JP5736130B2 - パワー半導体素子を持つサンドイッチ構造を有するパワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明には、外部リード線に接続された少なくとも一つの第１の負荷端子体と一つの第２の負荷端子体とを有するパワー半導体モジュールが記載される。少なくとも二つのこれらの負荷端子体の間には、第１の金属成形体、パワー半導体素子および第２の金属成形体を有するサンドイッチ構造が、好適には加圧接触方式により配置されている。サンドイッチ構造のこれらの構成部品は、材料同士の融着により粘着的に導電接続されている。

従来の技術水準を成すものは、一方では、サンドイッチ構造の各コンポーネントが摩擦力を利用することによっても互いに接続されている、加圧接触方式のパワー半導体モジュールである。その具体例の一つとして、特許文献１には簡単な、またそれ故に基本ともなる構成形態が開示されている。そこでは二本の金属レールにより両方の負荷端子体が形成され、その間に半導体素子が配置されている。ほかにもこのパワー半導体モジュールは、これらの負荷端子体とそれぞれのパワー半導体素子との間に、摩擦力を利用した係合による導電接続部を形成する加圧装置を、半導体素子ごとに一つずつ有している。

これについてはほかにも、それぞれのパワー半導体素子を負荷端子体に直接接続しないことが知られている。たいていはシリコン製であるパワー半導体素子と、たいていは銅製である負荷端子体とでは、膨張率が異なるために、熱負荷が生じるとパワー半導体素子に損傷を来たしてしまう。これを阻止するために、従来技術にしたがった方法では、負荷端子体とパワー半導体素子との間に、少なくともさらにもう一つの、負荷端子体とパワー半導体素子の膨張率の間に位置する膨張率を有している、多くの場合は円筒形状である金属体が配置されるようになっている。

特許文献２からは、パワー半導体素子と二つの金属成形体を互いに対して心出しして配置するために利用される、同時に組付けユニットを形成している、センタリング装置が知られている。そのためにこの二分割式のフレーム状のセンタリング装置は、第１の金属成形体、パワー半導体素子、および第２の金属成形体から成るサンドイッチ構造がばらばらになることを阻止する複数の保持突起を有している。センタリング装置が無圧状態で配置されるようにするために、負荷端子体はこれらの保持突起を受け入れる凹所を有している。パワー半導体素子自体は、センタリング装置の溝の中に配置されている。これらの要素はみな、センタリング装置により互いに対して固定されずに遊離した状態で配置され、互いに対して横方向にも、またそれとは垂直な方向にも、ある程度の可動性を示すようになっている。

それ以外にもかねてより、特許文献３に具体例が示されるように、そのようなサンドイッチ構造の個々のコンポーネントを材料同士の融着により互いに粘着接合することが知られている。これについては高温圧接部が、非常に長持ちする丈夫な接合部として定評を博している。

パワー半導体モジュールの上述の公知の構成形態では、多くの場合は、パワー半導体素子の第１の主面から第２の主面に電流を流すために、断面範囲全体が使用に供される一方で、出力損失を熱の形で排出するために提供されている断面積は、ごく僅かに限られている点が短所となっている。すなわち負荷端子体の断面積は、電流を通すように構成されたパワー半導体素子の面積よりも小さくなっており、このため、パワー半導体素子の最大性能を連続動作時にも利用できるようにするためには、パワー半導体素子からの放熱が不十分なものとなっている。

先行公開されていない特許文献４には、特殊なパワー半導体モジュールが開示されており、そこでは基板に接続された少なくとも一つの半導体素子が、ポリマー材料製のケースにより取り囲まれているが、このポリマー材料は、セラミックス前駆体ポリマーから成る熱硬化性マトリックスを有している。そのようなポリマー材料の機械特性には、主に選択される充填剤の種類と量を通じて影響を与えることが可能であり、それによりゲル状または熱硬化性の構成形態を実現している。このポリマー材料が特に優先される理由は、その優れた伝熱性とあわせ、これが、言うまでもなく電気絶縁ポリマー材料である点にある。

ドイツ特許出願公開第１００２２３４１号明細書 ドイツ特許出願公開第１００６５４９５号明細書 ドイツ特許発明第３４１４０６５号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２００９０００８８５号明細書

