JP5156355B2 - 接触バネを有するパワー半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、接触バネ（コンタクトスプリング）として形成されている少なくとも１つの端子要素を有する押付接触式（プレッシャコンタクト式）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である。
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構成部品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（導電トラック）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とを備えている。更に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、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部用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。
特許文献２から押付接触式のパワー半導体モジュールが同様に知られている。この文献において押付装置は、押圧力形成のための安定性があり好ましくは金属性の押付要素と、押圧力蓄積のための柔軟性のあるクッション要素と、基板表面の別々の範囲上に押圧力を導入するためのブリッジ要素とを有する。このブリッジ要素は、好ましくは多数の押付フィンガーが基板表面の方向へと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構成部品上に押し付けられ、それにより基板と冷却構成部品の間の熱伝導が永続的に確実に確立される。この際、柔軟性のあるクッション要素は、熱的負荷が異なる場合、パワー半導体モジュールの全ライフサイクルに渡り、一定の押付状況を維持するために用いられる。
特許文献３からは、ベースプレートと、接触バネとして形成された補助端子要素とを有するパワー半導体モジュールが知られている。この文献に従い、接触バネは確実な電気接触のためにカバーを用いて押圧力で付勢される。この際、接触バネは、詳細には開示されていないハウジングの保持器内に配置されている。
前公開されていない特許文献４からは、第１接触装置と弾性部分（バネ部分）と第２接触装置とを有する接触バネとして形成されている少なくとも１つの端子要素を有するパワー半導体モジュールが知られている。この際、第１プラスチック成形体が、基板に対して垂直に配置されていて端子要素を受容するための竪穴を有する。この竪穴の方は、端子要素を回り止めして配置するための側方の穴と、第２プラスチック成形体の付設の部分ボディ用の凹部とを有し、この際、この部分ボディは、同様に側方の穴と、基板とは反対側で端子要素の第１接触装置用の穴とを有し、第１接触装置はここを通じて延びている。
ＤＥ１９７１９７０３Ａ１ ＤＥ４２３７６３２Ａ１ ＤＥ１０２００４０２５６０９Ａ１ ＤＥ１０２００６００６４２１Ａ１
本発明の基礎を成す課題は、端子要素が弾性的にバネ形式で形成されていて、脱落に対して保護されていて、パワー半導体モジュールが容易に製造され得る、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、ハウジングと、少なくとも１つの金属性の導体パス（導電トラック）を有する基板とを有する、上記の形式のパワー半導体モジュールから出発する。少なくとも１つの導体パスから又は導体パス上に配置されているパワー半導体素子の少なくとも１つの接触面から、少なくとも１つの端子要素がハウジングから外部へと通じている。
これらの端子要素の少なくとも１つが、ピン状の第１接触装置と弾性部分と第２接触装置とを有する接触バネとして形成されている。ハウジングはこの接触バネを受容するための穴を有し、この穴は第１部分穴と第２部分穴を有し、第２部分穴の直径は、ピン状の第１接触装置の直径とこの第１接触装置の変形部により決定される逸脱量の合計よりも小さい。本発明に従い、この変形部は部分穴と基板の間に配置されている。
次に本発明の解決策を図１〜図６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）を示している。このパワー半導体モジュール（１）はベースプレート（２）を有し、ベースプレート（２）上には、好ましくはＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）基板として形成されている基板（５）が配置されている。各々の基板（５）は、両側に金属積層部（５４、５６）を有する絶縁セラミック（５２）から形成されている。パワー半導体モジュール（１）の内部側の金属積層部（５４）は、構造化（パターン化）により、回路に適してワイヤボンディング接続部（６２）を用いて接続されるパワー半導体素子（６０）を配置するための複数の導体パス（導電トラック、５４）を形成し、また端子要素（４、７）用の接触面としても用いられる。
