JPS62108552A - 電力用半導体モジユ−ル - Google Patents
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、少くとも片側が金属化されたセラミック台板
と該セラミック台板に平行にその上に配設された第2の
セラミック板とを有する電力用半導体モジュールに関す
る。電気的に絶縁された構造の上記のモジュールは、合
板として片側又は両側が金属化されたセラミック板を有
する。
と該セラミック台板に平行にその上に配設された第2の
セラミック板とを有する電力用半導体モジュールに関す
る。電気的に絶縁された構造の上記のモジュールは、合
板として片側又は両側が金属化されたセラミック板を有
する。
[従来の技術]
電力用半導体モジュールによって整流回路又はこの回路
の一部を実現することができる。そのために合板の上に
必要な素子、例えば半導体チップ、受動性部品及び結合
素子がはんだ付けされる。はんだ付け操作の際に、はん
だ付けすべき素子を適尚な場所に固定しなければならな
い。そのために通常はんだ付け型板が利用される。はん
だ付け型板は当該のモジュールのために特別に製造され
。
の一部を実現することができる。そのために合板の上に
必要な素子、例えば半導体チップ、受動性部品及び結合
素子がはんだ付けされる。はんだ付け操作の際に、はん
だ付けすべき素子を適尚な場所に固定しなければならな
い。そのために通常はんだ付け型板が利用される。はん
だ付け型板は当該のモジュールのために特別に製造され
。
又はモノー−ルに適応させである。はんだ付け型板自体
の製造費とはんだ付け型板によるモジュールの製造のた
めの材料費と労働時間はモジュールの構造によって左右
される。
の製造費とはんだ付け型板によるモジュールの製造のた
めの材料費と労働時間はモジュールの構造によって左右
される。
西独特許出願公開公報第3406528号ははんだ付け
型板の簡素化のための提案を含み、サンドイッチ状のモ
ジュール構造が提案される。その場合、半導体部品はセ
ラミック台板とセラミック・カバープレートの間に配設
される。部品の固定のために、カバープレートに挿入す
る心ぎめピンと心ぎめスリーブが必要である。合板とカ
バープレートの間の電気的結合はコンタクトポンチによ
って作られる。モジュールの製造のために、全体として
かなシ多数の個別部品が必要である。
型板の簡素化のための提案を含み、サンドイッチ状のモ
ジュール構造が提案される。その場合、半導体部品はセ
ラミック台板とセラミック・カバープレートの間に配設
される。部品の固定のために、カバープレートに挿入す
る心ぎめピンと心ぎめスリーブが必要である。合板とカ
バープレートの間の電気的結合はコンタクトポンチによ
って作られる。モジュールの製造のために、全体として
かなシ多数の個別部品が必要である。
電力用半導体モジュールのもう一つの問題は、半導体部
品によって可能になる高いスイッチング速度がモジュー
ル化した線路の高い漏れインダクタンスによって減少す
ることである。
品によって可能になる高いスイッチング速度がモジュー
ル化した線路の高い漏れインダクタンスによって減少す
ることである。
[発明が解決しようとする問題点]
本発明の目的とするところは、公知の電力用半導体モノ
ー−ルの上記の欠点を回避することである。
ー−ルの上記の欠点を回避することである。
[問題点を解決するための手段および作用]冒頭に挙げ
た種類の電力用半導体モジュールにおいて、合板、第2
のセラミック板及び場合だよっては別のセラミック板と
それぞれ間挿された金属化のための構造化金属箔からダ
イレクトホンディングによシ多層基板を形成し、その場
合第2のセラミック板と場合によっては別のセラミック
板が開口部を具備し、この開口部に装着部品が挿置され
、はんだ付け工程の間そこに固定されることによって、
上記の目的が達成される。好適な実施態様が特許請求の
範囲第2項ないし第7項に示されている。
