JP5392966B2 - パワー半導体モジュールやディスクセル用のコンタクト装置並びに該コンタクト装置を備える組立品 - Google Patents

Description

ディスクセル及びパワー半導体モジュール内のパワー半導体素子の制御接続部用のコンタクト装置に関して記載される。

この種のコンタクト装置は、例えば非特許文献１から知られているようにディスクセルの部分であり、また例えば特許文献１から知られているように好ましくは押圧コンタクト式のパワー半導体モジュールの部分である。

例えば特許文献１に従うもののような押圧コンタクト式のパワー半導体モジュールは、通電容量と信頼性に関して極めて高い電力要求に適している。それによりここでは制御接続部（コントロール・ターミナル）にも電力接続部（パワー・ターミナル）と同様の意味の役割がある。電力接続部の押圧コンタクト接続は、半導体モジュールの製造から接続技術として十分に知られていて多岐に渡って認められている。それに対し、制御接続部のコンタクト接続のためには多数のバリエーションがあり、これらのバリエーションでは、製造手間の程度が異なっていて、それには直接的に由来しないで信頼性の程度が異なっている。

パワー半導体素子の制御接続部においてはロウ付け接続が知られている。同様に様々な種類のバネ負荷式の押圧コンタクトが知られていて、それらにとって共通のことは、それらが、複雑で多くの場合はマニュアルでのみ可能である製造を前提とし、及び／又は、それらの信頼性が十分ではないということである。

独国特許出願公開第１９６５１６３２Ａ１号明細書 ホイマン(Heumann)著「パワーエレクトロニクスの基礎(Grundlagen der Leistungselektronik)」（トイプナー(Teubner)出版、第６版、ISBN 3-519-06110-4、37ページ）

本発明の基礎を成す課題は、汎用的に使用可能であり、永続的に確実な電気コンタクトを保証し、簡単に取り付けが成される、ディスクセル及びパワー半導体モジュール内のパワー半導体素子の制御接続部のコンタクト装置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に記載した構成を有するコンタクト装置により解決される。また、そのようなコンタクト装置を含む組立品も対象となる。有利な実施形態については下位請求項に記載されている。

本発明の基本思想は、１つの又は複数のパワー半導体素子又は１つのディスクセルが好ましくは押圧コンタクト状態にあるパワー半導体モジュールから出発している。１つのディスクセル内には典型的に１つだけのパワー半導体素子が配置されているが、ハウジング内に複数のパワー半導体素子を有する特殊形式もある。

本発明は、サイリスタやトランジスタのような少なくとも１つの被制御式パワー半導体素子を有するパワー半導体モジュール又はディスクセルに関する。それらのパワー半導体素子は制御接続部を有し、この制御接続部はパワー半導体モジュール又はディスクセルの外部から制御信号を用いて付勢される。

多くの場合、パワー半導体モジュール及びディスクセル内の半導体素子は両側で其々につき平坦な金属体と接続されていて、その熱膨張係数は、半導体素子に対する熱ストレスを減少するために、半導体素子の熱膨張係数と、電力接続部に接続するコンタクト装置の熱膨張係数との間に位置する。好ましくはモリブデンから成る平坦な金属体と半導体素子との接続は様々な方法で実現され得て、両方のパートナーにおける、例えば、ロウ付け、接着、又は押圧コンタクトである。平坦な金属体は、典型的に、十分の数ミリメートルから数ミリメートルに至るまでのサイズオーダーの厚さを有する。

少なくとも１つのパワー半導体素子の制御接続部をコンタクトするための本発明に従うコンタクト装置には、主接続部及び制御接続部を支持する主面上に、成形体、例えば上記の平坦な金属体が付設されている。この成形体は制御接続部の上側の領域に穴を有し、この穴の方は支持部を有している。

コンタクト装置自体は、制御接続部にコンタクトするバネ端部にピン状の突起を有するコンタクトバネから成り、更に、他方のバネ端部に、直接的に又は金属成形部品を介して形成されている、外部接続のための接続ケーブルとの接続機構を有している。コンタクトバネ及びオプションとしての金属成形部品は絶縁材料スリーブ内に配置されていて、この際、この絶縁材料スリーブは少なくとも１つのロックノーズを有し、このロックノーズは前記の成形体の支持部と共にスナップ・ロック・接続機構を構成する。

次に本発明の思想を図１〜図５の実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、従来技術に従うディスクセル（９５０）の部分断面図を示している。このディスクセルは、好ましくはセラミックから成る絶縁材料体（９５４）を有している。この絶縁材料体はディスクセル（９５０）のハウジングを形成し、ディスクセル（９５０）の上側及び下側のカバー（９５６、９５２）は金属成形体として形成されている。ディスクセル（９５０）の内部にはパワー半導体素子（６００）が配置されている。

