特許 7340706 アクセス可能な金属クリップ付きパワー半導体モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-30

(45)【発行日】2023-09-07

(54)【発明の名称】アクセス可能な金属クリップ付きパワー半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20230831BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20230831BHJP

   H01L 23/28 20060101ALI20230831BHJP

   H01L 23/473 20060101ALI20230831BHJP

   H01L 23/29 20060101ALI20230831BHJP

   H01L 23/31 20060101ALI20230831BHJP

   H01L 23/34 20060101ALI20230831BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/28 A

H01L23/28 J

H01L23/46 Z

H01L23/30 B

H01L23/34 D

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2022546494

(86)(22)【出願日】2021-01-27

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-20

(86)【国際出願番号】 EP2021051868

(87)【国際公開番号】W WO2021151949

(87)【国際公開日】2021-08-05

【審査請求日】2022-10-04

(31)【優先権主張番号】20154509.2

(32)【優先日】2020-01-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】519431812

【氏名又は名称】ヒタチ・エナジー・スウィツァーランド・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＨＩＴＡＣＨＩ ＥＮＥＲＧＹ ＳＷＩＴＺＥＲＬＡＮＤ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】シュダーラー，ユルゲン

(72)【発明者】

【氏名】パブリチェク，ニコ

(72)【発明者】

【氏名】リウ，チュンレイ

(72)【発明者】

【氏名】シュローダー，アルネ

(72)【発明者】

【氏名】シュロッティヒ，ゲルト

【審査官】多賀 和宏

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０２９０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８９４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０８２７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１８２８７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／２３５５１１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２５／００－２５／１８

Ｈ０１Ｌ ２３／２８－２３／３１、２３／３４－２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パワー半導体モジュール(１０)であって、
構造化された金属化層(１４)を有する基板(１２)と、
第１の側で前記金属化層(１４)に接合された少なくとも１つの半導体チップ(１８)と、
金属のストリップであり、前記半導体チップ(１８)の前記第１の側とは反対側の第２の側に第１の平面部(２０ａ)で接合されつつ前記金属化層(１４)に第２の平面部(２０ｂ)で接合された金属クリップ(２０)と、
前記基板(１２)、前記少なくとも１つの半導体チップ(１８)、および前記金属クリップ(２０)を少なくとも部分的に封止するモールド封止材(３０)とを備え、前記モールド封止材(３０)は、前記金属クリップ(２０)の前記第１の平面部(２０ａ)に向けて接近する凹部(３２)を有し、
前記パワー半導体モジュール(１０)は、前記凹部(３２)の上方で前記モールド封止材(３０)に取り付けられた回路基板(３４)をさらに備え、
前記金属クリップ(２０)が接合された前記半導体チップ(１８)は、前記モールド封止材(３０)、前記基板(１２)および前記金属クリップ(２０)によって完全に封止されており、
前記金属クリップ(２０)の前記第１の平面部(２０ａ)は、前記凹部(３２)によって少なくとも部分的に露出されており、
前記回路基板(３４)は、前記凹部(３２)に収容されたセンサ(３４，３８，４０)を担持する、パワー半導体モジュール(１０)。

【請求項2】

前記凹部(３２)を囲む封止リング(３７)は、前記回路基板(３４)と前記モールド封止材(３０)との間に設けられている、請求項１に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項3】

前記金属クリップ(２０)に向かって前記凹部(３２)に面する非接触温度センサ(３６)は、前記回路基板(３４)に接続されている、請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項4】

前記回路基板(３４)に接続された接触温度センサ(３８)は、前記金属クリップ(２０)に熱的に接触して前記凹部(３２)内に配置されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項5】

前記回路基板(３４)に接続された磁界センサ(４０)は、前記凹部(３２)内に配置されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項6】

前記回路基板(３４)に接続されたプレスピン(４６)は、前記金属クリップ(２０)に押し付けられる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項7】

前記金属クリップ(２０)の第１の平面部(２０ａ)は、カバー層(４４)によって覆われている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項8】

前記カバー層(４４)は、前記モールド封止材(３０)とは異なる材料からなる、請求項７に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項9】

前記金属クリップ(２０)によって覆われていない前記半導体チップ(１８)の一部(５０)に向かうさらなる凹部(４８)をさらに備え、
前記回路基板(３４)に接続されたプレスピン(５２)は、前記さらなる凹部(４８)内の前記半導体チップ(１８)に押し付けられる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項10】

