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功率半导体模块

阅读：1026发布：2020-09-15

IPRDB可以提供功率半导体模块专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供功率半导体模块（1），其包括基板（2）和安装在其上的至少一对衬底（3），由此多个功率半导体（4，5，25）安装在每个衬底（3）上，该功率半导体（4，5，25）布置在每个衬底（3）上，该衬底（3）沿其的相对边缘（6）具有不同数量的功率半导体（4，5，25），至少一对衬底（3）布置在基板（2）上，其中提供有较低数量的功率半导体（4，5，25）的衬底（3）的边缘（6）面朝彼此。，下面是功率半导体模块专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种功率半导体模块（1），包括基板（2）和安装在其上的至少一对衬底（3），由此每个衬底（3）具有矩形形状，多个功率半导体（4，5，25）安装在每个衬底（3）上，所述功率半导体（4，5，25）布置在每个衬底（3）上，所述衬底（3）沿其的相对边缘（6）具有不同数量的功率半导体（4，5，25），并且所述至少一对衬底（3）布置在所述基板（2）上，其中提供有较低数量的功率半导体（4，

5，25）的所述衬底（3）的所述边缘（6）面朝彼此。

2.如权利要求1所述的功率半导体模块（1），其特征在于所述衬底（3）的所述相对边缘（6）是它们的较长边缘。

3.如前述权利要求1或2所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述功率半导体（4，5，25）具有矩形形状。

4.如任一前述权利要求所述的功率半导体模块（1），其特征在于，所述功率半导体（4，

5，25）至少具有近似相同的尺寸。

5.如前述权利要求3所述的功率半导体模块（1），其特征在于布置在提供有较高数量的功率半导体（4，5，25）的所述衬底（3）的所述边缘（6）处的所述功率半导体（4，5，25）以它们的较长横向边缘（7）沿所述衬底（3）的该边缘（6）来布置，并且布置在提供有较低数量的功率半导体（4，5，25）的所述衬底（3）的所述边缘（6）处的所述功率半导体（4，5，25）以它们的较短横向边缘（8）沿所述衬底（3）的该边缘（6）来布置。

6.如任一前述权利要求所述的功率半导体模块（1），其特征在于提供所述衬底（3）和所述功率半导体（4，5，25）使得布置在提供有较高数量的功率半导体（4，5，25）的所述衬底（3）的所述边缘（6）处的所述功率半导体（4，5，25）基本上沿该边缘（6）的整个长度延伸。

7.如任一前述权利要求所述的功率半导体模块（1），其特征在于所述功率半导体（4，5，25）包括至少一个绝缘栅双极晶体管（4）和至少一个功率二极管（5）。

8.如前述权利要求6所述的功率半导体模块（1），其特征在于每个衬底（3）上的所述功率半导体（4，5，25）包括三个绝缘栅双极晶体管（4）和两个功率二极管（5）。

9.如前述权利要求7所述的功率半导体模块（1），其特征在于一个功率二极管（5）和一个绝缘栅双极晶体管（4）沿所述衬底（3）的所述相对边缘（6）中的一个布置，并且一个功率二极管（5）和两个绝缘栅双极晶体管（4）沿所述衬底（3）的所述相对边缘（6）中的另一个布置。

10.如前述权利要求1至5中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（4，5，25）是逆导绝缘栅双极晶体管（25）。

11.如任一前述权利要求所述的功率半导体模块（1），其特征在于所述衬底（3）具有等同的形状和设计并且等同地配备有功率半导体（4，5，25）。

12.如任一前述权利要求所述的功率半导体模块（1），其特征在于所述至少一对衬底（3）布置在所述基板（2）上，其中它们的沿其提供较高数量的功率半导体（4，5，25）的边缘（6）面朝所述基板（2）的边界（9）。

13.如前述权利要求11所述的功率半导体模块（1），其特征在于面朝彼此的所述衬底（3）的所述边缘（6）之间的距离小于所述衬底（3）的所述相对边缘（6）中的每个与所述基板（2）的边界（9）之间的距离。

14.如任一前述权利要求所述的功率半导体模块（1），其特征在于每个衬底（3）具有连接区域（10），其位于紧接于沿其提供较低数量的功率半导体（4，

5，25）的所述边缘（6）的所述衬底（3）的角处。

15.如前述权利要求13所述的功率半导体模块（1），其特征在于每个衬底（3）具有以U型提供的集电极金属化（15），其沿所述衬底（3）的所述相对边缘（6）并且沿连接所述相对边缘（6）的所述衬底（3）的一个边缘（14）延伸，由此所述集电极金属化（15）延伸通过所述连接区域（10）。

