(57)【要約】【課題】与えられた基板の形態において可能出力が増加され、ベース面が同じである個々の基板に対する配線路の電流容量が増大され、パワー半導体モジュール内の寄生インダクタンスが減少される、パワー半導体モジュールを提供する。【解決手段】基板の上方でこれらから離間して少なくとも１つのライン要素（６０）が配設されていて、このライン要素が、負荷端子要素（４０）と、この負荷端子に直接的には隣接しない同極性の少なくとも１つの基板の接続パスとを接続し、この種のライン要素が複数である場合、これらが互いに密に隣接して配設されていること。選択的に、基板が列を成して配設されていて、それらの上にその列の縦軸線に沿って接続パスが配設されている場合、正極性及び負極性の接続パスが、連続する基板で交互に配設されていて、少なくとも２つのライン要素が基板の各々同極性の接続パスを接続していること。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（３）と、外側に通じる負荷端子要素（４）と、ハウジング（３）内に配設されていて同種に形成されている電気絶縁式の複数の基板（５）又は基板部分とを少なくとも有するパワー半導体モジュール（１）であって、それらの基板（５）又は基板部分が、絶縁材料ボディ（５４）と、パワー半導体モジュールの内部側の第１主面上に設けられていて互いに電気絶縁されていて異なる極性を有する金属性の複数の接続パス（５２ａ／ｂ／ｃ）と、これらの接続パス上に配設されていて基板又は基板部分ごとに少なくとも１つ設けられていて回路に適した接続部のための接続要素を備えたパワー半導体素子（８０）とを有する、前記パワー半導体モジュール（１）において、
基板（５）又は基板部分の上方でこれらから離間して少なくとも１つのライン要素（６０、７０）が配設されていて、このライン要素が、負荷端子要素（４０）と、この負荷端子（４０）に直接的には隣接しない同極性の少なくとも１つの基板（５）又は基板部分の接続パス（５２ａ／ｂ／ｃ）と接続されていて、この種のライン要素（６０、７０）が複数である場合、これらが互いに密に隣接して配設されていることを特徴とするパワー半導体モジュール（１）。
【請求項２】
ハウジング（３）と、外側に通じる負荷端子要素（４）と、ハウジング（３）内に配設されていて同種に形成されている電気絶縁式の複数の基板（５）又は基板部分とを少なくとも有するパワー半導体モジュール（１）であって、それらの基板（５）又は基板部分が、絶縁材料ボディ（５４）と、パワー半導体モジュールの内部側の第１主面上に設けられていて互いに電気絶縁されていて異なる極性を有する金属性の複数の接続パス（５２ａ／ｂ／ｃ）と、これらの接続パス上に配設されていて基板又は基板部分ごとに少なくとも１つ設けられていて回路に適した接続部のための接続要素を備えたパワー半導体素子（８０）とを有する、前記パワー半導体モジュール（１）において、
同種の基板（５）又は基板部分が列を成して配設されていて、それらの上にはその列の縦軸線に沿って接続パス（５２ａ／ｂ／ｃ）が配設されていて、更には正極性及び負極性の接続パス（５２ａ／ｂ）が、連続する基板（５）又は基板部分で交互に配設されていて、少なくとも２つのライン要素（６０、７０）が基板（５）又は基板部分の各々同極性の接続パス（５２ａ／ｂ／ｃ）を接続していることを特徴とするパワー半導体モジュール（１）。
【請求項３】
ライン要素（６０、７０）が、金属成形部品（６０）として、又は絶縁材料ボディ（７６）であってこの絶縁材料ボディ（７６）上には少なくとも１つの導体パス（７２）が配設されている絶縁材料ボディ（７６）として形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項４】
ライン要素（７０）が、絶縁材料ボディ（７６）であってこの絶縁材料ボディ（７６）の両方の側面上に複数の導体パス（７２）又は導体パス部分を備えた絶縁材料ボディ（７６）として形成されていて、導体パス部分が回路に適して互いに接続されていて、導体パス（７２）を形成し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（１）。
【請求項５】
導体パス部分のそれらの接続部が、絶縁材料ボディ（７６）を通じる通過接触部（７４）として形成されていることを特徴とする、請求項４に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項６】
基板の接続パス（５２ａ／ｂ／ｃ）と、それに対応するライン要素（６０、７０）との間の接続部が、ロウ付け接続部（６２）として、又はボンディング接続部（６６）として、又は押付け付勢されたバネ要素（６４）を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項７】
負荷端子要素（４０）と、それに対応するライン要素（６０、７０）との間の接続部が、ロウ付け接続部（６２）として、又はボンディング接続部（６６）として、又は押付け付勢されたバネ要素（６４）を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項８】
