JP4020990B2 - パワー半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー半導体モジュール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーエレクトロニクスの分野で使用されるパワー半導体モジュールが、米国特許第5,221,851 号明細書に開示されている。この米国特許明細書には、所謂圧力接触半導体モジュールが記載され、この圧力接触半導体モジュールにおいては、複数の半導体チップがそれらの第１主接続部によりベースプレートに対して設けられている。これらのチップの第２主接続部は、複数のコンタクト・プランジャに接触している。ベースプレートは、第１主接続部に結合され、コンタクト・プランジャが、第２主接続部に結合されている。これらの主接続部は、ディスクの形態で設計され、フランジにより互いに保持されている。このため、圧力接触は、個々のチップ上を押しつける銅のプランジャの形態で設計されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来構造のものでは、チップ面と銅のプランジャの平面の平行度が必要となる。圧力接触のために必要な平面の平行度は、例えば、直径７ｃｍの円形のディスクの場合にたった数マイクロメートルである。複数のチップを配置した場合、従来のハンダ付けの技術では個々のチップを同一レベルでハンダ付けすることは殆ど不可能でありたった１つのチップを平行とするのみであるため、このような要求を満たすのは、非常に困難である。
そこで、本発明は、平面の平行度の要求が厳しくないパワー半導体モジュールを提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、各コンタクト・プランジャの位置は、各半導体チップと第２主接続部との間の距離に対向して個別に設定可能である。コンタクト・プランジャの位置が各半導体チップに対して個別に設定可能であるため、平面の平行度がもはや重要が意義を持たなくなった。
コンタクト・プランジャは、移動可能なように取り付けられる。コンタクト・プランジャの位置を設定するために、固定手段が設けられている。この固定手段は、例えば、ハンダ層又は関連する摺動コンタクトを有するスプリングである。このハンダ層は、孔内でコンタクト・プランジャを囲み、且つコンタクト・プランジャを機械的に固定すると共に電気的に接触させるために使用される。スプリングを用いた場合には、スプリングは、コンタクト・プランジャを収納するために設けられた孔内に配置される。電気接触性を向上させるために、摺動コンタクトを更に設けることが可能である。この摺動コンタクトは、例えば、スプリング状であり、孔の側壁に沿う導電性の材料で作られた多層薄板を有するものである。
【０００５】
コンタクト・プランジャがハンダ付けにより固定される半導体モジュールが、以下のようにして製造される。先ず、ベースプレート上に半導体チップがハンダ付けされる。次に、半導体チップを備えたベースプレートが、第２主接続部内に挿入される。ここで、第２主接続部は、少なくとも１つの孔と、少なくとも１つのコンタクト・プランジャとこれらの間に配置されたハンダ層を備えている。第２主接続層に関するベースプレートの位置が、固定され、さらに、半導体モジュールが、第２主接続部が上向きの状態でハンダ炉内で溶解される。この工程において、コンタクト・プランジャと第２主接続部との間のハンダ層が溶けて各コンタクト・プランジャのそれぞれの位置を固定する。これは、重力の作用により、ハンダ付け作業の前に自動的に設定される。
このようにして、本発明によれば、厳しい平面の平行度はもはや必要がない。この結果、コスト的に有効なモジュールの製造が可能となる。更に、コンタクト・ピンによるチップの接触は、コンタクト・ピンがハンダ付けされているか又はスプリングにより圧力が作用しているかに関係なく、各チップ上に永久的且つ個別の圧力を確実なものとする。ハウジング・コンタクトとチップとの間の永久的で低い接触抵抗が、特にモジュールかその部品が欠陥により溶融した場合にその結果として達成される。従来技術によれば、ボンデング・ワイヤが切れてしまう。これにより、コンポーネントが完全に破壊されることがある。従って、本発明のようなタイプの接触によれば、内部的に並列接続されたチップの一つが故障した場合、全公称電流のみでなく短絡電流も、故障したチップを介して低い抵抗で流れるという効果がある。