(57)【要約】パワー半導体モジュール（１）は、熱伝導性のベースプレート（１１）を、その上に少なくとも３つの各基板（２、３、４、５、６、７）が配置されて含む。各基板は、それぞれ、動作中に発熱する少なくとも１つのパワー半導体素子（８、９）を支持する。該パワー半導体モジュールを機械的負荷および放熱に対して最適化するために、該各基板（２、３、４、５、６、７）は、ベースプレート（１１）上に配置されていると共に、単一の行（１２）内に配置されている。また、各押圧装置（１５、１６）が、ベースプレート（１１）における、行（１２）に対して平行な長手方向の２つの各長辺部（１１ａ、１１ｂ）に、かつ、基板近傍に位置するようにそれぞれ備えられている。該各押圧装置によって、該ベースプレートを冷却表面に対して押圧することができる。
2008511974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも４つの各基板（２、３、４、５、６、７）が上に配置された熱伝導性のベースプレート（１１）を備え、各基板は、動作時に発熱する少なくとも１つのパワー半導体デバイス（８、９）を備えている、パワー半導体モジュール（１）であって、
上記各基板（２、３、４、５、６、７）は、単一の行（１２）内において、上記ベースプレート（１１）上にそれぞれ配置されており、
上記ベースプレート（１１）を冷却領域に押圧するために用いられる各押圧装置（１５、１６）が、それぞれ、上記ベースプレート（１１）における、上記行（１２）の長手方向に対して平行な２つの各長辺部（１１ａ、１１ｂ）に、かつ、上記基板の近傍の位置に設けられている、パワー半導体モジュール（１）。
【請求項２】
上記各基板（２、３、４、５、６、７）は、実質的に四角形であり、
押圧装置（１５、１６）が、上記基板の各角の領域（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）にそれぞれ設けられている、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
各押圧装置（１５’、１６’）が、上記基板における、上記長手方向に沿った各辺（１９、２０）の中央領域（１７、１８）に、上記各辺の近傍に位置し、かつ互いに向かい合う位置にそれぞれ設けられている、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、熱伝導性のベースプレート上に配置された少なくとも４つの各基板を備えたパワー半導体モジュールに関するものである。各基板は、それぞれ、動作時に発熱する少なくとも１つのパワー半導体デバイスを備えている。
【０００２】
高電流または高いパワーレベルの電流をスイッチングする半導体モジュール（以下では、パワー半導体モジュール）には、１つまたは複数の半導体素子（以下では、半導体チップとも呼ぶ）が、通常、例えばセラミックを含んだ基板上に取り付けられている。
【０００３】
また、金属性のベースプレートを備えたパワー半導体モジュールが、ＥＰ−０５８４６６８−Ａ１に開示されている。このベースプレートに対し、絶縁層を間に挟み込むことによって、電気的に絶縁された複数の各基板が、上記ベースプレートに対し対称的に配置されている。該各基板の各配線上には、電気的に互いに並列接続された複数の各パワー半導体が対称的に配置されている。このベースプレートは、放熱のために、冷却領域（詳述しない）に押し付けるように配置されてもよい。
【０００４】
ＥＰ−０５８４６６８−Ａ１は、電流経路が同一ではない場合の非対称的な寄生インダクタンスによる問題の解決に関与するものである。ＥＰ−０５８４６６８−Ａ１では、共通のベースプレート上に取り付けられ、冷却が最適化された、個々の各基板上での各半導体配置の構造体については、何ら対処されていない。
【０００５】
各パワー半導体を、個々の各基板に配置し、該各基板を共通のベースプレート上に取り付け、該各基板をベースプレートを用いて冷却することは、ますます一般的になってきている。
【０００６】
ＥＰ−０５８４６６８−Ａ１から推測される基板配置の場合、ベースプレートとそれに対応する冷却領域との間にて押し付け合うの押圧の圧力分布が、非常に不均一な結果となるであろう。
【０００７】
