JPH09172136A - 複数のサブモジュールを有するパワー半導体モジュール - Google Patents

複数のサブモジュールを有するパワー半導体モジュール

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JPH09172136A
JPH09172136A JP8306297A JP30629796A JPH09172136A JP H09172136 A JPH09172136 A JP H09172136A JP 8306297 A JP8306297 A JP 8306297A JP 30629796 A JP30629796 A JP 30629796A JP H09172136 A JPH09172136 A JP H09172136A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】低インダクタンスで、内部と電源ラインは大き
なスペースをとることなく簡単な構造で高い安定性を有
するパワー半導体モジュールを提供する。 【解決手段】共通のベース板上に互いに隣に配置され電
気的に相互接続され、板状の導体によって低インダクタ
ンスの方法で電源側に外部的に接続される複数のサブモ
ジュールを有するパワー半導体モジュールにおいて、ス
ペース要求の減少は、板状の導体４０、４３が各々サブ
モジュール上の面に自己支持手段で配置される。その面
は互いにおよびサブモジュールから電気的に〔ｓｉｃ〕
絶縁するのに充分な垂直離間を有しており、そして板状
の導体４０、４３は他の、垂直導電素子３８ａ，ｂ、４
２ａ−ｃを介して個々のサブモジュールに電気的に接続
されていることによって達成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】本発明は、パワーエレクトロニク
スの分野に関し、特に、共通のベース板上に互いに隣り
合って配置され、電気的に相互接続され、板状の導体に
よって低いインダクタンスの状態でパワー側に外部的に
接続された複数のサブモジュールを有するパワー半導体
モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】この様な半導体モジュールは、例えば E
P-A1-0 597 144に開示されている。チップ状の、複数の
個々の半導体は互いに隣り合って配置され、共通のベー
ス板上にそして共通のハウジングにおいて相互接続され
たハイブリッド構造を有するパワー半導体モジュール
は、長い間知られている(DE-C-36 69 017 を参照）。こ
のようなモジュール構造はいろいろな要求に合致しなけ
ればならない。一方、個々の半導体は、高パワーで良好
な冷却のためにハウジングの外側に熱的に密接して結合
されなければならない。他方、ハウジング内部、および
パワーセクションに対する外部への電気的接続は高電流
を流すことができなければならないし、同時にいかなる
電圧フラッシュオーバーもなく、時々の高電位差に対処
することができるのに充分な相互分離あるいは絶縁を有
していなけれはならない。更に、モジュールの構造およ
びアッセンブリーは出来るだけ簡単で、経済的であるこ
とである。最後に、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイ
ポーラトランジスタ）によって、具現化された短いスイ
ッチング時間を有する、最近の速いパワー半導体では、
モジュールにおける半導体要素の基本的にできる限り高
い、電流の立ち上がり時間を利用することができるため
に、低いインダクタンス状態の電気接続を実現すること
は非常に重要になる。
【０００３】これらの要求に合致することができるため
に、上で引用した文献は、ハイブリッドのパワーエレク
トロニック配置を提案している。そこでは、サブモジュ
ールを相互接続するために、および外部接続を与えるた
めに、互いに交互に層にされた絶縁材料層と導体のトラ
ック層のスタック配置が用いられている。この解決策
は、簡単で、費用効果のある構造および良好な機能の実
現と共に、非常に低いインダクタンスのモジュールの実
現を可能にする。しかしながら、この既知のモジュール
構造は、問題がないわけではない。特に、サブンモジュ
ールの周囲へのボンディングを可能にするために、絶縁
