JP3691402B2 - 電力半導体モジュール - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度変化により構成部材の種々異なる材料特性に基づき惹起される機械的な応力を補償する、基板とケーシングとを有する電力半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力半導体モジュールは近年では著しくカーエレクトロニクス、エネルギーマネージメントの分野において使用されており、産業的な駆動技術ならびに自動化技術においてもますます使用される傾向にある。一般的には複数の電力半導体が組み合わされて、顧客の特殊な要求に合わせられたモジュールを成す。
【０００３】
このような電力半導体モジュールにおいて一般的に個々の電子的な構成素子はセラミック基板上にはんだ付けされている。場合によってはこのセラミック基板自体はボトムプレート（ヒートシンク）にはんだ付けされている。これにより運転中における電子的な構成素子からの十分な熱導出が保証される。図５には例えばアウアーバッハ、シュバルツバウアー、ラーメル、レニンガー、ゾマーによる「ツーフェアレッスィッヒカイト・フォン・アルミニウム・ディックドラートボンドフェアビンドゥンゲン（zuverlaessigkeit von Al-Dickdraht-Bondverbindungen）、１９９６年ミュンヘンＩＳＨＭコンファレンツ」において開示されているような集積されたゲート（ＩＧＢＴ）を有するバイポーラトランジスタモジュールの側方断面図が示されている。この図から分かるようにこのような電力半導体モジュール１５はシリコンチップ１９を有しており、このシリコンチップ１９はセラミック基板１７上にはんだ付けされている。このセラミック基板１７自体はベースプレート１８にはんだ付けされる。これらのシリコンチップ１９は互いにアルミニウム線材２０によって接続されている。さらにケーシング２２の側方でピン１６が導出されている。これらのピン１６は後に行われる組付けの際にパネル（図示せず）にはんだ付けされる。さらにこのモジュールの構成素子は電気的に絶縁するためにシリコーンゲル２４で充填されている。この場合電力半導体モジュール１５のケーシング２２はカバー２３によって閉鎖されている。
【０００４】
シリコンチップ１９をピン１６を介してパネルに電気的に接続することを保証するために、さらにアルミニウムボンディング接続部２１がモジュールに設けられている。その際このボンディング接続部の端部はそれぞれ一方ではシリコンチップ１９に、他方ではピン１６のバルコニー区分にはんだ付けされている。図５から分かるように、アルミニウムボンディング接続部２１は円弧状に湾曲された形状を有している。このいわゆる伸張ループもしくは補償領域は、温度変化によって構成部材の種々異なる材料特性に基づき生ぜしめられる、不利な機械的な応力の影響を回避するために必要である。
【０００５】
このような電力半導体モジュールでは、確実なボンディング接続を保証できるように、接続部（端子）をはんだ付け過程において高価な工作物支持体によって所定の位置に固定する必要がある。これにより製造工程はコスト高に行われ、かつ故障し易くなる。さらにこのようなアルミニウムボンディング接続部の使用時に最大限許容できる電力はボンディング線材長さおよびボンディング線材直径によって制限されてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、熱的に限定された機械的な応力を簡単な手段で補償するために電力半導体モジュールの端子を基板に直接接触させるような電力半導体モジュールを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明による構成では、ブシュが設けられており、該ブシュが電力半導体モジュールの基板に結合されており、線材ピンが設けられており、該線材ピンが、パネルとの電気的な接続部を形成するために運転中にブシュ内に導入されるように形成されている形式の、電力半導体モジュールのための接続装置において、ブシュによって、導入された線材ピンを挟持可能であり、前記ブシュが、前記線材ピンの直径よりも小さな最小直径領域を有しているようにした。
【０００８】
【発明の効果】
