JP2000223658A - パワ―半導体モジュ―ル - Google Patents

パワ―半導体モジュ―ル

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Abstract

(57)【要約】 圧力により接点が作り出される対象である少なくとも１
個の半導体（４）が接点部材（８）を介して主接続部
（３０）に電気的に接続されるパワー半導体モジュール
が特定されている。接点部材（８）は、２つの平面状の
接触面（８１、８２）を有し、それらの間には、ばね部
材が配置されている。チップ（４）個々の位置及び高さ
とは無関係に、それぞれのばね部材（７）は標準的な接
触力を確保している。モジュールが固定されていると
き、半導体チップ（４）の過負荷は、セラミック支持部
材（１０）により防止される。

Description

【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。本発明は、本請求項１のプリア
ンブル部分に述べるパワー半導体モジュールに基づくも
のである。
【０００２】
【従来の技術】このようなパワー半導体モジュールは、
公開明細書ＤＥ１９５３０２６４Ａ１号に既に説明され
ている。これはいわゆる圧力接点半導体モジュールであ
って、複数の半導体チップが、ベースプレート上に第１
主電極とともに配置されている。該チップの第２主電極
は、複数の接点スタンプとで電気接点を構成している。
ベースプレートは、第１主接続部に接続し、接点スタン
プは第２主接続部に接続している。個々のチップを同一
レベルにはんだ付けすることは困難であり、それらを面
平行に保つことは更に難しい。上記公開明細書では、個
々の接点スタンプの位置は、接点を作る対象となる半導
体チップと第２主接続部との距離に基づいて個別に調整
される。これにより、チップ面を面平行にするための要
件が軽減される。接点スタンプは移動でき且つ一定長で
あるように取り付けられているが、この接点スタンプの
位置は、接点スタンプを収納するために設けられた孔に
配置されているばねにより調整される。モジュールに作
用する力は、これらのばねを介して個々の半導体チップ
に伝達される。上記公開明細書に述べられた解決策は、
電流がばねを通じて流れねばならないという欠点があ
る。ばね自体の電気伝導率、特にばねと接点スタンプ又
は第２主接続部との間の接合部の電気伝導率は、不適切
であることが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、半導
体チップと第２主接続部との間の距離に関係なく、全半
導体チップに掛けられる圧力が同一となり、接点を作り
出すために設けられる手段の電気伝導率が改善されるパ
ワー半導体モジュールを特定することである。この目的
は、請求項１の特徴を有するパワー半導体モジュールに
より実現される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の本質は、半導体
チップと第２主接続部との間の電気的接続のために設け
られた手段を、全半導体チップに対する標準接触力の原
因であるばね部材から分離することである。モジュール
の第２主接続部のための電気的接続は、半導体チップ毎
に設けられ、導電率が良好で接触抵抗の低いことが特徴
である。このために、２個の平面状の接触面を有する接
点部材が設けられている。これら接触面の間の距離に
は、接続部材によりブリッジが架けられている。この接
続部材は柔軟でなければならず、クリップ又はワイヤ状
の導体という形態であることが望ましい。各接点部材
は、ばね部材により広げられている。この場合は、接触
面は、一方ではカバープレートに対して押し付けられ、
もう一方では半導体チップ上に押し付けられるので、接
触抵抗は低く保たれる。接触力は、応力の加わったばね
部材により伝達されるが、このばね部材は、接触面間に
配置され、電気伝導率にほとんど或いは全く影響を与え
ない。
【０００５】圧力により接点を作り出す対象となる半導
体チップを有するパワー半導体モジュールは、過負荷の
結果溶融することもある細いジャンパー線がないので、
短絡に対して一般的に抵抗力がある。しかしながら、圧
力により接点が作り出される場合、敏感な半導体チップ
特にＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）チ
ップは、特別な予防手段が無ければ、許容できない機械
的負荷又は機械的過負荷を受けやすく、そのことがチッ
プの破壊につながりかねない。特に、直列に接続された
モジュールが、段積みの状態でクランプされるときに破
損が起きやすい。本発明のある好ましい実施形態では、
あらゆる過負荷を吸収するため、第１主接続部と第２主
接続部との間に支持用の部材を設けることにより、これ
が回避されている。これら支持部材は、ばねの動きを制
限し、こうしてばね部材により伝達される接触力を最大
にする。一旦、カバープレートが支持部材と接触する
と、それ以上の負荷は全て支持部材により吸収され、半
