CN101542720A - 用于功率器件、尤其是功率半导体器件的防爆型模块结构及其制造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率模块、尤其是具有尤其是电子功率半导体器件(1)的至少一个电功率器件的功率模块。在功率半导体器件(1)的底边上和上边上产生用于负载电流的电接触。为了在电子功率半导体器件(1)过载时减小爆炸压力和耗用功率，在电接触的电接触面(9)上构造填充有至少一个导电粒子(5)的空腔(7)。在短路时，首先在功率半导体器件(1)的半导体元件厚度上构造电弧，并且随后由空腔(7)中的填充料承担电流传导。空腔(7)中的填充料优选地为多个球形的导电粒子(5)。在短路时，爆炸压力可以泄露到该填充料中的中间空隙中。此外，金属蒸汽被冷却并被冷凝。为了减小爆炸压力，从空腔(7)向该空腔(7)之外附加地产生通道。通过这种方式，可以阻止功率器件在电过载时损坏其环境。因此例如可以对晶闸管进行改进。

Description

用于功率器件、尤其是功率半导体器件的防爆型模块结构及其制造
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分所述的具有至少一个电功率器件、尤其是电子功率半导体器件的所有功率模块。功率器件是所有可用于大电流或大电功率的电器件或电子器件。然后，说明了针对所有可能的功率器件而举例说明的电子功率半导体器件。
按照传统的方式，功率模块、尤其是具有功率半导体器件的模块借助键合(Bonden)来接触(kontaktieren)。功率半导体模块尤其是具有电子功率半导体器件。这样的电子功率半导体器件被用于为大的耗电器产生可控制的能量，并且能够接通大的负载电流。必须保护功率半导体免受过压、过高的电压升高速度、短路、过高的电流升高速度和热过载的危害。尤其是在耗电器中发生短路时，电子功率半导体器件可由于短路电流而被损坏。在使用传统的键合方法的情况下，在耗电器中发生短路时，在电子功率半导体器件中在非常短的时间内出现非常大的电流。这可导致电子功率半导体器件非常强烈地发热，并且同样可导致熔化。一旦该模块的灌浆由于气体发生而被爆破，通常具有铝的传统的键合线就同样熔化或者被断开。由于电子连接在大电流情况下的断裂，所以立即构成强烈的电弧，该电弧通过爆炸状的发热明显地增强爆破作用，以致相邻的电路部分同样可被机械损坏。在发射极键合区(Emitterbond)爆裂时，栅极键合(Gatebondung)常常保持完好，以致驱动该电弧的电压也可通过栅极线路(Gateleitung)影响栅极控制装置并可损坏该栅极控制装置。在多个功率半导体器件或功率半导体模块并联时，其它功率半导体器件通过驱动电弧的电压借助相应的栅极而被加偏压。虽然由此限制了驱动电弧的电压，但是所述其它功率半导体器件在此过热，因为这些功率半导体器件在通过集电极电势进行控制时具有高的导通电压。这造成所有并联的功率半导体器件被损坏，直至电流完全中断。
为了接通高电压，传统上使用功率半导体器件的串联。
在串联时，作为开关工作的功率半导体器件在故障情况下决不允许保持开路，因为否则在再次接通时施加整个电压。与之相反，作为开关工作的功率半导体器件在故障情况下允许保持导电，因为接着在该串联电路中的其它功率半导体器件上施加整个截止电压。传统上，具有花费高的压力接触的晶闸管或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)被用于该应用，因为该器件类型在熔断时不爆炸，而是构造导电良好的可以继续引导工作电流的焊接区。接触压力通常在100kp/cm2以上。
本发明的任务是：提供功率器件、尤其是电子功率半导体器件(诸如晶闸管或IGBT)来使得这些功率器件尤其是在用于功率模块中时在过载时(例如在短路时)不损坏其环境或周围其它器件。例如应该没有所属的栅极控制装置和/或没有相邻的电路部分和/或没有并联的功率半导体器件被损坏。优选地，功率半导体器件被用在用于接通高电压的串联电路中。
该任务通过根据独立权利要求所述的功率模块得以解决。这样的功率模块根据方法权利要求来制造。
