CN115398619A - 具有壳体的半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体模块(2)，该半导体模块具有壳体(4)、第一基板(18)、第二基板(30)和至少一个半导体器件(10)。为了说明与现有技术相比更紧凑的半导体模块(2)而建议：至少将半导体器件(10)和第一基板(18)布置在壳体(4)中，其中，半导体器件(10)与至少一个管脚(14)导电地连接，其中，至少一个管脚(14)与第二基板(18)接触并且在壳体(4)内不可拆除地连接，其中，第一基板(18)经由至少一个管脚(14)力配合地连接在壳体(4)中。

Description

具有壳体的半导体模块
技术领域
本发明涉及一种半导体模块，该半导体模块具有壳体、至少一个半导体器件、第一基板和第二基板。
本发明还涉及一种转换器，该转换器具有至少一个这种半导体模块。
此外，本发明涉及一种用于制造这种半导体模块的方法，其中，第一基板与管脚连接并且接着第二基板与相同的管脚连接。
背景技术
半导体模块、特别是功率模块通常包括半导体器件，特别是功率半导体、例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)，所述半导体器件容纳在壳体中并且与陶瓷基板连接。半导体模块还包括至少两个其他基板，例如具有接口的主电路板和驱动电路板，所述主电路板和驱动电路板与陶瓷基板接触。将单独的触点、也称为管脚用于接触，所述触点固定在壳体中或陶瓷基板上。所述触点需要结构空间，由此影响功率模块的尺寸。
专利文献DE 10 2017 207 382 B4描述一种半导体设备，所述半导体设备具有功率设备、传感器、主电极端子、传感器信号端子、驱动器端子、和具有敞开下侧的壳体，所述传感器测量功率设备的物理状态，以便根据物理状态传输信号，功率设备的主电流流过所述主电极端子，所述传感器信号端子与传感器连接，以便从传感器接收信号，所述驱动器端子接收驱动器功率，以便驱动功率设备，所述壳体容纳功率设备、传感器、主电极端子、传感器信号端子和驱动器端子，其中，传感器信号端子和驱动器端子这两者都具有第一端子和第二端子，所述第一和第二端子远离壳体的内部的侧壁表面设置，其中，第一和第二端子彼此电连接，以便形成双重结构。第一端子具有允许第一端子的前端部从壳体的上表面向外突出的长度并且从外部输入/向外部输出信号和驱动器功率。第二端子具有不允许所述第二端子的前端部从壳体的上表面向外突出的长度。
公开文献EP 2 086 064 A1描述一种用于传输电流和/或电信号的电压入式接触件，尤其是压入销式接触件，所述压入式接触件具有经由卸载部段彼此机械耦联的压入部段和安装部段。卸载部段具有补偿区域和止挡区域，其中，补偿区域允许压入部段和安装部段的耦联的相对运动，并且止挡区域阻挡压入部段和安装部段朝向彼此运动。
公开文献US 2018/0241319 A1描述一种电子设备，所述电子设备具有第一基板、布置在第一基板上方的布线基板(第二基板)和壳体，第一基板和布线基板安置在壳体中并且壳体具有第一侧和第二侧。
公开文献EP 1 032 042 A2描述一种包括半导体模块的变流器，所述半导体模块包含功率单元，所述功率单元由功率半导体和用于控制功率半导体的控制单元构成，其中，功率单元包含分别粘贴在引线框上的功率半导体元件。
公开文献EP 1 624 531A1描述一种用于将具有彼此间隔开的插入区的电路板导电连接的压入式连接器，所述插入区以彼此不同的横截面和直径构成。
公开文献CN 106 611 758 A描述一种用于功率模块的集成的壳体结构，所述壳体结构包括壳体、第一电路基板、第二电路基板、第一管脚、第二管脚和第三管脚，其中，壳体设有空腔；第二电路基板相对地布置在第一电路基板上部并且两个电路基板都安置在空腔中。
