CN1208960A - 具有以亚模块方式集成的冷却器的功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一功率半导体模块,它由亚模块连同集成冷却器构成。亚模块各具有一衬底,在其衬底上至少焊接一半导体芯片,其衬底底面与冷却器7浇铸在一起。冷却器具有由AlSiC、CuSiC或AlSi制成的冷却体和/或以针、筋等形式由AlSiC,CuSiC,AlSi,Al或Cu制成的冷却结构。冷却结构也能与衬底直接浇铸在一起,本发明的功率半导体模块具有提高的可靠性和寿命,紧凑的结构和高功率密度。其模块化结构可很好地与其它元件例如电子控制线路,印制电路板和汇流排兼容地集成。

Description

具有以亚模块方式集成的冷却器的功率半导体模块
本发明涉及功率电子学领域。本发明从具有多个亚模块的功率半导体模块出发，每个亚模块各具有至少一片实质上固定在衬底上面的半导体芯片，其中衬底是半绝缘的，但具有良好的热传导，具有对半导体芯片匹配的膨胀系数。
工业应用、公共运输事业应用以及其它应用的功率半导体常以模块堆积方式由许多功率半导体元件，例如晶闸管，GTO(门电路关断晶闸管)，MCT(MOS控制晶闸管)，功率二极管，IGBT(绝缘栅双极晶体管)或MOSFETS(MOS控制场效应晶体管)构成。尤其是MOS控制的半导体芯片只可以具有相当小的有源可控制面积以及开关功率制造出来。因此，例如就1200A模块而言，典型的是20个IGBT并联成功率半导体模块。对这种模块例如可参阅EP-A1-0 597144或者T.Stockmeier et al.的文章“Reliable 1200 Amp 2500V IGBT Modules for TractionApplication”,IEEE IGBT Propulsion DrivesColloquium,London,April 1995。
功率半导体的耗热的导散对于热负荷交变稳定性以及功率半导体模块的冷却系统提出很高要求。首先在牵引驱动用的高的高功率模块，热问题是长时间可靠性的主要限制。在今天的技术条件下，主要失效机制之一是在半导体芯片一衬底和导热底板或冷却器之间焊层老化和脱焊。因此芯片过热，焊线脱开，最后整个功率半导体模块毁坏。在一定数量的负荷交变之后观察到焊接疲劳和脱落，这除了与温度状况有关外与冷却效率有很大关系。因此，重要的事是优化冷却器的结构、几何尺寸和所用材料。
由登记号19647590.2未提前公开的德国专利通报已知：多个亚模块毗邻安置在由氮化铝(AlN)构成的公共陶瓷衬底上，并经铜制导热基板冷却。为了降低热机械应力，插入由铝硅碳化物(AlSiC)或铜硅碳化物(CuSiC)组合材料制的中间板，它具有AlN和铜之间的中间热膨胀系数。该结构的缺点是：通过中间板必需有第二焊层，因此热阻增大。
为高功率半导体模块专用的流体冷却装置在登记号19643717.2的未提前公开的德国专利通报上公开。提出完全或至少在冷却面区域由碳化硅合成物(AlSiC,CuSiC)或其它具有与半导体芯片匹配的热膨胀系数的材料构成的冷却外壳取代由铝(Al)和铜(Cu)构成的传统的冷却外壳。此外为了改善热传导，提供从冷却面向里突出的陶瓷针，这些陶瓷针在每一亚模块下能够组合成针群。在冷却外壳内的隔板使冷剂流集中到产生热的亚模块上。在该装置内虽然可以达到良好的冷却效率以及降低的热机械应力。然而与此对照的是复合物外壳的高制造价格。此外，由于预先规定每个外壳的亚模块数以及亚模块不能单个更换，使功率半导体模块的适应性和模块化受到限制。
最后由DE19645636获悉功率模块的一种集成结构，其中功率半导体、控制电子线路、母线汇流排和冷却体安置在公共的外壳体内。这种功率模块一点也不具有模块化。更确切地说，功率半导体大面积地插入整块衬底和整块冷却器和控制电子线路之间并且构成一准单片结构。