前記基板(１２)の前記金属化層(１４)の一部(１４ｃ、１４ｄ)に向かうさらなる凹部(５４)をさらに備え、
前記回路基板(３４)に接続されたプレスピン(５６)は、前記さらなる凹部(５４)内の前記金属化層(１４)に押し付けられる、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項11】

前記凹部(３２)とは反対側の前記回路基板(３４)に実装されたコンデンサ(５８)は、前記プレスピン(５６)に接続されている、請求項１０に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項12】

冷却流体(６０)は、前記凹部(３２)を通って案内される、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【請求項13】

前記冷却流体(６０)のためのノズル(６４)は、ジェット衝突冷却のために前記凹部(３２)の内側に向けられている、請求項１２に記載のパワー半導体モジュール(１０)。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の分野
本発明は、パワーエレクトロニクスの分野に関する。特に、本発明は、パワー半導体モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

発明の背景
状態および正常性の監視は、パワー電子部品、コンバータ、およびシステムの可用性と寿命を向上させる効果的な手段である。アクティブなパワー半導体部品は、通常、コンバータの故障の主な理由である。したがって、モジュールにパッケージ化されたパワー半導体チップの物理的状態を正確に判断することは、故障を事前に予測するために有益であり得る。

【0003】

ＵＳ２００７／０１３２１１２Ａ１は、成形時にチップの下のリードフレームに圧力を加えるための溝を有する、モールド封止材を備えた半導体モジュールを示している。リードフレームは垂直モールドの流れによって押し下げられます。

【0004】

ＥＰ２４４７９９１Ａ２は、基板上にチップを備えた電子部材を示しており、この電子部材は、ばね要素を介して上面でコンタクト素子と接続されている。コンタクト素子、基板およびチップがモールド材料で部分的に封止されているが、ばね要素を備えるチップの上方の凹部は除かれる。

【0005】

ＵＳ２０１５／２１４１３３Ａ１は、基板上にチップを有する電子デバイスを示しており、チップは上面においてコンタクト素子を介して基板の別の部分に接続されている。基板、チップおよびコンタクト素子は、部分的にケース内に埋め込まれており、コンタクト素子の上方の領域は開放されている。

【0006】

特開２００９－１９４３２７Ａは、クリップで相互接続されたチップを基板上に有する半導体装置を示している。基板、チップおよびクリップは、ケース内に封入されており、クリップの上方のケースの領域は凹部を有する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0007】

発明の説明
本発明の目的は、モジュールにパッケージ化されたパワー半導体チップの物理的状態の判定および測定を改善し、容易にすることである。

【0008】

この目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる例示的な実施形態は、従属請求項および以下の説明から明らかである。

【0009】

本発明は、パワー半導体モジュールに関する。半導体モジュールは、１つ以上の半導体チップを互いに、およびモジュールのハウジングによって露出される可能性がある端子に、機械的および電気的に相互接続するデバイスであり得る。以下において、パワーという用語は、半導体モジュールおよび/または半導体モジュールの構成要素が、１０Ａを超える電流および/または１００Ｖを超える電圧を処理する能力に関連し得る。

【0010】

本発明の一実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、構造化金属化層を有する基板と、第１の側で金属化層に接合された少なくとも１つの半導体チップと、半導体チップの第１の側とは反対側の第２の側に第１部で接合されつつ金属化層に第２部で接合された金属クリップと、基板、少なくとも１つの半導体チップおよび金属クリップを少なくとも部分的に封止するモールド封止材とを備える。モールド封止材は、金属クリップの第１部に向かって接近する凹部を有する。モールド封止材は、金属化層および金属クリップに接合された半導体チップの部分を除いて、半導体チップを覆うおよび／または取り囲むことができる。

【0011】

基板は、絶縁性であってもよく、および／またはポリマーおよび／またはセラミックスからなっていてもよく、片面または両面が金属化層で覆われていてもよい。基板は、絶縁性でなくてもよいし、たとえば、リードフレームをベースとしてもよい。金属化層は、構造化されていてもよく、すなわち、１つ以上の半導体チップ、電気接点および／または端子を接続および／または接合するために使用できるいくつかの領域に分割されていてもよい。

