CN101964331B - 具有带功率半导体构件的夹层件的功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种具有带功率半导体构件的夹层件的功率半导体模块，该功率半导体模块具有至少一个第一负载连接体和至少一个第二负载连接体，并具有至少一个布置在第一负载连接体与第二负载连接体之间的夹层件，该夹层件具有第一金属成型体、功率半导体构件和第二金属成型体。在这里，夹层件的部件彼此以材料配合的方式相连接，并且功率半导体构件的边缘区域由电绝缘的并且高导热性的聚合物材料包围。在这里，重要的是，聚合物材料与第一金属成型体或者第二金属成型体中的至少一个导热地接触。该功率半导体模块具有改良的内部结构，由此，改善了从功率半导体构件的散热。

Description

具有带功率半导体构件的夹层件的功率半导体模块
技术领域
本发明介绍了一种具有至少一个第一负载连接体和至少一个第二负载连接体的功率半导体模块，所述负载连接体与外部馈线相连接。在所述负载连接体中的至少两个之间优选以压力接触连接的方式布置有夹层件，所述夹层件具有第一金属成型体、功率半导体构件和第二金属成型体。所述夹层件的零件彼此材料配合地并且导电地连接。
背景技术
一方面，呈压力接触连接件形式的功率半导体模块构成了现有技术，在这种功率半导体模块中，夹层件的部件同样力锁合地彼此连接。例如在DE 100 22 341 A1中公开了一种简单的并因而基本的构造方案。在这种情况下，两条金属轨形成了两个负载连接体，在这两个负载连接体之间布置有半导体构件。此外，功率半导体模块对于每个半导体构件都具有压力装置，该压力装置在负载连接体与各个功率半导体构件之间产生了以力锁合的方式导电的连接。
另外，在这种情况下公知的是，各功率半导体构件并非直接与负载连接体连接。由于大多由硅制成的功率半导体构件与大多由铜制成的负载连接体的膨胀系数不同，因此在热负荷下会使功率半导体构件发生损坏。为防止这种情况，根据现有技术，在负载连接体与功率半导体构件之间布置有至少另一金属体，该金属体大多呈圆柱形，并该金属体的膨胀系数介于该金属体的邻接件的膨胀系数之间。
由DE 100 65 495 A1已公知一种用于功率半导体构件的定中心装置，通过该定中心装置，功率半导体构件和两个金属成型体能够彼此同中心地布置并同时形成装配单元。为此，两件式框架式定中心装置具有多个保持凸鼻，所述保持凸鼻防止由第一金属成型体、功率半导体构件和第二金属成型体组成的夹层件分开。为无压力地布置该定中心装置，负载连接体具有用于容纳所述保持凸鼻的凹部。功率半导体构件自身布置在所述定中心装置的槽中。通过定中心装置，所有元件彼此相对松动地布置，并且对此彼此相对既在横向上以及竖直方向上都具有一定的活动性。
此外，例如根据DE 34 14 065 C2早已公知的是，将这种夹层件的各个部件以材料配合的方式相互连接。在这里，压力烧结连接已被证实是能够特别耐久地保持的连接。
功率半导体模块的这些公知构造方案的缺点在于，大多是整个功率半导体模块都用于从功率半导体构件的第一主面引导至第二主面的电流流动，但是对于呈热量形式的损耗功率的散失却只提供了很小的横截面积。也就是说，负载连接体所具有的横截面小于功率半导体构件的构造用于导电的平面，由此，从功率半导体构件的散热是不足以使功率半导体构件即便在持续运行中也能够利用其最大功率。
非在先公开的DE 10 2009 000 885 A1公开了一种特殊的功率半导体模块，在功率半导体模块中，至少一个与衬底相连接的半导体构件被由聚合物材料制成的壳体包围，其中，所述聚合物材料具有由陶瓷前驱体聚合物形成的热固性塑料基底。首要地通过填料的选择和数量来影响这种聚合物材料的机械特性，由此，呈凝胶状或热固形塑料式的构造方案是可行的。这种聚合物材料的突出优点在于很高的导热性，其中，这种聚合物材料不言而喻是电绝缘的。
发明内容
本发明基于如下任务，即，提出一种功率半导体模块，该功率半导体模块具有改良的内部结构，由此，改善了从功率半导体构件的散热。
根据本发明，该任务通过一种具备权利要求1特征的主题得以实现。在从属权利要求中介绍了优选的实施例。
具有至少一个第一负载连接体和至少一个第二负载连接体的前述类型的功率半导体模块构成了本发明的出发点。在第一负载连接体与第二负载连接体之间布置有至少一个夹层件，该夹层件具有由第一金属成型体、功率半导体构件和第二金属成型体组成的序列。
