專利名稱：低電感功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體電子器件。
這樣一種功率半導(dǎo)體模塊已經(jīng)在專利公開文獻DE3937045A1中敘述過。
一般講，功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)有若干個半導(dǎo)體器件，這些半導(dǎo)體器件可以組成一個邏輯功能單元。例如，整流器，裝有反并聯(lián)二極管的單一開關(guān)或者相位組件。各類模塊與當今大功率半導(dǎo)體領(lǐng)域常用盤封器件的差別主要在于冷卻器與電源連接線之間是電絕緣的。
這類模塊(晶閘管、晶體管、IGBT、MOSFET、二極管模塊)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于高達1200伏和數(shù)百安的功率范圍，而且主要用于工業(yè)動力。大電流的模塊一般是由若干個單一組件組成的，在模塊中它們是并聯(lián)連接的，或者同時并聯(lián)若干個模塊。
目前模塊的性能，就電流承受能力和最大閉鎖電壓而言，其進一步提高受下列問題所限—模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的寄生電感不允許并聯(lián)任意多個器件。寄生電感的增加有可能使接通和分斷過程出現(xiàn)不允許有的振蕩。其中，用于并聯(lián)的各個器件，由于隨著面積增大制造成本增加且可靠性降低，所以器件面積不能任意增大。
—隨著模塊、基片面積的增加，可靠性的問題也就增多，特別就所要求的抗溫度交變能力而言，因為隨著結(jié)構(gòu)尺寸的增加和由于所使用的各種材料有不同的熱膨脹系數(shù)，機械負荷越來越大。
—對于具有高閉鎖強度的器件所要求的電絕緣強度，在一般情況下，用常規(guī)模塊所達到的漏電距離顯得太短。
—與盤封器件的結(jié)構(gòu)相比，常規(guī)模塊的熱阻較大。其原因是模塊熱接觸和電接觸是分開的，這是由模塊所用材料決定的，這些材料與金屬相比熱導(dǎo)率較小，而且只能通過器件的主引線之一散熱。盤封器件兩個電極都可以散熱。
—模塊用螺釘(典型的在所有4個角上)固定在散熱板上或者冷卻器上。因此，對于面積很大的模塊，可能在基片中部不能保證良好可靠的熱接觸，而且這種接觸在工作期間隨著時間的延長而發(fā)生改變。
—模塊的主要電極引線是并排裝在其上側(cè)的。因此直流電壓引線就需繞彎，從而引入一定的電感。
因此R.Bayerer等人在前面提到的專利公開文獻DE3937045中試圖減少雜散電感，并提出一種幾何結(jié)構(gòu)，能適用于安裝較大數(shù)量的功率晶體管。為此目的三條主要引線用寬的金屬帶制造，彼此之間有小的間距，并且按其幾何排列組成了帶狀線接線端。向模塊底部垂直導(dǎo)出接線要求比較復(fù)雜的連接技術(shù)，而且也使彼此間的充分電絕緣造成了困難，特別是當要求小電感時更為突出。
與此相反，在專利公開文獻DE4103486A1中H.J.Krokoszinski等人致力于改善熱傳導(dǎo)，使模塊從兩側(cè)冷卻。然而其缺點是，冷卻劑也要環(huán)繞沖洗直流電壓接線端，因而冷卻劑必須是電絕緣的(例如去離子水)。為此直流電壓接線端也需制成環(huán)狀。
因此，本發(fā)明的目的是，提出一種功率半導(dǎo)體模塊以解決前面提出的問題并適用于極高的功率。
此項目的是采用如下所述特征加以解決的裝有至少一個功率半導(dǎo)體部件的功率半導(dǎo)體模塊，其下端固定在一個冷卻器上，其特征在于在冷卻器兩側(cè)裝有功率半導(dǎo)體部件；功率半導(dǎo)體部件與平行伸向冷卻器、相互重疊而又導(dǎo)電的接觸金屬板協(xié)同動作。
本發(fā)明的核心是，在一個冷卻器的兩側(cè)裝有功率半導(dǎo)體部件并且這些部件與低電感疊層接觸金屬板連接。
