一种功率半导体模块的制作方法

本发明涉及功率半导体器件技术领域，具体涉及一种功率半导体模块。

背景技术：

功率半导体模块是电力电子器件中的核心器件，功率半导体模块主要由绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor,igbt)器件组成，igbt器件结合了mosfet器件电压驱动以及bjt器件双极输出等优势，具有控制简单、高压大电流、高频低损耗等优点。因此，由igbt器件构成的功率半导体器件已经广泛用于轨道交通、柔性直流输电等大容量应用领域，具有良好的市场前景。

目前，由于功率半导体模块往往由多个并列的芯片子模组构成，所以传统的功率半导体模块为了便于集中管理多个并列的芯片子模组，故将这多个并列的芯片子模组进行分组，每组的芯片子模组分别安装在同一基板上，并将同一组的芯片子模组的导电电极通过公共接触点进行电连接，显然，当同一组的芯片子模组一旦发生故障，该组的其它芯片子模组也无法继续工作，显然，这将导致每个芯片子模组的利用率大大降低，进而造成功率半导体模块的设计成本进一步提高。

技术实现要素：

因此，本发明实施例要解决的技术问题在于现有技术中功率半导体模块的利用率较低，且设计成本较高。

为此，本发明实施例提供了如下技术方案：

本发明实施例提供一种功率半导体模块，包括：多个并列设置的功率半导体单元，每个所述功率半导体单元封装在管壳中，且通过所述管壳中的弹力单元进行弹力支撑，其特征在于，每个所述功率半导体单元相互独立设置，且安装在第一金属电极与第二金属电极之间，所述第一金属电极与每个所述功率半导体单元电连接，所述第一金属电极与所述第二金属电极分别与外部电路电连接。

可选地，每个所述功率半导体单元包括第一芯片子模块和第二芯片子模块，所述第一芯片子模块与所述第二芯片子模块相邻设置。

可选地，所述第一芯片子模块包括第一电极块、第一芯片、第二电极块和第三电极块；

所述第一电极块位于所述第一芯片的一侧，通过所述第一金属电极设置的第一凹槽与所述第一金属电极电连接；

所述第二电极块位于所述第一芯片的中央；所述第三电极块位于所述第一芯片的另一侧，在所述第三电极块的中央设置第一通孔；

所述第一电极块、所述第三电极块与所述第一凹槽的大小相等。

可选地，所述第二芯片子模块包括第四电极块、第二芯片、第五电极块；

所述第四电极块位于所述第二芯片的一侧，通过第一金属电极设置的第二凹槽中与所述第一金属电极电连接；

所述第五电极块位于所述第二芯片的另一侧；

所述第四电极块、所述第五电极块与所述第二凹槽的大小相等。

可选地，在所述第一金属电极与所述第二金属电极之间还设置有第一固定框架和第二固定框架；

所述第一固定框架设置在所述第一金属电极旁，且粘结在所述第一芯片子模块的两侧，所述第一固定框架与所述第一芯片子模块构成第一半包围结构；

所述第二固定框架设置在所述第一金属电极旁，且粘结在所述第二芯片子模块的两侧，所述第二固定框架与所述第二芯片子模块构成第二半包围结构。

可选地，所述第一半包围结构和所述第二半包围结构的开口朝向所述第二金属电极；

在所述第一半包围结构的空间中填充有第一绝缘材料，所述第一绝缘材料与所述第一芯片子模块接触，且未覆盖所述第一芯片子模块；

在所述第二半包围结构的空间中填充有第二绝缘材料，所述第二绝缘材料与所述第二芯片子模块接触，且未覆盖所述第二芯片子模块。

可选地，所述弹力单元包括第一弹簧组件和第二弹簧组件；

所述第一弹簧组件包括第一金属块、第二金属块、第一导电金属片和第一弹簧器件，所述第一金属块与所述第三电极块的大小相等；

所述第一导电金属片和所述第一弹簧器件位于所述第一金属块与所述第二金属块之间，且被所述第一固定框架半包围，所述第一金属块与所述第二金属块之间的距离根据所述第一弹簧器件的伸缩长度确定；

