JP5469942B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、基板とパッケージとブリッジ要素とを有するパワー半導体モジュールに関する。基板は、第１主要面に負荷接続要素とパワー半導体コンポーネントとのための相互接続部を有し、また、反対側の第２主要面上に、熱を放散させるために冷却コンポーネントに接して設けられた金属層を有している。パッケージは、冷却コンポーネントに固定されることができる。ブリッジ要素は、パッケージに配されており、基板の相互接続部に対して負荷接続要素のコンタクト部分を位置決めするために設けられており、そして、基板の第１主要面に対して押し当てられているプッシング要素を有している。

一例としては、基板はＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板である。このようなパワー半導体モジュールは、長期使用期間を通じて−３０℃から１５０℃までの温度範囲で信頼性をもって作動させる必要がある。このような広い温度範囲は、熱膨張によって引き起こされる、対応するサイズ上の変化を招く。

最初に挙げられたタイプのパワー半導体モジュールは、例えば出願人から特許文献１で開示されている。この周知のパワー半導体モジュールでは、冷却コンポーネントと、これに固定されているパッケージと、パッケージに設けられているブリッジ要素とは、第１ユニットを形成し、基板と、回路に適するように基板に適合させたパワー半導体コンポーネントと、負荷接続要素とは、第２ユニットを形成している。この先行技術文献の[００３０]段落で述べられているように、これらの２つの周知のユニットは、機械的に堅固な相互接続部を有していなく、むしろ第２ユニットは、第１ユニット内で横方向に動くことができる。従って、この周知のパワー半導体モジュールでは、基板は、温度に基づいて、パッケージに対して限定された動きを有することができる。基板の外側エッジとパッケージの付属した取付エッジとの間の周囲のギャップは、電気絶縁している充填用コンパウンドを含有し、冷却コンポーネントから基板の第１主要面に設けられている相互接続部を電気絶縁する。硬化した充填用コンパウンドは高誘電率を有し、適切な絶縁破壊強度を確実にする。しかし、冷却コンポーネントに固定されたパッケージに対して基板の温度に依存する限定された可動性の結果、この周知のパワー半導体モジュールでは、硬化した充填用コンパウンドを確実に破壊しないようにすることは不可能であるので、対応する真空の誘電率ε_０との望ましくないエアギャップが得られ、それに応じて、絶縁破壊強度は、硬化した充填用コンパウンドの誘電率εの減少に従って、真空の誘電率ε_０の値まで減少される。これは、パワー半導体モジュールの寿命が対応して減少され得ることを意味する。

ＤＥ１０２００６００６４２４Ａ１

これらの状況を考慮して、本発明の課題は、簡潔な構成で、高いレベルの動作信頼性を有する、最初に挙げられたタイプのパワー半導体モジュールを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴によって、すなわち、基板の第１及び第２主要面に平行する全横方向に限定された動きを有して（限定されて可動に）パッケージに配されたユニットを形成している基板とブリッジ要素とによって解決される。基板とブリッジ要素とを備えているユニットは、横方向に直交する方向に動きを限定されていると好ましい。

従って、本発明に従うパワー半導体モジュールの場合には、基板は、冷却コンポーネントに固定されることのできるパッケージではなくむしろ動きを限定しているパッケージに設けられているブリッジ要素をもってユニットを形成している。基板及びブリッジ要素の付属した取付エッジの周りを囲んでいるエッジは、このエッジに沿って設けられている、電気絶縁している充填用コンパウンドを有し、温度に依存する関連性のある動きが、ユニットを形成する、ブリッジ要素と基板との間で阻止され、従って、絶縁破壊強度を弱めるエアギャップの形成が阻止されるため、硬化した充填用コンパウンドの破壊は、確実に阻止される。従って、本発明に従うパワー半導体モジュールは、簡潔な構成をもって、長い寿命期間にわたって優れた動作信頼性を有する。

本発明に従うパワー半導体モジュールの場合には、ブリッジ要素が、周囲側壁と、プッシング要素と、負荷接続要素のコンタクト部分のためのガイドシャフトとを備えたキャップ型形状であり、且つ、パッケージがフレーム要素とカバー要素とを有しているときに、目的にかなっていることが判明した。この場合には、ブリッジ要素の側壁は、わずかなギャップによってパッケージのフレーム要素から間隔を開けて配置されるので、熱膨張によって引き起こされる、基板とブリッジ要素とを備えているユニットの、冷却コンポーネントに固定すべき或いは固定されているパッケージに関する動きは、問題なく可能であり、冷却コンポーネントに対してパワー半導体モジュールの絶縁破壊強度に影響を及ぼさない。

本発明に従うパワー半導体モジュールでは、ブリッジ要素の周囲側壁は、周囲つばと共に形成されると好ましく、この周囲つばは、基板の周りを囲むエッジのために設けられ、このつばの内側寸法は基板の外側エッジと適合する。この場合、ブリッジ要素の側壁の周囲つばは、基板の第２主要面に設けられている基板の金属層が周囲つばを越えて若干突出するような形状であるので、基板の金属層が冷却コンポーネントに対して広い面で信頼性をもって設置されることが確実になる。