本发明的任务是：给出具有多个亚模块和改进的冷却器结构的功率半导体模块，其特征为：极高的热负荷容量、高度的长时间可靠性以及改善的模块化。本任务根据本发明由下述结构的功率半导体模块解决。
本发明的核心是由具有集成冷却器的亚模块组装功率半导体模块。这时亚模块恰好具有一衬底，在该衬底上面至少材料连接固定一半导体芯片且用其底面与冷却器浇铸在一起。
第一实施例给出具有亚模块和浇铸的冷却器的功率半导体模块，该冷却器具有以AlSiC板的形式的冷却体和以Al或AlSiC制的针、筋形式的冷却结构。
第二实施例描绘了一功率半导体模块，其中尤以较小的筋形式的冷却器结构直接灌注到亚模块衬底底面上。
此外，另一实施例涉及塑料外壳的应用，在该塑料外壳的上面存放亚模块而在其内部空间用冷却水等冷却冷却元件，以及集成控制电子线路和/或在功率模块内集成母线汇流排。
附加的实施例由有关的权利要求给出。
本发明的功率半导体模块的一个优点是：首先根据在衬底和冷却器之间界面的明显改善的热负荷交变的稳定性，在于其提高的可靠性和寿命。
本发明的功率半导体模块的另一优点是由冷却器结构的模块化给出的。因此有缺陷的亚模块是容易更换的，冷却外壳简单地适应于各按开关功率所希望的亚模块数量。
具有集成控制电子线路和集成母线汇流排接头的功率半导体模块能达到的紧凑的结构是其另一优点。
此外本发明的一优点在于，具有集成冷却器的亚模块能以标准件生产和测试，因此能够降低材料耗费和价格。
本发明依靠实施例详细说明如下：
图1具有用于亚模块的第一发明结构形式集成冷却器的功率半导体模块剖面；
图2具有用于亚模块的第二发明结构形式集成冷却器的功率半导体模块剖面；
图3具有8个亚模块的、按照图1或图2的功率半导体模块的俯视图；
图4具有集成控制电子线路的功率半导体模块的剖面。
图5按照图4的两功率半导体模块镜面对称安置的剖面；
图6具有集成母线汇流排的功率半导体模块外壳的简化剖面。
图中相同部分(部件)具有相同的参考符号。
正如发明的主题那样，图1给出了功率半导体模块1的优选的实施例。亚模块2至少包含一半导体芯片3，该半导体芯片经焊层4、由铜或铝的金属化5与AlN衬底6的上表面6a相连。衬底6包含与其底面6b浇铸的冷却器7，后者具有以AlSiC板形式的冷却体7a和由AlSiC或铝制成的筋或针形式的冷却结构。多个亚模块2组合成大功率半导体模块1。此外，亚模块安置在塑料外壳8的上面空隙凹处9内。塑料外壳8包围冷却器7和冷却介质10，该介质经过未图示的孔进入和流出。外壳上面8a在亚模块2的边缘区安置了以O型环形式的密封件11，厚的胶料连接或类似物。密封件11处于外壳上面8a和冷却体7a之间比较有利。
这种冷却器的结构特征为卓越的热承载能力。通过亚模块2材料选择大幅度降低了热机械应力，因为半导体材料3、AlN-陶瓷和AlSiC-冷却器的膨胀系数相互很好匹配。如果冷却器结构由铝构成，则通过针和筋7b对冷却体选择尽可能小的接触面积来防止膨胀系数大跃变。浇注具有从上向下增加的铝浓度、由此增加的膨胀系数的冷却器7原则上也是可能的，所以能够配备甚至由铝制成具有大面积冷却结构7b的冷却体7a。最后，在亚模块2或冷却器7和塑料外壳间大的膨胀系数差被柔性的或弹性的密封件11所吸收。
此外还具有优点，即：通过冷却器直接与衬底6根据本发明的浇注省掉了焊层。该浇注促使衬底6和冷却器7之间机械上极稳定以及最佳的温度和负荷交变的可靠连接，借此迄今为止在临界界面上的疲劳和脱焊问题就得以解决。因此，在运行中由于短路、爆炸等基于热机械过度疲劳的焊接连接产生的危险受到抑制。此外焊层对于半导体芯片3和冷水10之间热阻的贡献消失，由此实现热阻降低，其典型值约为1K/kW或5％-7％。
