(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却アセンブリ（２）上に配置するための圧力接触部設計のパワー半導体モジュール（１）であって、
前記パワー半導体モジュールは、少なくとも１つの基板（５）と、この基板（５）に配置された少なくとも２個のパワー半導体素子（６０）と、筐体（３）と、外部に通じる負荷接続要素（４０、４２、４４）および補助接続要素と、押圧要素（７２）及び圧力フィンガ（７４）を備え、前記負荷接続要素（４０，４２，４４）を押圧する押圧装置とを有し、
前記基板（５）は絶縁材料本体（５２）を有し、前記パワー半導体モジュールの内側に面する前記基板の第１の主面に負荷電位を持った相互接続部が配置され、
前記負荷接続要素はそれぞれ、少なくとも１つの接触要素（４０４、４２４、４４４）と、１つのストリップ状の断面（４０２、４２２、４４２）と、当該断面（４０２、４２２、４４２）から発する複数の接触フット（４００、４２０、４４０）とを有する金属成形物の形状を有し、
前記ストリップ状の断面は、前記基板面に対して平行に、前記基板面から一定の距離に配置され、
前記接触フットは、前記ストリップ状の断面から前記基板（５）まで延在し、回路に適するように前記基板（５）に接触接続し、
前記負荷接続要素（４０、４２、４４）は、積層（４）を形成し、
絶縁性の物性を有するシリコーン緩衝材の中間層（４６）は、取付状態における最上部の前記ストリップ状の断面と最下部の前記ストリップ状の断面（４０２、４２２、４４２）に挟まれた領域にて、それぞれの隣接する負荷接続要素の間に配置され、前記隣接する負荷接続要素（４０、４２、４４）用の電気絶縁を同時に形成し、
前記負荷接続要素（４０、４２、４４）は、前記ストリップ状の断面（４０２、４２２、４４２）の領域における前記積層を形成するために前記中間層に接続され、前記負荷接続要素のすべては、互いに十分に電気的に絶縁され、したがってこの積層（４）に圧力を導入する前記押圧装置および前記接触フット（４００、４２０、４４０）は、前記基板（５）の相互接続部（５４）に導電接続される、パワー半導体モジュール（１）。
【請求項２】
前記シリコーン緩衝材の中間層（４６）は、最小厚さ１ｍｍの形状をした、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項３】
別のシリコーン緩衝材の層が、前記押圧装置（７０）の押圧要素（７２）と前記積層（４）との間に配置される、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項４】
前記積層（４）は、接着剤接合によって形成される、請求項１に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項５】
前記押圧装置（７０）および前記積層（４）は、螺旋形のばねの形状をした補助接続要素を通すための凹部（４０６、４２６、４４６、４６６）を有する、請求項１〜４のいずれか一項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、冷却アセンブリの上に配置されることを目的とする圧力接触部設計のパワー半導体モジュールおよびパワー半導体モジュールを製作するための関連する方法に関して記載する。一例として独国特許出願公開第１９７１９７０３Ａ１号明細書に開示されているようなパワー半導体モジュールが、本発明の出発点となる。
【背景技術】
【０００２】
従来技術によれば、そのようなパワー半導体モジュールは、少なくとも１つの電気絶縁基板を有する筐体を備え、電気的絶縁基板は筐体に配置され、冷却アセンブリに直に装着される方針であることが好ましい。その一部には、基板は、複数の金属相互接続部を有する絶縁材料本体およびパワー半導体素子を備え、相互接続部は、上記の絶縁材料本体に位置しており、互いに離隔され、パワー半導体素子は、上記の相互接続部に位置し、回路に適した態様で相互接続部に接続される。周知のパワー半導体モジュールはまた、外部負荷接続および補助接続用の接続要素と、内部に配置される接続要素と、を有する。回路用に適した接続用のこれらの接続要素は通常、パワー半導体モジュール内部では、ワイヤボンディング接続部の形である。
【０００３】
接触部が圧力によって形成され、特許文献１、特許文献２または特許文献３において開示されるパワー半導体モジュールも、同様に周知である。最初に記載した文献では、押圧装置は安定性であり、好ましくは圧力を増大するための金属の押圧要素と、圧力を蓄積するための弾性緩衝要素と、圧力を基板面の個別の領域に導入するためのブリッジ要素と、を有する。ブリッジ要素は、緩衝要素に面し、そこから多数の圧力フィンガが基板面の方向に延びる面を有するプラスチック成形物の形であることが好ましい。
【０００４】
そのような押圧装置は、基板を冷却アセンブリの上に押し付けて、したがって、基板と冷却アセンブリとの間の熱伝達を確実かつ永久に確立するために用いられる。この場合には、弾性緩衝要素は、パワー半導体モジュールの耐用期間全体にわたって異なる熱負荷に関して一定の圧力状態を維持するために用いられる。
【０００５】
特許文献２はさらに、一方では特に有用な重量／安定性の比を有し、他方では電気絶縁ブッシングを有するような周知の押圧要素を構築する。このために、押圧要素は、内部金属コアを有するプラスチック成形物の形である。この金属コアは、接続要素を通す凹部、好ましくはばね接触設計の補助接続要素を有する。補助接続要素がプラスチック成形物を用いて金属コアから電気的に絶縁されるように、プラスチック成形物は、これらの凹部を包囲する。
