专利名称：光电半导体部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电半导体部件，尤其涉及光触发晶闸管(LTT)中的给光通道。
背景技术：
举例而言，当期望在电路的两个不同部分——一个部分通常包括以高电压和/或 高电流操作的功率电子部件而另一个部分包括处于低电流范围的电子控制系统——之间 进行电位分离的情况下会使用光电部件。可以以用在高压直流输电(HVDC输电)的变换器 设施中的光触发晶闸管为示例来描述。在它们的外壳内布置有透明窗，通过该透明窗经由 纤维光缆供给光线。来自激光二极管的光脉冲能够通过纤维光缆和透明窗供给到半导体芯 片的光敏部，因而致动集成在芯片中的电子部件。这种电子功率部件要承受温度变化应力。在这种情况下，不同外壳部件的不同热 膨胀系数(CTE)会产生问题。具体而言，因为铜(或者也可以是铝或相应的金属合金)和玻 璃的热膨胀系数不同，所以贯穿外壳——即附接在铜外壳上的比如由玻璃或玻璃陶瓷(例 如硅酸锰玻璃)构成透明窗格——的给光通道存在问题，而且在设计部件时需要特别关注。在已知的部件中，这些玻璃与金属之间的连接具有复杂的结构。所以，比如，玻璃 窗格不能与铜(比如通过焊接)直接连接，相反，在玻璃与金属外壳之间必须设置由陶瓷和 /或金属制成的补偿构件，以补偿不同的热膨胀并吸收由此产生的机械拉伸。因此，这些连 接对于生产而言是复杂的，这使得最终产品整体上更为昂贵。本发明的目的是提供一种能够由光致动的电子部件，所述电子部件具有能够以尽 可能简单的方式制造的真空密封的给光通道。本发明的另一个目的是给出相应的制造方 法。
发明内容
上述目的通过根据权利要求1所述的电子部件和通过权利要求10所述的制造方 法来实现。本发明的各种扩展包括在从属权利要求中。作为本发明的示例，下面公开了一种光致动的电子部件。所述部件包括气密密封 的外壳，所述外壳由金属制成并且包括贯穿的开口 ；具有光敏部的半导体芯片，所述半导体 芯片布置在所述外壳中；透明的窗格，所述窗格布置在所述开口上以使得光线能够通过所 述开口和所述窗格、穿过所述外壳落在所述半导体芯片的所述光敏部上，并且使得所述窗 格气密地密封所述开口。在所述外壳盖的表面上形成有由金属制成的周边腹板，透明的所 述窗格以材料配合的方式与所述腹板连接。
提供了以下的附图和进一步的描述以更好地理解本发明。图中的元件不应理解为 限制；相反，其主要作用在于描述本发明的理念。在附图中，同一附图标记表示相应的部件。图1图示了经由光波导管向光触发晶闸管供给光的立体图2以截面形式图示了贯穿晶闸管外壳的给光通道的放大图，在外壳的薄腹板上 附接有玻璃或玻璃陶瓷的窗格；图3以另一截面形式图示了图2的给光通道的玻璃窗格。
具体实施例方式以局部剖开且简化的图示方式，图1以立体方式图示了光触发(功率)晶闸管 (LTT)的示例。晶闸管包括外壳10，所述外壳具有由绝缘壁13(比如氧化铝陶瓷材料)分 开因而彼此电绝缘的金属外壳盖11和金属外壳底12。外壳盖11和外壳底12由比如铜制 造，其表面镀镍。外壳盖11和外壳底12各自构造成金属接触元件，而且还用于晶闸管的电 接触。所以，外壳盖11同时是晶闸管的阴极，外壳底12是阳极。实际的功率半导体部件20 即半导体芯片夹在外壳盖11和外壳底12各自的相对的表面110与表面120之间。为了触发功率半导体部件20，外壳盖11具有腔孔14，在所述腔孔14的面向功率 半导体部件24的端部(图1中不可见)设置有玻璃或玻璃陶瓷(氧化铝蓝宝石)制成的 窗格(见图2，附图标记40)。光波导管30穿过集成在外壳盖11中的槽并穿过腔孔14到 达窗格40。离开光波导管30的光因而通过窗格40进入外壳10的内部，并在该处落到功率 半导体部件20的光敏部上。通过发送穿过光波导管30的光脉冲，以这种方式致动了光触 发晶闸管。为了保护功率半导体部件20免受腐蚀和其它不希望的环境影响，玻璃窗格40与 外壳盖11之间的连接需要真空密封，使得布置在外壳内的部件尤其是功率半导体部件20 被气密密封。玻璃窗格40可以比如焊接在外壳盖上，从而以真空密封的方式对腔室14进行气 密密封。当外壳10受到温度变化应力时，这种玻璃-金属连接所遇到的问题就变得很清 楚。