CN102956570B - 母座、功率半导体模块以及具有多个功率半导体模块的半导体模块组装件 - Google Patents

母座、功率半导体模块以及具有多个功率半导体模块的半导体模块组装件 Download PDF

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Abstract

本发明名称为“母座、功率半导体模块以及具有多个功率半导体模块的半导体模块组装件”。本发明提供具有支脚(8)的第一母座(6)，由此提供支脚(8)的基底(12)以接触功率半导体器件(3)的接触元件(4a、4b)，特别是在包含基板(2)和至少一个功率半导体器件(3)的功率半导体模块(1)中，该功率半导体模块在基板(2)上设置并与至少一个另外的母座(6、7)接触，由此提供绝缘部件(13)以与支脚(8)的外表面(14)电隔离。

Description

母座、功率半导体模块以及具有多个功率半导体模块的半导 体模块组装件
技术领域
本发明涉及具有支脚的第一母座，由此提供支脚基底以接触功率半导体器件的接触元件，特别是在包含基板和至少一个功率半导体器件的功率半导体模块中，该功率半导体器件设置在基板上并由至少一个第二母座接触。本发明进一步涉及功率半导体模块，其中包含基板、设置在基板上的至少一个功率半导体器件、以及用于接触至少一个功率半导体器件的至少一个接触元件的至少一个第一母座。本发明还涉及包含多个功率半导体模块的功率半导体模块组装件。
背景技术
上述种类的第一母座(为了简化描述也称作母座)是本领域众所周知的并且用于接触功率半导体器件领域，特别是大功率半导体器件。在这个领域，正常操作模式下至少30A以及故障情况下2000A范围内的高电流经过母座，优选不影响其完整性。每个母座包含支脚和首部，它们可沿母座纵轴互相相对移动并且通过例如电流旁路电互连。在支脚和首部之间设置弹簧元件，它对支脚和首部施加向外的力以使它们推压功率半导体器件的接触元件和相对触点，例如壳体的盖子，从而保持它们之间的电连接。弹簧元件可以是弹簧垫圈组，但也可以使用其它弹簧元件。支脚与相应接触元件之间的接触经由支脚基底提供。此类母座通常用于接触栅极或控制触点、集电极触点和/或发射极触点。
如上所述的接触元件可以是例如功率半导体器件的顶面或底面，取决于其布置，或基板上提供的分离的接触元件，专门用于接触功率半导体器件的控制电极。控制电极通常是栅极电极，它通过电线等电连接到此分离的接触元件。功率半导体器件的控制电极通常位于其顶面上。
仅为举例说明之目的，半导体芯片的底面或集电极侧可通过锡焊、烧结等方式连接到导电的基板，由此形成表面接触。半导体器件的顶面或发射极侧可通过母座接触。连接到栅极电极的分离的接触元件设置在基板上并与基板电隔离，并且也通过母座接触。
这些功率半导体器件可处理约1.7 kV或更高的电压。半导体器件与基板之间的表面接触还使热量从半导体传送出去，即半导体器件热耦合和电耦合到基板。用于此领域的典型功率半导体器件为像绝缘栅双极晶体管(IGBT)、反向导电绝缘栅双极晶体管(反向导电IGBT)、双模绝缘栅晶体管(BIGT)或(功率)二极管的功率晶体管。
为了形成可处理高达100 A或更高的电流的功率半导体模块，经常组合功率半导体器件。功率半导体器件在基板上并联设置，基板通常形成功率半导体模块的导电基底。功率半导体模块通常由导电盖覆盖，它为功率半导体器件提供另一个触点。功率半导体器件通常通过母座连接到导电盖。对于功率晶体管，控制触点也连接到盖子，由此盖子与控制触点绝缘。
