JPH1093017A - 多層構造方式での高実装密度の半導体パワーモジュール - Google Patents

多層構造方式での高実装密度の半導体パワーモジュール

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JPH1093017A
JPH1093017A JP9106194A JP10619497A JPH1093017A JP H1093017 A JPH1093017 A JP H1093017A JP 9106194 A JP9106194 A JP 9106194A JP 10619497 A JP10619497 A JP 10619497A JP H1093017 A JPH1093017 A JP H1093017A
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JP
Japan
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power module
semiconductor
contact
semiconductor power
layer
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JP9106194A
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Heilbronner Heinrich
ハイルブロンナー ハインリッヒ
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Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Original Assignee
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 わずかな構造高で欠点のない絶縁が達成され
る半導体パワーモジュールを提供する。 【解決手段】 多層構造がサンドイッチ技術で実現され
ており、また半導体素子(5、6)が、一つの面にはろ
う付けによってあるいは押圧接触によって、サブストレ
ート(1)の、電気的に伝導性のある材料からなる、構
造を与えられた面(3)と電気的に且つ熱的に接続され
ており、別の接触面上には、ろう付けによってあるいは
押圧接触によって、回路に適合した全ての接続部が、フ
レキシブルな導体プレート(10、11、12)によっ
て作り出されており、また、当該配置の絶縁が、構造を
与えられた絶縁中間層(プリプレグ8)によってラミネ
ートすることにより行われており、そのとき、前記半導
体素子及び接点のための空所が当該絶縁中間層に設けら
れている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも一つの
電気的に絶縁しているサブストレートを有し、その上に
おいて電気的に伝導性のある材料からなる面が構造を与
えられており、当該面と冷却されるべき半導体素子とが
電気的に結合されており、他方また当該半導体素子のほ
うは回路に適合して外部の接続要素と接触させられてい
る、多層構造方式またはサンドイッチ構造方式における
パワーエレクトロニクスの半導体パワーモジュールに関
する。
【0002】
【従来の技術】半導体パワーモジュールの信頼性、寿
命、及びパワー密度を新たに高める場合には、各構造部
品を組み立てて一つのユニットにする方法を新しいもの
に変えること、及び材料の組み合わせを新しくすること
が必要な前提条件である。
【0003】pn接合における発生する損失熱の搬出の
ための熱伝導度が非常によい状態でのパワー半導体素子
(Leistungshalbleiterbauelemente)の絶縁された構造が
要求され、且つそれらの集積が外部の接続部へ通じるさ
まざまな接続方法に対して要求される。
【0004】銅でコーティングされた非導電性の熱伝導
性のサブストレートを用いた半導体パワーモジュールの
絶縁された構造の場合には能動素子がろう付けされ、こ
の物質拘束的(stoffschluessig)な結合が、良好な熱搬
出と当該配置における各要素のよく調整された位置とを
保証する。
【0005】半導体素子及びそのフリーホイーリングダ
イオードの、その表面上での回路に適合した結合を作り
出すことは、変換及び制御技術(Umform- und Ansteuert
echnik)の回路装置で整流回路において、これまで通常
は接続技術(Bondtechnik)に委ねられていた。なぜなら
ば、チップ接触面の比較的に微細な構造化がこれまで別
