CN100442493C - 用于大功率半导体模块和圆片单元的接触装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种接触装置，用于在圆片单元和大功率半导体模块内的大功率半导体组件的控制接头。其中，在大功率半导体组件上方设置一个成型体，它在控制接头的区域内具有一个凹陷并且该凹陷具有一个支座。接触装置包括一个接触弹簧，该接触弹簧在一个弹簧端部上带有一个销形突起而并且在另一弹簧端部上通过一个金属成型件与一根用于外部连接的连接电缆形成连接，所述突起接触控制接头；接触装置包括一个在其内设置有接触弹簧的绝缘材料护套。该绝缘材料护套本身具有至少一个止动凸肩，所述止动凸肩和金属成型体的支座一起构成一种咬合-止动-连接。

Description

用于大功率半导体模块和圆片单元的接触装置
技术领域
本发明涉及一种接触装置，用于在圆片单元(Scheibenzellen)和大功率半导体模块内的大功率半导体组件的控制接头。这种接触装置是圆片单元和优选压力接触的大功率半导体模块的一部分，圆片单元例如由Heumann，“Grundlagen der Leistungselektronik”，Teubne出版社，第6版，ISBN 3-519-06110-4，第37页已知，大功率半导体模块例如由DE196 51 632 A1已知。
背景技术
压力接触的大功率半导体模块，例如按DE 196 51 632 A1的这种大功率半导体模块在电流承载能力和可靠性方面适用于很高的功率要求。因此在这儿控制接头具有一个和功率接头同样重要的作用。功率接头的压力接触连接在半导体模块的制造中作为连接技术早就已知并且多方面得到验证。与此相对，对于控制接头的接触连接有大量的方案，它们需要不同大小的制造费用，而没有直接随之而来的不同大小的可靠性。
大功率半导体组件的控制接头之间的钎焊连接是已知的。同样不同类型的弹簧加载的压力接触是已知的，它们的共同点是，它们以一个复杂的、经常只能用手工的制造为前提和/或它们的可靠性是不够的。
发明内容
本发明的任务是，提出一种在圆片单元和大功率半导体模块内的大功率半导体组件的控制接头的接触装置，它可以广泛使用、保证耐用可靠的电接触并且可进行简单的装配。
按本发明，提出一种接触装置，用于在一个大功率半导体模块或圆片单元内接触一个大功率半导体组件的控制接头，其中，在大功率半导体组件上方设置一个成型体，它在控制接头的区域内具有一个凹陷并且该凹陷具有一个支座，其特征在于：接触装置包括：一个接触弹簧，该接触弹簧在一个弹簧端部上带有一个销形突起而在另一弹簧端部上直接或通过一个金属成型件与一根用于外部连接的连接电缆形成连接，所述销形突起接触控制接头；一个在其内设置有接触弹簧的绝缘材料护套，其中这个绝缘材料护套具有至少一个止动凸肩，所述止动凸肩和金属成型体的支座一起构成一种咬合-止动-连接。
本发明的基本思想来自一个大功率半导体模块，优选在于与一个或多个大功率半导体组件或一个圆片单元压力接触的形式。典型的是，在一个圆片单元内只设置一个大功率半导体组件，然而有一些特殊形式，其中在一个壳体内有多个大功率半导体组件。
本发明涉及带有至少一个受控大功率半导体组件的大功率半导体模块或圆片单元，例如一个闸流晶体管或一个晶体管。它们具有一个控制接头，该控制接头从大功率半导体模块和圆片单元外面被施加一个控制信号。
在大功率半导体模块和圆片单元内，大功率半导体组件经常在两侧分别与一个平面金属体连接，该金属体的热膨胀系数在半导体组件的热膨胀系数和功率接头的一个连接着的接触装置的热膨胀系数之间，以便减小半导体组件的热应力。半导体组件和平面金属体的连接能通过不同方法实现，例如通过钎焊、粘贴或两部分间的压力接触，该金属体优选的是由钼制成。典型的是，平面金属体具有一个数量级从零点几个毫米到几个毫米的厚度。
按本发明的用于接触所述至少一个大功率半导体组件的控制接头的接触装置在支承主接头和控制接头的主平面上配有一个成型体，例如上述的平面金属体。这个成型体在控制接头上面的区域内具有一个凹陷，并且这个凹陷又具有一个支座。
