JP5135101B2 - 基板キャリア用の密閉機構を備えるパワー半導体モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

基板キャリア用の密閉機構を備えるパワー半導体モジュールおよびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、筐体と少なくとも１つの基板キャリアとを備えるパワー半導体モジュールに関するものであって、前記基板キャリアは、その上に形成されたパワー電子回路構成、および前記パワー電子回路構成から延出する電気結合要素を有し、好ましくは前記筐体の凹部内に配置され、前記筐体によって側部を取り囲まれている。
例として、特許文献１に、上述した種類のパワー半導体モジュールが開示されており、その基本的な特徴について長い間知られている。従来技術によるそのようなパワー半導体モジュールは、基板キャリアを有し、基板キャリアが、パワー半導体モジュールの下端面を成す。その際、絶縁体筐体が、その長手方向側部でこの基板キャリアを越えて突出して、基板キャリアを取り囲む。そのような基板キャリアは、好ましくは銅からなる平坦な金属成形体として形成されることが多い。それにより、パワー電子回路構成から冷却構造部材への熱輸送のための効果的な熱拡散により生じる熱抵抗が小さい。
さらに、従来技術によれば、現時点では流体状の絶縁体、例えばシリコーンゴムで筐体を充填する際、このシリコーンゴムの流出を回避するために、基板キャリアが筐体と接着されることが知られている。さらに、筐体は、金属リベット接続によって基板キャリアと接続される。このリベット接続は、貫通する開口を有する中空体として形成され、ねじ接続によって、冷却構造部材に対するパワー半導体モジュールの固定も可能にする。従来技術によれば、このリベット接続は、真鍮リベットとして形成される。この理由は、真鍮リベットが、真鍮の鉛含有分に基づいてある程度の変形を可能にし、したがってリベット接続を可能にするためである。
基板キャリア自体に、そこから絶縁されて、パワー半導体モジュールの回路構成が配置される。それに関して、パワートランジスタ、パワーダイオード、および／またはパワーサイリスタを有する様々な回路構成が知られている。回路構成は、絶縁基板、例えばＤＣＢ（直接銅接合）基板によって基板キャリアから絶縁される。
さらに、負荷および補助結合のための様々に設計された結合要素、例えば制御式のパワー半導体素子のための制御結合も、従来技術に含めることができる。それに関して、これらの結合要素と基板、または回路構成のパワー半導体素子との様々な接続技術が知られている。ここで、はんだ接続、加圧接触接続、および／または加圧焼結接続が特に好ましい。
従来技術によるパワー半導体モジュールの欠点は、製造プロセス中にシリコーンゴムの流出に対する筐体の密閉性を保証するために、基板キャリアが接着接続によって筐体と接続されることである。長期耐久性のある接続は、それに加えて、上記のリベット接続によって達成される。
独国特許出願公開第１０１ ００ ４６０ Ａ１号明細書
したがって、本発明の目的は、基板キャリアを有するパワー半導体モジュールであって、基板キャリアが、接続手段によってパワー半導体モジュールの筐体と組み立てられ、関連の製造方法が、低コストであり自動化可能な設計で達成可能である半導体モジュールを提供することである。
この目的は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する物品によって、および請求項６に記載の方法によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項に記載される。
筐体と、好ましくは筐体の凹部内に配置され、筐体によって側部、好ましくは全ての側部を取り囲まれる少なくとも１つの基板キャリアとを備えるパワー半導体モジュールが、本発明の出発点を成す。この基板キャリアに、パワー電子回路構成が形成され、パワー電子回路構成から、負荷および補助結合のための電気結合要素が延出する。その際、少なくとも１つの結合要素が、ばね接触機構として形成されると好ましい。さらに、筐体が、基板キャリアとの永続的な接続のための固定手段を有する。したがって、基板キャリアは、冷却構造部材に対向するパワー半導体モジュールの外面または外面の一部を成す。
本発明によれば、筐体、好ましくは筐体の開口が、筐体と一体成形された密閉機構を有する。この密閉機構は、筐体の凹部内に配置され、環状に延在し、かつ基板キャリアの第１の内側主面に向けて形成されることが好ましい。本発明によれば、その際、密閉機構は、第２の永久弾性プラスチックから形成される。
