JP2024505712A - パワー半導体モジュール、パワー半導体デバイスおよびパワー半導体デバイスを製作するための方法 - Google Patents

パワー半導体モジュール、パワー半導体デバイスおよびパワー半導体デバイスを製作するための方法 Download PDF

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Abstract

パワー半導体モジュール（１）は、－ 冷却構造物（３）に接続される少なくとも１つの半導体チップ（５）と、－ 少なくとも１つの半導体チップ（５）に電気的に接触している少なくとも２つのパワー端子（７）と、－ パワー半導体チップ（５）および少なくとも２つのパワー端子（７）のためのハウジング（２３）とを備え、－ 少なくとも２つのパワー端子（７）の各々が横方向にハウジング（２３）を越えて突き出している突出部（９）を有し、－ 少なくとも２つの突出部（９）の各々が第１のアライメントホール（１０）を設けられることで特定される。さらに、パワー半導体デバイスおよびパワー半導体デバイスを製作するための方法が特定される。

Description

本開示は、パワー半導体モジュール、パワー半導体デバイスおよびパワー半導体デバイスを製作するための方法に関する。
例示的には、ピンフィンを有するベースプレートを設けられたパワー半導体モジュールは、直接液体冷却のための冷却器に搭載される。例えば、パワー半導体モジュールの正しい位置決めが、動作中に冷却媒体の何らかの漏れなしに冷却器とパワー半導体モジュールとの間の密着した機械的接続を実現するために必要とされる。さらにその上、冷却器の冷却空洞内部のピンフィンの正しい位置決めが、例えば、最適な冷却効率を与える。
冷却器上にいくつかのパワー半導体モジュールを搭載するときに、冷却器上のパワー半導体モジュールの位置決めそれ自体だけでなく、パワー半導体モジュール相互のアライメントも重要である。正しいアライメントだけが、共通制御ボードへのパワー半導体モジュールの対応する制御端子の適正なフィッティングを容易にする。
開示の実施形態は、改善した信頼性を有するパワー半導体モジュール、このようなパワー半導体モジュールを有するパワー半導体デバイスおよびこのようなパワー半導体デバイスを製作するための方法により上記の欠点を全体としてまたは部分的に取り扱う。
開示の例示的な実施形態は、独立請求項の主題により上記の欠点を取り扱う。さらなる例示的な実施形態は、従属請求項および下記の説明から明らかである。
第１の態様は、パワー半導体デバイスに関する。「パワー」という用語は、ここではおよび下記では、例えば、１００Ｖよりももっと大きい、例えば５０００Ｖよりも大きい、および／または１０Ａよりも大きい、例えば、１０００Ａよりも大きい電圧および電流を処理するために適合したパワー半導体モジュール、半導体チップおよびパワー半導体デバイスを称する。例えば、パワー半導体モジュールは、電気車両、ハイブリッド車両、モーターバイク、バス、トラック、オフロード建設車両および充電スタンドなどの自動車用途で使用される。
パワー半導体モジュールは、例えば、拡張の主平面を有する。横方向は、拡張の主平面に平行にアライメントされ、垂直方向は、拡張の主平面に垂直にアライメントされる。
第１の態様の実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、冷却構造物に接続される少なくとも１つの半導体チップを備える。
例えば、パワー半導体モジュールは、第１の主面のところに冷却構造物を備えるベースプレートを備える。あるいは、半導体モジュールは、ベースプレートのないパワー半導体モジュールである。
例えば、冷却構造物は、複数のピンフィンを備える。各々のピンフィンは、ピラーから例示的には形成され、ここでは各々のピンフィンの尖端は、第１の主面から遠くに面する垂直方向に延びる。例えば、ピンフィンのすべては、垂直方向に平行である延伸の共通方向を有する。例えば、ピンフィンは、第１の主面におけるベースプレートの底部表面の面積を大きくする。
例えば、ベースプレートは、Ｃｕなどの金属を含むまたは金属から構成される。ピンフィンは、例えば、Ｃｕなどのベースプレートと同じ材料から形成される。例えば、冷却構造物およびベースプレートは、互いに一体的に形成される。
半導体チップは、例えば、基板またはリードフレームを備える。基板またはリードフレームは、例えば、ベースプレート上に搭載される。半導体チップは、例えば、基板上に直接配置される。例示的には、少なくとも１つの半導体チップは、第１の主面とは反対の第２の主面のところでベースプレート上に配置される。半導体チップは、例えば、シリコンまたはワイドバンドギャップ材料、例示的には炭化ケイ素に基づく。
半導体チップは、例えば、ダイオードおよびスイッチのうちの少なくとも１つから形成される。半導体チップは、例示的には、トランジスタ、バリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、略してＩＧＢＴ、または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、略してＭＯＳＦＥＴ、または金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ、略してＭＩＳＦＥＴである。
