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

Изобретение относится к области силовой электроники. Оно исходит из силового полупроводникового модуля согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Такой силовой полупроводниковый модуль уже описан в выложенной заявке DЕ 19530264 A1. При этом речь идет о так называемом полупроводниковом модуле с прижимными контактами, в котором несколько полупроводниковых кристаллов расположены своим первым главным электродом на монтажной плате. Вторые главные электроды кристаллов электрически контактируются с помощью множества торцевых контактов. Монтажная плата соединена с первым главным вводом, а торцевые контакты - со вторым главным вводом.

Всегда трудно припаивать отдельные кристаллы на одной высоте, а тем более плоскопараллельно. В указанной выложенной заявке положение каждого торцевого контакта устанавливают по отдельности в соответствии с расстоянием между подлежащим контактированию полупроводниковым кристаллом и вторым главным вводом. За счет этого можно снизить требования к плоскопараллельности поверхностей кристаллов. Положение установленных подвижно торцевых контактов постоянной длины регулируют с помощью пружины, которая расположена в отверстии, предусмотренном для размещения торцевого контакта. Действующая на модуль сила передается через эти пружины на отдельные полупроводниковые кристаллы.

Приведенное в указанной выложенной заявке решение имеет тот недостаток, что через пружину должен проходить ток. Однако электрическая проводимость самой пружины, и в частности, проводимость перехода между пружиной и торцевым контактом или вторым главным вводом, часто являются недостаточными.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании с силового полупроводникового модуля, в котором на все полупроводниковые кристаллы независимо от их расстояния до второго главного ввода действует одинаковое давление, и в котором улучшена проводимость средств, предусмотренных для контактирования. Эта задача решена с помощью силового полупроводникового модуля с признаками первого пункта формулы изобретения.

Основная идея изобретения состоит в разделении средств, предусмотренных для электрического соединения между полупроводниковыми кристаллами и вторым главным вводом, и пружинных элементов, которые ответственны за одинаковую силу контактирования всех полупроводниковых кристаллов. Для каждого полупроводникового кристалла создают электрическое соединение со вторым главным вводом модуля, которое отличается хорошей проводимостью и малым переходным сопротивлением.

Для этого предусмотрены контактные элементы, которые имеют две плоские контактные поверхности. Расстояние между этими контактными поверхностями перекрыто соединительным элементом. Этот соединительный элемент должен быть упругим и имеет предпочтительно форму скобы или проволочного проводника. Каждый контактный элемент разжимается пружиной. При этом контактные поверхности прижимаются, с одной стороны, к верхней плате и, с другой стороны, к полупроводниковому кристаллу и тем самым обеспечивают малое сопротивление контакта. Передача усилия контакта происходит за счет напряженного пружинного элемента, который расположен между контактными поверхностями и который мало или почти не влияет на электрическую проводимость.

Силовые полупроводниковые модули с прижимным контактированием полупроводниковых кристаллов обычно являются выдерживающими короткое замыкание, так как отсутствуют тонкие привариваемые провода, которые могут плавиться при перегрузке. Однако при прижимном контактировании без особых мер предосторожности на чувствительные полупроводниковые кристаллы, в частности на кристаллы биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGВТ), воздействуют механические нагрузки и перегрузки, которые могут приводить к разрушению кристалла. В частности, при сжимании соединенных последовательно модулей в стопку могут возникать повреждения. В предпочтительном варианте выполнения данного изобретения это предотвращается тем, что между первым и вторым главными вводами предусмотрены опорные элементы для приема возможной перегрузки. Они ограничивают ход пружины и тем самым максимально передаваемое пружинным элементом усилие контакта. Как только верхняя плата упирается в опору, то вся дополнительная нагрузка воспринимается ею, и контактное давление на полупроводниковый кристалл не зависит от внешней нагрузки сжимания.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, образованные из пружинного и контактного элемента блоки могут быть изготовлены предварительно и при комплектации полупроводникового модуля просто устанавливаться на кристалл. Указанный блок является более компактным и простым в обращении, если предусмотрены подходящие сдерживающие средства, предотвращающие его полное разжимание. Это обеспечивает, в частности, более экономичное и упрощенное изготовление полупроводникового модуля. Контактирование кристаллов с помощью комбинирования, согласно изобретению, контактного элемента и пружинного элемента, обеспечивает перманентное низкоомное переходное сопротивление между контактами корпуса и кристаллом. При этом при выходе из строя одного кристалла весь номинальный ток проходит через неисправный кристалл, не причиняя вреда соответствующим контактам.

