CN101740554A - 具有控制功能和集成的变换器的功率半导体模块 - Google Patents

具有控制功能和集成的变换器的功率半导体模块 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种具有控制功能和集成的变换器的功率半导体模块，其具有衬底和设置在此衬底上的多个彼此电绝缘的导体线路，并具有设置在此衬底上的功率半导体元件，还具有连接装置，此连接装置由至少两个导电层和至少一个电绝缘层的交替的层序列组成，用来适于电路地连接功率半导体元件、导体线路和/或外部接触装置。这些导电层构成连接线路，并且其中，设置有至少一个变换器，此变换器集成地并因而由连接装置的组成部分构成。变换器由至少一个发送器线圈和至少一个接收器线圈构成，它们分别彼此同轴地设置并构造有螺旋状的绕组。

Description

具有控制功能和集成的变换器的功率半导体模块
技术领域
本发明涉及一种具有控制功能的功率半导体模块，其中，不仅功率半导体元件是功率半导体模块的组成部分，而且配属的驱动器电路的一部分也是功率半导体模块的组成部分。功率半导体模块的整个驱动器电路(至少用于超过100V的较高电压)大多具有两个电势分开的电路部分(即初级侧和次级侧)。为了在这些电路部分之间的信号传递还有电压供应，通常使用变换器。典型的是，这种变换器与变压器类似，构造带有两个线圈和连接这两个线圈的芯线。
背景技术
而同样地，由DE 101 00 282 A1也公知如下的变压器，用来设置在半导体上，且不具连接两个线圈的芯线。而因此，这种变压器的效率也更低。
此外，例如由DE 103 55 925 A1公知如下的连接装置，此连接装置由导电层和绝缘层的交替的序列构成，用来适于电路地连接功率半导体模块的电路布置。在这里，对导电层进行结构化，并因此构成彼此电绝缘的连接线路。这种连接装置对于功率半导体模块的紧凑结构尤为优选。同样公知的是，在这种连接装置上设置控制组件(Steuerbaustein)，并将对于控制组件的功能必要的电阻和电容器设置在导电层上。
例如由DE 10 2006 021 412 A1同样公知，控制功能集成在功率半导体模块中。在这里，在通常设置用于功率半导体元件布置的、带有处于那里的导体线路的衬底上，设置有控制组件和如必要时设置有其它元件，诸如电阻和电容器，并借助导体线路适于电路地连接。而其它元件通常设置在功率半导体模块的外部，所述其它元件首先是指那些尺寸大于功率半导体元件的元件。
发明内容
本发明的任务是，说明一种功率半导体模块，其它的控制功能集成在此功率半导体模块上。
按本发明，此任务通过具有权利要求1特征的功率半导体模块得以实现。在从属的权利要求中描述了优选的实施例。
本发明的出发点是功率半导体模块，该功率半导体模块具有衬底，还具有多个设置在衬底上的相互电绝缘的导体线路，以及具有设置在衬底上的功率半导体元件。这些功率半导体元件与衬底的各配属的导体线路导电地相连。
为了进一步适于电路地连接功率半导体元件、导体线路和/或外部接触装置，功率半导体模块具有连接装置。在此，至少两个导电层和至少一个设置在所述导电层之间的电绝缘层的交替的层序列起到连接装置的作用。为此，导电层自身进行结构化并构成彼此电绝缘的连接线路。
功率半导体模块还具有控制功能，借助其通过位于外部的信号来控制功率半导体模块的功率半导体元件。为此，在连接装置的至少一个导电层上设置有控制组件并优选同样设置有其它元件，诸如电阻和电容器。所述至少一个的控制组件和其它元件借助连接线路进行电触点接通。
按本发明，功率半导体模块具有至少一个集成地由连接装置构成的变换器，此变换器借助连接线路与控制组件导电地连接。所述至少一个变换器集成地由连接装置的组成部分构成。变换器的绕组特别地由连接装置的连接线路构成。优选的是，变换器由至少一个发送器线圈和至少一个接收器线圈构成，它们分别呈螺旋状地构成并且彼此同轴地布置。原则上，多于一个的绕组可由连接装置的导电层的连接线路构成。而变换器的绕组优选位于连接装置的不同导电层上。
附图说明
在对实施例的相应描述中提及功率半导体模块的特别优选的改进方案。此外，借助图1至4的实施例来进一步阐述本发明的解决方案。
图1示出了按本发明的功率半导体模块的高度示意化的剖面图；
图2在俯视图以及剖面图中示出了功率半导体模块的按本发明的第一构造方案的概要图；
图3示意性地在剖面图中示出了功率半导体模块的按本发明的第二构造方案的概要图；
图4示意性地在俯视图以及剖面图中示出了功率半导体模块的按本发明的第三构造方案的概要图。
具体实施方式
图1示出了按本发明的功率半导体模块的高度示意化的剖面图，此功率半导体模块具有连接装置6。在此示出了衬底2，此衬底2作为所谓的直接敷铜(DCB)(direct copper bonding)衬底或集成金属衬底IMS(integrated metal substrate)的衬底而被公知并经常被使用，但不应该意味着局限于这种衬底。这个衬底2具有绝缘的片层，该绝缘的片层带有布置于其上的导体线路。在此，这些导体线路之一承载着未被封装(ungehaust)的半导体元件4，例如功率晶体管，如同其经常用于控制三相交流电动机的那样。
