功率半導體模塊的製作方法

2023-11-11 02:53:22 1

專利名稱：功率半導體模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種功率半導體模塊，該功率半導體模塊帶有至少兩個相互連接的具 有可控功率半導體的功率半導體單元，其中，為每個功率半導體單元配設有冷卻板，可控功 率半導體與該冷卻板導熱地連接。本發明還涉及一種由串聯的這種功率半導體模塊形成的整流器支路，以及由這種 整流器支路形成的整流器。
背景技術：
這樣的功率半導體單元從DE3032133中已知。在DE 3032133中描述的功率半導 體單元具有夾在兩個電極之間的壓力接觸的功率半導體。電極之一與冷卻管線相連接，且 因此同時用作冷卻板。市場上常見的功率半導體單元通常已裝配有殼體和冷卻板。這種單元的電氣布線 也是已知的。在EP0845809A2中描述了一種功率半導體單元，該功率半導體單元具有帶冷 卻板的殼體。殼體以泡沫材料填充，以在爆炸情況中吸收爆炸力。在冷卻板上布置了功率 半導體晶片，其中，設置有用於將功率半導體晶片相互連接的連接引線。已知的功率半導體 單元的缺點在於，僅能以複雜的方式與另外的功率半導體單元組裝為功率半導體模塊，因 而導致一種佔據空間的構造。特別地，在應用於高壓和強電技術的領域中時，這能夠導致連 接引線的熔斷，且導致發生電弧，由此將產生爆炸氣體。由於此不希望的危險源，在實踐中， 已知的功率半導體模塊不可使用在能量傳輸和分配領域內。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種結構緊湊且成本低廉的前述功率半導體 模塊，其中同時提供了防爆炸保護。本發明通過提供一種功率半導體單元布置在其中的模塊殼體解決此技術問題，其 中，功率半導體單元的冷卻板形成該模塊殼體的至少一部分。根據本發明，提供了帶有至少兩個功率半導體單元的功率半導體模塊。每個功率 半導體單元的功率半導體與冷卻板導熱地連接，如在現有技術中已知。根據本發明，兩個功 率半導體單元布置在一共同的模塊殼體內。在此，每個功率半導體單元的冷卻板構成了功 率半導體模塊的模塊殼體的界壁。根據本發明的功率半導體模塊因此由多個功率半導體單 元組裝成，其中，功率半導體單元例如具有專屬的單元殼體，在所述單元殼體內合適地布置 了相互連接的功率半導體晶片。根據本發明的功率半導體模塊例如與能量存儲器並聯。功 率半導體模塊和能量存儲器則共同構成了支路模塊，其中，此支路模塊相互串聯而形成整 流器支路。此整流器支路又用作所謂的多級整流器的相位部件，所述相位部件例如可使用 在能量傳輸和分配領域中。但是此外，也可考慮用在驅動技術領域中。根據本發明，通過使功率半導體單元的冷卻板同時也用作功率半導體模塊的殼體 壁，提供了一種緊湊的部件。此外，將通常機械穩定的冷卻板也用作防爆炸保護。
可控功率半導體例如是可關斷的功率半導體，例如IGBT，GTO, IGCT等，但也例如 是不可關斷的功率半導體，例如晶閘管。在本發明的範圍內，功率半導體單元也可以具有例 如二極體，空載二極體等的非可控功率半導體。模塊殼體合適地具有在冷卻板之間延伸且由不導電的絕緣材料(例如陶瓷、塑料 等)製造的模塊側壁。與此不同的是，在本發明的範圍內，模塊側壁也由導電的材料製成。合適地提供了用於連接功率半導體單元的連接夾，其中連接夾延伸通過至少一個 模塊側壁。以此方式，提供了一種用於功率半導體模塊的結構簡單的連接。功率半導體單元有利地相互面對。