專利名稱：具有功率半導(dǎo)體模塊的裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有功率半導(dǎo)體模塊及冷卻體的裝置，所述功率 半導(dǎo)體模塊包括帶有至少一個功率半導(dǎo)體元件的襯底以及殼體，所述 冷卻體用來將至少一個功率半導(dǎo)體元件的廢熱導(dǎo)出，其中，所述殼體 具有布置于該殼體朝向冷卻體的底側(cè)上的空隙，該空隙用于接納襯底。 本發(fā)明還涉及一種用于制造所述這種裝置的方法。
背景技術(shù)：
例如由DE 101 49 886 A1公知開頭所述類型的裝置。其中，介紹了 無底板的功率半導(dǎo)體模塊，其中，襯底的底側(cè)通過壓合裝置壓到冷卻 體上，通過該冷卻體將功率半導(dǎo)體模塊運(yùn)行中以熱量的形式出現(xiàn)的損 耗功率導(dǎo)出。
為了改善從襯底到冷卻體的熱量傳遞，被證實(shí)有利的是，襯底的 底側(cè)被以導(dǎo)熱層涂覆。例如襯底的底側(cè)被壓附有導(dǎo)熱膏體。
這種被涂覆的無底板功率半導(dǎo)體模塊在拆卸冷卻體時(shí)是非常敏感 的。在襯底拆卸時(shí)，通過導(dǎo)熱膏體很高的粘附力而可能使襯底從殼體 中脫出。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，制造一種改善的、開頭所述類型的裝置。此 外，本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種用于制造這樣的改善的裝置的方法。
對于具有功率半導(dǎo)體模塊及冷卻體的裝置，所述功率半導(dǎo)體模塊 包括帶有至少一個功率半導(dǎo)體元件的襯底以及殼體，所述冷卻體用來將至少一個功率半導(dǎo)體元件的廢熱導(dǎo)出，其中，所述殼體具有布置于 該殼體的朝向冷卻體的底側(cè)上的空隙，該空隙用于接納襯底，該任務(wù) 以如下方式解決功率半導(dǎo)體模塊具有至少一個保持元件，該保持元 件嵌入殼體底側(cè)上的配屬于所述至少一個保持元件的凹處中并且構(gòu)造 方式如下所述保持元件對襯底在朝向殼體底側(cè)方向上的運(yùn)動進(jìn)行界 定。
這樣的裝置具有如下的優(yōu)點(diǎn)具有功率半導(dǎo)體元件的襯底在拆卸 冷卻體時(shí)不會從殼體中脫出。該保持元件在拆卸時(shí)將襯底保持在殼體 中。該保持元件實(shí)現(xiàn)襯底可以連同殼體一起與冷卻體分開。
保持元件不成型到殼體上或者不與殼體一體地構(gòu)造，而是作為單 獨(dú)的、獨(dú)立的結(jié)構(gòu)元件構(gòu)造，該結(jié)構(gòu)元件在裝置的各個元件組裝時(shí)， 被裝配到殼體上。保持元件可以由任意材料構(gòu)成，優(yōu)選由合成材料或 金屬構(gòu)成。
對于制造這種裝置的方法，通過以下步驟來解決該任務(wù) -提供帶有至少一個功率半導(dǎo)體元件的襯底；
-將襯底插入到殼體的空隙中，該空隙布置在殼體的朝向冷卻體 的底側(cè)上；
-將至少一個保持元件引入殼體的底側(cè)上的配屬于至少一個保持 元件的凹處中，用以對襯底在朝向殼體底側(cè)方向上的運(yùn)動進(jìn)行界定； 以及
-將殼體裝配在冷卻體上，其中，殼體底側(cè)布置在冷卻體上。
這樣的方法可以迅速而并不復(fù)雜底實(shí)施，其中，上面所提到的優(yōu) 點(diǎn)在從冷卻體中拆卸殼體時(shí)得以體現(xiàn)。
對本發(fā)明優(yōu)選的構(gòu)造方案描述如下。對于所述裝置被證實(shí)有利的是，構(gòu)成有至少一個保持元件，從而 在將殼體裝配到冷卻體上時(shí)，為將殼體定位在冷卻體上，該保持元件 嵌入冷卻體的所配屬的凹處中。由此可以實(shí)現(xiàn)殼體在冷卻體上的定中 心，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)襯底在冷卻體上的定中心。襯底借助保持元件在裝配 時(shí)預(yù)先定中心并且避免襯底在裝配時(shí)的移動。
通過優(yōu)選的構(gòu)造方案可以避免下述缺點(diǎn)該缺點(diǎn)在該裝置裝配情 況下殼體未預(yù)先定中心時(shí)產(chǎn)生。由于缺少預(yù)先定中心而存在如下危險(xiǎn) 在后來所實(shí)施的殼體在冷卻體上的位置修正期間，由于導(dǎo)熱膏體的粘 附而使襯底相對于殼體發(fā)生移動并且在殼體邊緣之下突出，于是，襯 底可能受到殼體邊緣的損壞。
對于所述方法被證明的是，在將至少一個保持元件引入殼體的凹 處之前，將由導(dǎo)熱膏體構(gòu)成的導(dǎo)熱層施加在襯底朝向冷卻體的側(cè)上。 由此，如迄今為止那樣，可以簡便地以涂覆工藝或壓制工藝將導(dǎo)熱膏 體施加到襯底上，而不干擾保持元件。在涂覆工藝或壓制工藝結(jié)束后， 保持元件引入殼體為其設(shè)置的凹處中。