た種類の電力用半導体モジュールにおいて、合板、第2
のセラミック板及び場合だよっては別のセラミック板と
それぞれ間挿された金属化のための構造化金属箔からダ
イレクトホンディングによシ多層基板を形成し、その場
合第2のセラミック板と場合によっては別のセラミック
板が開口部を具備し、この開口部に装着部品が挿置され
、はんだ付け工程の間そこに固定されることによって、
上記の目的が達成される。好適な実施態様が特許請求の
範囲第2項ないし第7項に示されている。
[実施例]
本発明のその他の紙部と利点は1図面に基づいて説明す
る下記の実施例で明らかである。
る下記の実施例で明らかである。
第3図は半導体回路を示し、破線で囲んだ回路部分1が
明示されている。回路部分1は電力用トランジスタ2及
び並列に接続されたダイオード3、電力用トランジスタ
2のデートGの前の抵抗4から成る。電力用トランジス
タ2は電力用(縦形)MO8O8電界効果トランジスタ
シ、ダイオード3はショットキー・ダイオードである。
明示されている。回路部分1は電力用トランジスタ2及
び並列に接続されたダイオード3、電力用トランジスタ
2のデートGの前の抵抗4から成る。電力用トランジス
タ2は電力用(縦形)MO8O8電界効果トランジスタ
シ、ダイオード3はショットキー・ダイオードである。
1個の電力用半導体モジュールに複数個の上記の回路部
分1を実現し、例えば並列に接続することができる。
分1を実現し、例えば並列に接続することができる。
第1図は第2図に記載した切断平面A−Hの断面図を示
し、その際、第3図に明示した回路部分1の断面図が示
されている。
し、その際、第3図に明示した回路部分1の断面図が示
されている。
2枚のセラミック板6,7を含む基板5が第1図に示さ
れる。参照番号6はセラミック台板を表す。セラミック
台板6は図示しない冷却体に臨む下面に全面金属化層8
t−1また上面に構造化金属化層9を着持する。構造化
金属化層9の上に第2のセラミック板7が配設される。
れる。参照番号6はセラミック台板を表す。セラミック
台板6は図示しない冷却体に臨む下面に全面金属化層8
t−1また上面に構造化金属化層9を着持する。構造化
金属化層9の上に第2のセラミック板7が配設される。
第2のセラミック板7は半導体部品2,3を収容するた
めの開口部10を具備し、上面に第2の構造化金属化層
11を着持する。すべての金属化層8,9.11は、代
表的には厚さ0.1〜0.5稠の銅箔から成る。
めの開口部10を具備し、上面に第2の構造化金属化層
11を着持する。すべての金属化層8,9.11は、代
表的には厚さ0.1〜0.5稠の銅箔から成る。
基板5の各層すなわち全面金属層8、台板6、構造化金
属化層9.第2のセラミック板7、第2の構造化金属化
層11及び場合によっては別のセラミック層と金属層は
直接結合(ダイレクトボンディング)によって1工程で
互いに結合される。この結合法は例えば西独特許出願公
開公報第3036128号に記載されている。
属化層9.第2のセラミック板7、第2の構造化金属化
層11及び場合によっては別のセラミック層と金属層は
直接結合(ダイレクトボンディング)によって1工程で
互いに結合される。この結合法は例えば西独特許出願公
開公報第3036128号に記載されている。
第2のセラミック板2の開口部10に予めはんだを施し
た半導体部品2,3及び接続素子12が挿置され、構造
化金属化層9と接触させられる。
た半導体部品2,3及び接続素子12が挿置され、構造
化金属化層9と接触させられる。
第2の構造化金属化層11と接触させられる接続素子1
3と抵抗4及びクリップ14は、適当な開ロSt−具備
し、第2のセラミック板7の金属化層11の上に取付け
られた図示しない第3のセラミック板又は他の手段によ
シ固定することができる。
3と抵抗4及びクリップ14は、適当な開ロSt−具備
し、第2のセラミック板7の金属化層11の上に取付け
られた図示しない第3のセラミック板又は他の手段によ
シ固定することができる。
