Силовой полупроводниковый модуль

Изобретение относится к области силовой электроники. Сущность изобретения: в силовом полупроводниковом модуле, содержащем, по меньшей мере, одну полупроводниковую микросхему из полупроводникового материала с первым и вторым главными электродами, первый и второй главные выводы и контактную пластинку в электрическом контакте с первым главным электродом и первым главным выводом, контактная пластинка содержит легирующий элемент, а между легирующим элементом и полупроводниковым материалом может быть образована эвтектика. Контактная пластинка покрыта электропроводящим защитным слоем, который содержит, по меньшей мере, один электропроводящий базовый слой, нанесенный на контактную пластинку, и электропроводящий поверхностный слой, образующий внешнюю контактную поверхность, при этом базовый и поверхностный слои состоят, в основном, из разных материалов. Изобретение обеспечивает создание стойкого к короткому замыканию силового полупроводникового модуля. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области силовой электроники. Оно касается силового полупроводникового модуля согласно ограничительной части п.1 формулы, в частности, IGBT-модуля (Insulated Gate Bipolar Transistor) или диодного модуля.

Уровень техники

У силовых полупроводниковых модулей, в частности у силовых полупроводниковых модулей, включающих в себя, по меньшей мере, одну первую полупроводниковую микросхему, содержащую внутри IGBT- или диодную структуру, должна быть нередко обеспечена стойкость при коротком замыкании. Под стойкостью при коротком замыкании понимают то, что в случае дефекта первой полупроводниковой микросхемы между первым главным выводом силового полупроводникового модуля, электрически соединенным с первым главным электродом первой полупроводниковой микросхемы, и вторым главным выводом полупроводникового модуля, электрически соединенным со вторым главным электродом первой полупроводниковой микросхемы, возникает стабильное короткое замыкание. В результате этого в короткозамкнутом режиме между обоими главными выводами должен существовать длительный электрический контакт с как можно меньшим сопротивлением и как можно большей емкостью по току. Поэтому в английской специальной терминологии имеется понятие "short circuit failure mode", сокращенно SCFM. В опубликованной под номером ЕР 989611 А2 европейской патентной заявке описано, как с помощью подходящего контактного элемента, находящегося в контакте с первым главным электродом каждой полупроводниковой микросхемы, достигается подобная стойкость к короткому замыканию. Контактный элемент образован электропроводящим слоем, например пластинкой, шайбой или фольгой, и должен содержать легирующий компонент, который может образовать с полупроводниковым материалом полупроводниковой микросхемы эвтектику, т.е. соединение или сплав, температура плавления которого ниже температуры плавления чистого полупроводникового материала и в то же время ниже температуры плавления чистого легирующего компонента. При дефекте первой полупроводниковой микросхемы она расплавляется с образованием эвтектики с легирующим компонентом, и образуется металлически проводящий канал между первым и вторым главными электродами.

Для полупроводниковых микросхем из кремния в качестве легирующего компонента подходит, в частности, Al, Ag, Au, Cu или Mg или же соединение этих элементов. У контактирующих за счет давления силовых полупроводниковых модулей можно на первый главный электрод каждой полупроводниковой микросхемы положить предпочтительно фольгу или пластинку в качестве контактного элемента и фиксировать за счет давления, передаваемого, например, через контактные пуансоны. При подобной конфигурации могут, однако, возникнуть проблемы, а именно из-за того, что с течением времени между первым главным электродом и фольгой или пластинкой образуется прочная материальная связь, разъединяемая лишь с большой затратой усилия, что, как правило, несет с собой разрушение первого главного электрода и, тем самым, полупроводниковой микросхемы. Это вызвано тем, что фольга или пластинка из-за оказываемого давления и температурных колебаний и циклов при работе силового полупроводникового модуля в определенной степени оказывается холодносваренной с первым главным электродом. Вследствие разных коэффициентов теплового расширения контактного элемента и полупроводниковой микросхемы при работе силового полупроводникового модуля возникает высокая механическая нагрузка на первый главный электрод, которая может привести к тому, что металлизация электрода с течением времени отделится, в результате чего полупроводниковая микросхема разрушится. Это явление в неблагоприятных случаях может возникнуть даже лишь за счет трения между поверхностями контактного элемента и первого главного электрода, т.е. без образования прочного материального соединения.

Другая проблема возникает у негерметично закрытых силовых полупроводниковых модулей в сочетании с контактным элементом, состоящим, в основном, из Al. Общеизвестно, что Al в течение секунд, как только при комнатной температуре соприкоснется с воздухом, образует оксидный слой толщиной несколько нанометров. Поскольку этот слой является изолирующим и к тому же, как правило, более твердым, чем металлизация первого главного электрода, из-за него повышается контактное сопротивление между контактным элементом и первым главным электродом, в худшем случае настолько, что при работе силового полупроводникового модуля выработанное контактным сопротивлением тепло разрушает силовой полупроводниковый модуль.

Изложение изобретения

Таким образом, задачей изобретения является создание стойкого к короткому замыканию силового полупроводникового модуля, по меньшей мере, с одной полупроводниковой микросхемой, который содержит контактный элемент и, у которого не возникает названных проблем. Эта и другие задачи решаются посредством силового полупроводникового модуля описанного выше рода с признаками независимого пункта формулы. Другие предпочтительные выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах.

Силовой полупроводниковый модуль, согласно изобретению, содержит в качестве контактного элемента электропроводящую контактную пластинку, которая находится в электропроводящем соединении с первым главным электродом полупроводниковой микросхемы и первым главным выводом силового полупроводникового модуля и которая покрыта электропроводящим защитным слоем. При этом защитный слой выполнен преимущественно таким образом, что содержит на внешней контактной поверхности материал, который

- по возможности, неокисляемый, преимущественно химически мало реакционноспособный;

- не вступает в химическую реакцию с первой металлизацией первого главного электрода и, по возможности, не имеет ни контактной коррозии, ни материальной диффузии или

- имеет минимально возможный коэффициент трения или

- может быть осажден при температурах, при которых контактный слой не повреждается или не деформируется,

или имеет произвольную комбинацию двух или более названных свойств.

В другом предпочтительном усовершенствовании силового полупроводникового модуля, согласно изобретению защитный слой имеет многослойную структуру и включает в себя, по меньшей мере, один поверхностный слой, который образует внешнюю контактную поверхность, и базовый слой. При этом поверхностный слой состоит из материала, который обладает одним из названных свойств или произвольной комбинацией двух или более этих свойств.

Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения становятся очевидными из нижеследующего детального описания предпочтительного примера выполнения изобретения в сочетании с чертежом.

Краткое описание чертежа

На чертеже схематично изображено сечение силового полупроводникового модуля, согласно изобретению. Используемые на чертеже ссылочные позиции и их значение приведены в перечне ссылочных позиций. В принципе, одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые детали.

Пути реализации изобретения

На чертеже схематично изображено сечение силового полупроводникового модуля, согласно изобретению. Полупроводниковая микросхема 11 с первым и вторым главными электродами находится между электропроводящей нижней платой 91, образующей второй главный вывод силового полупроводникового модуля, и электропроводящей верхней платой 92, образующей первый главный вывод силового полупроводникового модуля. Первый и второй главные электроды имеют соответственно первую 11 и вторую 12 металлизации. Между первым главным электродом и верхней платой 92 находится контактная пластинка 2, покрытая защитным слоем, состоящим из базового 31 и поверхностного 32 слоев. Модуль замыкают боковыми стенками 93, причем это замыкание необязательно должно быть герметичным. Первая толщина контактной пластинки 2 составляет при этом преимущественно, по меньшей мере, половину второй толщины полупроводниковой микросхемы 11. При этом контактная пластинка 2 может быть получена предпочтительно вырезанием или высечкой из фольги. Преимущественно, однако, используют еще более толстую контактную пластинку 2 с первой толщиной в диапазоне от нескольких десятых миллиметра до нескольких миллиметров, преимущественно с первой толщиной приблизительно один миллиметр. В этом случае контактная пластинка 2 может быть изготовлена предпочтительно вырезанием или вырубкой из жести.

Контактная пластинка 2 состоит преимущественно, в основном, из Al или Ag. Эти материалы, с одной стороны, относительно недороги. Кроме того, оказалось, что образование эвтектики в случае Si в качестве полупроводникового материала у контактных пластинок 2 из Ag и Al происходит особенно надежно сквозь всю полупроводниковую микросхему 11. Это объясняется, в том числе, тем, что Ag и Al не образуют с Si промежуточных фаз. Под промежуточными фазами понимают смеси с количественным соотношением в пределах определенной ширины полосы или строго стехиометрическим количественным соотношением, которые характеризуются определенными физическими свойствами. Такие промежуточные фазы относительно стабильны и препятствуют процессу диффузии, так что легирование полупроводниковой микросхемы 11 больше не гарантировано. Контактная пластинка 2 может состоять, однако, предпочтительно также, в основном, из Cu, Аи или Mg или из сплава двух или более металлов Al, Ag, Au, Cu или Mg.