パワー半導体モジュールは、少なくとも２つの半導体チップを典型的には備える。２つの半導体チップは、横方向に互いに間隔を空けられる。例えば、少なくとも２つの半導体チップのうちの一方が、スイッチとして形成され、少なくとも２つの半導体チップのうちの他方が、ダイオードとして形成される。このケースでは、スイッチおよびダイオードは、互いに逆平行に接続される。互いに逆平行に接続される少なくとも２つの半導体チップは、例えば、ハーフブリッジを形成する。例えば、パワー半導体モジュールは、１つまたは複数のハーフブリッジを備える。
少なくとも１つの実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、少なくとも１つの半導体チップに電気的に接触している少なくとも２つのパワー端子を備える。例えば、パワー端子は、パワー半導体モジュール、すなわち半導体チップの外部接続のために構成される。パワー端子は、少なくとも領域内の横方向に例示的に延びる。パワー端子は、例えば、金属、例示的にはＣｕを含むまたはＣｕから構成される。
例えば、パワー端子は、第１の側においてアライメントプロセスの痕跡を示す。アライメントプロセスの痕跡は、例えば、スクラッチマークである。
実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップおよび少なくとも２つのパワー端子のためのハウジングを備える。ハウジングは、例えば、モールドコンパウンド、ゲルまたは樹脂、例えばポッティング樹脂などの封止材料を含め、例えば、パワー半導体チップ用のパッケージである任意の要素により形成される。
例えば、ハウジングは、パワー半導体チップ、少なくとも２つのパワー端子および第２の主面のところのベースプレート上に配置されたモールドコンパウンドを含む。例えば、モールドコンパウンドは、パワー半導体モジュール、パワー端子およびベースプレートに直接接触している。モールドコンパウンドは、エポキシモールドコンパウンド、例示的にはエポキシ樹脂を含むまたはエポキシ樹脂から構成される。
例えば、パワー半導体チップは、モールドコンパウンドおよびベースプレートにより完全に封止される。「封止される」ということは、半導体チップが三次元的に封止されることをここではおよび下記では意味する。
さらに、パワー端子の各々は、ハウジング、例えば、モールドコンパウンド内部の少なくとも領域内に埋め込まれる。「埋め込まれる」ということは、各々のパワー端子の外側表面が、ハウジング、例えば、モールドコンパウンドにより覆われる半導体チップに近い少なくとも領域内にあることをここではおよび下記では意味する。
パワー半導体モジュールの少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つのパワー端子の各々は、横方向にハウジングから突き出している突出部を有する。すなわち、各々のパワー端子が、横方向にハウジングを越えて典型的に突き出す。突出部には、例えば、ハウジングがない。例示的には、突出部は、外部から接触可能にするために自由にアクセス可能である。
パワー半導体モジュールの少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの突出部が、第１のアライメントホールを設けられる。例えば、第１のアライメントホールの各々は、垂直方向にパワー端子を完全に貫く。
例えば、第１のアライメントホールの各々は、少なくとも１つの側面を含む。少なくとも１つの第１のアライメントホールの側面のうちの少なくとも１つは、例示的には垂直方向に広がる。あるいは、少なくとも１つの第１のアライメントホールの側面のうちの少なくとも１つは、垂直方向に対して傾斜する。このケースでは、少なくとも１つの第１のアライメントホールの少なくとも１つの側面は、大きくとも８０°、６０°、４０°または３０°、例えば、大きくとも２０°、１０°または５°の垂直方向との角度で取り囲む。
例示的に、パワー端子は、少なくとも１つの追加の穴を有することが可能である。追加の穴は、例示的には、ねじを受け入れるようにさらに構成される。例示的には、追加の穴は、外部バスバーとのねじ型の相互接続部用に構成される。例えば、追加の穴の横方向の寸法は、第１のアライメントホールの横方向の寸法よりも大きい。
第１のアライメントホールは、例えば、少なくとも０．５ｍｍまたは少なくとも５ｍｍの横方向の直径を有する。さらに、追加の穴は、例えば、第１のアライメントホールの直径よりも大きい直径を有する。
要約すると、このようなパワー半導体モジュールは、とりわけ、下記の利点を提供できる。例えば、横方向のパワー半導体モジュールの正しいアライメントおよび位置決めが、第１のアライメントホールの助けを借りて実現されることが可能である。さらにその上、１つよりも多くのパワー半導体モジュールが位置決めされようとするときに、パワー半導体モジュールは、第１のアライメントホールの助けを借りて相互に正しくアライメントされ位置決めされることが可能である。このようなパワー半導体モジュールが適正に位置決めされることが可能であるので、冷却効率は低下せず、その結果、パワー半導体モジュールの寿命が改善される。これゆえに、パワー半導体モジュールの信頼性は、典型的に改善される。
パワー半導体モジュールの少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの突出部は、パワー半導体モジュールの第１の横方向の面上にまたは第１の横方向の面とは反対のパワー半導体モジュールの第２の横方向の面上に設けられる。
