CN104064526A - 功率半导体模块和带有该功率半导体模块的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率半导体模块和带有该功率半导体模块的系统，所述功率半导体模块是用于该系统的严密密封的功率半导体模块，该模块带有基板、壳体以及用于载荷接口和辅助接口的接线元件。在此，基板具有金属底板，在金属底板面对模块内部的主表面上布置有绝缘材料体以及模块内部的连接装置，该绝缘材料体带有印制导线和至少一个在其上的功率半导体元件。此外，壳体由严密密封的材料构造而成，并且利用弹性的严密密封闭合的第一连接件与基板相连。在此，载荷接线元件和辅助接线元件从基板的功率电子电路向外引导穿过壳体，其中，这种引导穿过部严密密封地构造。

Description

功率半导体模块和带有该功率半导体模块的系统

技术领域

本发明说明一种功率半导体模块和带有功率半导体模块的系统，该模块适用于特别高的功率密度和恶劣的环境条件。

背景技术

一方面功率半导体模块以较长时间以来已知的圆片单元（Scheibenzellen）形式构成现有技术。DE10132169A1公开了这种圆片单元的本领域常见设计方案。它们具有由大多数是陶瓷的绝缘材料制成的壳体，其中，壳体具有构造为圆柱筒形的壳体部分，该壳体部分大多数仅环绕一个功率半导体元件。壳体的两个遮盖面同时被构造成为用于功率半导体元件的载荷连接的接触装置。有时必要的、通常被构造成为用来控制功率半导体元件的控制接口的辅助接口穿过圆柱筒形壳体部分的引导穿过部。这种圆片单元本领域常见地在冷却体上布置有至少一个接触装置，其中，在圆片单元运行过程中，该冷却体因而具有该接触装置的电势。

此外，例如由DE102005055713或DE102010038723A1已知还通过所谓的绝缘功率半导体模块构成现有技术，绝缘功率半导体模块与上述圆片单元的区别尤其在于，配属的冷却体不是位于载荷连接装置的其中一个电势，而是通常位于接地电势。为此这种功率半导体模块具有相对于冷却装置的载荷电势的内部绝缘，其中，为此绝缘基板通常设置有大量印制导线。这种绝缘功率半导体模块往往具有大量的功率半导体元件，它们构造出功率电子电路。本领域常见的是，绝缘功率半导体模块具有环绕功率电子电路的、往往呈杯形的塑料壳体。该塑料壳体为了功率电子电路的内部电绝缘而部分填充有灌封材料。

所提及的绝缘功率半导体模块还划分为两个类别。一方面是带有通常由铜构造出的底板的功率半导体模块并且在功率半导体模块内部承载有基板。在这种功率半导体模块中，杯形壳体和底部板材料配合（stoffschlüssig）地牢固地彼此相连，从而在运行中模块的不同组件存在热机械张力和热机械运动。本领域常见的是，这种功率半导体模块利用穿通底板的螺栓并以较高的拧紧力矩固定在冷却装置上。

绝缘功率半导体模块的第二类别不具有自己的底板。其实是，在此基板在使用时与冷却体直接接触。基板和杯形壳体之间的连接在此以本领域常见的方式凭借材料配合的，然而弹性的往往是基于硅酮的粘合连接方式实施。

本领域常见的是，绝缘功率半导体模块不具有用于载荷接口和辅助接口的接线元件的、抵抗环境影响的密封。

以本领域常见方式，仅第一所述及的变形方式（其是非绝缘的功率半导体模块，即，常见的圆片单元）是严密密封的并因而保护防止受环境条件影响。在此可以在严密密封的功率半导体模块中如此构造密封，使得这些密封刚性抵抗环境影响硬性地，例如利用玻璃焊剂或利用硬钎焊连接，也许与熔焊连接相组合地构造而成。尤其是现代将功率半导体模块尤其用于车辆时，防尘、防水和防油有着越来越重要的意义。绝缘功率半导体模块尤其由于功率密度的升高而具有在运行中同样升高的热机械应力。这种应力可能在使用周期中导致功率半导体模块提前失灵的故障。

发明内容

基于对这些现实情况的认识，本发明任务是提供一种品质特别高的功率半导体模块和带有所述功率半导体模块的系统，所述功率半导体模块严密密封地构造而成，并将耦合到电路元件上、尤其是功率半导体元件上以及其与基板的连接上的外力降至最低。这些连接尤其是导电连接。

