(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面（１ａ）に少なくとも１つの半導体構成部品（２、３、４）が配置されるとともに、下面（１ｂ）が放熱のための冷却部材に押圧可能である基板（１）と、
上記基板（１）における複数の押圧位置（１０、１１、１２、１３）に対して、前記冷却部材に向けて機械的圧力（Ｆ）をかけるための複数の押圧部材（１６、１７、１８、１９）とを有し、前記複数の押圧部材（１６、１７、１８、１９）が、第１筺体部分（２１）と一体に形成され、前記複数の押圧位置（１０、１１、１２、１３）に対して弾性を有して作用するようなパワー半導体モジュールであって、
前記複数の押圧部材（１６、１７、１８、１９）は、第１筺体部分（２１）と上記基板（１）との間に配置される第２筺体部分（２２）に対して、上記基板（１）に向かって相対的に移動可能な第１筺体部分（２１）に形成されるとともに、前記第２筺体部分（２２）は、第１筺体部分（２１）から基板（１）までに固定された距離をとるための支持面（３４）を規定するための、上記基板（１）と対向していない第２筺体部分（２２）の上面に配置される間隔部材（３０、３１、３２、３３）を有し、
上記支持面（３４）は、上記間隔部材（３０、３１、３２、３３）における上記基板（１）と対向していない側の端部領域（end areas）（３０ａ、３１ａ、３２ａ、３３ａ）によって規定され、
前記モジュールの取り付け高さが一定に保たれていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
前記複数の押圧部材（１６、１７、１８、１９）は、くもの巣状またはスタンプ状に形成された押圧部材が複数個設けられたものであ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】
前記複数の押圧部材（１６、１７、１８、１９）は、弾性を有する領域（２３、２４、２５、２６）を介して前記第１筺体部分（２１）に連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記弾性を有する領域（２３、２４、２５、２６）は、材料を薄くした、もしくは材料に複数の凹部を設けた（material recesses）筺体領域、または前記複数の押圧部材（１６、１７、１８、１９）の領域から形成されていることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
前記第１および第２筺体（２１、２２）は、２つの対向する側面にのみ、前記冷却部材に機械的に連結される領域（２１ａ、２１ｂ；２２ａ、２２ｂ）を有していることを特徴とする請求項１ないし４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６】
前記モジュールの上面から出ている複数の接触ピン（contact pins）（４０）は、前記モジュールの複数の端部領域（stop areas）（３０ａ、３１ａ、３２ａ、３３ａ）から所定の距離を有していることを特徴とする請求項１ないし５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７】
前記基板（１）は、結合されている（cohesive）複数の基板領域から形成されているが、限定される範囲内で互いに相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１ないし６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】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、上面に少なくとも１つの半導体構成部品が配置されるとともに、下面が放熱のための冷却部材に押圧可能である基板と、複数の基板位置に対して、前記冷却部材に向けて機械的圧力をかけるための複数の押圧部材とを有し、前記押圧部材が、筐体の一体的な構成要素として形成され、前記基板位置に対して弾性を有して作用するようなパワー半導体モジュールに関する。
【０００２】
ドイツ特許  ＤＥ  １０１  ４２  ９７１  Ａ１号に記載されているパワー半導体モジュールは、半導体部品を備えたセラミック基板を有している。上記半導体部品は、導線によって、上記基板上面で接触し、導線は、上記モジュールの外部に接続するために、接触ピンと特に接触している。
【０００３】
上記基板の下面は銅でコーティングされ、半導体部品の稼動中に熱の形で生じた損失電力を、ヒートシンクまたは冷却部材に散らすことを可能にするための放熱用の接触面として機能する。
【０００４】
上記基板は、モジュール筐体（可塑性の）により囲まれ、例えば、ネジ留めによって上記ヒートシンクに向けて押圧されている。最適な放熱を行うためには、上記基板と上記ヒートシンクとの間で、空気の入らない連続的な面接触をすることが好ましい。しかしながら、高温下での製造過程の結果、上記基板では導体（例えば銅）と基板（例えばセラミック）との伸張係数が異なることによって、内部で機械的ストレスがかかりやすい。これらの機械的ストレスは、その後の製造工程（例えばはんだ付け工程）でより強くなる。この結果、上記基板のひずみが生じてしまい、上記ヒートシンクとの上記接触面を平坦に形成することができなくなってしまう。
【０００５】
この問題を解決するために、ドイツ特許  ＤＥ  １０１  ４２  ９７１  Ａ１号に開示されている上記モジュールでは、筐体の外側または内側に押圧スタンプ（pressure stamps）が備えられている。そして、上記押圧スタンプが外部から加えられた圧力を上記基板の様々な点または場所に伝え、上記基板を可能な限り均等に上記ヒートシンクに向けて押圧するようにしている。これは、好都合にも、基板が複数の互いに結合した基板領域に区分されていることによって、限定される範囲内で互いに相対的に移動可能であることに助けられている。
【０００６】
しかしながら、特に比較的広い面積にわたる広がりをもつ基板では、個々の場所では受容可能な、個々の押圧力に対して極度に壊れやすい。従って、ドイツ特許  ＤＥ１０１  ４９  ８８６  Ａ１号では、弾力によって押圧部材をよりよく設定できるように、押圧部材を弾性を有して上記筐体に連結するという方法を取っている。
【０００７】
しかし、この方法では、多数の個々の押圧部材に対して、特に上記基板の中央部分を均一に押圧するのが困難である。もし、過度の外力がかかった場合、局部的に過度の圧力が押圧力によって生じ、もろい上記セラミック基板が破損する危険性がある。一方、上記基板の破損を避けるために押圧力を全体的に小さくすれば、上記ヒートシンクと接触しない領域が残ることになる。例えば、上記モジュールの筐体を介して外力がかけられる場合、構成部品の許容差（tolerances）によって各基板位置に対して異なる強さの圧力がかかるので、構成部品の許容差がさらに悪影響を及ぼさせることになる。
【０００８】
それゆえ、本発明は、最初に述べた様式のパワー半導体モジュールにおいて、冷却部材と基板の下面とを均一に面で接触させる構成を安価に実現するとともに、個々の基板位置への押圧の作用をほぼ均一にして、構成部品の許容差の影響を受けないようにする構成を実現することを目的としている。
【０００９】
この目的は、最初に述べた様式のパワー半導体モジュールを、本発明によって以下のように、すなわち、前記押圧部材は、第２筐体部分に対して相対的に移動可能な第１筐体部分に形成されるとともに、前記第２筐体部分は、第１筐体部分から基板までに固定された距離をとるための支持面を規定するための間隔部材を有するよう構成することによって達成される。
【００１０】
本発明の重要な点は、弾性体（elastic）、すなわち、弾性を有するばねのきいた部材を介して各押圧力が、作用を受ける基板位置に与えられることである。バネの動作によって空間（spacing）の許容差および構成部品の許容差を相殺する。これにより、許容差の範囲の広い場合でも、基板が破損する危険性なしに各基板位置が、接触面に十分な押圧力をかけることになるという利点がある。
【００１１】
本発明の製造技術面から見た重要な点は、押圧部材がパワー半導体モジュールの筐体と一体になって形成される点である。これには、上記押圧部材が上記筐体と共に製造され、上記筐体と共に取り付けが行われるという利点がある。
【００１２】
本発明の最後の重要な点は、結局は、第１筐体部分と上記基板との距離（間隔部材からなる）が第２筐体部分によって固定して規定され、保たれるので、パワー半導体モジュールの筐体の許容差によって上記距離が短くなることがなく、その結果、上記基板の破損に至るような強い押圧力が生じなくなる点である。
【００１３】
本発明の構造上および製造技術上で利点を有する改良点は、上記押圧部材を、くもの巣状（webs）またはスタンプ状（stamps）に形成し、個々に正確に限定した押圧を生じさせる点である。
【００１４】
この場合、上記弾性を有する領域は、材料を薄くした、もしくは材料に凹部を設けた（recesses）上記筐体の領域または上記押圧部材の領域から形成されていることが好ましい。
【００１５】
本発明のパワー半導体モジュールの取り付け、および製造に関して、上記パワー半導体モジュールの筐体は、２つの対向する側面にのみ、冷却部材に機械的に連結されている領域を有していることが好ましい。例えばネジ留めによってなる連結により、上記筐体を介して押圧力が生じる。そして、上記押圧力は、本発明により設けられた個々の弾性を有する押圧部材を介して、（バネの動き、または、たわみにより）個々に異なる押圧力を個々の基板位置に与える。
【００１６】
狭い範囲内の許容差に収まる寸法の構造的な高さがしばしば必要となることがある。このため、例えば、上記パワー半導体モジュールの上面から接触ピンを、パワー半導体モジュールのストッパー領域（stop areas）（例えば、取り付けボード用）から所定の距離だけ出す。本発明のこの改良点によって、許容差のために押圧部材もしくは第１筐体部分を変形または移動させても、第２筐体部分、従って支持領域（bearing area(s)）が影響を受けないようにすることが容易に可能となる。
【００１７】
