半导体元件在半导体模块上的布置结构和相应方法技术

本发明专利技术涉及一种半导体模块(10，10’，10”)，其包括：至少一个第一半导体元件，该第一半导体元件具有带有第一电极的第一侧和带有第二电极的第二侧；至少一个第二半导体元件，该第二半导体元件具有包括第一电极的第一侧和包括第二电极的第二侧，其中第一半导体元件(12)布置在第二半导体元件(14)之上，在第一半导体元件与第二半导体元件之间布置有导电连接结构(21)，其中第一半导体元件的第二电极(12.2)与导电连接结构机械和电气连接，第二半导体元件的第一电极(14.1)与导电连接结构机械和电气连接。本发明专利技术还涉及一种由多个半导体模块组成的功率模块以及用于在半导体模块上布置半导体元件的方法和用于布置半导体模块以提供功率模块的方法。

【技术实现步骤摘要】

一般地说，本专利技术涉及一种用于实现应用在车辆中的功率模块的电子半导体元件的布置结构和特别是涉及一种具有半导体元件堆叠结构的半桥模块。
技术介绍
半导体功率模块在现代车辆中用于多种电子设备中。例如半导体功率模块用于12伏特车载电网中，该车载电网给转向装置或传动控制装置供电。此外在混合电动车辆中在牵引线圈逆变器中或在直流变换器中应用半导体功率模块。半导体功率模块基本上由多个半导体开关元件组成，如例如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，分别一个半导体二极管反并联地作为所谓的空载二极管连接到这些半导体开关元件。这样的半导体功率模块的结构通常是平面的，从而半导体开关元件和半导体二极管并列设置并且在一侧上经由导电连接结构相互连接。功率模块利用由三个半桥组成的三相形成，这三相分别具有所谓的高端开关和所谓的低端开关。如已经说过的，开关通常由半导体开关元件和与之反并联连接的半导体二极管组成。元件的平面布置导致非常大的空间需求。此外这样的平面的功率模块在其安装中是相当不灵活的，由此例如逆变器的结构和设计是受限的。附加地，电流由高端半导体开关元件(亦即MOSFET或IGBT)到低端二极管(或者相反由低端半导体开关元件到高端二极管)的换向产生电磁场，该电磁场决定性地确定整个装置的电磁兼容性并且在别处必须利用适合的过滤器和其他措施减小该电磁场。在文献DE102006050291A1中公开一种电子组件，该组件包括半导体功率开关和半导体二极管。在此半导体功率开关的下侧包括装配到载体条的芯片场上的输出触点，而半导体功率开关的上侧包括控制触点和输入触点。半导体二极管的阳极触点设置在半导体功率开关的输入触点上并且与之电连接。二极管的阴极触点与功率半导体开关的输出触点连接。文献DE102006008632A1公开一种功率半导体构件，该功率半导体构件包括平面导体框、至少一个垂直的功率半导体结构元件和至少另一电子构件。垂直的功率半导体结构元件具有第一侧和第二侧。至少一个第一接触面和至少一个控制接触面设置在第一侧上，而第二接触面设置在第二侧上。所述至少另一电子构件设置在垂直的功率半导体结构元件的第二接触面上。
技术实现思路
相比之下，本专利技术提出一种半导体模块，该半导体模块具有：至少一个第一半导体元件，该第一半导体元件具有包括至少一个第一电极的第一侧和包括至少一个第二电极的第二侧；以及至少一个第二半导体元件，该第二半导体元件具有包括至少一个第一电极的第一侧和包括至少一个第二电极的第二侧，其中，第一半导体元件布置在第二半导体元件之上并且在第一半导体元件与第二半导体元件之间设置有导电连接结构，其中，第一半导体元件的所述至少一个第二电极与导电连接结构以机械和电气的方式相连接，并且第二半导体元件的所述至少一个第一电极与导电连接结构以机械和电气的方式相连接。在一实施形式中，按照本专利技术的半导体模块具有第三半导体元件和第四半导体元件，其中，在第一部段中将第一半导体元件配置给第一开关侧并在空间上布置在配置给第二开关侧的第二半导体元件之上，而在与第一部段分离开的第二部段中将第三半导体元件配置给第二开关侧并布置在配置给第一开关侧的第四半导体元件之上，其中，在第四半导体元件的第二侧上的第二电极与第一半导体元件的第一电极导电连接，第二半导体元件的第二电极与在第三半导体元件的第一侧上的第一电极导电连接，其中，第一连接端与第四半导体元件的第二电极电气连接，而第二连接端与第二半导体元件的第二电极电气连接，导电连接结构将第一半导体元件的第二电极和第二半导体元件的第一电极与在第三半导体元件的第二侧上的第二电极和在第四半导体元件的第一侧上的第一电极电气连接，其中，在导电连接结构上布置有半导体模块的第三连接端。在一实施形式中，按照本专利技术的半导体模块具有第三半导体元件和第四半导体元件，其中，在第一部段中将第一半导体元件配置给第一开关侧并在空间上布置在配置给第二开关侧的第二半导体元件之上，而在与第一部段分离开的第二部段中将第三半导体元件配置给第二开关侧并布置在配置给第一开关侧的第四半导体元件之下，其中，在第四半导体元件的第二侧上的第二电极与第一半导体元件的第一电极导电连接，第二半导体元件的第二电极与在第三半导体元件的第一侧上的第一电极导电连接，其中，第一连接端与第四半导体元件的第二电极电气连接，而第二连接端与第二半导体元件的第二电极电气连接，导电连接结构将第一半导体元件的第二电极和第二半导体元件的第一电极与在第三半导体元件的第二侧上的第二电极和在第四半导体元件的第一侧上的第一电极电气连接，其中，在导电连接结构上布置有半导体模块的第三连接端。在按照本专利技术的半导体模块的一实施形式中，第一、第二、第三、第四半导体元件的第一、第二电极与相应导电连接结构经由连接层以机械和电气的方式相连接。在按照本专利技术的半导体模块的另一实施形式中，至少一个半导体元件具有第三电极，该第三电极设置在该至少一个半导体元件的边缘上。在按照本专利技术的半导体模块的一实施形式中，第一和/或第二半导体元件经由连接层与基础层(或称为基底层)以机械和电气的方式相连接。在按照本专利技术的半导体模块的另一实施形式中，第三和/或第四半导体元件经由连接层与另一基础层以机械和电气的方式相连接。在按照本专利技术的半导体模块的又一实施形式中，第二半导体元件的第二电极与第三半导体元件的第一电极的电气连接经由基础层实现。在按照本专利技术的半导体模块的一实施形式中，第一连接端设置在第二部段中的基础层上，而第二连接端设置在第一部段中的基础层上。在按照本专利技术的半导体模块的另一实施形式中，相应基础层设置在不导电的隔离层上。在按照本专利技术的半导体模块的又一实施形式中，隔离层与冷却装置连接。此外，本专利技术还提出一种功率模块，其中，三个根据按照本专利技术的半导体模块的一种实施形式所述的半导体模块并列地布置或上下相叠地布置，其中，第一连接端和第二连接端连接在三个半导体模块中的每一个上。此外还提出一种用于在半导体模块上布置半导体元件的方法，其中，将至少一个第一半导体元件布置在至少一个第二半导体元件之上，第一半导体元件包括具有至少一个第一电极的第一侧和具有至少一个第二电极的第二侧，第二半导体元件包括具有至少一个第一电极的第一侧和具有至少一个第二电极的第二侧，其中，在所述至少一个第一半导体元件和所述至少一个第二半导体元件之间布置导电连接结构，其中，将第一半导体元件的所述至少一个第二电极与导电连接结构以机械和电气的方式相连接，将第二半导体元件的所述至少一个第一电极与导电连接结构以机械和电气的方式相连接。在按照本专利技术的方法的一实施形式中，在第一部段中将所述至少一个第一半导体元件配置给第一开关侧并且将所述至少一个第二半导体元件配置给第二开关侧，而在与第一部段分离开的第二部段中将配置给第二开关侧的第三半导体元件布置在配置给第一开关侧的第四半导体元件之上，其中，将第四半导体元件的第二侧上的第二电极与第一半导体元件的第一电极导电连接，将第二半导体元件的第二电极与在第三半导体元件的第一侧上的第一电极导电连接，其中，将第一连接端与第四半导体元件的第二电极电气连接，将第二连接端与第二半导体元件的第二电极电气连接，使导电连接结构将第一半导体元件的第二电极和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体模块(10，10’，10”)，包括：至少一个第一半导体元件(12)，第一半导体元件具有带有第一电极(12.1)的第一侧和带有第二电极(12.2)的第二侧；以及至少一个第二半导体元件(14)，第二半导体元件具有带有第一电极(14.1)的第一侧和带有第二电极(14.2)的第二侧，其中，第一半导体元件(12)布置在第二半导体元件(14)之上，在第一半导体元件(12)与第二半导体元件(14)之间布置有导电连接结构(21)，其中，第一半导体元件(12)的第二电极(12.2)与该导电连接结构(21)以机械和电气的方式相连接，第二半导体元件(14)的第一电极(14.1)与该导电连接结构(21)以机械和电气的方式相连接。

