JP5118888B2 - 互いに電気絶縁された端子要素を備えたパワー半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、冷却部材上に配置する押付接触形式（プレッシャコンタクト形式）のパワー半導体モジュールに関する。
例えば特許文献１から知られているようなパワー半導体モジュールが本発明の出発点を構成する。この種のパワー半導体モジュールは、従来技術により、ハウジングと、このハウジング内に配置されていて好ましくは冷却部材上に直接的に取り付ける電気絶縁式の少なくとも１つの基板とを有する。この基板の方は絶縁材料ボディを有し、この絶縁材料ボディは、この絶縁材料ボディ上に設けられていて互いに絶縁されている金属性の複数の接続パス（接続トラック）と、これらの接続パス上に設けられていて回路に適してこれらの接続パスと接続されている複数のパワー半導体素子（パワー半導体デバイス）とを備えている。更にこれらの周知のパワー半導体モジュールは、外部負荷端子及び外部補助端子用の端子要素（ターミナル要素）と、パワー半導体モジュールの内部に配置されている接続要素とを有する。パワー半導体モジュールの内部における回路に適した接続のためのこれらの接続要素は、多くの場合、ワイヤボンディング接続部として形成されている。
同様に、特許文献２、特許文献３、特許文献４から知られているように、圧縮力即ち押圧力で接触が成されるパワー半導体モジュールは周知である。特許文献２では、押付装置が、安定性があって好ましくは金属性であり押圧力を構成する押付要素と、押圧力を蓄積する弾性的なクッション要素と、基板表面の別々の領域に対して押圧力を導入するブリッジ要素とを有する。ブリッジ要素は、好ましくは、プラスチック成形体であって、基板表面の方向に多数の押付フィンガーが出てゆくクッション要素側の面を有するプラスチック成形体として構成されている。
この種の押付装置を用いることで基板が冷却部材上に押し付けられ、従って基板と冷却部材の間の熱伝導が持続的に確実に確立される。この際、弾性的なクッション要素は、様々な熱負荷のもとパワー半導体モジュールの全寿命期間に渡って一定の押圧力状態を維持するために用いられる。
引用文献３では、周知の押付要素が、一方では重量と安定度に関して特に有利な比率を有し、他方では電気絶縁された通過案内部を有するように形成されている。そのために押付要素は、内部に位置する金属芯を備えたプラスチック成形体として形成されている。この金属芯は、好ましくはバネ接触形式の補助端子要素である端子要素を通過案内するための孔を有する。プラスチック成形体はこれらの孔を、補助端子要素がプラスチック成形体を用いて電気的に金属芯から絶縁されているように包囲している。
また、他の構成をもった押付要素も知られていて、これらの押付要素は基板側のそれらの表面において多数の押付フィンガーを有している。この際、金属芯は、好ましくは予め調節された撓みを有する。これらの措置の組み合わせによりこの種の押付要素は上記の押付装置の全機能性を提供することができる。
特許文献４からはパワー半導体モジュールが知られていて、そこでは、負荷端子要素が部分的に狭く隣接して基板表面に対して垂直に延在し、そこから出発する内部接触端子である接触フットを有するように負荷端子要素が形成されていて、それらの接触フットは、導体パス（導電トラック）に対する電気接触を確立し、同時に基板に対して押圧力を加え、それにより冷却部材に対する熱接触を確立する。この際、押圧力は従来技術による手段で導入される。
ＤＥ１９７１９７０３Ａ１ ＤＥ４２３７６３２Ａ１ ＤＥ１９９０３８７５Ａ１ ＤＥ１０１２７９４７Ｃ１
本発明の基礎を成す課題は、パワー半導体モジュールの内部絶縁が改善されると共に押付接触形式の構成が容易化される、押付接触形式の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、冷却部材上における押付接触形式のパワー半導体モジュールの配置構成から出発し、そのパワー半導体モジュールは、少なくとも１つの基板と、この基板上に配置されている少なくとも２つのパワー半導体素子、例えばバイポーラトランジスタと、ハウジングと、外部へと通じる負荷端子要素及び制御端子要素とを備えている。基板自体は絶縁材料ボディを有し、この絶縁材料ボディにてパワー半導体モジュールの内部側の第１主面上に、負荷電位を伴う導体パスを有する。更に基板は、好ましくは、パワー半導体素子を駆動するための制御電位を伴う少なくとも１つの導体パスを有する。
更にこのパワー半導体モジュールは、外部接触端子と内部接触端子と条片状（ストリップ状）の部分とを備えた金属成形体として各々形成されている負荷端子要素を有する。個々の負荷端子要素の各々の条片状の部分は、好ましくは基板表面と平行に且つこの基板表面から離間されて配置されている。条片状の部分から出発する内部接触端子は基板に達し、そこで回路に適して負荷端子の接触部を形成する。そのために好ましくはそれらは基板上で負荷電位を伴う導体パスと接触し、選択的にはパワー半導体素子と直接的にも接触する。