本発明は、結合されている（cohesive）複数の基板領域から形成されているが、限定される範囲内で互いに相対的に移動可能である（ドイツ特許  ＤＥ  １０１  ４２  ９７１  Ａ１号に記載）という特に有利な改良点をさらに追加してもよい。
【００１８】
添付の図面に示された実施形態に基づいて、本発明のより詳細な説明を以下で行う。
【００１９】
図１は、本発明のパワー半導体モジュールの実施形態の縦断面の図である。
【００２０】
図２は、図１の上記パワー半導体モジュールの第１筐体部分を示す図である。
【００２１】
図３は、図１の上記パワー半導体モジュールの第２筐体部分を示す図である。
【００２２】
図４は、図１の上記パワー半導体モジュールに接続接点（connection contacts）を設けて完成させた状態での側面図である。
【００２３】
図１は、基板１を備えた本発明のパワー半導体モジュールを示している。基板１は、（銅で）コーティングされた上面１ａと（銅で）コーティングされた下面１ｂとを有している。上面１ａ上には、複数のパワー半導体構成部品２・３・４が配置され、詳細な図示は行わないが、これらはボンディングワイヤ６によって、コーティング中に形成された導線に接続されている。基板１のパワー半導体構成部品２・３・４の間にある限定された部分に押圧位置１０・１１・１２・１３が規定される。押圧位置１０・１１・１２・１３では、基板１の下面１ｂと冷却部材（図示せず）とが一様に接触する領域（空気が入らないように）を得るように均一に押圧するための押圧力がかけられている。
【００２４】
このために、くもの巣状またはスタンプ状に形成された個々の押圧部材１６・１７・１８・１９が複数個設けられている。押圧部材１６・１７・１８・１９の自由端（free ends）１６ａ・１７ａ・１８ａ・１９ａは、後の取り付け工程で押圧位置１０・１１・１２・１３と接触することになる（また後述する）。
【００２５】
基板１およびパワー半導体構成部品２・３・４は、２つの筐体部分２１・２２から形成される可塑性の（plastic）筐体２０によって取り囲まれている。第１筐体部分２１は、側部フランジ２１ａ・２１ｂを有し、側部フランジ２１ａ・２１ｂには、それぞれ、上記冷却部材（図示せず）とのネジ留めのための開口が設けられている。押圧部材１６・１７・１８・１９は、第１筐体部分２１と一体に形成されている。また、押圧部材１６・１７・１８・１９は、第１筐体部分２１とともに射出成形によって形成され、その結果、他端（other ends）１６ｂ・１７ｂ・１８ｂ・１９ｂが第１筐体部分２１に連結されていることが好ましい。
【００２６】
共通の外力によってすべての基板位置に対して均一に押圧するのが困難であることが知られている。その結果、構成部品の許容差、または、基板領域が平坦でないことによって、押圧力が局部的に過剰に生じ、基板１が破損し得る。
【００２７】
そのため、押圧部材１６・１７・１８・１９を押圧位置１０・１１・１２・１３に対して、弾力を持って作用させる。このために、押圧部材１６・１７・１８・１９の他端１６ｂ・１７ｂ・１８ｂ・１９ｂは、材料を薄くした、もしくは材料に凹部を設けた領域２３・２４・２５・２６を介して、第１筐体部分２１と接続されている。しかしながら、押圧部材１６・１７・１８・１９自体にバネが設けられていてもよいし、押圧部材１６・１７・１８・１９自体がバネで弾性を有するように形成されていても良い。
【００２８】
図２にで詳細に示されている形態では、例えば筐体被覆面２８の領域に十字型の弾性膜２７が設けられている（図２では、全部で８つの押圧部材を図示しているが、これ以降の説明では、説明を簡略化するために、図１にも個別に示されている部材、例えば押圧部材１６のみについて個別に言及する。）。これにより、構成部品の許容差、もしくは基板位置１０の湾曲の結果、押圧による移動を減少させるため、または基板位置１０にかけられる押圧力を過度に大きくしないために、各押圧部材（例えば１６）の別の他端（例えば１６ｂ）が、垂直方向に弾性を有するようにに設けられる。
【００２９】
言い換えれば、弾性的な変形により必要であれば押圧力の適度な減少を行って基板１に伝える。可塑性の筐体２０をネジ留めする際に生じる押圧力ＦSchraube（図１）は、望ましい大きさで、押圧位置１０・１１・１２・１３に分配される。また、基板１の中央部分にも十分な大きさの押圧力Ｆがかけられ、例えば、基板１の外縁付近の領域に過度の押圧力が生じることもない。
【００３０】
さらに図１でも明らかなように、第１筐体部分２１は、内部の第２筐体部分２２を取り囲んでいる。上記内部の第２筐体部分２２は、基板１の上面１ａに防水的に接着されて密閉空間を形成し、必要であれば、第１筐体部分２１の充填開口２１ｃ（図２）を通して、（誘電性の）封止用化合物を充填することができる。
【００３１】
図３にも示すように、第２筐体部分２２の上面には、心棒または半球体（domes）３０・３１・３２・３３が設けられている。心棒または半球体３０・３１・３２・３３は、その端部領域（ends areas）３０ａ・３１ａ・３２ａ・３３ａにより、パワー半導体モジュールのための支持面（bearing plane）３４を規定している。また、第２筐体部分２２も、側部フランジ２２ａ・２２ｂを同様に有し、側部フランジ２２ａ・２２ｂには、それぞれ、上記冷却部材（図示せず）とのネジ留めのための開口が設けられている。側部フランジ２２ａ・２２ｂは、継ぎ目（joints）または溝（slots）２２ｃ・２２ｄによって、機械的に第２筐体部分２２の残りの部分から切り離され、ネジ留めによるストレスが基板１に伝わらないようにしている。
