(57)【要約】【課題】  連続的な荷重下におけるストリップ導体の絶縁体からの剥離が回避されるような、パワー半導体モジュールを発展させる。【解決手段】  冷却装置（４２）上に又はベースプレート（４０）上に配置するための基板（２）を有するパワー半導体モジュールにおいて、主面が第１の接続要素（６０）に面する適合要素（５０）の第１の主面（５００）は、一体的に接着され電気的に導通するように、そこに接続され、故に、接続の第１のタイプを形成し、主面が関連したストリップ導体（２２０，２２２）に面する第１の適合要素の第２の主面（５０２）は、電気的に導通し一体的に接着されるように、接続要素（７０）によってそこに接続され、故に、接続の第２のタイプを形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却装置（４２）上に又はベースプレート（４０）上に配置するための基板（２）を有するパワー半導体モジュールにおいて、
前記基板（２）は、
絶縁体（２０）と、
パワー半導体モジュールの内部に面する前記絶縁体の第１の主面上に配置された第１の金属層（２２）であって、それ自体構造化され、故に、第１のストリップ導体（２２０，２２２）を形成する第１の金属層と、
パワー半導体モジュールの内部から離れて面する前記絶縁体の第２の主面上に配置された第２の金属層（２４）と、を有し、
パワー半導体コンポーネントは、ストリップ導体（２２０，２２２）上に配置され、電気的に導通するようにそこに接続され、
第１の適合要素（５０）は、前記ストリップ導体又は更なるストリップ導体（２２０，２２２）上に配置され、
接続要素（６０）は、前記適合要素上に配置され、
主面が前記第１の接続要素（６０）に面する前記適合要素（５０）の第１の主面（５００）は、一体的に接着され電気的に導通するように、そこに接続され、故に、接続の第１のタイプを形成し、
主面が前記関連したストリップ導体（２２０，２２２）に面する前記第１の適合要素（５０）の第２の主面（５０２）は、電気的に導通し一体的に接着されるように、接続要素（７０）によってそこに接続され、故に、接続の第２のタイプを形成する、パワー半導体モジュール。
【請求項２】
第２の適合要素（５２）は、冷却装置（４２）又はベースプレート（４０）に対して配置され、
主面が前記第２の金属層（２４）に面する前記第２の適合要素（５２）の第１の主面（５２０）は、第１の接続方法によって、一体的に接着されるように接続手段（７２）によってそこに接続され、
主面が前記冷却装置（４２）又は前記ベースプレート（４０）に面する前記適合要素（５２）の第２の主面（５２２）は、第２の接続方法によって、一体的に接着されるようにそこに接続される、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記接続の第１のタイプは、はんだ付接続、圧力焼結接続又は溶着接続、特に摩擦溶着接続又はクラッディング接続、特にロールクラッディング接続の形態であり、
前記接続の第２のタイプは、接続手段を有する接続の形態、特にはんだ付接続又は圧力焼結接続の形態である、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記第１の適合要素（５０）は、前記基板（２）の熱膨張係数と前記接続要素（６０）の熱膨張係数との間の差の最大３０％でプラス／マイナスだけ前記熱膨張係数の平均値からずれる熱膨張係数を有する、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記第２の適合要素（５２）は、前記基板（２）の熱膨張係数と前記冷却装置（４２）の熱膨張係数又は前記ベースプレート（４０）の熱膨張係数との間の差の最大３０％でプラス／マイナスだけ前記熱膨張係数の平均値からずれる熱膨張係数を有する、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
各適合要素（５０，５２）は、前記基板（２）の関連する金属層（２２，２４）の少なくとも３倍の厚さである厚さを有する、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記第１の適合要素（５０）は、前記接続要素（６０）の関連した接触面の横方向の大きさ（６０ａ，６０ｂ）の最大で１．５倍であるそれぞれの横方向の大きさ（５０ａ，５０ｂ）を有する、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
