CN100392856C - 功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

功率半导体模块(1)包含外壳(5)，盖板(11)和至少两个子模块(21，22)。子模块(21，22)各包含至少一只半导体芯片，该芯片具有导电连接到子模块的主引线(3，4)的两主电极。子模块(21，22)彼此并排安排，并且其两主表面之一压紧到模块的盖板(11)上。子模块电串联。通过彼此并排安排的子模块的串联，模块的最高截止电压加倍。这降低了用于高压开关的叠层长度和价格，因为对同一截止电压而言，要求更少的元件，尤其是要求更少的模块和冷却元件。

Description

功率半导体模块
技术领域
本发明涉及功率电子学领域。尤其涉及如下的功率半导体模块，其包含：分别在两个相互对置且平行的模块主表面上设置的两导电主引线，其中两主引线的第一引线以导电盖板的形式构成；连接到盖板并设置在两主引线之间的电绝缘外壳；以及至少两个子模块。其中所述子模块分别具有两条导电主引线，它们分别设置在子模块的两个相互对置且平行的模块主表面上；各包含至少一只半导体芯片，该芯片具有导电连接到子模块的主引线上的两个主电极；彼此并排设置，通过施加的压力以其两主表面之一压紧到盖板上。
背景技术
在高功率领域，应用压接技术制造功率半导体模块。这些压接模块用作在高电压达到1000KV、电流高达几千安培的高功率开关。因为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，正如它在今天压接模块内应用的那样，只耐约几千伏电压，所以为了一只高压开关，许多压接模块串联成至少一叠层。包含高达几打压接模块的该叠层使用约100KN的力压紧在一起。
传统的压接模块，如EP762,496描绘的那样，通常具有许多彼此并排设置、并且第一主电极安装在基板上的半导体芯片。半导体芯片的第二主电极通过许多接触凸片接触。基板与第一主引线连接，而接触凸片与第二主引线连接。主引线可能具有圆盘状结构，并且借助法兰彼此连接。接触凸片包含例如对单个芯片加压的弹簧元件。
压接模块内的各个半导体芯片形成为几组，并且可以组合成所谓子模块的单元。在这种情况下，半导体芯片彼此并联，例如与一只IGBT和一只二极管芯片彼此连接成一个子模块。
这样的压接模块在具有申请号01810539.5的未决的欧洲专利申请中描述过，并在图1中概略地加以说明。该图分为两半，其中左半部分示出处于装配前状态的模块的一半，而在右半部分示出以三模块叠层形式安装状态的模块的另一半。
在这种情况下，具有所述3个子模块2的模块压紧在高热和高电传导的基板12上，该基板12可能是例如通过致冷体流过的冷却板。
即使在装配前状态下，从上导入绝缘外壳5内的子模块2具有加在其上的弹簧压力，并且紧压到与绝缘外壳固定连接的盖板11上。弹簧压力由单个子模块内的弹簧元件所产生，并且传送到第一主引线3。为了保证与基板12的可靠接触，第二主引线4向下从绝缘外壳5伸出。
在装配状态，子模块的第二主引线4借助给予基板和盖板的接触力压入模块外壳的内部。这时，弹簧元件受到压缩，所以作用在子模块内部半导体芯片电极上的接触力上升。这时绝缘外壳确保弹簧元件不会太强地压缩，所以接触力不会变得太大。
带有压接模块的叠层延伸达到几米的长度。为了在这样的长度上可以产生上述的压力，必须采取耗费的措施。因此，为了对于一给定的电压能用较少的压接模块解决问题，希望在叠层内增加单位长度的最高截止电压。
叠层高度，以及与此相应的价格，可能通过提高单个压接模块的截止电压得以降低。遗憾的是，应用当前的技术，上述的功率半导体芯片的最高截止电压的提高几乎是不可能的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供每单位结构高度具有更高截止电压的、本文开始所述类型的功率半导体模块。
本目的可以根据本发明通过具有以下特征的功率半导体模块实现。
根据本发明的功率半导体模块，包含：
