功率半导体模块和具有多个功率半导体模块的功率半导体模块组件

摘要

本发明提供一种功率半导体模块（1），包括：导电底板（2）；导电顶板，与底板（2）平行布置并与底板（2）隔开；至少一个功率半导体设备（3），布置在底板（2）上在底板（2）与顶板之间形成的空间中；以及至少一个压引脚（5、7），布置在底板（2）与顶板之间形成的空间中，以在半导体设备（3）与顶板之间提供接触，其中，金属保护板（11）设置在顶板的朝向底板（2）的内面，其中，保护板（11）的材料具有的熔融温度高于顶板的熔融温度。本发明还提供功率半导体模块组件，包括多个如上所述的功率半导体模块（1），其中，功率半导体模块（1）彼此并排布置，在相邻的功率半导体模块（1）之间具有电连接。

权利要求

1.一种功率半导体模块（1），包括：

导电底板（2），

导电顶板（20），与底板（2）平行布置并与所述底板（2）隔开，至少一个功率半导体设备（3），布置在所述底板（2）上在所述底板（2）与所述顶板之间形成的空间中；以及至少一个压引脚（5、7），布置在所述底板（2）与所述顶板（20）之间形成的所述空间中，以在所述功率半导体设备（3）与所述顶板之间提供接触，其特征在于，

金属保护板（11）设置在所述顶板的朝向所述底板（2）的内面，其中，所述保护板（11）的材料具有的熔融温度高于所述顶板（20）的熔融温度。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述保护板（11）的材料包括钼。

3.根据前面的权利要求1或2所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述保护板（11）的材料是包括钼和铜的合金。

4.根据前面的权利要求1至2中的任一项所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述保护板（11）的材料包括钨。

5.根据权利要求1至2中的任一项所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述保护板（11）在所述至少一个压引脚（7）的头部（17）的区域覆盖所述顶板的表面。

6.根据权利要求1至2中的任一项所述的功率半导体模块（1），其特征在于，

所述保护板（11）设置有至少一个间隙（16），定位所述至少一个间隙（16）以包围所述至少一个压引脚（5）的头部（17）。

7.根据权利要求1至2中的任一项所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述保护板（11）与所述至少一个压引脚（7）的头部一体设置。

8.根据前面的权利要求7所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述至少一个压引脚（7）具有其轴（10）固定至其头部并且其脚部（8）能沿着其轴（10）移动的构造。

9.根据权利要求1至2中的任一项所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述至少一个功率半导体设备（3）是绝缘栅双极晶体管、反向导通绝缘栅双极晶体管、双模式绝缘栅晶体管、或者二极管。

10.根据权利要求1至2中的任一项所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述功率半导体模块（1）包括外壳（18），其中所述顶板形成所述外壳（18）的顶侧，并提供所述功率半导体模块（1）的第一接触部，所述底板（2）形成所述外壳（18）的基底，并提供所述功率半导体模块（1）的第二接触部。

11.根据权利要求1至2中的任一项所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述模块支持短路故障模式。

12.一种功率半导体模块组件，包括多个根据前面的权利要求1至11的任一项所述的功率半导体模块（1），其中所述功率半导体模块（1）彼此并排布置，在相邻的功率半导体模块（1）之间具有电连接。

13.根据前面的权利要求12所述的功率半导体模块组件，其特征在于，所述功率半导体模块（1）的所述底板（2）彼此电连接。

14.根据前面的权利要求12或13的任一项所述的功率半导体模块组件，其特征在于，所述功率半导体模块组件包括外壳，其中，导电盖形成所述外壳的顶侧，并提供所述功率半导体模块组件的第一接触部，其与所述功率半导体模块（1）的第一接触部接触，所述功率半导体模块（1）的所述底板（2）遍及所述外壳的基底延伸。

说明书

功率半导体模块和具有多个功率半导体模块的功率半导体模

块组件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种功率半导体模块，包括：导电底板；导电顶板，与底板平行布置并与底板隔开；至少一个功率半导体设备，布置在底板上在底板与顶板之间形成的空间中；以及至少一个压引脚（presspin），布置在底板与顶板之间形成的空间中，以在功率半导体设备与顶板之间提供接触。本发明还涉及包括多个功率半导体模块的功率半导体模块组件。

背景技术

[0002] 功率半导体设备可以处理大约1.7kV以上的电压。半导体设备与通常由钼或者基于钼的合金制成的底板以表面接触，以允许从半导体导电并传走热，即半导体设备热且电耦合至底板。用于该领域的典型的功率半导体设备是功率晶体管，比如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、反向导通绝缘栅双极晶体管（反向导通IGBT）、双模式绝缘栅晶体管（BIGT）或者（功率）二极管。