這也提供了針對爆炸氣體或熱氣體傳播 的優點，使得爆炸力由機械上堅固的冷卻板承受。此外，以連接夾實現了簡單的布線 (Verschienung)。為在爆炸情況下提供進一步的阻尼，模塊殼體合適地以填充材料(例如耐熱的泡 沫材料、塑料等)填充。功率半導體有利地通過連接引線相互連接。此功率半導體單元可在市場上廉價地 且多規格地獲取。功率半導體模塊有利地具有至少一個與冷卻板固定連接的保持環，所述保持環形 成從冷卻板突出的側壁段，所述側壁段至少部分地包圍功率半導體單元。通過由機械穩定 的材料且例如由金屬或鋼製成的保持環提供了另外的防爆炸保護。如上文中已闡述，合適的是使此功率半導體模塊與能量存儲器(例如電容器)並 聯連接而形成整流器支路模塊。整流器支路模塊的串聯合適地形成了整流器支路，所述整 流器支路例如通過交流端子與交流電網的一相連接，且通過直流端子連接在直流中間電路 上。串聯則在交流端子和直流端子之間延伸。


本發明的其它合適構造和優點是如下參考附圖的本發明實施例的描述的對象，其 中相同的附圖標號表示作用相同的部件，且其中圖1示出了根據本發明的功率半導體模塊的實施例的透視圖；而圖2示出了圖1所示功率半導體模塊的側面剖視圖。
具體實施例方式圖1在透視圖中示出了根據本發明的功率半導體模塊1的實施例。所示出的功率 半導體模塊1具有模塊殼體2，所述模塊殼體2由上模塊殼體壁3，下模塊殼體壁4以及模 塊側壁5構成。為將模塊殼體壁3、4和模塊側壁5機械地連接而設置有輪廓板6，所述輪 廓板6與各壁固定地螺紋連接。為將功率半導體模塊1導電連接而設置有前連接夾7和8 以及後連接夾9和10。連接夾8和10位於地電勢上，而連接夾7和9位於相對較高的電勢 上，例如1千伏。圖2在橫截面側視圖中示出了圖1所示功率半導體模塊1，圖中可更好地觀察到上 模塊殼體壁3、下模塊殼體壁4和模塊側壁5。尤其示出了上模塊殼體壁3和下模塊殼體壁 4分別與功率半導體單元11連接。功率半導體單元11的每個在其內部具有示意地示出的 功率半導體，所述功率半導體通過連接引線以及其它導軌相互連接。連接件12用於將功率半導體單元11連接在連接夾7、8、9、10上。連接件12與圖2中示意性示出的功率半導體 或功率半導體晶片的導電連接在圖2中為清晰起見未示出。未示出的連接在本發明的範圍 內是任意的。功率半導體單元11在結構上相同且相互面對地布置，使得其功率半導體或功率 半導體晶片與上模塊殼體壁3以及下模塊殼體壁4導熱地連接。所述上模塊殼體壁3和下 模塊殼體壁4同時用作功率半導體單元11的功率半導體的冷卻板3、4。換言之，為功率半 導體單元11的運行總要提供的冷卻板3、4同時形成了功率半導體模塊1的上、下模塊殼體 壁。以此方式廉價地提供了模塊殼體2。在此，緊湊且廉價的模塊殼體2同時構成了防爆炸 保護。功率半導體單元11是市場上常見的功率半導體單元，它自身通常具有單元殼體， 在所述單元殼體內又布置有作為功率半導體的功率半導體晶片。在本發明的所示實施例 中，功率半導體單元11的功率半導體晶片至少部分地通過連接引線相互連接。由於功率半 導體單元11的功率半導體晶片的這種連接，特別在高短路電流時，可發生連接引線的熔斷 而導致電弧的形成。電弧釋放出爆炸氣體，由於功率半導體單元11的相互面對的布置，所 述爆炸氣體基本上被引向作為上和下殼體壁的穩定地對置的冷卻板3、4。每個半導體單元11由保持環13圍繞，所述保持環13以其凸緣段固定地螺紋連接 在各冷卻板3、4上。從各冷卻板3、4突出的保持環13的側壁段包圍了各功率半導體單元 11且因此構成了附加的防爆炸保護。