CN105934821A - 功率半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率半导体装置(10)，包括：具有上部侧(14)和具有下部侧(16)的功率半导体元件(12)，上部侧(14)定位于与下部侧(16)相对；第一电极(18)和第二电极(20)；及壳体，其中功率半导体元件(12)布置在第一电极(18)与第二电极(20)之间，使得上部侧(14)包括与第一电极(18)接触的第一接触部分(22)和不与第一电极(18)接触的第一自由部分(24)，并且其中下部侧(16)至少包括与第二电极(20)接触的第二接触部分(26)，并且其中提供了流动连接第一自由部分(24)的至少部分与壳体的预确定的脱气点(38)的沟道(36)，以用于从第一自由部分(24)引导过压到预确定的脱气点(38)，过压由在功率半导体装置的操作期间在失效模式中出现的等离子体和/或气体引起。根据本发明的功率半导体装置(10)可能够实现在临界失效模式中形成的具有高压的热等离子体和/或气体从壳体的受控逸出，同时防止热等离子体和/或气体对散热器或半导体装置(10)所处的设备的其它部分造成损坏。因此，至少部分地防止了功率半导体装置(10)在失效模式中爆炸，改进了操纵失效装置的人员的安全，并且降低了损坏功率半导体装置(10)附近的部分的危险。

Description

功率半导体装置
技术领域
本发明涉及功率半导体装置。具体而言，本发明涉及在操作期间具有改进的失效模式的功率半导体装置。
背景技术
高功率半导体装置的壳体通常包括阴极和阳极。相应电极与位于电极之间的半导体元件接触，并且使得电流能够流过高功率半导体装置。阴极和阳极电极可连接到陶瓷环，陶瓷环能够实现阴极和阳极电极相互电隔离，并且允许气密封闭以防止氧气流入至半导体元件。阴极和阳极电极、陶瓷环及诸如凸缘等可能的另外部分因此形成半导体元件所处的壳体的封闭空间。高功率半导体装置的壳体的封闭空间通常填充有惰性气体。
在JP 05304179中的图8和第[0044]段中，环形沟槽填充有用于粘附的组件41，诸如硅橡胶和聚酰亚胺，由此不存在用于从第一自由部分引导过压到预确定的脱气点31、32、33的、第一自由部分（在元件的边缘）的至少部分与壳体的预确定的脱气点31、32、33）的流动连接（fuidly connection）。在JP 05304179的半导体装置生产期间，在第一电极片51上放置半导体基底物质2时，能够在孔31、32、33之间封闭气体，由此这些孔31、32、33能够实现气体排出（结合图8参阅第[0077]段）。
此外，US 5519231在图4中显示用于在生产期间排出空气或气体的孔20b、20c、20d、20e（参阅第11栏，第46-57行）。另外，DE 43 210 53 A1在图2中也公开用于在生产期间排出空气或气体的孔31c、31d（参阅第6栏，第6-11行；第5栏，第19-31行；第19栏，第50行 -第20栏，第3行）。
众所周知，对于功率半导体装置，在半导体元件中形成击穿点并且随后高电流密度流过此击穿点时，在一些情况下它们在操作期间可陷入失效模式。在未提供相应应对措施的情况下，这些种类的失效可导致在高功率半导体装置的壳体内形成热等离子体和/或气体，由此等离子体被定义为离子化气体。此类失效因此可导致功率半导体装置的损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率半导体装置，该装置在功率半导体装置的操作期间提供改进的失效模式。具体而言，本发明的目的是提供一种功率半导体装置，该装置降低在功率半导体装置的操作期间由失效引起的重大破坏的危险。
