CN104134648B - 功率半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率半导体器件包括第一电极、第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的芯片，以及设置在第一电极和第二电极之间的旁路导通单元。旁路导通单元包括导电件和固定件。其中，固定件构造成在芯片正常工作时能阻止导电件与第一电极和第二电极导通，而在芯片失效后受热膨胀以解除对导电件的阻止，使得第一电极通过导电件与第二电极导通。由于在芯片失效后，第一电极和第二电极可以通过旁路导通单元导通，因此，在芯片失效后，该功率半导体器件仍能正常工作。

Description

功率半导体器件
技术领域
本发明涉及一种功率半导体器件。
背景技术
功率半导体器件又称为电力电子器件。其主要用于电力设备的电能变换和控制电路等方面。现有技术中的功率半导体器件包括第一电极、第二电极、设在第一电极和第二电极之间的第一钼片和第二钼片，以及设在第一钼片和第二钼片之间的芯片。
但是，在使用过程中，如果芯片失效后，第一电极和第二电极之间会出现断路，使得功率半导体器件无法正常工作。这样，会引起使用该功率半导体器件的设备的运行中断，甚至会带来一系列其他问题或损失。
因此，如何解决芯片失效后，功率半导体器件无法正常工作的问题，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种功率半导体器件，在芯片失效后，其仍能正常工作。
本发明的功率半导体器件包括第一电极、第二电极、设置在所述第一电极和第二电极之间的芯片，以及设置在所述第一电极和第二电极之间的旁路导通单元。所述旁路导通单元包括导电件和固定件。其中，所述固定件构造成在芯片正常工作时能阻止所述导电件与所述第一电极和第二电极导通，而在芯片失效后受热膨胀以解除对所述导电件的阻止，使得所述第一电极通过所述导电件与所述第二电极导通。
在一个实施例中，所述固定件为套设在所述导电件的外侧的环形套。
在一个实施例中，所述导电件包括导电板，以及通过导电板压缩在所述环形套内的导电弹性件，其中，所述环形套受热膨胀后允许所述导电板被弹出，使得所述第一电极通过导电弹性件和/或导电板与所述第二电极导通。
在一个实施例中，所述环形套固定在所述第一电极或第二电极上，所述导电弹性件的一端与所述环形套所固定在的电极抵接，一端与所述导电板抵接。
在一个实施例中，在正常工作时，所述导电板与所述环形套之间为过盈配合。
在一个实施例中，在所述导电板与所述第一电极或第二电极接触后，所述导电板至少部分套设在所述环形套内。
在一个实施例中，所述旁路导通单元位于所述芯片的外侧。
在一个实施例中，所述固定件的材质为金属。
在一个实施例中，所述导电弹性件沿所述第一电极至所述第二电极的方向延伸，其中，在芯片失效后，所述第一电极通过导电弹性件和导电板与所述第二电极连通。
在一个实施例中，所述导电弹性件沿所述第一电极的外侧至中心的方向延伸，其中，在芯片失效后，所述第一电极通过导电板与所述第二电极连通。
本发明的功率半导体器件包括第一电极、第二电极、芯片以及旁路导通单元。芯片和旁路导通单元分别设置在第一电极和第二电极之间。旁路导通单元包括导电件和固定件。当芯片正常工作时，固定件阻止导电件与第一电极和第二电极导通。当芯片失效后，固定件会受热膨胀，从而解除其对导电件的阻止，使得第一电极通过导电件与第二电极导通。由于在芯片失效后，第一电极和第二电极可以通过旁路导通单元导通，因此，在芯片失效后，该功率半导体器件仍能正常工作。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。在图中：
图1是本发明中的旁路导通单元在芯片正常工作时的状态示意图。
图2是本发明中的旁路导通单元在芯片失效时的状态示意图。