層と導電層がサブモジュールの領域に凹所が設けられる
（図４および図５）。従って、絶縁層と導電層がラチス
構造に構成され、その構造の薄い金属板（ウエブ）がサ
ブモジュール間に横たわるのである。これの１つの結論
は、追加の表面領域がプレートによって相互接続するた
めに備えられなけばならない。この理由のために、この
形式のモジュールは、他のモジュールより大きな表面領
域を必要とし、その接続は通常サブモジュールから垂直
な上方に通り、モジュールの頂部側での接続を導く。
【０００４】
【発明の概要】本発明の概要は、低い内部インダクタン
スおよび広く、低い外部のインダクタンス接続の利点を
維持しつつ、表面領域における損失の欠点を避けること
ができるパワー半導体モジュールを提供することであ
る。上述の形式のパワー半導体モジュールの場合、この
目的は、板状の導体が各々サブモジュール上の面に自己
支持するように配置されていることによって達成され、
その面は電気的な絶縁に対して充分な、モジュールか
ら、および互いに垂直な離間を有しており、そして板状
の導体は、付加的な、垂直の導電素子を介して個々のサ
ブモジュールに電気的に接続されている。サブモジュー
ル上の板状の広い導体の自己支持配置によって、ベース
板上の互いに隣合った接近してパックされた(close-pac
ked)方法で、サブモジュールを配置することが可能であ
る。これは、広い、低インダクタンス接続および広い導
体に関連した低い内部のインダクタンスを損なうことな
く、モジュールに対して要求される全体のベース領域を
減少する。
【０００５】本発明によるパワー半導体モジュールの第
１の好ましい実施の形態は、垂直な導体素子が一回以
上、好ましくは直角に曲げられたシート状の金属ストリ
ップからなることに特徴があり、また垂直な導体素子
は、それらがサブモジュールの、および／またはベース
板の面に平行なベース板の、熱的よって起こる膨張に対
して補償することができるように曲げられることに特徴
がある。これは低インダクタンスと一緒に交番負荷の下
で高い安定性を得る。同時に、シート状の金属ストリッ
プの使用は、この実施の形態の開発により、垂直な導体
素子が板状の導体に、およびサブモジュールにはんだ付
けされる結果、サブモジュールと外部接続間の全ての接
続がはんだ付けされたジョイントとして具現化される。
本発明によるモジュールの他の好ましい実施の形態は、
板状の導体の中央導体にパーフォレーションが設けら
れ、そこを通して垂直な導体素子がそれらの上に位置さ
れる板状の導体へのサブモジュールの接続のために通る
ことができる。これは、低インダクタンスで、同時にス
ペースを節約するための簡単な構造を提供する。
【０００６】他の実施の形態において、板状の関連導体
と一緒のサブモジュールがハウジングに配置され、電気
的に絶縁材料によって注封される場合は、板状の、異な
る電位の導体間の部分的な放電問題は確実に避けられ
る。他の実施の形態は従属項から明らかになるであろ
う。
【０００７】
【実施の形態】図３は、本発明によるパワー半導体モジ
ュール３４の典型的な実施の形態の基本的な平面図を示
す。複数のサブモジュール（９つの例において）は、端
の部分に締めつけ孔３６のある共通のベース板３５上に
互いに隣り合う接近してパックされるように配置され
る。単純化のために、最下部の３つのサブモジュールに
のみ参照記号３７ａ，３７ｂおよび３７ｃが付してあ
る。個々のサブモジュールの構造は図１の例に示されて
いる。サブモジュール１０は、一方の側（上側）に大き
な面積の金属層１２で覆われた（セラミックの）基板１
１を有する。この金属層１２は連続しており、導体のト
ラック構造を有していない。それはパワー半導体チップ
と下側でチップと接触するためのタブを収容するように
する。
【０００８】図１の例において、２つのＩＧＢＴｓ１
３，１６および２つのダイオード１４，１５は基板１１
上に収容される。これらのＩＧＢＴｓ１３，１６のコレ
クターは関連するチップの下側に位置し、サブモジュー
ル１０のはんだ付けのできる金属層１２を介して接続さ
れる得る。この目的のために、金属層１２の領域はダイ
オード１４，１５の各々の隣りに裸のままにされ、対応
する垂直の導体素子がそれらの領域にはんだ付けされる
（図４参照）。同様のことをダイオード１４，１５のカ
