[发明专利]功率半导体布置、具有多个该布置的功率半导体模块以及包含多个该模块的模块组装件

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体布置，其包括含钼层的基板，以及安放到基板顶面并与之电耦合及热耦合的功率半导体器件。本发明进一步涉及具有多个功率半导体布置的功率半导体模块。本发明还涉及模块组装件，特别是包含多个功率半导体模块的功率半导体模块组装件。 

背景技术

上述种类的功率半导体布置是本领域众所周知的并且用于例如安放和接触功率半导体器件以及大功率半导体领域。这些功率半导体器件可处理约1.7 kV或更高的电压，并通过粘合、焊接或其它方式安放到基板上。这些功率半导体布置中的基板与功率半导体器件的一面表面接触，这样可从基板直接提供电流到功率半导体器件。功率半导体器件与基板之间的表面接触实现从功率半导体传走热量。为了保持功率半导体器件处于所需的工作温度，可将冷却器连接到基板作为散热器。相应地，功率半导体器件热耦合和电耦合到基板。用于此领域的典型功率半导体器件为绝缘栅双极晶体管(IGBT)、反向导电隔离栅双极晶体管(反向导电IGBT)、双模绝缘栅晶体管(BIGT)或(功率)二极管。 

例如为了形成可处理高达100 A或更高的电流的功率半导体模块，经常组合这类功率半导体器件。功率半导体布置在公共基板上并联设置，基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由导电盖覆盖，它为功率半导体器件提供另一个触点。功率半导体器件通常通过本领域众所周知的母座连接到导电盖。 

母座包含支脚和首部，它们可沿母座纵轴互相相对移动并且通过例如电流旁路电互连。在支脚和首部之间设置弹簧元件，它对支脚和首部施加向外的力以将其压向功率半导体器件和相对触点的接触元件，例如壳体的盖子，从而保持它们之间的电连接。弹簧元件可以是弹簧垫圈组，但也可以使用其它弹簧元件。支脚与相应接触元件之间的接触经由支脚基底提供。此类母座通常用于接触栅极或控制触点、集电极触点和/或发射极触点。 

多个功率半导体模块可进一步组合以形成模块组装件，特别是功率半导体模块组装件。功率半导体模块互相并排设置，且相邻功率半导体模块之间电连接。模块组装件可包含相同的功率半导体模块，例如包含功率晶体管的半导体模块，或不同的功率半导体模块，例如一组包含功率晶体管的半导体模块以及包含功率二极管的至少一个半导体模块。这类模块组装件被本申请人称作“Stakpak”，并可用于形成堆叠布置例如在HVDC应用中使用。相应地，模块组装件的机械设计经过优化以便于在长堆叠中钳位。 

在这类半导体模块和功率模块组装件中，各个功率半导体器件的短路故障模式(SCFM)支持是重要功能。在功率半导体器件之一出现故障的情况下，它无法提供短路以实现从基板到盖子的传导。相应地，在多个功率半导体模块或模块组装件串联连接时，例如形成堆叠，单个功率半导体器件的故障不会导致串联功率半导体模块或模块组装件的故障。 

特别是在这种短路故障模式中，极高电流可流经单个功率半导体器件，因为短路会禁用所有并联功率半导体器件。为了实现这些功率半导体器件的长寿命并相应地实现功率半导体模块和模块组装件的长寿命，需要短路故障模式可维持一年或更长时间。相应地，功率半导体和基板的触点必须能够长时间地耐受由短路电流造成的大量热量。为了在短路故障模式下提供良好的传导中，本领域已知在半导体器件上提供包含铝的小薄片。在功率半导体器件故障并且短路电流升高温度时，铝熔化并与功率半导体的硅形成合金。这种硅铝合金具有较好的电传导性和热传导性。然而，基板与故障功率半导体器件之间的触点老化可将电阻增大到一个足以损坏另一功率半导体器件的点，这样问题传播到整个功率半导体模块和整个模块组装件。尤其是在功率和大功率半导体领域，这是非常关键的，因为半导体模块中存在大量能量并且可能出现电弧。在最坏的情况下，甚至可能出现相邻冷却器损坏或整个系统出现故障。 

调查表明，电触点老化和故障的主要原因是在半导体器件与基板之间形成特别的两个高电阻金属间相(intermetallic phase)。术语“高电阻”是指相较于功率半导体器件与基板之间触点的“正常”电阻的电阻，例如在SCFM中的触点上形成AlSi时。具体来说，这些相是Mo(SiAl)₂和MoSi₂，它们会降低功率半导体器件与基板之间的电传导性和热传导性。相应地，触点温度升高并且SCFM寿命缩短。