CN1324699C - 功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种功率半导体模块，其具有由可硬化塑料铸造复合物组成的壳体(1)以及基板(2)，其中电功率半导体部件(4)借助于绝缘层(5)而设置在所述基板(2)面对所述壳体(1)的表面的一部分上。至少所述基板(2)的面对壳体(1)并且包含所述电功率半导体部件(4)的所述表面部分被封装在所述壳体(1)中，其中所述可硬化塑料铸造复合物具有30和95ShoreA之间的硬度。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体工程的领域，并且基于根据权利要求1的前序部分的功率半导体模块。
背景技术
当今，功率半导体模块，特别是具有处于带有分别绝缘的控制电极的双极晶体管形式的电功率半导体部件的功率半导体模块，被用在许多功率电子电路中，特别是在变换器电路中。这种类型的功率半导体模块被例如描述在US 6,201,696中。在此情形中，所述功率半导体模块包含例如由塑料组成的壳体。所述塑料由例如环氧树脂的树脂形式的可硬化铸造复合物组成。这意味着热固性的塑料被选择用于此目的。也提供了基板(baseplate)，其中上面提到的电半导体部件被设置在所述基板的面对所述壳体的表面上。所述电功率半导体部件通常借助于绝缘层而设置在所述基板的表面上。
根据US 6,201,696，所述电功率半导体部件，所述绝缘层以及面对所述壳体的所述基板表面的部分被封装在所述环氧树脂的壳体中。另外，被耦合到所述至少一个电功率半导体部件的功率链接元件被封装在所述壳体中，其中所述功率链接元件的端子端引出所述壳体。
在上述公开于US 6,201,696的功率半导体模块中有这样的问题，即用于形成所述壳体的环氧树脂需要在230℃之间的高温并且在30-150巴量级的高压下被引入到对应的模子中。就过程技术来说，这意味着制造这样的功率半导体模块是复杂并且因此是昂贵的。另外，填料(filler)通常的高比例也使硬化的环氧树脂很脆，以致其几乎不能以弹性方式变形。在室温下，硬化的环氧树脂典型地分别具有显著高于95 ShoreA或者显著地高于60 ShoreD的硬度。包含填料的环氧树脂通常具有10和25ppm/°K之间的线性膨胀系数(CTE(α1))以及超过5Gpa的挠曲模量。通过所封装的电功率半导体部件对壳体的加热会导致不希望的张力，其可能导致所述壳体中的裂缝。这意味着所述电功率半导体部件之间的所述壳体的绝缘效果不再被保证，以致所述功率半导体模块可能具体由于短路而被损坏或者破坏。另外，所述壳体的脆性导致了所述半导体模块对于冲击和碰撞的增加的敏感性。如果所述功率半导体模块被用在苛刻的环境中，即如果其受到摇动运动形式的高加速力，可形成上面提到的裂缝并且具有相应的严重后果。这样的高加速力也促使在所述功率链接元件在其中引出所述壳体的区域中形成所述壳体中的裂缝。这意味着所述壳体不再支持所述功率链接元件并且所述链接元件可以脱离(tear off)。在该状态下，所述功率半导体模块可能不再工作或者至少不再敏感地工作。当使用环氧树脂时，由于10和25ppm/°K之间的线性膨胀系数(CTE(α1))以及超过5Gpa的挠曲模量，也会导致所述壳体中的裂缝的显著张力在硬化过程中很频繁地发生。
发明内容
本发明是基于公开一种功率半导体模块的目的，其壳体具有显著的弹性可变形性，并且就过程技术来说可以很容易地制造。此目的借助权利要求1的特征而实现。本发明的有利附加展开被公开于从属权利要求中。
