母座、功率半導(dǎo)體模塊以及具有多個功率半導(dǎo)體模塊的半導(dǎo)體模塊組裝件制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)名稱為“母座、功率半導(dǎo)體模塊以及具有多個功率半導(dǎo)體模塊的半導(dǎo)體模塊組裝件”。本發(fā)明專利技術(shù)提供具有支腳(8)的第一母座(6)，由此提供支腳(8)的基底(12)以接觸功率半導(dǎo)體器件(3)的接觸元件(4a、4b)，特別是在包含基板(2)和至少一個功率半導(dǎo)體器件(3)的功率半導(dǎo)體模塊(1)中，該功率半導(dǎo)體模塊在基板(2)上設(shè)置并與至少一個另外的母座(6、7)接觸，由此提供絕緣部件(13)以與支腳(8)的外表面(14)電隔離。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
母座、功率半導(dǎo)體模塊以及具有多個功率半導(dǎo)體模塊的半導(dǎo)體模塊組裝件
本專利技術(shù)涉及具有支腳的第一母座，由此提供支腳基底以接觸功率半導(dǎo)體器件的接觸元件，特別是在包含基板和至少一個功率半導(dǎo)體器件的功率半導(dǎo)體模塊中，該功率半導(dǎo)體器件設(shè)置在基板上并由至少一個第二母座接觸。本專利技術(shù)進一步涉及功率半導(dǎo)體模塊，其中包含基板、設(shè)置在基板上的至少一個功率半導(dǎo)體器件、以及用于接觸至少一個功率半導(dǎo)體器件的至少一個接觸元件的至少一個第一母座。本專利技術(shù)還涉及包含多個功率半導(dǎo)體模塊的功率半導(dǎo)體模塊組裝件。
技術(shù)介紹
上述種類的第一母座(為了簡化描述也稱作母座)是本領(lǐng)域眾所周知的并且用于接觸功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別是大功率半導(dǎo)體器件。在這個領(lǐng)域，正常操作模式下至少30A以及故障情況下2000A范圍內(nèi)的高電流經(jīng)過母座，優(yōu)選不影響其完整性。每個母座包含支腳和首部，它們可沿母座縱軸互相相對移動并且通過例如電流旁路電互連。在支腳和首部之間設(shè)置彈簧元件，它對支腳和首部施加向外的力以使它們推壓功率半導(dǎo)體器件的接觸元件和相對觸點，例如殼體的蓋子，從而保持它們之間的電連接。彈簧元件可以是彈簧墊圈組，但也可以使用其它彈簧元件。支腳與相應(yīng)接觸元件之間的接觸經(jīng)由支腳基底提供。此類母座通常用于接觸柵極或控制觸點、集電極觸點和/或發(fā)射極觸點。如上所述的接觸元件可以是例如功率半導(dǎo)體器件的頂面或底面，取決于其布置，或基板上提供的分離的接觸元件，專門用于接觸功率半導(dǎo)體器件的控制電極。控制電極通常是柵極電極，它通過電線等電連接到此分離的接觸元件。功率半導(dǎo)體器件的控制電極通常位于其頂面上。僅為舉例說明之目的，半導(dǎo)體芯片的底面或集電極側(cè)可通過錫焊、燒結(jié)等方式連接到導(dǎo)電的基板，由此形成表面接觸。半導(dǎo)體器件的頂面或發(fā)射極側(cè)可通過母座接觸。連接到柵極電極的分離的接觸元件設(shè)置在基板上并與基板電隔離，并且也通過母座接觸。這些功率半導(dǎo)體器件可處理約1.7kV或更高的電壓。半導(dǎo)體器件與基板之間的表面接觸還使熱量從半導(dǎo)體傳送出去，即半導(dǎo)體器件熱耦合和電耦合到基板。用于此領(lǐng)域的典型功率半導(dǎo)體器件為像絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管(反向?qū)щ奍GBT)、雙模絕緣柵晶體管(BIGT)或(功率)二極管的功率晶體管。為了形成可處理高達100A或更高的電流的功率半導(dǎo)體模塊，經(jīng)常組合功率半導(dǎo)體器件。功率半導(dǎo)體器件在基板上并聯(lián)設(shè)置，基板通常形成功率半導(dǎo)體模塊的導(dǎo)電基底。功率半導(dǎo)體模塊通常由導(dǎo)電蓋覆蓋，它為功率半導(dǎo)體器件提供另一個觸點。功率半導(dǎo)體器件通常通過母座連接到導(dǎo)電蓋。對于功率晶體管，控制觸點也連接到蓋子，由此蓋子與控制觸點絕緣。多個功率半導(dǎo)體模塊可進一步組合以形成功率半導(dǎo)體模塊組裝件。功率半導(dǎo)體模塊在公共殼體中機械和電學(xué)地互相并聯(lián)設(shè)置。半導(dǎo)體模塊的基板形成模塊組裝件的導(dǎo)電基底。