JP4848252B2 - 端子要素を備えたパワー半導体モジュール - Google Patents

端子要素を備えたパワー半導体モジュール Download PDF

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Description

本発明は、基本的に多数の刊行物から知られているパワー半導体モジュールに関する。この種のパワー半導体モジュールは、周知のごとく絶縁式のプラスチックハウジングを有する。このプラスチックハウジング内には、回路に適して配置されたパワー半導体素子（パワー半導体構成品）を備えた基板が設けられている。更にこの種のパワー半導体モジュールは、内部の回路装置の電気接続のために、負荷端子用並びに補助端子用の外部に通じている端子要素（ターミナル要素）を有する。
前公開されていない特許文献１が本発明の出発点を形成する。この特許文献１は、ベースプレートとこのベースプレート上に配置されたハウジングとを有する押圧力接触式（プレッシャコンタクト式）で実施されたパワー半導体モジュールを開示している。このハウジングは、回路に適して接続された２つのパワー半導体素子、ここでは例としてサイリスタを包囲している。このパワー半導体モジュールはパワー半導体素子の外部電気接続のために複数の負荷端子及び補助端子を有する。これらの補助端子は、絶縁材料成形体であって、この中に配置されたバネ要素と、これと接続されたプラグと、外部の差込コンタクトのための接続ラインとを備えた絶縁材料成形体から形成される。この手間と費用のかかる形態は、好ましくは、特に高性能で且つ耐久性があり押圧力接触式で実施されたパワー半導体モジュール用のものである。
特許文献２が本発明の他の出発点を形成する。この特許文献２は例としてベースプレートを伴わないパワー半導体モジュールを開示している。この種のパワー半導体モジュールにおいてその基板はハウジングにより包囲され、冷却構成部品上に直接的に配置される。この基板自体の上には複数の導体パス（導電トラック）上にパワー半導体素子が配置され、回路に適して互いに接続されている。外部に通じている負荷端子要素並びに補助端子要素は金属成形体として形成されていて、基板とはワイヤボンディング接続部を用いて接続されている。
基本的に類似するパワー半導体モジュールの他の形態では、導体パスと端子要素との間のロウ付け接続部も知られている。この際の短所は、押圧力接触式の形態に比べ、この種の接続部の耐久性の低さや機能確実性の低さにある。更に特許文献３から、ハウジング内に配置された端子要素としてのバネ要素を備えたパワー半導体モジュールが知られている。これらの端子要素は、簡単で且つ自動化された製造を可能にする形態をもたらす。
ＤＥ１０２００４０５０５８８Ａ１ ＤＥ１９９１４７４１Ａ１ ＤＥ１９６３０１７３Ａ１
本発明の基礎を成す課題は、電気接続部の高い機能確実性をパワー半導体モジュールの簡単な製造と組み合わせる端子要素を備えたパワー半導体モジュールを紹介することである。
前記の課題は、本発明に従い、請求項１の構成要件の措置により解決される。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。
本発明の思想は、好ましくはベースプレート及びこの上に配置された少なくとも１つの基板を備えたパワー半導体モジュールから出発する。基板はベースプレートに対して電気絶縁式で形成されていて、モジュール内部の方を向いたその第１主面上に複数の導体パスを有する。これらの導体パスの１つには少なくとも１つのパワー半導体素子が回路に適して例えばワイヤボンディング接続部を用いて接続されている。
本発明に従うパワー半導体モジュールは、外部に通じている負荷端子用及び補助端子用の端子要素を有する。これらの端子要素は内部において基板の導体パスと又は直接的にパワー半導体素子の接触面と接続されている。
これらの端子要素の少なくとも１つは、弾性的に構成されている第１ライン部分（第１配線部分）と、剛性の高い堅固な第２ライン部分（第２配線部分）と、絶縁材料成形体とから形成される。この際、第１ライン部分は導体パスと又はパワー半導体素子の接触面と電導接続されていて、それに対して第２ライン部分は第１ライン部分を外部端子と接続させる。更にこの端子要素は絶縁材料成形体を有し、この絶縁材料成形体は、少なくとも１つのライン部分と部分的に形状結合式又は材料結合式で接続されている。
