JP2005522022A - 高電圧に耐えるパワー半導体モジュール用パッケージ - Google Patents

Abstract

絶縁材料（４）を部分的に充填されたパッケージと、絶縁材料（４）で覆われたパワー半導体構成素子（７）と、パッケージ内部におけるガスを充填された体積部（３０）と、ガスを充填された体積部（３０）と境界を接する絶縁材料の表面（５）と、ガスを充填された体積部（３０）および絶縁材料（４）の表面（５）とを通して配線されている少なくとも一つの第一の電気導線（１）と少なくとも一つの第二の電気導線（２）とを有する、高電圧に耐えるパワー半導体モジュール用パッケージにおいて、パッケージ壁（３１，３２，３３）の電気絶縁性の構造体を、第一の電気導線（１）と第二の電気導線（２）間の領域において、絶縁材料（４）の表面（５）内に沈み込ませることによって、第一の電気導線（１）と第二の電気導線（２）間の表面上（５）における表面漏れ電流を阻止する。

Description

この発明は、パワーエレクトロニクスの分野に関する。この発明は、独立請求項の上位概念にもとづくパワー半導体モジュールに関する。

パワーエレクトロニクスにおいて、インテリジェントな、および／または特定用途向けのパワー半導体モジュール（以下において、ＡＳＩＰＭと称する）が、益々人気を博してきている。ＡＳＩＰＭには、開閉機能を果たす一つまたは複数のパワー半導体構成素子が、制御ユニットとともに、一つのモジュールに統合されており、一般的に一つの共通のパッケージ内に格納されている。これらのパワー半導体構成素子は、例えば並列に接続されたダイオードを持つＩＧＢＴである。この制御ユニットは、例えば本来のパワー半導体構成素子を制御すること以外に、保護機能を提供することができ、それは、例えば温度監視または電流監視にもとづいて、所定の限界値を超えた場合に、ＩＧＢＴを遮断するものである。

ＡＳＩＰＭを製造する際に、標準のパワー半導体モジュールの製造プロセスとの互換性を可能とするために、ＡＳＩＰＭは、標準のパワー半導体モジュールと同様の指針にもとづき設計されている。基本的な違いは、ＡＳＩＰＭの場合には、一般的に一つのボード上に形成された制御ユニットを、同じくパッケージ内に格納しなければならないということにある。このことは、約１２００Ｖまでの低い遮断電圧に対しては、特別に困難なことを生じさせないのに対して、それを超える遮断電圧の場合には、制御ユニットとパワー半導体構成素子間およびそれらに対応する導線間を所要のとおり電気絶縁するという特別な要求が生じる。

電気絶縁を確実に行うために、パッケージの内部に、しばしば絶縁材料を充填している。この目的のために、有利にはゲル状シリコーンが利用され、それは、液体の形でパッケージ内に注入され、必要な場合には、硬くまたは柔らかく硬化させることができる。そのため、絶縁材料は、粘性の強いまたは弱い液体の形、あるいは固体の形で存在することができる。この場合、このことが、ＡＳＩＰＭの動作時の発熱により、絶縁材料が熱膨張することで、（悪い場合、特に短絡した場合に、爆発的な）パッケージの破壊に結び付くので、一般的に、パッケージは、完全には絶縁材料を充填されない。有利には、絶縁材料の量は、パッケージの内部において、絶縁材料の無い、ガスを充填された体積部が残るように算定される。

それにも関わらず、相応の高い遮断電圧の場合、特に典型的な中高圧クラスである２．３ｋＶ，３．３ｋＶ，４．１６ｋＶおよび６．９ｋＶの場合、ガスを充填された体積部を通して配線された絶縁されていない導線によって、ガスを充填された体積部と境界を接している絶縁材料の表面上に、ＡＳＩＰＭにおける短絡に結び付く表面漏れ電流が発生する可能性があるので、問題は残されたままである。導線間の間隔が小さすぎる場合には、ガスを充填された体積部における絶縁破壊に結び付く可能性がある。表面漏れ電流も絶縁破壊も、ＡＳＩＰＭの損傷または破壊、しかもＡＳＩＰＭを統合している上位システムの損傷または破壊にも結び付く可能性があり、そのために望ましいものではない。

