JPH088397A - 低インダクタンスパワー半導体モジュール - Google Patents

低インダクタンスパワー半導体モジュール

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JPH088397A
JPH088397A JP7140776A JP14077695A JPH088397A JP H088397 A JPH088397 A JP H088397A JP 7140776 A JP7140776 A JP 7140776A JP 14077695 A JP14077695 A JP 14077695A JP H088397 A JPH088397 A JP H088397A
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power semiconductor
connection
heat sink
diode
semiconductor module
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Reinhold Bayerer
バイエラー ラインホルト
Thomas Stockmeier
シュトックマイアー トーマス
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 超高出力に適し、かつ従来技術の問題を解決
する、新規なパワー半導体モジュールを提供する。 【構成】 本発明によるパワー半導体モジュール（１）
の場合には、パワー半導体アセンブリ（２）を有する基
板（８）は、ヒートシンク（３）の両側に嵌め合わされ
る。パワー半導体アセンブリ（２）は、ヒートシンク
（３）に対して並列に伸びる接触積層（４）のスタック
により接触させられる。それにより超低インダクタンス
構造が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パワー半導体エレクト
ロニクスに関し、特にパワー半導体モジュールに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】そのようなパワー半導体モジュールは、
独国特許公開公報(German Offenlegungsschrift)第 39
37 0451 A1号に既に記載されている。パワー半導体モジ
ュールは、論理機能ユニットを形成すべく組合せられ
る、複数の半導体構成要素を一般に含む。例としては、
整流器、逆接続並列ダイオードを有する個別スイッチ、
または位相モジュールである。モジュールは、冷却及び
出力（パワー）接続が互いに電気的に絶縁されるという
事実によって本質的に高出力半導体の分野では今日通例
であるディスク型サイリスタとは異なる。そのようなモ
ジュール（サイリスタ、トランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯ
ＳＦＥＴ及びダイオード・モジュール）は、１２００Ｖ
（ボルト）及び数百Ａ（アンペア）までのパワー・レン
ジ（電力範囲）で今日広く行き渡りかつ工業用駆動装置
で主に用いられている。高電流用モジュールは、モジュ
ールで並列に接続される、多数の個別モジュールを一般
に含むか、または複数のモジュールが同様に並列に接続
される。現在、以下の問題の結果として、電流容量及び
最大阻止電圧についてのモジュールの性能に対して上限
がある： − モジュールの内部構造の寄生インダクタンスは、任
意の数の構成要素が並列に接続されることを許容しな
い。ターン−オン及びターン−オフ動作は、許すことが
できない発振を結果としてもたらす。加えて、並列に接
続された個別構成要素の領域は、製造コスト及び信頼性
の理由で、任意に増大できない。
【０００３】− モジュールのベース領域が増大する
と、物理的サイズが増大することによりかつ用いられる
材料の異なる熱膨張率の結果により機械的負荷がより大
きくなるので、温度変化に対して、要求される、抵抗に
ついて特に、信頼性問題は、悪化する。 − 通常のモジュールで達成できるクリーページ・パス
(creepage paths)は、高い阻止強度を有する構成要素に
必要な絶縁強度に対して一般にあまりのも小さい。 − 通常のモジュールの熱抵抗は、ディスク型サイリス
タを有する構造と比較して比較的高い。これに対する理
由は、金属と比較して低熱伝導率を有する材料の使用を
必要としかつ構成要素の主接続の一つだけが冷却される
ようにする、熱接触及び電気接触の分離である。両方の
主電極は、ディスク型サイリスタで冷却されうる。 − モジュールは、ねじにより冷却プレートまたはヒー
トシンクにねじ留めされる（一般に、全ての４つの角
で）。熱をよく伝える、高信頼接触は、それゆえに、非
常に大きな領域を有するモジュールに対するベース領域
の中心で蓋然的（問題）になり、かつ時間わたり動作中
に変化しうる。