这些目的通过根据独立权利要求1的功率半导体装置而至少部分地解决。在从属权利要求中提供了有利的实施例。
具体而言，本发明提供一种功率半导体装置，它包括：具有上部侧和具有下部侧的功率半导体元件，上部侧定位于与下部侧相对；第一电极和第二电极；及壳体，其中功率半导体元件布置在第一电极与第二电极之间，使得上部侧包括与第一电极接触的第一接触部分和不与第一电极接触的第一自由部分，并且其中下部侧至少包括与第二电极接触的第二接触部分，并且其中提供了沟道，其流动连接第一自由部分的至少部分与壳体的预确定的脱气点，用于从第一自由部分引导过压到预确定的脱气点，过压由在功率半导体装置的操作期间在失效模式中出现的等离子体和/或气体引起。
如上所述的功率半导体装置在功率半导体装置的操作期间提供改进的失效模式。具体而言，如上所述的功率半导体装置可大幅降低由于如果在半导体装置的操作期间失效发生而在壳体内形成过压从而发生爆炸的危险。
根据本发明的功率半导体装置具体而言将是基于半导体元件并且可优选用作功率电子装置中的开关或整流器的装置。除其它之外，功率半导体装置的非限制性示例包括栅极可关断晶闸管(GTO)，并且根据本发明，特别优选的是二极管、晶闸管以及特别是至少部分地封装在陶瓷壳体中的那些。
功率半导体装置包括具有上部侧和具有下部侧的功率半导体元件，上部侧定位于与下部侧相对。此类功率半导体元件在本技术领域广为人知，并且可形成为适用于特定应用。详细而言，并且对于PCT的非限制性示例，半导体元件可由诸如硅等半导体形成，其包括交替层(P-N-P-N)。此类结构或此类半导体装置相应地通常在本技术领域为人所熟知，并且因此将不详细描述。
功率半导体装置还包括第一电极和第二电极。这些电极通常可由如在本技术领域熟知的材料形成。例如，电极可由铜形成。第一电极布置在半导体元件的上部侧附近，而第二电极位于半导体元件的下部侧附近。详细而言，功率半导体元件布置在第一电极与第二电极之间，使得上部侧包括与第一电极接触的第一接触部分和不与第一电极接触的第一自由部分。对应地，下部侧包括与第二电极接触的第二接触部分，并且可选地包括不与第二电极接触的第二自由部分。
此外，提供了壳体以便将半导体元件气密封闭。这可以是有利的，以便确保功率半导体元件正常工作。壳体可由至少部分地定位于与电极相邻的陶瓷壳形成。此外，可提供凸缘，其连接电极与绝缘体，以便封闭壳体。因此，电极也可形成壳体的部分。
在功率半导体装置的操作期间，如果功率半导体元件陷入失效模式，在自由部分（特别是半导体元件的上部侧）的顶部，有形成等离子体的危险。在PN结位于此自由部分的情形下，情况便以特别强烈的方式可能是如此。这种情况下，可能发生过压，将如下面将描述的，这可能有不利影响半导体装置的部分的危险。
为降低基于形成的等离子体的危险，提供了沟道，其可选地经与自由部分直接邻近而提供的体积，流动连接第一自由部分的至少部分与壳体的预确定的脱气点。沟道因此设计用于将在第一自由部分表面或在功率半导体元件的自由周边生成的过压相应地从第一自由部分引导到预确定的脱气点。在下述内容中，通过使用一个沟道来描述本发明。然而，本领域技术人员明白，可存在连接相应位置与所有相同或多个预确定的脱气点的不止一个沟道。
具体而言，流动连接由此将意味着通过其可引导诸如气体等流动体的连接，并且因此意味着对于流体且特别是对于气体是可渗透的的连接。
此外，具体而言，预确定的脱气点可以是独特的位置和/或独特的部件，过压可在其处离开功率半导体装置，并且具体而言，功率半导体装置的壳体。具体而言，预确定的脱气点可以是在正常工作/操作模式中闭合，但在失效引起的预确定的情形下可以是气体可渗透的的位置。此类情形可包括如果等离子体和/或气体在失效时形成而引起的过压或升温。相应预确定的脱气点例如可以是凸缘，凸缘设计成使得它气密封闭壳体，但可由于在失效时发生的情形而打开或局部损坏并且因此气体可渗透。
