿う、パワー半導体モジュール１０の断面図を示す。図１の斜視図では、ベースプレート１２の第２面１８は示されていない。
ベースプレート１２は、その第２面１８において放熱素子２４と接触するように構成されている。ベースプレート１２を放熱素子２４に装着するために、ベースプレート１２の第１面１６は少なくとも１つの第１領域２６を含み、第１領域２６は、ベースプレート１２の端面２０に隣接して位置し、封止部材１４が存在しない、すなわち封止材料１４で覆われていない。この第１領域２６においてベースプレート１２は第１平面２２を定める。
ベースプレート１２は、ベースプレート１２の第１面１６の第１領域２６の上に、矢印４０で示されるクランプ力をクランプ部２８によって加えることにより、放熱素子２４に接続されるように構成されている。クランプ部２８は、図１では認識できないが、ベースプレート１２を放熱素子２４に装着する原理を示す図３において認識することができる。
ベースプレート１２を放熱素子２４に装着するために、クランプ部２８をベースプレート１２の第１領域２６に対して押圧する。クランプ力は、放熱素子２４にねじ込まれるねじ３０によって発生する。この実施形態において、封着リング３２を放熱素子２４の溝３４に配置することによって密封性を与えることができる。図１〜図３において認識できるように、第１領域２６に隣接するベースプレート１２の端面２０は、少なくとも一部が封止材料１４で覆われている。
図１に示されるパワー半導体モジュール１０は、４つの第１領域２６を含み、そのうちの２つは、図１の斜視図で認識できる位置にある。図１で認識できるように、２つの第１領域２６は、ベースプレート１２の面において隣り合っている。２つの第１領域２６の間には、２つの第１領域２６を隔てる封止材料がある。さらに、図１のパワー半導体モジュール１０は、封止材料１４で覆われている電気回路を電気的に接続するための複数のコンタクト７２を、封止材料１４の外部において含む。この実施形態において、コンタクト７２は、第１領域２６が存在しないベースプレート１２の面上に位置している。
図２は、ベースプレート１２の第１領域２６の詳細図を示し、この領域において、ベースプレート１２の第１面１６には封止材料１４がない。第１領域２６に隣接するベースプレート１２の端面２０は、封止材料１４で覆われている。クランプ力を加えるときにベースプレート１２の端面２０上の封止材料１４に損傷を与えるリスクを減じるために、第１平面２２と平行でありかつ第１平面２２と接する封止材料１４の第１断面エリア４４は、第１平面２２と平行である第２平面３８における封止材料１４の第２断面エリア３６よりも小さい。
さらに、図１で認識できるように、ベースプレート１２は、第１領域２６においてリセス６６を含み、リセス６６は、パワー半導体モジュール１０を放熱素子２４に装着する際のねじ３０のための空間を与える。
図４は、パワー半導体モジュール１０を放熱素子２４に装着する場合における、第１平面２２に垂直でありかつベースプレート１２の端面２０に垂直である断面６８ｂに沿う、パワー半導体モジュール１０のもう１つの断面図を示す。しかしながら、放熱素子２４は図４には示されていない。そのため、図４では、ベースプレート１２、クランプ部２８および封止材料１４のみが認識できる。クランプ部２８によってベースプレート１２に加えられるクランプ力は、矢印４０で表されている。
クランプ部２８に作用しベースプレート１２を放熱素子２４に対して押圧するクランプ力によってベースプレート１２を放熱素子２４に接続する場合における、クランプ部２８と、第１領域２６に隣接するベースプレート１２の端面２０を覆う封止材料１４との間の接触エリア４２は、第２平面３８における封止材料１４の第２断面エリア３６よりも小さい。
さらに、図４からわかるように、封止材料１４は、第１平面２２において第１厚さ４６を有し、第２平面３８において第２厚さ４８を有し、第１厚さ４６および第２厚さ４８は、ベースプレート１２の端面２０に垂直な方向において求められる厚さであり、第１厚さ４６は第２厚さ４８よりも小さい。
