功率半导体模块的制作方法
1.本发明涉及一种功率半导体模块，其具有功率半导体装置、载体板和至少一个连接引脚。
背景技术：
2.常见的功率半导体模块包括短路检测机构，其监测半导体功率装置的行为，所述半导体功率装置例如是作为开关进行操作并被包含在模块中的金属氧化物半导体(mos)场效应晶体管(fet)。短路检测机构可以通过栅极驱动器来实现，该栅极驱动器评估沿包含高电压二极管的场效应晶体管的负载路径的饱和电压。该二极管通常设置在载体板(例如，印刷电路板或陶瓷基板)处，并且在基板上的二极管周围需要大量空间以确保必要的爬电距离和净空距离。在其他应用中，需要在功率半导体模块中例如通过分压器来测量高电压，例如直流链路电压。分压器通常放置在基板上并散发大量热量，这需要分压器周围的空间以提供足够的冷却并确保净空距离和爬电距离。在其他应用中，负温度系数(ntc)电阻器用于测量模块的温度，该负温度系数(ntc)电阻器通常设置在载体板上。同样，在载体板上的ntc电阻器周围需要一些空间来将热量从ntc电阻器散发到载体板。通常，在基板上或基板附近没有太多可用空间，因此希望提供一种需要较少的基板上或基板附近的空间的电压控制元件的布置。
3.需要一种在模块中的特定装置周围提供更多空间的功率半导体模块。
技术实现要素：
4.一种功率半导体模块包括：电绝缘载体板，其表面上设置有结构化的导电金属化层；以及至少一个连接引脚，该连接引脚具有两端并粘附到载体板，连接引脚的一端电连接至金属化层。该模块还包括粘附到载体板并电连接到金属化层的半导体装置，以及包括电压或电流或者电压和电流控制装置的分立电路，其中所述电压或电流或者电压和电流控制装置与半导体装置操作性地耦合，并在连接引脚的两端之一处或在引脚的两端之间集成在连接引脚中。
附图说明
5.参考以下附图和描述可以更好地理解本发明。附图中的装置不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，相同的附图标记贯穿不同视图指代对应的部分。
6.图1是示出具有两片式连接引脚的功率半导体模块的示例性实施例的截面图，通过将电压或电流或者电压和电流控制装置嵌入模制化合物中来将所述电压或电流或者电压和电流控制装置集成到两片式连接引脚中，所述化合物模制物将连接引脚的两片相互粘附。
7.图2是示出具有一片式连接的功率半导体模块的示例性实施例的截面图，电压或
电流或者电压和电流控制装置通过引脚的一端处的外壳而集成到该一片式连接中。
8.图3是示出具有两片式连接引脚的功率半导体模块的示例性实施例的截面图，电压或电流或者电压和电流控制装置绕过模制化合物而集成到该两片式连接引脚中，该模制化合物将连接引脚的两片相互粘附。
9.图4是示出图3所示的实施例的截面图，其具有绕过模制化合物的附加的电压或电流或者电压和电流控制装置。
10.图5是示出具有两片式连接引脚的功率半导体模块的示例性实施例的截面图，通过将电压或电流或者电压和电流控制装置设置在两个附加外壳之间以便接纳引脚的两片，并且通过将电压或电流或者电压和电流控制装置和外壳的部分嵌入模制化合物中，来将电压或电流或者电压和电流控制装置集成到所述两片式连接引脚中。
11.图6是示出在功率半导体模块中实施的示例性电路的一部分的电路图。
具体实施方式
12.在以下详细描述中，参考了附图。附图示出了如何实践本发明的具体示例。应当理解，关于各种示例所描述的特征和原理可以彼此组合，除非另外特别指出。在说明书以及权利要求中，将某些元件命名为“第一元件”、“第二元件”、“第三元件”等不应被理解为列举。相反，此类名称仅用于命名不同的“元件”。即，例如，“第三元件”的存在不需要“第一元件”和“第二元件”的存在。如本文所述的半导体主体可以由(掺杂的)半导体材料制成并且可以是半导体芯片或者可以被包括在半导体芯片中。一种半导体本体具有电连接焊盘并且包括至少一个具有电极的半导体元件。
