专利名称：半导体模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体才莫块。
背景技术：
如今，功率半导体使用在很多技术领域，例如工业自动化技术 中。为了可手动控制地制造相应的功率半导体或者利用其实现的电 路，该功率半导体通常集成到例如由塑料制成的壳体中。这种类型 的装置被称为半导体模块并且例如是继电器电路、电机起动器或者 类似装置。功率半导体在工作中引起了热损耗，该热损耗可能导致 其持续的变热，并且一旦所出现的热未被导散则导致了其被损坏。 损谆毛热的导散通常优选通过空气或者通过水冷系统来实现，该水冷 系统连接于功率半导体。为了热传导，相应的冷却系统尽可能好地 被按压到功率半导体上或者按压到与其热连接的部件上。这种类型
的位置通常是承载层，例如由陶瓷(DCB-direct copper bonding )制
成的印刷电赠4反。
已知在更为有效的导散热量时，例如在变流器中，功率半导体 和散热器彼此螺栓连接。例如通常四边形的印刷电路板利用螺钉拧 到在散热体上的每个角上。在此由于不均匀地拧紧螺钉而可能出现 在散热器和功率半导体之间的倾斜，这例如可能会导致印刷电路板 的断裂。此外可能会忘记螺钉或者错误地或完全没有拧紧螺钉。在 制造半导体模块时正确拧紧螺钉的最终控制流程是特别费事的。通 过将螺钉头安装在其支座(例如半导体^f莫块的塑料壳体)上，可能随时间的流逝而出现偏压损失，并且在散热器和印刷电路才反之间的 压力可能会不可靠地变低。此外，为了将散热器和功率半导体螺栓 连接，必须在散热器和印刷电路板中钻孔或切削螺紋。
对于较小功率的半导体，例如在PCs中的孩吏型处理器，同样已 知借助偏压弹簧将散热器偏压到半导体上。在安装时可能会忘记该
相应的偏压弹簧。为了使偏压弹簧起作用，通常不仅需要在散热器 上而且在半导体或半导体模块上也需要相应的容纳部，张紧夹子等 诸如此类在该容纳部上建立支持。在其制造时这需要额外的生产步骤。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种改善的紧压的具有散热器和功率 半导体的半导体才莫块。
该目的通过具有壳体的半导体模块来实现，其中在壳体中包含 功率半导体和散热器。该散热器处于与功率半导体热连接的散热面 上，并且用于通过散热面导散热损一4。该散热面自然还可以本身就
是功率半导体；这是很少见的情况，因为功率半导体(如上所述) 通常设置在支撑结构，例如印刷电路板上，而该印刷电路板具有散热面。
根据本发明，在半导体模块中设置弹簧部件，该弹簧部件支撑 在壳体和散热器之间，并且设置在散热器的远离于散热面的侧面 上，并且该弹簧部件向散热面偏压散热器。
在根据本发明的半导体模块中实现了借助于弹簧部件将散热 器按压到散热面上进而按压功率部件或功率半导体，除了散热器之 外，该弹簧部件并非支撑在功率半导体上而是支撑在壳体上。在此将弹簧部件支撑在壳体或散热器上不必是完全平坦的。因此该散热
器通过半导体冲莫块的壳体压靠在散热面上。由此该壳体承受在散热 器和功率半导体之间的偏压力。由于弹簧部件通常通过卡夹支撑在 散热器和壳体之间，所以散热器的机械加工是没有必要的。散热器 通常以才齐压法制造并且在相应的长度上完成。由此散热器的远离于 功率半导体的侧面通常是平坦的。由于弹簧部件通常支撑在平坦的 侧面上，所以在那里其他的加工是没有必要的。
因为螺接过程或者借助于弹簧夹的连接是不必要的，所以简化 了半导体模块的安装过程。螺钉或者弹簧夹可以不被遗忘。
在组装半导体模块时，弹簧部件通常嵌入壳体中，随后在壳体
和散热器之间通过组装剩余的壳体来按压或压紧。通过该简单的安
装存在有限的错误风险。通过快速的安装和节省单个部件(如螺钉 或弹簧夹)实现了费用节约。壳体与所嵌入的弹簧部件的组装通常
可以平移地实现，从而避免了在散热器和功率半导体之间的倾斜。
在半导体模块中部件数量被减少，特别是当弹簧部件大面积地 处于壳体或散热器上时，该半导体模块避免了上述的螺钉的偏压损 失。当弹簧部件被嵌入(即存在)时，该弹簧部件在适合的设计方 案中(例如板形或圓盘形)不可以铺，误地嵌入，由于该质量控制局 限于弹簧部件的存在，所述该简化的质量控制在安装半导体模块之
后是可行的。
在此该弹簧部4牛可以在本发明的第 一 实施例中i殳计为单独的 部件。而适合的弹簧部件可以;故安置或替4灸。
弹簧部件可以是弹簧，尤其是盘簧或板簧。这种类型的弹簧部 件廉价地作为批量产品使用。该弹簧部件可以是弹性体部件(Elastomerelement )。通过弹性 材料相应的选择和构成，高弹压力例如可相对地利用四螺栓连接件 来实现。此外通过弹性部件的弹性可以在足够的才齐压力时来补偿半 导体模块的较大的几何公差。