また、図４において認識できるように、第１厚さ４６が第２厚さ４８よりも小さいだけでなく、第１厚さ４６と第２厚さ４８とを接続する封止材料１４の境界５０は、面取りの形状を有する。このことは、封止材料１４の境界５０が一定の傾斜を有することを意味する。さらに、この実施形態において、第１厚さ４６は一例として０．５ｍｍであり、第２厚さ４８は１ｍｍである。
図５は、パワー半導体モジュール１０の別の実施形態を概略断面図で示す。図４の実施形態に類似するこの実施形態において、クランプ部２８に作用しベースプレート１２を放熱素子２４に対して押圧するクランプ力によってベースプレート１２を放熱素子２４に接続する場合における、クランプ部２８と、第１領域２６に隣接するベースプレート１２の端面２０を覆う封止材料１４との間の接触エリア４２は、第２平面３８における封止材料１４の第２断面エリア３６よりも小さい。
しかしながら、図４の実施形態とは異なり、ベースプレート１２の端面２０上の封止材料１４の第１厚さ４６は、封止材料１４の第２厚さ４８と実質的に同一である。代わりに、第１平面２２と平行な第３平面５４におけるクランプ部２８の第４断面エリア５２は、第１平面２２における第３断面エリア７０よりも大きい。
第３平面５４はまた、第１平面２２と平行なので、ベースプレート１２の第１面１６の第１領域２６とも平行である。図５において、第３平面５４は、ベースプレート１２の第１面１６よりも上に位置する。
また、図５で認識できるように、クランプ部２８は、第１平面２２において第１厚さ５６を有し、第３平面５４において第２厚さ５８を有し、第１厚さ５６は第２厚さ５８よりも小さい。図４の実施形態と同様に、クランプ部２８の境界６０は面取りの形状を有する。
すべての実施形態において、ベースプレート１２は、その第１面１６において第２領域６２を含む。第２領域６２は封止材料１４で覆われている。第２領域６２において、ベースプレート１２の第１面１６に電気回路が設けられる。
さらに、第１領域２６に隣接するベースプレート１２の端面２０を覆う封止材料１４は、ベースプレート１２の厚さと実質的に等しい平行な厚さ６４を有する。ベースプレート１２の厚さは、ベースプレートの第１平面２２と第２面１８との間の最短距離であってもよい。ベースプレートの端面２０上の封止材料１４の平行な厚さ６４は、ベースプレートの厚さと平行な方向において求められる。
本発明を図面および上記記載において詳細に例示し説明してきたが、このような例示および説明は、限定ではなく例示または具体例とみなされるべきものであり、本発明は、開示されている実施形態に限定されない。開示されている実施形態のその他の変形は、当業者が、クレームされている発明を実施するにあたり、図面、本開示、および以下の請求項を検討することによって理解および実行できるものである。請求項において、「備える／含む」という文言は、その他の要素またはステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を除外するものではない。特定の手段が単に異なる従属請求項に記載されているだけで、そのことが、これらの手段の組み合わせを有利に使用できないことを示す訳ではない。請求項におけるいかなる参照符号も範囲を限定するものと解釈されてはならない。
参照符号のリスト
１０ パワー半導体モジュール
１２ ベースプレート
１４ 封止材料
１６ 第１面
１８ 第２面
２０ 端面
２２ 第１平面
２４ 放熱素子
２６ ベースプレートの第１領域
２８ クランプ部
３０ ねじ
３２ 封着リング
３４ 溝
３６ 封止材料の第２断面エリア
３８ 第２平面
４０ クランプ力を表す矢印
４２ クランプ部と封止材料との間の接触エリア
４４ 封止材料の第１断面エリア
４６ 封止材料の第１厚さ
４８ 封止材料の第２厚さ
５０ 封止材料の境界
５２ クランプ部の第４断面エリア
５４ 第３平面
５６ クランプ部の第１厚さ
５８ クランプ部の第２厚さ
６０ クランプ部の境界
６２ ベースプレートの第２領域
６４ 封止材料の厚さ
６６ リセス
６８ 断面図の面
７０ クランプ部の第３断面エリア
７２ コンタクト

