CN116247008A - 用于功率半导体模块布置结构的外壳 - Google Patents

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P·布罗伊蒂加姆
A·阿伦斯
M·路德维希
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Abstract

公开了用于功率半导体模块布置结构的外壳。一种布置结构包括外壳和垂直布置在外壳上方的印刷电路板，其中，外壳包括：侧壁；附接到侧壁并在外壳的远离印刷电路板的下端处布置在外壳的外部上的至少一个突起，其中，至少一个第一通孔设置在至少一个突起中；多个保持器件，其中每个保持器件布置在第一通孔内和/或印刷电路板和第一通孔之间；以及多个紧固元件，所述紧固元件被配置为将外壳附接到散热器或基板，其中所述多个保持器件中的每一个被配置为夹持紧固元件中的不同紧固元件，使得所述紧固元件被固定在限定的位置，并且将所述紧固元件中的每个与所述第一通孔中的不同的一个对准。

Description

用于功率半导体模块布置结构的外壳
技术领域
本公开涉及用于功率半导体模块布置结构的外壳，特别是包括用于将外壳安装在散热器或基板上的安装器件的外壳。
背景技术
功率半导体模块布置结构通常在外壳内包括衬底。衬底通常包括衬底层(例如，陶瓷层)、沉积在衬底层的第一侧上的第一金属化层、以及可选地沉积在衬底层的第二侧上的第二金属化层。包括一个或多个可控半导体元件(例如半桥构造中的两个IGBT)的半导体布置结构可以布置在衬底上。通常提供一个或多个接触元件，其允许从外壳外部接触这样的半导体布置结构。印刷电路板可以布置在外壳外部，其接触一个或多个接触元件。不同的接触元件可以通过例如印刷电路板上的导电轨彼此电耦合。外壳可以在其外部包括突起。可以在突起中设置通孔，使得外壳可以通过螺钉安装在散热器或基板上，螺钉通过通孔插入并拧入设置在散热器或基板中的相应钻孔中。然而，设置在外壳外部的印刷电路板阻碍了螺钉插入钻孔和通过合适的工具紧固螺钉。通常，必须在印刷电路板上设置大的通孔，以便能够将螺钉插入钻孔中。因此，在印刷电路板上形成导电轨所需的印刷电路板上的宝贵空间被通孔消耗。
需要一种外壳，其可以轻松地安装在散热器或基板上，同时仍允许在外壳外部的印刷电路板上提供足够的空间。
发明内容
一种布置结构包括外壳和垂直布置在外壳上方的印刷电路板，其中外壳包括：侧壁；附接到侧壁并布置在外壳的外部、在外壳的远离印刷电路板的下端处的至少一个突起，其中至少一个第一通孔设置在至少一个突起中；多个保持器件，其中每个保持器件布置在第一通孔的内部和/或在印刷电路板和第一通孔之间；以及多个紧固元件，所述紧固元件被配置为将所述外壳附接到散热器或基板，其中所述多个保持器件中的每一个被配置为夹持所述紧固元件中的不同的紧固元件，使得所述紧固元件被固定在限定的位置中，并且将所述紧固元件中的每个与所述第一通孔中的不同的第一通孔对准，所述印刷电路板包括多个第二通孔，其中，所述第二通孔中的每个第二通孔垂直地布置在所述多个紧固元件中的不同紧固元件上方并与所述多个紧固元件中的不同紧固元件对准，所述第二通孔中的每个第二通孔的直径小于相应紧固元件的最大直径，并且当在紧固元件上施加限定的力时，紧固元件被配置为在远离印刷电路板的方向上垂直移动通过相应的第一通孔。
参考以下各图和说明书，可以更好地理解本发明。图中的部件不一定按比例，而是强调说明本发明的原理。此外，在图中，相同的附图标记在不同视图中表示相应的部分。
附图说明
图1是常规的功率半导体模块布置结构的截面图。
图2是根据一个示例的用于功率半导体模块布置结构的外壳的横截面图。
图3是根据另一示例的用于功率半导体模块布置结构的外壳的横截面图
图4示意性地更详细地示出了图2的外壳的细节。
图5示意性地更详细地示出了图3的外壳的细节。
图6A和图6B示意性地示出了示例性保持器件。
图7是示例性保持器件的尺寸图。
图8是示例性保持器件的俯视图。