すべてのはんだ継手は同時に1行程で作られる。
続いてその他の内部結合がアルミニウム線15のダンデ
ィングによりて作られる。
ィングによりて作られる。
台板6は冷却体に対する絶縁のために使用され。
半導体部品2,3から冷却体へ排熱の際に熱抵抗を小さ
くする。第2のセラミック板7と場合によってはその上
に配設される別のセラミンク板はモジュールの構成部分
であるから、いわゆる使い捨てのはんだ付け型板とみな
される。但し使い捨てのはんだ付け型板とだけ考えられ
る訳でない。なぜなら基板5の多層構造は更にモジュー
ルの高い機械的強度をもたらし、モジュールの製造の際
に平坦な台板6を得ることを容易にするからである。
くする。第2のセラミック板7と場合によってはその上
に配設される別のセラミンク板はモジュールの構成部分
であるから、いわゆる使い捨てのはんだ付け型板とみな
される。但し使い捨てのはんだ付け型板とだけ考えられ
る訳でない。なぜなら基板5の多層構造は更にモジュー
ルの高い機械的強度をもたらし、モジュールの製造の際
に平坦な台板6を得ることを容易にするからである。
荷線又は駆動線のためのいわゆるメタルストリップ又は
ストリップ線路を作成することができる。
ストリップ線路を作成することができる。
それKよりて極めて小さなインダクタンスが得られ、ま
たストリップの幅と第2のセラミック板7の厚さを適当
忙定めれば、リード線に所定の特性インピーダンスが得
られる。こうして確定された巌路の形状寸法を外部接続
端子の製造の際に保持することが好ましい。すなわち接
続素子12゜13は構造化金属化層9,11及び介在す
る第2のセラミック板7と同じ幅及び同じ有効間隔を有
する。
たストリップの幅と第2のセラミック板7の厚さを適当
忙定めれば、リード線に所定の特性インピーダンスが得
られる。こうして確定された巌路の形状寸法を外部接続
端子の製造の際に保持することが好ましい。すなわち接
続素子12゜13は構造化金属化層9,11及び介在す
る第2のセラミック板7と同じ幅及び同じ有効間隔を有
する。
モジュールの配線の上記の構成は、使用者に対して例え
ばMO8t界効果トランジスタのスイッチング速度の利
用を著しく容易にする。チップ抵抗として構成された駆
動線の抵抗4によって、+7−ド線のインピーダンス整
合成端が可能である。それと共にモジュール1θ内の場
合によりては多数の並列MO8rt界効果トランゾスタ
・ダートの間の寄生振動が抑制される。
ばMO8t界効果トランジスタのスイッチング速度の利
用を著しく容易にする。チップ抵抗として構成された駆
動線の抵抗4によって、+7−ド線のインピーダンス整
合成端が可能である。それと共にモジュール1θ内の場
合によりては多数の並列MO8rt界効果トランゾスタ
・ダートの間の寄生振動が抑制される。
また台板6の上に複数個の構造化セラミック層及び金属
層を上述したように積層することによって、電力用半導
体モジュールに駆動回路を混成的に統合することができ
る。その場合チップ形で実現された駆動回路がセラミッ
ク層の適当な開口部に挿置され、電力用半導体チップ2
,3と同様にはんだ付けないしはダンディングされる。
層を上述したように積層することによって、電力用半導
体モジュールに駆動回路を混成的に統合することができ
る。その場合チップ形で実現された駆動回路がセラミッ
ク層の適当な開口部に挿置され、電力用半導体チップ2
,3と同様にはんだ付けないしはダンディングされる。
第2図はモジュールで実現された回路部分1の平面図を
示す。なお前述の部品のほかに別の細部が認められる。
示す。なお前述の部品のほかに別の細部が認められる。
第2のセラミック板2の開口部10に空欠部16があり
、第2のセラミック板7と場合によってはその上にある
別の層を買込て穴17が設けられる。穴17及び空欠部
16によって生じるスロットは、後で注入される。電気
絶縁のたゆの軟質流し込コン・ンウント”が構造化金属
化層9,11の間に人シ込むことを可能にする。
、第2のセラミック板7と場合によってはその上にある
