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KR102125099B1 - 프레스핀, 전력 반도체 모듈 및 다중 전력 반도체 모듈들을 갖는 반도체 모듈 조립체 - Google Patents

프레스핀, 전력 반도체 모듈 및 다중 전력 반도체 모듈들을 갖는 반도체 모듈 조립체 Download PDF

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KR102125099B1
KR102125099B1 KR1020120090073A KR20120090073A KR102125099B1 KR 102125099 B1 KR102125099 B1 KR 102125099B1 KR 1020120090073 A KR1020120090073 A KR 1020120090073A KR 20120090073 A KR20120090073 A KR 20120090073A KR 102125099 B1 KR102125099 B1 KR 102125099B1
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에이비비 슈바이쯔 아게
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Abstract

본 발명은 풋 (8) 을 갖는 제 1 프레스핀 (6) 을 제공하고, 특히 베이스 플레이트 (2) 와 적어도 하나의 전력 반도체 장치 (3) 를 포함하는 전력 반도체 모듈 (1) 내에서, 전력 반도체 장치 (3) 의 접촉 요소 (4a, 4b) 를 접촉시키기 위해 풋 (8) 의 베이스 (12) 가 제공되고, 상기 전력 반도체 장치는 베이스 플레이트 (2) 에 배열되고 적어도 하나의 추가의 프레스핀 (6, 7) 에 의해 접촉되며, 풋 (8) 의 외부 표면 (14) 을 전기적으로 절연시키기 위해 절연 수단 (13) 이 제공된다. 본 발명은 베이스 플레이트 (2), 베이스 플레이트 (2) 에 배열된 적어도 하나의 전력 반도체 장치 (3), 및 제 1 프레스핀 (6) 의 풋 (8) 의 외부 표면 (14) 을 전기적으로 절연시키기 위해 전술된 바와 같은 절연 수단 (13) 이 제공되는 적어도 하나의 제 1 프레스핀 (6) 을 더 포함하고, 적어도 하나의 전력 반도체 장치 (3) 의 적어도 하나의 접촉 요소 (4a, 4b) 를 접촉시키기 위해 적어도 하나의 제 1 프레스핀 (6) 이 제공된다. 본 발명은 또한 전력 반도체 모듈 조립체를 제공하고, 이는 전술된 바와 같은 다중 전력 반도체 모듈 (1) 들을 포함하며, 전력 반도체 모듈 (1) 들은 인접한 전력 반도체 모듈 (1) 들 사이에 전기적으로 연결되어 서로 나란히 배열된다.

Description

프레스핀, 전력 반도체 모듈 및 다중 전력 반도체 모듈들을 갖는 반도체 모듈 조립체{PRESSPIN, POWER SEMICONDUCTER MODULE AND SEMICONDUCTER MODULE ASSEMBLY WITH MULTIPLE POWER SEMICONDUCTER MODULES}
본 발명은 풋 (foot) 을 갖는 제 1 프레스핀 (presspin) 에 관한 것이고, 특히 베이스 플레이트와 적어도 하나의 전력 반도체 장치를 포함하는 전력 반도체 모듈내에서 전력 반도체 장치의 접촉 요소를 접촉시키기 위해 풋의 베이스가 제공되고, 전력 반도체 장치는 베이스 플레이트에 배열되고 적어도 하나의 제 2 프레스핀에 의해 접촉된다. 본 발명은 또한 베이스 플레이트, 베이스 플레이트에 배열된 적어도 하나의 전력 반도체 장치, 및 적어도 하나의 전력 반도체 장치의 적어도 하나의 접촉 요소를 접촉시키기 위한 적어도 하나의 제 1 프레스핀을 포함하는 전력 반도체 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 또한 다중 전력 반도체 모듈들을 포함하는 전력 반도체 모듈 조립체에 관한 것이다.
설명의 간결함을 위해 또한 프레스핀들로 불리우는, 전술한 종류의 제 1 프레스핀들은 당 기술분야에서 잘 공지되었고 전력 반도체 장치들, 특히 고전력 반도체 장치들 접촉 영역에서 사용된다. 이 영역에서, 정상 작동 모드에서 적어도 30A 의 그리고 고장난 경우 2000A 범위의 고전류들이 바람직하게는 프레스핀의 무결성에 영향을 주지 않고 프레스핀을 통과한다. 각각의 프레스핀은 풋과 헤드를 갖고, 이들은 프레스핀의 길이방향 축선을 따라 서로에 대해 이동 가능하고 전기적으로, 예를 들어 전류 바이패스에 의해서 서로 연결된다. 풋과 헤드 사이에 스프링 요소가 배열되고, 풋과 헤드 사이의 전기적 연결을 유지하기 위해서 전력 반도체 장치들의 접촉 요소들 및 대향된 접촉부들, 예를 들어 하우징의 리드 (lid) 에 대해 풋과 헤드를 밀어내기 위해 스프링 요소는 외부 방향으로 배향된 힘을 풋과 헤드에 가한다. 스프링 요소는 스프링 와셔 팩일 수 있지만, 다른 스프링 요소들 또한 사용될 수 있다. 풋과 각각의 접촉 요소 사이의 접촉은 풋의 베이스를 통해 제공된다. 통상적으로 프레스핀들은 게이트 또는 제어 접촉부들, 수집기 접촉부들 및/또는 이미터 접촉부들을 접촉시키는데 사용된다.