保持環13例如由鋼製造。為進一步提高功率半導體模塊的抗爆性，在功率半導體單元11的連接件12之間 設置有填充空間14，在所述填充空間14內布置耐熱填充材料。填充材料例如是不導電的耐 熱塑料。在爆炸情況下，塑料變形且同時吸收了所釋放的爆炸能量。在所示的實施例中，模塊側壁5由不導電的絕緣材料(例如以玻璃纖維強化的塑 料)製成，其中也可考慮將金屬材料，即導電材料用於模塊側壁5。模塊側壁5由連接夾7 或連接夾9和10穿過，使得從外部實現了功率半導體模塊1的簡單的連接。在導電的模塊 側壁5的情況中，處於與被穿過的模塊側壁5的電勢不同的電勢下的連接夾7通過合適的 絕緣單元相對於所述模塊側壁5絕緣。在合適的擴展中，市場上常見的絕緣套管固定在模 塊側壁5上，所述絕緣套管實現了連接夾7穿過各模塊側壁的絕緣穿過。功率半導體模塊1有利地與電容器或其它能量存儲器並聯，其中功率半導體模塊 1和能量存儲器的並聯連接形成了支路模塊。支路模塊的串聯又構成了作為多極整流器的 一部分的整流器支路。此多極整流器例如使用在高壓直流輸電中。
權利要求
一種功率半導體模塊(1)，該功率半導體模塊帶有至少兩個相互連接的具有可控功率半導體的功率半導體單元(11)，其中，為每個功率半導體單元(11)配設有冷卻板(3、4)，所述可控功率半導體與該冷卻板(3、4)導熱地連接，其特徵在於一種模塊殼體(2)，所述功率半導體單元布置在所述模塊殼體(2)內，其中所述功率半導體單元(11)的冷卻板(3、4)構成所述模塊殼體(2)的至少一部分。
2.根據權利要求1所述的功率半導體模塊(1)，其特徵在於，所述功率半導體單元(11) 相互面對。
3.根據權利要求1或2所述的功率半導體模塊(1)，其特徵在於，所述模塊殼體(2)具 有在所述冷卻板(3、4)之間延伸且由絕緣材料組成的側壁(11)。
4.根據權利要求3所述的功率半導體模塊(1)，其特徵在於用於連接所述功率半導體 單元(11)的連接夾(7、8、9、10)，其中，所述連接夾(7、8、9、10)延伸穿過所述側壁。
5.根據上述權利要求中任一項所述的功率半導體模塊(1)，其特徵在於，所述冷卻板 (3,4)構成所述模塊殼體的上側和下側。
6.根據上述權利要求中任一項所述的功率半導體模塊(1)，其特徵在於，所述功率半 導體通過連接引線相互連接。
7.根據上述權利要求中任一項所述的功率半導體模塊(1)，其特徵在於至少一個與冷 卻板(3、4)固定連接的保持環，所述保持環具有從冷卻板突出的側壁段，所述側壁段至少 部分地包圍功率半導體單元(11)。
8.—種整流器支路，其特徵在於，根據上述權利要求中任一項所述的功率半導體模塊 (1)的串聯。
9.一種整流器，其特徵在於，根據權利要求7所述的整流器支路的橋接。
全文摘要
為提供一種結構緊湊、成本低廉、且同時提供了防爆保護的功率半導體模塊(1)，該功率半導體模塊(1)帶有至少兩個相互連接的具有可控功率半導體的功率半導體單元(11)，其中，為每個功率半導體單元(11)配設有冷卻板(3、4)，功率半導體與該冷卻板(3、4)導熱地連接，本發明建議提供一種功率半導體單元(11)布置在其內的模塊殼體(2)，其中，所述冷卻板(3、4)構成該模塊殼體的至少一部分。
文檔編號H01L25/11GK101855723SQ200780101499
公開日2010年10月6日 申請日期2007年11月13日 優先權日2007年11月13日
發明者喬格·多恩, 託馬斯·庫貝爾 申請人:西門子公司