功率半导体模块系统和功率半导体模块系统的制造方法

技术领域

本发明涉及一种功率半导体模块系统。此外，本发明涉及一种用于功率半导体模块系统的壳体。本发明还涉及功率半导体模块系统组件和用于制造功率半导体模块系统的方法。

背景技术

功率半导体电路通常封装在壳体中。主要为了较高功率，将多个功率半导体电路集成在壳体中，以实现较高的电流。“半桥”的半导体通常共同地集成在壳体中，以确保低电感互连。

壳体须完成许多不同的任务，出于该原因开发耗费和制造耗费(注入模具、弯曲工具、自动化等)非常高，进而仅对于高的件数才可获益。

如果功率半导体模块的性能更高，就必须使用其他的且较大的功率半导体电路，以安置所需的半导体面积。原则上，功率半导体模块的件数随着最大模块额定电流(芯片面积)的增加而减少，即模块越大，所需/可实现的模块件数越少。

另一方面，模块的复杂度也随着模块的大小而增加。用于构件、主要是底板和壳体的耗费过度增加。这同样适用于实际的制造进程。在此，一方面能够是必要工艺步骤的数量(例如，在多次钎焊的情况下)。另一方面能够需要其他工艺步骤，例如超声波焊接。然后，这主要通过较高的废品率(良品率)可观察到。附加地，对于小的功率半导体模块件数，高生产自动化程度在经济上并不有利可图。

替代地，也能够通过在功率半导体模块内并联连接多个功率半导体电路的方式来增加功率半导体模块的功率。为此，必须专门设计各个功率半导体电路的母线连接、驱动器和冷却系统，以确保足够的静态和动态的电流对称性。功率半导体模块本身的设计(电端子和内部布局)也能够对功率半导体模块内的电流分布产生显著影响。

附加地，并联连接的模块通常必须由其电特性、例如彼此间的流动电压进行选择。这主要能够对于数理逻辑或对于维修情况是非常复杂的。

为了在大功率半导体模块的情况下改进或消除低件数和高废品率的问题，能够使用不同的实施方案。功率半导体模块能够分解成更小的子单元。然后，尽可能对所述子单元进行预测试。

能够尽可能预先制造诸如DCB(直接铜键合)的电路载体，例如通过焊接芯片和键合DCB内的连接。然后，能够借助低压测试预先制造的DCB。但是，所述测试仅能够检测可能的故障中的一部分。

于是然后将各个子单元拼接成完整的功率半导体模块，并且补充其他部件(例如底板、壳体、接触电极、凝胶等)。在拼接后，于是最后能够对功率半导体模块进行完整的电测试。

在EP 1 467 607 B1中公开了一种具有安置在功率半导体的壳体处的接触电极的功率开关模块。

DE 20 2013 105 809 U1公开一种功率半导体模块和一种用于接触开关元件触点的接触装置。

发明内容

本发明所基于的目的在于，提出一种功率半导体模块系统和一种所属的制造方法，其实现简单且有效地缩放待切换的电流。

该目的通过根据权利要求1的功率半导体模块系统实现。该目的还通过根据权利要求10的用于功率半导体模块系统的壳体来实现。该目的还通过根据权利要求11的功率半导体模块系统组件实现以及根据权利要求12的用于制造功率半导体模块系统的方法实现。有利的改进形式从从属权利要求中得出。

根据权利要求1，根据本发明的功率半导体模块系统具有两个带有公共壳体的功率半导体模块。在此，每个功率半导体模块具有功率半导体电路，其中，公共壳体至少部分地包围两个功率半导体电路，并且其中，功率半导体模块分别具有第一接触电极和第二接触电极，第一接触电极和第二接触电极分别与功率半导体电路导电地连接，并且第一接触电极和第二接触电极分别被向外引导通过公共壳体中的构造用于第一接触电极和第二接触电极的缺口穿过壳体，其中，公共壳体具有第一接触区域、第二接触区域和第三接触区域，

并且其中，在第一接触区域中第一功率半导体模块的第一接触电极和第二接触电极能够接触在一起，并且其中，在第二接触区域中第二功率半导体模块的第一接触电极和第二接触电极能够接触在一起，并且其中，在第三接触区域中第一功率半导体模块的第二接触电极和第二功率半导体模块的第二接触电极能够接触在一起。

