(57)【要約】  電力半導体装置（１、３０、４０）は、第１および第２能動的半導体素子（２、３）を備え、第１および第２能動的半導体素子（２、３）の電気的接続部（８、１４）は、接続ピン（９、１５）の形で上記半導体素子から導出される。第１半導体素子（２）は、少なくとも一部は、プラグイン接続によって第２半導体素子（３）に電気的に接続されている。プラグイン接続は、第２半導体素子（３）の接続ピン（１５）を第１半導体素子の電気的接続部（８）の内部において結合することによって実現されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動的な第１半導体素子（２）と、
能動的な第２半導体素子（３）と、
接続レッグ（９、１５）の形で上記半導体素子から導出される電気的接続部（８、１４）とを備え、
上記第１半導体素子（２）は、プラグイン接続によって、少なくとも部分的に上記第２半導体素子（３）に電気的に接続されており、
上記プラグイン接続は、上記第１半導体素子の電気的接続部（８）に結合する、上記第２半導体素子（３）の接続レッグ（１５）によって実現される、電力半導体装置（１、３０、４０）。
【請求項２】
上記第２半導体素子（３）の接続レッグ（３２）は、上記第１半導体素子（２）の接続レッグ（３３）に結合している、請求項１に記載の電力半導体装置（３０、４０）。
【請求項３】
上記第２半導体素子の少なくとも１つの接続レッグ（１５）は、溝（１７ａ）を有しており、
上記第１半導体素子の少なくとも１つの接続レッグ（８）は、穴（１６）を有しており、
上記溝および上記穴の寸法は、上記第２半導体素子の接続レッグが、上記第１半導体素子の接続レッグにおける上記穴に挿入された時、これらの接続レッグが互いに保持されるように、互いにマッチしている、請求項１または２に記載の電力半導体装置（１、３０、４０）。
【請求項４】
上記第２半導体素子は、上記第１半導体素子の上に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力半導体装置（１、３０）。
【請求項５】
さらなる半導体素子（１７）が上記第２半導体素子（３２）の上に配置され、
それらの素子の接続レッグ（３１、３２）は、当該素子の下方に位置する半導体素子の接続レッグ（３２、３３）にそれぞれ結合している、請求項４に記載の電力半導体装置（３０）。
【請求項６】
上記第２半導体素子（３）は、上記第１半導体素子（２）と並んで配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力半導体装置（４０）。
【請求項７】
受動的素子を有し、
上記受動的素子の電気的接続部または接続レッグは、プラグイン接続を介して上記能動的な半導体素子（２、３）の電気的接続部または接続レッグに電気的に接続されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力半導体装置（１、３０、４０）。
【請求項８】
上記プラグイン接続は、
上記能動的な半導体素子（２、３）のひとつの内部または上記受動的素子のひとつの内部、
または、上記能動的な半導体素子または上記受動的素子の外部、
もしくは、その両方で行われている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力半導体装置（１、３０、４０）。
【請求項９】
上記電気的接続部、または、上記能動的な半導体素子（２、３）または上記受動的素子の接続レッグ、もしくはその両方は、弾性コンタクト、プレスコンタクト、クランプコンタクト等の電気的コンタクトがプラグイン接続によって形成されるように設計されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力半導体装置（１、３０、４０）。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、特許請求項１の前文にクレームされているような電力半導体装置に関するものである。
【０００２】
電力半導体装置の製造コストを節約するために、可能な限り高度に集積した設計を実現する試みがなされている。このことの短所は、高度に集積した設計により、電力半導体装置の個々の素子を接触接続することが難しくなることである。
【０００３】
集積密度を高めるための多くのアプローチが行われている。すなわち、文献ＤＥ  １０１  ３４  ９８６  Ａ１には、アダプタモジュールを使用することが記載されている。文献ＤＥ  １９９  ２３  ５２３  Ａ１およびＤＥ  １０１  ２３  ８６９  Ａ１には、電子装置そのものの集積密度を高めるための可能な方法が説明されている。さらに、ＤＥ  １９８  ３３  ７１３  Ｃ１には、特別な接続技術を用いて電子素子を互いに積み重ねる方法が開示されている。ＤＥ  １９９  ３３  ２６５  Ａ１には、複合体を用いて電子素子を互いに積み重ねる方法が開示されている。
【０００４】
本発明が基づく目的は、電力半導体装置において高い集積度の設計を可能にすると同時に電力半導体装置の素子を信頼できる様式で接触接続することである。
【０００５】
この目的を達成するために、本発明は、特許請求項１にクレームされているような電力半導体装置を提供する。本発明のコンセプトの有利な改良点および発展型は、従属請求項に記載されている。