本発明ではつまり、基板に結合された少なくとも１つのブシュと、このブシュ内に導入可能な少なくとも１つの線材ピンとが設けられていて、この線材ピンはケーシングに接続可能である各パネルに電気的に接続するために働くようになっていることを特徴とする、基板とケーシングとを有する電力半導体モジュールが得られる。この際に絶縁性を改良するためにはケーシングが有利にはプラスチックから形成されている。
【０００９】
本発明の有利な構成ではブシュが基板にはんだ付けされている。これに関連してブシュを別の電子的な構成素子と一緒に炉走行中に基板にはんだ付けすることも考えられる。これにより有利には電力半導体モジュールの効率のよい製造を達成することができる。
【００１０】
本発明の別の有利な構成でははんだを予め準備するために基板に湿潤可能な面が設けられており、この湿潤可能な面は基板の表面に配置されたエッチング孔を取り囲むように構成されている。さらにこの基板にははんだペーストが印刷されている。炉走行前もしくははんだ付け前にブシュがはんだペースト上に載置される。引き続き生じる、炉走行中のはんだペーストの流動化によって、湿潤可能な面とブシュとの間の表面張力が惹起される。この表面張力はブシュをエッチング孔にセンタリングする。これにより基板上におけるブシュの簡単な位置決めが非常に正確な位置許容誤差で行われる。電力半導体モジュールの製造はさらに簡素化される。
【００１１】
本発明のさらに別の構成では線材ピンが基板に結合されたブシュ内に導入されている。したがってブシュと線材ピンとによって２部分から成る差込系が形成され、この差込系はこれまで使用されていたような冒頭に記載の、基板とパネルとの間のボンディング接続の代わりに使用される。ブシュの有利な形状によって線材ピンはブシュ内に堅固に挟持されている。しかしこの線材ピンをブシュ内で外部からの力作用のもとで軸線方向で移動させることもできる。この構成によって有利には、線材ピンの、ブシュとは反対側の端部がパネルに接続されて、電力半導体モジュールがパネルに取り付けられた状態において、温度変化に基づいた不利な機械的な応力を直接緩衝することができる。この構成の別の利点は線材ピンは炉走行後に初めてブシュに導入されるので、線材ピンのはんだ付け性がパネルに取り付けられるまで保たれたままであるという点にある。
【００１２】
基板をパネルに電気的に接続するための、ブシュと線材ピンとから成る２部分構成の差込系の利点は、従来のボンディング接続部と比べてより大きな、基板とパネルとの間の最大電力が許容されることである。これまでの電流負荷容量に関する臨界的なパラメータ、線材直径およびボンディング線材長さは本発明の差込系では単に副次的な意味しかなしていない。
【００１３】
本発明の別の有利な構成ではブシュも線材ピンも錫メッキされた銅または銅合金から構成されている。これにより構成部材の良好なはんだ付け性が保証されている。これに関連して一般的に、例えば鉄および銅に生じ得る、不利な接触部腐食を防止するためにブシュおよび線材ピンのために最適に材料が選択される。
【００１４】
本発明の別の有利な構成ではブシュが底区分と外周面区分とから成っており、しかも最も簡単な形式ではこの外周面区分は例えばほぼ円筒状の形を有している。円筒直径に関連した正確な許容誤差を保たなくても線材ピンの十分な挟持が保証されている。線材ピンの導入を改良するためにこのピンはその端部に、面取りされた角部を有しており、この角部は導入斜面として働く。前記した２部分の差込系をこのように簡単な構成によっても有利には保証することができる。
【００１５】
本発明の有利な構成に基づきブシュの外周面区分が漏斗状に形成されており、これにより線材ピンの導入はさらに簡素化される。これに対して択一的に導入斜面を線材ピンにも設けることができる。この漏斗状の構成では外周面区分がアームを有しており、これらのアームの間にはスリットが形成されている。基板ではんだ付け後に清掃過程が行われる場合には、有利にはスリットにより流体材料残留物がブシュの内側から流出し、残留することなく取り除かれるよう保証されている。
【００１６】
本発明の別の有利な構成に基づき、電力半導体モジュールのケーシング内にシリコーンゲルが構成素子を絶縁するために充填されている。前述のスリットはブシュの所定の領域においてシリコーンゲルから空気を逃すことを保証しているので、確実な絶縁が保証されている。
