(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースエレメント（１）と、
少なくとも１つの絶縁エレメント（２）であって、該絶縁エレメントの両面に配置された２つの金属被覆（２１，２２）のうちの第１の金属被覆（２１）により前記ベースエレメントに支持される絶縁エレメントと、
前記２つの金属被覆（２１，２２）のうちの第２の金属被覆（２２）に配置された少なくとも１つの半導体エレメント（６）とを有する半導体モジュールであって、
電気絶縁層（５１）は前記絶縁エレメント（２）の縁領域に配置され、
前記絶縁層（５１）の表面は前記第２金属被覆（２２）の表面により共通平面を形成しており、
前記少なくとも１つの半導体エレメント（６）との接触のために、少なくとも１つの接触エレメント（３）が前記絶縁層（５１）に埋め込まれ、前記接触エレメント（３）は前記絶縁層（５１）により前記金属被覆（２１，２２）及び又は前記ベースエレメント（１）から電気的に絶縁され、
前記接触エレメント（３）は接触ワイヤ（７）が接触可能な区域（３１）を有し、前記絶縁層（５１）の表面及び前記第２金属被覆（２２）の表面により共通平面を形成し、前記少なくとも１つの半導体エレメント（６）が前記接触ワイヤ（７）によって前記接触可能な区域（３１）に接続さ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】
前記接触エレメント（３）は屈曲可能な接触片（３２）を備え、
前記接触片（３２）は前記絶縁層（５１）の表面に対して実質的に垂直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】
前記ベースエレメント（１）は表面凹部を有し、
前記絶縁エレメント（２）は前記凹部に配置され、前記第２金属被覆（２２）は前記絶縁層（５１）により前記ベースエレメント（１）から電気的に絶縁され、
前記絶縁層（５１）の表面は前記第２金属被覆（２２）の表面及び前記ベースエレメント（１）の表面により共通平面を形成していることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１の請求項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
前記パワー半導体モジュールは、少なくとも一つの別の半導体エレメントを有し、該半導体エレメントは、前記ベースエレメント（１）表面上に配置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】
前記絶縁層（５１）は、５〜１０秒間、２００°Ｃ以上で、変形することなく加熱可能な材料から構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
前記絶縁層（５１）は、５〜１０秒間、２２０°Ｃ以上で、変形することなく加熱可能な材料から構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
少なくとも１つの絶縁エレメント（２）は、前記絶縁エレメントの両面に配置される２つの金属被覆（２１、２２）のうちの第１のもの（２１）を介して、ベースエレメント（１）上に取付けられるステップと、
半導体エレメント（６）は前記２つの金属被覆（２１、２２）のうちの第２のもの（２２）に取付けられるステップと、
前記半導体エレメント（６）の端子はワイヤ接続（７）により接触され、接触エレメントの接触区域（３１）に接続されるステップと、
を備えた半導体モジュールを製造する方法であって、
前記半導体エレメント（６）が取付けられる前に、前記接触エレメント（３）と共に前記ベースエレメント（１）及び絶縁エレメント（２）が鋳型（４１，４２）に導入され、
絶縁層（５１）が前記ベースエレメント（１）、絶縁エレメント（２）又は接触エレメント（３）により取られない鋳型の容量（４４）を電気絶縁材料で充填することにより形成され、
前記絶縁層（５１）は硬化され、絶縁層（５１）の表面が２つの金属領域（２１、２２）の第２のもの（２２）の表面と、及び接触エレメント（３）の接触領域（３１）と一致する共通表面を形成し、
前記半導体エレメント（６）が取付けられた後、前記接触エレメント（３）の屈曲可能な接触片（３２）が、前記絶縁層（５１）の表面に対して垂直に配置されることを特徴とする方法。
【請求項８】
少なくとも１つの絶縁エレメント（２）は、前記絶縁エレメントの両面に配置される２つの金属被覆（２１、２２）のうちの第１のもの（２１）を介して、ベースエレメント（１）の表面凹部内に取付けられるステップと、
半導体エレメント（６）は前記２つの金属被覆（２１、２２）のうちの第２のもの（２２）に取付けられるステップと、
