JP6424114B2 - 接続要素を溶接によってパワー半導体モジュールの基板に接続する装置及びそれに関連する方法 - Google Patents

接続要素を溶接によってパワー半導体モジュールの基板に接続する装置及びそれに関連する方法 Download PDF

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Description

本発明は、複数の接続要素を溶接によって基板、特に基板の導体トラック、特にパワー半導体モジュールの基板に接続する装置と、またこの種の装置を用いてパワー半導体モジュールを製造する方法を記載している。ここと、以下に続く説明において、「溶接による接続」という言葉、略して溶接接続は、任意のタイプの溶接接続、特に超音波溶接接続と関連するタイプの接続を意味すると解されることを意図している。しかし、細線又は太線ワイヤボンディング接続などの当技術分野で慣用されているワイヤボンディング接続は明示的に意図していない。
先行技術、例として特許文献１には以下のことが開示されている。少なくとも１つのパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールであって、パワー半導体素子は、基板上に直接配置され、その基板は絶縁材料体と、上面に配置された金属層とを有する。その金属層はパワー半導体素子に面し、絶縁材料体に固定して接続されている。パワー半導体モジュールの少なくとも１つの接続要素が溶接により、金属層に接続されている。
複数の接続要素を溶接によって基板の導体トラックに接続する装置の技術的に慣用である改良は、基板がその上に位置するベースプレートの形態であるか、あるいは基板のみの形態である下部要素の配置のための金属製の支台を有する。また、その改良は、支台の上にある下部要素を固定するように設計された保持装置を有し、ソノトロードも有する。その上、基板と関連して接続要素を位置決めする位置決め装置が設けられる。
ＤＥ １０１ ０３ ０８４ Ａ１
基本的な問題は、当技術分野で慣例である装置によって溶接接続が提供される際、金属層（それは、当技術分野で慣例である方法で導体トラックを形成する）と絶縁材料体の間の接続は、事前に損傷したり、ソノトロードにより接続要素へのエネルギー導入により損傷したりする。その過程で、パワー半導体モジュールが使用される際、絶縁材料体と導体トラック間のこの接続は、少なくとも局所的に分離する可能性がある。その結果、少なくとも、パワー半導体の耐久性が制限される可能性がある。
上記複数の条件の背景に対し、本発明は、複数の接続要素を溶接により基板に接続するための改良された装置を提示することと、またこの種の装置を用いてパワー半導体モジュールを製造する方法を提示するという目的に基づく。
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する装置によって達成され、また請求項１０の特徴を有するパワー半導体モジュールによってもまた達成される。複数の好ましい実施形態は、それぞれ従属請求項に記載されている。
接続要素（特にパワー半導体モジュールの接続要素）を、基板の導体トラック（特にパワー半導体モジュールの導体トラック）に溶接によって接続するための本発明に係る装置は、
基板の形態、あるいは基板がその上に配置されるベースプレートの形態である下部要素を配置するための支台と、
前記支台に前記下部要素を固定するように設計された保持装置と、
ソノトロードと、
前記接続要素の接触端が、前記基板の前記導体トラックにある接点の上に載り、前記ソノトロードを用いて前記接点に接続するように、前記接続要素を前記基板に関して位置決めするための位置決め装置とを有し、
前記支台は、第１及び第２の部分支台を有し、前記第１の部分支台は、弾性率が５０〜３００ｋＮ／ｍｍ２の金属成形体であり、前記第２の部分支台は、弾性率が１０〜５００Ｎ／ｍｍ ２ の弾性成形体であり、前記下部要素は、前記第２の部分支台、特にもっぱら前記第２の部分支台の上にある。
第２の部分支台の弾性率が、２５〜１００Ｎ／ｍｍ２の間にあるときに特に好ましい。
第１及び第２の部分支台が、互いに機械的に接続されているときに更に好ましく、ねじ接続によるのが好ましい。
この場合、第２の部分支台は、０．２ｃｍの最小肉厚を有することができ、好ましくは１ｃｍである。
保持装置は機械的クランプ装置の形態であって、代替として、あるいは加えて、空気圧吸気装置の形態であるときに特に有利である。
同様に、接点は、少なくとも２ｍｍ２、好ましくは５ｍｍ２の表面積を有することが好ましいであろう。
第２の部分支台が、ショアＡ６０〜ショアＤ８０の硬度を有することが特に好ましく、ショアＡ８０〜ショアＡ９５を有することが好ましい。
第２の部分支台は、有利には、プラスチック、好ましくはポリウレタン、好ましくはポリウレタン系エラストマー、好ましくはポリエーテル系ポリウレタンエラストマーからなる。