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態を示す断面図である。符合１は、パワー半導体モジュールを示し、このパワー半導体モジュール１は、第１主接続部６と第２主接続部７を備えている。これらの第１、第２主接続部６，７は、固体の銅ブロックにより構成されるものであってもよい。ベースプレート５が、第１主接続部６に形成される。このベースプレート５は、例えば、モリブデンプレート１４、セラミックプレート１５、又はハンダ層１６により第１主接続部６上に固定される適当な材料から作られたプレートであってもよい。ここで、ベースプレートの横断面形状は重要ではなく、丸形でも角のあるものでもよい。複数の半導体チップ２、より一般的に言えば、少なくとも１つの半導体チップ２が、ベースプレート５上にハンダ付けされる。これらの半導体チップは、好ましくは、ＩＧＢＴチップ、ダイオードチップ、又はこれらのタイプのチップの組み合わせである。しかしながら、原則的に、チップ２は、少なくとも２つの主電極３，４を備えており、これらの主電極３，４は、対応する第１、第２主接続部６，７と接触している。ＩＧＢＴチップを用いた場合、第３の電極である制御用電極が更に設けられ、この制御用電極は、接続用ワイヤ１３を介して制御用接続部１１に接続されている。接続用ワイヤ１３は、例えば、チップ２の制御用電極に結合されている。一方の主電極４は、チップ２の下側により形成されてベースプレート５に直接的に結合されている。
【０００７】
半導体チップ２の他方の主電極３は、多数のコンタクト・プランジャ８と接触しており、このコンタクト・プランジャ８の数は、チップの数に対応している。上述したように、パワー半導体モジュールにおいては、同一レベルにチップ２をハンダ付けするのが困難であるという問題がある。しかしながら、問題なく圧力接触させるためには、高精度の面の平行度が必要である。この問題を明らかにするため、異なる厚みを持つハンダ層１５が図１に誇張して示されている。異なる厚みを有する複数のチップがあるような場合、例えば、異なるタイプのチップが組み合わせられているような場合も、ハンダ層、必要な場合にそれらの間に配置されるモリブデンのディスク及び半導体チップから構成される複数のスタックが異なる高さを有することになる。本発明は、このような困難性がもはや問題とならないようなパワー半導体モジュールを提供するものである。
このようなパワー半導体モジュールを提供するために、本発明においては、実際に組み立てを行う前に、コンタクト・プランジャ８が、第２主接続部７内に形成された孔でそれらが移動可能なように、配置される。本発明の実施形態によれば、組み立て後にコンタクト・プランジャ８を固定できるように、ハンダ層９が、コンタクト・プランジャ８と孔の間に設けられる。組立中に、このハンダ層が、ハンダ炉内で溶解し、これにより、コンタクト・プランジャ８を固定する。第２主接続部７と半導体チップ２との間の各距離に対するコンタクト・プランジャの長さの自動調節が、半導体モジュールを上向きの第２主接続部７にハンダ付けすることにより最も簡単に且つ好適に行われる。コンタクト・プランジャ８は、重力により降下してチップと接触する。また、別のハンダ層１０が、チップ２とコンタクト・プランジャ８との間に設けられる場合があるが、このときは、それらの間にモリブデンのディスクが配置される。このハンダ層１０は、ハンダ層９と同様にハンダ炉内でハンダ付けされる。第２主接続部に関して第１主接続部の位置を固定するために、この構成物の周囲に、調整完了後に、ハンダ付け作業中にコンタクト・プランジャ８をチップ２上に正確に並べて接続する固定装置を配置する。
【０００８】
このようにして構成されたパワー半導体モジュールは、例えば、ＧＴＯ技術において知られている圧力接触ハウジング内に装着される。この場合、第１、第２主接続部６，７の間に、支持リング１２を設けることが有効である。この支持リング１２は、チップのハンダ付け個所及びコンタクト・プランジャに作用する圧力を軽減する。制御用接続部１１は、その後、支持リング１２を通る最適な位置に配置される。