根据本发明的功率半导体模块包括由可硬化塑料铸造复合物组成的壳体以及基板，其中电功率半导体部件通过绝缘层而设置在所述基板面对所述壳体的表面的一部分上。至少所述基板表面的面对壳体并且包含所述电功率半导体部件的部分被封装在所述壳体中。根据本发明，所述可硬化塑料铸造复合物具有30和95 ShoreA之间的硬度。这有利地为所述功率半导体模块的壳体提供了在硬化状态下相对于高的热膨胀系数的特别高的弹性可变形性。结果，当所述壳体被所封装的电功率半导体部件加热时几乎无任何不希望的张力发生，以致没有裂缝在所述壳体中形成。所述壳体的弹性可变形性使得根据本发明的所述功率半导体模块对冲击和碰撞大为不敏感，以致所述功率半导体模块也非常适合用于苛刻的环境中，即其中所述功率半导体模块受到摇动运动形式的高加速力的应用中。在这样的环境中，由于所述壳体中形成裂缝的低概率，所封装的电功率半导体部件之间以及所述电功率半导体部件与所述壳体周围之间的所述壳体的所需绝缘效果几乎一直被提供。
根据本发明的功率半导体模块的壳体不仅如以上所述是弹性可变形的，而且具有极佳的稳定性。这意味着所述壳体例如可以容易地借助于夹具来安装，而不冒所述壳体裂开或者破裂的风险。
本发明的这些和其他目的，优点和特征参照图中听说明的本发明的优选实施例在以下被更详细地讨论。
附图说明
在附图中：
图1示出根据本发明的半导体模块的第一实施例的截面表示，以及
图2示出根据本发明的半导体模块的第二实施例的截面表示。
在所述图中使用的参考数字以及它们的意义在参考符号列表中被指定。在所有的图中，相同的部分通常由相同的参考符号来标识。所描述的实施例仅充当本发明对象的例子并且不应该在限制的意义上被理解。
具体实施方式
图1示出根据本发明的半导体模块的第一实施例的截面表示。根据图1，所述半导体模块包括由可硬化塑料铸造复合物组成的壳体1以及基板2，其中电功率半导体部件4借助于绝缘层5而设置在所述基板2面对所述壳体1的表面上。这些电功率半导体部件4的仅一个被示出在图1中以提供较好的总貌。但是，亦可以设想，特别对于专门的应用，将所述电功率半导体部件4直接设置在所述基板2的面对所述壳体1的表面，即没有绝缘层5。这有利地使除去所述绝缘层5成为可能。在图1中，至少所述基板2的面对所述壳体1的表面的所述部分与其上所设置的电功率半导体部件4一起被封装在所述壳体1中。根据本发明，所述可硬化塑料铸造复合物具有30和95ShoreA之间的硬度。由于这样的塑料铸造复合物的使用，所述功率半导体模块的壳体1具有在硬化状态下相对于高的热膨胀系数的特别高的弹性可变形性。如果所述壳体1被其中所封装的所述电功率半导体部件4加热，有利的是所述壳体1中的不希望的张力和由此导致的裂缝在很大程度上被防止。另外，所述壳体1的弹性可变形性使得根据本发明的所述功率半导体模块在很大程度上对冲击和碰撞不敏感。这意味着所述功率半导体模块也适合用在苛刻的环境中，即在所述功率半导体模块受到摇动运动形式的高加速力的应用中。由于上述的壳体1中形成裂缝的低概率，所封装的电功率半导体部件4之间以及所述电功率半导体部件与所述壳体1周围之间的壳体1的所序绝缘效果在这样的苛刻环境中几乎一直被提供。
尽管有所描述的弹性可变形性，根据本发明的功率半导体模块的所述壳体1仍具有优良的稳定性。例如，所述壳体1可以容易地夹到本体上而没有在所述壳体1中形成裂缝或者所述壳体1破裂的风险。
可硬化塑料铸造复合物优选地具有40和300ppm/°K之间的线性膨胀系数(CTE(α1))以及100kpa和2Gpa之间的挠曲模量(flexuralmodulus)。与包含填料的常规环氧树脂相比，由于其线性膨胀系数(CTE(α1))在40和300ppm/°K之间并且其挠曲模量在100kpa和2Gpa之间，在所述塑料铸造复合物的硬化过程中，所述壳体中的裂缝的形成可以在很大程度上被防止。即使例如由所述功率半导体部件引起的所述封装之内的局部化加热也不会导致在这样的被加热区周围中的任何显著的张力。
