JPS60194555A - 電力用半導体モジユール - Google Patents

電力用半導体モジユール

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JPS60194555A
JPS60194555A JP60033008A JP3300885A JPS60194555A JP S60194555 A JPS60194555 A JP S60194555A JP 60033008 A JP60033008 A JP 60033008A JP 3300885 A JP3300885 A JP 3300885A JP S60194555 A JPS60194555 A JP S60194555A
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JP
Japan
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power semiconductor
semiconductor module
substrate
contact
strip conductor
Prior art date
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Pending
Application number
JP60033008A
Other languages
English (en)
Inventor
ゲオルク・ニツペルト
ベルトホルト・ハーン
イエンス・ゴブレヒト
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BBC Brown Boveri France SA
Original Assignee
BBC Brown Boveri France SA
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Filing date
Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri France SA filed Critical BBC Brown Boveri France SA
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、互に平行に配置され、少なくとも1つの側面
に金属コーティングを施した少なくとも2つのセラミッ
ク板を有する電力用半導体モノニールに関する。電気絶
縁タイプのこのようなモノニールは、一方又は両方の側
面に金属被覆を施したセラミック板を基板として用騒る
と共に、その基板に対して平行に配置された別のセラミ
ック板を備えている◎ 〔従来の技術〕 整流回路は、電力用半導体モノニールを用いて完全に又
は部分的に実現できる。そのために必要な、個々の素子
の結合が基板(金属コーティングされたセラミック基板
)上に設けられた条導体層によって実現できない限シで
は、結合のために接続用クランf(クリップとも呼ばれ
ている)が使用されるか、半導体チ、fを基板にはんだ
付けした後に手作業によ)結合される半導体チップ、接
続用クランプ等を固着するためには、はんだバングが必
要である。このはんだバンプによって部品がはんだ付は
作業中にその位置が保持される。このはんだバングは高
価な精密部分であシ、多くの欠陥を生じさせる。
このはんだパンツははんだ付けの後再び除去されるので
、すべての部品ははんだバングにいくらかの遊びをもた
せる必要がある。はんだ付は作業中においてこれらの部
品は概して許容範囲内に位置ずれし、最悪の場合には、
殆んどの半導体チ、fがその周辺部においてはんだパン
ツに密接していて、半導体チップがはんだバングから分
離されるとき損傷を受ける。従ってモノニール完成品が
不良品となる。手作業により丁型にはんだ付げする場合
でも、接続用クランプを使用する場合でも、セラミック
基板の最低限の大きさは守られねばならない。その大き
さは、使用されたチ、fの大きさKよるものでなくて、
はんだバンプを形成する場合の技術的可能性によって決
められている。一般にはこの大きさは、チップを取シ付
けるために必要であろう大きさをはるかに上回る。とい
うのは、接続用クランプを案内するために最低限のウェ
ブの幅が守られねばならないからである。従来の分離方
法では、負荷電流を通す結合部及び制御用補助結合部を
空間的に分けることができないという別の欠点がある。
複雑なモゾーールでは、その外に種々の接続用クランプ