전술된 접촉 요소들은 배열에 따라 예를 들어 전력 반도체 장치의 상부면 또는 하부면일 수 있거나, 또는 특히 전력 반도체 장치의 제어 전극을 접촉시키기 위한, 베이스 플레이트에 제공된 개별 접촉 요소일 수 있다. 제어 전극은 통상적으로 게이트 전극이고, 이 게이트 전극은 와이어 등에 의해 개별 접촉 요소에 전기적으로 연결된다. 전력 반도체 장치의 제어 전극은 통상적으로 전력 반도체 장치의 상부측에 위치된다.
오직 예로서, 반도체 칩의 하부측 또는 수집기측은, 전기적으로 전도성이고 그러므로 표면 접촉부를 형성하는 납땜, 소결 등으로써 베이스 플레이트에 부착될 수 있다. 반도체 장치의 상부측 또는 이미터측은 프레스핀에 의해 접촉될 수 있다. 게이트 전극에 연결된 개별 접촉 요소는 베이스 플레이트에 배열되고 베이스 플레이트로부터 전기적으로 절연되고, 또한 프레스핀에 의해 접촉된다.
이 전력 반도체들 장치들은 약 1.7 kV 또는 더 높은 전압을 다룰 수 있다. 반도체 장치와 베이스 플레이트 사이의 표면 접촉부는 추가적으로 반도체로부터 열전달을 할 수 있도록, 즉 반도체 장치는 열적으로 및 전기적으로 베이스 플레이트에 결합된다. 이 영역에서 사용된 통상적인 전력 반도체 장치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT), 역도통 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (reverse conducting IGBT), 2모드 절연 게이트 트랜지스터 (BIGT) 또는 (전력) 다이오드들과 같은 전력 트랜지스터들이다.
전력 반도체 장치들은 예를 들어 최대 100A 이상의 전류를 다룰 수 있는 전력 반도체 모듈을 형성하기 위해 흔히 결합된다. 전력 반도체 장치들은 보통 전력 반도체 모듈의 전기 전도성 베이스를 형성하는 베이스 플레이트에 평행하게 배열된다. 전력 반도체 모듈은 보통 전력 반도체 장치들을 위한 추가적인 접촉부를 제공하는 전기 전도성 리드에 의해 덮인다. 전력 반도체 장치들은 프레스핀들에 의해 보통 전기 전도성 리드에 연결된다. 전력 트랜지스터의 경우, 제어 접촉부 또한 리드에 연결되고, 리드는 제어 접촉부로부터 분리된다.
다중 전력 반도체 모듈들은 전력 반도체 모듈 조립체를 형성하기 위해 추가적으로 결합될 수 있다. 전력 반도체 모듈들은 공통 하우징에서 서로 평행하게 기계적으로 및 전기적으로 배열된다. 반도체 모듈들의 베이스 플레이트들은 모듈 조립체의 전기 전도성 베이스를 형성한다. 게다가, 전력 반도체 모듈 조립체의 하우징은 또한 전기 전도성 리드에 의해 덮이고, 그 안에 배열된 전력 반도체 모듈들의 리드들과 접촉한다. 전력 반도체 모듈 조립체는 동일한 전력 반도체 모듈들, 예를 들어 전력 트랜지스터들을 포함하는 전력 반도체 모듈들, 또는 상이한 전력 반도체 모듈들, 예를 들어 전력 트랜지스터들을 포함하는 전력 반도체 모듈들과 다이오드들을 포함하는 적어도 하나의 전력 반도체 모듈의 세트를 포함할 수 있다. 이러한 전력 반도체 모듈 조립체들은 예를 들어 출원인으로부터 "Stakpak" 으로 공지되고 예를 들어 HVDC 응용들에서 사용되는 스택형 배열을 형성하기 위해 사용될 수 있으며, 최고 수백 kV 를 다룬다. 따라서, 전력 반도체 모듈 조립체의 기계적 설계는 긴 스택에서 클램핑 결합을 용이하게 하기 위해 최적화된다. 이 스택형 배열들에서, 단일 전력 반도체 모듈 조립체의 기계적 및 전기적 안정성은 전체 스택형 배열의 고장을 방지하는데 필수적이다.
전력 반도체 모듈들을 전력 반도체 모듈 조립체들에 배열하고 전력 반도체 모듈 조립체들을 스택하는 대신, 전력 반도체 모듈들은 바로 스택될 수 있다.
이와 관련해서, 개별 전력 반도체 장치들의 단락 고장 모드 (SCFM) 의 지원은 필수적인 특성이다. 전력 반도체 장치들 중 하나가 고장나는 경우, 단락을 제공함으로써 베이스 플레이트로부터 리드로의 전도는 실패한다. 이는 전력 반도체 모듈들뿐만 아니라 전력 반도체 모듈 조립체들과도 관련되며, 이들은 SCFM 에서 불능이다. 다중 전력 반도체 모듈들 또는 전력 반도체 모듈 조립체들이 예를 들어 전술된 스택형 배열을 형성하면서 일렬로 연결될 때, 단일 전력 반도체 장치의 고장은 일련의 전력 반도체 모듈들 또는 전력 반도체 모듈 조립체들의 고장이 되지는 않는다.
