功率半导体模块和生产功率半导体模块的方法与流程

1.本发明涉及一种功率半导体模块和一种用于生产功率半导体模块的方法。


背景技术：

2.de 10 2017 109 706b3公开了一种功率半导体模块，其包括第一扁平引线连接元件和第二扁平引线连接元件，在两者之间布置有非导电绝缘层。功率半导体模块的壳体元件形成用于扁平引线连接元件和绝缘层的支承(bearing)。
3.这种功率半导体模块的生产在技术上是复杂的，因为绝缘层(塑料膜)相对于扁平引线连接元件的必要精确定位以及扁平引线连接元件和绝缘层相对于功率半导体模块的壳体元件的精确定位在技术上都是复杂的，因此是功率半导体模块的高效生产的障碍。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可高效生产的功率半导体模块，该功率半导体模块包括第一扁平引线连接元件和第二扁平引线连接元件，在两者之间布置有非导电绝缘层。
5.该目的通过一种功率半导体模块来实现，该功率半导体模块包括基板，该基板具有非导电绝缘层和金属层，金属层布置在绝缘层上并结构化，以形成导体迹线；包括功率半导体组件，该功率半导体组件布置在金属层上并被导电连接到金属层；包括壳体元件；并且包括dc电压连接装置，该dc电压连接装置具有扁平引线连接装置和第二扁平引线连接元件，其中，扁平引线连接装置具有第一扁平引线连接元件，该第一扁平引线连接元件被扁平引线连接装置的塑料元件包封并与塑料元件材料结合，其中，第一扁平引线连接元件的连接部段从塑料元件突出，其中，第二扁平引线连接元件的连接部段布置在塑料元件上或者至少部分地被塑料元件围封，并且与塑料元件材料结合，使得塑料元件的一部段布置在第一扁平引线连接元件与第二扁平引线连接元件的连接部段之间，其中第一扁平引线连接元件和第二扁平引线连接元件被导电连接到结构化的金属层，其中在功率半导体模块的操作期间，第一扁平引线连接元件具有第一电极性，第二扁平引线连接元件具有第二电极性，其中dc电压连接装置与壳体元件材料结合，其中第一扁平引线连接元件的连接部段的至少一个部分和第二扁平引线连接元件的连接部段的至少一个部分布置在壳体元件外。
6.如果通过第一扁平引线连接元件通过注射模制技术与塑料元件材料结合，特别是第一扁平引线连接元件注射模制到塑料元件中，第一扁平引线连接元件与塑料元件材料结合，则证明是有利的。结果，可以特别高效地生产功率半导体模块。
7.此外，如果壳体元件由塑料形成，并且通过dc电压连接装置通过注射模制技术与壳体元件材料结合，特别是dc电压连接装置注射模制到壳体元件中，dc电压连接装置与壳体元件材料结合，则证明是有利的。结果，可以特别高效地生产功率半导体模块。
8.此外，如果通过塑料元件和/或第二扁平引线连接元件与壳体元件材料结合，dc电压连接装置与壳体元件材料结合，则证明是有利的。结果，dc电压连接装置被机械稳定地连接到壳体元件。
9.此外，如果壳体元件围绕基板在侧向上延伸，则证明是有利的。结果，功率半导体元件受到保护以免受污染。
10.此外，如果塑料元件的被布置在第一扁平引线连接元件与第二扁平引线连接元件的连接部段之间的部段具有150μm至1000μm的厚度，特别是优选为500μm至750μm的厚度，则证明是有利的。结果，实现了高的电绝缘强度。
11.此外，如果相应的扁平引线连接元件实施为金属膜或金属片，厚度优选为300μm至2000μm，特别是优选为500μm至1500μm，则证明是有利的。结果，dc电压连接装置具有低电感。
12.此外，如果dc电压连接装置具有布置在壳体元件外的通孔，该通孔在相对于第一扁平引线连接元件的连接部段的被布置在壳体元件外的那一部分的法线方向上延伸穿过dc电压连接装置，则证明是有利的。结果，功率半导体模块，并且特别是dc电压连接装置，可通过螺钉连接以简单方式连接到散热器或底板。
13.在这种情况下，如果dc电压连接装置布置在散热器或底板上，并且借助延伸穿过所述通孔的螺钉连接到散热器或底板上，则证明是有利的。结果，功率半导体模块，并且特别是dc电压连接装置，被可靠地连接到散热器或连接到底板。
14.此外，所述目的通过根据本发明的用于生产功率半导体模块的方法来实现，其中第二扁平引线连接元件的连接部段布置在塑料元件上，使得塑料元件的一部段被布置在第一扁平引线连接元件与第二扁平引线连接元件的连接部段之间，所述方法包括以下方法步骤：
15.a)提供基板、功率半导体组件、壳体元件和第二扁平引线连接元件，所述基板具有非导电绝缘层和金属层，所述金属层布置在该绝缘层上并结构化，以形成导体迹线；功率半导体组件布置在该金属层上并被导电连接到金属层，
16.b)提供扁平引线连接装置，该扁平引线连接装置具有第一扁平引线连接元件，该第一扁平引线连接元件被扁平引线连接装置的塑料元件包封并与塑料元件材料结合，其中第一扁平引线连接元件的连接部段从塑料元件突出，
17.c)通过将第二扁平引线连接元件的连接部段布置在塑料元件上，使得塑料元件的一部段被布置在第一扁平引线连接元件与第二扁平引线连接元件的连接部段之间，形成dc电压连接装置，
18.d)将dc电压连接装置与壳体元件材料接合，使得第一扁平引线连接元件的连接部段的至少一个部分和第二扁平引线连接元件的连接部段的至少一个部分布置在壳体元件外，
19.e)将第一扁平引线连接元件和第二扁平引线连接元件导电连接到结构化的金属层，使得在功率半导体模块的操作期间，第一扁平引线连接元件具有第一电极性，而第二扁平引线连接元件具有第二电极性。
20.此外，所述目的通过根据本发明的用于生产功率半导体模块的方法来实现，其中第二扁平引线连接元件的连接部段至少部分地被塑料元件围封，并与塑料元件材料结合，使得塑料元件的一部段被布置在第一扁平引线连接元件与第二扁平引线连接元件的连接部段之间，所述包括以下方法步骤：
21.a)提供基板、功率半导体组件和壳体元件，所述基板具有非导电绝缘层和金属层，
所述金属层布置在所述绝缘层上并被结构化，以形成导体迹线；所述功率半导体组件布置在所述金属层上并导电连接到所述金属层，
22.b)提供dc电压连接装置，该dc电压连接装置具有扁平引线连接装置和第二扁平引线连接元件，其中，扁平引线连接装置具有第一扁平引线连接元件，该第一扁平引线连接元件被扁平引线连接装置的塑料元件包封并与塑料元件材料结合，其中，第一扁平引线连接元件的连接部段从塑料元件突出，其中，第二扁平引线连接元件的连接部段至少部分地由塑料元件围封并与塑料元件材料结合，使得塑料元件的一部段被布置在第一扁平引线连接元件与第二扁平引线连接元件的连接部段之间，
23.c)将dc电压连接装置与壳体元件材料接合，以使得第一扁平引线连接元件的连接部段的至少一个部分和第二扁平引线连接元件的连接部段的至少一个部分布置在壳体元件外，
24.d)将第一扁平引线连接元件和第二扁平引线连接元件导电连接到结构化的金属层，使得在功率半导体模块的操作期间，第一扁平引线连接元件具有第一电极性，而第二扁平引线连接元件具有第二电极性。
25.该方法的有利实施例类似于功率半导体模块的有利实施例，并且反之亦然。
