CN1259717C - 功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种功率半导体模块，其包括一底板(31)、至少一个借助一电绝缘的衬板(32)与其隔开的第一电连接元件(20)、至少一个位于其上的包括第一平面式金属体(12)、半导体构件(11)和第二平面式金属体(10)的多层结构、至少一个加压元件以及至少一个第二电连接元件。多层结构借助框架式对中装置对中安装在第一电连接元件(20)上，其中对中装置设计成借助于各凸耳(2)防止第一(12)和第二(10)平面式金属体掉落，而半导体构件由另一位于上下凸耳之间并在对中装置中凹入式延伸的凹座(3)保持。这样，确保对中装置在电连接元件上用作多层结构的所有构件的无压力对中。

Description

功率半导体模块
技术领域
本发明涉及一种功率半导体模块，它在至少一个在其中的半导体构件的功率连接的压力接触中在最不同的温度负荷下具有内部结构的恒压，并因此适用于在高功率范围内最高电流密度下的安全操作。
背景技术
本发明描述一种功率半导体模块、特别是整流器模块，其压力接触结构适用于很高的功率要求。压力接触连接由半导体模块的制造技术作为连接技术是充分已知的。由DE 196 51 632 A1已知一种这样的功率半导体模块，其中借助于伸缩螺钉实现压力接触结构，本发明由此出发，构成如由DE 33 08 661已知的同类的圆盘盒形式的功率半导体模块作为本发明的起点。
模块内部的压力接触构造，特别是在半导体构件上的触点接通压力造成实际中的各种困难。一方面必须克服半导体构件与接触之间不同的热膨胀系数，另一方面必须将大多数圆形的半导体构件很精确对准接触。此时必须防止半导体构件，特别是其边缘不受机械损伤。
实际上半导体构件在两面各连接有一个平面式金属体，其热膨胀系数处于半导体构件的热膨胀系数与接触的热膨胀系数之间，以便减小半导体构件的热应力。半导体构件与优选用钼制成的平面式金属体的连接可以采用各种不同的方法来实现，例如通过两件的焊接或粘结。此外，已知一种所谓低温连接(NTV)或甚至两件的熔合。平面式金属体的厚度一般在数量级上为十分之几到几个毫米。按上述制造的第一平面式金属体-半导体构件-第二平面式金属体之间的连结也称之为“多层结构”，此外，材料锁合的连结以及材料约束的连结都应称之为多层结构。
按照现有技术，多层结构例如铺设在一例如由塑料制造的部件上，该部件使多层结构对中地安装于模块中，如DE 196 51 632中那样。特别是已知较高耐压强度的模块，其中多层结构周围附加压铸有弹性非导电材料并以此可达到与连接元件的对中。
多层结构的上述制造方法具有下列缺点：
·半导体构件与平面式金属体的焊接恶化了热阻，因为焊剂层构成一热闸。在其他的压力接触的***中证明该焊剂层是一易出故障点，因为其在持续操作中疲劳，从而降低功率半导体模块的使用寿命。
·功率半导体与平面式金属体的粘结不是在两件间全面地实现-这比焊接还要显著强烈地恶化热阻，而是只在两件边缘处粘结几个毫米，以便形成牢固的接触。这引起另一问题：在各件之间因此没有包括空气-这又降低了热传导，因此该多层结构在粘结以后必须加以挤压。此时提高了晶体半导体构件破裂的危险，因为由于粘结边缘可能引起中间挠曲。
·两件的低温连接(NTV)是一种材料约束的方法，其消除了上述缺点，因为该连接确保很好的热传导。在这种方法中两件通过压力和温度相连接。这种方法的决定性缺点在于，实施的费用很高，从而成本很高。因此其不应用于按照现有技术的标准模块中。
·多层结构的另一周围压铸的方法同样是促使提高制造成本的高费用制造工艺。
总的结论是，上述各种方法恶化了结构的热阻、减小了低速负荷变换稳定性、提高了功率半导体破裂的危险，和/或是很昂贵的。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层结构的各个部件相互对中的装置并对中于电接头的一个连接元件，该多层结构具有微小的热阻、提高耐用性、消除因对中本身的压力作用引起的半导体构件的破裂，以及以低成本结合于标准生产方法中。
为此，本发明提供一种功率半导体模块，包括一底板、至少一个借助一电绝缘的衬板与底板隔开的第一电连接元件、至少一个位于第一电连接元件上的包括第一平面式金属体、半导体构件和第二平面式金属体的多层结构、至少一个加压元件以及至少一个第二电连接元件，其特征在于，多层结构借助一由两个分体构成的框架式对中装置对中安装在第一电连接元件上，其中对中装置设计成借助于对中装置上的各凸耳防止第一平面式金属体及第二平面式金属体掉落，而具有一较大直径或较长边缘的半导体构件则由一位于上下凸耳之间并在对中装置中凹入式延伸的凹座保持，其中，半导体构件的厚度小于所述用于固定半导体构件的在对中装置中延伸的中间的凹座的厚度；多层结构的厚度小于用于固定两平面式金属体的在两侧设置的凸耳之间的间距；半导体构件的厚度和两个平面式金属体中的一个的厚度加在一起大于用于固定半导体构件的在对中装置中延伸的中间的凹座的厚度并且小于该中间凹座的厚度加该中间凹座至接近的凸耳的距离；以及，在第一电连接元件中设置凹槽，其设计成使用于将第一平面式金属体固定于对中装置中的对中装置上的各凸耳可以至少完全沉入该凹槽中，对中装置在第一电连接元件上使多层结构的所有构件无压力对中并作为模块的单独构件松动地设置。
