CN101286485A - 半导体模块 - Google Patents

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Abstract

一种具有壳体的半导体模块，包含：功率半导体；散热器，该散热器抵靠在该功率半导体上，并且用于导散热损耗；以及弹簧部件，该弹簧部件支撑在该壳体和散热器之间，且设置在该散热器的远离于该功率半导体的侧面上，且向该功率半导体偏压该散热器。

Description

半导体模块
技术领域
本发明涉及一种半导体模块。
背景技术
如今，功率半导体使用在很多技术领域，例如工业自动化技术中。为了可手动控制地制造相应的功率半导体或者利用其实现的电路，该功率半导体通常集成到例如由塑料制成的壳体中。这种类型的装置被称为半导体模块并且例如是继电器电路、电机起动器或者类似装置。功率半导体在工作中引起了热损耗，该热损耗可能导致其持续的变热，并且一旦所出现的热未被导散则导致了其被损坏。损耗热的导散通常优选通过空气或者通过水冷系统来实现，该水冷系统连接于功率半导体。为了热传导，相应的冷却系统尽可能好地被按压到功率半导体上或者按压到与其热连接的部件上。这种类型的位置通常是承载层，例如由陶瓷(DCB-direct copper bonding)制成的印刷电路板。
已知在更为有效的导散热量时，例如在变流器中，功率半导体和散热器彼此螺栓连接。例如通常四边形的印刷电路板利用螺钉拧到在散热体上的每个角上。在此由于不均匀地拧紧螺钉而可能出现在散热器和功率半导体之间的倾斜，这例如可能会导致印刷电路板的断裂。此外可能会忘记螺钉或者错误地或完全没有拧紧螺钉。在制造半导体模块时正确拧紧螺钉的最终控制流程是特别费事的。通过将螺钉头安装在其支座(例如半导体模块的塑料壳体)上，可能随时间的流逝而出现偏压损失，并且在散热器和印刷电路板之间的压力可能会不可靠地变低。此外，为了将散热器和功率半导体螺栓连接，必须在散热器和印刷电路板中钻孔或切削螺纹。
对于较小功率的半导体，例如在PCs中的微型处理器，同样已知借助偏压弹簧将散热器偏压到半导体上。在安装时可能会忘记该相应的偏压弹簧。为了使偏压弹簧起作用，通常不仅需要在散热器上而且在半导体或半导体模块上也需要相应的容纳部，张紧夹子等诸如此类在该容纳部上建立支持。在其制造时这需要额外的生产步骤。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种改善的紧压的具有散热器和功率半导体的半导体模块。
该目的通过具有壳体的半导体模块来实现，其中在壳体中包含功率半导体和散热器。该散热器处于与功率半导体热连接的散热面上，并且用于通过散热面导散热损耗。该散热面自然还可以本身就是功率半导体；这是很少见的情况，因为功率半导体(如上所述)通常设置在支撑结构，例如印刷电路板上，而该印刷电路板具有散热面。
根据本发明，在半导体模块中设置弹簧部件，该弹簧部件支撑在壳体和散热器之间，并且设置在散热器的远离于散热面的侧面上，并且该弹簧部件向散热面偏压散热器。
在根据本发明的半导体模块中实现了借助于弹簧部件将散热器按压到散热面上进而按压功率部件或功率半导体，除了散热器之外，该弹簧部件并非支撑在功率半导体上而是支撑在壳体上。在此将弹簧部件支撑在壳体或散热器上不必是完全平坦的。因此该散热器通过半导体模块的壳体压靠在散热面上。由此该壳体承受在散热器和功率半导体之间的偏压力。由于弹簧部件通常通过卡夹支撑在散热器和壳体之间，所以散热器的机械加工是没有必要的。散热器通常以挤压法制造并且在相应的长度上完成。由此散热器的远离于功率半导体的侧面通常是平坦的。由于弹簧部件通常支撑在平坦的侧面上，所以在那里其他的加工是没有必要的。
因为螺接过程或者借助于弹簧夹的连接是不必要的，所以简化了半导体模块的安装过程。螺钉或者弹簧夹可以不被遗忘。
在组装半导体模块时，弹簧部件通常嵌入壳体中，随后在壳体和散热器之间通过组装剩余的壳体来按压或压紧。通过该简单的安装存在有限的错误风险。通过快速的安装和节省单个部件(如螺钉或弹簧夹)实现了费用节约。壳体与所嵌入的弹簧部件的组装通常可以平移地实现，从而避免了在散热器和功率半导体之间的倾斜。
在半导体模块中部件数量被减少，特别是当弹簧部件大面积地处于壳体或散热器上时，该半导体模块避免了上述的螺钉的偏压损失。当弹簧部件被嵌入(即存在)时，该弹簧部件在适合的设计方案中(例如板形或圆盘形)不可以错误地嵌入，由于该质量控制局限于弹簧部件的存在，所述该简化的质量控制在安装半导体模块之后是可行的。
在此该弹簧部件可以在本发明的第一实施例中设计为单独的部件。而适合的弹簧部件可以被安置或替换。
弹簧部件可以是弹簧，尤其是盘簧或板簧。这种类型的弹簧部件廉价地作为批量产品使用。
该弹簧部件可以是弹性体部件(Elastomerelement)。通过弹性材料相应的选择和构成，高弹压力例如可相对地利用四螺栓连接件来实现。此外通过弹性部件的弹性可以在足够的挤压力时来补偿半导体模块的较大的几何公差。
弹性部件可以板形地设计。由此该弹性部件特别有效地抵靠在散热器或壳体上。
在本发明的第二可选实施例中，弹簧部件还可以与壳体集成地设计。当该弹性部件就其本身而言是预制的单独的部件(例如弹簧)时，该弹簧部件在此可以例如通过注入法集成在壳体中。弹簧部件还可以直接地在壳体上成型。
