JP7055151B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、独立請求項１の上位概念による半導体モジュールに関する。
従来技術からは、集積されたハーフブリッジ回路（Ｂ２）として成形ハウジング内において実施された半導体モジュールが公知であり、これらの半導体モジュールは、例えば、「リードレスチップスケールパッケージ」（ダイのオーダーサイズの端子レスハウジング）として構築されている。この構造形態は、例えば、パワーエレクトロニクスパルスインバーターモジュールをプリント回路基板上に構築するために定められている。成形ハウジングは、ハーフブリッジ回路がプリント回路基板にはんだ付けされている導電素子の露出面と面一に終端する。導電素子は、例えば、リードフレームとして実施することができる。この「端子レス」構造方式においては、ハーフブリッジ回路の導電素子は、成形ハウジングの外縁部を超えて延在することはない。ハーフブリッジ回路は、２つのトランジスタを含み、当該トランジスタは、それぞれハウジングの内部において２つの導電素子の間に配置され、当該導電素子と導電的に接続されている。ハーフブリッジ回路からの電流は、プリント回路基板上を流れ、そこでは、導電素子の露出面の直近において大きな電力損失密度が生じる。回路支持体に導入されたハーフブリッジ回路の相電流は、そこでタップを用いて相電流ワイヤに接続され、当該相電流ワイヤは、接続された電気機械のステータ巻線に移行する。
独国特許出願公開第１０２００９００６１５２号明細書
第１のローサイドトランジスタのドレイン端子と、第２のハイサイドトランジスタのソース端子との間の電流ブリッジは、従来技術から公知のハーフブリッジ回路において、ハイサイド導電素子を作成し、この導電素子は、一方では、ハイサイドトランジスタのソース電極にはんだ付けされ、他方では、実質的により小さな電流断面を有するはんだ付け箇所において、ローサイドトランジスタのドレイン電極にはんだ付けされている。熱的及び熱機械的観点で見れば、このはんだ接続は、又は、ボンディング接続でさえも、はんだ付け箇所の領域においては、高い局所的電流及び電力損失密度に基づき不安定であり、それは、はんだ付け箇所の破損又ははんだ付け箇所の亀裂及び成形部の層間剥離に起因する電流ブリッジの故障による重大な信頼性リスクをはらんでいる。
独国特許出願公開第１０２００９００６１５２号明細書（ＤＥ１０２００９００６１５２Ａ１）からは、システム支持体、第１の半導体チップ、第２の半導体チップ及び金属製クリップを含み、それらが成形ハウジングによって包囲されたエレクトロニクス構成素子が公知である。第１の半導体チップは、システム支持体上の第１の表面に被着されている。金属製クリップは、Ｓ字状に曲げられ、第１の半導体チップの第１の表面とは反対側の第２の表面を、第２の半導体チップの第１の表面に接続している。この場合、第２の半導体の第１の表面は、エレクトロニクス構成素子の他の平面に配置されている。第２の半導体チップの第２の表面は、第２の金属製クリップに接続され得る。これらの金属製クリップは、打ち抜き、圧印、プレス、切断、鋸引き、フライス加工によって製造することができる。
発明の開示
独立請求項１の特徴を有する半導体モジュールは、２つの半導体チップの間の電流ブリッジが、ハウジングの外部において閉成されているという利点を有する。これにより、導電素子のコンタクト始端における電流狭窄部と、それに伴う信頼性リスクとが、高電流密度と温度上昇とによって好適に排除され得る。本発明に係る半導体モジュールの実施形態は、ハーフブリッジ回路として好適に実施することができ、電気機械と共に直接「パワーパック」に組み立てられる電子回路支持体上の構造のために設けることができる。好適には、対応するハーフブリッジ回路の相電位タップは、半導体モジュールが配置されている回路支持体に相電流を流すことなく、電気機械のステータ巻線の相電流ワイヤに直接接続することができる。さらに、本発明に係る半導体モジュールの実施形態は、低いインダクタンスを有する電気的なブリッジパスを提供することができ、そのため、ハーフブリッジ回路は、好適には、高いＰＷＭ周波数（ＰＷＭ：パルス幅変調）と小型化された受動構成素子とを有するパルスインバータ回路に使用することができる。