図２は、本発明による他の実施形態を示す断面図である。この実施形態は、図１に示す実施形態とほぼ対応しており、同一部分には同一符合を付す。この実施形態においては、スプリング１８及び摺動コンタクト１７の組み合わせが、コンタクト・プランジャ８の長さを固定してセットするためのハンダ層９の代わりに設けられている。これらのスプリング１８は、第２主接続部７内の孔に配置されており、コンタクト・プランジャ８に圧力を加える。コンタクト・プランジャ８の長さは、このようにしてセットされる。スプリング状の摺動コンタクト１７が、コンタクト・プランジャ８と第２主接続部７との電気接触性を向上させるために更に設けられている。これらのスプリング状の摺動コンタクト１７は、コンタクト・プランジャ８と第２接続部との間の壁孔に沿って配置されている。スプリング状の摺動コンタクト１７は、他層薄板であってもよい。
【０００９】
スプリング圧が作用しているコンタクト・プランジャ８は、チップ２を押しつける。図１に示す実施形態においては、ハンダ層１０とＭｏ薄板１４がチップ２と接触するために必要であったが、この図２の実施形態では、チップ２とコンタクト・プランジャ８の直接接触で十分である。
本発明によれば、パワー半導体モジュールを用いた異なるタイプのモジュールを構成することが可能である。ＩＧＢＴチップとダイオード・チップとの組み合わせの場合には、上述した米国特許明細書のように、例えば、反転接続された平行ダイオードが集積されたスイッチモジュールが得られる。しかしながら、コンバーターの完全な半又は１／４ブリッジのモジュールをこのようなパワー半導体モジュール内に積層することや、ただ１つの高出力ダイオードを製作することも考えられる。しかしながら、本発明は、ＩＧＢＴに限定されることなく、むしろあらゆるタイプのパワー半導体チップに有効に適用できる。上述の説明は、円形の横断面のモジュールに基づくものであったが、本発明は、このような横断面に限定されない。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のものと比較して平面の平行度の要求が厳しくなく、より容易に製造可能なパワー半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるパワー半導体モジュールの第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】 本発明によるパワー半導体モジュールの第２の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ パワー半導体モジュール
２ 半導体チップ
３ 電極
４ 電極
５ ベースプレート
６ 主接続部
７ 主接続部
８ コンタクト・プランジャ
９ ハンダ層
１０ ハンダ層
１１ 制御用接続部
１２ 支持リング
１３ 接続用ワイヤ
１４ モリブデンプレート
１５ ハンダ層
１６ ハンダ層
１７ 摺動コンタクト
１８ スプリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー半導体モジュール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーエレクトロニクスの分野で使用されるパワー半導体モジュールが、米国特許第5,221,851 号明細書に開示されている。この米国特許明細書には、所謂圧力接触半導体モジュールが記載され、この圧力接触半導体モジュールにおいては、複数の半導体チップがそれらの第１主接続部によりベースプレートに対して設けられている。これらのチップの第２主接続部は、複数のコンタクト・プランジャに接触している。ベースプレートは、第１主接続部に結合され、コンタクト・プランジャが、第２主接続部に結合されている。これらの主接続部は、ディスクの形態で設計され、フランジにより互いに保持されている。このため、圧力接触は、個々のチップ上を押しつける銅のプランジャの形態で設計されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来構造のものでは、チップ面と銅のプランジャの平面の平行度が必要となる。圧力接触のために必要な平面の平行度は、例えば、直径７ｃｍの円形のディスクの場合にたった数マイクロメートルである。複数のチップを配置した場合、従来のハンダ付けの技術では個々のチップを同一レベルでハンダ付けすることは殆ど不可能でありたった１つのチップを平行とするのみであるため、このような要求を満たすのは、非常に困難である。