在功率半导体器件发生故障时，爆炸压力可泄露到空腔中的粒子的中间空隙中，或者泄露到在粒子与空腔界线之间的空间中的粒子处。金属蒸汽冷却并被冷凝。优选地，空气附加地处在该空腔中。在电子功率半导体器件中，仅仅最大在该电子功率半导体器件的半导体厚度、尤其是硅厚度上可构造电弧。随后，由所述一个或多个粒子来承担电流传导(Stromfuehrung)。虽然会希望利用金属充填击穿部位，但是来自该电弧的蒸汽流阻碍了该充填。虽然在短路情况下不能可靠地创造持续的电流传导，但是在直至数秒的范围内，该功率模块和该控制装置不会通过爆炸或者栅极线路上的高反向电压而被损坏。在空腔中堆积的多个粒子可被称为装料(Schuettung)。
其它有利的扩展方案在从属权利要求中被找到。
根据有利的扩展方案，在电接触面上构造其它用于进行加固的导电层、尤其是金属层，并在其上构造空腔。该功率器件在上边被覆上20μm至50μm或者100μm或者200μm厚的金属层，诸如覆盖有铜、银或镍。通过这种方式，尤其是提供了机械加固和改进的到电接触面的第二电接触。
根据另一有利的扩展方案，在衬底上产生功率器件并且借助至少一个布置在衬底上的电印制导线来产生朝向该衬底的侧的第一电接触。通过这种方式，构造了非常紧凑的装置。
根据另一有利的扩展方案，在电子功率器件、电印制导线和衬底的围绕所述电接触面或导电层的区域上产生电绝缘层。功率器件上的电绝缘可以例如借助结构化的被层压(auflaminieren)的绝缘膜来制造。在此，对由电绝缘的塑料材料制成的膜的层压在相对应的表面上在真空情况下进行，以致所述膜利用所述一个或多个接触面紧密邻近地覆盖该表面并且附着在该表面上。随后，通过打开该膜中的相应窗来显露该表面上的每个要接触的电接触面，并使每个被显露的接触面与由导电材料制成的层平面接触。在涂敷电绝缘层方面，尤其是应参阅WO 03030247，其内容全部是本申请的内容。
根据另一有利的扩展方案，覆盖层或板在周围被布置在框(Rahmen)上并且该框在周围被布置在电绝缘层和电接触面或导电层上来使得产生空腔并且该板和该电接触面或该导电层彼此具有一定的间距。在此，该框具有较小的高度。该板以到该电接触面的固定间距而被布置在该框上。该框既可以松动地被提供，或者同样也可以与电绝缘层或者与该板相连接。该框同样可以是该绝缘层或该板的组成部分。该板可以作为优选地由导电良好的材料制成的稳定的覆盖层而被实现。
根据另一有利的扩展方案，粒子具有金属、尤其是具有硬质合金。同样可以产生一定的大小分布。特别有利地，所述粒子为球形的。通过这种方式，可以特别均匀地产生装料。因此，在故障情况下，功率模块的特性可以被优化。由硬质合金制成的球均匀地分布压力。优选大量的(例如50到300个)导电粒子。原则上可以自由选择该数目。
根据另一有利的扩展方案，板与电接触面之间的或板与导电层之间的间距约为平均的粒子横截面伸长(Teilchenquerschnittsausdehnung)的三至四倍。一方面通过谨慎地协调功率器件与覆盖层或板之间的间距，而另一方面通过金属粒子的直径及其大小分布，可以从大约为粒子直径的三到四倍的间距起实现均匀的堆积密度。
根据另一有利的扩展方案，为了进一步减小功率器件过载时的爆炸压力，从空腔出发向该空腔之外构造至少一个通道，其中最大通道横截面伸长小于最小粒子横截面伸长。通过所述被填充的空腔和该通道，爆炸压力被减小。
根据另一有利的扩展方案，电接触面、导电层、金属粒子和金属板的所有金属表面都具有防腐蚀的和防氧化的接触金属化(Kontaktmetallisierung)。如果所有这些金属表面都覆上防腐蚀的和防氧化的接触金属化，诸如镍、金、钌、铑、银等，则该功率元件的负载电流可以通过金属装料直接被导向板。因为不存在粘结牢固的(stoffschluessig)连接，所以该接触非常耐受于由于温度变化或者负载变化造成的陈化。
根据另一有利的扩展方案，空腔在压紧力下、尤其是借助压力被安置在用作压板的板上来使得保证了从电接触面或导电层借助金属部分到板的电连接。该压紧力例如处在5至10kP/cm2的范围中。通过这种方式，保证实现附加的电流电路。通过这种方式，同样可以实现新型的接触系统，同样在具有单个功率器件的功率模块的情况下，该新型的接触系统如同在传统的压力接触的情况下那样实现可靠的接触。这仅仅需要与背景技术相比更小的接触压力。通过该附加的电流传导层可以在衬底层上附加地避免多个印制导线。
