具有改善的密封的功率半导体模块的利记博彩app

本发明涉及功率半导体模块。功率半导体模块是使用在功率电子电路中的半导体组件组。功率半导体模块通常用于车辆、太阳能以及工业应用中，如逆变器和整流器。包含在功率半导体模块中的半导体组件通常是IGBT(绝缘栅双极晶体管)-半导体芯片或者MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)-半导体芯片。IGBT-和MOSFET-半导体芯片具有变化的额定电压和功率。一些功率半导体模块在半导体封装中还具有用于过压保护的额外的半导体二极管(即，续流二极管)

对于高功率应用，功率半导体模块通常具有集成在单一衬底上的多个半导体组件。衬底通常包括绝缘陶瓷衬底，如Al₂O₃,AlN,Si₃N₄或其他适合的材料，以将半导体组件电绝缘。至少陶瓷衬底的上侧或者通过纯的或者通过电镀的Cu，Al或其他适合的材料而被金属涂覆，以为半导体组件提供电和机械的接触。金属层通常借助直接敷铜法(DCB)、直接敷铝法(DAB)或者活跃金属焊接法(AMB)而被键合到陶瓷衬底。

为了保护半导体组件，通常将半导体组件放置在由塑料制成的电绝缘壳体中，其例如被构造成圆顶形的并倒置在半导体组件及其衬底之上，以通过金属的、衬底支撑的、用于导热的安装部封闭设置在冷却体处的电路板，使得半导体组件被布置在圆顶形壳体限定的空腔体积中。尝试实现壳体的密封构造。

其中的问题在于电连接元件，其必须通过壳体的通孔而被导出，因为其具有布置在壳体外侧用于电接触以及(如果适用)同时的机械固定的接触部段。连接元件通常被构造成金属成型件。连接元件在另一端与布置在模块中的半导体组件和/或衬底的接触面导电连接，例如通过插头接触或弹簧接触，或者通过焊接。

为了保护布置在模块中的半导体组件中，以及为了确保足够的电 绝缘，部件(尤其是半导体组件)通过软灌封胶(例如，硅凝胶，属于冷硫化的双组份硅弹性体的组)被覆盖在壳体中并由此被保护。为此，在制造工艺的最后将模块例如利用硅凝胶填充。然而，湿气或腐蚀性气体可能进入壳体中，尽管有硅凝胶，但湿气或腐蚀性气体仍可能前进至半导体组件并与半导体组件或在半导体组件处引起不希望的化学反应。

为了气密密封，可以在壳体中引用例如附加的环氧树脂层，其包围硅凝胶并将位于底部的元件密封。

在公开文本DE 10 2008 045 721 A1和DE 10 2011 056 848 A1中通过如下方式解决了湿气进入壳体的问题，即在为电连接元件提供的通孔中提供附加的密封装置。伴随着这些为电连接元件提供的通孔，用于气密密封的这些通孔也存在问题，这些通孔在模块安装中被提供，例如这些通孔通常出现在利用硅凝胶灌注模块内部的情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于实现一种功率半导体模块，其中使得功率电子部件有效地免受湿气的有害影响并具有相对较低的生产成本，同时避免了上面提及的隔离失效的问题。这一目的通过根据权利要求1的功率半导体模块实现。同样有利的组装方法是从属的方法权利要求的主题。应当意识到，在权利要求中单独列出的特征可以以任意技术上有意义的方式彼此进行组合并形成本发明另外的实施例。说明书附加地尤其与附图结合地示出本发明的特征并描述本发明。

本发明涉及功率半导体模块，以下简称为模块。该本发明的模块具有导热地固定到冷却体的衬底，例如，绝缘陶瓷衬底，例如，Al₂O₃,AlN,Si₃N₄。

优选地，模块包括金属板，其设置有用于安装到冷却体的平坦表面。金属板另外具有例如一个或多个用于螺丝固定到冷却体的通孔。例如，上面所述的陶瓷衬底是金属涂覆的并且与金属板焊接的。

功率半导体模块具有至少一个布置在衬底上的半导体组件。这例 如涉及半导体开关，如IGBT、MOSFET、或二极管、或其组合。优选地设置有多个半导体组件，例如两个或三个半导体组件。

根据本发明，模块具有至少一个与半导体组件导电连接的连接元件。根据本发明，连接元件具有接触部段。优选地，接触部段被构造为以便焊接在电路板焊盘中。例如，该连接部段是金属成型件，例如，基本上由铜制成。接触部段例如被构造为销状。