そこで、本発明は、平面の平行度の要求が厳しくないパワー半導体モジュールを提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、各コンタクト・プランジャの位置は、各半導体チップと第２主接続部との間の距離に対向して個別に設定可能である。コンタクト・プランジャの位置が各半導体チップに対して個別に設定可能であるため、平面の平行度がもはや重要が意義を持たなくなった。
コンタクト・プランジャは、移動可能なように取り付けられる。コンタクト・プランジャの位置を設定するために、固定手段が設けられている。この固定手段は、例えば、ハンダ層又は関連する摺動コンタクトを有するスプリングである。このハンダ層は、孔内でコンタクト・プランジャを囲み、且つコンタクト・プランジャを機械的に固定すると共に電気的に接触させるために使用される。スプリングを用いた場合には、スプリングは、コンタクト・プランジャを収納するために設けられた孔内に配置される。電気接触性を向上させるために、摺動コンタクトを更に設けることが可能である。この摺動コンタクトは、例えば、スプリング状であり、孔の側壁に沿う導電性の材料で作られた多層薄板を有するものである。
【０００５】
コンタクト・プランジャがハンダ付けにより固定される半導体モジュールが、以下のようにして製造される。先ず、ベースプレート上に半導体チップがハンダ付けされる。次に、半導体チップを備えたベースプレートが、第２主接続部内に挿入される。ここで、第２主接続部は、少なくとも１つの孔と、少なくとも１つのコンタクト・プランジャとこれらの間に配置されたハンダ層を備えている。第２主接続層に関するベースプレートの位置が、固定され、さらに、半導体モジュールが、第２主接続部が上向きの状態でハンダ炉内で溶解される。この工程において、コンタクト・プランジャと第２主接続部との間のハンダ層が溶けて各コンタクト・プランジャのそれぞれの位置を固定する。これは、重力の作用により、ハンダ付け作業の前に自動的に設定される。
このようにして、本発明によれば、厳しい平面の平行度はもはや必要がない。この結果、コスト的に有効なモジュールの製造が可能となる。更に、コンタクト・ピンによるチップの接触は、コンタクト・ピンがハンダ付けされているか又はスプリングにより圧力が作用しているかに関係なく、各チップ上に永久的且つ個別の圧力を確実なものとする。ハウジング・コンタクトとチップとの間の永久的で低い接触抵抗が、特にモジュールかその部品が欠陥により溶融した場合にその結果として達成される。従来技術によれば、ボンデング・ワイヤが切れてしまう。これにより、コンポーネントが完全に破壊されることがある。従って、本発明のようなタイプの接触によれば、内部的に並列接続されたチップの一つが故障した場合、全公称電流のみでなく短絡電流も、故障したチップを介して低い抵抗で流れるという効果がある。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態を示す断面図である。符合１は、パワー半導体モジュールを示し、このパワー半導体モジュール１は、第１主接続部６と第２主接続部７を備えている。これらの第１、第２主接続部６，７は、固体の銅ブロックにより構成されるものであってもよい。ベースプレート５が、第１主接続部６に形成される。このベースプレート５は、例えば、モリブデンプレート１４、セラミックプレート１５、又はハンダ層１６により第１主接続部６上に固定される適当な材料から作られたプレートであってもよい。ここで、ベースプレートの横断面形状は重要ではなく、丸形でも角のあるものでもよい。複数の半導体チップ２、より一般的に言えば、少なくとも１つの半導体チップ２が、ベースプレート５上にハンダ付けされる。これらの半導体チップは、好ましくは、ＩＧＢＴチップ、ダイオードチップ、又はこれらのタイプのチップの組み合わせである。しかしながら、原則的に、チップ２は、少なくとも２つの主電極３，４を備えており、これらの主電極３，４は、対応する第１、第２主接続部６，７と接触している。ＩＧＢＴチップを用いた場合、第３の電極である制御用電極が更に設けられ、この制御用電極は、接続用ワイヤ１３を介して制御用接続部１１に接続されている。接続用ワイヤ１３は、例えば、チップ２の制御用電極に結合されている。一方の主電極４は、チップ２の下側により形成されてベースプレート５に直接的に結合されている。
