專利名稱：帶有層狀構(gòu)造的絕緣側(cè)壁的功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體模塊，該功率半導(dǎo)體模塊帶有至少兩個(gè)相互連接的功率半導(dǎo)體單元、模塊殼體和至少一個(gè)連接母線，其中，所述功率半導(dǎo)體單元具有可控的功率半導(dǎo)體，所述功率半導(dǎo)體單元設(shè)置在該模塊殼體內(nèi)并且該模塊殼體具有絕緣的側(cè)壁，所述連接母線穿過所述側(cè)壁延伸并且與至少一個(gè)功率半導(dǎo)體單元相連接。
背景技術(shù)：
這種功率半導(dǎo)體模塊例如已經(jīng)由W02008/031372公開。此處公開的功率半導(dǎo)體模塊具有兩個(gè)相互連接的功率半導(dǎo)體單元。每個(gè)功率半導(dǎo)體單元具有多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片， 如IGBTs，GTOs等，所述功率半導(dǎo)體芯片相互連接并且設(shè)置在自有的單元?dú)んw內(nèi)。每個(gè)功率半導(dǎo)體單元形成有一個(gè)陽極和一個(gè)陰極以及控制接頭。借助于控制接頭上恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)可中斷或接通陽極和陰極之間的電流。至少兩個(gè)所述的功率半導(dǎo)體單元設(shè)置在用于防爆保護(hù)的單獨(dú)的模塊殼體中。借助于合適地鋪設(shè)穿過模塊殼體壁的線路將功率半導(dǎo)體單元的電路向外導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種開頭所述類型的功率半導(dǎo)體模塊，該功率半導(dǎo)體模塊具有高抗爆性并且其制造特別廉價(jià)。本發(fā)明由此解決該技術(shù)問題，S卩，絕緣的側(cè)壁設(shè)計(jì)為絕緣并且一體構(gòu)造的子元件的堆疊，其中，各子元件以接觸區(qū)域相互貼靠。按照本發(fā)明，至少具有可控的功率半導(dǎo)體，如IGBTs，GTOs，可控硅元件等的功率半導(dǎo)體單元設(shè)置在防爆的模塊殼體內(nèi)。在此，可控的功率半導(dǎo)體單元除了陽極和陰極接頭之外還具有控制接頭，以便開關(guān)通過可控的功率半導(dǎo)體的陽極和陰極的電流。為了將功率半導(dǎo)體單元上的電路從模塊殼體引導(dǎo)出，設(shè)置至少一個(gè)連接母線，該連接母線貫穿模塊殼體的絕緣的側(cè)壁。 在能量分配領(lǐng)域，例如在高壓直流輸電(HGtj)或者所謂的“柔性交流輸電系統(tǒng) (FACTS) ”領(lǐng)域常見的是，將高的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓或反之。為此，通常串聯(lián)多個(gè)按本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊。然而，由于串聯(lián)連接，在每個(gè)單獨(dú)的功率半導(dǎo)體模塊上都會(huì)下降一個(gè)高電壓。這種高電壓尤其會(huì)在故障情況下導(dǎo)致功率半導(dǎo)體單元爆炸狀的破壞。模塊殼體用于安全目的，使得在爆炸情況下出現(xiàn)的爆炸氣體能由模塊殼體可靠地容納或者排出。以這種方式能夠避免其它功率半導(dǎo)體模塊的損壞。為了確保廉價(jià)地制造這種功率半導(dǎo)體模塊，按照本發(fā)明建議，功率半導(dǎo)體模塊的絕緣側(cè)壁由多個(gè)相互堆疊的子元件形成，通常多個(gè)用于接觸模塊殼體內(nèi)部的功率半導(dǎo)體單元的連接母線延伸穿過所述側(cè)壁。子元件本身由絕緣材料制成。在按本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊運(yùn)行時(shí)，堆疊的子元件相互貼靠，使得在所述子元件之間限定有對(duì)接處，所述對(duì)接處明顯方便了連接母線從模塊殼體引出。