本発明の課題は、内部構造を改良することにより、パワー半導体素子からの放熱性を向上したパワー半導体モジュールを提示することにある。

この課題は、本発明により、請求項１の各特徴を有する目的物により解決される。好ましい構成形態は、従属請求項に記載される。
本発明の出発点となるものは、上記で説明した種類の、少なくとも一つの第１の負荷端子体と一つの第２の負荷端子体とを有するパワー半導体モジュールである。第１および第２の負荷端子体の間には、第１の金属成形体、パワー半導体素子、および第２の金属成形体から成る配列を有する少なくとも一つのサンドイッチ構造が配置されている。

その際にこのサンドイッチ構造の各コンポーネントは、材料同士の融着により互いに粘着接合されており、またパワー半導体素子の周縁領域は、優れた伝熱性を示す電気絶縁ポリマー材料により取り囲まれている。この周縁領域は、好適にも、パワー半導体素子の主面にそれぞれ属する第１および第２の縁部と、その間に構成されるパワー半導体素子の円筒外面領域とから成るが、その際にこの円筒外面領域はくまなく、メサ型素子で知られるような構造を有しているとよい。

本発明にしたがった方法では、このポリマー材料が、パワー半導体素子から熱を効果的に排出できるようにするために、第１または第２の金属成形体の内の少なくともいずれか一方、好適には両方に、熱伝導が行われるように接触されている。さらにその際にポリマー材料がパワー半導体モジュールのケースと熱接触している場合は、それにより排熱を再度大幅に改善することができるために、好適であるかもしれない。サンドイッチ構造をケースに対して容易に配置できるようにするためには、ケースが部分的に漏斗形状をしたリセスを有しており、サンドイッチ構造がこのリセスの内部に配置されることが好ましい。

それ以外にも、ポリマー材料がセラミックス前駆体ポリマーであると有利であるが、このセラミックス前駆体ポリマーとは、たとえば温度の上昇に伴い、一旦ゲル状態に移行した後、続いて熱硬化性を示す状態に移行するポリマーのことであると解釈されるべきものである。熱硬化性を示す状態にあるときに、セラミックス前駆体ポリマーは最大３００℃までの耐熱性を示す。温度をそれよりもさらに上昇させると、セラミックス前駆体ポリマーからセラミックス材料を製造することができる。このセラミックス前駆体ポリマーに数えられるのは、たとえばポリシラン（polysilanes）、ポリカルボシラン（polycarbosilanes）、およびポリオルガノシラザン（polyorganosilazanes）である。

それに加えてさらに、このゲル状、または熱硬化性を示す状態を構成するために、セラミックス前駆体ポリマーには、充填剤が最大８０体積％の充填率で充填されている。好ましい充填剤として判明しているのは、平均粒子サイズが０．５μｍから５０μｍまでの範囲内にあるセラミックス材料から成る粉末であるが、その際にこのセラミックス材料は、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ステアタイト、コーディエライトから成る群の中から選択されている。そのような構成方式により、セラミックス材料の熱伝導率γは室温で１０Ｗ／ｍＫを上回り、必要な場合は２０Ｗ／ｍＫを上回る熱伝導率も達成することができる。

本発明にしたがったパワー半導体モジュールの非常に好ましい展開構成例は、以下の実施例の説明にそれぞれ記載される。それに加えて、本発明の課題を解決するための手段が、図１から３の実施例に基づきさらに詳しく説明される。

本発明にしたがった第１のパワー半導体モジュールの構成を示す三次元図ならびに横断面図である。 本発明にしたがった第２のパワー半導体モジュールの切片を示す図である。

図１には、本発明にしたがったパワー半導体モジュール１が三次元図ならびに横断面図で示されている。このパワー半導体モジュール１は、第１の負荷端子体１０および第２の負荷端子体２０、ならびに第１の接続装置１００および第２の接続装置２００を有しており、第１および第２の接続装置１００、２００の間には、パワー半導体素子４４、ここではサイリスタを一つずつ有する二つのサンドイッチ構造４０が配置されて逆並列接続されている。両サンドイッチ構造の電気接触７０は、両方の負荷端子体１０；２０間の加圧接触により、摩擦力を利用して行われるようになっている。そのためにパワー半導体モジュール１は、それぞれに複数の皿ばねが備えられたねじ締結部１４を、サンドイッチ構造ごとに四箇所ずつ有している。それ以外にもここでは負荷端子体１０；２０が両方とも、それぞれに対して配置される冷却装置１２；２２と一体式に接続されている。パワー半導体モジュール１は、封止のために、電気絶縁材料、好ましくは同じくポリシロキサンから成る、さらにもう一つの、負荷端子体１０，２０と協力して側部をぐるりと取り囲んで封止するシール装置６０を有している。