ディスクセル（９５０）のこの構成では一方の金属成形体（９５６）が穴（９５８）を有している。この穴（９５８）内にはゲートコンタクト装置が配置されている。このゲートコンタクト装置は、絶縁被覆を有する弾性ワイヤ要素（９６２）として形成されている。絶縁部は、ワイヤ要素（９６２）において金属成形体（９５６）とコンタクトし得る部分だけを覆っている。ワイヤ要素（９６２）の第１端部は、金属スリーブ（９６４）を備えている絶縁材料体（９５４）の穴内に配置されていて、従って金属スリーブ（９６４）と電気伝導接続されている。ワイヤ要素（９６２）の第２端部（９６０）はパワー半導体素子（６００）のゲート接続部（ゲート・ターミナル）上に載置されている。ワイヤ要素（９６２）の金属スリーブ（９６４）内の配置構成とワイヤ要素（９６２）の形状とにより、パワー半導体素子（６００）の方向でワイヤ要素（９６２）の第２端部（９６０）に対する力導入を施すバネ作用が得られる。

ディスクセル（９５０）のこの構成における短所は、金属成形体（９５６）が、ワイヤ要素（９６２）を受容するための半径方向外側に向かって進んでゆく穴（９５８）を有さなくてはならないということである。この穴（９５８）は低コストで製造可能なものではなく、同様にコンタクト装置の取り付けも自動化可能であるとは言えない。

図２は、従来技術による、押圧コンタクト式のパワー半導体モジュール（９００）の構成の断面図を示している。ここでは、金属ベースプレート（９０２）と、プラスチックハウジング（９０８）と、プラスチックカバー（９１０）とが図示されている。ベースプレート（９０２）上には、絶縁層に続き、第１金属成形体（９０４）が配置されていて、この第１金属成形体上にはパワー半導体素子（６００）が配置されていて、その上には第２金属成形体（９０８）が配置されている。この第２金属成形体は押圧コンタクト装置（９０６）を用いて圧力付勢され、それによりパワー半導体素子（６００）を第１金属成形体（９０４）に対して押し付け、第１金属成形体（９０４）をベースプレート（９０２）に対して押し付ける。それにより両方の金属成形体（９０４、９０８）に対するパワー半導体素子（６００）の確実な電気コンタクトと、追加的にベースプレート（９０２）に対する熱コンタクトが保証されている。それにより両方の金属成形体（９０４、９０８）は主接続部（メイン・ターミナル）のコンタクトのために用いられる。

パワー半導体素子（６００）の制御接続部（６１０）はコンタクト装置を用いてコンタクトされている。このコンタクト装置は金属ワイヤ要素（９１４）から構成されていて、この金属ワイヤ要素はハウジングの保持装置（９１２）内で固定されている。この保持装置から出発し、外部接続部に対するもので電気絶縁されているワイヤ接続部材（９１６）が設けられている。第２金属成形体（９０８）は穴（９２０）を有し、その経過部内にはワイヤ要素（９１４）が配置されていて、そこで制御接続部（６１０）にコンタクトしている。ワイヤ要素（９１４）並びにその保持装置（９１２）は、ワイヤ要素（９１４）がバネ力を構成し、このバネ力がパワー半導体素子（６００）に向かって指向されているように構成されている。従ってパワー半導体モジュール（９００）の制御接続部も押圧コンタクト技術で実施されている。

コンタクト装置のこの構成における短所は、しかしながら、第２金属成形体（９０８）内の穴（９２０）により、パワー半導体素子（６００）に対する押圧力導入が半径方向対称には行われないということである。更に短所として、パワー半導体モジュール（９００）の様々なパワークラス、及び、それに起因するパワー半導体素子（６００）の異なる直径のために、コンタクト装置が異なって形成されているということである。コンタクト装置の取付手間はここでも低コストの製作に相反するものである。

更に、図１によるディスクセル及び図２によるパワー半導体モジュールのためのコンタクト装置の構成における短所として、保持具（９６４、９１２）とパワー半導体素子（６００）のコンタクト個所即ち制御接続部（６１０）との間のバネアーム即ち側方の延びが極めて大きいということがある。弾性ワイヤ要素（９６２、９１４）のこの構成によりコンタクト確実性には問題があり、その理由は、バネ力の均質性が、多数のディスクセル或いはパワー半導体モジュールの生産に介し、多大な手間をもってのみ提供されているためである。