本発明に従い負荷端子要素は、絶縁材料を伴う被覆部を有する。負荷端子要素は、外部接触端子及び内部接触端子の領域を除き、好ましくはその絶縁材料で完全に被覆され、同時にそれにより互いに電気絶縁されている。また、被覆された負荷端子要素が、製造ユニットを表すスタック（積み重ねた構成体）を形成すると特に有利である。
次に本発明の解決策を図１〜図３の実施例に基づいて更に説明する。
図１は、従来技術によるパワー半導体モジュール１の断面を示している。このパワー半導体モジュール（１）は、フレーム状のハウジング部分を備えたハウジング（３）を有する。この際、フレーム状のハウジング部分は少なくとも１つの基板（５）を包囲している。基板（５）の方は、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムの如く好ましくは絶縁セラミックである絶縁材料ボディ（５２）を有する。
基板（５）は、パワー半導体モジュール（１）の内部側に設けられている第１主面上にそれ自体が構造化（パターン化）されている金属積層部を有する。この際、好ましくは銅積層部として構成されているこの金属積層部の個々の部分はパワー半導体モジュール（１）の導体パス（導電トラック、５４）を形成している。基板（５）の第２主面は、従来技術に従い、構造化されていない銅積層部（５６）を有する。
基板（５）の導体パス（５４）上には、例えば、各々逆並列接続されたフリーホイーリングダイオードを備えたＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）や、ＭＯＳＦＥＴのような、制御可能な及び／又は非制御式のパワー半導体素子（６０）が配置されている。これらのパワー半導体素子（６０）は、例えばワイヤボンディング接続部（６２）を用い、他の導体パス（５４）と回路に適して接続されている。
パワー半導体モジュール（１）内で生じる様々な電位のための負荷端子要素（負荷ターミナル要素、４０、４２、４４）は、パワー半導体モジュール（１）の内部のパワーエレクトロニクス回路を外部接続するために用いられる。そのために負荷端子要素（４０、４２、４４）は金属成形体として形成されていて、これらの金属成形体は、各々、基板表面と平行な条片状（ストリップ状）の部分（４０２、４２２、４４２）を有している。この際、これらの条片状の部分（４０２、４２２、４４２）はスタック（積み重ねた構成体）を形成し、ここで個々の負荷端子要素（４０、４２、４４）の条片状の部分は、例えばプラスチックフィルムの形式をもつ必要不可欠な絶縁部（４６）によってのみ互いに離間されている。この種のプラスチックフォイルは、各々、隣接する端子要素間に配置されていて、端子要素の異なる電位の電気絶縁を保証している。必要不可欠な補助端子要素は、図面の見易さのためにこの断面図内には描かれていない。
更にこのパワー半導体モジュール（１）は、負荷端子要素（４０、４２、４４）の条片状の部分（４０２、４２２、４４２）のスタックと基板（５）との間に絶縁材料成形体（３０）として形成された中間部材を有する。この絶縁材料成形体（３０）は、この構成ではフレーム状のハウジング（３）内にスナップ・ロック・接続部（９０）を用いて配置されている。
絶縁材料成形体（３０）の方は、負荷端子要素（４０、４２、４４）の内部接触部、ここでは接触フット（４００、４２０、４４０）を通過案内するための孔（３２）を有する。これらの孔（３２）がそれらの接触フット（４００、４２０、４４０）用の案内部として形成されていると特に有利であり、それにより、基板（５）或いはその導体パス（５４）に対して相対的な負荷端子要素（４０、４２、４４）の位置決めが容易化されている。
冷却部材（２）とパワー半導体モジュール（１）の熱接続のため、及び同時に基板（５）の導体パス（５４）と負荷端子要素（４０、４２、４４）の電気接触のための押付装置（７０）は、例えば、押圧力を構成する押付要素と、押圧力を蓄積する弾性的なクッション要素とにより形成される。押圧力は、クッション要素を介し、負荷端子要素（４０、４２、４４）の条片状の部分（４０２、４２２、４４２）から成るスタック上に導入され、従って押圧力が接触フット（４００、４２０、４４０）上に加えられる。それによりこれらの接触フット（４００、４２０、４４０）が基板（５）の導体パス（５４）と電気伝導接続される。
この種の押付接触機構（７０）は、パワー半導体モジュール（１）の寿命に渡り、特にコンタクトの確実性をもたらすものと実証されている。更に押付接触機構にとって案内部として絶縁材料成形体（３０）の孔（３２）が形成されていることは有利であり、その理由はそれにより接触フット（４００、４２０、４４０）の位置決めが特に正確になるためである。
