专利名称：功率半导体元件及其相对至少一个太阳能电池的布置方案的制作方法
技术领域：
本发明描述了带有接触元件和接触凸耳的功率半导体元件，该接触元件和接触凸耳用于该功率半导体元件相对至少一个太阳能电池的电连接，以及像这样的布置方案。
背景技术：
例如由DE 103 48 542 Al已公知了多个太阳能电池、也称为光伏电池至光伏模块的连接。在此情况下，每个光伏模块将至少一组多个太阳能电池在串联中接通，由此，该多个太阳能电池构造了所谓的系(Strange)或串(String)。在此情况下，已公知的是，这借助
平面的金属成形体，也就是借助金属带实施。这些金属带材料锁合地，借助焊接或粘结连接太阳能电池的所配属的接触位置。基本上由太阳能电池单元的串联电路公知的是，一个电池的遮挡会导致穿过在串联中接通的多个太阳能电池的太阳能电流的中断。同样公知的是，反并联(antiparallel)地接通太阳能电池的旁路二极管或多个在串联中接通的太阳能电池的旁路二极管，以便提供旁路电流通道。
发明内容
本发明以如下任务为基础，S卩，提出特别适合于在光伏模块中的应用的功率半导体元件，以及该功率半导体元件的相对至少一个太阳能电池的布置方案。此任务依据本发明，通过具有权利要求I的特征的功率半导体元件和通过具有权利要求10的特征的布置方案解决。优选实施方案在各自的从属权利要求中描述。本发明的出发点是，提出用于相对至少一个太阳能电池的布置方案的功率半导体元件的要求，该功率半导体元件具有功率半导体构件的特别好的冷却，并且同时能尽可能好地整合到光伏模块的制造过程中。依据本发明的、用于直接联接到太阳能电池的接触面上的功率半导体元件具有接触元件，该接触元件在其第一主面上承载有至少一个功率半导体构件，该功率半导体构件在此处借助已公知的方法，优选材料锁合地与此接触元件连接。以下，描述带有仅一个功率半导体构件的功率半导体元件，在多个功率半导体构件方面的概括通过本领域常见的处理获得。在此情况下，该功率半导体构件可以是肖特基二极管或纯粹的带有Pn结的半导体二极管。优选的是，与接触元件连接的第一芯片接触面，构造为二极管的阳极的芯片接触面。接触元件的第二主面具有至少一个第一接触面用于同样优选的与太阳能电池的所配属的接触面的材料锁合的连接。在此情况下优选的是，太阳能电池的此接触面布置在该太阳能电池的背离太阳的面、即背面、多为太阳能电池的阳极上。接触凸耳又优选材料锁合地与功率半导体构件的第二芯片接触面、优选二极管的阴极连接。此接触凸耳在该接触凸耳的一侧具有用于与太阳能电池的所配属的接触面连接的第二接触面。此所配属的接触面可以与如下太阳能电池的如下阴极相对应，在该太阳能电池的阴极上布置有功率半导体元件，或者也可以与其他太阳能电池的阳极相对应。在光伏模块的生产方面特别有利的是，接触凸耳与用于彼此连接太阳能电池的金属带以同样形式地构造。由此，接触凸耳和优选地还有接触元件能构造为铝带，该铝带大多具有至少部分表面经镀层的表面此外，功率半导体元件具有至少一个功率半导体构件的保护壳。在此情况下，将保护壳理解为各种设计方案，该设计方案保护功率半导体构件免受环境影响。此保护壳能构造为合成材料壳体，该合成材料壳体以优选的方式以绝缘材料灌注。当然特别优选地，为了实现保护壳的特别紧凑的设计方案，此保护壳由在其布置中、也就是在生产过程中具有流动能力的合成材料制成。为了这种布置已知了各种方法、例如模铸方法(Abformverfahren)、也称为模制方法。此外特别优选的是，接触元件与功率半导体构件相比大面积地构造，以便保证功率半导体构件的良好的冷却。在此情况下，功率半导体构件能覆盖接触元件的最大10%的、优选只有5 %的面积。通常，在接触凸耳的上述设计方案中，此接触凸耳具有如下长度，该长度为功率半导体构件的纵向扩展的至少5倍、但优选10倍。同样优选的是，接触元件和接触凸耳构造为带，这些带就其最大的纵向扩展垂直彼此地布置。功率半导体元件的依据本发明的布置方案，以在太阳能电池的背面上的上述布置方案和其他所提到的特征为特色。