図３は、パワー半導体モジュール内の本発明に従うコンタクト装置を示している。パワー半導体素子（６００）が図示されていて、このパワー半導体素子では、その第１主面上の中央に制御接続部（６１０）が配置されていて、対向する両方の主面上に第１及び第２電力接続部（６２０）が配置されている。パワー半導体素子（６００）の第１主面上には、２つの部分成形体のサンドイッチ構造から構成されている金属成形体（７００）が配置されている。この金属成形体は円形の中央穴（７１０）を有し、この中央穴はエッジ（７２０）を有している。

コンタクト装置自体は、熱可塑性プラスチック又は好ましくは熱硬化性プラスチックから成る絶縁材料スリーブ（３００）と、バネ要素（１００）と、プラグとして形成されている金属成形部品（２００）とから構成されている。絶縁材料スリーブとしてのプラスチックスリーブ（３００）は、金属成形体（７００）により形成される電力接続部から制御信号を電気絶縁するために用いられる。プラスチックスリーブ（３００）は２つのロックノーズ（３６０）を有する。これらのロックノーズは、支持部として用いられる金属成形体（７００）のエッジ（７２０）と共にスナップ・ロック・接続機構を構成する。従って金属成形体（７００）内のコンタクト装置の簡単な取り付けが可能である。

プラスチックスリーブ（３００）の内部には樽形コイルバネとして形成されているコンタクトバネ（１００）が配置されている。このコンタクトバネは、パワー半導体素子（６００）の方を向いた側に、バネ軸に対して中央に配置されているピン状の突起（１１０）を有し、この突起は、異なって形成された端部を有する。この端部は、例えば、鈍端状、ボール状、又は図示されているようにアーチ状に形成され得る。突起（１１０）はプラスチックスリーブ（３００）を貫き通り、この際、プラスチックスリーブ（３００）は、バネ要素（１００）が制御接続部（６１０）の方向で脱落から保護されているように形成されている。突起（１１０）はパワー半導体素子（６００）の制御接続部（６１０）のコンタクトのために用いられる。コンタクトバネ（１００）の弾性部分は、ディスクセル或いはパワー半導体モジュールの寿命に渡って一定の押圧力導入、従って制御接続部（６１０）の確実なコンタクトのために用いられる。

同様にプラスチックスリーブ（３００）の内部に配置されている金属成形部品（２００）は、ディスクセル或いはパワー半導体素子の外部制御接続部とコンタクトバネ（１００）との電気接続のために用いられる。このために金属成形部品（２００）は第１ラグ（２１０）を有し、この第１ラグは金属成形部品（２００）を案内するために用いられ、コンタクトバネ（１００）の内部領域にまで達している。更に２つの他のラグ（２３０）は第１ラグ（２１０）に対して直角に配置されていて、これらのラグはコンタクトバネ（１００）のためのストッパを形成し、従って押圧力構成のために用いられる。

プラグスリーブ（５１０）を有する接続ケーブル（５００）との接続のために金属成形部品（２００）は第２ラグ（２２０）を有していて、この第２ラグはプラグとして形成されている。従って外部接続部に対する接続機構が形成されている。

選択的に及びより安価なものとしてコンタクト装置の次の構成がある、即ち、プラスチックスリーブ（３００）自体がバネ要素のための支持部を有し且つパワー半導体素子とは反対側のバネ端部がロウ付け接続又は溶接接続を用いて接続ケーブル（５００）と直接的に接続されているという構成である。

図４は、本発明に従うコンタクト装置（４００）の３次元分解図を示している。ここでは、プラスチックスリーブ（３００）と、コンタクトバネ（１００）と、金属成形部品（２００）とが図示されている。ここでプラスチックスリーブ（３００）は２部材式で形成されている。第１部分スリーブ（３０２）は、パワー半導体素子（６００）の方を向いているプラスチックスリーブ（３００）の部分を構成している。第１部分スリーブ（３０２）は、鈍端を備えたコンタクトバネ（１００）が制御接続部（６１０）の方向で脱落から保護されていて且つそのためにコンタクトバネ（１００）のピン状の突起（１１０）の直径よりもほぼ０.２ｍｍ大きい穴（３１０）を有するように形成されている。更に第１部分スリーブ（３０２）はロックエッジ（３２０）並びに上縁部の２つの穴（３３０）を有し、これらの機能については以下に説明する。