が必要であシ、個々の組み立て部品の規格化は若干の範
囲においてのみ可能である。
積み重ねられた多数の基板(多層基板)を有するモ=)
ニールは、ドイツ連邦共和国公開公報第3137570
号(第6図及びそれに付随する記述)によシ周知である
。しかしどのプレートもその上面においてのみ半導体構
成素子と接触されている。電気的な結合は接続用クラン
プによってなされ、はんだ付けのためには費用のかかる
はんだバンプまたは手作業によるはんだ付けが必要であ
る。
サントイ、チ形構造を有するモジュールが提案される半
導体ダイオード装置が更にドイツ連邦共和国特許明細書
第2939732号によシ周知である。これによると、
半導体ダイオ−トチ。
ゾが金属被覆されたセラミック板の間に配置され、共通
の下部セラミック板と複数の上部セラミック板が設けら
れている。制御型電力用半導体、及び電力用半導体と情
報処理用又は電力用半導体制御用集積回路で構成される
ー・イゾリット回路装置は設けられてhない@ 〔発明の目的〕 本発明の目的は、製造中における前述の欠陥が回避され
、少なくとも1つの制御型電力用半導体を有する電力用
半導体モノニールを提供することにある。
〔発明の効果〕
少なくとも2枚の平行基板間に半導体構成素子を設ける
本発明は、以下の利点を有する。
複雑なはんだバンプは必要でない。個々の部品ははんだ
付は作業準備のために、簡単なはんだ付は用粋に入れら
れる。このような装着は自動装着装置によって行なうこ
とができる。個々の構成部品間及び接続用プラグへの電
気的接続のすべてが、セラミック上の条導体層によって
又は基板間に設けられたコンタクトグランノヤによって
実現できる。電力用半導体モジュールの従来の構造と比
較して、小さな−・ウソングを可能にするような非常に
コン/J?クトな構造である。更に規格化可能な構成部
品は余シ必要としない。モジュール構造の変形はよ)容
易に実現することができ、モノニール製造の場合には、
人手による作業工程をわずかしか必要としなLQ6電力
用回路及び制御用回路は、別個の条溝体層平面におりて
分けることができる。
はんだ付は工程前またははんだ何工程中における構成部
品の位置付けは異なる方法でおこなえる。そのためには
、例えばセラミック製ガイドスリーブが適当であって、
これはカバープレートの穴に挿入され、はんだ付は後に
除去される・従ってその再使用が可能である。P−ト接
続部を有する構成素子には、例えば接触用フックとして
予め曲げられたコンタクトワイヤが貫通できるガイドス
リーブも適して−る。別の有利な構成によると、セラミ
ック製スリーブは、部品の位置付けのため以外に電気的
接続を達成するためにも使用することができ、それによ
υ、スリーブは適切な個所に金属破り部を設けられる。
コンタクト接続部(Kontaktanschliis
se)はd方へ案内されるか、モジュールの側方に案内
し得る。側方に案内されたコンタクトは、モジュールの
上部及び下部に冷却体に設けられている場合、特に有利
であることがある。
〔実施例〕
本発明の他の利点は、図面によって説明される以下の実
施例から明らかになる。
第1図は、2つの基板、すなわち両側面に金属コーティ
ングを施した基板2と、その基板2と同様に両側面に金
属コーティングを施したカバープレート(基板)3を有
する電力用半導体モジュール1の縦断面を示して−る。
しかし、基板2の下面に金属被覆部4が設けられてbな
い実施例も有シ得る。ダイレクトボンフイングによって
製造されセラミック上に銅を有する基板2,3が好まし
い。というのは、金属被覆の良好な付着が与えられる。
基板2とカバープレート3の間に、制御型電力用半導体
構成素子5及び場合によっては他の構成部品も配置され
ている。図示された例では、予め組み立てられ予めはん
だ付けされ基板間にサイドイツチされた半導体装置6が
設けられ、この半導体装置6は半導体素子5と、この半
導体素子の上下に設けられた調整用部材7とから形成さ
れている。上部調整用部材7は中央に、つtb半導体素
子5に設けられ予めはんだ付けされたケ9−ト接続部8
の領域に開口部13を有している。図示された半導体素
子5はサイリスタである。調整用部材7は、高低差と機
械的応力を調整する機能を有し、目的にかなうようモリ
ブデンで製造されている。この調整部材7はしかし、必
ずしも必要という訳ではない。
基板2の金属被棟上面とカバープレート3の金属被覆両
面は、所望の条導体層A’ターンに従って腐食されてい
る。基板2の上面は条溝体層平面Iを表わし、カバープ
レート3の下面ば条導体層千面■を、カバープレート3