また、基板の辺領域において押圧装置によって生成される押圧を均等にするために、ベースプレート全体のベースプレート底面を凸状にすることが考えられる。しかし、ベースプレートの底面の凸形状が、製造技術的に複雑であり、それゆえにコストがかかり、取り付け時にベースプレートに対し機械的応力がかかってしまう。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、ベースプレート上に取り付けられた、パワー半導体を有する少なくとも４つの各基板と、該ベースプレートとを備えたパワー半導体モジュールの、機械的負荷および放熱を最適化することにある。
【０００９】
上記目的は、請求項１の特徴部分を有するパワー半導体モジュールによって達成される。本願の各従属請求項および説明された実施形態は、本発明の技術思想の好ましい改良点に関するものである。
【００１０】
上述したように、本発明のパワー半導体モジュールは、少なくとも１つの半導体素子がそれぞれ接続された４つ以上の各基板を含む。該各基板は、該各基板の部分的にて、高い熱的伝導性を有するようにベースプレートの上面に対して当接されている。
【００１１】
本発明の基本的な観点は、該各基板が単一の直線上となる行内に整列されて配置されていることである。これにより、押圧装置は、該基板に比較的近い位置にてベースプレートに対し作用することができる。押圧装置として、例えば、スプリングにより押圧される接続素子、または他には、ねじを取り付けるためのスルーホールが好適なものである。
【００１２】
したがって、該ベースプレートにおける、各基板の行に対して平行な２つの各長辺側の各側部の双方にそれぞれ備えられた各押圧装置は、押圧時に該ベースプレートに対してほとんど応力を発生せずに、該ベースプレートを適切な冷却領域に対し押圧できる。該冷却領域は、例えば、空冷式または液冷式のヒートシンクの表面であってもよい。
【００１３】
したがって、ベースプレートの底面は平坦に形成されてもよい。なぜなら、ベースプレートの底面は、押圧装置と、各基板または該各基板の発熱パワー半導体との間の距離を補正する必要がなく、あるいは少なくとも、各基板のためにそれほど補正する必要がない。なぜなら、どのような場合でも、該距離を、前述の従来にて記載した構成においてよりも著しく短く実現できるからである。したがって、パワー半導体から冷却領域への放熱を改善できるだけでなく、非常に製造しやすいモジュールが、提供される。
【００１４】
各基板上では、複数の各パワー半導体が電気的に互いに並列接続されていることが好ましく、これらの基板上に以上のようにして形成された各パワー半導体回路同士が、同様に電気的に互いに並列接続されていてもよい。
【００１５】
したがって、本発明のパワー半導体モジュールでは、特に、高電流値の電流をスイッチングできる。例えば、個々の各スイッチ、デュアルスイッチ類、または、フルブリッジ回路類といった、それ自体知られている様々な回路を、基板のレイアウト手法を用いて、または、適切に接続することによって、該各基板上に実装してもよい。
【００１６】
本発明の他の有効な改良された実施形態では、該各基板が実質的に四角形であり、該基板の各角の領域に、１つの押圧装置がそれぞれ備えられており、および／または、基板の長手方向に沿った各辺部の中央領域に、該辺部の近傍に位置する互いに向かい合う位置にそれぞれ設けられた各押圧装置を備えている。
【００１７】
これにより、上記各押圧装置の各押圧力が、特に互いに均等となるように生じることによって、冷却領域に対する熱抵抗を最小化したときに、ベースプレートおよび基板に対する機械的負荷を低減し、より均一化することができる。
【００１８】
以下に、本発明について図面を参照しながら例証的に説明する。図１は、本発明のパワー半導体モジュールを示す平面図である。図２は、本発明のモジュールでの熱伝導の距離と、それに対する比較としての、多行のパワー半導体モジュールでの熱伝導の距離とをそれぞれ示す平面図である。
【００１９】
図１は、合計６つの電気的に絶縁されている各基板２、３、４、５、６、７を備えた、パワー半導体モジュール１を示している。これらの各基板は、実質的に同一のレイアウトを有するように設計されている。各基板には、それぞれ、各半導体チップ（例えば、部材番号８、９）の形態としての複数の各半導体素子が配置されており、ボンディングワイヤ（図示せず）によって電気的に接続されている。該各基板は、それらが部分的には、詳細には示されていない方法にて、互いに電気的に並列接続されている。
【００２０】
該各基板は、それぞれ、銅または金属性の複合材料（例えばＡｌＳｉＣ）を含んだ共通のベースプレート１１の上面１０の上に取り付けられており、本発明の製造工程において、単一（つまり一列）の行１２内に整列して配置されている。
【００２１】