【0012】

基板はまた、リードフレームをベースとしてもよい。たとえば、金属化層は、リードフレームからなっていてもよい。金属化層および/またはリードフレームは、パワー半導体モジュールの端子を提供する金属部品を提供することもできる。また、金属クリップの第２部は、パワー半導体モジュールの端子を提供する金属化層の一部に接合されていてもよい。

【0013】

モジュールは、トランジスタおよび/またはサイリスタなどの制御可能なデバイスであり得る１つ以上の半導体チップを備えることができる。また、一部の半導体チップがダイオードである可能性もある。半導体チップは、ＳｉもしくはＳｉＣまたは別のワイドバンドギャップ材料をベースとしてもよい。

【0014】

１つ以上の半導体装置は、第１の側または底面側で金属化層に接合されていてもよい。以下において、接合は、はんだ付け、焼結、接着、溶接および/または任意の他の固体冶金学的相互接続を指す場合がある。１つ以上のチップの第２の側および/または上面側で、金属クリップが第１部および/または第１端部と接合されていてもよい。

【0015】

第２部および/または第２端部により、金属クリップは、特に半導体チップの他にも金属化層に接合され得る。金属クリップは、直交方向に比べて金属化層の延在方向に直交する方向に薄い金属のストリップであってもよい。金属クリップは、リードフレームによって提供され得る。金属クリップの第１部および/または第２部は、平面であってもよい。クリップの中間部が曲がっていてもよい。

【0016】

金属化層を有する基板、１つ以上の半導体チップおよび１つ以上の金属クリップは、プラスチック材料の成形によって形成され得るモールド封止材に少なくとも部分的に封止されていてもよい。

【0017】

１つ以上の半導体チップの上方において、１つ以上の凹部がモールド封止材に設けられていてもよく、モールド封止材は、それが接合されたチップの上方のそれぞれの金属クリップに向かって接近する。これは、金属クリップが露出していること、または金属クリップの上方のカバー層のみが残っていることを意味する場合がある。

【0018】

凹部は、金属クリップに向かってモールド封止材の材料を貫通する、モールド封止材の開口部および／または穴であってもよい。

【0019】

１つ以上の凹部を除いて、モールド封止材は、基板とともに１つ以上の半導体チップおよび１つ以上の金属クリップを完全に封止してもよい。特に、金属クリップの中間部と金属化層に接合された金属クリップの第２部とは、モールド封止材の材料に完全に封止されていてもよい。

【0020】

半導体チップは、その底面側で金属化層に接合されていてもよい。金属化層および金属クリップに接合されていない半導体チップの他のすべての部分は、モールド封止材によって封止されていてもよい。

【0021】

凹部により、パワー半導体チップにほぼ直接アクセスできるようになり、金属クリップおよびモールド封止材により、半導体チップが環境状態から保護される。凹部は、クリップおよび/またはリードフレームによって提供される平坦な上面相互接続を有する任意のマルチチップパワー半導体モジュールに提供され得る。モールド封止材内のアクセスチャネルとして見ることができる凹部は、検出および／または機械的接触のために、それぞれの半導体チップの少なくとも上面を露出させてもよい。

【0022】

金属クリップの第１部は、ばね接触などの機械的影響に対する保護を提供することができる。コンタクトゾーンのフットプリントは、独自のキープアウトゾーンを必要とする可能性のある別個の露出したダイおよびパッド領域と比較して、小さく保たれ得る。さらに、金属クリップの第１部は、一時的な過負荷下での熱緩衝に使用されてもよい。

【0023】

本発明の一実施形態によれば、金属クリップが接合された半導体チップは、モールド封止材、基板および金属クリップによって完全に取り囲まれる。金属化層、金属クリップ、および他の電気的相互接続と接触していないチップのすべての部分は、モールド封止材の材料と接触していてもよい。

【0024】

一般に、凹部、金属クリップの第１部、半導体チップおよび基板は、上下に積み重ねることができる。凹部は、金属クリップの第１部の上方に配置されていてもよい。金属クリップの第１部は、半導体チップ上に配置されていてもよい。半導体チップは、基板上に配置されていてもよい。