前記第１の適合要素は、関連するストリップ導体のエッジ領域の直近又はコーナー領域の直近に配置される、請求項７に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
前記第１の適合要素（５０）自体は、前記接続要素（６０）と接触面が前記基板（２）から離れて面するパワー半導体コンポーネント（３０）の第１の接触面（３００）との間の内部接続デバイスの形態である、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
前記第２の適合要素（５２）は、前記基板（２）の関連する第２の金属層（２４）の大きさより大きい横方向の大きさを有する、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁基板、絶縁基板に配置されたストリップ導体、前記ストリップ導体に配置されたパワー半導体コンポーネント、外部の電気的な接続のための接続要素を有するパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に知られている従来技術によれば、このタイプのパワー半導体モジュールの接続要素は、容易に電気的に導通する金属、例えば銅や、高い銅の含有量の合金から形成される。公知の基板は、酸化アルミニウム（aluminium oxide）、窒化アルミニウム（aluminium nitride）又は窒化シリコン（silicon nitride）等のセラミック材からなる絶縁体を有する。一般的には、銅製のストリップ導体（strip conductor）は、その技術分野における従来の方法で前記絶縁体上に配置される。したがって、基板、即ち、絶縁体とストリップ導体のアセンブリは、一般的に、２＊１０−６Ｋ−１の範囲内の膨張係数を有する。一方、接続要素は、一般的に、１６＊１０−６Ｋ−１の膨張係数を有する。本タイプのパワー半導体モジュールの一例が公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ストリップ導体への接続要素の電気的に導通する接続は、その技術分野における従来の方法において、一体的に接着された接続の形態を頻繁にとる。パワー半導体モジュールの連続的な作動の間、関係しているコンポーネンツの異なった膨張率によって決定される力は、上述の接続に関して作用する。接続要素とプリント回路基板の一体的に接着された接続が頻繁に非常に安定していることが示されている。対照的に、基板部品、即ちストリップ導体や絶縁体の接続は、頻繁に耐荷重以下になる。これは、絶縁体からストリップ導体、並びにそこに接着されている接続要素の一般的に局所的な制限された剥離という結果になる。
【０００４】
同等の効果（結果）は、接続要素とプリント回路基板との一体的に接着された接続の製造の間、例えば関連したストリップ導体部と絶縁体との間の接続を局所的に破壊する溶着作業でも生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＤＥ  １０  ２００９  ０３７  ２５７  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、これらの事情を考慮して、連続的な荷重下におけるストリップ導体の絶縁体からの剥離が回避されるような、上述したタイプのパワー半導体モジュールを発展させるという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１の特徴を有するパワー半導体モジュールによる本発明によって達成される。好ましい実施形態は、それぞれの従属請求項に記載される。
【０００８】
本発明は、冷却装置上又はベースプレート上に配置するための基板を有するパワー半導体モジュールに基づく。パワー半導体モジュールの公知の２つの基本的なタイプは、以下に包摂させる。第１に、パワー半導体モジュール自体の一部として、熱分散ベースプレート（heat-distributing base plate）の属する技術分野における基本の構成において、上述のベースプレートは、パワー半導体モジュールに属していない冷却装置上にパワー半導体モジュールを固定するのに役立つ。第２に、パワー半導体モジュールの現代の変形は、このタイプのベースプレートを有しない。この構成に関しては、パワー半導体モジュールは、パワー半導体モジュールに属さない冷却装置上に、基板によって直接に固定される。
【０００９】
本発明に係るパワー半導体モジュールの基板は、パワー半導体モジュールの内部に面する、その第１の主面上に配置される第１の金属層と、パワー半導体モジュールの内部から離れて面する第２の主面上に配置される第２の金属層と、を備える絶縁体を有する。
【００１０】
第１の金属層は、それ自体を構造化し、そのため、基板の第１のストリップ導体を形成する。パワー半導体コンポーネントは、第１のストリップ導体上に配置され、電気的に導通する方法でそこに接続される。更に、第１の適合要素は、上述のストリップ導体又は基板の更なる第１のストリップ導体上に配置され、接続要素は、上述の適合要素上に配置される。この場合、主面が接続要素に面する第１の適合要素の第１の主面は、上述の接続要素に、一体的に接着され電気的に導通するように接続される。
【００１１】
上述の一体的に接着された接続は、基本的に対象固有に（subject-specifically）形成される接続の第１のタイプを形成する。
【００１２】
この場合、主面がストリップ導体に面する第１の適合要素の第２の主面は、電気的に導通し、一体的に接着されるような接続手段によって、前記ストリップ導体に接続され、故に、この目的のために必要な接続手段を明示的に要求する接続の第２のタイプを形成する。したがって、前記接続の第２のタイプは、接続の第１のタイプのサブグループを形成する。
【００１３】
第１の適合要素を有するパワー半導体モジュールの利点は、連続的な作動間の交互の熱負荷（alternating thermal loadings）が接続要素とストリップ導体の間の単一の接続を有し、故に、前記接続は、負荷の全てを吸収できるということに特に帰する。それどころか、負荷は、２つの接続に分配される。
【００１４】
次のオプション機能（optional features）は、当然のことながら、本発明に係るパワー半導体モジュールおいて、それら自身で又は任意の組み合わせで排他的に実施（実現）可能である。
【００１５】
特に好ましい改良において、パワー半導体モジュールは、冷却装置又はベースプレートに対して配置される第２の適合要素を有する。この場合、主面が第２の金属層に面する第２の適合要素の第１の主面は、一体的に接着された方法で接続手段によって接続される。つまり、前記接続は、今度は、接続の第２のタイプに対応する。主面が冷却装置又はベースプレートに面する適合要素の第２の主面は、一体的に接着された方法でそこに接続される。つまり、前記接続は、接続手段を必ずしも必要としない接続の第１のタイプに対応する。
【００１６】
接続の第１のタイプの接続は、特に、明示的な接続手段、即ちはんだ付接続（soldered connections）や圧力焼結接続（pressure-sintering connections）を必要とするものでもあり、また、このタイプの接続手段を有しない、即ち溶着接続（welding connections）、特に摩擦溶着接続（friction welding connections）、又はクラッディング接続（cladding connections）、特にロールクラッディング接続（roll-cladding connections）を扱うものでもある。接続の第２のタイプは、常に、明示的な接続手段が必要とされることを特徴とする。したがって、前記接続のタイプは、特にはんだ付接続や圧力焼結接続として設計される。
【００１７】
第１の適合要素は、基板の熱膨張係数と接続要素の熱膨張係数との間の差の最大３０％でプラス／マイナスだけ、前記熱膨張係数の平均値から、ずれる熱膨張係数を有する場合に特に有利である。この適合要素（αＸ）は、次の式に従って、接続角（αＡ）の熱膨張係数と基盤（αＳ）の熱膨張係数のための上述の値で、得られる。
αＸ＝１／２＊（αＡ＋αＳ）±０．３＊｜αＡ−αＳ｜
熱膨張係数は、９±４＊１０−６Ｋ−１である。
例えば、モリブデンは、特に容易に、上記の値において適している。同様に有利には、２層又は３層の複合材料としても良い。
【００１８】
第２の適合要素が存在する場合、類似の形態が有利である。この場合、第２の適合要素は、基板の熱膨張係数と接続要素の熱膨張係数又はベースプレートの熱膨張係数との間の差の最大３０％でプラス／マイナスだけ、前記熱膨張係数の平均値から、ずれる熱膨張係数を有する。基板の熱膨張係数の上述された値と、例えばアルミニウムからなる１つの冷却装置の２３＊１０−６Ｋ−１の熱膨張係数で、適合要素は、１３．５±１０＊１０−６Ｋ−１である熱膨張係数を好ましくは有する。熱伝導のような更なる特性については、例えば、銅は、特に容易に、これに適している。
【００１９】
２つの上述した値の範囲に従って、特定の適合要素のために材料の選択をする場合は、その厚みの寸法は、相対的に小さくできる。例えば、３００μｍのストリップ導体の厚さで、第１の適合要素は、この厚さの範囲内で選択されて良い。具体的には、特に、ストリップ導体の厚さの半分まで更に薄くできる。
【００２０】
この改良の範囲内で、負荷、特に製造中は作動中の連続的な熱負荷によって生じる、絶縁体からストリップ導体の剥離は、直接的に又は非直接的に形成される接続によって特に効果的に防止される。
【００２１】
特定の適合要素の材料が上述の条件に従わない場合、各適合要素が基板の関連する金属層の少なくとも３倍の厚さに対応する厚さを有しているときは、相当する（比較できる）効果は、得られる。例えば、３００μｍのストリップ導体の厚さで、９００μｍの第１の適合要素の厚さは、最小の厚さを意味する。この改良では、熱膨張によって生じる、絶縁体からストリップ導体の剥離は、同様に効果的に防止され得る。
【００２２】
各接続要素は、好ましくは、自身（専用）の関連する第１の適合要素を有する。この場合、前記第１の適合要素は、接続要素に関する接触面の横方向の大きさ（拡張）の最大で１．５倍である、それぞれの横方向の大きさを有することを意図される。第１の適合要素が、関連したストリップ導体のエッジ領域又はコーナー領域の直近に配置される場合、特に有利である。
【００２３】
第１の適合要素自体が、接続要素と、接触面が基板から離れて面するパワー半導体コンポーネントの第１の接触面と、の間の内部接続デバイスとして開発される場合、代替的であるが、同様に好ましい。
【００２４】
第２の適合要素が、基板の関連した第２の金属層の大きさより大きい横方向の大きさを有する場合、特に有利である。第２の適合要素が冷却装置の不可欠な部分である場合、これは特に当てはまる。
【００２５】
更なる本発明の説明と有利な詳細と特徴は、図１〜４に示された例示的な実施形態、本発明に係る構成又はその部品の以下の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るパワー半導体モジュールの第１の実施形態からの抜粋を側面で示す側面図である。
【図２】本発明に係るパワー半導体モジュールの第２の実施形態からの抜粋を側面で示す側面図である。
【図３】本発明に係るパワー半導体モジュールの第３の実施形態からの抜粋を側面で示す側面図である。
【図４】本発明に係るパワー半導体モジュールの第４の実施形態からの抜粋を側面で示す側面図である。
【図５】本発明に係るパワー半導体モジュールを３次元分解図で示す分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、本発明に係るパワー半導体モジュールの第１実施形態からの抜粋を側面図で示す。その一部分の抜粋拡大も構造配置（配置構造）を明確にするために示されている。
【００２８】
パワー半導体モジュールの中央部分は、基板２である。基板２は、工業用セラミック、本実施形態では、１００μｍと７００μｍの間の厚さを有する酸化アルミニウムセラミックの形態の絶縁体２０からなり、絶縁体２０のそれぞれの主面２００，２０２上に２つの金属層２２，２４を有する。第１の金属層２２は、絶縁体２０の第１の主面２００上に配置され、主面は、パワー半導体モジュールの内部、つまり上述の層に面し、その部分に関しては、それ自体構造化される。したがって、相互から電機的に絶縁されるストリップ導体（strip conductor）２２０，２２２を形成し、そのうちの一方のみが示されている。
