专利名称：一种低电感门控晶闸管及其功率半导体组件的制作方法
技术领域：
本实用新型属于大功率电力半导体器件技术领域，特别涉及一种低电感门控晶闸管及其功率半导体组件。
背景技术：
关于门控晶闸管及其功率半导体组件连接方式，此前人们已经提出了很多方案，其主要设计目的包括减小门极回路电感、化简生产和安装难度，提高生产效率等；但具体分析会发现，目前的很多设计方法并不十分完善，仍存在较大的完善设计空间。
以文献《低电感控制的门控晶闸管》(专利号CN99803524.6)所述方案为例。在该专利中，半导体器件上有凸出于管壳的环形门极引线和辅助阴极凸台，两者半径大致相同。此类半导体组件的组装方式主要分两种
① 半导体器件的门极和阴极引线被设计成多个扇段，而印制电路板上的安装孔周围则对应分布了数目和尺寸与之一致的切口 。在安装过程中，半导体器件首先被插入安装孔，门极和阴极引线上的扇段位于印制板切口位置。然后，半导体器件绕管壳轴旋转，直至门极和阴极引线位于切口之间印制电路板的上方和下方范围为止，并最终在该处连接到印刷电路板上。
② 半导体器件辅助阴极引线或门极引线在其圆周上至少具有一个扇形或窄槽形的切口，而印制电路板的安转孔上则至少有一个扇形或槽形切口。安装时，使半导体器件倾斜定位旋入安装孔中，就可以
5完成半导体组件的组装。
这两种方案都存在一些缺点
首先，半导体器件凸出于外壳的门极和阴极引线的造型十分复杂，对生产设备和生产工艺的要求也比较高；其次，在这些方案中，半导体器件的门极引线、阴极引线或是印制电路板安装孔的周边，都不可避免需要设置一定数量的切口，而这会在不同程度上损坏整个门极电流回路的连续性，从而增加半导体组件中门极回路的电感，影响其性能；最后，前述专利中的第2套方案，由于电流通路的中断较小，
而优于第l套方案。但在该方案中，半导体器件的造型相当复杂，而且半导体器件与印制电路板的安装也需要一定的技巧，因此会影响半
导体器件的出厂测试效率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种结构简单并且方便安装的低电感门控晶闸管及其功率半导体组件及其连接方式。
本实用新型所述一种低电感门控晶闸管，外壳为圆柱形，由半导体芯片3、阳极14、绝缘陶瓷片2、门极引线4、门极引线安装面6、阴极5和阴极安装板8组成，其特征在于所述阴极安装板8与阴极5不是固定连接的，阴极5下表面即阴极底板安装面15分布规则凹槽12，阴极安装板8分布规则凸起13，凹槽12和凸起13得位置、形状与深度相对应，并可以紧密咬合，所述凹槽12和凸起13得表面有弹性较好的金属弹片11。
所述门极引线安装面6的内径边缘与器件内部门极引线紧密连接；同时在其表面，均匀分布多个门极引线安装孔10，用于器件组装。所述绝缘陶瓷片2为圆柱形，位于阳极14和门极引线安装面6之间，用于实现绝缘。
所述阴极5的下表面即阴极底板安装面15为非平整结构，上面分布规则凹槽12;同时为方便安装和散热器的压接，阴极底板安装面15与门极引线安装面6不在同一平面。
所述凹槽12在阴极底板安装面15上的分布是大致均匀的，形状是规则的，且深度相同。
所述门极引线安装面6、门极引线4和阴极引线安装面20为完整圆形或均匀扇段，阴极底板安装面15大致为圆形，且都与器件内部圆形半导体芯片3同圆心；
所述功率半导体组件是将低电感门控晶闸管1上的门极引线安装面6，与独立于晶闸管的阴极安装板8上的阴极引线安装面20 —起安装在印制电路板7上，并与印制电路板上的驱动电路共同组成低电感门控晶闸管的功率半导体组件。
所述阴极引线安装面20的直径与门极引线安装面6的直径大致相同，安装后两个面距离大致为一个印制电路板7的厚度。