该任务根据本发明通过具有权利要求1的特征的功率半导体模块解决，以及通过带有这种功率半导体模块的具有权利要求10的特征的系统解决。优选设计方案在各自的从属权利要求中做出说明。

本发明功率半导体模块被构造成为严密密封的功率半导体模块，其带有基板、优选电绝缘地构造出的壳体以及用于载荷接口和辅助接口的接线元件。在此，基板具有金属底板，在金属底板面对模块内部的主表面上设置有绝缘材料体以及模块内部的连接装置，该绝缘材料体带有印制导线和至少一个布置在印制导线上的功率半导体元件。绝缘材料体在底板上的布置优选利用薄的金属中间层实施。

此外，壳体由严密密封的材料构造而成并且利用严密密封闭合的第一弹性连接件与基板相连。在此，用于功率半导体模块的载荷接口和辅助接口的接线元件向外穿过壳体，其中这种引导穿过部严密密封地构造。

在此文献意义下，“严密密封”应当理解为至少是根据欧盟标准EN60529的保护等级IP65，优选是IP67。

壳体和底板或冷却装置之间的连接件尤其应当具有每毫米偏移量几牛顿的弹簧常数，尤其是在1N/mm～10N/mm，尤其是2N/mm～5N/mm，在连接配对件之间还具有数量级为厘米的边长，尤其是具有2mm至2cm的边长。

优选是，功率半导体模块的底板在其背离模块内部的一侧上具有冷却元件，尤其是冷却指或冷却片。

按照有利方式，功率半导体模块的电绝缘材料体由导热能力良好的材料制成，尤其是由氧化铝或氮化铝构造而成。

功率半导体模块的壳体按照优选方式由金属、陶瓷或玻璃陶瓷或由它们的适当组合构造而成。

功率半导体模块的第一弹性连接件按照有利方式由弯折循环强度（Biegezyklenfestigkeit）高的材料，尤其是合金制成。已知由铜和铬组成的合金（CuCr）满足这些要求。此外尤其是在所述合金情况下有利的可以是，第一弹性连接件涂覆有防护层，尤其是相对于腐蚀介质的防护层。

功率半导体模块的整个内部空间按照优选方式利用在液态或凝胶状形态下的绝缘材料填充。该绝缘材料可以是基于硅酮的绝缘油或本领域常见的软灌封料。绝缘材料主要用于功率半导体模块或内部电路的内部绝缘，然而替代或同时用于改善功率半导体模块内部的热分布。

载荷接口和辅助接口的接线元件的引导穿过部优选被构造成为玻璃焊剂引导穿过部。与此相关联地同样优选的是，接线元件在其走向方面在所述功率半导体模块的内部空间中部分弹性地构造。“弹性”可以理解为每个这样的设计方案，其减少或者甚至排除力从基板传递至接线元件的穿过壳体的引导穿过部。在简单的转化方式中，这些接线元件可以在功率半导体模块内部部分具有曲折的走向。

对于所述及的功率半导体模块有利的是，至少那些被施以直流电压的载荷接线元件被构造为大量的带有在相同电势下的载荷分流接线元件的载荷分流元件，所述载荷分流接线元件彼此绝缘。此外有利的是，根据一维视图，在一电势的两个载荷分流接线元件之间布置有另一电势的载荷分流接线元件，尤其是在载荷接线元件穿过壳体的引导穿过部的区域中。不言而喻，类似也适用于被施以交流电压的载荷接线元件。

因而本发明功率半导体模块尤其具有如下优点：

·在运行中保护功率半导体模块的内部免受典型环境影响；

·明显降低功率半导体元件的热机械应力；

·当填充液体或凝胶时补偿其热膨胀。

本发明的系统具有上文所描述的严密密封的功率半导体模块和冷却装置，其中，冷却装置具有用于功率半导体模块的容座，而且

a.仅功率半导体模块的基板，而不是壳体在容座中利用第一连接件与冷却装置弹性相连，或

b.仅功率半导体模块的壳体，而不是基板，在容座中利用第一连接件或第二连接件与所述冷却装置相连。

在此优选的是，冷却装置是空气冷却装置、水冷却装置或热管（Heatpipe）。

同样有利的可以是，第二连接件构造成为非弹性连接，与此同时，第一连接件构造成为弹性连接。

还有利的是，该系统的功率半导体模块布置在冷却装置的容座中，使得功率半导体模块的基板的底板与冷却装置的冷却介质直接接触。

应当理解，本发明不同设计方案可以以单独或任意组合的方式实现以达到改进目的。尤其是不脱离本发明的范围地，之前所述和将要描述的特征不仅能够以给出的组合方式使用，而且也能够以其他的组合方式应用或者被单独地使用。

