[发明专利]功率半导体模块和具有多个功率半导体模块的功率半导体模块组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率半导体模块，包括：导电底板；导电顶板，与底板平行布置并与底板隔开；至少一个功率半导体设备，布置在底板上在底板与顶板之间形成的空间中；以及至少一个压引脚（presspin），布置在底板与顶板之间形成的空间中，以在功率半导体设备与顶板之间提供接触。本发明还涉及包括多个功率半导体模块的功率半导体模块组件。

背景技术

功率半导体设备可以处理大约1.7kV以上的电压。半导体设备与通常由钼或者基于钼的合金制成的底板以表面接触，以允许从半导体导电并传走热，即半导体设备热且电耦合至底板。用于该领域的典型的功率半导体设备是功率晶体管，比如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、反向导通绝缘栅双极晶体管（反向导通IGBT）、双模式绝缘栅晶体管（BIGT）或者（功率）二极管。

功率半导体设备被频繁组合，用于形成能够处理高达100A以上的电流的功率半导体模块。功率半导体设备并联布置在公共底板上，该公共底板通常形成功率半导体模块的导电基底。功率半导体模块通常被导电顶板覆盖，该顶板通常是功率半导体模块的外壳的盖。顶板为功率半导体设备提供进一步接触。功率半导体模块可以包括相同的功率半导体设备、例如功率晶体管，或者不同的功率半导体设备、例如一组功率晶体管和至少一个功率二极管。功率半导体设备通常通过压引脚连接至导电顶板。在用在功率半导体模块中的功率晶体管的情况下，还有控制接触部通过压引脚连接至盖，那么其中顶板与控制接触部电隔离。

多个功率半导体模块还可以被组合来形成功率半导体模块组件。功率半导体模块彼此机械平行且电并联地布置在公共外壳中。功率半导体模块的底板形成功率半导体模块组件的导电基底。另外，功率半导体模块组件的外壳还被导电盖覆盖，该导电盖与布置在其中的功率半导体模块的盖接触。在功率半导体模块组件的另一个实施例中，组件的盖是用于其中的多个功率半导体模块的公共盖。功率半导体模块组件可以包括相同的功率半导体模块，例如包括如上所述的功率晶体管和功率二极管的功率半导体模块；或者不同的功率半导体模块，例如包括功率晶体管的一组功率半导体模块和包括功率二极管的至少一个功率半导体模块。这样的功率半导体模块组件例如是来自本申请人的称为Stakpak，并可以用于形成用在例如处理高达几百kV的HVDC应用中的堆叠布置（stacked arrangement）。相应地，优化功率半导体模块组件的机械设计，以便在长堆叠中夹紧。在这些堆叠布置中，单个的功率半导体模块组件的机械和电稳定性对防止整个堆叠布置的故障是重要的。

取代将功率半导体模块布置在功率半导体模块组件中并堆叠功率半导体模块组件，功率半导体模块还可以直接堆叠。

在功率半导体模块或者功率半导体模块组件的堆叠布置中，通常在相邻的功率半导体模块或者功率半导体模块组件之间设置冷却器。这些冷却器通常使用水作为传热介质，用于冷却功率半导体模块或者功率半导体模块组件的堆叠布置。更换这些冷却器非常昂贵。

在堆叠布置的环境下，支持单独功率半导体设备的短路故障模式（SCFM）是重要特性。如果功率半导体设备中的一个发生故障，该故障是由于提供实现从底板到盖的导通的短路导致的，这会使在SCFM中的功率半导体设备无效。对于包括故障功率半导体模块的功率半导体模块组件也同样。当多个功率半导体模块或者功率半导体模块组件串联连接，例如形成上述的堆叠布置时，单个的功率半导体设备的故障不会导致堆叠布置整体故障。

尤其是，由于短路将所有并联功率半导体设备桥接，因此在该短路故障模式中，高达2000A的非常高的电流可能流经单个功率半导体设备和与故障功率半导体设备接触的相应的压引脚。为了达到这些功率半导体设备的高使用寿命和相应地功率半导体模块和功率半导体模块组件的高使用寿命，期望短路故障模式可以维持一年以上。在功率半导体模块组件中，由于相邻的功率半导体模块可以在组件的2个接触部之间提供电连接，因此单个的功率半导体模块的故障不是关键的。相应地，即使在单个模块的所有引脚由于起电弧而消耗掉时，功率半导体模块的内部损伤也在功率半导体模块组件内容许。