所述第二弹簧组件包括第三金属块、第四金属块、第二导电金属片和第二弹簧器件，所述第二导电金属片和所述第二弹簧器件位于所述第三金属块与所述第四金属块之间，且被所述第二固定框架半包围，所述第三金属块与所述第四金属块之间的距离根据所述第二弹簧器件的伸缩长度确定。

可选地，所述第一导电金属片包围所述第一弹簧器件，所述第一导电金属片的外壁与所述第一金属块、所述第二金属块以及所述第一固定框架部分接触，使得所述第一导电金属片被所述第一金属块、所述第二金属块以及所述第一固定框架所夹持；

所述第二导电金属片包围所述第二弹簧器件，所述第二导电金属片的外壁与所述第三金属块、所述第四金属块以及所述第二固定框架部分接触，使得所述第二导电金属片被所述第三金属块、所述第四金属块以及所述第二固定框架所夹持。

可选地，在所述第一金属块的中央设置第二通孔，在所述第二金属块的中央设置第三通孔，通过所述第二通孔和所述第三通孔安装第一绝缘套管，所述第一绝缘套管位于所述第一金属块与所述第二金属块之间，且穿过所述第一导电金属片和所述第一弹簧器件，所述第一绝缘套管的第一端还穿过所述第二通孔与所述第一通孔接触，所述第一绝缘套管的第二端穿过在所述第三通孔与所述第二金属电极中设置的第三凹槽接触。

可选地，在所述第三金属块的中央设置第四通孔，在所述第四金属块的中央设置五通孔，通过所述第四通孔和所述第五通孔安装第二绝缘套管，所述第二绝缘套管位于所述第三金属块与所述第四金属块之间，且穿过所述第二导电金属片和所述第二弹簧器件，所述第二绝缘套管的第一端与所述第四通孔接触，所述第二绝缘套管的第二端穿过在所述第五通孔与所述第二金属电极接触。

可选地，在所述第一绝缘套管中设置有导电弹簧，所述导电弹簧的一端与所述第一芯片子模块的第二电极块电连接，所述导电弹簧的另一端与pcb驱动板连接。

可选地，所述pcb驱动板安装在所述第三凹槽中，所述第三凹槽插接穿过所述第三通孔的所述第一绝缘套管。

本发明实施例技术方案，具有如下优点：

本发明提供一种功率半导体模块，包括：多个并列设置的功率半导体单元，每个功率半导体单元封装在管壳中，且通过管壳中的弹力单元进行弹力支撑，每个功率半导体单元相互独立设置，且安装在第一金属电极与第二金属电极之间，第一金属电极与每个功率半导体单元电连接，第一金属电极与第二金属电极分别与外部电路电连接。本发明中的功率半导体模块中的功率半导体单元相互独立设置，相互之间无电气连接关系，当某一功率半导体单元一旦发生故障，可以利用另外正常的功率半导体单元替换，因此，可以充分利用芯片子模块，进而提高芯片子模块的利用率，可以减少芯片子模块的更换成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中功率半导体模块的结构图；

