專利名稱：與功率半導(dǎo)體模塊形成壓力接觸的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述了一種與非常緊湊的功率半導(dǎo)體模塊形成壓力接觸的結(jié)構(gòu)。DE 19630173C2或DE 19924993C2公開了這種相對于其結(jié)構(gòu)尺寸具有高功率的功率半導(dǎo)體模塊的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，這種功率半導(dǎo)體模塊正是本發(fā)明的出發(fā)點。
背景技術(shù)：
DE19630173C2公開了一種用于直接安裝在冷卻裝置上的功率半導(dǎo)體模塊，它由一個外殼和一個電絕緣的基板構(gòu)成，基板由其上具有多根相互絕緣的金屬導(dǎo)電條的絕緣材料體和位于絕緣材料體上并與這些導(dǎo)電條形成電路連接的功率半導(dǎo)體元件組成。與外殼外部的電路板的導(dǎo)電條的外部電氣連接借助于接觸彈簧來實現(xiàn)。
功率半導(dǎo)體模塊還具有至少一個中心孔，用于實現(xiàn)與冷卻體的螺釘連接。此孔與電路板背對功率半導(dǎo)體模塊一側(cè)上設(shè)置的并且在此側(cè)面上平放的形狀固定的壓塊一起用于模塊的壓力接觸。這種壓力接觸同時滿足兩項任務(wù)一方面實現(xiàn)連接件與電路板可靠的電接觸，另一方面實現(xiàn)模塊與冷卻體的熱接觸，這里兩個接觸都是可逆的。
現(xiàn)有技術(shù)下功率半導(dǎo)體模塊的缺點在于，已知的壓塊不允許在電路板被其遮蓋的部分上設(shè)置其它元件，如電阻、電容或集成電路等。此外存在至少一個用于實現(xiàn)螺釘連接的孔也是具有缺點的。它限制了功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)部用于有效元件的面積。
例如DE 19924993C2公開了一種功率半導(dǎo)體模塊，其中功率半導(dǎo)體模塊與電路板之間的連接由焊腳實現(xiàn)。這些焊腳被用作功率半導(dǎo)體元件在功率模塊內(nèi)部與電路板上的導(dǎo)電條之間電氣連接的控制連接件和負載連接件。此功率半導(dǎo)體模塊從而可以直接與電路板連接，也可以像DE 19924993所公開的那樣借助一個適配電路板與電路板連接。在功率半導(dǎo)體模塊與冷卻體之間的熱接觸借助于螺釘連接與電接觸無關(guān)地形成。
這種功率半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)的缺點在于，為了將模塊集成到一個安裝結(jié)構(gòu)中需要兩種不同的連接工藝(螺釘連接和焊接，它們必須在多個工序中進行)。一個主要的缺點在于，不能保證在長的使用期內(nèi)焊接連接的接觸可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于給出一種由一塊電路板、一個功率半導(dǎo)體模塊和一個冷卻裝置組成的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以簡單而廉價地生產(chǎn)，并具有非常高的緊湊性。
上述任務(wù)由權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)完成，特殊的設(shè)計在從屬權(quán)利要求中給出。本發(fā)明的思路出發(fā)點在于功率半導(dǎo)體模塊直接安裝在冷卻體上，其中功率半導(dǎo)體模塊具有一個框式的絕緣塑料外殼。此外該塑料外殼具有一個最好與外殼形成一個整體相連接的第一蓋板。第二蓋板由一基板構(gòu)成，此基板由一個絕緣層和至少一個設(shè)置在其上的金屬層構(gòu)成，此金屬層面對著功率半導(dǎo)體模塊。此金屬層可在其中進行構(gòu)造，從而形成至少一根功率半導(dǎo)體模塊的導(dǎo)電條。在這些/這個導(dǎo)電條上設(shè)置至少一個功率半導(dǎo)體元件，并且此元件與其它導(dǎo)電條和/或另一個功率半導(dǎo)體元件形成電路連接。