の方法で接触させることを許容しなかったからである。
模範的には太さ330μmまでのアルミニウム導線が超
音波を用いてチップ接点とDCBセラミックス(ダイレ
クト・カッパー・ボンディング・セラッミックス)上の
二次的な接続要素との間の接続部として物質拘束的に多
重平行的に超音波を用いて接合される。
【0006】当該導線は、接合の際に超音波及び接合工
具(Bondmeissel)の圧力に起因して構造変化を受ける。
この構造変化は、長時間作動における安定性にとって不
都合である。好ましい最適の長時間安定性は、この技術
ではまだ達成できない。初めは、アルミニウム導線が接
合箇所に構造の割れ目を示し、そのことが、チップ接触
面/アルミニウム導線結合がはずれることにまで通じ
る。
【0007】ドイツ特許出願公開第3637513号公
報に記載されているような二層金属被覆によって、パワ
ー素子(例えばMOSFETあるいはIGBT)の前面
の、繰り返して且つ重なり合う絶縁されるべき両方の接
続部の多様さをろう付け可能あるいは押圧接触(圧着)
可能な程度に低下させることが試みられている。
【0008】電流が通じる部分の間の必要とされる絶縁
抵抗(Isolationsfestigkeit)を、模範的には絶縁シール
あるいは軟シール(Isolations- oder Weichverguss)と
してのシリコンゴムのような付加的に設けられた保護部
によってもたらすことは、普通いぜんとして、パワーエ
レクトロニクスにおける従来技術に対応する。
【0009】それに対して、ドイツ特許出願公開第31
19239号公報には、大規模集積半導体素子、つまり
LSI半導体素子の多層構造が記載されている。ここで
は、個々の内部の回路の間の非常にわずかな電圧及び電
位差に起因して、重なりあった各接触伝導部または電気
的な接続部の相互の絶縁についての要件は与えられてい
ない。
【0010】別の方法がドイツ特許出願公開第4407
810号公報に示されている。この種のパワー構造体(L
eistungsaufbauten)の場合には、必須の絶縁シールが同
時に二重機能で押圧要素として利用される。その結果、
従来技術に従って製造された等価な構造体に比べて構造
高が抑制されているとしても、この回路配置の構造高は
いぜんとしてある程度の寸法をもつだろう。ドイツ特許
出願公開第4132947号公報では、物質拘束的な結
合(ろう付け)が物質結合的(stoffbuendig)な押圧接触
(接着あるいは導電ペースト固着(Leitpastenfixierun
g))によって代用される。その際、各素子は、一方の側
あるいは両側で、フレキシブルな導体プレート(プリン
ト配線板)によってコンタクトさせられる、つまり連絡
させられる。回路内部の電位差が大きい場合の必要なフ
ラッシュオーバー抵抗(絶縁耐力)の獲得の問題について
はここでは述べられていない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、シー
ル技術の回避のもとで押圧接触あるいはろう付け接触に
よって、半導体素子の両方の側の接点の間のすべての電
気的な接続が回路に適合して外部の接続要素によって作
り出されており、その際わずかな構造高で欠点のない絶
縁が達成される、上述の種類の半導体パワーモジュール
を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】前記課題は、半導体パワ
ーモジュールの場合に、多層構造がサンドイッチ技術で
実現されており、また半導体素子が、一つの面にはろう
付けによってあるいは押圧接触によって、サブストレー
トの、電気的に伝導性のある材料からなる、構造を与え
られた面と電気的に且つ熱的に接続されており、別の接
触面上には、ろう付けによってあるいは押圧接触によっ
て、回路に適合した全ての接続部が、フレキシブルな導
体プレートによって作り出されており、また、当該配置
の絶縁が、構造を与えられた絶縁中間層(プリプレグ)
によってラミネートすることにより行われており、その
とき、前記半導体素子及び接点のための空所が当該絶縁
中間層に設けられていることによって解決される。別の
有利な構成は、従属項に記載されている。
【0013】特に高いパワー密度を有する半導体パワー
モジュールの実現の場合には、組み立ての方法の選択の
際に絶縁抵抗も保証する必要がある。本発明は、必要な
絶縁の獲得及び回路装置の長期間の寿命を達成できるよ
うな手段を述べている。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明を、以下に図面をもとにし
て説明する。図1は、二つの接触させられた半導体素子