【0025】

本発明の一実施形態によれば、金属クリップの第１部は、カバー層によって覆われている。金属クリップは、カバー層によって凹部から分離されてもよく、カバー層は、凹部以外のモールド封止材の厚さよりも(実質的に)薄くてもよい。カバー層は、凹部以外のモールド封止材よりも少なくとも１０倍薄くてもよい。カバー層により、金属クリップの領域は、凹部の内部からガルバニック絶縁することができる。カバー層は、モールド封止材と同じ材料からなっていてもよいし、異なる材料からなっていてもよい。

【0026】

カバー層はまた、誘電体材料からなるものであってもよい。たとえば、カバー層は、モジュール組立ての前に、金属クリップ上に適用され得るコールドガススプレーされたアルミナからなっていてもよい。

【0027】

カバー層はまた、金属クリップの赤外線放射を増加させるために塗装および/またはコーティングされてもよい。

【0028】

カバー層はまた、冷却流体から金属クリップをガルバニック絶縁するための絶縁層であってもよい。

【0029】

カバー層は、少なくとも２つの部分および/または少なくとも２つの副層をベースとしてもよい。たとえば、カバー層は、電気接点と組み合わされた光学窓を備えていてもよい。カバー層は、たとえば黒色塗料で覆われたＡｌ₂Ｏ₃などの２層材料をベースとしてもよい。

【0030】

本発明の一実施形態によれば、金属クリップの第１部は、凹部によって少なくとも部分的に露出される。ここで、露出とは、金属クリップの表面が、塗料層などの薄い層で覆われていてもよいが、凹部の底壁であってもよいことを意味する場合がある。このようにして、金属クリップへの電気的接続は、凹部を通じてなされてもよい。露出とは、凹部の底部で金属クリップと電気的接触がなされ得ることも意味し得る。

【0031】

金属クリップは、ソース電極またはエミッタ電極などの半導体チップの負荷電流電極および/またはパワー電極に接合されていてもよい。金属クリップは、ゲート電極などの半導体チップの制御電極に接合されていてもよい。少なくとも部分的に露出した金属クリップにより、凹部は、半導体チップのそれぞれのパワーまたは制御電位へのアクセスを可能にする。

【0032】

本発明の一実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、凹部の上方のモールド封止材に取り付けられた回路基板をさらに備える。回路基板は、プリント回路基板であってもよいし、および/またはゲートドライバ基板であってもよい。回路基板は、１つ以上の凹部が設けられたモールド封止材の側面に取り付けられていてもよい。

【0033】

回路基板は、１つ以上の凹部に収容され得る、プレスピンなどのセンサおよび／またはコンタクト素子を担持し得る。１つ以上のセンサおよび／またはプレスピンを、たとえば、チップの個々の診断を検知および／または抽出するために、モールド封止材に面する回路基板の側面に取り付けてもよい。

【0034】

本発明の一実施形態によれば、回路基板とモールド封止材との間に凹部を囲む封止リングが設けられる。封止リングは、パワー半導体モジュールの環境から凹部の内部を封止してもよい。封止リングは、ほこりおよび汚染に対して凹部を封止することができる。封止リングは、モールド封止材の材料でできていてもよいし、別の材料で作られていてもよい追加の部品であってもよい。封止リングは、封止リムであってもよい。

【0035】

本発明の一実施形態によれば、金属クリップに向かって凹部に面する非接触温度センサが回路基板に接続される。非接触温度センサと、金属クリップおよび/または金属クリップ上のカバー層との間に、空間が設けられてもよい。非接触温度センサは、リモート温度検出用の赤外線温度ダイオードまたはその他の光学センサであり得る。

【0036】

本発明の一実施形態によれば、回路基板に接続された接触温度センサは、金属クリップと熱的に接触して凹部内に配置される。このような温度センサ、たとえば、温度依存抵抗器は、金属クリップまたは金属クリップ上のカバー層と直接接触してもよい。

【0037】

本発明の一実施形態によれば、回路基板に接続された磁界センサが凹部内に配置される。磁界センサは、巨大磁気抵抗センサであってもよい。

【0038】

本発明の一実施形態によれば、回路基板に接続されたプレスピンが金属クリップに押し付けられる。このようなプレスピンは、金属クリップが接続される回路基板とパワー半導体電極との間の補助パワー電極接続を提供することができる。プレスピンは、たとえば導電性接着剤によって金属クリップに接合されていてもよい。

