JP4002758B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
パワー半導体モジュールの中に設けられている少なくとも１つの半導体構成品のパワー接続部の圧力コンタクト（プレッシャーコンタクト）により極めて異なる温度負荷においても内部構造体が一定の圧力を有し、それにより、高パワー領域内の電流密度が最大の場合における確実な稼動に適しているパワー半導体モジュールに関して記載する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、パワー半導体モジュール、特にコンバータモジュールに関し、コンバータモジュールは圧力コンタクトの実施に関して極めて高いパワー要求に適している。圧力コンタクト結合は半導体モジュールの製造技術から結合技術として長期に渡って十分に知られている。ドイツ特許出願公開第１９６５１６３２号明細書(DE19651632A1)から、圧力コンタクトの実施が調節ネジ（伸張ネジ）を用いて実現されているパワー半導体モジュールが知られていて、本発明はこのパワー半導体モジュールに端を発する。ドイツ特許出願第３３０８６６１号明細書(DE3308661)から知られているディスクセルの形式のパワー半導体モジュールは同様に本発明の出発点である。
【０００３】
モジュールの内部の圧力コンタクト構成、特に半導体構成品上にコンタクト部を押し付けることは、実際には様々な困難性を伴う。一方では、半導体構成品とコンタクト部との間の異なる熱膨張係数が克服される必要があり、他方では、多くの場合は円形の半導体構成品がコンタクト部に対して極めて正確にセンタリングされる必要がある。この場合、半導体構成品、特にその縁は、機械的な損傷に対して保護される必要がある。
【０００４】
実際には、半導体構成品は両側にて夫々１つの平坦な金属ボディと結合され、その熱膨張係数は、半導体構成品に対する熱ストレスを減少するために、半導体構成品の熱膨張係数とコンタクト部の熱膨張係数との間に位置する。好ましくはモリブデンから成る平坦な金属ボディと半導体構成品の結合は様々な方法で実現され得て、例えば両方のパートナーのロウ付けや接着によってである。更に所謂低温結合（ＮＴＶ）や両方のパートナーの合金化も知られている。平坦な金属ボディは典型的には１０分の１ミリメートル程度から数ミリメートル程度の大きさの厚さを有する。上記のように製造される結合体、即ち、平坦な第１金属ボディ・半導体構成品・平坦な第２金属ボディという結合体は「サンドイッチ」とも称され、更に、材料拘束式の結合体も、材料結束式の結合体も、サンドイッチと称されるべきである。ここで、材料拘束式の結合とは、関与する素材の材料的な相互作用（かみ合い）により２つの構成部材が結合することを意味し、この結び付きは継ぎ合わせ個所の破壊によってのみ解消される。材料拘束式の結合は、例えば、接着による結合、ロウ付けによる結合、溶接による結合などである。また、材料結束式の結合とは、外部の力、例えば摩擦により２つの構成部材が結合することを意味し、例えば、載置による結合、ネジの締め付けによる結合、押し付けによる結合などである。
【０００５】
サンドイッチは、従来技術によれば、例えばプラスチックから製造されている部品上に置かれ、この部品は、ドイツ特許出願公開第１９６５１６３２号明細書(DE19651632A1)にて紹介されているようにモジュール内にてサンドイッチをセンタリングする。特に高い耐電圧のモジュールでは、サンドイッチが追加的に弾性で非伝導性の素材で押出しコーティングされ、それと共にセンタリング部品に対して接続要素のためにアクセスが可能である。
【０００６】
サンドイッチの上記の製造方法は以下の短所を有する：
− 平坦な金属ボディと半導体構成品のロウ付けは熱抵抗の悪化を導く。その理由は、ロウ層が熱制止部として表されるからである。その他の圧力コンタクト式のシステムにおいて、このロウ層は追加的な弱点となり、その理由は、このロウ層が連続稼動にて疲労され、パワー半導体モジュールの寿命が減少されるからである。
− 平坦な金属ボディとパワー半導体の接着はパートナー間にて全面的には実現されず（このことは熱抵抗をロウ付けの場合よりも遥かに悪化させてしまう）、確実なコンタクトを確立するためにはパートナーの縁において数ミリメーターだけが接着される。このことは他の問題点を伴う：パートナー間には空気が閉じ込められないので（このことは更に熱移動を悪化させてしまう）、サンドイッチが接着後にプレスされなくてはならない。この際、結晶質の半導体構成品の折損の危険性が増加し、その理由は、接着縁に起因して、サンドイッチが中央にて曲げられてしまうからである。
