CN208589435U - 功率半导体模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种功率半导体模块，其具有半导体基体、半导体本体和壳体。壳体具有第一壳体部分、第二壳体部分和至少一个压紧凸模。功率半导体模块还具有至少一个补偿元件。第一壳体部分在装配好的状态中形成围绕半导体基体的框架。第二壳体部分形成跨接第一壳体部分的顶罩并且具有至少一个固定元件。至少一个压紧凸模被构造用于：当壳体固定在冷却体上时，将力施加到半导体基体上。当没有力施加到至少一个补偿元件上时，补偿元件具有第一高度，其中，当被施加到补偿元件上的压力大于预设阈值时，第一高度下降到第二高度。当壳体固定在冷却体上时，补偿元件布置在压紧凸模和半导体基体之间和/或至少一个补偿元件布置在固定元件的区域中。

Description

功率半导体模块

技术领域

本实用新型涉及一种功率半导体模块，特别是具有两件式壳体的功率半导体模块。

背景技术

功率半导体模块通常具有一个或多个半导体基体，半导体基体能够布置在底板上或在冷却体上。具有多个可控半导体结构元件（例如IGBT）的半导体装置布置在基体中的至少一个基体上。半导体基体通常具有电绝缘的基体层（例如陶瓷层）、布置在基体层的第一侧上的第一导电层（例如金属层）以及第二导电层（例如金属层），第二导电层布置在基体层的与第一侧相对置的第二侧上。可控半导体结构元件例如布置在第一导电层上。第二导电层通常与底板或冷却体连接，也就是说，第二导电层布置在底板/冷却体和绝缘的基体层之间。例如借助于烧结方法将可控半导体结构元件固定在半导体基体上。在此，连接层布置在半导体基体与半导体结构元件之间，连接层将半导体结构元件与半导体基体固定连接。

这些组件通常由壳体保护。同时，在此所述壳体也能够用于将所述至少一个基体压紧到冷却体处。在此能够例如由于不均匀的挤压力以及半导体基体的由此引起的弯拱而在基体和冷却体之间产生空腔，从而可能不再向着冷却体进行最佳散热。

实用新型内容

因此需要下述功率半导体模块，对于所述功率半导体模块来说，保证了基体在冷却体上的尽可能最佳的压紧，并且因此确保最佳的散热。

功率半导体模块具有半导体基体、布置在半导体基体上的半导体本体以及壳体，其中，壳体限定被构造用于容纳半导体基体和半导体本体的空腔。壳体具有第一壳体部分、第二壳体部分和至少一个压紧凸模。功率半导体模块还具有至少一个补偿元件。第一壳体部分在装配好的状态中形成围绕半导体基体的框架并且被构造用于：将力施加到半导体基体上并且将该半导体基体压向冷却体。第二壳体部分形成跨接第一壳体部分的顶罩并且具有至少一个固定元件，以用于将第二壳体部分固定在冷却体上。所述至少一个压紧凸模被构造用于：当壳体固定在冷却体上时，将力施加到半导体基体上并且将该半导体基体按压到冷却体处。当没有力施加到所述至少一个补偿元件上时，所述至少一个补偿元件具有第一高度，其中，当被施加到补偿元件上的压力大于预设阈值时，第一高度下降到小于所述第一高度的第二高度。当壳体固定在冷却体上时，至少一个补偿元件布置在压紧凸模和半导体基体之间和/或至少一个补偿元件布置在固定元件的区域中。

附图说明

在下文借助于示例并且参照附图来更加详细地阐释本实用新型。在此相同的附图标记表示相同的元件。附图中的示意不按比例。其中：

图1示例性示出了功率半导体模块的横截面；

图2示例性示出了功率半导体模块的分解视图；

图3示例性示出了另一功率半导体模块的横截面；

图4示例性示出了另一功率半导体模块的横截面；

图5示例性示出了功率半导体模块的分解视图；

图6示例性示出了邵氏00级、邵氏A级和邵氏B级的不同值；

图7在邵氏A级、邵氏B级和洛氏级上示例性示出了各种材料；并且

图8包括图8A-8C，示例性示出了固定元件的各种布置。

具体实施方式

在下面的详细描述中，借助于具体实例来说明如何能够实现本实用新型。显然的是，只要没有另外提及，本文所述的各种示例的特征能够彼此组合。如果特定元件被称为“第一元件”、“第二元件”...等，表述“第一”、“第二”...仅用于区分不同的元件。顺序或列举与该表述不相关。这意味着，例如当不存在“第一元件”时，也能够存在“第二元件”。

