專利名稱：帶有多個子模件的功率半導(dǎo)體模件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率電子學(xué)領(lǐng)域，涉及一種帶有多個子模件的功率半導(dǎo)體模件，這些子模件并排安裝在一個共同的底板上，其功率側(cè)通過感應(yīng)小的平板形導(dǎo)體相互電連接，并且與外面電連接。
與本發(fā)明有關(guān)的這類功率半導(dǎo)體模件例如可參見EP-A1-0597144號歐洲專利。
眾所周知，混合式功率半導(dǎo)體模件是在一個共同的底板上和一個共同的殼體內(nèi)安裝有多個相互連接的并排布置的單個半導(dǎo)體芯片(也可參見DE-PS-3669017)。
這種模塊結(jié)構(gòu)要滿足各種不同的要求。首先，單個半導(dǎo)體必須耦合在殼體的外側(cè)上，相互間具有狹窄的間隔，它們工作時由于大功率而發(fā)熱，因此必須對于單個半導(dǎo)體能夠良好地冷卻。其次，在殼體內(nèi)的電連接和與外面的電連接必須能夠承受大電流功率分配，同時相互間具有足夠的間隔或絕緣，以便當(dāng)局部出現(xiàn)高電位差時不會產(chǎn)生電壓擊穿現(xiàn)象。再者，模塊的結(jié)構(gòu)和組合應(yīng)當(dāng)盡可能簡單和經(jīng)濟(jì)。還有，現(xiàn)代快速大功率半導(dǎo)體要求小的開關(guān)時間，例如IGBT(絕緣柵極雙向場效應(yīng)晶體管)所顯示的，更重要的是電氣連接和接線應(yīng)無電感或少電感，以便能夠使模塊內(nèi)采用的半導(dǎo)體構(gòu)件具有盡可能高的電流增加時間。
為了滿足上述要求，本文開頭的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中描述了一種混合式大功率電子學(xué)裝置，其中采用了一個疊式裝置，它由絕緣層和電子軌道層相互交疊而形成，用于連接各子模件和與外面連接。采用這種方式，能夠簡化模塊結(jié)構(gòu)和降低成本，所得到的模塊具有良好的功能可靠性，并且是少電感或無電感的。
盡管如此，這種公知的模塊結(jié)構(gòu)不是盡善盡美的，在子模件區(qū)域內(nèi)要為絕緣層和導(dǎo)電層留出空間，以便提供子模件的磷酸鹽處理(冷變形)所需的環(huán)境條件(圖4，5)。因此絕緣層和導(dǎo)電層采用柵流結(jié)構(gòu)形式，即在子模件之間形成橋形接片。其結(jié)果是在平面布線的基礎(chǔ)上必須增加輔助的平面，為此，這種模塊要求大于其它模塊的平面，它的接線通常是從子模件垂直向上延伸，一直伸到模件表面上的接線端處。
本發(fā)明的目的是提供一種功率半導(dǎo)體模件，它不僅保持了內(nèi)電感很小及外接線感應(yīng)少的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了表面損耗大的缺陷。
根據(jù)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模件，是這樣實現(xiàn)的在前面所說的大功率半導(dǎo)體模件上，平板形導(dǎo)體各自在高于子模件的平面上單端固定地安裝，這些平面相互間由子模件分隔開，并且具有足夠的電絕緣垂直間距，平板形導(dǎo)體通過附加的豎立的線路元件與各個子模件實現(xiàn)電氣連接。通過在子模件上單端固定延伸的平板形導(dǎo)體的裝置，可以將子模件相互并排地密封包裝在底板上，這樣可減少模件所需的基面，同時又不會放棄連接導(dǎo)線內(nèi)電感小和外接線感應(yīng)少的優(yōu)點(diǎn)或使該性能劣化。
在本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模件的一個優(yōu)選實施例中，所述豎立的線路元件由多次最好為直角彎曲的帶鋼制成，這些豎立的線路元件是這樣彎曲的，它能夠補(bǔ)償平行于底板的平面的子模件或底板的有條件的熱膨脹，從而在小電感的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)高的交變負(fù)荷穩(wěn)定性。并且由于帶鋼的采用，子模件之間的連接和與外接線之間的連接采用焊接方式，于是，根據(jù)進(jìn)一步的實施例，豎立的線路元件與平板形導(dǎo)體和子模件焊接連接在一起。
