(57)【要約】電力半導体モジュール（１）は、１つ以上の半導体コンポーネント（６、７、８）が上部に配置された少なくとも１つの基板と、この基板（２）に作用するプレス装置（４０）とを有する。このプレス装置（４０）は、実装された状態で、半導体コンポーネントによって、動作中に発生した熱損失を散逸させる目的で、基板（２）を冷却エレメント（３０）に押し付けるために用いられる。プレス装置（４０）は、１つ以上の弾性領域（１６、１７、１８、１９）を有するモジュールハウジング（１０）によって形成される。
2005506698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却エレメント（３０）上に取り付けるための電力半導体モジュールであって、
１つ以上の半導体コンポーネント（６、７、８）が配置された少なくとも１つの基板（２）と、実装された状態の該基板（２）を該冷却エレメント（３０）に押し付けるために、該基板（２）に作用するプレス装置（４０）とを有する電力半導体モジュールであって、
該プレス装置は、１つ以上の弾性領域（１６、１７、１８、１９）を有するモジュールハウジングによって形成される、電力半導体モジュール。
【請求項２】
前記弾性領域（１６、１７、１８、１９）は、前記モジュールハウジング（１０）と一体化した材料コンポーネントである、請求項１に記載の電力半導体モジュール。
【請求項３】
前記プレス装置（４０）は、前記基板（２）上に均等に分布した複数の地点で、該基板（２）に作用する、請求項１または２に記載の電力半導体モジュール。
【請求項４】
前記プレス装置（４０）は、前記弾性領域（１７）と接続されたプレススタンプ（２５）を有する、請求項１、２または３に記載の電力半導体モジュール。
【請求項５】
前記プレス装置（４０）は、前記基板（２）のエッジ領域（２８）の周囲に作用する、請求項１、２、３または４に記載の電力半導体モジュール。
【請求項６】
前記モジュールハウジング（１０）は、第１のハウジング部分（１２）と、該第１のハウジング部分（１２）にばね力（Ｆ）を加える第２のハウジング部分（１４）とを備える、請求項１〜５の１つに記載の電力半導体モジュール。
【請求項７】
前記弾性領域（１６、１７、１８、１９）は、前記モジュールハウジング（１０）における凹部および／または断面が狭窄した領域によって形成される、請求項１〜６の１つに記載の電力半導体。
【請求項８】
前記弾性領域（１６、１７、１８、１９）は、前記モジュールハウジング（１０）上に一体形成されるスプリングエレメント（６９、７０、７３、７６）によって形成される、請求項１〜７の１つに記載の電力半導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却エレメント上に取り付けるための、１つ以上の半導体コンポーネントが配置された少なくとも１つの基板を有し、かつ、該基板が実装された状態で、基板を冷却エレメントに押し付けるために、基板に作用するプレス装置を有する電力半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＥ１９９  ４２  ９１５  Ａ１号に記載される、このような電力半導体モジュールの場合、絶縁性および熱伝導性マウント（基板）の上面上に、複数の電力半導体が、ロウで配置され、かつ、基板の上面上に伸びる導体トラックと接続される。
【０００３】
基板の下面は、プレス装置によってヒートシンクに押し付けられる。
【０００４】
電力半導体モジュールの動作中に、熱の形態で生じる電力損失は、ヒートシンクを介して散逸される。効率的な熱散逸および低い熱接触抵抗、従って、電力半導体モジュールの信頼性のある動作のために、ヒートシンクは、ギャップを有することなく、基板の下面に平坦に置かれなければならない。
【０００５】
この場合の１つの問題は、半導体モジュールコンポーネントにおける異なった材料（例えば、基板および半導体材料）の熱膨張係数が異なるために生じる、モジュールにかかる内部機械的応力である。
【０００６】
これらのストレスは、基板、すなわち電力半導体モジュール下面に所望でない変形をもたらし、これにより、平坦な接触面が、もはや保証されなくなる。これにより、ヒートシンクと基板との間の熱伝達に影響を及ぼす中間空間および空隙が生じる。この問題は、基板のサイズが大きくなるにつれて悪くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この問題を解決するために、ベースプレートとして金属プレートをさらに提供し、その上面に基板の下面が、例えば、はんだ付けされることが考えられる。従って、中間はんだ層は、形状の不一致を補正する。ベースプレートの下面は、（いわゆる、ヒートスプレッダとして）均等な熱分布を提供するため、および、機械的応力を吸収するために、ヒートシンクと接続される。しかしながら、この設計は、ベースプレートを追加してフィッティングさせた結果として、およびこのようにして設計された電力半導体モジュールの全コストを増加させる。
【０００８】
