(57)【要約】      （修正有）【課題】基板への導電接触が改善される圧力接触連結型パワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】第１の負荷接続素子４０および少なくとも１つの別の負荷接続素子４２が、それぞれ、圧力伝達部分４０２、４２２と、その圧力伝達部分から延びるそれぞれ少なくとも１つの接点脚４００、４２０とを有する金属の成形体として形成され、各圧力伝達部分は、基板５の表面にほぼ平行に、かつその基板表面から離して配置され、接点脚は、圧力伝達部分から基板に延びて、基板と回路適合するように接触する。さらに、圧力要素７２からの、第１圧力伝達部分への圧力伝達、および／または、中間の少なくとも１つの圧力伝達部分を介してのさらに別の隣接する圧力伝達部分への圧力伝達が、異なるバネ定数を有する少なくとも２つの部分領域を含むハイブリッドの、弾力のあるプラスチック成形体８０によって行われる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの基板（５）と、その上に配置されるパワー半導体素子（６０）と、ハウジング（３）と、外部に導出される負荷接続素子（４０、４２、４４）とを含み、さらに、圧力要素（７２）を有する圧力装置（７０）を含むパワー半導体モジュール（１）であり、前記基板（５）は、パワー半導体モジュールの内部に面するその第１主表面上に、負荷の電位を有する導電体トラック（５４）を有するパワー半導体モジュール（１）であって、
第１の負荷接続素子（４０）および少なくとも１つの別の負荷接続素子（４２、４４）が、それぞれ、圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）と、その圧力伝達部分から延びるそれぞれすくなくとも１つの接点脚（４００、４２０、４４０）とを有する金属の成形体として形成され、前記各圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）は、前記基板の表面にほぼ平行に、かつその基板表面から離して配置され、前記接点脚（４００、４２０、４４０）は、前記圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）から前記基板（５）に延びて、前記基板（５）と回路適合するように接触し、かつ、
前記圧力要素（７２）からの、前記第１圧力伝達部分（４０２）への圧力伝達、および／または、中間の少なくとも１つの圧力伝達部分（４２２）を介してのさらに別の隣接する圧力伝達部分（４４２）への圧力伝達が、異なるバネ定数を有する少なくとも２つの部分領域（８００、８０２）を含むハイブリッドの、弾力のあるプラスチック成形体（８０）によって行われる、
パワー半導体モジュール（１）。
【請求項２】
前記プラスチック成形体（８０）が、非圧縮状態において、すべての部分領域（８００、８０２）において一定の厚さを有し、従って、２つの平行な主表面（８０４、８０６）を有する、
請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項３】
前記プラスチック成形体（８０）が、非圧縮状態において、それぞれの部分領域（８００、８０２）において、最大で平均厚さの±１０％の変動幅の異なる厚さを有し、その結果、実質的に平行な主表面を有する、
請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項４】
前記プラスチック成形体（８０）が、前記第１主表面から前記第２主表面（８０４、８０６）に延びると共にその主表面に平行に広がる複数の第２部分領域（８０２）であって、その間に配置される第１部分領域（８００）よりも高いバネ定数を有する複数の第２部分領域（８０２）を有する、
請求項２または３に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項５】
前記第１部分領域（８００）が、前記第２部分領域（８０２）よりも低いバネ定数を有する、
請求項４に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項６】
すべての第２部分領域（８０２）が、主表面（８０４、８０６）の平面図において、第１部分領域（８００）によって閉囲される、
請求項４に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項７】
前記第２部分領域（８０２）が、実質的に圧力の方向において、接点脚（４００、４２０、４４０）と同一線上に配置される、
請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項８】
前記プラスチック成形体（８０）が、独立気泡発泡体または一体型発泡体から構成される、
