СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H01L25/04 H01L23/48 

Данное изобретение относится к области силовой электроники. Оно касается полупроводникового модуля большой мощности в соответствии с ограничительной частью первого пункта формулы изобретения, в частности, IGBT (insulated gate bipolar transistor = биполярный транзистор с изолированным затвором) модуля.

Оказалось, что, например, у тиристоров с нажимным контактом дефект приводит к короткому замыканию. При больших поверхностях интегральных схем это короткое замыкание устойчиво сохраняется в течение длительного времени. Если в этажерке из последовательно включенных тиристоров предусмотрены дублирующие тиристоры, то остальные исправные тиристоры во время фазы блокировки потребляют напряжение и этажерка остается в рабочем состоянии. Дефектные тиристоры могут быть заменены в будущем во время проведения плановых работ по техническому обслуживанию.

В тиристорном модуле находится полупроводник, т.е. Si (кремний), в механическом и электрическом контакте между двумя Мо (молибдена) пластинами. Si имеет точку плавления 1420^oС, у Мо она находится выше, а межметаллическое соединение Si и Мо имеет еще более высокую точку плавления. Поэтому в случае неисправности первым локально плавится Si и при протекании тока образуется проводящий канал из расплавленного Si по всей толщине полупроводника. Эта дефектная зона может распространяться и/или перемещаться, но всегда затрагивается только небольшая часть поверхности микросхемы. В герметически закрытых корпусах расплавленный Si не окисляется, а реагирует с Мо, образуя порошок. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет израсходован весь Si, и может длиться годы.

В противоположность тиристорным полупроводниковым конструктивным элементам IGBT микросхемы не изготовляются в виде устройств с большой поверхностью и в IGBT модулях обычно расположены отдельно одна рядом с другой несколько микросхем с небольшой поверхностью. Такого рода модуль известен, например, из ЕР 0499707 B1.

Теперь оказалось, что для IGBT модулей с нажимным контактом не могут ожидаться устойчивые короткие замыкания вышеописанного типа. Это, в первую очередь, происходит из-за ограниченной поверхности отдельных микросхем или же из-за небольшого объема кремния. Псевдостабильная фаза короткого замыкания продолжается в этом случае только несколько часов. К тому же корпуса часто сознательно не закрыты герметично, так что расплавленный кремний реагирует с кислородом и может образовываться изолирующий SiO₂. Без стабильного пути короткого замыкания в неисправной микросхеме в наихудшем случае повреждения может происходить следующее. Если остальные микросхемы модуля, включающие управление, еще исправны, они во время фазы блокировки могут потреблять напряжение. Тогда ток ответвляется через неисправную микросхему и может в ней при напряжениях до напряжения пробоя исправных микросхем привести к плазме с очень высокой плотностью мощности. Вследствие этого разрушается весь модуль.

Задачей данного изобретения является, следовательно, создание построенного из отдельных микросхем с небольшой поверхностью силового полупроводникового модуля, у которого короткое замыкание отдельной микросхемы не приводит к выходу из строя всего модуля. Задача при конструктивном элементе вышеназванного типа решается за счет отличительных признаков первого пункта формулы изобретения.

Смысл изобретения состоит в том, что слой из подходящего материала, например Аg, приводится в непосредственный контакт с одним или обоими основными электродами кремниевого полупроводника. Материал этого слоя должен образовывать с Si эвтектику. В случае короткого замыкания вся многослойная структура (типа "сэндвича") разогревается и на контактной поверхности между названным слоем и кремнием с достижения точки плавления эвтектики начинает образовываться проводящий расплав. Эта зона затем может расширяться на всю толщину полупроводника и таким образом формировать металлический проводящий канал.

В соответствии с изобретением в случае повреждения возможно стабильное короткое замыкание за счет того, что образуется металлический проводящий канал между основными электродами соответствующей кремниевой полупроводниковой микросхемы. Этот канал ограничен частью поверхности микросхемы, однако потребляет полный номинальный ток и таким образом устраняет дальнейший разогрев остального кремния. Точка плавления металлического проводящего расплава в этом канале относительно соответствующего твердого, содержащего кремний и серебро соединения должна, следовательно, обязательно находиться ниже точки плавления чистого кремния.