原則的に、例えば、ＤＥ１９７  ２３  ２７０  Ａ１号から基本的に公知である外部ブラケットによって接触力を増加させることも考えられる。しかしながら、基板に高い局所的接触圧が重くかかる場合、基板を破損させる危険がある。この危険は、基板のサイズと共に大きくなる。さらに、さらなるブラケットの使用は、アセンブリプロセスを複雑にし、コストをより増加させる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、別個のコンポーネントを追加することなく、冷却エレメントまたはヒートシンクとの良好な熱接触を保証する低コストで製作され得る電力半導体モジュールを提供するという目的に基づく。
【００１０】
冒頭で述べられたタイプの電力半導体モジュールの場合、本発明により、この目的は、１つ以上の弾性領域を有するモジュールハウジングによって形成されたプレス装置によって達成される。
【００１１】
本発明のある主要な局面は、モジュールハウジングの多機能の使用である。これは、基板を冷却エレメントまたはヒートシンクに押し付けるための、個別に製造、処理およびインストールされるべき個々の部品が必要とされない。ハウジングは、ヒートシンク上に電力半導体モジュールを固定すること、および、良好な熱接触を生成することを、単一のアセンブリプロセスで可能にする。
【００１２】
本発明のさらなる主要な局面は、寸法交差、特に、ハウジングの寸法交差が、スプリングエレメントによって補正されることである。
【００１３】
このために、製造エンジニアリングの観点から、好ましくは、弾性領域は、ハウジングと一体化した材料構成要素であり得る。これらには、有利にも、ハウジング材料におけるカットアウトおよび／または断面狭窄を用いて、弾性特性が提供される。これは、特に、プラスチックからなり、かつ、例えば、プラスチック射出成形法を用いて生成されるハウジングを用いた場合に特に有利である。さらに、モジュールハウジングまたはハウジング部分と、スプリングエレメント（特に、プレススタンプ（ｐｒｅｓｓｉｎｇ  ｓｔａｍｐ）で）との一体形成により、モジュールハウジングおよびハウジング部分がより容易に製造され得、かつモジュールがより容易に組み立てられ得る。なぜなら、さらなる部品が必要とされないからである。
【００１４】
別個のコンタクトブラケットの使用に対して、本発明による電力半導体モジュールは、特定の地点に高圧がかかるのではなく、非常に均等な圧力の分布が達成され得るという利点をさらに有する。このために、本発明による電力半導体モジュールのある有利な展開は、基板上に均等に分布した複数の地点で基板に作用するプレス装置を提供する。このために、プレス装置は、有利にも、弾性領域に接続されたプレススタンプを有し得る。
【００１５】
基板とヒートシンクとの間の機械的接触の信頼性および均等性のさらなる向上は、基板の本発明のある好ましい改良点により、プレス装置が基板のエッジ領域上を取巻いて作用することによって達成され得る。
【００１６】
本発明による電力半導体モジュールの１つの有利な実施形態において、モジュールハウジングは、第１のハウジング部分、およびこの第１のハウジング部分にばね力を加える第２のハウジング部分を有する。
【００１７】
この弾性領域は、有利にも、モジュールハウジングにおける凹部および／または断面が狭窄した領域によってか、ならびに／あるいは、モジュールハウジング上に一体形成されたスプリングエレメント（例えば、スプリングストリップ、スプリングエンジ、スプリングクリップ等）によって形成され得る。
【００１８】
本発明の例示的実施形態は、模式図を参照する以下の記載においてより詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に示される電力半導体モジュール１は、複数の半導体コンポーネント６、７および８が上部に配置され、これらと電気的に接続されたセラミック基板（マウントエレメント）２が別々に示される。半導体コンポーネントは、（示された）ボンディングワイヤを介して、導体トラック（これ以上は説明されないが、基板２の表面上に形成されている）と接続される。導体トラックは、例えば、電力半導体モジュールの外部接続用のコンタクトピン（接続ピン）につながる。半導体コンポーネント６、７および８は、大きい熱損失を（熱に変換される）発生させるため、効率的な熱散逸を必要とする電力半導体であり得る。
【００２０】
半導体モジュールは、さらに、例示的実施形態において、２つのハウジング部分１２および１４から形成されるモジュールハウジング１０を有する。モジュールハウジング１０は、プラスチック射出成形法を用いて製作される。（図２に示されるように）ハウジング部分１２は、組み立てられた状態で、周囲を取巻くカラー１５が取り付けられたハウジング部分１５と嵌合し（ｃｌａｓｐ）する。ハウジング部分１２は、モジュールハウジング材料から一体形成された複数の弾性領域１６、１７、１８、１９を有する。弾性特性は、弾性エリアの領域で材料を切る（ｃｕｔ  ｏｕｔ）ことによって生成され得る。しかしながら、材料を局所的に（例えば、領域１７および１８において）薄くすることも可能であり、従って、スプリング弾性ストリップ（例えば、２０、２１）を形成する。これらのストリップは、ウェブの形態の、スタンプ２５のピボット点または接続点を形成する。
【００２１】
図２により、実装された状態の電力半導体モジュールの図が示されるように（アセンブリ手順は、図１にて矢印によって示される）、スタンプの自由端（フットポイント）２６が基板２の上面に作用する。弾性領域１６および１９は、カラー１５を介して、基板２のエッジ領域２８の周囲に間接的に作用する。