接触部段的概念是广义解释的，并总体上涉及用于在至少一个半导体组件与在下面解释的壳体的外侧之间提供电流和/或功率的电导体。根据半导体组件的功能性设计，连接部段涉及负载连接元件或控制连接元件，其中，通常但并不是必须地，根据电流负载来表示(impliziert)所涉及的连接元件的不同的结构设计。

优选地，控制连接元件的概念表示，所涉及的控制连接元件与已有的负载连接元件的不同之处至少在于具有较小的导电截面。

根据本发明，设置有衬底以及至少一个半导体组件至少部分地、优选全部设置在其中的电隔离壳体。本发明的“电隔离”的含义为壳体的材料成分具有特定的大于10¹⁰Ω·cm的电阻。优选地，材料还具有大于1kV/mm、更为优选地大于10kV/mm的介电强度。优选地，材料具有较低的吸水性。例如，壳体材料涉及热塑料，优选地玻璃纤维加强的热塑料。

根据本发明，壳体具有至少一个用于连接元件的通孔。优选地，通孔设置在壳体的上侧，其中壳体的上侧是指，与为了相邻的装置的、在冷却体处预定的模块侧相对的一侧。这里，“上侧”并不应限制性地理解为在模块的预期用途的情况下壳体的上侧在重力场中必须是向上的，而是根据本发明可以任意定向。例如，设置有具有圆形或者狭缝形截面的通孔。例如，通孔具有套筒形延伸部，其伸入到通过壳体限定的空腔体积中，即，壳体的内部。

根据本发明，至少一个连接元件被布置成贯穿通孔。其可以形状配合地容纳在通孔中。优选地，在连接元件和通孔的壁之间存在间隙。优选地，间隙小于0.25mm，更为优选地小于0.15mm。

根据本发明，在壳体的外侧上设置有与壳体外侧相邻且包围连接元件的层，该层由与壳体材料相比可塑性或弹性形变材料制成。其优选地至少适用于被设计用于半导体组件的操作的一定的温度范围，例如，适用于-10℃到150℃的温度。

塑性或弹性可形变性的差异例如分别根据DIN EN ISO 868,DIN ISO 7619-1或ASTM D2240来确定。

例如，层的材料涉及热塑料，如聚酯，聚甲醛，聚乙烯，聚丙烯，聚酰胺，聚对苯二甲酸丁二醇酯，丙烯腈丁二烯苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚氯乙烯，聚碳酸酯，苯乙烯-丙烯腈共聚物，聚苯醚，或它们的组合。

例如，壳体的材料同样涉及热塑料，优选地由玻璃纤维加强的热塑料制成。与壳体的热塑料相比，这一具有更强塑性或弹性可形变性的层例如由对特定热塑料和/或有关相应增塑剂含量的差异(即，有关玻璃纤维比例)的选择所导致。

例如，在层材料方面涉及弹性体，如天然橡胶，丙烯腈-丁二烯橡胶，苯乙烯-丁二烯橡胶，氯丁橡胶，丁二烯橡胶或EPDM橡胶或它们的组合。

优选地，在层材料方面涉及具有小于65、更优选地小于60、最优选地小于55，例如50的邵氏A硬度的弹性体或硅氧烷。

根据本发明，其中接触部段布置为使得其超出层和壳体侧面，以使得能够例如与位于外部，也即壳体外侧的导线电接触。

本发明中的围绕的布置的含义表示，将本发明的实施例实现为，使得层围绕连接元件接触，并且完全覆盖过渡件以及在通孔和连接元件之间的可能存在间隙。通过这一覆盖，优选地实现密封或者(如果存在)对现有密封件的支持。

与壳体材料相比可塑性或弹性形变的层由此用作壳体的外部覆盖，根据本发明，连接元件被布置为伸出该层。由此，形成(如果存在)附加的外部屏障，其阻止湿气或有害气体进入到壳体内部，也即模块内部。例如，以这样的方式阻止了在由硅凝胶作为软封装材料填 充的模块的情况下湿气的进入，这是基于该材料的相对良好的可浸润性导致了湿气的饱和与扩散直到半导体组件，并由此对其造成损害。与壳体相比，该壳体外侧上的层由此用作外部有害气体或湿气屏障。

优选地，围绕通孔的壳体外侧的表面被构造为平的，以便布置在电路板的旁边。

更为优选地，在壳体的外部区域中设置有敞开(frei)的、在第一通孔旁边的并且形状一致的另一平行的通孔，其被层覆盖。概念“敞开的”表示未填充的通孔。例如，其涉及在功率半导体模块制造过程中使用的、作为用于软灌封胶材料的填充开口的通孔。由此，除了在壳体中出于生产技术需要而设置的通孔以外，根据本发明，该软层以有效地或以制造经济的方式附加地用作密封。