13.功率半导体模块为一个或多个功率半导体装置提供物理容器。这些功率半导体装置(也称为管芯)通常焊接或烧结在具有至少一个结构化金属层的电绝缘载体板上，所述载体板例如是为功率半导体装置提供支撑、并且在需要的地方提供电和热接触以及电绝缘的功率电子基板。与塑料壳体中的分立功率半导体相比，功率半导体模块是提供更高功率密度并且在许多情况下更可靠的封装。除了包含单个功率电子半导体装置(例如mosfet、igbt、bjt、晶闸管、gto或jfet或二极管)的模块外，经典的功率半导体模块还包含多个半导体管芯，这些管芯连接在一起以形成一定结构的电路，称为拓扑。功率半导体模块还可以包含其他装置，例如包含电阻器或电容器以用于最小化开关电压过冲，或包含ntc电阻器以用于监测模块的基板温度。传统上，螺钉接触部提供模块和功率电子系统的外部部件之间的电连接。另外或替代地，可以使用引脚接触部(焊接在基板上)或压入基板中的压入配合接触部。压入配合引脚实现了非常高的可靠性，并通过消除对焊接的需要而简化了安装过程。功率模块用于功率转换设备，例如工业电机驱动器、嵌入式电机驱动器、不间断电源、ac-dc电源和焊机电源。功率模块也广泛用于可再生能源的逆变器，例如风力涡轮机、太阳能电池板、潮汐发电厂和电动汽车。
14.图1示出了功率半导体模块的第一示例性实施例，其包括载体板，例如直接接合铜(dcb)陶瓷基板(图中所示)、印刷电路板(pcb)或其上具有导体图案的任何其他类型的合适的电绝缘板，其在本文被称为基板101。功率半导体模块还包括至少一个导电的结构化层。在图1所示的示例模块中，基板101包括两层102和103，例如铜层(图中所示)、铝层或任何其他合适的金属或金属复合层，每层粘附到基板101的两个相对侧中的一个。两个导电(例如
金属)外壳104和105通过焊料层106和107粘附到结构化层102和103中的一个(102)。外壳104和105具有杯状形状，其具有底壁和侧壁。每个外壳104、105的底壁粘附到结构化层102并且底壁和侧壁包围空腔。具有两端的导电(金属)引脚108和109以及这些端之间的轴在它们的一端被压入外壳104、105的空腔中以提供电接触以及机械夹持，并且形成用于108和109的电/机械插座。
15.引脚108和109中的一个(108)是常规的实心一片式引脚，至少在其与轴相对的一端具有压入配合接触区域114。另一个引脚(109)具有相似或相同的形状，但体现为两片110和111，其中片110包括用于外部连接的引脚的端部和压入配合区域115，并且片111包括压入到外壳105的空腔中的端部。两片110和111通过由例如模制化合物112形成的电绝缘护套彼此机械连接。模制化合物112可以包括环氧树脂或任何其他合适的有机或非有机塑料。两片110和111之间的电连接由电压或电流或者电压和电流控制装置113(电压和/或电流控制装置)提供，该控制装置113可以被焊接、压入或接合到两片110和111上。电压或电流或者电压和电流控制装置113可以是欧姆电阻器、热敏电阻器、二极管、电容器、或者控制装置上的电压或通过装置的电流或这两者的任何其他两极电元件，这取决于装置的温度、装置上的电压、和/或通过装置的电流中的至少一者。
16.替代地，引脚可以是焊接引脚，即，引脚具有焊接区域来代替压入配合区域114和115。焊接区域以及压入配合区域114和115提供与外部电路的电接触，所述外部电路例如是另一个基板、可焊线连接或插入式连接。因此，外壳104和105的两端可以具有可烧结和/或可焊接的表面，以允许特定的电(和机械)连接。
17.从图1可以看出，电装置113插入在引脚109的两片110和111之间。引脚109的两片110和111通过在模制工艺中产生的粘附而被机械连接。物理连接的机械稳定性由围绕引脚109的两片110和111的模制化合物112提供。由于电压或电流或者电压和电流控制装置113嵌入在模制化合物112中，因此它受到保护以抵抗灰尘或湿气等所有外部污染物。电压或电流或者电压和电流控制装置113可以被烧结或焊接到引脚109的两片110或111。该示例性界面实现了引脚109的两片110和111之间的电连接。
18.在图2所示的实施例中，其示出了在上面结合图1所示并描述的实施例的修改形式，图1中所示的两片式引脚109和外壳107由一件式引脚201和外壳202代替。电压或电流或者电压和电流控制装置203在该示例中可以是热敏电阻器，例如ntc电阻器(或二极管或任何其他装置)，其一端焊接到结构化金属层102并且另一端形成或连接到接纳引脚201的外壳202。例如，引脚201可以压入、烧结或焊接到外壳202上。在另一示例中，外壳202和电压或电流或者电压和电流控制装置203的界面彼此烧结，这允许在一个步骤中将外壳202和电压或电流或者电压和电流控制装置203的组合焊接到金属层102。
