(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備える電力半導体モジュール：
一つ又は複数の電子デバイスを面上に支持するベースプレート；
一つ又は複数のパワー端子を保持しており、外方へ伸びる端子要素を有する少なくとも一つの端子ブロック；
前記電子デバイスと同じベースプレートの面で前記端子ブロックを柔軟に支持するために、端子ブロックおよびベースプレートの熱膨張・熱収縮を可能にする柔軟な材料からなる支持層；及び
前記ベースプレートにハーメチックシールされていて、前記端子要素それぞれのための開孔を有するカバーであって、前記端子要素の一部が該開孔を介して前記カバーから抜け出て、前記カバーにハーメチックシールされる構成になっているカバー。
【請求項２】
前記ベースプレートは、メタリックマテリアルズをラミネートしたもの又は複合したものであって、所定の伝熱性と熱膨張係数とを有している請求項１の電力半導体モジュール。
【請求項３】
前記端子それぞれをシールするシーリング要素を含み、該シーリング要素が前記それぞれの端子を前記カバーに対しハーメチックシールする請求項１の電力半導体モジュール。
【請求項４】
前記カバーの上面にマウントできるアダプタープレートを含み、このアダプタープレートは、前記カバーから伸びているそれぞれの端子に電気的に接続する一つ又は複数の端子を有している請求項１の電力半導体モジュール。
【請求項５】
前記ベースプレートは、前記カバーの熱膨張係数または前記ベースプレートの面に装着された電子デバイスの基板の熱膨張係数と同じ熱膨張係数を有する伝熱性マテリアルからなる請求項１の電力半導体モジュール。
【請求項６】
前記カバーがセラミックマテリアルからなる請求項５の電力半導体モジュール。
【請求項７】
回路ボードが前記ベースプレートに対し間隔をおいて配置されており、該回路ボードの少なくとも一つの面に一つ又は複数の電子デバイスを備えている請求項１の電力半導体モジュール。
【請求項８】
前記アダプタープレートは、電気絶縁性のものであって、少なくとも一方の側の一部が前記カバーの周縁から突き出ていて、該部分に一つ又は複数のエッジ端子を備えている請求項４の電力半導体モジュール。
【請求項９】
前記アダプタープレートは、電気絶縁性のものであって、回路トレース又は回路要素を備えている請求項１の電力半導体モジュール。
【請求項１０】
以下の構成を備える電力半導体モジュール：
一つ又は複数の電子デバイス基板を面上に有する伝熱性金属マテリアルのベースプレート；
一つ又は複数のパワー端子を保持しており、各端子は、外方へ伸びるポスト部と横方向に伸びる棚部とを有する少なくとも一つの高電力端子ブロック；
一つ又は複数のパワー端子を保持しており、各端子は、外方へ伸びるポスト部と横方向に伸びる棚部とを有する少なくとも一つの低電力端子ブロック；
前記ベースプレートの面で前記それぞれの端子ブロックを支持するための前記端子ブロックそれぞれの支持層；
前記端子ブロックの棚部を前記電子デバイスに選択的に接続する電気接続部材；及び
前記端子ポスト部それぞれのための開孔を有するカバーであって、前記ベースプレートにハーメチックシールされており、前記端子ポスト部は、該カバーにハーメチックシールされている構成になっているカバー。
【請求項１１】
前記支持層は、前記端子ブロックと前記ベースプレートの面とにボンドされたマテリアルの層である請求項１０の電力半導体モジュール。
【請求項１２】
前記支持層は、シリコンラバーからなる請求項１１の電力半導体モジュール。
【請求項１３】
前記カバーの外面に配置され、それぞれの端子に電気的に接続されている電気端子要素を含む請求項１１の電力半導体モジュール。
【請求項１４】
前記端子ブロックそれぞれは、前記端子をモールドした電気絶縁性マテリアルの本体を備える請求項１０の電力半導体モジュール。
【請求項１５】
以下の構成を備える電力半導体モジュール：
一つ又は複数の電子デバイスを面上に支持するベースプレート；
一つ又は複数のパワー端子を保持しており、外方へ伸びる端子要素を有する少なくとも一つの端子ブロック；