在此情况下，接触凸耳与在相同太阳能电池的正面上的至少一个接触面的连接，或与在其他并非强制地相邻的太阳能电池的背面上的至少一个接触面的连接构造了旁路电流通道。此旁路电流通道由此桥接一个或多个太阳能电池，以便在该一个太阳能电池或所述多个太阳能电池中的一个受遮挡时至少受限制地维持串的电流产生。特别有利的是如下布置方案，S卩，功率半导体元件的至少一个功率半导体构件不平齐地布置在接触元件的接触面上，并且由此不直接与太阳能电池热力接触，而是几乎悬浮在此太阳能电池上。同样可以是有利的，接触元件、接触凸耳或这两者具有优选一体式地与其一起构造的冷却装置。此冷却装置例如能构造为接触元件的区段的或接触凸耳的区段的表面放大的压印部。在此情况下特别优选的是，此冷却装置与功率半导体构件直接相邻地、或者甚至直接在功率半导体构件之上或之下设置。
借助依据图I至图7的实施例进一步阐释本发明的解决方案。图I在片段中示出带有旁路电流通道的光伏模块的电路图；图2示出带有依据本发明的功率半导体元件的第二太阳能电池的背面。图3示出在串联电路中的两个太阳能电池；图4示出功率半导体元件的依据本发明的布置方案的第一设计方案；图5示出这种布置方案的第二设计方案；图6示出依据本发明的功率半导体元件的第一设计方案；图7示出第二这种设计方案。
具体实施例方式图I在片段中示出带有旁路电流通道的光伏模块的电路图。所示出的是串的一部分，也就是多个串联接通的太阳能电池10。这种串形成光伏模块的典型子单元。以IS标称通过多个太阳能电池10所产生的太阳能电流。并行于一个或多个太阳能电池10地，各示出依据本发明的、具有旁路二极管功能的功率构件20，其中，单个的线路区段类似图2中的特征地标称。一旦出现如下情况，由此产生的、布置方案I的此旁路电流通道将激活，即，通过该旁路电流通道桥接的太阳能电池10，例如通过遮挡或损坏，而不产生电流。在此情况下，电流在至少一个位置处经由旁路电流通道以部分电流IB流过该串。图2以依据本发明的布置方案I的俯视图方式示出带有依据本发明的功率半导体元件20的第二太阳能电池10的背面102。局部地示出了两个太阳能电池10，这些太阳能电池的各自的背面102构造阳极，并且多个接触面12、13、14各带有在一个太阳能电池10上的相同的电势。在太阳能电池的正面100上，虚线地示出的是太阳能电池10的接触面16，该太阳能电池10的正面100构造阴极。 为了在光伏模块的串内部的电路上合理的连接，形成了串的太阳能电池10串联地联接。为此，在背面102上的接触面12与相邻的太阳能电池10的正面100上的接触面16，借助平面的金属成形体18、金属带彼此连接。此处，将旁路电流通道，无需其他的、额外地相对依据本发明的功率半导体元件存在的连接装置地，设置为功率半导体元件20，该功率半导体元件具有带有两个第一接触面220的接触元件22用于与所配属的、太阳能电池背面的接触面13连接。功率半导体元件20在此情况下具有肖特基二极管作为功率半导体构件24，该肖特基二极管的第一芯片接触面240、即阳极与接触元件22连接。此处，二极管24不是与接触元件22的接触面220平齐地布置，而是居中地设置在两个接触面220之间。由此，二极管24几乎悬浮在太阳能电池10之上，并且不由该太阳能电池加热，由此，反向电流并且由此还有在正常运行中的损失，也就是当所有太阳能电池提供电流时，很小。此外，二极管24的阴极以该二极管的第二芯片接触面242与接触凸耳28连接。此接触凸耳28，在其分布中，够到相邻的太阳能电池10，并且，在那里借助该接触凸耳的第二接触面280与背面102的接触面14连接。为了串内部的多个太阳能电池10的电连接以及为了功率半导体元件20与太阳能电池10的连接，设置了相同的连接技术。此处，特别已证明合适的是焊接方法和粘结方法。此外更加有利的是，由具有相同表面性质的相同材料制成的金属带18以及接触元件22和接触凸耳28至少设置在接触位置220、228处。