この絶縁材料成形体は、これに対応するハウジングの支持部に対する少なくとも１つのストッパ面を有する。このことはハウジング内の端子要素のロック装置の第１部分を形成する。更にこの絶縁材料成形体はハウジングとのスナップ・ロック・接続装置の構成部分を有し、この構成部分がロック装置の第２部分を形成する。この際、絶縁材料成形体が自由な状態のロックノーズを有し、ハウジングがそれに対応するロックエッジを有すると有利である。
スナップ・ロック・接続装置のロックにより、ハウジング内の絶縁材料成形体の適切な配置により、端子要素の第１部分に対して押圧力が導入される。従って端子要素はその全体においてパワー半導体モジュールの内部で周知の長所を有する押圧力接触式で実施されたものとして形成されている。
パワー半導体モジュールの補助端子を本発明に従う端子要素の形態を用いて形成することは特に有利である。
次に本発明の解決策を図１〜図４の実施例に基づいて更に説明する。
図１は、本発明に従うパワー半導体モジュールを俯瞰図として示している。ここでは２つのサイリスタ（５０）を備えた高出力のサイリスタモジュールが描かれていて、これらのサイリスタ（５０）は各々固有の基板の導体パス（導電トラック）上に配置されている。この際、サイリスタ（５０）の駆動用の補助端子要素（補助ターミナル要素、６０）だけを本発明に従って形成することは有利である。また、低出力のパワー半導体モジュールでは、負荷端子要素（１６）及び／又は補助端子要素（６０）を本発明に従って形成することが有利である。
ベースプレート（１４）と、この上に配置されていて基板をフレーム状に包囲しているハウジング（１２）が描かれている。それらの基板は、各々、好ましくは産業セラミックスから成る絶縁材料ボディ（４０）であってモジュール内部の方を向いた側に配置された金属性の導体パス（４２）を有する絶縁材料ボディ（４０）として形成されている。それらの導体パス（４２）上にはパワー半導体素子（パワー半導体構成品、５０）が配置されていて、ワイヤボンディング接続部（５４、図３を参照）を用いて回路に適して接続されている。ここで、本発明に従う端子要素（６０）の第１ライン部分は、パワー半導体素子（５０）の接触面の電気接触のため並びに導体パス（４２）の電気接触のための樽形コイルバネ（６２）として形成されている。
同様に端子要素（６０）の第２ライン部分（６４）が描かれていて、この際、これらの第２ライン部分（６４）は、付設の絶縁材料成形体（６６）により部分的に包囲され、材料結束式でこれと接続されている。
図２は、図１による本発明に従うパワー半導体モジュールを側面断面図として示している。この際、ベースプレート（１４）上のハウジング（１０）の配置構成が見てとれ、同様にハウジング（１０）のフレーム状の部分（１２）により包囲されている両方の基板（４０）も見てとれ、これらの基板（４０）には、付設の導体パス（４２）上に配置されたパワー半導体素子（５０）が備えられている。
本発明に従う端子要素（６０）の各々の第１ライン部分（６２）は、ガイドとして用いられるハウジング（１０）の形状部（３０）内に配置されていて、この際、この第１ライン部分自体は樽形コイルバネ（６２）として形成されている。この形状部（３０）は、ハウジング（１０）の壁部（１２）と、好ましくは追加的にハウジング（１０）の補強構造体として機能する適切なハウジング部分（３２；図１も参照）を用いて接続されている。
端子要素（６０）は更に第２ライン部分（６４）を有し、この第２ライン部分（６４）は金属成形体として形成されていて、部分的に絶縁材料成形体（６６）と接続されている。この絶縁材料成形体（６６）はその第１端部においてストッパ面（８０）を有し、このストッパ面（８０）は、対応するハウジング（１０）の支持部（２０）に配置されていて、パワー半導体素子（５０）から離れる方向への絶縁材料成形体（６６）の運動を防止する。絶縁材料成形体（６６）の対向位置する端部においてこの絶縁材料成形体（６６）は自由な状態の可動部分（８２）を有し、この部分（８２）はロックノーズ（８４）を有し、ハウジング（１０）のロックエッジ（２２）と共同で、ハウジング（１０）と絶縁材料成形体（６６）、従ってハウジング（１０）と端子要素（６０）のスナップ・ロック・接続装置を形成する。
絶縁材料成形体（６６）の図示された形態により、第１ライン部分、即ち樽形コイルバネ（６２）にはベースプレート（１４）の方向の押圧力が導入され、それにより、パワー半導体素子（５０）の対応する接触面（５２、図３を参照）に対する或いは基板（４０）の導体パス（４２、図３を参照）に対する樽形コイルバネ（６２）の確実な電気接続部が形成される。