【０００４】− モジュールの場合には、主接続は、モ
ジュールの頂部で互いに並んで構成される。電流ルー
プ、従ってインダクタンスがＤＣ電圧接続に対して生成
されることは、それゆれに予め決定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】最初に示したBayerer
et al.による独国特許公開公報第 39 37 0451 A1号に
は、漂遊インダクタンスを低減しかつ多数にパワー・ト
ランジスタに適する幾何学的形状を特定する試みが従っ
てなされた。この目的に対して、３つの主接続線は、互
いに小さな空隙で配置される幅広ストリップを含みかつ
それらの幾何学的形状のために接続ストリップ線を形成
する。モジュール・ベールへ垂直的に経路が定められる
線は、比較的複雑な接続技術を必要とし、かつ特にイン
ダクタンスが低いならば相互間で適当な電気絶縁を達成
することを更に困難にする。他方、H. J. Krokiszinksi
et al. による独国特許公開公報第 41 03 486 A1号で
は、両側面からモジュールを冷却することにより熱の分
散を改善する試みがなされた。しかしながら、これを行
う欠点は、冷却媒体がＤＣ電圧接続の回りも同様にフラ
ッシュするので、結果として電気的に絶縁されなければ
ならないことである（例えば、脱イオン水）。加えて、
ＤＣ電圧接続は、導体ループも形成する。従って、本発
明の一つの目的は、超高出力に適し、かつ上述した問題
を解決する、新規なパワー半導体モジュールを提供する
ことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的は、底
部がヒートシンクに取り付けられた、少なくとも一つの
パワー半導体アセンブリを備え、パワー半導体アセンブ
リは、ヒートシンクの両側に供給され、更にパワー半導
体アセンブリは、ヒートシンクに対して並列に伸長しか
つ互いに積み重ねられた、導電性接触積層と相互に作用
するパワー半導体モジュールによって達成される。本発
明では、パワー半導体アセンブリは、電気的に絶縁性で
あるが、しかし容易に熱的に伝導性な、材料、特に酸化
アルミニウム、窒化アルミニウム、または酸化ベリリウ
ムで作られた基板に嵌め合わされた、逆接続並列ダイオ
ードを有する、少なくとも一つのパワー半導体スイッ
チ、特にＩＧＢＴを含むように構成してもよい。本発明
では、ヒートシンクの一つの側に嵌め合わされた、パワ
ー半導体アセンブリのダイオードのアノード接続は、対
応する接触積層を介してＤＣ電圧源の正接続に接続さ
れ、ヒートシンクの他の側に嵌め合わされた、パワー半
導体アセンブリのダイオードのカソード接続は、更なる
接触積層を介してＤＣ電圧源の負接続に接続されてお
り、対応する他の側のダイオードの、それぞれのカソー
ド及びアノード接続は、共通接触積層を介してＡＣ電圧
接続に接続されてもよい。
【０００７】本発明では、パワー半導体スイッチ及びダ
イオードの接続に対する導体トラックは、基板に供給さ
れ、ダイオードのカソード接続及びパワー半導体スイッ
チのアノードに対応する接続は、基板に直接嵌め合わさ
れてもよい。本発明では、パワー半導体スイッチ及びダ
イオードの残りの接続、特にダイオードのアノード接
続、制御接続、計測接続並びにパワー半導体スイッチの
カソードに対応する接続は、対応する接触積層とそれら
の部分に対して相互に作用する更なる導体トラックに接
続されてもよい。本発明では、パワー半導体スイッチ及
びダイオードの残りの接続、特にダイオードのアノード
接続、制御接続、計測接続並びにパワー半導体スイッチ
のカソードに対応する接続は、対応する接触積層と直接
相互に作用するように構成してもよい。本発明では、冷
却液は、ヒートシンクを通って流れ、かつ対応する冷却
液接続及び冷却チャネルは、ヒートシンクに供給される
ようにしてもよい。本発明では、接触積層は、ヒートシ
ンクの熱膨張係数と一致する熱膨張係数を有する材料か
らなるように構成してもよい。
【０００８】本発明では、パワー半導体アセンブリ及び
接触積層を有するヒートシンクは、保護ケーシングによ
って取り囲まれており、接触積層は、ケーシングからの
モジュール接続として経路が定められるように構成して
もよい。本発明では、絶縁プレートは、接触積層の間に
挿入されるように構成してもよい。本発明のより完全な
認識及びその付随利点は、容易に得れると共に、それら
は、添付した図面を考慮して以下の説明を参照すること
により更に理解されるであろう。
【０００９】
【作用】従って本発明の核心は、パワー半導体アセンブ
リがヒートシンクの両側に供給されかつ該アセンブリが
低インダクタンス接触積層スタックにより接触されるこ
とである。好ましい例示の実施例の特性は、パワー半導
体アセンブリが、ヒートシンクの各側にハーフブリッジ
の半分を形成することである。パワー半導体アセンブリ
は、逆並列ダイオードを有する少なくとも一つのパワー