外殼的第一蓋板具有多個孔。連接件穿過這些孔，以使功率半導(dǎo)體的導(dǎo)電條與設(shè)置在第一蓋板上面的電路板的導(dǎo)電條觸點形成電連接。此電路板由一個絕緣基板構(gòu)成，并最好具有兩根設(shè)置在基板上或基板中的導(dǎo)電條，電路板實現(xiàn)了功率半導(dǎo)體模塊的電連接，并最好承載用于控制功率半導(dǎo)體模塊的其它元件。
在第二蓋板上，即基板背對功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)部的一側(cè)上設(shè)置一個最好為有源的冷卻體。有源冷卻體—例如其上設(shè)置有鼓風機的冷卻體—相對于無源的冷卻體—例如一個空氣冷卻器—具有緊湊的結(jié)構(gòu)形狀這一重要優(yōu)點。
不僅用于功率半導(dǎo)體模塊的負載連接的連接件，而且用于功率半導(dǎo)體模塊的控制連接的連接件都是至少部分彈性構(gòu)造的連接導(dǎo)體。這些連接導(dǎo)體形成連接條與外殼外部的電路板和其上設(shè)置的外部導(dǎo)電條之間的電連接。連接導(dǎo)體與電路板的外部導(dǎo)電條之間可靠的電接觸借助于下面將要說明的用于形成壓力接觸的結(jié)構(gòu)得到。
在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計中功率半導(dǎo)體模塊的外殼在電路板方向上和/或在冷卻裝置方向上具有凸出部，用于結(jié)構(gòu)中的各個部件的相互固定。
在第一種結(jié)構(gòu)設(shè)計中這些凸出部伸入到電路板的孔中，在第二種結(jié)構(gòu)設(shè)計中這些凸出部伸入到冷卻裝置的孔中。在第一種結(jié)構(gòu)設(shè)計中這種連接影響功率半導(dǎo)體元件與電路板的連接，用于形成壓力接觸。原則上兩種固定方式是可能的，一種是可逆的，其中各個部件無需高的費用就可以再次分開；一種是不可逆的，其中各個部件如此相互連接，只有用昂貴的費用才可能分開它們。
一種可能的可逆連接設(shè)計是咬合—卡鎖連接。此時外殼的凸出部具有止動銷，而電路板和/或冷卻裝置具有相應(yīng)的支座。
一種可能的不可逆連接是將凸出部設(shè)計為栓釘。這種栓釘穿過電路板和/或冷卻裝置上的對應(yīng)孔，并且在其末端例如通過超聲作用或熱作用被變形，使得它們形成一個鉚釘，它支撐在相應(yīng)的支座上。
最好功率半導(dǎo)體模塊與電路板的連接和與冷卻裝置的連接以相同方式形成。
在根據(jù)本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)設(shè)計中—此設(shè)計也可與前述設(shè)計相結(jié)合—冷卻裝置具有凸出部。這些凸出部伸入功率半導(dǎo)體模塊和/或電路板的孔中，并與其形成上述類型的可逆或不可逆的連接。
上述具有一個電路板、一個功率半導(dǎo)體模塊和一個有源冷卻裝置的結(jié)構(gòu)的另一個具有優(yōu)點的實施例具有至少一個用于有源冷卻裝置與電路板導(dǎo)電條之間電氣連接的連接件。這里此連接件是功率半導(dǎo)體模塊外殼的一部分。此連接件具有一個插接觸點，用于與有源冷卻裝置，最好與其上安裝的鼓風機電氣連接。此插接觸點與彈性接觸件相連接，并且此接觸件與電路板上導(dǎo)電條的相應(yīng)接觸面相連接。
本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點在于，它一方面具有功率半導(dǎo)體元件的基板與電路板之間的電連接為壓力接觸的優(yōu)點，即相對于焊接具有更長的使用壽命，另一方面此結(jié)構(gòu)具有緊湊的構(gòu)造，在緊湊度上至少和焊接方式的連接相當。


下面結(jié)合圖1至3借助于實施例詳細說明本發(fā)明。
圖1示出本發(fā)明結(jié)構(gòu)的一個剖面。
圖2示出本發(fā)明結(jié)構(gòu)的第一個三維分解視圖。
圖3示出本發(fā)明結(jié)構(gòu)的第二個三維分解視圖。
圖4示出另一個本發(fā)明結(jié)構(gòu)的一個剖面。
具體實施例方式
圖1示出本發(fā)明結(jié)構(gòu)的一個剖面。所示結(jié)構(gòu)由一個電路板100，一個功率半導(dǎo)體模塊200和一個冷卻裝置300組成。