특히 이 단락 고장 모드에서, 단락은 모든 병렬 전력 반도체 장치들을 연결하기 때문에 최대 2000A 의 매우 높은 전류들이 단일 전력 반도체 장치와 고장난 전력 반도체 장치와 접촉하는 각각의 프레스핀을 관류할 수 있다. 이 전력 반도체 장치들의 높은 수명과 이에 따른 전력 반도체 모듈들과 전력 반도체 모듈 조립체들의 높은 수명을 달성하기 위해서, 단락 고장 모드가 1년 이상 유지될 수 있는 것이 바람직하다.
SCFM 에서의 고전류 때문에, 접촉 요소와 프레스핀의 풋 사이의 전기적 연결의 품질이 시간에 걸쳐 감소한다. SCFM 의 전력 반도체 장치와 접촉하는 프레스핀과 다른 프레스핀들 사이의 아킹 (arcing) 이 발생할 수 있다. 따라서, 프레스핀의 풋과 접촉 요소는 마모 및 산화를 유발하고, 그렇게 함으로써 그 사이의 전기적 연결의 저항을 증가시키며, 이는 SCFM 에서 단락 능력을 감소시킨다. 전기적 아킹은 SCFM 의 전력 반도체 장치와 접촉하는 전체 프레스핀을 소모되게 할 수 있다. 아킹은 또한 모든 프레스핀이 완전히 소모될 때까지, 다시 말해서 파괴될 때까지 다른 프레스핀들로 전파할 수 있다. 이는 전력 반도체 모듈의 고장 및 따라서 SCFM 의 전력 반도체 장치를 포함하는 전력 반도체 모듈 조립체의 고장이 될 수 있다. 프레스핀이 소모될 때, 프레스핀의 스프링 와셔 팩은 전력 반도체 모듈의 작동에 요구되는 접촉 요소와 리드 사이의 전기적 접촉을 유지할 수 없다.
아킹과 핀 소모의 문제는 또한 프레스핀들과 관련되고, 프레스핀들은 부하 전류를 운반하지 않고, 따라서 전력 반도체 모듈들과 전력 반도체 모듈 조립체들의 기계적 안정성을 유지하는데 적합한 것으로 생각되었다. 이는 특히 전력 반도체 장치들의 게이트 접촉부들로 불리우고, SCFM 동안 부하 전류를 운반하지 않고 따라서 전력 반도체 모듈의 기계적 안정성을 유지하도록 전력 반도체 모듈에서 사용된다. 따라서, 게이트를 접촉시키는 프레스핀들은 절대 소모되어서는 안된다. 따라서, 특히 단락 고장 모드에서 이 프레스핀들에서의 전기적 아킹을 방지하는 것은 매우 중요하다.
당 기술 분야에서, 전기적 아킹의 전파의 문제는 전력 반도체 모듈들의 적절한 설계로써 해결되도록 의도된다. 그럼에도 불구하고, 개별 프레스핀들을 서로 상당히 이격시켜 배치할 때에도 전기적 아킹과 프레스핀들의 소모가 신뢰 가능하게 방지될 수 없는 것으로 나타났다. 제어 접촉부를 접촉시키는 프레스핀도 여전히 전기적 아킹에 의해 영향받을 수 있다.
본 발명의 목적은 전기적 아킹의 존재에도 양호한 전기적 및 기계적 안정성을 제공하고 긴 수명을 갖는 제 1 프레스핀을 포함하는 전력 반도체 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명의 추가적인 목적은 특히 단락 고장 모드에서 작동할 때 증가된 수명을 갖는 전력 반도체 모듈 배열을 제공하는 것이다.
이 목적은 독립 청구항들에 의해 달성된다. 유리한 실시형태들은 종속 청구항들에서 주어진다.
특히, 본 발명은 풋을 갖는 제 1 프레스핀을 포함하는 전력 반도체 모듈을 제공하고, 전력 반도체 장치의 접촉 요소를, 특히 베이스 플레이트와 베이스 플레이트에 배열되는 적어도 하나의 전력 반도체 장치를 포함하는 전력 반도체 모듈에서 접촉시키기 위해 풋의 베이스가 제공되고, 풋의 외부 표면을 전기적으로 절연시키기 위해 절연 수단이 제공된다. 전력 반도체 장치는 적어도 하나의 추가의 프레스핀에 의해 접촉될 수 있다.
본 발명은 또한 전력 반도체 모듈 조립체를 제공하고, 이 전력 반도체 모듈 조립체는 전술된 바와 같이 다중 전력 반도체 모듈들을 포함하고, 전력 반도체 모듈들은 인접한 전력 반도체 모듈들 사이에 전기적으로 연결되어 서로 나란히 배열된다.