さらに、ハウジングの外部に引き出された電流パスによって、好適には、半導体モジュールの内部における高い電力損失密度を伴う熱導入と、それに伴う、成形ハウジングの層間剥離、はんだ付け箇所の破損、ボンディングの亀裂などによる信頼性リスクとが取り除かれる。提案された半導体モジュールの実施形態は、内部に電流狭窄部を有することがなく、従って、少なくとも同等の信頼性及び寿命のもとで、比較可能な従来の構造形式のパワー半導体モジュールよりもはるかに高い電気的負荷及び熱的負荷をかけることができる。
ハーフブリッジの半導体の電極、端子及び寸法は、好適には、同等の大きさで実施することができ、そのため理論的には、所定の総チップ面積と最大許容温度のもとで最大電流負荷をかけることができる。さらに、相タップは、ハーフブリッジの電流パスの中央に配置することができる。ハーフブリッジの２つの半導体部品の電気層は、相互に合同で電気的に対称に構築することができる。
本発明の実施形態は、少なくとも２つの半導体部品を備えた半導体モジュールを提供しており、当該半導体部品は、それぞれハウジングの内部で２つの導電素子の間に配置され、当該導電素子と導電的に接続されている。ここでは、これらの導電素子が、それぞれハウジングから引き出されたコンタクト突起を有し、さらに、異なる平面内に配置された２つのコンタクト突起は、ハウジングの外部でコンタクト要素を介して相互に接続されており、当該コンタクト要素は、ハウジングの外部で２つのコンタクト突起の間に電流パスを形成する。
従属請求項に記載の手段及び発展形態により、独立請求項１に記載された半導体モジュールの好適な改善が可能である。
特に好適には、コンタクト要素は、例えば、はんだ付け、抵抗溶接又はレーザ溶接、圧接、圧着又は圧入接続を用いて、コンタクト突起に接続され得る。もちろん、コンタクト突起をコンタクト要素と電気的に接続させ、対応する電流パスを形成するために、他の適切な接続技術を使用することもできる。
半導体モジュールの好適な実施形態においては、少なくとも２つの半導体部品は、同等の所要面積を有し、電気機械用のハーフブリッジ回路を形成するパワー半導体部品として実施され得る。そのため、これらの半導体部品は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistors）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）などとして実施され得る。
半導体モジュールのさらに好適な実施形態においては、第１の半導体の第１の導電素子及び第２の半導体の第１の導電素子は、それぞれドレイン端子又はコレクタ端子として形成され、さらに第１の半導体の第２の導電素子及び第２の半導体の第２の導電素子は、それぞれソース端子又はエミッタ端子として形成され得る。さらに、２つのドレイン端子又はコレクタ端子は、平行でかつ面一の縁部を伴って共通の第１の平面内に配置され得る。２つのソース端子又はエミッタ端子は、平行でかつ面一の縁部を伴って共通の第２の平面内に配置され得る。従って、ハーフブリッジの２つの半導体部品の電気層は、好適には、同様に高い電流負荷容量と、ハウジング内で直線縁部を備えた平坦で同形状の輪郭とを有し、これらの輪郭は、層間剥離及び亀裂形成に関して従来の半導体モジュールパッケージよりも熱機械的負荷に対する耐性能力がある。
半導体モジュールのさらなる好適な構成においては、ハウジングの内部で、第１のドレイン端子又はコレクタ端子は、接触層を介して第１の半導体部品の対応するドレイン電極又はコレクタ電極に接続され、第１のソース端子又はエミッタ端子は、接触層を介して第１の半導体部品の対応するソース電極又はエミッタ電極に接続され、さらに第１のゲート端子又はベース端子は、接触層を介して第１の半導体部品の対応するゲート電極又はベース電極に接続され得る。