電路板100具有一個絕緣體110，以及排列在絕緣體上和/或絕緣體內(nèi)的導(dǎo)電條112。這些導(dǎo)電條承載多個信號，例如功率半導(dǎo)體模塊200的負載信號、控制信號和輔助信號。
功率半導(dǎo)體模塊200具有一個框架式的外殼210，外殼帶有集成為一體的蓋板212。外殼210的第二個蓋板由基板230構(gòu)成。此基板由一個絕緣體234，最好是工業(yè)陶瓷、如氧化鋁或亞硝酸鋁，和此絕緣體兩側(cè)上的金屬層232，236構(gòu)成。這里金屬層借助于已知的DCB方法涂覆在絕緣體234上。最好是朝向外殼內(nèi)部的金屬層232被進行構(gòu)造，形成相互絕緣的導(dǎo)電條。這些導(dǎo)電條承載著功率半導(dǎo)體元件240，如IGBT或MOS-FET，它們通過焊接設(shè)置在其上。功率半導(dǎo)體元件240與其它導(dǎo)電條或其它功率半導(dǎo)體元件的其它電路連接通過導(dǎo)線熔接242來實現(xiàn)。
用于基片230的導(dǎo)電條232與由電路板100上的導(dǎo)電條112構(gòu)成的外部引線之間的電氣連接的連接元件借助于接觸彈簧250實現(xiàn)。借助于下面將要說明的引入壓力方法，這些接觸彈簧250被施加壓力，從而形成可靠的電氣連接。
所示結(jié)構(gòu)還具有一個冷卻裝置300a。它是有源的冷卻裝置300a，由一個冷卻體310和一個直接連接于冷卻體的不可調(diào)鼓風機(320)構(gòu)成。此有源冷卻裝置的優(yōu)點是小而緊湊。根據(jù)使用目的也可以用一個無源冷卻裝置代替有源的冷卻裝置。在無鼓風機的無源冷卻裝置情況下水冷的方案比空氣冷卻要好。
電路板100和功率半導(dǎo)體模塊200的連接不僅用于相互間的裝配，而且還用于引入壓力到接觸彈簧250上，從而形成壓接結(jié)構(gòu)，此連接通過功率半導(dǎo)體模塊200外殼210的多個凸出部220形成。這些凸出部220可以設(shè)計為可逆的或不可逆的連接。不可逆連接通過將凸出部220設(shè)計為栓釘而形成，這些栓釘被置入到電路板100的對應(yīng)孔120中，并且它們的末端被如此變形，使得此連接成為與電路板100上支座122的鉚接。例如此變形可以通過在栓釘上的熱作用而實現(xiàn)。通過施加超聲實現(xiàn)變形是具有好處的。
功率半導(dǎo)體模塊200與冷卻裝置300之間的連接可以通過同樣的方式構(gòu)成不可逆連接。圖1示出設(shè)計為咬合—卡鎖連接的一種可逆連接。其中外殼210的凸出部在其末端被設(shè)計為止動銷222。此凸出部220伸入到構(gòu)成有源冷卻裝置300a的冷卻體310和鼓風機320的孔312，322中。止動銷222固定在冷卻裝置300a的支座324中，這里即為鼓風機320的止動座。
電路板100與功率半導(dǎo)體模塊200之間的連接當然也可以用與所示的功率半導(dǎo)體模塊200與冷卻裝置300之間的連接相同的方式形成。
圖1中還示出了用于有源冷卻裝置300a與電路板100的導(dǎo)電條112a之間的電氣連接的連接件280。此連接件280具有一個用于與有源冷卻裝置300a形成電連接的插接觸點282。此外連接件280的插接觸點282還與彈性設(shè)計的接觸件284相連接，其中這些接觸件284與電路板100的導(dǎo)電條112a的相應(yīng)接觸面相連接。這里可靠的電氣連接也通過上面所述的施加壓力的方法而獲得。借助于此連接件可以實現(xiàn)電路板100與冷卻裝置300之間簡單的電氣連接，而不必在電路板100上增加像插針板這樣的接觸件。
圖2示出本發(fā)明結(jié)構(gòu)的第一個三維分解視圖。這里示出了電路板100的絕緣基板110，其中電路板具有多個孔120。圖中還示出了功率半導(dǎo)體模塊200。模塊的外殼210在其面對電路板100的蓋板212上也具有孔214和凸出部220。外殼210的這些凸出部220伸入到電路板100的孔120中，以形成不可逆的連接。
功率半導(dǎo)體模塊200還具有一個基板230，它由絕緣體234和設(shè)置在其上的金屬層232構(gòu)成。此金屬層中進行構(gòu)造，形成相互絕緣的導(dǎo)電條。在這些導(dǎo)電條232上設(shè)置功率半導(dǎo)體元件圖中未示出。必要的電路連接通過圖中也未示出的導(dǎo)線熔接形成。接觸彈簧250用于導(dǎo)電條232上的功率半導(dǎo)體元件的電氣連接，接觸彈簧穿過外殼210的孔214。通過上面所述的不可逆連接，電路板100和功率半導(dǎo)體模塊200被連接，并且接觸彈簧250被施加壓力。從而保證了可靠的電接觸。
