CN104157635A - 功率半导体模块和具有该功率半导体模块的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力接触形式的用于布置在冷却构件上的功率半导体模块，其具有功率电子开关装置、壳体、第一负载联接元件以及第一压力装置。开关装置具有基底、内部的连接装置、内部的第二负载联接装置和第二压力装置。连接装置构造成复合薄膜。第二压力装置具有压力体，该压力体具有在朝向功率半导体结构元件的方向上凸出的第一压力元件，压力元件压到连接装置的区段上，这个区段在沿着功率半导体结构元件的法向方向的投影中布置在功率半导体结构元件的面之内。第一负载联接装置与第二负载联接装置的布置在压力体的上侧上的负载接触部位极性正确地直接电连接。本发明还涉及具有多个所述的功率半导体模块(1)以及冷却装置(7)的系统。

Description

功率半导体模块和具有该功率半导体模块的系统
技术领域
本发明描述了一种作为基本单元的具有开关装置的功率半导体模块以及一种具有多个这种类型的功率半导体模块和冷却装置的系统。
背景技术
例如由DE102006006425A1公知了以如下方式构造功率半导体模块，即，构造成分别具有多个接触脚的负载联接元件的压力装置施加压力到基底的接触部位上，以便在基底与冷却装置之间建立起导热接触。但是在此不利的是，尽管有多个压力施加的接触脚，但仍然不能最优地构造出热连接，这是因为生成废热的功率半导体结构元件的热连接仅间接地进行。
同样地，由现有技术，例如在DE10201062556A1中公开的那样，公知了一种功率半导体模块形式的半导体电路布置，其中，壳体具有带压力体的压力元件，其中，压力体要么直接压到半导体结构元件的部分上，要么压到基底的区段上。同样地，由US7,808,100B2公知了直接借助冲头压到功率半导体结构元件上。在这两个设计方案中不利的是，到借助焊线连接在内部电路正确地(schaltungsgerecht)连接的功率半导体结构元件上的直接按压由于在实际应用中有限的可供使用的面仅可以非常挑剔地进行，并且甚至由此导致了内部连接的载流能力的负载，这是因为在压力点上不能建立起压焊连接。
发明内容
基于对上述情况的认识，本发明的任务在于，介绍一种能模块化制造的具有最优的散热可能性的功率半导体模块和一种具有该功率半导体模块和冷却装置的系统。
根据本发明，这个任务通过具有权利要求1的特征的功率半导体模块以及通过具有权利要求9的特征的具有这种类型的功率半导体模块的系统来解决。对优选的实施方式在相应的从属权利要求中进行描述。
根据本发明的功率半导体模块以实施压力接触的方式构造用于布置在冷却构件上，该功率半导体模块具有功率电子开关装置、壳体、向外伸出的第一负载联接元件以及第一压力装置，其中，功率电子开关装置包括具有布置在其上的功率半导体结构元件的基底、内部的连接装置、内部的第二负载联接装置和第二压力装置，其中，连接装置构造成由导电的和电绝缘的薄膜构成的复合薄膜(Folienverbund)并且因此构造出第一和第二主面，并且其中，开关装置借助连接装置电路正确地在内部电连接，其中，第二压力装置具有带第一凹部的压力体，第一压力元件在朝向功率半导体结构元件的方向上从该第一凹部凸出地布置，并且其中，压力体压到连接装置的第二主面的区段上，并且在此，这个区段在沿着功率半导体结构元件的法向方向的投影中布置在功率半导体结构元件的面之内，其中，第一负载联接装置与第二负载联接装置的布置在压力体的上侧上的负载接触部位极性正确地()直接电连接。
显然，功率电子开关装置是至少一个功率电子开关装置。
在这里，直接电连接应理解为在两个接触部位之间的连接，这两个接触部位彼此直接接触，也就是说不借助另外的元件互相电连接。
在功率半导体模块的优选设计方案中，为了功率半导体结构元件与冷却装置的热连接构造有第一压力装置，用于将压力导入到第一负载联接元件上，经由这些第一负载联接元件导入到第二负载联接元件上，再经由第二压力装置和连接装置导入到功率半导体结构元件上。
原则上，第一负载联接元件分别构造成具有至少一个带状区段的、彼此电绝缘的面状的金属成型体，该带状区段具有多个从这个带状区段出发的用于接触负载接触部位的接触元件，其中，负载联接元件的带状区段与基底平行地且与这个基底相间隔地布置，并且因此构造成堆叠体(Stapel)。
有利的是，基底具有彼此电绝缘的导体条(Leiterbahn)，其中，在导体条上布置有功率半导体结构元件并且材料锁合地(stoffschlüssig)与之连接。
特别优选的是，压力体由耐高温的热塑性塑料，尤其是聚苯硫醚构成，而压力元件由硅橡胶，尤其是液态硅树脂构成。