前記端子ブロックを前記電子デバイスと同じベースプレートの面に対して離接可能に支持する支持層；及び
前記ベースプレートにハーメチックシールされていて、前記端子要素それぞれのための開孔を有するカバーであって、前記端子要素の一部が該開孔を介して前記カバーから抜け出て、前記カバーにハーメチックシールされる構成になっているカバー。
【請求項１６】
以下の構成を備える電力半導体モジュール：
一つ又は複数の電子デバイス基板を面上に有する伝熱性金属マテリアルのベースプレート；
一つ又は複数のパワー端子を保持しており、各端子は、外方へ伸びるポスト部と横方向に伸びる棚部とを有する少なくとも一つの高電力端子ブロック；
一つ又は複数のパワー端子を保持しており、各端子は、外方へ伸びるポスト部を有する少なくとも一つの低電力端子ブロック；
前記ベースプレートの面の上方で前記端子ブロックを支持するための前記高電力端子ブロックの支持層；
前記端子ブロックの棚部を前記電子デバイスに選択的に接続する電気接続部材；及び
前記端子ポスト部それぞれのための開孔を有するカバーであって、前記ベースプレートにハーメチックシールされており、前記端子ポスト部は、該カバーにハーメチックシールされている構成になっているカバー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子パッケージ（エレクトロニックパッケージ）に関し、さらに詳しくは、モジュラー電子パワーパッケージ（パワーパック）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子パワーパッケージ（パワーパック）または電子パワーモジュールは、回路類及びモーター類、アクチュエーター類、コントローラー類などのようなデバイス類に電力を供給するためのものとして知られている。高度の信頼性が要求される用途においては、前記モジュールの内部に湿気、塵埃その他の汚染物が侵入して、該モジュールを破損したり、機能不全にしてしまうことを防ぐために、前記モジュールをハーメチックシールしている。ハーメチックシールされたモジュールは、コストが高くなるのが通常であるから、コスト重視の商業用途、工業用途には、使用されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、信頼度が高いハーメチックシールの電子パワーパッケージ（パワーパック）または電子パワーモジュールは、製造コストが高いために、使用用途が限定されており、このような高コストのハーメチックシールの電子パワーパッケージ（パワーパック）または電子パワーモジュールのコストを下げ、信頼度が高く、コスト面での用途の限界がない低コストのハーメチックシールの電子パワーパッケージ（パワーパック）または電子パワーモジュールの出現が要望されており、これが、この発明の解決課題である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するために、ハーメチックシールの電子パワーパッケージ（パワーパック）または電子パワーモジュールのコストを下げ、信頼度が高く、高機能をもち、しかもコスト面での用途の限界がない低コストのハーメチックシールの電子パワーパッケージ（パワーパック）または電子パワーモジュールを提供するものである。この発明による前記パッケージは、金属のベースプレートとセラミックのカバーとを有するハーメチックシールされた密封体（エンクロージャー）からなり、この内部には、複数の回路が内蔵されていて、これら回路は、パワースイッチ要素ならびにドライブ、監視及び制御回路などを含む種々の回路構成の能動的及び受動的電子コンポーネンツを含むものである。一つ又は複数のパワー端子が端子ブロックに配置されていて、該ブロックは、前記ベースプレートに支持されていて、前記端子は、ハーメチックシールされた状態で前記カバーから突き出ている。また別途、一つ又は複数のパワー端子は、前記ベースプレート上に支持されて、前記カバーと外部端子とに付着するように配置されていてもよい。
【０００５】