在图2可看到本发明的功率半导体模块1的变型。与图1不同，冷却结构7b没有安装冷体7a。冷却结构7a具有直接与衬底6浇注、主要由AlSiC或Al构成的许多针、筋等。甚致在具有大膨胀系数的铝的情况下，例如具有mm范围小直径的筋7a在衬底6和筋7a之间的界面处只产生很小的热机械应力。密封件11像以前那样由O型环、厚胶连接或类似物组成，但是现在安置在外壳上侧8a和较大地选择的陶瓷衬底6之间。
图3描绘了具有亚模块2的、根据图1或图2的功率半导体模块1的俯视图。半导体芯片3通过未图示的印制导线、接线头、端子、压焊连接等实现接触。陶瓷衬底6如以前所示置于外壳上侧或板8a的空隙9内，因此组成具有集成冷却的、坚固的、全模块化的、适应性强的功率半导体模块1。尤其是亚模块2能够极简单地单个更换，因为它并非像往常那样与公共的冷却器连接在一起，密封件11是可以简单方式分开并重新安装或重新粘合的。此外，外壳尺寸，即一些空隙9和亚模块2极容易按照功率半导体模块1所要求的开关功率的标准匹配。
本发明还包括亚模块2和功率半导体模块1的其它实施例，其中某些在下面将详细说明。
一个亚模块2的配件包括至少一只功率半导体元件例如晶闸管，门电路关断晶闸管(GTD),MOS控制晶闸管(MCT)，功率二极管，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或MOS场效应晶体管(MOSFET)。一亚模块2也可包括其它的布线元件。然而一亚模块只应该包含少数元件，以保持模块化和灵活性的优点。尤其值得追求的是最少配件，这时还要保证亚模块2的功能性和可检验性，但是避免为提高一个亚模块2功率的多重配件。一种有利的装配例如可以由具有一个功率半导体二极管的一只或多只IGBT组成，其中集电极和阴极以及发射极和阳极彼此是电连接的。
每一亚模块2正好使用一衬底6，它由任意电绝缘、且有足够热传导的材料，例如绝缘陶瓷组成。这时其热膨胀系数应当与半导体芯片3的热膨胀系数匹配，优选小于10ppm/K。尤其是除了AlN陶瓷之外，由氧化铝(Al2O3)，碳化硅(SiC)或金刚石制的陶瓷也是合适的。
金属化层5由铜构成，采用普遍方法，例如DCB法(直接铜键合法)安置在衬底上面6a上。铝金属化层5具有自动钝化的优点，因此具有较长时间的稳定性。例如用含钛的焊料硬焊代替金属化5也是可能的。
用保证良好电和热接触的另一材料接通的连接或固定代替半导体芯片3和衬底6之间的焊层4也是可行的。尤其亚模块2的加压支撑和加压接触是可行的。
冷却器7应该由具有良好热传导率的可浇铸的材料构成。冷却体7a必须和冷却结构可以由具有与衬底6相匹配的膨胀系数的材料构成。金属-陶瓷复合材料，尤其是碳化硅(SiC)例如AlSiC或CuSiC是一种有利选择。这时由金属陶瓷复合材料(AlSiC,CuSiC)制的冷却体7a能够与由同一复合材料或由从属的金属(Al,Cu)制冷却结构7b很好组合。冷却器7用生产金属陶瓷合成材料公知的加压渗入法或毛细管法直接浇铸到陶瓷衬底6上。这时陶瓷6置于SiC预成形模上，随后该预成形模用液体铝或铜渗入。在渗入时在金属和陶瓷间形成牢固连接。
同一浇铸技术也能够用于图2的冷器结构，尤其是对Al、Cu或其它金属-合金直接加到陶瓷衬底6上。以此方式在陶瓷6和金属筋7b之间完成高强度的、耐用的且良好热传导的连接。如果以单一工序把金属筋7b加到衬底6的底面6b上或把冷却体7a和同类金属化5加到衬底6的上侧6a是特别有利的。
冷却结构7b用于增加导热面积。对于具有足够小膨胀系数的材料，例如AlSiC或CuSiC，冷却结构能够有任意的外形和与衬底6或冷却体7a有大的接触面积。在较大膨胀系数情况下，例如超过10ppm/K，尤其在如铝或铜一类金属，宁选小面积冷却结构如小筋或短肋。然而在采用图1的冷却体7a的情况下，也可以完全放弃使用冷却结构。