有利的是，连接装置的区段的面积具有功率半导体结构元件的表面的至少20％，尤其是至少50％。
根据本发明的系统具有多个前面所描述的功率半导体模块和冷却装置，其中，冷却装置由多个部分冷却装置构成，其中，在每个部分冷却装置上布置有至少一个功率半导体模块。
特别优选的是，冷却装置构造成液体冷却装置并且每个部分冷却装置具有带入口和出口的冷却通道。
同样可以有利的是，部分冷却装置的冷却通道的入口与汇集入口连接并且部分冷却装置的冷却通道的出口与汇集出口连接，并且由此可以被冷却液从汇集入口的汇集入口接口到汇集出口的汇集出口接口地穿流。
可以理解的是，本发明的不同设计方案可以单个地或者以任意的组合来实现，以便实现改进。尤其地，前面提到并进行阐释的特征不仅能够在所说明的组合中使用，而且也能够在其他组合中或者单独使用，而不会脱离本发明的范围。
附图说明
对本发明的有利细节和特征的进一步阐释由下面对根据本发明的功率半导体模块或者说具有它的系统的在图1至8中示出的实施例的描述得出。
图1示意性地示出根据本发明的功率半导体模块。
图2以穿过三维图示的截面图示出根据本发明的功率半导体模块。
图3示出功率电子开关装置的示意性的设计方案。
图4示出朝向冷却装置布置的根据图3的开关装置。
图5在三维图示中示出类似于图3的功率电子开关装置。
图6示出与第一负载联接元件导电连接的两个根据图5的功率电子开关装置。
图7示意性地示出与根据图6的开关装置相似的开关装置的细节。
图8示出根据本发明的具有多个功率半导体模块和冷却装置的布置。
具体实施方式
图1示意性地示出用于压力接触地布置在没有示出的冷却构件上的根据本发明的功率半导体模块1，其具有壳体8、从这个壳体向外伸出的第一负载联接元件82、84、86、第一压力装置6和两个功率电子开关装置10。
壳体8基本上呈框架形地构造并且包围功率电子开关装置10，该功率电子开关装置本身分别具有第二负载联接元件42、44、46。这些第二负载联接元件具有配属的接触部位422、442、462(也可参见图5)，在这些接触部位上这些第二负载联接元件与配属的第一负载联接元件82、84、86极性正确地导电地连接。第一负载联接元件42、44、46以它们的延伸部穿过壳体8并且具有示意性地示出为螺栓连接装置的用于外部连接的联接装置。
在这里，功率半导体模块1的第一压力装置6由具有永久弹性的储压元件62和机械稳定的压力件60构成，该压力件在这里同时构成壳体8的盖。压力件60用于构建和导入压力，而储压元件62将该压力传递到第一负载联接元件42、44、46上并且在变化的热负载的情况下起均衡作用。借助这个压力，在相应的负载接触部位422、442、462上构造出第一负载联接元件82、84、86与第二负载联接元件42、44、46的导电连接。
在此，第一负载联接元件82、84、86分别构造成具有至少一个带状区段820、860的、相对彼此电绝缘的面状的金属成型体，借助第一压力装置6将压力施加到该带状区段上。多个用于接触负载接触部位422、442、462(也可参见图5)的接触元件822、842、862分别从这些带状区段出发。在此，第一负载联接元件82、84、86的带状区段820、840、860相互平行地并且与基底2(参见图3)平行地并且与这个基底相间隔地布置，并且因此构造成堆叠体。
图2以穿过三维图示的截面图示出用于压力接触地布置在冷却构件上的根据本发明的功率半导体模块1。这个功率半导体模块1基本上与在图1中示意性示出的功率半导体模块相应。但是，在此示出的功率半导体模块1具有不带储压器的第一压力装置6，但该第一压力装置具有极稳定且进而抗扭曲的压力件60。借助这个压力件60，第一负载联接元件82、84、86被加载压力。为此，压力件60借助螺栓连接装置与壳体8或者与冷却构件连接。
此外，示出了本技术领域常见的由螺旋弹簧构成的辅助联接装置88，以及两个第一负载联接元件82、86的两个外部的联接装置。
在下面对根据本发明的功率半导体模块1的两个所提到的设计方案的功率电子开关装置10进行详细描述。
图3示出了不具有第二负载联接装置的根据本发明的功率电子开关装置10的第一设计方案。示出了原则上本技术领域常见地构造的具有绝缘材料体22和布置在其上的分别彼此电绝缘的导体条20的基底2，这些导体条在运行中不仅引导开关装置的不同的电位，尤其是负载电位，而且也引导开关装置的辅助电位，尤其是开关电位和测量电位。在这里具体地图示出了三个引导负载电位的对于半桥拓扑结构而言典型的导体条22。
在两个导体条22上分别布置有功率开关24，该功率开关本技术领域常见地构造成在这里示出的单个开关，例如MOS-FET，或者具有反并联功率二极管的IGBT。功率开关24以本技术领域常见的，尤其借助烧结连接的方式与导体条22导电连接。
