JP4460701B2 - 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】
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１０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６２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６２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２０、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。

Claims (10)

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. 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（８２）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（８１、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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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）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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