專利名稱：大功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。
它涉及如權(quán)利要求1的前序部分中所述的一種功率半導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)：
集成柵雙極晶體管(Integrated Gate Bipolar Transistror)(IGBT)技術(shù)在用于電力系統(tǒng)的應(yīng)用，例如HVDC傳輸和電力質(zhì)量管理的電壓源變換器(VSC)中的推廣應(yīng)用達(dá)到了新的高度。
目前，IGBT是這些應(yīng)用的最好選擇，因?yàn)樗腥缦碌囊恍┨攸c(diǎn)-低功率控制，因?yàn)樗荕OS控制器件，例如當(dāng)在高的電壓電平(幾百KV)上操作時(shí)是有利的。
-晶體管操作，它能以閂鎖替換方案(latching altematives)所不可能的方式精確地控制設(shè)備(例如即使在短路情況下變換器也可能被關(guān)斷)。
-高開(kāi)關(guān)速度，因此能夠使高的開(kāi)關(guān)頻率可行。
雖然在電方面很適用，直到新的緊壓包(press pack)技術(shù)被引入，IGBT才在這樣的高功率、高分布(profile)應(yīng)用中，達(dá)到它目前的狀況。某些關(guān)鍵的封裝方面被重新設(shè)計(jì)，因此使傳統(tǒng)的晶閘管為基礎(chǔ)的市電整流逆變器技術(shù)進(jìn)展到以IGBT為基礎(chǔ)的電壓源技術(shù)。
當(dāng)前可得到的具有競(jìng)爭(zhēng)力的IGBT緊壓包封裝是從傳統(tǒng)的晶閘管，hockeypuck’封裝改制的。這種剛性壓力接觸技術(shù)對(duì)于IGBT芯片表面上的敏感微結(jié)構(gòu)的保護(hù)不是最佳的。因此要求用戶提供近似理想的較冷的表面和在組裝期間極小心地處理這樣的器件。當(dāng)模塊尺寸因?yàn)檩^高的電流額定值而增加的時(shí)候，問(wèn)題更嚴(yán)重。由于這些短點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本存在顯著的成本影響。
功率范圍從幾到幾百M(fèi)W的變換器使用數(shù)量可觀的半導(dǎo)體器件。當(dāng)變換器的電壓達(dá)到幾千KV的時(shí)候，大量半導(dǎo)體器件的串連是必不可少的。最適于串連的形式是各元件在彼此的頂部互相堆放，這是從晶閘管已知的。一個(gè)適合于這樣一種應(yīng)用的IGBT模塊必須滿足下面的機(jī)械要求
-為了在可以是幾米長(zhǎng)的組裝堆的運(yùn)輸和操作期間提供滿意的機(jī)械穩(wěn)定性，高達(dá)100KN的高夾緊力是必須的。
-為了使系統(tǒng)和組件成本減到最小，對(duì)非均勻壓力的高容限是需要的。
在US 5,705,853中引入了一種新的壓力-接觸技術(shù)。通過(guò)使用如圖1所示的和剛性外殼組合的一個(gè)柔性發(fā)射體觸點(diǎn)(單個(gè)壓力針)，在芯片上的直接壓力就從外部夾緊力中被解除了。
芯片1上的接觸配件(單個(gè)壓力針)6是柔性的，在夾緊時(shí)，它們被壓縮直到頂板3和基座板2觸到剛性外殼元件4。當(dāng)外力進(jìn)一步增加，芯片1上的壓力將保持穩(wěn)定，而外殼4將承受附加的力。頂板3必須足夠厚以使引導(dǎo)柔性壓力針接觸元件的棒垂直運(yùn)動(dòng)，并在這些接觸元件6施加的壓力下不被彎曲。即使大量的芯片安排在一個(gè)模塊的內(nèi)部，單個(gè)壓力針6也提供了均勻的壓力分布。
這個(gè)構(gòu)思的顯著優(yōu)點(diǎn)是，與具有剛性銅極片的傳統(tǒng)的，hockey-puck’設(shè)計(jì)相比它對(duì)壓力不均勻的敏感小得多，它提供了很高的安裝力和寬得多的機(jī)械容差。結(jié)果就增加了機(jī)械可靠性且減少了成本。
在高的電網(wǎng)電壓下操作的HVDC系統(tǒng)中，許多器件通常是串連連接的。今天，一個(gè)大的管理幾百M(fèi)W的VSC為基礎(chǔ)的HVDC站，可能由總計(jì)上千個(gè)IGBT模塊裝備。通過(guò)把額外的器件加到串連連接的器件堆中，就可以在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)冗余。這使得即使某些單獨(dú)的半導(dǎo)體器件發(fā)生故障也能操作系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的高的有效使用效率，使定期維修減到最少。