附图说明

由根据本发明的系统或其中的部分的图1至图4所示实施例的如下说明，得到本发明进一步的阐述、有利的细节和特征。

图1以侧向剖面图示出根据本发明的功率半导体模块的第一设计方案；

图2以侧向剖视图示出带有根据本发明的功率半导体模块的第二设计方案和冷却装置的系统；

图3以侧向剖视图示出带有根据本发明的功率半导体模块的第一设计方案和冷却装置的系统；

图4示出根据本发明的功率半导体模块的另一设计方案的俯视图。

具体实施方式

图1以侧向剖面图示出本发明功率半导体模块1的第一设计方案。示出了底板24，其具有面对功率半导体模块1内部的第一主表面240。在主表面240上布置有其上有印制导线20的绝缘材料体22。绝缘材料体22由工业陶瓷，在此由氧化铝，构造而成，然而可以不限于这种特殊设计方案。印制导线20可以引导不同电势。在两个所示印制导线20上在此均布置有功率半导体元件26。它们以本领域常见方式与印制导线20导电相连。

本领域常见的是，这些功率半导体元件26以其背离基板的上表面的接触面与其他功率半导体元件或印制导线20利用内部连接装置28相连。例如仅示出在此被构造成打线接合连接的内部连接装置28。基板2连同印制导线20、功率半导体元件26和内部连接装置28构造出功率半导体模块1的电路。

此外，功率半导体模块1具有接线元件4，这些接线元件4从电路向外延伸穿过功率半导体模块1的壳体3并且用作为功率半导体模块的外部接口。

这些接线元件4在严密密封地构造成的引导穿过部30处穿透壳体3。为了构造这种严密密封的引导穿过部30，壳体3具有缺口，在所述缺口中各自的接线元件4优选居中地穿过。在缺口的边缘和配属的接线元件4之间在此布置有玻璃焊剂。这样的玻璃焊剂引导穿过部自身是本领域常见的，例如由圆片单元已知。

壳体3其自身在此由绝缘材料，具体由工业陶瓷制成。原则上这不是限制性的，也可以将其他严密密封材料用于壳体。为了布置功率半导体模块1，壳体3在此具有附着装置34，利用该附着装置34，壳体3可以与冷却装置力配合地（kraftschlüssig）相连。在此重要的是，或者壳体3或者底板24与冷却装置相连。根据本发明，应当避免壳体3和底板24的同时的力配合的连接。然而尤其是在根据该实施例的各个附着装置中，特别有利的是，附着装置不是刚性地例如与冷却装置相连，而是以可竖直弹性移动和可横向运动的方式构造出这种附着。可移动性用于补偿作用于功率半导体模块上的、在此具体而言是作用于壳体上的例如热感应力。这种附着例如可以利用弹簧加载的螺栓连接来实施。替代地，附着装置34可以与壳体弹性相连。

本发明本质在此是，壳体3连同基板2和布置在其上的电路仅利用第一弹性连接件5构造成，第一弹性连接件5允许了严密密封的连接。这种连接尤其不是本领域常见的、例如在绝缘功率半导体模块中应用非常多的粘合连接。

用于构造严密密封连接的第一弹性连接件5在此尤其是由铜和铬组成的金属合金（CuCr）。

功率半导体模块1的整个内部空间填充凝胶状绝缘材料32，其中，几乎完全填充就足够了。绝缘材料32可以是具有任意粘性的在功率半导体模块应用中本领域常见的硅酮橡胶。其在功率半导体模块1工作时的热膨胀在必要时通过第一弹性连接件5补偿，因而在内部空间中不会出现使功率半导体模块1的功能受损的压力。

接线元件4、40、42在其位置方面固定在壳体中和电路上，尤其是固定在印制导线20上。为了使得在两个部位处的这种固定不会导致产生至少在持续运行中可能损坏功率半导体模块1的张力，接线元件4、40、42在其走向方面部分弹性地构造，在此通过引入一种曲折结构实现。

图2以侧向剖视图示出了带有根据本发明的功率半导体模块1的第二设计方案和冷却装置7的系统。功率半导体模块1基本上对应于第一设计方案的功率半导体模块1，如下是两者的区别：

在第二设计方案中，第一连接件5和其与底板24和壳体3的接触面并未布置在平行于底板24的第一主表面的平面内。其实是，在此第一连接件5和其与底板24和壳体3的接触面垂直于该平面地布置。

