包括基底和负载电流端子元件的功率半导体装置的制作方法

本发明涉及一种包括基底和负载电流端子元件的功率半导体装置。

背景技术：

de102014104308b3公开了一种功率半导体装置系统，其中多个功率半导体装置以一个堆叠在另一个上的方式布置。各个功率半导体装置具有连接到基底的导电负载电流端子元件。这样的功率半导体装置系统构造非常紧凑，且由于这一点而具有非常小的空间要求。

de102009057146a1公开了一种功率半导体装置，包括功率半导体元件，包括压力装置，负载电流端子元件，包括冷却装置和基底，其中将负载电流端子元件压在基底上，从而引起负载电流端子元件与基底的导电压力接触。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种功率半导体装置，其负载电流端子元件以可靠的方式导电地连接到功率半导体装置的基底。特别是，该功率半导体装置旨在能够实现功率半导体装置系统的简单实现，该功率半导体装置系统具有至少两个依照本发明的功率半导体装置，所述功率半导体装置以一个位于另一个上面的方式布置。

该目的通过一种功率半导体装置来实现，该功率半导体装置包括基底，包括布置在基底上并导电连接至基底的多个功率半导体元件，包括多个导电负载电流端子元件，包括冷却装置，所述基底布置于所述冷却装置上，包括压力装置，压力装置分别具有压力元件，所述压力元件布置成可以在基底的法线方向上移动，以及布置在所述压力元件和指定的负载电流端子元件之间的弹性变形元件，其中所述压力元件通过所述弹性变形元件将所述指定的负载电流端子元件压在所述基底的导电接触区域上，从而引起指定的负载电流端子元件与基底的导电压力接触。

本发明的优选实施例在如下方案中进行说明。

如果该功率半导体装置具有压力元件插座装置，压力元件插座装置具有用于接收压力元件的第一插座装置，其中相应压力元件的至少一部分布置在相应的第一插座装置中，这被证明是有利的。压力元件的移动自由由第一插座装置限制。

此外，如果第一容器装置和压力元件具有一构造，使得第一容器装置通过第一容器装置与压力元件的正向锁合接合来限制压力元件垂直于在基底的法线方向移动，这被证明是有利的。实现的结果是，压力元件被布置成基本上仅能在基底的法线方向上移动，特别是仅能在基底的法线方向上移动。在这种情况下，通过压力元件与第一插座装置的正向锁定接合的移动限制优选非常早地已发生，使得第一插座装置通过压力元件与第一插座装置的正向锁定接合，阻止压力元件垂直于基底的法线方向上的移动。

另外，如果第一插座装置分别具有在其背离基底的侧面的开口，通过所述开口，压力元件的一部分分别在基底的法线方向移动，其中第一插座装置和压力元件具有一构造，使得通过压力元件与第一插座装置的正向锁定接合，压力元件在基底的法线远离基底的方向上的移动被限制，这被证明是有利的。实现的结果是，压力元件可靠地布置在插座装置中。因此，压力元件沿垂直于基底的法线方向远离基底的移动仅可能达到特定的限度，在此之后通过压力元件与第一插座装置的正向锁定接合，压力元件在基底的法线方向远离基底的进一步移动被阻止。而且，结果是，弹性变形元件可以通过插座装置进行预加应力，例如至少进行微小地压缩，进而结果是产生相应指定的负载电流端子元件与基底的导电压力接触。

此外，如果压力元件分别具有压力主元件和在远离所述基底的方向上从压力主元件突出的销，其中背离压力元件的销的压力主元件的底面在基底的法线方向上压在弹性变形元件上，由此压力元件是以特别简单的方式被实施，这被证明是有利的。

此外，如果压力元件以材料接合的方式，或以力锁合和/或正向锁合的方式，连接到所述弹性变形元件，那么压力元件与弹性变形元件一起形成一结构单元，能够使功率半导体装置有效率地生产，这被证明是有利的。

