(57)【要約】積み重ね可能な電力半導体モジュールが、複数の導電性のベースプレート（２），１つの導電性のカバープレート（３）及び複数の半導体チップ（１）から構成される。半導体チップは、予備組み立てされたサブモジュール内の独立したベースプレート上に幾つかのグループで配置されている。サブモジュールは、モジュールハウジング内に平行に配置されている。これらのサブモジュールは、その電流定格に応じて十分にテスト可能である。ハウジング内に平行に配置されたサブモジュールの数を変えることによって、モジュールの全電流定格を変更できる。
2004528724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−半導体チップ（１）が第１主電極によってベースプレート（２）に導電的に接続され、−これらの半導体チップは、第２主電極によってかつフレキシブルな接触要素（６）を介してカバープレート（３）に導電的に接続され、
−このカバープレート（３）は、フレキシブル接触要素を制限する固定ハウジング要素（４）に付着され、このカバープレート及びハウジング要素は１つのモジュールハウジングを形成する、
少なくとも１つの導電性のベースプレート（２），１つの導電性のカバープレート（３）及び複数の半導体チップ（１）から構成される電力半導体モジュールにおいて、
−半導体チップ（１）は、予備組み立てされ十分にテスト可能なサブモジュール内の独立したベースプレート（２）上に幾つかのグループで配置されていること、及び、
−ベースプレート（２）は、カバープレート（３）に対して可動であることを特徴とする電力半導体モジュール。
【請求項２】
−各サブモジュールの接触要素は、サブモジュールハウジング要素（５）によって誘導され、これらのサブモジュールハウジング要素（５）はベースプレート（２）に付着されることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体モジュール。
【請求項３】
−サブモジュールハウジング要素（５）の少なくとも一部が、ベースプレート（２）を包囲し、かつ外部突出部（５１）を有すること、及び、
−各サブモジュールは、固定ハウジング要素（４）の突出部（４１）で担持されるサブモジュールハウジング要素の突出部（５１）によってモジュールハウジング内で締め付けられることを特徴とする請求項２に記載の電力半導体モジュール。
【請求項４】
−固定ハウジング要素（４）は、60kJ/m2よりも大きい衝撃強度の材料から作られることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力半導体モジュール。
【請求項５】
−固定ハウジング要素（４）は、長い繊維で強化された合成材から成ることを特徴とする請求項４に記載の電力半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力半導体の分野に関する。
【０００２】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の電力半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００３】
集積ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）技術が、ＨＶＤＣトランスミッションや電力品質管理のような電力システムアプリケーション用の電圧源変換器（ＶＳＣ）の発展と共に新しいレベルに到達した。
【０００４】
現在、以下の特徴のため、ＩＧＢＴは、このようなアプリケーションに対して好ましい選択である：
−ＭＯＳ制御される装置であるので、低出力制御である。例えば、非常に高電圧レベルで操作するときに好ましい（数100kV ）。
−ラッチング動作(latching alternatives) では不可能である装置の正確な制御を可能にするトランジスタ動作（例えば、コンバータが短絡回路状態でもターンオフされ得る）
−高周波スイッチングを実現できる高スイッチングスピード
電気的に良好に適合されている一方で、新しいプレスパック技術が導入されるまで、ＩＧＢＴはその電流状態が高出力，高いプロファイルアプリケーション(high profile applications) に到達しなかった。幾つかのキーパッケージング(key packaging) の側面が再設計された。このことは、従来のサイリスタを基礎にしたライン整流コンバータ技術からＩＧＢＴを基礎にした電圧源技術に発展することを可能にする。
【０００５】