参照图1示出了半导体基体10。半导体基体10例如具有介电绝缘层11、（结构化的）第一导电层111和（结构化的）第二导电层112。第一导电层111布置在介电绝缘层11的第一侧上，并且第二导电层布置在介电绝缘层11的与第一侧相对置的第二侧上。介电绝缘层11因此布置在第一导电层111和第二导电层112之间。

第一导电层111和第二导电层112中的每一个导电层均能够由以下材料中的一种组成或者具有以下材料中的一种：铜；铜合金；铝；铝合金；在功率半导体模块的操作期间保持固态的任何其它金属或任何其它金属合金。半导体基体10能够是陶瓷基体，也就是其中介电绝缘层11由陶瓷制成的基体。介电绝缘层11因此能够是例如薄陶瓷层。介电绝缘层11的陶瓷例如能够由以下材料中的一种组成或者具有以下材料中的一种：氧化铝；氮化铝；氧化锆；氮化硅；氮化硼；或任何其他陶瓷。例如，介电绝缘层11能够由以下材料中的一种组成或具有以下材料中的一种：Al₂O₃、AlN或Si₃N₄。半导体基体10能够是例如所谓的直接铜键合（DCB）基体、直接铝键合（DAB）基体、绝缘金属基体（IMS）或活性金属钎焊（AMB）基体。例如半导体基体10也能够是具有非陶瓷介电绝缘层11的常规印刷电路板（PCB，printed circuitboard）。例如，非陶瓷介电绝缘层11能够由硬化树脂制成或者能够具有硬化树脂。

继续参考图1，一个或多个半导体本体20能够布置在半导体基体10上。半导体基体10上的半导体本体20中的每个半导体本体能够是二极管、IGBT（具有绝缘栅电极的双极晶体管）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、JFET（阻挡层场效应晶体管）、HEMT（具有高电子迁移率的晶体管）或任何其他合适的可控半导体结构元件。一个或多个半导体本体20能够在半导体基体10上形成半导体装置。在图1中仅示例展示了两个半导体本体20。

图1中所示的第一导电层111是连续层。然而例如当在半导体基体10上布置有多于一个半导体本体20时，第一导电层111也能够是结构化的层。就此而论，“结构化的层”意味着第一导电层111不是连续层，而是在层的不同区域之间具有中断。各种半导体本体20能够布置在第一导电层111的相同区域上或不同区域上。第一导电层111的各个区域能够彼此不具有电连接，或者能够例如借助于键合线彼此电连接。半导体本体20中的每一个半导体本体能够与半导体基体10借助于导电连接层22电连接和机械连接。图1示例性示出了具有布置在半导体基体上的连接层22的半导体基体10。这种导电连接层22基本上能够是焊料层，由导电粘合剂形成的层或由烧结金属粉末、例如烧结银粉末形成的层。

为了将半导体本体20与半导体基体10连接，将半导体本体20布置在半导体基体10的表面（上表面）上，其中，连接层22布置在半导体基体10和半导体本体20之间。半导体基体10的上表面是第一导电层111的背离于介电绝缘层11的表面。备选地或附加地，半导体本体20能够例如也借助于键合线24与半导体基体10连接。

半导体基体10在图1中所示的示例中布置在冷却体12上。在半导体本体20中产生的热量因此能够经由半导体基体10向着冷却体12导出，以避免半导体本体20的过热。半导体基体10能够例如经由未示出的导热层与冷却体12连接。

具有所述至少一个半导体基体10和所述至少一个半导体本体20的装置布置在壳体中。壳体限定被构造用于容纳半导体基体10和所述至少一个半导体本体20的空腔。功率半导体模块的其他组件也能够容纳在空腔中。在图1中所示的装置的壳体具有第一壳体部分42和第二壳体部分44。当半导体基体10和第一壳体部分42布置在冷却体12上时，第一壳体部分42能够例如形成围绕半导体基体10的框架，并且第二壳体部分44能够形成跨接框架的顶罩。第一壳体部分42被构造用于：将所述至少一个半导体基体10压紧到冷却体12处。特别地，第一壳体部分42能够被构造用于：将力施加到半导体基体10上。第一壳体部分42能够例如将力施加到半导体基体10的边缘区域上，并且由此将这些边缘区域压紧到冷却体12处。第一壳体部分42能够利用下表面支托在冷却体12上。例如第一壳体部分42能够具有突起，第一壳体部分利用该突起突出超过半导体基体10。突起的下表面在此位于半导体基体10的上表面上。半导体基体10的上表面在此是上面布置有半导体本体20的表面。