此外，如果弹性变形元件是弹簧，特别是螺旋形弹簧，或者是弹性体，特别是交联硅橡胶，橡胶泡沫或塑料泡沫，由此弹性变形元件能够被有效率地产生，这被证明是有利的。

就这种情况而言，如果弹性变形元件是螺旋形弹簧，其中螺旋形弹簧的最外侧线圈具有至少一个无节距的部分，最外面的线圈布置在面向指定的负载电流端子元件的螺旋弹簧的端部处，其中面向指定的负载电流端子元件的所述部分的表面以一平面形式实现，这被证明是有利的。结果是，在螺旋弹簧相对较大的区域上，螺旋弹簧均匀地对负载电流端子元件施力。

此外，如果压力装置分别具有一布置在所述弹性变形元件和所述指定的负载电流端子元件之间的中间元件，其中所述压力元件通过所述弹性变形元件和所述中间元件将所述指定的负载电流端子元件压在所述基底的导电接触区域上，这被证明是有利的。凭借中间元件，由弹性变形元件传递的力可以分布在一特定机械接触区域上，通过该机械接触区域，中间元件与指定的负载电流端子元件具有一机械接触，其中机械接触区域的形状和面积由中间元件的几何形状决定。

就这种情况而言，如果中间元件以材料接合的方式，或以力锁合和/或正向锁合的方式，连接到所述弹性变形元件，这被证明是有利的。中间元件与弹性变形元件组合在一起(如果合适的话，还可以额外地和压力元件一起)形成一结构单元，能够使功率半导体装置特别有效地生产。

另外，如果中间元件具有中间主元件和在基底的法线方向上从中间主元件突出的销，其中中间元件的销在基底的法线方向上压向所述指定的负载电流端子元件，这被证明是有利的。依靠中间元件的销，由弹性变形元件传递的力能够分布在一特定机械接触区域上，通过该机械接触区域，该销与指定的负载电流端子元件具有一机械接触，其中该机械接触区域的形状和面积由销的几何形状决定。

此外，如果在多个压力装置的至少在一部分情况下，直接相邻布置的压力元件被集成在一起，这被证明是有利的。结果是，功率半导体装置的生产所需的各个部分部件减少了。

此外，如果压力元件分别具有压力主元件和在远离所述基底的方向上从压力主元件突出的销，其中背向销的所述压力主元件的底面在基底的法线方向上压在弹性变形元件上面，其中，在多个压力装置的至少在一部分的情况下，直接相邻配置的压力元件的销具有不同的高度，这被证明是有利的。结果是，例如如果负载电流端子元件以一个位于另一个的方式布置，则可以补偿压力元件和相关负载电流端子元件之间的合成的不同距离，从而相同的压力可以施加在相关的负载电流端子元件上。

此外，如果负载电流端子元件具有在基底的法线方向上移动的基底端子元件，通过该基底端子元件，影响负载电流端子元件与基底的导电压力接触，其中压力装置分别与所述负载电流端子元件的区域有一机械接触，该区域布置成直接临近所述基底端子元件，这被证明是有利的。结果是，压力以有目的的方式被引入到负载电流端子元件的区域，与该区域直接相邻地，负载电流端子元件与基底的导电压力接触被影响，从而分别形成特别可靠的导电压力接触，且作用在负载电流端子元件上的转矩由于压力而减小。

此外，一个包括依照本发明的第一和第二功率半导体装置的功率半导体装置系统被证明是有利的，其中第二功率半导体装置被布置在第一功率半导体装置上，其中，面向第一功率半导体装置的压力元件的、第二功率半导体装置的冷却装置的外侧在第一功率半导体装置的基底的方向上压在第一功率半导体装置的压力元件上。这使得能够简单地实现一种功率半导体装置系统，其具有至少两个依照本发明的功率半导体装置，一个功率半导体装置布置在另一个功率半导体装置上。