16.如前述权利要求13或14中的任一项所述的功率半导体模块（1），其特征在于每个衬底（3）具有以L型提供的发射极金属化（16），其延伸通过所述连接区域（10）并且在沿所述衬底（3）的所述相对边缘（6）布置的所述功率半导体（4，5，25）之间的区域中延伸。

17.如前述权利要求中的任一项所述的功率半导体（1），其特征在于所述基板（2）具有矩形形状。

说明书全文

功率半导体模块

技术领域

[0001] 本发明涉及功率半导体模块。

背景技术

[0002] 功率半导体模块在高功率应用中使用来切换高电压和电流并且包括多个功率半导体。因为每个单一半导体具有最大电压和电流，半导体必须在功率半导体模块内并联和/或串联组合以实现在高功率应用中的使用。为了便于制造这样的模块，它们通常包括多个衬底并且功率半导体安装在其上。这些衬底提供有对于发射极、集电极和基极接触的公共接触，使得衬底可以容易地在功率半导体模块中连接。衬底安装在公共基板上，其可以是功率半导体模块的壳体的一部分或其可以保持在功率半导体模块的壳体内。

[0003] 在现今的功率半导体模块中，典型地组合四个或六个衬底，每个提供有六个功率半导体，其包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）、功率二极管、逆导绝缘栅双极晶体管（RC-IGBT），或适合于高功率应用的其他功率半导体。功率半导体通常布置在每个衬底上的两个行中。例如，衬底可以包括四个IGBT和两个功率二极管。

[0004] 功率半导体模块的重要特性是它的尺寸、热生成以及冷却和最大功率。为了便于使用功率半导体模块，期望的是，提供具有紧凑尺寸的模块，其需要很少的空间用于安装并且其能够与高电流一起使用。由于施加的高功率，功率半导体生成可损坏单独半导体或整个功率半导体模块的量的热。也期望的是，实现最大电流与热生成之间的良好关系，使得作为整体的功率半导体模块和所有单独功率半导体在使用期间不损坏。因此，使在模块内以及远离模块的功率半导体中生成的热消散也是重要的。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供上面提到的种类的功率半导体模块，其实现在具有高电流的高功率应用中的使用，其示出改进的温度特性，并且其能方便且经济地安装。

[0006] 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。

[0007] 特别地，本发明提供功率半导体模块，其包括基板和安装在其上的至少一对衬底，由此每个衬底具有矩形形状，多个功率半导体安装在每个衬底上，这些功率半导体布置在沿其的相对边缘具有不同数量的功率半导体的每个衬底上，并且该至少一对衬底布置在基板上，其中提供有较低数量的功率半导体的衬底的边缘面朝彼此。也就是说，该对衬底布置在基板上，其中提供有较低数量的功率半导体的衬底的边缘紧接于彼此并且至少大致上平行于彼此。

[0008] 本发明的基本思想是提供功率半导体模块，其中功率半导体不均等地间隔开来实现改进的电流/热特性。因此，沿提供有较少功率半导体的边缘，留下有未被功率半导体占据的空间，并且在该空间中没有热生成。因为具有较低数量的功率半导体的边缘面向彼此，在该对衬底的中心处的功率半导体的数量减少，从而导致在该区域中的热生成减少。该区域一般指功率半导体模块的中心区域，并且因此与其的其他区域相比具有较低密度的功率半导体。利用在模块的中心中生成的较少的热，可以实现均匀的温度分布，使得模块整体上较少受到由于单独功率半导体的过热引起的损坏的影响。因此，半导体功率模块可以处理仅由于衬底和其上的半导体的发明性放置而引起的电流增加。

[0009] 优选地，功率半导体模块包括两对或三对衬底。这导致功率半导体模块适合于具有小尺寸的高功率应用。进一步优选地，每个衬底提供有两行的功率半导体，一行沿衬底的相对边缘中的每个布置。功率半导体模块可包括额外的半导体和/或衬底。优选地，较低数量的功率半导体位于衬底的相应边缘处使得所得的沿这些边缘的间隙彼此移位。来自一个衬底的热可以朝相对间隙消散而不加热另一个功率半导体。在在衬底上使用不同的功率半导体的情况下，它们优选地布置在其上使得生成较少热的功率半导体布置在相对侧壁的中心中。特别地，面向另一个衬底的边缘的衬底边缘上的功率半导体这样布置。热可以更容易地从衬底的角消散，使得实现进一步的改进。不面朝彼此的衬底的边缘可以更容易地消散热，因为它们不被其他功率半导体环绕。