半導体スイッチが固定される、基板を含むのが好まし
い。保護ケーシングに一体化される全体構造に対するヒ
ートシンクを通って流れることは、冷却液に有利であ
る。
【００１０】
【実施例】以下、添付した図面を参照して本発明の実施
例を詳細に説明する。切替可能高出力構成要素の主アプ
リケーションの一つは、ＤＣ電圧からＡＣ電圧を生成す
るインバータ回路に対してである。このアプリケーショ
ンに対して、二つのスイッチ及び対応ダイオードが各フ
ェーズに対するそれぞれの場合に必要である。この通称
ハーフブリッジは、インバータ回路に対する最小論理モ
ジュールを表わす。ここで、同じ参照番号が複数の図を
通して同一または対応する部分を示す図面を参照する
と、そのようなハーフブリッジが図１に示される。超高
出力に対して、一つだけのモジュールにおける機能全体
の一体化が、上述した制限により可能でない、非常に大
きな領域を有するモジュールを結果としてもたらしうの
で、今までは、ハーフブリッジに対して、二つの個別ス
イッチング・モジュールで構成することだけが可能であ
った。従って、本発明の主題は、超高出力に適するハー
フブリッジ・モジュールである。そのようなモジュール
は、図２のセクションに示されている。それは、それを
通り抜けている冷却チャネル７を有しかつ冷却媒体（例
えば不凍添加剤を伴う水）に対する接続６を有する、ヒ
ートシンク３を含む。基板８は、ヒートシンク３の両側
に嵌め合わされている。基板８は、電気的絶縁性である
が、しかしながら容易に熱的に伝導性である、例えば酸
化アルミニウム、窒化アルミニウム、または酸化ベリリ
ウムのような材料を含む。ヒートシンクの材料により、
これらの基板は、はんだ付けされる（例えば、銅にＤＣ
Ｂ酸化アルミニウム・セラミックス）かまたは接合され
る（例えば、アルミニウムに窒化アルミニウム・セラミ
ックス）かのいずれかである。プラズマ・スプレーのよ
うな、他の接合技術も考えられる。
【００１１】個別構成要素（例えば、ＩＧＢＴｓ及びダ
イオード）は、既にそれぞれ取り付けられ、互いに接続
されかつ基板８の頂部で予め予備試験が与えられてい
る。そのようにポピュレーテされた(populated) 基板８
の平面図が図３に示されている。実行される例示の実施
例では、各基板の取り付けられた構成要素は、逆接続並
列ダイオード１１を有するパワー半導体スイッチ１０の
機能を実行する。それらの部分に対して、パワー半導体
スイッチ１０及びダイオード１１は、複数の個別構成要
素で構成されうる。ポピュレーティド基板８は、原理で
は、あらゆる所望の機能を有するパワー半導体アプリケ
ーション２を一般に形成する。これらのパワー半導体ア
プリケーション２は、ここで、適当な形状の、導電性接
触積層４により接触して作られる。積層４は、同じ材料
またはその熱膨張係数がヒートシンク３に一致（整合）
する材料から構成されるのが好ましい。図示していな
い、絶縁プレートは、個別積層４の間に挿入されてい
る。接触積層４及び絶縁プレートは、スタックを形成す
べく（例えば、接着剤で）接合され、かつ機械的にヒー
トシンク３に接合される。
【００１２】これらの積層スタックは、個別基板８の低
インダクタンス接合に対してヒートシンク３の両側で役
立つ。基板は、接着剤で接合されたかまたははんだ付け
された継手（積層の材料による）により対応積層スタッ
クに接合される。構築された例示の実施例では、ヒート
シンク３の各側の基板８は、上記した個別スイッチ・ユ
ニットを表わす。従って、ヒートシンク３の各側は、
“クォーターブリッジ”を含みかつ全モジュール１は、
ハーフブリッジを表わす。図１に示すように、そのよう
なハーフブリッジは、正接続１２、負接続１３及びＡＣ
電圧接続１４を有する。スイッチ１０は、制御接続１
５、１６を介してオン及びオフに切り替えられる。故障
の監視に対して、計測接続１７、１８は、それぞれの場
合に追加的に供給されうる。従って、そのようなハーフ
ブリッジ・モジュール１と接触するための接触積層スタ
ックは、対応する数の接触積層４を含む。主接続（正、
負及びＡＣ接続）に対する接触積層４は、図２に示すよ
うに構成されるのが好ましい。ＤＣ電圧接続１２及び１
３は、一つの側からもたらされかつＡＣ電圧接続１４
は、他の側からもたらされる。ＡＣ電圧接続は、同時に
ヒートシンク３の異なる側に配置されたクォーターブリ
ッジ間の接続を形成する。
【００１３】導体トラック９が接触積層４と接触するた
めに構成要素１０及び１１に対する基板８に嵌め合わさ
れるか、または構成要素が接触積層４に直接接続される
かのいずれかである。実行されるモジュールの場合に
は、パワー半導体スイッチ１０のアノードに対応する接
続への、ダイオード１１のカソードの接続は、二つの構
成要素の底部を基板にはんだ付けすることによって直接
生成される。そして、このように生成されたモジュール
１は、それにケーシング５を供給しかつ、例えばシリコ