− パートナーの低温結合（ＮＴＶ）は、材料結束式の方法であり、この方法は上述の短所を除去し、その理由は、この結合が極めて良好な熱移動を保証しているからである。この方法においてパートナーは圧力と温度により互いに結合される。この方法の決定的な短所は、この方法の実現には極めて手間がかかり、そのためにコストが高いということである。それにより、この方法は従来技術の標準モジュールのためには使用されない。
− サンドイッチを押出しコーティングする追加的な方法は同様に製造コストの増加を伴う手間のかかる製造プロセスである。
【０００７】
総括すると、上記の方法は、構造体の熱抵抗を悪化させ、遅い負荷交換に対する抵抗力を減少させ、パワー半導体の破壊の危険性が増加され、及び／又は、極めて高価である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の基礎を成す課題は、低い熱抵抗を有し、有効寿命を増加し、センタリング装置自体による圧力作用による半導体構成品の破壊を排除し、低コストで標準生産プロセス内に組み込まれる、サンドイッチの個々の構成要素を互いの構成要素に対して及び電気的な接続のための接続要素に対してセンタリングさせる装置を創作することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、本発明に従い、請求項１及び請求項２に記載の特徴を有する措置によって解決される。有利な実施形態は従属請求項にて記載されている。
【００１０】
電気的な接続要素上にてサンドイッチをセンタリングするための、好ましくは電気的に絶縁性のプラスチックから成るフレーム状のセンタリング装置は、以下の特徴を有する：
− サンドイッチの個々の要素、即ち、平坦な２つの金属ボディ並びに半導体構成品は、例えばロウ付けのような材料拘束式の結合によって互いに結合されているのではなく、パワー半導体モジュールへの組込前にはルーズな状態でセンタリング装置内に設けられている。組込によって及び圧力付勢する圧力装置によって初めて個々の要素の材料結束式の結合が得られる。
− サンドイッチの両方の平坦な金属ボディは、パワー半導体モジュールへの組込前にはノーズによって脱落から保護される。両方の金属ボディより大きな直径ないしはエッジ長を有する半導体構成品は、センタリング装置内の表面に対して中央で平行に延びる他の凹部によって保持される。サンドイッチを含めたセンタリング装置の組込前にも組込後にも、例えば半導体構成品の破壊を導き得るセンタリング装置自体による圧力がサンドイッチに施されないことを保証するために、以下の幾何学的な縁条件が守られなくては成らない。
【００１１】
− 半導体構成品自体は、半導体構成品を保持するための、センタリング装置内にて延びている中央の凹部における厚さｂよりも小さい厚さｄを有する必要がある。
− サンドイッチの厚さ（ｃ＋ｄ＋ｃ）は、両方の平坦な金属ボディを保持するために両側に設けられているノーズの間隔（ａ＋ｂ＋ａ）よりも小さい必要がある。
− 半導体構成品の厚さｄと、好ましくは同一の厚さを有する両方の平坦な金属ボディの１つの厚さｃを足したものは、半導体構成品を保持するための、センタリング装置内にて延びている中央の凹部における厚さｂよりも大きい必要がある。
− 半導体構成品の厚さｄと、好ましくは同一の厚さを有する両方の平坦な金属ボディの１つの厚さｃと足したものは、中央の凹部の厚さｂとノーズに対する中央の凹部からの間隔ａを足したものよりも小さい必要がある。
【００１２】
それにより、様々な厚さの平坦な金属ボディ並びに様々な厚さの半導体構成品を受容するためにこのセンタリング装置が適していることが達成される。
【００１３】
− これらの縁条件により、並びに、平坦な金属ボディを保持するためのノーズがモジュールの組立時に電気的な接続要素における凹部にて少なくとも完全に没するようにこれらの凹部が設けられていることにより、組立後にセンタリング装置自体によりサンドイッチ上ないしはその構成要素上に圧力が施されないことが保証される。材料結束式の結合は、パワー半導体モジュール内に設けられている圧力要素を介してのみ確立される。
− センタリング装置自体は、好ましくは同一の２つの部分ボディから構成され、これらの部分ボディは、これらの両方の部分がロックされて組み合わされ得るように形成されている他のノーズ並びに他の凹部を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図７における実施形態に基づいて本発明の思想を更に詳細に説明する。
【００１５】
