JP4474567B2 - 半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体が高電圧、典型的には数１００または数１０００ボルトあるいは高電流、典型的には数１０または数１００アンペアを制御するために使用される技術分野に適用される。これは、たとえばエネルギー供給の分野あるいは、たとえばモーター駆動のような強力な電気機械の駆動における場合である。

本発明は、１個の半導体素子と、２本の端末電極とを備える半導体モジュールにおいて、前記端末電極の間に半導体素子が配設され、前記端末電極と該半導体素子が導電性に接触されており、半導体素子が少なくとも部分的に電気的に絶縁されたハウジングによって取り囲まれている半導体モジュールに関する。この種の配列は、たとえばドイツ特許出願公開第３０３２１３３号明細書およびドイツ特許出願公開第２６５２３４８号明細書から公知であり、そこでアークに対する保護のために固体充填ハウジングが使用される。

常法により高電圧または高電流強度用のスイッチング装置は、機械式スイッチとして形成されており、前記スイッチング装置において２つのコンタクトが少なくとも１つのコンタクトの運動によって火花もしくはアークの発生下に互いに分離される。これはスイッチ駆動装置の構成と構造ならびに駆動装置用のエネルギー蓄積器、掛金手段および制御装置および耐アーク性のスイッチングコンタクトを必要とする。

この種のスイッチのための構造の費用は基本的に半導体の使用によって本質的に低減することができる。半導体は、さらに該半導体が電流のオンおよびオフだけではなく、電気量の制御、交流電流の整流あるいは非常に早く制御される電流のオンおよびオフが重要となる制御に適用される。
しかしながら高い出力範囲でのパワー半導体の使用は、電圧−および電流強度が制限されているために要求が高い。

高い可負荷性は、公知の方法でディスク型セル形状（プレスパック、ホッケーパック）の圧力接触構造形状の使用によって達成される。これは、たとえばサイリスターやダイオードで公知である。この場合、半導体素子はそれぞれ両側の端末コンタクトを有するハウジングの中に組み込まれている。過負荷の場合はハウジング内部に高電流密度のために半導体素子から出る、ハウジングを破壊し、外方へ流出し得る爆発性のプラズマが形成される。

またＩＧＢＴ’ｓ（ＩＧＢＴ＝Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のために圧力接触ハウジング内の構造形状が公知である。しかしながらＭＯＳ−構造（ＭＯＳ＝Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ金属酸化物半導体）はＩＧＢＴ’ｓのチップ表面に技術的欠点を生じ得る。そのため圧力接触ハウジング内のＩＧＢＴ’ｓのための製造方法は費用がかかる。

本発明の基礎をなす課題は、高い可負荷性を有する半導体モジュールを簡単な設計構造と、良好な組立性とで創ることである。

この課題は、請求項１記載の半導体モジュールによって解決される。発明思想の実施形態および継続形成は従属請求項の目的である。
ここでハウジングの内部に、少なくとも部位ごとにハウジングの壁と半導体素子との間に配設された高耐熱性の絶縁体を設けることを考慮しており、絶縁体の内壁と少なくとも半導体素子の端末電極の部分との間にアークを拡散するための少なくとも１つの内部空洞が設けられている。

半導体モジュールの過負荷によって高すぎる電流密度のために爆発性のプラズマが発生し、端末電極の間にアークが形成される場合、アークは半導体素子の外側に沿って流れ、該半導体素子を橋渡しする。用語「アーク」のもとに、この関連性において、あらゆる種類の放電、特にコロナ放電のような弱い現象形態も含まれている。アークもしくは該アークの間接的および直接的影響によってハウジングが損傷されないようにするために、ハウジングを少なくとも部分的にアークの影響から保護する高耐熱性の絶縁体が設けられている。アークは、たとえば該アークのルートが移動し、非耐火性のまたは薄く形成された敏感な導電性材料に固定されることによって損傷を惹起し得る。さらにアークはハウジングの中に有る気体の爆発的な加熱を生ぜしめ、その結果、圧力波が発生する。最終的にアークはハウジング内部の強い加熱も生ぜしめ、それによって、たとえばはんだ箇所が巻添えにされ得る。

