JP3813180B2 - 電力半導体素子のための電流接続部 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の電力半導体素子のための電流接続部に関する。
米国特許第３５１９８９６号明細書には例えば、金属クリップによる、電力半導体素子のためのはんだ付けなしの電流接続部が開示されている。欧州特許出願公開第１５５４７３号明細書には、出力半導体モジュールの接触接続のための、固定的にはんだ付けされたコンタクトヨークの使用が記載されている。
電力半導体素子においてはしばしば、半導体本体への給電部が、セラミックス基板に取り付けられた銅層によって形成されている。この銅層を介して、電力半導体素子の運転中に生ぜしめられた熱も導出される。このような片側の熱導出もしくは冷却、および、熱伝導性の良くないセラミックス基板の温度低下に起因して、電力半導体素子は既に数秒でその運転温度に達する。このことは特に、電力半導体素子がモジュール的に使用されて、複数の電力半導体素子が相並んで配置されている場合に当てはまる。
運転温度に急速に達することにより、電力半導体素子は、多数回使用する場合には、高い負荷交番数、つまり多数の加熱・冷却プロセスに晒される。例えば、１０^５／年を超える負荷交番数に達するおそれがある。それぞれの加熱・冷却プロセス、すなわち各負荷交番は、電力半導体素子およびその給電部における熱機械的な応力を呼び起こす。従ってこの高い負荷交番数は、半導体本体上に位置する給電部に著しい破壊を生ぜしめるおそれがある。
給電部の材料がその熱膨張率において、半導体本体の熱膨張率、つまり珪素の熱膨張率と、セラミックス基板の熱膨張率とに良好に適合されていればいるほど、高い負荷交番数により生ぜしめられた材料疲労は小さいので、給電部の材料にはしばしばモリブデンまたは銅めっきされたアンバー（インバー）が使用される。この材料はそれぞれ半導体本体もしくはセラミックス基板にはんだ付けされる。このような材料の使用は例えば欧州特許出願公開第４３２８６７号明細書に基づき公知である。しかしながら相異なる材料の熱膨張率における適合誤差がそれが小さなものではあっても常に残され、さらに、一方でははんだ付け接続部の不均一な加熱に基づき、また他方では特にモジュール底部のモジュール構造において、機械的な応力が生ぜしめられることが伴っている。このような適合誤差は機械的な応力と共に、半導体本体もしくはセラミックス基板と給電部との間のそれぞれのはんだ付け結合部の緩慢な疲労を招く。
従って本発明の課題は、負荷交番数が高い場合にも、特にはんだ付け結合部の材料疲労を事実上呈することがないような、電力半導体素子のための電流接続部を提供することである。
この課題は、請求項１の上位概念に記載の形式の電流接続部において、本発明に基づき、請求項１の特徴部に記載の特徴によって解決される。
本発明の有利な別の構成が請求項２以下に記載されている。
本発明による電流接続部においては、はんだ付けされた、クリップとして構成されたコンタクトと、本来の電力半導体素子の半導体本体とが熱的および機械的に減結合され(entkoppelt)ている。給電部のはんだ付けはもはや半導体本体の表面で全面的に行われるのではなく、はんだ球体を導入するための、少なくとも１つのはんだ導入環を用いて、場合によってはいくつかの、小さな面積を占める少数のはんだ付け点で、それぞれのはんだ導入環に導入されたはんだ球体によって行われる。はんだ付け点と本来のコンタクトとの結合部、つまりはんだ付け点への給電部は、例えばメアンダ状つまり蛇行状に形成されていて、薄いフレキシブルな脚状体または帯状体から成っている。この脚状体または帯状体ははんだ導入環と一緒にコンタクトの薄板から打ち抜かれており、半導体本体の上面に接近して位置する平面内に、下方に向かって曲げられることにより形成されている。この脚状体または帯状体から成るこのような給電部の長さおよび横断面は、損失出力が小さく保たれ、給電部による、半導体本体とコンタクトとの間の熱導出が僅かにしか生じないように選択されている。これに対して、はんだ導入環を介する給電部のための接続ヨーク(Anschlussbuegel)を形成する本来のコンタクトの導電性および特に熱伝導性は、接続ヨークがセラミックス基板と、半導体本体が被着されている銅層とから成る底部プレートの温度を僅かにしか上回らないように加熱されるような大きさに調節されている。この場合、セラミックス基板の温度Ｔ_１と、コンタクトの温度Ｔ_３と、半導体本体の温度Ｔ_２との間に、次の関係が当てはまることが望ましい。
