CN104952811B - 功率半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功率半导体装置，其具有基底、布置在基底上并与基底连接的功率半导体结构元件、导电负载联接元件以及侧向环绕功率半导体结构元件的一体式构造的第一壳体部件，基体具有侧向环绕功率半导体结构元件的第一主外表面，其至少部分被侧向环绕功率半导体结构元件的弹性的不导电的一体式构造的结构化的第一密封元件面状地覆盖，第一密封元件区段布置在第一壳体部件与基体第一主外表面之间，第一壳体部件和基体第一主外表面压向第一密封元件，并且第一密封元件使第一壳体部件相对基体第一主外表面密封。本发明提供了一种构造紧凑的功率半导体装置，其负载联接元件相对功率半导体装置基体可靠地电绝缘并且其壳体相对基体可靠地密封。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率半导体装置。
背景技术
在由现有技术公知的功率半导体装置中，通常在基底上布置有功率半导体结构元件、例如功率半导体开关和二极管，并且借助基底的导体层以及焊线和/或复合膜相互导电地连接。功率半导体开关在此通常以晶体管、例如IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor金属氧化物半导体场效应晶体管)的形式存在，或者以晶闸管的形式存在。基底通常直接或间接与金属基体连接，该金属基体通常构造为冷却体或构造为用于与冷却体连接的基板。
布置在基底上的功率半导体结构元件在此经常与单个或多个所谓的半桥电路互连，这些半桥电路例如用于电压和电流的整流和逆变。
技术上常见的功率半导体装置为了引导负载电流而具有负载联接元件，借助这些负载联接元件，功率半导体装置与外部的部件导电地连接。不同于例如用于驱控功率半导体开关的控制电流地，负载电流在此通常具有高电流强度。负载联接元件通常必须被引导穿过功率半导体装置的壳体。在此，经常对功率半导体装置提出要求，例如要被保护以防喷水，从而一方面负载联接元件必须相对功率半导体装置的壳体密封，而另一方面功率半导体装置的壳体必须相对功率半导体装置的金属基体密封。
因为负载联接元件通常具有不同于功率半导体装置的基体的电势，所以为了确保充分的电绝缘，在功率半导体装置的负载联接元件与基体之间必须存在足够长的爬电距离和电气间隙。该要求与紧凑地构造功率半导体装置的通常的技术要求相反。
发明内容
本发明的任务是提供一种紧凑构造的功率半导体装置，其负载联接元件相对功率半导体装置的基体可靠地电绝缘，并且其壳体相对基体可靠地密封。
该任务通过具有基底和布置在基底上并且与基底连接的功率半导体结构元件的功率半导体装置来解决，其中，基底直接或间接地与金属基体连接，其中，为了功率半导体装置的电接触，功率半导体装置具有导电的负载联接元件，其中，功率半导体装置具有侧向环绕功率半导体结构元件的、一体式地构造的第一壳体部件，其中，基体具有侧向环绕功率半导体结构元件的第一主外表面，该第一主外表面至少部分地被侧向环绕功率半导体结构元件的、弹性的、不导电的、一体式地构造的、结构化的第一密封元件面状地覆盖，其中，第一密封元件的区段布置在第一壳体部件与基体的第一主外表面之间，其中，第一壳体部件和基体的第一主外表面压向第一密封元件，并且第一密封元件使第一壳体部件相对基体的第一主外表面密封。
在下文中，对本发明的有利构造方案进行描述。
已证实有利的是，第一主外表面至少大部分被第一密封元件面状地覆盖，这是因为于是会得到负载联接元件相对功率半导体装置基体的特别可靠的电绝缘。
