專利名稱：功率半導體裝置及設置有功率半導體裝置的半導體閥的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種功率半導體裝置，包括至少一個功率半導體元件；
夾緊裝置，包括第一夾緊元件及第二夾緊元件，所述功率半導體元件布置
在所述第一夾緊元件與所述第二夾緊元件之間；以及至少一個彈簧元件， 布置在所述第一夾緊元件與所述功率半導體元件之間，其中所述至少一個 彈簧元件具有用來支撐相鄰元件的至少 一個相應支撐表面的至少 一個支 撐表面。
本發(fā)明還涉及一種設置有才艮據(jù)本發(fā)明的功率半導體裝置的半導體閥 (例如，在晶閘管或絕,雙極型晶體管(IGBT)或集成柵極換流晶閘 管(IGCT)中使用的半導體閥)。
功率半導體元件是指以高電壓電平開關大電流的元件。它們能夠以非 常低的損^幾微秒內(nèi)在這兩個狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)，并且具有極緊湊的優(yōu)點。 它們可以用于將電流及電壓的形狀從交流轉(zhuǎn)換成直流(反之亦然)以及從 一個頻率轉(zhuǎn)換成另一頻率。因此，本發(fā)明包括針對這種應用的半導體元件。
特別是，在中壓應用或高壓應用中使用本發(fā)明的功率半導體裝置，其 中本發(fā)明的裝置承受約lkV以上的電壓以及通常100A以上的傳導電流。 通常(但不一定)，本發(fā)明的半導體裝置具有約1 kV以上(優(yōu)選地在1200 V至8500V的范圍內(nèi))的阻斷電壓。最大傳導電流可以高至數(shù)千安培。
背景技術：
在DC-AC轉(zhuǎn)換器及AC-DC轉(zhuǎn)換器中的半導體閥中使用功率半導體， 其中半導體閥包括與夾緊裝置中的相對應的多個冷卻元件呈交錯關系地
堆疊的多個板狀功率半導體元件。該夾緊裝置用作以下功能通過沿從所 述堆疊的一端至另一端的軸向?qū)λ龆询B施加夾緊壓力，來保證在所述堆 疊的元件之間存在受到控制且明確定義的熱傳導及電傳導。
如上所述的功率半導體裝置通常需要大夾緊力以提供所要求的熱接 觸及電接觸。功率半導體供應商通常要求各個功率半導體元件上的夾緊力均勻分布。當全部夾緊力作用于半導體元件自身上時(即，當該元件周圍 不存在吸納給定閾值以上的所有夾緊負荷的負荷吸納結構時)，這尤其重 要。
當夾緊力作用于功率半導體元件與其相鄰的功率半導體元件之間的 接觸面的中心時，實現(xiàn)均勻的壓力分布。
即使在功率半導體裝置的所有部件都在它們適當?shù)奈恢脮r，也可能會 發(fā)生非均勻的壓力分布。這可能是夾緊裝置具有過大的抗扭剛度的情況。 高夾緊抗扭剛度使夾緊對裝置中存在的元件的平行度的微小偏差敏感。所 施加的夾緊力的方向的任何傾斜將產(chǎn)生導致功率半導體元件與它們的相 鄰元件之間的接觸面上的非均勻壓力分布的彎矩。
現(xiàn)有技術
為了避免功率半導體元件上的非均勻壓力分布，現(xiàn)有技術的夾緊裝置 包括一個或更多個彈簧元件，所述彈簧元件設置在對其施加夾緊力的夾緊 元件與另外的夾緊元件之間。將這兩個夾緊元件相對于彼此可傾斜地布 置，以^更讓彈簧元件吸納所述夾緊元件之間的平行度偏差。這兩個夾緊元 件及彈簧元件在功率半導體元件的堆疊的一側形成單元，而在所述堆疊的 相對側還i殳置有另一夾緊元件。作為另一種選擇，彈簧元件可以與夾緊元 件相隔一定距離，例如，在堆疊中的分開的半導體元件之間。此外，可以
在沿堆疊的多個位置處i殳置彈簧元件。用于該目的的彈簧元件是盤形彈 簧，可以是沿夾緊力方向串聯(lián)布置的多個盤形彈簧。
現(xiàn)有技術的另一方案是在剛才提到的兩個夾緊元件之間設置球，并在 所述元件的相對的表面中設置作為該球的座的相對應的凹部。
