专利名称：半导体组件在冷却器上的固定的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体组件、尤其是功率半导体组件如IGBT组件在冷却器上的固定。典型地，功率半导体组件这样地构成，即电子元件被钎焊在陶瓷衬底上，后者通常(可选择)被钎焊在作为散热器的底板上。为了使功率半导体组件工作，必需使在元件中产生的热散出。因为该可选择的底板通常对此不能满足，因而半导体组件通常用衬底或底板侧以法兰盘或以螺丝方式连接在冷却器上。
为了保证可靠的热传导，在组装时通常将导热胶或导热膜放置在两个接触面之间，即放置在冷却器及衬底或底板之间，因此补偿不平整及粗糙度。因为在温升时由于导热胶和/或膜的粘性减小下沉量增加，使连接强度失去或在变相材料的情况下由固态变成软(流体)态，致使过渡热阻增加。由于该原因，建议在温升后再调整紧固螺丝的压力，或在紧固螺丝时附加设置弹簧环。
出于该原因，在螺丝连接方面的固定成本由于在投入工作后所需的后续紧固而增加，该螺丝安装成本在使用廉价的元件情况下，即使无上述的成本增加就已经很高了。
因此，本发明的任务在于，在半导体组件及冷却器之间建立成本合理、简单及可靠的连接。
根据本发明，该任务将通过具有独立权利要求1的特征的用于至少一个半导体组件的所述类型的冷却器、通过具有独立权利要求10的特征的用于固定在冷却器上的所述类型的半导体组件、及通过具有独立权利要求19的特征的用于将非根据本发明的或根据本发明构成的冷却器固定在非根据本发明的或根据本发明构成的半导体组件上的所述类型的弹簧夹来解决。各个有利的进一步构型被描述在各个从属权利要求中。
根据本发明，该半导体组件将借助一个或多个由弹簧材料作的夹、即弹簧夹夹持在冷却器上。冷却器可使用具有接收弹簧夹所需形状的挤压型材，而不需要冷却器的再加工。这种连接比螺丝有利，因为装配可更简单更快速地进行。此外这种弹簧夹在足够预紧距离的情况下可补偿冷却器及半导体组件之间的下沉量，以便能持久地保证可靠的热传递，而不需要再加压或在首次工作后或工作时所需的其它安装步骤。弹簧夹始终用于保持所需的压紧力。它具有简单的形状及可由弹性材料、最好由弹簧钢构成。
有利地，根据本发明可通过弹簧夹与冷却器或与半导体组件相互形状的匹配进一步地优化。在此情况下，弹簧夹与冷却器或与半导体组件的相应连接可这样有利地进行，即弹簧夹可被放置或卡在弹簧夹接收座上，并即使当弹簧夹不是在夹持状态时也可自行保持在冷却器或半导体组件上/中，在该夹持状态中半导体组件将借助弹簧夹与冷却器相连接。
根据本发明的一个实施变型，为此冷却器或半导体组件在整个长度上或在弹簧夹接收座的区域中具有一个槽，在该槽中弹簧夹被固定在冷却器或半导体组件上。另一方式是，冷却器或半导体组件在槽的位置上还具有一个凸缘，在其上可卡入一个与其适配的弹簧夹。
根据另一有利的实施形式，弹簧夹还可这样进行构型，即半导体组件或冷却器无需附加侧向力仅通过作用在一个方向上的装配力即可锁入半导体组件或冷却器。因此可简单地在整个可能长度上使多个半导体组件固定在一个冷却器上或使多个冷却器固定在一个半导体组件上。