パワー半導体モジュールの少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの突出部のうちの少なくとも１つが、パワー半導体モジュールの第１の横方向の面上に設けられ、少なくとも２つの突出部のうちの少なくとも別の１つが第１の横方向の面とは反対であるパワー半導体モジュールの第２の横方向の面上に設けられる。すなわち、第１のアライメントホールが、パワー半導体モジュールの反対の横方向の面に例示的には設けられる。例えば、突出部のうちの１つは、第１の横方向の面のところでハウジングから突き出す。さらに、突出部の他方は、第２の横方向の面のところでハウジングから突き出す。
パワー半導体モジュールの少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの第１のアライメントホールのうちの少なくとも１つは、少なくとも２つの第１のアライメントホールのうちの少なくとも別の１つとは異なる形状を有する。あるいは、少なくとも２つの第１のアライメントホールの形状は同じである。
パワー半導体モジュールの少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの第１のアライメントホールのうちの少なくとも１つは、円形形状を有する。例えば、第１のアライメントホールのうちの１つは、円形である横方向にアライメントされた断面を有する。
パワー半導体モジュールの少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの第１のアライメントホールのうちの少なくとも別の１つは、溝付き穴形状を有する。例えば、第１のアライメントホールのうちの１つは、溝付き穴として成形される横方向にアライメントした断面を有する。
パワーモジュールのアライメントおよび位置決めでの取り扱い改善のために、例えば、少なくとも２つの第１のアライメントホールのうちの１つは、横方向の正確な位置決めを容易にするために円形、例えば、丸くあるべきであり、ところが、少なくとも２つの第１のアライメントホールのうちの他の１つは、正確な回転位置決めのために十分である溝付き穴であるべきである。典型的には、これらの異なる形状はまた、第１のアライメントホールのわずかに異なる距離のために位置決めでの潜在的な誤差も考えている。
代わりにまたは加えて、少なくとも２つの第１のアライメントホールのうちの少なくとも１つは、例えば、横方向の断面で、溝付き穴、楕円形、卵形、三角形または正方形である形状を有することが可能である。
第２の態様は、パワー半導体デバイスに関する。第２の態様の実施形態によれば、パワー半導体デバイスは、本明細書において上に説明した少なくとも１つのパワー半導体モジュールを備える。パワー半導体モジュールに関連して開示されたすべての特徴もまた、これゆえにパワー半導体デバイスに関連しても開示され、そして逆も同様である。
実施形態によれば、パワー半導体デバイスは、冷却器上に少なくとも１つのパワー半導体モジュールが配置される冷却器を備える。冷却器は、冷却媒体を受け入れるための冷却空洞を例示的には備える。例示的には冷却器は、注入ポートおよび排出ポートを備える。例示的には、冷却器は、注入ポートから排出ポートへの冷却空洞内部の冷却媒体の流れ方向に適合される。
例示的には、冷却媒体は、注入ポートから冷却空洞を通り排出ポートまでポンプで送られる。冷却媒体は、例えば、液体冷却剤またはガス冷却剤である。例示的には、パワー半導体モジュールの動作中に発生した熱は、冷却媒体を介して効果的に散逸されることが可能である。
パワー半導体デバイスの実施形態によれば、冷却器は、少なくとも２つの第２のアライメントホールを設けられる。例えば、第２のアライメントホールのうちの少なくとも１つは、垂直方向に冷却器を完全に貫く。
あるいは、第２のアライメントホールのうちの少なくとも１つは、部分的に冷却器を貫く。このケースでは、第２のアライメントホールが、第１の主面のところの底面から冷却器へと冷却器内部で延びる。
パワー半導体デバイスの実施形態によれば、少なくとも２つの第１のアライメントホールのうちの少なくとも１つは、垂直方向にまたは垂直方向に対して斜めに広がる少なくとも１つの側面を有する。
パワー半導体デバイスの実施形態によれば、少なくとも２つの第２のアライメントホールのうちの少なくとも１つは、垂直方向にまたは垂直方向に対して斜めに広がる少なくとも１つの側面を有する。
例えば、第２のアライメントホールの各々は、少なくとも１つの側面を備える。少なくとも１つの第２のアライメントホールの少なくとも１つの側面は、典型的には垂直方向に広がる。あるいは、少なくとも１つの第２のアライメントホールの少なくとも１つの側面は、垂直方向に対して傾斜する。このケースでは、少なくとも１つの第２のアライメントホールの少なくとも１つの側面は、大きくとも８０°、６０°、４０°または３０°、例えば、大きくとも２０°、１０°または５°の垂直方向との角度で取り囲む。
例えば、少なくとも２つの第２のアライメントホールのうちの少なくとも１つは、溝付き穴、円形、楕円形、卵形、三角形または正方形である横方向の断面を有することができる。
例示的には、少なくとも２つの第２のアライメントホールのうちの１つは、冷却器の前面の領域内に設置され、少なくとも２つの第２のアライメントホールのうちの別の１つは、前面とは反対の冷却器の裏面の領域内に設置される。前面および裏面は、垂直方向に典型的には広がる。前面の領域は、パワー半導体モジュールに対する方向で横方向に広がり、例えば、注入ポートを備え、裏面の領域は、パワー半導体モジュールに対する方向で横方向に広がり、例えば、注入ポートを備える。例えば、少なくとも２つの第２のアライメントホールのうちの１つは、注入ポートの領域内に設置され、少なくとも２つの第２のアライメントホールのうちの別の１つは、排出ポートの領域内に設置される。