由于以上所述，在功率半导体装置的操作期间，如果功率半导体元件陷入失效模式或者具有失效，可通过沟道将可由形成的等离子体和/或气体引起的过压引导到预确定的脱气点，并且可因此将过压相应地引导到功率半导体装置的外部或到壳体的外部。在高功率半导体装置的壳体内的半导体元件的周边形成击穿点并且随后高电流密度流过该点时，可发生临界失效模式（critical failure mode）。
因此，由于过压被引导到壳体的外部，如上所述的功率半导体装置提供了防止高功率半导体装置在失效模式爆炸的特别有利的概念。由于能够实现在失效模式可能形成的具有高压的热等离子体和/或气体从高功率半导体装置的壳体的非常受控的逸出。
因此，可确保没有可能损坏功率半导体装置的高压以及因此能量保持在壳体中，使得爆炸被安全地避免。除此之外，避免了过压保持在壳体中并且在以后阶段损坏功率半导体装置的危险。对应地，可避免在服务工作期间处理功率半导体装置的例如人员或装置被例如受伤或损坏。因此，大幅降低了由功率半导体装置呈现的危险。
同时，如果发生爆炸，则大多数过压在非预确定的位置流出壳体，因此，不能避免损坏诸如散热器等周围部分的危险。然而，根据本发明，可存在用于将过压从壳体引导出的预确定的位置。因此，可选择预确定的脱气点的布置和位置，使得由功率半导体装置不会呈现危险或只呈现大幅降低的危险。因此，即使在伴随有极度过压形成的失效模式的情况下，可安全地避免或至少大幅降低被引导到壳体外部的热等离子体和/或气体损坏布置的另外部分，诸如例如散热器或高功率半导体装置所处的设备的其它部分。
因此，它有效地解决了问题，根据该问题半导体装置的爆炸能够对设备造成损坏或对人员造成伤害，并且与其形成对比的是，这些问题被安全避免或至少大幅降低。
根据本发明的解决方案与根据现有技术的解决方案相比，还具有相当大的优势。详细而言，高功率半导体装置通常通过在高功率半导体装置的壳体内包括金属或塑料部分以防止热等离子体和/或气体到达凸缘或壳体的陶瓷环，并且还通过使高功率半导体装置的壳体更耐内部高压，从而解决上面提及的问题。这些措施可有助于仅防止在壳体内累积高达一定级别的能量和高达一定级别的压力的爆炸。因此，如果过压超过预定义的值，则这些措施只具有有限的效果。由于如果在一些情况下超过了破坏壳体的临界能量或临界压力的增大级别则爆炸将极可能特别危险的事实，因此，在这些情况下，其应特别被防止。
此外，在使用根据现有技术的上述措施时，压力保持在壳体内，因此，存在在通过失效装置的以后操纵阶段中的未定义脱气和发生故障的危险。通过使用根据本发明的解决方案，如上述的解决方案，解决了这些缺点。
概括而言，根据本发明的功率半导体装置可能够实现在临界失效模式中形成的具有高压的热等离子体和/或气体从壳体的受控逸出，以及同时可防止热等离子体和/或气体损坏散热器或半导体装置所处设备的另外部分。因此，至少部分地防止了功率半导体装置在失效模式中爆炸，改进了操纵失效装置的人员的安全，并且降低了损坏功率半导体装置附近的部分的危险。
根据一实施例，预确定的脱气点是预确定的断点。特别是预确定的断点适合以极其有利的方式允许在壳体内非常好地定义的过压发生脱气。此外，上面提及的解决方案极其适合用于改变脱气点，或将脱气的定义的设置值改变为要求的值。因此，根据此实施例，可提供特别广泛的应用范围。除此之外并且关于预确定的断点，这可提供成本特别节约的解决方案。因此，安全的失效模式可伴有最小的可能成本和损坏。
如果预确定的脱气位置是预确定的断点，则后者可通过诸如凸缘等材料的定义的弱化部分来实现，例如相应地设计为定义的变薄部分或变薄结构。这是成本特别节约的措施，并且可在熟知的生产过程中实施而无重大问题。