【0039】

一般に、プレスピンは、回路基板から突出するピン状の金属要素であってもよく、金属クリップに押し付けられるように実質的に硬い。

【0040】

本発明の一実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、金属クリップによって覆われていない半導体チップの一部に向かって延びるおよび/または接近する、さらなる第２の凹部をさらに備える。たとえば、第２の凹部は、半導体チップの制御電極を少なくとも部分的に露出させてもよい。回路基板に接続されたさらなるプレスピンは、さらなる第２の凹部内の半導体チップに押し付けられてもよい。このようなプレスピンは、ゲートドライバ基板であってもよい回路基板と、金属クリップが接続されるパワー半導体電極との間の、制御電極接続を提供し得る。プレスピンは、たとえば導電性接着剤によって制御電極に接合されていてもよい。

【0041】

本発明の一実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、基板の金属化層の一部に向かって延びる、および／または接近するさらなる、たとえば第３の凹部をさらに備える。そのような凹部は、金属化層の特定の領域および／または基板上の選択された電位へのアクセスを可能にし得る。

【0042】

回路基板に接続されたプレスピンは、さらなる凹部内の金属化層に押し付けられてもよい。プレスピンは、たとえば導電性接着剤によって金属化層に接合されていてもよい。

【0043】

本発明の一実施形態によれば、凹部とは反対側の回路基板に実装されたコンデンサがプレスピンに接続される。金属化層に向かう凹部、または２つのそのような凹部は、回路基板に実装され得るデカップリングコンデンサおよび/または他のフィルタ部品(たとえばダイオードなどの受動および非線形デバイス)を金属化層に接続するために使用され得る。コンデンサおよび/または他のフィルタ部品は、１つ以上のプレスピンおよび/または凹部に近接して配置されてもよい。これにより、発振とスイッチング損失が減少する可能性がある。

【0044】

本発明の一実施形態によれば、冷却流体が凹部を通って案内される。凹部は、パワー半導体モジュールの冷却ガイドおよび/または冷却チャネルと流体交換されていてもよい。たとえば、凹部は、カバー部材で覆われた冷却流体密であってもよく、冷却流体は、凹部に沿って案内されてもよい。１つ以上の凹部は、１つ以上の半導体チップの上面に沿ってクーラント流体を案内するために使用され得る。

【0045】

また、パワー半導体モジュールの底面側を冷却して、両面冷却を可能とすることもできる。たとえば冷却チャネルを有するベースプレートおよび/または冷却プレートが、１つ以上の半導体チップの反対側の基板に取り付けられていてもよい。この設計により、両面冷却によるチップレベルの電力密度の向上が可能になる場合がある。

【0046】

本発明の一実施形態によれば、流体を冷却するためのノズルは、ジェット衝突冷却のために凹部内に向けられる。凹部内の冷却ガイドおよび/または冷却チャネルは、金属クリップに向けられた冷却流体の噴流を形成するノズルとして形成されてもよい。これにより、金属クリップの下の半導体チップの冷却が改善されることさえある。

【0047】

要約すると、このような設計は、マルチチップパワー半導体モジュールの各チップを検査するオプションを備えた、非侵襲的、低コストかつ高感度の診断を可能にする可能性がある。診断の実装に関する決定は、センサおよび/またはプレスピン接点を含むそれぞれのゲートドライバボードの設計に移されてもよい。たとえば、パワー半導体モジュールに補助端子を追加することなく、光学的および物理的接触センシングを有効にすることができる。

【0048】

モジュール内の凹部により、各半導体チップの電気的スクリーニングなどの品質管理と最終検査が可能になる。フィールド動作の前にチップ個別のおよびチップグループのパラメータの較正が可能になる。動作中のオンライン診断は、チップごと、チップグループごと、フェーズレッグモジュールごと、および/またはフリート内の同様のモジュールごとに実行され得る。また、サービス間隔中の正常性分析も可能である。

【0049】

その他の用途としては、チップ個別のゲート制御を備えた構成に対する、寿命予測、予防保守、寿命延長、フォールトトレランス、および予防措置などがある。たとえば、それぞれの制御を介して老朽化したチップに低減負荷をかけてもよく、欠陥チップを溶断させてもよいし、サージ電流を並列デバイスに再分配する、などしてもよい。

【0050】

本発明のこれらおよび他の態様は、以下に説明する実施形態を参照して明らかになり、解明されるであろう。

【0051】

図面の簡単な説明
本発明の主題は、添付の図面に示される例示的な実施形態を参照して、以下の本文でより詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0052】

