包括功率半导体部件和壳体的功率半导体装置的制作方法

本发明涉及一种包括功率半导体部件和壳体的功率半导体装置。

背景技术：

de102012219791a1公开了一种功率半导体装置，其包括功率半导体部件、壳体并且包括电连接元件。该功率半导体装置的电连接元件用来电连接导电的负载电流连接元件。这里，该功率半导体装置的电连接元件延伸穿过壳体壁，从壳体之内延伸到壳体之外。为了防止灰尘的微粒和湿气进入到壳体的内部中，该功率半导体装置的电连接元件相对于壳体壁密封。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种包括壳体的功率半导体装置，在该功率半导体装置中，以可靠的方式长期防止灰尘的微粒和湿气进入到该壳体的内部中。

本发明的目的通过一种功率半导体装置实现，该功率半导体装置包括：功率半导体部件；壳体，该壳体具有壳体开口；销元件，该销元件穿过壳体开口并且至少在壳体之外具有螺纹；支撑装置，该支撑装置被布置在壳体的壳体开口壁与销元件之间，该壳体开口壁界定该壳体开口并环绕该销元件；弹性密封装置，该弹性密封装置在支撑装置上被布置在壳体的壳体开口壁与销元件之间并围绕该销元件延伸；压力装置，该压力装置围绕销元件延伸并被布置在密封装置上；以及导电的套筒，该套筒形成功率半导体装置的电连接元件，其中，销元件延伸穿过套筒、穿过支撑装置的支撑装置开口、穿过密封装置的密封装置开口，并且穿过压力装置的压力装置开口，其中，支撑装置的第一支撑元件和密封装置的第一密封元件被布置在套筒与壳体开口壁之间，其中，支撑装置的第二支撑元件、密封装置的第二密封元件以及压力装置的第二压力元件被布置在套筒与销元件之间，其中，压力装置的第一压力元件围绕套筒布置，其中，第一压力元件被设计用以使第一密封元件在销元件的轴向方向上压靠在第一支撑元件上并以这种方式引起第一密封元件以如下方式变形，即，使得该第一密封元件在相对于销元件的轴向方向的垂直方向上压靠在壳体开口壁上并且压靠在套筒上，其中，第二压力元件被设计用以使第二密封元件在销元件的轴向方向上压靠在第二支撑元件上，并以这种方式引起第二密封元件以如下方式变形，即，使得该第二密封元件在相对于销元件的轴向方向的垂直方向上压靠在套筒上并压靠在该销元件上。

本发明的有利改进方案能够在以下中找到。

经证实有利的是，当密封装置由弹性体形成，特别是由交联硅树脂形成，特别是由交联硅橡胶形成的时候，这是因为在此情形下实现了非常可靠的密封。

此外，经证实在如下时候是有利的：套筒具有始自其面向销元件的销元件外端的那一侧的第一凹部，该销元件外端被布置在壳体之外，并且第一凹部在该销元件的轴向方向上延伸，其中，套筒具有界定第一凹部的第一凹部底表面，其中，支撑装置是一件式设计并具有第一支撑连接区段，该第一支撑连接区段延伸穿过第一凹部并被布置在第一凹部底表面上，并且该第一支撑连接区段将第一支撑元件连接到第二支撑元件，这是因为在此情形下，第一支撑元件被可靠地连接到第二支撑元件。

就此而言，经证实在如下时候是有利的：套筒具有始自其面向销元件的销元件外端的那一侧的第二凹部，该销元件外端被布置在壳体之外，并且第二凹部在该销元件的轴向方向上延伸，其中，套筒具有界定第二凹部的第二凹部底表面，其中，支撑装置具有第二支撑连接区段，该第二支撑连接区段延伸穿过第二凹部并被布置在第二凹部底表面上，并且该第二支撑连接区段将第一支撑元件连接到第二支撑元件，这是因为在此情形下，第一支撑元件被可靠地连接到第二支撑元件。

经进一步证实有利的是，当密封装置是一件式设计并具有第一密封装置连接区段，该第一密封装置连接区段延伸穿过第一凹部并且将第一密封元件连接到第二密封元件的时候，这是因为在此情形下，第一密封元件被特别可靠地连接到第二密封元件。