按照本發(fā)明，例如首先可以堆疊一個(gè)子元件，接著一個(gè)連接母線，然后是另一個(gè)子元件，然后是必須與所述的第一連接母線絕緣地安裝的另一個(gè)連接母線，并 且最后堆疊另一個(gè)子元件。連接母線與希望的功率半導(dǎo)體單元相連接。在功率半導(dǎo)體模塊運(yùn)行時(shí)，處于高壓電勢(shì)的電路也通過連接母線導(dǎo)引到模塊殼體內(nèi)，經(jīng)過設(shè)置在模塊殼體內(nèi)的功率半導(dǎo)體單元并從該處又通過另一連接母線從模塊殼體導(dǎo)出。按照本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)構(gòu)造，子元件周向閉合地構(gòu)造。以這種方式提供了更高的耐爆性，其中，制造成本還繼續(xù)保持很低。子元件可以與其余的模塊殼體無關(guān)地制造為閉合或環(huán)形的子元件。以這種方式避免了安裝側(cè)壁時(shí)耗費(fèi)的對(duì)接方法。子元件有利地具有至少一個(gè)加強(qiáng)肋。在周向閉合的環(huán)形子元件的情況下，該加強(qiáng)肋例如在兩個(gè)相對(duì)的邊界壁之間延伸。子元件并且必要時(shí)加強(qiáng)肋合適地限定空腔或者空腔的一部分的邊界，在功率半導(dǎo)體模塊的組裝狀態(tài)下，功率半導(dǎo)體單元設(shè)置在該空腔內(nèi)。至少一個(gè)連接母線有利地在兩個(gè)子元件之間穿過側(cè)壁。換句話說，每個(gè)連接母線延伸經(jīng)過對(duì)接處。按照一種與之相應(yīng)的合適的擴(kuò)展設(shè)計(jì)，子元件中的一個(gè)在其接觸區(qū)域具有缺口， 連接母線延伸穿過該缺口。借助于該缺口能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化功率半導(dǎo)體模塊的安裝。因此， 首先可以將具有缺口的子元件與功率半導(dǎo)體模塊的其余部分連接并且接著安裝母線。缺口和穿過缺口延伸的連接母線合適地相互形狀互補(bǔ)地構(gòu)造。通過形狀互補(bǔ)的構(gòu)造基本上防止了爆炸氣體在故障情況下流出。側(cè)壁密封包圍每個(gè)連接母線。以這種類型和方式可以進(jìn)一步最小化爆炸損壞。子元件有利地由纖維強(qiáng)化塑料制成。通過纖維強(qiáng)化，塑料特別抗爆。纖維強(qiáng)化塑料是已經(jīng)公知的，因此其化學(xué)成分在此不詳細(xì)說明。尤其可以考慮玻璃纖維強(qiáng)化塑料。每個(gè)功率半導(dǎo)體單元有利地具有功率半導(dǎo)體芯片和單元?dú)んw，在所述單元?dú)んw中設(shè)置有功率半導(dǎo)體芯片。這種功率半導(dǎo)體單元可在市場(chǎng)上買到并且能夠特別廉價(jià)地獲得。 因此，按本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的成本因此得以進(jìn)一步減小。按照一種與之相應(yīng)的合適的擴(kuò)展設(shè)計(jì)，功率半導(dǎo)體芯片借助于連接引線相互連接。通過借助于連接引線的連接進(jìn)一步降低了成本。按照本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)構(gòu)造，絕緣壁在底板和蓋板之間延伸，其中，底板和 /或蓋板設(shè)計(jì)為冷卻板。換句話說，底板或蓋板由高導(dǎo)熱能力的材料制成，例如金屬，如鋁寸。


本發(fā)明其它合適的構(gòu)造和優(yōu)點(diǎn)是以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例說明的主題，其中相同作用的部件使用相同的附圖標(biāo)記，并且，圖1是按本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的一種實(shí)施例以及圖2示出了處于安裝狀態(tài)下的圖1所示功率半導(dǎo)體模塊。
具體實(shí)施例方式圖1以透視圖示出了按本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的一種實(shí)施例。功率半導(dǎo)體模塊 1具有下部的底板2以及上部的蓋板3，所述板分別由金屬材料，在此是鋁制成。底板2以及蓋板3與圖1中不可見的功率半導(dǎo)體單元導(dǎo)熱連接，因此底板和蓋板由于高導(dǎo)熱能力用作冷卻板。為了改善冷卻板2、3的冷卻效率，冷卻板通過U形的傳熱橋接件4相互導(dǎo)熱連接。

