CN105210186B - 半导体开关器件的间隔器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率电子器件的领域，特别涉及用于半导体开关器件（2）的间隔器系统（1）。间隔器系统（1）形成为间隔环（7）并且多个绝缘元件（3）和支承元件（4）采用交替方式围绕间隔环（7）的周围设置。绝缘元件（3）包括收容阴极栅极连接器元件（5）的凹陷。支承元件（4）包括收容弹簧系统（6）以用于在组装开关器件（2）时夹紧的突起。本发明还涉及半导体开关器件（2），其包括间隔器系统（1）。开关器件（2）进一步包括衬底（21）、阴极极片（22）、阳极极片（23）、应变缓冲板（13，14）和栅环（11）。此外连接器元件（5，25）使半导体开关器件（2）的阴极极片（22）和栅环（11）电连接到外部电路单元。连接器元件（5，25）之间的间距被最小化以便降低栅电路阻抗，从而实现增加的最大关断电流并且进一步允许对于高功率应用使用较大半导体开关器件。

Description

半导体开关器件的间隔器系统
技术领域
本发明涉及功率电子器件的领域，特别涉及对于半导体开关器件的连接器元件的间隔器系统（spacer system）。
背景技术
半导体开关器件是具有阴极-阳极-栅极结构的强大且快速关断部件。具体地，半导体开关器件包括衬底，其具有沉积在其上的开关器件的阴极、阳极和栅极。器件进一步包括连接部件，用于使开关器件的阴极、阳极和栅极连接到外部电路单元。
半导体开关器件必须操纵大的电流和电压。这样的半导体开关器件的一个示例是集成门极换向晶闸管（IGCT）。IGCT是栅控关断开关，其关断像绝缘栅双极晶体管（IGBT），但像晶闸管一样以最低导体损耗来导通。集成门极换向晶闸管是需要高功率应用（例如，中压驱动器、牵引、风力转换器、AC激励系统、电池能量存储系统、固态中断器、牵引线助推器、牵引功率补偿器和感应加热）的功率开关器件。
构造为IGCT的半导体开关器件现今由于它的通用性、效率和成本有效性而在多种应用中使用。常规IGCT器件具有环形结构，其中在阴极盘上设置栅盘，从而提供到开关器件的栅极连接。阳极段设置在在外部具有例如特定爬电距离的外壳顶部。
为了操作IGCT，例如最大关断电流必须在关断期间经由到栅极单元的栅极-阴极连接而换向。对于电流换向的最大可允许时间间隔由器件的垂直和分段结构给出，并且原则上它未以器件形成在上面的晶片（wafer）的尺寸来确定大小。然而，期望最大关断电流强烈取决于晶片的尺寸并且随着尺寸增加而明显减少。从而，随着对于高功率应用需要较大器件，还需要增加最大关断电流。
为了实现高的关断电流，栅极电压可增加。然而，随着电压增加，栅极单元处出现额外损耗。从而，使栅极电压增加在大多数情况下不可行。然而，在指定栅极电压，最大关断电流与栅电路阻抗成反比，或者换句话说，栅电路阻抗越低，可实现的最大关断电流越高。从而，降低阻抗是实现较高最大关断电流的一个方式。
另外，重要的是能够轻松在外壳中安装半导体开关器件。此外，外壳内部所有部件的适当对准和支承对于甚至在运输后保证适当接触是重要的。
EP 1 220 314 A2示出用于晶闸管模块的现有技术的压力触点。环绕晶闸管的两个环件通过具有突出和凹陷而在彼此中锁定。对于横向侧，环系统通过绝缘元件绝缘。在顶侧上，电气主连接器通向上面。每个晶闸管元件通过围绕每个环系统设置的螺栓而固定到底板。对于底侧，多个这样的晶闸管与底板单独隔离。晶闸管在彼此横向设置、通过共同主电极板电连接到彼此，即紧凑设置是不可能的并且晶闸管无法以堆叠配置设置。因为所有晶闸管必须一起直接安装在共同底板上，模块化设计是不可能的。