此外，已证实有利的是，导电的负载联接元件在横向方向上穿过第一壳体部件地向外延伸，其中，负载联接元件分别具有布置在第一壳体部件外部的外部联接区段，其中，基体具有侧向的次外表面，其中，第一密封元件至少在相应的外联接区段的区域中覆盖基体的侧向的次外表面。由此，在第一壳体部件外部也得到负载联接元件相对于功率半导体装置的基体的特别可靠的电绝缘。
此外，已证实有利的是，基体构造为空气冷却体或液体冷却体，或者构造为基板，该基板被设置成用于与空气冷却体或液体冷却体连接。基体的所提到的构造方案是常见的构造方案。
此外，已证实有利的是，第一密封元件优选既不材料锁合(stoffschlüssig)地与基体连接，也不材料锁合地与第一壳体部件连接。因此在出现故障的情况下，第一密封元件可以很容易地进行更换。
此外，已证实有利的是，第一密封元件由弹性体构成，这是因为于是第一密封元件是特别耐用的。
此外，已证实有利的是，第一密封元件具有侧向环绕功率半导体结构元件的加厚部，其中，密封元件的加厚部布置在第一壳体部件与基体的第一主外表面之间，其中，第一密封元件的加厚部使第一壳体部件相对基体的第一主外表面密封。由此，得到了第一壳体部件相对基体的特别可靠的密封。
此外，已证实有利的是，第一壳体部件借助螺纹连接与基体连接，其中，第一壳体部件和基体的第一主外表面压向第一密封元件，其方式是通过螺纹连接使第一壳体部件和基体相互挤压。一方面通过螺纹连接使第一壳体部件与基体连接，而另一方面通过螺纹连接使第一壳体部件和基体相互挤压。
此外，已证实有利的是具有根据本发明的第一和第二功率半导体装置的功率半导体装置系统，其中，第二功率半导体装置的基体具有第二主外表面，该第二主外表面与第二功率半导体装置的基体的第一主外表面相对置地布置，其中，在第二功率半导体装置的基体的第二主外表面与第一功率半导体装置的第一壳体部件之间布置有第二密封元件，该第二密封元件使第二功率半导体装置的基体的第二主外表面相对第一功率半导体装置的第一壳体部件密封。由此，提供了特别紧凑地构造的功率半导体装置系统。
此外，已证实有利的是，第二密封元件构造为密封圈。第二密封元件作为密封圈的构造方案是密封件的特别简单的构造方法。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，并且在下面对其进行详细阐述。其中：
图1示出根据本发明的功率半导体装置的立体剖视图；
图2示出根据本发明的还未完成制造的不带第一密封元件的功率半导体装置的立体图；
图3示出第一密封元件；
图4示出根据本发明的还未完成制造的带安设到功率半导体装置的基体上的第一密封元件的功率半导体装置的立体图；
图5示出根据本发明的功率半导体装置的立体图；
图6示出根据本发明的功率半导体装置系统的立体图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的功率半导体装置1的立体剖视图。功率半导体装置具有基底20，功率半导体结构元件23布置在基底上并且与基底20连接。相应的功率半导体结构元件23优选以功率半导体开关或二极管的形式存在。功率半导体开关在此通常以晶体管、例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的形式存在，或者以晶闸管的形式存在。基底20具有绝缘材料体21(例如陶瓷体)和布置在绝缘材料体21的第一侧的并且与绝缘材料体21连接的导电的结构化的第一线路层，其在本实施例的范围内由于其结构而构造成导体迹线22。基底20优选具有导电的、优选非结构化的第二线路层，其中，绝缘材料体21布置在结构化的第一线路层与第二线路层之间。像在本实施例中那样，基底20可以例如以直接铜键合基底(DCB基底)的形式或以绝缘金属基底(IMS)的形式存在。基底的导体迹线例如也可以通过导电的引线框形成，这些引线框布置在绝缘材料体、例如不导电的膜上。引线框和不导电的膜本身构成基底。功率半导体结构元件23优选材料锁合地(例如借助焊接层或烧结层)与导体迹线22连接。为了清晰起见，在图1中未示出将功率半导体结构元件23与导体迹线22材料锁合地连接的焊接层。替选或附加地，功率半导体结构元件23例如可以借助压连接与导体迹线22连接，其方式是例如在导体迹线22的方向上将压力施加到功率半导体结构元件23上。