この発明の課題は、パッケージ内部における第一と第二の導線間の表面漏れ電流と絶縁破壊を抑止する、始めに述べた種類のパワー半導体モジュールを提示することである。

独立請求項の特徴を有するパワー半導体モジュールは、この課題を解決するものである。この発明の別の有利な実施構成は、従属請求項に提示されている。

この発明にもとづき、表面漏れ電流を抑止するための手段が規定され、その手段は、両方の導線間の領域において、絶縁材料の表面内に沈み込んでいる、すなわち、この手段は、絶縁材料が液体の場合には、絶縁材料内に浸され、絶縁材料が固体の場合には、表面の窪み内に押さえ込まれるものと規定され、その際この窪みは、有利には、この手段を始めは液体である絶縁材料内に浸して、この絶縁材料が硬化することによって生じるものである。

この発明の有利な改善構成においては、パッケージ壁は、電気絶縁性の構造体を有し、この構造体を、両方の導線間の領域において、絶縁材料の表面内に沈み込ませるものである。

この発明の有利な改善構成においては、この構造体は、それが、パッケージ内部のガスを充填された体積部において、第一と第二の導線を相互に遮蔽するように形成される。

この発明における、この課題と別の課題、利点および特徴は、この発明の図面と関連した有利な実施例の以下における詳細な記述により明らかとなる。

図面で使用されている符号およびそれらの意味は、符号の説明にまとめられている。基本的に、同じ部分には、同じ符号が付与されている。

図２は、この発明によるパワー半導体モジュールを模式的に示している。電気絶縁材料から成るパッケージ壁、すなわちパッケージ底部３３，パッケージ側壁３２およびパッケージカバー３１から構成されるパッケージの内部では、少なくとも一つの第一と第二の主接点を有するパワー半導体構成素子７が、導電層６２によって、基板６１上に取り付けられている。同様に、電子回路を有する制御ユニット８がパッケージの内部に有り、この電子回路は、ボード上に形成されており、この電子回路を用いて、パワー半導体構成素子７を制御することができる。パッケージの第一の部分は、絶縁材料４を充填されており、その結果パワー半導体構成素子７も、制御ユニット８も絶縁材料４によって密閉されている。絶縁材料４が存在しないパッケージの残りの第二の部分は、ガスを充填された体積部３０を構成し、その結果絶縁材料４の表面５は、このガスを充填された体積部３０と境界を接している。このガスを充填された体積部３０は、有利には空気を含むが、有利には絶縁ガスを充填すこともできる。

第一の電気導線１は、導電層６２と、第二の電気導線２は、制御ユニット８と繋がっている。第一の電気導線１と第二の電気導線２は、両方ともガスを充填された体積部３０と絶縁材料４の表面５を通して配線されている。パッケージカバー３１は、第一の電気導線１と第二の電気導線２間の領域において、この表面内に沈み込んだ構造体３４を有する。

図３ａは、図２の線Ａ−Ｂに沿ったパワー半導体モジュールの断面を示している。これから、表面漏れの経路、すなわち表面５上における第一の電気導線１と第二の電気導線２間の最短経路は、この構造体３４によって、構造体３４が無い従来技術のパワー半導体モジュールと比べて明らかに延長されていることが分かる。図３ｂに断面を示した、この発明の有利な実施構成においては、パッケージカバー３１の構造体３４は、ガスを充填された体積部３０を、第一の電気導線１が通っている部分体積部３０１と、第二の電気導線２が通っている残りの体積部３０２とに分割している。そのため、第一の電気導線１と第二の電気導線２間の表面漏れの経路は、もはや表面上５には存在しない、すなわち表面漏れの経路は、パッケージカバー３１の構造体３４によって解消されている。図３ｃに断面を示した、この発明の別の有利な実施構成においては、ガスを充填された体積部３０は、同じ方法で、構造体３４により分割されており、そうすることによって、同様に表面漏れの経路は、表面５上には存在しない。