この発明の一つのアスペクトによれば、前記パワー端子に接続の複数の端子を含むアダプタープレートが前記カバーにマウントされる。このアダプタープレートの端子は、前記モジュールそれ自体の端子形状を変えることなしにユーザーの要望に合う形状のものにできる。また前記アダプタープレートは、能動的及び／又は受動的回路構成を内蔵してもよい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
この発明を詳しく説明するために、図示の実施の態様により、この発明を説明する。
この発明によるハイパワー半導体パッケージ（パック）又はモジュールは、図１から図３に示すように、ベースプレート１０を含んでいる。このベースプレート１０の上面には、中央部分一帯に一つ又は複数の電子回路又は電子デバイス１２（例えば、大電力整流器など）が配置され、ベースプレート１０の長さ方向の一方の側縁にそって、第１の端子ブロック１４が配置され、ベースプレート１０の長さ方向と直交する一方の端縁にそって、第２の端子ブロック１６が配置され、電気絶縁のカバー１８で前記回路１２及び端子ブロック１４，１６を含む前記ベースプレート１０全体が覆われている。
【０００７】
この発明を構成するハイパワーパッケージ又はモジュールは、航空宇宙産業を含む広範囲な産業分野に使用される高信頼度、高機能を有し、コストパフォーマンスにも優れたすぐれものである。このモジュールは、零下（マイナス）５５℃の低温から＋１５０℃の高温の温度範囲に耐えるものであり、電力定格は、３０００アンペアー、４５００ボルトに達するものである。このモジュールは、密封性（ハーメティシティ）を有し、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｅメソッド１０１４のような微細な漏洩密封テスト要件を満たすものである。
【０００８】
ベースプレート１０は、良好な伝熱性を有するマテリアルからなるもので、このマテリアルの熱膨張係数は、前記ベースプレートに配置してある回路又はデバイス１２の基板のそれと相違しないか、又は、前記ベースプレートにシールされたカバー１８のそれと相違しないものである。前記ベースプレートは、要求される伝熱性と熱膨張係数の条件に合うラミネートされた金属マテリアルズ又は複合された金属マテリアルズから作られている。これらの金属マテリアルズには、銅、銅タングステン、銅モリブデン、銅合金又はアルミニウムシリコンカーバイドが含まれる。ベースプレート１０の面は、その上に前記基板の取り付けを容易にするために、常法によりめっきすることができる。このめっき処理は、ベースプレート全面（表面全体）に施すか、又は、前記基板が配置される要所のみに施す。
【０００９】
図１を参照すると、回路１２のそれぞれは、ハイブリッド回路又はハイパワーデバイスであり、これは、一つ又は複数の接点領域３２を含むセラミック基板３０に付着されているか、又は、形成されている。該接点領域は、一つ又は複数のワイヤボンド又は通電ストラップ３６により前記ベースプレートに設けられた接点領域３４に電気的に接続している。特定の接点領域３２と関連する接点領域３４とを接続するワイヤボンド又は通電ストラップの数は、これら接点領域に通電する電力に適合するように選ばれる。回路基板３０の接点領域３２は、端子ブロックの接点領域に直接にワイヤボンドすることもできる。
【００１０】
図示の実施の態様においては、二つの端子ブロック１４，１６が示されている。端子ブロック１４は、比較的ハイパワーの高電力を伝えるための端子であり、端子ブロック１６は、制御及びシグナル目的のような比較的ローパワーの低電力を伝える端子である。図４Ａから図４Ｅを参照すると、前記端子ブロックは、電気絶縁性のプラスチック又は他のマテリアルからなるブロック本体４０を有し、この本体内に端子４２が保持されている。これらの端子は特別の場合を除き、前記本体にモールドされている。前記端子それぞれは、一列に配列されて本体４０から外方へ突出のポスト部４４と、このポスト部４４に対し直角をなして配置された平坦な棚部４６とを有している。この棚部４６は、図示のように、該棚部を支持する本体４０の長さ方向（横方向）に延びた部分にそって配置されている。
【００１１】
