母座、功率半导体模块以及具有多个功率半导体模块的半导体模块组装件制造技术

本发明专利技术名称为“母座、功率半导体模块以及具有多个功率半导体模块的半导体模块组装件”。本发明专利技术提供具有支脚(8)的第一母座(6)，由此提供支脚(8)的基底(12)以接触功率半导体器件(3)的接触元件(4a、4b)，特别是在包含基板(2)和至少一个功率半导体器件(3)的功率半导体模块(1)中，该功率半导体模块在基板(2)上设置并与至少一个另外的母座(6、7)接触，由此提供绝缘部件(13)以与支脚(8)的外表面(14)电隔离。

【技术实现步骤摘要】
母座、功率半导体模块以及具有多个功率半导体模块的半导体模块组装件
本专利技术涉及具有支脚的第一母座，由此提供支脚基底以接触功率半导体器件的接触元件，特别是在包含基板和至少一个功率半导体器件的功率半导体模块中，该功率半导体器件设置在基板上并由至少一个第二母座接触。本专利技术进一步涉及功率半导体模块，其中包含基板、设置在基板上的至少一个功率半导体器件、以及用于接触至少一个功率半导体器件的至少一个接触元件的至少一个第一母座。本专利技术还涉及包含多个功率半导体模块的功率半导体模块组装件。
技术介绍
上述种类的第一母座(为了简化描述也称作母座)是本领域众所周知的并且用于接触功率半导体器件领域，特别是大功率半导体器件。在这个领域，正常操作模式下至少30A以及故障情况下2000A范围内的高电流经过母座，优选不影响其完整性。每个母座包含支脚和首部，它们可沿母座纵轴互相相对移动并且通过例如电流旁路电互连。在支脚和首部之间设置弹簧元件，它对支脚和首部施加向外的力以使它们推压功率半导体器件的接触元件和相对触点，例如壳体的盖子，从而保持它们之间的电连接。弹簧元件可以是弹簧垫圈组，但也可以使用其它弹簧元件。支脚与相应接触元件之间的接触经由支脚基底提供。此类母座通常用于接触栅极或控制触点、集电极触点和/或发射极触点。如上所述的接触元件可以是例如功率半导体器件的顶面或底面，取决于其布置，或基板上提供的分离的接触元件，专门用于接触功率半导体器件的控制电极。控制电极通常是栅极电极，它通过电线等电连接到此分离的接触元件。功率半导体器件的控制电极通常位于其顶面上。仅为举例说明之目的，半导体芯片的底面或集电极侧可通过锡焊、烧结等方式连接到导电的基板，由此形成表面接触。半导体器件的顶面或发射极侧可通过母座接触。连接到栅极电极的分离的接触元件设置在基板上并与基板电隔离，并且也通过母座接触。这些功率半导体器件可处理约1.7kV或更高的电压。半导体器件与基板之间的表面接触还使热量从半导体传送出去，即半导体器件热耦合和电耦合到基板。用于此领域的典型功率半导体器件为像绝缘栅双极晶体管(IGBT)、反向导电绝缘栅双极晶体管(反向导电IGBT)、双模绝缘栅晶体管(BIGT)或(功率)二极管的功率晶体管。为了形成可处理高达100A或更高的电流的功率半导体模块，经常组合功率半导体器件。功率半导体器件在基板上并联设置，基板通常形成功率半导体模块的导电基底。功率半导体模块通常由导电盖覆盖，它为功率半导体器件提供另一个触点。功率半导体器件通常通过母座连接到导电盖。对于功率晶体管，控制触点也连接到盖子，由此盖子与控制触点绝缘。多个功率半导体模块可进一步组合以形成功率半导体模块组装件。功率半导体模块在公共壳体中机械和电学地互相并联设置。半导体模块的基板形成模块组装件的导电基底。此外，功率半导体模块组装件的壳体也由导电盖覆盖，导电盖与在其中设置的功率半导体模块的盖子接触。功率半导体模块组装件可包含相同的功率半导体模块，例如包含功率晶体管的功率半导体模块，或不同的功率半导体模块，例如一组包含功率晶体管的功率半导体模块以及包含二极管的至少一个功率半导体模块。这类功率半导体模块组装件被本申请人称作“Stakpak”，并可用于形成处理高达数百kV的堆叠布置，例如在HVDC应用中使用。相应地，功率半导体模块组装件的机械设计经过优化以便于在长堆叠中钳位。在这些堆叠布置中，单个功率半导体模块组装件的机械和电稳定性对防止整个堆叠布置出现故障至关重要。取代将功率半导体模块设置到功率半导体模块组装件和功率半导体模块组装件堆叠中，还可直接堆叠功率半导体模块。在这种情况下，各个功率半导体器件的短路故障模式(SCFM)的支持是重要特征。在功率半导体器件之一出现故障的情况下，它无法提供短路以实现从基板到盖子的传导。这归因于功率半导体模块以及功率半导体模块组装件，它们在SCFM中禁用。在多个功率半导体模块或功率半导体模块组装件串联连接时，例如形成上述堆叠布置，单个功率半导体器件的故障不会导致串联功率半导体模块或功率半导体模块组装件的故障。特别是在这种短路故障模式中，高达2000A的极高电流可流经单个半导体器件和与故障功率半导体器件接触的相应母座，因为短路桥接所有并联功率半导体器件。为了实现这些功率半导体器件的长寿命并相应地实现功率半导体模块和功率半导体模块组装件的长寿命，期望短路故障模式可维持一年或更长时间。由于SCFM中的高电流，接触元件与母座支脚之间的电连接质量会随时间下降。与SCFM中的功率半导体器件接触的母座与另外的母座之间可能出现电弧。相应地，母座的接触元件和支脚会磨损和氧化，由此增大其间的电连接电阻，从而降低SCFM中的短路能力。电弧甚至可导致与SCFM中的功率半导体器件接触的整个母座的损耗。电弧还可传播到其它母座，直到它们完全消耗，即损坏。这会导致包含SCFM中的功率半导体器件的功率半导体模块以及相应的功率半导体模块组装件的故障。在母座损耗时，其弹簧垫圈组无法维持功率半导体模块操作所需的接触元件与盖子之间的电连接。电弧和引脚损耗的问题还涉及母座，它不携带负载电流，并因此被认为适合维持功率半导体模块和功率半导体模块组装件的机械稳定性。这特别涉及功率半导体器件的栅极触点，它在SCFM期间不携带负载电流并因此在功率半导体模块中用于维持其机械稳定性。相应地，接触栅极的母座应永不损耗。因此，防止这些母座上出现电弧非常重要，特别是在短路故障模式中。在本领域中，倾向于通过功率半导体模块的合适设计来解决电弧传播问题。然而，即使将各个母座互相隔开很远的距离放置，仍无法可靠地防止母座的电弧和损耗。甚至接触控制触点的母座也会受到电弧的影响。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种功率半导体模块，它包含提供良好电学和机械稳定性并具有长寿命(即使在有电弧的情况下)的第一母座。本专利技术的又一个目的是提供一种功率半导体模块布置，它具有延长的寿命，特别是在短路故障模式中操作时。这个目的通过独立权利要求来实现。从属权利要求中提供了有利实施例。具体来说，本专利技术提供包含具有支脚的第一母座的功率半导体模块，由此提供支脚基底用于接触功率半导体器件的接触元件，特别是在包含基板和设置在基板上的至少一个功率半导体器件的功率半导体模块中，由此提供绝缘部件与支脚的外表面电隔离。功率半导体器件可由至少另一个母座接触。本专利技术还提供功率半导体模块组装件，包含如上文指定的多个功率半导体模块，由此功率半导体模块互相并排设置且相邻功率半导体模块之间有电连接。本专利技术的基本思路是使用绝缘部件电隔离并保护母座支脚的外表面。一方面，绝缘部件防止在第一母座上出现可携带高负载电流的电弧，例如在短路故障模式(SCFM)中。另一方面，绝缘部件防止不携带高负载电流的第一母座因源自另一母座的电弧而损耗。另一母座可以是另一个第一母座或第二母座，它是本领域中已知的常规母座。绝缘部件需要良好的电隔离能力，这样它们才能有效地减少电弧的出现和第一母座因电弧受到的损耗。由于电弧永远无法完全消除，还要求绝缘部件具有高熔化温度，以便长时间维持绝缘能力。由于电弧周围的温度可达到数百摄氏度，绝缘部件的熔化温度优化高于电弧造成的温度。具有至少一个第一母座的功率半导体模块将具有延长的寿命，因为绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
功率半导体模块(1)，包括：基板(2)，至少一个功率半导体器件(3)，其设置在所述基板(2)上，以及包含支脚和首部的至少一个第一母座(6)，所述支脚和所述首部可沿所述母座的纵轴互相相对移动，所述支脚和所述首部电互连并且在所述支脚和所述首部之间设置弹簧元件以在所述支脚和所述首部上施加向外的力，由此提供所述至少一个第一母座(6)以通过所述支脚(8)的基底(12)接触至少一个接触元件(4a、4b)，其中为所述至少一个第一母座(6)提供具有管状主体的绝缘部件(13)，用于使所述第一母座(6)的所述支脚(8)的外表面(14)电隔离。