ソードに適用する。ＩＧＢＴｓ１３，１６の場合のエミ
ッターおよびダイオード１４，１５の場合のアノードは
チップの上側に配置される。それぞれの金属ディスク１
７，１９および１８，２０は接続のためにはんだ付けさ
れる（図３には、サブモジュール３７ａの金属ディスク
のみが示されている。）。同様にＩＧＢＴｓ１３，１６
のゲート２１，２２はチップの上側に位置している。そ
れらは、はんだ付けされたゲートクリップ２３，２４を
介して、共通のゲートブロック、即ちゲートランナー２
５に配置され、そこでランする対応するゲート抵抗２
７，２８に接続される。伸長したゲートランナー２５は
チップ間で、同様にサブモジュールの基板１１上に位置
し、金属層２６で覆われた基板を有する。ゲート２１，
２２の接続は、はんだ付けされた接続ワイヤー２９を用
いてゲートランナー２５から上方に延びている。
【０００９】サブモジュールの全てのＩＧＢＴのエミッ
ターおよびダイオードのアノードは、接続のために相互
に短絡され、一緒に上方に延びている。この目的のため
に、２図において、１つのエミッタークリップ３１が各
々のサブモジュール１０に設けられる。このエミッター
クリップ３１はＵ字形に曲げられたシートの金属ストリ
ップから成る。Ｕ字形の主体の脚は、それらの端部で直
角に、外方に曲げられ、おのおのは水平な、第１のタブ
３２ａ，ｂになる。その大きさは、反転したＵ字形がゲ
ートランナー２５とゲートクリップ２３，２４を大まか
に跨がるように選択され、第１のタブ３２ａ，ｂは各々
の場合、ＩＧＢＴ１３と隣接するダイオード１４のメタ
ルディスク１７，２０間、およびＩＧＢＴ１６と隣接す
るダイオード１５のメタルディスク１８，１９間にそれ
ぞれ延びている。第２のタブ３３ａ，ｂは、２つ直角に
曲げられることによって、第１のタブ３２ａ，ｂの横側
に形成され、そして第２のタブによって、エミタークリ
ップ３１が半導体チップの金属ディスク１７−２０上に
はんだ付けされる。
【００１０】エミッタークリップ３１の助けにより、集
合板（図６，７のエミッター板４３）、即ちエミッター
／アノード上に配置されるエミッター層へのエミッター
／アノード接続（はんだ付け）のための高いレベルがサ
ブモジュール上に作られる。第１と第２のタブ３２ａ，
ｂおよび３３ａ，ｂを互いに直交方向に曲げることによ
って、クリップの、セラミックの、半導体チップの、お
よびモジュールの他の要素のいろいろな熱膨張が補償さ
れるようにする曲がり／伸長部の曲線が作られる。それ
らの小さな幅およびそれらの長さのために、ゲートラン
ナー２５にはんだ付けされたゲートクリップ２３，２４
はあらゆる方向に容易に曲げることができる。コレクタ
ー／カソード接続および高いコレクター面へのそれらの
接続は、図４によりコレクタークリップ３８ａ，ｂを介
して行われる。コレクタークリップ３８ａ，ｂは伸長し
たシート金属ストリップからなり、その長い側にある第
３のタブ群が直角に２回、交互に折り曲げられている。
この第３のタブ３９ははんだ付けする脚を形成し、それ
によってコレクタークリップ３８ａ，ｂは個々のサブモ
ジュールの金属層の自由な領域にはんだ付けされる。第
３のタブおよびサブ区分の狭いセグメントへの曲げの結
果として、コレクタークリップ３８ａ，ｂの場合、熱膨
張が２つの独立した空間方向に対して補償されることを
確実にする。
【００１１】コレクタークリップ３８ａ，ｂは、各々３
つのサブモジュールの２つの行間に配置され、これら３
つのサブモジュールの３つの行を相互接続する。図５に
よると、それらはコレクタークリップ３８上に位置し、
そこにはんだ付けされるコレクター板４０によって高い
コレクター面で相互接続される。コレクター面はエミッ
ター面より低いので、コレクター板４０は、下に位置す
るサブモジュールのエミタークリップ４２ａ−ｃが高い
エミッターまで延びることができるように、パーフォレ
ーション４１ａ−ｃを備えている。図６によると、９つ
のサブモジュールの９つのエミッタークリップ（図５）
は、連続したエミッター板４３によってエミッター面で
接続され、エミッター板４３はエミッタークリップ上に
位置し、そこにはんだ付けされる。
【００１２】異なる面での接続構造は図７の側面図に特
によく示されている。板４０，４３のスタックは、最初
