具有低栅极通路电感的功率半导体模块制造技术

一种功率半导体模块(10)包括：壳体(60)；壳体(60)内的功率半导体芯片(14)；从壳体(60)突出且与半导体芯片(14)的功率电极(18)相互电连接的功率端子(24)；和从壳体(60)突出且与栅电极(16)和一个功率电极(18)相互电连接的辅助端子(46)；其中三个辅助端子(46a,46b)以同轴辅助端子组件(52)布置，同轴辅助端子组件(52)包括内辅助端子(46a)和布置在内辅助端子(46a)的相反侧部上的两个外辅助端子(46b)。内辅助端子(46a)与栅电极(16)或一个功率电极(18)相互电连接，且两个外辅助端子(46b)与栅电极(16)和一个功率电极(18)中的另一个电连接。

Power Semiconductor Module with Low Gate Path Inductance

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有低栅极通路电感的功率半导体模块
本专利技术涉及功率半导体封装的领域。特别地，本专利技术涉及一种功率半导体模块。
技术介绍
功率半导体模块可用于许多应用(诸如用于电驱动器的高功率转换器、牵引应用、电动式道路车辆等)中。通常，功率半导体模块具有若干功率端子和辅助端子，功率端子用于传导由功率半导体模块切换的电流，辅助端子可将栅极信号传导至模块中的一个或多个功率半导体芯片的栅电极。栅极信号可由外部栅极驱动器提供。辅助端子可包括连接到栅电极的栅极端子和连接到功率半导体模块的发射极的辅助发射极端子。栅极端子、辅助发射极端子以及在功率半导体模块内部的另外的导体可形成通过功率半导体模块的栅极通路。栅极通路或栅极电路的杂散电感可限制功率半导体模块的切换准确度和切换速度。该问题的一个原因可为杂散电感限制了栅极电流的初始上升。特别地，这可增加切换延迟时间，即栅极电压达到阈值电压所需的时间。此外，栅极电路的杂散电感L可与栅极-发射极电容C串联而形成谐振电路。通常必须通过引入具有值的栅极电阻器来阻尼该谐振电路。较大的栅极电阻器可使切换过渡减缓，即造成增加的切换延迟时间、换向时间，且由此造成增加的切换损耗。另外，栅极电路中的欠阻尼谐振电路可导致栅极电路中不受控制的振荡的倾向增加。特别地，栅极电压可在切换期间表现出电压过冲，这可降解栅极氧化物。最终，杂散电感可耦合到外部磁场，且诱发不合需要的栅极-发射极电压，从而影响切换性能。例如，可通过宽的导体面积来降低栅极电路的电感，这是因为宽导体需要非常低的电流密度以便承载大电流。同时，磁场可具有非常长的有效通路，从而导致低电感。另一种可能性是使用带状线设计，在该设计中，栅极和辅助发射极导体设置成紧密地靠近，这可导致两个导体的磁场抵消。因此，这样的布置可具有非常低的杂散电感。可使用固体隔离件隔离两个导体，以尽可能地使导体之间的距离最小。此外，必须区分栅极信号在功率模块内部和外部连接件内部的分配。在功率模块内部，栅极和辅助发射极信号可在宽导体上传输，该宽导体形成为例如基于衬底的材料(诸如PCB或DBC)的堆叠层，从而形成低电感布置。另一方面，外部栅极端子可由具有螺旋式连接器的竖直端子(典型地用于高功率半导体模块)形成，或由压销(典型地用于具有较低功率的功率半导体模块)形成，或由向上弯曲的导线框架(典型地用于传递模制的模块)形成。单独的辅助端子通常具有比较高的杂散电感，这是因为为了节省空间且实现压入连接，它们是长且窄的，而不是短且宽的导体。此外，与辅助端子之间的低电压的需要相比，辅助端子隔开得远得多，以用于使它们更稳健(例如在被污染的环境中)，且用于考虑接收栅极驱动器板上的螺旋或按压连接所需的空间。涉及一种用于抑制振荡的分离栅极功率模块的US7342262B2描述了内部栅极电路布局，且确定用于使模块中的裸片并联的栅极引线接合件的长度的尺寸。EP2182551A2涉及一种用于半导体功率模块的连接布置，并且描述了用于具有多个衬底的功率模块的最佳端子布置。WO2013/089242A1显示了一种功率半导体模块，其包括三相有源整流器。用于三个芯片的端子组件由六个等距的端子提供。端子中的两个电连接到同一电位，且将栅极端子夹在其中间。JP2013138234A显示了具有在一个衬底上的若干芯片的功率半导体模块。