根据另一有利的实施形式，半导体组件的壳体可仍用浇铸方法至少形成一个适合的盆形台以卡入弹簧夹，该盆形台最好具有一个船舷状边缘，由此不会负担附加成本。弹簧夹最好可自动地置入盆形台中，例如当电路板焊上前及弹簧夹的放置变难时。最好一个半导体组件含有至少两个位于对面两侧的盆形台。另一可能的选择是多个弹簧夹被放置在一个盆形台中或使用另外构型、例如台阶形来取代盆形弹簧夹接收座。当半导体组件被放置在冷却器上后可借助一个工具、如一个专门构型的钳子以高可靠度及精确度使合适形状的弹簧夹自动地卡入为此所设的冷却器的槽中。如果半导体组件已与一个电路板焊接，则该卡入过程可无问题地仅从侧面进行。一种适配这种实施形式的弹簧夹最好具有三个弯棱，在卡入过程中可绕第一弯棱摆动，及在第二及第三弯棱附近形成一个压力弓。在一个可选用的第四弯棱上可实现压紧。
以下将借助附图基于多个优选实施例来进一步地描述本发明。附图为
图1根据本发明的第一优选实施形式的半导体组件/冷却器的固定。
图2根据本发明的第二优选实施形式的半导体组件/冷却器的固定。
图3根据本发明的第三优选实施形式的半导体组件/冷却器的固定。
图4根据本发明的第四优选实施形式的半导体组件/冷却器的固定。
图5根据本发明的第五优选实施形式的半导体组件/冷却器的固定。
图6一个弹簧夹的优选实施形式，它优先使用在根据本发明的第五优选实施形式中。
图7根据本发明的一个半导体组件壳体的构型例。
在以下描述的根据本发明的优选实施形式中相同或类似元件使用相同的标记。
图1的上部分表示根据本发明的适配的冷却器1及固定于其上的根据本发明的适配的半导体组件2。半导体组件2以一个接触面2a放置在冷却器1上为此设置的接触面1a上及通过两个弹簧夹4夹在冷却器1上。为此在冷却器1中设有两个开口槽作为弹簧夹接收座3a，这些接收座由于扩展到冷却器中，则可相对半导体组件2在冷却器1上的加压方向从后面抓住弹簧夹4。为了后部抓持，每个弹簧夹4具有一个适配于弹簧夹接收座3a的端部区域，该区域从后面钩在弹簧夹接收座3a的一个面上，该面位于弹簧夹接收座3a的一个区域中，该区域局部地掏空在冷却器1对于半导体组件2所设置的接触面1a的后面。每个弹簧夹4这样地从后面钩住相应的弹簧夹接收座3a，即它在垂直于冷却器1的接触面1a的拉力方向上被固定保持。
半导体组件2具有一个相应的第二弹簧夹接收座3d，在其上这样地抓持弹簧夹4的另一侧，即半导体组件2保持在冷却器1的接触面1a上并压紧在该接触面上。有利地，该第二弹簧夹接收座3d由设在半导体组件2与冷却器1的接触面2a对面的半导体组件2侧上的台阶构成，该台阶或是仅设在用于弹簧夹4的区域中或是设在半导体组件2的整个长度上。
每个弹簧夹4这样地构成，即由它施加的力作用在垂直于冷却器1的接触面1a的方向上。为了使力均匀地分布，可以设置多于一个的、各具有第一及第二弹簧夹接收座3a及3d的弹簧夹4，例如图1中所示的情况下，在冷却器1的接触面1a对立边缘的每个上设有两个弹簧夹4。但也可想象，设置多于两个的弹簧夹4，例如设在与半导体组件2的接触面2a垂直的半导体组件2的每个自由面上。
在图1的下部分表示出三个步骤，说明根据本发明图1上部分中的固定状态是如何实现的，即根据本发明如何在冷却器1上固定半导体元件2。在左边第一个图所示的步骤中，半导体元件2以其接触面2a接触在冷却器1为此所设的接触面1a上，及弹簧夹4将用其一侧挂到冷却器1的第一弹簧夹接收座3a中。在该步骤中在两个接触面之间加入导热胶和/或膜。
在中间的第二图中，表示通过由箭头所示的卡入过程、即向着半导体组件2运动的过程使弹簧夹4的自由端插入到它的相应第二弹簧夹接收座3d中。通过两个弹簧夹4的弹簧作用力，该半导体组件2与冷却器1相连接并紧压在其上。在弹簧夹4挂入冷却器1的第一弹簧夹接收座3a中后弹簧夹4的自由边的有利构型是这样的，即当弹簧夹4在卡入第二弹簧夹接收座3d中时弹簧夹不必张开，即除了锁合力外还附加施加了侧向力。
