JP4264375B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明はベースプレートを備えた又は冷却体上に直接的に取り付けるケーシングと、このケーシ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多数の接続パスと、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多数のパワー半導体素子とを備えている。この基板は、好ましくは、その下側面上にて、接続パスと比較することのできる平坦な金属性の層を有する。更にこの種のパワー半導体モジュールは負荷接触及び補助接触のためのターミナル要素を有する。

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から公知である。この種のパワー半導体モジュールは、少なくとも部分的に接触バネとして形成されていて基板の接続パスを外部のターミナルと接続させるためのターミナル要素を有する。これらの接触バネは、基板の内部のターミナル配列が外部ターミナルに複写されるようにパワー半導体モジュール内に配設されている。

前記の従来技術における短所は、外部ターミナル配列が内部ターミナル配列により直接的に予め定められているということである。それにより、例えばドライバ回路のような外部配線は、パワー半導体モジュールの内部ターミナル配列に適合されなくてはならない。

例えば特許文献３からは他のパワー半導体モジュールが公知であり、このパワー半導体モジュールは、基板に対して垂直に配設されている導体プレートを開示している。この導体プレートは、１つの部分領域を用いてパワー半導体モジュールの内部に配設され、他の部分領域を用いてパワー半導体モジュールの外部に配設され、それによりパワー半導体モジュールのターミナル要素を形成している。

この際、短所として、導体プレートの位置により同様に外部ターミナル配列が固定されるということが挙げられる。

独国特許出願公開第4237632号明細書 独国特許発明第19630173号明細書 独国特許出願公開第10025696号明細書

従って本発明が解決しようとする課題は、内部ターミナル配列が回路に適して実施されていて且つ簡単な措置により内部ターミナル配列とは異なる外部ターミナル配列に適合され得るようなパワー半導体モジュールを紹介することである。

前記の課題は請求項１に記載したパワー半導体モジュールにより解決され、更なる特殊な構成は従属請求項にて示されている。

本発明の基本思想は、従来技術による、ベースプレートを備えた又は冷却体上に直接的に取り付けるパワー半導体モジュールから出発し、このパワー半導体モジュールはフレーム状のケーシングを有し、このケーシングは、このケーシング内に配設されている電気絶縁式の少なくとも１つの基板を備えている。こ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、その第１主面上に設けられていて互いに絶縁されている金属性の多数の接続パスを備え、この基板は好ましくは絶縁材料ボディの第２主面上に配設されている平坦な金属性の層を有する。第１主面の接続パス上には、回路に適してこれらの接続パスと接続されて多数のパワー半導体素子が配設されている。本発明に従うパワー半導体モジュールは負荷接触及び補助接触のために外部へと通じるターミナル要素を有する。これらのターミナル要素の少なくとも一部は、パワー半導体モジュールの内部にて、接触コネクタ、好ましくは接触バネにより形成され、それらの接触コネクタは、保持装置により、接続パスと、導体プレート上に配設されている接触点との間に配設されている。導体プレートは導体パスを有し、これらの導体パスは、それらの接触点を、同様にこの導体プレート上に配設されていて外部へと通じる接触要素と接続させる。

好ましくは、導体プレート上に他の構成要素を配置構成することによりパワー半導体モジュールの機能性が向上され得る。

パワー半導体モジュールのこの構成において、外部ターミナル配列が内部ターミナル配列に依存せずに選択され得ることは有利である。従って、例えばドライバプレートは、１つ又は複数の基板の変更時、及び／又は、パワー半導体構成要素の形式又は数量の変更時に変更される必要はない。