开关装置10的内部连接借助由复合薄膜构成的连接装置3构成，该复合薄膜交替地具有导电薄膜30、34和电绝缘薄膜32。在这里，复合薄膜正好具有两个传导的薄膜30、34和布置在它们之间的绝缘薄膜32。在此，复合薄膜3的朝向基底2的面构造出第一主面300，而对置的面构造出第二主面340。尤其是，连接装置3的传导的薄膜30、34本身是结构化的并且因此构造出彼此电绝缘的导体条区段。这些导体条区段尤其将功率半导体结构元件24，准确地说是将它们在背离基底2的侧上的接触面与基底的导体条22连接。在优选的设计方案中，导体条区段与接触部位借助烧结连接材料锁合地连接。显然也可以类型相同地构造功率半导体结构元件24之间的联接以及在基底2的导体条22之间的连接。尤其在压力烧结连接的情况下有利的是，如示出那样将绝缘块28布置在功率半导体结构元件24的边缘区域内。这个绝缘接地部28也可以布置在导体条22的间隙内。
压力装置5具有朝向基底2的第一主面500和背离基底2的第二主面502并且在这里为了清楚起见与连接装置3相间隔地示出。压力装置5由压力体50和多个，在这里示出为两个压力元件52构成。压力体50构造得特别坚硬，以便可以将导入其中的压力均匀地转递到压力元件52上。为此并且在当功率电子开关装置10运行时的热负载的情况下，压力体50由耐高温的热塑性塑料，尤其是由聚苯硫醚构成。压力元件52在运行中并且在此尤其是在不同的温度下必须能够施加基本上恒定的压力。为此，压力元件52由硅橡胶，尤其是由所谓的液态硅树脂构成。
在这里，压力元件52由所谓的液态硅树脂，也公知为液态硅橡胶(LSR)构成，其具有20至70，优选30至40的肖氏A硬度。这种液态硅橡胶借助双组份注塑法(Zwei-Komponenten-Spritzgieβverfahren)布置在由聚苯硫醚构成的压力体50内部。为此，液态硅树脂可以通过压力体50的第二主面502的未明确示出的开口置入。
压力体50的第一凹部504要么仅构造成从第一主面500出发的凹陷部，要么构造成从第一主面500出发的具有穿过压力体50延伸到第二主面502的带有在那里构造出的开口的留空部的凹陷部。这个第二变型方案可以提供制造技术上的优点。
此外，功率电子开关装置10具有保持框架100，该保持框架能够借助卡扣锁定连接装置102布置在壳体8(参见图2)内，并且在此具有在基底2的与功率半导体结构元件24的法向方向一致的法向方向上的定位公差。
图4示出根据图3的布置在冷却装置7上的开关装置并且示出示意性示意出的第一压力装置6。第一压力装置6(未示出)相对冷却装置7支撑。这可以间接地例如通过在压力导入装置与紧固在冷却装置7上的壳体8(参见图2)之间的螺栓连接来实施。
在此，第一压力装置6间接地压到功率电子开关装置10的第二压力装置5上。第二压力装置5的压力体50将压力均匀地分配到压力元件52上，该压力元件本身压到连接装置3的第二主面340的区段342上。根据本发明，连接装置3的以压力加载的区段342以如下方式选择，即，它们以及因此它们的从配属的功率半导体结构元件24的法向方向上观察的延展面布置在功率半导体结构元件24的面242之内。因此，压力元件52借助连接装置3以如下方式压到功率半导体结构元件24上，即，这个压力元件，更准确地说是位于其之下的基底2压到冷却体7上，并且因此最优地构造出功率半导体结构元件24到冷却体7的热接触。通过到压力元件52上的压力导入使得这个压力元件发生变形，其中，在此相对于根据图3的没有以压力加载的状态，它的横向延展部342也可以增大。
为了电连接，功率电子开关装置10具有第二负载联接元件42、46和辅助联接元件，其中，在它们之中仅示出了负载联接元件。这些第二负载联接元件42、44、46例如像示出的那样构造成金属成型体，这些金属成型体用接触脚与基底2的导体条22材料锁合地，有利地同样借助烧结连接来连接。原则上像同样示出的那样，连接装置3的部分本身，也就是说导电薄膜30的区段也可以构造成负载联接元件或者辅助联接元件。在其余方面，辅助联接元件，如门极接头或者传感器接头也可以用本技术领域常见的方式来构造。
为了将功率半导体结构元件24与冷却体7热连接，压力借助第一压力装置6传递到第一负载联接元件82、84、86(参见图1)上，经由它们传递到第二负载联接元件42、44、46的负载接触部位422、442、462上，经由第二压力装置5和连接装置3传递到功率半导体结构元件24上。因此，这个功率半导体结构元件以基底2压到冷却体7上。