Далее изобретение поясняется с помощью чертежа.

На чертеже показано поперечное сечение силового полупроводникового модуля в соответствии с изобретением. Изображение не выдержано в масштабе.

На чертеже показан в поперечном разрезе пример преимущественного исполнения силового полупроводникового модуля в соответствии с изобретением. В общем корпусе 1 размещено отдельно множество полупроводниковых микросхем 4 одна рядом с другой, причем на чертеже представлены только две отдельных микросхемы. Эти микросхемы электрически включены параллельно и рассчитанная на высокие токи активная поверхность полупроводника составляется таким образом из множества отдельных поверхностей. На чертеже не представлены обычно приделанные выводы затворов для управления полупроводниковым конструктивным элементом.

Полупроводниковые микросхемы 4 содержат по одному на нижней и верхней стороне металлизированному основному электроду 5, 6, которые находятся в электрическом контакте с металлическими контактными поверхностями. Микросхемы нанесены на проводящую подложку 2 и непосредственно над каждой микросхемой размещен контактный поршень 3. Между первым основным электродом 5 и подложкой 2 с одной стороны и между вторым основным электродом 6 и контактным поршнем 3 с другой стороны могут быть предусмотрены другие, не показанные на чертеже пленки или пластинки, которые по своему термическому расширению приведены в соответствие с кремнием. Последние изготовлены, например, из таких материалов, как Мо, Сu, или композитов Мо-Сu.

В первой форме исполнения достаточный электрический контакт производится исключительно путем нажима, который выполняется на торцевой поверхности корпуса 1. При этом контактные поршни 3 давят на второй основной электрод 6 и создают контакт таким образом с микросхемой 4. Эта форма исполнения обходится, следовательно, без припоя. Слой 7 в соответствии с изобретением располагается между одним из основных электродов 5, 6 и примыкающей металлической контактной поверхностью. Допустимо также наносить по одному слою 7 в соответствии с изобретением, примыкающему к обоим основным электродам. Слой 7 в соответствии с изобретением проще всего реализуется посредством пленки из соответствующего материала или наносится на основные электроды как паста и содержит преимущественно Аg (серебро). В общем толщину слоя 7 в соответствии с изобретением нужно выбирать больше половины толщины полупроводника. Тонкие слои металлизации не достаточны для сплошного образования проводящего канала.

Во второй, не использующей исключительно нажимной контакт форме исполнения между основными электродами 5, 6 и металлическими контактными поверхностями с целью создания замыкающего на массу соединения предусмотрены слои припоя. Слой припоя может контактировать, например, с первым основным электродом 5, 6, а дополнительный слой 7 в соответствии с изобретением с расположенным напротив основным электродом 6, 5. Далее слой припоя может контактировать также непосредственно со слоем 7 в соответствии с изобретением, причем противоположная сторона выборочно имеет нажимной контакт или спаяна. Весьма предпочтительна другая форма исполнения, у которой слой припоя и слой 7 в соответствии с изобретением идентичны. Припой содержит в этом случае, по меньшей мере, одну компоненту, которая совместно с кремнием образует эвтектику.

Для полупроводниковой кремниевой микросхемы в качестве партнера эвтектики предлагается серебро. Точка плавления сплава AgSi с 11% Аg (точка эвтектики) находится при 835^oС и тем самым явно ниже точки плавления чистого Si. Эксперименты с Аg для репродуцируемых стабильных коротких замыканий проведены при токовой несущей нагрузке более номинального тока 1500 А на отдельную микросхему (поверхность микросхемы 12•12 мм) и продолжительности более 1000 ч. Однако допустимы также Аu, Сu, Мg или Al, Al из-за его способности к окислению - все же преимущественно в герметически закрытых корпусах. В дальнейшем, само собой разумеется, возможны также другие материалы, в частности, если выбирается другой полупроводниковый материал.

