(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２）と、
少なくとも１つの第１パワー半導体素子および少なくとも１つの第２パワー半導体素子（３ａ／ｂ）と、
少なくとも１つの機械的に可撓な接続デバイス（４）とを備えたパワーアセンブリ（１）であって、
前記基板（２）は、前記パワー半導体素子（３ａ／ｂ）を回路様式に適って配置するため、相互に絶縁された複数の導体トラック（２２、２４、２６）を含む第１主面を有し、
前記各パワー半導体素子（３ａ／ｂ）の、基板から離れる方に面する各第１主面（３０）はそれぞれ少なくとも１つの第１コンタクト面（３１０ａ／ｂ、３１２）を有し、
前記可撓な接続デバイス（４）は、複数の導電膜（４０、４４）と、少なくとも１つの電気絶縁膜（４２）とが交互に並ぶ一連の層から構成され、この場合、少なくとも１つの導電膜（４０、４４）は、本来的に部分膜（４００ａ／ｂ／ｃ、４０２、４４０、４４２）を形成するように構造化され、
第１導電膜（４０）は、前記各パワー半導体素子（３）の第１主面（３０ａ／ｂ）に付随する第１コンタクト面（３１０ａ／ｂ、３１２）に導電的にかつ直接機械的に接続される第１コンタクト面（４１０ａ／ｂ、４１２）を含む少なくとも１つの第１部分膜（４００ａ／ｂ／ｃ、４０２）を有し、
前記第１導電膜（４０）の第１部分膜（４００ａ／ｂ、４０２）の少なくとも１つは、第１導電膜（４０）と第２導電膜（４４）の間に配置される前記絶縁膜（４２）を貫通する少なくとも１つの第１メッキ貫通孔（４８ａ）によって、第２導電膜（４４）の第２部分膜（４４０）に導電接続され、および、
第２パワー半導体素子（３ｂ）の第１コンタクト面（３１０ｂ）は、同様に、前記第２部分膜（４４０）に導電接続され、かつ、この第２部分膜（４４０）を介して、前記第１パワー半導体素子（３ａ）の第１コンタクト面（３１０ａ）に導電接続され、および／または、
前記基板（２）の第１導体トラック（２２）からは電気絶縁される前記基板（２）の第２導体トラック（２４、２６）の第２コンタクト面（２４４、２４６）は、前記第２部分膜に機械的に間接的にまたは直接的に導電接続され、かつ、この第２部分膜を介して、前記第１パワー半導体素子（３ａ）の第１コンタクト面（３１０ａ）に導電接続され、
第１導電膜（４０）の各第１部分膜（４００ａ／ｂ、４０２）が、対応するパワー半導体素子の端部までの水平方向の最大広がりを有し、したがって、水平方向においてパワー半導体素子（３ａ／ｂ）を覆ってさらにはみ出ることがない、パワーアセンブリ（１）。
【請求項２】
前記各パワー半導体素子（３ａ／ｂ）の第１コンタクト面（３１０ａ／ｂ、３１２）への前記第１膜（４０）の第１部分膜（４００ａ／ｂ、４０２）のコンタクト面（４１０ａ／ｂ、４１２）の直接的な機械的接続が、融着性結合または力締め付け方式の結合として具現化される、請求項１に記載のパワーアセンブリ。
【請求項３】
前記基板（２）の第２導体トラック（２４、２６）のコンタクト面（２４４、２４６）への第２部分膜（４４０、４４２）のコンタクト面（４４４、４４６）の直接的な機械的接続が、融着性結合または力締め付け方式の結合として具現化される、請求項１に記載のパワーアセンブリ。
【請求項４】
前記基板（２）の第２導体トラック（２４、２６）のコンタクト面（２４４、２４６）への第２部分膜（４４０、４４２）の間接的な機械的接続が、前記絶縁膜（４２）を介して前記第１導電膜（４０）の第３部分膜（４００ｃ）に至る第２メッキ貫通孔（４８ｂ）によって具現化され、前記第３部分膜は、前記第２導体トラック（２４、２６）のコンタクト面（２４４、２４６）に融着的にまたは力締め付け方式で結合されている、請求項１に記載のパワーアセンブリ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第１メッキ貫通孔（４８ａ）が、前記パワー半導体素子（３ａ／ｂ）の第１主面（３０ａ／ｂ）に隣接する絶縁膜（４２）の第１部分（４２０ａ／ｂ）に配置される、請求項１に記載のパワーアセンブリ。
【請求項６】