また、４つのロックノーズ（３６０）を有する第２部分スリーブ（３０４）が図示されていて、これらのノーズは外側に向けられて配置されていて、これは、対応する支持部（図３参照、符号７２０）における金属成形体（図３参照、符号７００）とのスナップ・ロック・接続機構のためである。更に第２部分スリーブ（３０４）は４つの他のロックノーズ（３５０）を有し、これらのノーズは内側に向けられて配置されていて、それらの支持部は第１部分スリーブ（３０２）のロックエッジ（３２０）に位置している。この第２スナップ・ロック・接続機構を用い、両方の部分スリーブ（３０２、３０４）が互いに固定される。

更に、両方の部分スリーブ（３０２、３０４）をプラスチックスリーブ（３００）へと前記のように固定する際、コンタクトバネ（１００）も上記の金属成形部品（２００）もプラスチックスリーブ（３００）の内部で固定される。そのために第１部分スリーブ（３０２）の上縁部の両方の穴（３３０）が用いられる。この第１部分スリーブ（３０２）内にはコンタクトバネ（１００）が配置されていて、この際、ピン状の突起（１１０）は下側の穴（３１０）を通じて差し出されていて、従ってコンタクトバネ（１００）を下側に向かって固定する。上側のバネ端部において金属成形部品（２００）は第１ラグ（２１０）を用いてコンタクトバネ（１００）の内部に突出する。第１ラグ（２１０）に対して直角に形成されている他の両方のラグ（３２０）は第１部分スリーブ（３０２）の穴（３３０）内に配置され、両方の部分スリーブ（３０２、３０４）の結合によりそこで固定される。従って、コンタクトバネ（１００）と、金属成形部品（２００）と、プラスチックスリーブ（３００）の両方の部分（３０２、３０４）とから形成される取付ユニットが得られる。

図５は、本発明に従うコンタクト装置（４００）を有するパワー半導体モジュール（８００）の３次元分解図を示している。押圧コンタクト技術で構成されている、２つのサイリスタ（６００）を有するパワー半導体モジュール（８００）が図示されている。ベースプレート（８０２）上には適切に以下のものが配置されている：
・ ベースプレート（８０２）からパワー半導体モジュール（８００）の電流案内部分を電気絶縁するための絶縁材料
・ 適切な電気接続要素（８１２）を有する両方のサイリスタ（６００）
・ コンタクト装置を受容するため及び押圧力を導入するための２つの成形体（７００）
・ その押圧力は、図２に関して説明された装置と比較可能な押圧コンタクト装置（８０８）からのものである
・ カバー（８１０）を有するハウジング（８０４）

本発明に従うコンタクト装置（４００）は、ここではパワー半導体モジュール（８００）の組立時の取付ユニットである。そのために各々のコンタクト装置（４００）は対応する成形体（７００）内に取り入れられ、それらのロックエッジ（７２０）と噛合する。これらの成形体（７００）は熱硬化性プラスチックから形成されていて、その理由は、これらの成形体（７００）が押圧力コンタクト装置（８０８）を介した押圧力導入のためだけに用いられ、電気接続のためには用いられないためであり、またその理由は、負荷接続部（８１２）がここでは金属接続プレートとして実施されているためである。コンタクト装置（４００）と外部との電気接続は、差込スリーブ（５１０）と接続されているケーブル（５００）を用いて構成される。このために差込スリーブ（５１０）は、コンタクト装置（４００）においてプラグとして形成されている第２ラグ（図３参照、符号２２０）上に配置されている。

従来技術によるディスクセルの構成を示す図である。 従来技術による、押圧コンタクト式のパワー半導体モジュールの構成の断面図を示す図である。 パワー半導体モジュール内の本発明に従うコンタクト装置を示す図である。 本発明に従うコンタクト装置の３次元分解図を示す図である。 本発明に従うコンタクト装置を備えたパワー半導体モジュールの３次元分解図を示す図である。

符号の説明

１００ バネ要素／コンタクトバネ
１１０ 突起
２００ 金属成形部品
２１０ 第１ラグ
２２０ 第２ラグ
２３０ ラグ
３００ 絶縁材料スリーブ
３０２ 第１部分スリーブ
３０４ 第２部分スリーブ
３１０ 穴
３２０ ロックエッジ
３３０ 穴
３５０ ロックノーズ
３６０ ロックノーズ
４００ コンタクト装置
５００ 接続ケーブル
５１０ プラグスリーブ
６００ パワー半導体素子
６１０ 制御接続部
６２０ 電力接続部
７００ 金属成形体
７１０ 中央穴
７２０ エッジ
８００ パワー半導体モジュール
８０２ ベースプレート
８０４ ハウジング
８０８ 押圧コンタクト装置
８１０ カバー
８１２ 電気接続要素
９００ パワー半導体モジュール
９０２ 金属ベースプレート
９０４ 第１金属成形体
９０６ 押圧コンタクト装置
９０８ 第２金属成形体
９１０ プラスチックカバー
９１２ 保持装置
９１４ ワイヤ要素
９１６ ワイヤ接続部材
９２０ 穴
９５０ ディスクセル
９５２ 下側のカバー
９５４ 絶縁材料体
９５６ 上側のカバー
９５８ 穴
９６０ ワイヤ要素の第２端部
９６２ ワイヤ要素
９６４ 金属スリーブ

Claims (6)

1. パワー半導体モジュール（８００）又はディスクセル内のパワー半導体素子（６００）の制御接続部（６１０）と接触するためのコンタクト装置（４００）であって、
   パワー半導体素子（６００）の上に、制御接続部（６１０）の領域で成形体の全長にわたる穴（７１０）を有した成形体（７００）が配置されていて、前記穴は支持部（７２０）を有しており、
   コンタクト装置（４００）が、コンタクトバネ（１００）と、このコンタクトバネを内部に配置する絶縁材料スリーブ（３００）とから構成され、
   前記コンタクトバネ（１００）は、一方のバネ端部に、制御接続部（６１０）に接触するピン状の突起（１１０）を有し、他方のバネ端部に、直接的に又は金属成形部品（２００）を介して形成されている、外部接続用の接続ケーブル（５００）との接続機構を有しており、
   前記絶縁材料スリーブ（３００）は少なくとも１つのロックノーズ（３６０）を有し、このロックノーズが前記成形体（７００）の前記支持部（７２０）と共にスナップイン・ロック・接続機構を構成すること、
   前記絶縁材料スリーブ（３００）が２部材式で形成されていて、両方の部分（３０２、３０４）がスナップイン・ロック・接続機構を介して互いに配置されていること、
   前記絶縁材料スリーブ（３００）の、制御接続部（６１０）の方を向いた第１部分（３０２）が、前記コンタクトバネ（１００）が制御接続部（６１０）の方向にて脱落阻止を保証するように形成されていることを特徴とするコンタクト装置。
2. コンタクトバネ（１００）が樽形コイルバネとして形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のコンタクト装置。
3. 接続ケーブル（５００）と請求項１又は２に記載のコンタクト装置（４００）とから構成される第１組立品であって、前記コンタクトバネ（１００）が前記他方のバネ端部に、金属成形部品（２００）を介して形成された、前記接続ケーブル（５００）との接続機構を有しており、前記金属成形部品（２００）が第１ラグ（２１０）を有し、この第１ラグがコンタクトバネ（１００）の内部領域にまで達し、更に第２ラグ（２２０）を有し、この第２ラグがプラグとして形成されていて、プラグスリーブ（５１０）を有する接続ケーブル（５００）と、それから形成されている差込接続機構を用いて接続されていることを特徴とする、第１組立品。
4. 金属成形部品（２００）が、第１ラグ（２１０）及び第２ラグ（２２０）に対して直角に配置されている更なるラグ（２３０）を有し、前記金属成形部品（２００）がこれら更なるラグにより絶縁材料スリーブ（３００）の両方の部分（３０２、３０４）に保持されることを特徴とする、請求項３に記載の第１組立品。
5. 接続ケーブル（５００）と請求項１又は２に記載のコンタクト装置（４００）とから構成される第１組立品であって、前記コンタクトバネ（１００）が前記他方のバネ端部に、直接的に形成された、外部接続用の前記接続ケーブル（５００）との接続機構を有しており、前記コンタクトバネ（１００）が溶接接続又はロウ付け接続を用いて接続ケーブル（５００）と接続されていることを特徴とする、第１組立品。
6. 成形体（７００）と請求項１又は２に記載のコンタクト装置（４００）とから構成される第２組立品であって、パワー半導体素子（６００）の上に、制御接続部（６１０）の領域で成形体の全長にわたる穴（７１０）を有した成形体（７００）が配置されていて、前記穴は支持部（７２０）を有しており、更に、前記成形体（７００）が、１部材式又は複数部材式で形成されていて、金属材料からなり、パワー半導体素子（６００）の電力接続部（６２０）に電気的に接触し、前記成形体（７００）の前記支持部（７２０）が、前記コンタクト装置（４００）の絶縁材料スリーブ（３００）が有するロックノーズ（３６０）と共に、スナップイン・ロック・接続機構を構成することを特徴とする、第２組立品。

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