【図1】本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールを貫通する断面を模式的に示す図である。

【図2】本発明のさらなる実施形態に係るパワー半導体モジュールを貫通する断面を模式的に示す図である。

【図3】本発明のさらなる実施形態に係るパワー半導体モジュールを貫通する断面を模式的に示す図である。

【図4】本発明のさらなる実施形態に係るパワー半導体モジュールを貫通する断面を模式的に示す図である。

【図5】本発明のさらなる実施形態に係るパワー半導体モジュールを貫通する断面を模式的に示す図である。

【図6】本発明のさらなる実施形態に係るパワー半導体モジュールを貫通する断面を模式的に示す図である。

【0053】

図面で用いられる参照符号、およびその意味は、参照符号のリストに要約形式で列挙されている。原則として、図面において同一の部品には同一の参照符号が付されている。

【発明を実施するための形態】

【0054】

例示的な実施形態の詳細な説明
図１は、パワー半導体モジュール１０を示す。パワー半導体モジュール１０は、基板１２、たとえば、両側に２つの金属化層１４,１６を有するＤＢＣ(ダイレクトボンド銅)基板を備える。金属化層１４は、領域１４ａ,１４ｂ,１４ｃ,１４ｄに構成されており、半導体チップ１８は、領域１４ａ,１４ｂのいくつかに第１のパワー電極で接合されている。第２のパワー電極を有する各半導体チップ１８の反対側は、金属クリップ２０に接合され、金属クリップ２０は、金属化層１４のさらなる領域１４ｂ,１４ｃに接合されている。

【0055】

金属クリップ２０は、パワー電極に接合された第１部２０ａと、中間部２０ｂと、金属化層１４に接合された第２部２０ｃとを備える。第１部２０ａおよび第２部２０ｃは、平坦な部材であってもよいし、中間部は曲がっていてもよい。金属クリップ２０はまた、いくつかの半導体チップ１８を相互接続してもよく、および/またはリードフレームによって提供されてもよい。半導体チップ１８および/または金属化層１４への金属クリップ２０の接合は、焼結、はんだ付けまたはレーザー接合によって実現され得る。

【0056】

また、金属化層１４の２つの領域１４ｃ,１４ｄは、抵抗器２２などの他の電子部品によって接続されていてもよい。また、端子２４は、１つ以上の領域１４ｄに接続されていてもよい。

【0057】

たとえば冷却チャネル２８を有するベースプレート２６は、基板１２、特に金属化層１６に取り付けられてもよい。

【0058】

これまでに述べた全ての構成要素１２,１８,２０,２２,２４は、モールド封止材３０によって封止されていてもよく、ベースプレート２６、端子２４の一部および金属クリップ２０の第１部２０ａの一部のみがモールド材料に封止されないように、これらの構成要素が封止されていてもよい。また、モールド封止材３０は、トランスファー成形により作製されてもよい。

【0059】

モールド封止材３０は、半導体チップ１８および/または金属クリップ２０毎に凹部３２を有し、この凹部は、モールド封止材３０の側面からそれぞれの半導体チップ１８および/または金属クリップ２０に向かって突出している。凹部３２の底部は、金属クリップ２０の第１部２０ａが少なくとも部分的にモールド封止材３０の外部に露出するように設計されてもよい。なお、金属クリップ２０の他の部分２０ｂ,２０ｃは、モールド材料で封止されていてもよい。また半導体チップ１８は、モールド材料と金属クリップ２０とで完全に封止されていてもよい。

【0060】

１つ以上の凹部３２によって、半導体チップ側がアクセス可能であり、半導体チップのソースまたはエミッタ電極などのパワー電極への開口部および/またはチャネルが提供される。

【0061】

パワー半導体モジュールは、１つ以上の凹部３２の上方でモールド封止材３０に取り付けられた回路基板３４をさらに備えてもよい。回路基板３４は、プリント回路基板および／またはゲートドライバ基板であってもよい。ベースプレート２６、基板１２、および回路基板３４は、互いに実質的に平行に並んでいてもよい。

【0062】

回路基板に接続された部品は、凹部内に下げられ、および/または、金属クリップ２０および/または下の半導体チップ１８の温度、電流および電位などの物理的特性を感知するために使用されてもよい。

