KR20100113034A - 접속 장치와 접촉 스프링으로 구현된 내부 접속 요소들을 포함하는 전력 반도체 모듈 - Google Patents

접속 장치와 접촉 스프링으로 구현된 내부 접속 요소들을 포함하는 전력 반도체 모듈 Download PDF

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세미크론 엘렉트로니크 지엠비에치 앤드 코. 케이지
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 전력 반도체 소자 및 접속 장치를 포함하고, 상기 접속 장치는 상기 전력 반도체 소자와 접촉하는 한편, 상기 전력 반도체 소자를 마주보며 또한 적어도 하나의 첫 번째 전도 트랙을 형성하는 적어도 하나의 첫 번째 도전층, 층 조립체 내에서 그 다음에 위치하는 절연층, 및 상기 층 조립체 내에서 또한 그 다음에 위치하며 또한 적어도 하나의 두 번째 전도 트랙을 형성하는 두 번째 층으로 이루어진 상기 층 조립체로 구성되며, 또한 상기 두 번째 층은 상기 전력 반도체 소자로부터 떨어져 있도록 구성되는 전력 반도체 모듈을 기술하고 있다. 상기 전력 반도체 모듈은 또한 적어도 하나의 내부 접속 요소를 구비하며, 여기에서 상기 내부 접속 요소는 첫 번째 및 두 번째 접촉부와 탄성부를 구비한 접촉 스프링으로 구현된다. 이 경우에, 상기 첫 번째 접촉부는 상기 접속 장치의 첫 번째 또는 두 번째 전도 트랙과의 공통 접촉 영역을 구비한다.

Description

접속 장치와 접촉 스프링으로 구현된 내부 접속 요소들을 포함하는 전력 반도체 모듈{Power semiconductor module comprising a connection device and comprising internal connection elements embodied as contact spring}
본 발명은 그 부분으로 복수의 전도 트랙을 형성할 수 있는 복수의 도전층들과 이 층들 사이에 배치된 절연층들로 이루어진 층 조립체로 구현된 접속 장치를 포함하는 전력 반도체 모듈을 기술하고 있다. 이 접속 장치는 전력 반도체 소자들을 서로 전기적으로 접속하거나 또는 기판의 추가적인 전도 트랙들과 전기적으로 접속한다.
본 발명의 시작점은 독일연방공화국 특허 DE 103 55 925 A1에 의해 공지된 바와 같은 전력 반도체 모듈이다. 이것은 원리적으로 위에서 언급한 유형의 접속 장치를 개시한다. 여기에서, 전력 반도체 소자들은 초음파 용접에 의해서 영구적으로 고정되는 형태로 첫 번째 전도층에 전기적으로 접속된다. 내부 부하와 제어 접속부들을 모두 포함하는 전력 반도체 부품들의 모듈-내부 회로 정합방식의 접속이 여기에 개시된다. 이러한 목적으로, 접속 장치는 절연층을 통과해서 도전층들 사이에 관통 접점을 가지고 있다. 이러한 방식으로, 한 층의 전도 트랙들은 다른 층의 전도 트랙들과 전기적으로 접속된다.
전술한 유형의 전력 반도체 모듈의 외부 접속 장치는 독일연방공화국 특허 DE 10 2006 027 482 A1에 일례로서 개시되어 있다. 첫 번째로 나사와 두 번째로 스프링이 장착된 플러그 접촉 접속부가 여기에 개시되어 있다.
이에 비해서, 독일연방특허 DE 10 2006 013 078은 두 개의 도전층 사이의 관통 접점들이 얇은 와이어 본딩에 의해서 형성되어 있는 전술한 접속 장치를 포함하는 전력 반도체 모듈을 개시하고 있다. 전술한 유형의 접속 장치는 또한 전력 반도체 모듈내에서 본딩 접속부들을 대체하며 또한 그 사용의 결과로 내부 접속부들의 내구성을 향상시키도록 되어 있기 때문에, 관통 접점을 형성하기 위해 얇은 와이어 본딩 접속부를 사용하는 것은 이 경우 완벽하게 만족스럽지 않다.