Другие предпочтительные варианты выполнения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Ниже приводится подробное описание изобретения на примере выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - вид в разрезе части силового полупроводникового модуля, согласно первому варианту выполнения изобретения,

фиг.2 - вид в разрезе части силового полупроводникового модуля, согласно второму варианту выполнения изобретения.

Используемые на чертежах позиции и их значение приведены в перечне позиций. Одинаковые части принципиально обозначены одинаковыми позициями, если только по причинам наглядности позиция повторно не указывается.

На фиг.1 показана в разрезе часть силового полупроводникового модуля, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, в общем корпусе расположено множество отдельных полупроводниковых кристаллов 4 рядом друг с другом, причем на фиг.1 показаны только два отдельных кристалла 4. Полупроводниковые кристаллы представляют собой предпочтительно кристаллы биполярных транзисторов с изолированным затвором или диодные кристаллы, или комбинацию этих двух видов кристаллов. На фиг.1 не изображены выводы затворов для управления полупроводниковыми кристаллами.

Корпус образован нижней платой 2, верхней платой 3 и стенками корпуса. Нижняя плата 2, которая образует первый главный ввод 20 модуля, и верхняя плата 3, которая образует второй главный ввод 30 модуля, могут быть выполнены в виде массивных медных блоков. Кроме того, в нижней плате 2 размещены не изображенные охлаждающие устройства. Полупроводниковые кристаллы 4 содержат на нижней и верхней сторонах первый металлизированный главный электрод 40 и второй металлизированный главный электрод 41. Второй главный электрод 41 каждого полупроводникового кристалла через контактный элемент 8 электрически соединен с верхней платой 3. Между первым главным электродом 40 и нижней платой 2, с одной стороны, и между вторым главным электродом 41 и контактным элементом 8, с другой стороны, могут быть предусмотрены другие пленки, пластины и/или слои припоя. В качестве примера такого промежуточного слоя показаны пластины 5, которые по своему тепловому расширению согласованы с кремниевым полупроводниковым материалом и изготовлены из таких материалов, как Мо, Сu или композиты из Мо-Сu.

Для минимизации переходного сопротивления между вторым главным электродом 41 полупроводникового кристалла 4 и контактным элементом 8 последний имеет первую плоскую контактную поверхность 81. Она прилегает ко второму главному электроду 41 или к самому верхнему из упомянутых промежуточных слоев 5. Пружинный элемент 7 расположен так, что контактный элемент 8 разжимается пружинным элементом 7.

Вторая плоская контактная поверхность 82 контактного элемента 8, соответственно, прижимается сжатым пружинным элементом 7 к верхней плате 3. Между пружинным элементом 7 и двумя контактными поверхностями 81, 82 находится первая подкладная шайба 70 и вторая подкладная шайба 71. Если эти подкладные шайбы 70, 71 выполнены электрически изолирующими, то через металлический пружинный элемент 7 вообще не будет проходить ток.

Сила прижимания, передаваемая сжатым пружинным элементом 7 на полупроводниковые кристаллы 4 и верхнюю плату 3, компенсируется давлением, которое воздействует на поверхности главных выводов 20, 30 модуля в его сжатом состоянии.

Поскольку расстояние между двумя контактными поверхностями 81, 82 контактного элемента 8 больше не изменяется только в сжатом модуле, то его необходимо перекрыть упругим, проводящим соединительным элементом 80. В частности, пружинный элемент 8 перед его установкой более распрямлен, т.е. менее сжат, чем в сжатом модуле. Соединительный элемент 80 может иметь, например, форму скобы, содержать несколько скоб или быть образован одним или несколькими отрезками провода. Соединительный элемент 80 служит, согласно изобретению, исключительно для электрического соединения.

Как уже указывалось выше, высота стопки, состоящей из полупроводникового кристалла 4, а также молибденовых пластин 5 и слоев припоя, не одинакова внутри модуля. Поэтому трудно выровнять все верхние промежуточные слои, подлежащие контактированию с помощью соответствующей контактной поверхности 81 контактного элемента 8, на точно одинаковой высоте. Это относится, в частности, к тем случаям, когда в одном и том же модуле используют различные виды кристаллов. Для иллюстрации этой проблемы на фиг.1 показаны утрированно различные по высоте кристаллы. В соответствии с этим, расстояние, которое должен перекрывать контактный элемент, будет отличаться от кристалла к кристаллу, соответственно от контактного элемента к контактному элементу. За счет применения контактного элемента 8, согласно изобретению, с гибким размером, т.е. изменяющимся расстоянием между контактными поверхностями 81, 82, это больше не являются проблемой.