接触装置自身包括一个有一个销形突起的接触弹簧，在这个弹簧端部上，该突起接触控制接头。此外它在另一弹簧端部上具有一个直接或者通过金属成型件间接建立的与一根用于外部连接的连接电缆的连接。接触弹簧和优化的金属成型件设置在一个绝缘材料护套内，其中这个绝缘材料护套具有至少一个止动凸肩，所述止动凸肩和金属成型体的支座一起构成一种咬合-止动-连接。
按本发明，成型体构成为单件式或者多件式的，由一种金属材料制成并且电接触大功率半导体组件的一个主接头。
附图说明
借助于图1至5中的实施例详细解释本发明的思想。
图1示出按现有技术的圆片单元的结构；
图2示出按现有技术的压力接触的大功率半导体模块的结构的剖面图；
图3示出在一个大功率半导体模块内的按本发明的接触装置；
图4示出按本发明的接触装置的三维分解图；
图5示出一个带有按本发明的接触装置的大功率半导体模块的三维分解图。
具体实施方式
图1示出按现有技术的圆片单元950的局部剖面图。圆片单元具有一个优选陶瓷制成的绝缘材料体954。绝缘材料体954构成圆片单元950的壳体，圆片单元的上面的和下面的覆盖层956、952构成为金属成型体，在圆片单元950内部设置一个大功率半导体组件600。
在圆片单元950的结构内，一个金属成型体956具有一个凹槽958，在凹槽958内设置门电路接触装置。它构成为带有一个绝缘外皮的有弹性的线绕元件962。绝缘部分仅仅遮盖线绕元件962的可能与金属成型体956接触的那部分。线绕元件962的第一端部设置在绝缘材料体956的一个设有一个金属护套964的凹陷内并且因此与之导电连接。线绕元件962的第二端部960放在大功率半导体组件600的门电路接头上。通过在金属护套964内的结构和线绕元件962的形状产生一个弹簧效应，将力朝大功率半导体组件600的方向传递到线绕元件962的第二端部960上。
这种圆片单元950的结构的缺点是，金属成型体956必须具有一个径向向外延伸的凹槽958用于容纳线绕元件962。这个凹槽不能廉价地制造，接触装置的装配同样很少能自动化。
图2示出按现有技术的压力接触的大功率半导体模块900的结构的剖面图。在此描述一个金属的基板902、一个塑料壳体908和一个塑料封盖910。在基板902上紧接一个绝缘层之后设置一个第一金属成型体904，在该金属成型体上设置一个大功率半导体组件600和在上面设置一个第二金属成型体908。这个第二金属成型体908借助于一个压力接触装置906施加压力，并且因此把大功率半导体组件600压向第一成型体904，并且把第一成型体压向基板902。因此确保大功率半导体组件600至两个成型体904、908的可靠的电接触和附加地确保与基板902的热接触。因此这两个金属成型体904、908用于主接头的接触。
大功率半导体组件600的控制接头610借助于一个接触装置接触。这个接触装置包括一个金属线绕元件914，它固定在壳体的一个夹持装置912内。从这个夹持装置912出发设有一个通向一个外部接头的电绝缘的金属线连接916。第二金属成型体908具有一个凹槽920，线绕元件914设置在凹槽的延伸内并且在那儿接触控制接头610。线绕元件914以及它的夹持装置912设计成使线绕元件914建立一个弹簧力，该弹簧力作用到大功率半导体组件600上。因此大功率半导体模块900的控制接头也按压力接触技术实施。
然而这种接触装置的结构的缺点是，由于在第二成型体908内的凹槽920，压力不是径向对称地传递到大功率半导体组件600上。此外还有的缺点是，对于大功率半导体模块900的不同的功率等级继而产生的大功率半导体组件600的不同的直径，接触装置不同地设计。接触装置的装配费用这儿同样与廉价制造相对立。
此外用于按图1的圆片单元和按图2的大功率半导体模块的接触装置的结构的缺点是，弹簧臂，即夹持装置964、912和接触位置即大功率半导体组件600的控制接头610之间的横向延伸距离是很大的。接触可靠性在这种弹性线绕元件962、914的结构的情况下受到损害，因为在大量生产圆片单元或大功率半导体模块时只有用巨大的费用才能实现弹簧力的均一性。