弹性部件可以板形地设计。由此该弹性部件特别有效地抵靠在 散热器或壳体上。
在本发明的第二可选实施例中，弹簧部件还可以与壳体集成地 设计。当该弹性部件就其本身而言是预制的单独的部件(例如弹簧) 时，该弹簧部件在此可以例如通过注入法集成在壳体中。弹簧部件 还可以直4妄i也在壳体上成型。
该弹簧部件可以是壳体的弹性的局部结构。由此，例如在壳体
上对着其内侧面，即存在指向散热器的小块、凸泡或变形体。弹簧 部件的弹簧特性或者散热器在散热面上的按压可以通过壳体材料
的弹性以及通过例如相应形状的几何结构来提供。
该壳体可以具有用于在偏压弹簧部件的情况下装配半导体模 块的卡锁装置。该弹簧部件例如嵌入该壳体中，散热器设置在该弹 簧部件上，而后为了装配半导体模块，该功率才莫块或者相应的第二 壳体部件大体上抵压到壳体上，即在压缩弹簧部件的情况下形成相 应的偏压，其中卡锁装置首先在偏压状态中才卡锁。
相应的定^f立才几构可以通过手动;l也装配壳体或利用4齐压装置的 挤压来实现用于较高的弹压力。
该卡锁装置还可以接合到半导体模块的承载功率半导体的局 部结构或部件中。这种类型的局部结构例如是预安装的功率部件， 该功率部件包括半导体、印刷电路板和壳体(上)部分。该卡锁装置还可以接合到承载结构(例如印刷电路板)中或者直接地接合到 功率半导体中。
该壳体还可以具有用于在偏压弹簧部件的情况下装配半导体 模块的螺栓连接件。该螺栓连接件以相同的方式代替或补充上述定
位机构。
参照示意图中的实施例进一步描述本发明。其分别以示意性原
理图示出
图1以横截面图示出了具有作为弹簧部件的弹性部件的半导体模块。
图2以可选实施例示出了根据图1的半导体冲莫块，该优选实施 例具有形成在壳体上的4齐压4仑廓。
图3示出了用于图1中弹性部件的力轨迹图表。
具体实施例方式
图1示出了半导体模块2，该半导体模块包括功率部件4、散 热器6和散热器壳体8。印刷电路板10与在其上安装的功率半导体 12 —起形成实际上的功率半导体电路14。该电路14例如通过卡锁 件(未示出)与壳体上部部件16连4妄，以i"更与壳体上部部件一起 形成功率部件4。
该散热器6包括散热板18和在该散热板上一体形成的肋条20。 散热板18利用散热器的上侧面22抵靠在印刷电路板10的下侧面 24上，该下侧面为用于功率半导体12的散热面。在两个侧面之间敷设导热膏(未示出)。半导体12的热损耗通过印刷电路板10传 递到散热才反18进而传递到散热肋条20，冷却空气流经该散热肋条。 在散热器6和散热器壳体8之间在其底座32上压装弹性^反34。
散热器壳体8基本上具有用于功率部件4进入的、向上敞开的 长方形六面体的形状，并且在图1中示出的横截面为U形。该散热 器壳体8具有多个凹槽26，该凹槽用于与止动稍28接合，该止动 稍又形成在壳体上部部^f牛16上。
在图1中以完成安装状态示出了半导体模块2，在安装中如下 进行首先，沿着箭头30的方向将弹性板34嵌入到仍然空的散热 器壳体8中安装到底座32的内侧面上。然后将具有在前的散热肋 条20的散热器6同样沿着箭头30的方向嵌入到散热器壳体8中。 而后上侧面22涂敷有导热膏，并且预先安装的壳体上部部件16利 用印刷电路板10的下侧面24前置地安装到散热器6上。该弹性板 34还未压缩且具有厚度dQ。在目前的情况下，该止动稍28还未与 凹槽26接合，由于该壳体上部部件16相反于箭头30的方向从散 热器壳体8中凸出。那么通过在箭头30的方向上将力施加到壳体 上部部^f牛16上，功率部4牛4与散热器6 —起在底座32的方向上4皮 按压，进而压缩弹性板34，从而其厚度由初始值dQ以路径s = do -山 而降^f氐到压缩;洛径山。那么止动稍28卡入凹槽26中。
弹性部件支撑在底座32和散热肋条20或其下侧面36之间且 在那里分别产生弹压力，该弹压力还分别在散热器6、印刷电路才反 10、壳体上部部件16或止动稍28和散热器壳体8或凹槽26之间 起作用。因此，特别是散热板18相对于印刷电路板10偏压于散热面。图3以力4九迹图表示意性示出了用于弹性才反34的曲线52。在 横坐标上提供了压缩路径s，即在图1中do和山之间的差，并且在 》从坐标上才是供了由弹性^反34向回施加的力F。
半导体模块2的几何尺寸如此设计，即根据图l在完成安装的 状态下，弹性板相对于初始厚度d。压缩了 sQ。由此在散热板18和 印刷电路板10之间产生了弹压力F。，这确保了足够的导热。在半 导体模块2中的构件公差如此设置，即在极端情况下，弹性板34