作为替代AlSiC的另一选择，新发展的金属AlSi也能有了用处。只在最近，AlSi才在宇航应用的欧盟(EU)设计方案的框架内制成实用产品。AlSi具有对衬底6匹配的热膨胀系数，并且是以极不同形状可以很容易压铸的、潜在的成本低的可制造的，因而极适合于在这里规定的应用。
外壳8除了用塑料构成之外也能够由其它介电材料或金属构成。在宽的的温度范围例如在-40和150℃之间，它以有利的方式机械上和化学上稳定的，不可燃，不渗水并且是可粘接的。外壳形状能够在很宽阔的范围内改变。尤其是外壳8具有控制水流或冷却介质流的手段，例如隔板、冷却通道等。如在图1和图2所示，冷却结构7b也能够伸至外壳底部。由此产生的冷却通道的特征为在较小水流量时有极有效的热交换。密封件11能够配备附加的橡皮环以缓冲不同热膨胀所起的作用。
除了水9之外，其它流体或气体也可以用作功率半导体模块1的冷却介质9。在气体或空气冷却情况下，外壳底面6b可以放弃，而且在亚模块2的装置中存在较大的自由性。尤其是它能装配在两侧远远放着冷却器7的底板6a上。
本发明的功率半导体模块1也可以与传统的功率半导体模块组合，后者例如在具有公共冷却结构的公共组合板上具有多个亚模块2。
图4至图6描绘了其它的实施例。图4给出一功率半导体模块1，它包含一电子控制线路12，印制导线或印制电路板13和接触点14用于印制电路板13与亚模块2相连接。该接触点14优选为按压接触点或按压销钉。它们也能够作为空隙引入充当焊接线。电子控制线路12，印制电路板13和亚模块2集成于一公共外壳8内。外壳8优选由塑料构成。它是如此形成的，使得电子控制线路能够安置于印制电路板13上方。印制电路板13可允许放入外壳内，在外壳内浇铸或者别的介电绝缘装配。印制电路板13的数目由应用所决定。例如为一个相位分支需用三块印刷电路板13，为+和-引入线各一块，且为相位用一块。
图5给出功率半导体模块1的另一优选实施例。图中有两功率半导体模块1，如以前描述的那样，彼此对外壳底面8b镜面对称安置。外壳底面8b去掉不用，所以以前分开的模块1具有一公共的两面有效的冷却器7，并且安放到一公共的外壳8内。这种功率半导体模块1的一个优点在于，可以极其简单的方式达到功率加倍。其它优点由于其结构紧凑性、简单的冷却器结构和简单的冷却介质输入而产生。总之导致功率密度大幅上升。这种镜面对称功率半导体模块1的一种可能应用是例如两级电压变换器用的多个相位分支的并联。这种并联既可以在单个模块1之间实现，也可以在一个模块1内实现。比较理想的方式是四个相位分支组合在一个功率半导体模块1内，这些相位分支适于组成一个两级？相位分支，组成一个两级？半桥或一个具有集成制动断流器(Bremschopper)的两点变换器。
最后图6表明：额外的、用于印制电路板13接触的母线汇流排16能够在外壳8内安置。主要方式为母线汇流排16经滑动接触点15与印制电路板13接触。通过母线汇流排16集成到功率半导体模块1内，多个功率半导体模块1组合成更大的功率单元能进一步简化。
除了本文一开始所述优点之外，本发明的功率半导体模块1还有其它优点。由于具有集成冷却器7的亚模块2的已提高的冷却效率和运行可靠性，功率半导体模块1特别适用于在牵引运行中高功率应用。冷却器7由金属陶瓷复合材料可以相当简单、低价制造。尤其是取消了大面积冷却板或复杂的由复合材料制的冷却外壳的制造和加工处理。最后功率半导体模块1的模块结构2,7可以很好地集成兼容其它元件，尤其是电子控制线路12，印制电路板13和母线汇流排16。
总之通过本发明实现了具有亚模块2和准单片集成模块化冷却器7的功率半导体模块1，其特征为：显著改善的热负荷交变稳定性和长时间可靠性，紧凑的结构和高功率密度。