多个功率半导体模块可进一步组合以形成功率半导体模块组装件。功率半导体模块在公共壳体中机械和电学地互相并联设置。半导体模块的基板形成模块组装件的导电基底。此外，功率半导体模块组装件的壳体也由导电盖覆盖，导电盖与在其中设置的功率半导体模块的盖子接触。功率半导体模块组装件可包含相同的功率半导体模块，例如包含功率晶体管的功率半导体模块，或不同的功率半导体模块，例如一组包含功率晶体管的功率半导体模块以及包含二极管的至少一个功率半导体模块。这类功率半导体模块组装件被本申请人称作“Stakpak”，并可用于形成处理高达数百kV的堆叠布置，例如在HVDC应用中使用。相应地，功率半导体模块组装件的机械设计经过优化以便于在长堆叠中钳位。在这些堆叠布置中，单个功率半导体模块组装件的机械和电稳定性对防止整个堆叠布置出现故障至关重要。
取代将功率半导体模块设置到功率半导体模块组装件和功率半导体模块组装件堆叠中，还可直接堆叠功率半导体模块。
在这种情况下，各个功率半导体器件的短路故障模式(SCFM)的支持是重要特征。在功率半导体器件之一出现故障的情况下，它无法提供短路以实现从基板到盖子的传导。这归因于功率半导体模块以及功率半导体模块组装件，它们在SCFM中禁用。在多个功率半导体模块或功率半导体模块组装件串联连接时，例如形成上述堆叠布置，单个功率半导体器件的故障不会导致串联功率半导体模块或功率半导体模块组装件的故障。
特别是在这种短路故障模式中，高达2000A的极高电流可流经单个半导体器件和与故障功率半导体器件接触的相应母座，因为短路桥接所有并联功率半导体器件。为了实现这些功率半导体器件的长寿命并相应地实现功率半导体模块和功率半导体模块组装件的长寿命，期望短路故障模式可维持一年或更长时间。
由于SCFM中的高电流，接触元件与母座支脚之间的电连接质量会随时间下降。与SCFM中的功率半导体器件接触的母座与另外的母座之间可能出现电弧。相应地，母座的接触元件和支脚会磨损和氧化，由此增大其间的电连接电阻，从而降低SCFM中的短路能力。电弧甚至可导致与SCFM中的功率半导体器件接触的整个母座的损耗。电弧还可传播到其它母座，直到它们完全消耗，即损坏。这会导致包含SCFM中的功率半导体器件的功率半导体模块以及相应的功率半导体模块组装件的故障。在母座损耗时，其弹簧垫圈组无法维持功率半导体模块操作所需的接触元件与盖子之间的电连接。
电弧和引脚损耗的问题还涉及母座，它不携带负载电流，并因此被认为适合维持功率半导体模块和功率半导体模块组装件的机械稳定性。这特别涉及功率半导体器件的栅极触点，它在SCFM期间不携带负载电流并因此在功率半导体模块中用于维持其机械稳定性。相应地，接触栅极的母座应永不损耗。因此，防止这些母座上出现电弧非常重要，特别是在短路故障模式中。
在本领域中，倾向于通过功率半导体模块的合适设计来解决电弧传播问题。然而，即使将各个母座互相隔开很远的距离放置，仍无法可靠地防止母座的电弧和损耗。甚至接触控制触点的母座也会受到电弧的影响。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种功率半导体模块，它包含提供良好电学和机械稳定性并具有长寿命(即使在有电弧的情况下)的第一母座。本发明的又一个目的是提供一种功率半导体模块布置，它具有延长的寿命，特别是在短路故障模式中操作时。
这个目的通过独立权利要求来实现。从属权利要求中提供了有利实施例。
具体来说，本发明提供包含具有支脚的第一母座的功率半导体模块，由此提供支脚基底用于接触功率半导体器件的接触元件，特别是在包含基板和设置在基板上的至少一个功率半导体器件的功率半导体模块中，由此提供绝缘部件与支脚的外表面电隔离。功率半导体器件可由至少另一个母座接触。
本发明还提供功率半导体模块组装件，包含如上文指定的多个功率半导体模块，由此功率半导体模块互相并排设置且相邻功率半导体模块之间有电连接。