【０００６】
さらに構築され、基板に面するその面に多数の圧力フィンガを有する押圧要素もまた、周知である。この場合には、金属コアは、予め固定された湾曲部をさらに有することが好ましい。両方の措置の組み合わせにより、そのような押圧要素は、上述した押圧装置の全体的な機能性を備えることが可能となる。
【０００７】
特許文献４は、パワー半導体モジュールを開示しており、負荷接続要素は、基板面に近くに隣接し、断面において基板面に対して垂直に延在し、断面から発する接触フットを有するように設計され、相互接続部との電気接点部を形成し、同時に、基板に圧力を加え、したがって、上記の基板と冷却アセンブリとの間の熱接触を確立する。この場合には、圧力は、従来技術による手段を用いて導入され、蓄積される。
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第４２３７６３２Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１９９０３８７５Ａ１号明細書
【特許文献３】独国特許発明第１０１２７９４７Ｃ１号明細書
【特許文献４】独国特許発明第１０１５７９４７Ｃ１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、内部絶縁が改善され、圧力接触部設計の構成が簡素化される圧力接触部設計
のパワー半導体モジュールを提供するという目的に基づいている
。
【００１０】
本発明によれば、本目的は、請求項１の特徴構成によって達成される。好まし
い実施形態は、従属項に記載される。
【００１１】
本発明の概念は、冷却アセンブリ上の圧力接触部設計のパワー半導体モジュールの配置に基づいており、上記のパワー半導体モジュールは、少なくとも１つの基板と、基板の上に配置されるたとえば、バイポーラトランジスタなどの少なくとも２つのパワー半導体素子と、筐体と、外部に通じる負荷接続要素および補助接続要素と、を有する。基板自体は、絶縁材料本体と、相互接続部と、を有し、パワー半導体モジュールの内側に面する基板の第１の主面に負荷電位を持った相互接続部が配置される。さらに、基板はまた、パワー半導体素子を駆動するための制御電位を備えた少なくとも１つの相互接続部を有することが好ましい。
【００１２】
パワー半導体モジュールはまた、負荷接続要素を有し、負荷接続要素はそれぞれ、接触装置、ストリップ状の断面およびその断面から発する複数の接触フットを有する金属成形物の形である。それぞれのストリップ状の断面は、基板面に対して平行に、基板面から一定の距離で配置される。ストリップ状の断面から発する接触フットは、回路に適した態様の負荷接続の接触部を成形する基板まで延在する。このために、接触フットは、負荷電位を備えた相互接続部と接触接続するか、あるいは基板上の個別のパワー半導体素子に直接接触接続することが好ましい。
【００１３】
本発明によれば、負荷接続要素は積層を形成し、弾性の中間層は、この場合には、それぞれのストリップ状の断面の領域におけるそれぞれの隣接する負荷接続要素の間に配置される。１つのみの蓄積装置を有する従来技術に比べて、複数の弾性の中間層のこの配置は、個別の負荷接続要素が互いに対して厳格ではなく、自在に配置され、したがって、接触安定性が相当改善されるという利点がある。さらに、互いに対する個別の負荷接続要素のそれぞれの接触フットの長さにおける製作許容差が較正される。負荷接続要素の積層に関する本発明の構成の結果として、接触フットのすべてが同一の力によって、基板またはパワー半導体素子の上のそれぞれの接触点に押圧される。
【００１４】
上述の配置を製作するための関連する方法は、以下の基本的なステップ、すなわち、
・中間層を用いて負荷接続要素の積層を形成するステップ
・パワー半導体モジュールの筐体に積層を配置するステップ
・積層の上に押圧装置を配置するステップ
・筐体の上または中に押圧プレートを一時的に固締するステップ
・筐体の凹部に回路に適した態様でパワー半導体素子の上に配置され接続されパワー半導体素子を有する少なくとも１つの基板を配置するステップを含む。
【００１５】
負荷接続要素のストリップ状の断面および接触フィットは、打抜き加工および曲げ加工技術を用いて平坦な金属本体から製作されることが特に好ましい場合があり、接触装置（４０２、４２４、４４４）は上記の金属本体に接続され、弾性の中間層（４６）に積層して、積層（４）を形成する。
【００１６】
この製作方法は、積層が予め作製される結果として、パワー半導体モジュールの組立時に、少数の個別の構成要素を互いに対して配置する必要があるだけに過ぎないという利点がある。
【００１７】
本発明の解決策について、図１〜図２の具体的な実施形態を参照してさらに説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明によるパワー半導体モジュール１の断面を示す。パワー半導体モジュール１は、配置の中で冷却アセンブリ２に強固に接続されるフレーム上の筐体部品を有する筐体３を有する。この場合には、フレーム上の筐体部品は、少なくとも１つの基板５を包囲する。基板５は、今度は、絶縁材料本体５２、好ましくは酸化アルミニウムまたは硝酸アルミニウムなどの絶縁セラミックを有する。