然而，在更大夾緊力的情況下，才艮據(jù)現(xiàn)有技術的方案在吸納平行度偏 差、從而保證功率半導體元件與它們的相鄰元件之間的接觸面上的均勻壓 力分布方面似乎不太有效。
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是提供一種消除上述現(xiàn)有技術缺點的如原先定義的功 率半導體裝置。 本發(fā)明的功率半導體裝置應當在功率半導體元件與它或它們的相鄰元件之間的接觸面上提供均勻的壓力分布，在施加相對大的壓力(例如，
在10 kN至1000 kN的范圍內(nèi))時也是如此。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過原先定義的功率半導體裝置實現(xiàn)的，其特征在 于，當所述彈簧元件壓縮運動時，所述至少一個彈簧元件的所述至少一個 支撐表面相對于所述至少一個相應支撐表面橫向固定地布置。因此，在至 少一個彈簧元件與其支撐的其相鄰元件中的任一元件之間將沒有橫向滑 動運動。作為其結果，避免會抵消彈簧元件對不平行度的正確吸納的摩擦 力，從而實現(xiàn)比其它方式更均勻的壓力分布。這是與前面所述的依賴于具 有滑動特性因此具有引M，耗的特性的各個部件(球與球座、彈簧元 件與相鄰表面)之間的運動來吸納不平行度的現(xiàn)有技術的本質(zhì)區(qū)別。本發(fā) 明的技術效果將隨夾緊力的增大而提高。應當注意，彈簧元件的所述壓縮 運動包括彈簧元件的一側變得比其另一側壓縮得更多的彈簧元件的非均 勻壓縮。
才艮據(jù)一個實施例，所述至少一個彈黃元件布置在所述笫一夾緊元件與 所述功率半導體元件之間，并且其中所i^目鄰元件是所述第一夾緊元件。
根據(jù)一個實施例，所述功率半導體裝置包括布置在所述彈簧元件與所 述至少 一個功率半導體元件之間的第三夾緊元件，其中所述彈簧元件的相 鄰元件是所述第三夾緊元件.
才艮據(jù)一個實施例，通過所述彈簧元件的作用，所述第三夾緊元件能夠 相對于所述第一夾緊元件傾斜。
根據(jù)一個實施例，所述至少一個彈簧元件包括螺旋彈簧。螺旋彈簧具 有以下優(yōu)點能夠吸納其相對側的元件之間的平行度偏差，并且在其^ 縮時，在該彈簧與所述另外的元件的接觸面之間不必要有任何引起滑動摩 擦力的運動。
根據(jù)一個實施例，所述功率半導體裝置包括相互平行地布置的多個彈 簧元件。從自動防故障的觀點看，多個彈簧元件的布置可能是有利的，并 且還有利于更通用且有效地吸納其相對側的元件之間的平行度偏差。
根據(jù)一個實施例，將所述多個彈簧元件相對于將夾緊力的中心傳到所
述第一夾緊元件的點對稱地布置。由此，拔:供從第一夾緊元件到至少一個 功率半導體元件的均勻且良好分布的夾緊力傳遞。^IL據(jù)一個實施例，無限制地受到所述夾緊裝置的壓力地(即，沒有任 何減荷環(huán)繞結構)布置所述至少一個功率半導體元件。盡管本發(fā)明適用于 其中功率半導體元件在徑向(相對于軸向(夾緊力方向))上被當功率半
導體元件已被壓縮到一定程度時將吸納所有更大的夾緊力的負荷吸納結 構包圍的裝置，但是本發(fā)明特別適合于沒有這樣的限制結構的應用。
^^據(jù)一個實施例，所述功率半導體裝置包括在所述夾緊裝置的所述第 一夾緊元件與所述第二夾緊元件之間相互固定(staple)的多個功率半導 體元件。
^L據(jù)一個實施例，所述功率半導體裝置包括與所述至少一個功率半導 體元件中的至少 一個功率半導體元件相鄰地布置且與其電接觸的至少一 個冷卻元件。
^iL據(jù)一個實施例，所述功率半導體裝置包括多個功率半導體元件以及 多個冷卻元件，在功率半導體元件與冷卻元件的堆疊中，每對功率半導體 元件被冷卻元件分隔，由此^:置在所述第一夾緊元件與所述第二夾緊元件 之間。
