[發明專利]母座、功率半導體模塊以及具有多個功率半導體模塊的半導體模塊組裝件

在審

• 申請號: 201210293867.1
• 申請日: 2012-08-17
• 公開（公告）號: CN102956570A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: F.杜加爾
• 申請（專利權）人: ABB技術有限公司
• 主分類號: H01L23/12
• 分類號: H01L23/12;H01L23/04;H01L25/07;H01L25/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 姜甜;李浩

技術領域

本發明涉及具有支腳的第一母座，由此提供支腳基底以接觸功率半導體器件的接觸元件，特別是在包含基板和至少一個功率半導體器件的功率半導體模塊中，該功率半導體器件設置在基板上并由至少一個第二母座接觸。本發明進一步涉及功率半導體模塊，其中包含基板、設置在基板上的至少一個功率半導體器件、以及用于接觸至少一個功率半導體器件的至少一個接觸元件的至少一個第一母座。本發明還涉及包含多個功率半導體模塊的功率半導體模塊組裝件。

背景技術

上述種類的第一母座(為了簡化描述也稱作母座)是本領域眾所周知的并且用于接觸功率半導體器件領域，特別是大功率半導體器件。在這個領域，正常操作模式下至少30A以及故障情況下2000A范圍內的高電流經過母座，優選不影響其完整性。每個母座包含支腳和首部，它們可沿母座縱軸互相相對移動并且通過例如電流旁路電互連。在支腳和首部之間設置彈簧元件，它對支腳和首部施加向外的力以使它們推壓功率半導體器件的接觸元件和相對觸點，例如殼體的蓋子，從而保持它們之間的電連接。彈簧元件可以是彈簧墊圈組，但也可以使用其它彈簧元件。支腳與相應接觸元件之間的接觸經由支腳基底提供。此類母座通常用于接觸柵極或控制觸點、集電極觸點和/或發射極觸點。

如上所述的接觸元件可以是例如功率半導體器件的頂面或底面，取決于其布置，或基板上提供的分離的接觸元件，專門用于接觸功率半導體器件的控制電極。控制電極通常是柵極電極，它通過電線等電連接到此分離的接觸元件。功率半導體器件的控制電極通常位于其頂面上。

僅為舉例說明之目的，半導體芯片的底面或集電極側可通過錫焊、燒結等方式連接到導電的基板，由此形成表面接觸。半導體器件的頂面或發射極側可通過母座接觸。連接到柵極電極的分離的接觸元件設置在基板上并與基板電隔離，并且也通過母座接觸。

這些功率半導體器件可處理約1.7?kV或更高的電壓。半導體器件與基板之間的表面接觸還使熱量從半導體傳送出去，即半導體器件熱耦合和電耦合到基板。用于此領域的典型功率半導體器件為像絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、反向導電絕緣柵雙極晶體管(反向導電IGBT)、雙模絕緣柵晶體管(BIGT)或(功率)二極管的功率晶體管。

為了形成可處理高達100?A或更高的電流的功率半導體模塊，經常組合功率半導體器件。功率半導體器件在基板上并聯設置，基板通常形成功率半導體模塊的導電基底。功率半導體模塊通常由導電蓋覆蓋，它為功率半導體器件提供另一個觸點。功率半導體器件通常通過母座連接到導電蓋。對于功率晶體管，控制觸點也連接到蓋子，由此蓋子與控制觸點絕緣。

多個功率半導體模塊可進一步組合以形成功率半導體模塊組裝件。功率半導體模塊在公共殼體中機械和電學地互相并聯設置。半導體模塊的基板形成模塊組裝件的導電基底。此外，功率半導體模塊組裝件的殼體也由導電蓋覆蓋，導電蓋與在其中設置的功率半導體模塊的蓋子接觸。功率半導體模塊組裝件可包含相同的功率半導體模塊，例如包含功率晶體管的功率半導體模塊，或不同的功率半導體模塊，例如一組包含功率晶體管的功率半導體模塊以及包含二極管的至少一個功率半導體模塊。這類功率半導體模塊組裝件被本申請人稱作“Stakpak”，并可用于形成處理高達數百kV的堆疊布置，例如在HVDC應用中使用。相應地，功率半導體模塊組裝件的機械設計經過優化以便于在長堆疊中鉗位。在這些堆疊布置中，單個功率半導體模塊組裝件的機械和電穩定性對防止整個堆疊布置出現故障至關重要。

取代將功率半導體模塊設置到功率半導體模塊組裝件和功率半導體模塊組裝件堆疊中，還可直接堆疊功率半導體模塊。

在這種情況下，各個功率半導體器件的短路故障模式(SCFM)的支持是重要特征。在功率半導體器件之一出現故障的情況下，它無法提供短路以實現從基板到蓋子的傳導。這歸因于功率半導體模塊以及功率半導體模塊組裝件，它們在SCFM中禁用。在多個功率半導體模塊或功率半導體模塊組裝件串聯連接時，例如形成上述堆疊布置，單個功率半導體器件的故障不會導致串聯功率半導體模塊或功率半導體模塊組裝件的故障。

特別是在這種短路故障模式中，高達2000A的極高電流可流經單個半導體器件和與故障功率半導體器件接觸的相應母座，因為短路橋接所有并聯功率半導體器件。為了實現這些功率半導體器件的長壽命并相應地實現功率半導體模塊和功率半導體模塊組裝件的長壽命，期望短路故障模式可維持一年或更長時間。