ベースプレート（２）と、複数の基板（５）を包囲するハウジング（３）とを有するパワー半導体モジュール（１）が図示されている。ハウジング（３）は、外部接続のための端子要素（４、７）用の複数の通過部或いは穴（３０）を有する。ここでは、平坦な金属成形体の形式の負荷端子要素（４）と、接触バネ（コンタクトスプリング、７０）の形式の補助端子要素（７）とが図示されている。
これらの接触バネ（７０）は、導体パスとの接触のための第１接触装置、或いは非図示であるがパワー半導体素子の接触面との接触のための第１接触装置と、弾性部分（バネ部分）と、外部接続のための第２接触装置とを有する（図２参照）。
図１はパワー半導体モジュール（１）の一形態を例として示しているが、この際、これを基礎とする本発明に従う以下の形態は、例えばベースプレートを伴わない又は他の基板バリエーションを伴う又は別のハウジング形成を伴うなどのパワー半導体モジュールの他の形成のためにも適している。また、特に低出力のパワー半導体モジュールでは、ここで図示されているように接触バネを用いて補助端子を形成することのみならず、接触バネを用いて負荷端子をも形成することが有利であり得る。
図２は、第１接触装置（７２）と弾性部分（７４）と第２接触装置（７６）とを有する本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の接触バネ（７０）の第１形態を示している。この際、接触バネ（７０）は、本発明に従い、直径（ＤＦ）を有するその第１接触装置（７２）がアーチ形状の変形部（７２０）を有するように形成されている。この変形部により第１接触装置（７２）の逸脱量（Ａ）が決定される。ここで逸脱量とは、第１接触装置（７２）の長手方向に対して垂直方向にどれだけ第１接触装置（７２）が第１接触装置（７２）自体から張り出しているか、即ち逸脱しているかの量を表わしている。
図３は、本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の接触バネ（７０）の第２形態を示している。この際、接触バネ（７０）は、本発明に従い、直径（ＤＦ）を有するその第１接触装置（７２）が同一面内のＳ字形状の変形部（７２２）を有するように形成されている。それにより第１接触装置（７２）の逸脱量（Ａ）が、好ましくは同じである両方の部分逸脱量（１／２Ａ）により決定される。
図４は、接触バネ（７０）が中に配置されている本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の穴（３０）の第１形態を示している。穴（３０）はハウジング（３）の一部分であり、パワー半導体モジュール（１）の外側の方の第１部分穴（３２）内に弾性部分（７４）も第２接触装置（７６）の主要な部分も配置されているように形成されている。ピン状に形成されている第１接触装置（７２）はハウジング（３）の穴（３０）の第２部分穴（３４）を通じ、導体パス（５４）上の接触位置又は非図示のパワー半導体素子（６０）に向かって突き出ている。穴（３０）の下側のこの領域には第１接触装置（７２）のＳ字形状の変形部（７２２）が配置されている。
この際、両方の部分逸脱量（７２２、図３参照）は、第１接触装置（７２）の直径（ＤＦ）と両方の逸脱量（１／２Ａ）の合計が第２部分穴（３４）の直径（Ｄ）よりも大きくなるように構成されている。従って、特定の力により接触バネ（７０）が基板（５）の方向にパワー半導体モジュール（１）内へと取り入れられ、接触バネ（７０）がその自重により再び脱落することはない。
図５は、接触バネ（７０）が中に配置されている本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の穴（３０）の第２形態を示している。穴（３０）はここでもハウジング（３）の一部分であり、パワー半導体モジュール（１）の外側の方の第１部分穴（３２）内に弾性部分（７４）も第２接触装置（７６）の主要な部分も配置されているように形成されている。ピン状に形成されている第１接触装置（７２）はハウジング（３）の穴（３０）の第２部分穴（３４）を通じ、導体パス（５４）上の接触位置に向かって突き出ている。第２部分穴（３４）の下側のこの領域には第１接触装置（７２）のアーチ形状の変形部（７２０）が配置されている。
第２部分穴（３４）よりも大きな直径を有する、穴（３０）の更なる延長部（３６）は、例えばパワー半導体モジュール（１）の内部のエアギャップ及びクリープ長に関する電気的な要求に対応するため、更に基板（５）の方向に達している。
この際、部分逸脱量（７２０、図２参照）は、第１接触装置（７２）の直径（ＤＦ）と逸脱量（Ａ）の合計が第２部分穴（３４）の直径（Ｄ）よりも大きくなるように構成されている。従って、特定の力により接触バネ（７０）が基板（５）の方向にパワー半導体モジュール（１）内へと取り入れられ、接触バネ（７０）がその自重により再び脱落することはない。
