大功率半导体模块 【技术领域】
本发明涉及大功率半导体领域。
它涉及如权利要求1的前序部分中所述的一种功率半导体模块。
背景技术
集成栅双极晶体管(Integrated Gate Bipolar Transistror)(IGBT)技术在用于电力系统的应用，例如HVDC传输和电力质量管理的电压源变换器(VSC)中的推广应用达到了新的高度。
目前，IGBT是这些应用的最好选择，因为它有如下的一些特点：
-低功率控制，因为它是MOS控制器件，例如当在高的电压电平(几百KV)上操作时是有利的。
-晶体管操作，它能以闩锁替换方案(latching altematives)所不可能的方式精确地控制设备(例如即使在短路情况下变换器也可能被关断)。
-高开关速度，因此能够使高的开关频率可行。
虽然在电方面很适用，直到新的紧压包(press pack)技术被引入，IGBT才在这样的高功率、高分布(profile)应用中，达到它目前的状况。某些关键的封装方面被重新设计，因此使传统的晶闸管为基础的市电整流逆变器技术进展到以IGBT为基础地电压源技术。
当前可得到的具有竞争力的IGBT紧压包封装是从传统的晶闸管，hockeypuck’封装改制的。这种刚性压力接触技术对于IGBT芯片表面上的敏感微结构的保护不是最佳的。因此要求用户提供近似理想的较冷的表面和在组装期间极小心地处理这样的器件。当模块尺寸因为较高的电流额定值而增加的时候，问题更严重。由于这些短点，对系统的生产成本存在显著的成本影响。
功率范围从几到几百MW的变换器使用数量可观的半导体器件。当变换器的电压达到几千KV的时候，大量半导体器件的串连是必不可少的。最适于串连的形式是各元件在彼此的顶部互相堆放，这是从晶闸管已知的。一个适合于这样一种应用的IGBT模块必须满足下面的机械要求：
-为了在可以是几米长的组装堆的运输和操作期间提供满意的机械稳定性，高达100KN的高夹紧力是必须的。
-为了使系统和组件成本减到最小，对非均匀压力的高容限是需要的。
在US 5,705,853中引入了一种新的压力-接触技术。通过使用如图1所示的和刚性外壳组合的一个柔性发射体触点(单个压力针)，在芯片上的直接压力就从外部夹紧力中被解除了。
芯片1上的接触配件(单个压力针)6是柔性的，在夹紧时，它们被压缩直到顶板3和基座板2触到刚性外壳元件4。当外力进一步增加，芯片1上的压力将保持稳定，而外壳4将承受附加的力。顶板3必须足够厚以使引导柔性压力针接触元件的棒垂直运动，并在这些接触元件6施加的压力下不被弯曲。即使大量的芯片安排在一个模块的内部，单个压力针6也提供了均匀的压力分布。
这个构思的显著优点是，与具有刚性铜极片的传统的，hockey-puck’设计相比它对压力不均匀的敏感小得多，它提供了很高的安装力和宽得多的机械容差。结果就增加了机械可靠性且减少了成本。
在高的电网电压下操作的HVDC系统中，许多器件通常是串连连接的。今天，一个大的管理几百MW的VSC为基础的HVDC站，可能由总计上千个IGBT模块装备。通过把额外的器件加到串连连接的器件堆中，就可以在系统中实现冗余。这使得即使某些单独的半导体器件发生故障也能操作系统，保证了系统的高的有效使用效率，使定期维修减到最少。
因为各器件是串连工作的，实现这种冗余的一个先决条件是，元件按可控制方式出现故障，形成具有足够小电阻的短路以便能传导系统中的总电流。不允许器件开路故障，因为这会引起负载电流的中断。在短路故障方式(SCFM)工作的故障元件在以后的定期维修期间被替换。