の上面は条導体層千面■を表わしている。条導体層千面
■及び■は、負荷電流を通す結合のために設けられ、条
溝体層平面■は、半導体素子5を制御する補助結合のた
めに設けられる。条導体層平面m等には、半導体素子5
を制御する例えば集積回路のような電子部品か又は制御
機能部が装着し得る。平面■と平面■の条導体層9の間
の電気的結合は、コンダクトプランジャ10によってな
される。従って、導体結合部を複数の平面上へ分布する
ことによって、複雑な回路が実現し得る。
前に示された図面によると、構成部品6.10を介在さ
せた2枚の基板2.3より多く基板を積層することがで
きる。従って、排出される損失熱が余)高くない場合は
特に、コン・ぞクトな構造方式を達成することができる
本発明に基づく解決法は、複数の制御型電力用半導体素
子5を有する整流器回路を実現するだけでなく、1つの
半導体素子5のみを有する装置を製造するためにも適し
て因る。更に、第1図にはサンドイッチ形半導体装置6
を固定し、平面■へのコンタクト結合を達成する実施例
が示されてbる。
基板2,3の間に設けられた部品6,10は、適当な個
所に位置付けされ、はんだ付けの間では固定されねばな
らない。図示されていなh有利な可能性は、部品6,1
0がはんだ付は作業の間、毛管作用によって適切な個所
に保持されるよう、平面I及び■の双方又は一方におけ
る条導体層9の形状を部品6.IQの接触面に合わせる
ことである。この方法で、例えば第1図に図示されたコ
ンタクトシランシャを固着することができる。サンドイ
ッチ形半導体装置6を位置付けするため、図示された例
では、カバープレート3に孔11が設けられ、上部調整
用部材2の開口部13にまで達するセラミック製ガイP
スリーブ12が、前記孔11を貫通している。
y−ト接続部8と、条導体層千面■のP−=)端子Gに
対する条導体層9との間の必要な電気的結合は、がイド
スリーブの中に導入されるコンタクトワイヤによってな
される。カバープレート3の孔11の付近に別の穴15
が設けられていて、陰極ワイヤ16が補助陰極端子HK
を形成するためこの穴15の中に導入される。
詳細な第2図には、サンドイッチ形半導体装置6の位置
付は及び条溝体層平面■へのコンタクト結合を成し得る
別の可能性が示されている・これによると、セラミック
製スリーブ17がスリーブカラー18を有し、スリーブ
17には部分的に金属被覆部19.20が形成されてい
る。
スIJ−f17の外領域内に設けられた金属被覆部19
をもって、平面■と■の条導体層9の間に電気的結合を
形成することができる。スリーf17の内領域内で始ま
シカラ−18に形成されて因る金属被覆部20によって
、半導体素子5のP−)接続部8とP−)端子Gへ通じ
てbる平面■の条導体層9とを結合できる。第1図の実
施例と同じように、サンドイッチ形半導体装置6の位置
付けは、スjJ−f17が力t4−グレート3の孔11
を通って上部調整部材7の開口部に達することによって
なされる。結合し合うすべての金属面は予めはんだ付け
が施されているので、はんだ付けの際に結合は自動的に
おこなわれる(リフロー法)O 第2図に示された実施例は、機械による装着、従って自
動式組み立てに特によく適している。
第3図は半導体素子5等の位置付の可能性を示して込て
、セラミック製のセンタピン21が装着の際の補助とし
て設けられている。センタピン2ノがカバーグレート3
の孔11に差し込まれていて、構成素子5がはんだ付は
前及びはんだ付けの間、保持されるよう、その素子5の
周囲にセンタピン21が配置される。円形素子5の場合
、3本のセンタピン21が設けられ、これらビンははん
だ付けの後再度取シ除くことができる。
第4図乃至第7図では、三相シリ、?)回路の実現化が
実施例として示されている。この場合、半導体素子5を
平面I及び■の間に位置付ゆし平面■への電気的結合を
形成するような、第1図に示された解決法が基礎となっ
ている。
第4図は、交流を直流に変換する6つのサイリスタ5,
1乃至5.6を有する周知の三相ブリッジ回路を示して
いる。第1サイリスタ5,1、第3サイリスタ5.3及
び第5サイリスタ5,5のアノードAは、相互に又マイ
ナス接点と結合している。第2サイリスタ5.2、第4
ザイリスタ5,4及び第6サイリスタ5.6のカソード
には相互に又プラス接点と結合している。第1サイリス
タ5.1のカソードには、第2サイリスタ5.2のアノ
ードと結合してhると共に相接点Rと結合しておシ、第
3サイリスタ5.3のカソードには、第4サイリスタ5
.4のアノードA及び相接点Sと、第5サイリスタ5.