現在入手可能な匹敵するＩＧＢＴプレスパックパッケージは、従来のサイリスタ‘ホッケープック(hockey puck) ’パッケージから適合される。この融通のきかない圧力接触技術は、ＩＧＢＴチップの表面上の敏感な微細構造を保護するために最適化されていない。主なユーザとしては、ほぼ完璧な冷却面を提供すること、及び組立ての間に十分に注意を払って装置を操作することが要求される。このことは、モジュールの大きさが高い電流定格のために増加するときに一層悪化する。そのため、多大なコストがシステムの生産コストにかかる。
【０００６】
数ＭＷ〜数百ＭＷの電力範囲のコンバータは、かなりの数の半導体装置を利用する。コンバータの電圧としては、数十〜数百ｋＶに達する。多数の半導体装置を直列に接続する必要がある。直列接続に最も適したものは、サイリスタから公知の装置を互いに上に積み重ねることである。このような用途に対して適したＩＧＢＴモジュールは以下の機械的な要求を満たす必要がある：
−数メートルの長さになりうる組み立てたスタックを搬送して操作する間の十分な機械的安定性を提供するため、100kN までの高い締付け力が必要である。
−システム及び組立コストを最小にするため、圧力の非均一性に対して高い許容性が要求される。
【０００７】
新しい圧力接触技術が、米国第 5,705,853号明細書中で開示されている。図１中に概略的に示したように、フレキシブルなエミッタ接触部（Individual press-pin）を固定ハウジングと組合わせることによって、圧力が、外部の締付け力からチップ上へ直接かからない。
【０００８】
上のプレート３とベースプレート２とが固定ハウジング要素４に接触するまで、チップ１上の接触パートナー（個別プレスピン）６はフレキシブルでありかつ締付けられる。外力がさらに増加するとき、チップ１上の圧力は一定のままである。その一方で、ハウジング４はさらなる力を受ける。ロッドの垂直の移動を可能にするため、上のプレート３は十分に厚くする必要がある。このロッドは、フレキシブルプレスピン接触要素を誘導し、これらの接触要素６によって加えられる圧力下で曲がってはならない。多数のチップが１つのモジュール内に配置されていても、個別プレスピン６は均一な圧力分布を可能にする。
【０００９】
この概念の重要な利点は、硬い銅のポール片を有する従来の‘hockey-puck ’設計よりも圧力の非均一性に対して鈍感であること、及び非常に広い機械的な許容性と同時に非常に高い取付け力を可能にすることである。このことは、コストを下げて機械的な信頼性を上げる。
【００１０】
高いライン電圧で作動するＨＶＤＣシステムでは、多数の装置が通常直列に接続されている。数百ＭＷを処理するＨＶＤＣに基づく大きいＶＳＣが、全部で千以上のＩＧＢＴを適切に装備している。予備の装置を直列接続された装置のスタック内に追加する場合、冗長性がシステム内に形成され得る。このことは、個々の半導体装置のうちの幾つかが故障してもシステムを稼働させることを可能にし、システムの高信頼性を保証しそして定期的な保守の必要性を最小限にする。
【００１１】
装置は直列接続で運転されるので、システム全体に電流を誘導可能な十分に低い抵抗を伴う短絡回路を形成する装置が制御モード中に故障することは、このような冗長性に対して避けられない。これらの装置は、負荷電流の遮断を引き起こす開放回路の故障は許されない。短絡回路故障モード（ＳＣＦＭ）で作動する故障した要素は、計画した保守の間に交換される。
【００１２】
ＳＣＦＭ信頼性を向上させるため、パッケージング技術発展した。ヨーロッパ特許発明第0 989 611 号明細書は、低電流でも長期間安定なＳＣＦＭを有する半導体モジュールを記す。半導体チップのシリコンは、最適化された接触パートナーによって冶金学的に合金になる。低溶融化合物が形成されて、高導電性の経路をチップわたって誘導する。チップの合金化は故障後にすぐに発生する。高電流ストライクがチップ上にプレスされる冶金学的に最適化された材料を引き起こす場合、溶融して下にあるシリコンと反応する。その結果、システムの‘after-life’運転の間の高い信頼のＳＣＦＭを実現する。
【００１３】
これは、様々な電流定格のコンバータに対して標準化されたスタックを設計するのに経済的に有益である。したがって、低い電流定格で装置のコストを大幅に増加させることなしに、パッケージ全体がＩＧＢＴの電流定格の範囲に対して固定されていることが好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、高度の標準化を可能にしかつ電流定格の範囲にわたって柔軟性を呈する冒頭で述べた種類の改良された電力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】
【００１５】
この課題は、請求項１に記載の電力半導体モジュールによって実現される。
【００１６】