【００１７】
電力半導体モジュールの別の有利な改良形態は請求項２〜２０に記載されている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態を図面に示した実施例に基づき詳説する。
【００１９】
基板４とケーシング６とを有する本発明の電力半導体モジュール１が図１において部分的に断面して示されている。この断面された領域において、少なくとも１つのブシュ２ａ，２ｂが基板４に結合されているのが分かる。この実施例ではブシュ２ａ，２ｂが有利には基板４にはんだ付けされている。さらに少なくとも１つの線材ピン３が各ブシュ２ａ，２ｂ内に導入されていて、この線材ピン３が基板４の表面に対してほぼ垂直に延在するようになっている。その際線材ピン３の、ブシュ２ａ，２ｂに導入されていない他方の自由端部は、基板４をプレートに電気的に接続するために働く。
【００２０】
図１に示した本発明の実施例では電力半導体モジュール１がケーシング６の結合装置７を介してパネル５に取り付けられる。図１に示した実施例では線材ピン３の自由端部は有利にはパネル５にはんだ付けされている。さらに、パネル５への電力半導体モジュール１の確実な取り付けを保証するために、ケーシング６は結合装置７を有している。本発明の実施例では、これらの結合装置７は有利にはプラスチックスナップフックから成っており、このプラスチックスナップフックはパネル５にクリップ留めされる。さらにケーシング６はケーシング上面６ａを有しており、このケーシング上面６ａには少なくとも１つの開口８が設けられている。このケーシング上面６ａは本実施例において有利にはケーシング６と一体的に形成されている。これに対して択一的に、ケーシング上面６ａを、ケーシング６に結合される個々の部材として構成することもできる。
【００２１】
図１から分かるように、線材ピン３はケーシング上面６ａの開口８を通って延びている。このような形式で線材ピン３はケーシングから導出されている。線材ピン３はケーシング上面６ａの開口８を通って延びていることにより、さらに線材ピン３の付加的なガイドが保証されている。この実施例ではケーシング上面６ａがケーシング６と同様の形式でプラスチックから成っているので、前述した構成部材との確実な絶縁が保証されている。さらに基板４とケーシング上面６ａとの間の中間室内にはシリコーンゲル１４が充填されている。このシリコーンゲル１４は最大数のブシュ２ａ，２ｂおよび線材ピン３のさらに改良された互いの絶縁を保証している。この実施例ではシリコーンゲル１４は、このシリコーンゲル１４とケーシング上面６ａとの間に中空室が残されるようにケーシング６内に充填されている。
【００２２】
本発明をより理解できるように基板４の原理的な構造を１つのブシュ２ａと１つの線材ピン３と一緒に、拡大して図２に側方断面図として示した。この基板４は２つの銅層４ｂの間に層状に収容されたセラミック層４ａから成っている。この図から明確に分かるように、ブシュ２ａに面した側の銅層４ｂはエッチング孔９ｂを有しており、このエッチング孔９ｂは金属的に湿潤可能な面（図示せず）によって取り囲まれている。このエッチング孔９ｂに相応してブシュ２ａの底区分１１は中央孔９ａを有している。
【００２３】
基板４を加熱した際に、この基板４上にプリントされたはんだペースト１０が溶け出すと、基板４の湿潤可能な面とブシュ２の底区分１１の下面との間で作用する表面張力が、銅層４ｂに設けられたエッチング孔９ｂと中央孔９ａの自動センタリングを生ぜしめる。図２にはエッチング孔９ｂと中央孔９ａとのこのようなセンタリングが示されている。さらにブシュ２ａは個々のアーム１２を有しており、これらのアーム１２は基板４の表面に対してほぼ垂直に延びている。このブシュ２ａのアーム１２はブシュ２ａが漏斗形を形成するように底区分１１に対して相対的に曲げられている。さらにこれらのアーム１２は漏斗形のブシュ２ａが最小直径領域１３を有するようにブシュ２ａ，２ｂの中央軸線９ｃの方向で湾曲されている。この最小直径は線材ピン３の直径よりもわずかに小さく形成されている。この線材ピン３は軸線方向でブシュ２ａ内に導入可能であり、しかもブシュ２ａに面した、線材ピン３の自由端部は、ブシュ２ａの底区分１１に接触することなく、ブシュ２ａの最小直径領域１３を介して挿入されている。この前述した直径の違いはブシュ２ａの最小直径領域１３において線材ピン３の挟持作用を生ぜしめる。