公开文献US 10,581,426 B1描述一种电子器件，该电子器件包含具有第一FET的第一半导体芯片，所述FET的漏极与开关节点连接，所述FET的源极与参考节点连接并且所述FET的栅极与第一开关控制节点连接。第一芯片还包含作为二极管接入的双极晶体管，所述双极晶体管构成第一FET旁边的温度二极管。温度二极管包括与参考节点连接的阴极和与偏置节点连接的阳极。
发明内容
本发明所基于的目的是：提出与现有技术相比更紧凑的半导体模块。
根据本发明，该目的通过一种半导体模块来实现，该半导体模块具有壳体、至少一个半导体器件、第一基板和第二基板，其中，至少半导体器件和第一基板布置在壳体中，其中，半导体器件与至少一个管脚导电连接，其中，至少一个管脚与第二基板接触并在壳体内不可拆除地连接，其中，第一基板经由至少一个管脚力配合地连接在壳体中，其中，力配合的连接通过压接来建立。
此外，根据本发明，该目的通过一种具有至少一个这种半导体模块的转换器来实现。
此外，根据本发明，该目的通过一种用于制造这种半导体模块的方法来实现，其中，第一基板通过压接与管脚连接，并且随后第二基板与相同的管脚连接。
下面列出的与半导体模块相关的优点和优选的设计方案在意义上能够转用于转换器和制造方法。
本发明基于以下考量：在半导体模块(该半导体模块具有壳体且在该半导体模块中可接触第一基板和第二基板)中，通过将至少一个管脚用于导电接触第二基板来节省结构空间，并且在附加的功能中，经由该至少一个管脚力配合地在壳体中连接第一基板。将经由第一基板的至少一个管脚在壳体中力配合地连接理解为：第一基板经由至少一个管脚与壳体或与至少一个另外的部件力配合地连接，所述至少一个另外的部件与壳体处于连接状态，尤其处于机械连接状态。管脚与半导体器件建立导电连接并在壳体内不可拆除地连接。例如通过铸造、焊接或烧结建立不可拆除的连接。由于管脚在壳体中不可拆除的连接，第一基板经由管脚在壳体中力配合地连接。力配合的连接例如通过压接来建立。通过这种布置节省了连接机构，例如螺钉和/或其他管脚，以及结构空间。第一基板和第二基板例如由玻璃纤维增强的环氧树脂、特别是FR4制成，并且例如具有在两侧至少部分结构化的金属化部，特别是表面金属化部。至少第一基板与半导体器件共同布置在壳体内，这附加地节省了结构空间。在安装中，首先经由管脚力配合地连接第一基板，然后将第二基板与相同的管脚连接。这种制造方法能够容易且低成本地实现。
特别有利地，管脚在与第一基板接触的第一接触区域中具有扩大部，所述扩大部具有用于建立力配合连接的弹性和/或塑性弯曲区域。扩大部例如是加厚部、特别是冲压部。如果该区域主要弹性弯曲地构成，则力配合的连接是可逆的。通过以这样设计的第一接触区域，基板能够简单地连接在壳体中。
在另一设计方案中，第一基板具有至少部分地包围管脚的第一凹部。凹部构造为完全包围管脚的闭合凹部，或者构造为部分包围管脚的开放或打开的凹部。凹部的轮廓为倒圆或具有至少一个角。除了力配合连接之外，通过这种凹部实现形状配合，这导致机械上更稳定的连接。
尤其有利地，第一基板至少在第一凹部的区域中具有金属覆层，使得第一基板与半导体器件导电连接。特别地，与焊接相比，在这种连接中不需要附加的工作步骤。
另一实施方式提出：以金属覆层的第一凹部构造为开放的凹部，所述凹部在第一接触区域中部分地包围管脚，特别是至多包围一半管脚。这种凹部特别地布置在第一基板的边缘处或第一基板的凹陷部的边缘处，在该处例如没有布置待装配的部件、特别是SMD部件，使得对于第一凹部不需要附加的空间。因此，这种开放的凹部是节省空间的。
在另一设计方案中，以金属覆层的第一凹部构造为孔区段。这种孔区段能够简单且低成本地制造。
另一实施方式提出：管脚布置在以金属覆层的第一凹部中，从而形成基本上线形的压力分布。这种压力分布对于第一基板的力配合的连接、尤其是压接来说是足够的并且能够简单且低成本地制造。
