CN108010891B - 功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率半导体模块，包括：冷却构件、壳体、基底、功率半导体器件，以及两个以上的负载连接件。负载连接件以弹性触通方式压接于壳体与冷却构件之间，基底布置在冷却构件上。基底包括在其面向功率半导体模块内部形成的导电带，以及布置于导电带与冷却构件之间的绝缘层。至少两个负载连接件构成为具有压力传递区段和自压力传递区段伸出引脚的金属成型体，至少一个负载连接件的引脚上具有导电的弹性触指。通过壳体向负载连接件的压力传递使弹性触指变形而与基底上的导电带接触导通。本发明能够解决现有功率半导体模块引脚与导电带之间压力大小的可控性差，不同位置的引脚与导电带之间压力的一致性差的技术问题的技术问题。

Description

功率半导体模块
技术领域
本发明涉及电力电子器件制造领域，尤其是涉及一种具有压力接触连通结构的功率半导体模块。
背景技术
在现有技术中，功率半导体模块一般由壳体组成，该壳体带有至少一个布置在该壳体内的电绝缘的基底，基底直接安装在冷却部件上。基底一般由绝缘陶瓷材料组成，该绝缘陶瓷材料通常带有多个处于该绝缘材料体上部，并彼此绝缘的金属导电带，并且带有处于该绝缘材料体上部并与这些导电带符合线路要求地连接的功率半导体器件。此外，公知的功率半导体模块具有用于连接外部负载的接头元件以及布置在内部的连接件。功率半导体模块通过引线接合部实现内部的电气连接。
在现有技术中，主要由以下技术方案与本发明相关：
方案1为赛米控电子股份有限公司于2010年12月03日申请，并于2011年08月03日公开，公开号为CN102142406A的中国发明申请《具有混合蓄压器的、压力接触连通的功率半导体模块》。依据该方案的功率半导体模块具有压力接触结构，用于使功率半导体模块与冷却部件导热连接。在这种功率半导体模块内同样布置有至少一个带有功率半导体器件和导电带的绝缘基底。此外，功率半导体模块具有壳体和导向外部的负载连接件和控制连接件。负载连接件在这里各自构成为具有至少一个外部的接触装置、至少一个具有传递压力的带状区段和从该区段伸出的引脚的金属成型体。相应的带状区段平行于基底表面并与该基底表面相距开地布置，触脚从传递压力区段延伸至基底并与基底符合线路要求地接触连通。从压力元件向第一传递压力带状区段或在至少一个传递压力带状区段之间向另一个相邻传递压力带状区段的压力传递借助混合的弹性的塑料成型体构成。
方案2为赛米控电子股份有限公司于2010年12月01日申请，并于2011年08月17日公开，公开号为CN102157457A的中国发明申请《具有部分带状负载接头元件的压力接触的功率半导体模块》。该发明申请公开了一种类似于方案1类型的功率半导体模块，其中，压力的传递由从至少一个第一带状区段到另一个相邻的带状区段的压力传递装置在部分面积上进行，压力传递装置要么构成压力中间件或者构成带状区段自身的变形部。
在现有技术中，压力元件与第一传递压力带状区段或者在至少一个传递压力带状区段与另一个相邻传递压力带状区段之间具有一个混合的弹性的塑料成型体，用于蓄压并且用于将压力导入到负载连接件的带状区段上，使负载连接件上从带状区段伸出的引脚与基底上具有负载电位的导电带压力接触连通。在这种情况下，现有技术的缺陷是：引脚与导电带之间的压力大小的可控性差，并且不同位置的引脚与导电带之间的压力很难具有一致性，导致基板受力不均匀。同时，模块内不能导电的塑料成型体使模块的结构变得更复杂，并且如将塑料成型体放置在相邻的传递压力带状区段之间有可能将增大模块的寄生电感。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率半导体模块，解决现有功率半导体模块引脚与导电带之间压力大小的可控性差，不同位置的引脚与导电带之间压力的一致性差的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种功率半导体模块的技术实现方案，一种功率半导体模块，包括：冷却构件、壳体、基底、功率半导体器件，以及两个以上的负载连接件。