JP2000332196A - 半導体モジュール - Google Patents

半導体モジュール

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JP2000332196A JP2000136431A JP2000136431A JP2000332196A JP 2000332196 A JP2000332196 A JP 2000332196A JP 2000136431 A JP2000136431 A JP 2000136431A JP 2000136431 A JP2000136431 A JP 2000136431A JP 2000332196 A JP2000332196 A JP 2000332196A
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シュタイマー ペーター
Alexander Dr Stuck
シュトゥック アレクサンダー
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Raymond Dr Zehringer
ツェーリンガー ライモント
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改善された誘電強度を有し、導入部で述べら
れたタイプの半導体モジュールを供給する。 【解決手段】 ベースエレメント（２）と、該ベースエ
レメント（２）に配置された少なくとも１つの絶縁エレ
メント（３）とを有する半導体モジュールの場合には、
前記絶縁エレメントが２つの反対側面に金属層（４，
５）を供給され、前記絶縁エレメント（３）に配置され
た少なくとも１つの半導体エレメント（６）を有し、前
記金属層（４，５）の少なくとも１つは湾曲されて設計
されている。その結果として、端部領域の過度の場の増
加を最小にし、前記半導体モジュールの誘電強度を増加
させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【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。それは特許請求の範囲の請求項１
の前文による半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の半導体モジュールは、例えば、
R.ZehringerらのMaterials ResearchSociety Symposium
Proceedings, Volume 483, Power Semiconductor Mate
rialsand Devices, 1998の３６９〜３８０頁に開示さ
れている。この刊行物は添付した図１に示されているよ
うに、モジュールハウジング１を有する半導体モジュー
ルと、金属ベースプレート２と、それに配置されモジュ
ールハウジングにより覆われる複数の半導体エレメント
６とを説明しており、この場合の前記半導体エレメント
はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）及び
ダイオードである。通常、モジュールハウジングはゲル
状構成物７で充填され、それは電気絶縁層として役立
ち、腐食に対する保護を与え、接続ワイヤに作用する張
力をも減少させる。
【０００３】ベースプレートは半導体エレメントにより
発生された熱を放散させるため水冷設備に接続されてい
る。金属被覆のセラミック板３の形の基板はベースプレ
ートに配置されている。それは半導体エレメントとベー
スプレート又は水冷設備との間に電気絶縁を形成し、さ
らに、半導体エレメントからベースプレートへ熱を放散
するため良好な熱伝導率を有している。ベースプレー
ト、セラミック板及び半導体エレメントは他の頂部に半
田付けされ、セラミック板の金属層４，５は半田接続を
可能にする。
【０００４】現在では、材料において良好な熱伝導率と
不十分な電導率とを組合せることが可能であり、その結
果、比較的薄い絶縁エレメントを製造するが、良好な熱
伝導率を有し、例えば、良好な電導率を有するアルミニ
ウム窒化物（ＡｌＮ）製のものは問題を提示しない。し
たがって、理論的には、１．５から２ｍｍの間の厚さは
２０ｋＶを絶縁するのに十分である。
【０００５】しかし、特に金属層の縁部及び角部により
発生する縁効果は、特に１２００Ｖ以上の高出力の半導
体モジュールの場合には、半導体モジュールの誘電強度
に不利な影響を有する。金属層の縁部及び角部は均質で
なく増強された電界を有する。この過度の電界の増加は
部分的な放電に導き、全体の構造の誘電強度を制限す
る。この場合には、縁部での電界強度は少なくとも電圧