26.此外，证明有利的是一种功率电子布置，该功率电子布置包括根据本发明的功率半导体模块并且包括dc电压母线系统，所述dc电压母线系统具有第一扁平引线和第二扁平引线以及布置在第一扁平引线与第二扁平引线之间的非导电绝缘层，其中所述dc电压母线系统通过焊接连接而导电连接到dc电压连接装置。
27.在这种情况下，证明是有利的是，如果dc电压连接装置具有布置在壳体元件外的通孔，并且该通孔在相对于第一扁平引线连接元件的连接部段的被布置在壳体元件外的那一部分的法线方向上延伸穿过dc电压连接装置，在螺钉与dc电压连接装置之间布置非导电绝缘套管，其中绝缘套管支承在扁平引线连接装置的塑料元件上。
28.再者，证明是有利的是一种功率电子布置，该功率电子布置包括根据本发明的功率半导体模块以及dc电压母线系统，该功率半导体模块的dc电压连接装置被布置在散热器或底板上，并通过延伸穿过通孔的螺钉与散热器连接或与底板连接，该dc电压母线系统具有第一扁平引线和第二扁平引线以及布置在第一扁平引线与第二扁平引线之间的非导电绝缘层，其中第一扁平引线具有第一扁平引线连接部，第二扁平引线具有第二扁平引线连接部，其中，借助螺钉连接，第一扁平引线连接部与第一扁平引线连接元件的连接部段导电接触，并且第二扁平引线连接部与第二扁平引线连接元件的连接部段导电接触，所述螺钉连接借助螺钉实现，并且将第一扁平引线连接压靠在第一扁平引线连接元件的连接部段上，并且将第二扁平引线连接压靠在第二扁平引线连接元件的连接部段上。
29.在这种情况下，如果在螺钉与dc电压连接装置之间布置非导电的绝缘套管，其中绝缘套管支承在第二扁平引线连接部上，则证明是有利的。
30.因此，根据本发明的功率半导体模块可以通过焊接连接和螺钉连接这两种连接而与dc电压母线系统导电连接，这实现了功率半导体模块的电链接的高度灵活性。
附图说明
31.下文中参考下面的附图解释本发明的一个示例性实施例，在附图中：
32.图1示出了在散热器上彼此紧邻布置的三个根据本发明的功率半导体模块的透视图，其中视图中所示的最前面的功率半导体模块通过焊接连接而与dc电压母线系统导电接触，
33.图2示出了根据本发明的功率半导体模块的基板，
34.图3示出了根据本发明的功率半导体模块的扁平引线连接装置的透视图，
35.图4示出了根据本发明的功率半导体模块的dc电压连接装置的透视图，
36.图5示出了根据本发明的功率半导体模块的连接装置的透视图，所述连接装置具有dc电压连接装置和根据本发明的功率半导体模块的壳体元件，
37.图6示出了在散热器上彼此紧邻布置的三个根据本发明的功率半导体模块的透视图，其中视图中所示的最前面的功率半导体模块通过螺钉连接而与dc电压母线系统导电接触。
具体实施方式
38.图1示出了在散热器11上彼此紧邻布置的三个根据本发明的功率半导体模块1的透视图，其中视图所示的最前面的功率半导体模块1通过焊接连接而与dc电压母线系统14导电接触。图2示出了功率半导体模块1的基板5。图3示出了扁平引线连接装置9的透视图，并且图4示出了功率半导体模块1的dc电压连接装置3的透视图。图5示出了根据本发明的功率半导体模块1的连接装置31的透视图，所述连接装置31具有dc电压连接装置3和壳体元件2。图6示出了在散热器11上彼此紧邻布置的三个根据本发明的功率半导体模块1的透视图，其中视图中示出的最前面的功率半导体模块1通过螺钉连接而与dc电压母线系统24导电接触。
39.根据本发明的功率半导体模块1具有基板5，该基板5具有非导电绝缘层5a和布置在绝缘层5a上的金属层5b，该金属层5b被结构化，以形成导体迹线5b'。优选地是，基板5具有导电的、优选非结构化的另一金属层5c，其中绝缘层5a布置在金属层5b与另一金属层5c之间。绝缘层5a可以实施为例如陶瓷板。基板5例如可以实施为直接铜结合基板(dcb基板)、活性金属硬钎焊基板(amb基板)或绝缘金属基板(ims)。