在另一设计方案中，第二基板具有以金属覆层的第二凹部，管脚经由所述第二凹部力配合地和/或材料配合地与第二基板导电连接。例如能够通过压入来建立力配合的连接，并且能够例如通过焊接来建立材料配合的连接。经验表明，这种连接已被证明是有利的。
另一实施方式提出：第二凹部的直径小于第一凹部的直径。例如，在制造半导体模块时，首先将具有较大第一凹部的第一基板移动经过管脚的第二接触区域，而不接触所述第二接触区域，并在第一接触区域的区域中力配合地连接。随后，将具有较小的第二凹部的第二基板在相同管脚的第二接触区域中连接。由于直径不同，两个基板能够简单且低成本地与相同的管脚连接。
在另一设计方案中，第二基板经由至少一个管脚与半导体器件导电连接。以这种方式，能够以节省空间的方式将半导体器件与两个基板连接。
另一实施方式提出：管脚构造为独立的管脚并且具有弹性部段。这种独立的管脚布置在例如包围陶瓷基板的壳体外，并且能够自由地定位在陶瓷基板上。弹性部段补偿热负荷，特别是热学纵向膨胀，进而有助于机械稳定性。
在另一设计方案中，管脚布置成至少部分地在壳体中伸展。例如，管脚至少部分地铸入壳体中。根据经验，这种布置已被证明是有利的。
另一实施方式提出：半导体模块包括带至少一个传感器端子的传感器，其中，半导体器件包括至少一个驱动器端子并且其中至少一个传感器端子和至少一个驱动器端子经由公共的管脚导电地相连。传感器例如构造为温度传感器，所述温度传感器与半导体器件热连接。例如，驱动器端子、尤其是发射极端子，和传感器端子与共同的参考电位连接，特别是与半导体器件的负电源电压连接。替代地，经由频率复用方法使用共同的管脚，其中，驱动器端子在第一频率范围内运行，并且传感器端子在第二频率范围内运行。这种共同的管脚节省了半导体模块中的结构空间。
附图说明
下面根据附图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。
附图示出：
图1示出半导体模块的第一设计方案的一部分的示意横截面图，
图2示出半导体模块的第二设计方案的一部分的示意横截面图，
图3示出第一接触区域中的半导体模块的第一设计方案的放大的纵截面图，
图4示出第一接触区域中的半导体模块的第一设计方案的放大的横截面图，
图5示出半导体模块的第三设计方案的一部分的示意横截面图，
图6示出半导体模块的第四设计方案的一部分的示意横截面图，
图7示出半导体模块的电路的一部分的示意图，以及
图8示出具有半导体模块的转换器的示意图。
具体实施方式
下面解释的实施例是本发明的优选的实施方式。在实施例中，实施方式的所描述的部件分别为本发明各个要彼此独立地考虑的特征，进而也可单独地或以与所示的组合不同的组合视作为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式还能够通过本发明的已经描述的其他特征来补充。
相同的附图标记在不同的图中具有相同的含义。
图1示出半导体模块2的第一设计方案的一部分的示意横截面图，所述半导体模块具有由塑料制成的壳体4。壳体4具有开放的下侧并且包围DCB陶瓷基板6，所述DCB陶瓷基板例如包含氧化铝和/或氮化铝和在两侧至少部分结构化的金属化部，所述金属化部例如包含铜。壳体4和DCB陶瓷基板6平放在金属的底板8上并且与所述底板连接，特别是材料配合地连接。底板8尤其构造为冷却体，所述冷却体例如包含铝和/或铜，其中，DCB陶瓷基板6的朝向底板8的金属化部与底板8导电且导热地连接。在DCB陶瓷基板6的背离底板8的金属化部上，半导体器件10与DCB陶瓷基板6的金属化部材料配合地连接。半导体器件10经由键合线12与嵌入壳体4中的管脚14导电连接。管脚14在第一接触区域16中具有扩大部，所述扩大部具有弹性和/或塑性弯曲的区域，其中，第一接触区域16从壳体4突出。例如，管脚14在第一接触区域16中具有压配合端子。