【００１９】
基板５は、パワー半導体モジュール１の内側に面する第１の主面にそれ自体はパターン化されていない金属コーティングを有する。この場合には、銅コーティングの形であることが好ましいこの金属コーティングの個別の断面は、パワー半導体モジュール１の相互接続部５４を形成する。基板５の第２の主面は、従来技術によれば、パターン化されていない銅コーティング５８を有する。
【００２０】
制御可能および／または制御不能のパワー半導体素子６０、たとえば、逆並列に接続されているそれぞれのフリーホイーリングダイオードを有するＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）またはＭＯＳＦＥＴが、基板５の相互接続部５４に配置される。これらの構成要素は、回路に適した態様で、たとえば、ワイヤボンディング接続部６２によってさらに相互接続部５４に接続される。
【００２１】
異なる必要な電位を有する負荷接続要素４０、４２、４４が、パワー半導体モジュール１内部のパワー電子回路を外部に接続するために用いられる。このために、負荷接続要素４０、４２、４４は、基板面に対して平行なストリップ状の断面４０２、４２２、４４２をそれぞれ有する金属成形物の形である。ストリップ状の断面４０２、４２２、４４２は、この場合には積層４（図２参照）を形成し、個別の負荷接続要素４０、４２、４４のストリップ状の断面はそれぞれ、弾性の中間層４６（この場合にはシリコーン緩衝材）によって互いから離隔され、互いから電気的に絶縁される。このように積層４は装着ユニットの形であるため、これらのシリコーン緩衝材４６は、ストリップ状の断面に接着剤によって接合されることが特に好ましい。明確にするために、必要な補助接続要素は、この断面図には図示しない。
【００２２】
本発明によるパワー半導体モジュール１は、負荷接続要素４０、４２、４４のストリップ状の断面４０２、４２２、４４２の積層と基板５との間に、絶縁材料成形物３０の形で中間層を有することが好ましい。
【００２３】
絶縁材料成形物３０は、負荷接続要素４（図２参照）の接触フット４００、４２０、４４０を通すための凹部３２を有する。
【００２４】
パワー半導体モジュール１を冷却アセンブリ２に熱接続し、同時に負荷接続要素４０、４２、４４を基板５の相互接続部５４に電気的に接触接続するための押圧装置７０は、積層４（図２参照）において圧力を発生するための押圧要素７２によって、形成される。このために、押圧要素は、従来技術による圧力フィンガ７４を有する。また、中間層４６と同一の構成の別の弾性の層が、平坦な下側を有する押圧要素７２と積層４との間に配置されることが好ましい場合がある。
【００２５】
従来技術によれば、押圧要素７２はさらに、適切な内部の金属コアおよび外部補強構造７６を有するプラスチック成形物の形であってもよい。同様に、押圧要素７２は、同時にパワー半導体モジュール１のカバーとして用いられることが好ましい。
【００２６】
図２は、本発明によるパワー半導体モジュールの負荷接続要素４０、４２、４４の積層４の３次元図を示す。それぞれ関連するストリップ状の断面４０２、４２２、４４２から発する複数の接触フット４００、４２０、４４０を有する負荷接続要素４０、４２、４４が、図示されている。接触装置４０４、４２４、４４４は、パワー半導体モジュールの外部接続を形成する。
【００２７】
最小厚さ１ｍｍのシリコーン緩衝材はそれぞれ、ストリップ状の断面４０２、４２２、４４２の間の弾性の中間層４６として配置される。この場合には、それぞれの弾性の中間層４６は、隣接する負荷接続要素４０、４２、４４の電気絶縁と、パワー半導体モジュールの圧力伝達および蓄積要素と、を同時に形成する。
【００２８】
ストリップ状の断面４０２、４２２、４４２の領域において、負荷接続要素４０、４２、４４がそれぞれの中間層４６に接続される場合には、装着ユニットを形成することが特に好都合である。これは、たとえば、接着剤接合を用いて形成されてもよい。しかし、積層方法を接続技術として用いることが特に好ましい。
【００２９】
積層４はまた、螺旋形のばねの形の補助接続要素（図示せず）を通すために、ストリップ状の断面４０２、４２２、４４２および中間層４６に凹部４０６、４２６、４４６、４６６を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明によるパワー半導体モジュールの断面を示す。
【図２】本発明によるパワー半導体モジュールの負荷接続要素の積層の３次元図を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１  パワー半導体モジュール
２  冷却アセンブリ
３  筐体
３０  絶縁材料成形物
４  積層
４０、４２、４４  負荷接続要素
４６  弾性の中間層
４００、４２０、４４０  接触フット
４０２、４２２、４４２  ストリップ状の断面
４０４、４２４、４４４  接触装置
５  基板
５２  絶縁材料本体
５４  相互接続部
５８  銅コーティング
６０  パワー半導体素子
６２  ワイヤボンディング接続部
７０  押圧装置
７２  押圧要素
７４  圧力フィンガ
７６  外部補強構造
【図１】
0005186113.tif 000002
【図２】
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