图9是另一个示例性保持器件的俯视图。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考了附图。附图示出了可以实践本发明的具体示例。应当理解，除非另外特别指出，否则关于各种示例所描述的特征和原理可以彼此组合。在说明书和权利要求书中，将某些元件指定为“第一元件”、“第二元件”和“第三元件”等不应被理解为列举性的。相反，这些名称仅用于处理不同的“元件”。也就是说，例如，“第三元件”的存在并不要求存在“第一元件”和“第二元件”。如本文所述的半导体主体可以由(掺杂的)半导体材料制成，并且可以是半导体芯片或者可以包括在半导体芯片中。半导体主体具有电连接焊盘，并且包括至少一个具有电极的半导体元件。
参考图1，示出了功率半导体模块布置结构100的截面图。功率半导体模块布置结构100包括外壳7和衬底10。衬底10包括电介质绝缘层11、附接到电介质绝缘膜11的(结构化的)第一金属化层111和附接到电介质绝缘膜11的(结构化的)第二金属化层112。电介质绝缘层11设置在第一金属化层111和第二金属化层112之间。
第一金属化层111和第二金属化层112中的每一个可以由以下材料之一组成或包括以下材料之一：铜；铜合金；铝；铝合金；在功率半导体模块布置结构的操作期间保持固体的任何其他金属或合金。衬底10可以是陶瓷衬底，即，其中电介质绝缘层11是陶瓷(例如薄陶瓷层)的衬底。陶瓷可以由以下材料之一组成或包括以下材料之一：氧化铝；氮化铝；氧化锆；氮化硅；氮化硼；或任何其他电介质陶瓷。替代地，电介质绝缘层11可以由有机化合物组成，并且包括以下材料中的一种或多种：Al2O3、AlN、SiC、BeO、BN或Si3N4。例如，衬底10可以是例如直接铜键合(DCB)衬底、直接铝键合(DAB)衬底或活性金属钎焊(AMB)衬底。此外，衬底10可以是绝缘金属衬底(IMS)。绝缘金属衬底通常包括电介质绝缘层11，电介质绝缘层包括(填充的)材料，例如环氧树脂或聚酰亚胺。电介质绝缘层11的材料可以填充有例如陶瓷颗粒。此类颗粒可以包括例如SiO2、Al2O3、AlN、SiN或BN，并且可以具有处于约1μm和约50μm之间的直径。衬底10也可以是具有非陶瓷电介质绝缘层11的常规印刷电路板(PCB)。例如，非陶瓷电介质绝缘层11可以由固化树脂组成或包括固化树脂。
衬底10布置在外壳7中。外壳7包括侧壁和可选的盖子。衬底10和外壳7可以安装在散热器或基板12上。散热器或基板12可以形成外壳7的底部，如图1中所示意性示出的。然而，这只是示例。外壳7还可以包括底部，当外壳7布置在散热器或基板12上时，该底部被布置在衬底10和散热器或基板12之间。在一些功率半导体模块布置结构100中，多于一个的衬底10布置在同一外壳7内。
一个或多个半导体主体20可以布置在至少一个衬底10上。布置在至少一个衬底10上的半导体主体20中的每个可以包括二极管、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)、HEMT(高电子迁移率晶体管)、或任何其他合适的半导体元件。
一个或多个半导体主体20可以在衬底10上形成半导体布置结构。在图1中，仅示例性地示出了两个半导体主体20。图1中的衬底10的第二金属化层112是连续层。根据另一示例，第二金属化层112可以是结构化层。根据其他示例，也可以省略第二金属化层112。在图1所示的示例中，第一金属化层111是结构化层。在该上下文中，“结构化层”是指相应金属化层不是连续层，而是包括层的不同部分之间的凹陷。图1中示意性地示出了这样的凹陷。在该示例中的第一金属化层111包括三个不同的部分。不同的半导体主体20可以安装到第一金属化层111的相同部分或不同部分。第一金属层的不同部分可以没有电连接部，或者可以使用电连接部3(例如，接合线)电连接到一个或多个其他部分。半导体主体20可以例如使用电连接部3彼此电连接或电连接到第一金属化层111。例如，代替接合线，电连接部3还可以包括接合带、连接板或导体轨，仅举几个例子。一个或多个半导体主体20可以通过导电连接层60电连接和机械连接到衬底10。这种导电连接层60可以是焊料层、导电粘合剂层或烧结金属粉末层，例如烧结银(Ag)粉末。