請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項９】
前記異なるバネ定数が、前記それぞれの部分領域（８００、８０２）の発泡体の異なる密度によって形成される、
請求項８に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項１０】
前記異なるバネ定数が、前記それぞれの部分領域（８００、８０２）の発泡体の異なる気泡径によって形成される、
請求項８に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却コンポーネント上に配置するための圧力接触方式のパワー半導体モジュールに関する。本発明の出発点となるのは、例えば特許文献１から知られるようなパワー半導体モジュールである。
【背景技術】
【０００２】
このタイプのパワー半導体モジュールは、一般的な先行技術によれば、通常、少なくとも１つの電気絶縁性基板を含むハウジングから構成され、その基板は、好ましくは冷却コンポーネント上に直接装着できるようにハウジング内に配置される。この基板そのものは絶縁材料の本体から構成され、その上に、相互に絶縁された金属の複数の導電体トラックと、その導電体トラックに回路適合して接続されるパワー半導体素子とが配置される。さらに、この既知のパワー半導体モジュールは、外部負荷用の接続素子と、補助接続子と、内部配置の接続素子とを有する。パワー半導体モジュールの回路適合した内部接続用のこれらの接続素子は、多くの場合、ワイヤ接合による接続として形成される。
【０００３】
例えば特許文献２に開示されているように、圧力接触連結型パワー半導体モジュールも同様に知られている。この特許文献によるパワー半導体モジュールは、パワー半導体モジュールを冷却コンポーネントに伝熱連結する圧力接触方式である。このタイプのパワー半導体モジュールには、同様に、パワー半導体素子を含む少なくとも１つの基板が配置される。このパワー半導体モジュールは、さらに、ハウジングと、外部に導出される負荷および制御用の接続素子とを有する。基板、例えばＤＣＢ基板は、絶縁材料の本体を有しており、パワー半導体モジュールの内部に面するその第１主表面上に、負荷の電位を有する導電体トラックが配置される。
【０００４】
その場合、開示される負荷接続素子は、それぞれ、少なくとも１つの外部接点装置、すなわち帯片状の部分と、その帯片状の部分から延びる接点脚とを含む金属の成形体として形成される。それぞれの帯片状の部分は、基板の表面に平行に、かつ基板表面から離して配置される。接点脚が、この帯片状の部分から基板に延び出て、基板と回路適合するように接触する。個々の負荷接続素子間の電気絶縁および圧力適用のために、負荷接続素子が、それぞれ、各帯片状の部分の領域に弾性の中間層を有する。
【０００５】
最後に、特許文献３も上記のタイプのパワー半導体モジュールを開示している。このモジュールにおいては、圧力装置と、直接的には隣接しない別の負荷接続素子との間に、圧力体が配置される。この場合、その圧力体の一部分が、圧力装置に直接隣接する負荷接続素子を貫通して延びており、従って、圧力装置からの圧力を前記別の負荷接続素子の圧力吸収位置に直接加える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９７１９７０３Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００６００６４２３Ａ１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００７００３５８７Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、同様に圧力接触方式のパワー半導体モジュールであって、負荷接続素子を基板の導電体トラックに接触連結するための少なくとも１つの負荷接続素子への圧力の導入が簡単にさらに改善されるようなパワー半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、本発明に従って、請求項１の特徴を含むパワー半導体モジュールによって実現される。好ましい実施形態が従属請求項に記載される。
【０００９】
本発明の構想は、冷却装置の上に配置可能な圧力接触方式のパワー半導体モジュールであって、少なくとも１つの基板と、その上に配置されるパワー半導体素子、例えば、逆並列に接続されるダイオードを有するＩＧＢＴと、ハウジングと、外部に導出される負荷および制御用の接続素子とを含むパワー半導体モジュールを出発点としている。このため、基板そのものは、絶縁材料の本体と、パワー半導体モジュールの内部に面するその本体の第１主表面上に、負荷の電位を有する導電体トラックとを有している。基板は、さらに、パワー半導体素子を駆動するための、制御電位を有する少なくとも１つの導電体トラックを有することが望ましい。