EP 0 687 014 A2示出单个光触发晶闸管元件，用其主电极通过中央设置的弹簧而被按压向衬底，该弹簧还向晶闸管的中心部分按压光导。
US 3 280 389 A示出整流器堆叠，其中弹簧插入两个压力件之间，压力件中的全部完全集成在堆叠的主电极路径中。堆叠中的晶闸管在它们的中心部分被按压。
发明内容
因此本发明的目标是降低栅电路阻抗并且进一步允许半导体开关器件的外壳内部部件的适当对准和支承。该目标由根据权利要求1的间隔器系统和根据权利要求9的半导体开关器件实现。示范性实施例从从属的专利权利要求中清楚可见，其中权利要求从属性不应解释为排除另外的有意义权利要求组合。
根据本发明，对于半导体开关器件的间隔器系统（即间隔器单元或间隔器装置）包括绝缘元件或绝缘区域和支承元件或支承区域。该绝缘元件进一步包括收容栅极连接器元件（即导线或引线）或者换句话说连接部件的凹陷或流道。支承元件包括收容弹簧系统以用于在组装器件时夹紧半导体开关器件的突起。
在本发明的优选变化形式中，栅极连接器元件由弹簧系统下面的绝缘元件导引，或者换句话说，连接器元件在弹簧系统下面的绝缘元件的预先开槽段中穿行。在绝缘元件与弹簧系统之间按压栅极连接器元件。在本发明的示范性实施例中，间隔器系统形成为用于半导体开关器件的间隔环并且多个绝缘和支承元件采用交替方式（即模式或设置）围绕间隔环的周围或周边设置。
在另外的实施例中，栅极连接器元件的一段桥接（例如，延伸、跨越或覆盖）在夹紧开关器件以用于组装器件期间的高度差。
在再另一个实施例中，间隔器系统形成为间隔环（被半导体开关器件的极片或元件所收容）并且在直径上小于极片或可形成为弹簧元件，例如开口垫圈或开环垫圈，其是在一段处分开以便能够扩大它的直径的环。
在本发明的另外的变化形式中，间隔器系统包括用于弹簧系统的对准或定心元件、用于栅环的支承元件和/或阴极应变缓冲板的对准和/或夹紧元件。
在本发明的有利实施例中，弹簧系统由蝶形弹簧（也称为蝶形垫圈）、锥盘弹簧、锥形弹簧垫圈、盘形弹簧或杯形弹簧垫圈组成或由波状或迂回弹簧组成。
在本发明的另外的实施例中，凹陷和突起一体式（即在一个件中）或独立（即在两个件中）形成，并且由云母、聚合物、介电质、陶瓷材料或复合材料组成。
在另一个示范性实施例中，绝缘元件具有大体小于500μm的厚度，这取决于材料，但尽可能薄以隔离施加的电压并且另外支承元件具有超过1mm的厚度以允许弹簧移动和连接器元件的经过。
本发明还涉及半导体开关器件，其包括衬底、阴极盘、阳极、极片和栅环，其中连接器元件使半导体开关器件的阴极和栅极电连接到外部电路单元。半导体开关器件进一步包括间隔器系统，其包括绝缘和支承元件，其中该绝缘元件形成为收容栅极连接器元件的凹陷并且支承元件形成为收容弹簧系统的突起。栅极连接器元件由弹簧系统下面或下方的绝缘元件导引并且在绝缘元件与弹簧系统之间按压栅极连接器元件。
在半导体开关器件的另外的实施例中，间隔器单元形成为间隔环并且多个绝缘和支承元件采用交替方式围绕间隔环的周围设置并且其中栅极连接器元件的一段在组装器件时夹紧开关器件期间弯曲。
在另一个实施例中，半导体开关器件是集成门极换向晶闸管。
在半导体开关器件的再另一个实施例中，外壳由绝缘材料或陶瓷材料制成。