導体チップ上の接点圧は外部の締め付け負荷とは関係し
なくなる。
【０００６】他の好ましい実施形態によれば、ばねと接
点部材から形成されるユニットは、予め組み立ておくこ
とができ、そうすると半導体モジュールが装着される間
に、チップ上に容易に配置できる。ばね部材が、完全に
応力から解放されるのを防止するのに適した拘束手段を
用いて、ばね部材に予め応力を掛けておけば、上記ユニ
ットは更によりコンパクトで取り扱いやすくなる。これ
により、特に経済的になり、半導体モジュールの製造が
より容易になる。本発明による接点部材とばね部材の組
み合わせという手段によりチップと接触することによっ
て、ケーシング接点とチップとの間に、永続的低インピ
ーダンス接触抵抗が保証される。その結果、チップが破
損していれば、全公称電流は、対応する接点を損傷させ
ることなく、欠陥チップを介して流されることになる。
更に有益な実施形態は従属請求項から明らかになる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明について、例示的な
実施形態を図面と関連させながらより詳細に説明する。
図１は、本発明のある好ましい実施形態によるハイパワ
ー半導体モジュールの断面の詳細を示す。共通ケーシン
グ内に、多数の独立した半導体チップ４がお互いに絶縁
され配置されているが、図１では、２個の独立チップ４
だけを示している。半導体チップは、ＩＧＢＴチップ又
はダイオードチップであるか、或いはこれら２つの型の
チップを組み合わせたものであることが望ましい。図１
では、半導体チップを駆動するためのゲート接続は示し
ていない。
【０００８】ケーシングは、ベースプレート２、カバー
プレート３、及びケーシング壁とにより形成されてい
る。（モジュールの第１主接続部２０を形成する）ベー
スプレート２と（モジュールの第２主接続部３０を形成
する）カバープレート３とは、中実の銅製ブロックであ
ってもよい。更には、ここに示していないが、ベースプ
レート２には冷却装置が一体化されている。半導体チッ
プ４は、第１金属被覆主電極４０と第２金属被覆主電極
４１を上面上と下面上とに含んでいる。各半導体チップ
の第２主電極４１は、接点部材８を介してカバープレー
ト３に電気的に接続されている。更に、薄膜、箔、プレ
ート及び／又ははんだ層が、一方では第１主電極４０と
ベースプレート２との間に、又他方では第２主電極４１
と接点部材８との間に設けられていてもよい。このよう
な中間層の一例として、熱膨張がシリコン半導体材料に
調和するプレート５が示されており、このプレートは、
Mo、Cuのような材料、又はMo -Cuのような合成物から作
られる。
【０００９】半導体チップ４の第２主電極４１と接点部
材８との間の接触抵抗を低く保つために、後者は第１平
面状接触面８１を含んでいる。これは第２主電極４１上
又は上記中間層５の一番上に置かれる。ばね部材７は、
接点部材８がばね部材７により広げられるような形態で
配置されている。従って、接点部材８の第２平面状接触
面８２は、応力を掛けられたばね部材７によりカバープ
レート３に対して押し付けられている。第１ワッシャー
７０と第２ワッシャー７１は、ばね部材７と２つの接触
面８１、８２との間に配置されている。これらのワッシ
ャー７０、７１は電気的に絶縁するように設計されてい
るので、金属ばね部材７を通って流れる電流は全くな
い。
【００１０】応力を掛けられたばね部材７により半導体
チップ４及びカバープレート３に伝達される接触力は、
モジュールが締付け固定されるときにモジュールの主要
接続面２０、３０上にかけられる圧力により補償され
る。一旦モジュールが締付け固定されてしまうと、接点
部材８の２個の接触面８１、８２の間の距離はもはや変
化することはないので、モジュールには柔軟な導電性の
接続部材８０によりブリッジが架けられていなければな
らない。特に、ばね部材７は、取り付けられる前は、締
付け固定された状態に比べより伸ばされている、即ち、
取り付けられる前は、締付け固定された状態程には掛け
られていないモジュールである。接続部材８０は、例え
ばクリップの形態であってもよいし、複数クリップから
成ってもよいし、或いは１本又はそれ以上のワイヤから
形成されていてもよい。本発明による接続部材８０は、
電気伝導のために専用使用される。
【００１１】既に先に述べたように、何れの場合でも半
導体チップ４とモリブデンプレート５及びモジュール内
のはんだ層とから成るスタックの高さは、標準化された
ものではない。何れの場合でも、接点部材８の第１接触
面８１との間に接点が形成されることになる一番上の中
間層全てを、正確に同じ高さに整列させるのは困難であ
る。これは、異なる型のチップが１つの同じモジュール
で使用される場合に特に当てはまる。この問題を明らか
にするために、図１では異なる厚さのチップを強調した
形で示している。従って、接点部材によりブリッジが架
けられる距離は、チップ毎にそして接点部材毎にそれぞ
れ異なる。しかしながら、範囲に柔軟性のある、即ち接
触面８１、８２の間の距離が可変である本発明による接