【００１０】
パワー半導体モジュールの第１の負荷接続素子と、少なくとも１つの別の負荷接続素子とは、それぞれ、外部接続用の接点装置と、圧力伝達部分と、その圧力伝達部分から延びるすくなくとも１つの接点脚とを有する金属の成形体として形成される。この場合、それぞれの圧力伝達部分は、基板の表面に平行に、かつ基板表面から離して配置される。それぞれの圧力伝達部分から延びる少なくとも１つの接点脚は、基板に延びて、そこにおける回路適合した負荷接続素子の接点を形成する。このため、接点脚は、基板上において、負荷電位を有する関連の導電体トラックと接触すること、代替方式としては直接パワー半導体素子と接触することが望ましい。
【００１１】
圧力装置は、圧力を基板の方向に導入するための圧力要素を有する。この圧力要素はパワー半導体モジュールのハウジングの一部分として形成することが望ましい。この圧力要素は、生成された圧力を、それに面する負荷接続素子の圧力伝達部分の上に、かつ、それを経由して、少なくとも１つの別の負荷接続素子の圧力伝達部分の上に導入する。本発明によれば、少なくとも１つのハイブリッドの、弾力のあるプラスチック成形体が、この圧力装置の内部に配置される。このプラスチック成形体は、平面状に構成して、圧力の方向に垂直に配置される２つの主表面を有することが望ましい。この場合、このプラスチック成形体の１つの好ましい位置は、圧力要素と、それに隣接する負荷接続素子の圧力伝達部分との間である。プラスチック成形体の別の好ましい位置は、２つの隣接する負荷接続素子の圧力伝達部分の間である。両方の形態を同時に選択することが特に有利であり得る。
【００１２】
この場合、本発明によるハイブリッドのプラスチック成形体は、弾力を有するように、すなわち弾性体として形成される。その場合、このプラスチック成形体は、異なるバネ定数を有する少なくとも２つの部分領域を含む。その結果、プラスチック成形体の主表面に沿う横方向の広がりの異なる位置において、バネ力が違ったものになる。これを実現するため、プラスチック成形体が、第１主表面から第２主表面に延びると共にその主表面に平行に広がる複数の第２部分領域であって、その間に配置される第１部分領域よりも高いバネ定数を有する複数の第２部分領域を有すると有利である。すべての第２部分領域が、主表面の平面図において、連続的な第１部分領域によって閉囲されることが特に望ましい。
【００１３】
この形態は、圧力装置の力が、かかる圧力の導入が必要な要求位置に、狙いどおりに強化して導入されるという利点を有する。その結果、負荷接続素子、すなわち少なくとも１つのその接点脚と、基板、すなわち導電体トラックもしくはパワー半導体素子との間の個別の導電接続の接触の確実性が改善される。これを実現するため、当然ながら、前記の第２部分領域を、実質的に圧力の方向において、それぞれの少なくとも１つの接点脚と同一線上に配置することが有利である。
【００１４】
本発明による解決策を、図１〜３に示す典型的な実施形態に基づいて詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明によるパワー半導体モジュールの断面図である。
【図２】本発明によるパワー半導体モジュールの斜視図である。
【図３ａ】本発明によるパワー半導体モジュールのハイブリッドの、弾力のあるプラスチック成形体の１つの形態である。
【図３ｂ】ハイブリッドの、弾力のあるプラスチック成形体の別の形態である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明によるパワー半導体モジュール（１）の断面図を示す。このモジュールは、冷却コンポーネント（２）に連結できるフレーム状のハウジング部分（３０）を有するハウジング（３）を備えている。この場合、フレーム状のハウジング部分（３０）は少なくとも１つの基板（５）を閉囲しており、この基板（５）は、絶縁材料の本体（５２）、すなわち、好ましくは酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムのような絶縁性セラミックを有する。
【００１７】
基板（５）は、パワー半導体モジュール（１）の内部に面するその第１主表面上に、それ自体が構造化された金属被膜を有する。好ましくは銅の被膜として形態化されるこの金属被膜の個々の部分は、パワー半導体モジュール（１）の導電体トラック（５４）を形成する。基板（５）の第２主表面は、先行技術による銅の非構造化被膜（５０）を有する。
【００１８】
基板（５）の導電体トラック（５４）の上には、例えば、それぞれ逆並列に接続されたフリーホイーリングダイオードを含むＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、あるいはＭＯＳ−ＦＥＴのような制御可能および／または非制御パワー半導体素子（６０）が配置される。それらは、別の導電体トラック（５４）に、例えばワイヤ接合接続（６２）によって回路適合するように接続される。