就此而言，经证实在如下时候是有利的：套筒具有始自其面向销元件的销元件外端的那一侧的第二凹部，该销元件外端被布置在壳体之外，并且第二凹部在该销元件的轴向方向上延伸，其中，密封装置具有第二密封装置连接区段，该第二密封装置连接区段延伸穿过第二凹部并且将第一密封元件连接到第二密封元件，这是因为在此情形下，第一密封元件被特别可靠地连接到第二密封元件。

经证进一步实有利的是，当压力装置是一件式设计并具有第一压力装置连接区段，该第一压力装置连接区段延伸穿过第一凹部并将第一压力元件连接到第二压力元件的时候，这是因为在此情形下，第一压力元件被可靠地连接到第二压力元件。

就此而言，经证实在如下时候是有利的：套筒具有始自其面向销元件的销元件外端的那一侧的第二凹部，该销元件外端被布置在壳体之外，并且第二凹部在销元件的轴向方向上延伸，其中，压力装置具有第二压力装置连接区段，该第二压力装置连接区段延伸穿过第二凹部并将第一压力元件连接到第二压力元件，这是因为在此情形下，第一压力元件被非常可靠地连接到第二压力元件。

此外，经证实有利的是，当第二凹部与第一凹部相对布置的时候，这是因为以这种方式实现了机械上非常稳定的构造。

此外，经证实在如下时候是有利的：第一支撑元件和第二支撑元件、第一密封元件和第二密封元件、第一压力元件和第二压力元件以及套筒各自均为空心圆筒形设计，并且销元件具有圆形横截面面积，这是因为圆形轮廓能够以特别可靠的方式被密封。

此外，经证实有利的是，当功率半导体装置具有保持体，其中，销元件以旋转上固定的方式被连接到保持体，特别是被注射成型到保持体中的时候。结果，销元件以非常可靠的方式被机械连接到功率半导体装置的其余部分。

此外，经证实在如下时候是有利的：功率半导体装置具有导电的连接元件，该连接元件被布置在壳体内并被导电地连接到功率半导体部件，其中，套筒被布置在连接元件之上(over)，这是因为在此情形下，套筒能够以简单的方式被导电地连接到连接元件。

就此而言，经证实有利的是，当套筒被布置在连接元件上(on)的时候。结果，当力生成元件在负载电流连接元件上生成作用在套筒的方向上的力时，可靠地防止了套筒在连接元件的方向上的移动。

此外，经证实有利的是，当壳体具有在套筒的方向上延伸的突起，其中，第一支撑元件被布置在该突起上的时候。该突起形成用于第一支撑元件的可靠抵接部。

此外，经证实有利的是，一种功率半导体布置，其包括：根据本发明的功率半导体装置；导电的负载电流连接元件，该负载电流连接元件具有第三凹部并以如下方式被布置在壳体之外，即，使得销元件延伸穿过该第三凹部；以及力生成元件，该生成生元件被旋扭到销元件的螺纹上，并且该生成生元件具有螺纹并在负载电流连接元件上生成力，该力作用在套筒和压力装置的方向上，由此，负载电流连接元件被布置成压靠在套筒上并且压靠在第一压力元件和第二压力元件上，并且在套筒与负载电流连接元件之间形成导电压力接触，并且由此，第一压力元件使第一密封元件在销元件的轴向方向上压靠在第一支撑元件上并以这种方式引起第一密封元件以如下方式变形，即，使得第一密封元件在相对于销元件的轴向方向的垂直方向上压靠在壳体开口壁上并压靠在套筒上，并且由此，第二压力元件使第二密封元件在销元件的轴向方向上压靠在第二支撑元件上并以这种方式引起第二密封元件以如下方式变形，即，使得该第二密封元件在相对于销元件的轴向方向的垂直方向上压靠在套筒上并压靠在销元件上。