由此，在已公知的、为了光伏模块的制造方法框架中的功率半导体元件20的布置是可能的。同样有利的、并且也已示出的是，接触元件22和接触凸耳28关于它们的最大的纵向扩展垂直于彼此地布置。在此情况下所应用的二极管24，由于低的所需要的电流承载能力，只具有几个平方毫米的面积。与之相反，典型的太阳能电池10具有十厘米范围内的边长。因此，在尽可能大的冷却面积的意义中，功率半导体元件20的接触元件22的面积可以构造得远大于二极管24的面积。已证明的是，比例关系至少是I比10，多于I比20更有利。通过接触凸耳28的上面提到的设计方案，此接触凸耳28具有多于二极管24的纵向扩展的5倍的、更好的是多于10倍的长度。
图3在剖面示图中示出两个在串联中的太阳能电池10的片段。所示出的是各自的太阳能电池10的正面100，典型的阴极；和背面102，典型的阳极。为了串联两个太阳能电池10，借助金属带18连接阳极的至少一个接触面12与阴极的接触面16。图4在不合比例的并且在深度中、也就是在图面的方向上经压缩的示图中，示出带有功率半导体元件20的依据本发明的布置方案I的第一设计方案。特别地，在这一方面应该如下地理解，即， 二极管24，如上所描述地，不与接触元件22的接触面220平齐，而是如图2中所示的那样，由图面向后错开地布置，这种概括同样适用于所有其他示图。此外，如也在图2中所描述的那样，示出在各自的太阳能电池10的背面和正面上的接触面12、13、14、16。此外，相应地，功率半导体构件24布置在接触元件22上，其中，二极管24的阳极借助该二极管的第一芯片接触面240与此接触元件22连接。二极管的阴极借助第二芯片接触面242与接触凸耳28连接，并且此接触凸耳28经由该接触凸耳的第二接触面280与右侧太阳能电池10的背面102上的接触面14连接。图5示出这种布置方案I的第二设计方案。此设计方案由于如下不同于第一设计方案，即，在此情况下功率半导体元件20的接触凸耳28与该太阳能电池10的阴极、即正面100上的接触面16连接，该太阳能电池10也在其背面102上承载有带有功率半导体构件24的接触元件22。图6示出依据本发明的功率半导体元件20的第一设计方案，该功率半导体元件20布置在与图4中左侧的太阳能电池类似的太阳能电池10上，其中，由于概览性，如也在图7中的那样，功率半导体元件20与太阳能电池10略微保持距离地示出。基本上示出了如图4那样的相同的特征，并且也相同地标称。此处额外地示出了保护壳26，该保护壳由加工状态下具有流动能力的合成材料260制成。为了布置该保护壳260基本上可以使用各种方法，在此情况下重要的是，如此程度地固定接触凸耳28，S卩，阻止接触凸耳28到接触元件22的电接触。同样重要的是，保护壳260保护功率半导体构件24免受环境影响，并且为此提供与接触元件22的防潮连接。此处接触凸耳28具有用于冷却功率半导体构件24的冷却装置282，设置该冷却装置作为接触凸耳28表面的压印技术所构造的放大部直接邻近功率半导体构件24。图7示出第二这种设计方案。在此情况下，保护壳26与图6相反由在此处两件式构造的绝缘材料壳体262组成，该绝缘材料壳体提供了功率半导体构件24的特别好的机械保护。 此绝缘材料壳体262具有基体264，该基体264与接触元件22材料锁合地并且防潮密封地连接。此外，绝缘材料壳体262具有盖子266，该盖子与基体264材料锁合地连接，并且该盖子将接触凸耳28在基体264与盖子266之间夹住，以便阻止与接触元件22的电接触。此外,将绝缘材料壳体262以电绝缘的填料268、绝缘材料灌注，该绝缘材料同时能防止功率半导体构件24受潮。
权利要求
1.功率半导体元件(20)，用于直接联接到太阳能电池的接触面上，带有接触元件(22)和接触凸耳(28)，所述接触元件(22)和所述接触凸耳(28)各带有配属的至少一个第一或第二接触面(220、280);至少一个功率半导体构件(24)，所述功率半导体构件的第一芯片接触面(240)与所述接触元件(22)连接，并且所述功率半导体构件(24)的第二芯片接触面(242)与所述接触凸耳(28)连接，并且所述功率半导体构件对抗环境影响地包围在 所述至少一个功率半导体构件(24)的保护壳(26)中。