[0010] 根据本发明的修改实施例，衬底的相对边缘是它们的较长边缘。衬底的矩形形状增加衬底设计的以及功率半导体放置的自由度。利用较长边缘是相对边缘，可以提供具有紧凑尺寸的功率半导体模块。利用衬底的较长边缘是相对边缘，热消散具有增加的重要性。

[0011] 根据本发明的修改实施例，功率半导体具有矩形形状。功率半导体的该矩形形状增加衬底设计的以及功率半导体放置的自由度。矩形形状允许根据要求（例如，用于衬底上的不同接触的连接）通过衬底上的自由空间布置功率半导体。进一步优选地，功率半导体具有相同的尺寸或至少近似相同的尺寸。这允许有效利用衬底上可用的空间。

[0012] 根据本发明的修改实施例，布置在提供有较高数量的功率半导体的衬底的边缘处的功率半导体以它们的较长横向边缘沿衬底的该边缘来布置，并且布置在提供有较低数量的功率半导体的衬底的边缘处的功率半导体以它们的较短横向边缘沿衬底的该边缘来布置。该设计在沿提供有较低数量的功率半导体的边缘增加衬底上的自由空间的尺寸。

[0013] 根据本发明的修改实施例，提供衬底和功率半导体，使得布置在提供有较高数量的功率半导体的衬底的边缘处的功率半导体基本上沿该边缘的整个长度延伸。这允许提供衬底和功率半导体模块的优化设计。沿该边缘的衬底的整个长度用于定位功率半导体，使得可以提供紧凑的衬底。然而，由于沿另一边缘的较低数量的功率半导体，足够的空间可用，例如用于衬底的连接区域。

[0014] 根据本发明的修改实施例，功率半导体包括至少一个绝缘栅双极晶体管和至少一个功率二极管。这些功率半导体通常在功率半导体模块中使用并且适合于高功率应用。

[0015] 根据本发明的修改实施例，每个衬底上的功率半导体包括三个绝缘栅双极晶体管和两个功率二极管。优选地，每个绝缘栅双极晶体管和每个功率二极管具有至少近似相同的尺寸。此外，每个功率半导体优选地具有矩形形状。功率半导体装置的该组合提供IGBT与二极管性能之间良好的关系，尤其在使用相同尺寸的半导体时。由于IGBT的设计方面的改进（其具有增加的效率），半导体的该关系对衬底和功率半导体模块提供优化特性。先前，广泛使用四个IGBT和两个功率二极管的组合。

[0016] 根据本发明的修改实施例，一个功率二极管和一个绝缘栅双极晶体管沿衬底的相对边缘中的一个布置，并且一个功率二极管和两个绝缘栅双极晶体管沿衬底的相对边缘中的另一个布置。这在所有操作状态中在衬底上实现均等分布的热生成。优选地，采用使得面向彼此的衬底边缘的功率二极管和IGBT被移位的方式安置功率二极管和IGBT。进一步优选地，由于衬底的设计和使用而布置功率半导体使得生成较少热的功率半导体布置在沿衬底边缘的中心中。

[0017] 根据本发明的修改实施例，功率半导体是逆导绝缘栅双极晶体管。逆导绝缘栅双极晶体管（RC-IGBT）是绝缘栅双极晶体管和功率二极管在单一半导体内的组合。RC-IGBT可以通过单一芯片的设计而提供有功率二极管和IGBT的优化关系，由此进一步改进功率半导体模块的性能。

[0018] 根据本发明的修改实施例，功率半导体是逆导绝缘栅双极晶体管，每个具有矩形形状以及大致上相同的尺寸。

[0019] 根据本发明的修改实施例，衬底具有等同的形状和设计并且等同地配备有功率半导体。一个单一类型的衬底用于功率半导体模块，其便于生产并且降低功率半导体模块的成本。一对等同的衬底关于该对衬底之间的中心点而对称地布置，使得绕该中心点的180°旋转导致功率半导体模块内衬底的等同布置。进一步优选地，功率半导体具有相同的尺寸。

[0020] 根据本发明的修改实施例，至少一对衬底布置在基板上，其中它们的沿其提供较高数量的功率半导体的边缘面朝基板的边界。沿衬底的边缘布置的功率半导体越多，生成的热越多。面朝基板的边界的边缘不被其他功率半导体环绕，使得热可以容易地从衬底的这些边缘消散。

[0021] 根据本发明的修改实施例，面朝彼此的衬底的边缘之间的距离小于衬底的相对边缘中的每个与基板的边界之间的距离。因为在一对衬底的中心中生成很少的热，衬底之间的距离甚至可以小于衬底与基板的边界之间的距离。因此，可以提供紧凑的功率半导体模块。