Поверхностный слой 32 состоит преимущественно, в основном, из благородного металла, предпочтительно из Ag, Au, Pd, Rh или Ru. Преимущественно поверхностный слой 32 имеет третью толщину 0,1-5 мкм, преимущественно приблизительно 0,2 мкм. Преимущественно поверхностный слой 32 может состоять, в основном, также из электропроводящего нитрида, предпочтительно TiN, CrN или ZrN или из графита. В этом случае третья толщина составляет преимущественно 0,1-5 мкм, преимущественно приблизительно 1 мкм. Под "А состоит, в основном, из X" здесь и далее следует понимать, что Х - это то вещество с наибольшей долей по массе всех веществ X, Y, Z, ..., которое содержит объект А. Преимущественно Х имеет при этом массовую долю, по меньшей мере, 90%. А может состоять также предпочтительно из чистого X. В одном предпочтительном выполнении изобретения контактная пластинка 2 состоит, в основном, из Al или Mg, а защитный слой содержит базовый слой 31 из хорошего покрывающего материала, преимущественно химически или гальванически осажденного Ni. Четвертая толщина базового слоя 31 составляет при этом преимущественно несколько микрометров, преимущественно приблизительно 1-15 мкм, преимущественно приблизительно 2-3 мкм. За счет базового слоя 31 предотвращается при этом контактная коррозия между контактной пластинкой 2 и поверхностным слоем 32.

В одном предпочтительном выполнении изобретения поверхностный слой 32 состоит, в основном, из Rh, Ru или электропроводящего нитрида, преимущественно из TiN, CrN или ZrN. Rh обладает при обычных эксплуатационных температурах лишь очень слабой диффузией, а Ru и нитрид вообще не обладают ею на контактах с первой металлизацией 11 электрода из Ag. Образование прочного материального соединения между первой металлизацией 11 электрода и контактной пластинкой 2 этим особенно эффективно предотвращено. Если контактная пластинка 2 состоит, в основном, из Al или Mg, а поверхностный слой 32, в основном, из Ru, то базовый слой 31 предпочтительно немного толще, преимущественно приблизительно 6-15 мкм. Это важно, в частности, тогда, когда Ru осаждают в ванне, в которой рН-значение обычно составляет приблизительно 1 и которая поэтому химически очень агрессивна. Предпочтительно к тому же между базовым слоем 31 из Ni и поверхностным слоем 32 предусмотрен золотой слой для улучшения адгезии между Ni и Ru. Пятая толщина золотого слоя лежит при этом предпочтительно в диапазоне нескольких десятых миллиметра, преимущественно она составляет приблизительно 0,2 мкм. В одном предпочтительном выполнении изобретения защитный слой состоит лишь из единственного слоя, преимущественно благородного металла, предпочтительно, в основном, из Ag, Au, Pd, Rh или Ru. Шестая толщина защитного слоя составляет при этом преимущественно 0,1-5 мкм, преимущественно приблизительно 0,2 мкм. Преимущественно поверхностный слой 32 также может состоять, в основном, из электропроводящего нитрида, предпочтительно из TiN, CrN или ZrN, или из графита. Шестая толщина защитного слоя составляет в этом случае преимущественно 0,1-5 мкм, преимущественно приблизительно 1 мкм.

1. Силовой полупроводниковый модуль, содержащий,

по меньшей мере, одну полупроводниковую микросхему (11) из полупроводникового материала с первым и вторым главными электродами;

первый и второй главные выводы (91, 92);

контактную пластинку (2) в электрическом контакте с первым главным электродом и первым главным выводом (92), причем

контактная пластинка (2) содержит легирующий элемент, а между легирующим элементом и полупроводниковым материалом может быть образована эвтектика, при этом

контактная пластинка (2) покрыта электропроводящим защитным слоем (31, 32), отличающийся тем, что

защитный слой (31, 32) содержит, по меньшей мере, один электропроводящий базовый слой (31), нанесенный на контактную пластинку (2), и

электропроводящий поверхностный слой (32), образующий внешнюю контактную поверхность,

при этом

базовый и поверхностный слои состоят в основном из разных материалов.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что базовый слой (31) состоит в основном из Ni и имеет преимущественно толщину приблизительно 1-15 мкм, преимущественно 2-8 мкм.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что поверхностный слой (32) имеет толщину приблизительно 0,1-5 мкм.

4. Модуль по п.2, отличающийся тем, что поверхностный слой (32) имеет толщину приблизительно 0,1-5 мкм.

5. Модуль по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что

поверхностный слой (32) состоит в основном из Ru;

между поверхностным (32) и базовым (31) слоями предусмотрен электропроводящий промежуточный слой, который состоит в основном из Au и имеет преимущественно толщину приблизительно 0,2 мкм, и

базовый слой (31) имеет преимущественно толщину 5-12 мкм.

6. Модуль по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что полупроводниковая микросхема (11) имеет внутри IGBT- или диодную структуру.

7. Модуль по п.5, отличающийся тем, что полупроводниковая микросхема (11) имеет внутри IGBT- или диодную структуру.

8. Модуль по п.1, отличающийся тем, что

базовый слой (31) состоит из хорошего покрывающего материала, при этом

поверхностный слой (32) состоит из материала с одним или несколькими следующими свойствами:

а) неокисляемый, преимущественно химически малореакционноспособный;

б) не вступает в химическую реакцию с первой металлизацией первого главного электрода и не имеет ни контактной коррозии, ни материальной диффузии;

в) имеет низкий коэффициент трения;

г) может быть осажден при температурах, при которых контактный слой не повреждается или не деформируется.