【００２２】
図２に示される、組み立てられた状態の電量半導体モジュールの図によって示されるように（組み立て手順は、図１において矢印で示される）、スタンプの自由端（フットポイント）２６は、基板２の上面に作用する。弾性領域１６および１９は、カラー１５を介して基板２のエッジ領域２８の周囲に間接的に作用する。組み立てられた状態で、モジュールハウジングは、ホール２９を通る取り付けねじ（図示せず）によって（例示的に示されるにすぎない）ヒートシンク３０にねじ留めされる。
【００２３】
これによって生じるねじ力は、図３においてＦ１で示される。このねじ留めによって、弾性領域１６、１７、１８、１９は、これらのばね力に対して偏向され、これにより、これらの領域がもとの位置に跳ね返ろうとする、これらの領域の弾性挙動および試みにより、対応するばね力Ｆ２およびＦ３が生成される。
【００２４】
ばね力は、カラー１５（力Ｆ２）およびスタンプ２５（力Ｆ３）を介して、基板に伝達されて、この基板がヒートシンク３０と均等に接触し、従って、この基板を保護することを保証する。従って、モジュールハウジングは、半導体コンポーネント６、７、８を保持、保護およびシールするためのハウジングとしてだけでなく、その弾性領域１６、１７、１８、１９でプレス装置４０としても機能するという、２つの機能を有する。
【００２５】
図４は、均等に分布した８個の弾性領域５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８を有するモジュールハウジング部分５０を示す。例として、弾性領域５６および５８は、大きく拡大されて示される。領域５６は、材料中のカットアウトまたはモジュールハウジング部分５０の突き出し部分としてのウェルの形態で形成される。ウェル６０の最深点でプレススタンプ６４の一端６２が一体形成される。
【００２６】
図５から見出され得るように、スプリングストリップ６９のような適切な材料の低減によって、モジュールハウジング部分５０の一方の側壁６６と保持ウェブ６８との間の領域５８が、ウェルの形態のスプリングエレメントとして同様に設計される。
【００２７】
図７は、大きく拡大して示された弾性領域のさらなる変形を示す。実際のスプリングエレメント７０は、湾曲した形状を有し得、ハウジングまたはハウジング部分の一方の壁または一方の保持ウェブ７１上に一体形成され得る。これらは、さらに、スプリングクリップ７３の形態であってもよいし、ハウジングまたはハウジング部分の１つの壁または１つの保持ウェブ７４とのみ一体形成されてもよい。
【００２８】
スプリングエレメント７６は、さらに、巻き上げストリップの形態であってもよく、ハウジングまたはハウジング部分の壁または保持ウェブ７７上に一体形成されてもよい。
【００２９】
これらの設計のすべては、発明による重要な局面として、的確に基板に作用し、この基板をヒートシンクに保護しながら押し付けることによって、分散した所定の地点にばね弾性特性を付加することを提供する。これは、有利にも、ハウジング構造が硬い場合に、板上に不均等な大きい機械的応力をかける寸法許容値を補償することも可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明による電力半導体モジュールの第１の例示的実施形態のコンポーネントを、組み立て前の断面で示す。
【図２】図２は、図１の例示的実施形態を組み立てられた状態で示す。
【図３】図３は、プレス装置の第１の例示的実施形態の接触力の分布を示す。
【図４】図４は、モジュールハウジング部分を示す。
【図５】図５は、図４に示されるモジュールハウジングの弾性領域を大きく拡大して詳細に示す。
【図６】図６は、図４に示されるモジュールハウジングのさらなる弾性領域を大きく拡大して詳細に示す。
【図７】図７は、弾性領域の変形を大きく拡大した形態で示す。
【符号の説明】
【００３１】
１          電力半導体モジュール
２          基板
６、７、８  半導体コンポーネント
１０        モジュールハウジング
１２、１４  ハウジング部分
１５        カラー
１６        弾性領域
２０、２１  スプリングストリップ
２５        スタンプ
２６        自由端（フットポイント）
２８        エッジ領域
３０        ヒートシンク
４０        プレス装置
５０        モジュールハウジング部分
５１、５２、５３、５４  弾性領域
５５、５６、５７、５８  弾性領域
６０        ウェル
６１        端部
６４        プレススタンプ
６６        側壁
６８        保持ウェブ
６９        スプリングストリップ
７０        スプリングエレメント
７１        保持ウェブ
７３        スプリングクリップ
７４        ハウジング
７６        スプリングエレメント
７７        保持ウェブ
Ｆ１        ねじ込み力
Ｆ２、Ｆ３  ばね力
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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