例如包括至少一个驱动电路、信号处理装置和/或缓冲电路的第一基板18经由管脚14在壳体中通过压接力配合地连接，其中，管脚14在第一接触区域16中弹性和/或塑性变形。第一基板18具有第一凹部20，管脚14部分地容纳到所述第一凹部中。此外，第一基板18具有在两侧至少部分结构化的金属化部，特别是表面金属化部，并且由玻璃纤维增强的环氧树脂、特别是FR4制成。在第一凹部20的区域中，第一基板18具有竖直的金属化部22，所述竖直的金属化部与表面金属化部导电连接，使得第一基板18经由管脚14与半导体器件12导电连接。特别地，以金属覆层的第一凹部20在第一接触区域16中最多包围管脚14的一半，其中，第一凹部20例如构造为孔区段。替代地，第一凹部20以铣削的方式构成和/或具有至少一个角。在半导体模块2的至少一个相对置的侧上，第一基板18经由至少一个另外的管脚14或经由壳体4自身接触以建立力配合的连接，所述半导体模块出于清楚的原因未示出。
此外，壳体4基本上直接在第一接触区域16下方具有支承面24，使得第一基板18基本上水平地平放在壳体4上。在支承面24下方，半导体模块2包括灌封料26，所述灌封料包围半导体器件10和键合线12。例如由塑料制成的盖28布置在第一基板18上，其中，第一基板18可选地通过盖28压到壳体4上。管脚14穿过盖28和第二基板30延伸到壳体4外部，其中，第二基板30具有在两侧至少部分结构化的金属化部，特别是表面金属化部，并且由玻璃纤维增强的环氧树脂、特别是FR4制成。管脚14容纳在特别是圆柱形的第二凹部34中的第二接触区域32中，所述第二凹部完全围绕管脚14。在第二凹部34的区域中，第二基板30具有与表面金属化部导电连接的竖直的金属化部22。特别地，竖直的金属化部22完全覆盖圆柱形的第一凹部20。替代地，凹部20具有角形或其他的形状。
管脚14示例性地经由焊接连接材料配合地与第二基板30的金属化部电连接和机械连接，使得第二基板30经由管脚14与半导体器件10导电连接。具有例如接口和/或调节装置的第二基板30经由与管脚14的连接紧固在半导体模块2中。可选地，第二基板30经由另外的固定机构、例如螺钉与壳体4连接，所述固定机构为了清楚起见而未示出。
图2示出半导体模块2的第二设计方案的一部分的示意横截面图。第一基板18具有在两侧至少部分结构化的金属化部，特别是表面金属化部，以及具有尤其圆柱形的第一凹部20，所述第一凹部在第一接触区域16中完全地围绕管脚14。在第一凹部20的区域中，第一基板18具有与表面金属化部导电连接的竖直的金属化部22。特别地，竖直的金属化部22完全覆盖圆柱形的第一凹部20。在第一接触区域16中，管脚14具有带有弹性和/或塑性弯曲区域的扩大部，所述区域示例性地构造为压配合端子。通过压入第一基板18，管脚14在第一接触区域16中弹性和/或塑性变形。
第一凹部20的第一直径d1大于第二凹部34的第二直径d2，使得在制造半导体模块2时首先具有第一凹部20的第一基板18移动经过管脚14的第二接触区域32，并且在第一接触区16的区域中力配合地连接。然后，插上盖28并将第二基板30与管脚14连接。图2中的半导体模块2的其他的实施方案对应于图1中的实施方案。
图3示出第一接触区域16中的半导体模块2的第一设计方案的放大的纵截面图。管脚14布置在以金属覆层的第一凹部20中并且与第一基板18力配合地连接，从而形成基本上线形的压力分布P。可选地，管脚14接触壳体4以构成力配合的连接。图3中的半导体模块2的其他的实施方案对应于图1中的实施方案。
图4示出第一接触区域16中的半导体模块2的第一设计方案的放大的横截面图，其中，管脚14具有压配合端子，所述压配合端子在与第一基板18构成力配合连接时弹性和/或塑性变形。图4中的半导体模块2的另外的实施方案对应于图1中的实施方案。
