具有過電流保護裝置的功率半導體模塊的製作方法
2023-11-09 11:42:02 1
專利名稱：具有過電流保護裝置的功率半導體模塊的製作方法
技術領域：
本發明描述了一種包括外殼和至少一個設置於其中的電絕緣基底的大功率半導體模塊(Leistungshalbleitermodul)，其中外殼優選具有用於安裝到散熱器上的底板。該電絕緣基底在它一側包括絕緣材料體——該絕緣材料體具有多個設置在其上相互絕緣的金屬連接通道(Verbindungsbahn)——和位於絕緣材料體上並與該連接通道符合電路地連接的大功率半導體組件(Leistungshalbleiterbauelement)。此外，大功率半導體模塊還具有用於外部的負載和輔助接點的接線元件以及用於大功率半導體模塊內部連接的連接元件。
背景技術：
作為本發明出發點的大功率半導體模塊例如由DE 103 16 355B3公開。該文獻公開了一種半橋電路設置形式的大功率半導體模塊，具有第一功率開關和第二功率開關。每個功率開關被構造為分別具有相應自振蕩二極體的多個大功率電晶體的並聯電路。其中，具有相應大功率二極體的第一和第二大功率電晶體都設置在自己的基底上。
按照作為現有技術提到的文獻，這種大功率半導體模塊的基底被構造為由作為載體材料的絕緣材料體組成、並用於與底板或散熱器絕緣的絕緣基底。根據現有技術，該絕緣材料體由工業陶瓷製成，例如氧化鋁或氮化鋁。在該絕緣材料體上，在其朝向大功率半導體模塊內部的第一主平面上設置有多個相互電絕緣的金屬連接通道。在這些連接通道上又設置大功率半導體組件。
絕緣材料體大多在其背向大功率半導體模塊內部的第二主平面上同樣具有與第一主平面上的連接通道相同材料和相同厚度的金屬層。但是，通常該金屬層沒有被結構化，因為它例如用於與底板的焊接。連接通道和第二主平面的金屬層優選由按照DCB(直接銅焊接)方法塗敷的銅製成，其中銅具有小於1mm的典型厚度。
此外，按照現有技術的所述大功率半導體模塊還具有用於兩個直流電接頭和用於至少一個交流電接頭的負載接線元件。負載接線元件將外部觸點接通與基底上相應的連接通道連接起來。
為了實現內部絕緣，對按照現有技術的大功率半導體模塊、直至連接元件之上澆注具有大介電常數的填料。
隨著技術進步，現代大功率半導體組件、尤其是大功率電晶體具有越來越大的電流密度。大功率半導體組件和連接通道之間的典型連接元件是壓焊連接(Bondverbindung)，在此特別是引線連接(Drahtbondverbindung)。根據現有技術，在採用大功率半導體模塊時，不同故障情況由大功率半導體模塊內或大功率半導體模塊的布線中的合適傳感器確定，並由電子控制設備引入對抗措施，如斷開功率開關。但還存在由此無法確定或無法完全確定的故障情況。在這樣的情況下，在大功率半導體模塊內部形成短暫流過的過電流，該過電流使壓焊絲(Bonddraht)過載。該過電流導致至少一個壓焊絲熔斷，其中由於存在的電感，該電流以電弧形式保持。在具有填料的大功率半導體模塊中，這由於該填料在很短時間內缺乏可壓縮性並由於因此迅速產生的內壓而經常導致大功率半導體模塊的爆炸。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種大功率半導體模塊，其具有設置在該大功率半導體模塊內的保護裝置，以防止由於電流過高而引起的大功率半導體模塊的爆炸性破壞。
下面將防止大功率半導體模塊內部電流過高的保護裝置簡稱為安全裝置。
按照本發明，該技術問題是通過權利要求1的特徵的措施解決的。優選實施方式在從屬權利要求中描述。
本發明的思想起始於優選具有用於安裝在散熱器上的底板的大功率半導體模塊。該大功率半導體模塊至少具有以下部件外殼、用於負載和輔助接頭的接線元件、至少一個具有連接通道的基底和至少一個大功率半導體組件。
用於負載接頭的接線元件從外殼引出，並用於電連接設置在外殼內部的大功率半導體組件。與底板或散熱器電絕緣的基底本身包括絕緣材料體、優選是工業陶瓷，和在絕緣材料體上位於其背向底板或散熱器的第一主平面上的多個相互電絕緣的金屬連接通道。大功率半導體組件設置在該連接通道上，並藉助第一連接元件與第一導線截面符合電路地連接。優選地，該第一連接元件被構造為具有多個單壓焊絲的壓焊連接。這樣的壓焊連接具有第一導線截面，其由壓焊連接的所有壓焊絲的橫截面之和構成。