第１のアライメントホールおよび第２のアライメントホールのために、冷却器に対する少なくとも１つのパワー半導体モジュールの正しい位置決めおよびアライメントが実現されることが可能である。同時に、１つよりも多くのパワー半導体モジュールが存在する場合に、相互に対するパワー半導体モジュールの正しい位置決めおよびアライメントが実現されることが可能である。
パワー半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、冷却構造物は、冷却器と一体的に形成される。例示的に、冷却構造物は、冷却器と一体的に形成されたピンフィンを備えることができる。
あるいは、冷却構造物は、例えば、高くなった構造物のない冷却領域である。このケースでは、冷却構造物は、冷却器と一体的に形成された冷却プレートである。
パワー半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、冷却器は、少なくとも１つの開口部を設けられる。
例えば、冷却器は、１つよりも多くの開口部を設けられる。例示的には、開口部は、流れ方向の方向に連続して冷却器内に設けられる。例えば、開口部は、横方向に、例えば、流れ方向に沿って互いに間隔を空けられる。このケースでは、パワー半導体モジュールが、各々の開口部上に設けられる。
例示的には、パワー半導体モジュールは、開口部の上にパワー半導体モジュールが配置される開口部の横方向の寸法よりも少なくとも５％大きい横方向の寸法を有する。
パワー半導体デバイスの少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つのパワー半導体モジュールは、冷却構造物が冷却器の冷却空洞の中へと突き出すように少なくとも１つの開口部上に設けられる。
第３の態様は、パワー半導体デバイスを製作するための方法に関する。例えば、方法は、本明細書において上に説明したパワー半導体デバイスを製作する。このように、パワー半導体デバイスに関連して開示したすべての特徴もまた、これゆえに方法に関連して開示され、そして逆も同様である。
第３の態様の実施形態によれば、方法は、少なくとも２つの第１のアライメントピンおよび少なくとも２つの第２のアライメントピンを設けられた固定具を提供することを含む。例えば、固定具は、ベース基板上に第１のアライメントピンおよび第２のアライメントピンが配置されるベース基板を備える。
第１のアライメントピンおよび第２のアライメントピンのうちの少なくとも一方は、例示的にはロッドから形成され、ここでは、ロッドの尖端が、固定具から遠くに面する垂直方向に延びる。例えば、すべての第１のアライメントピンおよびすべての第２のアライメントピンは、垂直方向に平行である延伸の共通方向を有する。
例示的に、第１のアライメントピンの各々は、対応する第１のアライメントホールへと挿入可能であるように構成される。第１のアライメントピンは、例えば、対応する第１のアライメントホールに適合する形状を有する。例示的には、第１のアライメントピンの横方向の断面は、対応する第１のアライメントホールよりも小さく、少なくとも１０μｍ、例えば、少なくとも５００μｍまたは少なくとも１ｍｍである。
さらに、第２のアライメントピンの各々は、例えば、対応する第２のアライメントホールへと挿入可能であるように構成される。第２のアライメントピンは、例えば、対応する第２のアライメントホールに適合する形状を有する。例示的には、第２のアライメントピンの横方向の断面は、対応する第１のアライメントホールよりも小さく、少なくとも１０μｍ、例えば、少なくとも５００μｍまたは少なくとも１ｍｍである。
実施形態によれば、方法は、少なくとも２つの第１のアライメントホールを設けられる少なくとも２つのパワー端子を備える少なくとも１つのパワー半導体デバイスを提供することを含む。
実施形態によれば、方法は、少なくとも２つの第２のアライメントホールを設けられた冷却器を提供することを含む。
実施形態によれば、方法は、少なくとも２つの第２のアライメントピンが少なくとも２つの第２のアライメントホールへと挿入されるように固定具上に冷却器を配置することを含む。
実施形態によれば、方法は、少なくとも２つの第１のアライメントピンが少なくとも２つの第１のアライメントホールへと挿入されるように、冷却器上に少なくとも１つのパワー半導体モジュールを配置することを含む。
例示的には、冷却器は、少なくとも１つのパワー半導体モジュールが冷却器上に配置される前に、固定具上に配置される。
第１のアライメントピンと第１のアライメントホールおよび第２のアライメントピンと第２のアライメントホールのために、冷却器上のパワー半導体モジュールの精密な位置決めが実現されることが可能である。方法は、正しく再現性のある位置決めおよびアライメントのために単純で容易な方法を提供する。さらに、一方では共通制御ボードまたはドライバボードへの、他方ではインバータのバスバー構造物へのパワー半導体モジュールの据え付けプロセスでの歩留まりが高められる。結果として、このことは、典型的には、顧客満足度の向上という結果になる。加えて、例えば、パワー端子へアライメントホールを実装するときにコストアダーがない。
少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、少なくとも１つのクランプにより冷却器に少なくとも１つのパワー半導体モジュールを固定することを含む。例えば、クランプは、冷却器への方向にパワー半導体モジュールを押し付けるように構成される。クランプは、例示的には冷却器にクランプ用ねじにより固定される。すなわち、クランプは、例えばクランプ用ねじをしっかりと締めることによって、垂直方向にパワー半導体モジュールおよび冷却器を一緒に押し付ける。