在半导体开关器件的示范性实施例中，阴极极片包括阴极应变缓冲板并且其中阳极极片包括阳极应变缓冲板，其中外壳凸缘与阴极极片对准并且阳极凸缘与阳极极片对准，并且其中外壳特别包括在其外部的至少一个爬电段以便使得来自阳极的爬电电流偏离到栅极连接器。
在半导体开关器件的另外的实施例中，衬底和极片通过对准销或环而固定或其中极片通过对准销或环来固定并且衬底通过边胶来固定并且其中进一步，阴极应变缓冲板具有低于阳极应变缓冲板的厚度的厚度并且阴极应变缓冲板形成为杯状物，即包括底部和例如附连到底部的圆形边，其中杯状物的开口面向阴极极片并且杯状物收容阴极极片，即杯状物的边至少部分包围阴极极片，因此阴极极片通过阴极应变缓冲板来固定或保持就位。
这样本发明允许降低栅电路阻抗，从而实现增加的最大关断电流并且进一步允许对于高功率应用使用较大半导体开关器件。
附图说明
本发明的主旨将在下列正文中参照在附图中图示的优选示范性实施例更加详细地说明，其中：
图1示出形成为间隔环的间隔器系统，其具有绝缘元件和支承元件；
图2示意地示出在夹紧前的半导体开关器件，其具有带绝缘元件和支承元件的间隔器系统；以及
图3示意地示出在夹紧后的半导体开关器件，其具有带绝缘元件和支承元件的间隔器系统。
在图中使用的标号和它们的含义在名称列表中总结。原则上，等同的部件在图中提供有相同的标号。
具体实施方式
图1示出对于半导体开关器件2的间隔器系统1，其包括绝缘元件3和支承元件4。该绝缘元件3包括收容栅极连接器元件5的凹陷。支承元件4包括收容弹簧系统6以用于在组装半导体开关器件2时夹紧的突起。
在图1中示出的间隔器系统1形成为具有大面积（即，具有60mm或更大的直径）的间隔环7，半导体开关器件2和多个绝缘和支承元件3、4采用交替方式围绕间隔环的周围设置。栅极连接器元件5由倚靠支承元件4的突起的弹簧系统6下面的绝缘元件3导引。在绝缘元件3与弹簧系统6之间按压栅极连接器元件5。凹陷和突起可一体式或独立形成并且由云母、聚合物、介电质、陶瓷材料或复合材料组成。绝缘元件3具有大体小于500μm的厚度，这取决于材料，但可尽可能薄以隔离施加的电压，并且另外支承元件4具有超过1mm的厚度以允许弹簧移动和弹簧系统6下面的连接器元件的穿过。间隔器系统进一步包括用于弹簧系统6的对准元件9、用于栅环11的支承元件10和阴极应变缓冲板13的对准元件12。为了精确适配阴极极片13的量度（即，直径）的公差，间隔器系统1可以减少的直径形成并且可在一段处切开以允许间隔环7弯曲来加宽它的直径。
间隔器系统1在半导体开关器件2中起到若干功能的作用。例如，间隔器系统1使栅极和阴极电势隔离、支承栅极弹簧构造（其需要经受在所有操作条件的弹簧压力）、导引弹簧系统6下面的连接器元件5、支承栅环11、允许弹簧系统6的对准并且允许极片13、14的对准和夹紧。
图2示意地示出在开关器件2夹紧前的半导体开关器件2，其具有带绝缘元件3和支承元件4的间隔器系统1。器件设计是外环栅构造。开关器件2进一步包括衬底21、阴极极片22、阳极极片23、应变缓冲板13、14和栅环11。弹簧系统还可朝栅环按压栅极连接器元件并且由此实现栅环与栅极连接器之间的可靠连接。
此外，连接器元件5、25使开关器件2的阴极极片22和栅环11连接到外部电路单元，从而允许器件部件的轻松安装。