应当指出的是，任选的是，能够存在一个以上的这里以单数形式描述的元件。

附图说明

在下文中将参考附图解释本发明的示例性实施例，在所述附图中：

图1示出了包括根据本发明的功率半导体装置的功率半导体布置的透视图；

图2示出了根据本发明的功率半导体装置的透视截面视图；

图3示出了图2的细节图；

图4示出了根据本发明的功率半导体装置的套筒、支撑装置、密封装置和压力装置的透视分解图；以及

图5示出了被布置在根据本发明的功率半导体装置的壳体的壳体开口的区域中的功率半导体布置的元件的截面视图。

具体实施方式

在附图中，相同的元件设有相同的附图标记。应当指出的是，为清楚起见，图中未示出可能存在的任何钎焊或烧结金属层。

图1示出了包括根据本发明的功率半导体装置1的功率半导体布置30的透视图。图2示出了根据本发明的功率半导体装置1的透视截面视图，并且图3示出了图2的细节a的放大图。图4示出了根据本发明的功率半导体装置1的套筒5、支撑装置50、密封装置6和压力装置60的透视分解图。图5示出了被布置在根据本发明的功率半导体装置1的壳体2的壳体开口12的区域中的功率半导体布置30的元件的截面视图。图2和图3中所示的截面延伸贯穿支撑装置50、密封装置6和压力装置60的连接区段50c、50d、6c、6d、60c、60d，并且延伸贯穿套筒5的凹部5a和5b(也参见图4)。

功率半导体布置30具有根据本发明的功率半导体装置1和负载电流连接元件4，利用具有螺纹并且优选地是被设计为螺母的力生成元件9，所述负载电流连接元件各自被导电地连接到功率半导体装置1的相应的电连接元件，也就是说，被导电地连接到相应的套筒5。例如，负载电流连接元件4能够被导电地连接到电动机，用于向电动机供电。负载电流连接元件4能够例如被设计为汇流排或电缆靴。功率半导体装置1通常具有功率半导体部件11，所述功率半导体部件11被电连接起来，以形成转换器，并且例如能够生成向电动机供电所需的电流。

功率半导体装置1具有至少一个功率半导体部件11，但是通常具有多个功率半导体部件11，所述功率半导体部件11被导电地连接到一件式或多件式设计的导电连接元件3。功率半导体部件11优选被布置在功率半导体装置1的衬底10的至少一个导电导体轨迹上。这里，功率半导体部件11优选地是借助于被布置在功率半导体部件11与导体轨迹之间的钎焊或烧结金属层而被导电地连接到所述至少一个导体轨迹。所述导体轨迹由衬底10的导电图案化的第一导电层形成。相应的功率半导体部件11优选是以功率半导体开关或二极管的形式存在。这里，功率半导体开关优选是例如以晶体管(诸如igbt(绝缘栅双极晶体管)或mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管))的形式存在。

此外，功率半导体模块1优选具有基板14，在示例性实施例的上下文中，该基板上布置有被设计为直接敷铜衬底(dcb衬底)的衬底10。

连接元件3被导电地连接到功率半导体部件11。在示例性实施例的范围内，为此目的，例如借助于材料结合连接(诸如钎焊、烧结或焊接连接)，连接元件3被衬底10导电接触。连接元件3优选至少大致由铜或铜合金构成。

功率半导体装置1具有优选由塑料构成的壳体2。壳体2优选被布置在基板4上并且优选例如借助螺钉19被连接到所述基板。壳体2覆盖功率半导体部件11。壳体2具有壳体开口12，功率半导体装置1的销元件7延伸穿过该壳体开口12，该销元件至少在壳体2之外具有螺纹13。

此外，功率半导体装置1具有支撑装置50，该支撑装置50被布置在壳体2的壳体开口壁2a与销元件7之间，该壳体开口壁2a界定壳体开口12并环绕销元件7。支撑装置50优选由硬质塑料形成，但也能由例如金属形成。如示例性实施例中的那样，支撑装置50优选是一件式设计，但也能够是多件式设计。

此外，功率半导体装置1具有弹性密封装置6，该弹性密封装置6在支撑装置50上被布置在壳体2的壳体开口壁2a与销元件7之间，并且围绕销元件7延伸。密封装置6与支撑装置50机械接触。密封装置6优选由弹性体形成。弹性体优选由交联硅树脂形成，特别是由交联硅橡胶形成。如示例性实施例中的那样，密封装置6优选是一件式设计，但也能够是多件式设计。

此外，功率半导体装置1具有压力装置60，该压力装置60围绕销元件7延伸并被布置在密封装置6上。压力装置60与密封装置6机械接触。压力装置60优选由硬质塑料形成，但也能够例如由金属形成。如示例性实施例中的那样，压力装置60优选是一件式设计，但也能够是多件式设计。应当指出的是，为清楚起见，对于未在截面中示出的销元件7，图2中未示出相应的压力装置60。