内部の空洞によって、たとえば燃焼するアークが端末電極と絶縁体の円筒形の内壁との間で、燃焼のためだけでなく、充分に移動するために充分な空間があり、これがアークの渦流と冷却とを生じさせることが保証されている。それによって、アークが端末電極と半導体素子との領域で特定のルート上に長く滞留することによって大きすぎる損傷が生じないことが達成されている。

これらの全ての作用は高耐熱性の絶縁体によって、該絶縁体がハウジング内壁とアークとの間に配設され、かつ絶縁体の内壁と少なくとも半導体素子の端末電極の部分との間にアークを拡散するための少なくとも１つの内部空洞を設けている場合、少なくとも部分的に緩和される。

絶縁体の外壁とハウジングの内壁との間に少なくとも１つの外部空洞が設けられており、絶縁体が熱機械的に屈撓可能に構成されている場合、さらに有利である。熱機械的に屈撓可能とは、この場合、絶縁体が温度変動時に該絶縁体がたとえばコンタクト箇所で透過性となるように機械的に変化することである。絶縁体（たとえば絶縁リング）はハウジングを２つの大容積の空洞（チャンバ）に分割する。内部のチャンバの中で集中的に発生するプラズマビームが渦流になる。それによって該プラズマビームの点状の高エネルギーの有害な形状は大容積の害の少ない形状に変換される。同時に該プラズマビームは、絶縁リングが熱機械的に屈撓性であり、プラズマ雲が外置型チャンバの中へ排出される前に、渦流になったプラズマを自由に近接できる大面積のコンタクト面で冷却することができる。ここで渦流と冷却とによって最後の無害化が行われる。

この場合、端末電極の少なくとも１本は、特に好ましくは絶縁体の内壁が円筒形に形成される場合および／または絶縁体が半導体素子を円環形に取り囲む場合、少なくとも部分的に絶縁体の内部へ突出させることができる。

絶縁体は、好ましくはセラミック、ガラスおよび／またはプラスチックからなる。さらに絶縁体の肉厚はハウジングの肉厚よりも薄くしてよく、かつ／または内部空洞は外部空洞より小さい体積を有してよい。

本発明のもう１つの好ましい実施形態は、端末電極および／または半導体素子がアークを開始させるための装置を担持することを考慮する。
アークを開始させるためのこの種の装置によって、たとえば基本的にアークが惹起されてはならず、単に過負荷時に、直ちにアークもしくは放電が発生しまたは発生が非常に確実である場合に該アークが完全に一定の箇所で、たとえば局所の電界強度を生ぜしめ、アーク自体のルートを引き込むことができる端末電極での鋭角の隆起部によって定在化されることが保証されるべきである。この方法により、アークが燃焼するとき、該アークのハウジングに及ぼす作用が好適な措置によって緩和できる場所に該アークを位置決めできることが保証されている。

本発明のもう１つの好ましい実施形態は、アークを開始するための装置が絶縁体によってハウジングに対して遮蔽された半導体素子の周囲の領域に配設されていることを考慮する。
この措置によってハウジングは過負荷時にアークが発生する場合に可能な限り最良にその破壊的作用から保護される。高耐熱性の絶縁体は、たとえば一方でハウジングが効果的に遮蔽され、他方では自体アークの作用によって殆ど損傷されない好適なセラミックから形成することができる。

本発明は、さらに好ましくは、絶縁体が半導体素子を円環形に取り囲むことによって形成することができる。
この場合ハウジングは、たとえば発生するアークの位置に関係なく半導体素子でその円筒形の内壁の全領域で高耐熱性の絶縁体によって効果的に保護されている。
さらに、絶縁体が中空円筒体の形状を有し、その内部に半導体素子を収容することを考慮することもできる。

中空円筒体の形状によって絶縁体は特に軽量かつコスト的に好適に製造可能であり、良好に半導体モジュールの設計構造に集積することができる。中空円筒体の高さが充分な場合、半導体素子を確実に収容し、かつ遮蔽するために充分大きい内部空間が生じる。