次に、図１〜図６に関連する実施形態に基づき、本発明を詳細に説明する。

図１には本発明に従うパワー半導体モジュールが俯瞰図として示されている。ここでは冷却体（ヒートシンク）上に取り付けるベースプレート（２０）を有するパワー半導体モジュール（１０）が描かれている。冷却体上に取り付けるためにベースプレート（２０）はその角の領域にて各々穴（２２）を有する。更にこのモジュールはフレーム状のケーシング（３０）並びに電気絶縁式の２つの基板（５０）を有する。各々の基板の方は絶縁材料ボディ（５２）を有し、この絶縁材料ボディは、ベースプレートとは反対側のその第１主面上に設けられていて互いに絶縁されている金属性の多数の接続パス（５４）を備えている。基板（５０）は、絶縁材料ボディのベースプレート側の第２主面上に、第１主面の接続パスと同種の平坦な金属被覆（５３、図２）を有する。接続パス（５４）上には、ワイヤボンディング接続部（４４）を用いて回路に適してこれらの接続パスと接続され、パワー半導体素子（５６）並びにセンサ機構構成部品（５８）が配設されている。電気接触のために部分モジュール（１０）は負荷ターミナルのための接続要素であるターミナル要素（４０）を有する。基板（５０）の接続パス（５４）は、ワイヤボンディング接続部（４２、４４、４６）を用い、部分的に互いに且つターミナル要素（４０）と接続されている。

更に本発明に従うこのパワー半導体モジュールはバネ接触部（６０）を有し、これらのバネ接触部（６０）は非図示の補助フレームに配設されている。またこれらのバネ接触部（６０）は接続パス（５４）を導体プレート（プリント配線板、７１）上の接触点と接続させる。これらの接触点は導体プレート（７１）の下側面上に配設されていて、この導体プレートは更に基板（５０）側の下側面上に導体パス（７２）を有する。これらの導体パス（７２）は、接触点（７８）を、外部へと通じる接触要素、ここでは差込ピンコネクタ（７４）と接続させる。そのために、可能な接触要素として選択的に例えばロウ付けラグ又はロウ付けピンがある。これらの接触要素はカバー（７０）を貫通し、従って外部ターミナル配列を表す。この外部ターミナル配列は、バネ接触部の接触箇所により基板（５０）上に示されている内部ターミナル配列とは明らかに異なっている。従って本発明に従うパワー半導体モジュールは、内部ターミナル配列に完全に依存しない外部ターミナル配列を可能としている。

図２〜図５には、フレーム状のケーシング（３０）を備えた本発明に従うパワー半導体モジュールの様々な構成が側面図として示されている。ベースプレート（２０）上には所謂ＤＣＢ（Direct Copper Bonding ダイレクト・カッパー・ボンディング）基板（５０）が配設されている。この基板は、例えば酸化アルミニウムセラミックス又は窒化アルミニウムセラミックスの絶縁材料ボディ（５２）を有し、この絶縁材料ボディにて、ベースプレート側の側面には平坦な銅層（５３）が設けられていて、ベースプレート（２０）とは反対側の側面には構造化（パターン化）された銅層（５４）が設けられている。この銅層（５４）はパワー半導体モジュールの接続パスを表す。これらの接続パス（５４）上には、構成要素（５６）、一般的にはパワー半導体素子及びセンサ機構構成部品が配設されている。回路に適した接続はワイヤボンディング接続部（４４）を用いて行われる。

図２では、ターミナル要素がその経過の最初の部分にて接触バネ（６０）を用いて形成され、これらの接触バネは接続パス（５４）上の接触箇所と導体プレート（７１）上の接触面（７８）との間に配設されている。次にこれらのターミナル要素は、パワー半導体モジュール（１０）の内部で基板（５０）とカバー（７０）との間にて平行に配列されている導体プレート（７１）上に設けられている導体パス（７２）により、同様に導体プレート上に配設されている差込ピンコネクタ（７４）の接触ピン（７６）を用いて外部へと通じるように形成されていて、この際、それらの接触ピン（７６）はカバー（７０）を貫通している。

図３では、ターミナル要素がその経過の最初の部分にて同様に接触バネ（６０）と、導体プレート（７１）上に配設されている導体パス（７２）とを用いて形成されている。また、導体プレートであってその接触面（７８）上でそれらの接触バネが終端する導体プレート（７１）は、カバー（７０）の組込構成部分である。ここでこのカバーは、フレーム状に形成されていて、導体プレートを完全に覆うことなくこの導体プレートをそのエッジにて包囲している。外部接触のための接触要素（７６）は、導体プレート（７１）を貫通するロウ付けピンにより形成されている。

図４には最も現代的で且つ最も簡単な構成が描かれている。ここではカバー（７０）自体が、その内側面上に導体パスが直接的に配設されていることにより、導体プレートとして形成されている。この種の方法は例えばＭＩＤ（Molded Interconnect Devices モールデッド・インターコネクト・デバイシス）として知られている。ここで接触要素（７６）はカバー（７０）のプラスチック内に射出成形を介して設けられたロウ付けピンである。