別の層を買込て穴17が設けられる。穴17及び空欠部
16によって生じるスロットは、後で注入される。電気
絶縁のたゆの軟質流し込コン・ンウント”が構造化金属
化層9,11の間に人シ込むことを可能にする。
開口部10と空欠部16及び穴17の作製はいわゆる生
で、すなわち未焼結のセラミック板で行われる。銅層の
構造はセラミックと結合する前に銅箔を適当に押抜くか
、又は銅層がその時なお近寄り易ければ、セラミックと
結合した後に@をエツチングすることによって生じる。
で、すなわち未焼結のセラミック板で行われる。銅層の
構造はセラミックと結合する前に銅箔を適当に押抜くか
、又は銅層がその時なお近寄り易ければ、セラミックと
結合した後に@をエツチングすることによって生じる。
装備を完了した基板5は公知のようにしてはんだ継手及
びがンディングを作製した上でフード状又はフレーム状
プラスチック外被の中に押入し、その際基板5がモジュ
ールの底をなす。モジュールの下面の全面金属化層8は
好適な構造と考えられるが、必ず必要という訳でない。
びがンディングを作製した上でフード状又はフレーム状
プラスチック外被の中に押入し、その際基板5がモジュ
ールの底をなす。モジュールの下面の全面金属化層8は
好適な構造と考えられるが、必ず必要という訳でない。
全面金属化層8は良好な熱接触をもたらし、例えば冷却
体表面の僅かな粗さを補償することができるから、熱伝
導ペーストなしでモジュールを組立てることができる。
体表面の僅かな粗さを補償することができるから、熱伝
導ペーストなしでモジュールを組立てることができる。
グラスチック外被の上側開口からモノーールに軟質流し
込コン・やランドを、所望の液位まで充填することがで
きる。接続素子12.13はプラスチック外被の適当な
開口にス挿され、それによって所定の相互間隔が保証さ
れる。接続素子12.13に設けた伸縮わん曲部18が
基板5に対して、外部接続端子から来る機械的負荷を緩
和する。
込コン・やランドを、所望の液位まで充填することがで
きる。接続素子12.13はプラスチック外被の適当な
開口にス挿され、それによって所定の相互間隔が保証さ
れる。接続素子12.13に設けた伸縮わん曲部18が
基板5に対して、外部接続端子から来る機械的負荷を緩
和する。
[発明の効果コ
この発明圧よる電力用半導体モジュールは次のような効
果を有する。
果を有する。
モジュールの底を形成する基板の多層配列は、厚い銅箔
とセラミック板のダイレクトビンディングによって作ら
れる。銅箔の厚さは0.1ないし0.5唄である。この
ような基板は高い機械的強度を有する。従って底面の必
要な平坦度が高い精度で得られ、高い曲げ強さと破壊強
さが与えられる。
とセラミック板のダイレクトビンディングによって作ら
れる。銅箔の厚さは0.1ないし0.5唄である。この
ような基板は高い機械的強度を有する。従って底面の必
要な平坦度が高い精度で得られ、高い曲げ強さと破壊強
さが与えられる。
上記の基板は約10011:4での高温に耐える。
従って半導体素子と接続素子を例えば400℃で水素雰
囲気ではんだ付けすることができる。その場合、セラミ
ック上の金属化層の付着強度が維持される。
囲気ではんだ付けすることができる。その場合、セラミ
ック上の金属化層の付着強度が維持される。
厚い銅トラックが電力用半導体の熱損失電力の良好な付
加的横方向排出をもたらす。従って上記の部品を比較的
高い絶縁平面、例えば第2又は第3平面に取付けても小
さな熱抵抗が保たれる。
加的横方向排出をもたらす。従って上記の部品を比較的
高い絶縁平面、例えば第2又は第3平面に取付けても小
さな熱抵抗が保たれる。
本発明に基づく基板構造は基板に帯状の通電を可能にす
るから、洩れインダクタンが小さい。
るから、洩れインダクタンが小さい。
基板は第1のセラミック層によって底部金属化層又は銅
体に対して電気的に絶縁されている。その場合、絶縁電
圧は代表的には2.5 kV、ffである。