根据一另外的实施例，在凸缘中提供了预确定的脱气点，其中，凸缘连接第一电极和壳体的另外部分，诸如与绝缘部分连接。此实施例的产生特别节约成本。详细而言，可基本上以常规方式设计壳体的另外部分，诸如绝缘部分，相应地例如陶瓷绝缘体、或陶瓷环，使得就算真的有部分要改变，只凸缘必须改变。除此之外，由于凸缘可以以要求的方式生产而无重大成本的事实，因此，可达到高适应性。此外，可轻松地为凸缘提供预确定的脱气点。
根据一另外的实施例，提供了用于相应地封闭自由部分或在自由部分上方的体积的边缘。例如，边缘可被放置（诸如，挤压）在第一与第二电极之间，以及可由隔离材料形成以便不会相应地对电极或功率半导体装置的工作行为产生不利影响。此实施例允许相应地封闭或封装自由部分，使得在自由部分上方形成某种内部空间，该内部空间只连接到沟道。换而言之，如果由于失效而形成等离子体和/或气体，则使等离子体和/或气体膨胀的唯一方式是通过沟道并且因此到预确定的脱气点。因此，可避免可导致非希望部分损坏的过压到达壳体的非希望部分。因此，与预确定的脱气点相比，边缘可更稳定形成，或者它例如可由弹性材料形成。形成的内部空间有利地位于特别易于发生失效的位置上方，诸如PN结上方。
根据一另外的实施例，面向上部侧或下部侧的自由部分的电极的部分以两部分形式布置。实际上，可布置两部分形式，使得只相应电极的小的部分可单独布置。该小的部分例如可布置成环状。与电极的主要部分相比，它可由相同材料形成。根据此实施例，如果可先提供电极的主要部分，并且在由电极限制的体积的清洁过程后可引入更小部分，则由于清洁过程可得到大幅增强的事实，可大幅增强制造过程。
根据一另外的实施例，在预确定的脱气点附近提供气体引导装置。根据此实施例，热等离子体和/或气体的气流例如可被引导到损坏另外部分的危险被特别大幅降低的位置。这允许具有另外部分的功率半导体装置的极其紧凑的布置，并且还允许特别有效地降低基于失效模式而损坏另外部分的危险。在脱气点附近的位置将由此具体而言意味着气体引导装置被定位使得离开脱气点并且因此离开壳体的气体可通过气体引导装置被引导到指定方向。
气体引导装置可由此是位于脱气装置附近的聚合物环。这允许极具成本节约和稳定的布置。
根据一另外的实施例，沟道形成为通过电极的路径。此实施例可允许特别容易且节约成本的措施以提供沟道。实际上，例如可通过钻孔来提供电极，由此提供相应沟道。因此，在制造功率半导体装置时，不必引入另外的部分，但在任何情况下，在存在部分中必须提供沟道，这允许在无重大问题的情况下以及通过一个简单的另外步骤来实现根据本发明的布置。
附图说明
从下文描述的实施例本发明的这些和其它方面将是明显的，并且将参照下文描述的实施例来阐明本发明的这些和其它方面。
在图中：
图1显示根据本发明的功率半导体装置的一示范性的实施例；
图2显示根据本发明的功率半导体装置的一示范性的另外的实施例；以及
图3显示根据本发明的功率半导体装置的一示范性的另外实施例。
具体实施方式
现在将详细作出对各个实施例的参照，实施例的一个或多个示例在每个附图中示出。每个示例通过解释的方式提供而不是意在为限制。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可在其它实施例上或与其它实施例结合使用以产生仍有的另外的实施例。意在本公开包括此类修改和变化。
在附图的以下描述中，相同的附图标记指相同组件。通常，只描述关于各个实施例的差别。附图中出现若干相同项目或部分时，为简化外观，并非所有部分具有附图标记。
在图1中，显示了根据本发明的功率半导体装置10的一实施例的横截面。功率半导体装置10例如可以是功率GTO或IGCT、二极管或晶闸管。