Для защиты полупроводниковых кристаллов 4 от механических неправильных нагрузок и перегрузок предусмотрены опорные элементы 10 из устойчивого против ползучести материала, предпочтительно из керамики. Если при сжатии модуля в стопку давление на поверхности главных вводов 20, 30 становится слишком большим, то оно может восприниматься опорными элементами 10. При сжатии модуля пружинный элемент 7 сжимается дополнительно, а именно максимально настолько, пока верхняя плата 3 не будет опираться на опорные элементы 10. Таким образом, любая дальнейшая перегрузка или неправильная нагрузка не будет больше передаваться на полупроводниковые кристаллы 4. Опорные элементы 10 могут быть выполнены в виде отдельных стоек или в виде опорного кольца внутри модуля или же могут быть идентичными со стенками корпуса.

Другим примером указанных в начале промежуточных слоев является пластина, называемая в последующем основанием 60 стойки. Она служит дополнительно к первой подкладной шайбе 70 для распределения оказываемого пружинным элементом 7 давления и предусмотрена между пружинным элементом 7 и кристаллом 4. Это целесообразно, в частности, тогда, когда поперечные сечения пружинного элемента 7 и полупроводникового кристалла 4 не совпадают по форме и по размерам. В этом случае первая контактная поверхность 81 контактного элемента 8 лежит предпочтительно между расположенной со стороны кристалла подкладной шайбой 70 и основанием 60 стойки.

Это основание 60 стойки служит дополнительно в качестве опоры самой стойки 6. Такая стойка 6 содержит, кроме того, шейку 61 стойки и примыкающую к ней расширенную головку 62 стойки. Задачей выполненной таким образом стойки 6 является предотвращение полного расслабления пружинного элемента 7, соответственно, обеспечение его определенного предварительного напряжения. Для этого необходимы еще дополнительные сдерживающие средства 9, например кольцо 90 с круглым поперечным сечением, которое расположено между головкой 62 стойки и расположенной со стороны верхней платы подкладной шайбой 71 (или второй контактной поверхностью 82). Эта вторая подкладная шайба 71 снабжена отверстием, диаметр которой немного больше диаметра головки 62 стойки. Кольцо 90 с круглым поперечным сечением имеет внутренний диаметр, который меньше диаметра головки 62 стойки, и внешний диаметр, который больше диаметра отверстия второй подкладной шайбы 71. Зажатое таким образом между головкой 62 стойки и второй подкладной шайбой 71 кольцо 90 с круглым поперечным сечением предотвращает ослабление ненагруженного пружинного элемента 7 за пределы головки 62 стойки, в качестве альтернативы к указанному выше кольцу 90 с круглым поперечным сечением можно использовать съемную головку 62 стойки с диаметром, который больше диаметра отверстия второй подкладной шайбы 71.

С помощью этих средств пружинному элементу 7 можно придать любое предварительное напряжение, за счет чего минимизируется дополнительный ход пружины при установке верхней платы 3, соответственно при сжимании модуля в стопке. Блок, образованный из предварительно напряженного пружинного элемента 7, стойки 6 и контактного элемента 8, можно изготавливать в виде самостоятельной компактной детали и затем вставлять в модуль.

При установке верхней платы 3, соответственно при сжимании модуля в полупроводниковой стопке пружинный элемент 7 сжимается еже немного, за счет чего уменьшается расстояние между головкой 62 стойки и верхней платой 3. В соответствии с этим необходимо предусмотреть камеру 91 для головки стойки для компенсации относительного перемещения между головкой 62 стойки и сдерживающим средством 9, соответственно верхней платой 3. Эта камера 91 для головки стойки может быть выполнена в виде углубления 92 в верхней плате 3 (фиг.1) или в виде имеющего форму L воронкообразного профильного элемента 93, который со стороны верхней платы прилегает к пружинному элементу 1. Этот вариант выполнения показан на фиг.1 для одного кристалла. В этом случае в верхней плате 3 не требуется углубления. Кроме того, в этом случае вторая контактная поверхность 82 выполнена сплошной и тем самым имеет большую контактную поверхность.

Пружинный элемент 7 может быть спиральной пружиной, содержать одну или несколько тарельчатых пружин или быть выполненным в виде цилиндра из упругого материала. Хотя в приведенных примерах пружинный элемент 7 всегда сжимается, возможны также варианты выполнения, в которых пружинный элемент работает на растяжение. Кроме того, пружинный элемент 7 не должен обязательно окружать шейку 61 стойки, а может быть расположен рядом с ней.

