可压力接触的功率半导体模块 【技术领域】
本发明涉及电力电子装置领域，涉及如权利要求一前序部分所述的可压力接触的功率半导体模块。
背景技术
这样的一个功率半导体模块已经记载在公开专利DE199 03 245 A1中。其中提到的功率半导体模块属于所谓的具有至少一个半导体器件的压力接触类型，如图1所示。半导体器件3的第一主端子31通过至少一个接触元件8以导电的方式连接到盖板2。并且，半导体器件3通过第二主端子32设置在基板1上。
为了实现这个功率半导体模块中的可靠接触，需要1千牛顿/厘米
2量级的压力。为了产生这些压力，同时补偿半导体器件厚度的变化，特别是模块具有多个半导体器件时，接触元件8具有至少一个弹性元件4，它一般形成为一螺旋弹簧或杯形弹簧堆叠体。
一个难题是在接触元件中将弹性元件和适当的电流导引件结合。在DE19903245A1中，通过挠性连接夹片或导线81围绕弹性元件延伸的电流导引件来解决。为此，连接夹片81必须具有由弹性元件尺寸决定的最小长度。另外，该连接夹片81的最大横截面受到限制，否则它的移动性将受到限制。在弹性元件的尺寸给定的情况下，上述的两个要求导致连接夹片的热阻和电阻的下限，这种下限是必须维持的。为此，通过选择或设计弹性元件，必须确保实现允许连接夹片81的容许阻值的尺寸。
为了保持半导体模块本身，或另外的可能的高电平系统，及当一个或多个半导体器件3发生故障时完全可操作，在许多情况下必须将损坏的半导体器件3转变为稳定的短路模式(“短路故障模式”，SCFM)，在该模式中，第一和第二主端子之间将存在具有最小的可能电阻和最大的可能电流容量的永久的导电接触。如果SCFM发生在压力接触功率半导体模块的半导体器件中，模块的电流完全地流过相应的半导体器件3和相关接触元件8的连接夹片81。这种情况下的电流通常在几千安培的范围内。由于前述的连接夹片81的热阻，半导体器件3中出现的温度会远远地超过200℃。这样在器件侧面，连接夹片81加热到同样的高温，这会带来严重的应力。
另外，DE19903245A1中的接触元件具有连接夹片81和压块9之间的内部压力接触件。结果，功率半导体模块中的压力接触件总量就增加了，这样，总体的电阻和热阻就增加了。
如果功率半导体模块包括多于一个的接触元件8，当其上安装部件时必须确保连接夹片81不会互相接触。因此，生产时接触元件8之间必须具有相应的大距离，和/或在安装所述部件时必须确保接触元件8恰当的相互排列。
【发明内容】
本发明的目的在于提供在开头提到的那类功率半导体模块，它没有设置在接触元件的弹性元件周围延伸的用于导引电流的连接夹片。本发明的目的也在于，消除对弹性元件尺寸的选择和设计存在的限制。本发明的目的进一步在于，使功率半导体模块中必须的压力接触件数量最少。最后，本发明的目的在于，允许功率半导体模块具有更紧凑的结构和简化组件安装。
上述目的通过如权利要求1所述的功率半导体模块来实现。根据本发明，包括电流导引件和弹性元件的组合以这样地方式修改，半导体器件的第一主端子和盖板之间的导电连接件通过弹性元件的内部区域引导。这样，电流和热不再在弹性元件的外周围传导，而是在弹性元件的内部传导。采用这种方式，导电连接件的最小横截面和平均横截面与现有技术相比都会增加。缩短具有接近最小横截面的横截面值的连接区域。总之，采用这种方式，电阻，特别是热阻会明显地减小。内部区域在以下应该理解为，贯通弹性元件的、基本上平行于弹性元件的预定压缩方向的，凹槽、开口、导引通孔等。
此外，本发明允许采用更大的弹性元件。另外，能够省去接触元件的部件间的内在压力接触件。本发明中，省去连接夹片可提供紧凑的结构和功率半导体模块组件的简单安装。
从下面本发明的优选的实施例并结合附图的详细说明，本发明上述的和其它的目的，优点和特征是显而易见的。
【附图说明】
在图中：
图1示出了现有技术中的功率半导体模块，
图2a示出了本发明第一实施例中没有接触压力作用时通过功率半导体模块部分的剖面，
图2b示出了接触压力作用下的图2a中的功率半导体模块，
图3示出了本发明的通过功率半导体模块优选方案部分的剖面，以及
图4示出了本发明另一优选结构的通过功率半导体模块部分的剖面。
附图中的标号及其所指示的装置编排在标号列表中。原则上，同一部件采用同一标号。
【具体实施方式】