絶縁材料４として、有利にはゲルが、有利にはゲル状シリコーンまたはポリウレタンが用いられる。例えば、ダウコーニング社（シルガード[Sylguard]５２７）、ワッカー社（シリゲル[Silgel]）、東芝社等のシリコーンから成る電子回路封止用コンパウンドである。これらのコンパウンドは、二つの成分を部分的に混合させたものか、または単一成分のものである。このような絶縁材料４は、有利には液体の形でパッケージ内に取り入れられる、有利には注入される。絶縁材料４の用途および粘度に応じて、それを、液体の形のままにしておくことが可能であり、そのためには、例えばゲル状シリコーンが適している。この場合、この構造体３４は、絶縁材料内に浸され、この方法で表面５内に沈み込むこととなる。他方、一定の用途に関しては、絶縁材料４を硬化させる必要がある場合があり、それは、加熱によっても、そのままにしておくことによっても実現することができる。有利には、エポキシ樹脂で実現することができる硬化の際に、構造体３４を表面５内に浸すことによって、相応の形状の窪みが形成され、硬化後には構造体３４が、この窪みの中に沈み込むものである。有利には、絶縁材料４として、油を使用することもできる。これは、その流動特性のために自己密封する、すなわち絶縁破壊後に、絶縁材料４内において、持続的な欠陥が生じない。

図２と３から明らかなとおり、構造体３４は、有利には、この構造体が、ガスを充填された体積部３０内において、第一の電気導線１と第二の電気導線２を相互に遮蔽するような形状を有する。この方法で、表面５上における表面漏れ電流が阻止されるだけでなく、ガスを充填された体積部３０の絶縁破壊をも防止される。

図４は、図３ｂまたは３ｃにおける、この発明によるパワー半導体モジュールの有利な改善構成を示している。この場合、パッケージカバー３４１は、第一の開口部３５と第二の開口部３６とを有し、これらの開口部は、部分体積部３０１をパッケージの外部と結び付けるものである。こうすることにより、パッケージの内部に絶縁流体を補充することが可能となる。この場合、第一の開口部３５は、絶縁流体を補充するために利用される一方、第二の開口部３６は、部分体積部３０１からのガスの放出を可能としてる。有利には、絶縁材料４の硬化後に、絶縁流体の補充が行われる。この場合、構造体３４は、表面５内に沈み込んでいるので、補充された絶縁流体は、部分体積部３０１から流出することができず、その結果残りの体積部３０２は、ガスを充填されたままである。

図５は、この発明の代替の実施構成を示している。この場合、絶縁材料４の表面５上における表面漏れ電流の抑止は、表面５内に沈み込んでいる絶縁物体１０により実現される。ここでは、絶縁材料４が液体の場合、絶縁物体１０の平均密度を、この絶縁物体が表面５上に浮遊するように、しかしその際有利には絶縁材料４内に部分的に浸るように選定するのが好適である。この場合、第一の電気導線１または第二の電気導線２を包み込むリング形状の絶縁物体１０が特に有利である。このような絶縁物体１０の場合には、位置合わせするための措置を省略することができる。絶縁材料４が硬化する場合、場合によっては、硬化時に、絶縁物体１０を相応の位置に保持しなければならない。

図６は、この発明によるパワー半導体モジュールの有利な改善構成の別の横断面を示している。図６ａは、複数の第一の電気導線１と複数の第二の電気導線２とを有するパワー半導体モジュールの実現可能な例を示しており、その際パッケージカバー３１の構造体３４は、第一の電気導線１と第二の電気導線２間において、絶縁材料４の表面５内に沈み込んでいる。図６ｂと６ｃのパワー半導体モジュールは、第一の電気導線１と複数の第二の電気導線２以外に、第三の電気導線９を有する。この場合、パッケージカバー３１の絶縁物体１０または構造体３４は、それが、第一の電気導線１、第二の電気導線２および第三の電気導線９から構成可能なすべての組み合わせ対間において、この表面５内に沈み込んだ状態にある。

これまで、第二の電気導線２が制御ユニットと接続している場合に関してのみ記述してきたが、有利には、第一と第二の電気導線（１，２）がパワー半導体構成素子７の第一または第二の主接点と接続している場合においても、当該の関係を用いることができる。この場合、一つの制御ユニット８が存在可能としているが、それは、この発明を利用する上での前提条件ではない。同様に、個別のパッケージ壁、特にパッケージ底部３３を導電性に実現することができ、それは、有利には、例えば、押して接続させる形のパワー半導体モジュールの場合に、そのようなパッケージ壁によってパワー半導体構成素子７との接続を実現するためである。この場合、絶縁物体１０は、有利には、導電性のパッケージ壁に固定され、それによりこのパッケージ壁の電気絶縁性の構造体３４を形成することができる。