ライン要素（６０、７０）が、基板上（５）又は基板部分上の対応する接続パス（５２）にセンター箇所で接触していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール（１）。
【請求項９】
付属の極性の負荷端子要素（４０）とライン要素（６０）が一部材で形成されていることを特徴とする、請求項１又は２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、好ましくは冷却体上に取り付けるベースプレートを備えたハウジングと、このハウジング内に配設されている電気絶縁式の少なくとも１つの基板とを有するパワー半導体モジュールに関する。その基板の方は絶縁材料ボディを有し、この絶縁材料ボディは、この絶縁材料ボディ上に設けられていて互いに絶縁されている金属性の複数の接続パス（接続トラック）と、これらの接続パス上に設けられていて回路に適してこれらの接続パスと接続されている複数のパワー半導体素子とを備えている。更にこのパワー半導体モジュールは、外部負荷接触部及び外部補助接触部のための端子要素（ターミナル要素）と、パワー半導体モジュール内部の接続部のための接続要素をも有する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の出発点であるパワー半導体モジュールは例えば特許文献１及び特許文献２から知られている。これらの特許文献は、各々、第１パワースイッチ及び第２パワースイッチを備えたハーフブリッジ回路装置の形式のパワー半導体モジュールを開示している。それらのパワースイッチの各々はパワートランジスタの並列回路として形成されていて、それらのパワートランジスタには対応するフリーホイーリングダイオードが各々に備えられている。この際、対応するパワーダイオードを備えたそれぞれの第１及び第２パワートランジスタは固有の基板上に配設されている。これらの基板は同種に形成されていて、つまり基本的に同一の導体パス（導体トラック：接続パス）の延在経過を有している。例えば各基板上に設けられているわけではないセンサ用の補助接続パスだけに差がある。
【０００３】
従来技術として挙げられたそれらの特許文献に従い、この種のパワー半導体モジュールの基板は絶縁基板として形成されていて、これらの基板は、支持マテリアルとしての及びベースプレート又は冷却体に対する電気絶縁のための絶縁材料ボディから成る。この絶縁材料ボディは従来技術によると、産業セラミック、例えば酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムから成る。この絶縁材料ボディにおいてパワー半導体モジュールの内部側のその第１主面上には、互いに電気絶縁されている金属性の複数の接続パスが設けられている。またこれらの接続パスの上にはパワー半導体素子が配設されている。
【０００４】
多くの場合、絶縁材料ボディはパワー半導体モジュールの内部とは反対側のその第２主面上に同様に、第１主面上の接続パスと同じ素材及び同じ厚さの金属性の層を有する。しかし通常においてこの層は、それ自体、構造化（パターン化）されてなく、その理由はこの層が例えばベースプレートに対するロウ付け接続部のために用いられるためである。接続パス並びに第２主面の金属性の層は好ましくはＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）法により塗布された銅から成り、この際、この銅は１ｍｍよりも小さい典型的な厚さを有する。
【０００５】
更に、従来技術による前記のパワー半導体モジュールは負荷端子要素を有し、この際、これらの負荷端子要素は、ハウジングのより短い外側の領域に配設されている。両方の直流端子のため及び交流端子のためのこれらの負荷端子要素はバンド状の金属成形体として形成されている。これらの負荷端子要素は、外側の接触部を、各々負荷端子要素に隣接する第１基板上の対応する接続パスと接続させる。個々の基板の互いに同極性の接続パスは個々の接続要素を用いて形成されている。
【０００６】
現代のパワー半導体素子、特にパワートランジスタは、益々と、面ごとにより高い電流容量を有する。従ってパワー半導体モジュールの寸法が与えられている場合、同じ大きさでより高い電流容量のパワー半導体素子の使用により、パワースイッチの電流容量を用いて直接的に等級分けされるその全出力が増加され得る。前述のように個々の基板の同極性の接続パスがパワー半導体モジュールの内部で互いに接続されているので、全ての個々の基板のための電流は、負荷端子要素と接続されている基板を通じて流れる。従ってこの種のパワー半導体モジュールの可能出力のための制限値としては接続パスの電流容量が挙げられる。
【０００７】