19.在该实施例中，不需要模制物，因为外壳202被焊接或烧结到电压或电流或者电压和电流控制装置203。电压或电流或者电压和电流控制装置203和外壳202的组合然后可以例如利用通常用于功率模块的外壳焊接工艺而安装到基板101上。然后将引脚201压入外壳202中。替代地，电压或电流或者电压和电流控制装置203在第一步中被烧结或焊接到引脚201上并且在第二步中被焊接或烧结到金属层102上。这些界面实现了相应的电连接。
20.现在参考图3，其示出了上面结合图1所示并描述的实施例的另一修改形式，图1中所示的两片式引脚109和外壳107被两片式引脚301和外壳302代替。引脚301包括两片303和
304，它们经由模制化合物305被机械连接以在两片303和304之间提供稳定性并且使它们彼此电绝缘。电压或电流或者电压和电流控制装置306在这里是高电压二极管或任何其他如上所述的电装置，其被焊接在引脚301的两片303和304的焊盘309和310上。例如，焊盘309和310可以垂直于引脚301的纵轴切割穿过模制化合物305，以便为两片303和304中的每一个的焊接层307和308提供支撑。焊接层307和308将电压或电流或者电压和电流控制装置306电连接到引脚301的两片303和304。在所示示例中，电压或电流或者电压和电流控制装置焊接到两片式连接引脚，但可以采用任何其他连结方法来实现两片之间的电连接。
21.引脚301的两片303和304通过由模制化合物305提供的粘附而彼此机械固定。用于将高电压二极管306粘附并电连接到片303和304的焊接工艺不会破坏引脚301的两片303和304之间的接头的机械稳定性。此外，两片303和304之间的接头最终可以由电压或电流或者电压和电流控制装置306机械地强制实现。
22.图4示出了上面结合图3示出并描述的实施例的扩展，其中附加的电压或电流或者电压和电流控制装置401连接在引脚301的两片303和304之间，这意味着与电压二极管306并联。附加的电压或电流或者电压和电流控制装置401被焊接到引脚301的两片303和304的附加焊盘402和403。附加焊盘402和403可以例如垂直于引脚301的纵轴切割穿过模制化合物305并与焊盘309和310相对，以便为两片303和304中的每一个处的焊接层404和405提供支撑。附加的焊接层404和405将附加的电装置401电连接到引脚301的两片303和304。在所示示例中，电压或电流或者电压和电流控制装置焊接到两片式连接引脚，但可以采用任何其他连结方法来实现两片之间的电连接。
23.该配置可以通过将功率分配给多个装置来帮助减少电压或电流或者电压和电流控制装置306中的散发的能量，并且可以允许创建更复杂的电路，例如电阻器-电容器(rc)元件。两片303和304之间的接头的机械稳定性可以通过附加的电装置401而被进一步强制实现。
24.在图5所示的实施例中，其示出了上面结合图1所示并描述的实施例的另一修改形式，两个附加的外壳501和502被部分(如图5所示)或完全(未示出)嵌入模制物112中，并通过压入、焊接、烧结或任何其他适当的方式而电连接到电压或电流或者电压和电流控制装置113。引脚109的两片110和111均在它们的一端被压入外壳501和502之一中。
25.图6示出了在功率半导体模块中实施的示例性电路的一部分，该功率半导体模块使用具有如上所述的集成电压或电流或者电压和电流控制装置的引脚中的至少一个。具有漏极线602、栅极线603和源极线604的半导体开关601可以附接到模块壳体(未示出)中的基板(未示出)。虽然漏极线602和栅极线603连接到模块内的其他装置(未示出)，但源极线604通过直接连接到源极线604的引脚605、经由二极管607连接到源极线604的引脚606和经由ntc电阻器609连接到源极线604的引脚608连接到外部电路。例如，引脚605可以实施为类似于或相同于上文结合图1描述的引脚108，引脚606可以实施为类似于或相同于上文结合图1描述的引脚109或上文结合图3描述的引脚301或上文结合图5描述的引脚501，并且引脚608可以实施为类似于或相同于上文结合图2描述的引脚201。
技术特征：