2.根据权利要求I所述的功率半导体元件，其中，所述功率半导体构件(24)是各带有阳极和阴极的肖特基二极管或带有Pn结的半导体二极管。
3.根据权利要求2所述的功率半导体元件，其中，所述功率半导体构件(24)的所述阳极与所述接触元件(22)电导通地连接，并且所述功率半导体构件(24)的所述阴极与所述接触凸耳(28)电导通地连接。
4.根据权利要求I所述的功率半导体元件，其中，所述保护壳(26)由在加工状态中具有流动能力的合成材料(260)制成。
5.根据权利要求I所述的功率半导体元件，其中，所述保护壳(26)由一件式的或多件式的绝缘材料壳体(262)组成，所述绝缘材料壳体优选由基体(264)和盖子(266)构造，并且其中，所述基体(264)材料锁合地与所述接触元件(22)连接。
6.根据权利要求5所述的功率半导体元件，其中，所述基体(264)与所述盖子(266)材料锁合地彼此连接。
7.根据权利要求6所述的功率半导体元件，其中，所述绝缘材料壳体(262)以绝缘材料(268)灌注。
8.根据权利要求I所述的功率半导体元件，其中，所述接触元件(22)和所述接触凸耳(28)由平面的金属成形体、优选由铝制成的金属带形成。
9.根据权利要求8所述的功率半导体元件，其中，所述接触元件(22)和所述接触凸耳(28)就它们的最大的纵向扩展彼此垂直地布置。
10.根据权利要求I所述的功率半导体元件，其中，所述接触元件(22)和/或所述接触凸耳(28)具有至少一个一体式地与其一起构造的冷却装置(280)。
11.根据权利要求I所述功率半导体元件，其中，所述功率半导体构件(24)覆盖所述接触元件(22)的面积的至多10%、优选至多5%。
12.根据权利要求I至11之一的功率半导体元件(20)相对至少一个太阳能电池(10)的布置方案(1)，其中，所述接触元件(22)布置在所述太阳能电池(10)的背面(102)上，并且借助所述接触元件的至少一个第一接触面(220)与所述太阳能电池(10)的背面(102)的至少一个接触面(13)电连接，并且其中，所述接触凸耳(28)的所述至少一个第二接触面(280)要么与相同的太阳能电池(10)的正面(100)的至少一个接触面(16)电导通地连接，要么与其他太阳能电池(10)的背面(102)的至少一个接触面(14)电导通地连接，并且由此为一个或多个太阳能电池(10)构造旁路电流通道。
13.根据权利要求12所述的布置方案，其中，所述太阳能电池(10)的背面(102)构成所述太阳能电池的阳极，并且所述太阳能电池(10)的正面(100)构成所述太阳能电池的阴极。
14.根据权利要求12所述的布置方案，其中，所述功率半导体元件(20)的接触凸耳(28)与那些构成所述太阳能电池(10)彼此之间的串联电路的、平面的金属成形体(18)相同地构造。
15.根据权利要求12所述的布置方案，其中，所述至少一个功率半导体构件(24)与所述接触元件(22)的第一接触面(220)不平齐地布置。
全文摘要
本发明涉及功率半导体元件及其相对至少一个太阳能电池的布置方案。为了直接联接到太阳能电池的接触面上，该功率半导体元件具有接触元件和接触凸耳。至少一个功率半导体构件利用该功率半导体构件的第一芯片接触面连接接触元件，而该功率半导体构件的第二芯片接触面与接触凸耳连接。为了保护以对抗环境影响，该至少一个功率半导体构件包围在保护壳中。
文档编号H01L31/05GK102623536SQ20121002043
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月29日 优先权日2011年1月27日
发明者克里斯蒂安·约布尔, 扬·哈拉伊, 斯特凡·斯塔罗韦茨基, 玛丽安·马泰伊卡 申请人:赛米控电子股份有限公司