【００２９】
第２の金属層２４は、絶縁体２０の第２の主面２０２上に平面的に配置されている。第２の金属層２４が第１の層に関して鏡面対称に形成される場合、即ち、投影で合同である領域がストリップ導体２２０，２２２に向い合って存在する場合、基本的に有利であり得る。２つの金属層２２，２４は、１００μｍと５００μｍの間の厚さを有する銅から好ましくは構成され、そのそれぞれの露出面上に、貴金属層２６，２８を有している。貴金属層２６，２８は、好ましいが、接続の種類の全てに必要ではない。また、貴金属層２６，２８は、わずか数原子層から最大５μｍの厚さを有し、更には、それぞれの金属層２２，２４の一部であるとみなされる。この種類の基板２は、セラミック絶縁体２０と金属層２２，２４の材料の混合のため、おおよそ２＊１０−６Ｋ−１程度である熱膨張係数を有する。
【００３０】
第１の適合要素５０は、第２の主面５０２を有して、基板２のパワー半導体モジュールの内部に面する第１の主面２１０上に、配置される。また、接続の第２のタイプによって、ストリップ導体２２０に電気的に導通する方法で接続される。本発明によると、前記接続の第２のタイプによって形成される接続は、絶縁体２０上で金属層２２，２４の接着を、接続手段なしに一体的に接着される接続方法、特に溶着する接続方法より少ない負荷にするので、この接続は、接続手段７０、即ち接続の第２タイプによって形成できる。特に、これは、基板２がＤＣＢ法によって有利に製造される。
【００３１】
更に、ストリップ導体２２と第１の適合要素５０との間の焼結接続の場合、２つの対応する接触面に貴金属層を備えることは、有利である。これは、ストリップ導体２２のためにだけ説明されているが、第１の適合要素５０上に類似の方法でも備えられ得る。
【００３２】
上述の第１の適合要素５０は、好ましくは銅から形成される。なぜなら、銅は、非常に効率的な熱伝導性を有するからである。接続要素６０は、同様に銅から形成されるため、関連するストリップ導体２２の厚さの少なくとも３倍になるように、第１の適合要素６０の厚さを選択することが有利である。
【００３３】
接続要素６０は、第１の適合要素５０の第１の主面５００上で対応する接触面に配置され、一体的に接着され、電気的に導通する方法で接続されている。上述の一体的に接着された接続は、接続の第１のタイプ、特に溶着する接続として要求されるように形成されても良い。溶着する接続は、接続手段が接続パートナーとの間に配置されていない点で特徴付けられる。接続要素６０は、上述の機能を損なうことなく、表面電気めっき、例えばニッケルの表面電気めっきを有していても良い。接続要素６０と第１の適合要素５０との間の一体的に接着された接続が焼結接続である場合、貴金属面（図示せず）を有する少なくとも対応する接触面を形成することが同じように有利である。
【００３４】
図１に係る構成において、第１の接続要素６０は、図４にも示されるように、基板２のストリップ導体２２０のエッジ領域に配置されている。更に、この構成において、同じように図４に示されるように、第１の適合要素５０の横方向の大きさ（拡張）は、接続要素６０の接触領域の大きさよりわずかにだけ広い。
【００３５】
有利な方法に関して、第２の金属面２４は、その平面に配置された第２の適合要素５２を有する。上述の適合要素は、接続の第２のタイプによって、基板２の第２の金属層２４に接続される。
【００３６】
第２の適合要素５２とパワー半導体モジュールのベースプレート４０との間の接続は、接続の第１のタイプによって引き受けられる。ここに示された場合に関して、これが今度は焼結接続であり、その面に関して上述されたことは同様に適用される。
【００３７】
図２は、本発明に係るパワー半導体モジュールの第２実施形態からの抜粋を側面図で示す。パワー半導体コンポーネント３０が配置された更なるストリップ導体２２２は、図１に従って形成されたすべてとなる、基板２、第１の適合要素５０と接続要素６０に加えて、図示されている。上述のパワー半導体コンポーネント３０は、電気的に導通する方法で、接続の第２のタイプ、本実施形態では焼結接続によって、関連したストリップ導体２２２に同様に接続される。この実施形態では、第１の適合要素５０の接続は、両方とも同様に焼結接続の形態をとる。しかしながら、これは、特に、接続要素６０と第１の適合要素５０との間の溶着する接続を許可する上述した一般化のいずれかの限定を意味するものではない。