本发明的基本思路是使用绝缘部件电隔离并保护母座支脚的外表面。一方面，绝缘部件防止在第一母座上出现可携带高负载电流的电弧，例如在短路故障模式(SCFM)中。另一方面，绝缘部件防止不携带高负载电流的第一母座因源自另一母座的电弧而损耗。另一母座可以是另一个第一母座或第二母座，它是本领域中已知的常规母座。绝缘部件需要良好的电隔离能力，这样它们才能有效地减少电弧的出现和第一母座因电弧受到的损耗。由于电弧永远无法完全消除，还要求绝缘部件具有高熔化温度，以便长时间维持绝缘能力。由于电弧周围的温度可达到数百摄氏度，绝缘部件的熔化温度优化高于电弧造成的温度。具有至少一个第一母座的功率半导体模块将具有延长的寿命，因为绝缘部件减少了第一母座的损耗并且功率半导体模块可在短路故障模式中操作更长的时间。另外，功率半导体模块的机械稳定性将维持更长时间，因为第一母座的损耗减少。通过减少携带高负载电流的第一母座处的电弧，例如在SCFM中，功率半导体模块中的其它第一和第二母座的寿命也得以延长。相应地，功率半导体模块和功率半导体模块组装件可操作更长时间才会出现故障并需要进行更换。这也延长了功率半导体模块和功率半导体模块组装件的堆叠布置的寿命并减少其维护间隔时间。
根据本发明的一个优选实施例，提供具有管状主体的绝缘部件，它设置在支脚周围。管状主体的截面形状优选地适合支脚的截面形状。优选圆形的截面形状。管状主体可轻松固定于第一母座的支脚，以在其整个圆周提供绝缘。
根据本发明的一个优选实施例，管状主体具有0.5 mm到2.0 mm的厚度。这个厚度最适合当今的公共第一母座。取决于第一母座特定设计和涉及的电流，厚度也可以更大或更小。
根据本发明的一个优选实施例，绝缘部件延伸于支脚的整个高度。这样，整个支脚绝缘并且最好地防止电弧。
按照本发明的一个优选实施例，绝缘部件包含陶瓷基底材料。优选地，绝缘部件完全由陶瓷基底材料制成。陶瓷基底材料提供良好的绝缘能力并具有高熔化温度。
在本发明的一个优选实施例中，陶瓷基底材料为Al2O3，也称作氧化铝。氧化铝是众所周知的陶瓷材料，由于其良好的绝缘能力及其高熔化温度而受优选。
在本发明的功率半导体模块的一个优选实施例中，提供至少一个第二母座以接触一个或多个功率半导体器件的至少一个接触元件。相应地，第一和第二母座可在功率半导体模块中结合以使其简单和便宜。要维持功率半导体模块的机械稳定性，只需要保持一些母座，即第一母座。
根据本发明的功率半导体模块的一个修改实施例，至少一个功率半导体器件是绝缘栅双极晶体管、反向导电绝缘栅双极晶体管、双模绝缘栅晶体管或二极管。这些功率半导体器件适合在高功率条件下操作并且可处理高电压和电流。优选地，多个相同的功率半导体器件可结合到单个功率半导体模块中。备选地，来自所列功率半导体器件的任意组功率半导体器件可结合到单个功率半导体模块中。
根据本发明的功率半导体模块的一个修改实施例，功率半导体模块包含至少提供接触元件作为多个功率半导体器件的公共控制触点的多个功率半导体器件，并且第一母座与提供作为公共控制触点的至少一个接触元件接触。控制触点仅需处理较小的电流，因此它们可轻易结合。这允许提供表面足够大供标准第一或第二母座接触而无需在基板上占据太多空间的接触元件。这允许功率半导体模块的高效设计。另外，可使用具有独特尺寸的第一或第二母座以接触功率半导体器件的所有接触元件。公共控制触点置于基板上，但不与基板电接触。优选地，在公共控制触点与基板之间提供绝缘层。