例示的に、クランプをねじ止めすることにより冷却器にパワー半導体モジュールを搭載するために必要な時間は、第１のアライメントピンと第１のアライメントホールおよび第２のアライメントピンと第２のアライメントホールを使用する方法により短縮され、低い製造コストという結果をもたらす。さらに、第１のアライメントピンと第１のアライメントホールおよび第２のアライメントピンと第２のアライメントホールを使用することによって、例示的に、さらにパワー半導体モジュールの望まれない動きも、クランプをねじ止めする間に防止される。
あるいは、少なくとも１つのパワー半導体モジュールが、接着剤付け、焼結またははんだ付けにより冷却器に固定される。
方法の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの第２のアライメントホールに対する少なくとも２つの第１のアライメントホールの相対的な位置は、事前に設定される。
方法の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの第１のアライメントピンのうちの少なくとも１つは、円柱形、円錐形の形状のうちの少なくとも１つを少なくとも部分的に有する。
方法の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの第２のアライメントピンのうちの少なくとも１つは、円柱形、円錐形の形状のうちの少なくとも１つを少なくとも部分的に有する。
例えば、第１のアライメントピンおよび第２のアライメントピンのうちの少なくとも１つは、円柱形または円錐形に成形される端部領域を有するロッドで形成される。
例えば、円錐形である端部領域を有すると、セルフアライメントが実現され得る。
少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、少なくとも２つの第１のアライメントピンおよび少なくとも２つの第２のアライメントピンのうちの少なくとも一方にばね素子を設けることを含む。例えば、少なくとも２つの第１のアライメントピンのうちの少なくとも１つが、ばね素子を設けられる。さらに、例示的には、少なくとも２つの第２のアライメントピンのうちの少なくとも１つが、ばね素子を設けられる。ばね素子は、垂直方向にそれぞれのアライメントピンに力を加えるように例示的に構成される。
方法の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つのパワー半導体モジュールは、少なくとも２つの補助端子をさらに備える。例えば、補助端子は、電気信号を少なくとも１つのパワー半導体チップへ与えるように構成される。例示的に、補助端子は、少なくとも領域内のハウジング、例えば、モールドコンパウンドに埋め込まれる。さらに、パワー端子の各々は、ハウジング、例えば、モールドコンパウンド内部の少なくとも領域に埋め込まれる。「埋め込まれる」は、各々の補助端子の外側表面が、ハウジング、例えばモールドコンパウンドにより覆われる半導体チップの近くの少なくとも領域内にあることをここではおよび下記では意味する。
方法の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも２つの補助端子は、垂直方向の少なくとも領域内で延びる。製作許容誤差のために、領域内を垂直方向に延びる少なくとも２つの補助端子は、大きくとも１０°または大きくとも５°、例えば、１°の垂直方向に対する角度を取り囲むことがある。
例えば、補助端子の各々は、ハウジングからの横方向の面から突き出すさらなる突出部を有する。補助端子のさらなる突出部は、少なくとも領域内で垂直方向に延びる。補助端子のさらなる突出部の端部領域は、例示的にはんだ付けまたはプレスフィット接続により、共通制御ボードまたはドライバボードに直接接続可能であるように構成される。
少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、固定具上にさらなる第２のアライメントホールを備える共通制御ボードを配置することを含み、さらなる第２のアライメントホールが第２のアライメントピンを受け入れるように構成される。
方法の少なくとも１つの実施形態によれば、共通制御ボードは、補助端子を受け入れるように構成されるコンタクホールを備える。
すなわち、共通制御ボードが搭載されるときに、共通制御ボードのさらなる第２のアライメントホールは、冷却器の第２のアライメントホールの直ぐ上方の垂直方向に設置される。例示的には、共通制御ボードのさらなる第２のアライメントホールおよび冷却器の第２のアライメントホールは、合同的に重なっている。
少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、冷却器上に、少なくとも２つの第１のアライメントホールを各々が設けられる少なくとも２つのパワー半導体モジュールを配置することを含む。
方法が冷却上のパワー半導体モジュールの正しく再現性のあるアライメントおよび互いに対するパワー半導体モジュールの正しく再現性のあるアライメントを可能にするので、例えば、冷却構造物の周りをバイパスする冷却媒体が、より上手く制御される。さらにその上、すべての補助端子は、例示的に、顧客側での、ＰＣＢなどの共通制御ボードにより上手く搭載するために相互により良くアライメントされる。
開示の主題は、添付した図面に図示される例示的な実施形態を参照して下記でより詳細に説明されるだろう。