Стойка 6 и пружинный элемент 7 могут иметь в плоскости, параллельной главным вводам 20, 30, круглое поперечное сечение, т.е. быть выполнены осесимметричными. Показанная на фиг.1 выравнивающая фольга 11 соединяет электрически и механически вторые главные электроды 41 полупроводниковых кристаллов 4 друг с другом и служит для выравнивания различных падений напряжения между полупроводниковыми кристаллами.

Перечень позиций

2 Нижняя плата

20 Первый главный ввод

3 Верхняя плата

30 Второй главный ввод

4 Полупроводниковый кристалл

40 Первый главный электрод

41 Второй главный электрод

5 Молибденовые пластины

6 Стойка

60 Основание стойки

61 Шейка стойки

62 Головка стойки

7 Пружинный элемент

70 Первая подкладная шайба

71 Вторая подкладная шайба

8 Контактный элемент

80 Упругий соединительный элемент, скоба, провод

81 Первая контактная поверхность

82 Вторая контактная поверхность

9 Сдерживающее средство, средство предварительного напряжения

90 Кольцо с круглым поперечным сечением

91 Камера для головки стойки

92 Углубление

93 Профильный элемент

10 Опорный элемент

11 Выравнивающая фольга.

Изобретение относится к области силовой электроники. Сущность: по меньшей мере один контактируемый с приложением давления полупроводниковый кристалл (4) электрически соединен через контактный элемент (8) с одним главным вводом (30). Контактный элемент (8) имеет две плоские контактные поверхности (81, 82), между которыми находится пружинный элемент (7). Независимо от положения и высоты отдельных кристаллов (4) соответствующий пружинный элемент (7) обеспечивает одинаковую силу контактирования. Опорный элемент (10) предотвращает механические перегрузки полупроводниковых кристаллов (4) при сжимании модуля. Технический результат изобретения состоит в создании силового полупроводникового модуля, в котором на все полупроводниковые кристаллы, независимо от их расстояния до второго главного ввода, действует одинаковое давление и в котором улучшена проводимость средств, предусмотренных для контактирования. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Модуль с силовыми полупроводниковыми приборами, содержащий нижнюю плату (2), верхнюю плату (3) и по меньшей мере один полупроводниковый кристалл (4), который первым главным электродом (40) электрически соединен с нижней платой (2), а вторым главным электродом (41) через подпружиненный электрический контактный элемент (8) - с верхней платой (3), отличающийся тем, что предусмотрен по меньшей мере один контактный элемент (8), содержащий две контактные поверхности (81,82) и упругий электрический соединительный элемент (80), причем первая контактная поверхность (81) электрически соединена со вторым главным электродом (41), а вторая контактная поверхность (82) - с верхней платой (3), и предусмотрен по меньшей мере один пружинный элемент (7), который расположен между двумя контактными поверхностями (81, 82), электрически изолирован от контактного элемента (8) и выполнен с возможностью раздвигать по меньшей мере один контактный элемент (8) в положение, обеспечивающее электрическое соединение между вторым главным электродом (41) и верхней платой (3).2. Модуль с силовыми полупроводниковыми приборами по п.1, отличающийся тем, что упругий соединительный элемент (80) имеет одну или несколько выполненных с возможностью деформации скоб.3. Модуль с силовыми полупроводниковыми приборами по п.1, отличающийся тем, что пружинный элемент (7) является спиральной пружиной или содержит тарельчатые пружины или цилиндрическую часть из упругого материала.4. Модуль с силовыми полупроводниковыми приборами по п.1, отличающийся тем, что между нижней платой (2) и верхней платой (3) предусмотрен по меньшей мере один предпочтительно керамический опорный элемент (10).5. Модуль с силовыми полупроводниковыми приборами по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что для предварительного напряжения пружинного элемента (7) предусмотрены средства, которые содержат стойку, имеющую расположенное между пружинным элементом (7) и полупроводниковым кристаллом (4) основание (60) стойки, шейку (61) стойки и головку (62) стойки, заключенную в камеру (91) для головки стойки.6. Модуль с силовыми полупроводниковыми приборами по п.5, отличающийся тем, что основание (60) стойки расположено между первой контактной поверхностью (81) и полупроводниковым кристаллом (4).7. Модуль с силовыми полупроводниковыми приборами по п.6, отличающийся тем, что шейка (61) стойки проходит внутри пружинного элемента (7).8. Модуль с силовыми полупроводниковыми приборами по п.7, отличающийся тем, что камера (91) для головки стойки выполнена в виде углубления (92) в верхней плате (3) или в виде L-образного профильного элемента (93), расположенного между пружинным элементом (7) и верхней платой (3).