上述した、ブリッジ要素とパッケージとの間の定義され限定された可動性を確実にするために、ブリッジ要素の周囲側壁が外側寸法を有し、この外側寸法がパッケージのフレーム要素の内側寸法より若干小さいと好ましい。

フレーム要素が、カバー要素に対向する面の負荷接続要素の接続部分のための切除部分と共に形成され、カバー要素が、フレーム要素に対向する面の上記負荷接続要素の接続部分のための切除部分と共に形成されるときに、目的にかなっていることが判明した。このような形成を通じて、簡潔で時間のかからない負荷接続要素が組み立てられることが可能であるという利点が生じる。負荷接続要素の接続部分はコンタクト突起部を有し、このコンタクト突起部が自由に接触可能なようにパッケージのカバー要素を越えて突出していると好ましく、従って、パワー半導体モジュールの負荷接続要素は問題なく外部に接続されることができる。

本発明に従うパワー半導体モジュールが冷却コンポーネントに容易に且つ時間をかけずに取り付けることができるように、パッケージのカバー要素とフレーム要素とが、取付要素のための、軸上に一直線に並んで取り付けられた穴と共に形成され、この取付要素を用いてパワー半導体モジュールを冷却コンポーネントに取り付け可能なことが判明した。一例としては、取付要素はパワー半導体モジュールを冷却コンポーネントに取り付けるために用いられるネジ要素であり、同時に、基板の第１主要面の相互接続部に対してブリッジ要素からの接触圧力と、上記相互接続部に対して負荷接続要素のコンタクト部分からの接触圧力とを引き起こす。

さらなる詳細、特徴、利点は、本発明に従うパワー半導体モジュールの図面に示され、下の実施形態の説明で明らかにされ得る。

パワー半導体モジュールの形成の透視分解図である。 図１で示されているパワー半導体モジュールの分解側面図である。 図２で示されているパワー半導体モジュールの断面図である。 組み立てられた状態のパワー半導体モジュールの断面図と拡大詳細図である。

図１は、パワー半導体モジュール１０の形成を示しており、このパワー半導体モジュール１０は、基板１２とパッケージ１４とブリッジ要素１６とを有している。図４から明確であるように、基板１２は、第１主要面１８に相互接続部２０と（図示されていない）パワー半導体コンポーネントとを有し、反対側の第２主要面２２に金属層２４を有している。金属層２４は、図示されていない冷却コンポーネントへの熱放散のために設けられている。

基板１２とブリッジ要素１６とはユニット２６を形成し、このユニット２６はパッケージ１４において第１主要面１８及び第２主要面２２に平行である全横方向に限定された動きを有している。この限定された可動性は、図４で２方向矢印２８によって示されている。さらに、横方向に直交する方向に動くことは可能である。

図３から明確であるように、ブリッジ要素１６は、周囲側壁３０と、フィンガー型プッシング要素３２と、ガイドシャフト３４とを備えたキャップ型に形成されている。ガイドシャフト３４はコンタクト部分３６を位置決めするために設けられ、このコンタクト部分３６はパワー半導体モジュール１０の負荷接続要素３８を形成している。負荷接続要素３８のコンタクト部分３６は、このコンタクト部分３６から傾いて突出している負荷接続要素３８の接続部分４０を有している。

パワー半導体モジュール１０のパッケージ１４はフレーム要素４２とカバー要素４４とを有している。カバー要素４４はこのカバー要素４４から突出しているドーム４６を有し、このドーム４６は弾力性のある制御或いは補助接続要素４８のために設けられ、これらの制御或いは補助接続要素４８は、パワー半導体モジュール１０が組み立てられた状態にあるときに、基板１２に設けられている相互接続部２０に対して適切に接続される。

図４から明確であるように、ブリッジ要素１６の周囲側壁３０はつば５０と共に形成され、このつば５０は横方向に基板１２を位置決めするために設けられている。このために、周囲つば５０の内側寸法は基板１２の外側エッジに適合している。

さらに上述され、図４に２方向矢印２８によって示されている、ブリッジ要素１６と基板１２とを備えているユニットと、パッケージ１４或いはパッケージ１４のフレーム要素４２との間の可動性を確実にするために、ブリッジ要素１６の周囲側壁３０は外側寸法５２を有し、この外側寸法５２はパッケージ１４のフレーム要素４２の内側寸法５４より若干小さい（図４参照のこと）。

図１から明確であるように、例えば、パッケージ１４のフレーム要素４２は、カバー要素４４に対向するフレーム要素４２の面５６に負荷接続要素３８の接続部分４０のための切除部分５８と共に形成されている。同様に、カバー要素４４は、パッケージ１４のフレーム要素４２に対向するカバー要素４４の内面６０に負荷接続要素３８の接続部分４０のためのリセス６２と共に形成されている。負荷接続要素３８の接続部分４０はコンタクト突起部６４を有し、このコンタクト突起部６４は、自由に接触可能なようにパッケージ１４のカバー要素４４の外側エッジを越えて突出している。