附图说明

在下文中，参照附图对本发明的示例实施例进行更详细地解释说明，其中

图1是包括依照本发明的功率半导体装置的功率半导体装置系统的透视截面图，

图2是依照本发明的功率半导体装置的透视截面图，其中图1中所示的压力元件插座装置未示出，

图3是图2的局部视图，

图4是依照本发明的功率半导体装置的负载电流端子元件和压力元件的透视图，

图5是压力装置的前视图，

图6是压力装置的另一个实施例的透视图，以及；

图7是压力装置的另一实施例的透视图。

具体实施方式

图1示出功率半导体装置系统12的透视截面图，该功率半导体装置系统12具有依照本发明的功率半导体装置1和1′，一个功率半导体装置布置在另一个功率半导体装置上面。功率半导体装置1和1″以一个堆叠在另一个上面的方式布置。图2示出依照本发明的功率半导体装置1的透视截面图，其中未示出图1所示的功率半导体装置1的压力元件插座装置8。图3示出图2的局部视图。图4示出依照本发明的功率半导体装置1的负载电流端子元件5，5′，5″和压力装置4的透视图。功率半导体装置系统12的功率半导体装置1和1″优选相同地实现。应当注意，功率半导体装置系统12可以具有最少两个依照本发明的功率半导体装置，当然，可以具有比所示的依照本发明的功率半导体装置1和1′更多的依照本发明的功率半导体装置，一个功率半导体装置布置在另一个功率半导体装置上面。

接下来，为了简明起见，基本上仅参照功率半导体装置1进行描述。该描述也同样地适用于功率半导体装置1′。

应当注意，在示例实施例的情况中，通过功率半导体装置1，dc电压被转化成单相或三相ac电压，或者单相或三相ac电压被整流为dc电压。

依照本发明的功率半导体装置1具有一基底6，在基底6上布置有导电连接至基底6的多个功率半导体部件11。该相应的功率半导体部件11优选为功率半导体开关或二极管的形式。在这种情况下，功率半导体开关通常以晶体管的形式出现，例如，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)，或以晶闸管的形式。基底6具有一绝缘体6b(例如陶瓷体)和一导电结构化的第一导电层6a，该导电结构化的第一导电层6a布置在绝缘体6b的第一侧上并连接到绝缘体6b，并基于其结构形成导电接触区域6a′。优选地，基底6具有一有导电的，优选非结构化的，第二导电层6c，其中绝缘体6b布置在结构化的第一导电层6a和第二导电层6c之间。在实施例中，基底6可以例如以铜直接键合基底(dcb基底)的形式或以绝缘金属基底(ims)的形式出现。功率半导体部件11优选地以材料接合的方式(例如通过焊料层或烧结层)连接到基底6的指定导电接触区域6a′。

而且，功率半导体装置1具有多个导电负载电流端子元件5，5′和5″，导电负载电流端子元件5，5′和5″在功率半导体装置1的操作期间承载负载电流。各个负载电流端子元件5，5′和5″可以集成实现(如在实施例中)或以分成多部分的方式实现。基底6通过负载电流端子元件5，5′和5″导电地连接到功率半导体装置1的电气端子40。在这种情况下，流过负载电流端子元件的负载电流通常具有一高电流强度，这与用于驱动功率半导体元件的控制电流相反，例如，如果功率半导体部件是功率半导体开关时。在示例实施例的情况中，第一负载电流端子元件5是作为在功率半导体装置1的操作期间具有ac电压电位的负载电流端子元件，和第二负载电流端子元件5′和5″是作为在功率半导体装置1的操作期间具有dc电压电位的负载电流端子元件。就这种情而言，负载电流端子元件5′具有正电压电位，同时负载电流端子元件5″具有负电压电位，或相反亦然。负载电流端子元件5′和5″通过电绝缘材料(例如交联硅橡胶)彼此以电绝缘的方式布置。