본 발명의 기본 발상은 프레스핀의 풋의 외부 표면을 절연 수단으로 전기적으로 절연시키고 보호하는 것이다. 한편으로, 절연 수단은 제 1 프레스핀에서의 전기적 아킹의 발생을 방지하고, 아킹은 예를 들어 단락 고장 모드 (SCFM) 에서 고부하 전류를 운반할 수 있다. 다른 한편으로, 절연 수단은 고부하 전류를 운반하지 않는 제 1 프레스핀들이 추가적인 프레스핀에서 비롯된 전기적 아킹에 기인해서 소모되는 것을 방지한다. 추가적인 프레스핀은 당 기술 분야에서 공지된 종래의 프레스핀인 또 다른 제 1 프레스핀 또는 제 2 프레스핀이 될 수 있다. 절연 수단은 양호한 전기적 절연 능력을 요구하고, 따라서 이들은 전기적 아킹의 발생과 전기적 아킹에 기인한 제 1 프레스핀들의 소모를 효과적으로 감소시킨다. 전기적 아킹이 완전하게 제거될 수 없기 때문에, 절연 수단이 고융점을 갖는 것이 요구되고, 따라서 절연 능력을 오래 유지한다. 전기적 아킹 주위의 온도는 섭씨 수천 도에 도달할 수 있기 때문에, 절연 수단의 융점은 바람직하게는 전기적 아킹에 의해 야기되는 온도보다 높다. 절연 수단은 제 1 프레스핀의 소모를 감소시키고 전력 반도체 모듈은 단락 고장 모드에서 장기간 작동될 수 있기 때문에, 적어도 하나의 제 1 프레스핀을 갖는 전력 반도체 모듈은 증가된 수명을 가질 것이다. 또한, 제 1 프레스핀의 소모가 감소하기 때문에, 전력 반도체 모듈의 기계적 안정성은 장기간 유지될 것이다. 제 1 프레스핀에서 예를 들어 SCFM 에서 고부하 전류를 운반하는 아킹을 감소시킴으로써, 전력 반도체 모듈의 다른 제 1 및 제 2 프레스핀들의 수명이 또한 증가된다. 따라서, 전력 반도체 모듈 뿐만 아니라 전력 반도체 모듈 조립체도 고장이 발생하고 교체가 요구되기 전까지 장기간 작동될 수 있다. 이는 또한 전력 반도체 모듈들 뿐만 아니라 전력 반도체 모듈 조립체들의 스택형 배열의 수명을 증가시키고 유지보수 간격을 감소시킨다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 절연 수단은 튜브형 본체를 갖도록 제공되고, 이 튜브형 본체는 풋을 감싸도록 배열된다. 튜브형 본체의 단면 형상은 풋의 단면 형상에 바람직하게 적응된다. 원형 단면 형상이 바람직하다. 튜브형 본체는 전체 원주에 걸쳐 절연을 제공하는 제 1 프레스핀의 풋에 쉽게 장착될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 튜브형 본체는 0.5 mm ~ 2.0 mm 의 두께를 갖는다. 이 두께는 현재의 공통 제 1 프레스핀들에 가장 적합하다. 제 1 프레스핀과 관계된 전류의 특정 설계에 따라, 두께는 또한 더 커지거나 더 작아질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라, 절연 수단은 풋의 전체 높이에 걸쳐 연장된다. 이 방법으로, 전체 풋은 절연되고 전기적 아킹은 최상으로 방지된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라, 절연 수단은 세라믹 기재 (ceramic base material) 를 포함한다. 바람직하게는, 절연 수단은 전체적으로 세라믹 기재로 만들어진다. 세라믹 기재는 양호한 절연 능력을 제공하고 고융점을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 세라믹 기재는 Al2O3 이고, 이는 또한 알루미나로 공지된다. 알루미나는 잘 공지된 세라믹 재료이고, 양호한 절연 능력과 고융점 때문에 바람직하다.
본 발명의 전력 반도체 모듈의 바람직한 실시형태에서, 하나 이상의 전력 반도체 장치들의 적어도 하나의 접촉 요소를 접촉시키기 위해 적어도 하나의 제 2 프레스핀이 제공된다. 따라서, 제 1 및 제 2 프레스핀들은 전력 반도체 모듈을 간단하고 값싸게 유지하도록 전력 반도체 모듈에서 결합될 수 있다. 전력 반도체 모듈의 기계적 안정성을 유지하기 위해서, 몇몇 프레스핀들, 즉 제 1 프레스핀들을 보호하는 것만 요구된다.
본 발명의 전력 반도체 모듈의 수정된 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 전력 반도체 장치들은 절연 게이트 양극성 트랜지스터, 역도통 절연 게이트 양극성 트랜지스터, 2모드 절연 게이트 트랜지스터, 또는 다이오드이다. 이 전력 반도체 장치들은 고전력 상황에서 작동되기에 적합하고 고전압 및 고전류를 다룰 수 있다. 바람직하게는, 다중 동일 전력 반도체 장치들이 단일 전력 반도체 모듈에서 결합된다. 대안으로, 열거된 전력 반도체 장치들로부터의 전력 반도체 장치들의 임의의 세트가 단일 전력 반도체 모듈에서 결합된다.