功率半导体电路能够用于控制和切换具有相对高电流强度、例如超过50安培的电流。功率半导体电路能够包括设置在基底上的功率半导体构件、即例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、晶闸管、二极管等，它们能够借助于基底的导体层以及键合线和/或薄膜复合件彼此导电地连接。设置在基底上的功率半导体构件能够电互连以成单个的或多个所谓的半桥电路，该半桥电路例如用于对电压和电流进行整流和逆变。

属于用于功率半导体模块系统的壳体的任务能够是机械应力消除、各个接触电极的引导和绝缘。在本发明的范围内，能够使用任何壳体，该壳体至少部分地包围两个功率半导体电路，以实现上述功能。同样，处于本发明的范围内的是：两个功率半导体模块具有附加的(分开的)壳体，该壳体以铸造框架的形式(部分地)包围各个功率半导体模块。还可行的是：就本发明意义的“公共壳体”示出为一种遮盖两个功率半导体模块和包含在其中的功率半导体电路的“壳体盖”。

接触电极的任务是将电功率传递到半导体电路。为此，接触电极构成为，使得其能够与外部电压/电流源导电地连接(例如通过钎焊、熔焊或机械连接，例如毂缩或螺接)。为此目的，接触电极必须至少在子区域中具有不可忽略的导电性，以便能够将功率引导给半导体电路。接触电极例如能够由铜、铁镍或导电硅构成。

根据本发明的功率半导体模块系统具有带至少三个接触区域的壳体。该接触区域设计用于：两个接触电极能够分别在壳体处分别在接触区域之一中接触。

根据本发明的功率半导体模块系统实现：为了在较高功率的情况下使用简单的方式和方法将两个完全自给自足的功率半导体模块彼此机械连接和电连接，而为此不必进行对原本的功率半导体电路的任何改变。有利地，现在可行的是：各个功率半导体模块不直接并排地分组，由此所形成的损失功率不那么强烈地集中。因此，对于功率半导体模块系统所需的冷却系统的设计能够被显著地简化。

连接面积/接触选项通过根据本发明的功率半导体模块系统增加。各个功率半导体模块在其组合成大的功率半导体模块系统之前已经能够进行预制造和最终测试。整体上，得到较少的废品(在模块生产中的更高的“良品率”)。因此，可能有缺陷的单独部件的值下降进而改进成本状况。

优选地，在第一接触区域中，第一功率半导体模块的第一接触电极和第二接触电极共同与外部电压/电流源接触，并且在第二接触区域中，第二功率半导体模块的第一接触电极和第二接触电极共同与外部电压/电流源接触，并且在第三接触区域中，第一功率半导体模块的第二接触电极和第二功率半导体模块的第二接触电极共同地与外部电压/电流源接触。相应的外部电压/电流源有利地是唯一的(同一个)电压/电流源。

接触电极和接触区域的数量不限于上述数量。更确切地说，其是最小配置。因此，功率半导体模块系统能够具有二的整数倍个第一接触电极和二的整数倍个第二接触电极以及三的数倍个接触区域，其中，接触电极和接触区域在壳体处分别如之前解释的那样构成。例如可行的是：壳体具有九个接触区域，并且每个功率半导体模块具有三个第一接触电极和三个第二接触电极，使得功率半导体模块系统具有总共十二个接触电极。

当然，还可行的是：功率半导体模块系统具有附加的接触区域，以便能够将接触电极在附加的区域(必要时间接地经由母线连接)与壳体固定，以便还提高壳体到功率半导体模块系统的其他部件的连接的稳定性。

在本发明的一个有利的改进形式的范围内，第一接触电极和第二接触电极分别能够围绕壳体的至少一个边缘弯曲。在此，边缘优选地具有倒圆部，以使接触电极容易弯曲。边缘有利地构成在缺口的区域中，接触电极分别被向外引导通过缺口穿过壳体。换言之，接触电极能够弯曲到到壳体外侧处的“水平”位置中，该接触电极在穿引经过壳体中的缺口之后例如相对于壳体外侧垂直构成。在接触区域中，在那里弯曲的接触电极随后能够与外部电压/电流源接触。