功率半导体装置1还包括一冷却装置2，基底6布置于冷却装置2上。在这种情况下，基底6可以通过布置在冷却装置2和基底6之间的烧结层或焊料层材料接合至冷却装置2。或者，可以在基底6和冷却装置2之间配置导热浆料。在实施例的情况中，冷却装置2包括具有一液体主散热器2b和一部分散热器2a，液体主散热器2b具有一开口2e，部分散热器2a布置在开口2e区域里，在部分散热器2a上还布置有冷却装置2的金属板2d。液体通道2c布置在冷却装置2的散热器底板2f和部分散热器2a之间。液体主散热器2a与部分散热器2b，金属板2d和散热器底板2f一起形成液体散热器(例如水散热器)。或者，冷却装置2也可以是空气散热器。冷却装置2可以集成实现或以多部分的方式实现(例如如实施例所示)。

此外，功率半导体装置1具有压力装置4，该压力装置4分别具有一压力元件4a，该压力元件4a布置成可在基底6的法线n方向上移动；以及弹性变形元件4b，其布置在压力元件4a和指定给压力装置4的负载电流端子元件5，5′或5″中间，其中压力元件4a通过弹性变形元件4b将指定的负载电流端子元件5，5′或5″压在基底6的导电接触区域6a′，并且，结果是引起指定的负载电流端子元件5，5′或5″与基底6的导电压力接触。例如，如图4所示，负载电流端子元件，这里特指负载电流端子元件5，也可以指定给多个压力装置4。优选地，压力元件4a由塑料构成。

结果是，实现了负载电流端子元件与功率半导体装置1的基底6的可靠的导电压力接触。

在最简单的情况下，如果压力装置4相对于地球的中心而言布置在负载电流端子元件5上方，压力装置4借助必要的压力能够将相应的负载电流端子元件5压在基底6的相应导电接触区域6a上，该必要的压力凭借重力产生，该压力将压力装置4压在相应的负载电流端子元件5上，从而压到基板6的相应的导电接触区域6a。

优选地，负载电流端子元件5，5′或5″具有至少一个基底端子元件5a，其在基底6的法线n的方向上移动，并且通过该基底端子元件5a影响所指定的负载电流端子元件5，5′或5″与基底6的导电压力接触，其中相应的压力装置4分别有与所指定的负载电流端子元件5，5′或5″的区域5a′的机械接触，该区域5a′布置与基底端子元件5a直接相邻近(参见图3和图4)。结果是，压力以有目的的方式被分别引入到负载电流端子元件5，5′和5″的那些区域上，与那些区域直接相邻地，负载电流端子元件5，5′和5″与基板6的导电压力接触会受到影响，使得分别地形成特别可靠的导电压力接触，并且由于这个压力，使作用在负载电流端子元件5，5′和5″的力矩减小。

优选地，功率半导体装置1具有一压力元件插座装置8，压力元件插座装置8具有用于接收压力元件4a的第一插座装置8a，其中相应的压力元件4a的至少一部分布置在相应的第一插座装置8a中。优选地，第一插座装置8a和压力元件4a具有一构造，使得通过将压力元件4a与第一插座装置8a的正向锁定接合，第一插座装置8a限制压力元件4a在垂直于基底6的法线n方向上的移动。优选地，第一插座装置8a分别具有在其背向基底6的侧面8a′上的开口8a″，通过该开口，压力元件4a的一部分4a″可以分别地在基底6的法线n方向上移动。第一插座装置8a，特别是开口8a″，优选地形成用于使相应的压力元件4a在基底6的法线n方向上移动的引导件。压力元件插座装置8，优选地直接或间接地通过螺钉连接到冷却装置2，例如通过至少一个机械插入元件连接。压力元件插座装置8，优选地成为功率半导体装置1壳体部分的集成部分。

图5至图7示出了压力装置4的多种实施例。图6和图7示出了在每种情况下两个彼此连接的压力装置4，或者如虚线所示，可彼此分离。

优选地，压力元件4a分别具有一压力主元件4a′和在远离基底6的方向上从压力主元件4a突出的一销4a″，其中在基底6的法线n方向，压力主元件4a背离销4a″的侧表面4c压在弹性变形元件4b上。