本発明のもう１つの好ましい実施形態は、絶縁体の内部に突出する端末電極の部分と、絶縁体の円筒形の内壁との間にアークを拡散するための内部空洞を設けたことを考慮する。
この構造によって、アークの一方のルートを端末電極の一方に形成するアークが該アークのルートの領域でさらに絶縁体によって取り囲まれており、その結果、半導体素子と、場合によりハウジングとがアークの作用から良好に保護されることが保証されている。

さらに鋭角のウェブのような好適な装置によって端末電極または案内装置上に絶縁体の内壁にまたは半導体素子の外部にルートと共にアークの移動を全体的に効果的な冷却目的によって生ぜしめることができる。
さらに絶縁体の内径は区間ごとに半導体素子の外部寸法に相当し、その結果、絶縁体が半導体素子を芯合せすることを考慮することができる。

絶縁体の内径が部分的に半導体素子の外部寸法に相当する場合、一方で半導体モジュールの組立を容易にし、他方で高い機械的安定性が生じる半導体素子と絶縁体の効果的な芯合せと、相対的な位置決めとが可能である。
また絶縁体が少なくとも１つの肩部または１つの円周方向のウェブを有し、該肩部／該ウェブに端末電極の少なくとも１本を芯合せ可能である。
この特長によって半導体モジュールの組立がさらに容易になり、モジュールの個々の部材の再現可能の位置決めが達成される。さらに、絶縁体が端末電極の１本に当接する場合、それによってアークが端末電極で絶縁体の内部からかつハウジング壁の付近へ達することを阻止するアーク空間の終結が絶縁体の内部で達成されている。端末電極への絶縁体の当接は気密ではなく、その結果、この場所でガス交換が行われ、場合により発生するアークによって過圧を絶縁体の内部で分解することができる。単にアーク自体は絶縁体の内部に保持される。

さらに、端末電極の少なくとも１本が円筒形の外部フランジを有し、前記外部フランジが絶縁体で芯合せするための円筒対称のプロフィルと、中心でプロフィルの内部でアークに提供される絶縁体の内部の空間を拡大するための円周方向の溝とを有することを考慮できる。

この措置によってアークに拡大された空間が端末電極と絶縁体との間に提供され、その結果、半導体モジュールの損傷を阻止するために、アークの効果的な渦流と冷却とを行うことができる。

本発明のもう１つの好ましい実施形態は、端末電極の少なくとも１本が円筒形の外部フランジを有し、前記外部フランジが絶縁体で芯合せするための円筒対称のプロフィルと、中心でプロフィルの内部でアークルートを案内するための円周方向のプロフィルとを有することを考慮する。

アークルートを案内するためのこの種のプロフィルは、アークの効果的な冷却目的を有する端末電極でのアークのルートの標定移動を生ぜしめる。この種のプロフィルは、たとえば渦巻状に端末電極の前面で円周方向の横断面をもつ鋭角の四角形のウェブである。
特に簡単かつ組み立て易い本発明による半導体モジュールの構造は、円筒形の外部フランジを有する端末電極が、外部フランジの円周に該外部フランジと気密に接続される、ハウジングの円筒形の部分と気密に接続するための外部フランジを有することによって生じる。

端末板は、たとえば端末電極の製造時に深絞り法で同時に成形することができる。半導体モジュールの組立のために、次に端末電極と、絶縁体と、半導体素子とを積層することができ、これらは自動的に互いに芯合せされており、最終的に単に端末板を外部ハウジングと、すなわち金属部分または、たとえば外部ハウジングのセラミック部分と気密にはんだ付けまたは接着する必要がある。
本発明は、以下、図面の図に表した実施例を利用してより詳しく説明する。

図１は、円筒形の、半導体モジュールの上部の円周方向の縁部で面取りされた半導体素子１を設けており、前記半導体素子は、第１端末電極３ａと第２端末電極３ｂとの間に有り、前記端末電極の間で圧力によって電気的に接触されている半導体モジュールを示す。端末電極３ａ、３ｂは同様に円筒形に形成されている。

