CN101436585A - 包括衬底和压力装置的功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率半导体模块，包括一个衬底、一个外壳、以及一个压力装置，其中衬底具有一个绝缘材料体和在其上设置的带有负荷电位和辅助电位的一些结构化印制导线，并且其中衬底在结构化印制导线的区域中在至少两个不被功率半导体元件覆盖的区域上具有凹坑。此外，压力装置在其朝向衬底的侧面在至少两个位置上具有配设于凹坑的并且形锁合和/或力锁合地设置在该凹坑中的止动凸鼻。

Description

包括衬底和压力装置的功率半导体模块
技术领域
本发明涉及一种紧凑式压力接触的无底板的功率半导体模块，包括一个框架式绝缘外壳，和至少一个衬底以及一个压力装置。
背景技术
如其例如在DE 197 19 703 A1中已知的功率半导体模块构成本发明的一个出发点。按照现有技术，这种类型的功率半导体模块由一个外壳与至少一个设置在其内的电绝缘的衬底组成，该衬底优选是用于直接安装在冷却构件上的。上述衬底本身由一个绝缘材料体组成，它包括大量位于其上的相互绝缘的结构化的金属连接导线以及位于其上的并线路正确地与这些连接导线连接的功率半导体元件。此外，已知的功率半导体模块具有用于外部的负荷接线和辅助接线的接线元件以及内置的连接元件。
同样已知的是如其在DE 199 03 875 A1或者DE 101 27 947 C1中所公开的压力接触的功率半导体模块。
在首先提到的专利文件中，功率半导体模块具有一个压力装置，该压力装置由一个用于引导压力的稳定的压力元件组成，在此该压力元件具有一个有利的重量与稳定性的比例，并且为此是作为一个带有内置金属芯的塑料成型体设计的，并且此外具有电绝缘的绝缘套管。此外，该压力装置具有一个用于蓄压的弹性缓冲垫元件，以及一个用于将压力引导到衬底表面的单独区域上的桥元件。弹性缓冲垫元件在此用于在不同的热载荷下以及在功率半导体模块的整个寿命周期中保持恒定的压力比。上述桥元件优选构造为一个带有一个朝向缓冲垫元件的表面的塑料成型体，许多压力指销从该表面出发向着衬底表面的方向延伸。衬底借助于一个这种类型的压力装置优选被压到一个冷却构件上，并且由此在衬底和冷却构件之间建立持续可靠的热传导。
在DE 101 27 947 C1中已知一种功率半导体模块，其中负荷接线元件是这样构成的，即其按区段紧密相邻地垂直于衬底表面延伸并且具有从那里出发的内部接触装置，该接触装置建立与印制导线的电接触并且同时在衬底上施加压力，并且因此优选建立其对冷却构件的热接触。压力在此是例如通过按照现有技术的上述装置被导入。
这里的不利影响是，在这样成型出的无底板的功率半导体模块中，当内部接触装置与衬底的印制导线导入压力地触点接通时，电绝缘衬底由于缺少一个底板在安装过程中不能被防止相对框架式外壳的扭转。衬底的扭转过程对外壳的力作用可能导致在安装期间衬底的损坏，并且因此导致效率的损失甚至功率半导体模块的破坏。
此外已证实不利的是，在这样的功率半导体模块中，其具有作为负荷接线元件和辅助接线元件的弹簧接触元件，这些弹簧接触元件通过压力引导和它的内部接触装置在结构化的印制导线的侧滑，并且造成触点损耗，这可以导致功率半导体模块的效率降低，在极端情况下可以导致它的完全失效。
发明内容
本发明基于的目的是，提供一种功率半导体模块，它包括一个压力装置和一个衬底，其中衬底被固定以防止在安装过程中扭转，并且该功率半导体模块能够简单和低成本地制造。
按照本发明上述目的通过权利要求1的特征实现。优选的实施形式是在从属权利要求中阐述的。