本発明による、そのようなパワー半導体モジュールを製造するための方法は、以下の本質的な方法ステップを含む。
・二成分射出成形法で、第１の機械的に安定なプラスチックから、好ましくは対応する基板キャリアのための少なくとも１つの開口を有する筐体を形成し、第２の永久弾性プラスチックから密閉機構を形成するステップ。
・筐体に、好ましくは筐体の対応する開口内に、少なくとも１つの基板キャリアを配置するステップ。
・固定手段によって、筐体と基板キャリアとの永続的な接続を形成するステップ。
この接続は、固定手段が筐体の突起からなり、突起が基板キャリアの開口を通って貫入し、さらに温度および／または超音波の効果によるこの突起の端部の変形によりリベット接続が製造されることによって形成されることが好ましい。その際、密閉機構が、基板キャリアの固定手段を少なくとも部分的に取り囲み、これら固定手段を凹部の外側におくことが好ましい。したがって、シリコーンゴムでパワー半導体モジュールを充填する際にこの密閉機構が流出を妨げるので、このリベット接続を密閉形成することは不要である。
ここで、パワー半導体モジュールの内部空間をポッティング材で充填し、開口の領域内にポッティング材が流出しないようにするために、筐体の少なくとも１つの突起のこの変形により、基板キャリアの対応する開口を十分に密閉して閉じることが好ましいことがある。
この半導体デバイスの特に好ましいさらなる構成は、実施形態の各説明において挙げる。さらに、本発明の解決策を、実施形態および図１〜４に基づいて以下に説明する。
図１は、本発明によるパワー半導体モジュール１の基板キャリアを伴わない、好ましくは１５０℃を超える温度まで安定なプラスチックからなる筐体１０を３次元で示す。ここで、筐体１０は、冷却機構（図示せず）に向いた側に、基板キャリアを受け入れるための凹部１２と、冷却構造部材とのねじ接続のための２つの通し穴１６とを有する。その際、この凹部１２は、配置可能な基板キャリアの全ての側部を取り囲むために、パワー半導体モジュール１の両方の長手方向側部にそれぞれ１つの隔壁１２０を有すると有利である。
パワー半導体モジュール１の内部には、結合要素、ここでは接触ばねとして形成された補助結合要素を配置するためのさらなる通し穴１４が図示されている。これらの補助結合要素は、筐体１０の凹部１２内に配置可能な基板キャリアに配置された回路構成の外部接続を担う。
この凹部１２の領域内に、有利には凹部１２の狭い側部の縁部領域１２２内に、筐体１０は、筐体１０と一体成形された突起２０を有することが好ましい。これら突起２０は、ここでは栓状に形成され、配置され得る基板キャリアの方向に筐体１０から突出する。
さらに、好ましくは筐体１０と共に二成分射出成形法で製造された、弾性プラスチックからなる密閉機構３０が図示されている。この密閉機構３０は、筐体１０の凹部１２の縁部領域内で環状に延在する密閉リップを成し、この密閉リップは、好ましくは、突起２０が密閉リップの密閉領域の外側にあるように、突起２０を好適に取り囲む。
図２は、図１によるパワー半導体モジュール１の筐体１０を２次元で示し、ここでは、凹部の内部の詳細を示さずに、基板キャリアを配置するための凹部１２を上面図で示す。配置可能な冷却構造部材とのねじ接続のための２つの通し穴１６を有する筐体１０がここでもまた図示されている。凹部１２の領域内には、配置可能な基板キャリアとのリベット接続のための筐体１０の突起２０がここでも図示されている。
凹部１２の内部に、本発明による密閉機構３０が配置される。密閉機構３０は突起２０などの接続手段を除外するように構成されると有利である。したがって、突起２０は、密閉機構３０によって基板キャリアから密閉されていない凹部１２の領域内に位置する。これは、それにより、突起２０と基板キャリアとのリベット接続が密閉性について特別な要求を受けないので有利である。
ただし、基板キャリアの密閉すべき面の領域内に排他的または追加的に接続手段を配置することが好ましいこともあり、その場合、リベット接続を密閉して行わなければならないので、リベット接続に対する要求は高まる。製造プロセス中にパワー半導体モジュールの内部に導入されて、パワー半導体モジュールの内部を少なくとも部分的に充填する電気絶縁ポッティング材は、従来技術によれば、現時点ではまだ流体状であり、したがってリベット接続の領域内に流出する可能性がある。