图1中右下方的图亦表示图1中上方的图中所示的固定后的完成状态，即弹簧夹4卡入半导体组件2后的状态。
对于在背离冷却器1的一侧已装在电路板上的半导体组件2也可以使用这种安装方式。
图2表示作为图1中所示第一实施形式的变型的第二实施形式。这里对于半导体组件2还表示出在图1中未示出的、接触面2a对面的连接腿。与图1所示的实施形式不同的是，冷却器1的第一弹簧夹接收座3a不是作成局部地在接触面1a后面掏空的冷却器1中的槽，而是朝着与半导体组件2的接触面1a相垂直的冷却器1的侧面张开，因此弹簧夹4不是像图1中第一实施形式那样必需从下方斜挂入到第一弹簧夹接收座3a中，而是可以由垂直于对半导体组件2所设的接触面的方向从侧面推入。它在相应于图1所示的第一实施形式中根据本发明的半导体组件2的第二弹簧夹接收座3d方面具有安装简单的优点，如图2中下部分所示。图2左下方的图表示首先在第一步骤中将冷却器1以其接触面1a放置在半导体组件2的接触面2a上，然后在第二步骤中，从侧面将两个弹簧夹4推入到相应的第一及第二弹簧夹接收座3a,3d中，以便得到图2右下方所示的组装状态，该状态也表示在图2上部分中。
同样，如根据本发明的第一实施形式，在第二实施形式中也可在冷却器1及半导体组件2的两个接触面之间施加导热胶和/或膜。弹簧夹4也可有利地这样来构型，即在推入时弹簧夹不必额外地被张开。
图3及4表示出根据本发明的其它两个实施形式，其中这样地进行弹簧夹及冷却器的连接，即弹簧夹自行被保持在冷却器1上面/内，由此可保证更简单的操作。
在图3所示的根据本发明的第三实施形式中，与上述实施形式不同之处在于，在冷却器1的第一弹簧夹接收座3b上在其整个长度上设有一个凸缘，通过在其端部区域构成的加厚部分使弹簧夹4可这样地插入，即弹簧夹能自行保持在冷却器上。半导体组件2固定在冷却器1上的功能相应于根据本发明的第一实施形式，其中用于固定半导体组件的弹簧夹4首先或是必需彼此弯曲张开，以使冷却器1可放置在半导体组件2上，如图3左方所示的弹簧夹4；或是必需这样构型，即当将冷却器1放置左半导体组件2上时弹簧夹自行彼此弯曲张开，该情况为如图3中右方所示的弹簧夹4。根据这些设计中的一种可以作到弹簧夹4由于其构型通过简单的张开或通过自动钩入自行锁合在半导体组件2的第二弹簧夹接收座3d上，及将半导体组件2保持在冷却器1上并紧压在其上。
根据本发明的第四实施形式与第三实施形式的区别仅在于，弹簧夹4不是固定在凸缘状的第一弹簧夹接收座3b上，而是这样地固定在令却器的槽形的第一弹簧夹接收座3c上，以致弹簧夹自行保持在冷却器中。为此第一弹簧夹接收座3c具有一个位于冷却器1中的槽，该槽伸入到、譬如凸缘状的展宽在冷却器1中，以使得相应配合的弹簧夹4可插入其中，并由此自行保持在冷却器中。至少具有一个弹簧夹4的冷却器1在半导体组件上的固定将相应于图3中所示的根据本发明的第三实施形式来实现。
根据本发明的上述实施形式当然可以相互组合，其中不同形式的弹簧夹4或弹簧夹接收座3a、3b、3c、3d可彼此任意地组合，以致在半导体组件2上也可设置具有凸缘或槽的弹簧夹接收座3b或3c。弹簧夹接收座3a、3b、3c、3d或是延伸在冷却器1及半导体组件2的整个侧面上或是延伸在其中一部分上。
作为变型，相应的弹簧夹4也可与冷却器1或半导体组件2整体地加工出来。
