[发明专利]具有以亚模块方式集成的冷却器的功率半导体模块

说明书

本发明涉及功率电子学领域。本发明从具有多个亚模块的功率半导体模块出发，每个亚模块各具有至少一片实质上固定在衬底上面的半导体芯片，其中衬底是半绝缘的，但具有良好的热传导，具有对半导体芯片匹配的膨胀系数。

工业应用、公共运输事业应用以及其它应用的功率半导体常以模块堆积方式由许多功率半导体元件，例如晶闸管，GTO(门电路关断晶闸管)，MCT(MOS控制晶闸管)，功率二极管，IGBT(绝缘栅双极晶体管)或MOSFETS(MOS控制场效应晶体管)构成。尤其是MOS控制的半导体芯片只可以具有相当小的有源可控制面积以及开关功率制造出来。因此，例如就1200A模块而言，典型的是20个IGBT并联成功率半导体模块。对这种模块例如可参阅EP-A1-0 597144或者T.Stockmeier et al.的文章“Reliable 1200 Amp 2500V IGBT Modules for TractionApplication”,IEEE IGBT Propulsion DrivesColloquium,London,April 1995。

功率半导体的耗热的导散对于热负荷交变稳定性以及功率半导体模块的冷却系统提出很高要求。首先在牵引驱动用的高的高功率模块，热问题是长时间可靠性的主要限制。在今天的技术条件下，主要失效机制之一是在半导体芯片一衬底和导热底板或冷却器之间焊层老化和脱焊。因此芯片过热，焊线脱开，最后整个功率半导体模块毁坏。在一定数量的负荷交变之后观察到焊接疲劳和脱落，这除了与温度状况有关外与冷却效率有很大关系。因此，重要的事是优化冷却器的结构、几何尺寸和所用材料。

由登记号19647590.2未提前公开的德国专利通报已知：多个亚模块毗邻安置在由氮化铝(AlN)构成的公共陶瓷衬底上，并经铜制导热基板冷却。为了降低热机械应力，插入由铝硅碳化物(AlSiC)或铜硅碳化物(CuSiC)组合材料制的中间板，它具有AlN和铜之间的中间热膨胀系数。该结构的缺点是：通过中间板必需有第二焊层，因此热阻增大。

为高功率半导体模块专用的流体冷却装置在登记号19643717.2的未提前公开的德国专利通报上公开。提出完全或至少在冷却面区域由碳化硅合成物(AlSiC,CuSiC)或其它具有与半导体芯片匹配的热膨胀系数的材料构成的冷却外壳取代由铝(Al)和铜(Cu)构成的传统的冷却外壳。此外为了改善热传导，提供从冷却面向里突出的陶瓷针，这些陶瓷针在每一亚模块下能够组合成针群。在冷却外壳内的隔板使冷剂流集中到产生热的亚模块上。在该装置内虽然可以达到良好的冷却效率以及降低的热机械应力。然而与此对照的是复合物外壳的高制造价格。此外，由于预先规定每个外壳的亚模块数以及亚模块不能单个更换，使功率半导体模块的适应性和模块化受到限制。

最后由DE19645636获悉功率模块的一种集成结构，其中功率半导体、控制电子线路、母线汇流排和冷却体安置在公共的外壳体内。这种功率模块一点也不具有模块化。更确切地说，功率半导体大面积地插入整块衬底和整块冷却器和控制电子线路之间并且构成一准单片结构。

本发明的任务是：给出具有多个亚模块和改进的冷却器结构的功率半导体模块，其特征为：极高的热负荷容量、高度的长时间可靠性以及改善的模块化。本任务根据本发明由下述结构的功率半导体模块解决。

本发明的核心是由具有集成冷却器的亚模块组装功率半导体模块。这时亚模块恰好具有一衬底，在该衬底上面至少材料连接固定一半导体芯片且用其底面与冷却器浇铸在一起。

第一实施例给出具有亚模块和浇铸的冷却器的功率半导体模块，该冷却器具有以AlSiC板的形式的冷却体和以Al或AlSiC制的针、筋形式的冷却结构。

第二实施例描绘了一功率半导体模块，其中尤以较小的筋形式的冷却器结构直接灌注到亚模块衬底底面上。

此外，另一实施例涉及塑料外壳的应用，在该塑料外壳的上面存放亚模块而在其内部空间用冷却水等冷却冷却元件，以及集成控制电子线路和/或在功率模块内集成母线汇流排。

附加的实施例由有关的权利要求给出。

本发明的功率半导体模块的一个优点是：首先根据在衬底和冷却器之间界面的明显改善的热负荷交变的稳定性，在于其提高的可靠性和寿命。

本发明的功率半导体模块的另一优点是由冷却器结构的模块化给出的。因此有缺陷的亚模块是容易更换的，冷却外壳简单地适应于各按开关功率所希望的亚模块数量。

具有集成控制电子线路和集成母线汇流排接头的功率半导体模块能达到的紧凑的结构是其另一优点。