专利名称：高功率半导体模块及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及高功率电子学领域。它尤其涉及一种高功率半导体模块，其中，多只平面的半导体芯片在制造第一电接触时以其下侧面平面地处于底板之上，并且在与底板平行安排的盖板的上侧面上在制造第二电接触时加压力。
这样一种半导体模块例如由H.Zeller的论文“High PowerComponent-From the State of Art to Future Trends(高功率元件一从目前技术状况到未来走向)”，PCIM Nürnberg，1998年5月(图3)获悉。
背景技术：
从当前技术水平已知各种结构的高功率半导体模块(参阅例如EP-A1-0597 144或US-A-5,978,220或US-A-6,087,682)。
高功率半导体模块在每模块加到10KV电压下运行。通过串联(例如在高压直流输电)电压可以远高于100KV以上。为了对这种模块有效冷却，大多用水或水/乙二醇。为此应用的冷却器-是与在US-A-4,574,877描绘的结构可比较的-以加压堆的形式与模块串联，并因此也处于高电位。冷却器必须用去离子水运行，因为否则电流可以经冷却介质流到更低的电位。通过这种模块可以串联的要求，这可以这样构成这种串联，使得正面相当于发射极电位而对置面相当于集电极电位。这样一种模块的一种新类型，其中按照“压紧封装”结构在模块内把多只IGBT芯片并联，在本文开始所述的H.Zeller论文中示出并描述。“压紧封装”结构，其中对安排在模块内的半导体芯片的电连接通过压力接触产生，与通过压焊丝的接触相比具有的优点是在发生故障时，在模块内呈现稳定的短路，使得对于这种情况在串联时避免电流的中断。
在其它的应用中(例如牵引)出发点略不同。这里用较低的电压工作，因此，模块的直接串联是不需要的。另一方面，不允许用去离子水，因为在这种应用中这可能导致麻烦。因此这种模块应当对致冷剂绝缘。
典型地这通过在模块内应用AlN衬底或通过在半导体模块和冷却器之间引入的大的AlN板实现。在某些情况下甚至用AlN冷却器工作。这种绝缘的模块可惜常常具有有限的可靠性(在底板和衬底之间的热膨胀)，而大的AlN板和冷却器是极昂贵的。
发明内容
因此本发明的任务是创造一种高功率半导体模块，它既有压力接触模块的提高的可靠性，又有可以应用工业用水流过的冷却器，以及提出这种高功率半导体模块的应用。
本任务通过以下方式解决，即在开始所述类型高功率半导体模块中，背离半导体芯片的底板和盖板的侧面或外侧面各自构成为与半导体芯片电绝缘，和所述的高功率半导体模块在功率电子学装置内的应用中，高功率半导体模块与邻接底板外侧的冷却装置一起安排成一组件堆，并且在组件堆内加压力。本发明的核心在于模块同时在“压紧封装”结构内完成，并且模块的外侧面与安排在模块内的半导体芯片电绝缘。按此方式，在同时可靠的通电接触情况下，达到对处于其外面的冷却装置电位分离。
本发明的优选结构的特征为在半导体芯片的上侧面和盖板之间各自安排主要以接触弹簧形式的一个第一导电弹性连接元件，使得底板包含一电绝缘衬底，该衬底在内侧面上具有第一金属覆层，使得半导体芯片在材料上合理地固定在第一金属覆层上，主要是焊接其上，使得第一金属覆层在处于半导体芯片外的区域在产生第三电接触情况下由盖板加压力，并使得第三电接触经第二导电弹性连接元件，主要以第二接触弹簧形式连系起来。
本结构的优选扩展的特征为盖板包含第一绝缘板，第一金属接触板安排在其内侧面上，经该第一金属接触板产生与半导体芯片的第二电接触，以及在第一金属接触板上和安排了与其电绝缘的第二金属接触板，经该第二金属接触板产生对底板的第一金属覆层的第三电接触。
为了进一步保护模块，在底板和盖板之间安排电绝缘外壳，该外壳包围半导体芯片和附属接触装置。
由从属权利要求给出其它的实施结构。
本发明依靠实施例参考附图详细说明如下。这些附图是图1在俯视图从上向下看示出本发明优选实施例的具有半导体芯片、接触弹簧以及围绕的外壳的底板；图2在纵向剖面示出属于图1模块的盖板；以及图3在纵向剖面示出根据图1和图2的已装配好的模块及其在具有冷却装置的组件堆内的应用。
具体实施例方式
图3在纵向剖面示出根据本发明优选的实施例的高功率半导体模块10。该模块包含底板11，在其上侧面(内侧面)根据图1按照规则的排列在4行每行各3只芯片安排多只(例如总数12只)半导体芯片14。在半导体芯片14周围，边缘侧提供(主要由塑料制成)，通过合适的措施(例如横向波纹)在垂直方向可以压缩。高功率半导体模块10在上面通过盖板13封闭(也参阅图2)。在盖板13和半导体芯片14的暴露的上侧面之间安排第一接触弹簧15，经该弹簧(在合适的压力下)在盖板13和半导体芯片14之间产生电接触。放在半导体芯片14每6只一组的两组之间的第二接触弹簧16给出在盖板13和底板11之间相应的压力接触。