본 발명의 전력 반도체 모듈의 수정된 실시형태에 따르면, 전력 반도체 모듈은 다중 반도체 장치들의 공통 제어 접촉부로서 제공되는 적어도 하나의 접촉 요소를 갖는 다중 전력 반도체 장치들을 포함하고, 제 1 프레스핀은 공통 제어 접촉부로서 제공되는 적어도 하나의 접촉 요소와 접촉한다. 제어 접촉부들은 오직 상대적으로 작은 전류들만 다뤄야 하고, 따라서 이들은 쉽게 결합될 수 있다. 이는 베이스 플레이트에 너무 많은 공간을 차지하지 않고 표준 제 1 또는 제 2 프레스핀들에 의해 접촉되기에 충분히 큰 표면을 갖는 접촉 요소를 제공을 허용한다. 이는 전력 반도체 모듈의 효율적인 설계를 허용한다. 또한, 고유 치수를 갖는 제 1 또는 제 2 프레스핀들이 전력 반도체 장치들의 모든 접촉 요소들을 접촉시키기 위해 사용될 수 있다. 공통 제어 접촉부는 베이스 플레이트에 위치되지만, 베이스 플레이트와 전기적 접촉은 하지 않는다. 바람직하게는, 공통 제어 접촉부와 베이스 플레이트 사이에 절연층이 제공된다.
본 발명의 전력 반도체 모듈의 수정된 실시형태에 따르면, 전력 반도체 모듈은 하우징을 포함하고, 전기 전도성 리드는 하우징의 상부측을 형성하고 전력 반도체 모듈의 제 1 접촉부를 제공하며, 베이스 플레이트는 하우징의 베이스를 형성하고 전력 반도체 모듈의 제 2 접촉부를 제공하며, 적어도 하나의 전력 반도체 장치의 제 1 접촉부는 제 1 또는 제 2 프레스핀을 통해서 리드와 전기적으로 접촉하고 적어도 하나의 전력 반도체 장치의 제어 접촉부는 제 1 프레스핀을 통해서 리드와 접촉한다. 바람직하게는, 제 1 또는 제 2 프레스핀들은 전기적 접촉을 제공하기 위해서 반도체 장치들과 리드 사이에 제공된다. 일반적으로, 전력 반도체 장치들의 제 1 접촉부들을 접촉시키기 위해서 리드는 전력 반도체 장치들의 공통 제 1 접촉부를 제공하고, 베이스 플레이트는 전력 반도체 모듈의 제 2 접촉부를 제공한다. 스택형 배열의 경우에 다른 전력 반도체 모듈들에 의해서 또는 전력 반도체 모듈 조립체의 각각의 접촉부들에 의해서 전력 반도체 모듈의 제 1 및 제 2 접촉부는 접촉될 수 있다. IGBT 들과 같은 전력 트랜지스터들의 경우, 제 1 접촉부는 이미터 접촉부를 나타내고, 제 2 접촉부는 수집기 접촉부를 나타내며, 제어 접촉부는 게이트 접촉부를 나타낸다. 제어 접촉부는 전력 반도체 모듈의 리드와 전기적 접촉하지 않고 예를 들어 리드의 틈을 통해 또는 전력 반도체 모듈의 측방향 접촉에 의해 접촉될 수 있다.
본 발명의 전력 반도체 모듈 조립체의 바람직한 실시형태에 따르면, 전력 반도체 모듈들의 베이스 플레이트들은 서로 전기적으로 연결된다. 와이어링에 의해 또는 베이스 플레이트들 및/또는 반도체 모듈들의 리드를 접촉시키기 위한 접촉 플레이트를 제공함으로써 연결이 이뤄질 수 있다. 따라서 전력 반도체 모듈들의 제 1 접촉부들 및/또는 제 2 접촉부들은 전력 반도체 모듈 조립체의 공통 제 1 및/또는 제 2 접촉부를 형성한다. 적어도 하나의 전력 트랜지스터를 포함하는 전력 반도체 모듈들의 경우, 제어 접촉부는 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 전력 반도체 모듈 조립체의 바람직한 실시형태에 따르면, 전력 반도체 모듈 조립체는 하우징을 포함하고, 전기 전도성 리드는 하우징의 상부측을 형성하고 전력 반도체 모듈들의 제 1 접촉부들과 접촉하는 전력 반도체 모듈 조립체의 제 1 접촉부를 제공하며, 전력 반도체 모듈들의 베이스 플레이트들은 하우징의 베이스를 통해 연장된다. 전력 반도체 모듈 조립체의 제 1 및 제 2 접촉부들은 스택형 배열의 경우 다른 전력 반도체 모듈 조립체들에 의해 접촉될 수 있다. 일반적으로, 전력 반도체 모듈 조립체의 리드는 전력 반도체 모듈들의 제 1 접촉부들을 접촉시키기 위한 제 1 접촉부를 제공하고 전력 반도체 모듈들의 베이스 플레이트들은 전력 반도체 모듈들의 공통 제 2 접촉부를 제공한다. 전력 반도체 모듈들이 제어 접촉부들을 갖는 경우, 이들은 또한 전력 반도체 모듈 조립체내에서 전기적으로 연결될 수 있다. 전력 반도체 모듈 조립체는 전력 반도체 모듈들의 연결된 제어 접촉부들을 접촉시키기 위한 측방향 접촉부를 가질 수 있거나, 또는 전력 반도체 모듈들의 연결된 제어 접촉부들은 리드의 틈을 통해 접촉될 수 있다. 전력 반도체 모듈 조립체의 제 1 및 제 2 접촉부는 스택형 배열의 경우 다른 전력 반도체 모듈 조립체들에 의해 접촉될 수 있다. IGBT 들과 같은 전력 트랜지스터들의 경우, 제 1 접촉부는 이미터 접촉부를 나타내고, 제 2 접촉부는 수집기 접촉부를 나타내고, 제어 접촉부는 게이트 접촉부를 나타낸다.
