(57)【要約】ベースプレート（１）とカバープレート（２）とを備えた、圧力接触が可能なパワー半導体モジュールが提供される。このパワー半導体モジュールは、第１主要端子（３１）と、ベースプレート（１）と導電接続した第２主要端子（３２）とを有する少なくとも１つの半導体デバイス（３）と、更に、第１主要端子（３１）とカバープレート（２）との間に配置される少なくとも１つのバネ要素（４）とを備える。第１主要端子（３１）とカバープレート（２）との間の導電接続は、バネ要素（４）の内側区域を通って導かれる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースプレート（１）と、
カバープレート（２）と、
第１主要端子（３１）と、前記ベースプレート（１）と導電接続した第２主要端子（３２）とを有する少なくとも１つの半導体デバイス（３）と、
前記第１主要端子（３１）と前記カバープレート（２）との間に配置される少なくとも１つのバネ要素（４）と、
を備える圧力接触が可能なパワー半導体モジュールであって、
前記第１主要端子（３１）と前記カバープレート（２）との間の導電接続が、前記バネ要素（４）の内側区域を通って導かれることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記導電接続が、前記カバープレート（２）に面する端面（５１）上に、前記カバープレート（２）と導電接続する変形可能な接続部材（６）を有する接触スタンプ（５）を備えることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
前記接続部材（６）が、固定式の一体接続部（５６）を用いて前記接触スタンプ（５）の端面（５１）上に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記バネ要素（４）によって前記接触スタンプ（５）と前記接続部材（６）との間に力を伝達することができることを特徴とする請求項２又は３に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記接触スタンプ（５）と前記接続部材（６）との間に前記力を伝達するために、前記接触スタンプ（５）と前記接続部材（６）との間に圧力作用部材（７）が設けられることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記圧力作用部材（７）が、実質的にカップ状に形成され、前記接触スタンプ（５）のスタンプネック部（５２）が、前記圧力作用部材（７）の底部の開口（７１）を通って導かれることを特徴とする請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
前記圧力作用部材（７）が、電気絶縁材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
前記バネ要素（４）が、皿バネのスタックによって形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
前記バネ要素（４）が、平行して配置された多数の個別バネ（４２）を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
前記第１主電極（３１）と前記接触スタンプ（５）との間に、少なくとも１つの導電層があることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
前記第２主電極（３２）と前記ベースプレート（１）との間に、少なくとも１つの導電層があることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項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、パワー・エレクトロニクスの分野に関する。本発明は、請求項１のプレアンブルによる圧力接触可能なパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなパワー半導体モジュールは、独公開特許ＤＥ１９９０３２４５Ａ１において既に説明されている。該パワー半導体モジュールは、図１に示されるように少なくとも１つの半導体デバイスを有する、圧力接触型と呼ばれるものである。この半導体デバイス３の第１主要端子３１は、少なくとも１つの接触部材８によってカバープレート２に導電接続される。第２主要端子３２を用いて、該半導体デバイス３はベースプレート１上に配置される。
【０００３】