図３は、図１による本発明によるパワー半導体モジュール１の筐体１０を通る断面図である。ここでは、凹部１２を有する筐体１０が示され、この凹部の領域内に、接続手段２０が、基板キャリアとのリベット接続のために筐体１０の突起の形態で構成され、通し穴１４が、接触ばねとして形成された補助結合要素を配置するために構成される。凹部１２自体は、パワー半導体モジュール１の長手方向側部で、２つの隔壁１２０によって側部を画定されており、隔壁１２０は、配置され得る基板キャリアのためのストッパ手段を成す。開口１２の内部でこれらの隔壁１２０に直接隣接して、密閉機構３０が配置される。この密閉機構３０は、上記の方法によれば、第２の永久弾性プラスチックから形成され、第１のプラスチックからなる筐体１０と共に二成分射出成形法で製造される。
図４は、半導体基板が配置された、図１による本発明によるパワー半導体モジュールの一部分を断面で示す。ここで、基板キャリア４０は、表面仕上げされた銅板として作製される。この基板キャリア４０は、筐体１０の突起２０に位置合わせして貫通する開口４２を有する。基板キャリアと筐体とのリベット接続のために、これらの突起は、温度および／または超音波印加によって、基板キャリア４０の外側主面４６を越えて突出しなくなるように変形される。
パワー半導体モジュール１の内部に向いた基板キャリアの内側主面４４に、基板キャリアから電気的に絶縁されて、パワー電子回路構成５０が配置される。
本発明によるパワー半導体モジュールの基板キャリアを伴わない筐体を３次元で示す図である。 図１による筐体を２次元で示す図である。 図１による本発明によるパワー半導体モジュールの筐体を通る断面図である。 基板キャリアが配置された、図１による本発明によるパワー半導体モジュールの一部分の断面図である。
符号の説明
１ パワー半導体モジュール
１０ 筐体
１２ 凹部
１４ 通し穴
１６ 通し穴
２０ 突起
３０ 密閉機構
４０ 基板キャリア
４２ 開口
４４ 内側主面
４６ 外側主面
５０ パワー電子回路構成
６０ 結合要素
１２０ 隔壁
１２２ 縁部領域

Claims (8)

  1. 第１のプラスチックからなる筐体（１０）と少なくとも１つの基板キャリア（４０）とを備えるパワー半導体モジュール（１）であって、基板キャリアは、その上に形成された回路構成（５０）、および前記回路構成（５０）から延出する電気結合要素（６０）を有するパワー半導体モジュール（１）であって、
    前記筐体（１０）が、前記基板キャリア（４０）との永続的な接続のために固定手段（２０）を有し、
    前記筐体（１０）が、当該筐体（１０）と一体成形され、環状に延在し、かつ前記基板キャリア（４０）の第１の内側主面（４４）に対向した、第２のプラスチックからなる永久弾性密閉機構（３０）を有するパワー半導体モジュール（１）。
  2. 前記基板キャリア（４０）が、表面仕上げされた銅板として作製され、前記基板キャリア（４０）の内側主面（４４）に、前記銅板に対して電気的に絶縁されて構築されたパワー電子回路構成（５０）が配置されている、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 前記基板キャリア（４０）が、前記筐体（１０）の凹部（１２）内に配置され、前記筐体（１０）によって側部を取り囲まれており、前記永久弾性密閉機構（３０）が、前記凹部（１２）内に配置されている、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 少なくとも１つの結合要素（６０）が、ばね接触機構として形成されている、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 前記密閉機構（３０）が、前記基板キャリア（４０）の固定手段（２０）を、少なくとも部分的に取り囲み、これら固定手段を前記凹部（１２）の外側におく、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）を製造するための方法であって、
    ・第１の機械的に安定なプラスチックから筐体（１０）を形成し、第２の永久弾性プラスチックから密閉機構（３０）を形成するステップと、
    ・前記筐体（１０）に少なくとも１つの基板キャリア（４０）を配置するステップと、
    ・固定手段（２０）を用いて、前記筐体（１０）と前記基板キャリア（４０）との永続的な接続を形成するステップと
    を有する、方法。
  7. 前記固定手段（２０）が、前記筐体（１０）の突起からなり、当該突起が、前記基板キャリア（４０）の開口（４２）を通って貫入し、温度および／または超音波の効果による前記突起（２０）の端部の変形によって、リベット接続が形成される、請求項６に記載の方法。
  8. 接続形成ステップに引き続いて、前記パワー半導体モジュール（１）の内部空間が、少なくとも部分的に、電気絶縁ポッティング材で充填される、請求項６に記載の方法。
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