5、6を有する本発明に係るモジュール部分の横断面の
概略図である。パワースイッチの組立てのためのベース
は、例えば、両面を銅2、3でコーティングされている
酸化アルミニウム層1からなるDCBセラミックスであ
る。当該概略図における上側の銅面3上には、従来技術
により周知の軟鑞4を用いたろう付けによってオーム性
接触(ohmscher Kontakt)が半導体素子の裏面に対して、
トランジスター5のコレクターに対してまたは例として
図示されたフリーホイーリングダイオード6に対して作
り出されている。別の半導体素子5、6のポジショニン
グの際には、銅フォイル3が相応に回路に適合して構造
を与えられている。半導体素子5、6の当該概略図にお
ける上側の接触面は、先行科学技術の加工ステップで
は、ろう付け能力のある接触層を備えていた。この接触
層は、パワースイッチ5の場合には構造を与えられてい
た。
【0015】ひき続いての組立ては、例えば、Krem
pel社(Postfach 484 in Stuttgart)及び Isol
a社(52348 Dueren)のカタログに記載されているよう
な、いわゆるプリプレグ8の取り付けを考慮に入れる。
このプリプレグ8は、模範的にはガラスクロス/エポキ
シ樹脂・ラミネートから、両面をカップリング剤及びエ
ポキシ樹脂9でコーティングされたことによって形成さ
れる。その際、エポキシ樹脂9は、硬化状態Bにおいて
従来技術に従って前処理された状態にある。半導体素子
5、6のために及びサブストレートの銅層2上の接点の
ために、相応の空所13が打ち抜き技術によってプリプ
レグ8に設けられており、当該開口部13のエッジ部は
シリコンゴムでコーティングされている。厚さにおいて
プリプレグ8は構造上、ろう付けされた状態における半
導体素子の表面の平面に対応するように寸法を定められ
ている。
【0016】半導体素子5、6とエポキシ樹脂コーティ
ング9を有するプリプレグ8とから形成された、そのよ
うに構成された平坦な表面上には、準備されたフレキシ
ブルな導体プレートがラミネート(積層)される。その
際、このラミネートは、銅面3及びセラミックス1上に
プリプレグ8をラミネートすることとともに同時に、ま
た半導体素子5、6の接合のためのろう付けプロセスと
ともに行われ得る。その際、フレキシブルな導体プレー
トは、それ自体は周知のポリイミドフォイル10、12
から成る。その際、25μmのフォイル厚で、必要な破
壊抵抗に十分である(すなわち、絶縁破壊に対して十分
な強さをもつ)。これらは、回路に適合して構造を与え
られた銅条導体11を取り囲み、銅条導体11を互いに
絶縁する。導体プレートの、半導体素子5、6へ向けら
れた(すなわち、当該半導体素子側の)下側ポリイミド
フォイル10において14として示す位置には開口部が
ある。それによって、ろう付け能力のある表面を備える
銅条導体11がろう付けによって回路構成に相応に電気
的に接触させられている。サブストレート1、2、3の
銅層3とフレキシブルな導体プレートの回路に適合した
銅条導体11との間の電気的な接続は、非常に簡単な方
法で同時のろう付けによって実現される。というのは、
導体プレートの可撓性(Flexibilitaet)の利点がそれを
可能にするからである。
【0017】フレキシブルな導体プレートは、回路要件
に相応に、銅条導体(11)において、補償曲げ部(例
えば、条導体構造のU字形部)が同一の平面内に統合さ
れているように構造を与えられていることが有利であ
る。
【0018】本発明の思想の実現のために、フレキシブ
ルな導体プレートの銅条導体11が注目されるべきであ
る。回路装置の高いパワー要請の場合には、銅の厚さは
0.4mmまでに選択され得る。本発明に係る回路構造に
よって、電流移送のために大きな横断面が与えられるよ
うに銅条導体11の幅を形成することが可能である。そ
れによって、作業負荷状態で銅条導体11が電流によっ
て熱せられず、これらの銅条導体11が、サブストレー
ト1、2、3の銅面3と同じ意味で、半導体素子5、6
からの良好な熱搬出を引き起こす。銅条導体11は、外
部のパワー接続部(Kraftanschluesse)として中間回路と
結合され得る。銅条導体11は、制御接続部(Steuerans
chluesse)としてエレクトロニクス部品と直接に接触さ
せられ得る。
【0019】図2は、図1に対してすでに説明されたよ
うな層構造を立体的に図示したものである。両面を平た
い銅でコーティングされたサブストレート1は、上の銅
面3上に回路装置のために必要な半導体素子5、6を支
持する。すでに説明したように、これらはポジショニン
グされてろう付けされている、あるいは押圧接触組み立