さらに、ハウジングの内部で、第２のドレイン端子又はコレクタ端子は、接触層を介して第２の半導体部品の対応するドレイン電極又はコレクタ電極に接続され、第２のソース端子又はエミッタ端子は、接触層を介して第２の半導体部品の対応するソース電極又はエミッタ電極に接続され、さらに、第２のゲート端子又はベース端子は、接触層を介して第２の半導体部品の対応するゲート電極又はベース電極に接続され得る。好適には、２つの半導体部品のゲート端子又はベース端子のみがプリント回路基板に電気的に接触接続され得る。それにより、小電力の駆動制御信号のみがプリント回路基板を介して誘導される。大電力の電流は、ハウジングの外部に配置された電流パスを介して流れる。この電流パスは、プリント回路基板に接触しないコンタクト突起とコンタクト要素とによって形成される。
半導体モジュールのさらなる好適な構成においては、電気機械の相電流ワイヤの端部区間は、コンタクト要素を形成し得る。これにより、提案された半導体モジュールの相電位タップに直接接続されている相電流ワイヤの同一の端部区間は、第１の半導体と第２の半導体との間の電流ブリッジを閉成し得る。
半導体モジュールのさらなる好適な構成においては、ハウジングは、成形ハウジングとして実施され得る。さらに、２つの第１の導電素子の外側に面する露出面は、それぞれハウジングの下面と面一に終端し得る。さらに、２つの第２の導電素子の外側に面する露出面は、それぞれハウジングの上面と面一に終端し得る。これにより、ハウジングの下面は、好適には、容易にプリント回路基板又はヒートシンクに載置され得る。代替的に、ハウジングは、容易に自身の上面を介してプリント回路基板又はヒートシンクに載置され得る。さらに、ハウジングの下面をプリント回路基板に載置し、さらに付加的にハウジングの上面にヒートシンクを載置することが可能である。
本発明の実施例は、図面に示されており、以下の説明でより詳細に説明される。図面においては、同一の参照符号は、同等の又は類似の機能を実施するコンポーネント又は要素を示す。
スラグアップ構造形態における本発明に係る半導体モジュールの第１の実施例の概略的な側面図。 図１の本発明に係る半導体モジュールの実施例の概略的な斜視平面図。 ハウジングなしでの図１及び図２の本発明に係る半導体モジュールの実施例の概略的な斜視平面図。 第２の導電素子なしでの図３の本発明に係る半導体モジュールの実施例の概略的な斜視平面図。 図１乃至図４の本発明に係る半導体モジュールの第１の半導体の第１の導電素子と第２の半導体の第２の導電素子との間の電流パスの一実施例の概略的な斜視図。 図５の電流パスのさらなる実施例の概略図。 スラグダウン構造形態における本発明に係る半導体モジュールの第２の実施例の概略的な斜視平面図。 図７の本発明に係る半導体モジュールの第２の実施例の下方からの概略的な斜視図。
発明の実施形態
図１乃至図８から明らかなように、本発明に係る半導体モジュール１の図示の実施例は、それぞれ少なくとも２つの半導体部品１０，２０を備え、これらの半導体部品１０，２０は、それぞれハウジング３の内部で２つの導電素子１２，１４，２２，２４の間に配置され、当該導電素子１２，１４，２２，２４と導電的に接続されている。ここでは、これらの導電素子１２，１４，２２，２４は、それぞれハウジング３から引き出されたコンタクト突起１２．１，１４．１，２２．１，２４．１を有する。さらに、異なる平面内に配置された２つのコンタクト突起１２．１，２４．１は、ハウジング３の外部でコンタクト要素５を介して相互に接続されており、当該コンタクト要素５は、ハウジング３の外部で２つのコンタクト突起１２．１，２４．１の間に電流パスを形成する。
図１乃至図８からさらに明らかなように、コンタクト要素５は、２つのコンタクト突起１２．１，２４．１の間で実質的に垂直に延在している。コンタクト要素５は、例えば、はんだ付け、抵抗溶接又はレーザ溶接、圧接、圧着又は圧入接続を用いて、コンタクト突起１２．１，２４．１に接続されている。