所述负载连接件以弹性触通方式压接于所述壳体与所述冷却构件之间，所述基底布置在所述冷却构件上。所述基底包括在其面向所述功率半导体模块内部的第一主面上形成的具有带负载电位的导电带，以及布置于所述导电带与所述冷却构件之间的绝缘层，所述功率半导体器件布置在所述导电带上。至少两个所述负载连接件构成为具有压力传递区段和自所述压力传递区段伸出引脚的金属成型体，所述压力传递区段平行于所述基底的表面并彼此电绝缘地布置。至少一个所述负载连接件的引脚上具有导电的弹性触指，所述弹性触指与所述基底上的导电带导电连接。通过所述壳体向所述负载连接件的压力传递使所述弹性触指变形而与所述基底上的导电带接触导通。
优选的，所述壳体设置在所述冷却构件上，所述壳体包括包围所述基底的外框，及固定在所述外框上部的压力元件。
优选的，所述导电带为结构化的金属涂层，在所述绝缘层与所述冷却构件之间布置有非结构化的铜涂层。
优选的，所述负载连接件包括用于将所述导电带上的功率半导体器件连接至不同电位的外部电力电子电路的负载连接件一、负载连接件二和负载连接件三。所述负载连接件一、负载连接件二和负载连接件三均包括平行于所述基底表面的压力传递区段，各个压力传递区段之间布置有绝缘薄膜层，使所述负载连接件一、负载连接件二和负载连接件三从上至下依次彼此电绝缘地堆叠。
优选的，所述负载连接件一、负载连接件二和负载连接件三均包括至少一个自所述压力传递区段伸出的引脚，所述负载连接件一、负载连接件二和负载连接件三的引脚末端均具有一个导电的弹性触指，所述弹性触指均与所述基底上的导电带导电连接。
优选的，所述压力元件压紧所述负载连接件一、负载连接件二和负载连接件三的压力传递区段，使所述基底的铜涂层与所述冷却构件紧密接触导热，同时使所述负载连接件一、负载连接件二和负载连接件三的弹性触指发生弹性形变并压紧在所述基底的导电带上形成导电接触连通。
优选的，所述弹性触指采用弹性导电材料，所述弹性触指通过自带状的压力传递区段向下伸出的引脚迂回折弯而一体化构成。
优选的，所述弹性触指采用弹性导电材料，所述弹性触指采用下端开口的片状拱形结构，所述弹性触指与自带状的压力传递区段向下伸出的引脚通过焊接构成一个整体。
优选的，所述压力元件通过螺栓与所述外框紧固连接，所述功率半导体模块还包括辅助连接元件。所述辅助连接元件穿过设置在所述压力元件上的安装孔一，所述辅助连接元件采用弹簧端子结构，并在所述压力元件的作用下以弹性触通方式压接于所述基底上的导电带上。
优选的，所述外框上设置有将其固定在所述冷却构件上的安装孔二，所述负载连接件一的压力传递区段一连接至外部连接元件一，所述负载连接件二的压力传递区段二连接至外部连接元件二，所述负载连接件三的压力传递区段三连接至外部连接元件三，所述负载连接件三上还装配有电流传感器。
通过实施上述本发明提供的功率半导体模块的技术方案，具有如下有益效果：
（1）本发明省去了混合的弹性塑料成型体，压力元件直接压住传递压力的带状区段，各个负载连接件的带状区段彼此绝缘并紧密相邻，引脚上的弹性触指与基底上的导电带接触，在压力的作用下发生一定的形变量，具有蓄压和传递压力的作用，通过控制弹性触指的变形量可以控制弹性触指与基板导电带之间的压力，同时也保证各个弹性触指压力的一致性，并且简化了模块内部的结构；
（2）本发明负载连接装置的堆叠结构采用整体式构造，当选用接触件实现电路的压力触通时，可以将负载连接装置与压力件进行一件式合成，有利于模块的拆装维护及标准化模块单元的形成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1是本发明功率半导体模块一种具体实施例的剖面结构示意图；
图2是本发明功率半导体模块另一种具体实施例的三维爆炸结构示意图；
图3是本发明功率半导体模块一种具体实施例中负载连接件的结构示意图；
图4是本发明功率半导体模块另一种具体实施例中负载连接件的结构示意图；
图中：1-功率半导体模块，2-冷却构件，3-壳体，4-负载连接件，5-基底，30-外框，31-压力元件，32-电流传感器，33-安装孔一，40-负载连接件一，42-负载连接件二，44-负载连接件三，46-绝缘薄膜层，48-辅助连接元件，300-安装孔二，400-压力传递区段一，420-压力传递区段二，440-压力传递区段三，402-引脚一，422-引脚二，442-引脚三，404-弹性触指一，424-弹性触指二，444-弹性触指三，406-外部连接元件一，426-外部连接元件二，446-外部连接元件三，50-铜涂层，52-绝缘层，54-导电带，60-功率半导体器件，62-引线接合部，70-螺栓。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1至附图4所示，给出了本发明功率半导体模块的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如附图1所示，一种功率半导体模块的具体实施例，包括：冷却构件2、壳体3、基底5、功率半导体器件60，以及两个以上的负载连接件4。负载连接件4以弹性触通（即弹性接触连通）方式压接于壳体3与冷却构件2之间，基底5布置在冷却构件2上。基底5包括在其面向功率半导体模块1内部的第一主面上形成的具有带负载电位的导电带54，以及布置于导电带54与冷却构件2之间的绝缘层52，功率半导体器件60布置在导电带54上。基底5的绝缘层52采用绝缘陶瓷材料，优选采用AlN或Al2O3。至少两个负载连接件4构成为具有压力传递区段和自压力传递区段伸出引脚的金属成型体，压力传递区段平行于基底5的表面并彼此电绝缘地布置。至少一个负载连接件4的引脚上具有导电的弹性触指，弹性触指与所述基底5上的导电带54导电连接。通过所述壳体3向负载连接件4的压力传递使弹性触指变形而与基底5上的导电带54接触导通，通过负载连接件4与导电带54的压接实现负载电路的连通。上述实施例提供了一种采用压力接触结构的功率半导体模块，以导电弹性触指的方式，在压力的作用下使负载连接件4与基底5的导电带54接触导通。
壳体3设置在冷却构件2上，壳体3包括包围基底5的外框30，及固定在外框30上部的压力元件31。导电带54为结构化的金属涂层，在绝缘层52与冷却构件2之间布置有非结构化的铜涂层50。在基底5的导电带54上布置有可控的或者不可控的功率半导体器件60，例如：具有各自反并联的续流二极管的绝缘栅双极性晶体管或者功率场效应晶体管。这些功率半导体器件60符合线路要求地（例如：借助于引线接合部62）与导电带54连接。
负载连接件4包括用于将导电带54上的功率半导体器件60连接至不同电位的外部电力电子电路的负载连接件一40、负载连接件二42和负载连接件三44。负载连接件一40、负载连接件二42和负载连接件三44均包括平行于基底5表面的压力传递区段（负载连接件一40包括压力传递区段一400，负载连接件二42包括压力传递区段二420，负载连接件三44包括压力传递区段三440），各个压力传递区段之间布置有绝缘薄膜层46（优选用于电绝缘的塑料薄膜材料），使负载连接件一40、负载连接件二42和负载连接件三44从上至下依次彼此电绝缘地堆叠。
负载连接件一40、负载连接件二42和负载连接件三44均包括至少一个自压力传递区段伸出的引脚，负载连接件一40、负载连接件二42和负载连接件三44的引脚末端均具有一个导电的弹性触指（负载连接件一40包括弹性触指一404，负载连接件二42包括弹性触指二424，负载连接件三44包括弹性触指三444），弹性触指均与基底5上的导电带54导电连接。优选多个弹性触指与基底5上配属的导电带54符合线路要求地导电连接。