因?yàn)楦髌骷谴B工作的，實(shí)現(xiàn)這種冗余的一個(gè)先決條件是，元件按可控制方式出現(xiàn)故障，形成具有足夠小電阻的短路以便能傳導(dǎo)系統(tǒng)中的總電流。不允許器件開(kāi)路故障，因?yàn)檫@會(huì)引起負(fù)載電流的中斷。在短路故障方式(SCFM)工作的故障元件在以后的定期維修期間被替換。
為了增加SCFM可靠性，新的封裝技術(shù)已經(jīng)研究。EP0989611描述了一種即使在小電流下也具有長(zhǎng)期穩(wěn)定SCFM的半導(dǎo)體模塊。半導(dǎo)體芯片的硅和優(yōu)化接觸配件一起被冶金熔結(jié)。一個(gè)低熔點(diǎn)化合物形成，導(dǎo)致一個(gè)通過(guò)芯片的高導(dǎo)電通路。在故障以后芯片的熔結(jié)立即發(fā)生，此時(shí)大電流沖擊使壓在芯片上的冶金優(yōu)化材料熔化并與下面的硅發(fā)生反應(yīng)。結(jié)果在系統(tǒng)的使用期限后操作的期間中獲得可靠的SCFM性能。
使各種電流額定值的變換器的堆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化具有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)。因此最好是，所有的封裝在IGBT電流額定值范圍中是固定的，低電流額定值的器件的成本沒(méi)有明顯的增加。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是制造一種上述類型的改進(jìn)的功率半導(dǎo)體模塊，它允許高度標(biāo)準(zhǔn)化，并在電流額定值的范圍提供了靈活性。
這些目的通過(guò)權(quán)利要求1的功率半導(dǎo)體模塊實(shí)現(xiàn)了。
在具有導(dǎo)電基板，導(dǎo)電蓋板和多個(gè)半導(dǎo)體芯片的本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊中，半導(dǎo)體芯片分成幾組安排在預(yù)先裝配的子模塊中的分離的幾個(gè)基板上，這些基板可朝向蓋板移動(dòng)。
各子模塊平行地安排在模塊外殼中。各子模塊按照其電流額定值全部可被測(cè)試。測(cè)試子模塊比測(cè)試單個(gè)芯片更可靠，因?yàn)閹讉€(gè)例如不同種類的芯片的相互作用可以被測(cè)試。模塊的總電流額定值是通過(guò)平行安排在模塊外殼內(nèi)的子模塊的數(shù)量確定的。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，使半導(dǎo)體芯片和蓋板和/或基板連接的接觸元件是通過(guò)安裝到基板的子模塊外殼元件引導(dǎo)的。這些子模塊外殼元件使得在運(yùn)輸和處理期間半導(dǎo)體芯片和預(yù)先裝配的子模塊的接觸元件穩(wěn)定。
至少部分地圍繞在每個(gè)子模塊的基板周圍的子模塊外殼元件具有外部伸出件，它們與模塊的外殼元件的伸出件相互作用。在把模塊安裝到散熱片上，或幾個(gè)模塊在彼此位于頂部相互堆放以前，每個(gè)子模塊被夾入具有從模塊外殼元件伸出的可動(dòng)基板的模塊外殼中。在安裝或堆置以后，基板與外殼元件對(duì)準(zhǔn)。外殼元件承受外部堆置力而接觸元件施加在基板上的壓力是穩(wěn)定的。
模塊設(shè)計(jì)最希望的方面是它的成本有效性。這主要是通過(guò)顯著提高生產(chǎn)率來(lái)達(dá)到的，特別對(duì)于大電流額定值的模塊，使用這種方法比用非模塊方法更優(yōu)越。小的子模塊可以以高生產(chǎn)率大量生產(chǎn)。由于子模塊全部被預(yù)先測(cè)試，即使在最后測(cè)試中有某些失敗，故障的子模塊也被簡(jiǎn)單地拿出外殼并被替換，所以整體模塊產(chǎn)量就接近理想。


本發(fā)明的主題將在下文中參考附圖中解釋的優(yōu)選實(shí)施更詳細(xì)地解釋。其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體模塊，
圖2是在把子模塊夾入模塊以前的，具有子模塊的本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊的各部分；圖3是把模塊安裝到散熱片上以前，被夾入模塊的圖2的子模塊；圖4是圖3的子模塊，和安裝到散熱片上的模塊；圖5是在施加外部夾緊力以前圖2的半導(dǎo)體模塊堆；圖6是圖5的半導(dǎo)體模塊的壓縮堆；和圖7是圖2的半導(dǎo)體模塊的頂視圖。