このようなパワー半導体モジュールの信頼性のある接触においては、１ｋＮ／ｃｍ2オーダーの圧力が必要とされる。半導体デバイスの厚みの変化を同時に補償しながら、これらの圧力を発生させるためには、特に多くの半導体デバイスを備えるモジュールの場合、接触部材８は少なくとも１つのバネ要素４を有し、これは一般に螺旋バネとして、又は皿バネのスタックとして形成される。
【０００４】
１つの問題点は、このバネ要素と接触部材の好適な電流リードとの結合の問題である。ＤＥ１９９０３２４５Ａ１においては、このことは、可撓性の接続クリップ又はワイヤ８１を用いたバネ要素周辺につながる電流リードによって解決されている。このため、接続クリップ８１は最短の長さでなければならず、これはバネ要素の寸法によって決まる。更に、このような接続クリップ８１の最大断面は制限され、これはさもなければその移動度が制限されるためである。今述べたこの２つの要件により、バネ要素の所定の寸法に対して接続クリップの熱抵抗及び電気抵抗の下限がもたらされ、この下限は維持されなければならない。従って、これは、接続クリップ８１の許容可能な抵抗値を可能にする寸法を達成できるバネ要素を選択又は設計することによって確保されなければならない。
【０００５】
１つ又はそれ以上の半導体デバイス３が故障した場合に、半導体モジュール自体或いは可能な限りより高水準のシステムを全面的に作動可能に保持するためには、多くの場合、欠陥半導体デバイス３を安定した短絡モード（“短絡故障モード”、ＳＣＦＭ）へ切り替えることが必要であり、この短絡モードでは、可能な限り最低の抵抗で最大の電流容量を有する永久的な導電接触が、第１主要端子と第２主要端子との間に存在する。圧力接触パワー半導体モジュールの半導体デバイスにおいてＳＣＦＭが生じた場合には、モジュールを通る電流は、対応する半導体デバイス３及び関連する接触部材８の接続クリップ８１を全面的に流れる。この場合の通常の電流は、数キロアンペアの範囲である。前述の接続クリップ８１の熱抵抗が原因で、その結果２００℃をはるかに超える温度が半導体デバイス３に生じる恐れがある。デバイス側では、その結果として接続クリップ８１が同様に高温度に加熱され、これは過酷な応力が加わった状態になる。
【０００６】
ＤＥ１９９０３２４５Ａ１における接触部材は更に、接続クリップ８１と圧力スタンプ９との間に内部圧力接点を有する。その結果、パワー半導体モジュール内の圧力接点の総数が増加し、これにより全体的な電気抵抗及び熱抵抗が増大する。
【０００７】
パワー半導体モジュールが接触部材８を１つより多く含む場合には、該モジュールを構成部品に装着する場合に接続クリップ８１が互いに接触しないことが保証されなければならない。このため、製造中に、これに対応して大きな距離が接触部材８間に与えられなければならず、及び／又は、構成部品に装着する間、接触部材８の相互整列が正確に確保されなければならない。
【０００８】
【特許文献１】
独公開特許ＤＥ１９９０３２４５Ａ１
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、冒頭に述べられた種類のパワー半導体モジュールを提供する目的に基づき、該モジュールは、電流を導くために接触部材のバネ要素周囲につながる接続クリップを用いることなく処理する。本発明は又、バネ要素の寸法に関する選択及び設計において存在する制約を排除する目的に基づく。本発明は更に、パワー半導体モジュール内の必要な圧力接点数を最小にする目的に基づく。最後に、本発明は、パワー半導体モジュールのより小型の構成を可能にし、及び構成部品への装着を簡単にする目的に基づく。
【００１０】
この目的は、請求項１によるパワー半導体モジュールによって達成される。本発明によれば、電流リードとバネ要素とを含む結合は、半導体デバイスの第１主要端子とカバープレートとの間の導電接続がバネ要素の内側区域を通って導かれるように変更される。従って、電流及び熱は、もはや外側のバネ要素周囲には誘導されず、バネ要素内部に導かれる。このようにして、導電接続の最小断面と平均断面との両方が従来技術と比べて大きくなる。最小断面に近接した断面値を有する接続区域が短くなる。結局、電気抵抗、及び特に熱抵抗の明白な低減はこのような方法で達成される。内側区域は、以下、バネ要素の意図された圧縮方向にほぼ平行に該バネ要素を通る窪み、開口、リードスルー、又は同様のものを意味するものとして理解される。
【００１１】
更に、本発明は、より大きなバネ要素の使用を可能にする。加えて、接触部材の構成部品間の内部圧力接点を排除することができる。接続クリップを排除したことにより、本発明によるパワー半導体モジュールの小型の構成と構成部品への簡単な装着が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のこれら及び別の目的、利点及び特徴は、図面に関連した本発明の好ましい例示的な実施形態に付随する詳細な説明から明らかである。