40.功率半导体模块1还具有布置在金属层5b上并导电连接到金属层5b的功率半导体组件6。功率半导体组件6优选地是通过钎焊或烧结连接与金属层5b导电接触。相应的功率半导体组件6优选地是以功率半导体开关或二极管的形式存在的。在这种情况下，功率半导体开关6通常以晶体管的形式存在，诸如：例如igbt(绝缘栅双极晶体管)或mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，或者以晶闸管的形式存在。
41.应当指出，功率半导体组件6在其背对基板5的一侧，通过例如结合线和/或导电膜复合物，而根据期望的电路(例如，旨在由功率半导体模块1实现的半桥电路)彼此导电连接并且导电连接到基板5的导体迹线5b'。为了清楚起见，图1和图6中没有示出这些电连接。
42.功率半导体模块1还具有壳体元件2和dc电压连接装置3(见图4)，该dc电压连接装置3具有扁平引线连接装置8(见图3)和第二扁平引线连接元件9，其中扁平引线连接装置8具有第一扁平引线连接元件7，该第一扁平引线连接元件7被扁平引线连接装置8的塑料元件4包封并与塑料元件4材料结合。第一扁平引线连接元件7的连接部段7a从塑料元件4突出。图3中举例示出的扁平引线连接装置8形成结构单元。优选地是，通过第一扁平引线连接
元件7通过注射模制技术与塑料元件4材料结合，特别是第一扁平引线连接元件7注射模制到塑料元件4中，第一扁平引线连接元件7与塑料元件4材料结合。壳体元件2优选地是围绕基板5在侧向上延伸。
43.在该示例性实施例的上下文中，如图1和图4中举例示出的那样，第二扁平引线连接元件9的连接部段9a布置在塑料元件4上，使得塑料元件4的一部段4a被布置在第一扁平引线连接元件7与第二扁平引线连接元件9的连接部段9a之间。
44.替代性地是，第二扁平引线连接元件9的连接部段9a可以至少部分地由塑料元件4围封，并与塑料元件材料结合，使得塑料元件4的一部段4a被布置在第一扁平引线连接元件7与第二扁平引线连接元件9的连接部段9a之间。在这种情况下，dc电压连接装置3形成结构单元。优选地是，通过第二扁平引线连接元件9通过注射模制技术与塑料元件4材料结合，特别是第二扁平引线连接元件9注射模制到塑料元件4中，第二扁平引线连接元件9与塑料元件4材料结合。
45.塑料元件4的被布置在第一扁平引线连接元件7与第二扁平引线连接元件9的连接部段9a之间的所述部段4a的厚度优选为150μm至1000μm，特别是优选为500μm至750μm。
46.塑料元件4优选由聚苯硫醚或聚对苯二甲酸丁二醇酯形成。
47.第一扁平引线连接元件7和第二扁平引线连接元件9导电连接到结构化的金属层5b，更准确地说，在每种情况下都导电连接到金属层5b的至少一个导体迹线5b'，其中在功率半导体模块1的操作期间，第一扁平引线连接元件7具有第一电极性，第二扁平引线连接元件9具有第二电极性。第一极性可以是正的，第二极性可以是负的，或者反过来。第一扁平引线连接元件7经由至少一个导电的第一连接元件7b被导电连接到金属层5b，更准确地说，被导电连接到金属层5b的至少一个导体迹线5b'。第二扁平引线连接元件9经由至少一个导电的第二连接元件9b被导电连接到金属层5b，更准确地说，被导电连接到金属层5b的至少一个导体迹线5b'。相应的连接元件7b或9b优选地是与各自相关联的扁平引线连接元件7或9一体实施的。相应的连接元件7b或9b优选地是通过熔焊、钎焊、粘结或烧结连接与金属层5b导电接触。在该示例性实施例的上下文中，功率半导体模块1具有第三扁平引线连接元件30，该第三扁平引线连接元件30被导电连接到金属层5b，并且在功率半导体模块1的操作期间具有交变的电极性。