压力元件31压紧负载连接件一40、负载连接件二42和负载连接件三44的压力传递区段，使基底5的铜涂层50与冷却构件2紧密接触导热，同时使负载连接件一40、负载连接件二42和负载连接件三44的弹性触指发生弹性形变并压紧在基底5的导电带54上形成导电接触连通。压力元件31可以具体采用适当内置金属芯或者其它加固结构的塑料成型体，并优选压力元件31同时充当功率半导体模块1的上盖并作为壳体3的一部分。
如附图2所示，压力元件31通过螺栓70与外框30紧固连接，功率半导体模块1还包括辅助连接元件48，图中未示出冷却构件2。辅助连接元件48穿过设置在压力元件31上的安装孔一33，辅助连接元件48采用弹簧端子结构，并在压力元件31的作用下以弹性触通方式压接于基底5上的导电带54上，通过辅助连接元件48与导电带54的压接实现控制电路的连通。辅助连接元件48包括与导电带54相接触的活动连接部，以及位于活动连接部上部的止挡部，活动连接部在止挡部的阻挡作用下承受一定压缩量的形变。辅助连接元件48优选构造成内置弹簧的结构实现活动连接部的弹性伸缩，辅助连接元件48通过与压力元件31的安装孔一33的针孔配合将导电带54的电信号传导至功率半导体模块1的外部。采用终端带可伸缩活动连接部的辅助连接元件48与导电带54接合，辅助连接元件48与压力元件31采用针孔配合安装，并自带止挡部实现止挡固定，无须在壳体3上设置辅助连接件的定位安装结构及其支撑结构。
外框30上设置有将其固定在冷却构件2上的安装孔二300，负载连接件一40的压力传递区段一400连接至外部连接元件一406，负载连接件二42的压力传递区段二420连接至外部连接元件二426，负载连接件三44的压力传递区段三440连接至外部连接元件三446，负载连接件三44上还装配有电流传感器32。
如附图3所示，给出了一种依据本发明功率半导体模块1的带有导电弹性触指的负载连接件4的结构示意图，弹性触指采用弹性导电材料，弹性触指通过自带状的压力传递区段向下伸出的引脚迂回折弯而一体化构成。
如附图4所示，给出了另一种依据本发明功率半导体模块1的带有导电弹性触指的负载连接件4的结构示意图，弹性触指采用弹性导电材料，弹性触指采用下端开口的片状拱形结构，弹性触指与自带状的压力传递区段向下伸出的引脚通过焊接构成一个整体。弹性触指优选采用弹性金属材料，如铍铜，弹性触指在压力的作用下能发生一定形变量，撤去压力又能恢复原状。
通过实施本发明具体实施例描述的功率半导体模块的技术方案，能够产生如下技术效果：
（1）本发明具体实施例描述的功率半导体模块省去了混合的弹性塑料成型体，压力元件直接压住传递压力的带状区段，各个负载连接件的带状区段彼此绝缘并紧密相邻，引脚上的弹性触指与基底上的导电带接触，在压力的作用下发生一定的形变量，具有蓄压和传递压力的作用，通过控制弹性触指的变形量可以控制弹性触指与基板导电带之间的压力，同时也保证各个弹性触指压力的一致性，并且简化了模块内部的结构；
（2）本发明具体实施例描述的功率半导体模块中负载连接装置的堆叠结构采用整体式构造，当选用接触件实现电路的压力触通时，可以将负载连接装置与压力件进行一件式合成，有利于模块的拆装维护及标准化模块单元的形成。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (8)

1.一种功率半导体模块，其特征在于，包括：冷却构件(2)、壳体(3)、基底(5)、功率半导体器件(60)，以及两个以上的负载连接件(4)；所述负载连接件(4)以弹性触通方式压接于所述壳体(3)与所述冷却构件(2)之间，所述基底(5)布置在所述冷却构件(2)上；所述基底(5)包括在其面向所述功率半导体模块(1)内部的第一主面上形成的具有带负载电位的导电带(54)，以及布置于所述导电带(54)与所述冷却构件(2)之间的绝缘层(52)，所述功率半导体器件(60)布置在所述导电带(54)上；至少两个所述负载连接件(4)构成为具有压力传递区段和自所述压力传递区段伸出引脚的金属成型体，所述压力传递区段平行于所述基底(5)的表面并彼此电绝缘地布置；至少一个所述负载连接件(4)的引脚上具有导电的弹性触指，所述弹性触指与所述基底(5)上的导电带(54)导