図面で使用された参照符号及びこれらの意味は、符号の説明のリストにまとめる。基本的に同じ要素には同じ参照符号が付与される。
【００１３】
図２ａは、圧力接触力の影響が無い、第１の実施形態における本発明によるパワー半導体モジュールの部分断面を概略的に示す。半導体デバイス３は、第２主要端子３２と共にベースプレート１上に位置する。接触スタンプ５は、半導体デバイス３の第１主要端子３１上に接触領域を有して位置する。接触スタンプ５のスタンプネック部５２は、この場合にはバネ要素４の内側区域４４に突出する。この例示的な実施形態では、バネ要素４は螺旋バネである。内側区域４４は、この場合にはほぼ円筒形の区域であり、螺旋バネの巻きにより囲まれる。カバープレート２に面する接触スタンプ５の端面５１上には、変形可能な接続部材６が、固定式の一体接続部５６を用いて取り付けられ、カバープレート２に接触する。接触スタンプ５及び接続部材６は、電流リードを形成し、その可撓性部分が、バネ組立体の上に局部的に置かれる。ベースプレートに面しているスタンプネック部５２の端部で接触スタンプ５の断面を増大させ、及び接続部材６を好適な形状にすることによって、バネ要素４は、接触スタンプ５から接続部材６に力を伝達することができ、また逆も同様である。従来技術で使用された接続クリップ８１と比較して、この接続部材６は、長さを短くすると同時に断面を増大させることができ、これは、電気抵抗及び熱抵抗の両方が明らかに低減されることになる。これはまた、結果として接触スタンプ５と接続部材６の間のより優れた熱抵抗分布をもたらす。従って、パワー半導体モジュールが動作しているときに均一な温度勾配が得られ、接続部材６の第１の温度は、半導体デバイス３の第２の温度よりも明らかに低い温度を保持する。端面５１と接続部材６の間の固定式の一体接続部５６により、従来技術による接触部材中に存在する内部圧力接点を追加する必要がなくなる。図示される実施形態において、カバープレート２と半導体デバイス３間に配置された圧力接点の数は、２に低減することができる。固定式の一体接続部５６は、溶接接続であるのが好ましいが、接続部材６はまた、何らかの別の方法で端面５１に取り付けることができる。同様に好都合なのは例えば、半田接続又は低温接続である。しかしながら、製造中に接続部材６と接触スタンプ５とが既に１つの部品から直接製造されている場合には、これは同様に有利である。ねじ止め又はリベット止め接続もまた、好都合に使用できる。接触スタンプ５及び接続部材６は、これらが回転軸Ａに対して回転対称であるように形成されるのが好ましいが、他の形態もまた有利に用いることができる。
【００１４】
多数のパワー半導体モジュールが組み立てられてスタックを形成する場合、又は、パワー半導体モジュールがより高水準のシステムに組み込まれる場合において、電気的接触は、ベースプレート１とカバープレート２とを介して行われ、この目的において、これらは圧力を受けるので、パワー半導体モジュールは図２ｂに示されるように距離Δｘだけ圧縮される。ベースプレート１又はカバープレート２に加わる力は、バネ要素４によって接続部材６又は接触スタンプ５に伝達される。パワー半導体モジュールの最大圧縮率Δｘmaxを決定する横モジュール壁（図示せず）が存在するのが好ましい。バネ定数ｋを有する線形バネが使用される場合には、パワー半導体モジュールが完全に圧縮された状態にある時の接続部材６及び接触スタンプ５に加わる力Ｆは、Ｆ＝ｋΔｘmaxによって与えられる。非線形バネもまた有利に使用できる。
【００１５】
図３は、本発明によるパワー半導体モジュールの好ましい発展形態の部分の断面を概略的に示す。この実施形態の場合においては、圧力作用部材７が、バネ要素４と接続部材６の間に存在している。この圧力作用部材７は、この場合においてはカップ形状を有し、好ましくは絶縁材料からなる。接触スタンプ５のスタンプネック部５２は、圧力作用部材７の底壁の開口７１を通って導かれる。圧力作用部材７の形状を好適にすることにより、バネ要素４の種類及び形状に関係なく、接続部材６に伝達される力を均一に分布させることが可能になる。更に、圧力作用部材７は、使用可能なバネ変位の増大に対して有利に用いることができる。
【００１６】