在这种情况下，夹层件的部件材料配合地彼此连接，并且功率半导体构件的边缘区域则由电绝缘且高导热性的聚合物材料包围。优选的是，该边缘区域由功率半导体构件的各自所配属的主面的第一边缘和第二边缘以及功率半导体构件的在第一边缘和第二边缘之间构造的外壳区域形成，其中，所述外壳区域完全可以具有如下的结构，如该结构由台面型(MESA)构件公知。
根据本发明，这种聚合物材料与第一金属成型体或者第二金属成型体中的至少一个，优选与两个都保持导热接触，以将热量从功率半导体构件上有效地移走。此外，在这里可以优选的是，聚合物材料与功率半导体模块的壳体保持热接触，这是因为由此能够进一步显著地改善散热。为将夹层件特别简便地相对于壳体进行布置，优选的是，所述壳体具有部分呈漏斗形的挖空部并且所述夹层件安置在该挖空部中。
此外有利的是，聚合物材料是陶瓷前驱体聚合物，其中，陶瓷前驱体聚合物应理解为如下的聚合物，即，该聚合物例如随着温度的增加首先转变成凝胶状，并接着转变成热固性塑料状态。在热固性塑料状态中，陶瓷前驱体聚合物通常具有直至300℃的耐温度变化性。在温度继续升高时，可由陶瓷前驱体聚合物制造出陶瓷材料。例如聚硅烷、聚碳硅烷和聚有机硅氮烷均属于这种陶瓷前驱体聚合物。
为形成凝胶状态或者热固性塑料状态，陶瓷前驱体聚合物为此被以直至体积百分数为80％的填充度来填充填料。由陶瓷材料形成的、平均粒径在0.5μm至50μm范围内的粉末被证实为优选的填料，其中所述陶瓷材料选自下述组：BN、SiC、Si3N4、AlN、滑石、堇青石。利用这种构造方案，能够实现使陶瓷材料在室温时的热导率γ大于10W/mK，在需要时还能达到大于20W/mK。
附图说明
根据本发明的功率半导体模块的特别优选的改进方案在对实施例的相应介绍中提及。另外，借助于图1至图3中的实施例，进一步阐述了本发明的解决方案。
图1以三维视图以及截面图示出根据本发明的第一功率半导体模块的构造方案。
图2示出了根据本发明的第二功率半导体模块的概要图。
具体实施方式
图1以三维视图以及截面图示出根据本发明的功率半导体模块1。功率半导体模块1具有第一负载连接体10和第二负载连接体20以及第一连接装置100和第二连接装置200，在它们之间布置有两个夹层件40，夹层件40具有各一个功率半导体构件44，这里是晶闸管，这两个夹层件40以反并联的方式接线。两个夹层件的电接触连接部70是借助于凭借两个负载连接体10、20之间的压力接触连接所产生的力锁合来实现。为此，功率半导体模块1对于每一夹层件均具有4个螺栓连接件14，所述螺栓连接件14分别具有多个碟形弹簧。此外，在这里，两个负载连接体10、20分别与所配属的冷却装置12、22一体式地连接。为了密封，功率半导体模块1还具有环绕式的、由电绝缘材料组成、优选同样由聚硅氧烷制成的密封装置60，该密封装置60在侧向上以负载连接元件10、20终结(abschlieβen)。
各夹层件40由第一金属成型体42、各晶闸管44和第二金属成型体46的堆垛形成，其中，这些部件材料配合地相连接，例如利用烧结连接相互连接。此外，第一连接装置100还有第一金属成型体42分别具有与晶闸管44的控制连接面对准的凹部。在所述凹部30中布置有接触装置70。所述接触装置70利用止挡边沿置于第一连接装置100的表面上。
根据本发明，各夹层件40的功率半导体构件44在边缘区域内由电绝缘的并且高导热性的聚合物材料包围，由此，功率半导体构件44的各自所配属的主面446、448的第一边缘440和第二边缘442以及在第一边缘440和第二边缘442之间构造的外壳区域444均被聚合物材料80覆盖。
此外，可以看到，聚合物材料与第一金属成型体42和第二金属成型体46两者均保持导热接触，以便改善从功率半导体构件44到金属成型体42、46的散热。
通过聚合物材料80同样与至少一个负载连接元件100、200或者与至少一个负载连接体20至少稍有接触而进一步改善散热。所述负载连接体为此具有圆柱形外壳状地限定边界的容纳区域18，其中，圆柱形外壳180由负载连接体自身的扩展部形成。通过在容纳区域18的开放侧上，对外壳朝向内侧呈漏斗形地进行斜切182，使得该外壳180不仅用传热，而且还用于使夹层件40居中。
图2示出根据本发明的第二功率半导体模块的概要图，其中，在这里，除了夹层件40外，仅示出了壳体的一部分，所述壳体由电绝缘的但优选导热良好的材料制成。
夹层件40由功率半导体构件44组成，并且在这里可被构造成晶体管或者还可构造成二极管。两个金属成型体42、46连接至功率半导体构件44的相应主面446、448上，所述功率半导体构件44在这里在不对一般性产生限制的情况下呈圆形地示出。为以材料配合的方式连接夹层件40的部件，压力烧结连接已被证实为特别有利。