支撑装置50、密封装置6和压力装置60被以上下堆叠的方式布置。

此外，功率半导体装置1具有导电的套筒5，该套筒5被布置在连接元件3之上，其中，销元件7延伸穿过套筒5、穿过支撑装置50的支撑装置开口50g、穿过密封装置6的密封装置开口6g并穿过压力装置60的压力装置开口60g。套筒5形成功率半导体装置1的电连接元件，也就是说，套筒5用来将诸如负载电流连接元件4的外部载流元件例如电连接到功率半导体装置1。在功率半导体装置1的操作期间，电负载电流流过套筒5的材料。如图2和图3中所示，套筒5，更确切的是套筒5的面向连接元件3的那一侧5d优选被布置在连接元件3上并与连接元件3导电接触。在示例性实施例中，套筒5通过安置在连接元件3上而被布置在连接元件3上。套筒5能够以材料结合的方式被连接到连接元件3，例如借助于钎焊、烧结或焊接连接。在示例性实施例中，套筒5未以材料结合方式被连接到连接元件3。然而，套筒5也能够被布置在连接元件3上并且通过被布置在套筒5与连接元件3之间的钎焊层或烧结层与连接元件3导电接触。当套筒5未被布置在连接元件3上时，在此情形下，套筒5与连接元件3之间能够存在狭窄的气隙。连接元件3优选具有连接元件凹部18，销元件7延伸穿过该连接元件凹部18。销元件7优选在衬底10的法线方向n上延伸。套筒5优选被设计为空心圆筒。应当指出的是，套筒5通常能够借助任何期望的导电连接装置(例如电缆、铜带)被导电连接到功率半导体部件11。支撑装置50、密封装置6和压力装置60分别相应地未以材料结合方式被连接到壳体开口壁2a、套筒5和销元件7。

支撑装置50的第一支撑元件50a和密封装置6的第一密封元件6a被布置在套筒5与壳体开口壁2a之间。此外，支撑装置50的第二支撑元件50b、密封装置6的第二密封元件6b和压力装置60的第二压力元件60b被布置在套筒5与销元件7之间。压力装置60的第一压力元件60a围绕套筒5布置。相应的支撑元件50a或50b优选具有环形设计。此外，相应的密封元件6a或6b优选具有环形设计。此外，相应的压力元件60a或60b优选具有环形设计。

在本发明的情形下，第一压力元件60a被设计用以使第一密封元件6a在销元件7的轴向方向b上压靠在第一支撑元件50a上，并以此方式导致第一密封元件6a以如下方式变形，即：使得第一密封元件6a在相对于销元件7的轴向方向b、特别是在径向方向上相对于销元件7的轴向方向b的垂直方向上压靠在壳体开口壁2a上并压靠在套筒5上(参见图5)。此外，在本发明的情形下，第二压力元件60b被设计成使第二密封元件6b在销元件7的轴向方向b上压靠在第二支撑元件50b上并以这种方式引起第二密封元件6b以如下方式变形，即，使得第二密封元件6b在相对于销元件7的轴向方向b、特别是在径向方向上相对于销元件7的轴向方向b的垂直方向上压靠在套筒5上并且压靠在销元件7上(参见图5)。在本发明的情形下，当第一压力元件60a以力f1使第一密封元件6a在销元件7的轴向方向b上压靠在第一支撑元件50a上时，然后弹性的第一密封元件6a变形，并且由此以力f2压靠在壳体开口壁2a上并以力f3压靠在套筒5上。通过这种方式，在本发明的情形下，第一密封元件6a形成第一垫圈密封，该第一垫圈密封以非常可靠的方式使套筒5相对于壳体开口壁2a密封，并具有长期稳定性。在本发明的情形下，当第二压力元件60b以力f1使第二密封元件6b在销元件7的轴向方向b上压靠在第二支撑元件50b时，然后弹性的第二密封元件6b变形，并且由此以力f4压靠在套筒5上并以力f5压靠在销元件7上。通过这种方式，在本发明的情形下，第二密封元件6b形成第二垫圈密封，该第二垫圈密封以非常可靠的方式使套筒5相对于销元件7密封并具有长期稳定性。