从厚度4开始以Smin压缩。在图3中由此产生相对于Fmin的最小的 弹压力。在相反设置的最大公差位置中以Sm狀形成弹性板34的压 缩，这导致了弹压力Fmax。通过弹性才反34，几句V厶差AS还可以在 较宽的范围As二Sm狀-Smin中来补偿，而没有在此引起在半导体模块 2中不净皮允许的j氐或高的弹压力。
图2示出了在其他方面与图l构造相同的半导体模块2的可选
实施例。图2示出了图i中沿着线n-ii的截面，其中图i示出了穿
过图2沿着线I-I的截面。由此在图2中还示出了形成在散热器壳 体8上的安装结构72,该安装结构用于将半导体模块2例如固定在 配电箱中。图1中的弹性板34在图2中通过对着散热器壳体8的 内部的、在散热器壳体8的底座32中的凸泡70来代替。凸泡70 在此通过散热器壳体8的材料(例如塑料)的自由切削及变形嵌入 该散热器壳体中，并且沿着箭头30的方向被弹压。根据本发明的 弹簧部件在此与散热器壳体8集成地设置。
凸泡70分别通过散热肋条20支撑在多个位置处。通过凸泡70 的相应的几何设计方案或者通过散热器壳体8的材料选择可以实现 相应于图3中用于该凸泡的曲线52的力4九迹特;江曲线。在图2中 还示出了 ，散热器6从在箭头74的方向上延伸的挤压侧面被分割。 由此，上侧面22和下侧面36在箭头74的方向上从制造起已经就 是平坦的。此外在图2中与图l相比，由止动稍28和凹槽26形成的卡接 通过未进一步阐述的螺栓连接件76 ( Verschraubung )来代替，该螺 才全连接件相对于散热器壳体8在箭头30的方向上下压壳体上部部 件16,进而将凸泡70压缩至厚度d!。
权利要求
1.一种具有壳体(8、16)的半导体模块(2)，包含功率半导体(12)；一体散热器(6)，所述散热器抵靠在与所述功率半导体(12)热连接的散热面(24)上，并且用于导散热损耗；以及弹簧部件(34、70)，所述弹簧部件支撑在所述壳体(8、16)和散热器(6)之间，且设置在所述散热器(6)的远离于所述散热面(24)的侧面(36)上，且向所述散热面(24)偏压所述散热器(6)。
2. 根据权利要求1所述的半导体模块(2)，其特征在于，具有所 述弹簧部件(34、 70),所述弹簧部件设置在所述壳体(8、 16) 和散热器(6)之间且设计为单独的部件。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体模块(2 ),其特征在于，其 中所述弹簧部件(34、 70)是弹簧，尤其是盘簧或板簧。
4. 根据权利要求1或2所述的半导体模块(2 )，其特征在于，其 中所述弹簧部件(34、 70)是弹性体部件(34)。
5. 根据权利要求4所述的半导体模块(2)，其特征在于，其中所 述弹簧部件(34、 70)是板形的。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2 ),其特征在 于，所述半导体模块具有与所述壳体(8、 16)集成设计的所 述弹簧部件(34、 70)。
7. 根据权利要求6所述的半导体模块(2 ),其特征在于，其中所 述弹簧部件(34、 70)是所述壳体(8、 16)的弹性局部结构(70 )。
8. 根据权利要求7所述的半导体模块(2 ),其特征在于，其中所 述弹簧部件(34、 70)是所述壳体(8、 16)的指向所述散热 器(6)的凸泡(70)。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2 ),其特征在 于，所述壳体(8、 16)具有用于在偏压所述弹簧部件(34、 70 )的情况下装配所述半导体模块(2 )的卡锁装置(26、 28 )。
10. 根据权利要求9所述的半导体模块(2),其特征在于，其中所 述卡锁装置(26、 28)咬合到所述半导体模块(2)的承载所 述功率半导体(12)的部件(4)上。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2 )，其特征在 于，其中所述壳体(8、 16)具有用于在偏压所述弹簧部件(34、 70)的情况下装配所述半导体模块(2)的螺栓连接件(76)。
全文摘要
一种具有壳体的半导体模块，包含功率半导体；散热器，该散热器抵靠在该功率半导体上，并且用于导散热损耗；以及弹簧部件，该弹簧部件支撑在该壳体和散热器之间，且设置在该散热器的远离于该功率半导体的侧面上，且向该功率半导体偏压该散热器。
文档编号H01L23/40GK101286485SQ20081008966
公开日2008年10月15日 申请日期2008年4月11日 优先权日2007年4月12日
发明者马库斯·迈尔 申请人:西门子公司