如图1所示，第二壳体部分44能够具有侧壁和盖子，并且因此形成一种顶罩。当第二壳体部分44布置在冷却体12上时，第二壳体部分包围半导体基体10连同布置在半导体基体上的半导体本体20以及第一壳体部分42。当第二壳体部分44固定在冷却体12上时，第二壳体部分按压到第一壳体部分42的上侧上，使得第一壳体部分压紧到冷却体12处并且又在其下侧处也使得半导体基体10压紧到冷却体12处。在图1中，第一壳体部分42和第二壳体部分44都显示为与冷却体12相距。在完成组装状态中，第一和第二壳体部分42、44与冷却体12之间不再存在这些中间空间。

壳体或第二壳体部分44能够进一步包括压紧凸模46。由于第一壳体部分42仅将半导体基体10在边缘区域中压紧到冷却体12处，所以这能够导致在半导体基体10的弯曲，由此在半导体基体10的中央区域中（在中部）在半导体基体10和冷却体12之间的距离大于在半导体基体10的边缘区域与冷却体12之间的距离。由此能够在半导体基体10和冷却体12之间产生不希望的空腔。在图1中没有示出半导体基体10的弯曲和由此得到的空腔。

压紧凸模46能够如此布置在第二壳体部分44处，使得压紧凸模在中央区域中（在中部）按压到半导体基体10处，并且因此半导体基体也在该区域中压紧到冷却体12处。在中央区域中或在中部就此而论意味着：在半导体基体10的位于边缘区域之间并且由此被边缘区域包围的区域中。如图1中示例性所示，所述至少一个压紧凸模46能够准确布置在半导体基体10的中部。压紧凸模46但是也能够相对于边缘区域中的一个或多个边缘区域偏置布置（未示出）。通过防止半导体基体10的弯曲并且减少在半导体基体10和冷却体之间的空腔，能够实现减小传热阻力Rth。也就是说，能够向冷却体导出更高的损耗功率或更多的热量。能够由此以更高的标称电流运行功率半导体模块。此外，由此引起比传统模块中更高的变流器输出功率是可能的。备选地，能够通过半导体本体20的改善的散热和降低的温度来提高功率半导体模块的功率循环能力。由此能够提高功率半导体模块的寿命。

在图1中示例性示出了仅一个压紧凸模46。根据半导体基体10和壳体的尺寸，第二壳体部分44却也能够具有多于一个压紧凸模46。所述至少一个压紧凸模46例如能够在这样的区域中将力施加到半导体基体10上，在该区域中没有布置半导体本体20，即该区域在半导体本体20之间。所述至少一个压紧凸模46例如能够与第二壳体部分44一体式构造。所述至少一个压紧凸模46也能够形成在第二壳体部分44上。压紧凸模46能够例如柱状、凸模状或接片状构造。

功率半导体模块还能够具有接触元件30。一个或多个接触元件30能够布置在半导体基体10的上表面上，以便实现半导体基体10的电接触或布置在半导体基体上的半导体本体20的电接触。接触元件30能够例如构造为接触销，接触销在垂直于半导体基体10的上表面的方向上从壳体向外延伸。在第二壳体部分44中例如能够设置相应的开口，接触元件30穿过该开口突出。

为了使施加到半导体基体10上的压力不过大，压紧凸模46能够具有弹性补偿元件48。补偿元件48能够布置在压紧凸模46的下端，使得当壳体固定在冷却体上时，补偿元件布置在压紧凸模46和半导体基体10之间。弹性补偿元件48能够例如具有下述材料，当施加到该材料上的压力超过特定阈值时所述材料被压缩。当没有压力或没有力施加到补偿元件上时，补偿元件48能够在未被加载的状态中在与半导体基体10的上表面垂直的方向上例如具有第一高度h1。如果向着半导体基体10的方向上仅轻微的压力施加到弹性补偿元件48上，则第一高度h1首先保持不变。然而如果到弹性补偿元件48上的压力或力超过预设阈值，则补偿元件46被压缩，并且然后具有小于第一高度h1的第二高度h2。由此防止了施加到半导体基体10上的压力变得任意大。更确切地说，过大的压力由弹性补偿元件48补偿。

