功率半导体模块

1.具有基板(2)、顶板(3)和至少一个半导体芯片(4)的功 率半导体模块，半导体芯片具有与基板(2)电连接的第一个主电极 (40)并且具有经过弹性的触点元件(8)与顶板(3)电连接的第二 个主电极(41)，其特征在于，所述触点元件(8)包括第一个接触面 (81)和第二个接触面(82)以及柔性电连接元件(80)，所述第一 个接触面(81)与第二个主电极(41)电连接，所述第二个接触面(82) 则与顶板(3)电连接，至少存在一个弹簧元件(7)，这个弹簧元件 (7)将至少一个触点元件(8)在第二个主电极(41)与顶板(3)之 间涨开构成为电连接形式，所述弹簧元件(7)配置在所述第一个接触 面(81)和第二个接触面之间。
2.按照权利要求1的功率半导体模块，其特征为，柔性的连接元 件(80)有一个或多个可以成形为弓形的件。
3.按照权利要求1的功率半导体模块，其特征为，弹簧元件(7) 是螺旋弹簧或包括碟形弹簧或由弹性材料构成的圆柱形部件。
4.按照权利要求1的功率半导体模块，其特征为，弹簧元件(7) 相对于触点元件(8)是电绝缘的。
5.按照权利要求1的功率半导体模块，其特征为，至少在基板(2) 和顶板(3)之间存在一个陶瓷的支撑元件(10)。
6.按照权利要求1-5之一的功率半导体模块，其特征为，为了 预紧弹簧元件(7)安排了装置，这个装置包括有柱(6)，这个柱具 有在弹簧元件(7)和半导体芯片(4)之间的柱脚(60)、柱颈(61) 和在柱头空腔(91)中的柱头(62)。
7.按照权利要求6的功率半导体模块，其特征为，柱脚(60)是 安排在第一个接触面(81)与半导体芯片(4)之间的。
8.按照权利要求7的功率半导体模块，其特征为，柱颈(61)是 穿过弹簧元件(7)的。
9.按照权利要求8的功率半导体模块，其特征为，柱头腔(91) 是由在顶板(3)上的空腔(92)或由安排在弹簧元件(7)与顶板(3) 之间的L形型材元件(93)构成的。

技术领域\n本发明涉及到功率电子学领域。它是一种功率半导体模块，这种功 率半导体模功具有一个基板、一个顶板和至少一个半导体芯片，这个 半导体芯片通过第一主电极与基板电连接，以及通过第二主电极经弹 性电触点元件与顶板电连接。\n背景技术\n一种这样的功率半导体模块已经在公开的文献DE 195 30 264 A1中 叙述过。其中涉及到一个所谓的压力接触半导体模块，其中将多个半 导体芯片与其第一个主电极安排在一个基板上。芯片的第二个主电极 与多个触点柱电接触。基板与第一个主接头，触点柱则与第二个主接 头连接。\n将单个芯片在同一个高度上更别提平面平行地焊接是困难的。在上 述公开的文献中，每个单个触点柱的位置对应于准备接触的半导体芯 片与第二个主接头之间的距离是个别调整的，从而可以减小对芯片表 面平面平行度的要求。移动放置的具有恒定长度的触点柱的位置是通 过弹簧调整的，这个弹簧放在为接纳触点柱而安排的孔中。作用在模 块上的力经过这个弹簧传递给单个的半导体芯片。\n在上述公开的文献中指出的解决方法的缺点是，电流必须通过弹 簧。然而弹簧本身的导电能力和特别是弹簧和触点柱或第二个主接头 之间过渡区的导电能力常常是不够的。\n发明内容\n本发明的任务是指出一种功率半导体模块，在其中所有半导体芯片 与到第二个主接头的距离无关承受同样的压力，并且在其中改善了为 接触安排的装置的导电能力。此任务是由这样的一种功率半导体模块 解决的。具有基板、顶板和至少一个半导体芯片的功率半导体模块， 半导体芯片具有与基板电连接的第一个主电极并且具有经过弹性的触 点元件与顶板电连接的第二个主电极，其特征在于，所述触点元件包括 第一个接触面和第二个接触面以及柔性电连接元件，所述第一个接触面 与第二个主电极电连接，所述第二个接触面则与顶板电连接，至少存在 一个弹簧元件，这个弹簧元件将至少一个触点元件在第二个主电极与 顶板之间涨开构成为电连接形式，所述弹簧元件配置在所述第一个接 触面和第二个接触面之间。\n本发明的核心是，将半导体芯片与第二个主接头之间为了电连接安 排的装置和弹簧元件分开，而这个弹簧元件对于所有半导体芯片负责 承受统一的支撑力。建立每个半导体芯片与模块第二个主接头的电连 接，其优越性在于导电能力好和过渡电阻小。\n此外安排了触点元件，触点元件有两个平的接触面。