さらにハウジング絶縁体の下側に円形の導電性のプレート１０とはんだ付されたハウジング絶縁体５を有するハウジングを設けており、前記プレートは第２端末電極３ｂと気密に接続されている。ハウジング絶縁体５はその他方の前面で気密にハウジングプレート１１と接続されており、前記ハウジングプレートは半導体モジュールの組立の流れの中で端末板１２と気密にはんだ付けされ、溶接され、または接着される。端末板１２は第１端末電極３ａの外部フランジ１３と接続されている。

第１端末電極３ａはその外部フランジ１３の領域で絶縁体４の肩部１５で芯合せされた円周方向のウェブ１４を有する。
絶縁体４はその肩部１５と異なる前面端で第２端末電極３ｂが寸法精確に嵌入される縮小された内径の部分１６を有する。

半導体素子１は該半導体素子が絶縁体４の円筒形の内壁１７で芯合せ可能であるような該半導体素子の直径で形成されている。
第１端末電極３ａと絶縁体４との間に、本発明により内部のアーク空間２（空洞、チャンバ）が形成されており、前記アーク空間の中に第２端末電極３ｂと第１端末電極３ａとの間で燃焼する、半導体素子１の外側を通過して形成されるアークを渦流にすることができる。第１端末電極３ａの外部フランジ１３の中の溝８によって前記アーク空間が付加的に拡大される。

さらに絶縁体４の外壁とハウジング５の内壁との間に少なくとも１つのチャンバ２２が外部空洞として設けられており、絶縁体４は熱機械的に屈撓可能に構成されている。
符号９で表した絶縁体４の領域で第１端末電極３ａに突き当たる箇所に、いわゆるラビリンスが形成されている。すなわちガスに対して透過性であるが、アークをアーク空間２の中に保持する領域が形成されている。熱機械的に屈撓可能とは、絶縁体４が温度変動時に、該絶縁体がたとえば前記コンタクト箇所でコンタクト箇所のわずかな開放によって透過性になるように機械的に変化することである。

絶縁体４はハウジングを２つの大容積の空洞（チャンバ）に分割する。内部の空洞（アーク空間２）の中で集中的に発生するプラズマビームが渦流にされる。それによって該プラズマビームの点状の高エネルギーの有害な形状が大容積の害の少ない形状に変換される。同時に該プラズマビームは渦流プラズマを、絶縁体４が熱機械的に屈撓性であり、プラズマ雲が外置型空洞（チャンバ２２）の中へ排出される前に、自由に近接できる大面積の接触面で冷却することができる。その場合ここで渦流と冷却とによって最後の無害化が行われる。

この方法によって、ハウジング５、７、１０がアークの作用から保護される。
図２により、第１端末電極３ａの半導体モジュールの図１に対して多少変更された構造で第２端末電極３ｃが組み込まれており、前記第２端末電極はアーク空間２ａを拡大するための溝８ａと、対称の絶縁体４ａを芯合せするためのウェブ１４ａとを有する。この実施形態では全体的にアークに提供される空間２、２ａが図１の実施例よりも拡大されている。

図３の実施例は、アーク空間の拡大と、絶縁体４ａの対称の構成とに関して図２に示した実施例と同じであるが、第１端末電極３ａの外部フランジ１３ａは端末板１２ａの領域で直接ハウジングのハウジング絶縁体５と接続、たとえばはんだ付けされている。この目的のためにセラミックと金属板の気密のはんだ付けのためのはんだ技術が従来技術から提供されている。

ここに示した構造は、製造許容差の補償に至るまで個別の部材の寸法と、その相互の調整とによって組立が一つの方式でのみ可能であり、かつ簡単な方法で自己芯合せ式に実施可能である共通点を有する。従って欠陥は組立時に広範囲に除外することができ、組立は本質的に自動的に実施可能である。
この構造によって半導体モジュールの高い可負荷性と長い耐用期間とが達成される。

非対称の絶縁体と非対称のハウジングとを備える半導体モジュールである。 対称の絶縁体と非対称のハウジングとを備える半導体モジュールである。 対称の絶縁体と対称のハウジングとを備える半導体モジュールである。