前記半導体エレメント（６）は加圧スタンプ（８）によりベースプレート（１０）と加圧接触されるステップと、
を備えた半導体モジュールを製造する方法であって、
前記半導体エレメント（６）が取付けられる前に、前記ベースエレメント（１）及び絶縁エレメント（２）が鋳型（４１，４２）に導入され、
絶縁層（５１）が前記ベースエレメント（１）、絶縁エレメント（２）により取られない鋳型の容量（４４）を電気絶縁材料で充填することにより形成され、
前記絶縁層（５１）は硬化され、絶縁層（５１）の表面が、２つの金属領域（２１、２２）の第２のもの（２２）の表面と、及びベースエレメント（１）の表面と一致する共通表面を形成し、
前記半導体エレメント（６）が取付けられた後、加圧スタンプ（８）によりベースプレート（１０）と加圧接触されることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記鋳型（４１，４２）内の空気は、電気絶縁材料で充填される前に、少なくとも部分的に取り除かれ、
前記電気絶縁材料は、気泡なしで均質に、鋳型の任意の容量に充填されることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパワーエレクトロニクスの分野に関する。それは請求項１の予め特徴付けられた節による半導体モジュール及び請求項７の予め特徴付けられた節による半導体モジュールを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このタイプの半導体モジュールは、例えば、１９９８年のR.Zehringerらによる材料調査シンポジウムの会報、第４８３巻の第３６９〜３８０頁の「パワー半導体材料及び装置」により知られている。この刊行物は、モジュールハウジング、金属製ベースプレート及び複数の半導体エレメントを有する半導体モジュール、この場合には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）チップ及びダイオードを説明し、前記ベースプレートに配置され、前記モジュールハウジングにより覆われている。通常、モジュールハウジングはシリコーンゲル混合物で充填され、それは電気絶縁層及び腐食保護として役立ち、接続ワイヤに作用する引張り力をも減少させる。ベースプレートは水冷設備に接続され、半導体エレメントにより発生する熱を放散する。金属被覆のセラミックボードの形で基板はベースプレートに配置されている。それは半導体エレメントとベースプレート又は水冷設備の間に電気絶縁物を有し、さらにその上、良好な熱伝導率を有し、ベースプレートに半導体エレメントの熱を放散する。ベースプレート、セラミックボード及び半導体エレメントはお互いにはんだ付けされ、セラミックボードの金属層ははんだ付け接続を可能にする。
【０００３】
最近、良好な熱伝導率及び不十分な導電率は材料で結合可能であり、比較的薄いが、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から十分に熱を伝導し、良好な電気絶縁容量を有する絶縁エレメントを製造するのは難しくはない。例えば、１．５〜２ｍｍの厚さは理論的に２０ｋＶを絶縁するのに十分である。
【０００４】
しかし、特に金属層の縁部及び角部により発生する縁効果は、特に１．２ｋＶ以上の高出力の半導体モジュールの場合には、半導体モジュールの絶縁耐力に反対の作用をする。金属層の縁部及び角部は均質でない強烈な電界を有している。この過度の電界は部分放電に導き、全体構造の絶縁耐力を制限する。この場合には、縁部での電界強度は少なくとも電圧の二乗であり、そのような部分放電を防止するためには非常に厚い電気絶縁物が必要となる。ゲルがモジュールハウジングに充填される時に縁部地域に正確に作られる気泡は部分放電の助けとなり、半導体モジュールの機能性に関するさらなる重要な要因となる。
【０００５】
この絶縁物の問題を解決するにはいろいろなアプローチがある。DE 199 59 248では、隙間が電界臨界領域に形成されると共にゲルにより充填され、その結果として、放電の広がりを防止するさらなる界面を形成する。EP 1 041 626では、電界は基板の３次元の円形部分により臨界領域で減少される。両方の解決法は製造するのが複雑且つ高価である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、改善された絶縁耐力を有すると同時に製造が容易な、最初に述べたタイプの半導体モジュールを提供することが本発明の目的である。さらにその上、最初に述べたタイプの半導体モジュールを製造する簡単でより信頼性のある方法を提供することが本発明の目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その目的は請求項１の特徴を有する半導体モジュール及び請求項７の特徴を有する方法により達成される。
【０００８】
ベースエレメントと少なくとも１つの絶縁エレメントとを有する本発明による半導体モジュールは絶縁エレメントの反対表面に配置された２つの金属被覆の第１によりベースエレメントにあり、２つの金属被覆の第２に配置された少なくとも１つの半導体エレメントを有し、絶縁エレメントの縁領域に電気絶縁層が配置され、絶縁層の表面が第２の金属被覆の表面を有する共通平面を形成するという事実により識別される。
【０００９】
完全に金属被覆された絶縁エレメントの水平埋め込みによる金属被覆の縁部及び角部の鋭利性は臨界電界区域の領域の半導体モジュールの絶縁特性を改善する。シリコーンゲルで充填された伝統的な半導体モジュールとの比較により、平坦な金属被覆された絶縁エレメントの利点、特に良好な熱伝導率及び低い製造コストを保持しながら、電気絶縁物に関してかなりの改善が得られる。
【００１０】
半導体エレメントの接触のため、接触エレメントは絶縁層に凹まされ、接触エレメントは第２金属被覆及びベースエレメントの両方から絶縁層により電気的に絶縁される。接触エレメントは接触区域を有し、それは絶縁層及び第２金属被覆の表面により共通平面を形成する。
【００１１】
半導体モジュールのすべての他の主要部分が共通平面を形成する事実は半導体エレメントの処理及び取付けを簡素化する。
【００１２】
本発明による半導体モジュールの第２の実施例では、絶縁エレメントが配置される凹部はベースエレメントの表面に凹まされる。絶縁エレメントの第２金属被覆は絶縁層によりベースエレメントから電気的に絶縁される。第２金属被覆及びベースエレメントの絶縁エレメントの表面は共通平面を形成する。
【００１３】
この実施例では、半導体エレメント又は他の電子部品はお互いの隣りに配置可能であり、第２金属被覆及びベースエレメント自身の両方から電気的に絶縁可能である。特に、プレスパックモジュールとして公知なものでは、２つの側に接触可能な半導体エレメントは接触スタンプによって接触され、加圧力に晒され、これは関心のある可能性を作り出す。例えば、お互いの隣りに配置された２つの半導体エレメントは、各接触スタンプの外形が適合されることなく、電気的に直列に接続可能である。
【００１４】
プレスパックモジュールのため、絶縁エレメント及び絶縁層の共通面は製造の各ステップを省略する。好ましくは絶縁エレメントとして使用される伝統的な標準基板はプレスパックモジュールの使用ための平坦の要求を満足しないので、それらは、例えば平削りにより、機械加工されなければならない。正確な平削りは、絶縁層の平削り及び接触区域の準備と共に、本発明による半導体モジュールの製造の間の１ステップで実行可能である。
【００１５】
本発明による、半導体モジュールを製造する方法の場合、少なくとも１つの絶縁エレメントは、絶縁エレメントの反対表面に配置された２つの金属被覆の第１により、ベースエレメント又はベースエレメントの凹部に取付けられる。半導体エレメントは第２金属被覆に、及び又は絶縁エレメントが凹部に配置されている場合にはベースエレメントの表面に取付けられ、半導体エレメントの主要端子及び又は制御端子はワイヤ接続又は他の電気導体により接触され、接触エレメントの接触区域に接続される。
【００１６】
本発明による半導体モジュールは、半導体エレメントが取付けられる前に、ベースエレメント及び少なくとも１つの絶縁エレメントが接触エレメントと共に鋳型に導入され、ベースエレメント、絶縁エレメント又は電気絶縁材料を有する接触エレメントにより、そして、その後に硬化される絶縁層及び絶縁層の表面が２つの金属被覆の第２の表面を有する共通平面を接触エレメントの接触区域と、そして、絶縁エレメントが凹部に配置されている場合にはベースエレメントの表面と形成する硬化した絶縁層から除去された十分な材料により取られない鋳型の容量を充填することにより形成され、半導体エレメントが取付けられた後に接触エレメントの移動可能な接触片が絶縁層の表面に対して垂直に配置されているという事実により、識別される。
【００１７】
絶縁層の使用及び半導体エレメントの取付前の共通表面に対応する動きは、半導体エレメントが複雑でコストの強烈な方法ステップで取付けられると共に接触される前に、全体の半導体モジュールが電気絶縁強度に関して試験されることを可能にする。欠陥のない絶縁物を有するレディフィットの半導体モジュールの数は結果として著しく削減可能である。
【００１８】
本発明による方法のさらに有利なステップでは、鋳型内の空気は電気絶縁材料で充填する前に少なくとも部分的に取り除かれることができる。これは絶縁層の構造を改善し、特に、それは電気放電を促進し、気泡の形成を防止させる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明は、図面に関連させて、好適な実施例に基づいて、より詳細に説明される。なお、図中の同一符号は均等物を示している。
【００２０】
本発明による製造方法は図１〜４に基づいて説明され、それは本発明による半導体モジュールの第１実施例を示している。
【００２１】
第１の方法のステップでは、絶縁エレメント２はベースエレメント１に取付けられている。絶縁エレメントは、有利なことに２つの側に金属被覆された基板であり、例えば、銅又はアルミニウムの金属被覆を与えられたＡｌＯ3又はＡｌＮセラミックボードを備えている。例えば、ベースエレメントの材料、例えば、Ｍｏ、ＡｌＳｉＣ又はアルミニウムグラファイト又は銅グラファイトは、有利にも絶縁エレメントの材料に対する熱膨張に関して適用される。絶縁エレメント２は第１金属被覆２１によりベースエレメントに直接、例えば半田接続に又は低温度結合（ＬＴＢ）として公知なものによって取付けられている。第２金属被覆２２はお互いから電気的に絶縁された複数の領域を備えていてもよい。
【００２２】
半導体エレメントと接触するための接触エレメント３はこの目的のために意図されたベースエレメント１の凹部に供給される。このために、ベースエレメント１、絶縁エレメント２及び接触エレメント３は溝形状の鋳型４１に導入され、それが図１に示されている。この場合、接触エレメント３は対応する案内エレメントによりベースエレメント１に関して配置されていると共に整列されている。鋳造エレメント４１は第２鋳型部分４２により閉塞されている。
【００２３】
図２では、その後、電気絶縁材料５１は鋳型に作られた開口部４３を介して鋳型の内部の空洞部４４に注がれる（矢印）。空洞部４４は、ベースエレメント１、絶縁エレメント２及び接触エレメント３により充填されない鋳型の内部容量に対応している。しかし、空洞部４４は、主に、接触エレメント３とベースエレメント１の間の領域に延びている。この方法で作られたこの電気絶縁層５１の材料は、有利にも十分硬化した容易に流れるプラスチックであり、硬化した状態では、大きく変形することなく、短時間で２２０℃以上に加熱可能である。これは、特に半導体エレメントが絶縁エレメントの金属被覆にはんだ付けされたそれらの半導体モジュールの場合に重要である。さらにその上、プラスチックは周囲の材料のそれに一致する熱膨張係数を有するべきである。例えば、対応するプラスチックは、Stycast又はArathermという商品名のもとに入手可能なエポキシ樹脂である。これらの物質は伝統的な半導体モジュールで使用されるシリコーンゲルの範囲でほぼ降伏電圧にあるが、かなり改善された接着性及び高い誘電率を有し、それに応じて電界を減少させる。半導体エレメントにはんだ付けされていない半導体モジュールにとって、例えば、プレスパックモジュールにおいて、低コスト材料はまた、例えば注ぐことのできるポリウレタンを使用可能であり、それは内部領域の絶縁物のために広く使用されている。機械的剛性についての大きな要求のない適用では、シリコーンゴムが使用されてもよい。これは非常に高温に耐え、さらにその上、特にプライマーとして公知なものとの組合せにおいてほとんどの材料に優れた接着性を有する。膨張係数を減少させると共に熱伝導率を増加させるため、鋳造樹脂フィラーは鋳造合成物の５０％以上まで絶縁層の材料と混合される。
【００２４】
鋳造作用を容易にするため、そして、特に絶縁層５１の均質性を保証するため、鋳型内の空気は、有利にも鋳造前に取り除かれる。この場合には、空気は開口部４３又は特にこの目的のために意図された他の開口部を介して鋳型の内部から吸い出される。真空下の処理は絶縁層５１の内部の気泡の形成を防止させる。気泡は放電の発生を促進することがある。
【００２５】
鋳造作用に続いて、半導体モジュールは鋳型から取り除かれる。絶縁層５１はそれが機械的に作動可能な程度に硬化される。絶縁層５１は、例えば、研削により、１動作ステップにおいて第２金属被覆２２の表面で共通面に動かされる。接触エレメント３１の接触区域３１は同様にこの平面にある。半導体エレメントのワイヤ又は電極がその後に取付けられる表面、特に接触区域３１及び第２金属被覆２２の表面は相応じて前もって処理されなければならない。
【００２６】
この場合には、絶縁層５１、特に、部品の表面の接触圧及び性質により、鋳造中に生成されることが避けられず、構成部品と鋳型の間を貫通する鋳造合成物を含み、例えば数μｍのように非常に薄い、鋳造外板から除去することが必要である。
【００２７】
一平面への配置のため、第２金属被覆２２及び絶縁層５１の、接触区域３１の表面の準備は、１つのモールド及び１つの動作ステップで一緒に実行可能である。結果として、処理コストはかなり削減可能である。
【００２８】
さらにその上、完全に平坦な作動表面は、その後、表面の変化を簡単な方法で、例えば接触区域３１の改善又は維持させる。
【００２９】
同様に、平坦な作動表面は図３による次の方法ステップのため、第２金属被覆２２への半導体エレメント６の適用を促進させる。半導体エレメントは、例えば、金属被覆にはんだ付け又は低温度結合により取付けられる。
【００３０】
その後、半導体エレメント６はお互いにそして接触区域３１に電導手段で、例えば、簡単な接触ワイヤ接続７によって、接続される。
【００３１】
接触エレメント３は、その後、この時点が実質的に平坦な形状となるまで、接触片３２が絶縁層５１の表面に対して垂直に突出するような方法で屈曲される。それに応じて、接触エレメント３は接触区域３１の領域を接触片から分離する所定の屈曲点を準備される。接触エレメントは金属板から作られ、 それらの寸法及び厚みは伝えられる電流に適応される。図面から分かるように、接触エレメントは上部領域の下で折曲される下部領域を備えている。上部領域は接触区域３１と接触片３２を備えている。上部領域だけが電流にあるから、下部領域は電界遮蔽手段として役立つ。特に下部領域の接触エレメントの角部及び縁部は、有利なことに、過度の電界の増加を防止するため円形である。下部領域は上部領域から機械的に分離され、折り目領域は絶縁層又はその絶縁特性に反対の影響を与える機械的応力がない。接触片３２が上げられた時でさえ、この絶縁臨界領域は損なわれない。接触エレメントは、金属板、例えば銀めっきの銅板から穴を明けられた場合、僅かに丸い表面は外側が丸い金属板の適当な配置で穴明けにより得られ、前記表面は折曲領域の電界の減少に寄与することができる。
【００３２】
その後、半導体モジュールはハウジングカバー９を供給され、それは図４に示されている。その上さらに、ハウジング内部の空洞部は通例の半導体モジュールの場合のようにシリコーンゲル５２で充填される。
【００３３】
垂直に突出する接触片３２は、ハウジングカバー９を介して半導体モジュールから導かれ、接触コネクタ３３によって接触される。
【００３４】
図５による第２実施例の発明による半導体モジュールを作るため、本発明による同一方法が使用される。
【００３５】
この場合には、第１ステップで、絶縁エレメント２がベースエレメント１の凹部に配置され、ベースエレメントに取付けられる。
【００３６】
その後、ベースエレメント１及び絶縁エレメント２は、接触エレメントと共に又はそれなしで、鋳型に導入され、ベースエレメントと絶縁エレメントの間の対応する空洞部は電気絶縁材料により充填される。
【００３７】
図５に示されているように、ベースエレメント１及び絶縁層５１の第２金属被覆２２の表面は共通平面にある。好ましくは絶縁エレメントとして使用される伝統的な標準基板はプレスパックモジュールでの使用のための平坦の要求を満たさないので、それらは、例えば、平削り又は研削により機械加工されなければならない。共通平面の配置のため、本発明による半導体モジュールの製造中の１ステップにおける絶縁層の平削りと共に正確な平削りが実行可能である。すでに述べたように、半導体エレメントの取付けの簡素化に加えて、この配置はまた１つの及び同一の接触スタンプ８を使用することを可能にし、それは接触スプリングを備え、半導体エレメント６に十分な加圧力を供給する。
【図面の簡単な説明】
【図１】絶縁層を使用するためモジュールが鋳型に導入される前の、本発明による半導体モジュールの第１実施例の簡略断面図を示している。
【図２】絶縁層を使用する時の鋳型の、図１による半導体モジュールを示している。
【図３】絶縁層が使用されている図２による半導体モジュールを示している。
【図４】図３による取付準備のできた半導体モジュールを示している。
【図５】本発明による半導体モジュールの第２実施例の簡略断面図を示している。
【符号の説明】
１            ベースエレメント
２            絶縁エレメント、基板
２１，２２    金属被覆
３            接触エレメント
３１          接触区域
３２          接触片
３３          接触コネクタ
４１，４２    鋳型
４３          入口開口部
４４          空洞部
５１          絶縁層
５２          絶縁ゲル
６            半導体エレメント、チップ
７            接触ワイヤ
８            接触スタンプ
９            ハウジング
１０          カバープレート
【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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