接触面之间的 距离是用一个连接元件搭接的。这种连接元件必须是柔性的，并且最 好有一个弓的形状或一个绳形状的导线。\n每个触点元件是由一个弹簧元件涨开的。此时接触面一方面压向顶 板，另一方面压向半导体芯片，并且这样可能使接触电阻很小。传递 支撑力是由上述张紧的弹簧元件完成的，而张紧的弹簧元件是安置在 接触面之间，并且对导电很少甚至几乎没有影响。\n具有压力接触半导体芯片的功率半导体模块一般来说对短路是坚固 的，因为没有细的在超负荷情况下可能融化的结合导线。当然在压力 接触时如果没有特殊的注意措施，敏感的半导体芯片，特别是IGBT(绝 缘栅极双极晶体管)芯片，作用了机械的错误负荷或超负荷可能导致 芯片的破坏。特别是在触点柱上装卡串行连接的模块时可能引起损 坏。如果在第一个和第二个主接头之间为承受一个可能出现的超负荷 安排了支撑元件时，在本发明的特殊的实施形式中被避免了。这限制 了弹簧行程并且从而也限制了由弹簧元件传递的支撑力。一旦顶板靠 在支撑上，每个其它的负荷均由顶板承受，并且作用在半导体芯片上 的接触压力与外部的装卡负荷脱开。\n按照一种其它的特殊的实施形式，由弹簧元件和触点元件构成的统 一体可以预加工，并且在插装半导体模块时容易地装在芯片上。如果 弹簧元件是预紧的，当弹簧元件通过适当的支持装置避免完全放松 时，上述统一体可以更紧凑和容易地处理。特别是这允许因为简单因 而成本比较适当的半导体芯片制造。\n借助于按照本发明的由触点元件和弹簧元件组合的芯片接触，保证 了壳体触点和芯片之间稳定的低欧姆的过渡电阻。从而当一个芯片出 故障时整个的额定电流经过损坏的芯片，不会引起相应的触点损坏。\n另外的优选的实施形式由从属权利要求中获悉。\n附图说明\n以下借助于实施例与附图一起对本发明进行详细地叙述。附图表 示：\n附图1按照本发明第一个实施形式的功率半导体模块的部分截面图；\n附图2按照本发明第二个实施形式的功率半导体模块的部分截面图。\n具体实施方式\n在附图上使用的符号及其意义综合在符号表上。原则上同样的零件 使用同样的符号。\n在附图1上表示了按照本发明优选的实施形式的大功率半导体模块 截面图的一部分。在一个共同的壳体上安排了很多并排的相互分开的 单个的半导体芯片4，其中在附图1上只表示了两个单个的芯片4。在 半导体芯片方面主要涉及到IGBT芯片或二极管芯片或这两种芯片的组 合。在附图1上没有表示的是控制半导体芯片的栅极接头。\n壳体是由基板2、顶板3和配置在基板2和顶板3之间的壳体壁构 成的。构成模块的第一个主接头20的基板2和构成模块的第二个主接 头30的顶板3可以由实心铜块构成，在基板2上集成了在这里没有表 示的冷却装置。半导体芯片在上端面和下端面包括有第一个金属化的 主电极40和第二个金属化的主电极41。每个半导体芯片的第二个主电 极41是经过触点元件8与顶板3电连接的。一方面，可以在第一个主 电极40和基板2之间配置其它的薄膜、板和/或焊接层，另一方面， 在第二个主电极41与触点元件8之间，可以安排其它的薄膜、板和/ 或焊接层。对于一种这样的中间层5作为例子可以制成板，其热膨胀 与硅半导体材料相匹配，并且由例如Mo、Cu或Mo-Cu合金制成。\n为了使半导体芯片4的第二个主电极41与触点元件8之间的过渡电 阻保持得很小，后者包括有第一个平的接触面81。这个平的接触面是 放在第二个主电极41上或放在最上面的已经叙述过的中间层5上。弹 簧元件7是这样安排的，触点元件8是由弹簧元件7涨开的。触点元 件的第二个平的接触面82相应地通过张紧的弹簧元件7压向顶板3。 第一个垫圈70和第二个71垫圈位于弹簧元件7与第一个接触面81和 第二个接触面82之间。如果这些垫圈70、71构成为电绝缘的，则即 使是金属的弹簧元件7也不会有电流通过。\n张紧的弹簧元件7传递到半导体芯片4和顶板3上的支撑力，被在 其装卡状态下作用在模块的主接头平面20、30上的压力所平衡。\n因为触点元件8的两个接触面81、82之间的距离只有在装卡上模 块时不再改变，这个距离必须由一个柔性的导电的连接元件80搭接， 特别是弹簧元件7在其装配以前就涨开了，也就是说比装卡上模块时 压紧的少一些。连接元件80例如可以是一个弓形的，包括多个弓形或 由一个或多个导线段构成的。按照本发明连接元件80只用作为电导 线。