それぞれのサンドイッチ構造４０は、第１の金属成形体４２、それぞれのサイリスタ４４、および第２の金属成形体４６から成る積層体により構成されるが、そこではこれらのコンポーネントが、たとえば高温圧接法により材料同士を融着させて互いに粘着接合されている。ほかにもさらに第１の接続装置１００も、また第１の金属成形体４２も、サイリスタ４４のゲート電極面と位置がぴたりと重なり合う切欠きを一つずつ有している。この切欠き３０の内部には接点装置７０が配置されている。この接点装置７０は、そのストップ縁により接続装置１００の表面上に載置されている。

それぞれのサンドイッチ構造４０のパワー半導体素子４４は、本発明にしたがってその周縁領域を優れた伝熱性を示す電気絶縁ポリマー材料により取り囲まれており、それによりパワー半導体素子４４の主面４４６、４４８にそれぞれ属する第１の縁部４４０および第２の縁部４４２、ならびにその間に構成された円筒外面４４４は、このポリマー材料８０により覆い隠されている。

それ以外にも、パワー半導体素子４４から第１の金属成形体４２および第２の金属成形体４６への放熱を向上するために、このポリマー材料が、両方の金属成形体４２、４６に、熱伝導が行われるように接触されていることが明らかである。

この放熱は、ポリマー材料８０がほかにも少なくとも一方の負荷接続要素１００、２００、または少なくとも一方の負荷端子体２０に、少なくとも僅かだけ接触されることにより、さらに向上される。そのためにこの負荷端子体は、輪郭形状が円筒側面状に限定された受入領域１８を有しているが、そこではこの円筒状の側面１８０が、負荷端子体自体の突起により形成されている。この受入領域１８の開口側で、円筒側面が内側に向かって漏斗形状に面取り１８２されることによって、この円筒側面１８０は、熱伝達だけでなく、サンドイッチ構造４０のセンタリングにも利用されるようになっている。

図２には、本発明にしたがった第２のパワー半導体モジュールの切片が示されるが、そこには、サンドイッチ構造４０以外には、優れた伝熱性を併せ持つことが好ましい電気絶縁材料から成るケースの一部だけしか示されていない。

サンドイッチ構造４０は、第１の金属成形体４２、パワー半導体素子４４、第２の金属成形体４６から成り、パワー半導体素子４４は、ここではトランジスタとして、またはダイオードとして構成されたものであるとよい。両方の金属成形体４２、４６は、この図には一般性に制約を加えることなく円形に描かれているパワー半導体素子４４のそれぞれの主面４４６、４４８に連続している。サンドイッチ構造４０の各コンポーネントを材料同士の融着により粘着接合するためには、高温圧接法が非常に適することが判明している。

パワー半導体素子のそれぞれの主面４４６、４４８上に備えられた、それぞれの成形体との導電接続のための接触面は、パワー半導体素子の周縁領域を介してのフラッシュオーバの可能性を排除するために、パワー半導体素子の縁部までは達していない。したがって、パワー半導体素子のそれぞれの主面上の外周縁領域４４０、４４２には、電気接触面が設けられてはおらず、外周縁領域４４０、４４２はポリマー材料により、パワー半導体素子４４の円筒外面領域４４４も同時に完全にくるみ込まれるように、取り囲まれている。