阈值在此取决于补偿元件48的材料。补偿元件48的材料越硬，则补偿元件越久经受施加到其上的压力并且阈值越大。材料的硬度越小，则压缩越快并且阈值越小。例如补偿元件48能够具有在所谓的邵氏A级上的在20和95之间或者在50和75之间的硬度的材料。图6示例性示出了邵氏A级以及邵氏00级和邵氏B级。邵氏00级主要用于非常软到中等硬度的材料。例如，非常软的材料是果胶。例如，中等硬度的材料也用于汽车轮胎。邵氏B级用于中等硬度到非常硬的材料。例如，非常硬的材料也被用于防护头盔。邵氏A级用于软到硬材料。例如，软质材料用于橡胶带，而硬质材料则用于例如橡胶轮。例如，约40的邵氏A硬度对应于橡皮的硬度。

例如，弹性补偿元件48能够具有诸如各种橡胶类型的材料或者也能够具有聚氨酯，如例如图7中所示那样。如图7所例示的各种塑料也能够被使用，但大多已经太硬。可能的材料的另外示例是环氧树脂、天然橡胶、合成橡胶或类似橡胶的材料。例如橡胶具有的优点是能够有很宽范围的硬度，并且因此能够通过选择相应的橡胶来很好地设定阈值。此外，橡胶长时间保持在压缩状态中（第二高度h2），而不会显著改变其结构。与此不同，例如施加到泡沫材料上的压力随着时间而降低。也就是说，施加到半导体基体上的压力能够在泡沫材料的使用中随着时间而减小。

图2示例性示出了图1所示的半导体模块的分解视图。特别地，图2示出了多个弹性补偿元件48，弹性补偿元件布置在压紧凸模46和半导体基体10之间。在图2的视图中看不到压紧凸模46，因为压紧凸模位于第二壳体部分44的内部并且在该视图中被第二壳体部分44的侧壁覆盖。

如例如在图3中所示，第二壳体部分44能够借助于固定元件50与冷却体12连接。如例如在图3中所示，固定元件50能够具有螺钉52，螺钉能够插入到第二壳体部分44中和冷却体12中的对应的螺纹孔54中。由此第二壳体部分44能够与冷却体12固定连接。然而在此使用螺钉52仅仅是一个例子。第二壳体部分44能够以任何方式和方法与冷却体12连接。例如固定元件50也能够具有弹簧连接或压配合连接。除了附加的固定元件50外，图3中的结构对应于图1中所描述的结构。

备选于或附加于布置在压紧凸模46和半导体基体10之间的弹性补偿元件48（参见图1和相关描述），功率半导体模块也具有在固定位置处的弹性补偿元件48，在该固定位置处第二壳体部分44借助于固定元件50与冷却体12连接。这例如在图4中示出。在图4的布置中，功率半导体模块在固定元件50和冷却体12之间仅具有弹性补偿元件48。不同地，图4中的压紧凸模46不具有压紧元件。然而这只是一个示例。原则上，附加于在固定位置处的弹性补偿元件48，弹性补偿元件也能够设置在压紧凸模46处。如参考图1所描述的那样，固定位置处的压紧元件48被构造用于：调节或限制被施加到半导体基体10上的压力。图4中的装置的压紧元件48能够具有相同的硬度（例如，邵氏A级上的20和95之间或50和75之间）和相同的材料，正如参照图1中所述的弹性补偿元件48所描述的那样。通过调节（限制）第二壳体部分44到冷却体12处的挤压力，同时限制了施加到第一壳体部分42上的力以及也因此限制了施加到半导体基体10上的力。在此限制了由第一壳体部分42施加到半导体基体12上的力和由压紧凸模46施加到半导体基体12上的力。这与在压紧凸模46和半导体基体12之间是否还设置压紧元件48无关。

如上已经所述，固定元件50例如能够具有螺钉52和螺纹孔54或压配合连接（压配合销钉和配合件）。如果补偿元件48布置在固定元件50的区域中，补偿元件48能够例如同样具有螺纹孔或开口，螺钉52或压配合销钉能够延伸穿过该螺纹孔或开口。这例如在图4中示出。