【技术特征摘要】
2011.08.17 EP 11177800.71.功率半导体模块(1)，包括：基板(2)，至少一个功率半导体器件(3)，其设置在所述基板(2)上，以及包含支脚和首部的至少一个第一母座(6)，所述支脚和所述首部可沿所述第一母座的纵轴互相相对移动，所述支脚和所述首部电互连并且在所述支脚和所述首部之间设置弹簧元件以在所述支脚和所述首部上施加向外的力，由此提供所述至少一个第一母座(6)以通过所述支脚(8)的基底(12)接触至少一个接触元件(4a、4b)，其中为所述至少一个第一母座(6)提供具有管状主体的绝缘部件(13)，用于使所述第一母座(6)的所述支脚(8)的外表面(14)电隔离。2.如以上权利要求1所述的功率半导体模块，其中所述绝缘部件(13)设置到所述支脚(8)周围。3.如权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中所述管状主体的厚度为0.5mm到2.0mm。4.如权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中所述绝缘部件(13)延伸于所述支脚(8)的整个高度。5.如权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中所述绝缘部件(13)包含陶瓷基底材料。6.如权利要求5所述的功率半导体模块，其特征在于所述陶瓷基底材料为Al2O3。7.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其中提供至少一个第二母座(7)以接触所述至少一个功率半导体器件(3)的至少一个接触元件(4a、4b)，其中所述第二母座(7)包括支脚和首部，所述支脚和所述首部可沿所述第二母座的纵轴互相相对移动，所述支脚和所述首部电互连并且在所述支脚和所述首部之间设置弹簧元件以在所述支脚和所述首部上施加向外的力。8.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：F杜加尔，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：