前記絶縁膜（４２）の第１部分（４２０ａ／ｂ）が、この部分の水平方向の広がりにおけるすべての側部において、前記各パワー半導体素子（３ａ／ｂ）を覆ってさらにはみ出る、請求項５に記載のパワーアセンブリ。
【請求項７】
前記絶縁膜（４２）の第１部分（４２０ａ／ｂ）が、対応するパワー半導体素子（３ａ／ｂ）に面する第２導体トラック（４４）のコンタクト面（４４４、４４６）の端部（４５４、４５６）まで広がっている、請求項６に記載のパワーアセンブリ。
【請求項８】
前記導電膜（４０、４４）が５０μｍ〜５００μｍの厚さを有し、前記少なくとも１つの絶縁膜（４２）が、１０μｍ〜１００μｍの厚さを有する、請求項１に記載のパワーアセンブリ。
【請求項９】
前記第１導電膜（４０）が前記第２導電膜（４４）より薄くなるように具現化される、請求項８に記載のパワーアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールから知られるようなパワーアセンブリであって、例えばハーフブリッジ回路のような機能ユニットを形成するパワーアセンブリを記載する。このタイプのパワーアセンブリは、パワー半導体素子を備えた基板と、必要な接続要素とから形成される。原理的には、この接続要素はワイヤ接合接続として知られている。
【背景技術】
【０００２】
このワイヤ接合接続に少なくとも部分的に、好ましくは完全に代わるものとして、例えば特許文献１から、導電性膜および絶縁性膜の膜複合集積体からなる機械的に可撓な接続デバイスが知られる。この場合、導電性膜が、元々構造化され、従って部分膜を形成し、その結果として、必要な可撓性が、実現されるべき接続トポロジーに対して実現されることが望ましい。しかし、このタイプの形態に関する不利な点は、例えば特許文献２に開示されているように、接続デバイスおよび基板の間に、電気絶縁性のフィラーが部分的に必要なことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００７００６７０６Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００７０４４６２０Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、特にパワー半導体素子の端部領域において、接続デバイスおよび基板の間に電気絶縁性のフィラーを部分的に設けることを省略し得るところまで接続デバイスが開発された既知のパワーアセンブリを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、請求項１によるパワーアセンブリによって、本発明に従って実現される。好ましい実施形態が従属請求項に記述される。
【０００６】
本発明の出発点は、ハウジングの外部接続要素と、少なくとも１つの機能性パワーアセンブリとからなるパワー半導体モジュールである。前記パワーアセンブリは、基板と、少なくとも１つの第１パワー半導体素子および少なくとも１つの第２パワー半導体素子と、少なくとも１つの機械的に可撓な接続デバイスとを有する。基板は、その一部として、パワー半導体素子を回路様式に適って配置するための、互に電気絶縁された複数の第１および第２導体トラックを備えた第１主面を有する。前記パワー半導体素子は、基板に面する主面上の第２コンタクト面に導電接続し、かつ、その位置の第１コンタクト面において対応する半導体トラック（semiconductor tracks）に機械的に接続することが望ましい。少なくとも１つの第１コンタクト面は、それぞれ、基板から離れる方に面するそれぞれのパワー半導体素子の主面上に配置される。
【０００７】
パワーアセンブリの可撓な接続デバイスは、導電膜と、少なくとも１つの電気絶縁膜とが交互に並ぶ一連の層から構成され、従って、原則として少なくとも３つの膜からなる積層体になる。導電膜の少なくとも１つは、本来的に部分膜を形成するように構造化され、その結果、前記膜が取り除かれた積層体の領域が生じる。
【０００８】