电连接；通过所述壳体(3)向所述负载连接件(4)的压力传递使所述弹性触指变形而与所述基底(5)上的导电带(54)接触导通；所述壳体(3)设置在所述冷却构件(2)上，所述壳体(3)包括包围所述基底(5)的外框(30)，及固定在所述外框(30)上部的压力元件(31)；所述压力元件(31)通过螺栓(70)与所述外框(30)紧固连接，所述功率半导体模块(1)还包括辅助连接元件(48)；所述辅助连接元件(48)穿过设置在所述压力元件(31)上的安装孔一(33)，所述辅助连接元件(48)采用弹簧端子结构，并在所述压力元件(31)的作用下以弹性触通方式压接于所述基底(5)上的导电带(54)上；所述辅助连接元件(48)通过与安装孔一(33)的针孔配合将所述导电带(54)的电信号传导至功率半导体模块(1)的外部，所述辅助连接元件(48)与压力元件(31)采用针孔配合安装，并自带止挡部实现止挡固定。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于：所述导电带(54)为结构化的金属涂层，在所述绝缘层(52)与所述冷却构件(2)之间布置有非结构化的铜涂层(50)。
3.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于：所述负载连接件(4)包括用于将所述导电带(54)上的功率半导体器件(60)连接至不同电位的外部电力电子电路的负载连接件一(40)、负载连接件二(42)和负载连接件三(44)；所述负载连接件一(40)、负载连接件二(42)和负载连接件三(44)均包括平行于所述基底(5)表面的压力传递区段，各个压力传递区段之间布置有绝缘薄膜层(46)，使所述负载连接件一(40)、负载连接件二(42)和负载连接件三(44)从上至下依次彼此电绝缘地堆叠。
4.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征在于：所述负载连接件一(40)、负载连接件二(42)和负载连接件三(44)均包括至少一个自所述压力传递区段伸出的引脚，所述负载连接件一(40)、负载连接件二(42)和负载连接件三(44)的引脚末端均具有一个导电的弹性触指，所述弹性触指均与所述基底(5)上的导电带(54)导电连接。
5.根据权利要求3或4所述的功率半导体模块，其特征在于：所述压力元件(31)压紧所述负载连接件一(40)、负载连接件二(42)和负载连接件三(44)的压力传递区段，使所述基底(5)的铜涂层(50)与所述冷却构件(2)紧密接触导热，同时使所述负载连接件一(40)、负载连接件二(42)和负载连接件三(44)的弹性触指发生弹性形变并压紧在所述基底(5)的导电带(54)上形成导电接触连通。
6.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其特征在于：所述弹性触指采用弹性导电材料，所述弹性触指通过自带状的压力传递区段向下伸出的引脚迂回折弯而一体化构成。
7.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其特征在于：所述弹性触指采用弹性导电材料，所述弹性触指采用下端开口的片状拱形结构，所述弹性触指与自带状的压力传递区段向下伸出的引脚通过焊接构成一个整体。
8.根据权利要求3、4、6或7所述的功率半导体模块，其特征在于：所述外框(30)上设置有将其固定在所述冷却构件(2)上的安装孔二(300)，所述负载连接件一(40)的压力传递区段一(400)连接至外部连接元件一(406)，所述负载连接件二(42)的压力传递区段二(420)连接至外部连接元件二(426)，所述负载连接件三(44)的压力传递区段三(440)连接至外部连接元件三(446)，所述负载连接件三(44)上还装配有电流传感器(32)。
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