CN100517705C - 功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
功率半导体元件(52)和电容器(46)二者的电极在模块中彼此接合。功率半导体元件(52)形成于具有第一、第二主要表面的半导体衬底上。功率半导体模块(11A)包括：电极(48)，接合到第一主要表面，主电流流经该电极；电极(60)，接合到第二主要表面，主电流流经该电极；和树脂部分(70)，对半导体衬底、电容器(46)和电极(48、60)进行密封。电容器包括电极(42、44)。电容器的电极和半导体元件的电极由焊料(62)彼此接合，使得经过树脂部分而暴露的表面布置在一个连续面上，冷却器可以安装在该面上。因此可以提供一种功率半导体模块，其中可以有效地对电容器和功率半导体元件进行冷却，并可以减小电涌电压。
Description
技术领域
本发明涉及半导体模块，更具体地说，涉及包含电容器的功率半导体模块。
背景技术
最近，以电动汽车、气体-电力混合动力汽车以及以燃料电池为动力的汽车为代表，这样的汽车正在普遍起来，所述汽车采用AC电动机作为动力源来操纵汽车、并安装有逆变器装置来驱动该AC电动机。
对于这种类型的汽车，需要使驱动装置更小，所述驱动装置利用逆变器装置来驱动AC电动机。逆变器装置通常由开关元件和整流二极管元件组成，所述开关元件例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)。为了获得更小的尺寸，有时会将其以模块形式提供。经常将用于电涌吸收的电容器设置在开关元件附近。
在成本和空间都受到严格限制的混合动力汽车中，难以使用结合在一起的单一部件IGBT元件和单一部件电容器元件，因为这种结合会增大成本和空间。
日本专利公开No.2000-92847公开了一种带有电容器的半导体模块装置，实现了优良的抗电涌性能。该半导体模块的外部壳体固定了滤波电容器，同时将电容器压向冷却基座。因此，可以使电容器的组装和固定简化，同时可以确保电容器的冷却性能。
根据日本专利公开No.2000-92847中公开的这种技术，对电容器形状以及包含了功率元件(例如IGBT)的功率模块的形状进行调整以便于组装。但是，电容器仍然由螺钉固定到功率模块的端子。因此，仍然有改进余地来使功率元件与电容器之间的实体距离更短，并减小固定部分的电感成分。此外，该技术只在功率元件一侧解决了冷却器的安装问题，因此在冷却性能方面还有改进余地。
此外还需要混合动力汽车行驶更多里程，为了满足这种需要，减小开关损耗非常重要。为了减小开关损耗，必须以高于传统技术的速度进行开关。但是高速开关增大了开关元件相反端产生的电涌(surge)电压，使得必须增加缓冲器(snubber)电路。
在使电流流动开启/关断的开关电路中，缓冲器电路用于防止开关时的过渡状态下产生较高的尖峰电压。电流路径上导线的电感成分产生尖峰电流，这种尖峰电流在开关元件关断的瞬间特别大。
通常，安装有功率半导体的部分以及设置了缓冲器电路的电容器的部分隔开一段距离，并由母线(bus bar)对这些部分进行连接。但是，母线也有电感成分，因此其中储存的能量可能在不期望的情况下以电涌电压的形式表现出来。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种功率半导体模块，该模块中可以令人满意地对电容器和功率半导体元件进行冷却，并可以减小电涌电压。
简言之，本发明提供了一种功率半导体模块，它包括功率半导体元件以及连接到功率半导体模块的电容器。功率半导体元件和电容器二者的电极在模块中彼此耦合。
优选地，功率半导体元件形成于具有第一、第二主要表面的半导体衬底上。功率半导体模块还包括：第一电极，接合到第一主要表面，主电流流经第一电极；第二电极，接合到第二主要表面，主电流流经第二电极；树脂部分，对半导体衬底、电容器、第一电极和第二电极进行密封。电容器包括第三电极和第四电极。第一电极和第三电极彼此接合，使得经过树脂部分而暴露的表面布置在一个相同的连续表面上。
更优选地，功率半导体模块还包括冷却器，冷却器安装到第一和第三电极中经过树脂部分而暴露的表面。
更优选地，功率在功率半导体模块中，第二和第四电极彼此接合，使得经过树脂部分而暴露的表面布置在一个相同的连续表面上。
更优选地，功率半导体模块还包括冷却器，用于对电容器和功率半导体元件进行冷却。冷却器包括第一冷却部分和第二冷却部分，第一冷却部分同时安装到第一、第三电极中经过树脂部分而暴露的表面上，第二冷却部分同时安装到第二、第四电极中经过树脂部分而暴露的表面上。
更优选地，第一、第二冷却部分布置成从相反侧夹住功率半导体元件和电容器。
更优选地，功率半导体模块还包括第一、第二端子，这些端子分别接合到第三、第四电极，用于取出主电流。
更优选地，功率半导体模块还包括控制电极，控制电极电连接到半导体衬底并接收用于控制主电流的控制信号作为输入。
因此，本发明的一个主要优点在于，由于电容器的电极和半导体元件的电极布置成彼此直接耦合，所以可以减小互连导线的L成分(电感)和电阻成分，还可以减小电涌电压。
附图说明
图1是汽车中电动机驱动系统一部分的电路图，本发明的功率半导体模块应用于该系统。
图2是对图1所示功率半导体模块11的构造进行说明的电路图。
图3是功率半导体模块11的正视图。
图4是沿图3中IV-IV线所取的功率半导体模块11剖视图。
图5示出了图4所示电容器46的截面详细结构。
图6是图示了电容器46结构的示意性立体图。
图7是安装了冷却器的功率半导体模块的剖视图。
图8是示出根据一种改变形式的功率半导体模块11B构造的电路图。
图9是示出根据另一种改变形式的功率半导体模块11C构造的电路图。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的实施例进行详细说明。在这些附图中，相同或相应的部分由相同的标识符号表示，并将不再重复其描述。
图1是图示了汽车中电动机驱动系统一部分的电路图，本发明的功率半导体模块应用于该系统。这样的电动机驱动系统例如安装在电动汽车、混合动力汽车和以燃料电池为动力的汽车上。
图1所示汽车包括电池4、滤波电容器6、逆变器装置2以及电动机8。
电池4例如是蓄电池，如镍氢电池或锂离子电池。滤波电容器6和逆变器装置2并联连接在电池4的正负极之间。
逆变器装置2接收由滤波电容器6进行过电压平滑处理的供电电压，并驱动AC电动机8。此外，在再生控制下，逆变器装置2还将AC电动机8产生的功率送回电池4。
AC电动机8用于产生对汽车的驱动轮(未示出)进行驱动的扭矩。例如当安装在混合动力汽车上时，电动机可以用作由发动机驱动的发电机，也可以作为用于发动机的电动机以起动发动机使之工作。
逆变器2包括U相臂UA、V相臂VA和W相臂WA，这些臂并联连接在滤波电容器6的各端子之间，供电电压施加到这些端子。
U相臂UA包括串联连接在滤波电容器6各端子之间的功率半导体模块11和12。V相臂VA包括串联连接在滤波电容器6各端子之间的功率半导体模块13和14。W相臂WA包括串联连接在滤波电容器6各端子之间的功率半导体模块15和16。
功率半导体模块11与12之间的连接节点连接到电动机8的U相线圈(未示出)一端。功率半导体模块13与14之间的连接节点连接到电动机8的V相线圈(未示出)一端。功率半导体模块15与16之间的连接节点连接到电动机8的W相线圈(未示出)一端。U相线圈、V相线圈和W相线圈各自的另一端一起耦合到中点。
图2是对图1所示功率半导体模块11的构造进行说明的电路图。
参考图2，功率半导体模块11包括电容器C1、IGBT元件Q1和二极管21，其中，电容器C1连接在节点N1和N2之间；IGBT元件Q1的集电极连接到节点N1，发射极连接到节点N2。二极管21与功率半导体模块11并联连接在节点N1与N2之间。二极管21连接成使其正向从节点N2向N1。