てのためにペーストあるいは接着剤のような電気的に伝
導性のある中間層を用いて固定されている。大きさの適
合したプリプレグ8が、半導体素子の受容のために及び
銅層2とフレキシブルな導体プレートの対応する導体路
11との直接の接触のために必要不可欠な空所13をも
っている。
【0020】フレキシブルな導体プレートの構成のため
に顧慮された下側のフォイル10は、トランジスター5
及びフリーホイーリングダイオード6の位置における模
範的に選択された半導体素子の接触層7との電気的な接
触のための相応の開口部14をもっている。電気的な接
続のために顧慮された銅条導体11は、素子との接触の
位置において、下側のフォイル10における窓部14の
箇所において、表面処理されている。カバーフォイル1
2は、二次的な上部回路構造(Schaltungsaufbauten)
(すなわちさらに上に積層される回路構造)に対する良
好な機械的な且つすぐれた電気的な保護をもたらす。
【0021】フレキシブルな導体プレートは、同様に、
それぞれポリイミドフォイルによって互いに電気的に絶
縁された多層の銅ラミネートを有してよい。それらは、
互いに回路に適合して、金属被覆されたリードスルー(D
urchfuehrungen)(スルーホール)によって接続され得
る。従って、本発明により鏡像状に配置された同様のあ
るいは補足的な上部回路構造によって、非常に高い実装
密度(Packungsdichte)が実現可能である。水冷システム
の使用の場合には、半導体素子からの熱搬出に問題がな
く、それとともに、特に可動性の使用のため、すなわち
可動なものでの使用のために大きな衝撃抵抗(Stossfest
igkeit)を有する回路構造を作り出すことができる。
【0022】図1及び図2に示す構造は、従来技術によ
る純粋な押圧接触の原理に従う類似の方法で可能であ
る。そのために、相応に形成された架橋要素、押圧パッ
ド(Druckkissen)、及び押圧プレートをフレキシブルな
導体プレートの面に挿着することが考慮される必要があ
る。
【0023】しかし、その際、若干の特性に注目すべき
である。半導体素子5、6は、エポキシ樹脂が熱い段階
で下に浸入すること(Unterkriechen)によって銅面3へ
の素子裏面の電気的な接触を妨げないように、銅面3上
へプリプレグ8をラミネートする前に電気的に伝導性を
もって固定されていなければならない。プリプレグ8の
表面エポキシ樹脂層を予め網目状に結合すること(Vorve
rnetzung)及びプリプレグ8の構造化によって、並びに
開口部13のすでに述べたエッジコーティングによっ
て、上記の浸入が妨げられている。
【0024】素子5、6の接触面7は、押圧接触のため
に適合させられた表面品質を備えていなければならな
い。というのは、例えばMOSFET構造及びIGBT
構造の非常に扱いにくい表面層は不均一な圧力負荷に対
して非常に敏感だからである。前記のことは、ろう付け
接続のためにも有利であるように、比較的大きな層厚
(模範的には、>10μm)における銀で覆うことによ
って達成され得る。
【0025】フレキシブルな導体プレートは、個々の点
に関する圧力過負荷が回避されなければならないとい
う、押圧接触の組立条件のもとでの使用において非常に
よく適している。そのために、比較的に厚い(模範的に
は50μmあるいは100μm)ポリイミドフォイルを
使用することが合目的である。これはこの厚さで圧力補
償クッションのように働く。
【0026】従来技術に従う通常の軟シール、模範的に
はシリコン有機化合物が、本発明の回路構造の場合には
無くてよい。密封はプリプレグでラミネートすることに
よって行われる。相互の電気的な絶縁は、プリプレグ8
における開口部13のエッジコーティング及びポリイミ
ドフォイル10、12によってもたらされる。それに由
来して、半導体素子の両面での非常に良好な熱伝達とい
う本発明の利点が、押圧接触あるいはろう付け技術にお
ける構造の変形に独立に(換言すれば、組立方法に依存
せずに)導き出し得る。構造高の減少によるはるかに小
さい体積需要の利点、及びフレキシブルな導体プレート
の形成に起因する回路形成におけるより大きなフレキシ
ビリティー(柔軟性)は、経済的に特記すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体パワーモジュールの横断面
の概略図である。
【図2】図1に示す層構造の分解斜視図である。
【符号の説明】
1 サブストレート 2、3 銅層 5、6 半導体素子 7 接触面 8 プリプレグ 10 ポリイミドフォイル 11 銅条導体 12 ポリイミドフォイル