따라서, 본 발명은 와이어 본딩 접속부의 개수가 줄어드는 방식으로 접속 장치를 포함하는 전력 반도체 모듈을 개발하는 목적에 기반을 두고 있다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 수단에 의해서 본 발명에 따라 달성된다. 바람직한 실시예들이 종속항에 기재되어 있다.
본 발명의 개념은 적어도 하나의 전력 반도체 소자와 상기 적어도 하나의 전력 반도체 소자를 추가적인 전력 반도체 소자나 기판의 전도 트랙에 대해 모듈-내부 회로 정합방식으로 접속하기 위한 접속 장치를 포함하는 도입부에 언급된 유형의 전력 반도체 모듈에 기초하고 있다. 이러한 유형의 전력 반도체 모듈은 기판에 의해 냉각 장치상에 바람직하게 배치될 수 있다. 더욱이, 이러한 유형의 전력 반도체 모듈은 상기 적어도 하나의 전력 반도체 소자와 상기 접속 장치를 장착한 기판을 둘러싸는 절연 하우징을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 접속 장치는 적어도 두 개의 전도층과 그 사이에 배치된 절연층으로 이루어진 층 조립체로 구성된다. 상기 접속 장치의 절연 및 전도층들로 이루어진 적층 구조를 제공하는 것이 또한 바람직하다. 설명의 명료성을 위해서, 이 이후에는, 보편성을 제한하지 않으면서, 두 개의 도전층과 한 개의 절연층을 포함하는 접속 장치의 가장 간단한 구성만을 참조하기로 한다.
상기 각각의 전도층들은 본래 서로 절연된 복수의 첫 번째 전도 트랙들을 형성하도록 구성된다. 상기 첫 번째 전도층의 적어도 하나의 첫 번째 전도 트랙은 전력 반도체 소자의 접촉 영역에 도전가능하게 접속된다. 종래 기술에 따른 접착 접속부 또는 압력 접촉 접속부는 이 경우에 특히 바람직하다는 것이 입증되었다. 상기 적층 구조에서, 상기 전력 반도체 소자를 마주보는 첫 번째 도전층 다음에 절연층이 위치하며, 또한 다시 한번 상기 전력 반도체 소자로부터 가장 멀리 떨어져 있는 상기 접속 장치의 전도층이 그 다음에 위치한다.
본 발명에 따르면, 상기 전력 반도체 소자는 적어도 한 개의 내부 접속 요소를 구비하고 있으며, 여기에서 상기 내부 접속 요소는 첫 번째와 두 번째 접촉부와 탄성부를 포함하는 접촉 스프링으로 구현된다. 상기 접촉 스프링의 첫 번째 접촉부는 상기 접속 장치의 첫 번째와 두 번째의 전도 트랙과의 공통 접촉 영역을 구비하고 있다.
이 경우에, 첫 번째 또는 두 번째 전도 트랙과의 접촉 영역이 접속 장치의 홈내에 배치되는 것이 바람직하다. 이것은 심지어 전체 접촉 스프링이나 상기 접촉 스프링의 첫 번째 접촉 장치의 측방 운동을 발생시킬 수 있는 기계적이거나 열적인 영향하에서도 상기 전도 트랙과 상기 접촉 스프링과의 접촉 신뢰성을 증가시킨다. 이것은 상기 접촉 스프링 또는 그 첫 번째 접촉부의 배치에 따른 잡다한 요구조건들을 만족시켜야 하기 때문에 이것은 또한 하우징 내에서 상기 접촉 스프링의 장착과 안내를 단순하게 해준다.
첫 번째 바람직한 구성에서, 상기 홈은 상기 두 번째 전도 트랙과 상기 절연층의 절개부에 의해서 형성된다. 상기 첫 번째 도전 트랙까지 통과해서 도달되는 상기 접속 장치 내의 개구부가 생성되며, 그에 의해 상기 접촉 영역이 상기 첫 번째 전도 트랙 상에 위치하게 되며 또한 상기 접촉 스프링은 이 결과 상기 첫 번째 전도 트랙에 대해 도전성 접속을 발생시킨다.