本発明によれば、第１導電膜は、付随する第１コンタクト面を含む少なくとも１つの第１部分膜を有し、前記第１コンタクト面は、対応するパワー半導体素子の第１主面上に付随する第１コンタクト面に直接機械的にかつ導電的に接続される。この場合、第１導電膜の前記第１部分膜は、第１導電膜および第２導電膜の間に配置される絶縁膜を貫通する少なくとも１つの第１メッキ貫通孔によって、第２導電膜の第２部分膜に導電接続される。
【０００９】
前記第１メッキ貫通孔は、パワー半導体素子の第１主面に隣接する絶縁膜の第１部分に配置することが望ましい。その結果、パワー半導体素子のコンタクト面と、第１部分膜のコンタクト面と、第１部分膜そのものと、メッキ貫通孔と、第２部分膜の一部分とから構成されるいわば垂直方向の一連の層が生じることになる。
【００１０】
さらに、絶縁膜の前記第１部分は、この部分の水平方向の広がりにおけるすべての側部において、各パワー半導体素子を十分に覆ってさらにはみ出ること、従って、前記素子を、第２膜から、あるいは少なくとも１つの第２部分膜から電気絶縁することが望ましい。
【００１１】
対照的に、第１導電膜の第１部分膜は、対応するパワー半導体素子の端部までの水平方向の最大広がりを有し、従って、水平方向においてパワー半導体素子を覆ってさらにはみ出ることはないことが望ましい。この場合、この第１部分膜は、第２導電膜に関する接続用としてのみ役立つことになり、一方、その第２導電膜が、パワー半導体素子のさらに別の内部的な、もしくは外部的な導電接続を形成する。この形態の場合には、第１導電膜を、できるだけ薄くなるように構成することが得策である。それは、第１導電膜の断面における電流搬送容量が、第２導電膜に比べて低いことが判明し得るからである。
【００１２】
さらに、第２パワー半導体素子の第１コンタクト面は、同様に、第１部分膜および第１メッキ貫通孔によって、第２部分膜に、従って第１パワー半導体素子の第１コンタクト面に導電接続され、これによって、２つのパワー半導体素子の第１主面の、またはそれに配置されるコンタクト面の導電接続が、第２部分膜によって生じる。
【００１３】
上記に対する代替方式または追加として、基板の第１導体トラックからは電気絶縁される基板の第２導体トラックの第２コンタクト面が、第２部分膜に機械的に間接的にまたは直接的に接続され、その結果、パワー半導体素子またはその第１コンタクト面への前記第２コンタクト面の導電接続が形成される。この場合、直接的な機械的接続は、第２導電膜の第２部分膜のコンタクト面への基板の第２導体トラックの第２コンタクト面の融着性結合または力締め付け方式の結合によって形成することが望ましい。
【００１４】
この場合、代替的な間接的機械的接続を、第１導電膜の第３部分膜（４００ｃ）の融着性結合または力締め付け方式の結合によって形成することが望ましい。この第３部分膜（４００ｃ）は、絶縁膜を貫通する第２メッキ貫通孔によって第２導電膜に接続される。
【００１５】
結論的に、直接的な機械的接続というのは、離れているとしても例えば接着剤のような結合剤によってのみ互いに離隔される２つの結合物体の結合であると理解されるべきである。対照的に、間接的な機械的接続は、結合物体の間に配置される別の要素を有する。
【００１６】
以下、本発明による解決策を、典型的な実施形態に基づいて図１〜４を参照して詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ハーフブリッジ回路構成の回路図を示す。
【図２】本発明によるパワーアセンブリの第１形態を断面図で示す。
【図３】前記のパワーアセンブリを平面図で示す。
【図４】本発明によるパワーアセンブリの第２形態を断面図で示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、ハーフブリッジ回路構成の回路図を示す。前記ハーフブリッジ回路は、直列回路における第１および第２のパワースイッチから構成され、前記直列回路のＤＣ電圧入力と、前記直列回路の中央タップにおけるＡＣ電圧出力とを備えている。通常、前記各パワースイッチは、並列に逆接続されたパワーダイオードを含む複数のパワートランジスタによって、パワー半導体素子（３）として形成される。