図５には、機能性が向上された図３による本発明に従うパワー半導体モジュールが示されている。抵抗、コンデンサ、又は集積回路のような他の能動構成要素（能動素子）及び／又は受動構成要素（受動素子）を配設することにより、周知のパワー半導体モジュールからインテリジェンス・パワー半導体モジュールとなり、その理由は、ドライバ回路又はその他の回路（評価配線、センサ機構配線など）の機能性がここでは少なくとも部分的に直接的にモジュール内或いはモジュール上に配設されるためである。負荷ターミナルも説明した方式で形成されている場合、電流センサ及びその評価回路も導体プレート上に配設され得る。

図５には、更に追加的な接触コネクタ、即ち接触バネ（６１）が示されていて、この接触コネクタは、ベースプレート（２０）、従って冷却体をも、電気伝導式で導体プレート（７１）と接続させる。従ってその電位が導体プレート（７１）にて例えばこの導体プレートに配設されている評価回路のために使用可能とされる。

図６には本発明に従う３つのパワー半導体モジュールの配置構成が３次元図として示されている。この際、各々のハーフブリッジ回路を有する３つのパワー半導体モジュール（１０）は３相ブリッジ回路を形成する。図５に従う導体パス（７２）と接触要素（７６）の配置構成を有する共通のカバー（７０）は全ての３つの単独モジュール（１０）を覆うことになる。

本発明に従うパワー半導体モジュールの部分モジュールを俯瞰図として示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの構成を側面図として示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの他の構成を側面図として示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの他の構成を側面図として示す図である。 インテリジェント・パワー半導体モジュールの本発明に従う構成を側面図として示す図である。 本発明に従う３つのパワー半導体モジュールの配置構成を３次元図として示す図である。

符号の説明

１０ パワー半導体モジュール
２０ ベースプレート
２２ 穴
３０ ケーシング
４０ ターミナル要素
４２、４４、４６ ワイヤボンディング接続部
５０ 基板
５２ 絶縁材料ボディ
５３ 金属被覆（銅層）
５４ 接続パス（銅層）
５６ パワー半導体素子
５８ センサ機構構成部品
６０、６１ バネ接触部（接触バネ）
７０ カバー
７１ 導体プレート（プリント配線板）
７２ 導体パス
７４ 差込ピンコネクタ
７６ 接触ピン
７８ 接触点（接触面）

Claims (5)

1. ベースプレート（２０）を備えた又は冷却体上に直接的に取り付けるパワー半導体モジュール（１０）であって、このパワー半導体モジュールが、フレーム状のケーシング（３０）と、カバー（７０）とを有し、更にケーシング（３０）の内部に配設されている電気絶縁式の少なくとも１つの基板（５０）を備えていて、この基板が絶縁材料ボディ（５２）を有し、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多数の接続パス（５４）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多数のパワー半導体素子（５６）と、負荷接触及び補助接触のために外部へと通じる多数のターミナル要素とを備えている、前記パワー半導体モジュールにおいて、
   これらのターミナル要素の少なくとも一部が、パワー半導体モジュールの内部にて、接続パス（５４）と導体プレート（７１）上の接触点（７８）との間に配設されている接触コネクタ（６０）により形成され、これらの接触コネクタ（６０）が接触バネとして形成されていて、更には導体プレート（７１）が導体パス（７２）を有し、これらの導体パスが、それらの接触点（７８）を、接触要素（７６）であって基板（５０）上の内部ターミナル配列とは異なる外部ターミナル配列を有して外部へと通じる接触要素（７６）と接続させ、そして導体プレート（７１）が、フレーム状に形成されているカバー（７０）の内側に埋設されていて、カバー（７０）のための組込構成部分であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 導体プレート（７１）上に能動的な電子構成要素及び／又は受動的な電子構成要素（８０、８２）が配設されていて、回路に適して導体パス（７２）と接続されてい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。
3. ベースプレート（２０）又は冷却体も少なくとも１つの接触コネクタ（６１）を用いて導体プレート（７１）と接続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。
4. 接触要素（７６）が差込ピンコネクタ又はロウ付けラグ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。
5. 少なくとも１つの基板（５０）がセンサ機構構成部品を有す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。

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