技术实现思路
本专利技术的目标是提供一种具有低栅极通路电感的功率半导体模块。通过独立权利要求的主题来实现该目标。另外的示例性实施例从从属权利要求和以下描述中显而易见。本专利技术涉及一种功率半导体模块。功率半导体模块可为一种器件，其将一个或多个功率半导体芯片与电导体和端子相互地机械连接且电连接，使得功率半导体模块可用作用于较大机器(诸如整流器、逆变器、电驱动器等)的结构单元。特别地，功率半导体模块可用于电动车辆或混合动力车辆的电逆变器中，即用于由来自电池的DC电流产生用于电动机的AC电流。在功率半导体模块和/或功率半导体芯片中，用语“功率”可涉及处理超过10A和/或超过100V的电流的能力。根据本专利技术的实施例，功率半导体模块包括：壳体；在壳体内的至少两个功率半导体芯片；功率端子，其从壳体突出，且与半导体芯片的功率电极相互电连接；以及辅助端子，其从壳体突出，且与半导体芯片的栅电极和半导体芯片的功率电极相互电连接。壳体可由塑料材料制成，至少两个功率半导体芯片、衬底和端子嵌入到该塑料材料中，至少两个功率半导体芯片接合到该衬底上，且端子连接到该衬底。功率端子可为例如由导线框架制成的电导体，其从壳体突出。同样地，辅助端子可为例如由相同的或不同的导线框架制成的电导体，其从壳体突出。功率端子可具有比辅助端子更大的横截面。功率半导体芯片可基于宽带隙材料(诸如SiC)，且/或可包括晶闸管或晶体管。在晶闸管的情况下，功率电极提供阳极和阴极。在IGBT的情况下，功率电极提供发射极和集电极。在MOSFET的情况下，功率电极提供漏极和源极。在下文中，将假设功率半导体芯片容纳IGBT，且辅助端子中的一个连接到发射极，即为辅助发射极端子。然而，还有可能的是，连接到功率电极的(一个或多个)辅助端子分别连接到集电极、阳极、阴极、漏极和源极。三个辅助端子以至少两个同轴辅助端子组件来布置。各同轴端子组件包括内辅助端子和两个外辅助端子，两个外辅助端子布置在内辅助端子的相反的侧部上，其中，内辅助端子与一个或多个半导体芯片的栅电极或一个或多个功率半导体芯片的一个功率电极相互电连接，且两个外辅助端子与栅电极和一个功率电极中的另一个电连接。在第一实施例中，内辅助端子与栅电极相互电连接，且两个外辅助端子与功率电极(诸如发射电极或源电极)电连接。在第二实施例中，内辅助端子与功率电极(诸如发射电极或源电极)相互电连接，且两个外辅助端子与栅电极电连接。在两种情况下，两个外辅助端子彼此电连接，且/或具有至少三个辅助端子。一般而言，栅极端子或辅助发射极分成两个辅助端子，其将端子中的其它端子夹在其之间。栅极控制端子(栅极端子和辅助发射极端子)中的一个可已分成两个端子，使得两个栅极端子和一个辅助发射极端子或两个辅助发射极端子和一个栅极端子从壳体突出，且布置成使得一个端子在两侧上均由各自具有相反极性的一个端子包围。模拟和测试已显示，例如与仅使用具有与同轴端子组件相同的宽度的两个辅助端子相比，辅助端子的同轴组件造成更低的杂散电感率。根据本专利技术的实施例，两个外辅助端子布置成相对于内辅助端子轴对称。这可被看作对同轴端子的定义。两个外辅助端子可具有相同的到内辅助端子的距离。根据本专利技术的实施例，两个同轴端子组件之间的距离大于一个同轴端子组件中的辅助端子之间的距离。一个同轴端子组件中的辅助端子可与另一个同轴端子组件中的辅助端子组件分开。两个同轴端子组件之间的间隙可大于一个同轴端子组件中的辅助端子之间的间隙。例如，一个或多个功率端子可布置在两个同轴端子组件之间。根据本专利技术的实施例，同轴端子组件中的至少一个的端子在壳体的外部同轴地布置，且/或在壳体的内部同轴地布置。同轴端子组件中的至少一个的端子可沿着其整个延伸部而基本上平行。根据本专利技术的实施例，同轴端子组件中的至少一个的三个端子电连接到第一金属化层和第二金属化层，第一金属化层和第二金属化层与功率电极所接合的金属化层分开。