优选地，压力元件4a以材料接合的方式，或以力锁合(force-locking)和/或正向锁合(positivelylocking)的方式，连接到所述弹性变形元件4b，使得压力元件与弹性变形元件一起形成一结构单元，能够使功率半导体装置1有效率地生产。

优选地，弹性变形元件4b是弹簧，特别是如图1至图6所示的螺旋弹簧4b。弹簧优选地由钢制成。螺旋弹簧4b的最外面的线圈4b′，，优选地具有无节距的至少一个部分4b″，其中面向指定的负载电流端子元件5，5′或5″的所述部分4b″的表面4b″以一平面方式实现，所述最外面的线圈布置在面向指定的负载电流端子元件5，5′或5″的螺旋弹簧4b的端部e1(参见图5)处。其结果是，在螺旋弹簧4b的相对较大的区域上，螺旋弹簧4b均匀地向负载电流端子元件5，5′或5″上引入力。螺旋弹簧4b的布置在螺旋弹簧4b的背离所指定的负载电流端子元件5，5′或5″的端部e2处的最外面的线圈同样可以具有至少一个无节距的部分，其中，所述部分的背离所指定的负载电流端子元件5，5′或5″的表面同样地以一平面方式实现。

如图7中的示例所示，弹性变形元件4b还可以是弹性体，尤其是交联硅橡胶，橡胶或塑料泡沫。

相对于以弹性体构成的弹性变形元件4b，由钢构成的弹簧(特别是由钢制成的螺旋弹簧)作为弹性变形元件4b的实施例具有优点，钢弹簧可以比有长期稳定性和热稳定性的弹性体传递更大的压力。

优选地，弹性变形元件4b与所指定的负载电流端子元件5，5′或5″具有一机械接触。

如图6和图7中的示例所示，压力装置4也具有布置在弹性变形元件4b和所指定的负载电流端子元件5，5′和5″之间的中间元件9，其中，压力元件4a通过弹性变形元件4b并通过中间元件9将指定的负载电流端子元件5，5′和5″压在基底6的导电接触区域6a上。通过中间元件9，由弹性变形元件4b传递的力可以分布在一特定的机械接触区域上，通过该机械接触区域，中间元件9与所指定的负载电流端子元件5，5′或5″具有一机械接触，其中机械接触区域的形状和尺寸由中间元件9的几何形状确定。如图6和图7中的示例所示，中间元件9具有一中间主元件9′，且还具有从中间主元件9′向基底6的方向突出的销9″，其中中间元件9的销9″在基底6的法线n方向上压在指定的负载电流端子元件5，5′和5″上。优选地，中间元件9由塑料构成。

优选地，中间元件9以材料接合的方式，或以力锁合和/或正向锁合的方式，连接到所述弹性变形元件4b，使得中间元件9与弹性变形元件4b一起形成一结构单元。如果适合的话，中间元件9、弹性变形元件4b和压力元件4a可以形成一结构单元。这使得功率半导体装置1能够有效率地生产。

优选地，压力元件4a和中间元件9由塑料制成。

如图2，图4，图6和图7中的示例所示，至少在多个压力装置的一部分的情况下，直接相邻设置的压力元件4a可以被集成在一起。为此，直接相邻布置的压力元件4a优选地通过第一连接板50与另一个连接。在示例实施例的描述中，负载电流端子元件5′和5″直接相邻地布置。

此外，如图6和图7中的示例所示，至少在多个压力装置的一部分的情况下，直接相邻设置的中间元件9可以被集成在一起。为此，直接相邻布置的中间元件9优选地通过第二连接板51与另一个连接。

直接相邻布置的压力元件4a的销4a″可以具有不同的高度h1，如图4中的示例所示。或者或另外，直接相邻布置的中间元件9的销9″可以具有不同的高度h2，如图7中的示例所示。结果是，例如如果负载电流端子元件5′和5″如在实施例中所示布置成一个位于另一个之上，则可以补偿压力元件4a与负载电流端子元件5′和5″之间的合成的不同距离，使得相同的压力施加在负载电流端子元件5′和5″上。