例示的な実施形態によるパワー半導体モジュールの三次元スケッチの模式図である。 それぞれ、例示的な実施形態によるパワー半導体デバイスの模式図である。 それぞれ、例示的な実施形態によるパワー半導体デバイスの模式図である。 それぞれ、例示的な実施形態によるパワー半導体デバイスの模式図である。 それぞれ、例示的な実施形態によるパワー半導体デバイスの模式図である。 例示的な実施形態によるパワー半導体デバイスを製作するための方法ステージの模式図である。 例示的な実施形態によるパワー半導体デバイスを製作するための方法ステージの模式図である。 例示的な実施形態によるパワー半導体デバイスを製作するための方法ステージの模式図である。 例示的な実施形態による共通制御ボードを有するパワー半導体デバイスの模式図である。 それぞれ、例示的な実施形態によるパワー半導体モジュールを製作するための方法により使用される第１のアライメントピンおよびまたは第２のアライメントピンの模式図である。 それぞれ、例示的な実施形態によるパワー半導体モジュールを製作するための方法により使用される第１のアライメントピンおよびまたは第２のアライメントピンの模式図である。 それぞれ、例示的な実施形態によるパワー半導体モジュールを製作するための方法により使用される第１のアライメントピンおよびまたは第２のアライメントピンの模式図である。 それぞれ、例示的な実施形態によるパワー半導体モジュールを製作するための方法により使用される第１のアライメントピンおよびまたは第２のアライメントピンの模式図である。
図面で使用される参照符号、およびそれらの意味が、参照符号のリストに要約形態に列挙される。原則として、同一の部品は、複数の図で同じ参照符号で与えられる。
図１の例示的な実施形態によるパワー半導体モジュール１は、第１の主面のところに冷却構造物３を有するベースプレート２、あるいは基板を備える。冷却構造物３は、複数のピンフィンから形成される。
さらに、少なくとも１つの半導体チップ５が、第１の主面４とは反対の第２の主面のところでベースプレート２上に配置され、半導体チップ５は、この例示的な実施形態ではモールドコンパウンド８であるハウジング２３により覆われるのでここでは示されない。モールドコンパウンド８は、パワー半導体チップ５、少なくとも２つのパワー端子７および第２の主面６のところのベースプレート２上に配置される。
加えて、パワー半導体モジュール１は、この実施形態では、少なくとも１つの半導体チップ５に電気的に接触している４つのパワー端子７を備える。パワー半導体チップ５に近いパワー端子７は、モールドコンパウンド８の内部に埋め込まれる。パワー端子７の各々は、横方向にモールドコンパウンド８を越えてさらに延びる。したがって、パワー端子７の各々は、横方向にモールドコンパウンド８から突き出している突出部９を有する。突出部９には、モールドコンパウンド８がなく、電気的コンタクトのために自由に利用可能である。
パワー半導体モジュール１の反対の横方向の面に設けられる２つの突出部９は、第１のアライメントホール１０を設けられる。すなわち、複数のパワー端子７のうちの１つが、複数の第１のアライメントホール１０のうちの１つを設けられる第１の横方向の面１１上に配置され、パワー端子７のうちの別の１つが第１のアライメントホール１０のうちの別の１つを設けられる第１の横方向の面１１とは反対の第２の横方向の面１２上に配置される。
パワー半導体モジュール１は、電気信号をパワー半導体チップ５へ与えるように構成された７つの補助端子２１をさらに備える。補助端子２１は、パワー半導体チップ５の近くのモールドコンパウンド８に埋められる。補助端子２１は、垂直方向の少なくとも領域内で、補助端子２１がモールドコンパウンド８に埋められていない領域に延びる。
図２および図３の例示的な実施形態によるパワー半導体デバイス３５は、図１による３つのパワー半導体モジュール１および冷却器１３を備える。ここで、図３は、図２のパワー半導体デバイス３５の断面側面図である。
冷却器１３は、冷却媒体を受け入れるための冷却空洞２２を備える。さらに、冷却器１３は、注入ポート１８および排出ポート１９を備える。このように、冷却器１３は、注入ポート１８から排出ポート１９への冷却空洞２２内部の冷却媒体の流れ方向に適合する。
冷却器１３は、この例示的な実施形態では３つの開口部１５を設けられる。開口部１５は、流れ方向の方向に連続して冷却器１３内に設けられる。この例示的な実施形態では、１つのパワー半導体モジュール１は、冷却構造物３の各々が冷却器１３の冷却空洞２２へと突き出すように各々の開口部１５に設けられる。
パワー半導体モジュール１の各々は、２つのクランプ１７により冷却器１３に固定される。さらに、各々のクランプ１７は、冷却器１３に２つのねじ１６により固定される。直接隣り合うパワー半導体モジュール１は、１つのクランプ１７を共有する。複数のクランプ１７のうちの２つは、１つのパワー半導体モジュール１を冷却器１３へ押し付けるように構成され、ここでは冷却器１３とパワー半導体モジュール１との間に封止材２０が配置される。封止材２０は、冷却媒体に対して不浸透性である可撓性材料を含むことが可能である。
図４による冷却器１３は、図３に示したような開口部１５を含まない。パワー半導体モジュール１の各々は、冷却器１３に直接固定される。この例示的な実施形態では、冷却構造物３は、各々のパワー半導体モジュール１の下方の垂直方向の領域に冷却器１３と一体的に形成される。
図３および図４と対照的に、図５によれば、パワー半導体モジュール１の各々は、クランプ１７を使用せずに、接着剤付け、焼結またははんだ付けによって冷却器１３に直接固定される。
加えて、冷却器１３は、図６、図７および図８に関連してより詳細に説明され示される２つの第２のアライメントホール１４を設けられる。
図６、図７および図８による方法ステージでは、図２によるパワー半導体デバイス３５が製作される。初めに、固定具２５が提供される。固定具２５は、ベース基板３１上に第１のアライメントピン２６および第２のアライメントピン２７が配置されるベース基板３１を備える。この実施形態では、固定具２５は、６つの第１のアライメントピン２６および２つの第２のアライメントピン２７を備える。
続いて、２つの第２のアライメントホール１４を設けられた冷却器１３は、各々の第２のアライメントピン２７が１つの第２のアライメントホール１４へと挿入されるように固定具２５上に配置される。
２つの第２のアライメントホール１４のうちの一方が、冷却器１３の前面３６の領域内に設置され、２つの第２のアライメントホール１４のうちの他の１つが、前面３６とは反対の冷却器の裏面３７の領域内に設置される。
固定具２５上の冷却器１３の配置の後で、３つのパワー半導体モジュール１は、各々の第１のアライメントピン２６が第１のアライメントホール１０へと挿入されるように冷却器１３上に配置される。
図６に関連して、各々のパワー半導体モジュール１の第１のアライメントホール１０は、パワー半導体モジュール１の反対の横方向の面に配置される。例えば、２つの第１のアライメントホール１０のうちの一方が、第１の横方向の面１１上に設置され、２つの第１のアライメントホール１０のうちの他方が、図１に関連して示したように、第１の横方向の面１１とは反対の第２の横方向の面１２上に設置される。ここで、クランプ１７がねじ１６により冷却器１３に接続される。
図７に関連して、第１のアライメントホール１０を有する突出部９が、パワー半導体モジュール１の同じ横方向の面に設けられる。
図９に関連して、パワー半導体モジュール１の補助端子２１がアライメントされる。補助端子２１は、接続部を用いて補助端子２１が共通制御ボードに接続されるピン型接続部またはプレスフィット型接続部を含むことが可能である。例えば、各々の補助端子は、端部領域のところにピンショルダ３０を有する（ここでは図示せず）。
共通制御ボード３４が、補助端子２１上に配置される。共通制御ボード３４は、補助端子２１を受け入れるように構成されるコンタクトホール３３を備える。さらに、共通制御ボード３４は、第２のアライメントピン２７を受け入れるように構成されるさらなる第２のアライメントホール２４を備える。
図１０、図１１、図１２および図１３によれば第１のアライメントピン２６および第２のアライメントピン２７のうちの少なくとも一方は、ロッドから形成され、アライメントピンの端部領域で異なる。端部領域は、第１のアライメントホール１０および第２のアライメントホール１４のうちの少なくとも一方に挿入されるように構成される。図１０の端部領域は、円柱形であり、図１１の端部領域は、円錐形である。図１２の端部領域は、２つの部分に分けられる。ロッドに面する部分が、円柱形に形成され、ロッドから遠くに面する部分が円錐形に形成される。
図１３によれば第１のアライメントピン２６および第２のアライメントピン２７のうちの少なくとも一方は、ばね素子３２をさらに設けられる。例えば、ばね素子３２は、横方向の許容誤差をゼロに減少させるために、第１のアライメントピン２６および第２のアライメントピン２７のうちの少なくとも一方が、対応するアライメントホールよりも大きく円錐形の尖端を有するときに使用されるだけである。ばね素子３２は、垂直方向に力を加えるように構成される。例示的に、ばね素子３２は、垂直方向の許容誤差を補償するために使用される。
参照符号リスト
１ パワー半導体モジュール
２ ベースプレート
３ 冷却構造物
４ 第１の主面
５ 半導体チップ
６ 第２の主面
７ パワー端子
８ モールドコンパウンド
９ 突出部
１０ 第１のアライメントホール
１１ 第１の横方向の面
１２ 第２の横方向の面
１３ 冷却器
１４ 第２のアライメントホール
１５ 開口部
１６ ねじ
１７ クランプ
１８ 注入ポート
１９ 排出ポート
２０ 封止材
２１ 補助端子
２２ 冷却空洞
２３ ハウジング
２４ さらなる第２のアライメントホール
２５ 固定具
２６ 第１のアライメントピン
２７ 第２のアライメントピン
３０ 補助ピンショルダ
３１ ベース基板
３２ ばね素子
３３ コンタクトホール
３４ 制御ボード
３５ パワー半導体デバイス
３６ 前面
３７ 裏面

Claims (14)

  1. パワー半導体モジュール（１）であって、
    冷却構造物（３）に接続される少なくとも１つの半導体チップ（５）と、
    前記少なくとも１つの半導体チップ（５）に電気的に接触している少なくとも２つのパワー端子（７）と、
    前記パワー半導体チップ（５）および前記少なくとも２つのパワー端子（７）のためのハウジング（２３）と
    を有し、
    前記少なくとも２つのパワー端子（７）の各々が横方向に前記ハウジング（２３）を越えて突き出している突出部（９）を有し、
    少なくとも２つの突出部（９）が第１のアライメントホール（１０）を設けられ、
    前記少なくとも２つの突出部（９）のうちの少なくとも１つが前記パワー半導体モジュール（１）の第１の横方向の面（１１）上に設けられ、前記少なくとも２つの突出部（９）のうちの少なくとも別の１つが前記第１の横方向の面（１１）とは反対である前記パワー半導体モジュール（１）の第２の横方向の面（１２）に設けられる、
    パワー半導体モジュール（１）。
  2. 請求項１に記載の少なくとも１つのパワー半導体モジュール（１）と、