本发明的思想的出发点是功率半导体模块的需求，它包括一个衬底、至少一个待设置的并且线路正确地待连接的功率半导体元件、以及一个带有压力装置和导向外部的负荷接线元件与辅助接线元件的外壳。上述衬底具有一个绝缘材料体，其中在该绝缘材料体的一个朝向功率半导体模块内部的主表面上设置了带有负荷电位的一些结构化印制导线。此外该衬底具有用于控制功率半导体元件的带有辅助电位的结构化印制导线。
压力装置由一个导入压力的压力元件组成，其优选同时构成外壳的盖，并且此外优选由一个用于将压力引导到设置在衬底上的印制导线上的桥元件组成，它具有用于穿过负荷接线元件的通道式凹槽，并且此外优选具有许多向着衬底表面方向的压力指销。另外压力装置优选具有一个用于蓄压和保持恒定压力比的弹性缓冲垫元件。导入压力的元件和桥元件例如也可以是设计成一体式的而不带缓冲垫元件。同样，桥元件例如可以与功率半导体模块的框架式外壳一体地成型。
此外功率半导体模块具有负荷接线元件，分别设计为金属成型体，带有外部和内部的接触装置。各个负荷接线元件的各自的外部接触装置优选平行于衬底表面并且与其间隔地设置。内部接触装置从外部接触装置出发，优选垂直于衬底表面通过在桥元件中的通道式凹槽延伸，并且在那里线路正确地构成负荷连线的触点。作为另一个优选的构造可能性，负荷接线和辅助接线被作为导电的弹簧接触元件而设置。
优选是在衬底上结构化印制导线的区域中在至少两个不被功率半导体元件覆盖的区域内存在凹坑，并且相应地在压力装置的朝向衬底的侧面上，优选桥元件的一个压力指销在至少两个位置上存在相应于凹坑配设的止动凸鼻。在此一个凹坑和相应配设的止动凸鼻的最大面积受限于一个压力指销的朝向衬底的侧面的最大面积。在此，一个凹坑的深度和相应地该凹坑配设的一个止动凸鼻的高度至少为在衬底上设置的印制导线的深度的20％。此外，一个该凹坑配设的止动凸鼻的深度在它的最大范围内被限定为整个衬底的深度的100％。
在此有利的是，在接触装置和衬底之间的力锁合借助于压力装置同时没有其它费用地实现了至少两个凹坑与相应于这两个凹坑配设的至少两个止动凸鼻的形锁合和/或力锁合，因此根据本发明的思想避免了衬底相对外壳的扭转。
此外有利的是，凹坑的制备能够无须其它费用地在印制导线的结构化的过程中实现。相应地，相应于凹坑配设的止动凸鼻的制备能够无须其它费用地在制造优选设计为塑料体的桥元件的过程中实现。
此外有利的是，当内部接触装置在其朝向衬底的侧面上被加载一个止动凸鼻，并且一个相应地配设的凹坑被设置在衬底上时，弹簧接触元件的内部接触装置的侧滑能够被避免。
附图说明
这种结构的特别优选的改进构造在实施例的相应描述中提及。借助附图1到6中的实施例进一步解释本发明的解决方案。附图中：
图1示出按照本发明的功率半导体模块的简视图；
图2示出按照本发明的功率半导体模块的第一构造的局部放大的侧视图；
图3示出按照本发明的功率半导体模块的另一构造的局部放大的侧视图；
图4示出按照本发明的功率半导体模块的另一构造的局部放大的俯视图；
图5示出一个按照本发明的功率半导体模块的包括外壳的简视图和按照本发明的局部放大视图；以及
图6示出一个按照本发明的功率半导体模块的另一构造。
具体实施方式
图1示出一个简示的无底板的功率半导体模块，包括一个带有绝缘材料体10的衬底1和设置在衬底上的结构化印制导线2a、2b、以及设置在印制导线上的功率半导体元件3a、3b。此外，功率半导体模块具有一个带有导入压力的元件40以及一个桥元件42的压力装置4；此外该压力装置附加地具有一个用于蓄压和保持恒定压力比的缓冲垫元件44。在此，上述桥元件42优选由一个带有许多朝向衬底的压力指销420、422、424的塑料体组成。此外功率半导体模块具有一个(在这里通过虚线示意表示的)外壳9。
设置在衬底1上的印制导线2a、2b具有负荷电位和辅助电位，它们用于与引向外部的负荷接线50、52、54和辅助接线60、62的电触点接通。在此，在所设置的印制导线2a、2b与负荷接线和辅助接线之间的电触点接通通过内部的接触装置500、520、540实现，它们按区段地垂直于衬底表面通过通道式凹坑在桥元件中引导。
按照本发明的至少两个凹坑7a-d位于衬底的结构化印制导线上的至少两个不被功率半导体元件覆盖的区域上。一些凹坑是例如圆柱形的，其它的是拱顶形、截顶圆锥形或者十字形构造的(在这里横截面不能区别地示出)。此外，一些凹坑7a、7c、7d的深度为所设置的结构化印制导线的厚度50％，其它的凹坑7b的深度为整个衬底的厚度的70％。
按照本发明的至少两个止动凸鼻8a-d与按照本发明的凹坑7a-d相应配位地位于至少一个压力指销的朝向衬底的侧面上。
图2示出按照本发明的功率半导体模块的一个第一构造的局部放大的侧视图，包括一个带有绝缘材料体10的衬底1和设置在该衬底上的结构化印制导线2a、2b以及一个按照本发明的凹坑7a，该凹坑在此是截顶圆锥形构造的，并且设有一个为衬底的整个厚度的70％的深度。此外示出的是，一个垂直地伸向衬底表面方向的桥元件42的一个压力指销420和一个相应于凹坑7a配设的止动凸鼻8a，其与一个压力装置4(在此没被示出)结合得到与衬底中凹坑的一个力锁合的连接(图2右图)。在此，止动凸鼻的深度没有达到凹坑的深度的100％，而留有一个剩余容积70。
图3示出按照本发明的功率半导体模块的另一构造的局部放大的侧视图，包括一个带有一个绝缘材料体10的衬底1和设置在衬底上的印制导线2a、2b。在此，桥元件42具有两个止动凸鼻8c。通过相应中断印制导线2a、2b，两个凹坑7d在衬底上被构建。止动凸鼻8c被这样设置到这两个凹坑7d中，使得尽管凹坑7d本身设计为比它所配设的止动凸鼻8c更宽，印制导线2c的在两个止动凸鼻8c之间保留的部分与两个止动凸鼻8c达到一种形锁合及力锁合的连接(图3右图)。
图4示出一个按照本发明的功率半导体模块1的一个衬底1的一个局部的俯视图，包括设置在衬底上的结构化印制导线2a、2b以及一个绝缘材料体10，该绝缘材料体在俯视图中只在印制导线结构化的区域中是可见的。此外示出的是一个示例性的半导体元件3a、以及两个按照本发明的凹坑7a、7b，这两个凹坑在两个不被功率半导体元件覆盖的区域上例如被设置在衬底的所设置的结构化的印制导线中的一个印制导线2a上，其中按照本发明的凹坑在此是例如圆柱形构造的。
图5示出的是一个按照本发明的功率半导体模块的另一个简示的构造，包括一个框架式的外壳9、一个带有绝缘材料体10的衬底1、和设置在衬底上的结构化印制导线2a、2b、以及设置在印制导线上的功率半导体元件3a、3b。此外，负荷接线元件50、52、54是作为金属成型体构建的，这些负荷接线元件各具有一个平行于衬底表面的带状区段并且构成一个堆叠，并且各个负荷接线元件通过一个必需的绝缘体15、17彼此间隔。必需的辅助接线元件出于清楚的原因在这个剖视图中未被示出。
在此，压力装置4配备有一个导入压力的元件40和一些负荷接线，其将压力引导到衬底上。在此，直接借助于负荷接线的内部接触装置对衬底1的结构化印制导线2a、2b上发生力锁合。在此，按照本发明的至少两个凹坑7a、7b和它们所配设的止动凸鼻8a、8b是拱顶形构造的，其中所配设的止动凸鼻安置在负荷接线50、52、54的内部接触装置500、520、540的朝向印制导线的侧面上。
图6示出一个按照本发明的功率半导体模块的另一个简示的构造，包括一个带有绝缘材料体10的衬底1、和设置在衬底上的结构化印制导线2a、2b、以及设置在印制导线上的功率半导体元件3a、3b。在此，压力装置4是作为一个导入压力的元件40和一个桥元件42构造的，其中桥元件是与功率半导体模块的框架式外壳9成一体地构造的，并且压力装置由于弹簧接触元件的柔弹性而放弃了缓冲垫元件。此外，负荷接线元件50、52和辅助接线元件60是作为弹簧接触元件构造的，其中对结构化印制导线的电触点接通是通过内部的接触装置54构建的，它们按区段地垂直于衬底表面通过在桥元件42中的通道式凹槽引导。按照本发明的至少两个凹坑7a、7b和它们所配设的止动凸鼻8a、8b是圆柱形成型的，并且深度为整个衬底1的厚度的30％。
可选则或者附加地，在弹簧接触元件50对结构化印制导线的内部触点接通部位上设置止动凸鼻80a、80b，这些止动凸鼻又相应地与所配设的印制导线上的配设于该止动凸鼻的凹坑70a、70b达成一种形锁合和力锁合的连接。上述止动凸鼻80a、80b在这里示出的弹簧构造中可以是作为弹簧体的延伸部构建的。在未示出的螺旋弹簧时，该螺旋弹簧是例如由金属丝构成的，内部的触点接通部本身可以构成止动凸鼻，该触点接通部是作为直的导线段构建。

Claims (10)

1.一种功率半导体模块，包括至少一个带有至少一个半导体元件(3a、3b)的衬底(1)、一个外壳(9)、一个压力装置(4)以及引向外部的一些负荷接线元件(50、52、54)和辅助接线元件(6、60、62)，其中衬底(1)具有一个绝缘材料体(10)，并且在其朝向功率半导体模块内部的第一主表面上设置带有负荷电位和辅助电位的一些印制导线(2a、2b)，其中衬底的朝向功率半导体模块内部的主表面在所设置的印制导线(2a、2b)的区域中在至少两个不被功率半导体元件所覆盖的区域上具有至少两个凹坑(7a、7b、7c、7d)，并且压力装置(4)在其朝向衬底的侧面在至少两个位置上具有配设于凹坑的、并且形锁合和/或力锁合地设置在该凹坑中的止动凸鼻(8a、8b、8c、8d)。
2.如权利要求1所述的功率半导体模块，其中，压力装置具有一个弹性的缓冲垫元件(44)，该缓冲垫元件设置在一个导入压力的压力元件(40)和一个桥元件(42)之间。
3.如权利要求2所述的功率半导体模块，其中，桥元件(42)构成为一个塑料体，它具有一个朝向缓冲垫元件(44)的平面的分体，许多压力指销(420、422、424)从其出发向着衬底表面的方向地设置。
4.如权利要求1所述的功率半导体模块，其中，止动凸鼻是截顶圆锥形或者拱顶形或者圆柱形或者十字形或者平台形地构造的，并且配设于止动凸鼻的凹坑(8a、8b、8c)相应地成型以容纳该止动凸鼻。
5.如权利要求2所述的功率半导体模块，其中，负荷接线元件(50、52、54)按区段地垂直于衬底表面通过桥元件(42)的通道式凹槽地设置，并且在朝向衬底(1)的侧面上具有用于与设置在衬底上的印制导线(2a、2b)电触点接通的接触装置(500、520、540)。
6.如权利要求2所述的功率半导体模块，其中，外壳(9)在侧面框架式包围桥元件(42)以及所述至少一个衬底(1)。
7.如权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述导入压力的压力元件(40)构成功率半导体模块的上部的封闭件。
8.如权利要求1所述的功率半导体模块，其中，凹坑(7a、b、c、d)的最小深度为衬底(1)的厚度的20％并且其最大深度为衬底(1)的厚度的100％。
9.如权利要求1所述的功率半导体模块，其中，配设于凹坑的止动凸鼻(8a、b、c、d)的最小深度为衬底(1)的厚度的20％并且其最大深度为衬底(1)的厚度的100％。
10.如权利要求1所述的功率半导体模块，其中，至少一个负荷接线元件(50、52、54)本身构成压力装置(4)的一部分。
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