根据本发明的功率半导体模块的一个修改实施例，功率半导体模块包含壳体，由此导电盖子形成壳体的顶面并提供功率半导体模块的第一触点，基板形成壳体的基底并提供功率半导体模块的第二触点，至少一个功率半导体器件的第一触点经由第一或第二母座与盖子电接触，并且至少一个功率半导体器件的控制触点经由第一母座与盖子接触。优选地，在半导体器件与盖子之间提供第一或第二母座以提供电接触。一般来说，盖子提供功率半导体模块的公共第一触点以接触功率半导体器件的第一触点，而基板提供功率半导体模块的第二触点。在堆叠布置的情况下，功率半导体模块的第一和第二触点可与其它功率半导体模块接触或与功率半导体模块组装件的相应触点接触。在像IGBT等功率晶体管的情况下，第一触点指发射极触点，第二触点指集电极触点，而控制触点指栅极触点。控制触点与功率半导体模块的盖子无电接触，并且可通过例如盖子中的空隙或通过功率半导体模块的横向触点接触。
根据本发明的功率半导体模块组装件的一个优选实施例，功率半导体模块的基板互相电连接。连接可通过接线或通过提供接触板完成，以接触基板和/或半导体模块的盖子。功率半导体模块的第一和/或第二触点相应地形成功率半导体模块组装件的公共第一和/或第二触点。在功率半导体模块包含至少一个功率晶体管的情况下，控制触点可电连接。
根据本发明的功率半导体模块组装件的一个优选实施例，功率半导体模块组装件包含壳体，由此导电盖子形成壳体的顶面并提供功率半导体模块组装件的第一触点，它与功率半导体模块的第一触点接触，并且功率半导体模块的基板贯穿壳体基底。在堆叠布置的情况下，功率半导体模块组装件的第一和第二触点可与其它功率半导体模块组装件接触。一般来说，功率半导体模块组装件的盖子提供第一触点以接触功率半导体模块的第一触点，并且功率半导体模块的基板提供功率半导体模块的公共第二触点。在功率半导体模块具有控制触点的情况下，它们还可在功率半导体模块组装件内电连接。功率半导体模块组装件可具有横向触点以接触功率半导体模块的已连接控制触点，或者功率半导体模块的已连接控制触点可通过盖子中的空隙接触。在堆叠布置的情况下，功率半导体模块组装件的第一和第二触点可与其它功率半导体模块组装件接触。在像IGBT等功率晶体管的情况下，第一触点指发射极触点，第二触点指集电极触点，而控制触点指栅极触点。
附图说明
通过参照以下所述实施例进行的说明，本发明的这些方面及其它方面将会非常明显。
在附图中：
图1示出功率半导体模块的局部截面图，该功率半导体模块具有功率半导体器件以及接触功率半导体器件的接触元件的第一和第二母座。
具体实施方式
图1示出根据本发明的功率半导体模块1的一部分。功率半导体模块1包含导电基板2和设置在基板2上的功率半导体器件3。半导体器件3的顶面4a形成其第一触点，它是根据本发明的第一接触元件。功率半导体器件3的第二触点在其底面形成，它与基板2电接触。功率半导体器件3的控制触点连接到分离的接触元件4b，它是根据本发明的功率半导体器件3的另一个接触元件。分离的接触元件4b也称作控制触点。分离的接触元件4b在基板2上提供为平面形状，但通过绝缘层(图中不可见)与基板2电隔离。
在本发明的这个实施例中的功率半导体器件3是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，第一触点是发射极触点，第二触点是集电极触点，而控制触点是栅极触点。相应地，连接到栅极触点的分离接触元件4b也称作栅极槽道(runner)。
栅极槽道4b与栅极引脚6接触，根据本发明栅极引脚6是第一母座。功率半导体器件3的顶面4a与芯片引脚7接触，根据本发明芯片引脚7是第二母座。栅极引脚6和芯片引脚7各包含例如通过电流旁路10电接触的支脚8和首部9，以及在支脚8和首部9上施加向外的力的弹簧垫圈组11。也可以使用另一弹簧元件代替弹簧垫圈组。