要注意的是，功率半导体结构元件23在其背离基底20的侧上例如借助焊线和/或复合膜相互连接，并且与功率半导体装置1应该实现的所期望的电路相应地与基底20的导体迹线22相互导电连接。为了清晰起见，这些电连接在图1中没有示出。
基底20直接或间接地与金属基体3连接。在本实施例的范围内，金属基体3具有环绕功率半导体结构元件23的框架元件3a和与框架元件材料锁合地(例如借助焊接连接)连接的底部元件3b。金属基体3在本实施例的范围内构造为液体冷却体。金属基体3例如也可以构造为优选具有冷却片和/或冷却针的空气冷却体，或者也可以构造为基板，该基板被设置成用于与空气冷却体或液体冷却体连接。金属基体3在本实施例的范围内构造出通道27，冷却液体(例如水)流过该通道。冷却液体通过开口18进入通道27或者从中流出(参见图2)。基底20在实施例的范围内布置在设有伸入通道27中的冷却针26的冷却板25上并且与之连接。冷却板25构造为用于金属基体3的开口45的盖子并且与金属基体3连接。基底20通过冷却板25并且进而间接与金属基体3连接。替选地，基底20可以直接与金属基体3连接，其方式例如是将基底20布置在金属基体3上并且与金属基体3连接。
基底20与金属基体3的直接或间接的连接例如可以(例如借助单个或多个焊接层或烧结层)材料锁合地构造。替选或附加地，基底20与金属基体3的直接或间接的连接可以例如借助压连接与金属基体3连接，其方式例如是朝金属基体3的方向将压力施加到基底上。但显然，其他连接方式也是可行的。
此外，功率半导体装置1具有侧向环绕功率半导体结构元件23的一体式构造的第一壳体部件5。在此要注意的是，第一壳体部件5不是必须在与布置有功率半导体结构元件23的平面相同的平面上侧向环绕功率半导体结构元件23，而是也可以例如在功率半导体结构元件23上方侧向环绕功率半导体元件23。第一壳体部件5优选由塑料构成。
为了使功率半导体装置1与外部的电线路装置、例如导电轨或电缆电接触，功率半导体装置1具有导电的负载联接元件7。负载联接元件7用于引导负载电流。当功率半导体结构元件构造为功率半导体开关时，不同于例如用于驱控功率半导体结构元件的控制电流，流过负载联接元件7的负载电流在此通常具有高电流强度。负载联接元件7相应具有布置在第一壳体部件5外部的外部联接区段7a和布置在功率半导体装置1的第一壳体部件5内部的内部联接区段7b。此外，功率半导体装置1具有导电的连接元件6，其将基底20(更精确地说是基底20的第一线路层)与导电的负载联接元件7连接。负载联接元件7也可以一体式地构造有各自配属的连接元件6。
基体3具有侧向环绕功率半导体结构元件23的第一主外表面4，其至少部分被侧向环绕功率半导体结构元件23的、弹性的、不导电的、一体式构造的、结构化的第一密封元件11面状地覆盖(参见图2、图3和图4)。在此要注意的是，第一密封元件11不是必须在与布置有功率半导体结构元件23的平面相同的平面上侧向环绕功率半导体结构元件23，而是也可以例如在功率半导体结构元件23下方或上方侧向环绕功率半导体元件23。第一密封元件11的区段53布置在第一壳体部件5与基体3的第一主外表面4之间。第一密封元件11的另一区段54没有布置在第一壳体部件5与基体3的第一主外表面4之间，而是布置在第一壳体部件5内部。主外表面4优选在一个平面上延伸。主外表面4可以具有多个例如通过基体3的至少一个槽35彼此分离的主外表面区段4a和4b。第一密封元件11优选覆盖基体3的至少一个槽35。