【００３２】
さらに、図２より明らかなように、第１筐体部分２１には、側部フランジ２１ａ・２１ｂ中の開口以外に、さらに、接触ピン（図４）用の開口と、心棒３０・３１・３２・３３が縦方向に移動可能に貫通する貫通孔２１ｄ・２１ｅ・２１ｆ・２１ｇとが設けられている。従って、第１筐体部分２１は、筐体部分２２に対して縦方向に相対的に移動可能である。一方、第２筐体部分２２は、基板１に対して相対的に固定されていて、その結果、支持面３４は第１筐体部分２１が移動した場合でも、影響を受けずに常に所定の支持面または取り付け面を規定する。従って、パワー半導体モジュールの取り付け高さが一定に保たれることになる。
【００３３】
取り付けのため、第１・第２筐体部分２１・２２は、ネジ（図示せず）によって、上記冷却部材（図示せず）に連結される。このネジ留めによって、図１でＦSchraubeとして示した押圧力が生じる。これらの力は押圧力Ｆとして、押圧部材１６・１７・１８・１９を介して、各押圧位置１０・１１・１２・１３にかけられる。外力である押圧力ＦSchraubeは、全ての押圧位置１０・１１・１２・１３に対して極めて均等にかけられるが、この理由は、弾性を有して作用する押圧部材１６・１７・１８・１９が、構成部品の許容差、または平坦ではない基板表面による影響を上述のように十分に相殺し、全ての押圧位置１０・１１・１２・１３に同じ押圧力Ｆをかけるようにするからである。
【００３４】
第１・第２筐体部分２１・２２と基板１とを有する図４に示すパワー半導体モジュールは、第１筐体部分２１を貫通する外部の接続接点４０を設けることによって完成する。接続接点４０の取り付けの深さは、第１筐体部分２１とは独立した支持面３４によって規定されている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のパワー半導体モジュールの実施形態の縦断面の図である。
【図２】図１の上記パワー半導体モジュールの第１筐体部分を示す図である。
【図３】図１の上記パワー半導体モジュールの第２筐体部分を示す図である。
【図４】図１の上記パワー半導体モジュールに接続接点を設けて完成させた状態での側面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１                                  基板
１ａ                                上面
１ｂ                                下面
２，３，４                          半導体構成部品
６                                  ボンディングワイヤ
１０，１１，１２，１３              押圧位置
１６，１７，１８，１９              押圧部材
１６ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ      自由端
１６ｂ，１７ｂ，１８ｂ，１９ｂ      他端
２０                                可塑性の筐体
２１                                筐体部分
２１ａ，２１ｂ                      側部フランジ
２１ｃ                              充填開口
２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ      貫通孔
２２                                筐体部分
２２ａ，２２ｂ                      フランジ
２２ｃ，２２ｄ                      溝
２３，２４，２５，２６              領域
２７                                十字型の弾性膜
２８                                筐体被覆面
３０，３１，３２，３３              半球体
３０ａ，３１ａ，３２ａ，３３ａ      端部領域
３４                                支持面
４０                                接続接点
ＦSchraube                              力
Ｆ                                  力
【図１】
0004491745.tif 000002
【図２】
0004491745.tif 000003
【図３】
0004491745.tif 000004
【図４】
0004491745.tif 000005