根據(jù)一個實施例，所述夾緊裝置對所述至少一個功率半導體元件施加 在10 kN至1000 kN的范圍內(nèi)的壓力。
本發(fā)明還涉及一種半導體閥，其特征在于，該半導體閥包括才艮據(jù)本發(fā) 明的半導體裝置。具體地i兌，在優(yōu)選實施例中，所述半導體閥是晶閘管、 IGBT或IGCT的部件。
在下面的本發(fā)明的詳細說明中將公開本發(fā)明的其它特征及優(yōu)點。


現(xiàn)將參照附圖以示例的方式更詳細地描^^發(fā)明的優(yōu)選實施例，在附 圖中
圖l是本發(fā)明第一實施例的原理側視圖2是圖1中的裝置的部分的詳細側視圖3是本發(fā)明第二實施例的與圖2中的側視圖相對應的側視圖4是圖2中所示的細節(jié)的頂視截面圖5是根據(jù)現(xiàn)有技術的裝置的與圖2及圖3中的側視圖相對應的側視圖；以及
圖6是圖5的細節(jié)的部分的放大表示，示出了彈簧元件與夾緊元件之 間的滑動運動。
具體實施例方式
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的功率半導體裝置的第一實施例。優(yōu)選的是， 所^置形成晶閘管(例如，所謂的IGBT)中、或者其中通常將高壓直 流轉(zhuǎn)換成交流或其中將高壓交流轉(zhuǎn)換成直流的晶體管中的模塊。
所i^置包括夾緊裝置，該夾緊裝置包括第一夾緊元件l、第二夾緊 元件2、第三夾緊元件3以及布置在第一夾緊元件1與第三夾緊元件3之 間的多個彈簧元件4。所述夾緊裝置還包括框架結構，在這種情況下，諸 如桿的多個細長構件5在第一夾緊元件1與第二夾緊元件2之間延伸并將 第一夾緊元件1與第二夾緊元件2彼此連接。
在第一夾緊元件1與第二夾緊元件2之間設置有多個功率半導體元件 6 ;M目對應的多個冷卻元件7。脊爭個半導體元件6布置成僅在一個方向 上且僅在其受到控制時通過其傳導電流(即，對電流導通)。在;^發(fā)明的 裝置形成晶閘管或晶體管模塊的典型應用中，設置有用于控制各個獨立的 半導體元件6的功能的控制電子裝置(未示出)。夾緊裝置具有以下任務 保證在每個半導體元件6與其相鄰元件(在本實施例中為冷卻元件7)之 間的界面上有受到控制且明確定義的熱傳導及電傳導。
圖2更詳細地示出圖1中的裝置的上部的實施例。在圖2中的實施例 中，夾緊裝置包括夾緊單元，該夾緊單元包括第一夾緊元件l、第三夾緊 元件3以及位于第一夾緊元件1與第三夾緊元件3之間并且在其相對的端 部處分別支撐第一夾緊元件1及第三夾緊元件3的彈簧元件4。還設置有 導引裝置，設置該裝置以防止第一夾緊元件1相對于第三夾緊元件橫向位 移，所述導引裝置包括從第三夾緊元件3的上表面向第一夾緊元件1延伸 的筒狀或套狀構件8，以M第一夾緊元件1的下表面向第三夾緊元件3 延伸且與所述套狀構件8沿軸向滑動咬合的活塞狀或桿狀構件9。然而， 所述導引裝置允許第三夾緊元件3相對于第一夾緊元件1有一定傾斜。
將第一夾緊元件1布置成承受軸向(即，與功率半導體元件6和冷卻 元件7的堆或堆積(staple)的縱向相對應的方向)上的夾緊力?？梢酝?過允許作用于笫一夾緊元件1的上表面的液壓動力裝置(例如，汽缸 - 活塞裝置)來產(chǎn)生夾緊力。
第一夾緊元件1具有彈簧元件4所支撐的平面下表面，并且第三夾緊 元件3具有彈簧元件4所支撐的平面上表面，所述上表面與所述下表面彼 此相對。圖2中的實施例的彈簧元件4包括中心軸與所施加的夾緊力的中 心相一致的單螺旋彈簧4。因此，通過第一夾緊元件1施加給彈簧元件4 的夾緊力應當盡可能均勻地分布，而不對彈簧元件施加任何扭矩。