在其中接触电极穿过壳体向外引导的缺口区域中，所述接触电极能够由电绝缘材料包围。所述材料例如能够注入到缺口中。

在本发明的一个特别优选的改进形式中，壳体在接触区域中分别具有用于容纳螺钉的缺口，优选将螺纹部件装入所述缺口中，其中，缺口和优选地螺纹部件构成用于容纳螺钉，以便接触电极分别在接触区域中与优选在壳体的外侧处的外部电压/电流源接触，其中，接触电极优选地同样具有用于容纳螺钉的对应的缺口(优选“钻孔”)。存在类似的固定选项，但螺纹连接是将诸如接触电极和外部电压/电流源等材料彼此连接的常用且良好适合的方法。为了稳固螺纹连接，能够使用对应的螺纹部件(设置在壳体内侧处)。例如，螺纹部件能够是螺母。为了补偿公差，接触电极中的缺口能够分别构成为长形延伸的孔(所谓的长孔)。

壳体优选基本上构成为矩形，所述矩形具有四个面积较大的纵侧面和两个面积较小的端侧面，其中，接触区域位于四个纵侧面之一的中间区域中。换言之，接触区域居中地设置在壳体中。由此得到以下优点：

-在各个功率半导体模块内，对称布局是可行的——所述对称布局尤其适合于半导体芯片的并联电路；

-在两个功率半导体模块内没有形成长的导体结构，使得两个功率半导体模块相互影响最小。

上面提出的目的还通过用于功率半导体模块系统的壳体来实现，其中，功率半导体模块系统如之前解释的那样构成。

此外，上面提出的目的通过具有如之前解释的那样构成的多个功率半导体模块系统的功率半导体模块系统组件来实现。

该目的还通过具有以下方法步骤的用于制造功率半导体模块系统的方法来实现：

a)制造第一功率半导体模块和第二功率半导体模块，其中，功率半导体模块分别具有功率半导体电路；

b)将第一接触电极和第二接触电极与相应的功率半导体电路连接，优选借助于钎焊或超声波焊接连接；

c)利用公共壳体至少部分地包围两个功率半导体模块，其中，两个功率半导体模块的第一接触电极和第二接触电极分别被向外引导通过公共壳体中的构造用于第一接触电极和第二接触电极的缺口穿过公共壳体，

并且其中，公共壳体具有第一接触区域、第二接触区域和第三接触区域，并且

其中，第一功率半导体模块的第一接触电极和第二接触电极能够在第一接触区域中接触在一起，并且

第二功率半导体模块的第一接触电极和第二接触电极能够在第二接触区域接触在一起，

并且第一功率半导体模块的第二接触电极和第二功率半导体模块的第二接触电极能够在第三接触区域中接触在一起。

在附加的步骤中，能够将第一功率半导体模块的第一接触电极和第一功率半导体模块的第二接触电极弯曲并且在公共壳体的第一接触区域中共同地与外部电压/电流源接触，并且将第二功率半导体模块的第一接触电极和第二功率半导体模块的第二接触电极弯曲并且在公共壳体的第二接触区域中共同地与外部电压/电流源接触，并且将第一功率半导体模块的第二接触电极和第二功率半导体模块的第二接触电极弯曲并且在公共壳体的第三接触区域中共同地与外部电压/电流源接触，其中，接触分别优选借助于螺钉进行。

附图说明

本发明的上述特征、特性和优点以及如何实现其的方式和方法在实施例的下述描述的上下文中变得更清晰和显而易见，所述实施例结合附图详细阐述。在此示出：

图1示出根据第一方面的根据本发明的功率半导体模块系统的横截面图；

图2示出根据第二方面的根据本发明的功率半导体模块系统的横截面图；

图3示出根据本发明的功率半导体模块系统的俯视图；和

图4示出根据本发明的功率半导体模块系统的横截面图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的功率半导体模块系统1的横截面图。功率半导体模块系统1具有两个功率半导体模块2、3。每个功率半导体模块2、3分别具有功率半导体电路4、5。两个功率半导体模块2、3具有公共壳体6，所述公共壳体在其内部中至少部分地包围功率半导体电路4、5。

第一功率半导体模块2具有第一接触电极7和第二接触电极8。第二功率半导体模块3同样具有第一接触电极9和第二接触电极10。接触电极7、8、9、10分别与相应的功率半导体电路4、5导电地连接。

接触电极7、8、9、10被向外引导通过对应构成的缺口11、12、13、14穿过壳体6。在穿引经过壳体6之后，接触电极7、8、9、10能够被弯曲，使得它们基本上平坦地贴靠壳体6的外侧。该方面在图2中说明。在此，壳体6仅借助虚线表示。壳体具有第一接触区域15、第二接触区域16和第三接触区域17。在第一接触区域15中，第一功率半导体模块4的第一接触电极7和第二接触电极8能够共同与外部电压/电流源(未示出)接触。在第二接触区域16中，第二功率半导体模块5的第一接触电极9和第二接触电极10能够共同与外部电压/电流源(未示出)接触。在第三接触区域17中，第一功率半导体模块4的第二接触电极8和第二功率半导体模块5的第二接触电极10能够共同与外部电压/电流源(未示出)接触。

圆形的缺口分别位于接触电极7、8、9、10中，螺钉能够被引导通过所述圆形的缺口，以便使接触电极7、8、9、10与外部电压/电流源接触。此外，壳体6在接触区域15、16、17中分别具有用于容纳螺钉的对应的缺口。此外，在壳体6中在接触区域15、16、17中分别装入螺母作为螺纹部件18、19、20，能够将螺钉引入所述螺母中以固定该接触。螺母18、19、20也能够一起注入到壳体6中。两个另外的螺母21、22附加地能够用于：将第一功率半导体模块4的第一接触电极7和第二功率半导体模块5的第一接触电极9固定在壳体6处。

在图2中能够识别出：所有四个接触电极7、8、9、10彼此导电地连接。对于待接触的外部电流/电压源，四个接触电极7、8、9、10因此起如单个的电接触部的相同电势的作用。

功率半导体模块系统1不限于三个接触区域15、16、17和四个接触电极7、8、9、10。在图3中示出功率半导体模块系统1'的俯视图。所述功率半导体模块系统1'具有二的整数倍(三倍)个第一接触电极7、9、23、25、27、29和二的整数倍(三倍)个第二接触电极8、10、24、26、28、30，使得功率半导体模块系统1'总体上具有十二个接触电极7、8、9、10、23、24、25、26、27、28、29、30。此外，功率半导体系统1'具有三的整数倍(三倍)个接触区域15、16、17(为了清楚起见，所述接触区域在图3中未设有附图标记)。

壳体6基本上构成为矩形，该矩形具有四个面积较大的纵侧面和两个面积较小的端侧面。在图3的俯视图中，四个纵侧面LS之一以相对较大的面积示出。接触区域15、16、17位于纵侧面LS的中间区域中。

在图3中可识别出：四个接触电极7、8、9、10或23、24、25、26或27、28、29、30分别以导电方式彼此连接。对于待接触的外部电流/电压源，三倍的四个接触电极7、8、9、10、23、24、25、26、27、28、29、30因此起如分别具有相同电势的三个电接触部的作用。

在图4中示出根据本发明的功率半导体模块系统1的壳体6的横截面图。可识别出第一功率半导体模块4的第二接触电极8和第二功率半导体模块系统5的第二接触电极10。两个接触电极8、10被向外引导穿过壳体6并分别围绕壳体6的边缘31、32弯曲。边缘31、32分别具有倒圆部，以使接触电极8、10容易围绕边缘31、32弯曲。

在缺口12、14的区域中，接触电极8、10由电绝缘材料包围，该接触电极被向外引导通过该缺口穿过壳体6。因此，在缺口12、14中引导两个接触电极8、10，由此能够很好地吸收在弯曲时形成的力，而不损坏接触电极8、10到相应的功率半导体电路2、3的连接。

在壳体6的图4所示的第三接触区域17中，其中，两个接触电极8、10能够彼此叠加地与外部电压/电流源(未示出)接触，壳体6的厚度D1构成为，使得其对应于壳体6的目标厚度D

相应地，第一接触区域15和第二接触区域16(图4中未示出)分别围绕第一功率半导体模块4的第一接触电极7和第二接触电极8或者第二功率半导体模块5的第一接触电极9和第二接触电极10的总和横截面相对于目标厚度D

壳体6在第三接触区域17中具有缺口，螺母形式的螺纹部件33装入所述缺口中，其中，缺口和螺纹部件构成用于容纳螺钉，以使接触电极8、10在第三接触区域17中与外部电压/电流源接触。

在缺口12中，缺口12的壁部起作为侧向引导部(通过箭头标识)的作用，第一功率半导体模块4的第二接触电极8被向外引导通过该缺口穿过壳体6，该侧向引导部吸收在接触电极8弯曲时形成的力并且特别地保护接触电极8到功率半导体电路4的连接免于损坏。类似地构成用于其余接触电极7、9、10的其余缺口11、13、14。