ハウジング（１０）から突き出ている第２ライン部分（６４）の部分（６４ａ）は、好ましくは、図示されているように、従来技術による差込コンタクトとして形成されていて、外部端子のために用いられる。
図３は、本発明に従うパワー半導体モジュールの端子要素（６０）の配置構成を３次元図として示していて、この際、図面の見易さの理由からハウジングの描写は省略されている。再度、２つの基板（４０）を備えたベースプレート（１４）が描かれている。これらの基板（４０）は、ベースプレート（１４）に対する電気絶縁と同時に或いはベースプレートを伴わないパワー半導体モジュールの場合には冷却構成部品に対する電気絶縁と同時に、熱連結のために用いられる。
モジュール内部の方を向いた側には従来技術による金属性の導体パス（４２）が基板（４０）上に配置されている。サイリスタモジュールのこの特殊な形態では各基板（４０）上に１つだけのサイリスタ（５０）が配置されているが、本発明はこの特殊なケースに限られるものではない。
ここではそれぞれのサイリスタ（５０）用の端子要素（６０）、即ち制御端子及び補助カソード端子が図示されていて、この際、その制御端子は、サイリスタ（５０）の対応する接触面（５２）と直接的に接続され、補助カソード端子は、基板（４０）の対応する導体パス（４２）と直接的に接続されている。この接続部は、本発明に従う端子要素（６０）の第１ライン部分（６２）、ここでは樽形コイルバネとして形成されている。この樽形コイルバネ（６２）は端子要素（６０）の第２ライン部分（６４）と一体式に接続されているわけではない。この第２ライン部分（６４）は金属成形体から形成されていて、この金属成形体は材料結束式で絶縁材料成形体（６６）と接続されている。金属成形体（６４）はその第１端部において樽形コイルバネ（６２）に対する接触面を形成し、その第２端部においてプラグを形成している。
同様に、両方のライン部分が一体式に形成されていると有利であり得て、この際、第１ライン部分は従来技術による任意の方式で弾性的に形成され得る。
絶縁材料成形体（６６）は、好ましくはハウジング（１０）と同じプラスチックから構成され、その第１端部において、ハウジング（１０）内の固定部（２０）用のストッパ面として形成されている凹部（８０）を有する。絶縁材料成形体（６６）の第２端部は自由な状態の可動部分（８２）を有し、この部分（８２）はロックノーズ（８４）を有する。
樽形コイルバネ（６２）として及び剛性の高い堅固な金属成形体（６４）としての端子要素（６０）のライン部分の二部材式の構成は特に有利であり、その理由は、この際、第２ライン部分（６４）を介し、絶縁材料成形体（６６）及びハウジング（１０）内のその固定部を用い、押圧力が樽形コイルバネ（６２）へと導入されるためである。従って樽形コイルバネ（６２）は、一方ではパワー半導体素子（５０）の接触面（５２）或いは基板（４０）の導体パス（４２）と電導接続され、他方では第２ライン部分（６４）と永続的に電導接続される。
この形態はパワー半導体モジュールの製造において重要な利点をもち、その理由は、この際、初めに樽形コイルバネ（６２）がハウジング（１０）の形状部（３０）内に装備され得て、更なるステップにおいて端子要素の他の部分、即ち材料結束式で接続されている絶縁材料成形体（６６）を備えた第２ライン部分（６４）が配置され、この際、樽形コイルバネ（６２）が押圧力で付勢されるためである。
ライン部分の一体式の形態においても二部材式の特殊な適用ケースにおいてもそうであるが、パワー半導体素子の接触面又は基板の導体パスとの押圧力接触機構を形成しなくてよいことも有利であり得る。この際には例えばロウ付け接続や接着接続のような別の周知の接続技術が有利である。
図４は、本発明に従うパワー半導体モジュールの端子要素（６０）の一部分を３次元図として示しいている。この際、２つの端子要素の第２ライン部分（６４）が共通の絶縁材料成形体（６６）を有することが特に注目されなくてはならない。このことは特に有利であり、その理由は、この際、説明した製造手間が更に軽減されるためである。
ここでは２つの第２ライン部分（６４）が描かれていて、これらの第２ライン部分（６４）は堅固な金属成形体として打抜き曲げ技術を用いて製造されたものである。従って特に手間をかけることなく、樽形コイルバネ（６２、図３を参照）の任意の位置をパワー半導体モジュール内で金属成形体（６４）と接続させることが可能である。