                          符号表1功率半导体模块2亚模块3半导体芯片4焊层5金属化6陶瓷衬底6a陶瓷衬底上面6b陶瓷衬底底面7冷却器7a冷却体7b冷却结构(针、筋等)8外壳8a外壳上面，板8b外壳底面9空隙凹处10冷却水，冷却介质11密封件12电子控制线路13印制导线，印制电路板14接触，压配接触，压制销钉15滑动接点16母线汇流排

Claims (12)

1．功率半导体模块(1)具有许多亚模块(2)，每个亚模块(2)分别具有至少一片材料连接固定在衬底(6)的上侧(6a)的半导体芯片(3)，其中衬底(6)是电绝缘的、但具有良好的热传导，具有对半导体芯片(3)匹配的膨胀系数，
其特征为：
(a)亚模块(2)正好具有一衬底(6)，后者具有由良好导热材料制成的一冷却器(7)，以及
(b)冷却器(7)与衬底(6)的底面(6b)浇铸在一起。
2．根据权利要求1的功率半导体模块(1)，其特征：冷却器(7)具有冷却体(7a)和/或冷却结构(7b)。
3．根据权利要求2的功率半导体模块(1)，其特征为：冷却结构(7b)直接与衬底(6)一起浇铸并且具有针或筋。
4．根据权利要求2至3之一的功率半导体模块(1)，其特征为：
(a)冷却体(7a)由具有对衬底(6)匹配的膨胀系数的材料构成和/或
(b)冷却结构(7a)由具有对衬底(6)匹配的膨胀系数的材料或由金属构成。
5．根据权利要求4的功率半导体模块(1)，其特征为：
(a)衬底(6)由绝缘陶瓷构成；
(b)冷却体(7a)由金属陶瓷复合材料尤其是碳化硅构成；
(c)冷却结构(7a)由相同的复合材料或从属的金属构成；
6．根据权利要求2至5之一的功率半导体模块(1)，其特征为：
(a)亚模块(2)并排地安置在公共板或外壳上侧(8a)的空隙(9)里，和
(b)冷却器(7)指向同一面，尤其是指向外壳底面(8b)。
7．根据权利要求6的功率半导体模块(1)，其特征为：
(a)功率半导体模块(1)包含一外壳(8)，用于包围冷却器(7)和冷却介质(10)，和
(b)流体，尤其是水或气体用作冷却介质(10)。
8．根据权利要求7的功率半导体模块(1)，其特征为：
(a)外壳上侧(8a)在亚模块(2)的边缘区具有O环形式的密封件(11)，厚胶连接或类似物，和
(b)外壳(8)具有引导冷却介质流的装置。
9．根据权利要求4至8之一的功率半导体模块(1)，其特征为：
(a)亚模块(2)具有最少的半导体芯片(3)的配件，尤其是带有一个功率二极管的一个IGBT，
(b)衬底(6)由AlN-,Al2O3-,SiC-或金刚石-陶瓷构成，
(c)冷却体(7a)由AlSiC,CuSiC或AlSi构成和或冷却结构(7b)由AlSiC,AlSi，铝或铜构成，和
(d)外壳(6)由介质材料，尤其是由塑料或由金属构成。
10．根据权利要求1至9之一的功率半导体模块(1)，其特征为：
(a)功率半导体模块(1)具有电子控制线路(12)，印制电路板(13)以及用于印制电路板(13)与亚模块(2)电连接的接触点(14)，
(b)电子控制线路(12)，印制电路板(13)和亚模块(2)集成在一公共的外壳(8)内，以及
(c)尤其是用于印制电路板(13)接触的附加母线汇流排(16)安置在个壳(8)内。
11．根据权利要求1至10之一的功率半导体模块(1)，其特征为：根据权利要求1至10之一的两功率半导体模块(1)彼此镜面对称安置，具有一公共的冷却器(7)并且安放在一公共的外壳(8)内。
12．根据权利要求1至11之一的功率半导体模块(1)，其特征为：亚模块(2)的数目根据功率半导体模块(1)所要求的开关功率的标准选择。
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