一個優(yōu)選的實施例其特征在于，在冷卻器的每一側(cè)功率半導(dǎo)體部件形成半個半橋式模塊。功率半導(dǎo)體部件最好包括一個基片，在基片上至少裝有一個具有反并聯(lián)二極管的功率半導(dǎo)體開關(guān)。冷卻器中最好通入冷卻液體，而且整個裝置裝在保護外殼內(nèi)。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要在于，此模塊具有足夠的冷卻，因為在冷卻器兩側(cè)都裝有部件，而且這些部件直接裝配在冷卻器上。從而與已知的模塊相比去掉了模塊至冷卻器的熱過渡區(qū)。
使用金屬疊片連接還使直流電壓一側(cè)的電流不必繞路，從而可使電感達到最小。因此也可以在模塊內(nèi)部或部件內(nèi)部毫無問題地并聯(lián)大量小面積器件。
下面借助附圖中的實施例進一步闡述本發(fā)明

圖1為半橋式電路裝置；圖2為一個本發(fā)明功率半導(dǎo)體模塊的截面圖；圖3為一個功率半導(dǎo)體部件的俯視圖。
在符號表中列出了附圖中使用的符號及其意義。在圖中相同的部分用相同的符號表示。
開關(guān)大功率器件的一項主要應(yīng)用是變流器電路，用于把直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓。對于此種應(yīng)用每相各需要兩個開關(guān)及所屬二極管。這種所謂的半橋式電路構(gòu)成了變流器電路的最小邏輯組件。圖1示出了這種半橋式電路。
目前最大功率半橋式電路只能由兩個單一開關(guān)模塊組成。因為把全部功能只集成在一個模塊中將使模塊的面積很大，而且由于前面已經(jīng)闡明的種種限制，這樣的模塊是不可能實現(xiàn)的。
因此本發(fā)明的目標是實現(xiàn)適用于最大功率的半橋式電路模塊。圖2示出了這樣一種模塊的截面圖。模塊中包括冷卻器(3)，有若干冷卻通道(7)從中穿過并且接線端(6)用于通入冷卻劑(例如加防凍劑的水)。冷卻器(3)的兩側(cè)安裝基片(8)?；?8)是由電絕緣、然而導(dǎo)熱尚好的材料組成的，例如氧化鋁、氮化鋁或者氧化鈹。根據(jù)冷卻器材料的不同或者是把這些基片焊接在冷卻器上(例如DCB氧化鋁瓷焊在銅上)或者粘在冷卻器上(例如氮化鋁瓷粘在鋁上)。其它連接技術(shù)例如等離子體噴鍍也是可以考慮的。
每次都是預(yù)先把分立器件(例如IGBT和二極管)安裝在基片(8)的上表面，彼此連接并且進行預(yù)測試。圖3示出了一塊已經(jīng)裝好器件的基片(8)俯視圖。
在一個已實現(xiàn)了的實施例中每個基片上安裝的元器件體現(xiàn)了具有反并聯(lián)二極管(11)的功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)的功能。功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)和二極管(11)自身可以由許多分立元器件組成。一般情況下，裝配好的基片(8)構(gòu)成的功率半導(dǎo)體部件(2)原則上可具有任意功能。
這些功率半導(dǎo)體部件(2)采用適當成形的導(dǎo)電的接觸金屬板(4)連接在一起。這些金屬板(4)最好由相同的材料或者熱膨脹系數(shù)與冷卻器(3)相匹配的材料構(gòu)成。在各金屬板之間夾有沒畫出的絕緣板。接觸金屬板(4)和絕緣板組成板堆(例如粘在一起)并與冷卻器(3)機械連接。
在冷卻器(3)的兩側(cè)用這些板堆以低電感連接各基片(8)。用粘合或者焊接(根據(jù)金屬板的材料)方法把基片與各自的金屬板堆連接在一起。
在已制成的實施例中，冷卻器(3)每一側(cè)的基片(8)都是已敘述過的單一開關(guān)單元。因此，冷卻器(3)的每一側(cè)都有一個“四分之一電橋”，而整個模塊(1)則組成一個半電橋。如圖1所示，一個這樣的半電橋具有一個正電極接線端(12)、一個負電極接線端(13)和一個交流電壓接線端(14)。開關(guān)(10)經(jīng)控制電極接線端(15、16)接通和分斷。此外，為了監(jiān)視故障還各備有測試接線端(17、18)。因此為了連接這種半橋式模塊(1)，接觸金屬板堆就應(yīng)該包括相應(yīng)數(shù)量的金屬板(4)。
主要接線端(正電極、負電極、交流電極接線端)的接觸金屬板(4)的排列，最好如圖2所示。從一側(cè)引出直流電壓接線端(12和13)，從另一側(cè)引出交流電壓接線端(14)，此接線端同時構(gòu)成在冷卻器(3)兩側(cè)排列的四分之一電橋的連接。