根據(jù)本發(fā)明的模件的另一個實施例，平板形導(dǎo)體的中間部分帶有沖孔，豎立的線路元件從孔中穿出延伸到對面的平板形導(dǎo)體上，用于連接子模件。這種結(jié)構(gòu)簡單，電感小，并且節(jié)省空間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，子模件與有關(guān)的平板形導(dǎo)體和豎立的線路元件安裝在一個殼體內(nèi)，并且澆鑄在絕緣物質(zhì)內(nèi)。從而避免了在平板形導(dǎo)體的具有不同的電位的部分之間所存在的局部放電問題。
從屬權(quán)利要求書中給出了其它實施例。
下面將根據(jù)附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實施例及其良好效果。
在附圖中圖示了本發(fā)明的實施例，它們是

圖1是本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模件中所用的子模件的實施例的透視圖；圖2表示圖1中的子模件帶有發(fā)射極固定件形式的豎立的線路元件；圖3是本發(fā)明的大功率半導(dǎo)體模件的一個實施例的俯視圖，在其底板上安裝有9個子模件(沒有功率連接和接線)；圖4是圖3的模件的透視圖，帶有集電極固定件形式的豎立的線路元件；
圖5是圖3或圖4的模件的發(fā)射極固定件布置的俯視圖，并且展示了與圖4的集電極固定件連接的集電極板；圖6是圖5的裝置的俯視圖，帶有附加的發(fā)射極板，它部分地蓋住集電極板，并且與發(fā)射極固定件相連接；圖7是圖6的模件的發(fā)射極固定件，集電極固定件，集電極板和發(fā)射極板的布置的側(cè)視圖。
在圖3中，以俯視圖展示了本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模件34的一個實施例，在一個共同的底板35的邊緣上，具有多個固定孔36，多個(本例中為9個)子模件密封地并列封裝在該底板上。為簡化起見，將最下面的三個子模件用標(biāo)號37a，37b和37c表示。每個子模件的結(jié)構(gòu)在圖1中進(jìn)一步示出。子模件10包括一個(陶瓷的)基片11，在它的一側(cè)(上側(cè))上覆蓋了大面積的金屬涂層12。這個金屬涂層12是連續(xù)的，并且沒有電子軌道結(jié)構(gòu)，它用于接納半導(dǎo)體芯片和用于下側(cè)芯片接觸的對接搭橋。
在圖1的實施例中，在基片11上安裝有兩個IGBT13，16和兩個二極管14，15。IGBT13，16的集電極位于有關(guān)芯片的下側(cè)，并且能夠與子模件10的金屬涂層12釬焊連接。除了二極管14，15之外，金屬涂層12的各表面上可以焊接有相關(guān)的豎立的線路元件(圖4)，作為二極管14，15的陰極。在芯片的上表面，即IGBT13，16上安裝有發(fā)射極，二極管14，15上安裝有陽極，芯片的表面上焊接有連接用的金屬盤17，19及18，20(在圖3中只在子模件37a上畫上了金屬盤)。IGBT13，16的柵極21，22一般位于芯片的上表面，它通過焊接上的柵極固定件23，24與相關(guān)的柵極電阻27，28連接，柵極電阻27，28都安裝在一個公共的柵極塊或柵極操作板25上，這個狹長形的柵極操作板25位于基片11上的子模件芯片之間，由一個覆蓋有一層金屬涂層26的基片構(gòu)成，柵極21，22的接線從柵極操作板25經(jīng)一根焊接的連接線29向上引出。
一個子模件的所有IGBT發(fā)射極和二極管陽極相互短接，共同向上引出。根據(jù)圖2，每個子模件10具有一個發(fā)射極固定件31，這個發(fā)射極固定件31是由一個彎曲成U形的帶鋼制成。這個U形部件的兩個腿的端部呈直角地向外彎曲，并且沿水平方向延伸形成第一對接搭板32a，b，其尺寸應(yīng)該能夠保證使在豎立的U形頂部處的柵極操作板25和柵極固定件23，24可以自由過度引伸，并且第一對接搭板32a，b各自搭接在IGBT13，16和相鄰的二極管14，15的金屬盤17和20及18和19之間。在第一對接搭板32a，b的橫向側(cè)面上再次呈直角彎曲形成第二對接搭板33a，b，以此發(fā)射極固定件31以此與半導(dǎo)體芯片的金屬盤17-20焊接在一起。