押付要素は、例えば、内部に位置する適切な金属芯を備えたプラスチック成形体として実施されていて、この際には、押圧力を蓄積するクッション要素も排除され得る。更に、押付要素が同時にパワー半導体モジュール（１）の蓋を形成すると有利である。
図２は、本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の断面を示している。この例の構成において基板（５）とハウジング（３）と押付装置（７０）は上記の従来技術に従って形成されていて、それにより本発明は、この構成、特に押付接触形式のパワー半導体モジュールの構成に制限されるものではない。
負荷端子要素（４０、４２、４４）の金属成形体の形成は同様に従来技術に対応している。これに対し、ここでは負荷端子要素（４０、４２、４４）が本発明に従い、絶縁材料を伴う被覆部（４０８、４２８、４４８）を有するように形成されている。これらの被覆部（４０８、４２８、４４８）は各々の負荷端子要素（４０、４２、４４）をほぼ完全に被覆している。例えば基板（５）の導体パス（５４）に対する接触端子（４００、４２０、４４０）の部分が被覆部（４０８、４２８、４４８）では覆われていない。
負荷端子要素（４０、４２、４４）の本発明に従うこの形成により、当然のことであるが負荷端子要素間のプラスチックフィルムの配置が排除され得る。それにより第１ステップにおいてパワー半導体モジュール（１）の組み立てが容易化される。この組み立ての更なる容易化は、負荷端子要素（４０、４２、４４）が条片状の部分（４０２、４２２、４４２）の領域でスタック（４）を形成すると得られる。このことは、例えば、既に絶縁材料（４０８、４２８、４４８）で被覆されている個々の負荷端子要素（４０、４２、４４）を接着することにより行われ得る。また、多数の負荷端子要素（４０、４２、４４）が１つのステップにおいて絶縁材料で被覆されると特に有利である。
図３は、本発明に従うパワー半導体モジュールの負荷端子要素（４０、４２、４４）から成るスタック（４）を３次元図として示している。負荷端子要素（４０、４２、４４）が描かれていて、これらの負荷端子要素は、各々、複数の内部接触端子、即ち接触フット（４００、４２０、４４０）を有し、これらの接触フットは、対応する条片状の部分（４０２、４２２、４４２）から出発し、ここでは電気的に並列接続されている２つの基板（５）と、回路に適して接触する。負荷端子要素（４０、４２、４４）の他方の外部接触端子（４０４、４２４、４４４）はパワー半導体モジュールの外部端子を形成する。
この構成において負荷端子要素（４０、４２、４４）はほぼ完全に絶縁材料（４０８、４２８、４４８）により被覆されている。基板（５）の導体パス（５４）に対する接触端子の部分（４００、４２０、４４０）、並びにパワー半導体モジュールの外部電気接続のための外部接触端子（４０４、４２４、４４４）がその被覆部から除外されている。
基板（５）の導体パス（５４）に対する負荷端子要素（４０、４２、４４）の接触フット（４００、４２０、４４０）において導体パス（５４）との接触面だけを絶縁材料では覆わないことは有利であり得る。また、ここで描かれているように、接触フット（４００、４２０、４４０）において基板表面から延在する部分を被覆しないことは同様に有利であり得る。この領域では絶縁部が必ずしも必要ではなく、又は絶縁部が、例えばパワー半導体モジュールの内部に配置されていて好ましくはシリコンゲルから成るシーリングコンパウンドにより形成され得る。
外部接触のための外部接触端子（４０４、４２４、４４４）は、少なくとも電気伝導接続のための各々の接触面において被覆されていない。ここでも、各々の接触面から出発して各々の条片状の部分（４０２、４２２、４４２）の方向で被覆部が省かれ得る。被覆部（４０８、４２８、４４８）の正確な形成は、負荷端子要素（４０、４２、４４）の互いの絶縁に対する各々の要求、並びにパワー半導体モジュールの幾何学的形状形成、例えばそのハウジング形状に依存する。
個々の負荷端子要素（４０、４２、４４）の各々の被覆部（４０８、４２８、４４８）が、吹付方法（スプレーイング）又は浸漬方法（ディッピング）を用いて形成されていると特に有利である。絶縁材料自体、例えばポリアミドベースの熱可塑性物質のための要件としては、４００よりも大きい、より良くは６００よりも大きいＣＴＩ値を有する表面漏れ電流耐性が特に適していると実証されている。
同様に、負荷端子要素（４０、４２、４４）が好ましくは条片状の部分（４０２、４２２、４４２）の領域で組立ユニットとして接続されていると特に有利である。これは、絶縁材料（４０８、４２８、４４８）で被覆されている個々の負荷端子要素（４０、４２、４４）の接着接続により形成され得る。また、多数の、好ましくは全ての負荷端子要素（４０、４２、４４）を共通の方法ステップにおいて絶縁材料（４０８、４２８、４４８）で被覆すると有利であり得る。従って処理すべき特に有利な組立ユニットが形成される。