본 발명의 상기 양태 및 다른 양태들은 이후에 설명되는 실시형태들로부터 명백하고 또한 이를 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 전력 반도체 장치의 접촉 요소들과 접촉하는 제 1 및 제 2 프레스핀 및 전력 반도체 장치를 갖는 전력 반도체 모듈의 부분 단면도를 도시한다.
도 1 은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈 (1) 의 부분도를 도시한다. 전력 반도체 모듈 (1) 은 전기 전도성 베이스 플레이트 (2) 와 베이스 플레이트 (2) 에 배열된 전력 반도체 장치 (3) 를 포함한다. 반도체 장치 (3) 의 상부측 (4a) 은 제 1 접촉부를 형성하고, 제 1 접촉부는 본 발명에 따른 제 1 접촉 요소이다. 전력 반도체 장치 (3) 의 제 2 접촉부는 하부측에 형성되고, 제 2 접촉부는 베이스 플레이트 (2) 와 전기적으로 접촉한다. 전력 반도체 장치 (3) 의 제어 접촉부는 개별 접촉 요소 (4b) 에 연결되고, 개별 접촉 요소는 본 발명에 따른 전력 반도체 장치 (3) 를 위한 또다른 접촉 요소이다. 개별 접촉 요소 (4b) 는 또한 제어 접촉부로서 불리운다. 개별 접촉 요소 (4b) 는 베이스 플레이트 (2) 에 평면 형상으로 제공되지만, 도면에는 도시되지 않은 절연층에 의해 베이스 플레이트 (2) 로부터 전기적으로 절연된다.
본 발명의 이 실시형태의 전력 반도체 장치 (3) 는 절연 게이트 양방향 트랜지스터 (IGBT) 이고, 제 1 접촉부는 이미터 접촉부이고, 제 2 접촉부는 수집기 접촉부이고 제어 접촉부는 게이트 접촉부이다. 따라서, 개별 접촉 요소 (4b) 는 게이트 접촉부에 연결되고 또한 게이트 러너로 불리운다.
게이트 러너 (4b) 는 게이트 핀 (6) 에 의해 접촉되고, 게이트 핀은 본 발명에 따른 제 1 프레스핀이다. 전력 반도체 장치 (3) 의 상부측 (4a) 은 칩 핀 (7) 에 의해 접촉되고, 칩 핀은 본 발명에 따른 제 2 프레스핀이다. 게이트 핀 (6) 뿐만 아니라 칩 핀 (7) 은 각각 풋 (8) 과 헤드 (9) 를 포함하고, 풋과 헤드는 예를 들어 전류 바이패스 (10) 에 의해 전기적으로 접촉하고, 스프링 와셔 팩 (11) 은 풋 (8) 과 헤드 (9) 에 외부 방향으로 배향된 힘을 가한다. 스프링 와셔 팩 대신에 또다른 스프링 요소 또한 사용될 수 있다.
이제 제 1 프레스핀 (6) 즉, 게이트 핀 (6) 과 관련하여, 그의 풋 (8) 은 베이스 (12) 로서 단부면을 갖고, 이는 게이트 러너 (4b) 와 전기적으로 접촉한다. 본 발명에 따르면, 전기적 절연을 제공하기 위해서 풋 (8) 의 외부 표면 (14) 주변에 절연 수단 (13) 이 제공된다. 절연 수단 (13) 은 튜브형 본체를 갖고, 튜브형 본체는 풋 (8) 을 감싸도록 배열된다. 절연 수단 (13) 의 튜브형 본체는 풋 (8) 의 전체 높이에 걸쳐 연장된다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 두께는 바람직하게는 0.5 mm ~ 2.0 mm 사이에서 다를 수 있음에도, 본 발명의 이 실시형태에서, 튜브형 본체는 대략 1.0 mm 의 두께를 갖는다. 절연 수단 (13) 은 세라믹 기재로 만들어지고, 세라믹 기재는 본 발명의 이 실시형태에서 알루미나이고, 또한 Al2O3 로 공지된다.