此外圖中還示出了由一個冷卻體310和一個鼓風機320構(gòu)成的冷卻裝置300a。這兩個部件同樣通過凸出部—這里通過穿過鼓風機320的孔的冷卻體的凸出部—借助于止動裝置322相互設(shè)置。功率半導(dǎo)體模塊200的基板230直接設(shè)置在冷卻體300a上，以確保最有效的熱量排放。
此外，冷卻裝置300a—這里是冷卻體—還具有兩個凸出部330，它們分別穿過功率半導(dǎo)體模塊的外殼218上的孔216。在這些凸出部上設(shè)置了與止動裝置322類似的裝置，使冷卻裝置300相互固定，從而將冷卻裝置固定在功率半導(dǎo)體模塊上。
此外圖中還示出了一個連接件280，它設(shè)置在功率半導(dǎo)體模塊200的外殼210上。這個連接件由兩個接觸件284構(gòu)成，它們分別被設(shè)計為彈簧，從而通過插接觸點282在鼓風機與電路板100的相應(yīng)導(dǎo)電條之間形成電氣連接。通過壓力接觸，這里這些接觸件284同樣如上面所示那樣施加壓力，從而形成可靠的電氣連接。
圖3示出本發(fā)明結(jié)構(gòu)的第二個三維分解視圖。其中示出了在底側(cè)具有多根導(dǎo)電條112的電路板100。此外可以看到電路板100的孔120，它們用于接納功率半導(dǎo)體模塊200的外殼210的凸出部220。
功率半導(dǎo)體模塊200的基板230的電連接借助于接觸彈簧250完成。功率半導(dǎo)體模塊200的外殼210在其一個側(cè)面上具有連接件280，它與外殼210構(gòu)造為一個整體。與用于基板230與電路板100之間的電連接的接觸彈簧一樣，接觸彈簧284用作連接件280的接觸彈簧284。這些接觸件284連接電路板100的導(dǎo)電條和鼓風機320的插接觸點282。此鼓風機與冷卻體310一起構(gòu)成本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的有源冷卻裝置300a。
圖4示出另一個本發(fā)明結(jié)構(gòu)的剖面。與圖1一樣圖中示出了由一個電路板100、一個功率半導(dǎo)體模塊200和一個冷卻裝置300組成的結(jié)構(gòu)。電路板100這里類似于圖1中的電路板來設(shè)計。
功率半導(dǎo)體模塊200同樣具有一個框架形的外殼210，它具有集成為一體的蓋板212。外殼210的第二個蓋板與圖1一樣也由基板230構(gòu)成。此結(jié)構(gòu)還具有一個無源的冷卻裝置300b。
由電路板100、功率半導(dǎo)體模塊200和冷卻裝置300b構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的連接也用于在接觸彈簧250上引入壓力，并從而形成壓接結(jié)構(gòu)，此連接由多個由鋁構(gòu)成的冷卻部件300b的凸出物330構(gòu)成。這些凸出物330可設(shè)計成可逆的或不可逆的連接。一個不可逆的連接通過將凸出物330c設(shè)計為栓釘而得到，栓釘置入到電路板100的相應(yīng)孔120中，并且其末端被如此變形，使得此連接成為與電路板100上支座122的鉚合連接。此變形例如可通過在栓釘上的機械作用而實現(xiàn)。
用作可逆連接的凸出物330b被設(shè)計為已知的并已在上面說明過的咬合—卡鎖連接。
權(quán)利要求
1.具有一個電路板(100)、一個功率半導(dǎo)體模塊(200)和一個冷卻裝置(300)的壓接結(jié)構(gòu)，其中電路板(100)具有絕緣體(110)，在絕緣體上和/或絕緣體內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)電條(112)，其中功率半導(dǎo)體模塊(200)具有一個框架形絕緣塑料外殼(210)，所述外殼具有帶有孔(214)的第一個蓋板(212)，一個構(gòu)成外殼(210)的第二個蓋板的基板(230)具有至少一根導(dǎo)電條(232)和至少一個設(shè)置在其上并形成電路連接