点部材８を使用すれば、この問題はもはや存在しなくな
る。
【００１２】半導体チップ４を許容できないほどの機械
的負荷及び機械的過負荷に対して保護するために、耐ク
リープ性材料、望ましくはセラミックから成る支持部材
１０が設けられている。特に、モジュールが段積みにク
ランプされる時に、主接続面２０、３０上の圧力が大き
くなり過ぎる場合、その圧力は支持部材１０により吸収
されることになる。最大でも正確にカバープレート３が
支持部材１０上に置かれるまで、モジュールがクランプ
されている状態で、ばね部材７はさらに圧縮される。こ
うして、これ以上の過負荷又は許容できない負荷が半導
体チップ４上に及ぶことはもはやなくなる。支持部材１
０は、独立した支柱の形態でもよいし、モジュールの内
部で支持リングという形態を採ってもよいし、又はケー
シング壁と同じであっても構わない。
【００１３】先に述べた中間層の他の例は、以下の本文
中でスタンプフット６０と呼ばれるプレートである。こ
れは、ばね部材７により生じる圧力を、単一のまとまり
とするために第１ワッシャー７０に追加して使用され、
ばね部材７とチップ４との間に設けられる。これは特
に、ばね部材７と半導体チップ４の断面の形状と寸法が
整合しないときに装着される。接点部材８の第１接触面
８１は、ここで、チップ側のワッシャー７０とスタンプ
フット６０との間にあるのが望ましい。
【００１４】スタンプフット６０は実際のスタンプ６の
ベースとして追加的に用いられる。このようなスタンプ
６は、スタンプネック６１とそれに隣接して広がったス
タンプヘッド６２とから成る。このような具合に設計さ
れたスタンプ６の目的は、全ての応力が、ばね部材７か
ら取り除かれるのを防ぐこと、即ちある程度の予圧縮を
確実に加えておくことである。更に、この目的には、拘
束手段９も必要であり、例えばＯリング９０が下方、即
ちスタンプヘッド６２とカバープレート側の第２ワッシ
ャー７１（又は第２接触面８２）との間に配置される。
この第２ワッシャー７１には、直径がスタンプヘッド６
２の直径よりも幾分大きい開口部が設けられている。Ｏ
リング９０は、スタンプヘッド６２の直径よりも小さい
内径と、第２ワッシャー７１の開口部の直径よりも大き
い外径を有する。Ｏリング９０はスタンプヘッド６２と
第２ワッシャー７１の間にこのような方法でクランプさ
れ、負荷の掛かっていないばね部材７０がスタンプヘッ
ド６２を越えて伸びるのを防止する。上記Ｏリング９０
に代わるものとして、直径が第２ワッシャー７１の開口
部の直径よりも大きい取り外し可能なスタンプヘッド６
２も利用できる。
【００１５】これらの手段を用いれば、ばね部材７に任
意の所要の予圧縮を加えることができるようになるの
で、カバープレート３が装着されるとき、及びモジュー
ルが固定されるとき、ばねの付加的な動きを最小限に抑
えることができる。予圧縮されたばね部材７、スタンプ
６、及び接点部材８から形成されるユニットは、独立し
た小型コンポーネントとして生産し、その形でモジュー
ルに挿入することができる。
【００１６】カバープレート３が装着されるとき、及び
モジュールが半導体スタック内にクランプされるとき、
ばね部材７は更に幾分か圧縮され、その結果スタンプヘ
ッド６２とカバープレート３の間の距離が縮められる。
従って、スタンプヘッドチャンバ９１は、スタンプへッ
ド６２と拘束手段９又はカバープレート３との間の相対
運動を許容するように作られていなければならない。こ
のスタンプヘッドチャンバ９１は、カバープレート３中
のくぼみ９２（図１）として形成してもよいし、カバー
プレート側のばね部材７上に支えられるＬ字型の漏斗状
輪郭部材９３として形成してもよい。その実施形態を図
２の単一のチップ上に示す。この場合、カバープレート
３中にくぼみを設ける必要は無い。更にこの場合、第２
接触面８２は連続した設計になっており、接触面積が大
きくなっている。ばね部材７は、渦巻きばねでもよい
し、１個又はそれ以上の板ばねから成っていてもよい
し、或いは弾性材料から成る円筒として製造されても構
わない。ばね部材７は説明した例では常に圧縮されてい
たが、張力がかけられたような実施形態も考えられる。
更に、ばね部材７は、必ずしもスタンプネック６１を囲
んでいる必要は無く、それに沿って配置することもでき
る。
【００１７】スタンプ６とばね部材７は、主接続部２
０、３０に平行な面において、円形断面を有していても
よく、それは即ち回転対称となるように設計できるとい
うことである。図１にのみ示された補償薄膜１１は、半
導体チップ４上の第２主電極４１を、お互いに電気的及
び機械的に接続しており、複数の半導体チップ間の異な
る電圧と応力差を補償するために使用されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパワー半導体モジュールの第１実
施形態の一部における断面図である。
【図２】本発明によるパワー半導体モジュールの第２実
施形態の一部における断面図である。図面中に使用して
いる参照符号及びそれらの意味は、符号の説明の項に要