【０００７】
半導体チップ２の他方の主電極３は、多数のコンタクト・プランジャ８と接触しており、このコンタクト・プランジャ８の数は、チップの数に対応している。上述したように、パワー半導体モジュールにおいては、同一レベルにチップ２をハンダ付けするのが困難であるという問題がある。しかしながら、問題なく圧力接触させるためには、高精度の面の平行度が必要である。この問題を明らかにするため、異なる厚みを持つハンダ層１５が図１に誇張して示されている。異なる厚みを有する複数のチップがあるような場合、例えば、異なるタイプのチップが組み合わせられているような場合も、ハンダ層、必要な場合にそれらの間に配置されるモリブデンのディスク及び半導体チップから構成される複数のスタックが異なる高さを有することになる。本発明は、このような困難性がもはや問題とならないようなパワー半導体モジュールを提供するものである。
このようなパワー半導体モジュールを提供するために、本発明においては、実際に組み立てを行う前に、コンタクト・プランジャ８が、第２主接続部７内に形成された孔でそれらが移動可能なように、配置される。本発明の実施形態によれば、組み立て後にコンタクト・プランジャ８を固定できるように、ハンダ層９が、コンタクト・プランジャ８と孔の間に設けられる。組立中に、このハンダ層が、ハンダ炉内で溶解し、これにより、コンタクト・プランジャ８を固定する。第２主接続部７と半導体チップ２との間の各距離に対するコンタクト・プランジャの長さの自動調節が、半導体モジュールを上向きの第２主接続部７にハンダ付けすることにより最も簡単に且つ好適に行われる。コンタクト・プランジャ８は、重力により降下してチップと接触する。また、別のハンダ層１０が、チップ２とコンタクト・プランジャ８との間に設けられる場合があるが、このときは、それらの間にモリブデンのディスクが配置される。このハンダ層１０は、ハンダ層９と同様にハンダ炉内でハンダ付けされる。第２主接続部に関して第１主接続部の位置を固定するために、この構成物の周囲に、調整完了後に、ハンダ付け作業中にコンタクト・プランジャ８をチップ２上に正確に並べて接続する固定装置を配置する。
【０００８】
このようにして構成されたパワー半導体モジュールは、例えば、ＧＴＯ技術において知られている圧力接触ハウジング内に装着される。この場合、第１、第２主接続部６，７の間に、支持リング１２を設けることが有効である。この支持リング１２は、チップのハンダ付け個所及びコンタクト・プランジャに作用する圧力を軽減する。制御用接続部１１は、その後、支持リング１２を通る最適な位置に配置される。
図２は、本発明による他の実施形態を示す断面図である。この実施形態は、図１に示す実施形態とほぼ対応しており、同一部分には同一符合を付す。この実施形態においては、スプリング１８及び摺動コンタクト１７の組み合わせが、コンタクト・プランジャ８の長さを固定してセットするためのハンダ層９の代わりに設けられている。これらのスプリング１８は、第２主接続部７内の孔に配置されており、コンタクト・プランジャ８に圧力を加える。コンタクト・プランジャ８の長さは、このようにしてセットされる。スプリング状の摺動コンタクト１７が、コンタクト・プランジャ８と第２主接続部７との電気接触性を向上させるために更に設けられている。これらのスプリング状の摺動コンタクト１７は、コンタクト・プランジャ８と第２接続部との間の壁孔に沿って配置されている。スプリング状の摺動コンタクト１７は、他層薄板であってもよい。
【０００９】
スプリング圧が作用しているコンタクト・プランジャ８は、チップ２を押しつける。図１に示す実施形態においては、ハンダ層１０とＭｏ薄板１４がチップ２と接触するために必要であったが、この図２の実施形態では、チップ２とコンタクト・プランジャ８の直接接触で十分である。