在功率电子部件中，根据其用途，这些温度变化应力的温差大于100摄氏度，比如在 大约160摄氏度。对于玻璃而言，根据其类型，热膨胀系数在0.5ppm/°C (每摄氏度百万 分之一)与10ppm/°C之间，然而对于大多数金属，热膨胀系数明显高于15ppm/°C (铜 17ppm/°C，铝24ppm/°C，钢13ppm/°C，等)。由此可见，玻璃与金属之间的边界层(比如焊 接材料)必须吸收由玻璃和金属的不同热膨胀引起的机械拉伸。这导致玻璃窗格在几次温 度循环以后就会脱离。在焊接连接的情况下，焊接层受到因温度变化应力引起的剪切应力 /弯曲应力，这将在一定次数的循环以后导致疲劳断裂。比如，玻璃窗格中会形成裂纹或者 在连接层(比如焊接层)中会形成泄漏。为了解决以上问题，例如可以在玻璃窗格40与金属外壳11之间布置一个或多个 比如陶瓷制的补偿构件。包括多个补偿构件的这种设计(比如在文献DE 103 52 670A1中 有相关描述)是相当复杂的。尽管玻璃窗格与金属外壳部直接连接更为简单，但是到目前 为止，由于上述问题，这种直接连接是无法实现的。图2图示了本发明的示例，其中在玻璃与金属之间不必设置进一步的部件，尤其是陶瓷补偿部件来补偿玻璃和金属的热膨胀系数的不同。图2是穿过图1的外壳10的上 外壳盖11的竖向中心轴线的竖向剖面的剖视放大图。在中部可以看到开口 14(比如，腔 孔)，光波导管30能够部分引入所述开口 14，而且光线能够穿过所述开口 14进入外壳内部到达半导体芯片30的光敏部。在腔孔14中设置有台阶15，在所述台阶15处腔孔14向内 渐缩。所以该台阶可以用作比如光波导管30的止挡部。腔孔14的位于外壳内部的端部构造成狭窄的周边腹板112。在本示例中，周边腹 板112构造成与外壳盖11成一体。所以，周边腹板112由与外壳盖11相同的材料构成，即 由金属比如铜或铜合金构成。围绕腔孔14外围延伸的腹板112可以布置在盖11的面向外 壳内部的一侧、所述盖的主表面110上或者从主表面110凹入的表面111上。后者的变型 在图2中示出。玻璃窗格40布置在周边腹板112的端面上。玻璃窗格40通过粘合材料连接至周 边腹板112的端面使得腔孔14被气密密封，即玻璃窗格40和周边腹板112以真空密封的 方式连接。举例而言，玻璃窗格40可以焊接在腹板112的端面上，其中，为了增加玻璃窗格 的可焊接性，玻璃窗格40可以至少在稍后接触腹板112的端面的位置处设置金属层(比如 通过蒸汽涂敷)。然而，还存在将玻璃窗格40与金属腹板112直接连接的其它方式。由于外壳的结构形状最常见的是圆筒形，所以盖11可以借助于车床(至少部分) 作为车削件非常容易地自动加工。在这种情况下，腔孔14精确地延伸通过外壳盖11的旋 转轴线，而且外壳盖11的主表面110中的凹部114可以例如借助于车刀成型为同轴环绕腔 孔14的环形，从而使得腔孔14在外壳内部的腔孔端部处仅仅由狭窄的周边腹板112限定。 在这种情况下，腹板112的端面也是环形。如图2中所示，腹板112的端面可以从盖11的 主表面110凹入。作为通过车削处理材料的替代方案，还可以采用铣削。腹板112的壁厚t与腔孔的直径相比相对较小。为了确保玻璃窗格40与金属外 壳盖11之间的能够抵抗温度变化的结实连接，玻璃窗格40与腹板112之间的边界层(比 如焊接层和/或喷镀金属)的机械拉伸在外壳11的预定最大温度应力T下不会超过最大 拉伸应力值MAX。该拉伸应力的最大值MAX可以例如选择为等于屈服强度的0.2% (MAX = Rp,Q. 2)，从而在边界层中不会出现塑性变形，即在焊接连接的情况下，焊接层中(和/或喷镀 金属中)的剪切负荷和弯曲负荷处于弹性范围内。已经发现，如果腹板的高度h大于或等于2mm，壁厚t小于0. 25mm,比如小于或等 于0. 20mm，那么就能达到以上标准。下面给出壁厚的另一种指导腹板112 (在这种情况下是环形)的壁厚t与高度h 之间的比率例如小于或等于1/5，比如小于或等于1/10。壁厚的下限仅要求腹板具有足够 的机械稳定性，即腹板112不会屈服。在图3的剖视图中更为详细地图示了腹板112和玻 璃窗格40的尺寸。可替代地(未图示)，周边腹板不需要构造成与外壳盖11成一体，而是 还可以由与外壳盖表面(比如凹入的表面111)连接(比如压入或旋入腔孔14中)的金属 套管形成。结果，该实施方式看起来与图2的示例非常相似。