図示の実施の態様においては、銅端子が通常である導電端子４２が図４Ｃから図４Ｅに示すような構成で作られ、これが前記本体４０にモールドされる。図４Ｃから図４Ｅに示すように、平坦な棚部４６にポスト部４４が蝋付け又はその他の手段で一体的に取り付けられ、ポスト部４４と棚部４６とが一体になったものが本体４０にモールドされ、端子ブロックがアッセンブリーされる。
【００１２】
図５Ａから図５Ｄに端子ブロック１６の構成を詳しく図示する。端子ブロック１６の構成は、前記の端子ブロック１４と同様なものであるが、端子ブロック１６は、プラスチック又は他の電気絶縁性の本体４１を備え、この本体４１は、複数の導電端子ポスト部４３を有し、これらは、それぞれ導電棚部４５に取り付けられている。各導電ポスト部４３は、導電棚部４５に蝋付けなどの手段で取り付けられていて、これらが一体になったものが本体４１にモールドされて端子ブロックが構成される。
【００１３】
図１から図３に示すように端子ブロック１４，１６のそれぞれは、シリコンラバーのような柔軟な材料からなる支持層４８を介してベースプレート１０の対面する面に取り付けられている。この支持層４８は、エポキシのような適当な接着剤により本体４０とベースプレート１０とにボンドされている。ワイヤボンド又は通電ストラップ３６により、各端子の棚部４６を介在する接点領域３４に電気的に接続するか、又は、回路基板３０の接点領域３２へ直接に電気的に接続する。
前記支持層４８は、前記端子ブロック及びベースプレートの熱膨張・収縮を可能にするもので、前記端子ブロックに作用するストレスを無くし、前記端子ブロックが前記ベースプレートから剥離したり、クラックその他の破損が生じないようになっている。
【００１４】
前記端子ブロックの寸法と形状は、特定の構成、設計基準などの機能条件に合うようになっている。図示の実施の態様においては、前記端子類は、ポスト部が例えばシリンドリカルなものであり（他の形状でもよい）、ねじがきってあっても、きってなくてもよい。前記ポスト部の寸法（サイズ）も前記端子及び端子が使用されるモジュールのパワー（電力）要件や特定の用途に必要な機械特性に応じて種々選択されるものである。前記端子の棚部４６も同様に特定のデバイスのためのワイヤボンド又は通電ストラップの数に合うサイズのもので、所期の機械特性を備えるに至る。
【００１５】
前記のカバー１８は、アルミナのようなセラミックマテリアルのものが好ましく、該カバーは、メタライズされたエッジ１９を備え、このエッジがベースプレート１０の対面する面にボンドされて、前記端子ブロック及び回路構成部分をハーマチックに包囲する。図１と図２とを参照すると、前記端子ポスト部は、前記カバーの上壁に設けられた開孔２１を抜け、非鉄マテリアルからなるワッシャー又はリング２３が前記端子ポスト部の直立端部に嵌められる。フラットな端子２２が図示のように前記カバーの凹部領域それぞれに配置され、該端子それぞれは、端子ブロック１４のそれぞれの端子ポスト部の先端部に合う開孔を有している。
【００１６】
図１と図３とに示されているように、複数のフラットな端子２４も同様に前記カバーの凹部領域それぞれに配置され、端子ブロック１６の端子ポスト部の先端部に合う開孔を有している。前記端子ポスト部は、はんだ付け、蝋付け、その他の手段でワッシャー２３と端子２２とにボンドされ、ハーメチックシールされたパッケージになる。六角ナット７２をカバー１８の六角形の開孔それぞれに配置したり、納めたりしておくことができる。六角ナット７２がねじ付き端子を受け、関連の回路又は装置へ通電する。これらの六角ナットは、また、以下に記載のアダプタープレートの装着に役立つ。図示のカバーは、リブ付き構造のものであって、前記端子間をフィジカルに分離し、良好な電気的隔離が行われるもので、アンダーライターズ・ラボラトリー（Ｕ．Ｌ．）仕様のような各種の政府当局要件に合致する。
【００１７】
上記した実施の態様におけるカバー１８は、一体もので、シングルピースのものであり、対面するベースプレートにハーメチックシールされるものである。しかし、このシングルピースのカバー１８は、二つ又は二つ以上の部材によって構成することもでき、例えば、壁と天板（壁と同じマテリアルか又は相違するマテリアルのもの）との二つの部材をボンドしてカバーユニットにしてもよい。部材を分けることで、前記カバーを成形コストを下げることができ、用途に応じては、構造を簡単にすることができる。
【００１８】
図６に示すように、アダプタープレート２０を前記カバーの上面にマウントすることができる。アダプタープレート２０によって、ユーザーの要求に応じた形状、配置で電気端子を配置することができる。これによって、図１に示すような標準化された端子配列、端子構成でモジュールを作り、種々異なる端子配列、端子構成の各種バージョンをストックし、製造する必要をなくすと共にユーザーの希望、要求に合ったものを提供することができる。アダプタープレート２０は、プラスチック又はプリント回路基板マテリアルのような電気絶縁性のマテリアルで作られており、該プレートに種々のハードウエアー（部品類など）を取り付けるための開孔を有する。図６に示した実施の態様においては、アダプタープレート２０に３つの開孔７０が設けてあり、これらにねじ７２とワッシャー７１とが取り付けられるようになっている。３つのフラットな端子７４の第１の端部７６の開孔が開孔７０と正合し、他方の端部７８が関連するコネクターに合う形状になっている。前記アダプタープレートは、ねじ７２などのようなファスナー、接着剤又は他の保持手段により前記モジュールに保持される。
【００１９】
図示された端子配置構成により、前記モジュールの長さ方向にそって３つのパワー端子が設けられ、前記モジュールの短い側縁の一方にそって４つのシグナル又はコントロール端子が配置されるものであるが、これらの端子配置構成にバリエーションを付加するには、トランジショナルの接続部を有するアダプタープレートにより端子配置構成を変えることができるもので、該アダプタープレートの接続部によって、前記カバーの上面にアクセスできる前記モジュール端子と前記アダプタープレートの上面の意図した部位にある端子位置との間が電気的に接続される。
【００２０】
前記アダプタープレートは、前記カバーの一方又は数方のエッジにそうカバーの周辺から突き出ていてもよい。図６に示す実施の態様においては、エッジ端子１００が前記アダプタープレートの一つ又はいくつかの側縁にそって設けられ、外部の回路と電気的に接続できるようになっている。前記アダプタープレートは、図６に示すように、回路トレース又は回路要素を該プレート上に有することができる。前記アダプタープレートそれ自体は、パワーコントロールボードの部分又はそのようなパワーコントロールボードの一部になることができる。
【００２１】
図７には、この発明の他の実施の態様が示されており、回路ボード９０が前記モジュール内にマウントされ、特定のモジュールの機能に合った回路構成又は部材を備えている。此の回路ボード９０は、端子ポスト部４４，４３それぞれに合う開孔９１，９２を有している。該ボード９０は、当業者に知られた適宜の手段により、ベースプレート１０の内面から離して前記モジュール内の部位に保持されている。例えば、回路ボード９０を端子ポスト部４３，４４にボンドして保持するとか、隔離碍子その他の部材で前記ボードをベースプレート１０の対面する面から離しておけばよい。
【００２２】
つぎに、この発明の他の実施の態様を図８から図１０で説明する。
【００２３】
端子ブロック１０１がベースプレート１０４にマウントされた導電プレート１０２を備えている。端子ポスト部１０６がプレート１０２から立ち上がっている。より小さな端子ブロック１０８，１１０がセラミックプレート１１２，１１４それぞれにマウントされており、これらセラミックプレート１１２，１１４それぞれもプレート１０２の上面にマウントされている。端子ポスト部１１６，１１８は、端子ブロック１０８，１１０それぞれに固定され、直立している。これら端子ブロックは、前記実施の態様と同様に通電ストラップ又はワイヤーボンドにより前記モジュールの回路の適宜の部分に電気的に接続する。
【００２４】