約して示す。明快なものとするために参照符号を繰り返
し使用していない場合を除き、原則的に同一部品には同
一符号を付けている。
【符号の説明】
２ ベースプレート、 ２０第１主接続部、 ３ カバープレート、 ３０ 第２主接続部、 ４ 半導体チップ、 ４０ 第１主電極、 ４１ 第２主電極、 ５ モリブデンプレート、 ６ スタンプ、 ６０ スタンプフット、 ６１ スタンプネック、 ６２ スタンプヘッド、 ７ ばね部材、 ７０ 第１ワッシャー、 ７１ 第２ワッシャー、 ８ 接点部材、 ８０ 柔軟性接続部材、クリップ、ワイヤ、 ８１ 第１接触面、 ８２ 第２接触面、 ９ 拘束手段/予圧縮手段 、 ９０ Ｏリング、 ９１ スタンプヘッドチャンバ、 ９２ くぼみ、 ９３ 輪郭部材、 １０ 支持部材、 １１ 補償部材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トニー フレイ シンガポール シンガポール 257772 ヴ ィラ デル ローズ タマン ナクホーダ 58エイ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ベ−スプレート（２）と、カバープレー
    ト（３）と、第１主電極（４０）により上記ベースプレ
    ート（２）に電気的に接続され且つ第２主電極（４１）
    によりそしてばね力の掛かった電気接点部材（８）を介
    して上記カバープレート（３）に電気的に接続されてい
    る少なくとも１個の半導体チップとを有するパワー半導
    体モジュールであって、少なくとも１個の上記接点部材
    （８）を広げて、上記第２主電極（４１）と上記カバー
    プレート（３）との間に電気的接続を作り出す状態にす
    る、少なくとも１個のばね部材（７）が設けられている
    ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 【請求項２】 上記接点部材（８）が、２個の接触面
    （８１、８２）と柔軟性電気接続部材（８０）とから成
    り、その場合に上記第１接触面（８１）は上記第２主電
    極（４１）に電気的に接続され、上記第２接触面（８
    ２）はカバープレート（３）に電気的に接続されてお
    り、且つ上記ばね部材（７）は上記２つの接触面（８
    １、８２）の間に配置されていることを特徴とする上記
    請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 【請求項３】 上記柔軟性接続部材（８０）が１個又は
    それ以上の撓み可能なクリップを有することを特徴とす
    る上記請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 【請求項４】 上記ばね部材（７）が、渦巻きばねであ
    るか、又は板ばね或いは弾性材料から成る円筒形構成部
    材から成ることを特徴とする上記請求項１に記載のパワ
    ー半導体モジュール。
  5. 【請求項５】 上記ばね部材（７）が上記接点部材
    （８）から電気的に絶縁されていることを特徴とする上
    記請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 【請求項６】 上記ベースプレート（２）と上記カバー
    プレート（３）の間に、少なくとも１個の望ましくはセ
    ラミックの支持部材（１０）が設けられていることを特
    徴とする上記請求項１に記載のパワー半導体モジュー
    ル。
  7. 【請求項７】 上記ばね部材（７）に予め応力を掛ける
    ために、上記ばね部材（７）と上記半導体チップ（４）
    との間に配置されたスタンプフット（６０）と、スタン
    プネック（６１）と、スタンプヘッドチャンバ（９１）
    中に保持されているスタンプヘッド（６２）とを有する
    スタンプから成る手段が設けられていることを特徴とす
    る上記請求項１から６の内の何れかに記載のパワー半導
    体モジュール。
  8. 【請求項８】 上記スタンプフット（６０）が、上記第
    １接触面（８１）と上記半導体チップ（４）との間に配
    置されていることを特徴とする上記請求項７に記載のパ
    ワー半導体モジュール。
  9. 【請求項９】 上記スタンプネック（６１）が上記ばね
    部材（７）を貫通していることを特徴とする上記請求項
    ８に記載のパワー半導体モジュール。
  10. 【請求項１０】 上記スタンプヘッドチャンバ（９１）
    が、上記カバープレート（３）内のくぼみ（９２）か、
    又は上記ばね部材（７）と上記カバープレート（３）と
    の間に配置されたＬ字型輪郭部材（９３）により形成さ
    れていることを特徴とする上記請求項９に記載のパワー
    半導体モジュール。
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