[0003] 功率半导体设备被频繁组合，用于形成能够处理高达100A以上的电流的功率半导体模块。功率半导体设备并联布置在公共底板上，该公共底板通常形成功率半导体模块的导电基底。功率半导体模块通常被导电顶板覆盖，该顶板通常是功率半导体模块的外壳的盖。顶板为功率半导体设备提供进一步接触。功率半导体模块可以包括相同的功率半导体设备、例如功率晶体管，或者不同的功率半导体设备、例如一组功率晶体管和至少一个功率二极管。功率半导体设备通常通过压引脚连接至导电顶板。在用在功率半导体模块中的功率晶体管的情况下，还有控制接触部通过压引脚连接至盖，那么其中顶板与控制接触部电隔离。

[0004] 多个功率半导体模块还可以被组合来形成功率半导体模块组件。功率半导体模块彼此机械平行且电并联地布置在公共外壳中。功率半导体模块的底板形成功率半导体模块组件的导电基底。另外，功率半导体模块组件的外壳还被导电盖覆盖，该导电盖与布置在其中的功率半导体模块的盖接触。在功率半导体模块组件的另一个实施例中，组件的盖是用于其中的多个功率半导体模块的公共盖。功率半导体模块组件可以包括相同的功率半导体模块，例如包括如上所述的功率晶体管和功率二极管的功率半导体模块；或者不同的功率半导体模块，例如包括功率晶体管的一组功率半导体模块和包括功率二极管的至少一个功率半导体模块。这样的功率半导体模块组件例如是来自本申请人的称为"Stakpak"，并可以用于形成用在例如处理高达几百kV的HVDC应用中的堆叠布置（stacked arrangement）。相应地，优化功率半导体模块组件的机械设计，以便在长堆叠中夹紧。在这些堆叠布置中，单个的功率半导体模块组件的机械和电稳定性对防止整个堆叠布置的故障是重要的。

[0005] 取代将功率半导体模块布置在功率半导体模块组件中并堆叠功率半导体模块组件，功率半导体模块还可以直接堆叠。

[0006] 在功率半导体模块或者功率半导体模块组件的堆叠布置中，通常在相邻的功率半导体模块或者功率半导体模块组件之间设置冷却器。这些冷却器通常使用水作为传热介质，用于冷却功率半导体模块或者功率半导体模块组件的堆叠布置。更换这些冷却器非常昂贵。

[0007] 在堆叠布置的环境下，支持单独功率半导体设备的短路故障模式（SCFM）是重要特性。如果功率半导体设备中的一个发生故障，该故障是由于提供实现从底板到盖的导通的短路导致的，这会使在SCFM中的功率半导体设备无效。对于包括故障功率半导体模块的功率半导体模块组件也同样。当多个功率半导体模块或者功率半导体模块组件串联连接，例如形成上述的堆叠布置时，单个的功率半导体设备的故障不会导致堆叠布置整体故障。

[0008] 尤其是，由于短路将所有并联功率半导体设备桥接，因此在该短路故障模式中，高达2000A的非常高的电流可能流经单个功率半导体设备和与故障功率半导体设备接触的相应的压引脚。为了达到这些功率半导体设备的高使用寿命和相应地功率半导体模块和功率半导体模块组件的高使用寿命，期望短路故障模式可以维持一年以上。在功率半导体模块组件中，由于相邻的功率半导体模块可以在组件的2个接触部之间提供电连接，因此单个的功率半导体模块的故障不是关键的。相应地，即使在单个模块的所有引脚由于起电弧而消耗掉时，功率半导体模块的内部损伤也在功率半导体模块组件内容许。

[0009] 功率半导体设备内的起电弧还可以涉及顶板或盖。功率半导体设备的典型的顶板由铜制成，铜提供好的导通性并能以合理的成本生产。由于电弧可以使温度足够高以熔融顶板，顶板会经历蚀耗和氧化，甚至可能毁坏。在功率半导体模块组件中，当功率半导体模块的顶板毁坏时，功率半导体模块组件的盖也可能被起电弧影响，并因而毁坏。相应地，单个功率半导体模块的故障可能扩散至邻近的功率半导体模块，并使整个功率半导体模块故障。此外，当接触顶板或者盖之间的冷却器被起电弧影响时，在功率半导体模块或者功率半导体模块组件的堆叠布置中，问题可能变得更差。当冷却器毁坏时，可能发生漏液，并导致进一步故障。电气设备中的漏液也是一般的安全问题，尤其是考虑到涉及的高电压和电流时。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于提供一种功率半导体模块和功率半导体模块组件，其具有长使用寿命，耐起电弧，增加堆叠布置的安全性，并可以低成本得到。