두 번째 바람직한 구성에서, 상기 홈은 상기 두 번째 전도 트랙의 오목부에 의해 형성되고, 상기 오목부는 상기 전도 트랙을 완전히 통과해서 절단하지 않으며, 그에 의해 상기 접촉 영역이 상기 두 번째 전도 트랙 상에 위치하게 되며 또한 상기 접촉 스프링은 이 결과 상기 두 번째 전도 트랙에 대해 도전성 접속을 발생시킨다.
만일 상기 접촉 스프링의 상기 두 번째 접촉 장치가 상기 전력 반도체 모듈의 하우징으로부터 돌출된다면 더욱 특히 바람직하다. 그에 의해서, 상기 전력 반도체 모듈과 그 결과 접속 장치는 외부 접속 요소들과 직접 접속될 수 있다.
본 발명에 따르면, 와이어 본딩 접속부의 개수가 줄어드는 방식으로 접속 장치를 포함하는 전력 반도체 모듈을 구현할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력 반도체 모듈을 단면으로 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른 전력 반도체 모듈의 접속 장치의 세부 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 접속 장치의 세부 구성을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈을 단면으로 도시한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력 반도체 모듈을 단면으로 도시한다. 이 도면은 냉각장치(76)상에 배치된 전력 반도체 모듈을 도시하며, 이 전력 반도체 모듈은 전력 반도체 소자(10)과 접속 장치(20)가 장착된 기판(74)을 구비하고 있다. 이러한 전력 반도체 모듈의 부품들(10, 20, 74)은 하우징(70)에 의해 둘러싸여 덮여져 있다. 여기에서, 상기 기판(74)이 상기 전력 반도체 모듈의 하단부를 형성한다.
상기 접속 장치(20)는 상기 전력 반도체 소자(10)를 마주보는 첫 번째 도전층(22), 층 순서상 상기 도전층을 뒤따르는 절연층(24) 및 두 번째 도전층(26)으로 이루어진 적층 구조로 형성된다. 도전층(22, 26)의 층 두께가 10 내지 500㎛ 사이이며 또한 상기 절연층(24)의 층 두께가 2 내지 100㎛ 사이인 것이 바람직하다.
도전층(22, 26)은 종래 기술에 따라 전력 반도체 소자(10)와 기판(74)의 모듈-내부 회로 정합방식의 접속을 형성함으로써 널리 공지된 와이어 본딩 접속을 대치한다. 그러나, 이 경우에, 첫 번째 도전층의 첫 번째 트랙(22)을 두 번째 도전층의 두 번째 전도 트랙(26)에 접속하기 위한 관통 도금(90)을 제공하는 것이 또한 필요하다. 이것들은 상기 절연층의 도전적으로 충진된 홈들로 구현된다.
더욱이, 상기 접속 장치(20)는 여기에서 외부 접속 소자들(80)에 대한 나사 접속부(82, 84)의 형태로 된 외부 접점 접속부를 위한 역할을 한다. 이러한 유형의 외부 접점 접속부는 부분적으로 부하 접속부로서 적합하다. 제어 접속부, 보조 에미터 접속부 또는 센서 접속부와 같은 보조 접속부들의 외부 접점 접속부들은 또한 플러그 또는 납접 접속부들로서 공지되어 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 제어부(14)와 에미터 접속 영역(16)을 포함한 전력 반도체 모듈의 접속 장치의 세부 구성을 도시한다. 이 도면은 전술한 부분, 예를 들어 도 1에서 언급된 관통 도금(90)에 대한 대안을 보여준다. 이 공지된 구성에서, 접속 장치(20)의 홈(40) 내에 부분적으로 배치된 얇은 와이어 본딩 접속부(92)는 상기 접속 장치의 상기 첫 번째 도전층의 첫 번째 전도 트랙(22)과 상기 두 번째 도전층의 두 번째 전도 트랙(26) 사이에 도전 접속부를 형성한다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈의 접속 장치(20), 전력 반도체 소자(10) 및 센서(50)의 세부 구성을 보여준다. 여기에서는 전력 트랜지스터인 상기 전력 반도체 소자(10)는 그 첫 번째 주 영역(12)에 두 개의 접점 영역, 제어영역(14) 및 에미터 접속 영역(16)을 구비하고 있다. 이러한 두 개의 접점 영역들(14, 16)은 상기 접속 장치(20)의 첫 번째 층의 할당된 첫 번째 전도 트랙(22)에 접속되며, 여기에서 첫 번째 도체 트랙은 물론 서로 전기적으로 절연되어 있다. 이 두 개의 접속부들이 바람직하게는 소결 공정에 의해 제작된 밀착된 접속부들로 구현되는 것이 바람직하다.
