专利名称：带有多个子模件的功率半导体模件的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率电子学领域，涉及一种带有多个子模件的功率半导体模件，这些子模件并排安装在一个共同的底板上，其功率侧通过感应小的平板形导体相互电连接，并且与外面电连接。
与本发明有关的这类功率半导体模件例如可参见EP-A1-0597144号欧洲专利。
众所周知，混合式功率半导体模件是在一个共同的底板上和一个共同的壳体内安装有多个相互连接的并排布置的单个半导体芯片(也可参见DE-PS-3669017)。
这种模块结构要满足各种不同的要求。首先，单个半导体必须耦合在壳体的外侧上，相互间具有狭窄的间隔，它们工作时由于大功率而发热，因此必须对于单个半导体能够良好地冷却。其次，在壳体内的电连接和与外面的电连接必须能够承受大电流功率分配，同时相互间具有足够的间隔或绝缘，以便当局部出现高电位差时不会产生电压击穿现象。再者，模块的结构和组合应当尽可能简单和经济。还有，现代快速大功率半导体要求小的开关时间，例如IGBT(绝缘栅极双向场效应晶体管)所显示的，更重要的是电气连接和接线应无电感或少电感，以便能够使模块内采用的半导体构件具有尽可能高的电流增加时间。
为了满足上述要求，本文开头的现有技术文献中描述了一种混合式大功率电子学装置，其中采用了一个叠式装置，它由绝缘层和电子轨道层相互交叠而形成，用于连接各子模件和与外面连接。采用这种方式，能够简化模块结构和降低成本，所得到的模块具有良好的功能可靠性，并且是少电感或无电感的。
尽管如此，这种公知的模块结构不是尽善尽美的，在子模件区域内要为绝缘层和导电层留出空间，以便提供子模件的磷酸盐处理(冷变形)所需的环境条件(图4，5)。因此绝缘层和导电层采用栅流结构形式，即在子模件之间形成桥形接片。其结果是在平面布线的基础上必须增加辅助的平面，为此，这种模块要求大于其它模块的平面，它的接线通常是从子模件垂直向上延伸，一直伸到模件表面上的接线端处。
本发明的目的是提供一种功率半导体模件，它不仅保持了内电感很小及外接线感应少的优点，而且克服了表面损耗大的缺陷。
根据本发明的功率半导体模件，是这样实现的在前面所说的大功率半导体模件上，平板形导体各自在高于子模件的平面上单端固定地安装，这些平面相互间由子模件分隔开，并且具有足够的电绝缘垂直间距，平板形导体通过附加的竖立的线路元件与各个子模件实现电气连接。通过在子模件上单端固定延伸的平板形导体的装置，可以将子模件相互并排地密封包装在底板上，这样可减少模件所需的基面，同时又不会放弃连接导线内电感小和外接线感应少的优点或使该性能劣化。
在本发明的功率半导体模件的一个优选实施例中，所述竖立的线路元件由多次最好为直角弯曲的带钢制成，这些竖立的线路元件是这样弯曲的，它能够补偿平行于底板的平面的子模件或底板的有条件的热膨胀，从而在小电感的前提下，能够实现高的交变负荷稳定性。并且由于带钢的采用，子模件之间的连接和与外接线之间的连接采用焊接方式，于是，根据进一步的实施例，竖立的线路元件与平板形导体和子模件焊接连接在一起。
根据本发明的模件的另一个实施例，平板形导体的中间部分带有冲孔，竖立的线路元件从孔中穿出延伸到对面的平板形导体上，用于连接子模件。这种结构简单，电感小，并且节省空间。
根据本发明的另一个实施例，子模件与有关的平板形导体和竖立的线路元件安装在一个壳体内，并且浇铸在绝缘物质内。从而避免了在平板形导体的具有不同的电位的部分之间所存在的局部放电问题。
从属权利要求书中给出了其它实施例。
下面将根据附图进一步说明本发明的实施例及其良好效果。
在附图中图示了本发明的实施例，它们是
图1是本发明的功率半导体模件中所用的子模件的实施例的透视图；图2表示图1中的子模件带有发射极固定件形式的竖立的线路元件；图3是本发明的大功率半导体模件的一个实施例的俯视图，在其底板上安装有9个子模件(没有功率连接和接线)；图4是图3的模件的透视图，带有集电极固定件形式的竖立的线路元件；
图5是图3或图4的模件的发射极固定件布置的俯视图，并且展示了与图4的集电极固定件连接的集电极板；图6是图5的装置的俯视图，带有附加的发射极板，它部分地盖住集电极板，并且与发射极固定件相连接；图7是图6的模件的发射极固定件，集电极固定件，集电极板和发射极板的布置的侧视图。
在图3中，以俯视图展示了本发明的功率半导体模件34的一个实施例，在一个共同的底板35的边缘上，具有多个固定孔36，多个(本例中为9个)子模件密封地并列封装在该底板上。为简化起见，将最下面的三个子模件用标号37a，37b和37c表示。每个子模件的结构在图1中进一步示出。子模件10包括一个(陶瓷的)基片11，在它的一侧(上侧)上覆盖了大面积的金属涂层12。这个金属涂层12是连续的，并且没有电子轨道结构，它用于接纳半导体芯片和用于下侧芯片接触的对接搭桥。
