JP4800764B2 - 電力半導体モジュールの中の接触構造のための圧力接触バネ - Google Patents

Description

本発明は、パワー・エレクトロニクスの分野に係り、特に、電力半導体モジュールの分野に係る。

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前提部分に記載された電気的な圧力接触バネ、電気的な接触構造、及び電力半導体モジュールに係る。

今日の電力半導体モジュールにおいて、例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ：insulated gate bipolar transistor）のゲート電極のような、半導体のコントロール電極への接触のために、通常、ボンディング・ワイヤが使用されている。このケースにおいて、ボンディング・ワイヤは、通常、超音波を用いて半導体の金属被覆に溶接される。

電力半導体の電極を、ダスト及び湿気から保護し、且つ適切に絶縁するため、半導体及びボンディング・ワイヤは、典型的には、軟らかい、電気絶縁性を有するシリコーン・ゲルの中に埋め込まれる。

そのようなシステムが、C. Gobl et al., "SkiiP 3", SEMIKRON Elektronik GmbH，（www.semikron.com/jahr2000/pcimskiip3.pdf）の中に開示されている。図４に、ボンディング・ワイヤにより接触される半導体チップを有する半導体モジュールを示す。このボンディング・ワイヤは、基板上に取り付けられ、接触バネにより、コントロール回路に接続される。

それに代わる、シリコーン・ゲルを用いない技術は、ハーメチック容器の場合にしか採用されていないが、圧力接触バネによりコントロール電極に接触する技術である。このケースでは、円錐形または円筒形のバネを有する接触ピンがコントロール電極の上に押し付けられる。このバネは、例えば１Ｎ程度の小さな弾性力を発生する。この小さなバネの力のために、接触ピンは、電極の金属被覆の中に僅かしか貫入しない。従って、接触ピンとコントロール電極の間に、信頼性のある接触がかろうじて確保されるにとどまる。

そのようなバネのピンが、シリコーン・ゲルで満たされたモジュールの中で使用された場合、次のいずれかの問題が発生する：即ち、バネに、粘性のゲルが粘り付いて、その動きが妨げられるか、あるいは、ある使用条件下において、粘性のゲルのため、接触ピンとコントロール電極との間に信頼性の高い接触が確保されない。

接触の信頼性を改善するために、例えば、バネの力を増やすことや、あるいは、接触ピンの先端を鋭くすることなどが可能である。その結果、接触ピンが電極の金属被覆の中により深く貫入し、例え接触バネが粘性のゲルによりかなり大きな機械的影響を受けた場合であっても、適切な接続状態が確保される。しかしながら、バネの力の増大に従い、先端の尖った接触ピンが、金属被覆を突き破って、その下にある電極に損傷を与える危険が生ずる。
C. Gobl et al., "SkiiP 3", SEMIKRON Elektronik GmbH，（www.semikron.com/jahr2000/pcimskiip3.pdf）

従って、本発明の目的は、最初に述べたタイプの電気的な圧力接触バネにおいて、全ての使用条件下で、良好な接触状態を確保することができる圧力接触バネを提供することにある。

この目的は、本願の独立請求項である請求項１の特徴を備えた電気的な圧力接触バネによって実現される。

本発明に基づく圧力接触バネは、導電性の接触パッドに接触するための二つの接触領域を有し、これら二つの接触領域の一方は、接触チップを有している。二つの接触領域の間には、ワイヤの湾曲部分を少なくとも一つ有する圧縮領域が設けられている。前記圧縮領域から伸びて前記接触チップで終るワイヤの直線部分が、バネの力の方向に伸びている。本発明に基づく圧力接触バネの接触チップは、外径に丸みが付けられており、その外周の半径は、ワイヤの厚さの１〜３倍に対応している。