本発明の好ましい構成においては、バネ要素４は、皿バネのスタックで形成され、個々の皿バネは、それぞれ少なくとも１つのボア又は穴を有し、該ボア又は穴が導電接続を好適に導く内側区域を生成する方法でバネ要素を形成するように組み立てられる。このようなバネ要素の場合においては、例えば弛緩した状態における長さ、或いはバネ特性といった特性は、スタック中に使用される皿バネの種類及び／又は数に影響され得る。このことは、少数の異なる皿バネを用いて様々な圧力接触挙動を示す広範囲のパワー半導体モジュールを製造できることから、本発明によるパワー半導体モジュールの生産の柔軟性を向上させることができる。また、多数の皿バネのスタックを使用することにより、製造公差によって引き起こされる、バネ要素の所望の挙動に起因する変動を低減する効果がある。従来技術との比較において、外側接続クリップ８１を排除したことは、より大きな皿バネに対するより大きな空間を提供する。このことは、第１に、内側区域の直径を非常に増大させることができることにより、バネ内の電流案内断面の増大を可能にし、第２に、皿バネがより大きくなることにより、内部応力を小さい状態に保持したままより大きな程度まで曲げることができる結果となる。従って、所望のバネ特性を達成するために僅かなバネしか必要としない。
【００１７】
本発明の別の好ましい構成において、バネ要素４は平行に配置され、図４に見られるようにその第１の端部が第１固定リング４１上に装着され、かつその第２端部が第２固定リング４３上に装着された個別のバネ４２から組み立てられる。個別バネ４２間の区域は、バネ要素の内側区域４４を形成する。ここでもまた、バネ要素４の特性は、該バネ要素４中に使用される個別バネ４２の種類及び／又は数を変更することによって影響され得る。第１固定リング４１の代わりに、個別バネ４２を圧力作用部材７上に直接固定する手段が好都合に存在してもよい。同様に、第２固定リング４３の代わりに、個別バネ４２を接触スタンプ５上に固定するための手段が存在してもよい。
【００１８】
本発明の好ましい構成において、半導体デバイス３は、個々の半導体チップであり、第１及び第２主電極は、それぞれ第１及び第２主要端子を形成する。
【００１９】
本発明の別の好ましい構成において、半導体デバイス３は、サブモジュールであり、該サブモジュールは、並列及び／又は直列に接続された多数の半導体チップを備え、個々の半導体チップは好適な方法で互いに及び第１及び第２主要端子と相互接続される。
【００２０】
本発明の別の好ましい構成において、パワー半導体モジュールは、第１主電極３１と接触スタンプ５との間、及び／又は、第２主電極３２とベースプレート１との間に、箔、プレート及び／又は半田層の形態の中間層を有する。このような中間層の例として提示されるのは、半導体デバイス３に対する熱膨張に適合され、例えば、Ｍｏ、Ｃｕ、又はＭｏ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃ、Ｃｕ−Ｃ又はＡｌ−Ｓｉ−Ｃの複合体で形成されるプレートである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来技術によるパワー半導体モジュールを示す図である。
【図２ａ】圧力接触力の影響の無い、第１実施形態の本発明によるパワー半導体モジュール部分の断面図である。
【図２ｂ】圧力接触力の影響下にある、図２ａのパワー半導体モジュールを示す図である。
【図３】本発明によるパワー半導体モジュールの好ましい発展形態の部分の断面を示す図である。
【図４】別の好ましい構成の本発明によるパワー半導体モジュールの部分の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  ベースプレート
２  カバープレート
３  半導体デバイス
３１  第１主要端子
３２  第２主要端子
４  バネ要素
４１  第１固定リング
４２  個別バネ
４３  第２固定リング
４４  内側区域
５  接触スタンプ
５１  接触スタンプの端面
５２  スタンプネック部
５６  固定式の一体接続部
６  接続部材
７  圧力作用部材
７１  開口
８  接触部材
８１  接続クリップ又はワイヤ
９  圧力スタンプ
【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2005502213.tif 000005
2005502213.tif 000006
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2005502213.tif 000009
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2005502213.tif 000018
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【国際調査報告】
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