    冷却器（１３）であって、前記冷却器（１３）上に前記少なくとも１つのパワー半導体モジュール（１）が配置される、冷却器（１３）と
    を有し、
    前記冷却器（１３）が少なくとも２つの第２のアライメントホール（１４）を設けられる、
    パワー半導体デバイス（３５）。
  3. 前記少なくとも２つの第１のアライメントホール（１０）のうちの少なくとも１つが、前記少なくとも２つの第１のアライメントホール（１０）のうちの少なくとも別の１つとは異なる形状を有する、請求項２に記載のパワー半導体デバイス（３５）。
  4. 前記少なくとも２つの第１のアライメントホール（１０）のうちの少なくとも１つが円形形状を有し、
    前記少なくとも２つの第１のアライメントホール（１０）のうちの少なくとも別の１つが溝付き穴形状を有する、
    請求項２または３のいずれか１項に記載のパワー半導体デバイス（３５）。
  5. 前記冷却構造物（３）が前記冷却器（１３）と一体的に形成される、または
    前記冷却器（１３）が少なくとも１つの開口部（１５）を設けられ、前記少なくとも１つのパワー半導体モジュール（１）は、前記冷却構造物（３）が前記冷却器（１３）の冷却空洞（２２）の中へと突き出すように前記少なくとも１つの開口部（１５）のうちの１つに設けられる、
    請求項２から４のいずれか１項に記載のパワー半導体デバイス（３５）。
  6. 前記少なくとも２つの第１のアライメントホール（１０）のうちの少なくとも１つの各々が、垂直方向または前記垂直方向に斜めに広がる少なくとも１つの側面を有する、および
    前記少なくとも２つの第２のアライメントホール（１４）のうちの少なくとも１つが、垂直方向または前記垂直方向に斜めに広がる少なくとも１つの側面を有する
    ことのうちの少なくとも一方である、請求項２から５のいずれか１項に記載のパワー半導体デバイス（３５）。
  7. 少なくとも１つのパワー半導体モジュール（１）および冷却器（１３）を有するパワー半導体デバイス（３５）を製作するための方法であって、
    少なくとも２つの第１のアライメントピン（２６）および少なくとも２つの第２のアライメントピン（２７）を設けられた固定具（２５）を提供することと、
    少なくとも２つの第１のアライメントホール（１０）を設けられる少なくとも２つのパワー端子（７）を備える前記少なくとも１つのパワー半導体デバイス（３５）を提供することと、
    少なくとも２つの第２のアライメントホール（１４）を設けられた前記冷却器（１３）を提供することと、
    前記少なくとも２つの第２のアライメントピン（２７）が前記少なくとも２つの第２のアライメントホール（１４）に挿入されるように前記固定具（２５）上に前記冷却器（１３）を配置することと、
    前記少なくとも２つの第１のアライメントピン（２６）が前記少なくとも２つの第１のアライメントホール（１０）に挿入されるように、前記冷却器（１３）上に前記少なくとも１つのパワー半導体モジュール（１）を配置することと
    を含む方法。
  8. 少なくとも１つのクランプ（１７）により前記冷却器（１３）に前記少なくとも１つのパワー半導体モジュール（１）を固定する、請求項７に記載の方法。
  9. 前記少なくとも２つの第２のアライメントホール（１４）に対する前記少なくとも２つの第１のアライメントホール（１０）の相対的な位置が事前に設定される、請求項７から８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 前記少なくとも２つの第１のアライメントピン（２６）のうちの少なくとも１つが、円柱形の形状、円錐形の形状のうちの少なくとも一方を少なくとも部分的に有する、請求項７から９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記少なくとも２つの第２のアライメントピン（２７）のうちの少なくとも１つが、円柱形の形状、円錐形の形状のうちの少なくとも一方を少なくとも部分的に有する、請求項７から１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. ばね素子（３２）を有する前記少なくとも２つの第１のアライメントピン（２６）および前記少なくとも２つの第２のアライメントピン（２７）のうちの少なくとも一方を提供する、請求項７から１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記少なくとも１つのパワー半導体モジュール（１）が、少なくとも２つの補助端子（２１）をさらに備え、
    前記少なくとも２つの補助端子（２１）が、垂直方向の少なくとも領域内に延び、
    前記固定具（２５）上にさらなる第２のアライメントホール（２４）を備える共通制御ボード（３３）を配置することであり、前記共通制御ボード（３４）のコンタクトホール（３３）が前記補助端子（２１）を受け入れるように構成されるように、前記さらなる第２のアライメントホール（２４）が前記第２のアライメントピン（２７）を受け入れるように構成される、
    請求項７から１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 前記冷却器（１３）上に、各々が少なくとも２つの第１のアライメントホール（１０）を設けられる、少なくとも２つのパワー半導体モジュール（１）を配置する、請求項７から１３のいずれか１項に記載の方法。
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