上述的弹簧夹或是由至少一个卡入到相应弹簧夹接收座中的端部区域(如图1,3及4所示)或是由设在其中间的中间区域(由图2所示)来产生它们使冷却器1及半导体组件2保持在一起的弹簧力。当然也可设想，变换地采用弹簧夹的其它实施形式。
图5表示作为图1中所示第一实施形式的变型的第五实施形式。与图1中所示实施形式的区别在于，半导体组件2的被构成台阶状的第二弹簧夹接收座3d在这里被作成盆状的弹簧夹接收座3e，它在半导体组件2的外边缘具有一个船舷状边缘3f。该构型具有的优点是由盆形壁的侧向定位及通过船舷状边缘3f使弹簧夹增强地保持在弹簧夹接收座中，这在弹簧夹使半导体组件2与冷却器1连接前的松弛状态下或是在夹紧或组装状态下均如此。冷却器1及尤其是这里的第一弹簧夹接收座3a与第一实施形式相对应。但也可变换地选择其它的实施形式，例如在本发明的第二至第四实施形式中所描述的。
结合在图6中所示的一个弹簧夹5的优选实施形式可得到简单的、如图5中所示的组装。
在图6中所示的根据本发明的专门构型的弹簧夹5的弹性原材料原则上具有一个矩形形状，并通过多个成型步骤变成一个专门构型的弹簧夹5，它具有一个平滑的端面5a，四个弯棱5b-5e，一个夹弓5f及一个弯曲的端面5g。平滑端面5a其尺寸适配于为此设置的盆形弹簧夹接收座3e的接触面。在平滑端面5a上连接着第一弯棱5b，在此处该专门构型的弹簧夹5的原材料以一个钝角向上弯曲。该角度被这样地选择，即该专门构型的弹簧夹5无论是在装配的状态-即在弹簧夹使半导体组件2与冷却器1相连接前的松弛状态，还是在夹紧或组装好的状态均不与盆形弹簧夹接收座的船舷状边缘3f接触，这里该角度约为140°至150°。在相应于大约平滑端面5a整个长度的后面，该原材料在第二弯棱5c上以约90°的角度向下弯曲，以便过渡到其长度与半导体组件的盆形弹簧夹接收座3e及冷却器1的弹簧夹接收座3a之间的距离相适配的夹弓5f。在夹弓5f后面，该原材料在第三弯棱5d上以约90°的角度向上朝平滑端面5a弯曲，然后它在第四弯棱5e上以约180°的窄弯结束在弯曲的端部区域5g处。
在组装状态中向外拱弯的夹弓5f及在第一弯棱5b之间的区段，以及第二弯棱5c及第三弯棱5d一起构成了一个压力弓，它在组装状态中使半导体组件2压紧在冷却器1上。
如上所述，第四弯棱5e及弯曲端部区域5g可选择地设置，但其中必需保证该专门构型的弹簧夹5锁合在冷却器1的弹簧夹接收座3a中的可能性。
图5上方的图表示，首先在第一步骤中，将半导体组件2及一个组装的电路板以及两个置入的专门构型的弹簧夹5头朝上地、即具有朝上的电路板地，使其接触面2a放置到冷却器1的接触面1a上。在该放置状态中弯曲端部5g以很小的距离与相应的第一弹簧夹接收座3a上的齿3g对置。该距离用于避免专门构型的弹簧夹5与冷却器1的第一弹簧夹接收座3a相接触，这在半导体组件2放置到冷却器1上时由于组装设备可能的不精确性是可能发生的，由此可避免不希望的弹簧夹从其原始位置的错位。专门构型的弹簧夹5的第一弯棱5b及第二弯棱5c之间区段的长度由这里所需的距离来确定。在第一组装步骤后，在第二组装步骤中专门构型的弹簧夹5通过被施加侧向力及由此引起的该专门构型的弹簧夹5绕其第一弯棱5b的摆动用其弯曲端面5g绕过齿3g卡入相应的第一弹簧夹接收座3a中，以便达到图5下方所示的组装状态。这里船舷状边缘3f支持着该专门构型的弹簧夹5使它不会从半导体组件2的通常设有平滑表面的盆形弹簧夹接收座3e中滑出。