第一密封元件11优选由弹性体、例如硅酮或乙烯丙烯二烯烃橡胶构成。硅酮优选以交联的液态硅胶或交联的固态硅胶的形式存在。
第一密封元件11优选既不材料锁合地与基体3连接，也不材料锁合地与第一壳体部件5连接，并且本身优选作为可从基体3上取下的单个部件存在。替选地，第一密封元件11可以材料锁合地与基体3连接。第一密封元件11结构化地构造，并且由于其结构而优选具有单个或多个凹部14或37。单个或多个凹部14的内壁环绕功率半导体结构元件23。此外，第一密封元件11优选具有从第一密封元件11的主表面12凸出的结构元件15(参见图3)。
第一密封元件11优选覆盖基体3的第一主外表面4的大部分(大于50％)，并且尤其是也可以完全覆盖基体3的第一主外表面4。
第一壳体部件5和基体3的第一主外表面4压向第一密封元件11，从而使第一密封元件11将第一壳体部件5相对基体3的第一主外表面4密封。
根据本发明，第一密封元件11因此具有双重功能。一方面，第一密封元件11将第一壳体部件5可靠地相对基体3密封，从而使功率半导体装置1的壳体可靠地相对功率半导体装置1的基体3密封，而另一方面，第一密封元件11在第一壳体部件5内部延长了功率半导体装置1的负载联接元件7与基体3之间的爬电距离和电气间隙，从而使功率半导体装置1可以紧凑地构造，这是因为功率半导体装置1的结构大小可以被减小，并且尽管如此仍然可以实现对于可靠的电绝缘来说必需的爬电距离和电气间隙。
第一壳体部件5优选借助螺纹连接与基体3连接，其中，第一壳体部件5和基体3的第一主外表面4在本实施例的范围内压向第一密封元件11，其方式是通过螺纹连接将第一壳体部件5和基体3相互挤压。为了实现螺纹连接，在本实施例的范围内，基体3具有优选布置在凸起19中的、设有内螺纹的孔46(参见图2)，而第一壳体部件5具有在其底部设有相应的孔的凹陷部32，螺栓47的螺杆被引导穿过该凹陷部并拧入孔46的内螺纹中。要注意的是，为了清晰起见，在图1中仅示出了一个螺栓47。第一密封元件11的结构元件15优选包围凸起19。凸起19优选截锥形地构造。
第一密封元件11优选具有侧向环绕功率半导体结构元件23的加厚部16，其中，第一密封元件11的加厚部16布置在第一壳体部件5与基体3的第一主外表面4之间，其中，第一密封元件11的加厚部16使第一壳体部件5相对于基体3的第一主外表面4特别可靠地密封。加厚部16优选构造出沿第一壳体部件5的方向构造的第一凸起部和/或沿基体3的方向构造的第二凸起部。
在本实施例的范围内，导电的负载联接元件7在横向方向上穿过第一壳体部件5地向外延伸，其中，负载联接元件7分别具有布置在第一壳体5外部的外部联接区段7a，其中，基体3具有侧向的次外表面10(参见图2)，其中，第一密封元件11至少在相应的外联接区段7a的区域48中覆盖基体3的侧向的次外表面10。相应的外联接区段7a优选布置在第一壳体部件5的侧向的外侧上。为了清晰起见，在图1中仅示出了一个区域48。负载联接元件7优选延伸穿过第一壳体部件5的凹部17，其中，为了密封，在负载联接元件7与第一壳体部件5之间布置有封闭凹部17的密封件50。第一密封元件11优选大部分(大于50％)并且尤其是完全覆盖基体3的侧向的次外表面10。侧向的次外表面10优选垂直于基体3的主外表面4地延伸。通过该措施，第一密封元件11在第一壳体部件5的外部也延长了功率半导体装置1的负载联接元件7与基体3之间的爬电距离和电气间隙，从而使功率半导体装置1可以特别紧凑地构造，这是因为功率半导体装置1的结构大小可以被减小，并且尽管如此仍然可以实现对于可靠的电绝缘来说必需的爬电距离和电气间隙。