图2为本发明实施例1中功率半导体模块的第一示意图；

图3a为本发明实施例1中功率半导体模块的第二示意图；

图3b为本发明实施例1中功率半导体模块的第三示意图；

图4a为本发明实施例1中功率半导体模块的第三示意图；

图4b为本发明实施例1中功率半导体模块的第四示意图；

图5a为本发明实施例1中功率半导体模块的第五示意图；

图5b为本发明实施例1中功率半导体模块的第六示意图；

图6a为本发明实施例1中功率半导体模块的第七示意图；

图6b为本发明实施例1中功率半导体模块的第八示意图。

附图标记：

1-功率半导体单元；2-管壳；3-第一金属电极；

4-第二金属电极；5-弹力单元；6-pcb驱动板；

11-第一芯片子模块；12-第一芯片子模块；13-第一固定框架；

14-第二固定框架；15-第一绝缘套管；16-第二绝缘套管；

17-第一绝缘材料；18-第二绝缘材料；111-第一电极块；

112-第二电极块；113-第三电极块；114-第一芯片；

121-第四电极块；122-第五电极块；123-第二芯片；

31-第一凹槽；32-第二凹槽；41-第三凹槽；

51-第一弹簧组件；52-第二弹簧组件；511-第一金属块；

512-第二金属块；513-第一导电金属片；514-第一弹簧器件；

521-第三金属块；522-第四金属块；523-第二导电金属片；

524-第二弹簧器件；151-导电弹簧；1131-第一通孔；

5111-第二通孔；5121-第三通孔；5211-第四通孔；

5221-第五通孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种功率半导体模块，如图1所示，包括：多个并列设置的功率半导体单元1，每个功率半导体单元1封装在管壳2中，此处的管壳2的材料为陶瓷材料。如图2所示，此处的每个功率半导体单元1主要包括第一芯片子模块11和第二芯片子模块12，其中第一芯片子模块11为igbt芯片子模块，其主要由功率场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管组成，而第二芯片子模块12为diode芯片子模块，因此，功率半导体单元1是功率半导体模块的重要组成部分，而功率半导体模块是电力电子器件的核心器件，在图1中，多个并列设置的功率半导体单元1相互独立，当某个功率半导体单元1一旦发生故障，可选取另一个功率半导体单元1替换，进而可以充分利用功率半导体单元1，提高功率半导体单元1的利用率，避免整体替换功率半导体模块，导致增加芯片子模块的更换成本。

具体地，在图1中的每个功率半导体单元1通过管壳2中的弹力单元5进行弹力支撑，弹力单元5可以增强器件的机械性能，使得器件间的机械压力分布均匀。在图1中的每个功率半导体单元1相互独立设置，且安装在第一金属电极3与第二金属电极4之间，第一金属电极3与每个功率半导体单元1电连接，第一金属电极3与第二金属电极4分别与外部电路电连接。第一金属电极3与第二金属电极4用于将功率半导体单元1输出的电信号输出给外部电路，与外部电路建立电连接关系，每个功率半导体单元1都安装在第一金属电极3与第二金属电极4，因此，多个功率半导体单元1之间可以通过第一金属电极3或第二金属电极4进行电连接，而不是将每个功率半导体单元1通过其导电电极直接进行电连接。

本发明实施例中的功率半导体模块，在图1中，每个功率半导体单元1包括第一芯片子模块11和第二芯片子模块12，第一芯片子模块11与第二芯片子模块12相邻设置。作为其它可替换的实施方式，第一芯片子模块11和第二芯片子模块也可以交错设置。本实施例中的第一芯片子模块11与第二芯片子模块12可根据子模块的布局需要进行设置。第一芯片子模块11为igbt芯片子模块，第二芯片子模块12为diode芯片子模块。这两个不同的芯片子模块结构不同，因此，可以实现不同的电气功能，igbt芯片子模块主要用来电气驱动，diode芯片子模块主要实现反向续流。

本发明实施例中的功率半导体模块，如图2或图3a所示，第一芯片子模块11包括第一电极块111、第一芯片114、第二电极块112和第三电极块113，第一电极块111位于第一芯片114的一侧，第三电极块113位于第一芯片114的另一侧，在第三电极块113的中央设置第一通孔1131，在图2中可看出，第一电极块111、第三电极块113与第一凹槽31的大小相等。其中，第一电极块111为第一芯片子模块11的集电极，第二电极块112为第一芯片子模块11的栅极，第三电极块113为第一芯片子模块11的发射极。

在图2中，第一电极块111通过第一金属电极3设置的第一凹槽31与第一金属电极3电连接，第二电极块112位于第一芯片114的中央。

在图3a中，通过焊接或者烧结技术，将第一电极块111、第二电极块112以及第三电极块113粘结在一起，能够实现良好的电气连接和散热，第二电极块112位于第一芯片114的中间位置，在第三电极块113的中间开设第一通孔1131，该第一通孔1131便于与其它导电元件进行电连接，第一电极块111与第三电极块113分布设置在第一芯片的两侧，此处的第一芯片114为igbt芯片，第一电极块111与第三电极块113的大小相等，其与第一芯片114进行粘结构成一体结构。

本发明实施例中的功率半导体模块，如图3b所示，第二芯片子模块12包括第四电极块121、第二芯片123、第五电极块122，第四电极块121位于第二芯片123的一侧。第五电极块122位于第二芯片123的另一侧，在图2中可看出，第四电极块121、第五电极块122与第二凹槽32的大小相等。其中，第四电极块121为第二芯片子模块12的阴极，第五电极块122为第二芯片子模块12的阳极。在图2中，第四电极块121通过设置在第一金属电极3第二凹槽32中与第一金属电极3电连接。