1.一种功率半导体模块，包括：电绝缘载体板，具有设置在其表面上的结构化的导电金属化层；至少一个连接引脚，具有两端并且粘附到所述载体板，所述连接引脚的一端电连接到所述金属化层；半导体装置，粘附到所述载体板并且电连接到所述金属化层；以及分立电路，包括电压或电流或者电压和电流控制装置，所述电压或电流或者电压和电流控制装置被操作性地与所述半导体装置耦合并且在所述连接引脚的所述两端之一处或所述两端之间集成在所述连接引脚中。2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述电压或电流或者电压和电流控制装置是二极管、电容器、热敏电阻器和电阻器中的一种。3.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，所述连接引脚的至少一端包括适于压入配合连接或适于焊接连接的区域。4.根据权利要求1-3中任一项所述的功率半导体模块，其中，所述连接引脚具有经由所述电压或电流或者电压和电流控制装置彼此电连接的单独的两片，其中，所述电压或电流或者电压和电流控制装置设置在所述连接引脚的所述两片之间，并且嵌入在将所述连接引脚的所述两片机械连接的第一模制化合物中。5.根据权利要求4所述的功率半导体模块，其中，所述两片中的第一片包括所述引脚的所述一端，所述第一片粘附到所述载体板并电连接到所述金属化层，并且所述两片中的第二片包括所述引脚的所述另一端并且充当外部连接元件。6.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其中，所述第一片粘附到所述载体板并且经由第一插座电连接到所述金属化层，所述第一插座在一侧焊接到所述金属化层，并且在另一侧电且机械地连接到所述第一片。7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其中，所述第一插座是或包括外壳，所述外壳具有杯状形状，所述外壳具有空腔，所述空腔被配置为利用所述引脚的所述第一端接纳所述引脚的所述第一片。8.根据权利要求1-3中任一项所述的功率半导体模块，其中，所述连接引脚具有单独的两片，所述两片经由第二模制化合物彼此机械连接并且经由所述电压或电流或者电压和电流控制装置而被电连接，其中，所述电压或电流或者电压和电流控制装置设置于所述第二模制化合物之外，并且电连接在所述引脚的所述两片的接触焊盘之间，以在电气上绕过所述第二模制化合物。9.根据权利要求8所述的功率半导体模块，其中，所述分立电路还包括附加的电压或电流或者电压和电流控制装置，所述附加的电压或电流或者电压和电流控制装置设置在所述第二模制化合物之外并且电连接在所述引脚的所述两片的附加的接触焊盘之间，以在电气上绕过所述第二模制化合物。10.根据权利要求9所述的功率半导体模块，其中，所述附加的电压或电流或者电压和电流控制装置是二极管、电容器、热敏电阻器和电阻器中的一种。11.根据权利要求1-3中任一项所述的功率半导体模块，其中，所述连接引脚具有单独的两片，所述两片经由至少部分地嵌入在第三模制化合物中的两个附加的外壳而彼此机械连接，并且经由所述两个附加的外壳和所述电压或电流或者电压和电流控制装置而彼此电
连接，其中，所述电压或电流或者电压和电流控制装置设置在所述两个附加的外壳之间。12.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，所述第二片包括适于压入配合连接或适于焊接连接的区域以充当外部连接元件。13.根据权利要求1-12中任一项所述的功率半导体模块，其中，所述第二片包括适于压入配合连接或适于焊接连接的所述区域以充当外部连接元件。14.根据权利要求1-3中任一项所述的功率半导体模块，其中，所述引脚是一片式引脚并且粘附到所述载体板，并且经由第二插座和所述电压或电流或者电压和电流控制装置而电连接到所述金属化层，其中，所述电压或电流或者电压和电流控制装置在一侧焊接到所述金属化层，并且在另一侧连接到所述第二插座，所述第二插座机械和电连接到所述引脚。15.根据权利要求14所述的功率半导体模块，其中，所述第二插座是或包括外壳，所述外壳具有杯状形状，所述外壳具有空腔，所述空腔被配置为在所述引脚的所述第一端处接纳所述引脚。
技术总结
公开了一种功率半导体模块，其包括：电绝缘载体板，其表面上设置有结构化的导电金属化层；以及至少一个连接引脚，其具有两端并粘附到载体板，所述连接引脚的一端电连接到金属化层。该模块还包括粘附到载体板并电连接到金属化层的半导体装置，以及包括电压或电流或者电压和电流控制装置的分立电路，所述电压或电流或者电压和电流控制装置与半导体装置操作性地耦合并且在连接引脚的两端之一处或在连接引脚的两端之间集成在连接引脚中。引脚的两端之间集成在连接引脚中。引脚的两端之间集成在连接引脚中。