-分别在两个相互对置且平行的模块主表面上设置的两导电主引线，其中两主引线的第一引线以导电盖板的形式构成，
-连接到盖板并设置在两主引线之间的电绝缘外壳，以及
-至少两个子模块，其中所述子模块
-分别具有两条导电主引线，它们分别设置在子模块的两个相互对置且平行的模块主表面上，
-各包含至少一只半导体芯片，该芯片具有导电连接到子模块的主引线上的两个主电极，
-彼此并排设置，通过施加的压力以其两主表面之一压紧到盖板上，
其中至少两只子模块电串联。
与传统的压接模块比较，通过两只或多只彼此并排设置的子模块的串联可以使截止电压加倍或上升几倍。
因为对于同一截止电压要求较少的元件，尤其是较少的冷却元件，所以减少了叠层的长度和价格。
根据本发明的功率半导体模块的结构高度只稍许大于传统的压接模块。然而，附加的尺寸增加导致模块的机械强度更佳，并且这尤其在长的叠层中特别有利。
此外，对于相同或更高的截止电压，与传统的压接模块相比，也可能更佳地利用具有较低截止电压的半导体芯片。因为具有一半截止电压的这样的半导体芯片与具有完全的截止电压的单个半导体芯片相比，产生的损耗更低，所以也可以通过应用本发明的功率半导体模块降低具有相同尺寸的传统叠层内的损耗。
在功率半导体模块的第一实施形式中，至少一个第一子模块的第一主引线与盖板导电连接。第一电绝缘层设置在至少一个第一子模块的第二主引线和与盖板对置的模块主表面之间，并且第二电绝缘层设置在至少一个第二子模块的第一主引线和盖板之间。至少一个第二子模块的第二主引线导电连接到模块的第二主引线上。至少一个第一子模块的第二主引线经一连接线导电连接到至少一个第二子模块的第一主引线。
子模块串联，所以具有IGBT的功率半导体模块的截止电压加倍。
在功率半导体模块的第二实施例中，第一电绝缘层设置在至少一个第一子模块的第一主引线和与盖板对置的模块主表面之间。至少一个第一子模块的第一主引线经第一连接线导电连接到盖板。第二电绝缘层设置在至少一个第一子模块的第二主引线和盖板之间，以及在至少一个第二子模块的第一主引线和盖板之间。至少一个第二子模块的第二主引线导电连接到模块的第二主引线。至少一个第一子模块的第二主引线经第二连接线导电连接到至少一个第二子模块的第一主引线。
在模块中采取相同的对准调整，子模块背对背串联。由此，应用IGBT半导体可以得到可关断并可例如在矩阵变流器内用作交流开关器的四象限功率半导体。
附图说明
参考实施形式和相关的附图，本发明更加详细说明如下，即：
图1示出通过现有技术的半导体模块的断面，图的左侧为装配前状态，图的右侧为装配状态。
图2示出通过具有两串联子模块的本发明的功率半导体第一实施形式的断面，和
图3示出通过具有两背对背串联的子模块的图2所示的功率半导体模块的断面，和
图4示出图2所示功率半导体模块的概略图，
图5示出图3所示功率半导体模块的概略图，和
图6示出在安装时通过图3所示半导体模块的断面。
在附图中使用的参考符号及其意义以参考符号表的形式综合列出。原则上相同的部件在图中使用相同的参考符号。
具体实施方式
图2和图3示出本发明的功率半导体模块的两实施形式。模块具有导电盖板11，与盖板合理连接的电绝缘外壳5和许多子模块21和22。
盖板11由电和热高传导性金属制造，例如，铜或铝。它形成模块的第一主导电引线E21，例如以叠层形式电连接到处于其上的模块的主引线。
外壳5由能够承受机械和热负载的电绝缘材料(例如环氧树脂)制造。外壳具有侧壁区，它承受在压接叠层内的模块上经受的大部分压力，以及具有底座区。外壳的盖板和底座区形成模块的两个对置的，基本上平行的主表面。在底座区，开口插入外壳内，通过该开口，模块的第二主引线C22从外壳引出。
两只公知的功率半导体子模块21和22在模块内彼此并列设置。通常如图1所示，子模块具有许多半导体芯片，这些芯片与第一主电极(阳极、发射极)在底板上彼此并列设置，并且彼此并联。半导体芯片的第二主电极(阴极，集电极)通过接触片接触。接触片连接到第一主引线3，底板连接到第二主引线4。主引线可以具有圆盘形式，可以通过法兰彼此连接。接触片可以具有例如压在单个芯片上的弹簧元件。为了实现接触，半导体芯片的其它引线(控制/栅极引线)可以在侧边，或在主引线3或4的侧边之一从子模块引出。