电容器C1是缓冲器电容器，并可以具有约0.1μF的电容值。具体地说，电容值可以比图1中滤波电容器6的电容值小得多。
尽管图2示出的示例中，功率半导体模块包括二极管21，但是也可以将二极管21设置在功率半导体模块11外部，例如后面图9中所示那样。
图1所示功率半导体模块12至16具有与功率半导体模块11相同的结构，因此将不再对它们进行重复说明。
图3是功率半导体模块11的正视图。
图4是沿图3中IV-IV线所取的功率半导体模块11的剖视图。
参考图3和图4，功率半导体模块11包括功率半导体元件52以及连接到功率半导体元件52的电容器46。功率半导体元件52和电容器46各自的电极在模块中彼此连接。电容器46对应于图2所示电容器C1。此外，功率半导体元件52对应于图2的IGBT元件Q1和二极管21。
功率半导体元件52形成于半导体衬底上，该衬底具有第一主要表面和第二主要表面。功率半导体模块11还包括：电极48，由焊料层50连接到第一主要表面，主电流流经电极48；电极60，由焊料层58连接到第二主要表面，主电流流经电极60；以及树脂部分70，对半导体衬底、电容器46以及电极48和60进行密封。
电极48和60还作为散热器，即，将来自半导体衬底的热量有效地辐射到外侧的热传递部件。
电容器46包括电极42和44。焊料62将电极48和42相互连接，使得从树脂部分暴露的表面设置在一个相同的连续表面上，该连续表面可以安装冷却器。焊料64将电极60和44相互连接，使得从树脂部分暴露的表面设置在一个相同的连续表面上，该连续表面可以安装冷却器。因此，功率半导体模块11的两个表面都可以容易地连接到散热器。图4示出了一种示例，其中所述一个相同的连续表面是平的。在安装散热器的表面是曲面时，可以将电极42和48的表面形成为与该曲面形状相符，并可以由焊料62将电极42和48进行连接，使电极表面形成连续的表面。
通过将电容器46设置得非常靠近功率半导体元件52并在没有紧固部分的情况下进行连接，可以使传统上用于对这些元件进行连接的母线中的L成分(电感)尽可能地消除，并可以使消除电涌所用的缓冲器电路的效果提高。
功率半导体模块11还包括：端子53，由焊料66连接到电极42，用于取出主电流；端子54，由焊料68连接到电极44，用于取出主电流。电极53和54是母线，它们连接到逆变器的电源线或连接到输出线。
功率半导体模块11还包括控制电极55，控制电极55由导线56电连接到半导体衬底，用于接收对主电流进行控制所用的控制信号作为输入。
电极48和端子53被分开，电极60和端子54也被分开，因此，电容器46可以设置成占据了功率半导体模块的整个厚度，因此可以增大其电容量。
图5示出了图4所示电容器46的详细剖视结构。
图6是图示了电容器46结构的示意性立体图。
参考图5和图6，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚丙烯制成的绝缘膜46A形成层叠关系。绝缘膜46A上形成蒸镀金属层46B(例如铝)。
具体地说，通过缠绕来对两个条状绝缘膜进行层叠，并使两个膜彼此略微偏离。两个绝缘膜在不同位置形成有边缘区46C，即，一个绝缘膜在电极42那侧形成边缘区46C，而另一个绝缘膜在电极44那侧形成边缘区46C。在缠绕之后，通过称为“金属化(metallicon)”的喷制金属，在相反侧形成电极42和44。
尽管已经参考图5和图6对使用薄膜电容器作为电容器46的示例进行了说明，但是也可以使用其他类型的电容器，例如陶瓷多层电容器。
图7是示出安装了冷却器的功率半导体模块的剖视图。
参考图7，除了参考图3和图4所述的功率半导体模块11构造之外，功率半导体模块11还包括用于对电容器46和功率半导体元件52进行冷却的冷却器。冷却器包括：由铝形成的微通道冷却单元84，同时安装到电极42和48中经过树脂部分而暴露的表面，绝缘树脂82置于该冷却单元与这些表面之间；由铝形成的微通道冷却单元88，同时安装到电极44和60中经过树脂部分而暴露的表面，绝缘树脂86置于该冷却单元与这些表面之间。