在图1的实施例中，在基片11上安装有两个IGBT13，16和两个二极管14，15。IGBT13，16的集电极位于有关芯片的下侧，并且能够与子模件10的金属涂层12钎焊连接。除了二极管14，15之外，金属涂层12的各表面上可以焊接有相关的竖立的线路元件(图4)，作为二极管14，15的阴极。在芯片的上表面，即IGBT13，16上安装有发射极，二极管14，15上安装有阳极，芯片的表面上焊接有连接用的金属盘17，19及18，20(在图3中只在子模件37a上画上了金属盘)。IGBT13，16的栅极21，22一般位于芯片的上表面，它通过焊接上的栅极固定件23，24与相关的栅极电阻27，28连接，栅极电阻27，28都安装在一个公共的栅极块或栅极操作板25上，这个狭长形的栅极操作板25位于基片11上的子模件芯片之间，由一个覆盖有一层金属涂层26的基片构成，栅极21，22的接线从栅极操作板25经一根焊接的连接线29向上引出。
一个子模件的所有IGBT发射极和二极管阳极相互短接，共同向上引出。根据图2，每个子模件10具有一个发射极固定件31，这个发射极固定件31是由一个弯曲成U形的带钢制成。这个U形部件的两个腿的端部呈直角地向外弯曲，并且沿水平方向延伸形成第一对接搭板32a，b，其尺寸应该能够保证使在竖立的U形顶部处的栅极操作板25和栅极固定件23，24可以自由过度引伸，并且第一对接搭板32a，b各自搭接在IGBT13，16和相邻的二极管14，15的金属盘17和20及18和19之间。在第一对接搭板32a，b的横向侧面上再次呈直角弯曲形成第二对接搭板33a，b，以此发射极固定件31以此与半导体芯片的金属盘17-20焊接在一起。
借助于发射极固定件31，在子模件上提供一个较高的平面，用于将发射极/阳极与一个母线条(图6，7中的发射极板43)相连接(焊接)，这个母线条与发射极层相对。由于第一和第二对接搭板32a，b，33a，b均呈直角地弯曲，形成向上竖立着的拱桥/伸缩补偿突起，来允许和补偿该模件的固定件、陶瓷、半导体芯片和其它构件在两个相互垂直的方向上产生的不同的热膨胀。焊接在栅极操作板25上的栅极固定件23，24具有很小的宽度，并且其长度易于向各个方向弯曲。
集电极/阴极的接线和它与一个较高的集电极平面的连接是通过集电极固定件38a，b实现的(见图4)，集电极固定件38a，b是由长条形带钢制成，在它的纵向侧面上具有交变的组件，这些组件上带有呈直角弯曲的第三对接搭板39。第三对接搭板39构成焊接端，以此集电极固定件38a，b与单个子模件的金属涂层的裸露表面焊接在一起。通过第三对接搭板39的弯曲和狭长段的分布可以补偿在集电极固定件38a，b下面的部件沿两个独立的空间方向上产生的热膨胀。
集电极固定件38a，b安装在三行子模件中的每两行之间，并且将这三行相互连接。根据图5所示，通过一个集电极板40将这些子模件并排连接到位于较高处的集电极平面上，这块板贴靠在集电极固定件38a，b上，并且与之焊接在一起。由于集电极平面的高度低发射极平面的高度，在集电极板40上具有冲孔41a-c，发射极固定件42a-c从冲孔中穿出可以延伸到位于较高的发射极平面下面的子模件处。九个子模件的九个发射极固定件(图5)通过一根贯通的发射极板43连接到发射极平面上，如图6所示，发射极板与发射极固定件相互贴靠和焊接在一起。
各组件与不同平面的连接和接线的情况从图7的侧视图中可以更清楚地看出。叠片组40，43并非如本文开头所引用的现有技术文献中的公知模件那样由绝缘和金属层制成，而是只由金属层制成。这些金属层在子模件上固定安装，它们相互之间和与子模件之间具有足够的垂直间距，经过浇铸后仍能满足承受大电压的绝缘要求。由于没有绝缘层，因此避免了用粘合工艺实现粘接所带来的局部放电问题。将裸露的金属叠片组40，43在一个容器内进行浇铸，并且当浇铸件尚未固化前抽真空处理，从而避免了气泡形成，排除了叠片组的局部放电问题。而且，竖立的连接元件31，38a，b和42a，b的轮廓是特定的拱桥/伸缩补偿突起形，它与不同的对接搭桥32a，b，33a，b，39共同作用，保证了平板40，43和子模件之间的焊接位置基本无机械压力，并且保持不变。
如前所述，IGBT的接线通过向上伸出的连接线29实现，为此，在单个发射极固定件31上或在发射极板43上具有通孔30(图2)或栅极引线套管44(图6)。根据图7所示，发射极和集电极的输出端通过在集电极板40和在发射极板43上的外接引线45，46引出。