附圖中使用的參考符號(hào)和它們的意義以簡(jiǎn)明的形式列于參考符號(hào)表中，原則上，在各圖中，相同的部分使用相同的參考符號(hào)。
具體實(shí)施例方式
圖2是本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊的幾個(gè)子模塊之一。
所希望數(shù)量的半導(dǎo)體芯片1，例如IGBT或二極管被焊接到具有低熱膨脹系數(shù)的基板2(例如是由MO制造的)上，從而在芯片和基板之間形成可靠的焊接結(jié)合。半導(dǎo)體芯片1的底部上具有第一電極，頂表面上有第二電極。
半導(dǎo)體芯片的種類和數(shù)量可以選擇而無(wú)任何限制。能夠制造只包含IGBT，只包含二極管，或IGBT對(duì)二極管是任何可能比例的子模塊。
在芯片1的頂部，柔性的單個(gè)壓力針接觸件6和最優(yōu)的SCFM的幾個(gè)不同層一起安排。因?yàn)檫@些層不是被焊接的而是被壓在一起的(干壓接觸)，它們就通過(guò)模制聚酰胺子模塊外殼元件5引導(dǎo)，外殼元件5，例如，是粘到基板2上的。子模塊外殼元件確保芯片頂部的幾層可不被移動(dòng)。
彈簧墊施加壓力到接觸堆和半導(dǎo)體芯片上。在柔性的單個(gè)壓力針接觸件的頂部是一個(gè)接觸件61，用于和模塊的蓋板3接觸。接觸件61是在單個(gè)壓力針6和蓋板之間的一個(gè)電連接。它的厚度足以運(yùn)載流過(guò)半導(dǎo)體芯片的電流。接觸件61是U形的，其底部有一個(gè)孔，孔中安排有引導(dǎo)彈簧墊的棒。接觸元件61足夠高，使能夠相對(duì)于棒作垂直運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的模塊比較，蓋板的厚度可以減小，因?yàn)榇怪笨蓜?dòng)的棒完全埋入接觸元件61中。蓋板3單獨(dú)用于固定壓力針堆，使它們?cè)谔幚砗瓦\(yùn)輸期間不會(huì)從子模塊脫出。和傳統(tǒng)的模塊相比，較少的材料用于蓋板，這當(dāng)然有助于減少成本。
IGBT的柵電極經(jīng)導(dǎo)線連接接觸連到柵澆口8(gate runner)。硅膠裝入子模塊外殼中以提供鈍化作用，并保護(hù)半導(dǎo)體芯片的排列。硅膠也防止幾個(gè)層在芯片的頂部移動(dòng)。在硅膠固化以后，具有全部功能并可測(cè)試的子模塊就可得到。
然后，所完成的子模塊按照安裝在其上的半導(dǎo)體芯片的種類和數(shù)量全部被測(cè)試。
在被測(cè)試以后，各子模塊被夾入模塊外殼，模塊外殼是由導(dǎo)電蓋板3和剛性模塊外殼元件4組成的。
模塊外殼具有固定數(shù)量的用于子模塊的槽，例如分成兩排的六個(gè)槽。在這個(gè)固定數(shù)目中，任何數(shù)量的子模塊可例如根據(jù)所希望的電流額定值被插入到模塊外殼中。
模塊外殼是彈性承受爆炸的。實(shí)驗(yàn)表明具有最小沖擊強(qiáng)度60KJ/m2的材料是需要的。剛性的外殼元件4是由長(zhǎng)纖維加固的復(fù)合材料制成的，加強(qiáng)纖維的最小長(zhǎng)度是0.1m。這些材料具有上述那種沖擊強(qiáng)度，因此提供了所需要的強(qiáng)度，使外殼經(jīng)受得住象幾百KA的電流在幾百微秒的持續(xù)時(shí)間內(nèi)放電引起的爆炸壓力產(chǎn)生的應(yīng)力。其它普通使用的短纖維加強(qiáng)的塑料材料是不滿足的。
如圖3所示各子模塊被夾置在模塊外殼中。子模塊輕輕壓抵在蓋板3上，子模塊的外部伸出件51輕輕壓抵在剛性模塊外殼元件的伸出件41上。在相互作用的伸出件41和51之間，安排有小片彈性、絕緣泡沫42以吸收震動(dòng)，防止在處理和運(yùn)輸期間損害子模塊。泡沫材料被粘到剛性模塊外殼的伸出件41上?；?從模塊外殼的底部開(kāi)孔中伸出。接觸堆的頂部接觸元件61輕輕壓抵在蓋板3上，柔性接觸元件6被壓縮，施加一個(gè)小的接觸力到半導(dǎo)體芯片1上。
然后每個(gè)制成的具有子模塊夾置在里面的模塊被安裝到散熱片7上。然后，具有散熱片的模塊被堆置(串連)。
如圖4所示，伸出件41和51已不再相互作用?；?被推回到模塊外殼中，與剛性的外殼元件4對(duì)準(zhǔn)。柔性接觸元件6被進(jìn)一步壓縮，施加一個(gè)進(jìn)一步增加的，最優(yōu)的接觸力到半導(dǎo)體芯片1上。
由于僅當(dāng)模塊被安裝在散熱片上并和其它模塊一起堆放的時(shí)候單個(gè)壓力針的全部接觸力才被施加，所以頂板3可以保持很薄。在組裝和儲(chǔ)存模件期間，只有一個(gè)小的接觸力加在頂板3上，所以它不會(huì)彎曲。