図１乃至８からさらに明らかなように、半導体モジュール１の図示の実施例は、それぞれ電子パワーモジュールを形成し、当該電子パワーモジュールは、２つの半導体部品１０，２０からなる高い電気的負荷及び熱的負荷が可能なハーフブリッジ回路を一体型のハウジング３の内部に含み、図示されていない接続された電気機械の励磁巻線の相電流ワイヤ９に直接接続されている。これらの２つの半導体部品１０，２０は、図示の実施例においては、同等の所要面積を有するＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）として形成されている。図示されていない代替的な実施例においては、２つの半導体部品１０，２０は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）として実施され得る。
図３及び図４は、半導体モジュール１の内部の詳細が自身のハウジング３なしで示されている。この図３及び図４からさらに明らかなように、第１の半導体１０の第１の導電素子１２と、第２の半導体２０の第１の導電素子２２とは、それぞれドレイン端子１２Ａ，２２Ａとして形成されている。さらに、第１の半導体１０の第２の導電素子１４と、第２の半導体２０の第２の導電素子２４とは、それぞれソース端子１４Ａ，２４Ａとして形成されている。ここでは、これらの２つのドレイン端子１２Ａ，２２Ａは、平行でかつ面一の縁部を伴って共通の第１の平面内に配置されている。２つのソース端子１４Ａ，２４Ａは、平行でかつ面一の縁部を伴って共通の第２の平面内に配置されている。図３及び図４からさらに明らかなように、第１のドレイン端子１２Ａは、接触層７を介して第１の半導体部品１０の対応するドレイン電極に接続されている。第１のソース端子１４Ａは、接触層７を介して第１の半導体部品１０の対応するソース電極に接続されている。第１のゲート端子１６は、接触層７を介して第１の半導体部品１０の対応するゲート電極に接続されている。さらに、第２のドレイン端子２２Ａは、接触層７を介して第２の半導体部品２０の対応するドレイン電極に接続されている。第２のソース端子２４Ａは、接触層７を介して第２の半導体部品２０の対応するソース電極に接続されている。第２のゲート端子２６は、接触層７を介して第２の半導体部品２０の対応するゲート電極に接続されている。これらの接触層７は、例えば、はんだ層、導電性接着剤層などとして形成され得る。
第１の「ローサイド」ブリッジパスの層構造体「ドレイン端子－接触層－半導体部品－接触層－ソース端子」は、第２の「ハイサイド」ブリッジパスの層構造体「ドレイン端子－接触層－半導体部品－接触層－ソース端子」に対して電気的に対称に実施されている。第１のドレイン端子１２Ａと第２のソース端子２４Ａとの間の電流ブリッジがハウジング３の内部のはんだ付けされたコネクタ又はボンディングワイヤを用いて閉成される従来の方式とは異なり、相電流ワイヤ９の端部区間９．１による、第１のドレイン端子１２Ａのコンタクト突起１２．１と第２のソース端子２４Ａのコンタクト突起２４．１との接続が提案される。この接続部は、はんだ付け、抵抗溶接又はレーザ溶接、圧接、圧着又は圧入接続を用いて形成され得る。なぜなら、この接続部は、成形ハウジングとして実施されたハウジング３の外部に配置されているからである。相ワイヤ区間９．２の中点は、相電位タップを形成する。これにより、ハーフブリッジの電流パスが電気的に対称に、低インダクタンス及び低オーム抵抗を有する等しいインピーダンスの「ローサイド」パスと「ハイサイド」パスとに分割される。
特に図５及び図６からさらに明らかなように、電気機械の相電流ワイヤ９の端部区間９．１は、コンタクト要素５を形成する。図６からさらに明らかなように、相電流ワイヤ９の端部区間９．１は、圧入孔９．１Ａとして実施されており、この圧入孔９．１Ａは、第１のドレイン端子１２Ａのコンタクト突起１２．１及び第２のソース端子２４Ａのコンタクト突起２４．１の対応するコンタクト開口部１２．２，２４．２に圧入されている。