在蓋板3上設(shè)有塑料支架5，在該塑料支架上又設(shè)有控制單元6、7、8?？刂茊卧?、 7,8為設(shè)置在功率半導(dǎo)體模塊1內(nèi)部的功率半導(dǎo)體單元提供控制信號(hào)，使得功率半導(dǎo)體單元針對(duì)性地從阻斷位置轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通位置，在所述阻斷位置，電流通過受控的功率半導(dǎo)體單元中斷，在導(dǎo)通位置，電流能夠通過相應(yīng)的功率半導(dǎo)體單元。在導(dǎo)通位置，電流從各個(gè)功率半導(dǎo)體單元的陽極流到其陰極。在可開關(guān)的功率半導(dǎo)體單元的情況下，如IBGTs，GTOs等，功率半導(dǎo)體單元也可以借助于控制信號(hào)從導(dǎo)通位置轉(zhuǎn)換到阻斷位置。在功率半導(dǎo)體單元帶有可開關(guān)的功率半導(dǎo)體的情況下，功率半導(dǎo)體單元分別具有一個(gè)空轉(zhuǎn)二極管，所述空轉(zhuǎn)二極管與各自的可開關(guān)的功率半導(dǎo)體反向并聯(lián)。在本發(fā)明的框架內(nèi)，功率半導(dǎo)體模塊1的功率半導(dǎo)體單元通過其陽極和/或陰極任意相互連接以及與連接母線9、10、11和12連接。在此，功率半導(dǎo)體模塊1的功率半導(dǎo)體單元例如可以這樣被控制，使得接通或中斷朝外導(dǎo)引的連接母線9和10之間的電流。側(cè)壁13在底部2和蓋板3之間延伸，該側(cè)壁由絕緣材料，例如玻璃纖維強(qiáng)化塑料制成。因此，底板2、蓋板3和側(cè)壁13形成模塊殼體，該模塊殼體在功率半導(dǎo)體單元爆炸情況下對(duì)其余的功率半導(dǎo)體模塊和/或操作人員起保護(hù)作用。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，側(cè)壁13不是一體構(gòu)造的，而是層狀構(gòu)造的。該側(cè)壁由多個(gè)相互堆疊的子元件14、15和16構(gòu)成，所述子元件以接觸區(qū)域相互貼靠，因此限定出對(duì)接處17 和18的邊界。由于側(cè)壁13堆疊式的結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)了側(cè)壁13簡(jiǎn)單的安裝，因?yàn)樽釉?4、15、 16和穿過側(cè)壁13的連接母線9、10、11和12能以任意順序安裝。圖2示出了安裝時(shí)的瞬時(shí)情景中的功率半導(dǎo)體模塊1?？梢钥闯觯釉?4和兩個(gè)功率半導(dǎo)體單元19、20與地板2連接。還可以看見折角狀的直流電壓連接母線21，其同樣與功率半導(dǎo)體單元19，20連接。其它兩個(gè)在圖2中不可見的功率半導(dǎo)體單元安裝在蓋板 13上，其中，為從外面接觸功率半導(dǎo)體單元19，20，設(shè)置連接母線9、10、11、12和21。功率半導(dǎo)體模塊1總共具有四個(gè)功率半導(dǎo)體單元19、20，所述功率半導(dǎo)體單元在所示的實(shí)施例中相互連接成全電橋或H橋以及與在圖2中沒有示出的電容器連接。因此，通過相應(yīng)控制功率半導(dǎo)體單元可以在各個(gè)功率半導(dǎo)體單元的兩極輸入處切換在電容器上下降的電壓U。、零電壓或者反向的電容電壓-υ。。在圖2中還可見，子元件14是周向閉合的，也就是設(shè)計(jì)為環(huán)形，其中，在兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面之間延伸有加強(qiáng)肋22。在加強(qiáng)肋22和子元件14的外壁之間形成兩個(gè)空腔，在所述空腔中分別設(shè)有一個(gè)功率半導(dǎo)體單元19或20。還可看出的是，子元件14具有缺口 23、24 和25，所述缺口與各自的連接母線10、12或21形狀互補(bǔ)地構(gòu)造。由于這種形狀互補(bǔ)地構(gòu)造，爆炸時(shí)在功率半導(dǎo)體模塊1內(nèi)部產(chǎn)生的熱氣的流出至少變得困難。如圖2所示，為了機(jī)械張緊蓋板3和底板2并因此張緊子元件14、15、16，每個(gè)子元件14、15、16具有多個(gè)固定孔26，在功率半導(dǎo)體模塊1的安裝狀態(tài)下，配有螺紋的固定螺栓延伸經(jīng)過所述固定孔。通過將固定螺栓與蓋板3和底板2以螺紋方式連接緊提供了廉價(jià)并且抗爆的功率半導(dǎo)體模塊1。