\n如开始已经叙述过的，垛的高度各自是由半导体芯片4以及钼板和 焊层构成的，在一个模块中不是统一的。这造成困难，这些困难来自 于接触触点元件8的第一个接触面81，最上面的中间层，所有都要准 确地调整到同一个高度引起的。如果将不同种类的芯片使用在同一个 模块上特别是属于这种情况。为了将问题阐述清楚，在附图1上夸大 地表示了不同厚度的芯片。相对应的是由触点元件搭接的距离，随着 芯片与芯片以及触点元件与触点元件是不同的。通过使用按照本发明 的具有柔性伸展的触点元件8，也就是说在接触面81、82之间是可变 的距离这就不再成为问题了。\n针对机械的错误负荷和超负荷，为了保护半导体芯片4安排了由蠕 变坚固材料，特别是由陶瓷制成的支撑元件10。即如果将模块装卡成 垛，在主接头平面20、30上的压力太大时，可以被实心的支撑元件10 所承受。弹簧元件7在装卡模块时进一步压缩，并且最大可以压缩到 使顶板3靠在支撑元件10上。从而每个其它的超负荷或错误负荷不再 传递给半导体芯片4。支撑元件10可以构成为单个的支柱，或构成为 在模块内部的支撑环或者与壳体壁一样。\n开始叙述的中间层的另外的例子是，在以下被称为柱脚60的板。附 加在第一个垫圈70以外它用作为缓冲由弹簧元件7作用的压力，并且 被安排在弹簧元件7和芯片4之间。如果弹簧元件7和半导体芯片4 的截面在形状和尺寸上不一致时，这就特别合适。触点元件8的第一 个接触面81则位于垫圈70和柱脚60之间。\n这个柱脚60用作为原本的柱子6的基础。柱子6另外还包括柱颈 61和连接在上面的柱头62。构成为这样的柱子6的任务是，避免弹簧 元件7完全放松以及考虑了一些预紧力。为此目的还需要有另外的支 撑装置，其中例如有一个O形圈90，O形圈位于柱头62和顶板一边的 第二个垫圈71(或第二个接触面82)之间。第二个垫圈71上有一个 开口，其直径大约大于柱头62的直径。O形圈90有一个内径小于柱头 62的直径，并且有一个外径大于第二个垫圈71开口的直径。所表示的 在柱头62和第二个垫圈71中卡入的O形圈90现在可以避免，没有受 负荷的弹簧元件7穿出柱头62时而放松。上述O形圈91的变型可 想象为一个可取下的柱头62，其直径大于第二个垫圈71开口的直 径。\n用这种装置任意的预紧力可以使弹簧元件7压缩，从而在安装顶板 3以及在装卡模块时附加的弹簧行程最小。由预紧的弹簧元件7、柱6 和触点元件8构成的整体可以制造成为独立的紧凑的部件，并且作为 部件装在模块中。\n在安装顶板3以及将模块装卡在半导体垛上时，弹簧元件7还要进 一步压缩，从而柱头62与顶板3之间的距离减小。相对应的必须安排 一个柱头腔91用以承受柱头62和支撑装置以及顶板3之间的相对运 动。这个柱头腔91可以由在顶板3上的一个空腔92构成(附图1)或 者由一个L形的漏斗形的型材元件93构成，它的顶板一边安放在弹簧 元件7上。这种实施形式表示在附图2上的单个的芯片上。在这种情 况下不需要在顶板3上安排空腔。此外在这里第二个接触面82构成为 整体的，并且从而有一个比较大的接触面。\n弹簧元件7可以是螺旋弹簧，包括一个或多个碟形弹簧或作为圆柱 体由一种弹性材料制成的。正是如此在所叙述的例子中弹簧元件7始 终是压缩的，而且加拉力负荷的实施形式也是可以想象的。此外必要 时弹簧元件7不需要围绕柱颈61，然而也可以安排在它的旁边。\n柱6和弹簧元件7在平行于主接头20、30的平面上可以有一个圆 形截面，也就是说构成为回转对称的。只在附图1上表示的平衡薄膜 11将半导体芯片4的第二个主电极41相互电和机械连接，并且用作为 平衡半导体芯片之间不同的电压降。\n符号表\n2  基板\n20 第一个主接头\n3  顶板\n30 第二个主接头\n4  半导体芯片\n40 第一个主电极\n41 第二个主电极\n5  中间层\n6  柱\n60 柱脚\n61 柱颈\n62 柱头\n7  弹簧元件\n70 第一个垫圈\n71 第二个垫圈\n8  触点元件\n80 柔性的连接元件、弓形件、导线\n81 第一个接触面\n82 第二个接触面\n90 O形圈\n91 柱头腔\n92 空腔\n93 型材元件\n10 支撑元件\n11 平衡薄膜

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