図１には、本発明によるフレーム状のセンタリング装置（９）がパワー半導体モジュールへの取付前の状態で横断面にて示されている。このセンタリング装置（９）は同一の２つの部分ボディ（１）から構成されている。好ましくは非導電性プラスチックで製造されるこれらのボディ（１）はノーズ（２）を有し、これらのノーズ（２）は、ここではモリブデンディスクである１つの平坦な第１金属ボディ（１２）がセンタリング装置（９）の結合体から脱落してしまうことを防止している。両方のモリブデンディスク（１０、１２）と比べて直径に関してより大きな半導体構成品（１１）はセンタリング装置（９）の中央の凹部（３）に位置している。半導体構成品（１１）としては、ダイオード、サイリスタ、またはトランジスタが使用される。第２モリブデンディスク（１０）はパワー半導体モジュールへの取付前にはルーズな状態で半導体構成品（１１）上に載置されている。センタリング装置（９）により、サンドイッチを形成する構成部品（１０、１１、１２）は既に取付前に互いにセンタリングされ得て、取付前の時点では材料拘束式の結合または材料結束式の結合が確立される必要はない。また、サンドイッチ並びにセンタリング装置（９）は円形または正方形で形成され得る。
【００１６】
凹部（３）の縁に対するノーズ（２）からの間隔は符号ａで示されていて、凹部（３）の高さ（厚さ）は符号ｂで示されている。また、モリブデンディスクの厚さは符号ｃで、半導体構成品（１１）の厚さは符号ｄで示されている。
【００１７】
また、半導体構成品（１１）の厚さｄとモリブデンディスク（１０又は１２）の厚さｃを足すと凹部（３）の厚さｂよりも大きくなるので、このモリブデンディスクは、残りの部品に対してどの時点でもセンタリングされていて、部分的に凹部（３）に重なって位置することになる。従って、センタリングされているサンドイッチの操作が問題なく可能である。
【００１８】
図２には、縮尺通りではないが、本発明によるセンタリング装置（９）の同一の２つの部分ボディ（１）の１つが平面図で示されている。ノーズ（２）は、結合体からモリブデンディスク（１０、１２）が脱落してしまわないように配設されている。部分ボディ（１）は追加的なノーズ（４）及び追加的な凹部（５）を有する。これらは、これらの２つの部分ボディ（１）が差し込まれて１つにされ得るように形成されていて、その際、センタリング装置（９）から成るユニットとサンドイッチを形成するために、それぞれのノーズ（４）が凹部（５）内に嵌り込み、それにより両方の部分がロックされて組み合わされ得る。
【００１９】
図３には、図２による部分ボディ（１）が３次元的に示されている。ノーズ（２）、ノーズ（４）、ノーズ（４）に付属する凹部（５）の他に、他の凹部（６）も設けられていて、これは、半導体構成品の追加的な制御接続部に電力供給を行うためのものである。また、半導体構成品（１１）に場合によって設けられている制御接続部をコンタクトするために、サンドイッチにおける１つの又は両方の平坦な金属ボディ（１０、１２）が１つの又は複数の通過部を有することも可能である。
【００２０】
図４には、サンドイッチを含めた本発明によるセンタリング装置（９）が横断面で示されている。この際、平坦な金属ボディの１つはリング（１０）として形成されていて、半導体構成品（１１）の制御接続部へのアクセスが可能とされている。
【００２１】
図５には、本発明によるフレーム状のセンタリング装置（９）がパワー半導体モジュールへの取付後の状態で横断面にて示されている。電気的な第１接続要素（２０）は凹部（２１）を有し、これらの凹部（２１）ではノーズ（２）が完全に没し且つ更に没し得る。つまり、ノーズ（２）は凹部（２１）内に先ずは完全に没し得て、この状態で電気的な第１接続要素（２０）が第１モリブデンディスク（１２）に接することになる。その後、ノーズ（２）は凹部（２１）内にてその底部に向かって更に深く没し得て、それにより電気的な第１接続要素（２０）が第１モリブデンディスク（１２）を持ち上げる。第１モリブデンディスク（１２）は電気的な第１接続要素（２０）上に直接的に載置されていて、第１モリブデンディスク（１２）上には夫々間隔を置かずに半導体構成品（１１）並びに第２モリブデンディスク（１０）が配置されている。センタリング装置（９）自体がサンドイッチ（１０、１１、１２）に圧力を施すことはなく、それにより、例えば破壊のようなマイナスの影響が排除されていることが明らかである。個々の要素の中心ずれは図１に関する説明に対応する理由により排除される。サンドイッチの要素の材料結束式の結合は、センタリング装置（９）上にではなくサンドイッチ上に上方から作用する圧力装置によって確立される。従って、本発明によるセンタリング装置（９）は、モジュール製造前にサンドイッチと共に結合体として構成され得て、この時点から、これらの要素に圧力を施すことなくサンドイッチの全ての要素をセンタリングしている装置として用いられる。