ベースプレート１１は、該ベースプレートの各長辺部１１ａ、１１ｂに沿って、各押圧装置を有している。該各押圧装置は、該基板の近傍に沿って延びる２つの各行１３、１４内にて、互いに等間隔にて離間した各ホール１５、１６の形態にて実装されている。各ねじ（図示せず）が、該各ホールを貫通して、パワー半導体モジュールをヒートシンク（図示せず）の表面にねじ止めするために用いられる。
【００２２】
該基板は、ほぼ長方形で、上述と同様に配置されていてもよく、また、該各ホールは、上述と同様に形成されて、各ホール１５、１６が、基板の各角を含む各領域（例えば、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）にそれぞれ位置するように形成されていもよい。
【００２３】
その代わりに、または、さらに、一例として各基板３、４に示したように、基板３における、ベースプレート１１の長手方向に沿った各辺１９、２０の各中央領域（例えば、基板３の１７、１８）に、各ホール１５’、１６’をそれぞれ備えてもよい。
【００２４】
これにより、ベースプレート１１における、基板の近傍の位置に、押圧力、つまり、各ホール１５、１６、１５’、１６’を貫通しているねじによって生じた押圧がそれぞれ生じることを確実化できる。
【００２５】
図２は、本発明のパワー半導体モジュール１（左側の部分）と、２つの各行２１、２２に配置された各基板およびそれら各行に対応する２つの各行に沿った各押圧装置２５、２６を備えたモジュール１’（右側の部分）とを部分的に図示している。
【００２６】
明らかに、押圧装置１５と基板３上の熱を生成する半導体チップ８との距離（ａ）、および、押圧装置２５と該基板３とほぼ同じ基板２３上の熱を生じさせる半導体チップ２８と距離（ｂ）を比較すると、これらの距離は著しく異なっている。
【００２７】
本発明のパワー半導体モジュールでは、該当する距離（ａ）は、各基板が２つの各行にそれぞれ配置されているパワー半導体モジュール１’における、対応する距離（ｂ）のほぼ７０％しかない。このことは、本発明において、押圧装置によって生じる押圧力を、著しく改善した方法にて発生させてベースプレートに対して導入でき、また、ベースプレートおよび基板に対する機械的負荷を著しく低減できる理由となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のパワー半導体モジュールを示す平面図である。
【図２】本発明のモジュールでの熱伝導の距離と、それに対する比較としての、多行のパワー半導体モジュールでの熱伝導の距離とをそれぞれ示す平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１                        パワー半導体モジュール
１’                      モジュール
２、３、４、５、６、７    基板
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ    基板の角
８、９                    半導体チップ
１０                      上面
１１                      ベースプレート
１１ａ、１１ｂ            長辺部
１２                      行
１３、１４                行
１５、１６                ホール（押圧装置）
１５’、１６’            ホール（押圧装置）
１７、１８                中央領域
１９、２０                長手方向の沿った辺
２１、２２                行
２３                      基板
２５、２６              （ホール）押圧装置
２８                      パワー半導体
（ａ）、（ｂ）            距離
【図１】
2008511974.tif 000003
【図２】
2008511974.tif 000004
【国際調査報告】
2008511974.tif 000005
2008511974.tif 000006
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2008511974.tif 000008
2008511974.tif 000009
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