如图5中举例示出的那样，壳体5能够在壳体开口12的区域中具有切口61，该切口61环绕销元件7，并且在第一压力元件60a施加压力时，将第一密封元件6a的一部分推入到该切口61中。销7能够具有另外的切口，该另外的切口环绕销元件7，并且在第二压力元件60b施加压力时，将第二密封元件6b的一部分推入到该另外的切口中，为清楚起见，这在图5中未示出。结果，进一步改善了相应的密封元件6a或6b的密封效果。

如图4中举例示出的那样，套筒5优选具有第一凹部5a，该第一凹部5a始自套筒的面向销元件7的销元件外端7a的那一侧5c，该销元件外端被布置在壳体2之外，并且第一凹部在销元件7的轴向方向b上延伸。套筒5具有界定第一凹部5a的第一凹部底表面5a'。支撑装置50是一件式设计并具有第一支撑连接区段50c，该第一支撑连接区段50c延伸穿过第一凹部5a并被布置在第一凹部底表面5a'上，并且将第一支撑元件50a连接到第二支撑元件50b。第一凹部底表面5a'形成用于支撑装置50的抵接部。第一凹部5a以简单的方式允许支撑装置50的一件式设计。应当指出的是，支撑装置50也能够是多件式设计，并且在此情形下，第一支撑元件50a和第二支撑元件50b也能够例如被设计为单独的支撑环或支撑套筒。

套筒5优选具有第二凹部5b，第二凹部5b始自套筒的面向销元件7的销元件外端7a的那一侧5c，该销元件外端被布置在壳体2之外，并且第二凹部在销元件7的轴向方向b上延伸。套筒5具有界定第二凹部5b的第二凹部底表面，其中，支撑装置50具有第二支撑连接区段50d，该第二支撑连接区段50d延伸穿过第二凹部5b并被布置在第二凹部底表面上，并且将第一支撑元件50a连接到第二支撑元件50b。第二凹部底表面形成用于支撑装置50的另外的抵接部。

密封装置6优选是一件式设计并具有第一密封装置连接区段6c，该第一密封装置连接区段6c延伸穿过第一凹部5a并将第一密封元件6a连接到第二密封元件6b。此外，套筒5优选具有第二凹部5b，该第二凹部5b始自套筒的面向销元件7的销元件外端7a的那一侧5c，该销元件外端被布置在壳体2之外，并且第二凹部在销元件7的轴向方向b上延伸，其中，密封装置6具有第二密封装置连接区段6d，该第二密封装置连接区段6d延伸穿过第二凹部5b并将第一密封元件6a连接到第二密封元件6b。

压力装置60优选是一件式设计并具有第一压力装置连接区段60c，该第一压力装置连接区段60c延伸穿过第一凹部5a并将第一压力元件60a连接到第二压力元件60b。此外，在本示例性实施例的情形下，压力装置60具有第二压力装置连接区段60d，该第二压力装置连接区段60d延伸穿过第二凹部5b并将第一压力元件60a连接到第二压力元件60b。

在示例性实施例中，第二凹部5b与第一凹部5a相对布置。应当指出的是，套筒5当然能够进一步具有至少一个另外的凹部，该另外的凹部以与第一凹部5a和第二凹部5b相同的方式形成。因此，套筒5能够例如具有三个凹部，所述三个凹部关于销元件7的轴向方向b相对于彼此互成120°角布置。在此情形下，支撑装置50优选具有第三支撑连接区段，该第三支撑连接区段延伸穿过第三凹部并被布置在第三凹部底表面上。类似地是，在此情形下，密封装置6优选具有类似布置的第三密封装置连接区段，并且压力装置60具有类似布置的第三压力装置连接区段。

如图3中举例示出的那样，壳体2能够具有在套筒5的方向上延伸的突起2b，其中，第一支撑元件50a被布置在突起2b上。突起2b形成用于第一支撑元件50a的抵接部。此外，销元件7能够具有在套筒5的方向上延伸的另外的突起，其中，第二支撑元件50b被布置在该另外的突起上，为清楚起见，这在图5中未示出。因此，支撑装置50、密封装置6和压力装置60相应地能够是多件式设计。

