具有开关装置的功率半导体模块以及包括该功率半导体模块的布置

摘要

本发明提出一种功率半导体模块，以及包括功率半导体模块的一种布置。功率半导体模块设计成具有壳体，具有连接到所述壳体的基板的开关装置，布置于所述基板上的功率半导体组件，连接装置，负载连接装置和压力装置，所述压力装置可设计成使其可相对于壳体移动。在这种情况下，该基板具有第一中央通道开口以及还具有彼此电绝缘的导体轨迹，其中所述功率半导体组件布置于导体轨迹上。在这种情况下，所述连接装置具有第一和第二主表面，并设计成具有导电薄膜。

说明书

技术领域

本发明描述具有形成功率半导体模块基本单元的至少一个开关装置的 功率半导体模块。本发明还描述包括这种功率半导体模块的布置。

背景技术

现有技术(通过实例的方式在DE10201062556A1中)公开了一种 为功率半导体模块形式的半导体电路布置，在该布置中壳体具有带有压力 主体的压力元件，其中所述压力主体直接施压到半导体组件的一部分上或 基板的一部分上。US7,808,100B2也公开了通过压力压头直接施压到功率 半导体组件上。这两个改进方案的一个缺陷在于直接压力可施加到功率半 导体组件上，该功率半导体组件通过电线焊接连接以内部电路相容的方式 进行连接，由于在实际应用中有限的可用区域的原因而仅仅采用高度选择 性的方式进行连接。因此由于在压力点处未建立焊接连接而降低内部连接 的载流容量。

具体地，DE102013104949B3基本上公开了基本单元。该基本单元 被设计成一种开关装置，其具有基板、功率半导体组件、连接装置、负载 连接装置和压力装置。在这种情况下，该基板具有电绝缘的多个导体轨迹， 且功率半导体组件布置于一个导体轨迹上。所述连接装置设计成为一种复 合薄膜，其包括导电薄膜和电绝缘薄膜，并具有第一和第二主表面。开关 装置以内部电路相容的方式连接到所述连接装置。压力装置具有带有第一 凹部的压力主体，压力元件布置成其从所述凹部突出出来，其中压力元件 施压到复合薄膜的第二主表面的一部分上，并且在这种情况下，该部分布 置于沿着功率半导体元件法线方向投影的功率半导体组件的表面内。

发明内容

根据所述状况，本发明基于的目的在于提出一种功率半导体模块并且 还提出包括所述功率半导体模块的一种布置，所述功率半导体模块具有至 少一个开关装置，其中压力可以特别简单和有效的方式引入到基本单元内。

根据本发明的功率半导体模块设计成具有壳体，具有连接到所述壳体 的基板的开关装置，布置于所述基板上的功率半导体组件，连接装置，负 载连接装置和压力装置，所述压力装置设计成使其相对于壳体在基板的法 线方向上移动。在这种情况下，该基板具有第一中央通道开口以及还具有 彼此电绝缘的导体轨迹，其中所述功率半导体组件布置于导体轨迹上，并 且以内聚的方式连接到所述导体轨迹。

在这种情况下，所述连接装置具有第一和第二主表面，并设计成具有 导电薄膜，其中所述开关装置通过所述连接装置以内部电路相容的方式连 接。此外，所述压力装置具有压力主体，所述压力主体具有与第一通道开 口对准的第二通道开口和第一凹部，所述压力元件布置成使其从所述凹部 突出出来，其中所述压力元件施压到所述连接装置的第二主表面的一部分 上，并且在这种情况下，该部分布置于沿着基板法线方向投影的功率半导 体组件的表面内。在这种情况下，第一和第二通道开口设计成接纳紧固器 件，所述紧固器件设计成以压配合的方式将功率半导体模块紧固到冷却装 置上。

不言而喻的是以单数所引用的特征、特别是功率半导体组件和连接装 置，也可以复数形式存在于根据本发明的功率半导体模块内，条件是复数 本身不被排除的情况下。特别地，多个功率半导体组件可布置于基板的一 个或多个导体轨迹上。