【００１９】
前記ハーフブリッジ回路構成は、多様な異なるパワー半導体モジュールにおいて実現される重要な基本タイプのパワーエレクトロニクス回路を形成する。本発明によるパワーアセンブリは、例えば、正確に１つのこのタイプのハーフブリッジ回路構成を、パワー半導体モジュールの機能ユニットとして含む。本発明によるパワーアセンブリがこのトポロジーに限定されないことは言うまでもない。
【００２０】
図２は、本発明によるパワーアセンブリの第１形態を断面図で示す。この図は、相互に電気絶縁された第１導体トラック（２２）および第２導体トラック（２４）を有する基板（２）を示している。この形態においては、基板（２）は、この絶縁機能を形成するために、絶縁物質、例えば絶縁性セラミックからなる基体（２０）を有する。この図は、さらに、パワー半導体素子（３ａ）、この場合、パワーダイオードを示しているが、これは、２つの主面（３０ａ、３２）と、その主面上に配置されるコンタクト面（３１０ａ、３２０）とを有する。ここで、第２コンタクト面（３２０）は、基板（２）の第１導体トラック（２２）に導電接続され、かつ機械的に固定される。
【００２１】
接続デバイス（４）は、基板（２）から離れる方に面するパワー半導体素子（３）の面に配置される第１コンタクト面（３１０ａ）を第２導体トラック（２４）に導電接続するために設けられる。この場合、前記接続デバイス（４）は、第１導電膜（４０）および第２導電膜（４４）と、その間に配置される絶縁膜（４２）とを有する膜複合集積体である。この膜複合集積体（４）の機械的な可撓性を得るために、導電膜（４０、４４）は５０μｍおよび５００μｍの間の厚さを有し、絶縁膜（４２）は１０μｍおよび１００μｍの間の厚さを有することが望ましい。
【００２２】
さらにこの場合、前記の膜複合集積体（４）の両導電膜（４０、４４）は、本来的に、膜の一部として膜に付属する個別の部分膜（４００ａ、４４０）を形成するように構造化される。絶縁膜（４２）も同様に構造化される。その結果、複合集積体（４）は、断面においてのみ、完全に３つの膜から形成される。例えば、基板（２）に面する第１導電膜（４０）は、第１主面（３０ａ）の上部に、すなわち第１主面（３０ａ）に直接隣接して、かつ、パワー半導体素子（３）のその位置の第１コンタクト面（３１０ａ）の領域のみに限定される態様で、第１部分膜（４００ａ）を形成する。例えば、すべての既知の融着性の結合、特に焼結結合も、導電接続のための結合技術として適している。原理的には、力締め付け方式の結合も同様に用いることができる。
【００２３】
この領域においては、膜複合集積体（４）の複数の切り取り部から構成される第１メッキ貫通孔（４８ａ）も設けられる。これは、第１導電膜（４０）の第１部分膜（４００ａ）を第２導電膜（４４）の第２部分膜（４４０）に導電接続するためのものである。
【００２４】
この第２部分膜（４４０）は、第２導体トラック（２４）のコンタクト面（２４４）に、専用に割り当てられるコンタクト面（４４４）を直接的に介して、導電的にかつ直接機械的に接続される。この接続の形成には、融着性結合または力締め付け方式の結合が同様に適している。
【００２５】
さらに、基板（２）の第２導体トラック（２４）への第２部分膜（４４０）の間接的な機械的接続が、直接的な機械的接続に対する代替方式として表現されている。このために、接続デバイス（４）は、第１導電膜（４０）の第３部分膜（４００ｃ）を有しており、この第３部分膜（４００ｃ）は、第２メッキ貫通孔（４８ｂ）によって導電接続される。この第２メッキ貫通孔（４８ｂ）は第１メッキ貫通孔と同形に具現化することが望ましい。前記第３部分膜（４００ｃ）は、経済的な生産という理由からは当然であるが、第１部分膜（４００ａ）をパワー半導体素子（３）のコンタクト面（３１０ａ）に接続するのと同じ結合技術を用いて、第２導体トラック（２４）またはそのコンタクト面（２４４）に接続することが望ましい。
【００２６】
原理的には、第２導体トラック（２４）への第２部分膜（４４０）の直接的および間接的両方の機械的接続をパワーアセンブリ内部に設けることが可能である。これは、空間的な要請および周囲の素子の状況に応じて選択可能である。例えば、パワー半導体素子（３）と、第２導体トラックとの接触位置との間の距離が非常に短い場合に、高い電流搬送容量のために第２導電膜（４４）を特に厚く選定しなければならないとすれば、間接的な接合が好ましいであろう。それは、その結果として、接続デバイス（４）の機械的な可撓性が低下するからである。接続デバイス（４）によって遂行されるべき他の可能性の種類および個数が、同様に、特定の用途におけるこの選択に影響する。
【００２７】
２つの導電膜（４０、４４）の間に配置される絶縁膜（４２）は、上記の目的のため、第２部分膜（４４０）を第２導体トラック（２４）の第２コンタクト面（２４４）に直接接続する領域において切り取られる。従って、パワー半導体素子（３）の第１主面（３１０ａ）を第２導体トラック（２４）に接続する領域においては、絶縁膜（４２）は、パワー半導体素子（３）を覆ってさらにはみ出ており、その絶縁膜（４２）の範囲は、パワー半導体素子（３）の端部領域を超えて、第２導体トラック（２４４）を第２部分膜（４４０）に接続する端部（４５４）にまで及ぶ。絶縁膜（４２）が、すべての側部において、パワー半導体素子（３）の端部領域を超えてパワー半導体素子（３）を覆うことが望ましい。
【００２８】
この形態の本質的な利点は、この場合、絶縁膜（４２）が、第１導体トラック（２２）に向く第２部分膜（４４０）の電気絶縁体として作用し、従って、この絶縁を形成するための付加的な手段の使用が省略され得ないという事実に基づく。
【００２９】
図３は、上記のパワーアセンブリを平面図で示す。但しこの場合、パワー半導体素子（３ａ）として、パワートランジスタが設けられる。前記パワートランジスタ（３ａ）は、その第１主面（３０ａ）に、２つの第１コンタクト面（３１０ａ、３１２）を有しており、その内の大きい方（３１０ａ）は負荷接続用として、小さい方（３１２）は制御接続用として用いられる。図は、３つの導体トラック（２２、２４、２６）を有する基板（２）を示しているが、この場合、第１導体トラック（２２）および１つの第２導体トラック（２４）は負荷電流搬送用として用いられ、別の第２導体トラック（２６）は制御電流搬送用として用いられる。
【００３０】
第２導体トラック（２４、２６）は、それぞれコンタクト面（２４４、２４６）を有するが、このコンタクト面（２４４、２４６）は、第２導電膜（４４）の、それぞれ第２の、但し相互に電気絶縁された部分膜（４４０、４４２）に、直接機械的にかつ導電的に接続するためのものである。図２においても表現される１つの第２部分膜（４４０）は、パワー半導体素子（３）の負荷コンタクト面（３１０ａ）を１つの第２導体トラック（２４）に接続し、一方、もう１つの第２部分膜（４４２）は、パワー半導体素子（３）の制御コンタクト面（３１２）を別の第２導体トラック（２６）に接続する。
【００３１】
それぞれの第１部分膜（４００ａ）の平面図における横方向の広がり、従ってそれに付随する第１導電膜（４０）のコンタクト面（４１０ａ）の横方向の広がりは、図２における水平方向の広がりに対応するが、この場合、この広がりは、それぞれ、パワー半導体素子の対応するコンタクト面（３１０ａ）の横方向広がりよりも小さい。
【００３２】
絶縁膜（図３には表現されていない）の平面図における横方向の広がりは、図２における水平方向の前記広がりに対応するが、このような形態の場合、絶縁膜の横方向広がりは、すべての側部で、第２導体トラック（２４、２６）および第２部分膜（４４０、４４２）の間において、パワー半導体素子（３）を超えて、コンタクト面（２４４、４４４、２４６、４４６）のそれぞれの端部（４５４、４５６）にまで達する。
【００３３】
図４は、本発明によるパワーアセンブリの第２の形態を断面図で示す。この図は、並列接続された２つの同一のパワー半導体素子（３ａ／ｂ）の導電接続を示している。このような接続は、ハーフブリッジ回路を技術的に実現する際に必要になる場合が多い。並列に逆接続されたパワーダイオードを備えたパワートランジスタを含む回路が、同じ方式で形成される。