前記圧縮領域と前記接触チップとの間にある、ワイヤの直線部分により、本発明に基づく圧力接触バネの接触チップは、ワイヤの方向に作用する全ての弾性力で、接触ピンに対して押し付けられる。バネの力が大きい場合においても、丸みが付けられた接触チップは、接触パッドの金属被覆の中に僅かしか貫入しない。

上記の丸みが付けられた接触チップは、接触領域でワイヤを曲げることにより、簡単な方法で作り出すことができる。その結果、接触チップは、手間を掛けて加工し且つ精密に磨く必要がない。

一つの実施形態において、本発明に基づく圧力接触バネは、厚さ及び幅を有する矩形断面を備える。圧力接触バネは、専ら、幅に対して垂直な平面の中で曲げられる。このことにより、圧力接触バネがこの一つの平面の中のみで湾曲するという結果がもたらされる。

一つの実施形態において、本発明に基づく圧力接触バネは、電気的な接触構造の中で使用される。この圧力接触バネは、この接触構造の、互いに対向するように配置された二つの導電性の接触パッドの間の、導電性の接続として用いられる。

これらの接触パッドは、接触チップが深く貫入し過ぎることを防止するように、構成される。本発明に基づく、相当する丸みが付けられた接触チップを有する圧力接触バネの場合、例えば、接触パッドの硬度は、４５Ｈｖから７０Ｈｖまでの間であり、バネの力は、４Ｎから１０Ｎまでの間である。

バネの圧力が大きいときに、圧力接触バネの接触チップが、上記接触構造の接触パッドの中に深く貫入し過ぎることを防止するため、上記導電性の接触パッドは、バリア・レイヤを有している。このバリア・レイヤは、表面レイヤの下側に配置され、この表面レイヤの材料よりも硬い材料で構成される。この表面レイヤは、従って、非常に軟らかい材料で構成され、それによって、圧力接触バネの接触チップに対する信頼性のある接続を確保する。

バリア・レイヤは、好ましくは、より軟らかい、表面レイヤの導電性材料で満たされた隙間を有する。

一つの実施形態において、本発明に基づく、圧力接触バネを有する接触構造は、電力半導体モジュールの中で使用される。このケースでは、電力半導体チップの電極用金属被覆は、接触チップによって接触される上記接触構造の接触パッドである。第二接触パッドは、前記モジュールから引き出された端子である。

本発明に基づく、圧力接触バネを有する接触構造を有する電力半導体モジュールは、電気絶縁性を有するゲルで満たされる。本発明に基づく圧力接触バネの働きで、信頼性の高い接触状態が、前記モジュールから引き出された端子と電力半導体チップの電極の間で確保される。上記圧力接触バネは、その接触チップが電力半導体の電極の金属被覆を突き破ることなく、大きなバネの力を受けることが可能である。

次に、本発明の好ましい実施形態を、図面に基づいて説明する。

図面の中で、同様な機能を有する部分には、同一の参照符号が付されている。

図１に、本発明に基づく圧力接触バネ３を有する電力半導体モジュールの接触構造を概略的に示す。この圧力接触バネは、互いに対向するように配置された二つの導電性の接触パッド１及び２の間の導電性の接続のためにクランプされる。接触パッド１は、電力半導体のコントロール電極の金属被覆である。概略的に示された電極５は、絶縁レイヤ６により電力半導体４から分離されている。接触パッド２は、モジュールから引き出されたコントロール端子であり、例えば、モジュールのハウジング・カバーの内側に配置されたプリント回路ボードを有している。

本発明に基づく圧力接触バネは、厚さ０．２〜０．６ｍｍの導電性のワイヤ、例えば、銅または銅とベリリウムの合金からなるメタル・ワイヤから作られている。このワイヤは、バネの形状に形成され、必要な場合には熱処理により硬化される。次いで、このバネは、エッジを丸めるためのプロセスが行われ、次いで、最終ステップでコーティングが行われる。このコーティングは、良好な電気的伝導性を有していなければならず、且つ、空気との接触により酸化されてはならず、あるいは、金属表面との接触により腐蝕や化学反応が生じてはならない。代表的には、バネは、貴金属、例えば金でコーティングされる。この圧力接触バネは、圧縮されていない状態で、その長さが５ｍｍから１５ｍｍまでの間である。