图1所示的功率半导体模块布置结构100还包括端子元件4。端子元件4电连接到第一金属化层111，并在外壳7的内部和外部之间提供电连接。端子元件4可以通过第一端电连接到第一金属化层111，而端子元件4的第二端41突出到外壳7之外。端子元件4可在其第二端41处从外部电接触。然而，这样的端子元件4只是示例。外壳7内部的部件可以以任何其他合适的方式从外壳7外部电接触。例如，端子元件4可以布置在衬底10的中央，或者甚至更靠近或邻近外壳7的侧壁。一个或多个端子元件4也可以垂直或水平地穿过外壳7的侧壁突出。例如，端子元件4的第一端可以通过导电连接层(图1中未明确示出)电连接和机械连接到衬底10。例如，这种导电连接层可以是焊料层、导电粘合剂层或烧结金属粉末(例如，烧结银(Ag)粉末)层。端子元件4的第一端也可以例如经由一个或多个电连接部3电耦合到衬底10。端子元件4的第二端41可以机械连接和电连接到印刷电路板82。导体轨(未具体示出)可以设置在印刷电路板上，以便将端子元件4中的不同端子元件彼此电耦合或电耦合到可以布置在印刷电路基板82上的任何其他部件。这种导体轨可以包括任何合适的导电材料，例如铜。根据一个示例，一个或多个端子元件4被实现为接合线。
功率半导体模块布置结构100通常还包括包封体5。包封体5可以由硅凝胶组成或包括硅凝胶，或者可以是刚性模制化合物。包封体5可以至少部分地填充外壳7的内部，从而覆盖布置在衬底10上的部件和电连接部。端子元件4可以部分地嵌入包封体5中。然而，至少它们的第二端41未被包封体5覆盖，并且穿过外壳7从包封体5突出到外壳7的外部。包封体5被配置为保护功率半导体模块100的部件和电连接部，特别是布置在外壳7内部的部件，使其免受某些环境条件和机械损坏的影响。
外壳7通过紧固元件76安装在散热器或基板12上。紧固元件76可以包括螺钉、带或不带螺纹的销、带或不带螺纹的螺柱或铆钉等。(螺纹)钻孔14可以设置在散热器或基板12中。紧固元件76插入到钻孔14中。外壳7在其外部包括至少一个突起72。至少一个突起72在外壳7的下端处附接到外壳7的侧壁。外壳7的下端是外壳7的附接到散热器或基板12的一端。印刷电路板82通常布置成靠近外壳7的与下端相对的上端，并背离散热器或基板12。突起72可以以任何合适的方式附接到外壳72。例如，突起72可以粘接到外壳7。突起72也可以与外壳7一体形成。第一通孔74设置在至少一个突起72中。根据一个示例，沿着外壳7的整个圆周设置一个连续的突起72，其中多个第一通孔74形成在突起72中。根据另一示例，两个或更多个单独的突起72设置在沿着外壳7的圆周的不同位置处，其中一个或多个第一通孔74形成在每个突起72中。
紧固元件76可以包括直径较小的细长主体和直径大于细长主体直径的头部。头部的直径也大于第一通孔74的直径。当紧固元件76(即其细长主体)穿过第一通孔74之一和散热器或基板12中的相应钻孔14而插入时，其头部保持在突起72的垂直上方并将突起按压在散热器或基板12上，并且因此将外壳7按压在散热器或基板12上。这样，外壳7可以牢固地附接到散热器或基板12。外壳7通常通过两个或更多个紧固元件76安装在散热器或基板12上。在图1的布置中，外壳7不接触衬底10。然而，当外壳7安装在散热器或基板12上时，外壳7接触衬底10并将衬底10按压在散热器或基板12上也是可能的。这样，可以在衬底10和散热器或基板12之间提供令人满意的接触，以便有效地将热传导离开衬底10。
当功率半导体布置结构100已经完全组装时，通常将其安装在散热器或基板12上。即当外壳7闭合并且印刷电路板82已经牢固地附接到端子元件4时，外壳7被安装在散热器或基板12上。因此，需要在印刷电路板82中设置第二通孔84，其允许紧固元件76穿过第一通孔74插入到散热器或基板12的钻孔14中。更进一步地，用于将紧固元件76插入并固定到钻孔14中的工具必需穿过第二通孔84。因此，在图1的布置中，第二通孔84的直径d1需要大于紧固元件76的最大直径d2。紧固元件76最大直径d2通常是其头部的直径。然而，大的第二通孔84消耗了印刷电路板82的大量空间，这些空间不能用于在其上布置导电轨或任何其他元件。