【００１９】
必要な種々の電位の負荷接続素子（４０、４２、４４）が、パワー半導体モジュール（１）の基板（５）上の電力用電子回路を外部に接続する機能を果たす。これを実現するため、負荷接続素子（４０、４２、４４）は、それぞれ基板表面に平行な圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）を有する金属の成形体として形成される。この場合、圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）は積重ね体を構成するが、その場合、個々の負荷接続素子（４０、４２、４４）の圧力伝達部分は、それぞれ相互に電気的に絶縁される。
【００２０】
負荷接続素子（４０、４２、４４）ごとに、それぞれの圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）から、１つの接点脚（４００、４２０、４４０）、但し望ましくは複数の接点脚が、回路適合して設けられる基板（５）の導電体トラック（５４）まで突き出ている。
【００２１】
パワー半導体モジュール（１）を冷却コンポーネント（２）に熱的に連結し、かつ同時に、負荷接続素子（４０、４２、４４）の接点脚（４００、４２０、４４０）を基板（５）の導電体トラック（５４）に電気的に接触接続するための圧力装置（７０）が模式的に表現されているが、この圧力装置（７０）は、負荷接続素子の上記の圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）に並行する形で、圧力を加えるための圧力要素（７２）を追加的に有する。
【００２２】
この圧力要素（７２）は、適切な金属の内部コアおよび／または別の補強構造を有するプラスチックの成形体として、先行技術に従って具現化できる。この圧力要素（７２）が同時にパワー半導体モジュール（１）のカバーになり、従ってハウジング（３）の一部分になれば、同様に好適である。
【００２３】
図においては、本発明による第１の選択形態として、圧力を貯蔵するための、かつ圧力を圧力伝達部分（４０２）の部分領域上に狙いどおりに導入するためのプラスチックの成形体（８０ａ）を、前記の圧力要素（７２）と、積重ね体における第１負荷接続素子（４０）の圧力伝達部分（４０２）との間に配置することを示している。このプラスチック成形体（８０ａ）はハイブリッド構造を有するものであり、プラスチック成形体（８０ａ）の異なる部分領域（８００ａ、８０２ａ）が異なるバネ定数を有することによって、狙いどおりの圧力導入が実現される。
【００２４】
本発明による第２の選択形態として、図においては、同様のプラスチック成形体（８０ｂ）を、第２の負荷接続素子（４２、４４）の２つの隣接する圧力伝達部分（４２２、４４２）の間に配置することを示している。パワー半導体モジュール（１）において、両方の選択形態を同時に用いることが、本発明の考え方と同様に合致していることは言うまでもない。
【００２５】
上記の２つの選択形態において、それぞれのプラスチック成形体（８０ａ／ｂ）は、第１主表面（８０４ａ／ｂ）から第２主表面（８０６ａ／ｂ）に延びかつこれらの主表面に平行に広がる複数の第２部分領域（８０２ａ／ｂ）を有する。この第２部分領域（８０２ａ／ｂ）は、第２部分領域の間に配置される第１部分領域（８００ａ／ｂ）よりも高いバネ定数を有する。これによって、基板（５）に平行な表面内において、圧力が加わる形態が変化し得ることになる。第２の部分領域（８０２ａ、８０２ｂ）を、実質的に圧力の方向において、それぞれの下側に位置する１つの圧力伝達部分または複数の圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）の接点脚（４００、４２０、４４０）と同一線上に配置すると、圧力の導入が特に有利になる。
【００２６】
図２は、本発明によるパワー半導体モジュール（１）の斜視図を示す。この図には、冷却装置上に固定するための刳り抜き部（３００）と、異なる極性の負荷接続素子（４０、４２、４４）とを含むフレーム状のハウジング部分（３０）が示されており、さらに、外部接続素子（４０４、４２４、４４４）を見ることができる。負荷接続素子（４０、４２、４４）のその他の形態は図１に関する説明による。ＡＣ電圧接続の負荷接続素子（４４）には、さらに、電流センサー（３２）が、空間的にかつ機能的に付属している。また、渦巻きバネとして構成されるパワー半導体モジュール（１）の補助接続素子（４８）が示されている。
【００２７】