图3示出在大功率半导体模块内的按本发明的接触装置。示出一个大功率半导体组件600，它带有一个中心地设置在它的第一主平面上的控制接头610以及设置在大功率半导体组件600的两个对置的主平面上的一个第一和一个第二功率接头620。一个金属成型体700设置在大功率半导体组件600的第一主平面的上面，该成型体由两个分成型体的夹层结构组成。这个成型体700具有一个圆形的中心凹陷710，该凹陷具有一个棱边720。
接触装置自身包括一个由热塑性塑料或优选热固性塑料制成的绝缘材料护套300、一个弹簧元件100和一个构成为插头的金属成型件200。塑料护套300用于控制信号与功率接头的电绝缘，该功率接头由金属成型体700构成。塑料护套300具有两个止动凸肩360。这些止动凸肩360和金属成型体700的作为支座的棱边720一起形成一种咬合-止动-连接。因此在金属成型体700内可以简单地装配接触装置。
在塑料护套300的内部设置构成为桶形弹簧的接触弹簧100。这个接触弹簧在其朝向大功率半导体组件600的一侧具有一个中心对准弹簧轴线设置的销形突起110，该突起带有设计成不同的端部。该端部例如可设计成扁平的、球形的或者成弧形。突起110穿过塑料护套300，其中塑料护套设计成防止弹簧元件100朝控制接头610的方向脱落。突起110用于大功率半导体组件600的控制接头610的接触。接触弹簧100的弹性段用于在圆片单元或大功率半导体模块的使用寿命内恒定的压力传递，继而用于控制接头610的可靠的接触。
同样设置在塑料护套300内部的金属成型件200用于接触弹簧100与圆片单元或大功率半导体组件的外部的控制接头的电连接。为此金属成型件200具有一个第一榫210，该第一榫用于金属成型件200的导向，并且伸入到接触弹簧100的内部区域。此外两个另外的榫230与第一榫210成直角地设置，这两个榫形成一个用于接触弹簧100的止挡，继而用于建立压力。
为了与一根具有一个插头护套510的连接电缆500连接，金属成型件200具有一个构成为插头的第二榫220。因此形成和外部接头的连接。
接触装置的结构这样是可选择的和更廉价的，即塑料护套300设计成使它自身具有一个用于弹簧元件的支座，并且远离大功率半导体组件的弹簧端部用钎焊连接或熔焊连接直接和连接电缆500连接。
图4示出按本发明的接触装置400的三维分解图。在这儿显示了塑料护套300、接触弹簧100和金属成型件200。塑料护套300在此设计成两件式的。一个第一分护套302形成塑料护套300的朝向大功率半导体组件600的部分。第一分护套设计成防止设有一个扁平端部的接触弹簧100朝控制接头610的方向脱落并且为此具有一个凹陷310，该凹陷比接触弹簧的销形突起110的直径大大约0.2mm。此外第一分护套302具有一个止动棱边320以及两个在上边缘上的凹口330，它们的作用在下面描述。
同样显示了一个带有四个止动凸肩360的第二分护套304，其中凸肩设置成指向外面，以便与在金属成型件(见图3，700)在该金属成型件的相配的支座(见图2，710)上咬合-止动-连接。此外第二分护套304具有四个另外的止动凸肩350，这些凸肩设置成指向里面，并且它们的支座在第一分护套302的止动棱边320上。借助这种第二咬合-止动-连接互相固定这两个分护套302、304。
在已知的固定两个分护套302、304成一个塑料护套300中，此外不仅接触弹簧100而且上述金属成型件200固定在塑料护套300的内部。为此使用第一分护套302的上边缘上的两个凹口330。接触弹簧100设置在第一分护套302内，其中销形突起110穿过下面的凹陷310，继而向下固定接触弹簧100。在上面的弹簧端部上，金属成型件200以一个第一榫210伸入到接触弹簧100的内部。两个与第一榫210成直角地构成的另外的榫230设置在第一分护套302的凹口330内，并且通过连接两个分护套302、304固定在那里。因此产生一个由接触弹簧100、金属成型件200和塑料护套300的两个部分302、304构成的装配单元。