半導(dǎo)體控制信號(hào)，例如IGBT的柵信號(hào)，是通過(guò)一個(gè)公共柵/安裝在模塊的蓋上的輔助接觸81提供的，如圖7所示。每個(gè)子模塊的柵澆口(Gate runners)通過(guò)一個(gè)彈性電接觸(未示出)連接，并會(huì)聚在公共柵信號(hào)導(dǎo)體8上。如圖5和6所示，幾個(gè)預(yù)先測(cè)試的子模塊平行地安排在一個(gè)模塊外殼中。子模塊的數(shù)量可根據(jù)所要求的模塊的電流額定值選擇。圖5示出了在堆放和施加夾緊力以前的兩個(gè)非壓縮狀態(tài)模塊。
圖6是按照本發(fā)明制成的兩個(gè)半導(dǎo)體模塊的堆。
由于模塊的有利的長(zhǎng)寬比(高/寬≈1/10)，堆是很穩(wěn)定的。通過(guò)堆中每個(gè)模塊的剛性外殼元件4容易實(shí)現(xiàn)直到100KN的夾緊力，同時(shí)半導(dǎo)體芯片上的壓力保持穩(wěn)定。
由于半自由的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以獲得很低的熱阻，可使堆中的每個(gè)模件單邊冷卻。
子模塊的極好的平行安排由于模塊的結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性質(zhì)，并通過(guò)如圖7所示的柵信號(hào)的合適的路徑而被獲得。
參考符號(hào)表1.半導(dǎo)體芯片2.基板3.蓋板4.模塊外殼元件5.子模塊外殼元件6.單個(gè)壓力針，柔性接觸元件7.散熱片8，81柵，輔助接觸41，51外殼伸出件42.泡沫61.接觸元件
權(quán)利要求
1.包括至少一個(gè)導(dǎo)電基板(2)，一個(gè)導(dǎo)電蓋板(3)和多個(gè)半導(dǎo)體芯片(1)的功率半導(dǎo)體模塊，-所述半導(dǎo)體芯片(1)通過(guò)第一主電極電連接到基板(2)，-所述半導(dǎo)體芯片通過(guò)第二主電極并經(jīng)過(guò)柔性接觸元件(6)被電連接到蓋板(3)，—所述蓋板(3)固定到柔性接觸元件的壓縮限制的剛性的外殼元件(4)，所述蓋板和剛性外殼元件形成模塊外殼，其特征在于，-所述半導(dǎo)體芯片(1)幾個(gè)一組地被安排在預(yù)先裝配的、可全部測(cè)試的子模塊中的分開(kāi)的基板(2)上，并且-基板(2)可朝蓋板(3)相對(duì)移動(dòng)。
2.權(quán)利要求1的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，-每個(gè)子模塊的接觸元件由子模塊外殼元件(5)引導(dǎo)，所述子模塊外殼元件(5)被固定到基板(2)上。
3.權(quán)利要求2的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，-子模塊外殼元件(5)至少部分地圍繞在基板(2)的周圍，并具有外部伸出件(51)，并且-每個(gè)子模塊通過(guò)剛性外殼元件(4)的伸出件(41)承載的子模塊外殼元件的上述伸出件(51)被夾置在模塊外殼中。
4.權(quán)利要求1至3的任何一個(gè)的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，-剛性外殼元件(4)是由沖擊強(qiáng)度大于60KJ/m2的材料制成的。
5.權(quán)利要求4的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，-剛性外殼元件(4)是由長(zhǎng)纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料制成的。
全文摘要
可堆置的功率半導(dǎo)體模塊，包括導(dǎo)電基板(2)，導(dǎo)電蓋板(3)和多個(gè)半導(dǎo)體芯片(1)。半導(dǎo)體芯片幾個(gè)一組地被守排在預(yù)先裝配的子模塊中的單個(gè)基板上。基板(2)可朝蓋板(3)移動(dòng)。子模塊在模塊外殼內(nèi)平行安排。子模塊在模塊完全可以按照它們的電流額定值測(cè)試。改變平行安排在外殼內(nèi)的子模塊數(shù)目可以改變模塊的總的電流額定值。
文檔編號(hào)H01L25/00GK1596472SQ02810995
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2002年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月1日
發(fā)明者S·考夫曼, T·朗, E·赫爾, M·尼古拉, S·格克尼迪斯 申請(qǐng)人:Abb瑞士有限公司