更に各々の負荷端子要素（４０、４２、４４）又はそれらから形成される負荷端子要素（４０、４２、４４）のスタック（４）は、好ましくは条片状の部分（４０２、４２２、４４２）の領域に孔（４０６、４２６、４４６）を有する。これらの孔（４０６、４２６、４４６）は、有利にはコイルバネ（非図示、補助負荷端子である）を通過案内するために形成されている。この際、当然のことであるが、形成されている孔（４０６、４２６、４４６）の縁は同様に絶縁材料（４０８、４２８、４４８）で被覆されている。
従来技術に従うパワー半導体モジュールの断面を示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの断面を示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの負荷端子要素から成るスタックを３次元図として示す図である。
符号の説明
１ パワー半導体モジュール
２ 冷却部材
３ ハウジング
３０ 絶縁材料成形体
３２ 孔
４ スタック
４０、４２、４４ 負荷端子要素
４００、４２０、４４０ 接触フット
４０２、４２２、４４２ 条片状の部分
４０４、４２４、４４４ 外部接触端子
４０６、４２６、４４６ 孔
４０８、４２８、４４８ 被覆部
４６ 絶縁部
５ 基板
５２ 絶縁材料ボディ
５４ 導体パス
５６ 銅積層部
６０ パワー半導体素子
６２ ワイヤボンディング接続部
７０ 押付装置
９０ スナップ・ロック・接続部

Claims (9)

  1. 冷却部材（２）上に配置するためのものであり、少なくとも１つの基板（５）と、この基板上に配置されている少なくとも２つのパワー半導体素子（６０）と、ハウジング（３）と、外部へと通じる複数の負荷端子要素（４０、４２、４４）及び制御端子要素とを備えているパワー半導体モジュール（１）であって、基板（５）が絶縁材料ボディ（５２）を有し、この絶縁材料ボディ上にてパワー半導体モジュールの内部側の第１主面上に、負荷電位を伴う導体パス（５４）が配置されている、前記パワー半導体モジュールにおいて、
    複数の負荷端子要素（４０、４２、４４）が、各々、外部接触端子（４０４、４２４、４４４）と、条片状の部分（４０２、４２２、４４２）と、この条片状の部分から出発している内部接触端子（４００、４２０、４４０）とを備えた金属成形体として形成されていて、それらの内部接触端子が条片状の部分から基板（５）に達し、回路に適してこの基板と接触し、更には複数の負荷端子要素（４０、４２、４４）が、外部接触端子及び内部接触端子の領域を除き、絶縁材料（４０８、４２８、４４８）により完全に被覆され、それにより互いに電気絶縁されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. パワー半導体モジュール（１）が、押付装置（７０）を用いた押付接触形式であ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. 絶縁材料（４０８、４２８、４４８）が、４００よりも大きなＣＴＩ値を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。
  4. 絶縁材料（４０８、４２８、４４８）が、浸漬方法を用いて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。
  5. 絶縁材料（４０８、４２８、４４８）が、吹付方法を用いて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. 複数の負荷端子要素（４０、４２、４４）が、条片状の部分（４０２、４２２、４４２）の領域でスタック（４）を形成し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。
  7. スタック（４）が、接着により形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のパワー半導体モジュール。
  8. スタック（４）が、複数の負荷端子要素（４０、４２、４４）に絶縁材料（４０８、４２８、４４８）を同時に配置することにより形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のパワー半導体モジュール。
  9. 押付装置（７０）及び／又はスタック（４）が、コイルバネとして形成されている補助端子要素を通過案内するための孔（４０６、４２６、４４６）を有することを特徴とする、請求項２、６〜８のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
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