图5示出半导体模块2的第三设计方案的一部分的示意横截面图，其中，管脚14构造为具有第一接触区域16和第二接触区域32的独立的压入触点，并且其中，管脚14在第二接触区域32中具有压配合端子，所述压配合端子与第二基板30的第二凹部34力配合地连接。独立的管脚14布置在壳体4外部并且能够自由地定位在DCB陶瓷基板6上，所述壳体包围DCB陶瓷基板6。此外，管脚14具有弹性部段36并且与DCB陶瓷基板6的背离底板8的金属化部材料配合地连接，尤其通过焊接或烧结连接。
第一基板18具有尤其矩形的凹陷部38，所述凹陷部具有至少部分环绕的竖直的金属化部22。在第一接触区域16中，管脚14具有扩大部，所述扩大部具有弹性和/或塑性弯曲区域，所述区域示例性地构造为压配合端子。第一基板18在凹陷部38中具有至少一个第一凹部20，在所述第一凹部中构成竖直的金属化部22并且与表面金属化部导电连接。例如，第二基板30能够经由凹陷部38直接与DCB陶瓷基板6连接。管脚14部分地容纳在第一凹部20中并且与所述第一凹部力配合地连接，使得第一基板18经由管脚14与半导体器件12导电连接。特别地，以金属覆层的第一凹部20在第一接触区域16中最多包围管脚14的一半，其中，第一凹部20示例性地构造为孔区段。替代地，第一凹部20以被铣削的方式构造为具有至少一个角。管脚14布置在以金属覆层的第一凹部20中并且与第一基板18力配合地连接，从而形成基本上线形的压力分布P。图5中的半导体模块2的其他的实施方案对应于图1中的实施方案。
图6示出半导体模块2的第四设计方案的一部分的示意横截面图。第一基板18具有在两侧至少部分结构化的金属化部，特别是表面金属化部，以及尤其圆柱形的第一凹部20，所述第一凹部在第一接触区域16完全包围管脚14。管脚14力配合地与第一基板18连接，由此管脚14在第一接触区域16中弹性和/或塑性变形。第一凹部20的第一直径d1大于第二凹部34的第二直径d2，使得在制造半导体模块2时首先具有较大第一凹部20的第一基板18移动经过管脚14的第二接触区域32，并且力配合地在第一接触区16的区域中连接。然后，具有较小的第二凹部34的第二基板30在相同管脚14的第二接触区域32中连接。图6中的半导体模块2的其他的实施方案对应于图5中的实施方案。
图7示出半导体模块2的电路40的一部分的示意图，所述电路具有构造为IGBT的半导体器件10，所述半导体器件具有传感器42。替代地，传感器42布置在半导体器件10外部并且与半导体器件10连接。例如，传感器42构造为温度传感器，所述温度传感器与半导体器件10热连接。传感器具有第一传感器端子44和第二传感器端子46。半导体器件10具有第一驱动器端子48和第二驱动器端子50，其中，第二传感器端子46和第二驱动器端子50被短路并且与半导体器件10的尤其是负的电源电压Vn连接。为第一传感器端子44和第一驱动器端子48分别分配管脚14，其中，例如第一驱动器端子48的管脚14设计得比第一传感器端子44的管脚14短，使得第一驱动器端子48能够与第一基板18连接，并且第一传感器端子44能够与第二基板30连接。短路的端子46，50与共同的管脚52连接，所述管脚具有用于与第一基板18连接的第一接触区域16或用于与第二基板30连接的第二接触区域32。管脚14，52在图7中以符号抽象地示出，其中，共同的管脚52(如图1至图4所示)构造为至少部分集成到壳体4中的管脚14，或者(如图5至图6中所示)构造为独立的管脚14。
图8示出具有半导体模块2的转换器54的示意图。根据架构，转换器54具有至少一个另外的半导体模块2。
综上所述，本发明涉及一种半导体模块2，该半导体模块具有壳体4、至少一个半导体器件10、第一基板18和第二基板30。为了说明与现有技术相比更紧凑的半导体模块2而建议：至少将半导体器件10和第一基板18布置在壳体4中，其中，半导体器件10与至少一个管脚14导电连接，其中，至少一个管脚14与第二基板18接触并且在壳体4内不可拆除地连接，其中，第一基板18经由至少一个管脚14力配合地连接在壳体4中。