电绝缘衬底17(例如AlN或另一陶瓷)用作底板11，该衬底在上和下侧面各自设有金属覆层19或18。半导体芯片14焊接在底板11的上金属覆层19上，其中，留下用于第二接触弹簧16的位置。如果在半导体芯片14涉及例如IGBT，则它用集电极侧焊接其上。每只半导体芯片14的发射极金属化现在配有弹簧接触(第一接触弹簧15)。在上述例中钵形构成的的接触弹簧15可以采纳不同形式，只要弹簧力足够大，并且接触面足够用于预定的高电流。上金属覆层19的暴露面配有可比较的第二接触弹簧16。在所述例内中间的3只接触弹簧16处在集电极电位，并且在外面的12只(半导体芯片14的)接触弹簧15处在发射极电位。这两电位或电压现在可以从上面借助盖板13抽头。
盖板13具有夹层结构(图2)狭窄的集电极接触板23(集电极汇流条)-通过绝缘板22绝缘-粘附在大面积发射极接触板21(发射极汇流条)上。发射极接触板21本身借助另一绝缘板20对外绝缘。集电板接触板23压到中间的接触弹簧16上，并且因此经上金属覆层与半导体芯片14的集电极侧接触。发射极接触板21压到安排在半导体芯片14上的接触弹簧15上，并因此对半导体芯片14的发射极侧保持接触。从两接触板21和23可以把相应成形的接触凸片侧向从外壳12引出，并用作模块的电引线。
上述高功率半导体模块10根据图3现在可以在压制机内组装成组件堆，其中只有底板11须冷却。此外装入(图3用虚线表示的)冷却装置24，该装置以冷却面紧贴到底板11的下金属覆层18上。通过从两侧施加到组件堆上的压力(图3用箭头表示)既保证在模块内部导电压力接触，也保证在底板11和冷却装置24之间的热接触。例如众所周知的、通水的冷却盒可以用作冷却装置24。
参考符号10 高功率半导体模块11 底板12 外壳(电绝缘)13 盖板14 半导体芯片15，16 接触弹簧17 衬底(电绝缘)18，19 金属覆层20，22 绝缘板21 接触板(发射极)23 接触板(集电极)24 冷却装置。
权利要求
1.高功率半导体模块(10)，其中，多只平面的半导体芯片(14)在制造第一电接触时以其下侧面平面地处于底板(11)之上，并且在与底板(11)平行安排的盖板(13)的上侧面上在制造第二电接触时加压力，其特征为，背离半导体芯片(14)的底板(11)和盖板(13)的侧面或外侧面各自构成为与半导体芯片(14)电绝缘。
2.根据权利要求1所述的高功率半导体模块，其特征为，在半导体芯片(14)的上侧和盖板(13)之间主要以第一接触弹簧(15)的形式各安排一个第一导电、弹性连接元件。
3.根据权利要求1和2之一所述的高功率半导体模块，其特征为，底板(11)包含电绝缘衬底(17)，该衬底在内侧具有第一金属覆层(19)，以及半导体芯片(14)材料合理地固定到，主要是焊接到第一金属覆层上。
4.根据权利要求3所述的高功率半导体模块，其特征为，衬底由陶瓷，主要是由AlN陶瓷构成。
5.根据权利要求3和4之一所述的高功率半导体模块，其特征为，在底板(11)的外侧上设有第二金属覆层(18)。
6.根据权利要求3到5之一所述的高功率半导体模块，其特征为，第一金属覆层(19)处于半导体芯片(14)外的区域，在制造第三电接触时由盖板(13)加压力。
7.根据权利要求6所述的高功率半导体模块，其特征为，第三电接触经第二导电的、弹性连接元件，主要以第二接触弹簧形式(16)联系起来。
8.根据权利要求6和7之一所述的高功率半导体模块，其特征为，盖板(13)包含第一绝缘板(20)，在其内侧安排第一金属接触板(21)，经该接触板产生与半导体芯片(14)的第二导电接触，以及在第一金属接触板(21)上和与其电绝缘安排了第二金属接触板(23)，经该板制造到底板(11)的金属覆层(19)的第三电接触。
9.根据权利要求8所述的高功率半导体模块，其特征为，通过第二绝缘板(22)使第一和第二金属接触板(21及23)彼此绝缘。
10.根据权利要求1到9之一所述的高功率半导体模块，其特征为，在底板(11)和盖板(13)之间安排电绝缘外壳(12)，它包围半导体芯片(14)和附属的接触装置(15，16)。
11.根据权利要求1到10之一所述的高功率半导体模块，其特征为，在高功率半导体模块(10)内的半导体芯片(14)是电并联的。
12.根据权利要求11所述的高功率半导体模块，其特征为，至少一部分半导体芯片(14)是可控制的半导体开关，尤其是IGBT。
13.根据权利要求1到12之一所述的高功率半导体模块在功率电子学装置内的应用，其中高功率半导体模块(10)与邻接底板(11)外侧的冷却装置(24)一起安排成一组件堆，并且在组件堆内加压力。
全文摘要
高功率半导体模块(10)包含多只平面的半导体芯片(14),这些芯片在制造第一电接触时以其下侧平面地处在底板(11)之上,并且在与底板(11)平行安排的盖板(13)的上侧面上,在制造第二电接触时,加压力。在这种模块中,可以通过构成背离半导体芯片(14)的底板(11)和盖板(13)的侧面或外侧面各自与半导体芯片(14)电绝缘实现简单的冷却。
文档编号H01L25/07GK1354514SQ01130398
公开日2002年6月19日 申请日期2001年11月22日 优先权日2000年11月22日
发明者T·朗 申请人:Abb半导体有限公司