特别有利的是所述可硬化塑料铸造复合物由热塑性热熔粘合剂(thermoplastic hot-melt adhesive)组成。所述热塑性热熔粘合剂优选地包含二聚脂肪酸聚酰胺(dimeric fatty acid polyamide)。这确保了所封装的电功率半导体部件4之间以及所述电功率半导体部件与所述壳体1周围之间的壳体1的特别有效的绝缘。
特别有利的是所述热熔粘合剂具有150℃和220℃之间的铸造温度，以致所述热熔粘合剂可在此温度范围内被铸造。另外，所述热熔粘合剂可以有利地以0.1MPa和0.5MPA之间的很低的铸造压力被铸造。所述热熔粘合剂的液相使得有可能使所述粘合剂脱气。结果，在所述铸造过程期间泡的形成在很大程度上被防止，以致在所述功率半导体模块的工作期间由于在所述壳体1中包含空气或者气体所导致的局部放电(partial discharge)的发生的概率被减到最小。所述壳体1优选地在铝模中被铸造。在所述铸造过程中，所述热熔粘合剂首先在与所述模子的接触表面处硬化，而所述粘合剂的剩余部分填满所述模子直到其完全硬化。所述热熔粘合剂的流动特性以及所述低铸造温度连同低铸造压力使获得高度不透且很稳定的壳体1成为可能。所述电功率半导体部件4以及安装于其上的极其易损(delicate)的附件可被完全且小心地以所需方式被封装，密封，保护并且相对于彼此而电绝缘。
由于在铸造过程中的低铸造温度和低铸造压力，以及所述热熔粘合剂的简单铸造和前面描述的流动性，有可能借助于简单的铸造方法或例如注模法很容易地制造根据本发明的功率半导体模块，特别是所述壳体1。
取代使用热塑性热熔粘合剂形式的可硬化塑料铸造复合物，也可以设想使用聚氨酯(polyurethane)或硅树脂(silicone)形式的可硬化塑料铸造复合物。不言而喻热塑性热熔粘合剂形式的可硬化塑料铸造复合物的上述优点也可以借助聚氨酯或硅树脂形式的可硬化塑料铸造复合物来获得。
一般惯例是借助于控制装置6来控制所述电功率半导体部件4，如果所述电功率半导体部件4以具有分别绝缘的控制电极的双极晶体管的形式来实现，则所述控制装置6包括例如控制电极级(control electrodestage)。所述控制装置因此被连接到所述电功率半导体部件4，如图1中所示。根据图1，根据本发明的功率半导体模块包括如此的控制装置6，其被连接到所述电功率半导体部件4的至少一个，并且至少部分地被封装在所述壳体1中。例如，所述控制装置6被完全封装在所述壳体1中，如图1中所示。所述控制装置6被以此方式集成到所述功率半导体模块中，并且被保护不受由于所述壳体1的弹性可变形性导致的机械影响。另外，如果所述控制装置6被如上面所述集成到所述壳体1中，则所述功率半导体模块和所述控制装置6的空间要求可显著降低。所述控制装置6到所述壳体1中的集成也使实现所述控制装置6与至少一个电功率半导体部件4之间很短的连接成为可能。就此而言，不仅有可能降低材料要求，而且能够降低所述功率半导体模块的易受干扰性(interferenceliability)，换句话说这是因为在很大程度上防止了电磁波引起任何这样的干扰。所述的低铸造压力也使得有可能封装不打算用于压力铸造的部件，例如罐型电解电容器。
图2示出了根据本发明的功率半导体模块的第二实施例的截面表示。在图1和图2中，所述控制装置6包含印刷电路板7，其具有面对所述电功率半导体部件4的第一电路板侧8和避开所述电功率半导体部件4的第二电路板侧9。与图1相比，如图2中所示的所述控制装置6仅被部分封装在所述壳体中，即所述第一电路板侧8被封装在所述壳体1中并且所述第二电路板侧9位于所述壳体外部。图2中所示的根据本发明的功率半导体模块的实施例特征具体在于，所述电助率半导体部件4的过度热损耗能量可通过所述第二电路板侧9从所述壳体1的内部被带走。如果如图2中所示的所述第二电路板侧9被与冷却元件10热耦合，则上面提到的热损耗能量可以被更好地带走。
