[发明专利]带有安装在电路载体上的负载连接元件的功率半导体模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率半导体模块。此外，本发明还涉及一种功率半导体 模块外壳。

背景技术

功率半导体模块需要伸出在外部的负载电流端子作为外部接口，来实现 模块的电接触。其中，有可能会出现与功率大小相关的大截面外部端子，因 而需要负载电流端子具有较高的耐用性。此外还要求负载电流端子具有各种 接线轮廓，以便必要时可在负载电流端子上连接不同的电缆或母线系统。这 些负载电流端子在模块内部与一个不大坚固的电路载体机械地及电气地相 连，这个电路载体插在一个外壳(通常为塑料外壳)中，并配有多个元部件 (特别是功率半导体)。其中，优选使用热导率较高和热膨胀系数较大的陶 瓷电路载体DCB衬底(direct copper bonded，直接铜接合)来承载功率半导 体，这种电路载体由上面覆有很薄的一层纯铜的陶瓷绝缘物(氧化铝或氮化 铝)构成。尽管在耐用性方面存在缺点，但铜层的高热导率、高热容和高热 膨胀性以及DCB衬底与硅相近的热膨胀系数使得DCB衬底在功率电子学中 具有无可取代的地位。如果直接在电路载体上安装所谓的裸半导体芯片，一 般情况下就通过接合工艺用细铝线或细银线在半导体芯片与电路载体之间 建立电气连接。电路载体与外部负载电流端子之间的电气连接也用相同的连 接技术而实现。在此情况下，虽然可在铝接合线(23*10^-6)和DCB(7*10^-7) 具有不同线性热膨胀系数的基础上在负载电流端子与电路载体之间实现一 定程度的机械退耦，但在进行热寿命试验时，原则上还是存在限制，因为接 合线会脱落。但这可以避免电路载体上受到较大的导体连接力的作用，从而 确保电路载体与负载电流端子之间的持久连接。

DE 19719703中公开了一种将向外突出的外部负载电流端子喷射入模 块外壳的方法，其中，专门设置在负载连接线上的凸缘可提供附加的固定作 用，因为在喷射过程之后，塑料外壳会在冷却过程中发生收缩，从而至少无 法持久地实现负载端子的稳定固定。在此情况下，电路载体与喷射成形负载 端子之间的连接通过接合工艺而实现。

DE 19914741中也公开了相同类型的负载连接元件，这种负载连接元 件与外壳的内壁相连，并在其下端上配有接合面。此处也用接合线来建立负 载连接元件与电路载体之间的连接。上述两种连接方法都需要在外壳内采用 接合工艺。为此需在外壳内设置用于容纳接合工具的空间，这会对小型模块 的模块尺寸产生不利影响，因为设定模块尺寸时必须将这一空间考虑在内。 如前文所述，电路载体上涂有铜层，为能实现接合，需在接合处设置与所用 接合线相应的铝、镍、铜或金接合面(Pad)，其中，电路载体上的铜具有普 遍适用性。某些情况下必须为电路载体配备接合面。负载连接元件自身一般 情况下全部用铜或黄铜制成，但同样需要配备接合面。此外，通常还需为各 元部件之间的DCB电路连接和电路与负载连接元件之间的连接使用与电流 负荷相对应的直径不一的接合线。为此需实施额外的处理步骤，以致产生成 本劣势。

DE 3643288中对多种负载连接工艺进行了说明。DE 3643288所说明 的其中一个对象是一种插在电路载体上的接线柱，这种接线柱在外壳边缘上 通过一个横臂和两个螺旋连接与一个承载体相连。承载体的对外连接通过分 立的旋接式导体元件而实现。DE 3643288还对一种板簧元件进行了说明， 这种板簧元件的其中一侧旋接在分立式或内置式承载体(嵌在外壳中)上， 另一侧弹性抵靠在电路载体上，从而建立起电接触。布置在外壳内的承载体 的其他对外连接通过同样旋接在承载体上的分立式导体元件而实现。这些连 接工艺所需使用的元部件数量以及须重复进行的旋接工作必然会对制备成 本产生不利影响。根据DE 3643288中所公开的另一种板簧元件实施方式， 板簧元件的其中一侧存在一个可以嵌入外壳盖的圆柱形突出部。当外壳盖处 于安装完毕状态时，电路载体上会受到一个压紧力的作用。其中的缺点在于， 只有通过关闭外壳盖才能实现接触。此外，外壳盖的安装也会带来操作上的 问题。这种解决方案的另一缺点是，电路载体上必须存在较大的面积，采用 这种布置方式的板簧需要占用较大的外壳内腔。这一点在安装其他分立元部 件时可能会引起空间不足的问题，从而带来不利之处。基于板簧的解决方案 在尺寸错误和冲击负荷及振动负荷有所增大的情况下的应用可能会存在问 题。

发明内容