基板の形態、あるいは基板がその上に配置されるベースプレートの形態である下部要素と、電気接続のための、特に銅又は銅合金からなる接続要素とを有するパワー半導体モジュールを製造する発明に係る方法において、接続要素は接触端を有し、接触端は、基板の特に銅又は銅合金からなる導体トラックの関連する接点に溶接によって接続される。
「接続要素」という言葉はまた、複数の接続要素や、異なる機能性を有する複数の連結要素、例えば内部・外部の定格負荷、あるいは複数の予備的連結要素などを意味すると解されることは言うまでもない。
下部要素が、長手方向に少なくとも第１のプリベント部分（ｐｒｅ−ｂｅｎｔ ｐｏｒｔｉｏｎ）を有するとき、それが好ましい場合がある。同時に、あるいは代替手段として、下部要素が、横断方向に少なくとも第２のプリベント部分を有することが好ましい場合がある。
本発明の様々な改良、すなわちその装置、製造方法、及び該装置と製造方法を用いて製造されたパワー半導体モジュールは、複数の改善を成し遂げるため、単独に、あるいは任意の組み合わせで達成されることは言うまでもない。特に、上記した特徴と、ここで説明した特徴と、又は続く本明細書における特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、示された組み合わせだけでなく、他の組み合わせやそれら自身で用いることができる。
本発明の更なる説明、有利な詳細及び特徴は、本発明に係る装置、本発明にしたがって製造されたパワー半導体モジュール、そして装置及びパワー半導体モジュールの各部分の以下に続く複数の例示的な実施形態の説明によって得られ、図１〜４に模式的に示される。
図１は、パワー半導体モジュールの配置された基板を有する、本発明に係る装置の第１の改良を示している。 図２は、パワー半導体モジュールの基板が上に置かれたベースプレートを有する、本発明に係る装置の第２の改良を示している。 図３は、本発明により製造される第１のパワー半導体モジュールの基板が上に置かれたベースプレートの平面図と、その断面図を示す。 図４は、本発明により製造される第２のパワー半導体モジュールの基板が上に置かれたベースプレートの平面図と、その断面図を示す。
図１は、パワー半導体モジュールの配置された基板６０を有する本発明による装置１の第１の改良を示している。該図は、支台２が第１及び第２の部分支台２０、２２を備えることを示している。第１の部分支台２０は、溶接接続、特に超音波溶接接続の技術分野で慣用である支台に、好ましくは、その基本的な設計で対応している。この第１の部分支台２０は、ここでは金属の成形体で構成され、特に鋼製である。
第２の部分支台２２は、慣用技術であるねじ結合によって圧力嵌め方式で、この第１の部分支台２０に接続されている。この第２の部分支台２２は、第１の部分支台２０から反対の表面において、溶接接合によって結合される物体、ここではパワー半導体モジュールの下部要素６の座面を形成している。
該図はまた、この溶接される物体又はその部分を固定するための複数の保持装置３を示している。該図は、２つの、ここでは相互作用する複数の保持装置３（クランプ装置３０と、また空気圧吸気装置３２）を示し、これらは第２の部分支台２２の表面にある物体を圧力嵌め方式で保持するために共に役立つ。
その物体、すなわち下部要素６それ自身が、十分な機械的安定性を有さないとき、２つの保持装置３の一方によってのみ固定されるために、これら２つの改良は特に有利である。
第２に、その２つの保持装置３０、３２は、任意の望ましい物体について言えば、機能性に関して相互に補完する。
第２の部分支台２２の表面に配置された物体は、パワー半導体モジュールの、ここでは慣用技術である基板６０である。ここでは、この基板６０は、一般的な性質を制限することなく、絶縁材料体６４（金属、好ましくは銅を含む、例えば工業用セラミック）と、両主表面に配置された積層６２、６６を含む。これらの銅積層６２、６６は、特に支台２から反対の基板６０の表面にパワー半導体モジュールの導体トラック６２を形成する。
複数のパワー半導体素子７０は、当技術分野で通例であるように、これら導体トラック６２上に配置され、電気伝導的に接続されている。図示していないが、更なる接続により、これらパワー半導体素子７０が、基板６０の更なる複数の導体トラック６２につながる。
ここで、これら導体トラック６２の一つとパワー半導体モジュールの接続要素８０の間に、溶接接続が形成されるべきである。ここで、該接続要素は、一般的な性質を制限することなく、パワー半導体モジュールの外部接続用の負荷接続要素である。この負荷接続要素８０は、基板６０の導体トラック６２の関連する接点６２０に接続するよう意図された接触端８２を有する。
接触端８２を含む負荷接続要素８０は、金属成形体として設計されており、好ましくは
金属表面コーティングを有する銅からなる。その金属表面コーティングは、慣用技術であって、具体的に銀又はニッケルからなり、必ずしも表面全部を覆っていない。