优选地，功率半导体装置1具有第二插座装置20，该第二插座装置布置在负载电流端子元件5，5′和5″上，并用于接收弹簧4b或中间元件9的销9″，其中相应的弹簧4b的至少一个部分，或相应的中间元件9的相应的销9″布置在相应的第二插座装置20中。第二插座装置20优选地由弹性体形成，特别是由交联硅橡胶形成。通过使用由钢构成的弹簧4b，各个弹簧4b与直接相邻各弹簧4b的导电元件之间的漏电路径增加。应当注意的是，在图2和图4中的两个最前面的负载电流端子元件5′和5″示出的情况下，第二插座装置20未示出在图2和图4中。

在下文中，功率半导体装置1被指定为第一功率半导体装置1，功率半导体装置1′被指定为第二功率半导体装置1′。

在实施例中，如图1中的示例所示，功率半导体装置系统12具有根据本发明的第一功率半导体装置1和根据本发明的第二功率半导体装置1′。第二功率半导体装置1′布置在第一功率半导体装置1上。面向第一功率半导体装置1的压力元件4a的、第二功率半导体装置1′的冷却装置2′的外侧2h′在第一功率半导体装置1的基底6的方向上压在第一功率半导体装置1的压力元件4a上。因此，通过第一功率半导体装置1的相应的弹性变形元件4b，第一功率半导体装置1的相应压力元件4a将第一功率半导体装置1的指定的负载电流端子元件5，5′或5″压向第一功率半导体装置1的基底6的导电接触区域6a′，从而引起第一功率半导体装置1的指定的负载电流端子元件5，5′或5″与第一功率半导体装置1的基底6的导电压力接触。

各个功率半导体装置1，1′，特别是各个功率半导体装置1和1′的冷却装置2和2′，具有通孔14，。诸如螺钉或螺纹杆的压力产生装置30被引导通过该通孔，通过压力产生装置30功率半导体装置1和1′被螺纹固定在一起，并且功率半导体装置1和1′彼此压紧，从而各个功率半导体装置的冷却装置的相关外侧压向相邻布置的各个功率半导体装置的压力元件。通过压力装置4，用于负载电流端子元件5，5′和5″与基底6的压力接触的、压力产生装置30产生的压力分布在负载电流端子元件5，5′和5″上。

应当注意的是，在图1中，第二功率半导体装置1′的压力元件4a和弹簧4b示出了一状态，如果有根据本发明的第三功率半导体装置被布置在第二功率半导体装置1′上，所述第三功率半导体装置的冷却装置在第二功率半导体装置1′的基底6的方向上按压第二功率半导体装置1′的压力元件4a。如果如图1所示不存在根据本发明的第三功率半导体装置，则第二功率半导体装置1′的弹簧4b会在远离第二功率半导体装置1′的基底6的方向挤压第二功率半导体装置1′的压力元件4a，从而远离第二功率半导体装置1′的基底6，直到第二功率半导体装置1′的压力元件4a，特别是停止元件4a″′(参见图5)，撞到在开口8a′的区域中的第二功率半导体装置1′的第一插座装置8a，并且压力元件4a的销4a″将从开口8a′处突出的比图1所示的更多。

优选地，压力元件4a，弹性变形元件4b和第一插座装置8a以相对于彼此成比例的方式实施，从而使得如果没有通过外部元件将压力在基底6方向上施加在压力元件4a上时，插座装置8a已对弹性变形元件4b预先施加力(例如至少将其稍微压缩)，使得通过弹性变形元件4b，所指定的负载电流端子元件5，5′和5″被压在基底6的导电地接触区域6a上，结果引起指定的负载电流端子元件5，5′和5″与基板6的导电压力接触。

应当注意的是，本发明的不同实施例的特征可以以任何所期望的方式相互组合，只要这些特征不相互排斥。