前記プレート１０２は、適当な接着剤によりベースプレート１０４に対し剥離できるように接合されているもので、通電ストラップをボンドした後で前記モジュールのカバーを取り付ける前に、下側のベースプレート１０４から前記端子ブロック１０１が剥離できるようになっている。カバー１２０（図１０参照）は、ベースプレート１０４に取り付けられ、端子ポスト部１０６，１１６，１１８は、該カバーの開孔それぞれから突出する。これら端子ポスト部は、はんだ付けその他により前記端子ブロックに接続され、前記カバーにハーメチックシールされるもので、その工程の間、前記端子ブロックは、前記ベースプレートから上方へ引き上げられて、前記プレート１０２の底面と前記ベースプレート１０４の対面する面との間が離れる。このようにして端子ブロック１０１は、前記モジュールに弾性的に支持され、前記端子ブロックの熱膨張と熱収縮に順応し、前記ブロックが前記ベースプレートにしっかり取り付けられていれば必然的に生じる前記端子ブロックへ作用するストレスをなくすことができ、前記端子ブロックの破損などを防ぐことができる。
【００２５】
図８から図１０に示した実施の態様における端子ポスト部は、先端部がシリンドリカルになってる断面矩形のものである。このシリンドリカルの先端部は、外部の端子の端部にあるリングシールと開孔とに合致し、ボンドできるようになっている。
【００２６】
前記した実施の態様は、この発明を限定するものではなく、種々のモディフィケーションが当業者により可能であって、この発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による電力半導体モジュールの分解斜視図。
【図２】  図１のモジュールの断面図。
【図３】  図１のモジュールの断面図。
【図４】  （Ａ）は図１のモジュールに用いられている端子ブロックの斜視図、（Ｂ）は図１のモジュールに用いられている端子ブロックの平面図、（Ｃ）は（Ａ）と（Ｂ）の端子ブロックに用いられている一つの端子の正面図、（Ｄ）は（Ａ）と（Ｂ）の端子ブロックに用いられている一つの端子の側面図、（Ｅ）は（Ａ）と（Ｂ）の端子ブロックに用いられている一つの端子の平面図。
【図５】  （Ａ）は図１のモジュールに用いられている一つのコントロール端子ブロックの斜視図、（Ｂ）は図１のモジュールに用いられている一つのコントロール端子ブロックの平面図、（Ｃ）は（Ａ）と（Ｂ）のコントロール端子ブロックの端子の側面図、（Ｄ）はアダプタープレートを用いる実施の態様におけるモジュールの分解斜視図。
【図６】  アダプタープレーの分解斜視図。
【図７】  回路ボードを内蔵するこの発明によるパワー半導体モジュールの他の実施の態様の分解斜視図。
【図８】  この発明によるパワー半導体モジュールの他の実施の態様の斜視図。
【図９】  図８の端子ブロックの斜視図。
【図１０】  カバーを取り付けた図８のパワー半導体モジュールの他の実施の態様を示す斜視図。
【符号の説明】
１０  ベースプレート
１２  電子回路又は電子デバイス
１４  第１の端子ブロック
１６  第２の端子ブロック
１８  カバー
１９  エッジ
２０  アダプタープレート
２１  開孔
２２  端子
２３  ワッシャー
２４  端子
３０  セラミック基板
３２  接点領域
３４  接点領域
３６  ワイヤボンド又は通電ストラップ
４０  端子ブロック本体
４２  端子
４４  端子のポスト部
４６  端子の棚部
４８  支持層
７０  開孔
７１  ワッシャー
７２  ねじ
７４  端子
７６  端子の第１の端部
７８  端子の他方の端部
９０  回路ボード
９１  開孔
９２  開孔
１００  エッジ端子
１０１  端子ブロック
１０２  導電プレート
１０４  ベースプレート
１０６  端子ポスト部
１０８  端子ブロック
１０８  端子ブロック
１１２  セラミックプレート
１１４  セラミックレート
１１６  端子ポスト部
１１８  端子ポスト部
【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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【図８】
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【図９】
0004275783.tif 000010
【図１０】
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