借助于發(fā)射極固定件31，在子模件上提供一個較高的平面，用于將發(fā)射極/陽極與一個母線條(圖6，7中的發(fā)射極板43)相連接(焊接)，這個母線條與發(fā)射極層相對。由于第一和第二對接搭板32a，b，33a，b均呈直角地彎曲，形成向上豎立著的拱橋/伸縮補(bǔ)償突起，來允許和補(bǔ)償該模件的固定件、陶瓷、半導(dǎo)體芯片和其它構(gòu)件在兩個相互垂直的方向上產(chǎn)生的不同的熱膨脹。焊接在柵極操作板25上的柵極固定件23，24具有很小的寬度，并且其長度易于向各個方向彎曲。
集電極/陰極的接線和它與一個較高的集電極平面的連接是通過集電極固定件38a，b實現(xiàn)的(見圖4)，集電極固定件38a，b是由長條形帶鋼制成，在它的縱向側(cè)面上具有交變的組件，這些組件上帶有呈直角彎曲的第三對接搭板39。第三對接搭板39構(gòu)成焊接端，以此集電極固定件38a，b與單個子模件的金屬涂層的裸露表面焊接在一起。通過第三對接搭板39的彎曲和狹長段的分布可以補(bǔ)償在集電極固定件38a，b下面的部件沿兩個獨(dú)立的空間方向上產(chǎn)生的熱膨脹。
集電極固定件38a，b安裝在三行子模件中的每兩行之間，并且將這三行相互連接。根據(jù)圖5所示，通過一個集電極板40將這些子模件并排連接到位于較高處的集電極平面上，這塊板貼靠在集電極固定件38a，b上，并且與之焊接在一起。由于集電極平面的高度低發(fā)射極平面的高度，在集電極板40上具有沖孔41a-c，發(fā)射極固定件42a-c從沖孔中穿出可以延伸到位于較高的發(fā)射極平面下面的子模件處。九個子模件的九個發(fā)射極固定件(圖5)通過一根貫通的發(fā)射極板43連接到發(fā)射極平面上，如圖6所示，發(fā)射極板與發(fā)射極固定件相互貼靠和焊接在一起。
各組件與不同平面的連接和接線的情況從圖7的側(cè)視圖中可以更清楚地看出。疊片組40，43并非如本文開頭所引用的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中的公知模件那樣由絕緣和金屬層制成，而是只由金屬層制成。這些金屬層在子模件上固定安裝，它們相互之間和與子模件之間具有足夠的垂直間距，經(jīng)過澆鑄后仍能滿足承受大電壓的絕緣要求。由于沒有絕緣層，因此避免了用粘合工藝實現(xiàn)粘接所帶來的局部放電問題。將裸露的金屬疊片組40，43在一個容器內(nèi)進(jìn)行澆鑄，并且當(dāng)澆鑄件尚未固化前抽真空處理，從而避免了氣泡形成，排除了疊片組的局部放電問題。而且，豎立的連接元件31，38a，b和42a，b的輪廓是特定的拱橋/伸縮補(bǔ)償突起形，它與不同的對接搭橋32a，b，33a，b，39共同作用，保證了平板40，43和子模件之間的焊接位置基本無機(jī)械壓力，并且保持不變。
如前所述，IGBT的接線通過向上伸出的連接線29實現(xiàn)，為此，在單個發(fā)射極固定件31上或在發(fā)射極板43上具有通孔30(圖2)或柵極引線套管44(圖6)。根據(jù)圖7所示，發(fā)射極和集電極的輸出端通過在集電極板40和在發(fā)射極板43上的外接引線45，46引出。
本發(fā)明提供了一種功率半導(dǎo)體模件，它具有很小的內(nèi)電感，其引線只占用極少的空間，易于制造，并且具有高的交變負(fù)荷耐用性。
附圖參數(shù)表10子模件11基片12金屬涂層13，16IGBT14，15二極管17-20金屬盤21-22柵極(IGBT)23，24柵極固定件25柵極操作板26金屬涂層(柵極操作板)27，28柵極電阻29連接線(柵極)30通孔31發(fā)射極固定件32a，b接搭板(在y方向上拉伸補(bǔ)償)33a，b接搭板(在x方向上拉伸補(bǔ)償)34功率半導(dǎo)體模件35底板36固定孔37a-c子模件
38a，b集電極固定件39接搭板40集電極板41a-c沖孔42a-c發(fā)射極固定件43發(fā)射極板44引線套管45，46外接引線
權(quán)利要求