原则上，连接器元件5、25之间的间距要最小化以便降低栅电路阻抗。因此，在开关器件2内部，尽可能接近彼此地导引阴极和栅极电势。这通过在弹簧系统6下面移动连接器元件5、25来实现。绝缘距离由绝缘元件3确保。为了在开关器件2的夹紧和松开期间避免由于栅极系统的移动和弹簧行进引起的引线冷作硬化，选择连接器元件5的最长段来桥接由弹簧系统6引起的间隙。然而，使连接器元件5、25的距离最小化仅受到外壳24的机械和结构要求的限制。从而，连接器元件5与25之间的距离足以保证经受高机械负载的稳定外壳24。
阴极极片22包括阴极应变缓冲板13并且阳极极片23包括阳极应变缓冲板14。提供阳极凸缘28用于使外壳隔离管24与阳极极片23连接。外壳隔离管24包括在其外部的爬电段26以便使得来自阳极23的爬电电流偏离到栅极连接器5，并且其中外壳凸缘进一步与阴极极片22对准并且阳极凸缘与阳极极片23对准。
衬底21和应变缓冲板13、14通过对准销或环27来固定或其中应变缓冲板13、14通过对准销或环来固定并且衬底21通过边胶27来固定。此外，阴极应变缓冲板13具有低于阳极应变缓冲板14的厚度的厚度并且阴极应变缓冲板13形成为杯状物，其中杯状物的开口面向阴极极片并且杯状物收容阴极极片22。
为了安装开关器件2，外壳24内部的栅极连接器元件5被预先开槽或预先弯曲来确保正确安装。随后，间隔器系统1插入外壳24中并且以绝缘元件3的凹陷对着栅极连接器元件5来取向。栅极连接器元件5然后向下弯曲到凹陷内。栅极连接器元件5的预先开槽确保精确弯曲。在下一个步骤中，将弹簧系统6插入外壳24中。弹簧系统6的压力分布环通过对准元件9而与凹陷对准。栅极连接器元件5然后弯向弹簧系统6。栅环11被放置在外壳24内部。此外，阴极应用缓冲13、衬底21、阳极应变缓冲板14、阳极极片23、相应的极片13、14和最后外壳24可封闭。
图3示出夹紧后的开关器件2并且形成连接器元件5的最终形状。连接器元件5的垂直部分朝弹簧系统6弯曲。
名称列表
1 间隔器系统 2 开关器件
3 绝缘元件 4 支承元件
5 栅极连接器元件 6 弹簧系统
7 间隔环 9 对准元件
10 支承元件 11 栅环
12 对准元件 13 阴极应变缓冲板
14 阳极应变缓冲板 21 衬底
22 阴极极片 23 阳极极片
24 外壳隔离管 25 阴极连接器元件
26 爬电段 27 对准环
28 阳极凸缘

Claims (17)

1.一种用于半导体开关器件（2）的间隔器系统（1），其包括绝缘元件（3）和支承元件（4），其中所述间隔器系统（1）形成为间隔环（7）并且多个绝缘和支承元件（3，4）采用交替方式围绕所述间隔环（7）的周围设置并且
其中所述绝缘元件（3）包括收容栅极连接器元件（5）的凹陷，并且所述支承元件（4）包括突起，所述突起收容弹簧系统（6）以用于在组装所述半导体开关器件（2）时夹紧。
2.如权利要求1所述的间隔器系统（1），其中所述栅极连接器元件（5）由所述弹簧系统（6）下面的绝缘元件（3）导引，并且其中在所述绝缘元件（3）与所述弹簧系统（6）之间按压所述栅极连接器元件（5）。
3.如权利要求1或2所述的间隔器系统（1），其中所述栅极连接器元件（5）的一段桥接在夹紧所述半导体开关器件（2）以用于组装所述半导体开关器件（2）期间的高度差。
4.如权利要求1或2所述的间隔器系统（1），其中所述间隔器系统（1）被所述半导体开关器件（2）的阴极应变缓冲板（13）收容并且在直径上小于所述阴极应变缓冲板（13）或形成为弹簧元件。
5.如权利要求1或2所述的间隔器系统（1），其进一步包括用于所述弹簧系统（6）的对准元件（9）、用于栅环（11）的支承元件（10）或阴极应变缓冲板（13）的对准元件（12）中的至少一个。