该专门构型的弹簧夹5由于其形状而具有其功能，即在施加力时将绕第一弯棱5b摆动。接着由位于第二弯棱5c及第三弯棱5d中间的夹弓5f形成一个压力弓，及在第四弯棱5e上与弯曲端部5g一起实现夹紧。
通常，该专门构型的弹簧夹5被放置在半导体组件2的盆形弹簧夹接收座3e中，如图7中上半部分的俯视图所示，其中盆形弹簧夹接收座3e具有各个壁，它们可以伸出半导体组件2的壳体，如图7中下半部分中虚线所示，该专门构型的弹簧夹5最好在第一弯棱5b及第二弯棱5c附近变窄。由此可在各壁之间获得它的固定保持及当侧面作用力时可绕第一弯棱5b摆动并在其上接受夹紧力。
夹弓5f当然可以在其组装具有向内弯的形状或平滑的形状，其中在弯棱上的弯折或弯曲角必需相应地适配。
如同根据本发明的第一实施形式，在第五实施形式中可在冷却器1及半导体组件2的两个接触面之间施加导热胶和/或膜。
上述根据本发明的第五实施形式当然也可与根据本发明的其它实施形式相结合，其中不同形式的弹簧夹接收座3a、3b、3c、3d可任意地彼此组合或根据它们的布置可在半导体组件2及在冷却器1上彼此互换。
权利要求
1．用于至少一个半导体组件(2)的冷却器(1)，其特征在于至少设有一个第一弹簧夹接收座(3a,3b,3c)，用于各接收一个弹簧夹(4)，该弹簧夹使半导体组件(2)保持在冷却器(1)上。
2．根据权利要求1所述的冷却器(1)，其特征在于第一弹簧夹接收座将弹簧夹不可取下地保持在冷却器(1)上。
3．根据权利要求1所述的冷却器(1)，其特征在于弹簧夹与冷却器(1)构成整体。
4．根据权利要求1所述的冷却器(1)，其特征在于第一弹簧夹接收座(3a,3b,3c)将弹簧夹(4)可取下地保持在冷却器(1)上。
5．根据权利要求1至4中任何一项所述的冷却器(1)，其特征在于第一弹簧夹接收座(3c)由一个在冷却器(1)中展宽的槽构成，其中至少在夹持状态中保持弹簧夹(4)的一个端部，在该状态中半导体组件(2)借助弹簧夹(4)与冷却器(1)相连接。
6．根据权利要求1至4中任何一项所述的冷却器(1)，其特征在于第一弹簧夹接收座(3b)由一个凸缘构成，其上至少在夹持状态中保持弹簧夹(4)的一个端部，在该状态中半导体组件(2)借助弹簧夹(4)与冷却器(1)相连接。
7．根据权利要求1至4中任何一项所述的冷却器(1)，其特征在于第一弹簧夹接收座(3a)由一个台阶构成，其上至少在夹持状态中保持弹簧夹(4)的一个端部，在该状态中半导体组件(2)借助弹簧夹(4)与冷却器(1)相连接。
8．根据以上权利要求中任何一项所述的冷却器(1)，其特征在于对于一个待固定在冷却器(1)上所述的半导体组件(2)设置两个第一弹簧夹接收座(3a,3b,3c)。
9．可固定在一个冷却器(1)上所述的半导体组件(2)，其特征在于至少设有一个第二弹簧夹接收座(3d)，用于接收一个弹簧夹(4)，该弹簧夹将半导体组件(2)保持在冷却器(1)上。
10．根据权利要求9所述的半导体组件(2)，其特征在于第二弹簧夹接收座将弹簧夹不可取下地保持在半导体组件(2)上。
11．根据权利要求9所述的半导体组件(2)，其特征在于弹簧夹与半导体组件(2)构成整体。
12．根据权利要求9所述的半导体组件(2)，其特征在于第二弹簧夹接收座(3d)将弹簧夹(4)可取下地保持在半导体组件(2)上。
13．根据权利要求9至12中任何一项所述的半导体组件(2)，其特征在于第二弹簧夹接收座由一个在半导体组件(2)中展宽的槽构成，其中至少在夹持状态中保持弹簧夹(4)的一个端部，在该状态中半导体组件(2)借助弹簧夹(4)与冷却器(1)相连接。