该弹簧部件可以是壳体的弹性的局部结构。由此，例如在壳体上对着其内侧面，即存在指向散热器的小块、凸泡或变形体。弹簧部件的弹簧特性或者散热器在散热面上的按压可以通过壳体材料的弹性以及通过例如相应形状的几何结构来提供。
该壳体可以具有用于在偏压弹簧部件的情况下装配半导体模块的卡锁装置。该弹簧部件例如嵌入该壳体中，散热器设置在该弹簧部件上，而后为了装配半导体模块，该功率模块或者相应的第二壳体部件大体上抵压到壳体上，即在压缩弹簧部件的情况下形成相应的偏压，其中卡锁装置首先在偏压状态中才卡锁。
相应的定位机构可以通过手动地装配壳体或利用挤压装置的挤压来实现用于较高的弹压力。
该卡锁装置还可以接合到半导体模块的承载功率半导体的局部结构或部件中。这种类型的局部结构例如是预安装的功率部件，该功率部件包括半导体、印刷电路板和壳体(上)部分。该卡锁装置还可以接合到承载结构(例如印刷电路板)中或者直接地接合到功率半导体中。
该壳体还可以具有用于在偏压弹簧部件的情况下装配半导体模块的螺栓连接件。该螺栓连接件以相同的方式代替或补充上述定位机构。
附图说明
参照示意图中的实施例进一步描述本发明。其分别以示意性原理图示出：
图1以横截面图示出了具有作为弹簧部件的弹性部件的半导体模块。
图2以可选实施例示出了根据图1的半导体模块，该优选实施例具有形成在壳体上的挤压轮廓。
图3示出了用于图1中弹性部件的力轨迹图表。
具体实施方式
图1示出了半导体模块2，该半导体模块包括功率部件4、散热器6和散热器壳体8。印刷电路板10与在其上安装的功率半导体12一起形成实际上的功率半导体电路14。该电路14例如通过卡锁件(未示出)与壳体上部部件16连接，以便与壳体上部部件一起形成功率部件4。
该散热器6包括散热板18和在该散热板上一体形成的肋条20。散热板18利用散热器的上侧面22抵靠在印刷电路板10的下侧面24上，该下侧面为用于功率半导体12的散热面。在两个侧面之间敷设导热膏(未示出)。半导体12的热损耗通过印刷电路板10传递到散热板18进而传递到散热肋条20，冷却空气流经该散热肋条。在散热器6和散热器壳体8之间在其底座32上压装弹性板34。
散热器壳体8基本上具有用于功率部件4进入的、向上敞开的长方形六面体的形状，并且在图1中示出的横截面为U形。该散热器壳体8具有多个凹槽26，该凹槽用于与止动稍28接合，该止动稍又形成在壳体上部部件16上。
在图1中以完成安装状态示出了半导体模块2，在安装中如下进行：首先，沿着箭头30的方向将弹性板34嵌入到仍然空的散热器壳体8中安装到底座32的内侧面上。然后将具有在前的散热肋条20的散热器6同样沿着箭头30的方向嵌入到散热器壳体8中。而后上侧面22涂敷有导热膏，并且预先安装的壳体上部部件16利用印刷电路板10的下侧面24前置地安装到散热器6上。该弹性板34还未压缩且具有厚度d0。在目前的情况下，该止动稍28还未与凹槽26接合，由于该壳体上部部件16相反于箭头30的方向从散热器壳体8中凸出。那么通过在箭头30的方向上将力施加到壳体上部部件16上，功率部件4与散热器6一起在底座32的方向上被按压，进而压缩弹性板34，从而其厚度由初始值d0以路径s＝d0-d1而降低到压缩路径d1。那么止动稍28卡入凹槽26中。
弹性部件支撑在底座32和散热肋条20或其下侧面36之间且在那里分别产生弹压力，该弹压力还分别在散热器6、印刷电路板10、壳体上部部件16或止动稍28和散热器壳体8或凹槽26之间起作用。因此，特别是散热板18相对于印刷电路板10偏压于散热面。
图3以力轨迹图表示意性示出了用于弹性板34的曲线52。在横坐标上提供了压缩路径s，即在图1中d0和d1之间的差，并且在纵坐标上提供了由弹性板34向回施加的力F。
半导体模块2的几何尺寸如此设计，即根据图1在完成安装的状态下，弹性板相对于初始厚度d0压缩了s0。由此在散热板18和印刷电路板10之间产生了弹压力F0，这确保了足够的导热。在半导体模块2中的构件公差如此设置，即在极端情况下，弹性板34从厚度d0开始以smin压缩。在图3中由此产生相对于Fmin的最小的弹压力。在相反设置的最大公差位置中以smax形成弹性板34的压缩，这导致了弹压力Fmax。通过弹性板34，几何公差Δs还可以在较宽的范围Δs＝smax-smin中来补偿，而没有在此引起在半导体模块2中不被允许的低或高的弹压力。
图2示出了在其他方面与图1构造相同的半导体模块2的可选实施例。图2示出了图1中沿着线II-II的截面，其中图1示出了穿过图2沿着线I-I的截面。由此在图2中还示出了形成在散热器壳体8上的安装结构72，该安装结构用于将半导体模块2例如固定在配电箱中。图1中的弹性板34在图2中通过对着散热器壳体8的内部的、在散热器壳体8的底座32中的凸泡70来代替。凸泡70在此通过散热器壳体8的材料(例如塑料)的自由切削及变形嵌入该散热器壳体中，并且沿着箭头30的方向被弹压。根据本发明的弹簧部件在此与散热器壳体8集成地设置。
凸泡70分别通过散热肋条20支撑在多个位置处。通过凸泡70的相应的几何设计方案或者通过散热器壳体8的材料选择可以实现相应于图3中用于该凸泡的曲线52的力轨迹特征曲线。在图2中还示出了，散热器6从在箭头74的方向上延伸的挤压侧面被分割。由此，上侧面22和下侧面36在箭头74的方向上从制造起已经就是平坦的。
此外在图2中与图1相比，由止动稍28和凹槽26形成的卡接通过未进一步阐述的螺栓连接件76(Verschraubung)来代替，该螺栓连接件相对于散热器壳体8在箭头30的方向上下压壳体上部部件16，进而将凸泡70压缩至厚度d1。