48.相应的扁平引线连接元件7、9或30优选实施为金属膜或金属片，其厚度优选为300μm至2000μm，特别是优选为500μm至1500μm。
49.dc电压连接装置3与壳体元件4材料结合，其中第一扁平引线连接元件7的连接部段7a的至少一个部分7a'和第二扁平引线连接元件9的连接部段9a的至少一个部分9a'布置在壳体元件2外。
50.由于扁平引线连接装置8或dc电压连接装置3形成结构单元，并且dc电压连接装置3与壳体元件4材料接合，因此可以高效地生产功率半导体模块1。
51.壳体元件2优选由塑料形成，特别是由聚苯硫醚或聚对苯二甲酸丁二醇酯形成，其中通过dc电压连接装置3优选通过注射模制技术与壳体元件2材料结合，特别是dc电压连接装置3注射模制到壳体元件2中，dc电压连接装置与壳体元件2材料结合。
52.优选地是，通过塑料元件4和/或第二扁平引线连接元件9与壳体元件2材料接合，使dc电压连接装置3与壳体元件2材料结合。
53.dc电压连接装置3优选地是具有布置在壳体元件2外的通孔10，该通孔10在相对于第一扁平引线连接元件7的连接部段7a的被布置在壳体元件2外的那一部分7a'的法线方向n上延伸穿过dc电压连接装置3。dc电压连接装置3优选地是布置在散热器11或底板上，并借助延伸穿过通孔10的螺钉12而连接到散热器11或连接到底板上。在这种情况下，基板5优选地是在所述基板的背对功率半导体组件6的那一侧被导热链接到散热器11或底板。底板可以实施为例如用于将基板5热链接到散热器的金属板。散热器11优选地是具有冷却翅片或冷却柱11a。
54.图1举例示出功率电子布置40，该功率电子布置40包括功率半导体模块1，并包括dc电压母线系统14，该dc电压母线系统14具有第一扁平引线14a和第二扁平引线14b以及布置在第一扁平引线14a与第二扁平引线14b之间的非导电绝缘层14c，其中dc电压母线系统14通过焊接连接而导电连接到dc电压连接装置3。优选地是，在螺钉12与dc电压连接装置3之间布置非导电的绝缘套管15，其中绝缘套管15支承在扁平引线连接装置8的塑料元件4上。
55.图6举例示出了另一功率电子布置41，该另一功率电子布置41包括功率半导体模块1并包括dc电压母线系统24，该dc电压母线系统24具有第一扁平引线24a和第二扁平引线24b以及布置在第一扁平引线24a与第二扁平引线24b之间的非导电绝缘层24c。第一扁平引线24a具有第一扁平引线连接部24a'，第二扁平引线24b具有第二扁平引线连接部24b'。通过螺钉连接，第一扁平引线连接部24a'与第一扁平引线连接元件7的连接部段7a导电接触，第二扁平引线连接部24b'与第二扁平引线连接元件9的连接部段9a导电接触，所述螺钉连接借助螺钉12实现，并将第一扁平引线连接部24a'压靠在第一扁平引线连接元件7的连接部段7a上，并且将第二扁平引线连接部24b'压靠在第二扁平引线连接元件9的连接部段9a上。优选地是，在螺钉12与dc电压连接装置3之间布置非导电的绝缘套管25，其中绝缘套筒25支承在第二扁平引线连接部24b'上。
56.下面描述根据本发明的用于生产根据本发明的功率半导体模块1的方法，其中第二扁平引线连接元件9的连接部段9a布置在塑料元件4上，使得塑料元件4的一部段4a被布置在第一扁平引线连接元件7与第二扁平引线连接元件9的连接部段9a之间。