本発明においては、このポリマー材料８０が、少なくともいずれか一方の、ここでは好ましくは両方の成形体４２、４６に、ほかにも熱伝導が行われるように接触されている。これらの成形体４２、４６は、ここではパワー半導体素子４４の縁部を通り越えて側方へ、パワー半導体素子４４の外周縁領域４４０、４４２に直接接触することなく突出している。それにより形成される、サンドイッチ構造４０を取り囲んでいるこの開口部４８の内部には、ポリマー材料８０が開口部４８から突出するように配置されている。これは、それによってポリマー材料８０が、図２の左側の部分に示されるように、ほかにもさらにパワー半導体モジュール１のケース６２の一部にも熱伝導が行われるように接触できることになるために、好適である。図２の右側の部分には、ポリマー材料８０が開口部４８から突出していない代替構成例が示されている。

ここでもサンドイッチ構造４０の位置決めのために、ケース６２の一部が漏斗形状の受入部として構成されることにより、この受入部の周縁部に設けられた、漏斗を形成している面取り部６２０により、サンドイッチ構造４０をこの受入部の中に簡単に配置できるようにしている。

１ パワー半導体モジュール
１０ 負荷端子体
１２ 冷却装置
１４ ねじ締結部
１８ 受入領域
２０ 負荷端子体
２２ ねじ締結部
３０ 切欠き
４０ サンドイッチ構造
４２ 第１金属成形体
４４ パワー半導体素子／サイリスタ
４６ 第２金属成形体
４８ 開口部
６０ シール装置
６２ ケース
７０ 接点装置
８０ ポリマー材料
１００ 第１接続装置
１８０ 円筒側面
１８２ 面取り部
２００ 第２接続装置
４４０ 第１エッジ
４４２ 第２エッジ
４４４ 円筒外面領域
４４６ 主面
４４８ 主面
６２０ 面取り部

Claims (9)

1. 少なくとも一つの第１の負荷端子体（１０）および第２の負荷端子体（２０）と、これら負荷端子体（１０；２０）の間に配置され、第１の金属成形体（４２）、パワー半導体素子（４４）および第２の金属成形体（４６）を有する少なくとも一つのサンドイッチ構造（４０）とを有している、パワー半導体モジュール（１）であって、
   前記サンドイッチ構造（４０）の前記各コンポーネントが互いに粘着接合されており、また前記パワー半導体素子の周縁領域（４４０，４４２，４４４）が、高い伝熱性を示す電気絶縁ポリマー材料（８０）により取り囲まれており、さらに、
   このポリマー材料（８０）が、前記第１の金属成形体（４２）または第２の金属成形体（４６）の少なくともいずれか一方に、熱伝導が行われるように接触している、パワー半導体モジュール（１）において、
   このポリマー材料（８０）がセラミックス前駆体ポリマーであり、当該セラミックス前駆体ポリマーがゲル状または熱硬化性のプラスチック形態で存在していること
   を特徴とするパワー半導体モジュール（１）。
2. 前記周縁領域が、前記パワー半導体素子（４４）の主面（４４６，４４８）にそれぞれ属する第１の外周縁領域（４４０）および第２の外周縁領域（４４２）、ならびに前記第１および第２の外周縁領域（４４０，４４２）の間に位置する前記パワー半導体素子（４４）の円筒外面領域（４４４）から成る、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
3. 前記各負荷端子体（１０，２０）と前記サンドイッチ構造（４０）との導電接続部が、摩擦力を利用した係合により形成される、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
4. 前記ポリマー材料（８０）が前記パワー半導体モジュール（１）のケース（６２）と熱接触している、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
5. 前記パワー半導体モジュール（１）が受入部（１８）を有しており、前記サンドイッチ構造（４０）が前記受入部（１８）の内部に配置されている、請求項１または４に記載のパワー半導体モジュール（１）。
6. 前記セラミックス前駆体ポリマーが充填剤により最大８０体積％の充填率で充填されており、またこの充填剤が、平均粒子サイズ０．５μｍから５０μｍまでの範囲内にあるセラミックス材料から成る粉末である、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
7. 前記セラミックス材料の熱伝導率γが、室温で１０Ｗ／ｍＫを上回っている、好ましくは２０Ｗ／ｍＫを上回っている、請求項６に記載のパワー半導体モジュール（１）。
8. 前記セラミックス材料が、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ステアタイト、コーディエライトから成る群の中から選択される、請求項６又は７に記載のパワー半導体モジュール（１）。
9. 前記セラミックス前駆体ポリマーが、ポリシロキサン、ポリシラザン、ポリカルボシランから成る群の中から選択される、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。

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