１枚の導電性のベースプレート，１枚の導電性のカバープレート及び複数の半導体チップを有する本発明の電力半導体モジュールでは、半導体チップが、予備組立てされたサブモジュール内の複数の独立したベースプレート上に幾つかのグループで配置されている。そしてこれらのベースプレートは、カバープレートに向かって可能である。
【００１７】
サブのジュールは、モジュールハウジング内に平行に配置されている。これらのサブモジュールは、その電流定格に応じて十分にテスト可能である。サブモジュールをテストすることは、シングルチップをテストすることよりも信頼性が高い。何故なら、幾つかの例えば異なる種類のチップの相互作用がテストされ得るからである。１つのモジュールの全電流定格は、モジュールハウジング内に平行に配置されているサブモジュールの数によって決定される。
【００１８】
本発明の好適な実施の形態では、半導体チップをカバー及び／又はベースプレートに接続させる接触要素がベースプレートに接着されているサブモジュールハウジング要素によって誘導される。これらのサブモジュールハウジング要素は、操作と搬送の間に半導体チップ及び予備組立てされたサブモジュールの接触要素を安定化させる。
【００１９】
各サブモジュールのベースプレートの少なくとも一部を包囲するサブモジュールハウジング要素は、モジュールのハウジング要素の突出部と相互作用する外部突出部を有する。モジュールを冷却プレート上に取付けるか又は幾つかのモジュールを各々の上に積み重ねる前に、可動なベースプレートがモジュールハウジング要素から差込まれつつ、各サブモジュールが、モジュールハウジング内に締付けられる。ハウジング要素が、ベースプレートを取付けるか又は積み重ねた後に整合される。ハウジング要素が外部の積み重ね力を受ける一方で、接触要素によって加えられる圧力はベースプレート上で安定である。
【００２０】
モジュール設計の最も望ましい側面は、そのコストの有効性である。このことは、非常に高い生産性によって特に実現され、特にモジュールでないアプローチのモジュールと比較したアプローチを使用する大きい電流定格のモジュールに対して実現される。小さいサブモジュールが、大容量で生産され得る。全てのモジュールは、サブモジュールとしてほぼ完璧であり、十分に予備テストされる。最後のテストで故障が発生した場合、故障のあるサブモジュールが、単純にハウジングから持ち上げられて交換される。
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。
【００２２】
図中で使用される参照符号及びこれらの意味は、参照符号のリスト中に要約して列記されている。原則的には、同一部分は、同じ参照符号で図中に示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図２は、本発明の半導体モジュールの幾つかのサブモジュールのうちの１つを示す。
【００２４】
信頼性の高い半田の接合が半導体チップとベースプレートとの間で形成されるように、所望の数の半導体チップ１、例えばＩＧＢＴ又はダイオードが、（例えば、Ｍｏから成る）低い熱膨張率のベースプレート２に半田付けされる。第１半導体チップ１は、その底面に第１電極を有し、その上面に第２電極を有する。
【００２５】
半導体チップの種類と数は制限なしに選択され得る。ＩＧＢＴだけを含むサブモジュール，ダイオードだけを含むサブモジュール又はＩＧＢＴとダイオードとの比をいろいろに可能なサブモジュールを構成することが可能である。フレキシブルな個別プレスピン接触要素６が、最適なＳＣＦＭ用の幾つかの異なる層と共に半導体チップ１上に配置されている。これらの層は半田付けされているのではなくて一緒にプレス（ドライプレス接触）されているので、これらの層は成形されたポリアミドのサブモジュールハウジング要素５によって誘導される。これらのサブモジュールハウジング要素５は、ベースプレート２上に付着、例えば接着される。これらのサブモジュールハウジング要素は、幾つかの層が半導体チップ上でずれないことを保証する。
【００２６】
スプリングワッシャが、接触スタック及び半導体チップ上に圧力を加える。モジュールのカバープレート３に接触させるための接触要素６１が、フレキシブルな個別プレスピン接触要素の上にある。接触要素６１は、個別プレスピン６とカバープレートとの間の電気的な接続部材である。この接続部材は、半導体チップに通電するのに十分である。接触要素６１は、底に１つの孔を有するＵ字形である。スプリングワッシャを誘導するロッドが、この孔を貫通して配置されている。この接触要素６１は、ロッドに対する垂直運動を可能にするために十分高い。従来のモジュールと比較した場合、カバープレートの厚さが低減され得る。何故なら、垂直に可動なロッドが、接触要素６１内に十分に嵌入されるからである。カバープレート３は、単にプレスピンスタックを固定するために使用される。その結果、これらのプレスピンスタックが操作や搬送の間にサブモジュールから外れない。従来のモジュールと比較すると、カバープレート用の材料がより少ない。このカバープレートは、当然にコストを低減させる。