功率半导体装置10包括具有上部侧14和具有下部侧16的功率半导体元件12，上部侧14定位于与下部侧16相对。功率半导体元件12布置在第一电极18与第二电极20之间，使得上部侧14包括与第一电极18接触的第一接触部分22和不与第一电极18接触的第一自由部分24，并且其中下部侧16至少包括与第二电极20接触的第二接触部分26和不与第二电极20接触的自由部分28。
此外，提供了气密封闭功率半导体元件12的壳体。壳体包括电极18、20、陶瓷环30及凸缘32、34，所述凸缘连接电极18、20与陶瓷环30。换而言之，壳体的电极18、20和凸缘32、34及陶瓷环30形成高功率半导体装置10的壳体的封闭空间，其内放置功率半导体元件12。
还可看到的是，提供了流动连接第一自由部分24的至少部分与壳体的预确定的脱气点38的沟道36，用于从第一自由部分24引导过压到预确定的脱气点38。沟道36形成为通过第一电极18的路径。
预确定的脱气点38可以是凸缘32本身，或者它可以是预确定的断点，诸如壳体并且具体而言凸缘32的定义的弱化部分。通常，预确定的脱气点38可以是壳体的部分，其被设计使得在功率半导体装置的操作期间在失效模式期间可发生的过压可通过此点离开壳体。因此，与现有技术相比，壳体不是尽可能地坚固，而是至少有定义的点或部分，在该点或部分超过定义的值以及可选地具有定义的温度的过压可离开壳体。详细而言，在凸缘32中提供了预确定的脱气点38，其中，凸缘32连接电极18与壳体的另外的部分，具体而言与陶瓷环30。
图1还示出提供了例如硅橡胶等优选弹性隔离材料，诸如以环的形式。隔离材料形成边缘40，并且封闭自由部分24。能够看到，边缘40位于第一与第二电极之间，并且环绕以及包围功率半导体元件12。此实施例允许相应地封闭或封装自由部分24，使得在自由部分24上方形成某种内部空间48，该内部空间只连接到沟道36。隔离材料可由此具有隔离强度，强到足以许可来自相应电极18、20的负面影响。
为安全地将脱气气体从预确定的脱气点38引导离开，在预确定的脱气点38附近提供了气体引导装置42，其中，根据图1，气体引导装置42是聚合物环。诸如聚合物环等的、诸如由PTFE等制成的气体引导装置42可固定到第一电极18中的沟槽中。
更详细地说，电极18、20包括与功率半导体装置12直接接触的部分，并且还包括扩展44、46，所述扩展位于半导体元件的自由部分24、28上方并且间隔分开以及因此相应地与功率半导体装置12或与其自由部分24、28不直接接触。沟道36随后可位于这些扩展44、46中。
在功率半导体装置的操作期间在失效模式中，当击穿点在半导体元件12中在爆炸临界点形成，即，在自由部分24的周边并且因此在保护性内部空间48内形成，并且随后高电流密度流过此击穿点时，生成的具有高压的热等离子和/或气体通过通道36从保护内部空间48逸出，从预确定的断点38（诸如到凸缘32中烧的小孔）逸出，并且从壳体的封闭空间逸出。保护性PTFE环42防止热等离子体和/或气体对例如散热器造成损坏。能够引起高功率半导体装置爆炸的能量不保持在壳体内。
图2显示根据本发明的功率半导体装置10的一另外的实施例。图2的实施例基于关于图1描述的实施例，使得相同标号指相同或类似的部分。关于这些部分，参照图1的上面描述。在图2中，沟道36具有偏离形式，并且设计以倾斜的方式。此实施例因此将显示沟道36的形式和/或几何形状基本上是自由的，并且可适应于所希望的应用而无问题。此外，可看到的是，不与电极18接触的自由部分24也能够只在功率半导体元件12的一侧上。
在制造过程期间，可难以通过在扩展44、46与陶瓷环30之间的狭窄开口来适当清洁在电极18、20的扩展44、46下方的空间。图3中显示了此问题的解决方案。同样地，图3的实施例基于关于图1和2描述的实施例，使得相同标号指相同或类似的部分。关于这些部分，参照图1的上面描述。