【0063】

たとえば、１つ以上の凹部３２は、たとえば、赤外線ダイオードまたは別の種類のセンサなどの非接触温度センサ３６を凹部３２内に配置することによって、光学的温度感知に使用され得る。非接触温度センサ３６は、回路基板３４に接合されていてもよく、回路基板３４には、センサ３６のためのセンサ配線および信号解析も設けられていてもよい。

【0064】

図１はまた、１つ以上の凹部３２が封止リング３７で封止されていてもよく、封止リング３７がモールド封止材３０と回路基板３４との間に配置されていてもよいことを示している。封止リング３７は、Ｏリングまたはモールド材料の封止リップであってもよい。封止リング３７は、凹部３２をほこりおよび汚染のない状態に保つために使用され得る。

【0065】

また、金属クリップ２０の露出部分に黒色塗料コーティングを施して、赤外線検出用の規定された最大化された表面放射率を生成するようにしてもよい。

【0066】

以下の図２～図６は、図１の半導体モジュール１０の実施形態を示しており、凹部３２のさらなる可能な使用法および追加の凹部のさらなる実施形態を示している。

【0067】

図２は、接触温度センサ３８および/または磁界センサ４０が凹部３２内に配置され得ることを示す。接触センサ３８、４０は、回路基板３４のピン４２に接続されていてもよく、ピン４２は、センサ３８、４０を凹部３２の底部および/または金属クリップ２０に押し付ける。

【0068】

磁界センサ４０は、巨大磁気抵抗センサであってもよい。センサがガルバニック絶縁を必要とする場合のために、センサ４０と金属クリップ２０との間に誘電体層４４を設けてもよい。金属クリップ２０に予め施されていてもよい、コールドガススプレー(ＣＧＳ)されたＡｌ₂Ｏ₃などの様々な材料が使用され得る。この材料は、低コストで適用することができ、および/またはまた、高い熱伝導率を提供し得る。

【0069】

図３は、回路基板３４から突出したプレスピン４６が、金属クリップ２０に電気的に接触するために使用され得ることを示している。このようにして、回路基板３４と半導体チップ１８のパワー電極(ソース電極またはエミッタ電極など)との間に電気的接続を生成してもよい。

【0070】

プレスピン４６は、回路基板に一体化されていてもよいし、金属クリップ２０に対してばね力で押し付けられていてもよい。低オーミックで安定した接触抵抗を保証するために、クリップ２０上にＡｕめっきの層が設けられてもよい。チップ１８のソースまたはエミッタ電極上の上面プレスピン接点は、チップ個々の過渡電圧を抽出するために使用され得るが、過渡電圧はそうでなければ端子の平均電圧信号に隠されている可能性がある。

【0071】

このような接続は、チップ温度感知電気パラメータ(ＴＳＥＰ)センシングにも使用できる。

【0072】

プレスピン４６の接触信頼性を高めるためには、たとえば、導電性接着剤によってプレスピン４６の先端を覆うことにより結合材料を追加することによって、プレスピン４６を金属クリップ２０に接合することがさらなるオプションである。

【0073】

図４は、モールド封止材３０が、金属クリップ２０によって覆われていない半導体チップ１８の一部に向かって延びる、チップ１８の１つまたは全部のための第２の凹部４８を有することを示している。凹部４８は、半導体チップ１８の制御電極(ゲート電極など)を露出させてもよい。金属板またはストリップ５０を制御電極に接合してもよく、これもモールド封止材とともに、制御電極を囲む半導体チップ１８の部分を完全に封止してもよい。

【0074】

回路基板３４の第２のプレスピン５２は、凹部４８を介して制御電極および/または金属ストリップ５０に対して押し付けられていてもよい。このようにして、回路基板３４とそれぞれの制御電極との間に電気的接続を生成してもよい。プレスピン５２は、回路基板３４に取り付けられ、および/またはプレスピン４６と同様にチップ１８に接合され得る。

【0075】

ソース/エミッタおよびゲートへの電気的接続により、ゲート信号を含む完全なＴＳＥＰセンシングおよび/または寿命延長のためのチップ個別制御が可能になる場合がある。

【0076】

図５は、モールド封止材３０内のさらなる凹部５４を示しており、その各々は、金属化層１４の領域１４ｃ、１４ｄに向かって延びている。回路基板３４のプレスピン５６は、凹部５４によって露出する領域１４ｃ,１４ｄに対して各凹部５４を通じて押し付けられてもよい。プレスピン５６は、回路基板３４に取り付けられ、および/またはプレスピン４６と同様に金属化層１４に接着され得る。