[0022] 根据本发明的修改实施例，每个衬底具有连接区域，其位于紧接于沿其提供较低数量的功率半导体的边缘的衬底的角处。连接区域在衬底边缘处的安置允许紧凑衬底的设计。沿相对边缘布置的半导体行之间的区域中的空间要求降低。连接区域包括对于相同衬底上的功率半导体的集电极、发射极和栅极的接触。在使用功率二极管的情况下，其阳极和阴极也连接到衬底的接触。优选地，栅极接触由发射极和集电极接触环绕。

[0023] 根据本发明的修改实施例，每个衬底具有以U型提供的集电极金属化，其沿衬底的相对边缘并且沿连接相对边缘的衬底的一个边缘延伸，由此集电极金属化延伸通过连接区域。功率半导体直接安装在集电极金属化上，由此在集电极金属化与功率半导体之间提供导电连接。例如，IGBT与它们的集电极一起直接安装在集电极金属化上。集电极金属化在接触区域中具有集电极接触。

[0024] 根据本发明的修改实施例，每个衬底具有以L型提供的发射极金属化，其延伸通过连接区域并且在沿衬底的相对边缘布置的功率半导体之间的区域中延伸。发射极金属化靠近所有功率半导体，使得它们可以容易地连接到发射极金属化，例如从它们的顶侧。在IGBT的情况下，它们的发射极连接到发射极金属化。功率半导体优选地凭借接合线而接合到发射极金属化。进一步优选地，与功率半导体之间的区域相比，发射极金属化在连接区域中被扩大来提供适合于容易且可靠地连接发射极金属化的发射极接触。

[0025] 根据本发明的修改实施例，每个衬底具有栅极金属化，其包括连接区域中的栅极接触，该栅极接触被集电极和发射极的接触环绕。栅极金属化优选地包括栅极区域，其在沿衬底的那对相对侧布置的功率半导体之间的区域中被发射极金属化环绕。

[0026] 根据本发明的修改实施例，具有栅极的功率半导体布置在衬底上，其中它们的栅极对衬底的中心取向。栅极可以用短线接合到栅极金属化。

[0027] 根据本发明的另外的实施例，其可与上文提到的其他实施例中的每个组合，功率半导体模块包括多对衬底并且每对衬底布置在基板上，其中提供有较低数量的功率半导体的该对衬底的边缘面朝彼此。

[0028] 根据本发明的另外的实施例，其可与上文提到的其他实施例中的每个组合，功率半导体模块包括布置在基板上的多对衬底，其中提供有较低数量的功率半导体的边缘沿模块的轴布置，优选地沿模块的中心轴布置。

[0029] 根据本发明的另外的实施例，基板优选地具有矩形形状。

附图说明

[0030] 本发明的这些和其他方面将从在下文描述的实施例显而易见并且参考在下文描述的实施例来说明。

[0031] 在图中：图1示出根据本发明的第一实施例的功率半导体模块的示意图，
图2示出图1的功率半导体模块的衬底的示意图，
图3示出根据本发明的第二实施例的功率半导体模块的示意图，以及
图4示出图3的功率半导体模块的衬底的示意图。

具体实施方式

[0032] 图1示出根据本发明的第一实施例的功率半导体模块1。该功率半导体模块1包括基板2和安装在其上的三对矩形衬底3。如可以在图1中看到并且将在下文进一步描述的，所有衬底3具有等同的形状和设计并且等同地配备有功率半导体4、5。每对等同的衬底3由两个衬底3形成，其以它们的较长边缘6面向彼此来布置，并且关于该对衬底3之间的中心点而对称地布置，如将在下文进一步解释的。

[0033] 如可以详细地在图2中看到的，每个衬底3配备有五个功率半导体4、5。所有功率半导体4、5具有相同的矩形形状和尺寸并且包括三个绝缘栅双极晶体管4（IGBT）和两个功率二极管5，由此一个功率二极管5和一个绝缘栅双极晶体管4沿衬底3的较长边缘6中的一个接近彼此地布置，并且一个功率二极管5和两个绝缘栅双极晶体管4沿衬底3的较长边缘6中的另一个布置在行中。如可以在图2中看到的，位于衬底3的边缘6（其提供有三个功率半导体4、5）处的功率半导体4、5以它们的较长横向边缘7沿衬底3的该边缘6来布置并且基本上沿该边缘6的整个长度延伸。布置在衬底3的边缘6（其提供有两个功率半导体4、5）处的功率半导体4、5以它们的较短横向边缘8沿衬底3的该边缘6来布置。绝缘栅双极晶体管4布置在衬底3上，其中它们的栅极21对衬底3的中心取向。