图2a示意地示出了本发明第一个实施例中没有接触压力作用时通过功率半导体模块部分的剖面。半导体器件3通过第二主端子32上设置在基板1。接触压块5位于半导体器件3第一主端子31上的接触区域。这样，接触压块5的压柱52突出到弹性元件4的内部区域44。在本实施例中，所述的弹性元件4是一螺旋弹簧。这样，所述内部区域44就是一基本上为柱形的区域，它被一圈一圈的螺旋弹簧围起来。一可变形的连接元件6通过固定整体连接件56，连接到面对盖板2的接触压块5的端面51上，并且与盖板2接触。所述的接触压块5和所述的连接元件6形成电流导引件，电流导引件的挠性部分局部地设置在弹性元件上。通过面对着基板的压柱52端部的接触压块5的横截面的增加和所述连接元件6的适当形成，弹性元件4能够将接触压块5的力传递到连接元件6，反之亦然。与现有技术中的连接夹片81相比，连接元件6能够缩短，同时它的横截面能够增加，这样可以明显地减小电阻和热阻。这样也可以使接触压块5和连接元件6之间的热阻分布更好。所以，在功率半导体模块运行时能够获得均匀的温度梯度，连接元件6的第一温度明显地保持在半导体器件3的第二温度之下。端面51和连接元件6之间的所述固定整体连接件56去掉了对附加的内部压力接触件的需要，该接触件出现在现有技术的接触元件中。在本实施例中可以看到，位于盖板2和半导体器件3之间的压力接触件的数量能够减少到两个。所述的固定整体连接件56优选地为焊接连接件，但连接元件6也可以采用一些别的方法连接到端面51上。同样有利的例如是焊接连接件或低温连接件。然而，这样也是有利的，在生产中连接元件6和接触压块5直接用一块板加工。采用螺钉或铆钉连接件也是有利的。接触压块5和连接元件6优选地这样形成，它们相对旋转轴A旋转对称，但是采用其它的形成方式也是有利的。
当许多的功率半导体模块组装形成堆叠体或将功率半导体模块安装在高电平系统中时，通过基板1和盖板2发生电接触，为此要受到压力的作用，从而功率半导体模块压缩了如图2b所示的Δx距离。通过弹性元件4基板1或盖板2上的力传递到连接元件6或接触压块5。优选地，还具有侧面模块壁(图中未示出)，它决定了功率半导体模块的最大压缩率ΔX
max。如果采用具有弹性常量k的线性弹簧，功率半导体模块完全压缩时连接元件6和接触压块5上的压力F就是F＝kΔX
max。也可以采用非线性弹簧。
图3示意地示出了通过本发明功率半导体模块优选方案部分的剖面。在本实施例中，在弹性元件4和连接元件6之间设置一加压元件7。这种情况下所述的加压元件7成形为杯状，且优选地由绝缘材料组成。接触压块5的压柱52从加压元件7底壁的一开口71中穿过。适当形状的加压元件7可以将压力均匀地传递到连接元件6，而不依赖于弹性元件4的类型和形状。此外，采用加压元件7能够有利地增加可用的弹簧偏移幅度。
在本发明优选的结构中，弹性元件4通过杯形弹簧堆叠体形成，其中单个杯形弹簧分别具有至少一个孔或洞，且以孔或洞形成引导导电连接件的适合的内部区域的方式组装形成弹性元件。采用这样的弹性元件，例如，松驰状态下的长度或其它的弹性特性等性质能够受到堆叠体中采用的杯形弹簧的类型和/或数量的影响。这样在本发明的功率半导体模块的生产中允许提高挠性，因为采用少量不同的杯形弹簧也可以得到很多具有不同压力接触性的功率半导体模块。采用许多杯形弹簧形成的堆叠体，也具有可以减小由生产公差引起的偏离弹性元件的预期性能的效果。与现有技术相比，去掉外部连接夹片81后给更大的杯形弹簧提供了更多的空间。这样首先所述内部区域的直径能够更大地增加，这样可以增加弹簧内的导电横截面，其次更大的杯形弹簧能够更大程度地弯曲，剩下的内部压力就小了。这样，需要更少的弹簧就能够达到预期的弹性特性。
在本发明另一个的优选结构中，弹性元件4由平行设置的单个弹簧42组成，并且所述弹簧的第一端安装在第一紧固环41上，以及所述弹簧的第二端安装在第二紧固环43上，如图4所示。单个弹簧42之间的区域形成了弹性元件的内部区域44。这里，弹性元件4的特性能够通过改变弹性元件4中所用的单个弹簧42的类型和/或数量而改变。存在将单个弹簧42直接紧固到加压元件7上的装置，以替代所述的第一紧固环41。同样，存在将单个弹簧42紧固到接触压块5上的装置，以替代所述的第二紧固环43。
在本发明的优选结构中，半导体器件3是一单个的半导体芯片，第一和第二主电极分别形成所述的第一和第二主端子。
在本发明另一个的优选结构中，半导体器件3是一子模块，它包含多个并联和/或串联的半导体芯片，并且其中单个半导体芯片之间及与第一和第二主端子之间以适当的方式互联。
在本发明另一个的优选结构中，在第一主电极31和接触压块5之间和/或第二主电极32和基板1之间，功率半导体模块具有以薄片、板和/或焊接层的形式的中间层。以实施例出现的这种中间层为板，其可以适合半导体器件3的热膨胀，且中间层可以从如Mo，Cu，或Mo-Cu，Al-C，Cu-C或Al-Si-C复合物生产。
标记列表
1 基板
2 盖板
3 半导体器件
31 第一主端子
32 第二主端子
4 弹性元件
41 第一紧固环
42 单个弹簧
43 第二紧固环
44 内部区域
5 接触压块
51 接触压块的端面
52 压柱
56 固定整体连接件
6 连接元件
7 加压元件
71 开口
8 接触元件
81 连接夹片或导线
9 压块