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體模塊(1)，該功率半導(dǎo)體模塊帶有至少兩個(gè)相互連接的功率半導(dǎo)體單元(19，20)、模塊殼體(2，3，13)和至少一個(gè)連接母線(9，10，11，12，21)，其中，所述功率半導(dǎo)體單元具有可控的功率半導(dǎo)體，所述半導(dǎo)體單元(19，20)設(shè)置在所述模塊殼體內(nèi)并且所述模塊殼體具有絕緣的側(cè)壁(13)，所述連接母線穿過所述側(cè)壁(13)并且與至少一個(gè)所述功率半導(dǎo)體單元(19，20)連接，其特征在于，所述絕緣的側(cè)壁(13)設(shè)計(jì)為絕緣并且一體構(gòu)造的子元件(14，15，16)的堆疊，其中，所述子元件(14)以接觸區(qū)域相互貼靠。
2.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，所述子元件(14，15，16)周向閉合地構(gòu)造。
3.如前述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，所述子元件(14，15， 16)具有至少一個(gè)加強(qiáng)肋(22)。
4.如前述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，至少一個(gè)連接母線 (9，10，11，12，21)在兩個(gè)子元件(14，15，16)之間穿過所述側(cè)壁(13)。
5.如前述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，至少一個(gè)子元件 (14，15，16)在它的接觸區(qū)域具有缺口(23，24，25)，連接母線(9，10，11，12，21)中的一個(gè)延伸穿過所述缺口。
6.如權(quán)利要求5所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，所述缺口(23，24，25)和延伸穿過該缺口的連接母線(9，10，11，12，21)相互形狀互補(bǔ)地構(gòu)造。
7.如前述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，所述子元件(14，15， 16)由玻璃纖維強(qiáng)化塑料制成。
8.如前述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，每個(gè)功率半導(dǎo)體單元(19，20)具有功率半導(dǎo)體芯片和單元?dú)んw，所述功率半導(dǎo)體芯片設(shè)置在所述單元?dú)んw內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體芯片借助于連接引線相互連接。
10.如前述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(1)，其特征在于，所述絕緣壁(13)在底板(2)和蓋板(3)之間延伸，其中，所述底板(2)和/或所述蓋板(3)設(shè)計(jì)為冷卻板。
全文摘要
為了開關(guān)一種具有高防爆性能且能特別便宜地制造的功率半導(dǎo)體模塊(1)，該功率半導(dǎo)體模塊帶有至少兩個(gè)相互連接的功率半導(dǎo)體單元(19，20)、模塊殼體(2，3，13)和至少一個(gè)連接母線(9，10，11，12，21)，其中，所述功率半導(dǎo)體單元具有可控的功率半導(dǎo)體，所述功率半導(dǎo)體單元(19，20)設(shè)置在所述模塊殼體內(nèi)并且所述模塊殼體具有絕緣的側(cè)壁(13)，所述連接母線穿過所述側(cè)壁(13)并且與至少一個(gè)所述功率半導(dǎo)體單元(19，20)連接，本發(fā)明建議，所述絕緣的側(cè)壁(13)設(shè)計(jì)為絕緣并且一體構(gòu)造的子元件(14，15，16)的堆疊，其中，所述子元件(14，15，16)以接觸區(qū)域相互貼靠。
文檔編號(hào)H05K7/20GK102349363SQ200980157976
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者A.曾克納, C.布羅什, D.馬里帕德, M.比爾曼 申請(qǐng)人:西門子公司