图3是本发明的功率半导体器件的爆炸图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例描绘。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明提供的功率半导体器件包括第一电极1、第二电极2、设置在第一电极1和第二电极2之间的第一钼片3和第二钼片4，以及设置在第一钼片3和第二钼片4之间的芯片5。具体地，第一电极1和第二电极2中一个为阴极，另一个为阳极。该功率半导体器件尤其适用于平板压接式封装功率器件，例如压接式IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块。
平板压接式封装功率器件是指芯片5、第一电极1、第二电极2、第一钼片3以及第二钼片4之间都是通过压力直接连接。这样，解决了传统的多芯片IGBT模块中，由于各种封装材料的热膨胀系数差异造成的引线及焊接界面热疲劳失效的问题。而且此平板压接式封装功率器件的第一电极1和第二电极2的两面可以均安装散热器，从而能够实现双面散热。该平板压接式封装功率器件能够广泛地应用于高压直流输电系统、铁路牵引、风力发电，以及高压大功率工业装备驱动等诸多领域。此外，第一电极1和第二电极2的形状可以均为圆柱形，也可以均为矩形。
本发明提供的功率半导体器件还包括设置在第一电极1和第二电极2之间的旁路导通单元6。当芯片5正常工作时，第一电极1通过芯片5与第二电极2导通。当芯片5失效后，第一电极1通过旁路导通单元6与第二电极2导通，以使功率半导体器件仍能正常工作。这样，在芯片5失效的情况下，还可以使功率半导体器件正常工作，为系统提供冗余备份功能，从而可以降低功率半导体器件和设备的维护频率和成本。
如图3所示，安装旁路导通单元6时，将其设置在靠近电极的外侧的位置上。这样，结构简单，便于安装旁路导通单元6。此外，还可以沿第一电极1的周向间隔并对称地设置多个旁路导通单元6，以提高第一电极1和第二电极2之间的导通性能。
在一个实施例中，旁路导通单元6包括导电件和固定件。当芯片5正常工作时，固定件阻止导电件导通第一电极1和第二电极2，从而使得第一电极1和第二电极2只能通过芯片5导通。当芯片5失效后，固定件会受热膨胀，从而解除对导电件的阻止，使得第一电极1通过导电件与第二电极2导通。如此设置，结构简单，便于安装，而且原理简单，便于实现。
在一个优选的实施例中，固定件为固定在第一电极1上的环形套61。具体地，在第一电极1的底壁上开设盲孔，并在盲孔上开设螺纹。在环形套61的外壁上开设螺纹，从而使得环形套61能够通过螺纹旋在第一电极1上。这样，结构简单，而且方便安装或更换环形套61，还可以使环形套61受热良好。
此外，环形套61大致为圆管状，以便于加工和安装。当将环形套61固定在第一电极1后，环形套61的中心线大致与第一电极1的中心线平行，以便于在环形套61松开导电件时，导电件能够与第二电极2接触。环形套61可以为金属环形套61，以提高其固定导电件时的牢固度，而且在芯片5失效后，也可以作为导通第一电极1和第二电极2的一部分。环形套61的材质、厚度及长度等可以根据具体的使用要求而定。
导电件包括长度可变的导电弹性件。这样，便于通过调节导电弹性件的长度使得导电件与第二电极2导通或断开。更为优选地，导电弹性件为导电弹簧62。当芯片5正常工作时，导电弹簧62被压缩在环形套61中，并与第一电极1抵接。当然，导电弹性件也可以为弹性片等。
导电件还包括与导电弹簧62固定连接的导电板63。当芯片5失效后，导电板63与第二电极2接触。这样，可以增加第二电极2和导电件的接触面积，从而提高导电良好性。导电板63的具体形状可以为圆柱形，以便于加工。此外，导电板63的膨胀系数应小于环形套61的膨胀系数，以便于使环形套61固定或松开导电板63，从而便于通过导电件导通第一电极1和第二电极2。
在一个例子中，如图1所示，当芯片5正常工作时，导电板63以与环形套61为过盈配合的方式被收纳在环形套61中，并与第二电极2间留有间隙。如图2所示，当芯片5失效后，环形套61受热膨胀较大，与导电板63间出现间隙。此时，导电板63在导电弹簧62的压力或自身重力的作用下，与环形套61脱离，并与第二电极2接触。当导电板63与第二电极2接触后，第一电极1通过导电弹簧62和导电板63与第二电极2连通。
此外，当导电板63与第二电极2接触后，导电弹簧62可以仍处于压缩状态，以进一步提高导电板63与第二电极2的良好接触性。进一步地，在导电板63与第二电极2接触后，导电板63至少部分套设在环形套61内。这样，可以有效地防止导电板63因受力较大而跑偏，从而可以进一步地提高导电板63与第二电极2的接触良好性。
当然，环形套61也可以固定在第二电极2上。或者在导电弹簧62的两端均设置导电板，以进一步提高导通性能。或者安装导电弹簧62时，导电弹簧62的一端与第二电极2固定连接，另一端与导电板63固定连接。当芯片5正常工作时，导电板63与第一电极1之间留有间隙。当芯片5失效后，导电板63受导电弹簧62的弹力而与第一电极1接触。
在另一个实施例中，固定件也为环形套。导电件包括第一导电板和第二导电板。其中，第一导电板与第二电极固定连接。第二导电板可移动地设置在第一电极上，并且在其一侧设置有压缩弹簧。压缩弹簧沿第一电极的外侧至中心的方向设置。压缩弹簧的一端固定在凸出于第一电极的凸起上，另一端与第二导电板的侧壁固定连接。环形套套设在压缩弹簧和第二导电板上，与第二导电板为过盈配合。并且环形套受热膨胀时的膨胀系数大于第二导电板受热时的膨胀系数。
当芯片正常工作时，压缩弹簧收缩于环形套内，并且第一导电板和第二导电板之间留有间隙。当芯片失效后，环形套受热膨胀，与第二导电板间出现间隙。此时，压缩弹簧伸长，并推动第二导电板移动。直至第二导电板的下面与第一导电板的上面接触后，第二导电板停止移动。此时，第一电极通过第一导电板和第二导电板与第二电极接触。压缩弹簧可以由金属等制成。
在其他的实施例中，固定件为柱形杆，其沿第一电极的外侧至中心的方向延伸。并且柱形杆固定在凸出于第二电极的凸起上。导电件包括第一导电板和第二导电板。第一导电板固定在第一电极的底壁上。第二导电板的侧壁与柱形杆的自由端固定连接。当芯片失效后，柱形杆受热膨胀，推动第二导电板移动，直至与第一导电板接触。此时，第一电极通过第一导电板和第二导电板与第二电极接触等。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种功率半导体器件，包括第一电极、第二电极、设置在所述第一电极和第二电极之间的芯片，以及设置在所述第一电极和第二电极之间的旁路导通单元；
所述旁路导通单元包括导电件和固定件；
其中，所述固定件构造成在芯片正常工作时能阻止所述导电件与所述第一电极和第二电极导通，而在芯片失效后受热膨胀以解除对所述导电件的阻止，使得所述第一电极通过所述导电件与所述第二电极导通，
所述固定件为套设在所述导电件的外侧的环形套。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述导电件包括导电板，以及通过导电板压缩在所述环形套内的导电弹性件，其中，所述环形套受热膨胀后允许所述导电板被弹出，使得所述第一电极通过导电弹性件和/或导电板与所述第二电极导通。
3.根据权利要求2所述的功率半导体器件，其特征在于，所述环形套固定在所述第一电极或第二电极上，所述导电弹性件的一端与所述环形套所固定在的电极抵接，一端与所述导电板抵接。
4.根据权利要求2所述的功率半导体器件，其特征在于，在正常工作时，所述导电板与所述环形套之间为过盈配合。
5.根据权利要求2所述的功率半导体器件，其特征在于，在所述导电板与所述第一电极或第二电极接触后，所述导电板至少部分套设在所述环形套内。
6.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述旁路导通单元靠近电极的外侧。
7.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述固定件的材质为金属。
8.根据权利要求2所述的功率半导体器件，其特征在于，所述导电弹性件沿所述第一电极至所述第二电极的方向延伸，其中，在芯片失效后，所述第一电极通过导电弹性件和导电板与所述第二电极连通。
9.根据权利要求2所述的功率半导体器件，其特征在于，所述导电弹性件沿所述第一电极的外侧至中心的方向延伸，其中，在芯片失效后，所述第一电极通过导电板与所述第二电极连通。
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