为了在承载着半导体元件4的导体线路与半导体元件4的第一主平面上的接触面之间建立导电的连接，优选设置有烧结金属层。此烧结金属层在制造的烧结过程期间，由溶剂和贵金属絮状物(Edelmetallflocke)组成的悬浮物生成，紧接着表现出可靠性高的导电连接。
半导体元件4(此处为功率晶体管)的第二主平面具有两个接触面，这两个接触面与连接装置6用于导电的连接，其中此连接也优选构成为烧结连接。连接装置6也同样具有接触面20，此接触面20带有衬底2的导体线路。
在此，连接装置6自身具有交替设置的、由三层组成的结构(参见图2)，其中，层序列自衬底起来看，以第一导电层开始，在第一导电层上是第一绝缘层，然后又跟随有第二导电层。第一导电层主要用来实现功率半导体元件4的负载连接，而在这里更薄地构造的第二导电层用来传导控制信号。
控制信号，亦即负载电流借助外部的接触装置10(在此处示意性地构成为螺钉连接)馈入连接装置6中。在此，不是将准备好的控制信号全部馈入，而只是将基本的控制指令馈入，此控制指令借助控制功能转换成相应的控制信号，此控制功能按发明是功率半导体模块集成的组成部分。为此，控制组件8以及其它未示出的元件(如电阻和电容器)设置在第二导电层上。此外，为了实现电势分离的电平转化，变换器70集成在连接装置6自身上。
图2在俯视图和剖面图中示出了功率半导体模块的按本发明的第一构造方案的概要图。在此只示出了连接装置6的一部分，带有集成的变换器70。此变换器70具有各一个发送器线圈76和接收器线圈72，它们彼此同轴地设置。因为发送器线圈76和接收器线圈72的各个绕组都位于一个平面内，所以它们构成为正方形的螺旋，在螺旋的外部起始部位上分别具有第一接触位置720、760，并且在螺旋的内部分别具有第二接触位置722、762。
发送器线圈76和接收器线圈72的绕组由连接线路64a构成，并因此在工作过程中以连接装置6的余下的连接线路60、64来制造，即也以连至各线圈的各第一接触位置720、760的输入线路来制造。为了使第二接触位置722、762与各其它的连接线路64b相连，在此设置有接合连接，优选为引线接合连接764。
在变换器70的这个结构中，各个线圈72、76的绕组设置在连接装置6的相同的导电层64(此处指第二导电层)上，并以如下方式彼此相互插入(verschachtelt)，即，发送器线圈76的螺旋状连接线路在其旁侧位置上与连接装置的表面平行地与接收器线圈72的螺旋状连接线路交替变换。通过将构成线圈72、76的绕组的连接线路保持间距来实现两个线圈72、76相互间的电绝缘。
图3在剖面图中示意性地示出了功率半导体模块的按本发明的第二构造方案的概要图。在此又只示出了连接装置6的一部分，带有集成于其中的变换器70。此变换器70具有各一个发送器线圈76和接收器线圈72，它们彼此同轴地设置。而发送器线圈76和接收器线圈72的各圆螺旋状绕组位于连接装置6的不同导电层60、64上的不同平面内。此外，与按图2的图示相对地，发送器线圈76和接收器线圈72在这个构造方案中具有不同数目的绕组。
在此，通过连接装置6的绝缘层61、63实现了两个线圈72、76相互间的电绝缘。由连接线路构成的各绕组的其它基本构造与图2所示的情形相同。
为了连接线圈72、76的各第二接触装置722、726，连接装置6具有另一导电层62，导电层62的连接线路构成连至各第二接触位置722、762的输入线路。为此，所述另一导电层62设置在余下的两个导电层60、64之间，并分别通过绝缘层61、63与导电层60、64隔开。绝缘层61、63中的每一个还具有各一个电镀的通孔(Durchkontaktierung)726、766，用来导电地连接各第二接触位置722、762与另一导电层62的各自配属的连接线路62。
图4示意性地在俯视图和剖面图中示出了功率半导体模块的按本发明的第三构造方案的概要图。在此，同样只示出了连接装置6的一部分，带有三个导电层60、62、64以及分别设置在三个导电层60、62、64之间的两个绝缘层61、63。第二导电层64和另一导电层62分别用来传导控制信号，其中，在此构造方案中，变换器70也由这两个层构成，此变换器70具有一个发送器线圈76和两个接收器线圈72、74。
因为此处设置了变换器70的三个线圈72、74、76，所以发送器线圈76设置在另一导电层62上，并且两个接收器线圈72、74设置在第二导电层64上。两个接收器线圈72、74以与这两个线圈在图2中彼此相互插入相类似的方式来布置，由此使这所有三个线圈72、74、76都彼此同轴地设置。
在此实施例中同样优选的是，每个发送器线圈76或接收器线圈72、74的第二接触位置借助电镀的通孔穿过至少一个绝缘层61、63与直接或间接相邻的导电层的导体线路相连。为此提供了第一导电层60，负载电流通常在第一导电层60上面传导。在此，在应用此第一导电层60的情况下，没有详细示出的是，第二接触位置以简单的方式并借助其它的电镀的通孔适于电路板地与在第二导电层64或另一导电层62上所配属的连接线路相连。
此外，还示出了：两个接收器线圈72中的一个与控制组件8直接相连。原则上，不论线圈，还是连接线路，不论用于与控制组件8连接的导电层，还是其它所有的导电层在技术上都一样地制造和构成。