现在参考图2，示意性地示出了根据一个示例的功率半导体模块布置结构100。图2的布置结构在很大程度上对应于上面关于图1所描述的布置结构。图2中未具体示出上文已描述的布置在外壳7内部的部件。图2的示例中的外壳7包括额外的保持器件78。本该例中的每个保持器件78沿垂直方向y布置在印刷电路板82和不同的突起72之间。多个保持器件78中的每一个被配置为夹持不同的紧固元件76，使得紧固元件76被固定在第一通孔72上方的限定位置中。也就是说，多个紧固元件76中的每个与第一通孔74中的不同的第一通孔74对准。紧固元件76与第一通孔74对准意味着穿过紧固元件76的中心的垂直轴线A对应于穿过相应第一通孔74的中心的垂直轴线A。垂直轴线A垂直于散热器或基板12的顶表面，其中散热器或基板12的顶表面是外壳7安装在其上的表面。紧固元件76进一步与印刷电路板82中的第二通孔84中的相应一个对准。
在将印刷电路板82安装在外壳7上之前，紧固元件76可以插入到保持器件78中。在一些实施例中，也可以在已经将印刷线路板82安装在外壳7上之后，将紧固元件76插入保持器件78。在后一种情况下，紧固元件76通过印刷电路板82的第二通孔84水平地插入到保持器件78中(而不是垂直地，如上面关于图1的常规布置结构所描述的)。然后，包括外壳7和印刷电路板82的功率半导体模块布置结构100可以与紧固元件76一起销售和运输，紧固元件76由保持器件78牢固地保持在适当位置。不再需要将紧固元件76插入第二通孔84，因此，与图1的布置结构的第二通孔84的直径d1相比，第二通孔84可以具有更小的直径d3。通常不能完全省略第二通孔84，因为可能仍然需要用合适的工具到达紧固元件76以将其插入并紧固在钻孔14中。然而，在图2的布置结构中，第二通孔84的直径d3小于紧固元件76的最大直径d2。这样，印刷电路板82的更多面积可用于导电轨或安装在印刷电路板上的任何其他部件。根据一个示例，第二通孔84的直径d3比紧固元件76的最大直径d2小10％和60％之间。例如，如果紧固元件76的最大直径d2为8.3mm(毫米)，如果使用直径为4mm的工具将紧固元件76固定到散热器或基板12上，则第二通孔84的直径d3可以在4.6和5mm之间。第二通孔84的直径d3可以仅取决于工具的尺寸，例如，特别地，它可以大于所使用的工具的直径，以便在将外壳7安装在散热器或基板12上时防止工具损坏印刷电路板82。这样，图1的第二通孔84的表面积的高达80％可以被提供为图2中的印刷电路板82的可用表面积。
在图2所示的示例中，保持器件78垂直布置在突起72上方。也就是说，保持器件78沿垂直方向y沿外壳7的侧壁布置在突起分72和印刷电路板82之间。图4的详细视图中更详细地示出了图2的布置结构的保持器件78。
现在参考图3，也可以将保持器件78至少部分地布置在相应的第一通孔74中。在图3所示的示例中，如图5中更详细示出的，保持器件78的一部分布置在第一通孔74中，而保持器件78的另一部分布置在突起72上方，在突起72和印刷电路板82之间。
保持器件78可以以多种不同的方式实现。下面将参照图7至图9描述保持器件78的几个不同示例。
为了在将紧固元件76插入散热器或基板12中的钻孔14之前将其牢固地固定在其所需位置，保持器件78夹持相应的紧固元件76。为了实现该夹持，保持器件78可以在沿着紧固元件76的圆周的至少三个不同位置处接触相应的紧固元件76。紧固元件76可以在其具有较大直径的头部处被夹持，或者在沿其细长主体的任何位置处被夹持。例如，在图3和图5所示的布置结构中，由于保持器件78部分地布置在第一通孔74内部，紧固元件76沿着其细长主体被夹持。紧固元件76的头部布置在突起72上方，以便当紧固元件76完全插入钻孔14中时能够将突起72压靠在散热器或基板12上。因此，在这种布置中，将紧固元件76夹持在其头部通常是不合理的。另一方面，在图2和图4的布置中，紧固元件76可以在其头部被夹持。当将紧固元件76插入到钻孔14中时，紧固元件76借助于适当的工具被推出其初始位置，并且紧固元件76的头部朝向突起72移动，使得在外壳7被牢固地安装在散热器或基板12上的最终安装位置上，紧固元件76的头部接触突起72并将其压向散热器或基板12。