本発明に基づく圧力接触バネは、上記接触構造の接触パッド１及び２に接触するための二つの接触領域３１及び３２を有している。これらの二つの接触領域の間に圧縮可能なバネ領域３３があり、この領域は、少なくとも一つのワイヤ湾曲部を有している。第一接触領域３１はチップの形態に形成され、これに対して、この実施形態では、第二接触領域３２はワイヤ湾曲部を有している。

圧力接触バネは、圧縮領域３３と接触チップ３１の間で、ワイヤの直線部分３４として形成され、この直線部分は、圧縮領域により生ずるバネの力Ｆの方向に伸びている。

接触チップがワイヤの直線部分３４の一方の端に設けられており、この接触チップは、バネの力Ｆにより接触パッド１に対して垂直に押し付けられている。この手順により接触点が規定され、この接触点は、大きな局部的圧力のために、接触パッドの上で容易に動くことはない。

第二接触領域３２のワイヤ湾曲部は、接触点でより大きな支持表面を有し、その結果、押付け圧力が相対的に低い。ワイヤ湾曲部は、第二接触パッド２上の不動の一点で支持されることはなく、機械的および／または熱的圧力により、圧力接触バネが圧縮される強さに応じて動くことが可能である。もし、圧力接触バネが、第一接触パッドの領域の中のみにゲルが導入される接触構造の中で使用される場合、第二接触領域は、この実施形態で示されたワイヤ湾曲部の形態に形成される。もし、全ての接触構造、特に二つの接触パッドの領域がゲルで満たされる場合には、第二接触パッドの領域内での良好な接触を確保するため、第二接触領域にも接触チップを設けることが可能である。

圧力接触の中において、二つの接触要素の接触領域Ａｂは次の式で与えられる：
Ａｂ＝Ｆ／Ｈｖ
ここで、Ｆは接触力であり、Ｈｖはより軟らかい方の接触要素の硬度である。

上記の接触構造において、圧力接触バネ３の接触バネ３１の形状は、バネの力Ｆ及び接触パッド１の表面硬度Ｈｖとともに、接触パッドの金属被覆１１の中への接触チップの貫入深さを決定する。与えられたバネの力及び金属被覆１１の硬度に対して、所望の最大貫入深さを実現するため、接触チップ３１は、接触チップ３１と金属被覆１１の間の実際の接触領域で外径に丸みが付けられ、この丸みは、圧力接触バネのワイヤの厚さの１倍から３倍に対応する。

接触チップが接触パッドに接触する際、最初は接触領域が小さく、そのことが接触チップが接触パッドの中に貫入することを可能にする。接触チップが接触パッドの中に貫入するに従い、接触領域のサイズが拡大する。貫入深さの増大に伴い接触領域が急速に拡大することより、機械的な接触抵抗が増大する。従来の尖った接触チップの場合とは異なり、接触領域及び対応する機械的な接触抵抗は、小さな貫入深さであっても、非常に急速に増大する。接触チップの丸みの半径を適切に選択することによって、与えられたバネの力、金属被覆硬度及び密度に対して、所望の最大貫入深さ（例えば、金属被覆の厚さの半分）に調整することが可能になる。

図２に、本発明に基づく圧力接触バネの接触チップ３１の第一の実施形態を示す。ワイヤの直線部分３４は、丸められたチップ３１で終る。この接触チップの外周の半径Ｒは、ワイヤの厚さの約２倍程度である。