【００２４】
図３には図２のブシュ２ａの展開図が示されている。この図からブシュ２ａの外周面区分が、星状に配置されたアーム１２から成っていることがわかる。これらのアーム１２は中央孔９ａを取り囲む底区分１１の縁部から半径方向で外側に向かって延びている。例えばこのような展開構造を１つの薄板または１つの帯状部材から打抜き成形することは大きな手間をかけることなく可能である。底区分１１の縁部から半径方向で外側に向かって延びる星状のアーム１２は、次いでブシュ２ａが図２に示した漏斗形状を形成するように変形させられる。この星状の展開図から、星状のブシュ２ａはアーム１２の間にスリットを有していると考えることもできる。これらのスリットははんだ付けに引き続き行われる洗浄過程において流体材料残留物の流出を保証している。さらにこれらのスリットは、シリコーンゲル１４の流込みの際に空気を流出させ、これにより流し込まれたシリコーンゲル１４に望まれない気泡が存在しないように保証する。
【００２５】
図４には変えられたブシュ２ｂの実施例が示されている。このブシュ２ｂの原理的な構造はブシュ２ａの構造に相応している。同じ部材には同じ部材番号を付与し、その説明も省いた。図４の（ａ）に示した側方断面図から、ブシュ２ｂが最小直径領域１３において楔区分１３ａを有しているのが分かる。この楔区分１３ａはブシュ２ｂの中心軸線に向かってそれぞれ半径方向で内側に鋭角な角度で突出している。このような形式ではブシュ２ａと比べて線材ピン３のさらに確実な挟持作用を得ることができるが、線材ピン３の、軸線方向の自由度を完全になくすこともない。
【００２６】
ブシュ２ｂの外周面区分の展開図が図４の（ｂ）に示されている。この図から、ブシュ２ｂの外周面区分が主として十字形に配置された４つのアーム１２によって形成されていることがわかる。同様の形式でブシュ２ｂを一枚の薄板または一枚の帯状部材から打ち抜き加工することもでき、この場合このブシュ２ｂの製造過程はアーム１２の数がわずかであることに基づき全体的に簡素化される。
【００２７】
本発明は簡単な構造を特徴とし、大きな手間をかけることなく少ない方法段階で製造することができるような電力半導体モジュールに関連している。ブシュ２ａ，２ｂ内における線材ピン３の軸線方向自由度によって、電力半導体モジュールが一般的に運転中にさらされる温度変化においても、欠点である機械的な応力がモジュールに形成されないように保証されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 パネルに接続された本発明による電力半導体モジュールを部分的に断面して示した側面図である。
【図２】 基板に結合されたブシュと、図１の電力半導体モジュールの線材ピンとを拡大して示した図である。
【図３】 図２で使用されたブシュの星形の展開図である
【図４】 図４の（ａ）は基板に接続されたブシュの別の１実施例であり、図４の（ｂ）は図４の（ａ）のブシュの展開図である。
【図５】 従来技術に基づく電力半導体モジュールの図である。
【符号の説明】
１ 電力半導体モジュール、 ２ａ，２ｂ ブシュ、 ３ 線材ピン、 ４ 基板、 ４ａ セラミック、 ４ｂ 銅、 ５ パネル、 ６ ケーシング、 ６ａ ケーシング上面、 ７ 結合装置（スナップフック）、 ８ 開口、 ９ａ 中央孔、 ９ｂ エッチング孔、 ９ｃ 中央軸線、 １０ はんだペースト、 １１ 底区分、 １２ アーム、 １３ 最小直径領域、 １３ａ 楔区分、 １４ シリコーンゲル、 １５ 電力半導体モジュール、 １６ ピン、 １７ セラミック基板、 １８ ベースプレート、 １９ シリコンチップ、 ２０ アルミニウム線材、 ２１ アルミニウムボンディング接続部、 ２２ ケーシング、 ２３ カバー、 ２４ シリコーンゲル

Claims (20)

  1. 電力半導体モジュールのための接続装置であって、ブシュ（２ａ，２ｂ）が設けられており、該ブシュ（２ａ，２ｂ）が電力半導体モジュール（１）の基板（４）に結合されており、線材ピン（３）が設けられており、該線材ピン（３）が、パネル（５）との電気的な接続部を形成するために運転中にブシュ（２ａ，２ｂ）内に導入されるように形成されている形式のものにおいて、