5のカソードには、第6サイリスタ5,6のアノ−Ph
及び相接点Tと結合している。
三相ブリッジ回路を実現するため、電力用半導体モゾー
−ルは2つの基板2.3を有している。第4図では、三
相グリッツ回路の電気スイッチが示されているだけでな
く、サラストレート2.3に設けられた条導体層平面I
乃至■への配線の分布が示されている。実線は唸導体層
平面Iの条導体層9を示している。平面■の条導体層9
は破線で、平面■の条導体R9は一点鎖線で記されてい
る。
平面■と■を結合するコンタクトシランシャ10が、回
路のどの個所に設けられているかは、第4図に示されて
込る。更に、ダート接続部8とダート端子G5,1乃至
G5,6とを平面■の条導体層9を介して結合する第1
図のコンタクトワイヤ14が示され、平面■の条導体層
9を介して補助陰極端子HK5,1乃至HK5,6へ接
続する陰極ワイヤ16も示されている。
第5図乃至第7図は、条溝体層平面■乃至■における第
4図の三相ブリッジ回路の条導体層構造を示している。
基板2の上面に設けられた条導体層構造Iの条導体層の
構造は、第5図から見て取れる。条導体層9の金属被覆
面は基板2の縁部にまでは広がらないので、金属被覆が
施されない周辺部22が残る。この周辺部には、合成樹
脂製−・ウソングが取シ付けられ、又例えば張シ旬けら
れる。破線で描かれた大円は、サイリスタ5,1乃至5
.6がアノード8とはんだ付けされる個所を示して込る
。破線で描かれた小円は、コンタクトプランシャ10が
はんだ付げされる個所を示している。破線で描かれた四
角は、R接点、S接点、T接点及びプラス接点とマイナ
ス接点がはんだ付けされる面を表わしておシ、各接点は
例えばハウソング縁部の外側接続部につながっている。
第6図はカバープレート3の下面に設けられた条導体層
構造■における条導体層9の構造を示している。カバー
プレート3が透明である場合上から見える平面図が示さ
れてbる。カバープレート3の外側の寸法は、ハウシン
グをカバープレート3にかぶせるため、幾らか、すなわ
ち基板2上の縁部220幅の分小さくなっている。カバ
ープレート3の左右に切シ欠きが設けられて因るので、
ハウシングを案内する突出部23のみが残っている。こ
の切シ欠きでは、例えばR,S、T及びプラス、マイナ
ス接点用フラットプラグ(Flacb+5tackor
)が上方へ案内される。
カバーグレート3の中央に大きな孔24が設けられてい
て、後から封止用コンパウンドが注入される。破線で描
かれた円は、平面Iを平面■と結合するコンタクトプラ
ンツヤがはんだ付げされる個所を示している。孔11は
サイリスタ5.1乃至5,6の取シ付は位置の中心を示
して込る。陰極ワイヤ16が貫通する小穴15は、サイ
リスタ5,1.5・3及び5,5のそば孔11に近接し
て設けられている。サイリスタ。5.2.5.4及び5
.6の共通の陰極電位がワイヤ16によって孔25を通
シ平面■へと送られる。孔25の下部にはコンタクトシ
ランツヤ1゜が配置されている。
第7図はカバープレート3の上面に設けられた平面■1
における条導体層9の構造を示してhる。貫通孔11.