【０００６】
上記電力半導体装置は、第１能動的半導体素子および第２能動的半導体素子を備えている。各半導体素子には、接続レッグの形で半導体素子から導出される電気的接続部が設けられている。第１半導体素子は、プラグイン接続により、少なくとも部分的に第２半導体素子と電気的に接続している。このプラグイン接続は、第２半導体素子の接続レッグを第１半導体素子の電気的接続部と結合させることによって実現されている。
【０００７】
能動的半導体素子という用語は、特に、トランジスタのような制御素子を意味しているが、集積回路またはチップも意味していると理解できる。能動的半導体素子は、好ましくは電力半導体素子を表している。
【０００８】
第２半導体素子の接続レッグは、好ましくは第１半導体素子の接続レッグに結合している。この目的のために、好ましい一実施形態では、第２半導体素子の接続レッグ（少なくとも１つの接続レッグ）は、それぞれ溝を有しており、第１半導体素子の接続レッグ（少なくとも１つの接続レッグ）は、それぞれ穴を有している。上記溝および穴の寸法は、第２半導体素子の接続レッグが、第１半導体素子の接続レッグにおける対応する穴に挿入された時、これらの接続レッグが互いに保持されるように、互いにマッチするものである。このことにより、均一に信頼性のある、ラージスケールの集積された接触接続を実現できる。
【０００９】
例えば、第２半導体素子は、第１半導体素子の上に配置されるが、第２半導体素子が第１半導体素子に並んで配置されてもよい。
【００１０】
本発明は、ただ２つの能動的半導体素子を有する電力半導体装置に限定されない。能動的半導体素子の数は、任意に設定されればよい。例えば、第２半導体素子が第１半導体素子の上に配置される場合、さらなる半導体素子を第２半導体素子の上に配置することができ、さらなる半導体素子の接続レッグをそれぞれ、それらの下方に位置する半導体素子の接続レッグに結合すればよい。このことにより、能動的半導体素子を含むあらゆる所望の複合層構造を実現できる。
【００１１】
本発明に係る電力半導体装置は、当該受動的素子の電気的接続部または接続レッグが、プラグイン接続を介して能動的半導体素子の電気的接続部または接続レッグに電気的に接続されている受動的素子を有している。換言すれば、本発明に係るプラグイン接続の原理は、能動的半導体素子に加え、受動的素子、例えば、キャパシタまたは抵抗器をも含む電力半導体装置に適用できる。このことにより、プラグイン接続により互いに電気的に接続された、あらゆる所望の数の能動的および受動的素子を有する電力半導体装置を構築できる。
【００１２】
すでに示されているように、原理的には、プラグイン接続を能動的半導体素子のひとつの内部または受動的素子のひとつの内部、および／または、能動的半導体素子または受動的素子の外部で行うことが可能である。
【００１３】
電気的接続部および／または、能動的半導体素子または受動的素子の接続レッグは、弾性コンタクト、プレスコンタクト、クランプコンタクト等の電気的コンタクトがプラグイン接続によって形成されるように設計されてもよい。例えば、接続レッグをループ形状にすることにより、その接続レッグは、電気的接続部／接続レッグにおいて外側方向への力を及ぼし、接続レッグがさらなる接続レッグまたは電気的接続部に挿入された時に、プレス／クランプコンタクトを形成する。
【００１４】
それゆえ、本発明に係る電力半導体装置により、プリント回路板および基板上の導体トラックの数を減少させることができる。さらに、ラインによって生じる損失および干渉が低減される。本発明の基本的な観点は、既存の電子デバイスの素子をプラグイン接続のために、または、再配線面として使うことである。このことにより、付加的なモジュールおよび導体トラックを不要にすることができる。
【００１５】
本発明は、後述する例示的な実施形態において、以下の図面を参照しつつ、より詳細に説明される。なお、図面において、同一または相互に類似の、装置または装置のグループには、同一の参照符号を付している。
【００１６】
図１に示される第１の実施形態１は、第１能動的半導体素子２、および第１能動的半導体素子２上に配置された第２能動的半導体素子３を有する。
【００１７】
第１能動的半導体素子２は筐体４を有しており、筐体４内には、半導体素子５がキャリア素子６上に備えられている。半導体素子５は、電気的接続部８と次々に接続されている接触素子７によって接触接続される。電気的接続部８は、接続レッグ９の形で筐体５から導出されている。
【００１８】
これと類似の方法で、第２能動的半導体素子３は筐体１０を有しており、筐体１０内には、キャリア素子１１および半導体素子１２が配置されている。この半導体素子１２は、キャリア素子１１の上に備えられている。半導体素子１２は、電気的接続部１４と次々に接続されている接触素子１３によって接触接続されている。電気的接続部１４は、接続レッグ１５の形で筐体１０から導出され、対応する穴を介して第１能動的半導体素子２の筐体４に挿入されており、電気的接続部８と結合している。その結果、電気的な接続は、接続レッグ１５の端部および電気的接続部８の間に実現されている。従って、第１能動的半導体素子２の装置構成要素（電気的接続部８）は、第２能動的半導体素子３と接触接続するために用いられている。これにより、集積密度を増加させる一方、ラインによって生じる損失および干渉を減少させることが可能となる。