Ｔ_２≫Ｔ_３＞Ｔ_１
こうして、温度変動が大きいときにも、給電部もしくはコンタクトと、半導体本体もしくは本来の電力半導体素子との間には極めて僅かな熱機械的な応力しか生じない。半導体本体とコンタクトとの間の空間もしくはギャップに、コンタクトの熱膨張率もしくは半導体本体の熱膨張率に適合された材料、有利には接着剤を付加的に充填することにより、それぞれの相対運動を、はんだ付け点の変形および疲労なしに弾性的に吸収することができる。コンタクトもしくは蛇行状の給電部は、対称的な層列を有するトリメタル（３層金属）薄板から製造されている。適切な層は例えば銅−アンバー−銅である。しかしながらこれらの層の代わりにモリブデン薄板が使用されてもよい。後ではんだ球体が導入されるはんだ導入環およびこれらのはんだ導入環への給電部は、このような薄板からエッチングによる露出またはレーザ切削によって成形することができる。
以下に本発明について図面につき詳しく説明する。
第１図は、クリップとして構成されたコンタクトの平面図である。
第２図はコンタクトが電力半導体素子に取り付けられている場合に、第１図のコンタクトをＡ−Ａ線に沿って示す断面図である。
第３図は、コンタクトのためのアンダフィリング（充填物）を示す断面図である。
第４図はコンタクトのための層列を示す図である。
第１図は、クリップとして構成されたコンタクト１を示している。このコンタクト１からは所定の領域２内で、はんだ導入環４への給電部３が、エッチングによる露出(Freiaetzen)またはレーザ切削により成形されている。
第２図からは、給電部３とはんだ導入環４とは、本来のコンタクト１の平面の「下方」に位置している。このことは、エッチングによる露出もしくはレーザ切削の後の相応の曲げ過程によって達成することができる。
給電部３のための接続ヨーク(Anschlussbuegel)を形成する本来のコンタクト１と、この給電部３と、はんだ導入環４とは、材料統一されて製造されており、例えばモリブデンまたは対称的な層列を有するトリメタル薄板(Trimetallblech)から成っており、これにより片面の反れを伴うバイメタル現象を回避することができる。第４図は、銅層５とアンバー層６と別の銅層７とを備えた、このような可能な層列を示している。アンバーは、これが特に低い熱膨張率を有しているので選択される。
第２図から判るようにコンタクト１は、銅層８と半導体本体９との間で案内されている。銅層８は例えばＤＣＢ技術（ＤＣＢ＝Direkt-Kupfer-Bonden、直接銅ボンディング）によって、有利には酸化アルミニウムから成るセラミックス基板１０に被着されており、ギャップ１１によって中断されている。この場合銅層８の「左」側部分は、半導体本体９のための電極１２を形成している。ギャップ１１は、銅層８がセラミックス基板１０に被着されたあと、例えばエッチングによって形成されてよい。
第１図および第２図の実施例においては、それぞれ１つのはんだ導入環４を備えた２つの領域２が設けられている。それぞれのはんだ導入環４の開口１３内には、半導体本体９とのコンタクトをもたらすためのはんだ球体１４が導入されているので、この実施例では２つの小さな面積のはんだ付け点が存在している。
給電部３は、引張り負荷を軽減するためにメアンダ状つまり蛇行状に形成されており、薄いフレキシブルな脚状体または帯状体を形成している。この脚状体または帯状体はその長さおよび横断面において、半導体本体９からコンタクト１への損失出力および熱導出が僅かなままであるように形成されている。
コンタクト１は、半導体本体９とは反対側の端部１５で、ギャップ１１によって電極１２から隔離された銅層８に結合されている。この場合、コンタクト１はさらに引張り負荷を軽減するためにＵ字形に曲げられていてよい。
セラミックス基板１０と銅層８とは、半導体本体９とコンタクト１とのための、つまり本来の電力半導体素子のための底部プレート１６を形成している。銅層８もしくは底部プレート１６に対するコンタクト１の導電性、および特に熱伝導性の大きさは、コンタクト１が底部プレートの温度をわずかにしか上回らないように加熱され、しかも底部プレート１６もしくは銅層８（電極１２以外の領域）の温度Ｔ_１と、コンタクト１の温度Ｔ_３と、半導体本体の温度Ｔ_２との間で、次のような関係が当てはまるように選択される。