【0077】

プレスピン５６は、電流シャント、湿度センサなどのオンボードセンサを読み取るために使用することができ、モールド封止材３０内に封止されていてもよい。対応する信号は、回路基板３４によって処理されてもよい。プレスピン５６はまた、デカップリングコンデンサ５８などのフィルタ部品を接触させるために使用され得る。なお、フィルタ部品は、回路基板３４上の凹部に近接して設けられていてもよい。基板１２のＤＣ＋およびＤＣ－電位領域１４ｃ、１４ｄの間のデカップリングコンデンサ５８は、発振を制限し、スイッチング損失を低減するのに非常に有用であり得る。

【0078】

図６は、半導体チップ１８の上面を冷却するために凹部３２を使用することもできることを示している。半導体チップ１８の底面側の冷却は、ベースプレート２６および/または基板１２を介して行われてもよい。このようにして、両面冷却が可能である。

【0079】

水、水グリコール混合物または絶縁性二相冷却流体などの冷却流体６０は、凹部３２を通って案内され得る。同じ冷却流体がベースプレート２６の冷却チャネル２８を通って案内され得る。冷却流体６０は、凹部３２および/またはチャネル２８を通して積極的にポンプで送られてもよい。

【0080】

冷却に使用される凹部３２は、冷却チャネルを生成するためのカバープレート６２によって部分的に覆われてもよい。カバープレート６２は、モールド封止材３０の外表面に取り付けられていてもよい。カバープレート６２は、モールド封止材３０に接着剤で接合されたＡｌシートであってもよい。

【0081】

水および/または水グリコール混合物などの非誘電性冷却流体６０が使用される場合、凹部によって露出する金属クリップ２０の部分２０ａは、金属クリップ２０およびチップ１８を冷却流体６０から絶縁するカバー層４４によって覆われてもよい。

【0082】

冷却は、たとえば金属クリップ２０に沿った平行な冷却流体の流れに基づいてもよい。
冷却は、たとえば高速流体噴流を金属クリップ２０に集束させることによる、垂直な流れに基づいてもよい。カバープレート６２によって提供され得るノズルおよび/またはフローガイド６４は、冷却流体６０を噴流および/またはビームで金属クリップ２０に対して案内し得る。

【0083】

上述した実施形態は、互いに組み合わせることができる。たとえば、プレスピンは、非接触および/または接触センサと組み合わせることができる。また、記載された冷却可能性は、プレスピンおよび/またはセンサと組み合わせることができる。

【0084】

本発明は、図面および前述の説明において詳細に図示および説明されているが、そのような図示および説明は、例示的または例示的であるとみなされるべきであり、限定的ではない。なお、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲を検討することにより、請求された発明を実施する当業者によって理解され、実行されることができる。特許請求の範囲において、「含む」という語は他の要素またはステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａn」は複数を除外するものではない。単一のプロセッサもしくはコントローラまたは他のユニットは、特許請求の範囲に記載されたいくつかの項目の機能を果たし得る。特定の措置が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの措置の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲における参照符号は、範囲を制限するものと解釈されるべきではない。

【符号の説明】

【0085】

参照符号のリスト
１０ パワー半導体モジュール
１２ 基板
１４ 金属化層
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 構造化領域
１６ 金属化層
１８ 半導体チップ
２０ 金属クリップ
２０ａ 第１部
２０ｂ 中間部
２０ｃ 第２部
２２ 抵抗器
２４ 端子
２６ ベースプレート
２８ 冷却管
３０ モールド封止材
３２ 凹部
３４ 回路基板
３６ 非接触温度センサ
３７ 封止リング
３８ 接触温度センサ
４０ 磁界センサ
４２ ピン
４４ カバー層
４６ プレスピン
４８ 第２の凹部
５０ 金属板/ストリップ
５２ 第２のプレスピン
５４ さらなる凹部
５６ さらなるプレスピン
５８ デカップリングコンデンサ
６０ 冷却流体
６２ カバープレート
６４ ノズル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】