两个子模块压入在模块两主面之间，尤其是在盖板11和未示出的从底面通向模块的底板之间。底板，例如以冷却液通过的冷却板的形式，是电和热高传导性的。
模块在侧边具有从模块外壳引出的引线，并且取决于功率半导体类型，这些引线是栅极引线G21和G22，以及与子模块的相应主引线连接的引线E21和C21/E22。
根据图2所示的本发明的功率半导体模块的第一实施形式，第一子模块21的第一主引线3直接处在模块的盖板11上，并与其导电连接。第一子模块21的第二主引线4处于绝缘支撑板6上，该板6主要由电绝缘和高热传导材料层61构成。绝缘支撑板以有利方式包含一个陶瓷衬底，并具有在两侧通过铜薄层包围的陶瓷层。铜薄层保证好的热接触，并且有助于板的牢固性。
第二子模块22的第一主引线3也处于模块的盖板11上，但是通过由电绝缘和高热传导材料构成的层62与其电绝缘。第二子模块22的第二主引线4在外壳5的底座区开口之一内这样设置，使得在模块安装在底板或冷却板上时，第二主引线4形成模块C22的第二主引线，并且与绝缘支撑板6一起形成与盖板11对置的模块主表面。
绝缘支撑板6和第二子模块22在开孔内这样设置，使得它们可以移动。如果模块安装在底板或冷却板上，并且具有以相应方式加到其上的压力，绝缘支撑板6和第二子模块22便压入模块外壳的内部，并且紧压住盖板。移动范围受限于绝缘外壳，尤其是壁区。在开口区提供防护装置，所以在模块未设置在底板或冷却板上时，绝缘支撑板6和子模块22不会从模块外壳落下。例如，防护装置可能是安装到外壳的制动器，并且，合适地限制绝缘支撑板和子模块的移动自由。
如图2所示的本发明的功率半导体模块的第一实施形式的两个子模块电连接，以便形成串联电路。子模块，例如各自装配一只或多只IGBT，以及并行的空转二极管，所以这导致具有图4所示的电路的模块。
通过绝缘层各与模块的相邻主表面分离的子模块的两个主电极，即第一子模块21的第二主电极4和第二子模块22的第一主电极3彼此电连接。
第一导电连接层71设置在第一子模块21的绝缘层61和第二主引线4之间的绝缘支撑板6上。例如，这是如上所述的在陶瓷衬底上的铜薄层，或者是加在该铜层上的其它金属层。子模块21的第二主引线或者是与连接层71相连，例如通过焊接或借助于低温胶接(LTB)手段，或经导热膏层和合适的接触压力连接。
在对置一侧，在第二子模块22的第一主引线3的区域，第二导电连接层72设置在子模块的绝缘层62和主引线3之间。
两连接层71和72经一连接元件8彼此导电连接。连接元件8例如类似于两子模块21和22的构成，并且具有一底板以及具有弹簧元件的一个或多个接触片。这允许以与相应接触表面之间的子模块同样的方式使连接元件8受到压缩。通常不包含任何电子元件的接触元件8也可以被具有半导体芯片的传统的子模块或其它电子元件所取代。连接元件8以与第一子模块类似的方式设置或固定在绝缘支撑板上。
在绝缘支撑板6的边缘区提供了由电绝缘材料构成的突出部分63。这些突出部分一方面与外壳部件50上的制动器共同作用，另一方面它们防止沿着相邻的外壳部分的蠕变电流(漏电)或跳火。此外，与设置在第一子模块21和连接元件8之间的定位元件64一起，它们确保子模块21和连接元件8准确对绝缘支撑板6和其余模块。
在发射极一侧，即在第一主引线3的区域内，控制引线安置在子模块21和22上。在子模块内部，这些引线连接到半导体芯片相应的控制极。这些控制引线G21和G22借助连接线从模块外壳引出，其中，与第一子模块的发射极引线E21或组合引线C21/E22一起，它们可以与第一子模块的集电极引线和第二子模块的发射极引线接触，后面这些引线也可以用连接线从外壳引出。
在导通状态，从模块的第二主引线到第二子模块22的集电极引线C22的电流通过第二子模块经第二子模块的发射极引线E22，第二连接层72，连接元件8，第一连接层71和第一子模块21的集电极引线C21通过第一子模块到达子模块的第一主引线，盖板11，和第一子模块的发射极引线C21。