在本发明中，作为半导体构件，可以采用二极管、可控硅或三极管。另外，多层结构和对中装置可以设计成圆形的或方形的。
用于使多层结构在一电连接元件上对中、优选由电绝缘的塑料构成的框架式对中装置具有下列特征：
·多层结构的各个元件，即两平面式金属体和半导体构件不是通过材料锁合的连接，例如低温焊接相连结，而是在装入功率半导体模块中之前松动地处于对中装置中。直到通过安装和通过加压的加压装置才形成各个元件的材料约束的连接。
·多层结构的两平面式金属体在装入功率半导体模块中之前通过凸耳防止其掉落。具有比两金属体较大的直径或较长的边缘的半导体构件由另一处于中间的并平行于表面在对中装置中延伸的凹座保持。为了确保既不在装有多层结构的对中装置安装之前又不在其安装之后由对中装置本身的压力作用在多层结构上，该压力可能导致例如半导体构件的破坏，必须遵守下列边界条件：
·半导体构件的厚度d必须小于用于支承半导体构件的在对中装置中延伸的中间的凹座的厚度b。
·多层结构的厚度(c+d+c)必须小于用于支承两平面式金属体的在两侧设置的凸耳的间距(a+b+a)。
·半导体构件的厚度d和两优选相等厚度的平面式金属体之一的厚度c加在一起必须大于用于支承半导体构件的在对中装置中延伸的中间的凹座的厚度b。
·半导体构件的厚度d和两优选相等厚度的平面式金属体中之一的厚度c加在一起必须小于中间的凹座厚度b加中间凹座至凸耳的距离a。
因此，该对中装置适用于容纳不同厚度的平面式金属体和不同厚度的半导体构件。
·通过这个边界条件和通过将在电连接元件中的凹槽设置成使用于支承平面式金属体的各凸耳在组装模块时至少完全沉入该凹槽内，确保在组装以后由对中装置本身没有任何压力作用在多层结构或其构件上。材料锁合的连接只由功率半导体模块中存在的加压元件来产生。
·对中装置本身优选由两同样的分体构成，各具有其他的凸耳和凹座，构成使该两分体可以定位地组合在一起。
附图说明
借助于附图1至7更详细地说明本发明的构想。
图1示出本发明的对中装置在装入功率半导体模块中之前的横剖面；
图2示出本发明的对中装置的两同样的分体的俯视图；
图3示出图2中的分体的三维视图；
图4示出本发明的装有多层结构的对中装置的一个剖面；
图5示出本发明的对中装置在装入功率半导体模块中之后的剖视图；
图6示出功率半导体模块的电连接元件；
图7示出装有本发明对中装置的功率半导体模块的内部结构。
具体实施方式
图1示出本发明的框架式对中装置9在装入功率半导体模块中之前的横剖面。对中装置9由两同样的分体1构成。这些优选由塑料制成的分体具有凸耳2，其防止第一平面式金属体12即一钼圆盘从对中装置的连结中掉落。与两钼圆盘10，12相比直径较大的半导体构件11位于对中装置的中间凹座3上。第二钼圆盘10在装入功率半导体模块中之前松动地支承在半导体构件11上。通过对中装置9，形成多层结构的构件10，11，12在组装以前已彼此对中，直到此刻必定没有产生材料锁合的或材料约束的连接。
凸耳2至凹座3的边缘之间的距离用a表示，凹座3的高度用b表示。各钼圆盘的厚度用c而半导体构件的厚度用d表示。
由于半导体构件11的厚度d加钼圆盘10或12的厚度c大于凹座3的厚度b，钼圆盘没有任何时刻处于不对中于部分地在该凹槽中的其余构件的位置。因此对中的多层结构的操作无疑是可能的。
图2未按比例地示出本发明的对中装置9的两个同样的分体1之一个的俯视图。各凸耳2设置成使防止一个钼圆盘10，12从连结中掉落。分体1具有另外的凸耳4和凹座5。它们设计成可使两该分体1合在一起，同时分别一个凸耳4嵌入一个凹座5中，从而两分体可以定位地组合在一起以便形成一个由对中装置和多层结构组成的单元。
图3示出图2中的分体1的三维视图。除凸耳2、凸耳4和配置的凹座5以外还有另一凹座6以便可以提供半导体构件与供电之间的附加的控制接头。
图4示出本发明的装有多层结构的对中装置的横剖面。其中一个平面式金属体作为环10构成以便保持可达到半导体构件的控制接头。
图5示出本发明的框架式对中装置9在装入功率半导体模块中之后的横剖面。第一电连接元件20具有凹槽21，凸耳2可以更完全地沉入该凹槽21。第一钼圆盘12直接位于电连接元件20上，半导体构件11和第二钼圆盘10都无间隙地位于第一钼圆盘12上。显然，对中装置本身没有任何压力作用在多层结构10，11，12上，从而排除了例如破坏的不利影响。排除了由象对图1的说明的类似原因所引起的各元件的偏离中心。多层结构的各元件的材料锁合连接由一从上部作用在多层结构、但不作用在对中装置上的加压装置来产生。因此本发明的对中装置9可以在模块制造之前与多层结构构成组合件并且从该时刻起用作多层结构的所有元件的对中而没有压力作用在这些元件上。