优选地，在壳体中设置多个形状一致的、平行的通孔，其随后通常被布置成规则的网格。这种壳体提供了在同时满足连接元件的高的布置灵活性的情况下的满足通用性的优势，而不需要壳体的相应的具体设计和制造。由此，通过本公开的层解决了相关联的密封问题，其中优选地将层设计成使得其被布置成覆盖所有形状一致的通孔。

例如，层被施加到壳体外侧作为枕部(Kissen)。

例如，该层承受热收缩步骤和冲压步骤，使得接触部段刺穿该层。

优选地，该层的成分具有至少一种硅氧烷，如聚硅氧烷，例如，至少环状的、直链、支链和/或交联的聚硅氧烷。

优选地，该层的成分具有至少一种聚酰亚胺，例如，聚琥珀酰亚胺(PSI)，聚双马来酰亚胺(PBMI)，聚苯并咪唑(PBI)，聚二咪唑(PBO)，聚酰亚胺砜(PISO)和/或聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)，优选地，聚(4,4'-氧二亚苯基-均苯四酸)，如目前以商品名“Kapton”由E.I.du Pont de Nemours and Company出售的聚(4,4'-氧二亚苯基-均苯四酸)。

优选的，该层的成分至少具有一个或多个聚合物。

优选地，该层由非导电材料制成。作为非导电材料，考虑具有大于10¹⁰Ω·cm的具体电阻的材料。优选地，这样选择层的材料，以使 得其落入根据DIN EN 60664-1(VDE 0110-1)的绝缘物的等级中，其中与IEC60112对应的相对电痕指数(Prüfzahl der Kriechwegbildung)在测试体上在应用规范确定的解决方案A下被确定。相对电痕指数CTI>600将材料根据爬电特性分级到具有爬电电导率的材料。

层例如通过形状或力配合与壳体外侧连接。优选地，层通过粘合剂被附着到壳体外侧和/或连接元件处。

为了提高在施加中的定位精确性以及为了其保持性，层被容纳在壳体外侧的凹陷中。

本发明还涉及一种装置，其包括前面所述的实施例中的功率半导体模块以及电路板，也称作板(Platine)，其中电路板至少具有导线，其与接触部段导电地连接。由塑性或弹性可形变的材料制成的层优选地位于电路板和壳体外侧之间，并且与二者相邻地布置。例如，电路板平行地、距离壳体外侧通孔围绕的区域而被布置。优选地，接触部段与导线焊接。例如，接触部段被布置成使得其贯穿电路板的焊盘并与焊盘焊接。例如，该层完全填充电路板和相邻的壳体外侧区域之间形成的空腔区域。

本发明还涉及一种利用下面步骤制造功率半导体模型的方法。在准备步骤中，功率半导体模块被提供以如下特征。该模块具有导热地固定到冷却体的衬底。布置在所述衬底上的至少一个半导体组件。此外，至少一个导电地与所述半导体组件连接的具有接触部段的连接元件。模块具有电绝缘的壳体，其中至少部分地容纳有衬底和至少一个半导体组件。至少一个连接元件被布置成分别贯穿在壳体中的通孔并且利用其接触部段超出所述壳体外侧。针对特定特征，如电绝缘，参考前述说明书。

本发明的方法提供了时间上随后的施加步骤，其中在壳体外侧上施加有与所述壳体外侧邻接并且围绕所述连接元件的层，该层由与壳体材料相比可塑性或弹性形变的材料制成。该层被施加，以使得接触部段超出所述层而布置。

例如通过将连接元件刺穿该层地布置，与壳体材料相比可塑料或 弹性形变的层用于壳体的外部密封。由此产生(如果存在)附加的、外部屏障，其阻止湿气或有害气体进入到模块内部。例如，以这样的方式阻止在由硅凝胶作为软封装材料填充的模块中湿气的进入，这是基于该材料的相对良好的可浸润性导致湿气的饱和与扩散直到半导体组件，并由此导致对其损害。与壳体相比，该壳体外侧上的层由此用作外部有害气体或湿气的屏障。

根据方法的优选实施例，施加步骤包括层的热收缩过程和/或层的冲压过程，由此接触部段分别穿过该层。例如，借助于肘杆冲压以及直到为接触部段设置的空腔或孔或者与模块的壳体外侧互补地构造的冲模(Stempel)将该层按压到模块上，以便实现使得接触部段刺穿该层并且(如果适用)由于层材料的可塑性形变性而由该层材料包围。