此外，功率半導(dǎo)體模塊組裝件的殼體也由導(dǎo)電蓋覆蓋，導(dǎo)電蓋與在其中設(shè)置的功率半導(dǎo)體模塊的蓋子接觸。功率半導(dǎo)體模塊組裝件可包含相同的功率半導(dǎo)體模塊，例如包含功率晶體管的功率半導(dǎo)體模塊，或不同的功率半導(dǎo)體模塊，例如一組包含功率晶體管的功率半導(dǎo)體模塊以及包含二極管的至少一個功率半導(dǎo)體模塊。這類功率半導(dǎo)體模塊組裝件被本申請人稱作“Stakpak”，并可用于形成處理高達數(shù)百kV的堆疊布置，例如在HVDC應(yīng)用中使用。相應(yīng)地，功率半導(dǎo)體模塊組裝件的機械設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化以便于在長堆疊中鉗位。在這些堆疊布置中，單個功率半導(dǎo)體模塊組裝件的機械和電穩(wěn)定性對防止整個堆疊布置出現(xiàn)故障至關(guān)重要。取代將功率半導(dǎo)體模塊設(shè)置到功率半導(dǎo)體模塊組裝件和功率半導(dǎo)體模塊組裝件堆疊中，還可直接堆疊功率半導(dǎo)體模塊。在這種情況下，各個功率半導(dǎo)體器件的短路故障模式(SCFM)的支持是重要特征。在功率半導(dǎo)體器件之一出現(xiàn)故障的情況下，它無法提供短路以實現(xiàn)從基板到蓋子的傳導(dǎo)。這歸因于功率半導(dǎo)體模塊以及功率半導(dǎo)體模塊組裝件，它們在SCFM中禁用。在多個功率半導(dǎo)體模塊或功率半導(dǎo)體模塊組裝件串聯(lián)連接時，例如形成上述堆疊布置，單個功率半導(dǎo)體器件的故障不會導(dǎo)致串聯(lián)功率半導(dǎo)體模塊或功率半導(dǎo)體模塊組裝件的故障。特別是在這種短路故障模式中，高達2000A的極高電流可流經(jīng)單個半導(dǎo)體器件和與故障功率半導(dǎo)體器件接觸的相應(yīng)母座，因為短路橋接所有并聯(lián)功率半導(dǎo)體器件。為了實現(xiàn)這些功率半導(dǎo)體器件的長壽命并相應(yīng)地實現(xiàn)功率半導(dǎo)體模塊和功率半導(dǎo)體模塊組裝件的長壽命，期望短路故障模式可維持一年或更長時間。由于SCFM中的高電流，接觸元件與母座支腳之間的電連接質(zhì)量會隨時間下降。與SCFM中的功率半導(dǎo)體器件接觸的母座與另外的母座之間可能出現(xiàn)電弧。相應(yīng)地，母座的接觸元件和支腳會磨損和氧化，由此增大其間的電連接電阻，從而降低SCFM中的短路能力。電弧甚至可導(dǎo)致與SCFM中的功率半導(dǎo)體器件接觸的整個母座的損耗。電弧還可傳播到其它母座，直到它們完全消耗，即損壞。這會導(dǎo)致包含SCFM中的功率半導(dǎo)體器件的功率半導(dǎo)體模塊以及相應(yīng)的功率半導(dǎo)體模塊組裝件的故障。在母座損耗時，其彈簧墊圈組無法維持功率半導(dǎo)體模塊操作所需的接觸元件與蓋子之間的電連接。電弧和引腳損耗的問題還涉及母座，它不攜帶負載電流，并因此被認為適合維持功率半導(dǎo)體模塊和功率半導(dǎo)體模塊組裝件的機械穩(wěn)定性。這特別涉及功率半導(dǎo)體器件的柵極觸點，它在SCFM期間不攜帶負載電流并因此在功率半導(dǎo)體模塊中用于維持其機械穩(wěn)定性。相應(yīng)地，接觸柵極的母座應(yīng)永不損耗。因此，防止這些母座上出現(xiàn)電弧非常重要，特別是在短路故障模式中。在本領(lǐng)域中，傾向于通過功率半導(dǎo)體模塊的合適設(shè)計來解決電弧傳播問題。然而，即使將各個母座互相隔開很遠的距離放置，仍無法可靠地防止母座的電弧和損耗。甚至接觸控制觸點的母座也會受到電弧的影響。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的一個目的是提供一種功率半導(dǎo)體模塊，它包含提供良好電學(xué)和機械穩(wěn)定性并具有長壽命(即使在有電弧的情況下)的第一母座。本專利技術(shù)的又一個目的是提供一種功率半導(dǎo)體模塊布置，它具有延長的壽命，特別是在短路故障模式中操作時。這個目的通過獨立權(quán)利要求來實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求中提供了有利實施例。具體來說，本專利技術(shù)提供包含具有支腳的第一母座的功率半導(dǎo)體模塊，由此提供支腳基底用于接觸功率半導(dǎo)體器件的接觸元件，特別是在包含基板和設(shè)置在基板上的至少一個功率半導(dǎo)體器件的功率半導(dǎo)體模塊中，由此提供絕緣部件與支腳的外表面電隔離。