在理想情況下，假定第三夾緊元件3的上表面與第一夾緊元件1的相 對的下表面共面且平行，并且第三夾緊元件的下表面與其相鄰元件(例如， 冷卻元件7或功率半導體元件6)的匹配表面共面。如果出于任何原因還 存在該第一共面關系的任何偏差，則將彈簧元件4布置成通過其純彈性彎 曲(其相對于其支撐的表面沒有任何滑動)來吸納該偏差。螺旋彈簧4 非常適合于該目的。由于彈簧元件4的作用，防止作用于功率半導體元件 6與冷卻元件7的堆的彎矩(即，非均勻施加的夾緊力)。由于彈簧元件4 的非滑動特性(因此不存在通過夾緊力引起的任何摩擦力)，因此即使在 更大夾緊力的情況下也能提供彈簧元件的功能性。換言之，彈簧元件吸納 不同部件的共面關系偏差不會受到任何反作用摩擦力的影響。
圖3及圖4示出了夾緊裝置的另選實施例，其中，以上關于第一實施 例描述的單元與該實施例的不同之處在于其包括多個彈簧元件10。如可 以在圖4中具體地看出的，本實施例的彈簧元件10繞施加到第一夾緊元 件l上的夾緊力的假定中心對稱地布置。換言之，在彈簧元件4所支撐的 第一夾緊元件1與第三夾緊元件3的相對的表面之間存在共面關系，并且
沿軸向施加夾緊力的情況下，每個彈簧元件經(jīng)受相同的力;M目同程度的壓
縮。如M施加夾緊力時存在所述共面關系的任何偏差，則由于所述彈簧 元件IO中的一些彈簧元件將比其它彈簧元件受到更大程度的壓縮，因此 這種偏差將被該組彈簧元件10吸納。并且在這種情況下，將彈簧元件IO 布置成被壓縮并吸納所述共面關系的任何偏差，而沒有可能引起會抵消彈 簧元件在這方面的功能性的摩擦力的任何滑動運動。圖3及圖4中示出的 實施例的每個彈簧元件10是螺旋彈簧。
圖5及圖6示出了現(xiàn)有技術的功率半導體裝置的部分,或更確切地說， 與參照圖2至圖4描述的部分相對應的部分。示出這些圖僅是為了例示本 發(fā)明的方案與現(xiàn)有技術所提出的方案之間的主要差異。如可以在圖5中看 出的，標有11的現(xiàn)有技術的彈簧元件是當其受到壓縮時將相對于其支撐 的相鄰表面進行一定滑動運動的元件。這在作為圖5的部件的部分的放圖的圖6中進一步示出。滑動運動將引^^取決于所施加的夾緊力的大小并 且抵消彈簧元件的進一步壓縮的摩擦力。因此，隨著夾緊力的增大，該反 作用力將變得相當重要。鑒于此，當對圖5中所示的單元施加大夾緊力時， 假定彈簧元件11吸納其所支撐的夾緊元件的相對的表面的共面關系的一 定偏差，所引起的摩擦力將有效地抵消該吸納，因此，可以對通過夾緊裝 置夾緊的功率半導體元件的堆施加一定的彎矩。其最終結果為，與參照圖 1至圖4描述的根據(jù)本發(fā)明的方案相比，在各個功率半導體元件6之間提 供受到控制且明確定義的熱傳導及電傳導的效果較差。
應當理解，所描述的本發(fā)明的實施例僅為本發(fā)明的示例，在由專利權 利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的另選方案對于本領域技術人員是顯而 易見的。因此，保護的范圍由所附專利權利要求來限定，并得到說明書及 附圖的支持。
權利要求
1.一種功率半導體裝置，包括-至少一個功率半導體元件(6)；-夾緊裝置，包括第一夾緊元件(1)及第二夾緊元件(2)，所述功率半導體元件(6)布置在所述第一夾緊元件(1)與所述第二夾緊元件(2)之間；以及-至少一個彈簧元件(4，10)，布置在所述第一夾緊元件(1)與所述功率半導體元件(6)之間，其中所述至少一個彈簧元件(4，10)具有用來支撐相鄰元件的至少一個相應支撐表面(14，15)的至少一個支撐表面(12，13)，其特征在于，當所述彈簧元件(4，10)壓縮運動時，所述至少一個彈簧元件(4，10)的所述至少一個支撐表面(12，13)相對于所述至少一個相應支撐表面(14，15)橫向固定地布置。