Claims (15)

  1. 封止材料（１４）で少なくとも一部が覆われたベースプレート（１２）を備えるパワー半導体モジュール（１０）であって、
    前記ベースプレート（１２）は、第１面（１６）と、前記第１面（１４）の反対側に位置する第２面（１８）と、前記第１面（１６）と前記第２面（１８）とを接続する端面（２０）とを含み、
    前記ベースプレート（１２）は、その前記第１面（１６）に電気回路が設けられるように構成され、前記ベースプレート（１２）は、その前記第２面（１８）を放熱素子（２４）と接触させるように構成され、
    前記ベースプレート（１２）は、その前記第１面（１６）において少なくとも１つの第１領域（２６）を含み、前記第１領域は、前記ベースプレート（１２）の前記端面（２０）に隣接して位置し、第１平面（２２）に延在し、
    前記少なくとも１つの第１領域（２６）において、前記ベースプレート（１２）には前記封止材料（１４）がなく、前記ベースプレート（１２）は、クランプ部（２８）でクランプ力を前記少なくとも１つの第１領域（２６）に加えることにより、前記放熱素子（２４）に接続されるように構成され、
    前記ベースプレート（１２）は、前記第１領域（２６）に隣接する前記端面（２０）において、少なくとも部分的に前記封止材料（１４）で覆われ、
    以下で定義される特徴ａ）および特徴ｂ）のうちの少なくとも一方が実現されることを特徴とし、前記特徴ａ）および前記特徴ｂ）は、
    ａ）前記端面（２０）において、前記封止材料（１４）は、前記第１平面（２２）と平行に延在する第１断面エリア（４４）と、第２平面（３８）における第２断面エリア（３６）とを有し、前記第２平面（３８）は前記第１平面（２２）と平行に延在しかつ前記第１平面（２２）とは異なり、前記第１断面エリア（４４）は、前記第２断面エリア（３６）と比較して、前記第１平面により近く、前記第１断面エリア（４４）は前記第２断面エリア（３６）よりも小さい、という特徴、および、
    ｂ）前記クランプ部（２８）に作用し前記ベースプレート（１２）を前記放熱素子（２４）に対して押圧する前記クランプ力によって前記ベースプレート（１２）が前記放熱素子（２４）に接続される場合において、前記クランプ部（２８）は、前記第１平面（２２）と平行でありかつ前記第１平面（２２）に接する第３断面エリア（７０）を有し、前記クランプ部（２８）は、前記第１平面（２２）と平行に延在しかつ前記第１平面（２２）とは異なる第３平面（５４）において、第４断面エリア（５２）を有し、前記第３断面エリア（７０）は前記第４断面エリア（５２）よりも小さい、という特徴である、パワー半導体モジュール（１０）。
  2. 前記ベースプレート（１２）は、その前記第１面（１６）において少なくとも１つの第２領域（６２）を含み、前記ベースプレート（１２）の前記第２領域（６２）に前記電気回路が設けられ、前記第２領域（６２）における前記ベースプレート（１２）と前記電気回路とのうちの少なくとも一方が、少なくとも部分的に前記封止材料（１４）で覆わ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（１０）。
  3. 前記クランプ部（２８）に作用し前記ベースプレート（１２）を前記放熱素子（２４）に対して押圧する前記クランプ力によって前記ベースプレート（１２）が前記放熱素子（２４）に接続される場合において、前記クランプ部（２８）と、前記第１領域（２６）に隣接する前記ベースプレート（１２）の前記端面（２０）を覆う前記封止材料（１４）との間の接触エリア（４２）は、前記第２断面エリア（３６）および前記第４断面エリア（５２）のうちの少なくとも一方よりも少なくとも１５％小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  4. 前記第１断面エリア（４４）は前記第２断面エリア（３６）よりも少なくとも１５％小さい、または、前記第３断面エリア（７０）は前記第４断面エリア（５２）よりも少なくとも１５％小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  5. 前記第２平面（３８）は前記第２面の平面に相当することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  6. 前記端面（２０）上の前記封止材料（１４）は、円弧、１つの段差または複数の段差、斜面、および面取りのうちの少なくとも１つの形状を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  7. 前記第１平面（２２）から前記第２面（１８）の平面まで延びる前記ベースプレート（１２）の厚さは、前記端面（２０）上の前記封止材料（１４）の平行な厚さ（６４）と比較して同一であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  8. 前記ベースプレート（１２）が少なくとも２つの第１領域（２６）を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  9. 前記少なくとも１つの第１領域（２６）において、前記ベースプレート（１２）は、リセス（６６）と孔とのうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  10. 特徴ａ）が実現されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  11. 特徴ｂ）が実現されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  12. 前記第１断面エリア（４４）が前記第１平面（２２）に接していることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール（１０）。
  13. パワー半導体モジュール（１０）と放熱素子（２４）とクランプ部（２８）とを備える装置であって、前記パワー半導体モジュール（１０）はベースプレート（１２）を備え、前記ベースプレート（１２）は、前記クランプ部（２８）に作用し前記ベースプレート（１２）を前記放熱素子に対して押圧するクランプ力によって前記放熱素子（２４）に接続され、前記パワー半導体モジュールが請求項１〜１２のいずれか１項に従い構成されることを特徴とする、装置。
  14. 特徴ａ）が実現される、特徴ｂ）が実現される、または、特徴ａ）および特徴ｂ）の双方が実現されることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
  15. 前記クランプ部（２８）に作用し前記ベースプレート（１２）を前記放熱素子（２４）に対して押圧する前記クランプ力によって前記ベースプレート（１２）が前記放熱素子（２４）に接続される場合において、前記クランプ部（２８）と、前記第１領域（２６）に隣接する前記ベースプレート（１２）の前記端面（２０）を覆う前記封止材料（１４）との間の接触エリア（４２）は、前記第２平面（３８）における前記封止材料（１４）の前記第２断面エリア（３６）よりも小さいという、特徴ｃ）が実現されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の装置。
JP2021012147A 2020-01-29 2021-01-28 パワー半導体モジュール Active JP6978745B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20154276.8A EP3859774B1 (en) 2020-01-29 2020-01-29 Power semiconductor module
EP20154276 2020-01-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021119596A true JP2021119596A (ja) 2021-08-12
JP6978745B2 JP6978745B2 (ja) 2021-12-08