도 1 에는 명확하게 도시되지 않았지만, 전력 반도체 모듈 (1) 은 전술된 다중 전력 반도체 장치 (3) 들을 포함한다. 각각의 전력 반도체 장치 (3) 의 상부측 (4a) 은 각각의 칩 핀 (7) 에 의해 접촉된다. 전력 반도체 장치 (3) 들의 제어 전극들은 하나 이상의 공통 접촉 요소, 즉 전술된 바와 같은 게이트 러너 (4b) 에 연결되고, 이는 전술된 바와 같이 게이트 핀 (6) 에 의해 접촉된다. 2 개 이상의 공통 접촉 요소가 사용된 경우, 각각의 접촉 요소는 각각의 게이트 핀 (6) 에 의해 접촉된다. 따라서, 전력 반도체 모듈 (1) 은 서로 병렬 배열된 다중 전력 반도체 장치 (3) 들로 형성된다. 제어 가능한 전력 반도체 장치 (3) 들 이외에 다이오드들이 사용된 경우, 이들은 역병렬로 배열된다.
전력 반도체 모듈 (1) 은 하우징 (15) 을 포함하고, 베이스 플레이트 (2) 는 하우징 (15) 의 베이스를 형성한다. 도면에 명확하게 도시되지 않은 전기 전도성 리드는 하우징 (15) 의 상부측을 형성한다. 리드는 전력 반도체 모듈 (1) 의 제 1 접촉부를 제공하고 베이스 플레이트 (2) 는 전력 반도체 모듈 (1) 의 제 2 접촉부를 제공한다. 전력 반도체 장치 (3) 들은 제 1 및 제 2 프레스핀 (6, 7) 들에 의해 리드와 전기적으로 접촉하고, 제 1 및 제 2 프레스핀들은 전력 반도체 장치 (3) 들의 접촉 요소 (4a, 4b) 들과 리드 사이에 제공된다. 베이스 플레이트 (2) 는 전력 반도체 장치 (3) 들의 수집기들에 연결되고 전력 반도체 모듈 (1) 의 제 2 접촉부를 형성하며, 전력 반도체 장치 (3) 들의 이미터들은 리드에 연결된다. 전력 반도체 장치 (3) 들의 게이트들은 리드의 틈을 통해 전력 반도체 모듈 (1) 에서 공통으로 접촉될 수 있다.
도면에 명확하게 도시되지 않은 전력 반도체 모듈 조립체는 전술된 바와 같은 다중 전력 반도체 모듈들을 포함한다. 전력 반도체 모듈 (1) 들은 하우징내에서 서로 나란히 배열되고, 전력 반도체 모듈 (1) 들의 베이스 플레이트 (2) 들은 하우징의 베이스를 통해 연장된다. 전기 전도성 리드는 하우징의 상부측을 형성하고 인접한 전력 반도체 모듈 (1) 들 사이의 전기적 연결들과 함께 전력 반도체 모듈 (1) 들을 위한 공통 접촉부를 제공한다. 리드는 전력 반도체 모듈 (1) 들의 제 1 접촉부들을 접촉시키기 위해 전력 반도체 모듈 조립체의 제 1 접촉부를 제공하고 베이스 플레이트 (2) 들은 전력 반도체 모듈 조립체의 제 2 접촉부를 공통적으로 제공한다. 전력 반도체 모듈 (1) 들의 제어 접촉부들은 전력 반도체 모듈 조립체 안에서 서로 연결되고 전력 반도체 모듈 조립체의 측방향 전기 접촉부에 연결된다.
전력 반도체 모듈 조립체는 상이한 반도체 모듈들을 포함하고, 본 발명의 이 전형적인 실시형태에서는 전력 트랜지스터들을 포함하는 전력 반도체 모듈 (1) 들 및 다이오드들을 포함하는 적어도 하나의 전력 반도체 모듈의 세트를 포함한다.
전력 반도체 모듈 (1) 들 뿐만 아니라 전력 반도체 모듈 조립체들은 스택될 수 있다.