在基底2与冷却体7之间布置有具有小于10μm的厚度的导热软膏70。在考虑到基底2的可能存在的局部的挠曲的情况下，导热软膏层70的这种很薄的设计方案尤其通过如下方式是可以实现的，即，压力在法向方向上导入到功率半导体结构元件24上，并且因此功率半导体结构元件24具有与冷却体7的最优的热接触，而基底的围绕该功率半导体结构元件的面不具有与冷却体7的最优的热接触。
在这里，冷却装置示出为用于空气冷却的冷却体7，但是也同样可以构造成功率半导体模块的底板或者用于液体冷却的冷却体。
图5以三维图示出与根据图3的功率电子开关装置相似的功率电子开关装置10。在这里重要的是，压力体50具有分级的面。在这些面上可以安置第二负载联接元件42、44、46的它们背离这些面的侧上具有负载接触部位422、442、462的区段。在这里，针对每个电位示出了两个负载联接装置，它们分别布置在压力体50的面的自己的平面上。在基底2上示出了附加的辅助接触部位880，这些接触部位利用辅助接触弹簧用于检测。
图6示出两个根据图5的分别与第一负载联接元件82、84、86导电连接的功率电子开关装置10。功率电子开关装置10与根据图5的功率电子开关装置相应并且在这里附加地分别具有保持框架100，该保持框架能够借助在这里示出为锁定凸鼻的卡扣锁定连接装置102布置在功率半导体模块1的壳体8(参见图2)内。
第一负载联接元件82、84、86具有三个不同的电位，例如用于构造本技术领域常见的包括两个具有正的或者负的电位的直流电压联接元件82、86以及一个交流电压联接元件84的半桥拓扑结构。
为了与配属的第二负载联接装置42、44、46的负载接触部位422、442、462极性正确地接触，这些第一负载联接元件82、84、86分别具有多个接触元件822、842，这些接触元件分别构造成以冲制技术构成的接触凸块822、842、862。
此外，还示出了本技术领域常见的辅助接触弹簧88，其布置在压力体60的引导部中(参见图2)并且用于尤其是门极接头和内部的传感器，如温度传感器和电流传感器的外部接触。
图7示意性地以类似于分解图的方式示出功率电子开关装置的与根据图6的功率电子开关装置类似地选定的细节。示出了具有带第一主面500的压力体50的第二压力装置5，第一压力元件52像前面所描述那样从该第一主面凸出。针对其中一个第一压力元件52示出了连接装置3的配属的区段和配属的功率半导体结构元件24。第一压力元件52构造用于压到连接装置3的第二主面340的区段342上，其中，这个区段在沿着功率半导体结构元件24的法向方向上的投影中布置在功率半导体结构元件24的面242之内。换言之，这意味着，在这个法向方向上，压力元件压到其上的面小于功率半导体结构元件24的边界。也就是说由此，压力仅施加到功率半导体结构元件24上，而不施加到相邻的基底区域上。在此，连接装置3的区段342的面积与功率半导体结构元件24的面242的面积的至少20％，尤其是至少50％相应。
此外，与根据图6的设计方案不同，在压力体50的第二凹部内的第二压力元件54布置在背离基底或者说功率半导体结构元件24的面的在朝向第一负载联接元件82、84、86的方向上从压力体50凸出的分级部上。这些第二压力元件54同样用于构建起压力并且可以代替或者补充储压元件62(参见图1)。
同样地，示出了第一负载联接元件84和第二负载联接元件44。在此，第一负载联接元件84具有用于与第二负载联接元件44的配属的接触部位442电连接的接触元件842。
图8示出根据本发明的具有多个功率半导体模块1和冷却装置7的系统，其中，冷却装置7由多个部分冷却装置70、72构成。在这里，在每个部分冷却装置70、72上正好布置有一个功率半导体模块1。但是，同样可以将多个功率半导体模块布置在一个部分冷却装置上。部分冷却装置70、72以它们的纵向侧彼此排成列。
在这里，冷却装置7构造成液体冷却装置，其中，每个部分冷却装置70、72具有带入口704和出口的冷却通道702。部分冷却装置70、72的冷却通道702的相应的入口704与汇集入口74连接，并且部分冷却装置70、72的冷却通道702的相应的出口与汇集出口76连接。在这里，汇集入口74布置在部分冷却装置70、72的第一窄侧上，而汇集出口76布置在部分冷却装置70、72的对置的窄侧上。
汇集入口74具有汇集入口接口740，并且汇集出口76具有汇集出口接口760。因此，冷却装置7能够从汇集入口接口740经由汇集入口74穿过在流动技术上是并联的部分冷却装置70、72到汇集出口76和汇集出口接口760地以冷却液穿流。

Claims (11)