15.24.25は、第6図の前述の枠内ですでに説明
された。破線で描かれた四角は、サイリスタ5.1乃至
5,6を制御する補助陰極接続部HK5 、1乃至HK
5.6用ワイヤ及び制御用r−)接続部用ワイヤをはん
だ付けする面を示して込る。
本発明に基づく電力用半導体モジュールを製造するため
Kは、複雑なはんだバンプは不要である。基板2、はん
だ付けされるサンドイッチ形半導体装置6、コンタクト
シランシャ10及びカバープレート3が据え付けられる
簡単なはんだ付は周枠のみが必要である。スU −11
2が孔1ノに挿入され、ワイヤ14がスリーブ12に、
ワイヤ16が穴15.25に挿入される。
更に、接点用フラットグラブが嵌入される。部品は予め
はんだ付けされ、必要な場合にははんだ付は用小板が介
在される。1ケ所のはんだ付けには全部品が結合し合っ
ている。
既に述べたように、サンPイ、チ形に組み立てられた本
発明に基づく電力用半導体モノュール1が、合成樹脂製
−ウソングの中に取シ付けられてから、樹脂が流し込ま
れる。しかし、本発明に基づくモノニール1は、他の部
材と同様にハウソングなしで、全体としてカプセル封じ
される大規模な装置の枠内に取シ付けできる。
本発明に基づくモノニールの場合、基板2が−・ウソン
グの底として、上部基板3が・・ウソングの蓋として用
いられる。このようなモノニール1は、上部と下部で冷
却体と接触することができる。このような装置では、接
続部は側方に導出される。
【図面の簡単な説明】
第1図は、積層された2枚の基板とその間に設けられた
半導体チップを有する電力用半導体装置の縦断面図、第
2図は、半導体チップが固着され、金属コーティングを
施したセラミック製スリーブの使用によって電気的結合
が形成される他の実施例の半導体装置の側面図、第3図
は、構成部品がセラミ、り製センタピンで固着される第
3実施例の半導体装置の側面図、第4図は、三相グリッ
ツ回路図、第5図は基板上面の三相グリッツ回路の回路
・母ターンを示す図、第6図1は功パーグレート下面の
三相ブリツノ回路の回ξ′略ンぐターンを示す図、第7
図はカバープレート上面の三相シリツノ回路の回路パタ
ーンを示す図である。 1・・・電力用半導体モノニール、2・・・基板(ザブ
ストレート)、3・・・カバープレート(サブストレー
ト)、4・・・金属被覆部、5・・・電力用半導体素子
、6・・・サンドイッチ形半導体、7・・・調整用部材
、8・・・f−ト接続部、9・−・条導体層、10・・
・コンタクトプランシャ、11・・・貫通孔、12・・
・がイースリープ、13・・・孔、14・・・コンタク
トワイヤ、16・・・陰極ワイヤ、17・・・スリーブ
、18・・・スリーブ用カラー、19・・・金属被覆部
、20・・・金i被覆部、21・・・センタビン。 出願人代理人 弁理士 鈴 江 武 彦−−−−−II −・−III ig5 ig 6

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)互に平行に配置され、少なくとも1つの側面に金
    属被覆を施した少なくとも2つのセラミック板を有する
    電力用半導体モジュールにお込て、 2つの基板(2,3)の間に、少なくとも1つの制御型
    電力用半導体素子(5)が配置され、前記制御型電力用
    半導体素子(5)は直接に又は調整用部材(7)を介し
    て、その制御型電力用半導体素子(5)の上下にお込て
    前記基板(2,3)の金属被覆部(4)と接触し、制御
    型電力用半導体素子(5)の上方に設けられた前記基板
    (3)が、制御用接続部(例えばx4,1g)の貫通孔
    C11)を有することを特徴とする電力用半導体モジュ
    ール。 (2)前記電力用半導体モソー−ル(1)が、少なくと
    も部分的に封止用コンパウンドで充填されているハウジ
    ング内へ据え付けられてbることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の電力用半導体モー)、L−ル。 (3)前記基板(2#3)の少なくとも1側面上に設け
    られた金属被覆部(4)が、条導体層構造として形成さ
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    電力用半導体モジュール。 (4)前記基板(2#J)の、互に対向する2つの条溝
    体層平面(1、I[)上に設けられた条導体層(9)を
    結合するため、コンタクトプランシャ(10)が設けら
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第
    3項の込ずれかlに記載の電力用半導体モジュール。 (5) 負荷電流回路と切し離して制御するための補助
    電流回路が一方の基板(3)の別個の条溝体層平面(I
    [[)上に配置されて騒ることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項乃至第4頂層ずれかlに記載の電力用半導体
    モジュール。 (6)高低差及び機械応力の双方又は一方を調整するた