所述器件阴极安装的连接面为非平整结构，其上分布规则凸起13，位置、形状与深度与阴极底板安装面15上的凹槽12相对应，可以紧密咬合。
所述的凹槽12与凸起13，可以互换位置，即凸起13设置于阴极底板安装面15而凹槽12设置于阴极安装板8。
所述凸起13或凹槽12的表面置有弹性较好的金属弹片11，用于保证压接后，器件阴极底板安装面15与阴极安装板8的良好电气接触与热接触。
在所述印制电路板7上，根据门极引线安装面6和阴极引线安装面20的位置和形状，分别在印制板的上、下层加工出了对应大小的门极金属膜镀层23和阴极金属膜镀层24;分别作为安装后，与门极引线安装面6和阴极引线安装面20接触的导电接触区。
在所述印制电路板7上，对应于低电感门控晶闸管安装位置处，同圆心加工有一个直径略大于阴极底板安装面15的印制电路板阴极安装孔22，安装时将阴极5置入其中，使阴极底板安装面15能低于印制电路板7所在平面一定距离，便于半导体器件的压接。
在所述门极引线安装面6、印制电路板7和阴极引线安装面20上，分别均匀加工了门极引线安装孔10、印制电路板螺钉安装孔21和阴极引线安装孔17;三者同圆心分布，用于螺丝固定。
所述门极引线安装面6、印制电路板7和阴极引线安装面20的连接是用螺钉9顺次穿过阴极引线安装面8、印制电路板7、门极引线安装面6和门极绝缘条16后，用压条18紧固。必要时，也可用螺母代替压条18，用于固定螺钉。其后，通过对组件阴阳极之间加压力，可使金属弹片11受挤压变形，从而实现阴极安装板8与晶闸管的阴极5的紧密电气接触与热接触。
本实用新型的有益效果是在简化结构、降低生产工艺和器件组装难度、提高生产效率的同时，保证门极电流通路的完全连续，从而进一步减小门极连接电感。
首先，在简化结构方面，采用上述结构设计的低电感门控晶闸管及其功率半导体组件，由于阴极安装板脱离于器件单独分离出来，从而取消了凸出于外壳的辅助阴极；同时门极引线也不需要再伸出外壳，而是通过门极引线安装面与印刷电路板相连接，这样化简了生产加工工艺。
其次，为实现大功率半导体组件的安装简便，低电感门控晶闸管的门极引线安装面呈圆形或扇段，其上加工有均匀分布的螺丝孔，而印制电路板和阴极安装板上则有数目和位置与之对应、形状和大小与
之大致相同的安装孔；同时阴极安装板脱离于器件的分离结构，使器件的组装过程不再需要过去的旋转安装方式，只需对齐后利用螺钉，对低电感门控晶闸管、印制电路和阴极安装板进行固定和电连接即可。这样一来，低电感门控晶闸管的组装就变得十分简便和易操作，从而大幅度提高低电感门控晶闸管测试和生产装配的效率。
最后，将印制电路板上与低电感门控晶闸管的门极引线安装面和阴极引线安装面相连接的导电金属膜层分别对称分布于印制电路板的两层。在安装时，印制电路板的门极和阴极金属膜层分别与器件的门极引线安装面和阴极引线安装面直接接触连接。这种连接方式，不但取消了印制电路板上的安装切口 ，也取消了门极引线安装面或阴极阴线安装面上的切口，从而保证了门极电流通路的完全连续，实现了更低的电感，保证最佳的半导体器件开关性能。
图1为低电感门控晶闸管与阴极安装板的径向剖面图。
图2为阴极安装板的俯视图与低电感门控晶闸管的底视图。
图2中左图为阴极安装板的俯视图，右图为低电感门控晶闸管的底视图
图3为低电感门控晶闸管的底视图表示了另一种凹槽设计方案。
图4为低电感门控晶闸管的门阴极引线结构和印制电路板的连接示意图。
图5为印制电路板与低电感门控晶闸管对应的安装孔与金属膜镀层示意图。图6为另一种门极引线安装面与阴极引线安装面的设计方案。 图7为功率半导体组件与散热器之间位置关系的示意图。
其中