在一个优选的改进方案中，所述壳体具有与第一和第二通道开口对准 的第三通道开口，其中第一和第二或所有通道开口都设计成接纳紧固器件。

此外，当所述连接装置设计成具有至少一个导电薄膜和至少一个电绝 缘薄膜的薄膜堆叠时会是有利的，其中所述导电薄膜和绝缘薄膜以交替的 方式布置。

当压力主体中的第一凹部专门设计成从压力主体的面朝基板的第一主 表面开始凹陷或者从具有切口的第一主表面开始凹陷时是优选的，所述切 口通过压力主体通到第二主表面，所述第二主表面在此处布置有开口。在 这种情况下，压力元件可完全地或大致完全地填充压力主体中的凹部。作 为替代性的方案，压力元件可同时或另外地在压力主体的第二主表面处从 压力主体中的切口突出出来。

类似地，壳体或一个负载连接装置可以具有第一引导元件，并且所述 压力装置可以具有第二引导元件，其中这些第一和第二引导元件布置成彼 此对应并且设计成允许压力装置相对于壳体以及所布置的负载连接装置只 在基板的法线方向上移动。

在一个特别优选的实施例中，压力主体可由耐高温的热塑性材料(尤 其是聚苯硫醚)制成，以及压力元件可由硅橡胶(尤其是液态硅酮)制成。

压力主体优选在其第二主表面上具有第二凹部，所述第二凹部的底部 形成辅助表面，其中具有与其它通道开口对准的另一通道开口的扁平金属 主体布置于所述第二凹部内。

为了设计有效的压力装置，当所述压力装置给功率半导体组件加载时 其不会受到破坏，当所述部分的表面积占功率半导体组件表面的至少20％， 尤其至少50％时是特别有利的。

当压力装置在平行于基板平面的两个正交方向上的横向范围小于基板 在上述方向上的横向范围时是进一步优选的。

为了形成免受环境影响的特定保护，对于包括所述基板导体轨迹、所 述功率半导体组件和连接装置的基板顶面而言还有必要通过封装化合物以 防潮的方式来封装。

还可能的是由于特别有效地引入压力，对于布置于基板(特别是功率 半导体组件上布置有基板的那部分)和冷却装置之间的导热糊料而言，具 有小于20微米、尤其是小于10微米，尤其是小于5微米的厚度。

当相应的压力主体设计成具有更大的高宽比时，也就是说当设置有冷 却装置之前的压力主体的横向范围与垂直范围的比率为3：1、尤其是5：1 时是特别优选的。

对于某些应用而言，包括所述基板的导体轨迹、所述功率半导体组件 和连接装置的基板顶面通过封装化合物以防潮的方式来封装。

为了外部接触的目的，负载连接装置的部分可突出通过壳体，并在此 形成外部负载接触装置。

根据本发明的布置具有上述的功率半导体模块、冷却装置和紧固器件， 其中所述紧固器件将力引入到压力装置上，因此所述压力装置将基板以压 配合的方式连接到所述冷却装置。

在这种情况下，导热糊料可以小于20微米、尤其小于10微米、尤其 小于5微米的厚度设置于基板和冷却装置之间。

冷却装置可优选设计成为功率半导体模块的底板，或设计成为与功率 半导体模块相关联的外部散热器。

在一个优选的变型中，功率半导体模块的所述壳体具有至少一个销， 其突出到在冷却装置或在另一散热器中的相关联的第三凹部内，并且设计 成防止所述壳体相对于所述冷却装置或者相对于另一散热器旋转。

不言而喻的是，本发明的各种改进，即功率半导体模块以及包括该功 率半导体模块的布置，可以单独的方式或以任何期望的组合方式来实现， 以便得到改善。特别地，在不脱离本发明范围的情况下，上述和在此处或 下文解释的特征不仅可以指定的组合来使用，而且也可以其它非排它性的 组合或可以其本身来使用。