根据图1和图2，控制链接元件11被连接到所述控制装置6并且被封装在所述壳体1中，其中所述控制链接元件11的端子端引出所述壳体1。所述控制链接元件11用于例如与较高位(higher order)的电子控制单元交换信号。所述控制链接元件11有利地以线缆的形式实现。这样的线缆被灵活地实现以便于在很大程度上防止在所述壳体1中所述控制链接元件11引出所述壳体1的区域例如在苛刻环境中在高加速力的影响下形成裂缝。具有电导体的线缆以及光波导可以被当作用于所述控制链接元件11的线缆。
也有利的是，可硬化塑料铸造复合物，具体而言是所述热熔粘合剂或者上面提到的聚氨酯或硅树脂复合物在所述硬化状态下是基本透明的或者不透明的。这允许通过壳体1与未在图1和图2中示出的所述控制装置6的光学接收元件的光学通信，和/或通过壳体1与未在图1和图2中示出的所述控制装置6的光学发射元件的光学通信。取代所述控制链接元件11或者除了所述控制链接元件11以外，亦可提供上面提到的光通信元件。
根据图1和图2，功率链接元件3被连接到所述电功率半导体部件4之一并且被封装在所述壳体1中。所述功率链接元件3用于通过所述电功率半导体部件4来传输电能或者功率。至少一个功率链接元件3通常被连接到至少一个所述电功率半导体部件4并且被封装在所述壳体1中，其中所述至少一个功率链接元件3的端子端引出所述壳体1。所述至少一个功率链接元件3优选地以线缆的形式实现。这样的线缆被灵活地实现以便于在很大程度上防止例如在苛刻环境中在高加速力的影响下在壳体1中所述功率链接元件3引出所述壳体的区域内形成裂缝。
所述用于壳体1的可硬化塑料铸造复合物，具体而言是所述热塑性热熔粘合剂，在下面被更详细地讨论。所使用的可硬化塑料铸造复合物，具体而言是所述热塑性热熔粘合剂，具有导致所述热塑性热熔粘合剂与基板，即所有被封装的和部分被封装的部件之间的机械接合或者机械锚接的有利特性。具体而言，由于所述可硬化塑料铸造复合物，具体而言是所述热塑性热熔粘合剂对对应线缆绝缘的粘合作用，所述线缆形式的控制链接元件11以及所述至少一个功率链接元件3被很稳固地连接到所述壳体1。类似地，由于所述可硬化塑料铸造复合物，具体而言是所述热塑性热熔粘合剂的极佳粘合作用，包含所述电功率半导体部件4并且面对所述壳体的所述基板2的表面部分，以及至少部分地封装在所述壳体1中的所述控制装置6也被稳固地连接到所述壳体1。具体地，就所述控制链接元件11以及所述至少一个功率链接元件3来说，在所述壳体1中在上面提到的元件3，11的出口区域处形成裂缝几乎是不可能的，并且由所述壳体1对这些元件3，11的保持(retention)几乎总是被确保。由于这些措施，根据本发明的功率半导体模块的工作可用性被全面显著地增加。粘合作用可以用合适的粘合促进剂(底料)或者涂层附加地改进。例如以对潮湿的扩散屏障的形式，全部或者部分遮蔽(shading)的形式，或者甚至为了作标记的目的，所述涂层也可以在所述铸造过程之后被应用到硬化的壳体上。
参考符号列表
1 壳体
2 基板
3 功率链接元件
4 电功率半导体部件
5 绝缘层
6 控制装置
7 印刷电路板
8 印刷电路板的第一侧
9 印刷电路板的第二侧
10 冷却元件
11 控制链接元件
12 电子部件。
Claims (18)
1.一种功率半导体模块，其具有由可硬化塑料铸造复合物组成的壳体(1)以及基板(2)，其中一个或多个电功率半导体部件(4)通过绝缘层(5)设置在所述基板(2)面对所述壳体(1)的表面的部分上，其中至少所述基板(2)的面对壳体(1)并且包含所述电功率半导体部件(4)的所述表面的部分被封装在所述壳体(1)中，并且其中所述可硬化塑料铸造复合物具有30和95ShoreA之间的硬度，其特征在于
所述可硬化塑料铸造复合物由热塑性热熔粘合剂组成。