    めに、制御型電力用半導体素子(5)と基板(2,J)
    の間に調整用部材が設けられていることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項乃至第5項いずれか1に記載の電力
    用半導体モジュール。 (7)はんだ付は前及びはんだ付は中に、前記素子(5
    ,6)等を電力用半導体モジュール(1)内に位置付け
    するため、絶縁した耐熱性のセンタピン(21)が設け
    られてhることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至
    第6項りずれかlに記載の電力用半導体モジュール。 (8)前記素子(5,6)を位置付けするためガイドス
    リーブ(12)が設けられていて、そのがイドスリーブ
    Cl2)が前記基板(3)と、半導体素子(6)上に設
    けられた調整用部材(7)の開口部との孔(13)を貫
    通していることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至
    第7項いずれかlに記載の電力用半導体モジュール◎(
    9)前記素子Cs*e)を位置付けするために設けられ
    て込るカラー(18)付きスリーブ(17)が、前記基
    板(3)の上下両側面上の条溝体層平面(Il、I[l
    )において条導体層(9)を結合し、かつ又補助回路用
    に設けられた条溝体層平面(Iff)上の条導体層(9
    )と、制御型電力用半導体素子(5)及びサントイ、チ
    形半導体素子(6)に設けられたダート接続部(8)を
    結合するため、部分的に金属被覆部(19゜20)を有
    することを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第8項
    いずれか1に記載の電力用半導体モジュール。 α〔電力用半導体モジュール(1)内の個所には、コン
    タクトグランツヤ(10)が設けられていて、そのコン
    タクトプランツヤCl0)の上及び下の双方又は一方に
    設けられた条導体層(9)の形状が、コンタクトグラン
    ツヤ(10)の接触面に適合してbるので、コンタクト
    グランツヤ(10)がはんだ付けの間毛管作用によって
    保持されることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至
    第9項記載の電力用半導体モソ一一ル・ α力 前記素子(5,6)のP−)接続部(8)を補助
    回路用に設けられた条溝体層平面(III)上の条導体
    層(9)と電気的に結合するため、予めはんだ付けされ
    たコンタクトワイヤが具備されている特許請求の範囲第
    1項乃至第8項いずれか1に記載の電力用半導体モノニ
    ール。 (2)基板(2)がこの基板(2〕の上に配置された基
    板(3)よシ多少寸法が大きいことを特徴とする特許請
    求の範囲第1項乃至第11項いずれか1に記載の電力用
    半導体モジュール。 al 前記基板(2,3>上の金属被覆部(4)がダイ
    レクトパぐンディングによって形成されていることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項乃至第12項のいずれか
    lに記載の電力用半導体モジュール。 α◆ 前記基板(2)が冷却体と接触していることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項乃至第13項の込ずれか
    1に記載の電力用半導体モジュール・ (ト)前記電力用半導体モジュール(1)の上面が冷却
    体と接触してbることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項乃至第14項のhずれか1に記載の電力用半導体そり
    −−ル。 αQ 前記電力用半導体モジュール(1)の端子接続部
    (R,S、T、十、−H,に、G)が側方向に導出され
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第1
    5項いずれか1に記載の電力用半導体モジュール。 aカ 制御機能を有する集積回路がモジュールの中に取
    シ付けられてbることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項乃至第16項のbずれかlに記載の電力用半導体モー
    、7.−ル。 α榎 上部基板(3)がハウシングの蓋を形成し、下部
    基板(2)がハウシングの底を形成することを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項乃至第17項いずれか1に記載
    の電力用半導体モジュール。
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