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも一つの電気的に絶縁している
    サブストレート(1)を有し、その上において電気的に
    伝導性のある材料からなる面(3)が構造を与えられて
    おり、当該面(3)と冷却されるべき半導体素子(5、
    6)とが電気的に結合されており、他方また当該半導体
    素子のほうは回路に適合して外部の接続要素(11)と
    接触させられている、多層構造方式での高実装密度の半
    導体パワーモジュールにおいて、 多層構造がサンドイッチ技術で実現されており、また半
    導体素子(5、6)が、一つの面にはろう付けによって
    あるいは押圧接触によって、サブストレート(1)の、
    電気的に伝導性のある材料からなる、構造を与えられた
    面(3)と電気的に且つ熱的に接続されており、別の接
    触面(7)上には、ろう付けによってあるいは押圧接触
    によって、回路に適合した全ての接続部が、フレキシブ
    ルな導体プレート(10、11、12)によって作り出
    されており、 また、当該配置の絶縁が、構造を与えられた絶縁中間層
    (プリプレグ8)によってラミネートすることにより行
    われており、そのとき、前記半導体素子及び接点のため
    の空所が当該絶縁中間層に設けられている、前記半導体
    パワーモジュール。
  2. 【請求項2】 半導体素子(5、6)が、ダイオード、
    バイポーラトランジスタ、MOSFET、あるいはIG
    BTであり、且つ両側に押圧接触あるいはろう付け接触
    のために、一方側については構造を与えられて、層をか
    ぶせられていることを特徴とする、請求項1に記載の半
    導体パワーモジュール。
  3. 【請求項3】 フレキシブルな導体プレートが、あらゆ
    る側をポリイミド(10、12)でラミネートされた状
    態の、構造を与えられた銅条導体(11)を有し、その
    ポリイミドフォイル(10)が、回路に適合した開口部
    を銅条導体(11)の電気的な接点のために有すること
    を特徴とする、請求項1に記載の半導体パワーモジュー
    ル。
  4. 【請求項4】 前記配置の絶縁部(プリプレグ8)が、
    ガラスクロス及びエポキシ樹脂から作り出されたラミネ
    ートを有し、当該ラミネートが両側をカップリング剤を
    介して一層のエポキシ樹脂で覆われており、当該エポキ
    シ樹脂がサンドイッチ構造への組み込みの際に予め網目
    状に結合された状態、硬化状態Bにあることを特徴とす
    る、請求項1に記載の半導体パワーモジュール。
  5. 【請求項5】 ポリイミド(10、12)の厚さが、回
    路要件に相応に、少なくとも25μmに達し、これが一
    方の側をカップリング剤でコーティングされていること
    を特徴とする、請求項3に記載の半導体パワーモジュー
    ル。
  6. 【請求項6】 フレキシブルな導体プレートが、回路要
    件に相応に、銅条導体(11)において、補償曲げ部が
    同一の平面内に統合されており且つ各銅条導体の横断面
    が回路装置の電流消費需要に適合させられているよう
    に、構造を与えられていることを特徴とする、請求項3
    に記載の半導体パワーモジュール。
  7. 【請求項7】 前記配置の絶縁部(プリプレグ8)が、
    少なくとも二つの層でサンドイッチのようにセラミック
    ス(1)に取り付けられ、第一の層の厚さが銅構造層
    (3)の表面までの高さ補償をもたらし、且つ第二の層
    の厚さが半導体素子(5、6)の表面までの高さ補償を
    もたらし、且つそれぞれのプリプレグ層が、回路構造の
    構成に適合させられた幾何学的に打ち抜きによって適合
    させられた、開口部を備える形状を有することを特徴と
    する、請求項4に記載の半導体パワーモジュール。
  8. 【請求項8】 プリプレグ(8)を備えるセラミックス
    (1、2、3)及びフレキシブルな導体プレート(1
    0、11、12)のプレスによるラミネートが、セラミ
    ックス(1)の上部の銅層(3)への、及びフレキシブ
    ルな導体プレートの銅条導体(11)の接点(13、1
    4)への半導体素子(5、6)の全ての接点のろう付け
    と時間的に同時に行われていることを特徴とする、上記
    請求項のいずれか一項に記載の半導体パワーモジュー
    ル。
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