に引用した文献から知られるモジュールの場合のよう
に、絶縁および金属層を有していないで、むしろ金属層
のみを有する。金属層は、ポッティングの後に適当な大
きさの電圧を絶縁することができるのに充分な、相互に
およびサブモジュールからの垂直離間を有している。絶
縁層が避けられるので、関連するボンディング技術によ
って接続される、部分的な放電の問題も避けられる。開
放的な金属板４０，４３のスタックは（ハウジング内
に）注封され、注封材料が硬化する前に、真空に引かれ
る。全てのエアーバブルが避けられ、スタックは部分的
な放電が無くなる。曲がり／伸長曲線、およびいろいろ
なタブ３２ａ，ｂ、３３ａ，ｂと３９のある垂直接続素
子３１，３８ａ，ｂおよび４２ａ，ｂの特定の形状は、
板４０，４３およびサブモジュール間のはんだ付けの点
に機械的ストレスが事実上残らず、エージングを行わな
いことを保証する。
【００１３】既に述べたように、ＩＧＢＴゲートは、上
方に通過する接続ワイヤー２９を介して行われる。この
ために、貫通孔３０（図２参照）とゲートブッシング４
４（図６参照）がそれぞれ、個々のエミタークリップ３
１とエミッター板４３の両方に設けられる。図７による
と、エミッターとコレクターの外部接続は、コレクター
板４０とエミッター板４３のそれぞれに全体的に設けら
れた外部接続を介して行われる。結果的に、本発明は、
低インダクタンスｍで、内部と電源ラインは大きなスペ
ースをとることなく、また簡単な構造および交番負荷で
の高い安定性を有している。
【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において
用いられるサブモジュールの典型的な実施の形態の斜視
図を示す。
【図２】エミッタークリップの形状で、垂直な導体素子
を備えた、図１のサブモジュールを示す。
【図３】ベース板上に配置された（電源接続のない）９
つのモジュールを有する、本発明によるパワー半導体モ
ジュールの典型的な実施の形態の平面図を示す。
【図４】コレクタークリップの形状で、垂直な導体素子
を備えた、図３のサブモジュールの斜視図を示す。
【図５】図３および図４によるモジュールのためのエミ
ッタークリップの、および図４のコレクタークリップへ
の接続のための典型的なコレクター板の配置の平面図を
示す。
【図６】コレクター板を部分的に覆い、エミッタークリ
ップに接続される他の典型的なエッミター板を備えた、
図５の配置の平面図を示す。
【図７】図６によるモジュールの、エミッタークリッ
プ、コレクタークリップ、コレクター板、エミッター板
の配置の側面図を示す。
【符号の説明】
１０ サブモジュール １１ 基板 １２ 金属層 １３、１６ ＩＧＢＴ １４、１５ 金属ディスク ２１、２２ ゲート（ＩＧＢＴ） ２３、２４ ゲートクリップ ２５ ゲートランナー ２６ 金属層（ゲートランナー） ２７、２８ ゲート抵抗 ２９ 接続ワイヤー（ゲート） ３０ 貫通孔 ３１ エミッタークリップ ３２ａ，ｂ タブ（ｙ方向の伸長補償） ３３ａ，ｂ タブ（ｘ方向の伸長補償） ３４ パワー半導体モジュール ３５ ベース板 ３６ 締めつけ孔 ３７ａ−ｃ サブモジュール ３８ａ，ｂ コレクタークリップ ３９ タブ ４０ コレクター板 ４１ａ−ｃ パーフォレーション（エミッタークリッ
プ） ４２ａ−ｃ エミッタークリップ ４３ エミッター板 ４４ ゲートブッシング ４５、４６ 外部接続

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】共通のベース板（３５）上に互いに隣り合
    って配置され、電気的に相互接続され、且つ板状の導体
    によって低インダクタンスで電源側に外部的に接続され
    た複数のサブモジュール（１０，３７ａ−ｃ）を有する
    パワー半導体モジュール３４において、 前記板状の導体（４０，４３）の各々は、サブモジュー
    ル（１０，３７ａ−ｃ）上の面に自己支持するように配
    置され、その面は互いに、そして電気的に絶縁するのに
    充分なサブモジュールから垂直離間しており、且つ前記
    板状の導体（４０，４３）は、付加的な、垂直の導電素
    子（３１、３８ａ，ｂ、４２ａ−ｃ）を介して個々のサ
    ブモジュール（１０、３７ａ−ｃ）に電気的に接続され