根据另一有利的扩展方案，功率器件是电子功率半导体器件，诸如晶闸管、三端双向可控硅开关、二极管或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
根据另一有利的扩展方案，借助电绝缘的金属线和/或电绝缘的套管中的金属弹簧来电接触功率半导体器件的栅极。
根据另一有利的扩展方案，功率模块具有多个功率器件，所述功率器件被相邻地布置在衬底上来使得相应的空腔通过共同的导电板来限制。通过这种方式，借助所述共同的导电板来形成附加的电流传导层，以致在该衬底层上可以附加地节省多个印制导线。覆盖板可以在多个功率器件上或者同样可以在整个功率模块上延伸。
根据另一有利的扩展方案，从至少一个空腔向该空腔之外、尤其是通向至少一个相邻空腔构造至少一个用于减小爆炸压力的通道。例如具有硬质合金的球均匀地分布该压力，例如从功率器件到功率器件地将压力均匀地分布到框中的通道上。可以在该框与该结构的其它部分之间产生通道。用于减小爆炸压力的通道仅须小于最小粒子直径。
根据另一有利的扩展方案，压紧力借助用作压板的共同的板而作用到被填充的空腔上。该压紧力可以处在例如5至10kP/cm2的范围内。通过这种方式，实现了一种新型的接触系统来使得保证了从电接触面或导电层借助导电粒子到板的电连接。
根据另一有利的扩展方案，功率器件被电串联，以便接通高电压。
根据另一有利的扩展方案，功率器件被并联控制。通过并联设计的控制概念，例如在短路时，未受损的模块部分可以被切换到持续短路，并且所述功率器件的串联电路继续其工作。
根据另一有利的扩展方案，所述粒子通过至少一个装填通道和/或在安装覆盖层之前被引入到该空腔中。也就是说，在功率器件表面与板之间的框中的容积通过该框中的、板中的装料口或者在安装之前就已经被充填有例如成块的金属粒子、优选地充填有球。因此，简化了空腔的填充。
根据实施例，结合附图对本发明作进一步阐述。
图1示出了根据本发明的功率模块的第一实施例；
图2示出了根据本发明的功率模块的第二实施例。
图1示出了根据本发明的功率模块的第一实施例。根据防爆型模块结构，通过由导电粒子5(例如直径为0.5mm至2mm的金属球)和用于减小压力的通道23构成的填充来泄漏爆炸压力，其中用于减小压力的通道23沿框15产生。根据该实施例，实现了一种功率器件，尤其是实现了一种电子功率半导体器件1，所述电子功率半导体器件1具有在功率半导体器件1的底边上产生的用于负载电流的第一电接触。此外，借助电接触面9，在功率半导体器件1的上边上产生了用于负载电流的第二电接触。功率半导体器件1被布置在衬底19上。朝向衬底19的一侧的第一电接触借助至少一个被布置在衬底19上的电印制导线3而被产生。所述电印制导线例如可以为铜印制导线。同样可以使用可比较的材料。为了在功率半导体器件1过载时减小爆炸压力和耗用功率，在电接触面9上构造了填充有至少一个导电粒子5的空腔7。优选地使用多个导电粒子5。在此，粒子5可以作为装料来产生。粒子5的数目可以例如处在100至1000个粒子5的范围中。粒子5的数目取决于粒子5的大小和空腔7的容积。在功率半导体器件1发生故障时，爆炸压力可以泄漏到导电粒子5之间的中间空隙中，金属蒸汽被冷却并被冷凝。除了所述一个或多个粒子5以外，空气优选地可位于空腔7中。同样可使用可替换的气体。在短路时，仅仅最大在功率半导体器件1的厚度上构造电弧，接着由导电粒子5或多个导电粒子5承担电流传导。原则上可以在空腔7中产生仅仅一个导电粒子5。但是，必须在形状和材料方面实现该导电粒子来使得电流传导可以由导电粒子5来承担。优选地，使用导电粒子5的装料。根据按照图1的实施例，在电接触面9上构造了其它用于进行加固而被构造为金属层的导电层13，并在导电层13上构造了空腔7。利用该金属层13附加地保证了电流传导可以通过所述一个或多个粒子5来承担。此外，爆炸压力从金属层13被转交给导电粒子5的中间空隙。
附加地，在电子功率半导体器件1、电印制导线3和衬底19的围绕电接触面9或金属层13的区域上产生了电绝缘层17。通过这种方式，阻止了与功率半导体器件1并行的电流可以在印制导线3与电接触面9或金属层13之间流动。通过这种方式，在短路时流过功率半导体器件1的短路电流可以由所述一个或多个粒子5来承担。电绝缘层可以例如根据WO 03030247来产生。此外，可以根据WO 03030247来实现层序列：衬底19、印制导线3、功率半导体器件1、电接触面9、金属加固13和绝缘17。下面的步骤被实施：在真空下将由电绝缘的塑料材料制成的膜17层压到衬底19的表面、印制导线3的表面和功率半导体器件1的表面上，以致膜17利用电接触面9紧密邻近地覆盖这些表面并附着在该表面上，通过打开膜17中的相应窗来显露该表面上的每个要接触的电接触面9，并使每个被显露的电接触面9与由导电材料制成的层13平面接触。根据按照图1的实施例，借助板11在框15上产生空腔7。在电绝缘层17上，框15被布置在电接触面9或金属层13周围。通过这种方式，板11和电接触面9或金属层13彼此以一定间距来实现。板11可以例如作为覆盖层来产生。板11可以与模块板或衬底19绝缘地螺栓连接。衬底19可以例如被实现为陶瓷绝缘。导电粒子5尤其是具有金属(尤其是硬质合金)和/或一定的大小分布。此外，粒子5可以是球形的。特别有利的是多个粒子5，这些粒子5尤其是产生装料。特别有利的是，板11与电接触面9或金属层13之间的间距为平均的粒子横截面伸长的三至四倍。为了进一步减小功率半导体器件1过载时的爆炸压力，从空腔7出发向空腔7之外构造至少一个通道23。为了导电粒子5不从空腔7中泄漏，最大通道横截面伸长小于最小粒子横截面伸长。由此，在这种防爆型模块结构中，爆炸压力通过填充导电粒子5和通道23而被泄漏到框15中或者框15上。框15要么松动地被布置在绝缘层17上，要么是绝缘17或者板11的组成部分。特别有利的是，板11作为压板11来提供。通过这种方式，空腔7在压紧力下被安置来使得：尤其是当电接触面9的表面、金属层13的表面、粒子5和板11的表面都具有防腐蚀的和/或防氧化的接触金属化时，保证了从电接触面9或金属层13借助导电粒子5到导电板11的电连接。通过这种方式可实现除了衬底19上的印版导线3的电流传导层之外的电流传导层。电子功率半导体器件1可以例如为晶闸管、三端双向可控硅开关或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。此外，借助电绝缘的导电线和/或电绝缘的套管中的导电弹簧来电接触功率半导体器件1的栅极。此外，图1示出了用于装填粒子5的通道21。通道21在装填之后被关闭或者在缩小后被用作用于减小爆炸压力的通道23。
图2示出了根据本发明的功率模块的第二实施例。多个电子功率半导体器件1相邻地被布置在衬底19上来使得相应所属的空腔7通过共同的导电板11来限制。图2示出了衬底19，该衬底19例如由陶瓷产生。附图标记3示出了电印制导线，例如铜印制导线。附图标记17示出了三个功率半导体器件1的共同的绝缘层17。在所述三个电子功率半导体器件1上分别产生了框15和共同的导电压板11。该压板可以作为金属压板11被产生。附图标记21示出了用于填充导电粒子5的装填通道。根据图2，从至少一个空腔7出发向空腔7之外到至少一个相邻空腔7构造了至少一个用于减小压力的通道23。压紧力借助用作压板的共同的导电板11而作用到空腔7上。如果电接触面9的表面、金属层13的表面、粒子5和板11的表面具有防腐蚀的和/或防氧化的接触金属化，则可保证从电接触面9或金属层13借助导电粒子5到板11的电连接。通过这种方式，为多个电子功率半导体器件1实现附加的电流传导层。图2示出了以连续的、传导的压板11作为引导电流的层的多功率半导体器件模块。框15被固定地布置在功率半导体器件绝缘17上，用于保障电绝缘和产生泄露距离。导电粒子5(此处例如为球)的装填通过共同的通道21进行。通道21在填充之后可以被关闭，或者在横截面上被缩小成用于减小爆炸压力的通道23。根据有利的扩展方案，电子功率半导体器件1被电串联。通过这种方式，可以接通高电压。此外，电子功率半导体器件1特别有利地被并联控制。通过这种方式，在短路时，未受损的功率半导体器件1可以被切换到持续短路，并且电子功率半导体器件1的串联电路可以继续其工作。在故障情况下，开关允许保持导电，因为完好的功率半导体器件1接着在该串联电路中可以承担整个截止电压。通过这种方式，同样避免损坏控制装置。

Claims (19)

1.一种功率模块，其具有至少一个电功率器件、尤其是电子功率半导体器件(1)，所述至少一个电功率器件具有在功率器件的底边上产生的用于负载电流的第一电接触和借助电接触面(9)在功率器件的上边上产生的用于负载电流的第二电接触，其特征在于，
为了在功率器件过载时减小爆炸压力和耗用功率，在电接触面(9)上构造了充填有至少一个导电粒子(5)的空腔(7)。
2.根据权利要求1所述的功率模块，
其特征在于，
在电接触面上(9)上构造了其它用于进行加固的导电层(13)、尤其是金属层，并在该导电层(13)上构造空腔(7)。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块，
其特征在于，
在衬底(19)上产生功率器件，并且借助至少一个布置在衬底(19)上的电印制导线(3)产生朝向衬底(19)的侧的第一电接触。
4.根据前述权利要求1至3之一所述的功率模块，
其特征在于，
在电子功率器件、电印制导线(3)和衬底(19)的围绕电接触面(9)或层(13)的区域上产生电绝缘层(17)。
5.根据权利要求4所述的功率模块，
其特征在于，
借助板(11)在框(15)上产生空腔(7)，并且在电绝缘层(17)上，该框15被布置在电接触面(9)周围，其中板(11)与电接触面(9)彼此具有一定的间距。
6.根据权利要求1至5之一所述的功率模块，
其特征在于，
粒子(5)具有金属、尤其是硬质合金和/或具有一定的大小分布，和/或粒子(5)为球形的，和/或多个粒子(5)被使用。
7.根据权利要求5或6所述的功率模块，
其特征在于，
板(11)与电接触面(9)之间的间距约为平均的粒子横截面伸长的三至四倍。
8.根据权利要求1至7之一所述的功率模块，
其特征在于，
为了进一步减小功率器件过载时的爆炸压力，从空腔(7)出发向该空腔(7)之外构造至少一个通道(23)，其中最大的通道横截面伸长小于最小的粒子横截面伸长。
9.根据权利要求1至8之一所述的功率模块，
其特征在于，
电接触面(9)的表面、层(13)的表面、粒子(5)和板(11)的表面都具有防腐蚀的和防氧化的接触金属化。
10.根据权利要求5至9之一所述的功率模块，
其特征在于，
所述空腔(7)在压紧力下、尤其是借助压力被安置到用作压板的板(11)上来使得保证了从电接触面(9)或层(13)借助导电粒子(5)到板(11)的电连接。
11.根据权利要求1至10之一所述的功率模块，
其特征在于，
电子功率半导体器件(1)是晶闸管、三端双向可控硅开关、二极管或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
12.根据权利要求1至11之一所述的功率模块，
其特征在于，
借助电绝缘的导电线和/或电绝缘的套管中的导电弹簧来电接触功率半导体器件(1)的栅极。
13.根据权利要求2至12之一所述的功率模块，
其特征在于，
多个功率器件相邻地被布置在衬底(19)上来使得相应的空腔(7)通过共同的导电板(11)来限制。
14.根据权利要求13所述的功率模块，
其特征在于，
从至少一个空腔(7)出发向空腔(7)之外、尤其是通向至少一个相邻空腔(7)来构造至少一个用于减小爆炸压力的通道(23)。
15.根据权利要求13或14所述的功率模块，
其特征在于，
压紧力借助用作压板的共同的导电板(11)而作用到空腔(7)上。
16.根据权利要求13至15之一所述的功率模块，
其特征在于，
所述功率器件被电串联。
17.根据权利要求13至16之一所述的功率模块，
其特征在于，
所述功率器件被并联控制。
18.一种用于制造根据前述权利要求1至17之一所述的功率模块的方法，该方法具有步骤：
-产生在功率器件的底边上产生的用于负载电流的第一电接触，
-产生借助电接触面(9)在功率器件的上边上构造的用于负载电流的第二电接触，以及
-产生在所述功率器件过载时用于减小爆炸压力和用于耗用功率的空腔(7)，所述空腔(7)被布置在电接触面(9)上并填充有至少一个导电粒子(5)。
19.一种用于制造根据权利要求18所述的功率模块的方法，
其特征在于，
通过至少一个装填通道(21)和/或在安装板(11)之前，导电粒子(5)被引入空腔(7)中。
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