の２乗であり、その結果、そのような部分的放電を防止
するために非常に厚い電気絶縁体が必要となるであろ
う。モジュールハウジングにゲルが充填される時に縁部
領域に正確に作り出されることのある気泡は部分的な放
電を促進し、半導体モジュールの機能性に関するさらな
る重要な要素を形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そのため、本発明の目
的は改善された誘電強度を有し、導入部で述べられたタ
イプの半導体モジュールを供給することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的は特許請求の範
囲の請求項１の特徴を有する半導体モジュールにより達
成される。
【０００８】本発明による半導体モジュールの場合に
は、金属層の少なくとも１つは湾曲されるように設計さ
れ、その結果として、縁部領域でさえ、できるだけ均一
な電界が得られ、過度の電界の増加が最小化される。
【０００９】第１の実施例では、金属層の少なくとも１
つは窪みの形状に湾曲され、絶縁エレメントの反対側に
配置された第２の金属層からの距離は縁部の方で増加
し、それにより、縁部領域の過度の電界増加を減少させ
る。
【００１０】第２の実施例では、湾曲された部分はビー
ド形状の末端部により形成され、好ましくは、角部及び
又は縁部に丸い断面を有している。好適な変形では、絶
縁エレメントは少なくとも突出するビードに適合するた
めの凹部を有している。全体の金属層が絶縁エレメント
に結合された場合には、その結果として、それは後面に
平面を形成し、不十分なアクセス性を有する小キャビテ
ィは避けられるので、ゲルの充填処理の間に気泡が形成
されるのを防止することができる。
【００１１】さらなる有利な実施例は特許請求の範囲の
従属項から明らかになる。
【００１２】本発明の主題は添付した図面に示された好
適な例示の実施例を使用して以下より詳細に説明され
る。
【００１３】
【発明の実施の形態】図２は本発明による半導体モジュ
ールの第１の例示的実施例を示している。それは本質的
に、ベース又は冷却エレメント２と、少なくとも１つの
チップ又は半導体エレメント６と、２方側に金属で被覆
された少なくとも１枚の基板又は絶縁エレメント３とを
備えている。非常に拡大した縮尺のため、ベース及び半
導体エレメント２，６及び第２の絶縁エレメント３’は
部分的に示されているだけである。
【００１４】絶縁エレメント３、通常はセラミック板で
あるが、１方側、好ましくはここに示されているよう
に、半導体エレメント６に面する側に凹部３０を有して
いる。この凹部３０は少なくとも２方側、好ましくは、
上げられるすべての側で窪みの形状に設計される。この
場合には、前記凹部は中央領域で平坦であり、急勾配の
側壁３１を有している。通常、窪みの深さは絶縁エレメ
ント３の少なくとも半分の厚さであり、側壁３１は絶縁
エレメント３の表面と少なくとも３０°の角度αを成し
ている。凹部３０には、第１の金属層５があり、それは
側壁３１上に延びている。窪み形状の凹部の内面は等し
い力の表面を形成し、その場合に全内面が半田付け又は
ＤＣＢ（直接銅接合）によりつけられる銅板で被覆され
ることはこの目的にとって絶対必要とは限らない。一般
に、窪み形状の凹部の平面部分にとって、そのような方
法で金属被覆されるのは単に十分であり、好ましくは、
層の厚さは０．１と０．３ｍｍの間である。側壁３１は
気相成長の金属層又は別の層、低電導性を有する同等の
もので供給されてもよい。
【００１５】好ましくは、ベースエレメント２に面する
絶縁エレメント３の反対側は平坦に設計され、平坦な第
２の金属層４を供給されている。図２に見られるよう
に、２つの金属層間の距離はそれらの縁部の方で増加
し、縁部間の距離ｄedgeは中央領域間の距離ｄcenterの
倍数となっている。通常の値はｄedgeが１〜２ｍｍでｄ
ce nterが３〜５ｍｍである。増加した距離は縁部領域で
作り出されることがある過度の電界増加を減少させる。
【００１６】図３は本発明による第２の実施例を示して
いる。この場合、絶縁エレメント３は本質的に平坦で平
行であり、２つの本質的に平面を供給し、お互いに反対
の金属層４，５はそれらの角部及び又は縁部でビード形
状の末端部４０，５０の形で湾曲部分を有している。好
ましくは、これらのビード形状の末端部４０，５０は丸
い断面を有し、金属層の厚さの倍数である直径を有して
いる。通常の値は金属層の厚さが０．２〜０．３ｍｍ
で、ビードの直径が１〜４ｍｍである。ビード形状の末
端部４０，５０は角部又は縁部を緩和し、したがって同
様に、過度の電界増加を減少させる。
【００１７】ここに示された例示的実施例では、金属層