1-低电感门控晶闸管、2-绝缘陶瓷片、3-半导体芯片、4-门极引 线、5-阴极、6-门极引线安装面、7-印刷电路板、8-阴极安装板、9-螺钉、10-门极引线安装孔、11-金属弹片、12-凹槽、13-凸起、14-阳 极、15-阴极底板安装面、16-门极绝缘条、17-阴极引线安装孔、18-压条、19-阴极引线弯折面、20-阴极引线安装面、21-螺钉安装孔、22-印制电路板阴极安装孔、23-门极金属膜镀层、24-阴极金属膜镀层、 25-散热器
具体实施方式
本实用新型提出一种低电感门控晶闸管及其功率半导体组件。下 面结合附图对本实用新型予以说明。
图1为低电感门控晶闸管1与阴极安装板8的径向剖面图。低电 感门控晶闸管1主要由一个绝缘陶瓷片2、半导体芯片3以及门极引 线4、阳极14和阴极5等部件组成。半导体器件芯片3是通过将一 片硅片上加工出的多个小半导体胞元并联得到。外界轴向压力使得金 属弹片11因受力而发生弹性形变，从而实现了低电感门控晶闸管1 与阴极安装板8紧密贴合，保证了可靠的电气连接与散热通路。同时 外界轴向压力也将低电感门控晶闸管1的阳极在内部与半导体芯片3 实现电连接。使半导体芯片3工作时产生的热量能够通过压接在低电 感门控晶闸管1阳极14和阴极安装板8底面上的散热器25传输出去 (图7所示)。
图2为阴极安装板8的俯视图与低电感门控晶闸管1的底视图，
10说明了阴极底板安装面15的外形特点，它为低电感门控晶闸管1与 阴极安装板8的连接面形状。另外，阴极安装板8上的凸起13与低 电感门控晶闸管1阴极底板安装面15上的凹槽12相对应，两者间分 布着金属弹片ll。金属弹片ll可以是独立的，也可以加工固定在条 状凸起13或者条状凹槽12上。阴极安装板8与低电感门控晶闸管1 上的阴极底板安装面15连接时，凸起13与凹槽12恰好相扣，经过 轴向压力压装后，夹在凸起13与凹槽12间的金属弹片11弹性形变， 使得两者紧密贴合，从而满足了连接位置端正和低阻抗、低热阻的要 求。凸起13与凹槽12的形状是均匀对称的，可以如图2也可以做成 图3的形状。
图4详细表示出了低电感门控晶闸管1的门极引线安装面6、阴 极引线安装面20与印制电路板7的连接示意图。在低电感门控晶闸 管1外壳的靠阴极5侦U，平行于绝缘陶瓷片2，经门极引线4引出一 个与阴极5基本平行的门极引线安装面6。在阴极安装板8的径向外 围，在靠近门极引线安装面6近一个印制电路板7厚度的位置，由阴 极引线弯折面19弯折引出与阴极5基本平行的阴极引线安装面20。 门极引线安装面6与阴极引线安装面20的作用是为了实现晶闸管的 门极、阴极与印制电路板7上的门极、阴极的电连接，并辅助低电感 门控晶闸管1和印制电路板7的紧固。
为了将低电感门控晶闸管1的门极引线安装面6与阴极弓I线安装 面20固定在印制电路板7上，门极引线安装面6与阴极引线安装面 20上分布着多个门极引线安装孔10与阴极引线安装孔17。
为了尽量保证电流通路的连续性，印制电路板7上与门极引线安 装孔10与阴极引线安装孔17对应的螺钉安装孔21最好采用圆形， 如图4所示。为了减小安装时的接触电阻，最好采用这样的方法即 先在门极引线安装面6上安装防止门极引线安装面6与螺钉9接触短
ii路的门极绝缘条，再放上加工有螺纹孔的压条18，然后如图3所示， 将螺钉9顺次穿过阴极引线安装孔17、印制电路板螺钉安装孔21、 门极引线安装孔10与门极绝缘条16，最后与压条18拧紧固定。这 样，不但完成了门极引线安装面6与印制电路板7上表面门极金属膜 镀层23的电气连接，也完成了阴极引线安装面20和印制电路板7下 表面阴极金属膜镀层24的电气连接。压条18既可以设计成完整的环 形，也可以由几个外形大致相同且均匀分布的环形或扇段组成，而其 中又以完整的环形所能实现的性能最佳。门极引线4、门极引线安装 面6与阴极引线安装面20最好采用完整的环形，如图2所示。在有 些情况下，门极引线4、门极引线安装面6与阴极引线安装面20也 可以加工成几个环形或扇段的形状，如图6所示。这些环形或扇段一 般都大致均匀地分布在整个圆周方向上，虽然数目没有限定，但是从 简化加工的角度，2 4个是最常用的。