Claims (11)

1.一种具有壳体(8、16)的半导体模块(2)，包含：功率半导体(12)；一体散热器(6)，所述散热器抵靠在与所述功率半导体(12)热连接的散热面(24)上，并且用于导散热损耗；以及弹簧部件(34、70)，所述弹簧部件支撑在所述壳体(8、16)和散热器(6)之间，且设置在所述散热器(6)的远离于所述散热面(24)的侧面(36)上，且向所述散热面(24)偏压所述散热器(6)。
2.根据权利要求1所述的半导体模块(2)，其特征在于，具有所述弹簧部件(34、70)，所述弹簧部件设置在所述壳体(8、16)和散热器(6)之间且设计为单独的部件。
3.根据权利要求1或2所述的半导体模块(2)，其特征在于，其中所述弹簧部件(34、70)是弹簧，尤其是盘簧或板簧。
4.根据权利要求1或2所述的半导体模块(2)，其特征在于，其中所述弹簧部件(34、70)是弹性体部件(34)。
5.根据权利要求4所述的半导体模块(2)，其特征在于，其中所述弹簧部件(34、70)是板形的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2)，其特征在于，所述半导体模块具有与所述壳体(8、16)集成设计的所述弹簧部件(34、70)。
7.根据权利要求6所述的半导体模块(2)，其特征在于，其中所述弹簧部件(34、70)是所述壳体(8、16)的弹性局部结构(70)。
8.根据权利要求7所述的半导体模块(2)，其特征在于，其中所述弹簧部件(34、70)是所述壳体(8、16)的指向所述散热器(6)的凸泡(70)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2)，其特征在于，所述壳体(8、16)具有用于在偏压所述弹簧部件(34、70)的情况下装配所述半导体模块(2)的卡锁装置(26、28)。
10.根据权利要求9所述的半导体模块(2)，其特征在于，其中所述卡锁装置(26、28)咬合到所述半导体模块(2)的承载所述功率半导体(12)的部件(4)上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2)，其特征在于，其中所述壳体(8、16)具有用于在偏压所述弹簧部件(34、70)的情况下装配所述半导体模块(2)的螺栓连接件(76)。
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