在优选实施例中，施加以枕部形式的例如由硅氧烷制成的层。该枕部在另一用于利用接触部段被刺穿指定位置的设计中已经被穿孔(vergelocht)。

根据方法的另外优选的实施例，提供由时间上随后的将半导体模块利用导线布置在电路板上的步骤，其中层被布置在壳体外侧和电路板之间。在随后的步骤中，通过焊接来制造接触部段与电路板之间的导电连接。

附图说明

本发明将借助随后的附图来详细说明，在本文中附图仅为示例性的，以仅用于理解和说明优选地实施例。在附图中：

图1示出根据本发明实施例的模块的侧视图；

图2示出图1的根据本发明的模块的前视图；

图3示出图1的根据本发明的模块以及布置在其上的电路板的侧视图；

图4示出图1的根据本发明的模块的顶视图；

图5示出了与模块的壳体外侧互补地形成的冲模的立体、示意性示意图；

图6示出根据本发明的模块的立体、示意性示意图；

图7示出根据本发明的模块的冲模、层的立体、示意性示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的模块1的侧视图，图2示出了根据本发明实施例的模块1的前视图。用于与模块的未示出的冷却体预定的一侧相邻的布置通过金属板13来限定。在金属板13上固定有电绝缘但导热的陶瓷衬底2。该陶瓷衬底2是两面金属涂覆的。陶瓷衬底2的与金属板相邻的一侧的金属涂层设置用于陶瓷衬底2与金属板13的焊接。在相对的、远离金属板的陶瓷侧的金属涂层上设置有电和/或机械接触，尤其针对半导体组件3和连接元件7。为简明起见，在该示意性示意图中，仅示例性地示出了三个半导体组件3。用于导电连接的在连接元件7与半导体组件3之间设置的键合引线18，例如由铜或铝合金制成，在图1中示例性地、示意性地示出。为了用于机械保护的电绝缘以及为了保护半导体组件免受湿气和有害气体，设置由纤维增强型热塑料制成的壳体5。

三个连接元件7分别贯穿在电绝缘壳体5中所属的通孔6，并以此形成接触部段，其成销状超出壳体5的外侧(前面也称为壳体外侧)。通过壳体上侧的通孔6具有圆形横截面并且分别具有大于销状接触部段4外径的内径。这样导致的接触部段4与电绝缘的壳体5之间的间隙根据本发明通过施加在壳体外侧上的层10而被完全覆盖，与壳体5的纤维增强型热塑料相比，该层由可弹性形变的材料制成。上述施加在图5-图7更具体描述的冲压步骤中实现。在冲压步骤穿过之后，如图1和图2中示出的销状接触部段4超出层10并由此从外部可自由地接触。

为了实现电接触，从外部可自由地接触的接触部段4在电路板19的焊盘中焊接并由此与位于电路板19上的导电导线连接。如在图3中示意性示出的，层10然后在两边被相邻地布置在壳体5的外侧和电路板19之间。

在图4中示出的模块的顶视图中，通孔6,6‘的规则网格9通过电绝缘壳体5可见。这样构建的电绝缘壳体5可以通用并同时针对模块的相应具体设计确保连接元件7的高的布置灵活性。在这里示出的实施例中，仅针对连接元件7应用了部分通孔6。在该实施例中的其余通孔6‘对于接口元件7不是必须的并且随后在该实施例中仅形成不希望的通孔6‘，湿气和有害气体可以通过其进入到模块内部。这些不希望的通孔6‘独立与模块的具体设计即，独立与连接元件7的设置而通过本发明的层10而被完全覆盖，以使得层10构成外部屏障，其阻止湿气和有害气体进入模块内部。除了通孔6,6‘的规则的网格9，存在敞开的通孔11，其作为灌封胶材料的填充开口在模块的制造过程中被应用。

图6是冲模14的示意性立体图，冲模与图6中示出的模块1的壳体外侧互补地构造。冲模14具有互补的孔16的规则网格以用于容纳销状接触部段4。孔6,6‘的规则网格的这一互补的设置使得通孔6,6‘独立与模块1的具体设计而被完全覆盖。为了模块1在冲压过程期间可以与冲模14配合地冲压，存在四个引导元件15，其可以被引导配合到图5中示出的四个孔17中。

在图7中可见在冲压步骤之前冲模14、模块1以及层10的组合。层10形状配合地位于冲模上并固定到冲模上。在冲压过程中，模块1完全适配地冲压到冲模14上，以使得接触销4刺穿层10并啮合到冲模的孔16中。