为了能从门极引线安装面6和外壳之间插入，门极绝缘条16和 压条18则最好设计成扇段形。其数目以2 4个最为常用(也可以采 用更多的数目)，且长度大致相同；为了更加便于安装，可以进一步 将门极绝缘条16和压条18整合成一体。如果门极引线安装面6或阴 极引线安装面20由几个部分组成，那么门极绝缘条16和压条18最 好能将两个或两个以上的弓I线安装面部分压接在一起，这样能够尽可 能减小引线电阻。
印制电路板7上加工有一个形状与阴极底板安装面15形状类似 但比其略大的印制电路板阴极安装孔22，如图6中所示。低电感门 控晶闸管1可以如图7中所示，从印制电路板7的上部垂直放入印制 电路板阴极安装孔22中，阴极底板安装面15从印制电路板阴极安装 孔22中突出。通过绕其外壳垂直轴线旋转，使门极引线安装孔10与 印制电路板7上的印制电路板螺钉安装孔21相对应。之后，再从印 制电路板7的底部扣上金属弹片11与阴极安装板8。在门极引线安装面6上放好门极绝缘条16，并调整压条18的位置，使压条18上 的螺丝孔与印制电路板螺钉安装孔21对准，最后利用螺钉9进行紧 固。如果不采用压条18，也可以简单地使用螺母代替，与螺钉9配 合，实现对门极引线安装面6和阴极引线安装面20的紧固和连接。
印制电路板7常采用多层电路板结构，半导体器件的门极引线安 装面6和阴极引线安装面20分别与印制电路板7上表面的门极金属 膜镀层23与下表面的阴极金属膜镀层24接触，实现电气连接。门极 金属膜镀层23与和阴极金属膜镀层24的外形形状分别由门极引线安 装面6和阴极引线安装面20的形状与大小决定。当然金属膜镀层的 形状可以与门阴极引线安装面不同，但必须保证足够的接触面积与均 匀的电流通路，为了达到此要求， 一般将金属膜镀层设计成同轴的均 匀对称结构，以保证半导体器件的低阻抗连接。
总之，本实用新型设计的低电感门控晶闸管，不但结构简单、对 生产设备和生产工艺的要求较低，而且组装拆卸方便，非常适合大功 率(特别是大电流)半导体器件的要求，达到降低成本、提髙性能的 目的。而按照本实用新型设计的功率半导体组件，由于可以实现驱动 电路和低电感门控晶闸管极低的连接阻抗与极好的导热性能，因而可 以充分发挥后者的开关性能，进一步扩展其在大功率领域的应用范 围。
权利要求1、一种低电感门控晶闸管，其外壳为圆柱形，由半导体芯片(3)、阳极(14)、绝缘陶瓷片(2)、门极引线(4)、门极引线安装面(6)、阴极(5)和阴极安装板(8)组成，其特征在于所述阴极安装板(8)与阴极(5)不是固定连接的，阴极(5)下表面即阴极底板安装面(15)分布规则凹槽(12)，阴极安装板(8)分布规则凸起(13)，凹槽(12)和凸起(13)的位置、形状与深度相对应，并可以紧密咬合，所述凹槽(12)和凸起(13)的表面有弹性较好的金属弹片(11)。
2、 根据权利要求1所述的一种低电感门控晶闸管，其特征在于，所 述门极引线安装面(6)的内径边缘与器件内部的门极引线(4)紧密连接， 其表面均匀分布多个门极引线安装孔(10)。
3、 根据权利要求1所述的一种低电感门控晶闸管，其特征在于，所 述绝缘陶瓷片(2)为圆柱形，位于阳极(14)和门极引线安装面(6)之 间。