微通道冷却单元84和88设置成将功率半导体元件52和电容器46保持在它们之间。
薄膜电容器的膜的抗热能力约为95℃，比较低。考虑到必须排出电容器自身产生的热量以及由于电容器因位置尽可能靠近功率半导体元件以有效地作为缓冲器电容器而接收到的热量，冷却是不可缺少的。图7所示设置使得可以同时对功率半导体元件和电容器进行冷却。
注意，电容器C1和二极管21的连接位置可以变成图8所示功率半导体模块11B中那样。具体地说，在图2中，二极管21连接在内侧，电容器C1连接在比它靠外的位置，但如图8所示，也可以将电容器C1连接在内侧，而将二极管21连接在比它靠外的位置。此外，也可以采用如图9所示的功率半导体模块11C，该模块包括IGBT元件Q1和电容器C1，而二极管21连接在外部。
尽管本实施例中已经以IGBT元件作为功率开关元件的示例进行了说明，但是也可以包括MOS晶体管等作为功率开关元件。
如上所述，在本发明的实施例中，缓冲器电容器设置得非常靠近功率半导体元件，从而可以减小互连导线部分的L成分(电感)和电阻成分，并可以减小电涌电压。
此外，缓冲器电容器的温度由于自身发热以及来自功率半导体元件周边的热量而升高，本发明可以同时对缓冲器电容器和功率半导体元件同时进行冷却。
此外，减少了元件数目并使半导体模块变得紧凑，从而处理更加容易，安装和封装更加方便。
尽管已经详细图示和说明了本发明，但是应当明白，这些只是图示和示例方式而不应认为是限制性的，本发明的精神和范围由权利要求项来限定。
Claims (7)
1.一种功率半导体模块，包括：
功率半导体元件；和
电容器，连接到所述功率半导体元件；其中，
所述功率半导体元件和所述电容器二者的电极在所述模块中彼此接合，并且
所述功率半导体元件形成于半导体衬底上，所述半导体衬底具有第一主要表面和第二主要表面；
所述功率半导体模块还包括：
第一电极，接合到所述第一主要表面，主电流流经所述第一电极；
第二电极，接合到所述第二主要表面，主电流流经所述第二电极；
树脂部分，对所述半导体衬底、所述电容器、所述第一电极和所述第二电极进行密封；其中，
所述电容器包括：
第三电极和第四电极；并且
所述第一电极和所述第三电极彼此接合，使得所述第一电极和所述第三电极中经过所述树脂部分而暴露的表面设置在同一连续面上。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，还包括：
冷却器，安装到所述第一电极和所述第三电极中经过所述树脂部分而暴露的表面。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，
所述第二电极与所述第四电极彼此接合，使得所述第二电极与所述第四电极中经过所述树脂部分而暴露的表面设置在同一连续面上。
4.根据权利要求3所述的功率半导体模块，还包括：
冷却器，对所述电容器和所述功率半导体元件进行冷却；其中，
所述冷却器包括：
第一冷却部分，共同地安装在所述第一电极和所述第三电极中经过所述树脂部分而暴露的所述表面上，和
第二冷却部分，共同地安装在所述第二电极和所述第四电极中经过所述树脂部分而暴露的所述表面上。
5.根据权利要求4所述的功率半导体模块，其中，
所述第一冷却部分和所述第二冷却部分设置成从相反的两侧夹住所述功率半导体元件和所述电容器。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，还包括：
第一端子和第二端子，分别接合到所述第三电极和所述第四电极，以取出所述主电流。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，还包括：
控制电极，电连接到所述半导体衬底，并接收用于控制所述主电流的控制信号作为输入。
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