Family

ID=69400382

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021012147A Active JP6978745B2 (ja) 2020-01-29 2021-01-28 パワー半導体モジュール

Country Status (4)

Country Link
US (1) US12062591B2 (ja)
EP (1) EP3859774B1 (ja)
JP (1) JP6978745B2 (ja)
CN (1) CN113192919B (ja)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014083717A1 (ja) * 2012-11-28 2014-06-05 三菱電機株式会社 パワーモジュール
WO2019081107A1 (en) * 2017-10-23 2019-05-02 Danfoss Silicon Power Gmbh POWER MODULE HAVING CHARACTERISTICS FOR ASSEMBLING POWER AND CLAMP MODULE

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010258200A (ja) 2009-04-24 2010-11-11 Panasonic Corp 半導体装置およびその製造方法
DE102012201172B4 (de) 2012-01-27 2019-08-29 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit geprägter Bodenplatte
DE202015006897U1 (de) 2014-11-04 2015-11-24 Danfoss Silicon Power Gmbh Halbleitermodul und Leistungsanordnung
CN106298695B (zh) 2015-06-05 2019-05-10 台达电子工业股份有限公司 封装模组、封装模组堆叠结构及其制作方法
CN109997223B (zh) 2016-11-25 2023-06-30 日立能源瑞士股份公司 功率半导体模块

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014083717A1 (ja) * 2012-11-28 2014-06-05 三菱電機株式会社 パワーモジュール
WO2019081107A1 (en) * 2017-10-23 2019-05-02 Danfoss Silicon Power Gmbh POWER MODULE HAVING CHARACTERISTICS FOR ASSEMBLING POWER AND CLAMP MODULE

Also Published As

Publication number Publication date
CN113192919A (zh) 2021-07-30
EP3859774A1 (en) 2021-08-04
JP6978745B2 (ja) 2021-12-08
EP3859774B1 (en) 2022-05-04
US12062591B2 (en) 2024-08-13
US20210233831A1 (en) 2021-07-29
CN113192919B (zh) 2023-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108886036B (zh) 功率模块、功率半导体装置及功率模块制造方法
US7902653B2 (en) Semiconductor module
JP6743916B2 (ja) 半導体装置及び半導体装置の製造方法
US20130270688A1 (en) Power module
TWI553786B (zh) 封裝外殼及具有該封裝外殼的功率模組
JP2008199022A (ja) パワー半導体モジュールおよびその製造方法
CN111276447A (zh) 双侧冷却功率模块及其制造方法
JP2002314038A (ja) パワー半導体モジュール
KR20160043011A (ko) 반도체 장치 및 그 제조 방법
JP6095303B2 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
US20220199502A1 (en) Multiple substrate package systems and related methods
EP3890009A1 (en) Power module of double-faced cooling with bonding layers including anti-tilting members
WO2021140586A1 (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP6978745B2 (ja) パワー半導体モジュール
JP4046623B2 (ja) パワー半導体モジュールおよびその固定方法
JP3244461U (ja) パワー半導体モジュールおよび冷却器からなる構成
US20240355704A1 (en) Power semiconductor module
JP6953859B2 (ja) 半導体装置
JP6645402B2 (ja) 半導体装置
CN221827882U (zh) 多层基板、功率模块和电气系统
US20230282541A1 (en) Semiconductor device
EP3907756A1 (en) Power module of double-faced cooling and manufacturing method thereof
WO2023228417A1 (ja) 半導体装置の放熱構造
US20240258209A1 (en) Semiconductor device
JP2024515109A (ja) 半導体パワーモジュール、ならびに半導体パワーモジュールおよび半導体パワーデバイスを製造するための方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210406

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20210406

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210706

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210902

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211005

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211102

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6978745

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350