根据图3，壳体的电极20包括由两个部分组成的扩展46，第一部分461和第二部分462。第二部分462具有环的形式，其内径小于电极20的外径。该部分经预热以增大其大小，并且在具有更小扩展部分的壳体被清洁后被插入到其位置。虽然本发明已在附图和前面描述中详细图示和描述，但此类图示和描述要视为是说明性的或示范性的而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。通过学习附图、本公开和随附权利要求，由本领域技术人员在实践请求保护的发明中能够理解和实现公开的实施例的其它变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一” 或“一个”不排除多个。仅仅是某些措施在相互不同的从属权利要求中叙述的事实不表示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应理解为限制范围。
附图标记列表
10　功率半导体装置
12　功率半导体元件
14　上部侧
16　下部侧
18　第一电极
20　第二电极
22　接触部分
24　自由部分
26　接触部分
28　自由部分
30　陶瓷环
32　凸缘
34　凸缘
36　沟道
38　预确定的脱气点
40　边缘
42　气体引导装置
44　扩展
46　扩展
461 扩展的第一部分
462 扩展的第二部分
48　保护性内部空间。

Claims (10)

1.一种功率半导体装置，包括：
功率半导体元件(12)，具有上部侧(14)和具有下部侧(16)，所述上部侧(14)定位于与所述下部侧(16)相对；
第一电极(18)和第二电极(20)，以及
壳体，其中
所述功率半导体元件(12)布置在所述第一电极(18)与所述第二电极(20)之间，使得所述上部侧(14)包括与所述第一电极(18)接触的第一接触部分(22)和不与所述第一电极(18)接触的第一自由部分(24)，并且其中所述下部侧(16)至少包括与所述第二电极(20)接触的第二接触部分(26)，并且其中
提供了流动连接所述第一自由部分(24)的至少部分与所述壳体的预确定的脱气点(38)的沟道(36)，以用于从所述第一自由部分(24)引导过压到所述预确定的脱气点(38)，所述过压由在所述功率半导体装置的操作期间在失效模式中出现的等离子体和/或气体引起。
2.如权利要求1所述的功率半导体装置，其中所述预确定的脱气点(38)是预确定的断点。
3.如权利要求2所述的功率半导体装置，其中所述预确定的断点通过所述壳体的定义的弱化部分实现。
4.如权利要求1到3中的任一项所述的功率半导体装置，其中在凸缘(32)中提供所述预确定的脱气点(38)，其中所述凸缘(32)连接所述第一电极(18)与所述壳体的另外部分。
5.如前述权利要求中的任一项所述的功率半导体装置，其中边缘(40)提供用于封闭自由部分(24)。
6.如前述权利要求中的任一项所述的功率半导体装置，其中在所述预确定的脱气点(38)附近提供气体引导装置(42)。
7.如权利要求6所述的功率半导体装置，其中所述气体引导装置(42)是聚合物环。
8.如前述权利要求中的任一项所述的功率半导体装置，其中所述沟道(36)形成为通过所述电极(18)的路径。
9.如前述权利要求中的任一项所述的功率半导体装置，其中面向所述上部侧(14)的或所述下部侧(16)的自由部分（24，28）的所述电极（18，20）的部分以两部分形式布置。
10.如前述权利要求中的任一项所述的功率半导体装置，其中所述功率半导体装置(10)是晶闸管或二极管。
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