本発明によれば、パワー半導体モジュールを用いた異なるタイプのモジュールを構成することが可能である。ＩＧＢＴチップとダイオード・チップとの組み合わせの場合には、上述した米国特許明細書のように、例えば、反転接続された平行ダイオードが集積されたスイッチモジュールが得られる。しかしながら、コンバーターの完全な半又は１／４ブリッジのモジュールをこのようなパワー半導体モジュール内に積層することや、ただ１つの高出力ダイオードを製作することも考えられる。しかしながら、本発明は、ＩＧＢＴに限定されることなく、むしろあらゆるタイプのパワー半導体チップに有効に適用できる。上述の説明は、円形の横断面のモジュールに基づくものであったが、本発明は、このような横断面に限定されない。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のものと比較して平面の平行度の要求が厳しくなく、より容易に製造可能なパワー半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるパワー半導体モジュールの第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】 本発明によるパワー半導体モジュールの第２の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ パワー半導体モジュール
２ 半導体チップ
３ 電極
４ 電極
５ ベースプレート
６ 主接続部
７ 主接続部
８ コンタクト・プランジャ
９ ハンダ層
１０ ハンダ層
１１ 制御用接続部
１２ 支持リング
１３ 接続用ワイヤ
１４ モリブデンプレート
１５ ハンダ層
１６ ハンダ層
１７ 摺動コンタクト
１８ スプリング
Claims (5)
- 少なくとも１つの半導体チップ(2) を有し、この半導体チップが少なくとも２つの電極である第１主電極(4) と第２主電極(3) を有し、半導体チップが第１主電極(4) によりベースプレート(5) に装着されており、第１及び第２の主接続部(6,7) を有し、第１の主接続部 (6) がベースプレート (5) を介して第１主電極 (4) に電気的に接続され、且つ、第２の主接続部 (7) がコンタクト・プランジャ (8) を介して第２主電極(3) と電気的に接続されているパワー半導体モジュール(1) であって、
上記コンタクト・プランジャ(8) の位置が、半導体チップ(2) と第２主接続部(7) との間の距離に対応するように設定可能であり、さらに、上記コンタクト・プランジャ(8) の位置を固定する手段(9,10;17,18)が設けられていることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 上記コンタクト・プランジャ(8) の位置を固定する手段は、２つのハンダ層(9,10)を有し、これらのハンダ層の一方は、半導体チップ(2) とコンタクト・プランジャ(8) との間に設けられ、他方は、コンタクト・プランジャ(8) と第２主接続部(7) 内に形成されたコンタクト・プランジャ収納用孔との間に設けられていることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
- 上記コンタクト・プランジャ(8) の位置を固定する手段は、コンタクト・プランジャのためのスプリング(18)を有し、このスプリングが第２主接続部(7) 内に形成されたコンタクト・プランジャ収納用孔内に設けられていることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
- 更に、導電性の摺動コンタクトが、上記コンタクト・プランジャ(8) と上記孔の側壁との間に設けられていることを特徴とする請求項３記載のパワー半導体モジュール。
- 少なくとも１つの半導体チップ (2) を有するパワー半導体モジュールを製造する方法であって：
ベースプレート(5) 上に半導体チップ(2) をハンダ付けし；
コンタクト・プランジャ (8) が中に挿入された少なくとも１つの孔を有する第２主接続部 (7) を、ベースプレート (5) 上に配置して、前記少なくとも１つの半導体チップ (2) がベースプレート (5) と第２主接続部 (7) との間に配置された状態とし；
コンタクト・プランジャ(8) と半導体チップ(2) との間及びコンタクト・プランジャ(8) と第２主接続部(7) との間の孔にそれぞれハンダ層(10,9)を挿入した状態で、ベースプレート (5) を第２主接続部 (7) に関して固定し；
この後、上記第２主接続部(7) が上向きの状態でパワー半導体モジュールをハンダ炉内でハンダ付けするようにしたことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
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