因此，保持器件78仅在紧固元件76上施加一定的最小保持力，以将其保持在其期望位置。然而，当使用工具将紧固元件76插入并牢固地紧固在钻孔14中时，由工具施加的力大于保持力，使得紧固元件76可以移出其初始位置。保持器件78可以在沿其圆周的至少三个不同位置中接触紧固元件76。根据一个示例，保持器件78沿着其整个圆周连续地接触紧固元件76。
根据一个示例，保持器件78包括螺纹孔。在该示例中，紧固元件76包括插入到保持器件78的螺纹孔中的螺纹细长主体。该工具可以是例如螺丝刀或六角键，其被配置为将紧固元件76拧入钻孔14中。同时，紧固元件76容易地穿过保持器件78朝向散热器或基板12移动。在该示例中，例如，保持器件78可以部分地插入突起72的第一通孔74中。例如，也可以将保持器件78布置在突起72和印刷电路板82之间，保持器件78直接邻接突起72。
根据另一示例，保持器件78包括具有圆形横截面的套筒782。套筒782可以沿着其整个圆周连续延伸。然而，根据另一示例，套筒782包括沿其圆周的中断。也就是说，套筒782可以沿着其整个圆周的50％和100％之间延伸，从而形成完整的圆、半圆或其间的任何形状。图6至图9中示出了沿其圆周包括中断的套筒782的示例。
在图6所示的示例中，保持器件78包括支架784，支架784将紧固元件76压靠在套筒782上。支架784可以布置在沿圆周的套筒782被中断的区域中。支架784可以是柔性的。当紧固元件76插入到保持器件78中时，支架784移出初始位置。支架784在紧固元件76上施加水平力，由此当支架784试图返回其初始位置时，支架784将紧固元件76推向与支架784相对布置的套筒782。根据一个示例，支架784和套筒782与突起72一体形成。图6A示意性地示出了三维侧视图，而图6B示意性地示出了示例性布置结构的底视图。
根据另一个示例，如图7和图9所示，保持元件78(套筒782)的直径d4与紧固元件76的直径d5相同或甚至稍小。在图7和图9所示的示例中，套筒782的直径d4略小于紧固元件76的头部的直径d5。以此方式，紧固元件76可以牢固地保持在其期望的位置。然而，通过施加大于保持力的力(例如，垂直力)，紧固元件76可以从其初始位置移出并移向散热器或基板12。根据一个示例，保持元件78(例如，如图7所示的套筒782)不仅被配置为夹持紧固元件76，也可以被配置为在紧固元件76和功率半导体模块布置结构的任何其他元件之间延伸爬电距离。
现在参考图8，套筒782的直径也可能大于紧固元件76的直径(头部的直径或细长主体的直径，取决于保持器件78被布置的位置)。在套筒782和紧固元件76之间，至少三个凸块786可以沿着套筒782的圆周布置。凸块786在某些位置减小套筒782直径，从而在紧固元件76上施加保持力并将其保持在其期望位置。凸块786可以由可压缩到一定程度的相对柔软的材料形成。
以上已经解释了保持器件78的几个不同示例。然而，保持器件78可以以任何其他合适的方式实现。
布置结构可以包括两个或更多个保持器件78。为了将外壳7牢固地安装在散热器或基板12上，通常沿外壳7的圆周的不同位置处需要至少两个紧固元件76。根据一个示例，布置结构包括四个保持器件78和四个紧固元件76，在方形或矩形外壳7的每个角落处有一个。

Claims (14)

1.一种布置结构(100)，包括：
外壳(7)和垂直设置在所述外壳(7)上方的印刷电路板(82)，其中，所述外壳(7)包括：
侧壁；