本发明实施例中的功率半导体模块，如图2所示，在第一金属电极3与第二金属电极4之间还设置有第一固定框架13和第二固定框架14，其起到固定器件的作用。此处的第一固定框架13与第二固定框架14的材料为塑料，作为较为优选的实施方式是第一固定框架13与第二固定框架14采用聚醚醚铜等耐高温、无离子析出物的绝缘材料。

在图2中，第一固定框架13设置在第一金属电极3旁，且粘结在第一芯片子模块11的两侧，第一固定框架13与第一芯片子模块11构成第一半包围结构。

具体地，如图4a所示，采用铸模或者粘结的方式，将第一固定框架13与第一芯片子模块11紧密粘结。第一固定框架13与第一芯片子模块11构成的第一半包围结构，该第一半包围结构可以作为容器，便于灌注液体装填的绝缘填充料。

在图2中，第二固定框架14也设置在第一金属电极3旁，且粘结在第二芯片子模块12的两侧，第二固定框架14与第二芯片子模块12构成第二半包围结构。

具体地，如图4b所示，采用铸模或者粘结的方式，将第二固定框架14与第二芯片子模块12紧密粘结。第二固定框架14与第二芯片子模块12构成的第二半包围结构，该第二半包围结构可以作为容器，便于灌注液体装填的绝缘材料。

本发明实施例中的功率半导体模块，如图2所示，第一半包围结构和第二半包围结构的开口朝向第二金属电极4。

如图5a所示，本发明实施例中的功率半导体模块，在第一固定框架13形成的第一半包围结构的空间中填充有第一绝缘材料17，第一绝缘材料17与第一芯片子模块11接触，且未覆盖第一芯片子模块11。当第一固定框安装成后，采用高温真空注入的方式，灌注绝缘材料，然后进行固化，填充的绝缘材料的高度不高于第一芯片子模块11整体的高度。第一绝缘材料17主要用来进行电气绝缘，因为，在第一固定框架13的内部填充第一绝缘材料17可以增强第一芯片子模块11的绝缘性能。

如图5b所示，本发明实施例中的功率半导体模块，在第二固定框架14形成的第二半包围结构的空间中填充有第二绝缘材料18，第二绝缘材料18与第二芯片子模块12接触，且未覆盖第二芯片子模块12。当第二规定框架安装成后，采用高温真空注入的方式，灌注绝缘材料，然后进行固化，填充的绝缘材料的高度不高于第一芯片子模块11整体的高度。第一绝缘材料17主要用来进行电气绝缘，因为，在第一固定框架13的内部填充第一绝缘材料17可以增强第二芯片子模块12的绝缘性能。

本发明实施例中的功率半导体模块，如图1所示，弹力单元5包括第一弹簧组件51和第二弹簧组件52。其中，第一弹簧组件51主要用来给第一芯片子模块11提供弹力支撑，进而增强第一芯片子模块11的机械特性，使得第一芯片子模块11的机械压力分布均匀，第二弹簧组件52主要用来给第二芯片子模块12提供弹力支撑，进而增强第二芯片子模块12的机械特性，使得第二芯片子模块12的机械压力分布均匀。

本发明实施例中的功率半导体模块，第一弹簧组件51包括第一金属块511、第二金属块512、第一导电金属片513和第一弹簧器件514，在图2中，第一金属块511与第三电极块113的大小相等。第一导电金属片513和第一弹簧器件514位于第一金属块511与第二金属块512之间，且被第一固定框架13半包围，第一金属块511与第二金属块512之间的距离根据第一弹簧器件514的伸缩长度确定。

本发明实施例中的功率半导体模块，在图2中，第一导电金属片513包围第一弹簧器件514，第一导电金属片513的外壁与第一金属块511、第二金属块512以及第一固定框架13部分接触，使得第一导电金属片513被第一金属块511、第二金属块512以及第一固定框架13所夹持。第一固定框架13与第一导电金属片513接触主要为了固定第一导电金属片513。因此，第一弹簧组件51分别被第一固定框架13、第一金属块511和第二金属块512夹持而变得非常稳固。