大功率半導體模塊在其內部具有至少一個安全裝置，其中該安全裝置由具有比第一導線截面小的第二導線截面的第二連接元件組成。安全裝置設置在兩個連接通道之間和/或連接通道和負載接線元件之間。此外，該第二連接元件在一個部分中完全被防爆劑(Explosionschutzmittel)包裹。該防爆劑使得可以控制地形成電弧，而在該防爆劑中不造成會導致爆炸的壓力迅速提升。
下面藉助圖1至圖3進一步解釋本發明的方案。
圖1示出按照現有技術的大功率半導體模塊的電路拓撲結構。
圖2示出按照本發明的大功率半導體模塊的電路拓撲結構。
圖3示出按照本發明的大功率半導體模塊的結構。
具體實施例方式
圖1示出按照現有技術的大功率半導體模塊1的電路拓撲結構。在此示出半橋電路，這是許多功率電子電路拓撲結構的基礎元件。在此，上面的第一功率開關70與下面的第二功率開關72串聯。第一功率開關70與直流中間電路的正接頭42連接。第二功率開關72與直流中間電路的負接頭46連接。電路的中間引出頭(Mittelabgriff)形成半橋電路的交流電輸出端44。
功率開關70、72被構造為包括至少一個大功率電晶體70a、72a和至少一個與其反向並聯連接的大功率二極體70b、72b的結構。
圖2示出按照本發明的大功率半導體模塊1的電路拓撲結構。這種電流拓撲結構同樣是半橋電路。本發明的思想同樣可以應用於其它任何電路拓撲結構中。按照本發明，基於該電路擴展大功率半導體模塊1，其方法是將至少一個、在此是3個安全裝置6a/6b/6c連接到電路中。
在此，一個優選實施方式是安全裝置6b設置在中間引出頭和交流電接頭44之間。
另一有利實施方式在每個直流電接頭42、46和對應的功率開關70、72之間分別設置一個安全裝置6a、6c。
大功率半導體模塊內部具有3個安全裝置6a/6b/6c的結構是本發明的成本最高、但同時最安全的實施方式。只有一個安全裝置6a/6b/6c的結構不能防止所有可能的故障情況，但是在成本和使用之間形成一個合理的折衷。
圖3示出本發明的大功率半導體模塊1。該大功率半導體模塊具有底板2，底板上設置有外殼3和基底5。基底5包括絕緣材料體54以及金屬塗覆層，這些金屬塗覆層設置在兩個主平面上。面向底板2的金屬塗覆層53被平面地構造，並且未被結構化。藉助該塗覆層53和底板2之間的焊接將這兩者相互固定。與此相反，朝向大功率半導體模塊內部的塗覆層被結構化，並因此形成基底5的連接通道52。
在此示為正極性直流電接頭42和交流電接頭44的接線元件通過金屬模體(Metallformkoerper)形成，該接線元件在其一端以焊接技術與相應的連接通道52連接，而在另一端具有用於螺旋連接的孔(Ausnehmung)。
在該連接通道52上設置大功率半導體組件70、72，在此示為大功率二極體70b。電接線元件形成功率接頭42、44和未明確示出的輔助接頭。大功率半導體組件70、72——在此按照圖2具有連接通道52的電路拓撲結構是大功率二極體70b——的符合電路的連接被構造為壓焊連接40。例如，該壓焊連接具有10個直徑分別為300μm的單壓焊絲，由此得到0.71mm2的與該大功率半導體組件的連接的第一導線截面。
此外還示出按照本發明的大功率半導體模塊1的安全裝置6的兩個實施方式。第一實施方式具有正接頭的印刷導線52和大功率二極體70b的設置於其陰極側的印刷導線52之間的壓焊連接60。該壓焊連接60藉助於5個直徑分別為300μm的壓焊絲構成。由此產生大小為第一截面50％的第二導線截面。特別有利的是，該第二導線截面的大小是第一導線截面的40％到60％。這個明顯更小的第二導線截面是足夠的，因為在短暫電流、即所謂的脈衝電流下只有導線截面是確定量。與此相比，與大功率半導體組件的壓焊連接的構造通過其他參數、例如大功率半導體組件上的電流分配來確定。因此，這些連接通常被構造為具有明顯比承受脈衝電流所需要的更大的導線截面。
形成該第二連接元件60的壓焊絲除了其與相應印刷導線52的接觸面之外被作為防爆劑的氧化矽62包裹。該氧化矽62優選具有50μm到2mm的粒度。在此，氧化矽作為純淨物62a或作為混和物62b存在，其中混和物中氧化矽的最小濃度是90％。