    ブシュ（２ａ，２ｂ）が漏斗状または円筒状であって、ブシュ（２ａ，２ｂ）の底区分（１１）が、基板（４）の表面に結合されており、
    ブシュ（２ａ，２ｂ）が外周面区分で複数のアーム（１２）を有しており、該アーム（１２）が、ブシュ（２ａ，２ｂ）が最小直径領域（１３）を有するように、ブシュ（２ａ，２ｂ）の中央軸線（９ｃ）の方向で湾曲されていて、この最小直径は線材ピン（３）の直径よりも小さく形成されており、これにより導入された線材ピン（３）がブシュ（２ａ，２ｂ）によって挟持可能であることを特徴とする、電力半導体モジュールのための接続装置。
  2. 最小直径領域（１３）を形成するために、ブシュ（２ａ，２ｂ）の外周面区分が、星状の展開構造または十字形の展開構造から形成されている、請求項１記載の接続装置。
  3. ブシュ（２ａ，２ｂ）のアーム（１２）の間にスリットが形成されている、請求項２記載の接続装置。
  4. 最小直径領域（１３）が楔形区分（１３ａ）を有しており、該楔形区分（１３ａ）が、特に半径方向内側にブシュ（２ｂ）の中心軸線（９ｃ）に向かって鋭角な角度で突出している、請求項１から３までのいずれか１項記載の接続装置。
  5. ブシュ（２ａ，２ｂ）が基板（４）にはんだ付けされている、請求項１から４までのいずれか１項記載の接続装置。
  6. 線材ピン（３）がブシュ（２ａ，２ｂ）内で力作用に基づき軸線方向に移動可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載の接続装置。
  7. 外周面区分がほぼ円筒形状である、請求項２から６までのいずれか１項記載の接続装置。
  8. ブシュ（２ａ，２ｂ）の前記底区分（１１）が中央孔（９ａ）を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の接続装置。
  9. 基板（４）が金属的に湿潤可能な面を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の接続装置。
  10. 基板（４）がエッチング孔（９ｂ）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の接続装置。
  11. 金属的に湿潤可能な面がエッチング孔（９ｂ）を取り囲んでいる、請求項１０記載の接続装置。
  12. 基板（４）に、はんだペースト（１０）が印刷されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の接続装置。
  13. ブシュ（２ａ，２ｂ）が、基板（４）の湿潤可能な面上に載置されている、請求項８から１２までのいずれか１項記載の接続装置。
  14. ブシュ（２ａ，２ｂ）と、線材ピン（３）とが、錫メッキされた銅または銅合金から形成されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の接続装置。
  15. 基板（４）がセラミック（４ａ）から成っている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の接続装置。
  16. 絶縁を保証するために、ケーシング（６）内でシリコーンゲル（４）がブシュ（２ａ，２ｂ）と線材ピン（３）との間に充填されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の接続装置。
  17. ケーシング（６）が、少なくとも１つの開口（８）を有するケーシング上面（６ａ）を有しており、前記開口（８）を通って線材ピン（３）が延びている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の接続装置。
  18. ケーシング（６）が、パネル（５）に取り付けるための装置（７）を有しており、該装置（７）を介して電力半導体モジュール（１）がパネル（５）に結合可能である、請求項１から１７までのいずれか１項記載の接続装置。
  19. 前記装置（７）がスナップフックから形成されている、請求項１８記載の接続装置。
  20. ケーシング（６）がプラスチックから形成されている、請求項１から１９までのいずれか１項記載の結合装置。
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