この負荷接続要素８０と、特に導体トラック６２の接点６２０に関連する接触端８２とを位置決めするため、装置１は、２つの部分４０、４２を含む位置決め装置４を有する。この位置決め装置４は、接触端８２を接点６２０に、あるいは該接点から最小距離に直接位置決めする。
装置１は、負荷接続要素８０の接触端８２に溶接エネルギーを導入するための、ソノトロード５（ｓｏｎｏｔｒｏｄｅ）を更に有する。この目的のために、ソノトロード５は、矢印で示す方向に、導体トラック６２の反対にある接触端８２の面に適用され、次いで、慣用技術である超音波溶接方式にしたがって移動される。ここで、２０ｋＨｚから４０ｋＨｚの間の範囲にある周波数が、典型的であるが必須ではなく、使用される。
図２は、接続される物体、ここではパワー半導体モジュールの下部要素６を有する、本発明による装置１の第２の改良を示し、その下部要素は、ベースプレート６８の形態であり、その上に基板６０が配置されている。このベースプレート６８は、パワー半導体モジュールにとって慣用技術であるベースプレートの設計に示されるように、銅製の直方体の形態に設計されている。このベースプレート６８は、装置１のこの改良において、機械的安定度を有し、空気圧吸気装置の形態としての保持装置３を不要とする。したがって、保持装置３は、ここではクランプ装置３０の形態のみであり、一般的な性質を制限することなく、該クランプ装置は、ここでは、基板６０ではなく銅製の直方体６８に直接力を及ぼす。
接続される物体は、図１によるものと同じであるが、ここで、銅製の直方体６８、すなわち基板６０の真下にあるベースプレートは別である。したがって、物体はベースプレートを有するパワー半導体モジュールの一部である。
図１と同様に、図１と一致して設計される接続要素８０は、関連する位置決め装置４とソノトロード５の要領で、基板に接続される。
支台２は、図１と一致して同様に形成されるが、しかし上記したように、ここでは空気圧式の保持装置３２を有しない。
第２の部分支台２２は、両方の改良において弾性係数が１０〜５００Ｎ／ｍｍ２の間にある弾性成形体の形態であるので、下部要素６、すなわち基板６０、あるいは基板６０が配置されたベースプレート６８のいずれかが、溶接工程中に著しく減衰振動する。その結果、溶接工程それ自体はより緩やかであり、幾つかの力のピークは同様に、実際の溶接接続において減衰効果を有する。これは第一に接続の品質を向上し、同時に接続される物体への事前の損傷を防ぐ。
この種の保護的な溶接接続は、金属、好ましくは銅を含む工業用セラミック６４と、その両主面に配置され、基板の少なくとも一方の面に導体トラック６２を形成する積層６２、６６とを備えるパワー半導体モジュールの基板６０の場合に特に有利である。これら銅積層６２、６６は、当該技術で慣用的な方法、とりわけ直接接合方法により絶縁材料体６４に接続される。その点で、絶縁材料体６４上のそれら金属積層６２、６６の接着力は制限され、慣用技術である溶接工程により、万一力の過度に高い作用がある場合には、局所的に無力となってしまう。このように製造されるパワー半導体モジュールの常設稼働中、これは早期の故障、すなわち耐用年数の低下につながる。本発明による装置１は、溶接工程中の導体トラック６２と絶縁材料体６４との接続における、この過負荷を防ぐ。
図１及び２に示された２つの装置１の特定の場合において、第２の部分支台２２は、ポリエーテル系ポリウレタンエラストマーからなる直方体の成形体である。第２の部分支台２２は、厚さが２±０．２ｃｍであり、ショアＡ硬度が８０±５であり、弾性率が７０±１０Ｎ／ｍｍ２である。
図３は、２つの基板６０が本発明にしたがって製造された第１のパワー半導体モジュールの上に位置している、ベースプレート６８の平面及び断面を示す。この場合、ベースプレート６８は、その複数の隅のそれぞれに、ヒートシンクを取り付けるための凹部６８０を有する。動作中に熱的に生じる応力を補償するために、このベースプレート６８は、長手方向に、ヒートシンクに向けた湾曲が、ベースプレートの中心に形成されるような第１のプリベント部分６８２を有する。この種の湾曲は、凸状で、ここでは両方向矢印にそって形成されることを意図しており、最大曲率は、両方向矢印に関して中央にある。
図４は、３つの基板６０が本発明にしたがって製造された第２のパワー半導体モジュールの上に位置している、ベースプレート６８の平面及び断面を示す。この場合、ベースプレート６８は、その長手方向の両側のそれぞれにヒートシンクを取り付けるための３つの凹部６８０を有する。動作中に熱により引き起こされる応力を補償するために、このベースプレートは、長手方向に、２つの凸状である第１のプリベント部分６８２と、それらに対し垂直で横断方向の２つの凸状である第２のプリベント部分６８４とを有する。
図３及び４に示されたパワー半導体モジュールは、図示しない方法で、更に外部電気接続用の複数の負荷接続要素を有し、ぞれぞれの負荷接続要素は、溶接によって基板６０の導体トラックの関連する接点に接続する接触端を有する。各負荷接続要素は、複数のパワー半導体モジュールのベースプレートと同様に、銅で構成される。
１ 装置
２ 支台
３ 保持装置