为了增加SCFM可靠性，新的封装技术已经研究。EP0989611描述了一种即使在小电流下也具有长期稳定SCFM的半导体模块。半导体芯片的硅和优化接触配件一起被冶金熔结。一个低熔点化合物形成，导致一个通过芯片的高导电通路。在故障以后芯片的熔结立即发生，此时大电流冲击使压在芯片上的冶金优化材料熔化并与下面的硅发生反应。结果在系统的使用期限后操作的期间中获得可靠的SCFM性能。
使各种电流额定值的变换器的堆设计标准化具有经济上的优点。因此最好是，所有的封装在IGBT电流额定值范围中是固定的，低电流额定值的器件的成本没有明显的增加。
【发明内容】
因此，本发明的目的是制造一种上述类型的改进的功率半导体模块，它允许高度标准化，并在电流额定值的范围提供了灵活性。
这些目的通过权利要求1的功率半导体模块实现了。
在具有导电基板，导电盖板和多个半导体芯片的本发明的功率半导体模块中，半导体芯片分成几组安排在预先装配的子模块中的分离的几个基板上，这些基板可朝向盖板移动。
各子模块平行地安排在模块外壳中。各子模块按照其电流额定值全部可被测试。测试子模块比测试单个芯片更可靠，因为几个例如不同种类的芯片的相互作用可以被测试。模块的总电流额定值是通过平行安排在模块外壳内的子模块的数量确定的。
在本发明的优选实施例中，使半导体芯片和盖板和/或基板连接的接触元件是通过安装到基板的子模块外壳元件引导的。这些子模块外壳元件使得在运输和处理期间半导体芯片和预先装配的子模块的接触元件稳定。
至少部分地围绕在每个子模块的基板周围的子模块外壳元件具有外部伸出件，它们与模块的外壳元件的伸出件相互作用。在把模块安装到散热片上，或几个模块在彼此位于顶部相互堆放以前，每个子模块被夹入具有从模块外壳元件伸出的可动基板的模块外壳中。在安装或堆置以后，基板与外壳元件对准。外壳元件承受外部堆置力而接触元件施加在基板上的压力是稳定的。
模块设计最希望的方面是它的成本有效性。这主要是通过显著提高生产率来达到的，特别对于大电流额定值的模块，使用这种方法比用非模块方法更优越。小的子模块可以以高生产率大量生产。由于子模块全部被预先测试，即使在最后测试中有某些失败，故障的子模块也被简单地拿出外壳并被替换，所以整体模块产量就接近理想。
【附图说明】
本发明的主题将在下文中参考附图中解释的优选实施更详细地解释。其中：
图1是现有技术的半导体模块，
图2是在把子模块夹入模块以前的，具有子模块的本发明的半导体模块的各部分；
图3是把模块安装到散热片上以前，被夹入模块的图2的子模块；
图4是图3的子模块，和安装到散热片上的模块；
图5是在施加外部夹紧力以前图2的半导体模块堆；
图6是图5的半导体模块的压缩堆；和
图7是图2的半导体模块的顶视图。
附图中使用的参考符号和它们的意义以简明的形式列于参考符号表中，原则上，在各图中，相同的部分使用相同的参考符号。
【具体实施方式】
图2是本发明的半导体模块的几个子模块之一。
所希望数量的半导体芯片1，例如IGBT或二极管被焊接到具有低热膨胀系数的基板2(例如是由MO制造的)上，从而在芯片和基板之间形成可靠的焊接结合。半导体芯片1的底部上具有第一电极，顶表面上有第二电极。
半导体芯片的种类和数量可以选择而无任何限制。能够制造只包含IGBT，只包含二极管，或IGBT对二极管是任何可能比例的子模块。
在芯片1的顶部，柔性的单个压力针接触件6和最优的SCFM的几个不同层一起安排。因为这些层不是被焊接的而是被压在一起的(干压接触)，它们就通过模制聚酰胺子模块外壳元件5引导，外壳元件5，例如，是粘到基板2上的。子模块外壳元件确保芯片顶部的几层可不被移动。