【００２７】
ＩＧＢＴのゲート電極が、ワイヤボンド接触を通じてゲートランナー８に接続されている。セミコンダクターチップ配置にパシベーション及び保護を施すため、シリコンジェルがサブモジュールハウジング内に封入されている。シリコンジェルは、チップ上の幾つかの層のずれも阻止する。シリコンジェルの硬化後、十分に機能するテスト可能なサブモジュールが入手できる。
【００２８】
次いで、完成したサブモジュールが、半導体チップの種類及び数に応じて十分にテストされる。
【００２９】
サブモジュールが、テスト後に導電性のカバープレート３及び堅いモジュールハウジング要素４から構成されたモジュールハウジング内に固定されている。
【００３０】
モジュールハウジングは、サブモジュール用に一定の数のスロット、例えば６個のスロットを２列内に有する。一定の数内では、例えば所望の定格電流に応じて任意のサブモジュールがモジュールハウジング内に挿入され得る。
【００３１】
モジュールハウジングは爆発に対して回復力がある。最小で60kJ/m2の衝撃強度を呈する材料が必要とされることが実験で分かっている。固定ハウジング要素４は、最小で約0.1mの長い繊維で補強された合成材で作られている。これらの材料は、このような種類の衝撃強度を有する。それ故に、爆発性の圧力を誘導する数百μ秒間の数百ｋＡの電流の放出のようなストレスに耐えるハウジングにするために必要な強度を提供する。
【００３２】
図３中に示されているように、サブモジュールがモジュールハウジングの内部で締付けられている。サブモジュールはカバープレート３に対して僅かに押圧されている一方で、サブモジュールの外側の突出部５１は固定モジュールハウジング要素の突出部４１に対して僅かに押圧されている。ショックを吸収するため、及び操作や搬送の間のサブモジュールに対する損傷を阻止するため、弾性の小片の絶縁発泡体４２が、相互に作用する突出部４１と突出部５１との間に配置されている。発泡材料は、固定モジュールハウジングの突出部４１上に付着されている。ベースプレート２は、モジュールハウジングの底孔の外側に貼付されている。接触スタックの上の接触要素６１はカバープレート３に対して僅かに押圧されている。フレキシブル接触要素６は、押圧されて半導体チップ１上に小さい接触力を与える。
【００３３】
次いで、内側に締付けられたサブモジュールを有する完成した各モジュールは、冷却プレート７上に設置される。次いで、冷却プレートを有するモジュールが積み重ねられる（直列接続）。
【００３４】
図４中に示されているように、突出部４１，５１はもはや相互に作用しない。ベースプレート２は、モジュールハウジング内に押され、固定ハウジング要素４と整合する。フレキシブル接触要素６は、さらに押圧されて半導体チップ１面への最適な接触力をさらに向上させる。
【００３５】
モジュールが冷却プレート面上に搭載され、その他のモジュールと一緒に積み重ねられているときにだけ、個々のプレスピンの全接触力がかかるので、上のプレート３は薄く保持できる。小さい接触力だけが、モジュールの組立てと貯蔵の間に上のプレート３にかかる。その結果、このプレート３は曲がらない。
【００３６】
半導体制御信号、例えばＩＧＢＴ用のゲート信号が、図７中に示されているモジュールのカバー上に取付けられた共通のゲート／補助接触部８１を通じて提供される。各サブモジュールのゲートランナーが、スプリング電気接触部（図示せず）を介して接続されていて、１本の共通のゲート信号導体８に集められている。
【００３７】
図５，６中に示されているように、幾つかの予備テストされたサブモジュールが１つのモジュールハウジング内に並列にされている。モジュールの所望の電流定格に応じて、サブモジュールの数が選択され得る。図５は、積み重ねて締付け力のかかる前の減圧された２つのモジュールを示す。
【００３８】
図６は、本発明の２つの半導体モジュールの完全に積み重なった状態を示す。
【００３９】
モジュールの有利なアスペクト比（高さ／幅≒1/10）のために、スタックが非常に安定している。締付け力は、スタック内の各モジュールの固定ハウジング要素４によって100kN まで容易に上昇する一方で、半導体チップ上の圧力は一定のままである。
【００４０】
セミフリーフローティング構造のために、非常に低い熱抵抗が実現される。この低い熱構造は、スタック内の各モジュールの片側冷却を可能にする。
【００４１】