在截止状态，分别有截止电压的一半降落在两个子模块的每一个上。
在如图3所示的本发明的功率半导体模块的第二实施形式中，两个子模块电连接，形成背对背串联。这意味着，第一子模块21经第二主引线4连接到盖板，并且连接到模块的第一主引线，第一子模块21的第一主引线3连接到第二子模块22的第一主引线3上。如果再次装配了IGBT和并联空转二极管，这便导致具有图5所示的模块电路方案。
当准确地按照第一实施例同一方式设置和电连接第二子模块22时，则在第二实施形式内的第一子模块21显然地按照同一方式设置，但按照相反极性电连接。
虽然第一子模块21的第一主引线3再次处于模块的盖板11上，然而并非与其导电连接。在子模块的主引线和盖板之间设置绝缘层62。这是设置在第二子模块22和盖板11之间的加长的绝缘层62。两子模块的两第一主引线3经连接层72彼此电连接。在这种情况下，连接层设置在主引线和绝缘层62之间。
第一子模块21的第二主引线4再次处在绝缘支撑板6上。第一子模块的第二主引线4经连接元件8和设置在绝缘支撑板6上的连接层71电连接到盖板11上。在所述的有利的实施形式中，连接元件8经绝缘层62和连接层72上的中央孔引到盖板11上。
因为子模块21和22两者都有相同的结构高度，所以在第二子模块22的第一主引线3范围内，连接层72具有比在第一子模块21的第一主引线范围内更大厚度，相差约为包括其上任何的连接层71在内的绝缘支撑板6的厚度。
因此，在每一种情况下集电极-发射极电流从模块21和22的两个主引线要么经连接层71和第一子模块21的第二主引线4流过连接元件8，和流过第一子模块21到第一子模块的第一主引线3和发射极引线E21，要么流过第二子模块22到相应的发射极引线E22。借助连接层72彼此导电连接的发射极引线E21和E22从模块外壳引出，以便经连接线与相应的控制引线G21和G21一起进行外部接触，也可以只用两条发射极引线之一从外壳引出，以取代两条发射极引线。
在图2和图3所示的说明中，从外壳引出的两子模块的两引线的每一条设置在模块的相反侧。在本发明的功率半导体模块的有利的实施形式中，所有引线都设置在模块的一侧，所以它容易经该引线与模块外部接触。为此目的，连接线以合适方式引入到模块外壳内的一侧。
在本发明的功率半导体模块的极其有益的实施形式中，连接线应用绝缘材料与第二连接层72和盖板11一起封装起来，以便形成盖单元10。电绝缘材料是有利地高导热性的，可耐温度达160℃，耐压力达30巴，耐蠕变，可以进行没有任何气孔的浇铸，并且具有与铜匹配的膨胀系数。组合了这些特性的一种材料，例如是环氧树脂。为了产生盖单元，环氧树脂要么围绕导电部件以合适形状浇铸，要么通过喷雾法沉积。
图6的说明示出了在安装期间，本发明的功率半导体模块的单个元件是如何装配的。
在安装的第一步，绝缘支撑板6嵌入到提供开口51的外壳内。绝缘支撑板6通过在开口区51内的外壳部分50的制动器而保持住。绝缘端63安装在绝缘板6上的边缘区，正如从图所看到的，与在外壳部件50上的相应的制动器相互合作。
在随后的步骤，子模块21和22以及连接元件8引入外壳。第一子模块1和连接元件8安装在绝缘支撑板6上，而第二子模块22嵌入为此目的提供的开口51内。第二子模块22也借助于在外壳部件50上的合适制动器防止脱落。定位元件64设置在绝缘支撑板6上，用于第一子模块21和连接元件8在绝缘支撑板6上的准确定位。绝缘端也用于定位。
另外，第一子模块21和连接元件8安装在绝缘支撑板6上，如果需要，是在绝缘支撑板被放入外壳内之前安装在其上。
在其它的安装步骤中，盖单元10放置在外壳上。由于副模板的准确定位，被集成在盖单元内的连接层和连接引线接到子模块相应的接触连接线上。在外壳盖上的接触力保证加到子模块的压接接触连接必须的接触力。为了改善电和热过渡，可以在压接接触表面之间加相应的导热性膏。