ン・ゲルでそれを密閉することによって外部の影響に対
して保護される。二つのＤＣ電圧接続１２、１３は、互
いに上方に配置されており、通常のモジュールの場合の
ように互いに一緒に(alongside) に配置されているので
はないので、電流ループ及びそれゆえに追加インダクタ
ンスは、生成されない。ＤＣ電圧供給が、今日の従来技
術に、付随的に、対応しうるように、他の上に横たわっ
ているプレートの形で同様に実行されるならば、モジュ
ールは、ねじ込み式接続によって、しかし好ましくは差
込み式接続によって最適に接続されうる。示された例示
の実施例は、ＤＣ側の差込み接続に基づく。絶縁材料の
中央ウェブは、（例えばくさび形状の）プラグ（差込
み）をガイドしかつ同時に必要なクリーページ・パスが
維持されることを確実にする。
【００１４】そのようなモジュール１は、ハーフブリッ
ジ・モジュールまたは超高出力のパワー半導体モジュー
ルに一般に設置された全ての必要事項をいま満足する： − 適切冷却： 従来技術によるモジュールと比較し
て、構成要素が電気的に絶縁された方法でヒートシンク
９３に直接取り付けられるので、モジュールから冷却デ
バイスへの熱移動は、回避される。実行されたモジュー
ルに対して計算されかつ実験的に確認された、障壁層と
冷却媒体の間の熱抵抗は、通常のモジュールに対して今
日達成されうる値よりもおおよそ２のファクターだけ低
い。この値は、それゆえに市販されているディスク型サ
イリスタのそれよりも低い。 − 低インダクタンス構造： ＤＣ電圧側（インダクタ
ンスがそこでは重要）の電流の分流(diversion) を追加
的に必要としない、プレートの使用は、インダクタンス
が最小に維持されるようにできる。このように、小さい
領域を有する多数の構成要素も、問題なく並列に接続さ
れうる。 − 物理的サイズ、温度変化に対する抵抗： ヒートシ
ンクが両側からポピュレーティドされるという事実は、
最小物理的サイズ及び利用可能な冷却領域の最適利用を
許容する。大きな接触領域（小さな基板は、一般に１０
ｃｍ2 ）を回避しかつ冷却デバイスに用いた材料を注意
深く統合することで、接合技術及びプレート・スタック
は、異なる熱膨張係数のために発生する力が最小である
ことを確実にする。負荷変化に対する優れた抵抗がそれ
によって達成される。
【００１５】− 絶縁、クリーページ・パス： 提案し
たデザインは、適応標準に対応する方法で絶縁されかつ
十分な厚さ及び寸法を有する、ライブ接触(live contac
ts)がヒートシンク並びに制御及び計測接続から十分な
距離であるのような方法で材料が設置されるようにする
ことができる。これは、さもなくばハーフブリッジ・モ
ジュールで要求される特性のいかなる妥協も必要としな
い。 − 回路への機械的及び電気的接続： 冷却デバイスが
既にモジュールに含まれているので、モジュールは、水
平または垂直のいずれかに設置されうる。それは、保持
及び／またはコールド・プレートの所定形状に従わなく
てもよい。モジュールが保持されかつ最終位置にホーム
をロックする(locks home)、ガイドレール(guide rail
s) にモジュールを機械的に固定することは、有利であ
る。勿論、パワー半導体モジュールの説明した構造は、
ハーフブリッジ回路構成だけに限定されておらず、更
に、他の機能に対しても、有利に用いられる。明らか
に、本発明の多数の変更及び変化が上記教示に照らして
可能である。従って、添付した特許請求の範囲の範疇内
で、本発明は、ここで特定的に記述された以外で実施さ
れうるということが理解されるべきである。
【００１６】
【発明の効果】本発明のパワー半導体モジュールは、底
部がヒートシンクに取り付けられた、少なくとも一つの
パワー半導体アセンブリを備え、パワー半導体アセンブ
リは、ヒートシンクの両側に供給され、更にパワー半導
体アセンブリは、ヒートシンクに対して並列に伸長しか
つ互いに積み重ねられた、導電性接触積層と相互に作用
する。本発明による構造の利点は、アセンブリがヒート
シンクのの両側に嵌め合わされかつアセンブリがヒート
シンクに直接取り付けられるので、特にモジュールが適
当に冷却されることである。このように、既存のモジュ
ールと比較して、モジュールからクーラーへの熱伝達が
回避される。そのプレートがＤＣ電圧側の電流の無分流
を加えて必要とする、接触を行うためのプレートの使用
は、インダクタンスを最小に維持することができる。小
さな領域を有する多数の構成要素は、それゆえに、モジ
ュールまたはアセンブリの内側でさえも、いかなる問題
もなく、並列に接続されうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハーフブリッジの回路構成を示す図である。
【図２】本発明によるパワー半導体モジュールの断面を
示す図である。
【図３】パワー半導体アセンブリの平面図である。
【符号の説明】