至少一个突起(72)，其附接到所述侧壁并在所述外壳(7)的远离所述印刷电路板(82)的下端处布置在所述外壳(7)的外部上，其中，在所述至少一个突起(72)中设置至少一个第一通孔(74)；
多个保持器件(78)，其中，每个保持器件(78)布置在第一通孔(74)内部和/或布置在所述印刷电路板(82)和所述第一通孔(74)之间；以及
多个紧固元件(76)，其被配置为将所述外壳(7)附接到散热器或基板(12)，其中：
所述多个保持器件(78)中的每个保持器件被配置为夹持所述紧固元件(76)中的不同的紧固元件，使得所述紧固元件(76)被固定在限定的位置中，并且将所述紧固元件(76)中的每个紧固元件与所述第一通孔(74)中的不同的第一通孔对准，
所述印刷电路板(82)包括多个第二通孔(84)，其中，所述第二通孔(84)中的每个第二通孔被垂直布置在所述多个紧固元件(76)中的不同紧固元件上方并与所述不同紧固元件对准，
所述第二通孔(84)中的每个第二通孔的直径(d3)小于相应的所述紧固元件(76)的最大直径(d2)，并且
当在所述紧固元件(76)上施加限定的力时，所述紧固元件(76)被配置为在远离所述印刷电路板(82)的方向上垂直移动通过相应的所述第一通孔(74)。
2.根据权利要求1所述的布置结构，其中，所述保持器件(78)中的每个保持器件在沿着所述紧固元件(76)的圆周的至少三个不同位置处接触相应的所述紧固元件(76)。
3.根据权利要求2所述的布置结构，其中，所述保持器件(78)中的每个保持器件沿着所述紧固元件(76)的整个圆周连续地接触相应的所述紧固元件(76)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的布置结构，其中，所述紧固元件(76)中的每个紧固元件包括螺钉、具有或不具有螺纹的销、具有或不具有螺纹的螺柱、或铆钉。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的布置结构，其中，所述紧固元件(76)中的每个紧固元件包括细长主体和头部，其中，所述头部的直径大于所述细长主体的直径，并且其中，紧固元件(76)的最大直径(d3)是其头部的直径。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的布置结构，其中，所述保持器件(78)中的每个保持器件包括套筒(782)。
7.根据权利要求6所述的布置结构，其中，所述保持器件(78)中的每个保持器件包括沿着所述套筒(782)的圆周的至少三个凸块(786)，其中，所述凸块(786)被布置在所述套筒(782)和相应的所述紧固元件(76)之间。
8.根据权利要求6所述的布置结构，其中，所述套筒(782)的直径(d4)等于或小于所述紧固元件(76)的直径。
9.根据权利要求6所述的布置结构，其中，所述保持器件(78)中的每个保持器件还包括支架(784)，所述支架(784)将相应的所述紧固元件(76)压靠在所述套筒(782)上。
10.根据权利要求6所述的布置结构，其中，所述套筒(782)至少部分地布置在所述第一通孔(72)之一的内部或与所述第一通孔(72)之一一体地形成。
11.根据权利要求6所述的布置结构，其中，所述套筒(782)形成螺纹孔。
12.根据前述权利要求中任一项所述的布置结构，其中，所述第二通孔(84)中的每个第二通孔的直径(d3)比相应的所述紧固元件(76)中的每个紧固元件的最大直径(d2)小10％至60％之间。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的布置结构，其中，所述套筒(782)包括沿其圆周的中断。
14.根据前述权利要求中任一项所述的布置结构，还包括布置在所述外壳(7)内部的多个端子元件(4)，其中，所述多个端子元件(4)中的每个端子元件的第一端(41)从所述外壳(7)突出，并且机械连接和电连接到所述印刷电路板(82)。
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