상기 접속 장치(20)은 여기에서 서로 전기적으로 절연되어 있으며 또한 첫 번째 도전층을 이용해서 구성된 세 개의 첫 번째 전도 트랙(22)를 구비한다. 상기 첫 번째 층은 상기 전력 반도체 소자(10)를 마주보는 접속 장치(20)의 영역을 형성한다. 더욱이, 상기 접속 장치(20)는 상기 절연층(24)의 두 부분을 구비하고 있다. 상기 접속 장치(20)의 적층 구조에 있어서, 상기 전력 반도체 소자(10)와 떨어진 상기 접속 장치(20)의 부분에 상기 접속 장치의 두 번째 도전층이 배치되며, 이 두 번째 도전층은 동일한 방식으로 구성되며 그 결과 서로에 대해서 전기적으로 절연된 세 개의 두 번째 전도 트랙(26)을 구비하게 된다.
하우징이 있거나 하우징이 없는 센서(50)가 그 접속 요소들(52) 중 하나에 의해 상기 두 번째 전도 트랙(26)의 하나와 전기 전도가 가능하도록 접속된다. 상기 센서는 예를 들어 상기 전력 반도체 모듈에서 전류나 온도를 측정하기 위한 역할을 한다. 외부 접속을 위해서, 상기 전력 반도체 모듈은 첫 번째 내부 접속 요소(30)를 구비하고 있다. 이것은 첫 번째와 두 번째 접촉부(32와 36) 및 탄성부(34)를 포함하는 접속 스프링(30)으로 구현된다. 상기 첫 번째 접촉부(32)는 상기 할당된 두 번째 전도 트랙(26)과 전기 전도가능하게 접속되어 있으며, 이러한 목적으로 후자와의 공통 접촉 영역(62)을 구비하고 있다.
상기 접촉 영역(62)은 두 번째 전도 트랙(26)의 홈(42) 내에 배치되며, 이 홈(42)은 상기 두 번째 전도 트랙의 오목부에 의해 형성된다. 상기 접촉 스프링(30)의 첫 번째 접촉부(32)는 다른 방식으로 형성될 수 있다: 여기서 필수적인 것은 상기 두 번째 전도 트랙(26)의 오목부(42)를 형성하는 것이다. 기계적이거나 열적인 동작에 의해 발생되는 접촉 스프링(30)의 첫 번째 접촉부(32)의 측방 운동은 대체로 상기 오목부(42)에 의해서 방지된다.
동일한 효과가 또한 서로 적층된 절연층(24)과 두 번째 도전층의 영역에 대한 절개부에 의해 형성된 홈(40)에 의해서 달성된다. 이러한 절개부는 그것에 의해 형성된 홈(40)이 상기 첫 번째 도전층까지 접속 장치를 통과해서 도달하는 방식으로 형성된다.