金属化层均可由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率半导体模块(10)，其包括：壳体(60)；在所述壳体(60)内的至少两个功率半导体芯片(14)；功率端子(24)，其从所述壳体(60)突出，且与所述半导体芯片(14)的功率电极(18)相互电连接；辅助端子(46)，其从所述壳体(60)突出，且与所述半导体芯片(14)的栅电极(16)和所述半导体芯片(14)的功率电极(18)相互电连接；至少两个同轴端子组件(52)，各同轴端子组件(52)包括内辅助端子(46a)和两个外辅助端子(46b)，所述两个外辅助端子(46b)布置在所述内辅助端子(46a)的相反的侧部上；其中，所述内辅助端子(46a)与所述功率半导体芯片(14)中的一个的所述栅电极(16)或所述功率电极(18)中的一个功率电极相互电连接，且所述两个外辅助端子(46b)与所述栅电极(16)和所述功率电极(18)中的所述一个功率电极中的另一个电连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.16 EP 16204843.31.一种功率半导体模块(10)，其包括：壳体(60)；在所述壳体(60)内的至少两个功率半导体芯片(14)；功率端子(24)，其从所述壳体(60)突出，且与所述半导体芯片(14)的功率电极(18)相互电连接；辅助端子(46)，其从所述壳体(60)突出，且与所述半导体芯片(14)的栅电极(16)和所述半导体芯片(14)的功率电极(18)相互电连接；至少两个同轴端子组件(52)，各同轴端子组件(52)包括内辅助端子(46a)和两个外辅助端子(46b)，所述两个外辅助端子(46b)布置在所述内辅助端子(46a)的相反的侧部上；其中，所述内辅助端子(46a)与所述功率半导体芯片(14)中的一个的所述栅电极(16)或所述功率电极(18)中的一个功率电极相互电连接，且所述两个外辅助端子(46b)与所述栅电极(16)和所述功率电极(18)中的所述一个功率电极中的另一个电连接。2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(10)，其特征在于，所述至少两个同轴端子组件(52)的所述两个外辅助端子(46b)布置成相对于相应的所述同轴端子组件(52)的所述内辅助端子(46a)轴对称；且/或其中，所述两个同轴端子组件(52)之间的距离大于所述同轴端子组件(52)中的一个的所述辅助端子(46a,46b)之间的距离。3.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块(10)，其特征在于，所述同轴端子组件(52)中的至少一个的所述辅助端子(46a,46b)在所述壳体(60)的外部同轴地布置；且/或其中，所述同轴端子组件(52)中的至少一个的所述辅助端子(46a,46b)在所述壳体(60)的内部同轴地布置。4.根据前述权利要求中的一项所述的功率半导体模块(10)，其特征在于，所述同轴端子组件(52)中的至少一个的所述辅助端子(46a,46b)电连接到第一金属化层(42,48)和第二金属化层(44,50)，所述第一金属化层(42,48)和所述第二金属化层(44,50)与所述功率电极(18)所接合的金属化层(20)分开；其中，所述第一金属化层(42,48)和所述第二金属化层(44,50)提供并排地延伸的传导通路。5.根据前述权利要求中的一项所述的功率半导体模块(10)，其特征在于，所述同轴端子组件(52)中的至少一个的所述辅助端子(46a,46b)电连接到所述功率半导体模块(10)的衬底(12)上的三个金属化层(48,50;50,30,20)，所述三个金属化层布置成彼此同轴。6.根据前述权利要求中的一项所述的功率半导体模块(10)，其特征在于，所述同轴端子组件(52)中的至少一个的所述辅助端子(46a,46b)与所述壳体(60)内部的导体和/或金属化层(36,42,44,48,50)电连接，所述导体和/或金属化层(42,44)利用引线接合件(62)相互连接；其中，所述引线接合件(62)分配成内部的成组的引线接合件(62a)和外部的两组引线接合件(62b)，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D科泰特，F特劳布，J舒德雷尔，A阿佩尔斯迈尔，J阿萨姆，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，奥迪股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH