JP5401055B2 - 接続機構を備えるパワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、筐体と、その上に形成されたパワー電子回路構成、およびパワー電子回路構成から延出する電気結合要素を有する、好ましくは筐体の凹部内に配置され、筐体によって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に関する。

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、様々な様式で作製された負荷および補助結合用の結合要素も、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。外部接続のために、負荷結合要素が、ねじ接続用の接続機構を有することが好ましい。これらの接続機構は、雌ねじを有する、筐体内に固定せずに埋め込まれたナットと、雌ねじに位置合わせして貫通する開口を有する、ナットに重ねて配置された結合要素の区域として形成されることが多い。

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、冷却構造部材および／または外部電源線への接続機構を備えるパワー半導体モジュールであって、接続機構が、鉛を含有せずに形成され、さらに低コストであり自動化可能な製造方法で達成可能であるパワー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。したがって、基板キャリアが、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、ここで、筐体は、第１および／または第２接続機構を有する。これらの第１および／または第２接続機構はそれぞれ、好ましくはアルミニウムまたは亜鉛ダイカストからなる本質的に中空円筒形状の金属ダイカスト成形部として形成される。

第１接続機構は、外部冷却構造部材に対するパワー半導体モジュールの配置、および外部冷却構造部材への接続を担う。これに関して、パワー半導体モジュールの筐体が開口を有し、開口内に、冷却構造部材用のねじ接続をそれぞれ１つ構成可能である。ねじ接続は、機械的な接続である。従来技術による筐体はプラスチックからなるので、この開口を金属成形体によって補強することが有利である。第１接続機構は、これらの補強する金属成形体を形成する。その際、第１接続機構のダイカスト成形部が、ねじの通過のために滑らかな内面を有することが好ましい。その際、ダイカスト成形部は、ねじが第１ダイカスト成形部の第１平坦面上に位置し、第２面が冷却構造部材上に位置するか、または冷却構造部材からわずかに離れて位置するように、筐体内に配置される。

第２接続機構は、モジュール内結合要素と外部電源線との電気的接続を担う。好ましくは、平坦であり、ストリップ状であり、プレス法（Stanz-Beigetechnik, punched bending technology；パンチ曲げ技術）で製造された金属成形体として形成される電気結合要素が、基板キャリア上の回路構成から第２接続機構まで延びる。

ここで、第２接続機構のダイカスト成形部は、パワー半導体モジュールのカバー内に配置され、雌ねじを有することが好ましい。これにより、従来技術によるパワー半導体モジュールの筐体のこの目的で設計された凹部内に配置されるナットを同じ機能で置き代えることが可能である。それぞれ１つの第２接続機構に対応する負荷結合要素は、貫通する好ましくは長円形の開口を有する負荷結合要素の区域が、雌ねじで第２接続機構のダイカスト成形部に位置合わせするように、パワー半導体モジュール内に配置される。したがって、パワー半導体モジュールの使用時に、負荷結合要素から外部電源線へのねじ接続を容易に製造することができる。

本発明による第１および／または第２ダイカスト成形部は、射出成形法で筐体と接続される。これに関して、各ダイカスト成形部が、その外側円筒部に突起を有すると有利である。これにより、筐体のプラスチックとの接続が改善される。さらに、第１ダイカスト成形部に関しては、これらの突起が、ダイカスト成形部の垂直軸に関して回転対称に形成されることが好ましい。第２ダイカスト成形部に関しては、これらの突起は、筐体内での回転を回避するために鼻状に形成されると有利である。

さらに、基板キャリアが、その機能を基板自体によって代用されることが特に好ましいことがある。その際、基板は、パワー半導体モジュールを画定し、基板自体がリベット接続のための所要の開口を有する。

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と図２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を３次元で示す。ここで、パワー半導体モジュール１は、基体１１０とカバー１０２とを有する、１５０℃を超える温度まで安定なプラスチックからなる二部片プラスチック筐体１０からなり、基体１００とカバー１０２とは、スナップフィット接続によって互いに対して配置され、互いに接続されると有利である。基体１００は、冷却構造部材（図示せず）とのねじ接続のための２つの開口１６を有する。これらの開口１６は、ダイカスト成形部７０として形成された第１接続機構を有し、これらは、射出成形法で筐体１０の基体１００と接続される。これらのダイカスト成形部７０は、アルミニウムまたは亜鉛ダイカストからなり、金属中に鉛含有分を含まない。

さらに、パワー半導体モジュール１の負荷結合要素６０および補助結合要素６２が図示されている。ここで、補助結合要素６２は、プラグ接続によって形成され、一方、負荷結合要素６０は、ねじ接続によって形成される。負荷結合要素６０は、パワー半導体モジュール１の内部にあるパワー電子回路構成を第２接続機構７２と接続させる。これに関して、負荷結合要素６０は、平坦な金属成形体として形成され、ねじの通過のために、したがって第２接続機構７２による外部電源線と負荷結合要素６０とのねじ接続のために、対応する接続機構７２の区域６００内に長円形の貫通する開口６０２を有する。ここで、接続機構７２は、その内側円筒部７２０に雌ねじを有するダイカスト成形部として形成され、射出成形法でパワー半導体モジュール１の筐体１０のカバー１０２と接続される。

図２は、図１によるパワー半導体モジュール１の一部分の長手方向断面図である。ここでは、パワー半導体モジュール１の筐体１０と、筐体１０によって取り囲まれ、リベット接続２０、４２によって接続された基板キャリア４０とが示される。基板キャリア４０は、その第１内側主面４４に、電気的に絶縁されて配置されて、パワー電子回路構成５０を有する。パワー電子回路構成５０から、補助および負荷結合要素６０（図示せず）が延出し、パワー半導体モジュール１の平行な表面まで延びる。基板キャリア４０の外側主面４６は、冷却構造部材との接触面を成す。

本質的に中空円筒形状に形成された第１接続機構７０は、筐体１０の基体１００内に射出成形される。この基体１００との耐久性のある接続のために、ダイカスト成形部７０は、その外側円筒部７０２に突起７０４を有し、突起７０４は、ダイカスト成形部７０の垂直軸に関して回転対称に形成される。第１接続機構のダイカスト成形部７０は、その内側円筒部７００に、滑らかな表面を有する。

同様に本質的に中空円筒形状に形成された第２接続機構７２は、筐体１０のカバー１０２内に射出成形される。このカバー１０２との耐久性のある接続のために、ダイカスト成形部７２は、その外側円筒部７２２に突起７２４を有し、突起７２４は、好ましくはダイカスト成形部７２の垂直軸の周りに鼻部として配置されて形成される。第２接続機構のダイカスト成形部７２は、その内側円筒部７２０に、雌ねじを有する。

さらに、負荷結合要素６０が図示され、負荷結合要素６０は、第２接続機構７２に隣接する区域６００に、貫通する好ましくは長円形の開口６０２を有し、この開口６０２は、第２接続機構の対応するダイカスト成形部７２の内側円筒部７２０と位置合わせして配置され、それにより、外部電源線と接続機構およびそれらの間に配置された電源線の接触要素とのねじ接続が達成される。

本発明によるパワー半導体モジュールを３次元で示す図である。 図１によるパワー半導体モジュールの一部分の長手方向断面図である。

符号の説明

１ パワー半導体モジュール
１０ 筐体
１６ 開口
２０ リベット接続
４０ 基板キャリア
４２ 開口、リベット接続
４４ 内側主面
４６ 外側主面
５０ パワー電子回路構成
６０ 負荷結合要素
６２ 補助結合要素
７０ ダイカスト成形部
７２ ダイカスト成形部
１００ 基体
１０２ カバー
６００ 区域
６０２ 開口
７０４ 突起
７２０ 内側円筒部
７２４ 突起

Claims (7)

1. 外部冷却構造部材に対する配置のための第１接続機構（７０）を有するプラスチック製の筐体（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パワー電子回路構成（５０）、および外部電源線との接続のための第２接続機構（７２）に向かって前記パワー電子回路構成（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、
   前記基板キャリア（４０）は、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、リベット接続（２０，４２）によって前記筐体（１０）に接続され、
   前記第１接続機構（７０）が、本質的に中空円筒形状の金属ダイカスト成形部として形成されており、当該金属ダイカスト成形部が、射出成形法で前記筐体（１０）と接続されている、パワー半導体モジュール（１）。
2. 少なくとも１つの結合要素（６０）が、プレス法で形成された金属成形体である、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記ダイカスト成形部（７０）が、アルミニウムまたは亜鉛ダイカストからなる、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記ダイカスト成形部（７０）が、その外側円筒部（７０２）に突起（７０４）を有し、当該突起（７０４）が、前記筐体（１０）のプラスチックとの射出成形法による接続に適している、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
5. 前記突起（７０４）が、前記ダイカスト成形部（７０）の外側円筒部（７００）の垂直軸に関して回転対称に形成されている、請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記突起が、前記ダイカスト成形部の外側円筒部の垂直軸の周りで個々の鼻部として形成されている、請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記第１接続機構のダイカスト成形部（７０）が、その内側円筒部（７００）に、平坦な表面を有する、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。

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