JP5069924B2 - 結合装置を有するコンパクトなパワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体構成要素の負荷接続部及び制御接続部を外部プリント回路基板に電気的に結合するための結合装置を有するコンパクトなパワー半導体モジュールに関する。この場合、以下の負荷結合の用語に関し、パワー半導体モジュールの接触装置と外部導電要素との間の結合と理解されるべきである。この場合、負荷接続部は、例えばハーフブリッジ回路では、中間回路の直流入力、ならびに交流出力と理解される。

同様に、制御結合部とは、以下において、パワー半導体モジュールの補助又は制御接続部と外部制御接続要素の結合部と理解される。

本発明の出発点は、例えば特許文献１、又は特許文献２から公知のようなパワー半導体モジュールである。最初に挙げた文献は、ねじ込み・押付接触によるパワー半導体モジュールを開示している。この場合、プリント回路基板を有するパワー半導体モジュールの負荷結合は、従来技術によるねじ込み結合によって達成される。この場合、補助又は制御接続部の制御結合部は、ばね接点要素とプリント回路基板の導体路部分との間の結合部として形成される。本発明によれば、制御結合部への圧力導入は、プリント回路基板の配置及び当該プレートと負荷接続要素とのねじ留めによって行われる。上述の種類のパワー半導体モジュールの形態は、１０アンペア強の電流負荷に特に適している。

特許文献２は、絶縁中間層を有する第１及び第２の導電性フィルムのフィルム結合体から構成されるパワー半導体構成要素用の結合装置を開示している。パワー半導体構成要素は、超音波溶接によって第１の導電層と永続的に確実に電気結合される。負荷接続部及び制御接続部の両方を含むパワー半導体構成要素のモジュール内部の回路に適切な結合が、ここに開示されている。しかし、上述の文献は、外部結合用の負荷及び制御結合部の詳細について開示していない。

独国特許出願公開第１０２００４０２５５６０９Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０３５５９２５Ａ１号明細書

本発明の課題は、簡単に製造でき、コンパクトな寸法を備え、かつ負荷ならびに制御接続部がプリント回路基板に配置可能である、フィルム結合体の形態の結合装置を有するパワー半導体を提供することである。

上記課題は、本発明によれば、請求項１の特徴部分の措置によって解決される。好ましい実施形態が下位請求項に記載されている。

本発明の構想は、ハウジングと、導体路と回路に適切なようにこの導体路に配置されたパワー半導体構成要素とを有する少なくとも１つの基板と、を有するパワー半導体モジュールを出発点としている。さらに、パワー半導体モジュールは少なくとも１つの結合装置を備え、結合装置は、それぞれ、第１及び第２の導電層６０、６４とこれらの導電層の間に配置された絶縁層からなるフィルム結合体から構成される。

それぞれの導電層は構造化（パターン付与）され、したがって導体路を形成する。両方の導電層の個々の導体路が、例えば押付接触部の形態の回路に適切な結合部によって互いに結合される場合、好ましい。

フィルム結合体の第１の導電層は、パワー半導体構成要素のパワー接続面に対する点溶接結合部として形成された第１の接触装置を備える。同様に、この第１の導電層は、好ましくは別の導体路に、パワー半導体構成要素の制御接続面に対する第２の接触装置を備える。さらに、この第１の導電層は、プリント回路基板に対する負荷結合部に対する第３の接触装置を備える。第２の導電層は、プリント回路基板を有する制御結合部に対する第４の接触装置を備える。

フィルム結合体は、第１及び第４の接触装置の間に、ならびにハウジングのガイド部分に配置される第２及び第３の接触装置の間にフィルム部分を備え、かつ第３及び第４の接触装置はプリント回路基板と平行の平面を有する。

本発明の解決方法について、図１〜図４の実施形態を参照してさらに説明する。

図１は、冷却体及びプリント回路基板を有する構成の本発明によるパワー半導体モジュールの第１の形態の断面を示している。パワー半導体モジュールは、ハウジング３から構成され、このハウジングは、基板５がパワー半導体モジュールの内側と反対側のハウジングの側面から部分的に突出するように基板を囲む。電気的に絶縁して形成された基板のこの側面に、冷却体が配置され、熱伝導して基板と結合される。

パワー半導体モジュールの内側と反対側の基板の側面は、互いに電気的に絶縁された複数の導体路５４として形成される。この導体路に、複数のパワー半導体構成要素５８ａ／ｂが回路に適切に配置され、導電結合される。

さらに、パワー半導体モジュールは、フィルム結合体から構成される結合装置６を備える。このフィルム結合体は、それぞれ構造化されて導体路を形成する第１及び第２の導電層６０、６４と、これらの第１及び第２の導電層の間に配置された絶縁層６２とから形成される。

フィルム結合体の第１の導電層６０は、パワー半導体構成要素５８ａ／ｂのパワー接続面５８０に対する点溶接結合部として形成された第１の接触装置６００を備える。同様に、第１の導電層は、パワー半導体構成要素５８ａの制御接続面５８２に対する第２の接触装置６０２を備える。したがって、第１の導電層又はその導体路は、接触装置と、基板と反対側のパワー半導体構成要素５８ａ／ｂの接続面の回路に適切な結合部を形成する。パワー半導体構成要素５８を有する基板５と、第１の導電層６０との間の体積は、電気的信頼性の理由から絶縁材料で充填され、この場合、この絶縁材料はシリコーンジェル又はエポキシ樹脂５８４であることが好ましい。

第１の導電層は、プリント回路基板７に対する負荷結合部７０に対する第３の接触装置６０４を備える。この第３の接触装置は、第１の接触装置と、したがって、付設されたパワー半導体構成要素の負荷接続面と導電結合される。

第２の導電層６４は、例えばパワー半導体構成要素５８ａの制御接続面５８２と、プリント回路基板７を有する制御結合部７２に対する第４の接触装置６０６とを結合するために、第１の導電層６０に対する回路に適切な結合部６６を備える。

第３及び第４の接触装置がそれぞれ直列に配置される場合、好ましい。このため、パワー半導体モジュールは、フィルム結合体のフィルム部分が配置されるハウジング３の内部にガイド部分３０を備える。このフィルム部分は、第１及び第４の接触装置６００、６０６の間の、ならびに第２及び第３の接触装置６０２、６０４の間の結合部を形成する。

パワー半導体モジュールの上述の形態を形成するために、第３の接触装置６０４に対するフィルム部分は、同一の曲げ方向を有する第１及び第２の曲げ箇所６８ｂを備える。これに対して、第４の接触装置６０６に対するフィルム部分は、第１の曲げ方向を有する第１の曲げ箇所６８ａと、その後の推移において、反対の第２の曲げ方向を有する第２の曲げ箇所６８ｂとを備える。この場合、曲げ箇所６８ａ／ｂは、ハウジング３のガイド部分３０の付設されたエッジ３２に配置される。

この形態によって、第３ならびに第４の接触装置は、接触されるプリント回路基板によって画定される平面に配置される。同様に、したがって、接触装置は、平行の平面法線を有する平面を形成する。ハウジングは、第３及び第４の接触装置６０４、６０６が、平面法線の方向にハウジング３から突出し、したがって、プリント回路基板に対する半田結合部が可能であるように形成される。

図２は、ハウジング３を有する図２ａ及びハウジング３を有しない図２ｂの３次元図の本発明によるパワー半導体モジュールの第１の形態を示している。ここには、パワー半導体構成要素５８を有する基板５が示されている。このパワー半導体構成要素５８は、導体路を形成する構造化された第１の導電性フィルム層６０から構成される結合装置６によって回路に適切に結合される。さらに、この結合装置は、絶縁フィルム層６２と、この絶縁フィルム層に配置された同様に構造化された別の導体路を形成するフィルム層６４とから構成され、この場合、図２ｂの第２のフィルム層６４の導体路のそれぞれの推移は、単に示唆されているに過ぎない。

この結合装置６に形成された導体路を有する当該結合装置のフィルム部分は、ハウジング３のガイド部分３０を通して達し、かつ負荷ならびに制御結合部に対する接触装置６０４、６０６がプリント回路基板に対して平面を形成し、かつ平行の平面法線を備えるように、基板５と反対側のハウジングの側面に配置される。

このため、第３の接触装置６０４に対するフィルム部分は、同一の曲げ方向を有する第１及び第２の曲げ箇所６８ｂを備え、これに対して、第４の接触装置６０６に対するフィルム部分は、第１の曲げ方向を有する第１の曲げ箇所６８ａと、その後の推移において、反対の第２の曲げ方向を有する第２の曲げ箇所６８ｂとを備える。

それぞれの第３の接触装置６０４は、本発明によれば、第１の導電層６０の導体路の部分として、第４の接触装置６０６は、第２の導電層６４の導体路の部分として形成される。

図３は、冷却体及びプリント回路基板を有する構成の本発明によるパワー半導体モジュールの第２の形態の断面を示している。配置された冷却体及びパワー半導体構成要素を有する基板の形態は、図１による形態に対応し、この場合、冷却体はハウジングの特別な形成部３６に支持される。結合装置６は、同様に、第１及び第２の導電層６０、６４と、これらの第１及び第２の導電層の間に配置された絶縁層６２との既述したフィルム結合体から構成される。パワー半導体構成要素５８ａ／ｂの接続面５８０、５８２に対する第１及び第２の接触装置６００、６０２は、同様に、点溶接結合部から形成される。

ハウジング３は基板５を囲み、プリント回路基板７と接触するために、第１及び第４の接触装置６００、６０６の間のフィルム部分ならびに第２及び第３の接触装置６０２、６０４の間のフィルム部分を配置するためのガイド部分３０を備える。第３の接触装置６０４に対するこのフィルム部分は、第１の曲げ方向を有する第１の曲げ箇所６８ｃを備え、第４の接触装置６０６に対するフィルム部分は、第２の曲げ方向を有する第２の曲げ箇所６８ｄを備える。これによって、第３及び第４の接触装置６０４、６０６が、ここでは当然基板平面に対して垂直の平面に配置され、かつこの場合、再び、接触装置６０４、６０６の平面法線が平行に配置されることが達成される。結合装置の詳細な形態が図４に示されている。

図４は、例示したパワー半導体構成要素、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ、本発明によるパワー半導体モジュールの図３の第２の形態による結合装置を有するフィルム結合体を示している。図４ａでは、負荷結合側は、フィルム結合体の第１の導電層及び絶縁層によって形成される。絶縁層６２は、面と一体に形成された突出部６２０ａを有する面として形成される。これらの突出部６２０ａは、第１のフィルム層の導体路と共に、パワー半導体モジュールのガイドシャフトに配置するための第１のフィルム部分を形成する。この場合、導体路の部分は、図３による第３の接触装置６０４を形成する。基板平面に対するこの接触装置６０４の垂直配置を形成するために、フィルム結合体は、第１の曲げ箇所６８ｃを備える。

図４ｂに、図２ａと同一の視線方向からの制御結合側が示されている。この制御結合側は、フィルム結合体の第２の導電層及び絶縁層によって形成される。絶縁層６２は、再び、面と一体に形成された突出部６２０ｂを有する面として形成される。これらの突出部６２０ｂは、第２のフィルム層の導体路と共に、パワー半導体モジュールのガイドシャフトに配置するための第２のフィルム部分を形成する。この場合、導体路の部分は、図３による第４の接触装置６０６を形成する。基板平面に対するこの接触装置６０４の垂直配置を形成するために、フィルム結合体は、第２の曲げ箇所６８ｄを備える。

第１及び第２の曲げ箇所６８ｃ、６８ｄの異なる曲げ方向によって、図３のような接触装置６０４、６０６が、それぞれ平行の平面法線を有する平面に形成される。

本発明によるパワー半導体モジュールの第１の形態の断面図である。 本発明によるパワー半導体モジュールの第１の形態の３次元図で、ハウジング３を有する態様を示す。 本発明によるパワー半導体モジュールの第１の形態の３次元図で、ハウジング３を有さない態様を示す。 本発明によるパワー半導体モジュールの第２の形態の断面図である。 本発明によるパワー半導体モジュールの第２の形態のフィルム結合体で、フィルム結合体の第１の導電層及び絶縁層によって負荷結合側が形成される態様を示す。 本発明によるパワー半導体モジュールの第２の形態のフィルム結合体で、図２ａと同一の視線方向からの制御結合側を示す。

３ ハウジング
５ 基板
６ 結合装置
７ プリント回路基板
３０ ガイド部分
３２ エッジ
３６ 形成部
５４ 導体路
５８ａ パワー半導体構成要素
５８ｂ パワー半導体構成要素
６０ 第１の導電層
６２ 絶縁層
６４ 第２の導電層
６６ 結合部
６８ａ 第１の曲げ箇所
６８ｂ 第２の曲げ箇所
６８ｃ 第１の曲げ箇所
６８ｄ 第２の曲げ箇所
７０ 負荷結合部
７２ 制御結合部
５８０ パワー接続面
５８２ 制御接続面
５８４ エポキシ樹脂
６００ 第１の接触装置
６０２ 第２の接触装置
６０４ 第３の接触装置
６０６ 第４の接触装置
６２０ａ 突出部
６２０ｂ 突出部

Claims (10)

1. ハウジング（３）と、導体路（５４）及び回路に適切なように該導体路に配置されたパワー半導体構成要素（５８ａ／ｂ）を有する少なくとも１つの基板（５）と、結合装置（６）とを有するパワー半導体モジュール（１）であって、
   前記結合装置（６）が、それぞれ構造化されて導体路を形成する第１及び第２の導電層（６０，６４）と、該第１及び第２の導電層の間に配置された絶縁層（６２）とを有するフィルム結合体から構成され、
   前記第１の導電層（６０）が、パワー半導体構成要素（５８ａ／ｂ）のパワー接続面（５８０）に対するスポット溶接結合部として形成された第１の接触装置（６００）と、パワー半導体構成要素（５８ａ）の制御接続面（５８２）に対する第２の接触装置（６０２）と、プリント回路基板（７）への負荷結合部（７０）に対する第３の接触装置（６０４）とを備え、
   前記第２の導電層（６４）が、前記第１の導電層（６０）への結合部（６６）と、プリント回路基板（７）への制御結合部（７２）に対する第４の接触装置（６０６）とを備え、
   前記フィルム結合体が、前記第１及び第４の接触装置（６００、６０６）の間にフィルム部分を備え、前記第２及び第３の接触装置（６０２、６０４）の間にフィルム部分を備え、該フィルム部分は前記ハウジング（３）のガイド部分（３０）に配置され、かつ前記第３及び第４の接触装置（６０４、６０６）が前記プリント回路基板（７）と平行の平面を有する、パワー半導体モジュール。
2. 前記第３の接触装置（６０４）に対するフィルム部分が、同一の曲げ方向を有する第１の曲げ箇所（６８ａ）及び第２の曲げ箇所（６８ｂ）を備え、前記第４の接触装置（６０６）に対するフィルム部分が、第１の曲げ方向を有する第１の曲げ箇所（６８ａ）と、その後の推移において、反対の第２の曲げ方向を有する第２の曲げ箇所（６８ｂ）とを備える、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
3. 前記第３の接触装置（６０４）に対するフィルム部分が、第１の曲げ方向を有する曲げ箇所（６８ｃ）を備え、かつ前記第４の接触装置（６０６）に対するフィルム部分が、第２の曲げ方向を有する第２の曲げ箇所（６８ｄ）を備える、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
4. 前記曲げ箇所（６８ａ／ｂ／ｃ／ｄ）が、前記ハウジング（３）のガイド部（３０）の付随したエッジ（３２）に配置される、請求項２又は３に記載のパワー半導体モジュール。
5. 前記第３の接触装置（６０４）が、前記第１の導電層（６０）の導体路の部分として、かつ前記第４の接触装置（６０６）が、前記第２の導電層（６４）の導体路の部分として形成される、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
6. 前記第３の接触装置（６０４）及び前記第４の接触装置（６０６）が、前記平面の法線の方向に前記ハウジング（３）から突出する、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
7. 前記第３の接触装置（６０４）及び前記第４の接触装置（６０６）が、基板平面に対して平行な平面に配置される、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
8. 前記第３の接触装置（６０４）及び前記第４の接触装置（６０６）が、基板平面に対して垂直な平面に配置される、請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
9. 前記パワー半導体構成要素（５８）を有する前記基板（５）と、前記第１の導電層（６０）との間の体積が、絶縁材料によって充填される、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
10. 前記絶縁材料が、シリコーンジェル又はエポキシ樹脂（５８４）である、請求項９に記載のパワー半導体モジュール。

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