弹簧垫施加压力到接触堆和半导体芯片上。在柔性的单个压力针接触件的顶部是一个接触件61，用于和模块的盖板3接触。接触件61是在单个压力针6和盖板之间的一个电连接。它的厚度足以运载流过半导体芯片的电流。接触件61是U形的，其底部有一个孔，孔中安排有引导弹簧垫的棒。接触元件61足够高，使能够相对于棒作垂直运动。与传统的模块比较，盖板的厚度可以减小，因为垂直可动的棒完全埋入接触元件61中。盖板3单独用于固定压力针堆，使它们在处理和运输期间不会从子模块脱出。和传统的模块相比，较少的材料用于盖板，这当然有助于减少成本。
IGBT的栅电极经导线连接接触连到栅浇口8(gate runner)。硅胶装入子模块外壳中以提供钝化作用，并保护半导体芯片的排列。硅胶也防止几个层在芯片的顶部移动。在硅胶固化以后，具有全部功能并可测试的子模块就可得到。
然后，所完成的子模块按照安装在其上的半导体芯片的种类和数量全部被测试。
在被测试以后，各子模块被夹入模块外壳，模块外壳是由导电盖板3和刚性模块外壳元件4组成的。
模块外壳具有固定数量的用于子模块的槽，例如分成两排的六个槽。在这个固定数目中，任何数量的子模块可例如根据所希望的电流额定值被插入到模块外壳中。
模块外壳是弹性承受爆炸的。实验表明具有最小冲击强度60KJ/m2的材料是需要的。刚性的外壳元件4是由长纤维加固的复合材料制成的，加强纤维的最小长度是0.1m。这些材料具有上述那种冲击强度，因此提供了所需要的强度，使外壳经受得住象几百KA的电流在几百微秒的持续时间内放电引起的爆炸压力产生的应力。其它普通使用的短纤维加强的塑料材料是不满足的。
如图3所示各子模块被夹置在模块外壳中。子模块轻轻压抵在盖板3上，子模块的外部伸出件51轻轻压抵在刚性模块外壳元件的伸出件41上。在相互作用的伸出件41和51之间，安排有小片弹性、绝缘泡沫42以吸收震动，防止在处理和运输期间损害子模块。泡沫材料被粘到刚性模块外壳的伸出件41上。基板2从模块外壳的底部开孔中伸出。接触堆的顶部接触元件61轻轻压抵在盖板3上，柔性接触元件6被压缩，施加一个小的接触力到半导体芯片1上。
然后每个制成的具有子模块夹置在里面的模块被安装到散热片7上。然后，具有散热片的模块被堆置(串连)。
如图4所示，伸出件41和51已不再相互作用。基板2被推回到模块外壳中，与刚性的外壳元件4对准。柔性接触元件6被进一步压缩，施加一个进一步增加的，最优的接触力到半导体芯片1上。
由于仅当模块被安装在散热片上并和其它模块一起堆放的时候单个压力针的全部接触力才被施加，所以顶板3可以保持很薄。在组装和储存模件期间，只有一个小的接触力加在顶板3上，所以它不会弯曲。
半导体控制信号，例如IGBT的栅信号，是通过一个公共栅/安装在模块的盖上的辅助接触81提供的，如图7所示。每个子模块的栅浇口(Gate runners)通过一个弹性电接触(未示出)连接，并会聚在公共栅信号导体8上。如图5和6所示，几个预先测试的子模块平行地安排在一个模块外壳中。子模块的数量可根据所要求的模块的电流额定值选择。图5示出了在堆放和施加夹紧力以前的两个非压缩状态模块。
图6是按照本发明制成的两个半导体模块的堆。
由于模块的有利的长宽比(高/宽≈1/10)，堆是很稳定的。通过堆中每个模块的刚性外壳元件4容易实现直到100KN的夹紧力，同时半导体芯片上的压力保持稳定。
由于半自由的浮动结构，可以获得很低的热阻，可使堆中的每个模件单边冷却。
子模块的极好的平行安排由于模块的结构的对称性质，并通过如图7所示的栅信号的合适的路径而被获得。
参考符号表
1.半导体芯片
2.基板
3.盖板
4.模块外壳元件
5.子模块外壳元件
6.单个压力针，柔性接触元件
7.散热片
8，81栅，辅助接触
41，51外壳伸出件
42.泡沫
61.接触元件