は絶縁エレメント３の平面に支えられ、ビード形状の末
端部４０，５０だけが凹部３０に適合されている。
【００１８】一方、図４に示されているような例示的実
施例では、金属層４，５は絶縁エレメント３の相応した
形状の凹部に完全に結合され、それらは後面に共通平面
を形成している。
【００１９】本発明による半導体モジュールは絶縁エレ
メントの湾曲した金属層を有し、過度の電界増加の減少
に導き、増加した絶縁能力により、半導体モジュールの
パワー範囲を増加させる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】従来技術によるそのハウジングを含み概略的
に示された半導体モジュールの断面図を示している。
【図１ｂ】図１ａで示されているようなハウジングのな
い半導体モジュールの平面図を示している。
【図２】本発明による半導体モジュールの第１の実施例
の断面図を示している。
【図３】本発明による半導体モジュールの第２の実施例
による絶縁エレメントの断面図を示している。
【図４】第３の実施例による絶縁エレメントの断面図を
示している。
【符号の説明】
１ モジュールハウジング ２ ベースエレメント ２０ 水冷設備 ３，３’ 絶縁エレメント ３０ 凹部 ３１ 側壁 ４ 第２の金属層 ４０ ビード形状の末端部 ５ 第１の金属層 ５０ ビード形状の末端部 ６ 半導体エレメント ７ ゲル ｄedge 縁部間の距離 ｄcenter 中央領域間の距離 α 側壁と窪みの底部との間の角度
フロントページの続き (72)発明者 ハンスルエディー ツェラー スイス ツェーハー5242 ビル ゾンマッ ト 102 (72)発明者 ライモント ツェーリンガー スイス ツェーハー4132 ムーテンツ ノ イブルンヴェーク 56

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ベースエレメント（２）と、 前記ベースエレメント（２）に配置された少なくとも１
    つの絶縁エレメント（３）とを有し、 前記絶縁エレメントは２つの反対側に金属層（４，５）
    を供給され、前記絶縁エレメント（３）に配置された少
    なくとも１つの半導体エレメント（６）を有し、 前記金属層（４，５）の少なくとも１つが湾曲されて設
    計されていることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 【請求項２】 前記絶縁エレメント（３）は前記金属層
    （４，５）の湾曲部分に適合する少なくとも１つの凹部
    （３０）を有している請求項１に記載の半導体モジュー
    ル。
  3. 【請求項３】 前記湾曲した金属層（４）は窪みの形状
    に設計され、前記２つの金属層（４，５）間の距離はそ
    れらの縁部の方で増加する請求項１に記載の半導体モジ
    ュール。
  4. 【請求項４】 前記絶縁エレメント（３）は、少なくと
    も１つの表面と、側面を有する窪み形状の凹部（３０）
    とを有し、 前記凹部に前記湾曲した金属層（４）が配置され、前記
    金属層が前記側壁（３１）上に延びている請求項３に記
    載の半導体モジュール。
  5. 【請求項５】 前記絶縁エレメント（３）の第１の面が
    凹部（３０）を有し、第２の反対面が平坦に設計され、
    両方の面が金属層（４，５）を供給されている請求項４
    に記載の半導体モジュール。
  6. 【請求項６】 前記金属層（４，５）の縁部間の距離ｄ
    edgeは前記金属層（４，５）の中央領域間の距離ｄ
    centerの倍数である請求項４又は５に記載のされた半導
    体モジュール。
  7. 【請求項７】 前記湾曲した金属層（４，５）の角部及
    び又は縁部はビード形状で設計されている請求項１に記
    載の半導体モジュール。
  8. 【請求項８】 前記絶縁エレメント（３）は凹部（３
    ０）により遮られる平面を有し、ビード形状の角部及び
    又は縁部に適合し、前記湾曲した金属層（４，５）はビ
    ード形状の角部又は縁部を除いて、平面に支えられてい
    る請求項７に記載の半導体モジュール。
  9. 【請求項９】 前記角部及び又は縁部は少なくともほぼ
    丸い断面を有している請求項７に記載の半導体モジュー
    ル。
  10. 【請求項１０】 前記湾曲した金属層（４，５）は前記
    絶縁エレメント（３）に完全に結合され、それは前記絶
    縁エレメント（３）と共通の平面を形成する請求項７に
    記載された半導体モジュール。
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