附图说明

本发明的进一步解释、有利的细节和特征可在示意性地示于图1至图 6中的本发明示例性实施例或其相应部分的以下描述中找到。

图1示出根据本发明的功率电子器件的功率半导体模块的第一改进方 案。

图2示出根据本发明的具有第二功率半导体模块的第一布置。

图3示出根据本发明的具有第三功率半导体模块的第二布置。

图4示出根据本发明的具有三个开关装置的功率半导体模块的另一布 置。

图5示出开关装置在不同截面平面上的细节的平面视图。

图6示出根据本发明的功率半导体模块部分的平面视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的具有开关装置10的功率半导体模块1的第一改 进方案。所述附图示出基板2，其以本领域内的基本上常规的方式设计， 其具有绝缘材料主体20和导体轨迹22，所述导体轨迹22布置于所述绝缘 材料主体上，分别与彼此电绝缘，并具有不同的电势，特别是负载电势， 还可以是在操作过程中开关装置的尤其开关和测量的辅助电势。具体而言， 在此示出如对于半桥拓扑而言通常的具有负载电势的三个导体轨迹22。基 板具有布置在中央或大致中央的第一通道开口24。

相应的功率开关26布置于两个导体轨迹22上，在此示出所述功率开 关，所述功率开关26可以本领域内的常规的方式设计成为单独的开关，例 如设计成为MOSFET或设计成为IGBT，其具有背靠背并联连接的功率二 极管。功率开关26以本领域内常规的方式、优选通过烧结连接方式导电地 连接到所述导体轨迹22。

开关装置10的内部连接通过连接装置3形成，连接装置3由导电薄膜 30构成，导电薄膜30在此形成独立的导体轨迹部分，上述导体轨迹部分 既不以机械的方式也不以电的方式连接到彼此。这些导体轨迹部分具体将 相应功率半导体组件24、更精确地是将所述功率半导体组件的在从基板2 转移开的那侧上的接触区域连接到基板2的导体轨迹22。在优选的改进方 案中，导体轨迹部分通过烧结连接方式内聚地连接到所述接触区域。不言 而喻的是，功率半导体组件24之间和基板2的导体轨迹22之间的连接也 可以同样的方式形成。具体地，在加压烧结连接的情况下，有利的是如图 所示将绝缘化合物28布置于功率半导体组件24的边缘区域处。该绝缘化 合物28也可布置于导体轨迹22之间的中间空间内。在该情况下，薄膜30 的面朝基板2的那个表面形成第一主表面300，而相对的表面形成第二主 表面320。

为了外部电连接的目的，所述功率半导体模块1具有负载和辅助连接 元件，其中在这种情况下仅示出所述负载连接元件4。这些负载连接元件4 纯粹通过实例的方式形成为成形的金属主体，所述金属主体通过触脚的方 式内聚连接到基板2的导体轨迹22，有利地同样通过烧结连接而连接到基 板2的导体轨迹22。连接装置3本身的部分在原则上也可以设计成负载或 辅助连接元件。辅助连接元件(诸如栅极或传感器连接)也可以本领域内 常规的其它方式形成。

功率半导体模块1还具有壳体6，其可通过粘合剂连接的方式而连接 到基板2。负载连接元件4突出通过壳体6，并在那里形成外部负载接触装 置40。这些负载接触装置40在原则上可以本领域内常规的方式设计。

压力装置5具有面朝基板2的第一主表面500和从基板2转移开的第 二主表面502，并且在这种情况下为了清楚起见以从连接装置3间隔开的 方式示出。所述压力装置5由压力主体50和多个压力元件52构成，示出 两个所述压力元件。压力主体50为特别刚性的设计，以便能够将引入到其 上的压力以均匀的方式传递到压力元件52。为此目的，并且针对在功率半 导体模块操作过程中热加载的背景状况，上述压力主体50由耐高温的热塑 性材料(尤其是聚苯硫醚)制成。压力元件52必须能够在操作过程中施加基 本恒定的压力，并且在这种情况下特别是在不同的温度下。为此目的，压 力元件52由硅橡胶(尤其是所谓的液态硅酮)制成。在此在原则上可以提 供如从现有技术已知的压力装置的所有变型。

压力装置5本身具有通道开口。该第二通道开口54布置成与基板2中 的第一通道开口24对准。其结果是，紧固器件7可延伸通过两个通道开口 24，54以便将功率半导体模块1紧固到冷却装置(在此未示出)上，所述 紧固器件7在这种情况下设计成本领域内常规的螺钉。这通过实例的方式 通过下述来实施，即通过压力装置5将基板2紧固到冷却装置上，然后将 壳体6设置并连接到基板2。作为替代方案，对照图3，壳体6可具有第三 通道开口64，其与第一和第二通道开口24，54对准，并且螺钉7可通过 其移动、转动、从而旋拧到散热器内。

图2示出根据本发明的具有第二功率半导体模块1的第一布置。该布 置具有类似于根据图1所示的功率半导体模块1，并且还具有形成冷却装 置8的散热器，以及示意性指示的压力引入装置7。

开关装置10的内部连接通过连接装置3来设计，所述连接装置3由复 合薄膜构成，所述复合薄膜以交替的方式具有导电薄膜30，32和电绝缘薄 膜31。在该实施例中，复合薄膜3正好具有两个导电薄膜30，32和布置 于它们之间的绝缘薄膜31。在这种情况下复合薄膜3的表面(该表面朝向 基板2)形成第一主表面300，而相对的表面形成第二主表面320。特别地， 连接装置3的导电薄膜30，32具有固有的图案，并因此形成彼此电绝缘的 导体轨迹部分。

通过实例的方式，负载连接元件4(在这种情况下是右手侧的负载连 接元件)具有在其轮廓内的曲折部分48，所述曲折部分用作张力或压力释 放器件。此外，在此示出用于连接到本领域内常规的螺纹连接的负载接触 装置40，其中螺母46以固定或移动的方式设置于壳体6内，相关联的螺 钉47通过负载接触装置40接合到所述螺母内。为了清楚起见示出螺钉47 处于一定的距离处。

在这个改进方案中，压力装置5的压力主体50还具有金属嵌入件56， 其中在这种情况下所述金属嵌入件56以不限制一般性的方式布置于压力 装置5的第二主表面502中的第二凹部506内。在这种情况下，该第二凹 部506的底部形成辅助表面。整个压力主体5(即包括该金属嵌入件56) 具有第二通道开口54。

壳体6具有第三通道开口64，其布置成与第一和第二通道开口24，54 对准。螺钉7布置成使其延伸通过这些通道开口，所述螺钉被旋拧到冷却 装置8，80内，因此通过壳体6将压力施加到压力装置5，并且通过该压 力装置5和连接装置3在功率半导体组件26所布置的位置处将基板2推压 到冷却装置80上，并由此以压配合的方式将基板2连接到冷却装置8。这 证实了根据本发明的功率半导体模块1的基本优势，特别地地通过基板2 将力以简单的中央方式引入，所述力将功率半导体组件26间接地按压到冷 却装置80上。

在这种情况下压力装置5的压力主体50将压力均匀地分布在整个压力 元件52上，所述压力元件本身施压到连接装置3的第二主表面320的部分 322上。根据本发明，连接装置3的被施加压力的这些部分322以如此的 方式进行选择以至于它们以及在基板的法线方向上观察的它们的表面范围 布置于该功率半导体组件26的表面内。因此，压力元件52通过连接装置 3以如此的方式施压到相应的功率半导体组件26上以至于所述功率半导体 组件、更确切地是位于其下面的基板2施压到散热器7上，因此，从功率 半导体组件24到散热器7的热接触是最佳的。

由于压力被引入到压力元件52上，因此所述压力元件变形，其中在这 种情况下还可能的是增加所述压力元件的横向范围。在无负载的状态下， 即没有引入压力的情况下，对照图1，该压力主体52的横向范围与其垂直 范围的比率为4：1。在加载的状态下，即其中施加压力的状态下，由于施 加压力所导致的所述压力主体52的变形，在这种情况下该比率变化为约5： 1。

导热层(导热糊料800)布置于基板2和冷却装置8之间。由于根据 本发明的功率半导体模块1的设计，该层可被设计得非常薄，例如在未组 装的状态下具有10微米的厚度。由于引入压力，特别地，该层至少部分地 被迫到达功率半导体组件的下方，其结果是从基板2到散热器8的热量传 递是特别有效的。

在这种情况下，冷却装置8被示出为用于空气冷却的散热器80，但其 同样可设计成用于液体冷却的散热器。

图3示出了根据本发明的具有第三功率半导体模块1的第二布置。在 这种情况下，冷却装置8设计成为功率半导体模块本身的底板80，该底板 类似于功率半导体模块1的基板2，但在甚至更大的程度上用于扩散通过 在功率半导体组件26内的线路损耗所产生的热量，并将所述热量传递到另 一散热器84。

在这个改进方案中，功率半导体模块1的壳体6连接到冷却装置8， 并具有用于连接到散热器82的螺纹连接装置66。功率半导体模块1的壳 体6还具有至少一个销68，其突出到所述冷却装置(在这种情况下为散热 器82)中的相关联的第三凹部内，并且设计成防止壳体6相对于所述冷却 装置8旋转。这种类型的销可同样根据图2或其它的改进方案中提供。

导热糊料以10微米的厚度布置于基板2和冷却装置8之间。这种薄的 导热糊料层70是可能的，并考虑到基板2的潜在局部下垂，特别是由于压 力在基板2的法线方向上被引入到功率半导体组件26上，因此功率半导体 组件26而不是周边区域与冷却装置8处于最佳的热接触。导热糊料同样布 置于冷却装置8和另一散热器84之间，但厚度超过50微米。

功率半导体模块1本身的另一改进方案对应于根据图1和图2的那些 的组合。

图4示出了根据本发明的具有三个开关装置10的功率半导体模块1的 另一布置，但在原则上对应于根据图3的改进方案。根据图4的改进方案 例如可形成三相功率半导体模块，而根据图3形成单相功率半导体模块。

图5示出在不同截面平面内的功率电子开关装置10。根据图5a的截面 平面示出两个功率半导体组件26，然而它们通常以未示出的方式布置到基 板的公共导体轨迹上。以不限制一般性的方式，在这种情况下所述功率半 导体组件是晶体管，其具有中央栅极连接区域和围绕所述栅极连接区域的 发射极连接区域，以及具有阴极连接区域的二极管。

图5b示出连接装置3的第一固有图案的导电薄膜30。所述薄膜形成 晶体管的发射极连接区域和所述二极管的阴极连接区域之间的导电连接。 在这种情况下，晶体管的栅极连接区域被切掉。

图5c示出连接装置3的第二固有图案的导电薄膜32。所述薄膜形成到 晶体管的栅极连接区域的导电连接。

图5d可以说是将接触元件50的覆盖区域分区，所述接触元件与接触 装置的功率半导体组件26相关联，其中考虑到其方形的基本形状，只有一 个接触元件与所述晶体管相关联，并且考虑到其矩形的基本形状，两个接 触元件与二极管相关联。相应的覆盖区域对应于在连接装置3的第二主表 面302上的那些部分322，所述部分322布置成在基板的法线方向上与功 率半导体元件26对准，并且在这种情况下突出到相应的功率半导体组件 上。在此显然的是覆盖区域的面积，即预期用于引入压力的面积尽可能大 地覆盖功率半导体组件面积的一部分，而不会超过功率半导体组件的面积。

图6示出根据本发明的功率半导体模块1部分的平面视图。所述附图 示出具有压力元件50的压力装置5，并且示意性地示出与压力元件50相 关联的功率半导体组件26。所述附图还示出壳体6以及还有三个负载连接 元件4的细节。

为了限制压力装置5相对于壳体6以及所布置的负载连接装置4仅在 基板的法线方向上运动，在这种情况下是进入或离开附图的平面，示出两 个变型，在原则上可以交替的方式或在同一时间下提供所述变型。这一运 动在图1和图2中由双向箭头示意性地示出。

在第一变型中，壳体6具有第一引导元件608，以及压力装置5具有 第二引导元件508，其中这些第一和第二引导元件布置成彼此对应。在这 个改进方案中，所述第一引导元件608被设计成V形槽，以及所述第二引 导元件508被设计成凸耳，其在该槽中在法线方向上移动。

在第二变型中，负载连接装置4具有第一引导元件408，以及压力装 置5具有第二引导元件508，其中这些第一和第二引导元件布置成彼此对 应。在这个改进方案中，所述第一引导元件408被设计成为负载连接元件 的凸出部分，该凸出部分在法线方向上延伸，所述第二引导元件508被设 计成为具有切口的凸耳，这样其可沿着所述凸出部分移动。