図１及び図２からさらに明らかなように、半導体モジュール１のスラグアップ構造形態の場合、ハウジング３の上面３．１は、電気的に分離する熱伝導性の中間媒体を介して、図示されていないヒートシンクに接続され得る平行でかつ面一に配置された２つのソース端子１４Ａ，２４Ａの外側の露出面と面一に終端する。ハウジング３の下面３．２は、もっぱら当該ハウジング３の成形材料によって形成される。ハウジング３の下面３．２は無電位であり、さらに技術的に好適には、寿命にわたって機能が安定し恒久的な弾性のある接着剤を用いて、図示されていない回路支持体に接続可能である。この回路支持体は、例えば、多層プリント回路基板として実施され得る。従って、回路支持体と、半導体モジュール１のハウジング３とが、異なる熱膨張係数にもかかわらず、熱機械的な膨張を、亀裂及び層間剥離なしに果たすことができる。唯一、ゲート端子１６，２６のコンタクト突起１６．１，２６．１のみが回路支持体に電気的に接続されている。しかしながら、大電流は、半導体モジュール１のコンタクト突起１２．１，２４．１及び相電流ワイヤ９のみに流れ、回路支持体には流れない。それゆえ、半導体モジュール１の電流場におけるオーム電力損失は、主にソース端子１４Ａ，２４Ａの露出面を通ってヒートシンクに流出する。回路支持体及びその上に配置された周辺構成素子には、ごくわずかな熱的及び熱機械的な負荷しかかからない。
図７及び図８からさらに明らかなように、半導体モジュール１のスラグダウン構造形態の場合、ハウジング３の下面３．２は、平行でかつ面一に配置された２つのドレイン端子１２Ａ，２２Ａの外側の露出面と面一に終端する。ドレイン端子１２Ａ，２２Ａの２つの露出面の１つは、回路支持体上のはんだ面にはんだ付けされ得る。それにより、ハイサイド電流又はローサイド電流が回路支持体を介して流れ得る。さらに、ドレイン端子１２Ａ，２２Ａの２つの露出面の１つは、熱伝導性でかつ電気的絶縁性の可塑性中間媒体を介して、半導体モジュール１の熱流を図示されていないヒートシンクに導くことができる回路支持体内のサーマルビア（thermal vias）の矩形周期又は六角形の配列に接続され得る。ハウジング３の上面３．１は、もっぱらハウジング３の成形材料によって形成される。

Claims (13)

  1. 少なくとも２つの半導体部品（１０，２０）を備えた半導体モジュール（１）であって、
    前記半導体部品（１０，２０）は、それぞれハウジング（３）の内部で２つの導電素子（１２，１４，２２，２４）の間に配置され、当該導電素子（１２，１４，２２，２４）と導電的に接続されている、半導体モジュール（１）において、
    前記少なくとも２つの半導体部品（１０，２０）のうちの第１の半導体部品（１０）に接続された第１の導電素子（１２）及び前記少なくとも２つの半導体部品（１０，２０）のうちの第２の半導体部品（２０）に接続された第１の導電素子（２２）は、それぞれドレイン端子（１２Ａ，２２Ａ）又はコレクタ端子として形成されており、前記第１の半導体部品（１０）に接続された第２の導電素子（１４）及び前記第２の半導体部品（２０）に接続された第２の導電素子（２４）は、それぞれソース端子（１４Ａ，２４Ａ）又はエミッタ端子として形成されており、
    前記導電素子（１２，１４，２２，２４）は、それぞれ前記ハウジング（３）から引き出されたコンタクト突起（１２．１，１４．１，２２．１，２４．１）を有し、
    前記ドレイン端子（１２Ａ，２２Ａ）又はコレクタ端子を含む前記第１の半導体部品（１０）の前記第１の導電素子（１２）、及び、前記ソース端子（１４Ａ，２４Ａ）又はエミッタ端子を含む前記第２の半導体部品（２０）の前記第２の導電素子（２４）の、異なる平面内に配置された２つのコンタクト突起（１２．１，２４．１）は、前記ハウジング（３）の外部でコンタクト要素（５）を介して、前記２つの半導体部品（１０，２０）のハーフブリッジ回路の形成のもとで相互に接続されており、前記ハウジング（３）の外部で前記ハーフブリッジ回路の相電位タップのための電流パスが前記２つのコンタクト突起（１２．１，２４．１）の間に形成されており、前記コンタクト要素（５）は、電気機械の相電流ワイヤ（９）の端部区間（９．１）によって形成されていることを特徴とする、半導体モジュール（１）。
  2. 前記コンタクト要素（５）は、はんだ付け、抵抗溶接又はレーザ溶接、圧接、圧着又は圧入接続を用いて、前記コンタクト突起（１２．１，２４．１）に接続されている、請求項１に記載の半導体モジュール（１）。
  3. 前記少なくとも２つの半導体部品（１０，２０）は、同等の所要面積を有し、電気機械用のハーフブリッジ回路を形成するパワー半導体部品として形成されている、請求項１又は２に記載の半導体モジュール（１）。