[0034] 如可以在图1中看到的，三对衬底3区域布置在基板2上，其中沿其提供两个功率半导体4、5的衬底3的边缘6面朝彼此。相对边缘6面朝基板2的边界9。面朝彼此的衬底3的边缘6之间的距离小于衬底3的相对边缘6中的每个与基板2的边界9之间的距离。当每对衬底3安置在功率半导体模块1的基板2上时，采用使得面向彼此的衬底3的边缘
6的功率半导体4、5被移位的方式来安置功率二极管5和IGBT 4。

[0035] 如可以进一步在图2中看到的，每个衬底3具有连接区域10，其位于紧接于沿其提供两个功率半导体4、5的边缘6的衬底3的角处。连接区域10包括分别对于相同衬底3上的功率半导体4、5的集电极、发射极和栅极的接触11、12、13，由此栅极接触13被发射极接触12和集电极接触11环绕。在功率二极管5的情况下，其阳极和阴极连接到发射极接触12和集电极接触11。

[0036] 衬底3具有集电极金属化15，其以U型提供并且沿衬底3的相对边缘6以及沿连接相对边缘6的衬底3的一个较短边缘14延伸。集电极金属化15进一步延伸通过连接区域10。功率半导体4、5直接安装在集电极金属化15上，由此提供与集电极金属化15的电连接。集电极接触11是接触区域10内的集电极金属化15的一部分。

[0037] 衬底3还具有以L型提供的发射极金属化16，其延伸通过连接区域10并且在沿衬底3的相对边缘6布置的功率半导体4、5之间的区域17中延伸。发射极金属化16凭借接合线（其未在图中示出）连接到功率二极管5和绝缘栅双极晶体管4的发射极18。与功率半导体4、5之间的区域17相比，发射极金属化16在连接区域10中扩大。

[0038] 衬底3进一步包括栅极金属化19，其包括连接区域10中的栅极接触13和栅极区域20，该栅极区域20在被发射极金属化16环绕的三个侧上。栅极区域20凭借至少一个接合线（其未在图中示出）连接到栅极接触13。另外，绝缘栅双极晶体管4的栅极21凭借接合线（其未在图中示出）连接到栅极区域20。

[0039] 因此，绝缘栅双极晶体管4电并联地连接到彼此。功率二极管5电并联地连接到绝缘栅双极晶体管4。

[0040] 根据本发明的第二实施例，其在图3和4中示出，衬底3配备有五个等同的逆导绝缘栅双极晶体管25（RC-IGBT）作为功率半导体。除该差异外，第二实施例的功率半导体模块1与第一实施例的模块1等同。在该情况下，逆导绝缘栅双极晶体管并联地连接到彼此。

[0041] 尽管本发明已经在图和前述描述中详细地图示和描述，这样的图示和描述要认为是说明性或示范性的而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。对公开的实施例的其他变化可以被本领域内技术人员在从对图、公开和随附权利要求的学习来实践要求权利的本发明中所理解和实现。在权利要求中，词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一（a）”或“一（an）”不排除复数。某些措施在互相不同的从属权利要求中陈述的少数事实不指示这些措施的组合无法被有利地使用。在权利要求中的任何标号不应该解释为限制范围。

[0042] 标号列表1 功率半导体模块 2 基板
3 衬底 4 绝缘栅双极晶体管，功率半导体
5 功率二极管，功率半导体 6 衬底的较长边缘
7 功率半导体的较长边缘 8 功率半导体的较短边缘
9 边界 10连接区域
11集电极接触 12发射极接触
13栅极接触 14衬底的较短边缘
15集电极金属化 16发射极金属化
17区域 18发射极
19栅极金属化 20栅极区域
21栅极 25逆导绝缘栅双极晶体管，功率半导体

标题	发布/更新时间	阅读量
导体模块-专利编号CN109390537A	2020-05-11	196
导体模块-专利编号CN109390538A	2020-05-11	201
支模体系-专利编号CN104652808B	2020-05-12	1014
模块体-专利编号CN1305682C	2020-05-13	69
爬模架体-专利编号CN105401717B	2020-05-12	151
模具壳体-专利编号CN101502998B	2020-05-12	915
墙体模块-专利编号CN101748843A	2020-05-13	314
体模-专利编号CN106037632A	2020-05-11	866
模体组件-专利编号CN109770929A	2020-05-11	776
立体模型-专利编号CN100506157C	2020-05-13	590

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