Партнер эвтектики не должен быть представлен в чистом виде, а может быть той же частью соединения или сплава, например, в виде содержащего серебро припоя. Точка плавления такого соединения преимущественно расположена ниже точки плавления эвтектики. Партнер эвтектики должен составлять, по меньшей мере, 10 процентов объема соединения или сплава.

При всех вышеизложенных формах исполнения в случае повреждения происходит следующее: в качестве первого события повреждения происходит короткое замыкание в отдельной микросхеме, после чего полный номинальный ток протекает через эту микросхему. Слоистая (типа "сэндвича") структура из полупроводниковой микросхемы 4, электродов 5, 6 и слоя 7 в соответствии с изобретением нагревается до тех пор, пока с достижения эвтектической точки образуется содержащий кремний расплав. Если слой в соответствии с изобретением имеет достаточную толщину, исходя из контактной поверхности, образуется проводящий канал из расплава через всю микросхему. Он проводит ток и препятствует тому, чтобы слоистая структура нагревалась до точки плавления чистого Si.

По типу и внутренней структуре сама полупроводниковая микросхема не рассматривалась в предыдущих объяснениях. Поскольку модуль в общей сложности представляет собой IGBT модуль, внутренняя структура соответственно является структурой IGBT или диодом, но изобретение может также применяться на других полупроводниковых конструктивных элементах с небольшой поверхностью.

Список условных обозначений
1. Корпус
2. Подложка
3. Контактный поршень
4. Полупроводниковая микросхема
5, 6. Основные электроды
7. Слой0

Использование: в силовой электронике. Силовой полупроводниковый модуль содержит в корпусе подложку, по меньшей мере, две полупроводниковые микросхемы с двумя электродами каждая и по одному контактному поршню. Первые основные электроды находятся в электрическом контакте с подложкой, а вторые основные электроды - с контактным поршнем. Между первым основным электродом и подложкой и/или между вторым основным электродом и контактным поршнем предусмотрен электропроводящий слой, который содержит материал, образующий совместно с полупроводниковым материалом соединение или сплав, точка плавления которого находится ниже точки плавления полупроводникового материала. Техническим результатом изобретения является создание построенного из отдельных микросхем с небольшой поверхностью силового полупроводникового модуля, у которого короткое замыкание отдельной микросхемы не приводит к выходу из строя всего модуля. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Силовой полупроводниковый модуль, содержащий в корпусе (1) подложку (2), по меньшей мере, две полупроводниковые микросхемы (4) с двумя основными электродами (5, 6) каждая, причем полупроводниковые микросхемы (4) включены параллельно, и по одному контактному поршню (3) для каждой полупроводниковой микросхемы (4), при этом соответственно первые основные электроды (5) находятся в электрическом контакте с подложкой (2), а соответственно вторые основные электроды (6) находятся в электрическом контакте с контактным поршнем (3), между первым основным электродом (5) полупроводниковой микросхемы (4) и подложкой (2) и/или между вторым основным электродом (6) полупроводниковой микросхемы (4) и контактным поршнем (3) предусмотрен электропроводящий слой (7), отличающийся тем, что электропроводящий слой (7) содержит материал, который совместно с полупроводниковым материалом образует соединение или сплав, точка плавления которого находится ниже точки плавления полупроводникового материала, а толщина электропроводящего слоя (7), по меньшей мере, равна половине толщины полупроводниковой микросхемы (4).2. Силовой полупроводниковый модуль по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковым материалом является кремний, а материал электропроводящего слоя (7) содержит Al, Au, Ag или Mg или соединение этих элементов.3. Силовой полупроводниковый модуль по п.1 или 2, отличающийся тем, что электропроводящий слой (7) является пастой.4. Силовой полупроводниковый модуль по п.1 или 2, отличающийся тем, что электропроводящий слой (7) является слоем припоя.5. Силовой полупроводниковый модуль по п.3 или 4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна компонента материала электропроводящего слоя (7) образует с полупроводниковым материалом эвтектику, причем доля, по меньшей мере, одной компоненты в электропроводящем слое (7) составляет, по меньшей мере, 10% материала электропроводящего слоя (7).