絶縁材料成形体（６６）と第２ライン部分（６４）との間の特に適した接続としては従来技術によるプラスチック注入法がある。金属成形体（６４）が部分的にだけ絶縁材料成形体（６６）内に埋設されていると特に有利であり、その理由は、絶縁材料成形体（６６）がそれによりできるだけコンパクトに構成され得るためである。
本発明に従うパワー半導体モジュールを示す俯瞰図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールを示す側面断面図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの端子要素の配置構成を示す３次元図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの端子要素の一部分を示す３次元図である。
符号の説明
１０ ハウジング
１２ フレーム状部分
１４ ベースプレート
１６ 負荷端子要素
２０ 支持部
２２ ロックエッジ
３０ 形状部
３２ ハウジング部分
４０ 絶縁材料ボディ
４２ 導体パス
５０ パワー半導体素子／サイリスタ
５４ ワイヤボンディング接続部
６０ 補助端子要素
６２ 第１ライン部分／樽形コイルバネ
６４ 第２ライン部分／金属成形体
６６ 絶縁材料成形体
８０ ストッパ面／凹部
８２ 可動部分
８４ ロックノーズ

Claims (8)

  1. ハウジング（１０）と、少なくとも１つの基板（４０）と、回路に適して配置されて接続されている少なくとも１つのパワー半導体素子（５０）と、これと電導接続されて外側に通じている負荷端子（１６）及び補助端子用の端子要素（６０）とを備えたパワー半導体モジュールにおいて、少なくとも１つの端子要素（６０）が、弾性的に構成されている第１ライン部分（６２）と、堅固な第２ライン部分（６４）と、絶縁材料成形体（６６）とから形成され、少なくとも１つのライン部分（６２、６４）が部分的に絶縁材料成形体（６６）と接続されていて、この絶縁材料成形体（６６）が、これに対応するハウジング（１０）の支持部（２０）に対する少なくとも１つのストッパ面（８０）と、ハウジング（１０）とのスナップ・ロック・接続装置（２２、８２、８４）の一部分とを有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 端子要素（６０）が、パワー半導体素子（５０）の接触面（５２）と又は基板（４０）の導体パス（４２）と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 端子要素（６０）の第１ライン部分（６２）が、パワー半導体素子（５０）の接触面（５２）と又は基板（４０）の導体パス（４２）と、また第２ライン部分（６４）とも押圧力接触式で接続されていて、押圧力導入が絶縁材料成形体（６６）を用いて行なわれることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 端子要素（６０）の少なくとも１つのライン部分（６２、６４）が、部分的に絶縁材料成形体（６６）内にプラスチック注入法を用いて埋設されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 第１ライン部分（６２）が樽形コイルバネとして形成されていて、これに対応し、ガイドとして用いられるハウジング（１０）の形状部（３０）内に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 絶縁材料成形体（６６）が、ロックノーズ（８４）を備えた自由な状態の可動部分（８２）を有し、これに対応するロックエッジ（２２）をハウジング（１０）が有することを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  7. 第２ライン部分（６４）が、打抜き曲げ技術で製造された金属成形体として形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  8. ハウジング（１０）が、ベースプレート（１４）上に配置されていて、基板（４０）を包囲し、更にその内部において基板（４０）の上方に補強構造体（３２）を有し、これらの補強構造体（３２）が形状部（３０）と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
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