この丸み部分は、円筒状であってもよく、例えば、ワイヤの方向に対し垂直の方向に対して対称形であり、あるいは、球状、即ち、接触チップの中心点に対して回転対象である。

最大貫入深さを更に制限する目的で、図２に示された接触構造の実施形態では、バリア・レイヤ１２が接触ピン１１の金属被覆の中に設けられている。このバリア・レイヤは、金属被覆の表面の下に設けられる。このバリア・レイヤは、表面領域の中の金属被覆の材料よりも硬い材料（例えば、シリコン・ナイトライド）で構成されている。このバリア・レイヤはまた、硬い導電性材料で構成されていても良い。接触パッドの金属被覆１１は、バリア・レイヤ１２の回りを取り囲む。表面レイヤは、圧力接触バネによる接触のために用いられ、これに対して、バリア・レイヤの下側に配置された金属レイヤは、例えば、その下にあるポリシリコン電極への接触のために用いられる。これらの二つの金属被覆レイヤの良好な電気的な接続を確保するため、金属被覆レイヤの材料で満たされた隙間がバリア・レイヤの中に設けられる。

図３に、本発明に基づく圧力接触バネ３の接触チップ３１の更なる実施形態を示す。接触チップは、同様に丸みが付けられていて、その外周の半径は、ワイヤの厚さの約２．５倍程度である。しかしながら、その丸みは、ワイヤの直線部分３４の端の小さなワイヤの曲げによって形成されている。この接触チップは、ワイヤを単に曲げることにより所望の半径に形成することが可能であり、従って、手間の掛かる切断及び磨き作業が不要になる。ワイヤの曲がり部の外周の半径は、１ミリメータの半分のオーダーなので、実際の接触点でのバネの力は、実質的にワイヤの直線部分３４の方向に作用する。

圧力接触バネのために使用されるワイヤは、円形の断面を有していても良く、あるいは図３の中に示されているように、厚さａ及び幅ｂの矩形断面であっても良い。代表的な値は、ａが０．３ｍｍ及びｂが０．６ｍｍ程度である。圧力接触バネは、ワイヤの幅に対して垂直な平面内で曲げられる。このことは、バネを安定させて、接触パッド１の平面に対して垂直な方向への所望の圧力を生じさせる。

特に圧縮領域３３の中で、三次元的に、例えば螺旋状に曲げられたワイヤの部分は、半導体チップとハウジング・カバーの間の中間スペースの中に導入されたシリコーン・ゲルによって、その動きの自由度がより多く損なわれるであろう。従って、ワイヤの二次元的に曲げられた部分が、好ましい実施形態である。

図４に、本発明に基づく圧力接触バネ３を有する接触パッドを有する電力半導体モジュール８を、概略的に示す。このモジュールは、ハウジング８３、及び導電性のトッププレート８１及びボトムプレート８２を有しており、これらのプレート８１、８２は、電力半導体４のパワー端子として用いられる。圧力接触バネ３が、電力半導体のコントロール電極の領域の中で、コントロール電極の金属被覆１とこのモジュールから引き出されたコントロール端子２の間に配置されている。このモジュールは、電力半導体の領域の中が、特に上側パワー電極とコントロール電極の領域の中が、電気絶縁性を有するシリコーン・ゲルで満たされている。その結果、パワー電極及びコントロール電極は、適切に電気的に絶縁される。

図１は、本発明に基づく圧力接触バネを有する接触構造の概略図を示す。 図２は、図１に示されたものと同様な接触構造を示し、これは、本発明に基づく圧力接触バネの第一の実施形態を有している。 図３は、図１に示されたものと同様な接触構造を示し、これは、本発明に基づく圧力接触バネの第二の実施形態を有している。 図４は、図１に示された接触構造を有する電力半導体モジュールの概略図を示す。

符号の説明

１・・・第一接触パッド（電極用金属被覆）、１１・・・表面レイヤ、１２・・・バリア・レイヤ、１３・・・隙間、２・・・第二接触パッド、３・・・圧力接触バネ、３１，３２・・・接触領域、３３・・・圧縮領域、３４・・・ワイヤの直線部分、４・・・電力半導体チップ、５・・・コントロール電極、６・・・絶縁レイヤ、８・・・電力半導体モジュール、８１，８２・・・パワー端子、８３・・・モジュール・ハウジング。