為了使基片(8)上的器件(10和11)與接觸金屬板(4)連接，或者在基片上制成導(dǎo)電金屬條(9)，或者使器件與接觸金屬板(4)直接連接。在已實現(xiàn)的模塊中，二極管(11)的陰極與功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)的相當于一個陽極的接線端是這樣連接的，即這兩個器件用它們的底邊焊接在基片上。
最后，為了防止外界的影響，對如此制成的模塊(1)進行了保護，即加上保護外殼(5)，并且，灌注了例如硅膠。
因為這兩個直流電壓接線端(12、13)不像通常的模塊并排排列而是上下重疊，因此電流不經(jīng)過繞彎，從而不產(chǎn)生附加的電感。如果采用當今技術(shù)上的常規(guī)結(jié)構(gòu)，直流電壓的饋電以上下重疊的平板形式引出，這樣就可以把模塊以最佳方式用螺紋連接、最好是插接。這里示出的實施例其直流一側(cè)用的是插接。絕緣材料制成的隔片(例如楔形)引向插頭并且同時保證必要的漏電距離。
這樣一種模塊(1)現(xiàn)在滿足了對最大功率的半橋式模塊或者總的講對最大功率功率半導(dǎo)體模塊提出的全部要求—足夠的冷卻器件經(jīng)電絕緣直接裝配在冷卻器(3)上，從而去掉了用現(xiàn)有技術(shù)制造的模塊中模塊至冷卻器的熱過渡區(qū)。對已制成的模塊所計算的并由實驗證實了的阻擋層與冷卻劑之間的熱阻比常規(guī)模塊達到的熱阻值約小兩倍。從而這個阻值也低于市場銷售的盤封器件的熱阻。
—低電感結(jié)構(gòu)在直流電壓一側(cè)(這里電感是很關(guān)鍵的)采用板狀電極，電流不必繞路可以使電感很小。從而就可以毫無問題地并聯(lián)大量小面積器件。
—結(jié)構(gòu)尺寸與熱疲勞強度在冷卻器兩側(cè)裝配部件可以實現(xiàn)最小結(jié)構(gòu)尺寸和最佳利用可供使用的冷卻面積。使用較小接觸面積(小面積的基片，典型的10cm2)和仔細選擇用于冷卻器、連接技術(shù)和平板電極的材料，使由于不同的熱膨脹系數(shù)引起的應(yīng)力達到最小。從而得到優(yōu)良的負荷疲勞強度。
—絕緣與漏電距離本發(fā)明提出的模塊結(jié)構(gòu)按照工業(yè)標準規(guī)定可以用足夠厚和尺寸足夠大的絕緣材料使通導(dǎo)電流的接觸區(qū)與冷卻器及控制極接線端和測試極接線端之間有足夠的距離。這一點無損于對半橋式模塊提出的其它特性要求。
—至電路的機械和電氣連接因為冷卻器已安裝在模塊內(nèi)，所以模塊可以水平或垂直安裝。這種模塊不必適應(yīng)預(yù)先確定的固定板和/或冷卻板的幾何尺寸。把模塊機械固定在導(dǎo)軌上是有利的。模塊裝在導(dǎo)軌上以后，再固定到其最終位置。
當然，上述結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體模塊不僅限于半橋式電路裝置，而且還可以很好地用于其它功能。
符號表1功率半導(dǎo)體模塊2功率半導(dǎo)體部件3冷卻器4接觸金屬板5外殼6冷卻液接口7冷卻通道8基片9導(dǎo)電金屬帶10功率半導(dǎo)體開關(guān)11二極管12正電極接線端13負電極接線端14交流電壓接線端15、16控制極接線端17、18測量接線端
權(quán)利要求
1.裝有至少一個功率半導(dǎo)體部件(2)的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其下端固定在一個冷卻器(3)上，其特征在于—在冷卻器(3)兩側(cè)裝有功率半導(dǎo)體部件(2)；—功率半導(dǎo)體部件(2)與平行伸向冷卻器(3)、相互重疊而又導(dǎo)電的接觸金屬板(4)協(xié)同動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，功率半導(dǎo)體部件(2)至少合有一個帶有反并聯(lián)二極管(11)的功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)，特