4、 根据权利要求1所述的一种低电感门控晶闸管，其特征在于，所 述阴极安装板(8)外缘为阴极引线安装面(20)。
5、 根据权利要求1或4所述的一种低电感门控晶闸管，其特征在于， 所述门极引线安装面(6)、门极引线(4)和阴极引线安装面(20)为完 整圆形或均匀扇段，阴极底板安装面(15)大致为圆形，且都与器件内部 圆形半导体芯片(3)同圆心。
6、 根据权利要求1所述的一种低电感门控晶闸管，其特征在于，所 述的凹槽(12)与凸起(13)，可以互换位置，即凸起(13)设置于阴极底板安装面(15)而凹槽(12)设置于阴极安装板(8)。
7、 安装如权利要求1所述的一种低电感门控晶闸管的功率半导体组 件，有印刷电路板(7)及印刷电路板上的驱动电路组成低电感门控晶闸 管的功率半导体组件，其特征在于，所述功率半导体组件是将低电感门控 晶闸管(1)上的门极引线安装面(6)，与独立于晶闸管的阴极安装板(8) 上的阴极引线安装面(20) —起安装在印制电路板(7)上。
8、 根据权利要求7所述的功率半导体组件，其特征在于，所述阴极 引线安装面(20)的直径与门极引线安装面(6)的直径大致相同，安装 后两个面距离大致为一个印制电路板(7)的厚度。
9、 根据权利要求7所述的功率半导体组件，其特征在于，在所述印 制电路板(7)上，根据门极引线安装面(6)和阴极引线安装面(20)的 位置和形状，分别在印制板的上、下层加工出了对应大小的门极金属膜镀 层(23)和阴极金属膜镀层(24)。
10、 根据权利要求9所述的功率半导体组件，其特征在于，安装完成 后，与门极引线安装面(6)与门极金属膜镀层(23)紧密接触，阴极引 线安装面(20)与阴极金属膜镀层(24)紧密接触。
11、 根据权利要求7所述的功率半导体组件，其特征在于，在所述 印制电路板(7)上，对应于低电感门控晶闸管安装位置处，同圆心加工 有一个直径略大于阴极底板安装面(15)的印制电路板阴极安装孔(22)。
12、 根据权利要求7所述的功率半导体组件，其特征在于，在所述门 极引线安装面(6)、印制电路板(7)和阴极引线安装面(20)上，分别 均匀加工了门极引线安装孔(10)、印制电路板螺钉安装孔(21)和阴极引线安装孔(17);三者同圆心分布，用于螺丝固定。
13、 根据权利要求7所述的功率半导体组件，其特征在于，所述门极引线安装面(6)、印制电路板(7)和阴极引线安装面(20)的连接是用 螺钉(9)顺次穿过阴极引线安装面(8)、印制电路板(7)、门极引线安 装面(6)和门极绝缘条(16)后，用压条(18)紧固。
14、 根据权利要求13所述的功率半导体组件，其特征在于，可以用 螺母代替所述压条(18)，用于固定螺钉。
15、 根据权利要求7所述的功率半导体组件，其特征在于，可用螺母 代替压条(18)，用于固定螺钉。
专利摘要本实用新型公开了属于大功率电力半导体器件领域的一种低电感门控晶闸管及其功率半导体组件，其外壳为圆柱形，由半导体芯片(3)、阳极(14)、绝缘陶瓷片(2)、门极引线(4)、门极引线安装面(6)、阴极(5)和阴极安装板(8)组成，所述阴极安装板(8)与阴极(5)不是固定连接的。本实用新型的阴极安装板脱离于器件单独分离出来，从而取消了凸出于外壳的辅助阴极；同时门极引线也不需要再伸出外壳，而是通过门极引线安装面与印刷电路板相连接，这样化简了生产加工工艺，安装也更为简单方便。
文档编号H01L29/744GK201408763SQ200920106199
公开日2010年2月17日 申请日期2009年3月16日 优先权日2009年3月16日
发明者童亦斌, 谢路耀 申请人:北京能高自动化技术有限公司