更に前記の従来技術によるパワー半導体モジュールにおける短所として、正極性及び負極性の接続パスが、できるだけスペースを節約しようとする全体の配置構成に基づき、直接的に隣接して配設されているのではなく、それらの間に交流接続パスが配設されているということがある。この配置構成はスイッチング稼動時には不利な寄生インダクタンスを伴っている。
【０００８】
【特許文献１】ＤＥ１０３１６３５６Ａ１
【特許文献２】ＤＥ１０３３３３２９Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の基礎を成す課題は、複数の同種の基板又は基板部分を備えたパワー半導体モジュールを更に構成することであり、この際、与えられている基板の形態において可能出力が増加され、また、ベース面が同じである個々の基板に対する配線路の電流容量が増大され、及び／又は、パワー半導体モジュール内の寄生インダクタンスが減少されるというものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題は、本発明に従い、請求項１及び請求項２の構成要件の措置により解決される。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。
【００１１】
本発明の思想は、好ましくは冷却体上に取り付けるベースプレートを備えたパワー半導体モジュールから出発する。このパワー半導体モジュールは少なくとも次の構成要素を有する：ハウジング、負荷端子及び補助端子用の端子要素（ターミナル要素）、接続パス（接続トラック）及び基板又は基板部分ごとに少なくとも１つのパワー半導体素子を各々に備えた複数の同種の基板又は基板部分。
【００１２】
負荷端子用の端子要素は、好ましくは、各々、ハウジングのより短い外側の領域においてこのハウジングから出てゆき、ハウジング内部に配設されているパワースイッチの電気接続部のために用いられる。ベースプレート又は冷却体に対して電気絶縁式で形成されている基板又は基板部分の方は、各々、絶縁材料ボディ、好ましくは産業セラミックと、この上でベースプレート又は冷却体とは反対側のその第１主面上に設けられていて互いに電気絶縁されている金属性の複数の接続パスとから成る。これらの接続パス上にはパワー半導体素子が配設され、回路に適して接続されている。
【００１３】
基板又は基板部分の上方でこれらから離間して少なくとも１つのライン要素（電線路要素）が配設されていて、このライン要素は、負荷端子要素と、この負荷端子に直接的には隣接しない同極性の少なくとも１つの基板又は基板部分の接続パスと接続されている。好ましくは複数の同種のライン要素が設けられていて、好ましくは負極性及び正極性の端子のためであり、この際、これらのライン要素は互いに密に隣接して配設されている。
【００１４】
列を成した同種の基板又は基板部分の配置構成、及びその上に配設されていて列状配置構成の縦軸線に沿って設けられている接続パスにおいて、正極性及び負極性の接続パスが、連続する基板又は基板部分で交互に配設されていて、少なくとも２つのライン要素が基板又は基板部分の同極性の接続パスを接続すると有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に図１〜図７の実施例に基づいて本発明の思想を詳細に説明する。
【００１６】
図１及び図２は、従来技術によるハーフブリッジ回路装置としてのパワー半導体モジュール（１）を示していて、これが本発明の出発点である。図１は俯瞰図であり、図２は図１のＡ-Ａ線に沿った縦断面図を示している。パワー半導体モジュール（１）はベースプレート（２）を有し、ベースプレート（２）上にはフレーム状のハウジング（３）並びに２つの基板（５）が配設されている。各基板（５）は、絶縁材料ボディ（５４）と、両方の主面上に配設されている金属性の積層部とから成る。ベースプレート（２）側の金属性の積層部（５３）は平坦に形成され、構造化（パターン化）されていない。この積層部（５３）とベースプレート（２）との間のロウ付け接続部を用い、これらは互いに固定されている。それに対し、パワー半導体モジュール内部側の積層部はそれ自体が構造化されていて、従って基板（５）の導体パス（導体トラック、５２ａ／ｂ／ｃ）を形成している。
【００１７】
これらの導体パス（５２ａ／ｃ）上にはパワー半導体素子（８０）が配設されている。パワー端子（４２）及び詳細には描かれていない補助端子が電気的な端子要素（ターミナル要素）を形成している。接続パス（５２ｂ／ｃ）とパワー半導体素子（８０）との回路に適した接続部はボンディング接続部（４６）として形成されている。
【００１８】
パワー端子の端子要素（４２）は金属成形体により形成され、これらの金属成形体はそれらの一方の端部においてロウ付け技術により、直接的に隣接する基板（５）において対応する導体パス（５２ａ／ｂ／ｃ）とブラントの状態（先のとがっていない状態）で接続されていて、それらの他方の端部において捩込み接続のための穴を有している。
【００１９】