权利要求
一种光致动的电子部件，包括气密密封的外壳(10；11，12，13)，所述外壳由金属制成并且包括贯穿的开口(14)；具有光敏部的半导体芯片(20)，所述半导体芯片布置在所述外壳中；透明的窗格(40)，所述窗格布置在所述开口(14)上以使得光线能够通过所述开口(14)和所述窗格(40)、穿过所述外壳(10)落在所述半导体芯片(20)的所述光敏部上，并且使得所述窗格(40)气密地密封所述开口；其中，在所述外壳盖(11)的表面(111)上形成有由金属制成的周边腹板(112)，所述周边腹板与所述开口(14)的尺寸相比较窄，透明的所述窗格(40)以材料配合的方式与所述腹板连接。
2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述腹板的宽度(t)很薄而使得玻璃窗格(40) 与所述腹板(112)之间的边界层中的机械拉伸在所述外壳的预定最大温度应力下不会超 过最大值。
3 根据权利要求1或2所述的部件，其中，所述腹板(112)形成为环形。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的部件，其中，所述腹板(112)具有高度h和厚度 t，并且比率t/h小于或等于1/5。
5.根据权利要求4所述的部件，其中，比率t/h小于或等于1/10。
6.根据权利要求4或5所述的部件，其中，所述腹板的高度大于或等于2mm，而且腹板 的厚度小于0. 25mm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的部件，其中，所述外壳包括外壳盖(11)，并且所 述腹板(112)布置在所述外壳盖(11)的面向所述外壳内部的表面(110)上。
8.根据权利要求7所述的部件，其中，所述腹板(112)布置在从所述外壳盖(11)的所 述表面(110)凹入的区域(111)上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的部件，其中，所述腹板(112)形成为与所述外壳 盖(11)成一体。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的部件，其中，所述腹板(112)由布置在所述外 壳盖上的薄壁套筒形成。
11.一种制造光致动的电子部件的方法，包括以下步骤提供外壳盖坯件(11)；钻出或铣出贯穿所述外壳盖(11)的开口(14)；在所述外壳盖的表面(110)中环绕所述开口(14)的端部车出或铣出凹部，从而在所述 开口(14)的端部形成周边腹板(112)；提供透明的窗格(40)；将所述窗格(40)以材料配合的方式与所述周边腹板(112)的端面连接，使得所述窗格 (40)气密密封所述开口(14)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述腹板(112)的宽度(t)选择为很薄使得玻 璃窗格(40)与所述腹板(112)之间的边界层中的机械拉伸在所述外壳盖(11)的预定最大 温度应力下不会超过最大值。
全文摘要
本发明涉及一种光电半导体部件或光致动的电子部件，包括由金属制成的气密密封的外壳(10；11，12，13)，所述外壳包括贯穿的开口(14)；具有光敏部的半导体芯片(20)，所述半导体芯片布置在外壳中；透明的窗格(40)，所述窗格布置在所述开口(14)上以使得光线能够通过开口(14)和窗格(40)、穿过外壳(10)落在半导体芯片(20)的光敏部上，并且使得窗格(40)气密地密封开口；其中，在外壳盖(11)的表面(111)上形成有由金属制成的周边腹板(112)，周边腹板与开口(14)的尺寸相比较窄，透明的窗格(40)以材料配合的方式与腹板连接。
文档编号H01L31/111GK101834220SQ201010133199
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年3月13日
发明者哈拉尔德·尼贝尔, 海因里希·格斯滕克佩尔 申请人:因菲内奥双极技术有限责任两合公司