图2示出根据本发明的还未完成制造的不带在图3中示出的第一密封元件11的功率半导体装置1的立体图。在本实施例的范围内，功率半导体装置1具有功率半导体模块9，这些功率半导体模块分别在其功率半导体模块壳体51的内部具有在图1中示例性示出的基底20和功率半导体结构元件23。相应的功率半导体模块9具有控制联接元件12，其用于驱控这些在本实施例中构造为功率半导体开关的功率半导体结构元件23。此外，优选为了驱控功率半导体开关，功率半导体装置1具有布置在印刷电路板24上的驱动电路。要注意的是，在本实施例的范围内，借助功率半导体装置1或三个功率半导体模块9，直流电压逆变为3相交变电压，或者说3相交变电压整流为直流电压。
在第一装配步骤中，将图3中示例性示出的第一密封元件11安设到基体3的第一主外表面4上，从而得到在图4中示出的布置。在本实施例中，第一密封元件11覆盖基体3的第一主外表面4的大部分(大于50％)。在本实施例中，保留了主外表面4的更小的没有被第一密封元件11覆盖的主外表面区段4a，优选没有负载联接元件7布置在其附近。
随后，第一壳体部件5布置在第一密封元件11上，并且借助螺纹连接与基体3连接，其中，因此在拧紧之后，第一壳体部件5和基体3的第一主外表面4压向第一密封元件11。图5中示出完成装配的根据本发明的功率半导体装置1的立体图。
像在图1和图5中示例性示出的那样，在第一壳体部件5的背离基体3的第一主外表面4的侧52上布置有优选构造为密封圈的第二密封元件28。第二密封元件28用作相对第二壳体部件的密封件，第二壳体部件优选构造为用于第一壳体部件5的覆盖件或作为用于第一壳体部件5的覆盖件。第二密封元件或密封圈例如可以作为能从第一壳体部件5的背离的侧52上取下的单个部件存在，或者作为与第一壳体部件5的背离的侧52材料锁合地连接的元件存在。第二密封元件或密封圈例如可以隆起到第一壳体部件5的背离的侧52上。覆盖件在上面封闭功率半导体装置1。在此要注意的是，第二壳体部件也可以与第一壳体部件5一体式地构造，从而根据本发明的功率半导体装置1的壳体也可以仅由第一壳体部件构成。此外要注意的是，根据本发明的功率半导体装置1的壳体也可以具有比第一和第二壳体部件更多的壳体部件。
特别有利的是，像随后描述的那样，多个根据本发明的功率半导体装置相互排列地布置成功率半导体装置系统，并且其中一个功率半导体装置的基体形成用于紧邻布置的功率半导体装置的第一壳体部件的覆盖件。
图6示例性地示出了功率半导体装置系统30，其具有根据本发明构造的第一功率半导体装置1和根据本发明构造的第二功率半导体装置1'。第二功率半导体装置1'的基体3'具有第二主外表面31'，该第二主外表面与第二功率半导体装置1'的基体3'的第一主外表面4'相对置地布置，其中，在第二功率半导体装置1'的基体3'的第二主外表面31'与第一功率半导体装置1的第一壳体部件5之间布置有第二密封元件28，其使第二功率半导体装置1'的基体3'的第二主外表面31'相对第一功率半导体装置1的第一壳体部件5密封。
显然，功率半导体装置系统30还可以具有其他根据本发明的功率半导体装置，它们以与第一和第二功率半导体装置1和1'类似的方式相互布置。
在这里要注意的是，只要本发明的不同实施例的特征不相互矛盾，那么显然这些特征就可以任意地相互组合。
Claims (10)