Claims (15)

1.一种半导体模块(2)，具有壳体(4)、第一基板(18)、第二基板(30)和至少一个半导体器件(10)，
其中，至少所述半导体器件(10)和所述第一基板(18)布置在所述壳体(4)中，
其中，所述半导体器件(10)与至少一个管脚(14)导电地连接，
其中，至少一个所述管脚(14)与所述第二基板(18)接触并且在所述壳体(4)内不可拆除地连接，
其特征在于，
所述第一基板(18)经由至少一个所述管脚(14)力配合地连接在所述壳体(4)中，
其中，通过压接来建立力配合的连接。
2.根据权利要求1所述的半导体模块(2)，
其中，所述管脚(14)在与所述第一基板(18)接触的第一接触区域(16)中具有扩大部，所述扩大部具有用于建立力配合连接的弹性和/或塑性地弯曲的区域。
3.根据权利要求1或2所述的半导体模块(2)，
其中，所述第一基板(18)具有第一凹部(20)，所述第一凹部至少部分地包围所述管脚(14)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2)，
其中，所述第一基板(18)至少在所述第一凹部(20)的区域中具有金属覆层(22)，使得所述第一基板(18)与所述半导体器件(10)导电地连接。
5.根据权利要求4所述的半导体模块(2)，
其中，以金属覆层的所述第一凹部(20)构造为开放的凹部，所述开放的凹部在第一接触区域(16)中部分地包围所述管脚(14)，尤其至多包围所述管脚的一半。
6.根据权利要求4或5所述的半导体模块(2)，
其中，以金属覆层的所述第一凹部(20)构造为孔区段。
7.根据权利要求5或6所述的半导体模块(2)，
其中，所述管脚(14)布置在以金属覆层的所述第一凹部(20)中，从而形成基本上线形的压力分布(P)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2)，
其中，所述第二基板(30)具有以金属覆层的第二凹部(34)，所述管脚(14)经由所述第二凹部力配合地和/或材料配合地与所述第二基板(30)导电地连接。
9.根据权利要求8所述的半导体模块(2)，
其中，所述第二凹部(34)的直径(d2)小于所述第一凹部(20)的直径(d1)。
10.根据权利要求8或9所述的半导体模块(2)，
其中，所述第二基板(30)经由至少一个所述管脚(14)与所述半导体器件(10)导电地连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2)，
其中，所述管脚(14)构造为独立的管脚并且具有弹性部段(36)。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的半导体模块(2)，
其中，所述管脚(14)布置成至少部分地在所述壳体(4)中伸展。
13.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2)，
所述半导体模块包括带至少一个传感器端子(44，46)的传感器(42)，
其中，所述半导体器件(41)包括至少一个驱动器端子(48，50)并且
其中，至少一个传感器端子(44，46)和至少一个驱动器端子(48，50)经由公共的管脚(52)导电地相连。
14.一种转换器(54)，具有至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的半导体模块(2)。
15.一种用于制造根据权利要求1至13中任一项所述的半导体模块(2)的方法，
其中，所述第一基板(18)通过压接与所述管脚(14)连接，并且随后使所述第二基板(30)与相同的所述管脚(14)连接。
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