具体地，第一导金属片可以构成圆周结构或多边形结构包围第一弹簧器件514，而第一弹簧器件514通常为碟簧，具有一定的弹性。如图6a所示，第一导电金属片513的顶端与第一金属块511接触，且与第一金属块511固定焊接，第一导电金属片513的底端与第二金属块512接触，且与第二金属块512固定焊接，因此，焊接后的第一导电金属片513导电性较好。如图6b所示，为第一导电金属片513与第一金属块511、第二金属块512连接结构的俯视图。

本发明实施例中的功率半导体模块，第二弹簧组件52包括第三金属块521、第四金属块522、第二导电金属片523和第二弹簧器件524，在图2中，第二导电金属片523和第二弹簧器件524位于第三金属块521与第四金属块522之间，且被第二固定框架14半包围，第三金属块521与第四金属块522之间的距离根据第二弹簧器件524的伸缩长度确定。

本发明实施例中的功率半导体模块，在图2中，第二导电金属片523包围第二弹簧器件524，第二导电金属片523的外壁与第三金属块521、第四金属块522以及第二固定框架14部分接触，使得第二导电金属片523被第三金属块521、第四金属块522以及第二固定框架14所夹持。第二固定框架14与第二导电金属片523接触主要为了固定第二导电金属片523。因此，第弹簧组件分别被第二固定框架14、第三金属块521和第四金属块522夹持二变得非常稳固。

具体地，第二导电金属片523也可以构成圆周结构或多边形结构包围第二探巷器件，而第二弹簧器件524通常为碟簧，具有一定的弹性。如图2所示，第二导电金属片523的顶端与第三金属块521接触，且与第三金属块521固定焊接，第二导电金属片523的底端与第四金属块522接触，且与第四金属块522固定焊接，因此，焊接后的第二导电金属片523导电性较好。

本发明实施例中的功率半导体模块，在图6a中，在第一金属块511的中央设置第二通孔5111，在第二金属块512的中央设置第三通孔5121。在图2中，通过第二通孔5111和第三通孔5121安装第一绝缘套管15，第一绝缘套管15位于第一金属块511与第二金属块512之间，且穿过第一导电金属片513和第一弹簧器件514，第一绝缘套管15的第一端还穿过第二通孔5111与第一通孔1131接触，第一绝缘套管15的第二端穿过在第三通孔5121与第二金属电极4中设置的第三凹槽41接触。在图2中，可看出第一弹簧器件514固定在第一绝缘套管15的外壁上，因此，第一绝缘套管15可以起到固定第一弹簧器件514的作用。

本发明实施例中的功率半导体模块，如图2所示，在第三金属块521的中央设置第四通孔5211，在第四金属块522的中央设置第五通孔5221，通过第四通孔5211和第五通孔5221安装第二绝缘套管16，第二绝缘套管16位于第三金属块521与第四金属块522之间，且穿过第二导电金属片523和第二弹簧器件524，第二绝缘套管16的第一端与第四通孔5211接触，第二绝缘套管16的第二端穿过在第五通孔5221与第二金属电极4接触。在图2中，可看出第二弹簧器件524固定在第二绝缘套管16的外壁上，因此，第二绝缘套管16可以起到固定第二弹簧器件524的作用。

本发明实施例中的功率半导体模块，如图2所示，在第一绝缘套管15中设置有导电弹簧151，导电弹簧151的一端与第一芯片子模块11的第二电极块112电连接，导电弹簧151的另一端与pcb驱动板6连接。导电弹簧151置于第一绝缘套管15的内部为与第一芯片子模块11的第二电极块112电连接，同时还可以与pcb驱动板6电连接。此处的pcb驱动板6为双层覆铜的印制电路板，该pcb驱动板6安装在第二金属电极4中设置的第三凹槽41中，第三凹槽41插接穿过第三通孔5121的第一绝缘套管15。

本发明实施例中的功率半导体模块，通过多个并列设置的功率半导体单元1独立设置，每个功率半导体单元1与金属电极独立连接，然后通过金属电极与外部电路连接，当其中某个功率半导体单元1一旦发生故障，可以利用另外正常的功率半导体单元1进行替换，因此，在很大程度上，本实施例中的功率半导体单元1可以充分利用功率半导体器件，进而提高芯片子模块的利用率，可以减少芯片子模块的更换成本。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。