【００２２】
図６には、２つの半導体構成品のためのパワー半導体モジュール、即ち例えばサイリスタモジュールの電気的な接続要素（２０）が示されている。ここではノーズ（２）のための凹部（２１）が見て取れる。
【００２３】
図７には、本発明によるセンタリング装置（９）を含めてパワー半導体モジュール（サイリスタモジュール）の内部構造が示されている。このモジュールはベースプレート（３１）を有する。このベースプレート（３１）上には、例えば酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムから形成され得る２つの絶縁ディスク（３２）が設けられていて、これらの絶縁ディスク（３２）は電気的な第１接続要素（２０）を電気的に絶縁するために用いられる。絶縁ディスク（３２）上には、制御接続部のための凹部（６）を有するセンタリング装置（９）内にてサンドイッチが設けられている。電気的な第２接続要素（３７）は、圧力プレート（３４）と、圧力を構成する調整ネジ（伸張ネジ、３５）とを用いてサンドイッチ上に押し付けられ、この場合、圧力を提供する要素は絶縁ボディ（３６）を用いて電気的に絶縁されている。この構造により、第２モリブデンディスク（１０）、半導体構成品（１１）、第１モリブデンディスク（１２）、並びに電気的な第１接続要素（２０）と、電気的な第２接続要素（３７）との材料結束式の結合が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセンタリング装置を、パワー半導体モジュールへの取付前の状態で横断面にて示す図である。
【図２】本発明によるセンタリング装置の同一の２つの部分ボディの１つを示す平面図である。
【図３】図２による部分ボディを３次元的に示す図である。
【図４】サンドイッチを含めた本発明によるセンタリング装置の断面を示す図である。
【図５】本発明によるセンタリング装置を、パワー半導体モジュールへの取付後の状態で横断面にて示す図である。
【図６】パワー半導体モジュールの電気的な接続要素を示す図である。
【図７】本発明によるセンタリング装置を含めてパワー半導体モジュールの内部構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 部分ボディ
２ ノーズ
３ 凹部
４ ノーズ
５ 凹部
６ 凹部
９ センタリング装置
１０ 第２金属ボディ（第２モリブデンディスク）、リング
１１ 半導体構成品（ダイオード、又はサイリスタ、又はトランジスタ）
１２ 第１金属ボディ（第１モリブデンディスク）
２０ 電気的な第１接続要素
２１ 凹部
３１ ベースプレート
３２ 絶縁ディスク
３４ 圧力プレート
３５ 調節ネジ（伸張ネジ）
３６ 絶縁ボディ
３７ 電気的な第２接続要素
ａ 凹部（３）の縁に対するノーズ（２）からの間隔
ｂ 凹部（３）の高さ（厚さ）
ｃ モリブデンディスクの厚さ
ｄ 半導体構成品の厚さ

Claims (13)

1. ベースプレート（３１）と、電気的に絶縁性の基板（３２）を用いてベースプレート（３１）から分離されている少なくとも１つの電気的な第１接続要素（２０）と、第１接続要素（２０）上に設けられていて、平坦な第１金属ボディ（１２）、半導体構成品（１１）、並びに平坦な第２金属ボディ（１０）から成る少なくとも１つのサンドイッチと、少なくとも１つの圧力要素（３４、３５、３６）と、少なくとも１つの電気的な第２接続要素（３７）と、ケーシングとを有するパワー半導体モジュールにおいて、
   ２つのボディ（１）から成るフレーム状のセンタリング装置（９）を用いてサンドイッチが電気的な第１接続要素（２０）上にてセンタリングされて載置されていて、平坦な第１金属ボディ（１２）並びに平坦な第２金属ボディ（１０）がセンタリング装置（９）におけるノーズ（２）を用いて脱落に対して保護されているようにセンタリング装置（９）が形成されていて、両方の金属ボディ（１０、１２）より大きな直径ないしはエッジ長を有する半導体構成品（１１）が、センタリング装置（９）内の表面に対して中央で平行に延びる凹部（３）によって保持されていて、電気的な第１接続要素（２０）には凹部（２１）が設けられていて、これらの凹部（２１）は、センタリング装置（９）内にて平坦な第１金属ボディ（１２）を保持するためにセンタリング装置（９）におけるノーズ（２）がこれらの凹部（２１）にて完全に没し且つ更に没し得るように形成されていて、電気的な第１接続要素（２０）上のセンタリング装置（９）がサンドイッチの全ての構成部品を圧縮力を伴わずにセンタリングしている装置として用いられ、モジュールの構成部品としてルーズな状態で配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 導電性のベースプレートと、このベースプレート上に設けられていて、平坦な第１金属ボディ、半導体構成品、並びに平坦な第２金属ボディから成る材料結束式のサンドイッチと、周囲を取り囲む絶縁性のケーシング壁と、導電性の圧力要素と、導電性のカバーと、場合によっては、半導体構成品に対する電気的に絶縁されている制御接続部とを有するパワー半導体モジュール（ディスクセル）において、