図７中に示されているように、モジュール用の構造の対称的な特性のために、そしてゲート信号の適切なルート決めによって、サブモジュールの優れた平行が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の技術の半導体モジュールを示す。
【図２】サブモジュールをモジュール内に締付ける前のサブモジュールを有する本発明の半導体モジュールの一部を示す。
【図３】冷却プレート上にモジュールを取付ける前のモジュール内に締め付けられた図２のサブモジュールを示す。
【図４】モジュールが冷却プレートに貼り付けられている図３のサブモジュールを示す。
【図５】外部の締付力をかける前の図２の半導体モジュールのスタックを示す。
【図６】図５の半導体モジュールの圧縮されたスタックを示す。
【図７】図２の半導体モジュールの上面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１          半導体チップ
２          ベースプレート
３          カバープレート
４          モジュールハウジング要素
５          サブモジュールハウジング要素
６          個別プレスピンフレキシブル接触要素
７          冷却プレート
８，８１    ゲート，補助接触部
４１，５１  ハウジング突出部
４２        発泡体
６１        接触要素
【国際公開パンフレット】
2004528724.tif 000003
2004528724.tif 000004
2004528724.tif 000005
2004528724.tif 000006
2004528724.tif 000007
2004528724.tif 000008
2004528724.tif 000009
2004528724.tif 000010
2004528724.tif 000011
2004528724.tif 000012
2004528724.tif 000013
2004528724.tif 000014
2004528724.tif 000015
2004528724.tif 000016
2004528724.tif 000017
2004528724.tif 000018
2004528724.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成15年5月5日(2003.5.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
−半導体チップ（１）は、第１主電極によって少なくとも１つのベースプレート（２）に導電的に接続され、
−これらの半導体チップは、第２主電極によってかつフレキシブルで圧縮可能な接触要素（６）を介してカバープレート（３）に導電的に接続され、
−このカバープレート（３）は、１つのモジュールハウジングを形成する固定ハウジング要素（４）に付着され、
−これらの固定ハウジング要素（４）は、フレキシブルな接触要素（６）の圧縮を制限する少なくとも１つの導電性のベースプレート（２），１つの導電性のカバープレート（３），複数の固定モジュールハウジング要素（４）及び複数の半導体チップ（１）から構成されている電力半導体モジュールにおいて、
−モジュールは、予備組み立てされ十分にテスト可能なサブモジュールから構成され、これらのサブモジュールの各々は、１つのベースプレート（２）及び半導体チップ（１）のうちの少なくとも１つを有し、各サブモジュールの半導体チップは、サブモジュールのベースプレート上に配置され、
−少なくとも１つのサブモジュールの少なくとも１つのベースプレート（２）は、カバープレート（３）に対して可動であることを特徴とする電力半導体モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
−少なくとも１つのサブモジュールの半導体チップをカバープレートに電気的に接続するための接触要素が、サブモジュールハウジング要素（５）によって誘導され、これらのサブモジュールハウジング要素（５）は、ベースプレート（２）に付着されることを特徴とする電力半導体モジュール。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
−サブモジュールハウジング要素（５）の少なくとも一部が、ベースプレート（２）を包囲し、かつ外部突出部（５１）を有すること、及び、
−少なくとも１つのサブモジュールは、固定ハウジング要素（４）の突出部（４１）で担持されるサブモジュールハウジング要素の突出部（５１）によってモジュールハウジング内で締め付けられることを特徴とする電力半導体モジュール。
【国際調査報告】
2004528724.tif 000020
2004528724.tif 000021