1.一种功率半导体装置，所述功率半导体装置具有基底(20)和布置在所述基底(20)上并且与所述基底(20)连接的功率半导体结构元件(23)，其中，所述基底(20)直接或间接地与金属基体(3)连接，其中，为了所述功率半导体装置(1)的电接触，所述功率半导体装置(1)具有导电的负载联接元件(7)，其中，所述功率半导体装置(1)具有侧向环绕所述功率半导体结构元件(23)的、一体式构造的第一壳体部件(5)，其中，所述基体(3)具有侧向环绕所述功率半导体结构元件(23)的第一主外表面(4)，所述第一主外表面至少部分被侧向环绕所述功率半导体结构元件(23)的、弹性的、不导电的、一体式构造的、结构化的第一密封元件(11)面状地覆盖，其中，所述第一密封元件(11)的区段(53)布置在所述第一壳体部件(5)与所述基体(3)的第一主外表面(4)之间，其中，所述第一壳体部件(5)和所述基体(3)的第一主外表面(4)压向所述第一密封元件(11)，并且所述第一密封元件(11)使所述第一壳体部件(5)相对所述基体(3)的第一主外表面(4)密封。
2.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其特征在于，所述第一主外表面(4)至少大部分被所述第一密封元件(11)面状地覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的功率半导体装置，其特征在于，所述导电的负载联接元件(7)在横向方向上穿过所述第一壳体部件(5)地向外延伸，其中，所述负载联接元件(7)分别具有布置在所述第一壳体部件(5)外部的外部联接区段(7a)，其中，所述基体(3)具有侧向的次外表面(10)，其中，所述第一密封元件(11)至少在相应的外联接区段(7a)的区域(48)中覆盖所述基体(3)的侧向的次外表面(10)。
4.根据权利要求1或2所述的功率半导体装置，其特征在于，所述基体(3)构造为空气冷却体或液体冷却体，或者构造为基板，所述基板被设置成用于与空气冷却体或液体冷却体连接。
5.根据权利要求1或2所述的功率半导体装置，其特征在于，所述第一密封元件(11)既不材料锁合地与所述基体(3)连接，也不材料锁合地与所述第一壳体部件(5)连接。
6.根据权利要求1或2所述的功率半导体装置，其特征在于，所述第一密封元件(11)由弹性体构成。
7.根据权利要求1或2所述的功率半导体装置，其特征在于，所述第一密封元件(11)具有侧向环绕所述功率半导体结构元件(23)的加厚部(16)，其中，所述密封元件(11)的加厚部(16)布置在所述第一壳体部件(5)与所述基体(3)的第一主外表面(4)之间，其中，所述第一密封元件(11)的加厚部(16)使所述第一壳体部件(5)相对所述基体(3)的第一主外表面(4)密封。
8.根据权利要求1或2所述的功率半导体装置，其特征在于，所述第一壳体部件(5)借助螺纹连接(47)与所述基体(3)连接，其中，所述第一壳体部件(5)和所述基体(3)的第一主外表面(4)通过如下方式压向所述第一密封元件(11)，即，通过所述螺纹连接(47)使所述第一壳体部件(5)和所述基体(3)相互挤压。
9.一种具有根据前述权利要求中任一项构造的第一功率半导体装置和第二功率半导体装置(1、1')的功率半导体装置系统，其中，所述第二功率半导体装置(1')的基体(3')具有第二主外表面(31')，所述第二主外表面与所述第二功率半导体装置(1')的基体(3')的第一主外表面(4')相对置地布置，其中，在所述第二功率半导体装置(1')的基体(3')的第二主外表面(4')与所述第一功率半导体装置(1)的第一壳体部件(5)之间布置有第二密封元件(28)，所述第二密封元件使所述第二功率半导体装置(1')的基体(3')的第二主外表面(4')相对所述第一功率半导体装置(1)的第一壳体部件(5)密封。
10.根据权利要求9所述的功率半导体装置系统，其特征在于，所述第二密封元件(28)构造为密封圈。
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