別是IGBT，這些部件固定在由電絕緣然而導(dǎo)熱性能良好的材料制成的基片(8)上，特別是用氧化鋁、氮化鋁或氧化鈹制成的基片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，安裝在冷卻器(3)某一側(cè)的功率半導(dǎo)體部件(2)中的二極管(11)的陽極接線端經(jīng)相應(yīng)的接觸金屬板(4)與直流電壓源的正電極接線端(12)連接，在冷卻器(3)上另一側(cè)安裝的功率半導(dǎo)體部件(2)中的二極管(11)的陰極接線端經(jīng)另一塊接觸金屬板(4)與直流電壓源的負電極接線端(13)連接，以及各另一側(cè)的二極管(11)的陰極或陽極接線端經(jīng)一個共同的接觸金屬板(4)與一交流電壓接線端(14)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于—裝在基片(8)上的導(dǎo)電金屬帶(9)用作功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)和二極管(11)的接線端；—二極管(11)的陰極接線端與功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)的與陽極相當?shù)慕泳€端直接裝在基片上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)和二極管(11)的其余接線端，特別是二極管的陽極接線端、功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)的控制極接線端(15、16)、測試接線端(17、18)以及與一個陰極相當?shù)慕泳€端與其它的導(dǎo)電金屬帶(9)連接；另一方面這些金屬帶(9)與相應(yīng)的接觸金屬板(4)協(xié)同動作。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)與二極管(11)的其余接線端特別是二極管(11)的陽極接線端、功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)的控制極接線端(15、16)、測試接線端(17、18)以及與一個陰極相當?shù)慕泳€端直接與相應(yīng)的接觸金屬板(4)協(xié)同動作。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，冷卻器(3)中通有冷卻液體，并在冷卻器(3)上裝有適當?shù)倪B通冷卻液體的接口(6)和冷卻通道(7)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，制造接觸金屬板(4)的材料的熱膨脹系數(shù)與冷卻器(3)的熱膨脹系數(shù)相匹配。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，冷卻器(3)與功率半導(dǎo)體部件(2)及接觸金屬板(4)都包裝在保護外殼(5)內(nèi)，而接觸金屬板(4)則作為模塊的接線端從保護外殼(5)內(nèi)引出。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，在接觸金屬板(4)之間夾有絕緣板。
全文摘要
本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊(1)中，在冷卻器(3)的兩側(cè)裝有安裝功率半導(dǎo)體部件(2)的基片(8)。若干功率半導(dǎo)體部件(2)與接觸金屬板堆(4)連接，這些接觸金屬板與冷卻器(3)平行，從而獲得了很低電感的模塊結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L23/473GK1120737SQ9510702
公開日1996年4月17日 申請日期1995年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月17日
發(fā)明者R·拜爾勒, T·施托克邁耶 申請人:Abb管理有限公司