1.一种压力接触形式的用于布置在冷却构件(7)上的功率半导体模块(1)，所述功率半导体模块具有功率电子开关装置(10)、壳体(8)、向外伸出的第一负载联接元件(82、84、86)以及第一压力装置(6)，其中，功率电子开关装置(10)具有基底(2)、内部的连接装置(3)、内部的第二负载联接装置(42、44、46)和第二压力装置(5)，基底带有在其上布置的功率半导体结构元件(24、26)，
其中，连接装置(3)构造成具有导电薄膜(30、34)和电绝缘薄膜(32)的复合薄膜并且因此构造出第一和第二主面(300、340)，并且其中，开关装置(10)借助连接装置(3)电路正确地在内部电连接，
其中，第二压力装置(5)具有带第一凹部(504)的压力体(50)，第一压力元件(52)在朝向功率半导体结构元件(24、26)的方向上从所述第一凹部凸出地布置，并且其中，压力元件(52)压到连接装置(3)的第二主面(340)的区段(342)上，并且在此，所述区段在沿着功率半导体结构元件(24、26)的法向方向的投影中布置在功率半导体结构元件(24)的面(242)之内，
其中，第一负载联接装置(82、84、86)与第二负载联接装置(42、44、46)的布置在压力体的上侧上的负载接触部位(422、442、462)极性正确地直接电连接。
2.根据权利要求1所述功率半导体模块，其中，为了功率半导体结构元件(24)与冷却装置(7)的热连接构造有第一压力装置(6)，用于将压力导入到第一负载联接元件(82、84、86)上，经由所述第一负载联接元件导入到第二负载联接元件(42、44、46)上，再经由第二压力装置(5)和连接装置(3)导入到功率半导体结构元件(24)上。
3.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，第一负载联接元件(82、84、86)分别构造成具有至少一个带状区段(820、860)的、彼此电绝缘的面状的金属成型体，所述带状区段具有多个从这个带状区段出发的用于接触负载接触部位(422、442、462)的接触元件(822、842)，其中，负载联接元件(82、84、86)的带状区段(820、840、860)与基底平行地且与这个基底相间隔地布置并且因此构造成堆叠体。
4.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块，其中，基底(2)具有彼此电绝缘的导体条(22)，并且功率半导体结构元件(24)布置在导体条(22)上并材料锁合地与该导体条连接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块，其中，压力体(50)由耐高温的热塑性塑料，尤其是聚苯硫醚构成，而压力元件(52)由硅橡胶，尤其是液态硅树脂构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块，其中，第二压力装置(5)的压力体(50)具有第二凹部，第二压力元件(54)在朝向第一负载联接元件的方向上从所述第二凹部凸出地布置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块，其中，连接装置(3)的区段(342)的面积具有功率半导体结构元件(24)的面(242)的至少20％，尤其是至少50％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块，其中，功率电子开关装置(10)具有保持框架(100)，所述保持框架借助卡扣锁定连接装置(102)布置在壳体(8)内。
9.具有多个分别根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块(1)以及冷却装置(7)的系统，其中，冷却装置(7)由多个部分冷却装置(70、72)构成，其中，在每个部分冷却装置(70、72)上布置有至少一个功率半导体模块(1)。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，冷却装置(7)构造成液体冷却装置，并且每个部分冷却装置(70、72)具有带入口(704)和出口的冷却通道(702)。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其中，部分冷却装置(70、72)的冷却通道(702)的入口(704)与汇集入口(74)连接并且部分冷却装置(70、72)的冷却通道(702)的出口与汇集出口(76)连接，并且由此被冷却液从汇集入口(74)的汇集入口接口(74)到汇集出口(76)的汇集出口接口(760)地穿流。
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