2.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于所述可硬化塑料铸造复合物具有40和300ppm/°K之间的线性膨胀系数以及100kPa和2GPa之间的挠曲模量。
3.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于所述热熔粘合剂包含二聚脂肪酸聚酰胺。
4.如权利要求1-3之一所述的功率半导体模块，其特征在于所述热熔粘合剂具有150℃和220℃之间的铸造温度。
5.如权利要求1-3之一所述的功率半导体模块，其特征在于所述热熔粘合剂可以以0.1Mpa和0.5Mpa之间的铸造压力来铸造。
6.如权利要求1-3之一所述的功率半导体模块，其特征在于所述可硬化塑料铸造复合物在硬化状态下是透明的。
7.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于控制装置(6)被连接到所述一个或多个电功率半导体部件(4)中的至少一个并且至少部分地被封装在所述壳体(1)中。
8.如权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于所述控制装置(6)包含印刷电路板(7)，其具有面对所述电功率半导体部件(4)的第一电路板侧(8)和背对所述电功率半导体部件(4)的第二电路板侧(9)，
所述第一电路板侧(8)被封装在所述壳体(1)中，并且
所述第二电路板侧(9)位于所述壳体(1)的外部。
9.如权利要求8所述的功率半导体模块，其特征在于所述第二电路板侧(9)与冷却元件(10)热耦合。
10.如权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于连接到所述控制装置(6)的控制链接元件(11)被封装在所述壳体(1)中，并且所述控制链接元件(11)的端子端引出所述壳体(1)。
11.如权利要求10所述的功率半导体模块，其特征在于所述控制链接元件(11)是以线缆的形式实现的。
12.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于至少一个功率链接元件(3)被连接到所述一个或多个电功率半导体部件(4)中的至少一个并且被封装在所述壳体(1)中，其中所述至少一个功率链接元件(3)的端子端引出所述壳体(1)，并且
所述至少一个功率链接元件(3)是以线缆的形式实现的。
13.一种功率半导体模块，其具有由可硬化塑料铸造复合物组成的壳体(1)以及基板(2)，其中电功率半导体部件(4)直接设置在所述基板(2)面对所述壳体(1)的表面的部分上，其中至少所述基板(2)的面对壳体(1)并且包含所述电功率半导体部件(4)的所述表面的部分被封装在所述壳体(1)中，并且其中所述可硬化塑料铸造复合物具有30和95ShoreA之间的硬度，其特征在于
所述可硬化塑料铸造复合物由热塑性热熔粘合剂组成。
14.如权利要求13所述的功率半导体模块，其特征在于所述可硬化塑料铸造复合物具有40和300ppm/°K之间的线性膨胀系数以及100kPa和2GPa之间的挠曲模量。
15.如权利要求13所述的功率半导体模块，其特征在于所述热熔粘合剂包含二聚脂肪酸聚酰胺。
16.如权利要求13-15之一所述的功率半导体模块，其特征在于所述热熔粘合剂具有150℃和220℃之间的铸造温度。
17.如权利要求13-15之一所述的功率半导体模块，其特征在于所述热熔粘合剂可以以0.1Mpa和0.5Mpa之间的铸造压力来铸造。
18.如权利要求13-15之一所述的功率半导体模块，其特征在于所述可硬化塑料铸造复合物在硬化状态下是透明的。
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