Claims (9)

1. 導電性のワイヤからなる電気的な圧力接触バネ（３）であって、
   − 導電性の第一の接触パッド（１）に接触するための接触チップを有する第一接触領域（３１）を有し、
   − 導電性の第二の接触パッド（２）に接触するための第二接触領域（３２）を有し、
   − 第二の接触領域（３２）から伸びる圧縮領域（３３）を有し、この圧縮領域（３３）は、ワイヤの湾曲部分を少なくとも一つ有し、
   − 圧縮領域（３３）と第一接触領域（３１）の間に配置されたワイヤの直線部分（３４）を有し、このワイヤの直線部分（３４）が、圧縮領域（３３）のバネの力（Ｆ）の方向に伸びている、圧力接触バネ（３）において、
   −前記ワイヤが、前記第一接触領域（３１）の中で曲げられて前記接触チップを形成し、この曲げられた部分の外周の半径（Ｒ）が、前記ワイヤの厚さ（ａ）の１倍から３倍に対応していること、
   を特徴とする圧力接触バネ（３）。
2. 下記特徴を備えた請求項１に記載の圧力接触バネ：
   − 前記ワイヤは、厚さ（ａ）及び幅（ｂ）を有する矩形断面を有し、且つ、
   − 前記バネは、幅（ｂ）に対して垂直な平面内で曲げられている。
3. 電気的な接触構造であって、
   − 導電性の第一の接触パッド（１）と；
   − 導電性の第二の接触パッド（２）と；
   − 第一の接触パッドと第二の接触パッドの間の導電性の接続部材（３）と；
   を備え
   前記二つの接触パッドは、互いに対向するように配置され、
   前記接続部材は、前記二つの接触パッドの間にクランプされた請求項１または２に記載された電気的な接触バネ（３）であることを特徴とする電気的な接触構造。
4. 下記特徴を備えた請求項３に記載の接触構造：
   − 前記第一接触パッド（１）の硬度は、ヴィッカース硬度で４５Ｈｖから７０Ｈｖの範囲内にあり、且つ、
   − 前記バネの力（Ｆ）は、４Ｎから１２Ｎまでの範囲内にある。
5. 下記特徴を備えた請求項３に記載の接触構造：
   前記接触構造は、前記圧力接触バネの接触チップ（３１）が前記第一接触パッドの中に貫入するときに、前記接触チップ（３１）が前記第一接触パッド（１）を貫通することを防止するための手段を備えている。
6. 下記特徴を備えた請求項５に記載の接触構造：
   前記手段は、多層式の第一接触パッド（１）と、表面レイヤ（１１）の材料と比べて硬い材料からなるバリア・レイヤ（１２）と、を備え、
   前記バリア・レイヤ（１２）は、前記表面レイヤ（１１）の下側に配置されている。
7. 下記特徴を備えた請求項６に記載の接触構造：
   前記バリア・レイヤ（１２）は、前記表面レイヤ（１１）の材料で満たされた隙間（１３）を有している。
8. 電力半導体モジュール（８）であって、
   − 少なくとも一つの金属被覆を有する電極（２）を有する少なくとも一つの電力半導体チップ（４）と；
   − 請求項３から７のいずれか１項に記載された 電気的な接触構造の少なくとも一つと；を備え、
   前記電極（２）用の金属被覆が、前記接触構造の第一接触パッドであり、前記モジュールから引き出された端子（１）が、前記接触構造の第二接触パッドである電力半導体モジュール。
9. 下記特徴を備えた請求項８に記載の電力半導体モジュール：
   前記電力半導体モジュール（８）は、第一接触パッドと第二接触パッドの間の領域内が、電気絶縁性を有するゲル（９）で満たされている。

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