１ パワー半導体モジュール ２ パワー半導体アセンブリ ３ ヒートシンク ４ 接触積層 ５ ハウジング ６ 冷却液接続 ７ 冷却チャネル ８ 基板 ９ 導体トラック １０ パワー半導体スイッチ １１ ダイオード １２ 正接続 １３ 負接続 １４ ＡＣ電圧接続 １５、１６ 制御接続 １７、１８ 計測接続

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 底部がヒートシンクに取り付けられた、
    少なくとも一つのパワー半導体アセンブリを備え、前記
    パワー半導体アセンブリは、前記ヒートシンクの両側に
    供給され、更に該パワー半導体アセンブリは、前記ヒー
    トシンクに対して並列に伸長しかつ互いに積み重ねられ
    た、導電性接触積層と相互に作用することを特徴とする
    パワー半導体モジュール。
  2. 【請求項２】 前記パワー半導体アセンブリは、電気的
    に絶縁性であるが、しかし容易に熱的に伝導性な、材
    料、特に酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、または
    酸化ベリリウムで作られた基板に嵌め合わされた、逆接
    続並列ダイオードを有する、少なくとも一つのパワー半
    導体スイッチ、特にＩＧＢＴを含むことを特徴とする請
    求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 【請求項３】 前記ヒートシンクの一つの側に嵌め合わ
    された、前記パワー半導体アセンブリの前記ダイオード
    のアノード接続は、対応する接触積層を介してＤＣ電圧
    源の正接続に接続され、該ヒートシンクの他の側に嵌め
    合わされた、該パワー半導体アセンブリの該ダイオード
    のカソード接続は、更なる接触積層を介して該ＤＣ電圧
    源の負接続に接続されており、対応する他の側の該ダイ
    オードの、それぞれのカソード及びアノード接続は、共
    通接触積層を介してＡＣ電圧接続に接続されることを特
    徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 【請求項４】 前記パワー半導体スイッチ及び前記ダイ
    オードの接続に対する導体トラックは、前記基板に供給
    され、前記ダイオードの前記カソード接続及び該パワー
    半導体スイッチのアノードに対応する接続は、該基板に
    直接嵌め合わされることを特徴とする請求項３に記載の
    パワー半導体モジュール。
  5. 【請求項５】 前記パワー半導体スイッチ及びダイオー
    ドの残りの接続、特に該ダイオードのアノード接続、制
    御接続、計測接続並びに該パワー半導体スイッチのカソ
    ードに対応する接続は、対応する接触積層とそれらの部
    分に対して相互に作用する更なる導体トラックに接続さ
    れることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モ
    ジュール。
  6. 【請求項６】 前記パワー半導体スイッチ及びダイオー
    ドの残りの接続、特に該ダイオードのアノード接続、制
    御接続、計測接続並びに該パワー半導体スイッチのカソ
    ードに対応する接続は、対応する接触積層と直接相互に
    作用することを特徴とする請求項４に記載のパワー半導
    体モジュール。
  7. 【請求項７】 冷却液は、前記ヒートシンクを通って流
    れ、かつ対応する冷却液接続及び冷却チャネルは、該ヒ
    ートシンクに供給されることを特徴とする請求項１から
    ６のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。
  8. 【請求項８】 前記接触積層は、前記ヒートシンクの熱
    膨張係数と一致する熱膨張係数を有する材料からなるこ
    とを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の
    パワー半導体モジュール。
  9. 【請求項９】 前記パワー半導体アセンブリ及び前記接
    触積層を有する前記ヒートシンクは、保護ケーシングに
    よって取り囲まれており、該接触積層は、該ケーシング
    からのモジュール接続として経路が定められることを特
    徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のパワー
    半導体モジュール。
  10. 【請求項１０】 絶縁プレートは、前記接触積層の間に
    挿入されることを特徴とする請求項１から９のいずれか
    一項に記載のパワー半導体モジュール。
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