본 발명이 도면과 전술된 설명에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 이러한 도면과 설명은 예시적 또는 전형적이고 제한적이지 않은 것으로 여겨져야 하고, 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되지 않는다. 개시된 실시형태들의 다른 변형들은 도면들, 개시 내용 및 첨부된 청구항들의 연구로부터, 청구된 본 발명을 구현함에 있어서 당 기술 분야의 통상의 기술자들에 의해 이해되고 영향받을 수 있다. 청구항들에서, 단어 "포함하는" 은 다른 요소들이나 단계들을 배제하지 않고, 부정관사들은 복수를 배제하지 않는다. 단지 특정 방안들이 서로 다른 종속 청구항들에서 나열된다는 사실은 이 방안들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구항들의 어떤 도면 부호도 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
1 전력 반도체 모듈
2 베이스 플레이트
3 전력 반도체 장치
4a 접촉 요소, 전력 반도체 장치의 상부측
4b 접촉 요소, 게이트 러너, 공통 제어 접촉부
6 제 1 프레스핀, 게이트 핀
7 제 2 프레스핀, 칩 핀
8 풋
9 헤드
10 전류 바이패스
11 스프링 와셔 팩
12 베이스, 단부면
13 절연 수단
14 외부 표면
15 하우징

Claims (14)

  1. 베이스 플레이트 (2),
    상기 베이스 플레이트 (2) 에 배열된 적어도 하나의 다중 전력 반도체 장치 (3), 및
    풋과 헤드를 포함하는 적어도 하나의 제 1 프레스핀 (6) 을 포함하는 전력 반도체 모듈 (1) 로서,
    상기 풋과 헤드는 상기 제 1 프레스핀의 길이방향 축선을 따라 서로에 대해 이동 가능하고,
    상기 풋과 헤드는 전기적으로 서로 연결되고,
    스프링 요소는 상기 풋과 헤드에 외부 방향으로 배향된 힘을 가하면서 상기 풋과 헤드 사이에 배열되고,
    적어도 하나의 접촉 요소 (4a, 4b) 를 상기 풋 (8) 의 베이스 (12) 와 접촉시키기 위해 상기 적어도 하나의 제 1 프레스핀 (6) 이 제공되며,
    상기 제 1 프레스핀 (6) 의 상기 풋 (8) 의 외부 표면 (14) 을 전기적으로 절연시키기 위해 튜브형 본체를 갖는 절연 수단 (13) 이 상기 적어도 하나의 제 1 프레스핀 (6) 에 제공되고,
    상기 절연 수단 (13) 은 세라믹 기재를 포함하고,
    상기 전력 반도체 모듈 (1) 은 다중 전력 반도체 장치 (3) 들의 공통 제어 접촉부로서 제공된 적어도 하나의 접촉 요소를 갖는 상기 다중 전력 반도체 장치 (3) 들을 포함하고
    상기 적어도 하나의 제 1 프레스핀 (6) 은 상기 공통 제어 접촉부로서 제공된 상기 적어도 하나의 접촉 요소와 접촉하는, 전력 반도체 모듈 (1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 수단 (13) 은 상기 풋 (8) 을 감싸도록 배열되는, 전력 반도체 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브형 본체는 0.5 mm ~ 2.0 mm 의 두께를 갖는, 전력 반도체 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 수단 (13) 은 상기 풋 (8) 의 전체 높이에 걸쳐 연장되는, 전력 반도체 모듈.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 기재는 Al2O3 인 것을 특징으로 하는, 전력 반도체 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다중 전력 반도체 장치 (3) 의 적어도 하나의 접촉 요소 (4a, 4b) 를 접촉시키기 위해 적어도 하나의 제 2 프레스핀 (7) 이 제공되고,
    상기 제 2 프레스핀 (7) 은 풋과 헤드를 포함하고,
    상기 풋과 헤드는 상기 제 2 프레스핀의 길이방향 축선을 따라 서로에 대해 이동 가능하고,
    상기 풋과 헤드는 전기적으로 서로 연결되고,
    스프링 요소는 상기 풋과 헤드에 외부 방향으로 배향된 힘을 가하면서 상기 풋과 헤드 사이에 배열된, 전력 반도체 모듈 (1).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다중 전력 반도체 장치 (3) 는 절연 게이트 양극성 트랜지스터, 역도통 절연 게이트 양극성 트랜지스터, 2모드 절연 게이트 트랜지스터, 또는 다이오드인, 전력 반도체 모듈 (1).
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 제어 접촉부는 상기 베이스 플레이트 (2) 에 제공되는, 전력 반도체 모듈 (1).
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 반도체 모듈 (1) 은 하우징 (15) 을 포함하고,
    전기 전도성 리드는 상기 하우징 (15) 의 상부측을 형성하고 상기 전력 반도체 모듈 (1) 의 제 1 접촉부를 제공하며,
    상기 베이스 플레이트 (2) 는 상기 하우징 (15) 의 베이스를 형성하고 상기 전력 반도체 모듈 (1) 의 제 2 접촉부를 제공하며,
    상기 적어도 하나의 다중 전력 반도체 장치 (3) 의 제 1 접촉부는 제 1 또는 제 2 프레스핀 (6, 7) 을 통해 상기 리드와 전기적으로 접촉하고,
    상기 적어도 하나의 다중 전력 반도체 장치 (3) 의 공통 제어 접촉부는 제 1 프레스핀 (6) 을 통해 상기 리드와 접촉하는, 전력 반도체 모듈 (1).
  12. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 내지 제 8 항, 제 10 항 및 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 전력 반도체 모듈 (1) 들을 포함하는 전력 반도체 모듈 조립체로서,
    상기 전력 반도체 모듈 (1) 들은 인접한 전력 반도체 모듈 (1) 들 사이에 전기적으로 연결되어 서로 나란히 배열된, 전력 반도체 모듈 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 반도체 모듈 (1) 들의 베이스 플레이트 (2) 들은 서로 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는, 전력 반도체 모듈 조립체.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 반도체 모듈 조립체는 하우징을 포함하고,
    전기 전도성 리드는 상기 하우징의 상부측을 형성하고 전력 반도체 모듈 (1) 들의 제 1 접촉부들과 접촉하는 상기 전력 반도체 모듈 조립체의 제 1 접촉부를 제공하며,
    상기 전력 반도체 모듈 (1) 들의 상기 베이스 플레이트 (2) 들은 상기 하우징의 베이스를 통해 연장되는, 전력 반도체 모듈 조립체.
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