各基板（５）は、正極性及び負極性のためのパワー端子のためにパワー半導体モジュール（１）の縦軸線の方向に延在するそれぞれの接続パス（５２ａ／ｂ）を有し、並びに交流電流を導く接続パス（５２ｃ）を有し、この際、この接続パス（５２ｃ）は、直流の両方の接続パス（５２ａ／ｂ）間の中央に配設されている。このことは、できるだけ大きくサイズ決定されたパワー半導体素子（８０）をできるだけ小さいベース面上に配設するために有利である。更に基板（５）上には制御及び補助端子用の接続パス（５２）が配設されている。各基板（５）上には、各々逆並列接続されたフリーホイーリングダイオードを備えた第１及び第２パワートランジスタが配設されている。従って、複数の基板（５）上における並列回路としての複数の第１及び第２パワートランジスタは、ハーフブリッジ回路の両方のパワースイッチを形成する。そのためにパワー端子の接続パス（５２）はロウ付けコネクタ（４４）を用いて互いに電導接続されている。
【実施例１】
【００２０】
図３及び図４は、本発明に従い構成されたパワー半導体モジュール（１）を示している。この際、直流接続パスの図１及び図２に従うロウ付けコネクタ（４４）はライン要素（電線路要素、６０）により置き換えられている。これらのライン要素（６０）は、基板（５）の上方に基板（５）から離間して配設されている。更にこの際、交流電流の接続パス（５２ｃ）のロウ付けコネクタは従来技術のものに対応するが、同様に第３接続要素によっても置き換えられ得る。
【００２１】
図３は、パワー半導体モジュール（１）の両方の直流端子用のそれぞれである２つのライン要素（６０）の延在経過を示していて、この際、これらのライン要素（６０）は、パワー端子要素（４０、４２）に対応し、それぞれの金属成形部品として形成されている。ライン要素（６０）はパワー端子要素（４０）と好ましくはロウ付け接続部を用いて接続されている。基板（５）の接続パス（５２ａ／ｂ）に対する接続部は、同様に接続箇所（６２）に対するロウ付け接続部を用いて行なわれる。ライン要素（６０）は第２及び第３基板（５）用の電流割当部分を担い、それにより第１基板（５）上の接続パス（５２ａ／ｂ）をそれらの電流を導くことから負荷解除されている。このことは特に負極性の接続パス（５２）において有利であり、その理由はこの接続パス（５２）がパワー半導体素子（８０）を支持せず、それにより別の負荷電流を導く接続パスと比べるとより小さい横断面を有するためである。両方のライン要素（６０）はそれらの延在経過の本質的な部分において密に隣接し且つ平行に配設されていて、それによりパワー半導体モジュール（１）の寄生インダクタンスが明らかに減少される。
【００２２】
図４に従う断面図では、各々のライン要素（６０）が、負荷端子要素（４０）と、基板（５）において対応する接続パス（５２）と、ロウ付け接続部を用いて接続されていることが図示されている。更に基板面の上方における延在経過が図示されている。基板（５）に対して平行であるライン要素（６０）のこの延在経過により、この場合、基板及びライン要素の各々の主面も互いに平行に延在しているが、本発明のこの構成の使用は、小さい構成高のパワー半導体モジュール（１）においても使用可能である。
【００２３】
図５は、本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の他の形態を示している。この際、図４と比べ、負荷端子要素（４０）並びに基板（５）において対応する接続パス（５２）に対するライン要素（６０）の結合方式が異なっている。両方の接続部のために、図４で描かれたロウ付け接続部の他に、ここで描かれている他の接続技術も提供される。この際、ボンディング接続部（６６）、及び／又はバネ要素（６４）を用いた押付け接触式の弾性接続部が特に有利である。
【００２４】
この種の接続部においてはライン要素（７０）の別の形態も有利である。この際、例えばＤＣＢ要素としての形態が適している。絶縁材料ボディ（７６）とこの絶縁材料ボディ（７６）上に配設されているラインパス（７２）を用いたこの種の接続部は基板（５）のテクノロジーに対応する。この際、全ての極性にとって、同じ横断面を有する導体パス（７２）が設けられ得る。同様にこの種の形態において絶縁材料ボディ（７６）の両方の側面も電流伝導のために利用可能である。このことは、一方では電流伝導のために使用可能である横断面の面積が増加させ、同時に密に隣接した電流案内が成され、この電流案内は、パワー半導体モジュール（１）の低誘導性形態のために用いられる。
【００２５】
図６は、本発明に従うパワー半導体モジュール（１）の第３形態を示している。再びハーフブリッジ回路装置が描かれていて、この際、ここでは図面の見易さのためにパワー半導体素子は描かれていない。３つの同種の基板（５）のこの形態においてこれらは列を成して配設されている。これらは、個々の基板（５）、又は既に説明した以前の実施例におけるように所謂基板部分に係るものである。同種の基板部分としては個別基板に類似するものと理解されるべきで、この際、接続パスの個々のトポロジーは規則的に絶縁材料ボディ（５４）上で反復され、それにより個々の基板によっても達成可能であるように回路技術的に同一のトポロジーを形成する。