的功率半導(dǎo)體元件(240)，以及接觸彈簧(250)，這些接觸彈簧伸入到外殼(210)的孔(214)中，用于在基板(230)的導(dǎo)電條(232)與電路板(100)上的導(dǎo)電條(112)的觸點(114)之間形成連接，并且冷卻裝置(300)是有源或無源的，其中功率半導(dǎo)體模塊(200)的外殼(210)在電路板(100)的方向上和/或在冷卻裝置(300)的方向上具有凸出部(220)，并且/或者冷卻裝置(300)具有凸出部(330)，其中外殼的凸出部穿過電路板(100)和/或冷卻裝置(300)的孔(120，312，322)，其中冷卻裝置(300)的凸出部(330)穿過外殼(200)和/或電路板(100)的孔(216)，并從而在電路板(100)、外殼(200)和/或冷卻裝置(300)之間形成可逆的連接(220a)或不可逆的連接(220b)。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中可逆連接通過設(shè)計為止動銷(222)的凸出部(220，330)而形成，這些凸出部穿過孔(120，216，312，322)，并且其止動銷(222)被置于相應(yīng)的支座(324)中，形成咬合—卡鎖連接。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中可逆連接通過設(shè)計為栓釘?shù)耐钩霾?220，330)形成，這些凸出部穿過孔(120，216，312，322)并被止動裝置固定于相應(yīng)的支座中。
4.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中不可逆連接通過設(shè)計為栓釘?shù)耐钩霾?220，330)形成，這些凸出部被置于相應(yīng)的孔(120，216，312，322)中，并且其末端被變形，以形成一個鉚合連接。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中無源冷卻裝置(300)被設(shè)計為空氣冷卻器或水冷卻器。
6.權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中有源冷卻裝置(300a)具有一個不可調(diào)的或一個溫度調(diào)節(jié)的鼓風機(320)。
7.如權(quán)利要求1所述的具有一個電路板(100)、一個功率半導(dǎo)體模塊(200)和一個有源冷卻裝置(300a)的壓接結(jié)構(gòu)，其中功率半導(dǎo)體模塊(200)的外殼(210)具有至少一個用于有源冷卻裝置(300a)與電路板(100)的導(dǎo)電條(112)之間電氣連接的連接件(280)，其中連接件(280)具有一個用于與有源冷卻裝置(300a)形成電氣連接的插接觸點(282)，此插接觸點(282)與彈性設(shè)計的接觸件(284)相連接，并且這些接觸件(284)與電路板(100)上的導(dǎo)電條(112a)的相應(yīng)接觸面相連接。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種與非常緊湊的功率半導(dǎo)體模塊形成壓力接觸的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)由一個電路板、一個功率半導(dǎo)體模塊和一個冷卻裝置組成。功率半導(dǎo)體模塊具有框架形絕緣塑料外殼和一個帶孔的蓋板。外殼的第二蓋板由基板構(gòu)成，具有至少一根導(dǎo)電條和至少一個設(shè)置在其上并形成電路連接的功率半導(dǎo)體元件。功率半導(dǎo)體模塊還具有接觸彈簧，它們穿過蓋板的孔來連接基板和電路板。功率半導(dǎo)體模塊的外殼在電路板方向和/或在冷卻裝置方向上具有凸出部，它們穿過相應(yīng)的孔，并與電路板和/或冷卻裝置形成可逆或不可逆的連接。
文檔編號H01L23/36GK1700453SQ20051006848
公開日2005年11月23日 申請日期2005年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者萊納·波普, 馬可·萊德霍爾, 克里斯蒂·格布爾, 托馬斯·施托克邁爾 申請人:塞米克朗電子有限公司