【００１９】
接続レッグ１５の端部が電気的接続部１４と結合する接続部は、プラグイン接続の形で実現されており、このようなプラグイン接続の好ましい一実施形態は、図２に示されている。この実施形態において、各電気的接続部８は、接続レッグ１５の端部を通せる穴１６を有する。さらに、穴１６の側面と結合することができ、このように能動的半導体素子２、３の間に安定したプラグイン接続を形成する溝１７ａは、接続レッグ１５の端部に備えられている。
【００２０】
好ましい一実施形態において、第２能動的半導体素子３は、制御チップ（ＩＣ）であり、第１能動的半導体素子２は、電力半導体素子であり、例えばパワートランジスタである。
【００２１】
図３では、第１ないし第３能動的半導体素子２、３および１７は、電力半導体装置２２（ブリッジ回路）を形成するために互いに接続されている。本発明は、２通りの方法で電力半導体装置２２に応用することができる。
【００２２】
一方では、第２能動的半導体素子３から導出される接続レッグ１８は、接続レッグ１９とプラグイン接続に基づいて電気的に接続されている。この接続レッグ１９は、第１能動的半導体素子２から導出されている。これと同様の方法で、第３能動的半導体素子１７から導出された接続レッグ２０は、接続レッグ２１とプラグイン接続に基づいて電気的に接続されている。この接続レッグ２１は、第１能動的半導体素子から導出されている。本発明に係るプラグイン接続によって、能動的半導体素子２、３および１７を、均一に単純な、信頼性のある、ラージスケールの集積方法でまとめて接続することが可能となる。図３に示される電力半導体装置は、例えば、電気モータまたはスイッチ式パワーサプライを接続するために用いられており、個々の素子を、個々のＩＣまたは複数のＩＣを介して、次々に制御または管理することができる。
【００２３】
他方で、追加の半導体素子が、プラグイン接続によって電力半導体装置２２に差し込まれていてもよい。これは、一例として、図４を用いることによって明らかにされる。
【００２４】
図４は、図３に示される電力半導体装置２２に関する、可能性のあるボンディングの一例を示す図である。この実施形態では、いくつかの接触領域２４は、電力半導体装置２２に接触接続されている必要がなく、この接触領域には、例えば参照符号２５が付されている。従って、本発明によれば、接触領域２５は、この接触領域上に配置される能動的半導体素子（例えば、制御チップ、または他の電力半導体素子；ここでは図示しない）に接触接続するために用いられる。
【００２５】
上部に配置されている能動的半導体素子の接続レッグは、穴を通して、接触領域２５に対して電気的な接続を形成するために挿入されているのだが、例えば、この穴は、接触領域２５に備えられていてもよい。これにより、存在してはいるが後者に接触接続する必要がない電力半導体装置２２の伝導トラックを用いることが可能となるため、スペースを確保することができ、集積密度を増加させ、電気的性能を向上させることが可能となる。
【００２６】
図５は、本発明に係る電力半導体装置の第２の実施形態３０を示している。この実施形態によれば、第１、第２および第３能動的半導体素子２、３および１７は、互いの上に積み重ねられており、第３能動的半導体素子１７の接続レッグ３１は、プラグイン接続の形で、第２能動的半導体素子３の接続レッグ３２と結合している。さらに、第２能動的半導体素子３の接続レッグ３２は、プラグイン接続の形で、第１能動的半導体素子２の接続レッグ３３と結合している。上部にある能動的半導体素子の接続レッグは、その下部にある半導体素子の接続レッグとそれぞれ結合しているため、接続レッグ３３だけを、プリント回路基板３４にはんだ付けすればよい。
【００２７】
接続レッグ３１、３２がループ形状となっている結果として、接続レッグ３１が接続レッグ３２と結合するときに、接続レッグ３１は、接続レッグ３２に外側方向の力を与えることが可能である。同様のことは、類似の方法で、接続レッグ３３に対する接続レッグ３２の結合にも適用される。これにより、単純な方法で、接続レッグ３１、３２および３３間の安定した電気的なクランプ接触を実現することが可能となる。
【００２８】
一般的に言えば、接続レッグ間の電気的接触の質は、接続レッグ３１ないし３３の特別な配列によって最適化される。
【００２９】
図６に示される第３の実施形態４０は、第１、第２および第３能動的半導体素子２、３および１７を示しており、第１および第２能動的半導体素子２、３は、互いに並んで配置され、第３能動的半導体素子１７は、第１能動的半導体素子２の接続レッグ３３と結合している、第３能動的半導体素子１７の接続レッグ３１と、第２能動的半導体素子３の接続レッグ３２と結合している、第３能動的半導体素子１７のもう一方の接続レッグ３１とによって、２つの半導体素子２、３と接続している。第３能動的半導体素子１７は、例えば、制御チップであり、第１および第２能動的半導体素子２、３は、パワー素子、例えばトランジスタであってもよい。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３０】