在功率半导体模块的第二设计方案中，底板24在其背离模块内部的一侧242上具有冷却元件244，在此尤其是冷却指。

根据本发明，功率半导体模块1布置在冷却装置7的缺口70中。底板24利用第一弹性连接件5与冷却装置7相连。因而确保了底板24以及进而功率半导体模块1的电路机械地如此将例如由冷却装置7带来的外力作用去耦合。因而运行中产生的热膨胀不会导致损坏电路元件。

冷却装置7自身为此构造成可以被冷却液700穿流的，并且在此利用底板24的冷却指244来冷却功率半导体元件26。

图3以侧向剖视图示出具有本发明功率半导体模块1的第一设计方案和冷却装置7的系统。

在此，底板24利用第一弹性连接件5与壳体3相连，与此同时，壳体3优选利用第一弹性连接件5或也利用第二非弹性连接件8与冷却装置7相连。因而在此同样有效阻止外力作用于电路元件。

图4示出本发明功率半导体模块1的另一设计方案的俯视图。因为这种功率半导体模块可以具有特别高的功率密度，所以尤其是可以相应构造出外部电载荷接口。在此，那些被施以直流电压的载荷接线元件40、42被构造为大量的带有在相同电势下的载荷分流接线元件400、420的载荷分流元件，所述载荷分流接线元件彼此绝缘。

此外在根据两个垂直方向的一维视图中在一电势的两个载荷分流接线元件400之间布置另一电势的载荷分流接线元件420。这在此有意义地在一个方向上仅通过错开不同极性的载荷分流接线元件420、422来实现。

Claims (13)

1.一种严密密封的功率半导体模块（1），其具有基板（2）、壳体（3）以及用于载荷接口（40）和辅助接口的接线元件（4），其中，所述基板（2）具有金属底板（24），在所述金属底板面对模块内部的主表面（240）上布置有绝缘材料体（22）以及模块内部的连接装置（28），所述绝缘材料体带有印制导线（20）和至少一个布置在所述印制导线上的功率半导体元件（26）；

其中，所述壳体（3）由严密密封的材料构造而成，并且利用严密密封地闭合的第一弹性连接件（5）与所述基板（2）相连；

并且其中，载荷接线元件（40）和辅助接线元件从所述基板（2）的功率电子电路向外引导穿过所述壳体（3）并且这种引导穿过部（30）严密密封地构造。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，

所述底板（24）在其背离模块内部的一侧（242）上具有冷却元件（244），尤其是冷却指或冷却片。

3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，

所述接线元件在其走向方面在所述功率半导体模块的内部空间中部分弹性地构造。

4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，

所述壳体（3）由金属、陶瓷或玻璃陶瓷或其中的适当组合构成。

5.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，

所述第一弹性连接件（5）由弯折循环强度高的材料，例如CuCr等构成，并且所述第一弹性连接件尤其涂覆有防护层。

6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，

整个内部空间（32）利用在液态或凝胶状形态下的绝缘材料填充。

7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，

载荷接线元件和辅助接线元件的所述引导穿过部（30）被构造成为玻璃焊剂引导穿过部（6）。

8.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，

至少那些被施以直流电压的载荷接线元件（40）被构造为大量的带有在相同电势下的载荷分流接线元件（400、420）的载荷分流元件，所述载荷分流接线元件彼此绝缘。

9.根据权利要求8所述的功率半导体模块，其中，

在一维视图中，在一电势的两个载荷分流接线元件（400）之间布置有另一电势的载荷分流接线元件（420）。

10.一种带有根据前述权利要求所述的严密密封的功率半导体模块（1）和冷却装置（7）的系统（10），其中，所述冷却装置具有用于所述功率半导体模块（1）的容座（70），而且

a.仅所述功率半导体模块（1）的基板（2），而不是壳体（3）在所述容座（70）中利用第一连接件（5）与所述冷却装置（7）弹性相连，或

b.仅所述功率半导体模块（1）的壳体（3），而不是所述基板（2），在所述容座中利用第一连接件（5）或第二连接件（8）与所述冷却装置相连。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，

所述冷却装置（7）是空气冷却装置、水冷却装置或热管。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，

所述第二连接件（8）构造成非弹性连接。

13.根据权利要求10所述的系统，其中，

所述功率半导体模块（1）布置在所述冷却装置（7）的容座（70）中，使得所述功率半导体模块（1）的所述基板（2）的底板（24）与所述冷却装置（7）的冷却介质（700）直接接触。