    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】前記垂直の導電素子（３１、３８ａ，ｂ、
    ４２ａ−ｃ）は、好ましくは直角に、１回よりおおく曲
    げられたシート状の金属ストリップから成ることを特徴
    とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 【請求項３】前記垂直の導電素子（３１、３８ａ，ｂ、
    ４２ａ−ｃ）は、それらがベース板（３５）の面に平行
    なサブモジュール（１０、３７ａ−ｃ）及び／又はベー
    ス板（３５）の熱によって起こる膨張に対して補償する
    ことができるように曲げられていることを特徴とする請
    求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 【請求項４】前記垂直の導電素子（３１、３８ａ，ｂ、
    ４２ａ−ｃ）は、板状の導体（４０、４３）およびサブ
    モジュール（１０、３７ａ−ｃ）にはんだ付けされるこ
    とを特徴とする請求項２および請求項３のいづれかに記
    載のパワー半導体モジュール。
  5. 【請求項５】前記板状の導体（４０、４３）の中央導体
    （４０）にはバーフォレーション（４１ａ−ｃ）が設け
    られ、そこを通して、前記サブモジュール（１０、３７
    ａ−ｃ）の接続のため垂直導電素子（３１、４２ａ−
    ｃ）がそれらの上に位置する板状の導体（４３）に通じ
    ることを特徴とする請求項１乃至４のいづれか１つに記
    載のパワー半導体モジュール。
  6. 【請求項６】前記板状の導体（４０、４３）および前記
    垂直の導電素子（３１、３８ａ，ｂ、４２ａ−ｃ）と共
    にサブモジュールはハウジング内に配置され、且つ電気
    的絶縁材料で注封されることを特徴とする請求項１乃至
    ５のいづれか１つに記載のパワー半導体モジュール。
  7. 【請求項７】前記サブモジュール（１０、３７ａ−ｃ）
    は、ベース板上に接近し、パックされて配置されている
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいづれか１つに記載
    のパワー半導体モジュール。
  8. 【請求項８】各サブモジュール（１０、３７ａ−ｃ）
    は、好ましくは、セラミックを有し、上部側に金属層
    （１２）が設けられている絶縁基板（１１）を有し、且
    つチップ形状の複数のパワー半導体（１３、１４、１
    ５、１６）は前記金属層（１２）上に配置され、それら
    の下側で前記金属層（１２）に電気的に接続されること
    を特徴とする請求項１乃至７のいづれか１つに記載のパ
    ワー半導体モジュール。
  9. 【請求項９】サブモジュール（１０、３７ａ−ｃ）のパ
    ワー半導体（１３、１４、１５、１６）の少なくとも２
    つは、各々の場合、ゲート（２１、２２）を介して制御
    され、且つ前記ゲート（２１、２２）は、前記基板（１
    １、１２）上の前記パワー半導体（１３、１４、１５、
    １６）間に配置され、外部的に接続される共通のゲート
    ブロックあるいはゲートランナー（２５）に接続される
    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. 【請求項１０】前記ゲートブロックあるいはゲートラン
    ナー（２５）へのゲートの接続は前記ゲートブロックあ
    るいはゲートランナー（２５）上に配置された個々のゲ
    ート抵抗（２８、２９）を介して行われることを特徴と
    する請求項９に記載のパワー半導体モジュール。
  11. 【請求項１１】ゲート（２１、２２）を介して制御され
    得るパワー半導体（１３、１６）はＩＧＢＴｓ（絶縁ゲ
    ートバイポーラトランジスタ）として設計され、残りの
    パワー半導体はダイオード（１４、１５）として設計さ
    れることを特徴とする請求項９および請求項１０のいづ
    れか１つに記載のパワー半導体モジュール。
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