图6示出功率半导体模块的一个电连接元件20用于两半导体构件，例如可控硅模块。其中凸耳2用的各凹槽21是明显可见的。
图7示出装有本发明的对中装置9的功率半导体模块(可控硅模块)的内部结构。该模块包括一底板31。两绝缘材料圆盘32位于该底板上，并且用作第一电连接元件20的绝缘，其中绝缘材料圆盘32可以例如由氧化铝或氮化铝构成。在具有控操接头6用的凹槽的对中装置9中的多层结构位于第一电连接元件20上。第二电连接元件37借助于压板34和建立压力的伸缩螺钉35压到多层结构上，其中各导电元件借助于一绝缘材料体36电绝缘。通过这样的结构，形成第二电连接元件37与第二钼圆盘10、半导体构件11和第一钼圆盘12以及第一电连接元件20之材料约束的接触。

Claims (10)

1.一种功率半导体模块，包括一底板(31)、至少一个借助一电绝缘的衬板(32)与底板隔开的第一电连接元件(20)、至少一个位于第一电连接元件上的包括第一平面式金属体(12)、半导体构件(11)和第二平面式金属体(10)的多层结构、至少一个加压元件(34，35，36)以及至少一个第二电连接元件(37)，其特征在于，多层结构借助一由两个分体(1)构成的框架式对中装置(9)对中安装在第一电连接元件(20)上，其中对中装置(9)设计成借助于对中装置(9)上的各凸耳(2)防止第一平面式金属体(12)及第二平面式金属体(10)掉落，而具有一较大直径或较长边缘的半导体构件(11)则由一位于上下凸耳之间并在对中装置中凹入式延伸的凹座(3)保持，其中，半导体构件(11)的厚度小于所述用于固定半导体构件(11)的在对中装置(9)中延伸的中间的凹座(3)的厚度；多层结构的厚度小于用于固定两平面式金属体(10，12)的在两侧设置的凸耳(2)之间的间距；半导体构件(11)的厚度和两个平面式金属体(10，12)中的一个的厚度加在一起大于用于固定半导体构件(11)的在对中装置中延伸的中间的凹座(3)的厚度并且小于该中间凹座(3)的厚度加该中间凹座(3)至接近的凸耳(2)的距离；以及，在第一电连接元件(20)中设置凹槽(21)，其设计成使用于将第一平面式金属体固定于对中装置中的对中装置(9)上的各凸耳(2)可以至少完全沉入该凹槽(21)中，对中装置在第一电连接元件(20)上使多层结构的所有构件无压力对中并作为模块的单独构件松动地设置。
2.按照权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，对中装置(9)的两分体由不导电的塑料制成。
3.按照权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，对中装置(9)的两分体(1)具有其他的凸耳(4)和凹座(5)，其设计成使两分体可以定位地组合在一起。
4.按照权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，作为半导体构件(11)采用二极管、可控硅或三极管。
5.按照权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，平面式金属体(10，12)由钼制成。
6.按照权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，多层结构和对中装置(9)设计成圆形的或方形的。
7.按照权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，对中装置(9)具有至少一个附加的边缘凹座(6)，用作至少一个半导体构件的控制接头的通道。
8.按照权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，为了接触在半导体构件(11)中可能存在的控制接头，多层结构的一个或两个平面式金属体(10，12)具有一个或更多个通道。
9.按照权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，对中装置(9)适用于不同厚度的平面式金属体(10，12)和不同厚度的半导体构件(11)。
10.按照权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，两个平面式金属体(10，12)厚度相等。
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