パッケージ１４のカバー要素４４とフレーム要素４２とは、軸上に一直線に並んだ取付穴６６及び６８と共に形成されている。パワー半導体モジュール１０の組み立てられた状態では、取付穴６６或いは６８は図示されていない取付要素を保持するために用いられ、これらの取付要素はパワー半導体モジュール１０を冷却コンポーネントに取り付けるために用いられることが可能である。

全図面に関して全てのものについて夫々詳細な説明をする必要がないよう、図１〜４において同じものは夫々同じ符号によって示されている。

１０ パワー半導体モジュール
１２ （パワー半導体モジュール１０の）基板
１４ （パワー半導体モジュール１０の）パッケージ
１６ （パワー半導体モジュール１０の）ブリッジ要素
１８ （基板１２の）第１主要面
２０ （第１主要面１８の）相互接続部
２２ （基板１２の）第２主要面
２４ （第２主要面２２の）金属層
２６ （ブリッジ要素１６を備えている、基板１２の）ユニット
２８ （ユニット２６とパッケージ１４との間の）２方向矢印／可動性
３０ （ブリッジ要素１６の）周囲側壁
３２ （基板１２のための、ブリッジ要素１６の）プッシング要素
３４ （コンタクト部分３６のための、ブリッジ要素１６の）ガイドシャフト
３６ （負荷接続要素３８の）コンタクト部分
３８ （パワー半導体モジュール１０の）負荷接続要素
４０ （負荷接続要素３８の）接続部分
４２ （パッケージ１４の）フレーム要素
４４ （パッケージ１４の）カバー要素
４６ （制御或いは補助接続要素４８のための、カバー要素４４の）ドーム
４８ （パワー半導体モジュール１０の）制御或いは補助接続要素
５０ （基板１２のための、周囲側壁３０の）周囲つば
５２ （周囲側壁３０の）外側寸法
５４ （フレーム要素４２の）内側寸法
５６ （フレーム要素４２の）面
５８ （面５６の）切除部分
６０ （カバー要素４４の）内面
６２ （内面６０の）リセス
６４ （接続部分４０の）コンタクト突起部
６６ （カバー要素４４の）取付穴
６８ （フレーム要素４２の）取付穴

Claims (7)

1. 基板（１２）とパッケージ（１４）とブリッジ要素（１６）とを有しているパワー半導体モジュールであって、
   基板（１２）が、第１主要面（１８）に負荷接続要素（３８）とパワー半導体コンポーネントとのための相互接続部（２０）を有し、また、反対側の第２主要面（２２）上に、熱を放散させるために冷却コンポーネントに接して設けられた金属層（２４）を有し、
   パッケージ（１４）が冷却コンポーネントに固定可能であり、
   ブリッジ要素（１６）が、パッケージ（１４）に配されており、基板（１２）の相互接続部（２０）に対して負荷接続要素（３８）のコンタクト部分（３６）を位置決めするために設けられており、そして、基板（１２）の第１主要面（１８）に対して押し当てられているプッシング要素（３２）を有する
   パワー半導体モジュールにおいて、
   基板（１２）とブリッジ要素（１６）とがユニット（２６）を形成し、このユニットが基板（１２）の第１主要面（１８）と第２主要面（２２）とに平行する全横方向に限定された動きを有してパッケージ（１４）に配されていること
   を特徴とするパワー半導体モジュール。
2. ブリッジ要素（１６）が、周囲側壁（３０）と、プッシング要素（３２）と、負荷接続要素（３８）のコンタクト部分（３６）のためのガイドシャフト（３４）とを備えたキャップ型を形成していることと、パッケージ（１４）がフレーム要素（４２）とカバー要素（４４）とを有していることとを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. ブリッジ要素（１６）の周囲側壁（３０）が、基板（１２）のために設けられ、内側寸法が基板（１２）の外側エッジに適合する周囲つば（５０）と共に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
4. ブリッジ要素（１６）の周囲側壁（３０）が外側寸法（５２）を有し、この外側寸法（５２）が、パッケージ（１４）のフレーム要素（４２）の内側寸法（５４）より若干小さいことを特徴とする、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
5. パッケージ（１４）のフレーム要素（４２）が、カバー要素（４４）に対向する面（５６）に負荷接続要素（３８）の接続部分（４０）のための切除部分（５８）と共に形成され、パッケージ（１４）のカバー要素（４４）が、フレーム要素（４２）に対向する面（６０）に負荷接続要素（３８）の接続部分（４０）のためのリセス（６２）と共に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
6. 負荷接続要素（３８）の接続部分（４０）が、自由に接触可能なようにパッケージ（１４）のカバー要素（４４）を越えて突出しているコンタクト突起部（６４）を有していることを特徴とする、請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
7. パッケージ（１４）のカバー要素（４４）とフレーム要素（４２）とが、取付要素のための軸上に一直線に並んだ取付穴（６６、６８）と共に形成され、これらの取付要素を用いてパワー半導体モジュール（１０）が冷却コンポーネントに取付け可能であることを特徴とする、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。

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