固定位置，即第二壳体部分44借助于固定元件50固定在冷却体处的位置，能够设置在沿着第二壳体部分44的任意位置处。例如，第二壳体部分44能够具有矩形形状，并且固定元件50能够设置在第二壳体部分44的全部四角处。然而这只是一个例子。如例如通过图8A-C所示，固定元件50也能够布置在沿着第二壳体部分44的任意其他位置处。例如，两个或三个固定元件50可能已经足以将第二壳体部分44固定在冷却体12处。此外第二壳体部分也能够具有多于四个固定元件50（未示出）。至少两个固定元件50能够布置在沿着第二壳体部分44的任意位置处。

在此，第二壳体部分44能够如例如在图4中所示那样直接与冷却体12连接。但是也可行的是，如例如在图5中所示那样，固定元件50被这样布置，使得固定元件50（例如螺钉/螺纹孔）穿过第二壳体部分44并且附加地穿过第一壳体部分42延伸到冷却体12中。例如，压配合销钉能够布置在冷却体12上（未示出），压配合销钉穿过第一壳体部分42突出并且插入到第二壳体部分44中的对应的配合件中。弹性补偿元件48因此能够例如布置在第二壳体部分44和冷却体12（见图4）之间或布置在第一壳体部分42和第二壳体部分44（见图5）之间。

Claims (9)

1.一种功率半导体模块，其具有：半导体基体（10）；

半导体本体（20），所述半导体本体布置在所述半导体基体（10）上；

壳体，所述壳体限定被构造用于容纳所述半导体基体（10）和所述半导体本体（20）的空腔，其中，所述壳体具有第一壳体部分（42）、第二壳体部分（44）和至少一个压紧凸模（46）；和

至少一个补偿元件（48），其中，当所述壳体固定在冷却体（12）上时，

所述第一壳体部分（42）形成围绕所述半导体基体（10）的框架并且被构造用于：将力施加到所述半导体基体（10）上并且将所述半导体基体压向所述冷却体（12），

所述第二壳体部分（44）形成跨接所述第一壳体部分的顶罩并且具有至少一个固定元件（50），以用于将所述第二壳体部分（44）固定在所述冷却体（12）上，

所述至少一个压紧凸模（46）被构造用于：将力施加到所述半导体基体（10）上并且将所述半导体基体按压到所述冷却体（12）处，当没有力施加到所述至少一个补偿元件（48）上时，所述至少一个补偿元件具有第一高度（h1），其中，当被施加到所述补偿元件（48）上的压力大于预设阈值时，所述第一高度（h1）下降到小于所述第一高度（h1）的第二高度（h2），并且

当所述壳体固定在所述冷却体（12）上时，至少一个补偿元件（48）布置在所述压紧凸模（46）和所述半导体基体（10）之间和/或至少一个补偿元件（48）布置在所述固定元件（50）的区域中。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述至少一个补偿元件（48）具有带有在20和95之间或在50和75之间的邵氏A硬度的材料。

3.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，所述至少一个补偿元件（48）具有下述中的至少一种：

橡胶；

聚氨酯；

环氧树脂；

天然橡胶；

合成橡胶；和

类似橡胶的材料。

4.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，被施加到所述补偿元件（48）上的压力的预设阈值取决于所述补偿元件（48）的材料。

5.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，在所述第一壳体部分（42）和所述第二壳体部分（44）之间，在固定元件（50）的区域中布置有至少一个补偿元件（48）。

6.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，在所述第二壳体部分（44）和所述冷却体（12）之间，在固定元件（50）的区域中布置有至少一个补偿元件（48）。

7.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，

所述至少一个固定元件（50）具有螺钉（52）或压配合销钉；

所述至少一个补偿元件（48）布置在所述固定元件（50）的区域中；并且

所述至少一个补偿元件（48）具有螺纹孔（54）或开口，当所述第二壳体部分（44）固定在所述冷却体（12）上时，所述螺钉（52）或所述压配合销钉穿过所述螺纹孔或开口突出。

8.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，所述至少一个压紧凸模（46）柱状、凸模状或接片状构造。

9.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，所述第一壳体部分（42）被构造用于：将所述半导体基体（10）在所述半导体基体的边缘区域中按压到所述冷却体（12）处，并且其中，所述至少一个压紧凸模（46）被构造用于：将所述半导体基体（10）在所述边缘区域之间的中央区域中按压到所述冷却体（12）处。