   ２つのボディ（１）から成るフレーム状のセンタリング装置（９）を用いてサンドイッチが導電性のベースプレート上にてセンタリングされて載置されていて、平坦な第１金属ボディ（１２）並びに平坦な第２金属ボディ（１０）がセンタリング装置（９）におけるノーズ（２）を用いて脱落に対して保護されているようにセンタリング装置（９）が形成されていて、両方の金属ボディ（１０、１２）より大きな直径ないしはエッジ長を有する半導体構成品（１１）が、センタリング装置（９）内の表面に対して中央で平行に延びる凹部（３）によって保持されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
3. センタリング装置（９）の両方の部分が非導電性プラスチックから成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。
4. センタリング装置（９）の両方の部分（１）が、これらの両方の部分（１）がロックされて組み合わされ得るように形成されている他のノーズ（４）と他の凹部（５）を有す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。
5. 半導体構成品（１１）として、ダイオード、サイリスタ、またはトランジスタが使用され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。
6. 平坦な金属ボディ（１０、１２）がモリブデンから成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。
7. サンドイッチ並びにセンタリング装置（９）が円形または正方形で形成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。
8. センタリング装置（９）が、半導体構成品の少なくとも１つの制御接続部を通過させるための少なくとも１つの追加的な縁凹部（６）を有す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。
9. 半導体構成品（１１）に場合によって設けられている制御接続部をコンタクトするために、サンドイッチにおける１つの又は両方の平坦な金属ボディ（１０、１２）が１つの又は複数の通過部を有す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。
10. 半導体構成品（１１）が、半導体構成品（１１）を保持するための、センタリング装置（９）内にて延びている中央の凹部（３）における厚さよりも小さい厚さを有す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。
11. サンドイッチの厚さが、両方の平坦な金属ボディ（１０、１２）を保持するために両側に設けられているノーズ（２）の間隔よりも小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
12. 半導体構成品（１１）の厚さと、好ましくは同一の厚さを有する両方の平坦な金属ボディ（１０、１２）の１つの厚さを足したものが、半導体構成品（１１）を保持するための、センタリング装置内にて延びている中央の凹部（３）における厚さよりも大きく、並びに、中央の凹部（３）の厚さと、中央の凹部（３）の近くに設けられているノーズ（２）に対する中央の凹部（３）からの間隔を足したものよりも小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
13. センタリング装置（９）が、様々な厚さの平坦な金属ボディ（１０、１２）並びに様々な厚さの半導体構成品（１１）を受容するために適していることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。

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