图5示出带有按本发明的接触装置400的大功率半导体模块800的三维分解图。描述一个带有两个按压力接触技术构成的闸流晶体管600的大功率半导体模块800。在一块基板802上用合适的方式设置有：
·绝缘材料用于大功率半导体模块800的导电部分和基板802之间的电绝缘；
·带有合适的电连接元件812的两个闸流晶体管600；
·两个成型体700用于容纳接触装置和用于传出压力；
·一个可与图2中描述的压力接触装置比较的压力接触装置808；
·一个带有封盖810的壳体804。
按本发明的接触装置400在这儿在组装大功率半导体模块800时是一个装配单元。为此相应的接触装置400被装入到相配的成型体700内，并且咬合在它的止动棱边720上。这些成型体700由热固性塑料制成，因为它只通过压力接触装置808传递压力，而不用于电连接，因为负载接头812在这儿被制成为金属连接板。接触装置400和外部之间的电连接又借助于一根连接有插头护套510的电缆500建立。为此插头护套510设置在接触装置400的构成为插头的第二榫上220，见图3。

Claims (9)

1.一种接触装置(400)，用于在一个大功率半导体模块(800)或圆片单元内接触一个大功率半导体组件(600)的控制接头(610)，其中，在大功率半导体组件(600)上方设置一个成型体(700)，它在控制接头(610)的区域内具有一个凹陷(710)并且该凹陷(710)具有一个支座(720)，其特征在于：接触装置(400)包括：
一个接触弹簧(100)，该接触弹簧在一个弹簧端部上带有一个销形突起(110)而在另一弹簧端部上直接或通过一个金属成型件(200)与一根用于外部连接的连接电缆(500)形成连接，所述销形突起接触控制接头(610)；
一个在其内设置有接触弹簧(100)的绝缘材料护套(300)，其中这个绝缘材料护套(300)具有至少一个止动凸肩(360)，所述止动凸肩(360)和金属成型体(700)的支座(720)一起构成一种咬合-止动-连接。
2.根据权利要求1所述的接触装置，其特征在于：绝缘材料护套(300)设计成两件式的，并且这两个部分(302、304)通过一种咬合-止动-连接相互设置。
3.根据权利要求1所述的接触装置，其特征在于：接触弹簧(100)构成为桶形弹簧。
4.根据权利要求2或3所述的接触装置，其特征在于：金属成型件(200)具有一个第一榫(210)和一个第二榫(220)，第一榫伸入到接触弹簧(100)的内部区域中，第二榫构成为插头并且与具有一个插头护套(510)的连接电缆(500)借助一种由此形成的插塞连接进行连接。
5.根据权利要求4所述的接触装置，其特征在于：金属成型件(200)具有一些与第一榫(210)和第二榫(220)成直角地设置的另外的榫(230)，它们借助绝缘材料护套(300)的两个部分(302、304)进行设置，并且金属成型件(200)因此被固定在绝缘材料护套(300)的内部。
6.根据权利要求2所述的接触装置，其特征在于：绝缘材料护套(300)的朝向控制接头(610)的第二部分(304)设计成防止接触弹簧(100)朝控制接头(610)的方向脱落。
7.根据权利要求5或6所述的接触装置，其特征在于：接触弹簧(100)、金属成型件(200)和绝缘材料护套(300)的两个部分(302、304)构成一个装配单元。
8.根据权利要求1所述的接触装置，其特征在于：接触弹簧(100)借助一种熔焊连接或钎焊连接与连接电缆(500)相连接。
9.根据权利要求1所述的接触装置，其特征在于：成型体(700)构成为单件式或者多件式的，由一种金属材料制成并且电接触大功率半导体组件(600)的一个主接头(620)。
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