【００３４】
この場合、２つのパワー半導体素子（３ａ／ｂ）が、基板（２）の共通の第１導体トラック（２２）上に配置され、それらの第２コンタクト面（３２０）によって導電接続される。この共通の導体トラック（２２）は、原則として図２におけるものと同等に具現化される。第１主面（３０ａ／ｂ）上の第１コンタクト面（３１０ａ／ｂ）は、それぞれ、第１導電膜（４０）の第１部分膜（４００ａ／ｂ）に接続されるが、この場合、本発明によれば、前記第１導電膜（４０）は、それぞれのパワー半導体素子（３ａ／ｂ）の間の導電接続を形成しない。従って、前記接続を形成するためには、第１部分膜（４００ａ／ｂ）の水平方向の広がりが、パワー半導体素子（３ａ／ｂ）の水平方向の広がりよりも小さければそれで十分である。さらに、第１部分膜（４００ａ／ｂ）の水平方向の広がりが、それぞれのパワー半導体素子（３ａ／ｂ）の付随するコンタクト面（３１０ａ／ｂ）の水平方向の広がりよりも小さければなお好ましい。
【００３５】
２つのパワー半導体素子（３ａ／ｂ）を接続するために、それぞれの第１部分膜（４００ａ／ｂ）は、第１メッキ貫通孔（４８ａ）によって、第２導電膜（４４）の共通の第２部分膜（４４０）に導電接続される。その結果、この第２部分膜（４４０）も、パワー半導体素子（３ａ／ｂ）の間の導電接続を形成する。
【００３６】
この形態においても、第１導電膜（４０）は、断面において高い電流搬送容量を有する必要がないので、第２導電膜（４４）に比べて特に薄く形成することが可能である。絶縁膜（４２）も、通常は、適切な選択をした場合には非常に薄くなるように、従って第２導電膜（４４）のみが可撓性を左右するように具現化し得るので、全接続デバイス（４）は高い機械的可撓性を有する。この特徴は、本発明においては、パワーアセンブリ内部の付加的な絶縁手段を省略し得るというすでにのべた利点と対に組み合わされる。
【００３７】
さらに、詳細図は、第１メッキ貫通孔（４８ａ）の実施形態を示している。この場合、図２における第２メッキ貫通孔（４８ｂ）も全く同じ方法で具現化するのが有利である。メッキ貫通孔（４８ａ）は、接続デバイス（４）のすべての膜（４０、４２、４４）を一直線に貫通する、複数の、好ましくは多数の丸い切抜き（４８０）から構成される。前記切抜き（４８０）と、導電膜（４０、４４）の全曝露表面とは、理想的には一様な厚さを有する金属化部分（４８２）によって被膜処理される。この金属化部分（４８２）の厚さは１μｍ程度にするのが有利である。
【符号の説明】
【００３８】
１        パワーアセンブリ
２        基板
２０      基体
２２      第１導体トラック
２４      第２導体トラック
２４４    第２コンタクト面
２４６    第２コンタクト面
２６      第２導体トラック
３        パワー半導体素子
３ａ      第１パワー半導体素子
３ｂ      第２パワー半導体素子
３０ａ    第１主面
３０ｂ    第１主面
３１０ａ  第１コンタクト面
３１０ｂ  第１コンタクト面
３１２    第１コンタクト面
３２      第２主面
３２０    第２コンタクト面
４        接続デバイス
４０      第１導電膜
４００ａ  第１部分膜
４００ｂ  第１部分膜
４００ｃ  第３部分膜
４０２    第１部分膜
４１０ａ  第１コンタクト面
４１０ｂ  第１コンタクト面
４１２    第１コンタクト面
４２      電気絶縁膜
４４      第２導電膜
４４０    第２部分膜
４４２    第２部分膜
４４４    コンタクト面
４４６    コンタクト面
４５４    コンタクト面の端部
４５６    コンタクト面の端部
４８ａ    第１メッキ貫通孔
４８ｂ    第２メッキ貫通孔
４８０    切り抜き（貫通孔）
４８２    金属化部分
【図１】
0005877011.tif 000002
【図２】
0005877011.tif 000003
【図３】
0005877011.tif 000004
【図４】
0005877011.tif 000005