现在参照第一母座6，即栅极引脚6，其支脚8具有如基底12的端面，它与栅极槽道4b电接触。根据本发明，在支脚8的外表面14周围提供绝缘部件13以提供电隔离。绝缘部件13具有管状主体，它设置在支脚8周围。绝缘部件13的管状主体延伸于支脚8的整个高度。在本发明的这个实施例中，管状主体具有约1.0 mm的厚度，虽然在本发明的不同实施例中，厚度可优选地在0.5 mm与2.0 mm之间变化。绝缘部件13由陶瓷基底材料制成，在本发明的这个实施例中陶瓷基底材料为氧化铝，也称作Al2O3。
虽然图1中未明确示出，功率半导体模块1包含多个上述功率半导体器件3。每个功率半导体器件3的顶面4a与相应芯片引脚7接触。功率半导体器件3的控制电极连接到一个或多个公共接触元件，即上述栅极槽道4b，如上所述它与栅极引脚6接触。在使用一个以上公共接触元件的情况下，每个接触元件与相应栅极引脚6接触。相应地，功率半导体模块1使用互相并联设置的多个功率半导体器件3构成。在除可控功率半导体器件3之外还使用二极管的情况下，它们逆并联设置。
功率半导体模块1包含壳体15，由此基板2形成壳体15的基底。导电盖子(图中未明确示出)形成壳体15的顶面。盖子提供功率半导体模块1的第一触点，而基板2提供功率半导体模块1的第二触点。功率半导体器件3通过第一和第二母座6、7与盖子电接触，第一和第二母座6、7在功率半导体器件3的接触元件4a、4b与盖子之间提供。基板2连接到功率半导体器件3的集电极并形成功率半导体模块1的第二触点，而功率半导体器件3的发射极连接到盖子。功率半导体器件3的栅极可通过盖子空隙在功率半导体模块1中公共地接触。
功率半导体模块组装件(图中未明确示出)包含多个上述功率半导体模块。功率半导体模块1在壳体中互相并排设置，由此功率半导体模块1的基板2贯穿壳体的基底。导电盖子形成壳体的顶面并通过相邻功率半导体模块1之间的电连接为功率半导体模块1提供公共触点。盖子提供功率半导体模块组装件的第一触点以接触功率半导体模块1的第一触点，而基板2通常提供功率半导体模块组装件的第二触点。功率半导体模块1的控制触点在功率半导体模块组装件中互相连接并连接到功率半导体模块组装件的横向电触点。
功率半导体模块组装件包含不同的半导体模块，在本发明的这个示范实施例中为包含功率晶体管的一组功率半导体模块1和包含二极管的至少一个功率半导体模块。
功率半导体模块1和功率半导体模块组装件可以堆叠。
虽然在附图和以上描述中详细说明和描述了本发明，但是这种说明和描述被认为是说明性或示范性而不是限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。通过研究附图、本公开和所附权利要求，对所公开的实施例的其它变更是本领域的技术人员可以理解并且在实施要求保护的本发明中能够实现。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”并不排除多个。某些措施在互相不同的从属权利要求中描述的事实并不表示不能够使用这些措施的组合来获得优势。权利要求中的任何参考标号不应当被理解为限制范围。
参考标号列表
1 功率半导体模块
2 基板
3 功率半导体器件
4a 接触元件，功率半导体器件的顶面
4b 接触元件，栅极槽道，公共控制触点
6 第一母座，栅极引脚
7 第二母座，芯片引脚
8 支脚
9 首部
10 电流旁路
11 弹簧垫圈组
12 基底，端面
13 绝缘部件
14 外表面
15 壳体。

Claims (14)

1.功率半导体模块(1)，包括：
基板(2)，
至少一个功率半导体器件(3)，其设置在所述基板(2)上，以及