【００２６】
図３に従う場合のようにここでは個々の接続パス（５２ａ／ｂ／ｃ）が、列を成して配設されている基板（５）の縦軸線に沿って方向付けられている。しかしこの際、図３と異なり、接続パス（５２ａ／ｂ）のポジションは基板から隣接する基板へとこの縦軸線に関して交互になっている。従って第１基板上においてその順番は、上から下へと見て、正極性、交流、負極性であり、第２基板に関してはその逆である。この交互配置構成は全ての基板（５）にとって維持される。本発明に従い、ここでは概要的に図示された接続要素（７０）が配設されていて、これらの接続要素（７０）は、各々、基板（５）又は基板部分の同極性の接続パス（５２ａ／ｂ）を互いに接続している。この際、これらのライン要素（７０）はその延在経過において各々の基板上の接触点の間で交差している。
【００２７】
更に、ライン要素（７０）が、上述のように、各々対応する負荷端子要素（４０）と接続されていると有利である。更にここでは、金属成形体としての形態に比べ、二側面の導体パス（７２）を備えた絶縁材料ボディ（７６）としてのライン要素（７０）の形態が特に有利である。複数の導体パス（７２）を備えた基板としての接続要素の形態が個々の電流経路の交差を特に容易化することは同様に有利であり、その理由はこの際には導体パス部分が例えば絶縁材料ボディ（７６）を通過する通過接触部（７４）を用いて接続され、それにより導体パス（７２）を形成するためである。
【００２８】
ここで図示されている実施形態は寄生インダクタンスの回避に関して特に有利であり、その理由はここで発生する基板（５）から基板（５）への磁界が正反対の磁界方向に基づいて少なくとも部分的に互いに消し合うためである。
【００２９】
図７は、ダイオード（８０ａ）とサイリスタ（８０ｂ）の直列回路から成る整流器モジュールを３次元図で示していて、この際、再び、負荷端子要素（４０、４２）は、各々、ハウジング（３）のより短い外側の領域に配設されている。ここでは同様にベースプレート（２）と２つの基板（５）とを備えたパワー半導体モジュール（１）が描かれていて、この際、ここでは、パワー半導体素子（８０）の必要な大きさ及び制限されたスペース状況の基づき、第２基板への電流供給、ここでは正極性が、第１基板（５）の接続パス（５４）を介し、可能ではない。この際、有利には付属の極性の負荷端子要素（４０）とライン要素（６０）が一部材で形成されている。ライン要素（６０）は基板上の対応する接続パス（５２）にセンター箇所で接触し、それによりパワー半導体素子（８０ｂ）に対する電流供給が非図示のボンディング接続部を介して中央で行なわれ、それによりパワー半導体素子（８０ｂ）の全面が電流で付勢され、それによりパワー半導体素子（８０ｂ）の最大電流容量が達成される。基板（５）の接続パス（５４）の間の他の接続部は従来技術によるロウ付け接続部（４４）に対応している。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来技術によるパワー半導体モジュールを示す図である。
【図２】従来技術によるパワー半導体モジュールを示す図である。
【図３】本発明に従うパワー半導体モジュールの第１形態を示す図である。
【図４】本発明に従うパワー半導体モジュールの第１形態を示す図である。
【図５】本発明に従うパワー半導体モジュールの第２形態を示す図である。
【図６】本発明に従うパワー半導体モジュールの第３形態を示す図である。
【図７】本発明に従う他のパワー半導体モジュールの３次元図である。
【符号の説明】
【００３１】
１                  パワー半導体モジュール
２                  ベースプレート
３                  ハウジング
４２                端子要素（パワー端子）
４４                ロウ付けコネクタ
４６                ボンディング接続部
５                  基板
５２ａ／ｂ／ｃ      金属性の積層部（導体パス：接続パス）
５３                金属性の積層部
５４                絶縁材料ボディ
６０                ライン要素
６２                接続箇所
６４                バネ要素
６６                ボンディング接続部
７０                ライン要素
７２                ラインパス
７４                通過接触部
７６                絶縁材料ボディ
８０                パワー半導体素子
８０ａ              ダイオード
８０ｂ              サイリスタ
【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】
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