在示例性实施例中，第一支撑元件50a和第二支撑元件50b、第一密封元件6a和第二密封元件6b、第一压力元件60a和第二压力元件60b以及套筒5均为空心圆筒形设计，并且在该示例性实施例中，销元件7具有圆形横截面面积。

套筒5优选至少大致由铜或铜合金构成。套筒5能够具有银涂层。

功率半导体装置1优选具有保持体17，其中，销元件7以旋转上固定的方式被连接到保持体17，特别是注射成型到保持体17中。保持体17优选被布置在基板14上并优选例如借助螺纹连接而被连接到基板14。

功率半导体装置1例如能够被安装到车辆中，诸如例如铲车，或者例如被安装到开关柜中。根据本发明的功率半导体装置1意图被导电地连接到的车辆、开关柜或总的来说的外部电气部件具有导电的负载电流连接元件4，设置该负载电流连接元件，以便导电地连接到根据本发明的功率半导体装置1。当负载电流连接元件4被电连接到功率半导体装置1、更确切地是被电连接到套筒5时，生产出功率半导体布置30。相应的负载电流连接元件4优选是至少大致由铜或铜合金构成。

为了生产出功率半导体布置30，具有第三凹部的导电的负载电流连接元件4以如下被布置在功率半导体装置1的壳体2之外，即，使得销元件7延伸穿过第三凹部。然后，具有螺纹的力生成元件9被布置于并旋扭到销元件7的螺纹13上，使得力生成元件9在负载电流连接元件4上生成力f1，该力f1作用在套筒5的方向上，更确切地是，生成作用在套筒5的面向负载电流连接元件4的那一侧5c的方向上和压力装置60的方向上的力，由此，将负载电流连接元件4压靠在套筒5上并压靠在第一压力元件60a和第二压力元件60b上，并且在套筒5与负载电流连接元件4之间形成导电压力接触，并且由此，第一压力元件60a使第一密封元件6a在销元件7的轴向方向b上压靠在第一支撑元件50a上并以这种方式引起第一密封元件6a以如下方式变形，即，使得第一密封元件6a在相对于销元件7的轴向方向b的垂直方向上压靠在壳体开口壁2a上并且压在靠套筒5上，并且由此，第二压力元件60b使第二密封元件6b在销元件7的轴向方向b上压靠在第二支撑元件50b上，并且以这种方式引起第二密封元件6b以如下方式变形，即，使得第二密封元件6b在相对于销元件7的轴向方向b的垂直方向上压靠在套筒5上并且压靠在销元件7上。

应当指出的是，在图5中所示的功率半导体装置1的状态下，其中第一密封元件6a和第二密封元件6b在销元件7的轴向方向b上不受第一压力元件60a和第二压力元件60b的压力，压力装置60的面向销元件7的销元件外端7a的那一侧60e在销元件7的轴向方向b上突出超过套筒5的面向销元件7的销元件外端7a的那一侧5c。因此，第一压力元件60a和第二压力元件60b在所述状态下在销元件7的轴向方向b上延伸超过套筒5。当力生成元件9在负载电流连接元件4上生成作用在压力装置60的方向上的力f1时，负载电流连接元件4被压靠在第一压力元件60a和第二压力元件60b上，由此，在第一密封元件6a和第二密封元件6b相关联变形下，使第一压力元件60a和第二压力元件60b在销元件7的轴向方向b上朝向支撑装置50移动，直至压力装置60的面向销元件7的销元件外端7a的那一侧60e在销元件7的轴向方向b上与套筒5的面向面向销元件7的销元件外端7a的那一侧5c至少大致齐平，并且负载电流连接元件4与套筒5导电挤压接触。在此情形下，在对应的强压力下，能够将套筒5在一定程度上推入到负载电流连接元件4中。

如果套筒5与连接元件3之间存在狭窄的气隙，则然后通过使套筒5由于力f1的作用而朝向连接元件3移动，直至套筒5与连接元件3机械接触并因此也导电接触来关闭该气隙。连接元件3形成用于套筒5的抵接部。保持体17形成用于连接元件3的抵接部。负载电流连接元件4借助套筒7被导电地连接到连接元件3。力生成元件9优选被设计为螺母。

在该点上应当指出的是，在不脱离本发明范围的情况下，本发明的不同示例性实施例的特征当然能够视需要彼此组合，只要所述特征不相互排斥即可。