Claims (15)

1. １個の半導体素子（１）と、２本の端末電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）とを備える半導体モジュールにおいて、前記端末電極の間に半導体素子（１）が配設され、かつ前記端末電極と該半導体素子が導電性に接触されており、半導体素子（１）が壁を有する少なくとも部分的に電気的に絶縁されたハウジング（５、７、１１、１２）によって取り囲まれており、ハウジング（５、７、１１、１２）の内部に、内壁として形成された高耐熱性の絶縁体（４、４ａ）が少なくとも部位ごとにハウジング（５、７、１１、１２）の内壁と半導体素子（１）との間に配設されており、かつ絶縁体（４）の内壁と少なくとも端末電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の部分との間にアークを拡散するための少なくとも１つの内部空洞（２、２ａ）を設けており、
   絶縁体（４、４ａ）が端末電極（３ａ、３ｃ）に突き当たる箇所に、ガスに対して透過性を有し、アークを内部空洞（２、２ａ）の中に保持するラビリンスが形成されている半導体モジュール。
2. 絶縁体（４）の外壁とハウジング（５、７、１１、１２）の内壁との間に少なくとも１つの外部空洞（２２）が設けられており、絶縁体（４）が熱機械的に屈撓可能に構成された、請求項１記載の半導体モジュール。
3. 端末電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の少なくとも１本が少なくとも部分的に絶縁体（４）の内部へ突出する、請求項１または２記載の半導体モジュール。
4. 絶縁体（４）の内壁が円筒形に形成されている、請求項１、２または３記載の半導体モジュール。
5. 絶縁体（４）が半導体素子を円環形に取り囲む、請求項４記載の半導体モジュール。
6. 絶縁体（４）がセラミック、ガラスおよび／またはプラスチックからなる、上記請求項のいずれか一項記載の半導体モジュール。
7. 絶縁体（４）の肉厚がハウジング（５、７、１１、１２）の肉厚よりも薄い、上記請求項のいずれか一項記載の半導体モジュール。
8. 内部空洞（２、２ａ）が外部空洞（２２）より小さい体積を有する、請求項２記載の半導体モジュール。
9. 端末電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）および／または半導体素子（１）がアークの開始のための装置（２０）を担持する、上記請求項のいずれか一項記載の半導体モジュール。
10. アークの開始のための装置（２０）が絶縁体（４）によってハウジング（５、７、１１、１２）に対して遮蔽された半導体素子（１）の周囲の領域に配設されている、上記請求項のいずれか一項記載の半導体モジュール。
11. 絶縁体（４）の内径が部分的に半導体素子（１）の外部寸法に相当して絶縁体（４）と半導体素子（１）とが接触しており、その結果、半導体素子（１）は絶縁体（４）の内壁で芯合わせが可能である、上記請求項のいずれか一項記載の半導体モジュール。
12. 絶縁体（４）が少なくとも１つの肩部または１つの円周方向のウェブ（１５）を有し、該肩部／該ウェブに端末電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の少なくとも１本が芯合せ可能である、請求項１１記載の半導体モジュール。
13. 端末電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の少なくとも１本が円筒形の外部フランジ（１３）を有し、前記外部フランジが絶縁体（４）で芯合せするための円筒対称のプロフィル（１４）と、中心で前記プロフィルの内部でアークに提供される絶縁体（４）の内部の空間（２）を拡大するための円周方向の溝（８）とを有する、請求項１１または１２記載の半導体モジュール。
14. 端末電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の少なくとも１本が円筒形の外部フランジ（１３）を有し、前記外部フランジが絶縁体（４）で芯合せするための円筒対称のプロフィル（１４）と、前記プロフィルの内部にアークルートを案内するための円周方向のウェブとを有する、請求項１１または１２記載の半導体モジュール。
15. 円筒形の外部フランジ（１３）を有する端末電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）が外部フランジの円周に該外部フランジと気密に連結される、ハウジングの円筒形の部分（５）と気密に連結するための端末板を有する、請求項１３または１４のいずれか一項記載の半導体モジュール。

Images