设置在功率半导体构件的主面446、448上的、用于与成型体导电连接的接触面没有达到功率半导体构件的边缘上，以便排除在这些边缘区域上出现电弧。因此，电接触面空出功率半导体构件主面上的各外部边缘区域440、442，该外部边缘区域440、442以如下方式被聚合物材料包围，即，功率半导体构件44的外壳区域444也被一并包围。
根据本发明，这种聚合物材料80同样与至少一个成型体42、46保持导热接触，在这里优选与两个成型体42、46都保持导热接触。在这里，所述成型体42、46在横向上超出功率半导体构件44的边缘，但不直接接触所述功率半导体构件44的外部边缘区域440、442。在由此形成的、环绕夹层件40的开口48中，聚合物材料80以超出所述开口48的方式来布置。这是优选的，因为就像在图2的左侧部分所示的那样，聚合物材料80由此能够附加地与功率半导体模块1的壳体62的一部分保持导热接触。在图2的右侧部分中示出了一种可另选的构造方案，其中，开口48并未被聚合物材料80超出。
在这里，以如下方式设置漏斗状容纳部作为壳体62的一部分，用于定位夹层件40，即，夹层件40能够通过所述容纳部边缘上的形成漏斗的斜切部(Phase)620简单地布置在所述容纳部中。

Claims (10)

1.功率半导体模块(1)，具有至少一个第一负载连接体(10)和至少一个第二负载连接体(20)，并具有至少一个布置于所述第一负载连接体(10)与所述第二负载连接体(20)之间的夹层件(40)，所述夹层件(40)具有第一金属成型体(42)、功率半导体构件(44)和第二金属成型体(46)；其中，所述夹层件(40)的部件彼此材料配合地相连接，并且所述功率半导体构件的边缘区域(440、442、444)由电绝缘的并且高导热性的聚合物材料(80)包围，并且其中，所述聚合物材料(80)与所述第一金属成型体(42)或者所述第二金属成型体(46)中的至少一个导热地接触，其中，所述聚合物材料(80)是陶瓷前驱体聚合物，所述陶瓷前驱体聚合物以凝胶状或热固性塑料的形式存在。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其中，所述边缘区域由所述功率半导体构件(44)的各自所配属的主面(446、448)的第一外部边缘区域(440)和第二外部边缘区域(442)以及所述功率半导体构件(44)的在所述第一外部边缘区域(440)和所述第二外部边缘区域(442)之间构造的外壳区域(444)形成。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其中，所述负载连接体(10、20)与所述夹层件(40)的导电连接以力锁合的方式构造。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其中，所述聚合物材料(80)与所述功率半导体模块(1)的壳体(62)保持热接触。
5.根据权利要求1或4所述的功率半导体模块(1)，其中，所述功率半导体模块(1)具有部分呈漏斗状的容纳部(18)，并且所述夹层件(40)布置在所述容纳部(18)中。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其中，所述聚合物材料(80)是以直至体积百分数为80％的填充度填充填料的陶瓷前驱体聚合物，并且所述填料是由陶瓷材料形成的、平均粒径在0.5μm至50μm范围内的粉末。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块(1)，其中，所述陶瓷材料在室温时的热导率γ大于10W/mK。
8.根据权利要求6或7所述的功率半导体模块(1)，其中，所述陶瓷材料选自下述组：BN、SiC、Si3N4、AlN、滑石、堇青石。
9.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其中，所述聚合物材料是陶瓷前驱体聚合物，所述陶瓷前驱体聚合物选自下述组：聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚碳硅烷。
10.根据权利要求7所述的功率半导体模块(1)，其中，所述陶瓷材料在室温时的热导率γ大于20W/mK。
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