2. 根據(jù)權利要求1所述的功率半導體裝置，其特征在于，所述至少 一個彈簧元件(4， 10)布置在所述第一夾緊元件(1)與所述功率半導體 元件(6)之間，并且其中所^目鄰元件是所述第一夾緊元件(1)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的功率半導體裝置，其特征在于，所述功率 半導體裝置包括布置在所述彈簧元件(4， 10)與所迷至少一個功率半導 體元件(6)之間的第三夾緊元件(3)，其中所述彈簧元件(4， 10)的相 鄰元件是所述第三夾緊元件(3)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的功率半導體裝置，其特征在于，通過所述 彈簧元件(4, 10)的作用，所述第三夾緊元件(3)能夠相對于所述第一 夾緊元件(1)傾斜。
5. 根據(jù)權利要求l-4中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征在 于，所述至少一個彈簧元件(4， 10)包括螺旋彈簧。
6. 根據(jù)權利要求l-5中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征在 于，所述功率半導體裝置包括相互平行地布置的多個彈簧元件(10)。
7. 根據(jù)權利要求6所述的功率半導體裝置，其特征在于，將所述多 個彈簧元件(10)相對于將夾緊力的中心傳到所述第一夾緊元件(1)的 點對稱地布置。
8. 根據(jù)權利要求1-7中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征在 于，無限制地受到所述夾緊裝置的壓力地布置所述至少一個功率半導體元 件(6)。
9. 根據(jù)權利要求l-8中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征在 于，所述功率半導體裝置包括在所述夾緊裝置的所述第一夾緊元件(1) 與所述第二夾緊元件(2)之間相互固定的多個功率半導體元件(6)。
10. 根據(jù)權利要求1-9中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征 在于，所述功率半導體裝置包括與所述至少一個功率半導體元件(6)中 的至少一個功率半導體元件相鄰地布置并與其電接觸的至少一個冷卻元 件(7)。
11. 根據(jù)權利要求1-IO中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征 在于，所述功率半導體裝置包括多個功率半導體元件(6)及多個冷卻元 件(7),在功率半導體元件(6)與冷卻元件(7)的堆疊中，每對功率半 導體元件(6)被冷卻元件(7)分隔，由此^1置在所述第一夾緊元件(1) 與所述第二夾緊元件(2)之間。
12. 根據(jù)權利要求l-ll中的任一項所述的功率半導體裝置，其特征 在于，所述夾緊裝置對所述至少一個功率半導體元件(6)施加在10 kN 至1000 kN的范圍內(nèi)的壓力。
13. —種半導體閥門，其特征在于，該半導體閥門包括根據(jù)權利要求 1 —12中的任一項的半導體裝置。
全文摘要
一種功率半導體裝置，包括至少一個功率半導體元件(6)；夾緊裝置，包括第一夾緊元件(1)及第二夾緊元件(2)，所述功率半導體元件(6)布置在所述第一夾緊元件(1)與所述第二夾緊元件(2)之間；以及至少一個彈簧元件(4)，布置在所述第一夾緊元件(1)與所述功率半導體元件(6)之間，其中所述至少一個彈簧元件(4)具有用來支撐相鄰元件的至少一個相應支撐表面的至少一個支撐表面。當所述彈簧元件壓縮運動時，所述至少一個彈簧元件的所述至少一個支撐表面相對于所述至少一個相應支撐表面橫向固定地布置。
文檔編號H01L23/48GK101663752SQ200780052883
公開日2010年3月3日 申請日期2007年3月30日 優(yōu)先權日2007年3月30日
發(fā)明者比約恩·森丁 申請人:Abb技術有限公司