基板（５）―図には見えていない―は、フレーム状のハウジング部分（３０）の内部の下側に配置され、この場合、フレーム状のハウジング部分（３０）の図示の刳り抜き部（３００）内の固定要素によらずに、冷却装置の上に押し付けられる。基板を冷却装置に伝熱連結すると共に、負荷接続素子（４０、４２、４４）の接点脚（４００、４２０、４４０）を導電接続するための圧力接触連結用として、圧力要素（７２）―図示なし―が設けられ、この圧力要素が負荷接続素子（４０、４２、４４）の圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）に圧力を伝達する。図１参照。この圧力要素は、ハウジングの一部分として、かつこの場合、フレーム状のハウジング部分（３０）の刳り抜き部内に配置される。
【００２８】
本発明によれば、圧力要素と、負荷接続素子（４０、４２、４４）の第１圧力伝達部分（４０２、４２２、４４２）との間に、基板に平行な表面全域に見て変化し得る圧力伝達をもたらすための、ハイブリッドの、弾力のあるプラスチック成形体（８０）が設けられる。このプラスチック成形体の詳細については図３において説明する。
【００２９】
図３は、本発明によるパワー半導体モジュール（１）のハイブリッドの、弾力のあるプラスチック成形体（８０）の２つの形態を示す。図３ａのプラスチック成形体は、平行六面体形状に成形され、第１バネ定数を有する第１部分領域（８００）を含む。第２の高い方のバネ定数を有する第２部分領域（８０２）は、それぞれ２つの主表面（８０４、８０６）のいずれかを見た場合、前記の第１部分領域（８００）によって閉囲されている。
【００３０】
プラスチック成形体の２つの主表面は、非圧縮状態においては平面状に形成され、従ってプラスチック成形体の一定厚さがもたらされる。しかし、異なる部分領域が非圧縮状態において異なる厚さを有し、その結果、主表面が完全には平面状でないように構成することも同様に有利であり得る。但し、それぞれの部分領域の非圧縮状態におけるプラスチック成形体の厚さの変動量は、平均厚さの±１０％の最大値を超えないことが望ましい。
【００３１】
図３ｂは、異なるバネ定数を有する２つの部分領域を含むハイブリッドの、弾力のあるプラスチック成形体（８０）の別の形態を示す。このプラスチック成形体（８０）そのものは、同様にほぼ平行六面体形状に成形され、図２に見られるような補助接続素子（４８）がパワー半導体モジュールに装着される位置において、刳り抜き部を有している。
【００３２】
図示のプラスチック成形体（８０）は、いわば、第１バネ定数を有する基本体であって、第１部分領域（８００）を形成する基本体を有する。この場合、第１部分領域（８００）は、平面図において、バネ定数が高いただ１つの第２部分領域（８０２）―いわば指形状の―を完全に閉囲している。この形態は、図３ａのように第２部分領域がより狭い複数の局所位置に画成される場合に比べて、より簡単に製作できるという利点を有する。この場合、それぞれの部分領域は、プラスチック成形体の全容積を第１主表面（８０４）から第２主表面（８０６）まで貫通して延びている。図１も参照されたい。
【００３３】
それぞれのプラスチック成形体（８０）そのものは、それらが弾性体となるように、従って所定のバネ定数を有するように、既知の方法によって製造し得る独立気泡発泡体または一体型発泡体から構成するのが有利である。異なる部分領域を形成するには、異なる密度および／または異なる気泡径を有する発泡体または一体型発泡体を形成するのが有利である。これによって、異なる部分領域（８００、８０２）は、異なるそれぞれのバネ定数を有することになる。
【符号の説明】
【００３４】
１      パワー半導体モジュール
２      冷却コンポーネント
３      ハウジング
３０    ハウジング部分
３００  刳り抜き部
３２    電流センサー
４０    負荷接続素子
４００  接点脚
４０２  圧力伝達部分
４０４  外部接続素子
４２    負荷接続素子
４２０  接点脚
４２２  圧力伝達部分
４２４  外部接続素子
４４    負荷接続素子
４４０  接点脚
４４２  圧力伝達部分
４４４  外部接続素子
４８    補助接続素子
５      基板
５０    被膜
５２    絶縁性の本体
５４    導電体トラック
６０    パワー半導体素子
６２    ワイヤ接合
７０    圧力装置
７２    圧力要素
８０    プラスチック成形体
８００  第１部分領域
８０２  第２部分領域
８０４  第１主表面
８０６  第２主表面
【図１】
2011119736.tif 000003
【図２】
2011119736.tif 000004
【図３ａ】
2011119736.tif 000005
【図３ｂ】
2011119736.tif 000006
【外国語明細書】
2011119736000001.pdf
2011119736000002.pdf
2011119736000003.pdf
2011119736000004.pdf