４ 位置決め装置
５ ソノトロード
６ 下部要素
２０ 第１の部分支台
２２ 第２の部分支台
３０ 保持装置（クランプ装置）
３２ 保持装置（空気圧吸気装置）
４０、４２ ２つの部分
６０ 基板
６２ 積層（導体トラック）
６４ 絶縁材料体（工業用セラミック）
６６ （金属）積層
６８ ベースプレート（直方体）
７０ パワー半導体素子
８０ （負荷）接続要素
８２ 接触端
６２０ 接点
６８０ 凹部
６８２ 第１のプリベント部分
６８４ 第２のプリベント部分

Claims (14)

  1. 接続要素（８０）を基板（６０）の導体トラック（６２）に溶接によって接続するための装置（１）であって、
    基板（６０）の形態、あるいは基板（６０）がその上に配置されるベースプレート（６８）の形態である下部要素（６）を配置するための支台（２）と、
    前記支台（２）に前記下部要素（６）を固定するように設計された保持装置（３）と、
    ソノトロード（５）と、
    前記接続要素（８０）の接触端（８２）が、前記基板（６０）の導体トラック（６２）にある接点（６２０）の上に載り、前記ソノトロード（５）を用いて前記接点に接続するように、前記接続要素（８０）を前記基板（６０）に関して位置決めするための位置決め装置（４）とを有し、
    前記支台（２）は、第１及び第２の部分支台（２０、２２）を有し、
    前記第１の部分支台（２０）は、弾性率が５０〜３００ｋＮ／ｍｍ２の金属成形体であり、前記第２の部分支台（２２）は、弾性率が１０〜５００Ｎ／ｍｍ ２ の弾性成形体であり、
    前記下部要素（６）は、前記第２の部分支台（２２）の上にあることを特徴とする装置。
  2. 前記下部要素（６）は、もっぱら前記第２の部分支台（２２）の上にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記第２の部分支台（２２）の弾性率が、２５〜１００Ｎ／ｍｍ２の間にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
  4. 前記第１及び第２の部分支台（２０、２２）が互いに機械的に接続され、好ましくは、ねじ接続であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記第２の部分支台は、０．２ｃｍの最小肉厚を有し、好ましくは１ｃｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記保持装置（３）は機械的クランプ装置の形態であって、代替として、又は加えて、空気圧吸気装置の形態であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記接点（６２０）は少なくとも２ｍｍ２、好ましくは５ｍｍ２の表面積を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記第２の部分支台（２２）が、ショアＡ６０〜ショアＤ８０の硬度を有し、好ましくはショアＡ８０〜ショアＡ９５を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記第２の部分支台（２２）は、プラスチック、好ましくはポリウレタン、好ましくはポリウレタン系エラストマー、好ましくはポリエーテル系ポリウレタンエラストマーからなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 基板（６０）の形態、あるいは基板（６０）がその上に配置されるベースプレート（６８）の形態である下部要素（６）と、電気接続のための接続要素（８０）とを有するパワー半導体モジュールを製造する方法において、前記接続要素（８０）は接触端（８２）を有し、前記接触端（８２）は、前記基板（６０）の導体トラック（６２）の関連する接点（６２０）に、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置によって溶接されて接続されることを特徴とする方法。
  11. 前記接続要素（８０）は、銅又は銅合金からなることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 前記導体トラック（６２）は、銅又は銅合金からなることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
  13. 前記下部要素（６）は、長手方向に少なくとも第１のプリベント部分（６８２）を有することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記下部要素（６）は、横断方向に少なくとも第２のプリベント部分（６８４）を有することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
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