6.如权利要求1或2所述的间隔器系统（1），其中所述弹簧系统（6）由蝶形弹簧或波状弹簧组成。
7.如权利要求1或2所述的间隔器系统（1），其中所述绝缘元件（3）的凹陷和所述支承元件（4）的突起一体式或独立形成，并且由云母、聚合物、介电质、陶瓷材料或复合材料组成。
8.如权利要求1或2所述的间隔器系统（1），其中所述绝缘元件（3）具有小于500μm的厚度并且所述支承元件（4）具有超过1mm的厚度。
9.一种半导体开关器件（2），其包括衬底（21）、阴极极片（22）、阳极极片（23）、应变缓冲板（13，14）和栅环（11），其中阴极连接器元件（25）和栅极连接器元件（5）分别使所述半导体开关器件（2）的阴极极片（22）和栅环（11）电连接到外部电路单元，
所述半导体开关器件进一步包括间隔器系统（1），其包括绝缘元件（3）和支承元件（4），其中所述间隔器系统（1）形成为间隔环（7）并且多个绝缘和支承元件（3，4）采用交替方式围绕所述间隔环（7）的周围设置并且其中所述栅极连接器元件（5）的一段在组装所述半导体开关器件（2）时夹紧所述半导体开关器件（2）期间弯曲，并且
其中所述绝缘元件（3）包括收容所述栅极连接器元件（5）的凹陷并且所述支承元件（4）包括收容弹簧系统（6）的突起并且其中所述栅极连接器元件（5）由所述弹簧系统（6）下面的绝缘元件（3）导引。
10.如权利要求9所述的半导体开关器件（2），其中所述栅极连接器元件（5）由所述弹簧系统（6）下面的绝缘元件（3）导引并且其中在所述绝缘元件（3）与所述弹簧系统（6）之间按压所述栅极连接器元件（5）。
11.如权利要求9或10所述的半导体开关器件（2），其中所述半导体开关器件（2）是门极换向晶闸管。
12.如权利要求9或10所述的半导体开关器件（2），进一步包括外壳管（24），其由绝缘材料或陶瓷材料制成。
13.如权利要求9所述的半导体开关器件（2），其中所述阴极极片（22）包括阴极应变缓冲板（13）并且其中所述阳极极片（23）包括阳极应变缓冲板（14），其中外壳凸缘与所述阴极极片（22）对准并且阳极凸缘与所述阳极极片（23）对准。
14.如权利要求10所述的半导体开关器件（2），其中所述阴极极片（22）包括阴极应变缓冲板（13）并且其中所述阳极极片（23）包括阳极应变缓冲板（14），其中外壳凸缘与所述阴极极片（22）对准并且阳极凸缘与所述阳极极片（23）对准。
15.如权利要求9、10或13所述的半导体开关器件（2），其中所述衬底（21）和所述应变缓冲板（13，14）通过对准销或环（27）来固定或其中所述应变缓冲板（13，14）通过对准销或环来固定并且所述衬底（21）通过边胶来固定，并且其中所述阴极应变缓冲板（13）另外具有低于所述阳极应变缓冲板（14）的厚度的厚度并且所述阴极应变缓冲板（13）形成为杯状物，其中所述杯状物的开口面向所述阴极极片（22）并且所述杯状物收容所述阴极极片（22）。
16.如权利要求13所述的半导体开关器件（2），其中所述外壳管（24）包括在其外部的至少一个爬电段（26）以便使得来自所述阳极（23）的爬电电流偏离到所述栅极连接器（5）。
17.如权利要求14所述的半导体开关器件（2），其中所述外壳管（24）包括在其外部的至少一个爬电段（26）以便使得来自所述阳极（23）的爬电电流偏离到所述栅极连接器（5）。
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