상기 홈(40) 내에 배치된 접촉 스프링(30)은 접촉 영역(60)에서 전력 반도체 소자(10)의 제어 접속부(14)와 접속된 상기 첫 번째 전도 트랙(22)과 접촉한다. 따라서, 상기 내부 접속 요소인 접속 스프링(30)을 이용해서 전력 반도체 소자(10)를 구동하는 것이 가능하다. 이 경우, 상기 두 번째 부분(36)이 직접 외부 리드와 접속될 수 있다면 특히 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈을 단면으로 도시하며, 이 전력 반도체 모듈은 냉각 장치(76) 위에 배치된 기판(74)과 구성부품들을 감싸는 하우징(70)을 포함하고 있다. 모듈-내부 회로-정합방식의 접속은 기술된 상기 접속 장치(20)에 의해 형성된다. 그 중 하나만이 도시된 내부 접촉 장치인 접촉 스프링(30)은 컵 모양의 하우징(70)의 가이드내에 배치되며, 여기에서 두 번째 접촉부(36)는 상기 하우징(70)으로부터 돌출되며 또한 예를 들어 제어회로기판과 같은 외부 접속 요소들과 직접 접속된다.
10: 전력 반도체 소자 20: 접속 장치
22: 첫 번째 전도 트랙 24: 절연층
26: 두 번째 전도 트랙 30: 내부 접속 요소
32: 첫 번째 접촉부 34: 탄성부
36: 두 번째 접촉부 40, 42: 홈
60, 62: 공통 접촉 영역 70: 하우징
72: 가이드

Claims (8)

  1. 적어도 하나의 전력 반도체 소자(10), 접속 장치(20) 및 적어도 하나의 내부 접속 요소(30)를 포함하고,
    상기 접속 장치(20)는 상기 전력 반도체 소자(10)와 접촉하는 한편, 상기 전력 반도체 소자(10)를 마주보며 또한 적어도 하나의 첫 번째 전도 트랙(22)을 형성하는 적어도 하나의 첫 번째 도전층, 층 조립체 내에서 그 다음에 위치하는 절연층(24), 및 상기 층 조립체 내에서 그 다음에 위치하며 또한 적어도 하나의 두 번째 전도 트랙(26)을 형성하는 두 번째 층으로 이루어진 상기 층 조립체로 구성되며, 또한 상기 두 번째 층은 상기 전력 반도체 소자(10)로부터 떨어져 있고,
    상기 내부 접속 요소는 첫 번째 및 두 번째 접촉부(32, 36)와 탄성부(34)를 구비한 접촉 스프링(30)으로 구현되며, 또한 상기 첫 번째 접촉부(32)는 상기 접속 장치(20)의 첫 번째 또는 두 번째 전도 트랙(26)과의 공통 접촉 영역(60, 62)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 첫 번째 또는 두 번째 전도 트랙(22, 26)을 구비한 도전 영역(60, 62)이 상기 접속 장치(20)의 홈(40, 42) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 홈(40)이 상기 두 번째 전도 트랙(26)과 상기 절연층(24)의 절개부에 의해 형성되며, 그 결과 상기 접촉 영역(60)은 첫 번째 전도 트랙(22) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 홈(42)은 상기 두 번째 전도 트랙(26)의 오목부에 의해 형성되며, 그 결과 상기 접촉 영역(62)은 상기 두 번째 전도 트랙(26) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 도전층(22, 26)의 층 두께는 10 내지 500㎛이며 또한 상기 절연층(24)의 층두께는 2 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전력 반도체 소자(10)는 기판(74) 상에 배치되고, 상기 전력 반도체 모듈이 하우징(70)을 구비하고 있으며, 또한 상기 하우징(70)은 상기 적어도 하나의 전력 반도체 소자(10)과 상기 접속 장치(20)를 장착한 상기 기판(74)을 감싸서 덮고 있는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 내부 접속 요소들(30)은 상기 전력 반도체 모듈의 하우징(70)의 가이드(72) 내에 부분적으로 배치되며, 또한 상기 내부 접속 요소들(30)의 두 번째 접촉부들(36)은 상기 하우징(70)으로부터 돌출되어 외부 접속 요소들과 접속될 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 접속 장치(20)의 적어도 하나의 첫 번째 전도 트랙(22)은 상기 전력 반도체 소자(10)의 적어도 하나의 접속 영역(14, 16)에 접속되며, 또한 이 접속부는 접착 접속부 또는 압력 접촉 접속부로 구현되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
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