[发明专利]母座、功率半导体模块以及具有多个功率半导体模块的半导体模块组装件

说明书

技术领域

本发明涉及具有支脚的第一母座，由此提供支脚基底以接触功率半导体器件的接触元件，特别是在包含基板和至少一个功率半导体器件的功率半导体模块中，该功率半导体器件设置在基板上并由至少一个第二母座接触。本发明进一步涉及功率半导体模块，其中包含基板、设置在基板上的至少一个功率半导体器件、以及用于接触至少一个功率半导体器件的至少一个接触元件的至少一个第一母座。本发明还涉及包含多个功率半导体模块的功率半导体模块组装件。

背景技术

上述种类的第一母座(为了简化描述也称作母座)是本领域众所周知的并且用于接触功率半导体器件领域，特别是大功率半导体器件。在这个领域，正常操作模式下至少30A以及故障情况下2000A范围内的高电流经过母座，优选不影响其完整性。每个母座包含支脚和首部，它们可沿母座纵轴互相相对移动并且通过例如电流旁路电互连。在支脚和首部之间设置弹簧元件，它对支脚和首部施加向外的力以使它们推压功率半导体器件的接触元件和相对触点，例如壳体的盖子，从而保持它们之间的电连接。弹簧元件可以是弹簧垫圈组，但也可以使用其它弹簧元件。支脚与相应接触元件之间的接触经由支脚基底提供。此类母座通常用于接触栅极或控制触点、集电极触点和/或发射极触点。

如上所述的接触元件可以是例如功率半导体器件的顶面或底面，取决于其布置，或基板上提供的分离的接触元件，专门用于接触功率半导体器件的控制电极。控制电极通常是栅极电极，它通过电线等电连接到此分离的接触元件。功率半导体器件的控制电极通常位于其顶面上。

仅为举例说明之目的，半导体芯片的底面或集电极侧可通过锡焊、烧结等方式连接到导电的基板，由此形成表面接触。半导体器件的顶面或发射极侧可通过母座接触。连接到栅极电极的分离的接触元件设置在基板上并与基板电隔离，并且也通过母座接触。

这些功率半导体器件可处理约1.7 kV或更高的电压。半导体器件与基板之间的表面接触还使热量从半导体传送出去，即半导体器件热耦合和电耦合到基板。用于此领域的典型功率半导体器件为像绝缘栅双极晶体管(IGBT)、反向导电绝缘栅双极晶体管(反向导电IGBT)、双模绝缘栅晶体管(BIGT)或(功率)二极管的功率晶体管。

为了形成可处理高达100 A或更高的电流的功率半导体模块，经常组合功率半导体器件。功率半导体器件在基板上并联设置，基板通常形成功率半导体模块的导电基底。功率半导体模块通常由导电盖覆盖，它为功率半导体器件提供另一个触点。功率半导体器件通常通过母座连接到导电盖。对于功率晶体管，控制触点也连接到盖子，由此盖子与控制触点绝缘。

多个功率半导体模块可进一步组合以形成功率半导体模块组装件。功率半导体模块在公共壳体中机械和电学地互相并联设置。半导体模块的基板形成模块组装件的导电基底。此外，功率半导体模块组装件的壳体也由导电盖覆盖，导电盖与在其中设置的功率半导体模块的盖子接触。功率半导体模块组装件可包含相同的功率半导体模块，例如包含功率晶体管的功率半导体模块，或不同的功率半导体模块，例如一组包含功率晶体管的功率半导体模块以及包含二极管的至少一个功率半导体模块。这类功率半导体模块组装件被本申请人称作“Stakpak”，并可用于形成处理高达数百kV的堆叠布置，例如在HVDC应用中使用。相应地，功率半导体模块组装件的机械设计经过优化以便于在长堆叠中钳位。在这些堆叠布置中，单个功率半导体模块组装件的机械和电稳定性对防止整个堆叠布置出现故障至关重要。

取代将功率半导体模块设置到功率半导体模块组装件和功率半导体模块组装件堆叠中，还可直接堆叠功率半导体模块。

在这种情况下，各个功率半导体器件的短路故障模式(SCFM)的支持是重要特征。在功率半导体器件之一出现故障的情况下，它无法提供短路以实现从基板到盖子的传导。这归因于功率半导体模块以及功率半导体模块组装件，它们在SCFM中禁用。在多个功率半导体模块或功率半导体模块组装件串联连接时，例如形成上述堆叠布置，单个功率半导体器件的故障不会导致串联功率半导体模块或功率半导体模块组装件的故障。

特别是在这种短路故障模式中，高达2000A的极高电流可流经单个半导体器件和与故障功率半导体器件接触的相应母座，因为短路桥接所有并联功率半导体器件。为了实现这些功率半导体器件的长寿命并相应地实现功率半导体模块和功率半导体模块组装件的长寿命，期望短路故障模式可维持一年或更长时间。