体に対して電気的に絶縁されている。その場合、絶縁電
圧は代表的には2.5 kV、ffである。
この絶縁電圧は1つの層の別個のトラックの間又は異な
る層にあるトラックの間でも得られる。外部接続端子と
基板がス) IJツブ線路構造を有する場合も、冷却面
と上へ導かれる接続端子との間に必要な沿面距離とエア
ギャップが保たれる。
る層にあるトラックの間でも得られる。外部接続端子と
基板がス) IJツブ線路構造を有する場合も、冷却面
と上へ導かれる接続端子との間に必要な沿面距離とエア
ギャップが保たれる。
基板のセラミックの膨張はシリコンに整合し、はんだ継
手の相反応力に対する高い強さをもたらすO
手の相反応力に対する高い強さをもたらすO
第1図はこの発明による電力用半導体モジュールの一実
施例の断面図、第2図はこの一実施例の平面図、第3図
はこの一実施例の電気回路図を示す0 2・・・電力用トランジスタ、3・・・ダイオード、4
・・・抵抗、5・・・基板、6・・・セラミック板、7
・・・セラミック板、9・・・金属化層、10・・・開
口部、11・・・金属化層、12・・・接続素子、13
・・・接続素子、14・・・クリップ。 出部人代理人 弁理士 鈴 江 武 彦−二一
施例の断面図、第2図はこの一実施例の平面図、第3図
はこの一実施例の電気回路図を示す0 2・・・電力用トランジスタ、3・・・ダイオード、4
・・・抵抗、5・・・基板、6・・・セラミック板、7
・・・セラミック板、9・・・金属化層、10・・・開
口部、11・・・金属化層、12・・・接続素子、13
・・・接続素子、14・・・クリップ。 出部人代理人 弁理士 鈴 江 武 彦−二一
Claims (7)
- (1)少くとも片側が金属化されたセラミック台板と該
セラミック台板に平行にその上に配設された第2のセラ
ミック板とを有する電力用半導体モジュールにおいて、
前記セラミック台板、第2のセラミック板及び場合によ
っては別のセラミック板とそれぞれ間挿された金属化の
ための構造化金属層からダイレクトボンディングにより
多層基板を形成し、その際第2のセラミック板と場合に
よりては別のセラミック板が開口部を具備し、この開口
部に装着部品が挿置され、はんだ付け工程の間そこに固
定されることを特徴とする電力用半導体モジュール。 - (2)冷却体に臨む前記台板の下面が金属層を具備する
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の電力用
半導体モジュール。 - (3)前記構造化金属層と第2のセラミック板から所定
の特性インピーダンスを有するストリップ線路を形成し
たことを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項に
記載の電力用半導体モジュール。 - (4)前記ストリップ線路の所定の特性インピーダンス
を外部接続端子まで継続するために、外部のモジュール
接続端子のための接続素子をストリップ線路の幅と間隔
で配設したことを特徴とする特許請求の範囲第3項に記
載の電力用半導体モジュール。 - (5)挿設される制御可能な電力用半導体のための少く
とも1個の駆動回路がモジュールに含まれることを特徴
とする特許請求の範囲第1項ないし第4項のいずれか1
項に記載の電力用半導体モジュール。 - (6)モジュールがフード又はフレーム形プラスチック
外被の中に挿入されていることを特徴とする特許請求の
範囲第1項ないし第5項のいずれか1項に記載の電力用
半導体モジュール。 - (7)前記セラミック台板の上のセラミック板と構造化
金属層が空欠部及び穴を具備し、充填された軟質流し込
コンパウンドがモジュールの所定の場所に到達すること
を可能にすることを特徴とする特許請求の範囲第1項な
いし第6項のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュ
ール。
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