前述的半导体芯片的串联电路或背对背串联电路也可能通过子模块相应的倒置(反转)或通过设置在子模块内的半导体芯片的倒置来实现。例如，根据图5所示的背对背电路，可借助上述第一实施形式内的倒置的第一模块(倒装子模块)来产生。因此，简单地通过相应的子模块与外壳一起倒置，可以产生具有上升的截止电压的开关以及上述的交流开关。
按照本发明的目的，串联电路的一般观念也含盖彼此串联的相反极性的两元件(背对背串联电路)。
参考符号清单：
1 功率半导体模块，
10 盖单元，
11 盖板，
2，21，22 子模块，
3，4 主引线，
5，50 绝缘外壳，
51，52 开口，
6 绝缘支撑板，
61，62 绝缘层，
63 绝缘端，
64 定位元件，
71，72 连接层，
8 连接元件，
C，C21，C22 集电极引线，
E，E21，E22 发射极引线，
G，G21，G22 栅极引线。

Claims (20)

1.功率半导体模块，包含：
-分别在两个相互对置且平行的模块主表面上设置的两导电主引线，其中两主引线的第一引线以导电盖板(11)的形式构成，
-连接到盖板并设置在两主引线之间的电绝缘外壳(5)，以及
-至少两个子模块(2，21，22)，其中所述子模块
-分别具有两条导电主引线(3，4)，它们分别设置在子模块的两个相互对置且平行的模块主表面上，
-各包含至少一只半导体芯片，该芯片具有导电连接到子模块的主引线(3，4)上的两个主电极，
-彼此并排设置，通过施加的压力以其两主表面之一压紧到盖板(11)上，
其特征为，至少两只子模块(21，22)电串联。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征为，
-串联的子模块(21，22)各经所述子模块(21，22)的一条主引线(3，4)和一条连接线(71，72，8)彼此导电连接，以及
-电绝缘层(61，62)设置在子模块(21，22)的彼此连接的主引线(3，4)和所述功率半导体模块的各主表面之间。
3.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征为，
-至少第一子模块(21)的第一主引线(3)导电连接到盖板(11)上，
-第一电绝缘层(61)设置在至少一个第一子模块(21)的第二主引线(4)和与盖板(11)对置的所述功率半导体模块主表面之间，
-第二电绝缘层(62)设置在至少一个第二子模块(22)的第一主引线(3)和盖板(11)之间，
-至少一个第二子模块(22)的第二主引线(4)导电连接到所述功率半导体模块的第二主引线上，以及
-至少一个第一子模块(21)的第二主引线(4)经一连接线(71，72，8)导电连接到至少一个第二子模块(22)的第一主引线(3)上。
4.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征为，
-所述连接线包含：
-设置在至少一个第一子模块(21)的第二主引线(4)和第一绝缘层(61)之间的第一导电连接层(71)，
-设置在至少一个第二子模块(22)的第一主引线(3)和第二绝缘层(62)之间的第二导电连接层(72)，以及
-导电连接第一导电连接层(71)到第二导电连接层(72)的连接元件(8)。
5.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征为，
-第一电绝缘层(61)设置在至少一个第一子模块(21)的第二主引线(4)和与盖板(11)对置的所述功率半导体模块主表面之间，
-至少一个第一子模块(21)的第二主引线(4)经第一连接线(71，8)导电连接到盖板(11)，
-第二电绝缘层(62)设置在至少一个第一子模块(21)的第一主引线(3)和盖板(11)之间以及设置在至少一个第二子模块(22)的第一主引线(3)和盖板(11)之间，
-至少一个第二子模块(22)的第二主引线(4)导电连接到所述功率半导体模块的第二主引线上，以及