Ｔ_２≫Ｔ_３＞Ｔ_１
上で既に述べたように、この実施例においては２つのはんだ付け点が設けられている。しかしながら、２つよりも多いはんだ付け点、ひいては給電部３とはんだ導入環４とを備えた領域２が使用されてもよい。特別な場合には、１つの給電部の損失出力が十分に低く維持されるならば、唯１つのはんだ付け点でも十分である。
第３図が示すように、コンタクト１と半導体本体９との間の空間１８に充填物つまりアンダフィリング(Unterfuellung)１７が導入されてよい。このようなアンダフィリング１７は、接着剤から成っている。この接着剤はその熱膨張率が、半導体本体９もしくはコンタクト１の熱膨張率に適合されている。適切な接着剤は例えば汎用のフリップ・チップ・アンダフィラー(Flip-Chip-Underfiller)である。これにより、各相対運動は、はんだ付け点の変形および疲労なしに弾性的に吸収することができる。
こうして本発明は、高い負荷交番数の場合にも特にはんだ付け点もしくははんだ付け結合部において事実上材料疲労を呈することのない、電力半導体素子のための電流接続部を提供する。

Claims (12)

1. 底部プレート領域（１６）内部に形成された、電力半導体素子のための電流接続部であって、
   イ）半導体本体（９）と、
   ロ）該半導体本体（９）と接触するためのクリップとして構成されたコンタクト（１）と、
   ハ）前記半導体本体（９）とコンタクト（１）との間に設けられた小さな面積のはんだ付け点（１４）と、
   を有しており、
   ニ）コンタクト（１）がその一端部に引張り負荷を軽減する少なくとも１つのはんだ導入環（４）を有していて、このはんだ導入環（４）内で半導体本体（９）用のはんだ付け点（１４）が形成されている、
   形式のものにおいて、
   ホ）コンタクト（１）の他端部が、大きい面積で底部プレート（１６）に接続されており、
   ヘ）はんだ導入環（４）が、薄いフレキシブルな給電部（３）を介してコンタクト（１）に接続されており、
   ト）それによってコンタクト（１）と半導体本体（９）とが熱的および機械的に減結合されている、
   ことを特徴とする、電力半導体素子のための電流接続部。
2. 前記給電部（３）が蛇行状に形成されている、請求項１記載の電流接続部。
3. 給電部（３）とはんだ導入環（４）とがコンタクト（１）と材料統一されて形成されている、請求項１又は２記載の電流接続部。
4. 給電部（３）とはんだ導入環（４）とが、コンタクト（１）よりも半導体本体（９）に接近して設けられた平面内に形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の記載の電流接続部。
5. コンタクト（１）が３層金属薄板（５，６，７）またはモリブデンから形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電流接続部。
6. ３層金属薄板が材料Ａ−Ｂ−Ａから成る層列を有している、請求項５記載の電流接続部。
7. 材料Ａが銅から、材料Ｂがアンバーから形成されている、請求項６記載の電流接続部。
8. コンタクト（１）と半導体本体（９）との間に充填物（１７）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の電流接続部。
9. 充填物（１７）が接着剤から成っており、該接着剤の熱膨張率が、コンタクト（１）および半導体本体（９）の熱膨張率に適合されている、請求項８記載の電流接続部。
10. 半導体本体（９）が、セラミックス基板（１０）上に配置された銅層（８）に設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の電流接続部。
11. コンタクト（１）が、その半導体本体（９）とは反対側の端部（１５）で、大きな面積で銅層（８）もしくはセラミックス基板（１０）に結合されて、コンタクトが、銅層（８）の温度を僅かにしか上回らないように加熱されるようになっている、請求項１０記載の電流接続部。
12. コンタクト（１）がＵ字形に構成されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電流接続部。

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