  4. ２つの前記ドレイン端子（１２Ａ，２２Ａ）又はコレクタ端子は、平行でかつ面一の縁部を伴って共通の第１の平面内に配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体モジュール（１）。
  5. ２つの前記ソース端子（１４Ａ，２４Ａ）又はエミッタ端子は、平行でかつ面一の縁部を伴って共通の第２の平面内に配置されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体モジュール（１）。
  6. 前記ハウジング（３）の内部で、前記第１の半導体部品（１０）に接続された前記第１の導電素子（１２）としての第１のドレイン端子（１２Ａ）又はコレクタ端子は、接触層（７）を介して前記第１の半導体部品（１０）の対応するドレイン電極又はコレクタ電極に接続され、前記第１の半導体部品（１０）に接続された前記第２の導電素子（１４）としての第１のソース端子（１４Ａ）又はエミッタ端子は、接触層（７）を介して前記第１の半導体部品（１０）の対応するソース電極又はエミッタ電極に接続され、前記第１の半導体部品（１０）に接続された第１のゲート端子（１６）又はベース端子は、接触層（７）を介して前記第１の半導体部品（１０）の対応するゲート電極又はベース電極に接続されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体モジュール（１）。
  7. 前記ハウジング（３）の内部で、前記第２の半導体部品（２０）に接続された前記第１の導電素子（２２）としての第２のドレイン端子（２２Ａ）又はコレクタ端子は、接触層（７）を介して前記第２の半導体部品（２０）の対応するドレイン電極又はコレクタ電極に接続され、前記第２の半導体部品（２０）に接続された前記第２の導電素子（２４）としての第２のソース端子（２４Ａ）又はエミッタ端子は、接触層（７）を介して前記第２の半導体部品（２０）の対応するソース電極又はエミッタ電極に接続され、前記第２の半導体部品（２０）に接続された第２のゲート端子（２６）又はベース端子は、接触層（７）を介して前記第２の半導体部品（２０）の対応するゲート電極又はベース電極に接続されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体モジュール（１）。
  8. 前記第１及び第２の半導体部品（１０，２０）の前記第１及び第２のゲート端子（１６，２６）又はベース端子のみがプリント回路基板に電気的に接触接続されている、請求項６又は７に記載の半導体モジュール（１）。
  9. 前記第１及び第２の半導体部品（１０，２０）にそれぞれ接続された２つの前記第１の導電素子（１２，２２）の外側に面する露出面は、それぞれ前記ハウジング（３）の下面（３．２）と面一に終端する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体モジュール（１）。
  10. 前記第１及び第２の半導体部品（１０，２０）にそれぞれ接続された２つの前記第２の導電素子（１４，２４）の外側に面する露出面は、それぞれ前記ハウジング（３）の上面（３．１）と面一に終端する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体モジュール（１）。
  11. 前記ハウジング（３）の下面（３．２）は、プリント回路基板又はヒートシンクに載置されている、請求項９又は１０に記載の半導体モジュール（１）。
  12. 前記ハウジング（３）は、前記ハウジング（３）の上面（３．１）を介してプリント回路基板又はヒートシンクに載置されている、請求項９又は１０に記載の半導体モジュール（１）。
  13. 前記ハウジング（３）は、成形ハウジングとして形成されている、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の半導体モジュール（１）。
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