図６は、接触バネ（７０）が中に配置されている本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の穴（３０）の第３形態を示している。穴（３０）はここでもハウジング（３）の一部分であり、パワー半導体モジュール（１）の外側の方の第１部分穴（３２）内に弾性部分（７４）も第２接触装置（７６）の主要な部分も配置されているように形成されている。
ピン状に形成されている第１接触装置（７２）はハウジング（３）の穴（３０）の第２部分穴（３４）を通じ、導体パス（５４）上の接触位置に向かって突き出ている。第２部分穴（３４）の下側のこの領域には第１接触装置（７２）のアーチ形状の変形部（７２０）が、第２部分穴（３４）の直径よりも大きな直径を有する他の部分穴（３８ａ）内で力のかからない状態で配置されている。この部分穴（３８ａ）には他の部分穴（３８ｂ）が続き、この部分穴（３８ｂ）は第２部分穴（３４）よりも小さな直径を有し、導体パス（５４）上の接触位置又はパワー半導体素子（６０）に対して相対的に第１接触装置（７２）を精確に案内するために用いられる。
この際、部分逸脱量（７２０、図２参照）は、第１接触装置（７２）の直径（ＤＦ）と逸脱量（Ａ）の合計が第２部分穴（３４）の直径（Ｄ）よりも大きくなるように構成されている。従って、特定の力により接触バネ（７０）が基板（５）の方向にパワー半導体モジュール（１）内へと取り入れられ、接触バネ（７０）がその自重により再び脱落することはない。
従来技術による端子要素を備えたパワー半導体モジュールを示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの接触バネの第１形態を示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの接触バネの第２形態を示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの穴の第１形態を示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの穴の第２形態を示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの穴の第３形態を示す図である。
符号の説明
１ パワー半導体モジュール
２ ベースプレート
３ ハウジング
３０ 穴
３２ 第１部分穴
３４ 第２部分穴
３６ 延長部
３８ａ 他の部分穴
３８ｂ 他の部分穴
４ 負荷端子要素
５ 基板
５２ 絶縁セラミック
５４、５６ 金属積層部
６０ パワー半導体素子
６２ ワイヤボンディング接続部
７ 補助端子要素
７０ 接触バネ
７２ 第１接触装置
７２０ アーチ形状の変形部
７２２ Ｓ字形状の変形部
７４ 弾性部分
７６ 第２接触装置
ＤＦ 第１接触装置の直径
Ａ 第１接触装置の逸脱量
Ｄ 第１部分穴の直径

Claims (3)

  1. ハウジング（３）と、少なくとも１つの金属性の導体パス（５４）を有する基板（５）と、上記導体パス（５４）から又は上記導体パス（５４）上に配置されているパワー半導体素子（６０）の接触面から外部へと通じる少なくとも１つの端子要素（７）とを有するパワー半導体モジュール（１）において、
    上記端子要素（７）が、第１接触装置（７２）と弾性部分（７４）と第２接触装置（７６）とを有する接触バネ（７０）として形成されていること、
    上記ハウジング（３）が、上記接触バネ（７０）を受容するための第１部分穴（３２）と上記第１部分穴（３２）に基板側で接続する第２部分穴（３４）を有する穴（３０）を有し、上記接触バネ（７０）の上記第１接触装置（７２）がピン状に形成されていて、上記第２部分穴（３４）の直径（Ｄ）が、ピン状の上記第１接触装置（７２）の直径（ＤＦ）とこの上記第１接触装置（７２）の変形部（７２０、７２２）により決定される逸脱量（Ａ）の合計よりも小さいこと、
    上記変形部（７２０、７２２）が上記第２部分穴（３４）と上記基板（５）の間に配置されていること、及び
    上記弾性部分（７４）が上記第１部分穴（３２）に受容されていること
    を特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 上記変形部（７２０）がアーチ形状に形成されていて、この上記変形部（７２０）の厚さにより上記逸脱量（Ａ）が決定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. 上記変形部（７２２）が同一面内のＳ字形状に形成されていて、そのように形成された各々の部分逸脱量（１／２Ａ）が上記逸脱量（Ａ）の半分の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。
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