本发明提供了一种功率半导体模件，它具有很小的内电感，其引线只占用极少的空间，易于制造，并且具有高的交变负荷耐用性。
附图参数表10子模件11基片12金属涂层13，16IGBT14，15二极管17-20金属盘21-22栅极(IGBT)23，24栅极固定件25栅极操作板26金属涂层(栅极操作板)27，28栅极电阻29连接线(栅极)30通孔31发射极固定件32a，b接搭板(在y方向上拉伸补偿)33a，b接搭板(在x方向上拉伸补偿)34功率半导体模件35底板36固定孔37a-c子模件
38a，b集电极固定件39接搭板40集电极板41a-c冲孔42a-c发射极固定件43发射极板44引线套管45，46外接引线
权利要求
1.一种带有多个子模件(10，37a-c)的功率半导体模件(34)，这些子模件并排安装在一个共同的底板(35)上，其功率侧通过感应小的平板形导体相互电连接，并且与外面电连接，其特征在于这些平板形导体(40，43)各自在高于子模件(10，37a-c)的平面上单端固定地安装，这些平面相互间由子模件(10，37a-c)分隔开，并且具有足够的电绝缘垂直间距，平板形导体(40，43)通过附加的竖立的线路元件(31，38a，b，42a-c)与各个子模件(10，37a-c)实现电连接。
2.根据权利要求1的功率半导体模件，其特征在于，所述竖立的线路元件(31，38a，b，42a-c)由多次最好为直角弯曲的带钢制成。
3.根据权利要求2的功率半导体模件，其特征在于，这些竖立的线路元件(31，38a，b，42a-c)是这样弯曲的，它能够补偿平行于底板(35)平面的子模件(10，37a-c)或底板(35)的有条件的热膨胀。
4.根据权利要求2和3之一的功率半导体模件，其特征在于，这些竖立的线路元件(31，38a，b，42a-c)是与平板形导体(40，43)和子模件(10，37a-c)焊接在一起的。
5.根据权利要求1-4之一的功率半导体模件，其特征在于，平板形导体(40，43)的中间部分带有冲孔(41a-c)，竖立的线路元件(31，38a，b，42a-c)从孔中穿出延伸到对面的平板形导体(43)上，用于连接子模件(10，37a-c)。
6.根据权利要求1-5之一的功率半导体模件，其特征在于，子模件(10，37a-c)与有关的平板形导体(40，43)和竖立的线路元件(31，38a，b，42a-c)安装在一个壳体内，并且用绝缘物质进行浇铸。
7.根据权利要求1-6之一的功率半导体模件，其特征在于，子模件(10，37a-c)密封包装在底板(35)上。
8.根据权利要求1-7之一的功率半导体模件，其特征在于，每个子模件(10，37a-c)具有一个最好由陶瓷制成的绝缘基片(11)，在其上表面带有一个金属涂层(12)，并且在该金属涂层(12)上装有多个功率半导体芯片(13，14，15，16)，在它们的下侧与金属涂层(12)实现电连接。
9.根据权利要求8所述的功率半导体模件，其特征在于，一个子模件(10，37a-c)的功率半导体芯片(13，14，15，16)中的至少两个是由栅极(21，22)控制工作的，栅极(21，22)连接到一个共同的栅块或栅极操作板(25)上，后者安装在基片(11，12)上的功率半导体芯片(13，14，15，16)之间，并且与外面电连接。
10.根据权利要求9所述的功率半导体模件，其特征在于，栅极(21，22)与栅块或栅极操作板(25)的连接是通过安装在栅块或栅极操作板(25)上的单个栅极电阻(28，29)实现的。
11.根据权利要求9和10之一所述的功率半导体模件，其特征在于，由栅极(21，22)控制的功率半导体芯片(13，16)作为IGBT构成(绝缘栅极双向场效应晶体管)，其余的功率半导体芯片(14，15)作为二极管构成。
全文摘要
一种带有多个子模件(37b)的功率半导体模件(34)，这些子模件并排安装在一个共同的底板(35)上，其功率侧通过感应小的平板形导体相互电连接，并且与外面电连接，这些平板形导体(40，43)各自在高于子模件(37b)的平面上单端固定地安装，这些平面相互间由子模件(37b)分隔开，并且具有足够的电绝缘垂直间距，平板形导体(40，43)通过附加的竖立的线路元件(38a，b，42a-c)与各个子模件(37b)实现电气连接。
文档编号H01L25/18GK1161572SQ9611459
公开日1997年10月8日 申请日期1996年11月22日 优先权日1996年11月22日
发明者R·贝耶勒 申请人:亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司