1.一種帶有多個子模件(10，37a-c)的功率半導(dǎo)體模件(34)，這些子模件并排安裝在一個共同的底板(35)上，其功率側(cè)通過感應(yīng)小的平板形導(dǎo)體相互電連接，并且與外面電連接，其特征在于這些平板形導(dǎo)體(40，43)各自在高于子模件(10，37a-c)的平面上單端固定地安裝，這些平面相互間由子模件(10，37a-c)分隔開，并且具有足夠的電絕緣垂直間距，平板形導(dǎo)體(40，43)通過附加的豎立的線路元件(31，38a，b，42a-c)與各個子模件(10，37a-c)實現(xiàn)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，所述豎立的線路元件(31，38a，b，42a-c)由多次最好為直角彎曲的帶鋼制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，這些豎立的線路元件(31，38a，b，42a-c)是這樣彎曲的，它能夠補(bǔ)償平行于底板(35)平面的子模件(10，37a-c)或底板(35)的有條件的熱膨脹。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3之一的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，這些豎立的線路元件(31，38a，b，42a-c)是與平板形導(dǎo)體(40，43)和子模件(10，37a-c)焊接在一起的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，平板形導(dǎo)體(40，43)的中間部分帶有沖孔(41a-c)，豎立的線路元件(31，38a，b，42a-c)從孔中穿出延伸到對面的平板形導(dǎo)體(43)上，用于連接子模件(10，37a-c)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，子模件(10，37a-c)與有關(guān)的平板形導(dǎo)體(40，43)和豎立的線路元件(31，38a，b，42a-c)安裝在一個殼體內(nèi)，并且用絕緣物質(zhì)進(jìn)行澆鑄。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，子模件(10，37a-c)密封包裝在底板(35)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，每個子模件(10，37a-c)具有一個最好由陶瓷制成的絕緣基片(11)，在其上表面帶有一個金屬涂層(12)，并且在該金屬涂層(12)上裝有多個功率半導(dǎo)體芯片(13，14，15，16)，在它們的下側(cè)與金屬涂層(12)實現(xiàn)電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，一個子模件(10，37a-c)的功率半導(dǎo)體芯片(13，14，15，16)中的至少兩個是由柵極(21，22)控制工作的，柵極(21，22)連接到一個共同的柵塊或柵極操作板(25)上，后者安裝在基片(11，12)上的功率半導(dǎo)體芯片(13，14，15，16)之間，并且與外面電連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，柵極(21，22)與柵塊或柵極操作板(25)的連接是通過安裝在柵塊或柵極操作板(25)上的單個柵極電阻(28，29)實現(xiàn)的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9和10之一所述的功率半導(dǎo)體模件，其特征在于，由柵極(21，22)控制的功率半導(dǎo)體芯片(13，16)作為IGBT構(gòu)成(絕緣柵極雙向場效應(yīng)晶體管)，其余的功率半導(dǎo)體芯片(14，15)作為二極管構(gòu)成。
全文摘要
一種帶有多個子模件(37b)的功率半導(dǎo)體模件(34)，這些子模件并排安裝在一個共同的底板(35)上，其功率側(cè)通過感應(yīng)小的平板形導(dǎo)體相互電連接，并且與外面電連接，這些平板形導(dǎo)體(40，43)各自在高于子模件(37b)的平面上單端固定地安裝，這些平面相互間由子模件(37b)分隔開，并且具有足夠的電絕緣垂直間距，平板形導(dǎo)體(40，43)通過附加的豎立的線路元件(38a，b，42a-c)與各個子模件(37b)實現(xiàn)電氣連接。
文檔編號H01L25/18GK1161572SQ9611459
公開日1997年10月8日 申請日期1996年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月22日
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