14．根据权利要求9至12中任何一项所述的半导体组件(2)，其特征在于第二弹簧夹接收座由一个凸缘构成，其上至少在夹持状态中保持弹簧夹(4)的一个端部，在该状态中半导体组件(2)借助弹簧夹(4)与冷却器(1)相连接。
15．根据权利要求9至12中任何一项所述的半导体组件(2)，其特征在于第二弹簧夹接收座(3d)由一个台阶构成，其上至少在夹持状态中保持弹簧夹(4)的一个端部，在该状态中半导体组件(2)借助弹簧夹(4)与冷却器(1)相连接。
16．根据权利要求9至12中任何一项所述的半导体组件(2)，其特征在于第二弹簧夹接收座(3e)由一个侧面有限界的台阶构成，其上至少在夹持状态中保持弹簧夹(5)的一个端部，在该状态中半导体组件(2)借助弹簧夹(5)与冷却器(1)相连接。
17．根据权利要求16所述的半导体组件(2)，其特征在于第二弹簧夹接收座(3e)具有一个设在半导体组件(2)外侧的船舷状边缘(3f)，通过它至少在夹持状态中保持弹簧夹(5)的一个端部，在该状态中半导体组件(2)借助弹簧夹(5)与冷却器(1)相连接。
18．根据权利要求9至17中任何一项所述的半导体组件(2)，其特征在于对于一个待固定在半导体组件(2)上所述的冷却器设置两个第二弹簧夹接收座(3d)。
19．用于将一个冷却器(1)固定在一个半导体组件(2)上所述的弹簧夹(4,5)，其特征在于至少设有一个适配于相应所述的冷却器(1)的第一弹簧夹接收座(3a,3b,3c)和/或半导体组件(2)的第二弹簧夹接收座(3d,3e)的面，用于至少在夹持状态中自行保持在第一和/或第二弹簧夹接收座(3a,3b,3c,3d,3e)上，在该状态中半导体组件(2)借助弹簧夹(4,5)与冷却器(1)相连接。
20．根据权利要求19所述的弹簧夹(4,5)，其特征在于一个适配于相应的第一和/或第二弹簧夹接收座(3a,3b,3c,3d,3e)的面被这样地构型，即在它锁合后，可克服阻力产生解锁过程，或不破坏相应的第一和/或第二弹簧夹接收座从其上取下。
21．根据权利要求19或20所述的弹簧夹(5)，其特征在于这样地设有一个适配于第二弹簧夹接收座(3e)的平滑端面(5a)，即放入第二弹簧夹接收座(3e)所述的弹簧夹(5)自由地挂在半导体组件上并阻止它掉出。
22．根据权利要求19至21中任何一项所述的弹簧夹(5)，其特征在于设有一个第一弯棱(5b)，在锁合过程中弹簧夹(5)绕该弯棱摆动；及设有第二弯棱(5c)及第三弯棱，在它们中间构成一个压力弓，借助该压力弓可调节半导体组件(2)在冷却器(1)上的所需压力。
全文摘要
为了使半导体组件(2)固定在冷却器(1)上，借助一个或多个由弹簧材料作的夹、即弹簧夹(4)使半导体组件(2)与冷却器(1)夹持在一起。该固定最好通过弹簧夹(4)与冷却器(1)或与半导体组件(2)相互形状的匹配进一步地优化。弹簧夹与冷却器或与半导体组件的相应连接可这样有利地进行，即弹簧夹(4)可被放置在相应的弹簧夹接收座(3a,3b,3c,3d)上，并自行保持在冷却器(1)或半导体组件(2)上/中。
文档编号H01L23/40GK1316876SQ0111651
公开日2001年10月10日 申请日期2001年2月24日 优先权日2000年2月24日
发明者H·卡尔布雷克, R·约尔克, K·卡尼利斯, M·罗登克特, T·斯托尔策 申请人:欧佩克欧洲功率半导体股份有限两合公司