図７は、従来技術に係る能動的半導体素子５０を示しており、穴５２は、上記素子の筐体（モールド構成およびリードフレーム）５１内に作られている。これらの穴は、半導体素子５０をマウントするときに必要とされる。すなわち、本発明によれば、これらの穴は、いずれにせよ存在しており、これらの穴の上に配置されている半導体素子（ここでは図示しない）の接続レッグを、半導体素子５０の筐体５１に挿入するために用いることができる。これにより、穴５２を通り抜けている電気的接続部（ここでは図示しない）は、これらの穴の上に配置されている半導体素子の接続レッグとの接続を可能にする。この特別な場合では、例えば図１に示されるような、プラグイン接続を実現するための追加の穴を作る必要はない。筐体５１が本発明に従って用いられるとき、穴５２は、モールド構成の他の領域、および、リードフレームまたは接続レッグの他の領域にも配置されるであろう。
【００３１】
図８は、従来技術に係る電力半導体装置を示している。この実施形態では、第１、第２および第３能動的半導体素子２、３および１７は、プリント回路基板５３上に備えられている。この場合、第３能動的半導体素子１７は、第１能動的半導体素子２上に備えられており、第２能動的半導体素子３は、第１能動的半導体素子２と並んで配置されている。この実施形態では、第１および第２能動的半導体素子２、３は電力半導体素子であり、第３能動的半導体素子１７は制御チップである。半導体素子１７は、電気的接続部５４によって、第１および第２能動的半導体素子２、３と接続されると共に、プリント回路基板５３の接触領域５５と接続されている。さらに、第１能動的半導体素子２は、電気的接続部５６によって接触領域５５と接続され、第２能動的半導体素子３は、電気的接続部５７によって接触領域５５と接続されている。
【００３２】
能動的半導体素子２、３および１７に対するデザインルールが互いに完全に合致していなければならないことは明らかであり、このことは、プリント回路基板５３の利用可能なスペースが十分に利用されないという不都合を有する。さらに、この実施形態では、第２能動的半導体素子３の寸法が小さいため、特に、例えば制御チップ等の任意の半導体素子が、能動的半導体素子２、３上にしばしばスペースを見つけることができないので、能動的半導体素子２、３を、異なる制御チップによって駆動することができない。本発明に係る電力半導体装置によって、これらの不都合を回避することができる。すでに存在する装置の構成要素が本発明に従って用いられる結果として、制御チップ１７の幾何学的構造は、半導体素子２、３の幾何学的構造と概して無関係となり、その結果として、下部にある半導体素子より大きい半導体素子でさえ、小さい方の半導体素子の上に積み重ねることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明に係る電力半導体装置の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示されるプラグイン接続の好ましい一実施形態を示す図である。
【図３】図３は、本発明に係る電力半導体装置の実用例を示す概略構成を示す回路図である。
【図４】図４は、図３に示される電力半導体装置に関する、可能性のあるボンディングの一例を示す図である。
【図５】図５は、本発明に係る電力半導体装置の第２の実施形態を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明に係る電力半導体装置の第３の実施形態を示す断面図である。
【図７】図７は、従来技術に係る第１の電力半導体装置を示す図である。
【図８】図８は、従来技術に係る第２の電力半導体装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    第１の実施形態
２    第１能動的半導体素子
３    第２能動的半導体素子
４    筐体
５    半導体素子
６    キャリア素子
７    接触素子
８    電気的接続部
９    接続レッグ
１０    筐体
１１    キャリア素子
１２    半導体素子
１３    接触素子
１４    電気的接続部
１５    接続レッグ
１６    穴
１７    第３能動的半導体素子
１７ａ  溝
１８−２１    接続レッグ
２２    電力半導体素子
２３    半導体素子
２４、２５    接触素子
３０    第２の実施形態
３１−３３    接続レッグ
３４    プリント回路基板
４０    第３の実施形態
５０    能動的半導体素子
５１    筐体
５２    穴
５３    プリント回路基板
５４    電気的接続部
５５    接触領域
５６、５７    電気的接続部
【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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【図６】
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【図７】
2007536749.tif 000009
【図８】
2007536749.tif 000010
【国際調査報告】
2007536749.tif 000011
2007536749.tif 000012
2007536749.tif 000013
2007536749.tif 000014