従来技術によるパワー半導体モジュール この発明によるパワー半導体モジュール 図２の線Ａ−Ｂに沿ったパワー半導体モジュールの横断面の例 この発明によるパワー半導体モジュールの有利な改善構成 この発明によるパワー半導体モジュールの代替の実施構成 図２（図６のａ），ｂ）およびｃ））または図５（図６のｂ））の線Ａ−Ｂに沿った、この発明によるパワー半導体モジュールの有利な改善構成の横断面の別の例

符号の説明

１ 第一の導線
２ 第二の導線
３０ ガスを充填された体積部
３０１ 部分体積部
３０２ 残りの部分体積部
３１ パッケージカバー
３２ パッケージ側壁
３３ パッケージ底部
３４ 電気絶縁性の構造体
３５ 第一の開口部
３６ 第二の開口部
４ 絶縁材料
５ 表面
６１ 基板
６２ 導電層（半田層）
７ パワー半導体構成素子
８ 制御ユニット
９ 第三の導線
１０ 絶縁物体
Ａ−Ｂ 断面の線

Claims (10)

1. ・絶縁材料（４）を部分的に充填されたパッケージと、
   ・絶縁材料（４）で覆われたパワー半導体構成素子（７）と、
   ・パッケージ内部における、ガスを充填された体積部（３０）と、
   ・ガスを充填された体積部（３０）と境界を接する、絶縁材料の表面（５）と、
   ・ガスを充填された体積部（３０）および絶縁材料（４）の表面（５）を通して配線されている、少なくとも一つの第一の電気導線（１）と少なくとも一つの第二の電気導線（３０）とを有するパワー半導体モジュールにおいて、
   絶縁材料（４）の表面（５）上に延びる表面漏れの経路を延長または解消するための手段（３４，１０）が、第一の電気導線（１）と第二の電気導線（２）間の領域において、この表面（５）内に沈み込んでいることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. パッケージ壁（３１，３２，３３）の電気絶縁性の構造体（３４）が、第一の電気導線（１）と第二の電気導線（２）間の領域において、絶縁材料（４）の表面（５）内に沈み込んで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. 絶縁物体（１０）が、第一の電気導線（１）と第二の電気導線（２）間の領域において、絶縁材料（４）の表面（５）内に沈み込んで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。
4. パワー半導体モジュールが、少なくとも一つの制御ユニット（８）を有し、この制御ユニットを用いて、パワー半導体構成素子（７）を制御可能であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のパワー半導体モジュール。
5. 制御ユニット（８）が、絶縁材料（４）で取り囲まれていることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
6. 構造体（３４）が、ガスを充填された体積部（３０）において、第一の電気導線（１）と第二の電気導線（２）を相互に遮蔽していることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載のパワー半導体モジュール。
7. ・当該のパワー半導体構成素子が、少なくとも一つの主接点を有することと、
   ・第一の電気導線（１）が、このパワー半導体構成素子（７）の少なくとも一つの主接点と接続していることと、
   ・第二の電気導線（２）が、制御ユニット（８）と接続していることとを特徴とする請求項４、５または６に記載のパワー半導体モジュール。
8. パッケージ壁（３１，３２，３３）の構造体（３４）が、ガスを充填された体積部（３０）の中の部分体積部（３０１）を、残りの部分体積部（３０２）から切り離しており、この部分体積部（３０１）を通して、第一の電気導線（１）が配線されており、この残りの体積部を通して、第二の電気導線（２）が配線されていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載のパワー半導体モジュール。
9. パッケージ壁（３１，３２，３３）が、第一と第二の開口部（３５，３６）を有し、これらの開口部が、部分体積部（３０１）をパッケージの外部と結び付けていることを特徴とする請求項８に記載のパワー半導体モジュール。
10. パッケージ壁の構造体（３４）が、第一または第二の電気導線（１，２）を管状に取り囲んでいることを特徴とする請求項９に記載のパワー半導体モジュール。

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