【技术特征摘要】
2015.10.06 DE 102015012915.51.一种半导体模块(10，10’，10”)，包括：至少一个第一半导体元件(12)，第一半导体元件具有带有第一电极(12.1)的第一侧和带有第二电极(12.2)的第二侧；以及至少一个第二半导体元件(14)，第二半导体元件具有带有第一电极(14.1)的第一侧和带有第二电极(14.2)的第二侧，其中，第一半导体元件(12)布置在第二半导体元件(14)之上，在第一半导体元件(12)与第二半导体元件(14)之间布置有导电连接结构(21)，其中，第一半导体元件(12)的第二电极(12.2)与该导电连接结构(21)以机械和电气的方式相连接，第二半导体元件(14)的第一电极(14.1)与该导电连接结构(21)以机械和电气的方式相连接。2.根据权利要求1所述的半导体模块(10，10’)，其特征在于，该半导体模块还具有第三半导体元件(16)和第四半导体元件(18)，其中，在第一部段(13)中，第一半导体元件(12)配置给第一开关侧，第一半导体元件(12)在空间上布置在配置给第二开关侧的第二半导体元件(14)之上，而在与第一部段(13)分隔开的第二部段(15)中，第三半导体元件(16)配置给第二开关侧，第三半导体元件(16)布置在配置给第一开关侧的第四半导体元件(18)之上，其中，第四半导体元件(18)的第二侧上的第二电极(18.2)与第一半导体元件(12)的第一电极(12.1)导电连接，第二半导体元件(14)的第二电极(14.2)与在第三半导体元件(16)的第一侧上的第一电极(16.1)导电连接，其中，第一连接端(37)与第四半导体元件(18)的第二电极(18.2)电气连接，第二连接端(39)与第二半导体元件(14)的第二电极(14.2)电气连接，所述导电连接结构(21)将第一半导体元件(12)的第二电极(12.2)和第二半导体元件(14)的第一电极(14.1)与在第三半导体元件(16)的第二侧上的第二电极(16.2)和在第四半导体元件(18)的第一侧上的第一电极(18.1)电气连接，其中，在所述导电连接结构(21)上布置有半导体模块(10，10’)的第三连接端(41)。3.根据权利要求1所述的半导体模块(10，10’)，其特征在于，该半导体模块还具有第三半导体元件(16)和第四半导体元件(18)，其中，在第一部段(13)中，第一半导体元件(12)配置给第一开关侧，第一半导体元件(12)在空间上布置在配置给第二开关侧的第二半导体元件(14)之上，而在与第一部段(13)分隔开的第二部段(15)中，第三半导体元件(16)配置给第二开关侧，第三半导体元件(16)布置在配置给第一开关侧的第四半导体元件(18)之下，其中，第四半导体元件(18)的第二侧上的第二电极(18.2)与第一半导体元件(12)的第一电极(12.1)导电连接，第二半导体元件(14)的第二电极(14.2)与在第三半导体元件(16)的第一侧上的第一电极(16.1)导电连接，其中，第一连接端(37)与第四半导体元件(18)的第二电极(18.2)电气连接，第二连接端(39)与第二半导体元件(14)的第二电极(14.2)电气连接，导电连接结构(21)将第一半导体元件(12)的第二电极(12.2)和第二半导体元件(14)的第一电极(14.1)与在第三半导体元件(16)的第二侧上的第二电极(16.2)和在第四半导体元件(18)的第一侧上的第一电极(18.1)电气连接，其中，在导电连接结构(21)上布置有半导体模块(10，10’)的第三连接端(41)。4.根据权利要求2或3所述的半导体模块(10，10’)，其特征在于，第一半导体元件(12)、第二半导体元件(14)、第三半导体元件(16)和第四半导体元件(18)的第一电极和第二电极与相应的导电连接结构(20，21，22)经由连接层(24，25，26，27，28，29，30，31)以机械和电气的方式相连接。5.根据权利要求1至4之一所述的半导体模块(10，10’，10”)，其特征在于，至少一个半导体元件(12，14，16，18)具有第三电极，该第三电极布置在该至少一个半导体元件(12，14，16，18)的边缘上。6.根据权利要求1至5之一所述的半导体模块(10，10’，10”)，其特征在于，第一半导体元件(12)和/或第二半导体元件(14)分别经由连接层(24，27)以机械和电气的方式与基础层(33，35’)连接。7.根据权利要求6所述的半导体模块(10，10’)，其特征在于，第三半导体元件(16)和/或第四半导体元件(18)分别经由连接层(28，30)以机械和电气的方式与基础层(35，35’)连接。8.根据权利要求3至7之一所述的半导体模块(10’)，其特征在于，第二半导体元件(14)的第二电极(14.2)与第三半导体元件(16)的第一电极(16.1)的电气连接经由基础层(35’)实现。9.根据权利要求6至8之一所述的半导体模块(10，10’)，其特征在于，第一连接端(37)设置在第二部段(15)中的基础层(35)上，而第二连接端(39)设置在第一部段(13)中的基础层(33，35’)上。10.根据权利要求9所述的半导体模块(10，10’，10”)，其特征在于，基础层(33，35，35’，52，53)布置在不导电的隔离层(43，43’)上。11.根据权利要求10所述的半导体模块(10，10’)，其特征在于，隔离层(43，43’)与冷却装置(51，51’)相连接。12....

【专利技术属性】
技术研发人员：A·阿佩斯迈尔，J·阿萨姆，
申请(专利权)人：奥迪股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE