CN101241885B - 功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率半导体模块(1)，其包括配备有至少一个元件(3)的板状衬底(4)和设置用来通过所述衬底(4)从所述元件(3)中散出热的底板(5)。使所述衬底(4)与所述底板(5)保持热接触的支撑装置(6)具有中心的压紧螺栓(8)，邻接该压紧螺栓的是多个在不同方向上延伸的、设置用来接触所述衬底(4)的支柱(9、10)，其中，在所述压紧螺栓(8)未机械加载的状态中各个支柱(9、10)与所述衬底(4)的距离不一致。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率半导体模块，该功率半导体模块包括配备有至少一个元件的衬底，所述衬底借助于支撑装置与散热件保持热接触。
背景技术
从DE3323246A1中公知一种功率半导体模块，该功率半导体模块具有作为散热件的金属底板，该金属底板借助于弹性的粘接用导热膏粘接在衬底、即双侧金属化的陶瓷板上。功率半导体模块的塑料壳具有带支撑的角撑，这些角撑防止衬底的变形。然而，角撑和支撑需要很大的结构空间，由此该结构空间不再供给衬底加载元件所用。
从DE3508456C2中公知的功率半导体模块同样具有角撑，这些角撑与陶瓷衬底机械地共同作用。在这些角撑中设置有用于拧入调整螺钉的螺纹孔。该调整螺钉压在用塑料、例如玻璃纤维强化的热固性塑料制成的中间件上，该中间件粘接在衬底上或元件上。设置在晶闸管或铜圆片上的中间件具有使连接弓穿过至晶闸管门的槽缝。
另一个从EP1083503B1中公知的功率半导体模块具有适用于导热的底板，在该底板上设置着装配有功率半导体芯片的衬底，该衬底可通过压力元件按压在底板上。压力元件具有设置在衬底与接触条之间的可导电的连接元件，所述连接元件设计成接触导线，该接触导线具有弹性的芯和弹性的可导电的外套。所述接触导线在很大程度上需要在衬底上的自由空间。
发明内容
本发明的目的是，提出一种功率半导体模块，其使配备有产生热的元件的衬底特别节省空间地、便于安装地连接在散热件上。
根据本发明，该目的通过这样的功率半导体模块来实现，即该功率半导体模块具有配备有至少一个元件的板状的衬底(尤其是直接铜熔结(DCB)的衬底)和设置用来通过所述衬底从所述元件中散出热的底板。在这里，底板应理解为一切散热的部件，该部件具有表面，衬底直接或间接地(例如通过导热膏隔开地)靠置在该表面上。为了所述衬底与所述底板保持热接触，设置有支撑装置。该支撑装置设计成弹性的并且包括中心的、垂直于衬底延伸地压紧螺栓，邻接该压紧螺栓的是多个在不同方向上延伸的、设置用来接触所述衬底的支柱，其中，在所述压紧螺栓未机械加载的状态中各个支柱与所述衬底的距离不一致。
所述支柱优选地包括中心的、与压紧螺栓对准或一致的支柱以及至少两个基本垂直于所述压紧螺栓延伸的、自身弹性和/或与所述压紧螺栓弹性地柔性连接的侧部的支柱。最后提到的支柱优选相对于穿过压紧螺栓画出的几何轴线旋转对称地设置。在仅两个侧部的支柱的情况下，虽然支撑装置显示为总体非常狭窄的结构类型，但是以大量的支柱可实现大面积的支撑。在任何情况下，在可运行的功率半导体模块中，压紧螺栓这样以垂直作用在衬底上的力加载，即全部的支柱在压紧螺栓与衬底之间传递力。
所述中心的支柱以及侧部的支柱可与所述压紧螺栓一体地例如以塑料注塑法制造。如果功率半导体的壳体同样由塑料制成，则整个支撑装置与壳体或壳体部件、例如壳体盖也可以一体地形成。
支撑装置用来压在平面的衬底上的力优选可调节，例如借助于调节螺钉。附加地或可选地，支撑装置可弹性地安置在背向衬底的侧面上。为此，例如板簧或至少很小弹性的导轨是合适的。
根据优选的设计方案，在支撑装置未机械加载的状态中，即在支撑装置靠置在衬底上而无力作用的情况下，支撑装置的多个侧部的支柱这样设置，即仅侧部的支柱的、与支撑装置的轴线即压紧螺栓的对称轴线离的最远的区域(在理论的极端情况下分别为单个的点)贴靠在衬底上。衬底与各个侧部的支柱(也称为腿)之间的距离朝向所提到的轴线逐渐增大。简而言之，支撑装置的腿至少稍倾斜于衬底的表面地设置。类似地，在支撑装置不是直接支撑在衬底上而是例如支撑在元件上的情况下也是适用的。
在不同的方面，这样的实施例是有利的，在该实施例中至少侧部的支柱、优选所有支柱具有V形的横截面，其中每个支柱的仅一个棱边设置用于贴靠在衬底上。通过衬底与支撑装置的支柱之间的狭窄、几乎线性形状的接触区域，优选一体的支撑装置的弹性的材料特性被充分利用。在由塑料制成的支撑装置中，支柱的随着与衬底的距离逐渐增大而扩展的横截面可使相对大的力施加在衬底上。同时，支撑装置可节省空间地集成在功率半导体模块中。考虑到特别是支柱的弹性的材料特性，支撑装置总体上可这样构造，即在功率半导体运行时所有支柱都以不仅在每个单独支柱内而且在支柱之间比较也是均匀的压力加载衬底。
支撑装置总体上优选设计成电绝缘的部件。在这一方面，用于制造支撑装置的塑料也是特别合适的。如果在个别情况下要求支撑装置具有导电性，则该支撑装置例如可用带有金属外壳套的聚合材料制造。
功率半导体模块例如是电动机软起动器。同样地，半导体继电器或半导体接触器可作为根据本发明的功率半导体模块实施。根据本发明的优点特别在于，支撑装置可以通过弹性的柔性的、朝平面的衬底逐渐变细的支柱施加特别均匀的力，并且同时除了设置用来配备功率半导体，在衬底上仅需要较小的面积。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明的实施例。附图表示：
图1以透视图示出具有支撑装置的功率半导体模块；
图2示出根据图1的功率半导体模块的支撑装置；
图3以截面图示出具有未充分按压在衬底上的支撑装置的功率半导体模块，以及
图4以类似于图3的视图示出具有充分靠置在衬底上的支撑装置的功率半导体模块。
具体实施方式
图1以及图3和4以不同视图示出功率半导体模块1，该功率半导体模块包括多个设置在壳体2中的元件3，即功率半导体元件。单个的元件3位于板状的衬底4上，该衬底设计成直接铜熔结或者说直接铜键合(DCB)衬底。在这种DCB衬底中，以直接熔结的方法在陶瓷板的两侧涂覆铜箔。仅在图3中明确示出的底板5位于衬底4的下面，即在衬底4的与元件3相对的侧面上，底板例如由轻金属制造并且起到散热件的作用，该散热件使在元件3中产生的热通过衬底4散出。底板5可以未示出的方式与散热片连接或者与散热片构造成一体。同样地，底板5可以是由流体介质流过的冷却器或者与这种冷却器导热连接的部件。
为了保持衬底4对底板5的有效的热接触，在壳体2的上侧伸展的、即设置在壳体2的与散热件5相对的侧面上的汇流排7与衬底4之间夹紧有支撑装置6。除汇流排7外，壳体2的上侧是敞开的。支撑装置6例如以注塑方法制造成塑料件并且具有中心的、通常垂直衬底4及底板5并支撑汇流排7的压紧螺栓8，在该压紧螺栓上连接有总共五个支柱9、10，这些支柱贴靠在衬底4上。与压紧螺栓8构造成一体的支柱9、10包括一个中心的、位于压紧螺栓8的直的延长部的支柱9以及四个基本与压紧螺栓8成直角地星形延伸的侧部的支柱10。
图3示出支撑装置6安装在壳体2中的状态，此时压紧螺栓8未被机械地加载。在此，仅侧部的支柱10的外端部上的顶点11靠置在衬底4上。相反，中心的支柱9完全抬离衬底4。如尤其是由图2得知，支柱9、10(也称为支撑装置6的腿)的每一个都具有V形的横截面，其中，仅侧部的支柱10以及中心的支柱9的棱边12、13设置成靠置在衬底4上。代替直接压在衬底4上，在未示出的实施例中支柱9、10也可通过设置在衬底4或元件3上的中间件(如原理上例如从DE3508456C2中公知)压在衬底上。在这种情况下，对于支撑装置6的功能方式，不是支柱9、10与衬底4之间的距离而是支柱9、10与作为力传递元件用的中间件之间的距离起作用。
侧部的支柱10的每一个一方面本身具有轻微的弹性并且另一方面与压紧螺栓8弹性地连接，压紧螺栓预设有力F以进行加载。在侧部的支柱10连接在压紧螺栓8上的区域中设计有加强结构14，这些加强结构分别与两个侧部的支柱10相互连接。通过尤其是这种加强结构14的变型，支撑装置6的弹性特性可以简单的方式与在个别情况下存在的边界条件、例如衬底4的机械特性适配。压紧螺栓8具有在轴向方向、即在力F的方向上延伸的肋15，以便使压紧螺栓的表面机械稳定化。
如果用力(例如通过未示出的、拧入到汇流排7中的调节螺钉)朝向底板5加载压紧螺栓8，则四个相对于压紧螺栓8对称设置的、弹性铰接在压紧螺栓上的侧部支柱10由在图3中示出的位置过渡到在图4中示出的最终位置，图4示出在功率半导体模块1的按规定运行中的布置。此时，侧部的支柱10的棱边12以及中心的支柱9的棱边13充分地并且以均匀压力载荷贴靠在衬底4上。由此，尽管棱边12、13构造地狭长，还是由支撑装置6将相对大范围的力导入提供到衬底中。同时，由于支柱9、10的V形状，支撑装置6仅要求在装配有元件3的衬底4上的小的面积。
Claims (9)
1.一种功率半导体模块，具有配备有至少一个元件(3)的板状衬底(4)和设置用来通过所述衬底(4)从所述元件(3)中散出热的底板(5)，并且具有使所述衬底(4)与所述底板(5)保持热接触的支撑装置(6)，其中，所述支撑装置(6)具有弹性的特性并且包括中心的压紧螺栓(8)，邻接该压紧螺栓的是多个在不同方向上延伸的、设置用来接触所述衬底(4)的支柱(9、10)，其中，在所述压紧螺栓(8)未机械加载的状态中各个支柱(9、10)与所述衬底(4)的距离不一致，并且其中所述支撑装置(6)包括中心的、位于所述压紧螺栓(8)的延长部上的支柱(9)以及多个垂直于所述压紧螺栓(8)延伸的、与所述压紧螺栓(8)弹性地柔性连接的侧部的支柱(10)，并且至少所述侧部的支柱(10)具有V形的横截面以及设置有用于贴靠在所述衬底(4)上的支柱(9、10)的棱边(12)。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述中心的支柱(9)与所述压紧螺栓(8)以及侧部的支柱(10)一体地由塑料制成。
3.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，在所述压紧螺栓(8)的未机械加载的状态中，所述中心的支柱(9)与所述衬底(4)的距离比所述侧部的支柱(10)与所述衬底(4)的距离更远。
4.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征在于，在所述压紧螺栓(8)的机械未加载状态中，所述侧部的支柱(10)与所述衬底(4)的距离朝向所述中心的支柱(9)递增。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于，所述衬底(4)设计成直接铜熔结(DCB)衬底。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于，所述压紧螺栓(8)在其与所述支柱(9、10)相对的侧上支撑汇流排(7)。
7.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其特征在于，所述压紧螺栓(8)在其与所述支柱(9、10)相对的侧上支撑汇流排(7)。
8.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其特征在于，所述汇流排(7)固定在容纳至少一个元件(3)的壳体(2)上，所述壳体在所述汇流排(8)设置的那一侧是开放的。
9.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，所述汇流排(7)固定在容纳至少一个元件(3)的壳体(2)上，所述壳体在所述汇流排(8)设置的那一侧是开放的。
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