【００３８】
一体化（統合）された銅製の第２の適合要素５２を有する冷却装置４２は、更に示されている。前記一体化された冷却装置４２は、空気や液体を冷却するために設計されたアルミニウム本体を有する。第２の適合要素５２は、アルミニウム本体の凹部４２０に配置され、ロールクラッディング法（roll-cladding method）によって一体的に接着される。
【００３９】
第２の適合要素５２と第２の金属層２４との間の接続は、接続の第２のタイプ、本実施形態では今度は焼結法によって形成される。
【００４０】
第２の適合要素５２が、横方向の大きさ、即ち主面５２０，５２２に並行において、第２の金属層２４よりも大きいことは、この接続に関して特に有利である。これは、第一に組み立てを容易にし、第二に第２の適合要素５２を介して熱の拡散を向上させる。
【００４１】
図３は、本発明に係るパワー半導体モジュールの第３の実施形態からの抜粋を側面図で示す。この図は、ベースプレートや冷却装置を有していないが、一般化に限定されることはない。
【００４２】
第１の適合要素５０は、本実施形態では、上述の実施形態より、異なった材料、薄い厚さと実質上大きい横方向の大きさ、を有する。基板２や接続要素６０の材料は、上述されたものに対応する一方、第１の適合要素５０は、本実施形態では、モリブデンから形成される。モリブデンからの前記構成によって、ストリップ導体２２０，２２２の厚さの僅かに下にある値まで厚さを減らすことは特に簡単である。
【００４３】
したがって、第１の適合要素５０は、接続要素６０と、パワー半導体コンポーネント３０の接触面３００との間の内部接続デバイスとしても同時に作用し得る。この接触面は、基板２から離れて面する。この目的のため、第１の適合要素５０は、第１のストリップ導体２２０に接続されない２つのセクション５４，５６を有する。第１のセクション５４は、有利には、湾曲したデザインのものであり、パワー半導体コンポーネント３０の接触面３００に電気的に導通する方法で接続される第２のセクション５６に次第に変わる。可撓性の絶縁材料８０、特にゲル状は、本実施形態では、電気的な絶縁を提供するために湾曲した第１のセクションの下方に配置される。
【００４４】
上述の一般化を限定することなく、この構成の一体的に接着された接続７０，７２，７４のそれぞれは、本実施形態では、焼結接続の形態である。好ましくは、対応する接触面の全ては、貴金属面を有する。
【００４５】
図４は、本発明に係るパワー半導体モジュールの第４の実施形態からの抜粋を平面図で示す。２つのストリップ導体２２０，２２２を有する絶縁体２０は、ここに示されている。２つの第１の適合要素５０とパワー半導体コンポーネント３０は、１つのストリップ導体２２０の上に示されている。第１の適合要素５０は、ストリップ導体２２０のコーナー領域２３２の直近に配置されている。そして、更なる適合要素は、ストリップ導体２２０のエッジ領域２３０の直近に配置されている。パワー半導体コンポーネントと内部接続デバイス、例えばワイヤボンディングは、ストリップ導体の残っている領域の上に配置されているので、これは、しばしば必要である。具体的に、これらの場合には、エッジ領域２３０又はコーナー領域２３２は、外部接続のために役に立つ。絶縁体２０からストリップ導体２２０の着脱を防止することは、必要である。
【００４６】
第１の適合要素５０は、本実施形態では、接続された接続要素６０の対応する横方向の拡張部６０ａ，６０ｂの１．５倍より小さい横方向の拡張部５０ａ，５０ｂを有している。
【００４７】
図５は、本発明に係るパワー半導体モジュールを３次元分解図で示す。２つの部分のハウジング９０，９２は、前述の図から知られた構成のために、ここに示されている。接続要素６０は、負荷接続要素と補助接続要素の形態である。第１の適合要素５０上に位置するようになっており、溶着の方法で接続されている接続要素６０のこれらの部分は、ここで特にはっきり見られ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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