-至少一个第一子模块(21)的第一主引线(3)经第二连接线(72)导电连接到至少一个第二子模块(22)的第一主引线(3)上。
6.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其特征为，
-所述第一连接线包含：
-设置在至少一个第一子模块(21)的第二主引线(4)和第一绝缘层(61)之间的第一导电连接层(71)，
-导电连接第一导电连接层(71)到盖板(11)的连接元件(8)，以及
-所述第二连接线包含：
-设置在至少一个第一子模块(21)的第一主引线(3)和第二绝缘层(62)之间，以及设置在至少一个第二子模块(22)的第一主引线(3)和第二绝缘层(62)之间的第二导电连接层(72)。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其特征为，
-在第二导电连接层(72)和第二绝缘层(62)内装入开口，
-用于连接第一导电连接层(71)到盖板(11)的连接元件(8)通过开口引出。
8.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其特征为，
-第二导电连接层(72)在至少一个第二子模块(22)的第一主引线(3)和第二绝缘层(62)之间的区域内具有比在至少一个第一子模块(21)的第一主引线(3)和第二绝缘层(62)之间的区域更大的厚度。
9.根据权利要求8所述的功率半导体模块，其特征为，
-所述第二导电连接层(72)具有的厚度大于第一绝缘层(61)的厚度和第一导电连接层(71)的厚度之和。
10.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征为，
-第一绝缘层(61)为绝缘支撑板(6)的一部分，
-在与盖板(11)对置的所述功率半导体模块主表面区向外壳(5)放入至少一个开口(51)，
-绝缘支撑板(6)设置在该开口(51)内。
11.根据权利要求10所述的功率半导体模块，其特征为，绝缘支撑板(6)能以对盖板(11)呈直角移动。
12.根据权利要求11所述的功率半导体模块，其特征为，在开口(51)区设置用于限制绝缘支撑板(6)的移动范围的装置。
13.根据权利要求12所述的功率半导体模块，其特征为，
所述用于限制绝缘支撑板(6)的移动范围的装置是在外壳(5)上和/或在第一绝缘层(61)上设置的制动器。
14.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其特征为，
-第一绝缘层(61)为绝缘支撑板(6)的一部分，
-在与盖板(11)对置的模块主表面区向外壳(5)放入至少一个开口(51)，
-绝缘支撑板(6)设置在该开口(51)内。
15.根据权利要求14所述的功率半导体模块，其特征为，绝缘支撑板(6)能以对盖板(11)呈直角移动。
16.根据权利要求15所述的功率半导体模块，其特征为，在开口(51)区设置用于限制绝缘支撑板(6)的移动范围的装置。
17.根据权利要求16所述的功率半导体模块，其特征为，
所述用于限制绝缘支撑板(6)的移动范围的装置是在外壳(5)上和/或在第一绝缘层(61)上设置的制动器。
18.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征为，
-子模块的主引线(3，4)和/或其它引线(G21，G22)借助连接引线从模块外壳(5)引出。
19.根据权利要求18所述的功率半导体模块，其特征为，
-盖板(11)，连接引线，设置在子模块和盖板之间的绝缘层(62)和设置在子模块和所述绝缘层(62)之间的连接层(72)是以预制的盖单元(10)的形式构成。
20.根据权利要求19所述的功率半导体模块，其特征为，
-盖板(11)，连接引线和设置在子模块和盖板之间的导电连接层(72)用电绝缘材料浇铸，以形成所述盖单元(10)。
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