[0011] 该目的由独立权利要求实现。有利的实施例在从属权利要求中给出。

[0012] 特别地，本发明提供一种功率半导体模块，包括：导电底板；导电顶板，与底板平行布置并与底板隔开；至少一个功率半导体设备，布置在底板上在底板与顶板之间形成的空间中；以及至少一个压引脚，布置在底板与顶板之间形成的空间中，以在功率半导体设备与顶板之间提供接触，其中，金属保护板设置在顶板的朝向底板的内面，其中，保护板的材料具有的熔融温度高于顶板的熔融温度。

[0013] 本发明还提供功率半导体模块组件，包括多个如上所述的功率半导体模块，其中，功率半导体模块彼此并排布置，在相邻的功率半导体模块之间具有电连接。

[0014] 本发明的基本想法是抑制底板与保护板之间的电弧，使得电弧不会到达顶板。相应地，顶板被保护免受电弧的影响，示出增加的使用寿命。尤其是，保护板被保护以免由于起电弧导致的高温而熔融，以便顶板不会经历熔融。保护板的金属耗散热量，该热量进一步由保护板和顶板传导而不影响顶板的完整性。术语金属还包含具有类似于金属的特性的合金。顶板可以由相对廉价的铜或者其他适当的材料制成，仅保护板由相比顶板具有增高的熔融温度的金属制成。底板是由钼或者其他适当的材料制成的公共底板，用于传导热量和电力，并提供功率半导体模块的机械完整性。保护板的材料还具有低电子发射，以使减小已经发生的电弧。

[0015] 在本发明的优选实施例中，保护板的材料包括钼。在本发明的另一个优选实施例中，底板的材料是包括钼和铜的合金。这些材料具有的熔融温度高于用于顶板的典型材料的、仅仅铜的熔融温度。另外，这种保护板的电子发射低于由铜制成的顶板的电子发射。使用包括钼和铜的合金与由纯钼制成的保护板相比降低了成本。

[0016] 在本发明的优选实施例中，保护板的材料包括钨。钨与铜相比具有高熔融温度和低电子发射率。

[0017] 在本发明的优选实施例中，顶板的材料包括铝或者包括铝的合金。

[0018] 在本发明的优选实施例中，保护板的材料包括镍、铬或者其合金。

[0019] 在本发明的优选实施例中，保护板在至少一个压引脚的头部的区域覆盖顶板的表面。换言之，设置保护板来围绕压引脚的头部覆盖顶板，并且至少一个压引脚的头部与保护板接触，其提供与顶板的电接触。由于起电弧通常起源于压引脚，因此围绕压引脚的顶板的区域频繁受起电弧影响。当起电弧在顶板的其他区域不频繁发生时，这些区域可以不被保护板覆盖。在包括多个压引脚的功率半导体设备中，可以设置多个单独的保护板。优选的是，对于功率半导体模块设置单个的保护板。这简化了功率半导体模块的安装。更优选的是，保护板跨顶板的几乎整个表面延伸，以对顶板提供均一保护。然而，例如当起电弧在顶板的区域不发生、或者压引脚彼此电隔离时，可以省去这些区域。依据顶板的设计，根据由压引脚做出的电接触的种类，保护板还可以设置有电隔离区域。如果功率半导体设备是功率晶体管，那么功率晶体管的栅极由压引脚接触，该压引脚与保护板和顶板隔离。相比之下，接触功率晶体管的顶侧（即功率晶体管的发射极或者集电极、通常为发射极）的这些压引脚与保护板或顶板直接电接触。

[0020] 在本发明的修改的实施例中，保护板设置有至少一个间隙，定位该间隙以包围至少一个压引脚的头部。相应地，顶板的表面被围绕压引脚的头部的保护板覆盖。在功率晶体管被用作功率半导体设备的情况下，压引脚或者可以接触栅极或者可以接触发射极/集电极，如上所述。还可以是保护板具有间隙，该间隙仅包围接触栅极接触部的压引脚的头部，而接触发射极/集电极的压引脚的头部与保护板直接电接触。

[0021] 在本发明的优选实施例中，保护板与至少一个压引脚的头部一体设置。相应地，改善了从压引脚到保护板的电接触。如果功率半导体设备是功率晶体管，那么仅接触发射极/集电极的压引脚的头部与保护板一体设置，以在栅极和发射极/集电极之间维持电隔离。

[0022] 在本发明的优选实施例中，至少一个压引脚具有相反构造，其中其轴固定至其头部，其脚部能沿着其轴移动。相应地，脚部设置有包围轴的环形孔或者贯通孔。保护板对多个压引脚提供公共头部，其中，轴直接固定在保护板。轴可以通过任何适当的连接类型，例如焊接或者其他固定在保护板。保护板还可以设置有孔，用于承受轴的端部区域。优选的是，孔是贯通孔。此外，孔和轴的端部区域可以设置有对应的螺纹，以便于轴安装至保护板。可以使用此外的焊接或者其他连接技术。

[0023] 根据本发明的修改的实施例，至少一个功率半导体设备是绝缘栅双极晶体管、反向导通绝缘栅双极晶体管、双模式绝缘栅晶体管、或者二极管。这些功率半导体设备适于在高功率条件下操作，并可以处理高电压和电流。优选的是，多个相同的功率半导体设备组合在单个的功率半导体模块中。备选地，来自列出的功率半导体设备的功率半导体设备的任意组被组合在单个的功率半导体模块中。在二极管的情况下，阳极和阴极被称为第一和第二接触部。在功率晶体管的情况下，发射极和集电极被称为第一和第二接触部，栅极被称为控制接触部。

[0024] 根据本发明的修改的实施例，功率半导体模块包括外壳，其中，顶板形成外壳的顶侧，并提供功率半导体模块的第一接触部；底板形成外壳的基底，并提供功率半导体模块的第二接触部。一般而言，顶板提供功率半导体模块的公共第一接触部，用于接触功率半导体设备的第一接触部，以及底板提供功率半导体模块的第二接触部，用于接触功率半导体设备的第二接触部。在堆叠布置情况下，功率半导体模块的第一和第二接触部可以由其他功率半导体模块来接触，或者由功率半导体模块组件的各接触部来接触。在比如IGBT的功率晶体管的情况下，第一接触部通常是指发射极接触部，第二接触部通常是指集电极接触部，以及控制接触部是指栅极接触部。控制接触部不与功率半导体模块的盖电接触，并且例如可以经由盖中的间隙或者通过功率半导体模块的横向接触元件来接触。

[0025] 根据本发明的功率半导体模块组件的优选的实施例，功率半导体模块的底板彼此电连接。连接可以通过布线或者通过提供用来接触半导体模块的底板和/或盖的接触板而进行。

[0026] 根据本发明的功率半导体模块组件的优选实施例，功率半导体模块组件包括外壳，其中导电盖形成外壳的顶侧，并提供功率半导体模块组件的第一接触部，其接触功率半导体模块的第一接触部，以及功率半导体模块的底板遍及外壳的基底延伸。在堆叠布置的情况下，功率半导体模块组件的第一和第二接触部可以由其他功率半导体模块组件接触。一般而言，功率半导体模块组件的盖提供第一接触部，用于接触功率半导体模块的第一接触部，以及功率半导体模块的底板提供功率半导体模块的公共第二接触部。如果功率半导体模块具有控制接触部，那么其还可以在功率半导体模块组件内电连接。功率半导体模块组件可以具有横向接触部，用于接触所连接的功率半导体模块的控制接触部，或者所连接的功率半导体模块的控制接触部可以经由盖中的间隙接触。在堆叠布置的情况下，功率半导体模块组件的第一和第二接触部可以由其他功率半导体模块组件来接触。在比如IGBT的功率晶体管的情况下，第一接触部是指发射极接触部，第二接触部是指集电极接触部，控制接触部是指栅极接触部。

附图说明

[0027] 本发明的这些和其他方面根据下文说明的实施例将会清楚，并将参考下文说明的实施例来阐明。

[0028] 在附图中：

[0029] 图1示出顶板被移除的根据本发明的功率半导体模块的顶视图，

[0030] 图2示出图1所示的功率半导体模块的沿着线G-G的剖视图，

[0031] 图3示出图1的功率半导体模块的压引脚和保护板的透视剖视图，

[0032] 图4示出没有其外壳的图1的功率半导体模块的顶视图，

[0033] 图5示出图4的布置的底视图，以及

[0034] 图6示出具有顶板的图1所示的功率半导体模块的沿着线G-G的另一个剖视图。

具体实施方式

[0035] 图1示出根据本发明的功率半导体模块1的顶视图。如图2、图3以及图6中最佳可见，功率半导体模块1包括底板2和多个功率半导体设备3。本发明的该实施例中的功率半导体设备3是功率晶体管，比如IGBT和功率二极管，其通常布置在底板2上。功率半导体设备3在其底面与底板2以表面接触，以在其间提供机械连接以及导电和导热。对于IGBT，在底板2上设置栅极板(gate runner)4。栅极板4是与底板2隔离的电接触板，并且通常连接至IGBT的栅极。

[0036] 栅极板4由还被称为栅极引脚(gate pin)的第一压引脚(press pin)5接触，该压引脚是本领域已知的，因此不作详细说明。功率半导体设备3还在其顶面通过中间接触元件6（此处示出为2层接触元件6），由还被称为芯片引脚的第二压引脚7来接触。芯片引脚7与栅极引脚5相比具有基本相反的构造，并且包括脚部8，脚部8具有贯通孔9和能在贯通孔9内移动的轴10。保护板11一体地形成芯片引脚7的公共头部。芯片引脚7还包括弹簧垫圈组12，弹簧垫圈组12围绕轴10布置在保护板11与脚部8之间，用于对保护板11和脚部8和电流旁路13施加向外定向的力，电流旁路13将脚部8与保护板11电连接。

[0037] 为了安装芯片引脚7，保护板11设置有若干贯通孔14，贯通孔14承受轴10的上端区域15。贯通孔14和轴10的上端区域15设置有对应的螺纹，以便轴10通过螺纹连接固定至保护板11。在备选的实施例中，轴10压配至贯通孔14。

[0038] 保护板11和底板2由钼制成。如图6所示，保护板11设置在顶板20下方，并覆盖顶板20的内面。保护板11与顶板20电接触。保护板11设置有多个间隙16，其包围栅极引脚5的头部17。栅极引脚5及其头部17与顶板20机械接触，其中，在头部17与顶板之间设置隔离装置。

[0039] 功率半导体模块1包括外壳18，其中，底板2形成外壳18的基底。导电顶板20形成外壳18的顶侧。顶板提供功率半导体模块1的第一接触部，以及底板2提供功率半导体模块1的第二接触部。功率半导体设备3通过压引脚5、7与顶板机械并电接触，在芯片引脚7的情况下，与保护板11机械并电接触，其中，栅极引脚5与顶板20电隔离。底板2连接至集电极即功率半导体设备3的第二接触部，并形成功率半导体模块1的第二接触部，以及发射极即功率半导体设备3的第一接触部连接至顶板。功率半导体设备3的栅极通常可以经由顶板中的间隙在功率半导体模块1中接触，或者由设置在顶板20的栅极导体21设置，并在朝向底板2侧与其绝缘。

[0040] 在图中未明确示出的功率半导体模块组件包括多个如上所述的功率半导体模块1。功率半导体模块1彼此并排布置在外壳内，其中，功率半导体模块1的底板2遍及外壳的基底延伸。导电盖形成外壳的顶侧，并对功率半导体模块1提供公共接触部，在相邻的功率半导体模块1之间具有电连接。盖提供功率半导体模块组件的第一接触部，用于接触功率半导体模块1的第一接触部，底板2通常提供功率半导体模块组件的第二接触部。备选地，功率半导体模块组件的盖对于布置在组件中的模块形成公共盖或者公共顶板20。功率半导体模块
1的控制接触部在功率半导体模块组件内彼此连接，并连接至功率半导体模块组件的横向电接触。

[0041] 功率半导体模块1以及功率半导体模块组件可以堆叠，具有冷却器布置在邻近的功率半导体模块1或者功率半导体模块组件之间。

[0042] 在附图和上述说明中已示出并详细说明了本发明，但该示出和说明应被认为是示出性或者示范性的，而非限制性的，本发明不限于公开的实施例。本领域的技术人员通过学习附图、本公开和添附的权利要求，在实践请求保护的发明时可以理解并实现其他公开的实施例的变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。事实是在互不相同的从属权利要求中列举的某些手段不表明这些手段的组合无法有利使用。权利要求中的任何参考标记不应解释为限制范围。

[0043] 附图标记列表

[0044] 1  功率半导体模块

[0045] 2  底板

[0046] 3  功率半导体设备

[0047] 4  栅极板

[0048] 5  第一压引脚，栅极引脚

[0049] 6  接触元件

[0050] 7  第二压引脚，芯片引脚

[0051] 8  脚部

[0052] 9  贯通孔

[0053] 10 轴

[0054] 11 保护板

[0055] 12 弹簧垫圈组

[0056] 13 电流旁路

[0057] 14 贯通孔

[0058] 15 上端区域

[0059] 16 间隙

[0060] 17 头部

[0061] 18 外壳

[0062] 20 顶板，盖

[0063] 21 栅极导体。