特別有利的是，向氧化矽62b添加粘合劑。由此，不是一定要求覆蓋氧化矽62b，因為其在粘合形式下包圍壓焊絲60，並因此其位置在大功率半導體模塊1中是固定的。
具有防爆劑62的壓焊絲60被框架形式的結構32包圍，該結構在此被構造為外殼部件並藉助粘接而被設置在基底5上。因此，防止了防爆劑62和填料、優選為矽橡膠80之間的接觸。此外，外殼3在其表面具有用於用防爆劑62填充大功率半導體模塊的孔30。
所示的第二實施方式示出通過粘接技術與基底5連接的框架形式的限制裝置64，優選由塑料製成。在該限制裝置64內部設置壓焊連接和防爆劑60。如果該壓焊連接不具有粘合劑添加物，則在此設置閉鎖裝置66、例如環氧樹脂，以便將防爆劑固定在預定位置上。
權利要求
1.一種具有至少一個安全裝置(6)的大功率半導體模塊(1)，其中所述大功率半導體模塊至少包括外殼(3)、向外引出的負載接線元件(42，44，46)、至少一個設置在所述外殼(3)內的電絕緣基底(5)，其中所述基底包括絕緣材料體(54)和位於朝向所述大功率半導體模塊內部的第一主平面上的多個相互電絕緣且不同極性的金屬連接通道(52)，所述大功率半導體模塊具有至少一個設置在所述連接通道(52)中一個上的、具有第一連接元件(40)的大功率半導體組件(70，72)，所述第一連接元件具有到其符合電路的連接的第一導線截面，其中所述安全裝置(6)由具有比所述第一導線截面小的第二導線截面的第二連接元件(60)組成，其中所述第二連接元件設置在兩個連接通道(52)之間和/或設置在連接通道(52)和負載接線元件(42，44，46)之間，其中所述第二連接元件(60)在一個部分中被防爆劑(62)包裹。
2.根據權利要求1所述的大功率半導體模塊(1)，其中所述第一連接元件(40)和/或所述第二連接元件(60)分別被構造為具有多個同類型的單壓焊絲的壓焊連接。
3.根據權利要求1所述的大功率半導體模塊(1)，其中所述第二連接元件(60)和所述安全裝置的防爆劑(62)被框架形式的外殼部件(32)或被框架形式的限制裝置(64)包圍。
4.根據權利要求3所述的大功率半導體模塊(1)，其中所述安全裝置(6)的框架形式的外殼部件(32)或框架形式的限制裝置(64)在背向所述基底(5)的一側上在所述防爆劑(62)之上具有閉鎖裝置(66)。
5.根據權利要求3所述的大功率半導體模塊(1)，其中所述安全裝置(6)的框架形式的外殼部件(32)或框架形式的限制裝置(64)藉助於粘接連接與所述基底(5)連接。
6.根據權利要求3所述的大功率半導體模塊(1)，其中所述外殼(3)在所述框架形式的外殼部件(32)的區域內具有孔(30)。
7.根據權利要求1所述的大功率半導體模塊(1)，其中所述防爆劑(62)包含超過90％的、粒度在50μm到2mm之間的氧化矽。
8.根據權利要求7所述的大功率半導體模塊(1)，其中向所述防爆劑(62)添加粘合劑。
9.根據權利要求1所述的大功率半導體模塊(1)，其中所述第二連接元件(60)的第二導線截面是所述第一連接元件(40)的第一導線截面的40％到60％。
10.根據權利要求1所述的大功率半導體模塊(1)，其中所述大功率半導體模塊(1)構成半橋電路，並且所述安全裝置(6a/6b/6c)被設置在至少一個負載接頭(42，44，46)和大功率半導體組件(70，72)之間。
全文摘要
本發明涉及一種具有至少一個安全裝置的大功率半導體模塊。大功率半導體模塊包括外殼、向外引出的負載接線元件、設置在外殼內的基底，基底具有多個相互電絕緣且不同極性的金屬連接通道。在至少一個連接通道上設置至少一個大功率半導體組件，並與具有第一導線截面的第一連接元件連線正確地連接。安全裝置由具有比第一導線截面小的第二導線截面的第二連接元件組成，第二連接元件設置在兩個連接通道之間和/或連接通道和負載接線元件之間，其中第二連接元件的一個部分被防爆劑包裹。
文檔編號H01L25/07GK1941362SQ20061013956
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月26日 優先權日2005年9月27日
發明者克裡斯蒂安·克羅內德爾, 烏維·肖依爾曼, 德楊·施倫爾博 申請人:塞米克朗電子有限及兩合公司