包含支脚和首部的至少一个第一母座(6)，所述支脚和所述首部可沿所述第一母座的纵轴互相相对移动，所述支脚和所述首部电互连并且在所述支脚和所述首部之间设置弹簧元件以在所述支脚和所述首部上施加向外的力，由此提供所述至少一个第一母座(6)以通过所述支脚(8)的基底(12)接触至少一个接触元件(4a、4b)，其中
为所述至少一个第一母座(6)提供具有管状主体的绝缘部件(13)，用于使所述第一母座(6)的所述支脚(8)的外表面(14)电隔离。
2.如以上权利要求1所述的功率半导体模块，
其中
所述绝缘部件(13)设置到所述支脚(8)周围。
3.如权利要求1或2所述的功率半导体模块，
其中
所述管状主体的厚度为0.5 mm到2.0 mm。
4.如权利要求1或2所述的功率半导体模块，
其中
所述绝缘部件(13)延伸于所述支脚(8)的整个高度。
5.如权利要求1或2所述的功率半导体模块，
其中
所述绝缘部件(13)包含陶瓷基底材料。
6.如权利要求5所述的功率半导体模块，
其特征在于
所述陶瓷基底材料为Al2O3。
7.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，
其中
提供至少一个第二母座(7)以接触所述至少一个功率半导体器件(3)的至少一个接触元件(4a、4b)，其中所述第二母座(7)包括支脚和首部，所述支脚和所述首部可沿所述第二母座的纵轴互相相对移动，所述支脚和所述首部电互连并且在所述支脚和所述首部之间设置弹簧元件以在所述支脚和所述首部上施加向外的力。
8.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，
其中
所述至少一个功率半导体器件(3)是绝缘栅双极晶体管、反向导电绝缘栅双极晶体管、双模绝缘栅晶体管或二极管。
9.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，
其中
所述功率半导体模块(1)包含多个功率半导体器件(3)，提供至少一个接触元件作为所述多个功率半导体器件(3)的公共控制触点(4b)，以及
所述至少一个第一母座(6)与提供作为所述公共控制触点(4b)的所述至少一个接触元件接触。
10.如权利要求9所述的功率半导体模块(1)，
其中
所述公共控制触点(4b)在所述基板(2)上提供。
11.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，
其中
所述功率半导体模块(1)包含壳体(15)，由此
导电盖子形成所述壳体(15)的顶面并提供所述功率半导体模块(1)的第一触点，
基板(2)形成所述壳体(15)的基底并提供所述功率半导体模块(1)的第二触点，
所述至少一个功率半导体器件(3)的第一触点通过第一母座(6)与所述盖子电接触，以及
所述至少一个功率半导体器件(3)的控制触点(4b)通过所述第一母座(6)与所述盖子接触。
12.功率半导体模块组装件，包含多个如权利要求1到11中的任一项所述的功率半导体模块(1)，由此
所述功率半导体模块(1)互相并排设置，且相邻功率半导体模块(1)之间电连接。
13.如权利要求12所述的功率半导体模块组装件，
其特征在于
所述功率半导体模块(1)的所述基板(2)互相电连接。
14.如权利要求12或13所述的功率半导体模块组装件，
其特征在于
所述功率半导体模块组装件包含壳体，由此
导电盖子形成所述壳体的顶面并提供所述功率半导体模块组装件的第一触点，所述第一触点与所述功率半导体模块(1)的第一触点接触，以及
所述功率半导体模块(1)的所述基板(2)贯穿所述壳体的基底。
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