功率半導(dǎo)體器件可由至少另一個母座接觸。本專利技術(shù)還提供功率半導(dǎo)體模塊組裝件，包含如上文指定的多個功率半導(dǎo)體模塊，由此功率半導(dǎo)體模塊互相并排設(shè)置且相鄰功率半導(dǎo)體模塊之間有電連接。本專利技術(shù)的基本思路是使用絕緣部件電隔離并保護母座支腳的外表面。一方面，絕緣部件防止在第一母座上出現(xiàn)可攜帶高負載電流的電弧，例如在短路故障模式(SCFM)中。另一方面，絕緣部件防止不攜帶高負載電流的第一母座因源自另一母座的電弧而損耗。另一母座可以是另一個第一母座或第二母座，它是本領(lǐng)域中已知的常規(guī)母座。絕緣部件需要良好的電隔離能力，這樣它們才能有效地減少電弧的出現(xiàn)和第一母座因電弧受到的損耗。由于電弧永遠無法完全消除，還要求絕緣部件具有高熔化溫度，以便長時間維持絕緣能力。由于電弧周圍的溫度可達到數(shù)百攝氏度，絕緣部件的熔化溫度優(yōu)化高于電弧造成的溫度。具有至少一個第一母座的功率半導(dǎo)體模塊將具有延長的壽命，因為絕本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
功率半導(dǎo)體模塊(1)，包括：基板(2)，至少一個功率半導(dǎo)體器件(3)，其設(shè)置在所述基板(2)上，以及包含支腳和首部的至少一個第一母座(6)，所述支腳和所述首部可沿所述母座的縱軸互相相對移動，所述支腳和所述首部電互連并且在所述支腳和所述首部之間設(shè)置彈簧元件以在所述支腳和所述首部上施加向外的力，由此提供所述至少一個第一母座(6)以通過所述支腳(8)的基底(12)接觸至少一個接觸元件(4a、4b)，其中為所述至少一個第一母座(6)提供具有管狀主體的絕緣部件(13)，用于使所述第一母座(6)的所述支腳(8)的外表面(14)電隔離。

【技術(shù)特征摘要】
2011.08.17 EP 11177800.71.功率半導(dǎo)體模塊(1)，包括：基板(2)，至少一個功率半導(dǎo)體器件(3)，其設(shè)置在所述基板(2)上，以及包含支腳和首部的至少一個第一母座(6)，所述支腳和所述首部可沿所述第一母座的縱軸互相相對移動，所述支腳和所述首部電互連并且在所述支腳和所述首部之間設(shè)置彈簧元件以在所述支腳和所述首部上施加向外的力，由此提供所述至少一個第一母座(6)以通過所述支腳(8)的基底(12)接觸至少一個接觸元件(4a、4b)，其中為所述至少一個第一母座(6)提供具有管狀主體的絕緣部件(13)，用于使所述第一母座(6)的所述支腳(8)的外表面(14)電隔離。2.如以上權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中所述絕緣部件(13)設(shè)置到所述支腳(8)周圍。3.如權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中所述管狀主體的厚度為0.5mm到2.0mm。4.如權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中所述絕緣部件(13)延伸于所述支腳(8)的整個高度。5.如權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中所述絕緣部件(13)包含陶瓷基底材料。6.如權(quán)利要求5所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于所述陶瓷基底材料為Al2O3。7.如權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其中提供至少一個第二母座(7)以接觸所述至少一個功率半導(dǎo)體器件(3)的至少一個接觸元件(4a、4b)，其中所述第二母座(7)包括支腳和首部，所述支腳和所述首部可沿所述第二母座的縱軸互相相對移動，所述支腳和所述首部電互連并且在所述支腳和所述首部之間設(shè)置彈簧元件以在所述支腳和所述首部上施加向外的力。8.如權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其中...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：F杜加爾，
申請(專利權(quán))人：ABB技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：