57.第一方法步骤a)涉及提供基板5、功率半导体组件6、壳体元件2和第二扁平引线连接元件9，基板5具有非导电绝缘层5a和布置在绝缘层5a上的金属层5b,金属层5b结构化，以形成导体迹线5b'，功率半导体组件6布置在金属层5b上并导电连接到金属层5b。
58.另一方法步骤b)涉及提供扁平引线连接装置8(见图3)，该扁平引线连接装置8具有第一扁平引线连接元件7，该第一扁平引线连接元件7由扁平引线连接装置8的塑料元件4包封并与塑料元件4材料结合，其中第一扁平引线连接元件7的连接部段7a从塑料元件4突出。因此，扁平引线连接装置8形成结构单元。
59.另一方法步骤c)涉及通过将第二扁平引线连接元件9的连接部段9a布置在塑料元件4上，使得塑料元件4的一部段4a被布置在第一扁平引线连接元件7与第二扁平引线连接元件9的连接部段9a之间，从而形成dc电压连接装置3(参见图4)。
60.另一方法步骤d)涉及将dc电压连接装置3与壳体元件2材料结合，使得第一扁平引线连接元件7的连接部段7a的至少一个部分7a'和第二扁平引线连接元件9的连接部段9a的至少一个部分9a'布置在壳体元件2外。作为方法步骤d)的结果，形成了图5中举例示出的连
接装置31。
61.另一方法步骤e)涉及例如通过钎焊、烧结、熔焊、粘结，将第一扁平引线连接元件7和第二扁平引线连接元件9导电连接到结构化的金属层5a，使得在功率半导体模块1的操作期间，第一扁平引线连接元件7具有第一电极性，第二扁平引线连接元件9具有第二电极性。为此，所述至少一个导电的第一连接元件7b和所述至少一个导电的第二连接元件9b相应地导电连接到金属层5b。
62.下面描述根据本发明的用于生产根据本发明的功率半导体模块1的另一方法，其中第二扁平引线连接元件9的连接部段9a至少部分地被塑料元件围封并与塑料元件材料结合，使得塑料元件4的一部段4a被布置在第一扁平引线连接元件7与第二扁平引线连接元件9的连接部段9a之间。
63.第一方法步骤a)涉及提供基板5、功率半导体组件6和壳体元件2，基板5具有非导电绝缘层5a和布置在绝缘层5a上的金属层5b，金属层5b被结构化，以形成导体迹线5b'，功率半导体组件6布置在金属层5b上并导电连接到金属层5b。
64.另一方法步骤b)涉及提供dc电压连接装置3(见图4)，该dc电压连接装置3具有扁平引线连接装置8和第二扁平引线连接元件9，其中，扁平引线连接装置8具有第一扁平引线连接元件7，该第一扁平引线连接元件7被扁平引线连接装置8的塑料元件4包封并与塑料元件4材料结合，其中第一扁平引线连接元件7的连接部段7a从塑料元件4突出，其中第二扁平引线连接元件9的连接部段9a至少部分地由塑料元件围封并与塑料元件材料结合，使得塑料元件4的一部段4a被布置在第一扁平引线连接元件7与第二扁平引线连接元件9的连接部段9a之间。因此，dc电压连接装置3形成结构单元。
65.另一种方法步骤c)涉及将dc电压连接装置3与壳体元件2材料结合，使得第一扁平引线连接元件7的连接部段7a的至少一个部分7a'和第二扁平引线连接元件9的连接部段9a的至少一个部分9a'布置在壳体元件2外。作为方法步骤c)的结果，形成了图5中举例示出的连接装置31。
66.另一方法步骤d)涉及例如通过钎焊、烧结、熔焊、粘结，将第一扁平引线连接元件7和第二扁平引线连接元件9导电连接到结构化的金属层5a，使得在功率半导体模块1的操作期间，第一扁平引线连接元件7具有第一电极性，第二扁平引线连接元件9具有第二电极性。为此，所述至少一个导电的第一连接元件7b和所述至少一个导电的第二连接元件9b被相应地导电连接到金属层5b。