Claims (9)

1.功率半导体模块，所述功率半导体模块具有衬底(2)、设置在所述衬底(2)上的多个彼此电绝缘的导体线路，并具有设置在所述衬底上的功率半导体元件(4)，还具有连接装置(6)，所述连接装置(6)由至少两个导电层(60、62、64a/64b)和至少一个电绝缘层(61、63)交替的层序列组成，用来适于电路地连接所述功率半导体元件(4)、所述导体线路和/或外部接触装置(10)，其中，所述导电层(60、62、64a/64b)构成连接线路，并且其中，设置有至少一个变换器(70)，所述变换器(70)集成地构成并因而由所述连接装置(6)的组成部分构成。
2.按权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述变换器(70)由至少一个发送器线圈(76)和至少一个接收器线圈(72、74)组成，所述至少一个发送器线圈(76)和所述至少一个接收器线圈(72、74)分别彼此同轴地设置，并构造有螺旋状的绕组，以及分别具有第一接触位置(720、760)和第二接触位置(722、762)。
3.按权利要求2所述的功率半导体模块，其中，所述发送器线圈(76)和所述接收器线圈(72、74)的各绕组由所述连接装置(6)的连接线路(60、62、64a/64b)构成。
4.按权利要求3所述的功率半导体模块，其中，发送器线圈(76)和接收器线圈(72)布置在相同的导电层上并且以彼此相互插入的方式布置，并且在这里通过将构成所述绕组的所述连接线路(64)保持间距来实现两个所述绕组彼此间电绝缘。
5.按权利要求3所述的功率半导体模块，其中，发送器线圈(76)和至少一个接收器线圈(72、74)设置在两个直接或间接相邻的导电层(60、62、64a/64b)上并通过至少一个绝缘层(61、63)彼此电绝缘。
6.按权利要求3所述的功率半导体模块，其中，将发送器线圈(76)设置在一个导电层(62)上，并将两个接收器线圈(72、74)设置在另一导电层(64)上并且所述接收器线圈(72、74)在那里彼此相互插入。
7.按权利要求2所述的功率半导体模块，其中，发送器线圈(76)或接收器线圈(72)的所述第一接触位置(720、760)直接地且一体构成地与连接线路(60、62、64a/64b)相连，所述连接线路(60、62、64a/64b)构成所述线圈的所述输入线路。
8.按权利要求2所述的功率半导体模块，其中，发送器线圈(76)或接收器线圈(72、74)的所述第二接触位置(722、762)借助接合连接(764)与相同导电层的另一导体线路(64b)相连，或借助电镀的通孔(726、766)穿过至少一个绝缘层(61、63)与另一导电层(62)的导体线路相连。
9.按权利要求1所述的功率半导体模块，其中，将至少一个控制组件(8)设置在至少一个导电层(60、62、64a/64b)上，并与那里的连接线路以及与至少一个变换器(70)相连。
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