根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選構(gòu)造方案，同樣避免如下缺點(diǎn)，所述缺 點(diǎn)在制造殼體時(shí)將定中心元件成型(例如壓鑄)在殼體上以便實(shí)現(xiàn)殼 體的定中心的時(shí)候產(chǎn)生。如同以已知方法所實(shí)踐地，定中心元件在殼 體上的成型會使得位于殼體內(nèi)的襯底被印刷導(dǎo)熱膏體的過程是不可能 的或至少很困難的。與現(xiàn)有技術(shù)相對地，可以將根據(jù)本發(fā)明的保持元 件在涂覆襯底之后布置在殼體上。
此外，對于所述裝置證實(shí)有利的是，冷卻體的配屬于至少一個保 持元件的凹處和保持元件的嵌入所述凹處中的、朝向冷卻體的區(qū)段具 有彼此相應(yīng)的形狀。冷卻體的凹處和保持元件嵌入該凹處中的區(qū)段在 其形狀方面彼此協(xié)調(diào)得越好，則殼體在冷卻體上的預(yù)先定中心就越精 確地進(jìn)行。在優(yōu)選的構(gòu)造方案中，冷卻體的凹處與保持元件的嵌入該凹處中的區(qū)段在其形狀方面如此地彼此協(xié)調(diào)，從而保持元件在冷卻體 的凹處中實(shí)際上不可以實(shí)施在平行于冷卻體與殼體的接觸平面的方向 上運(yùn)動。保持元件以這種方式使得殼體能夠占據(jù)冷卻體上精確而預(yù)先 限定的位置。
特別有利的是，保持元件的朝向冷卻體的區(qū)段呈圓柱形地構(gòu)成。 保持元件的朝向冷卻體的區(qū)段的優(yōu)選形狀是具有倒角的圓柱形，該倒 角也就是朝向冷卻體的棱邊的傾斜部。此外，優(yōu)選的是，保持元件是 內(nèi)部空心的，例如沿其縱軸線具有連貫的、優(yōu)選呈圓柱形的空隙。
所述至少一個保持元件優(yōu)選具有伸入用于接納襯底的空隙中的突 起，該突起對襯底在朝向殼體底側(cè)方向上的運(yùn)動進(jìn)行界定。保持元件 上的突起可以被簡單地制造并且形成在機(jī)械上可信賴的保持裝置。
此外優(yōu)選的是，殼體具有環(huán)形的殼體框架，在該殼體框架內(nèi)布置 有凹處，保持元件嵌入該凹處中。
特別證明的是，殼體底側(cè)上的凹處被構(gòu)成為朝向殼體底側(cè)敞開的 盲孔，所述至少一個保持元件從殼體底側(cè)嵌入該盲孔中。
特別證明的是，所述至少一個保持元件被構(gòu)成為卡位-定中心保持 件。憑借組合式卡位-定中心-保持件，在裝配時(shí)對功率模塊預(yù)先定中心 并同時(shí)避免襯底在裝配時(shí)發(fā)生移動。同時(shí)，通過卡位-定中心保持件在 拆卸時(shí)將襯底保持在殼體中。由此，該襯底可以與冷卻體分開。
所述至少一個保持元件優(yōu)選借助可松開的連接與殼體連接。特別 地，與此相關(guān)證明的是，所述可松開的連接被構(gòu)成為螺栓連接，也就 是說，該保持元件在嵌入殼體凹處中的區(qū)段上具有外螺紋并且殼體的 凹處具有配屬于外螺紋的內(nèi)螺紋。同樣可行的是，保持元件在嵌入殼 體的凹處中的區(qū)段上具有至少一個彈性的卡位指狀物并且殼體凹處具有配屬于該卡位指狀物的卡位凹陷部。
在本發(fā)明的優(yōu)選構(gòu)造方案中，將至少一個保持元件借助粘接連接 固定在殼體所配屬的凹處內(nèi)。
此外證明的是，功率半導(dǎo)體模塊包括至少兩個保持元件。在本發(fā) 明的特別優(yōu)選構(gòu)造方案中，功率半導(dǎo)體模塊具有至少三個保持元件。 配屬于至少兩個保持元件的凹處布置在殼體底側(cè)上，優(yōu)選布置在殼體 的對置的側(cè)上，特別是以對角線對置的方式進(jìn)行布置。至少兩個或至 少三個保持元件的布置方案具有如下優(yōu)點(diǎn)襯底可靠地保持在殼體的 凹處內(nèi)。附加地可以具有如下優(yōu)點(diǎn)至少兩個或至少三個保持元件實(shí) 現(xiàn)殼體在多個方向上在冷卻體上特別良好的預(yù)先定中心。
特別證明的是，所述裝置在襯底與冷卻體之間具有由導(dǎo)熱膏體構(gòu) 成的導(dǎo)熱層。由此，位于襯底上的功率半導(dǎo)體元件的廢熱到排出廢熱 的冷卻體的熱傳遞可以得到?jīng)Q定性的改善。
對于用來制造這種裝置的方法，被證實(shí)有利的是，殼體在冷卻體 上的定位以如下方式進(jìn)行，至少一個保持元件嵌入冷卻體的所配屬的 凹處內(nèi)。由此，可以實(shí)現(xiàn)殼體在冷卻體上的定中心。
借助圖l至6d示例性地對本發(fā)明進(jìn)行描述。 其中
圖1示出殼體底側(cè)的透視視圖； 圖2示出圖1的細(xì)節(jié)視圖3a和3b示出保持元件的剖面圖，該保持元件被引入殼體凹處中； 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的橫截面； 圖5示出殼體框架內(nèi)保持元件的透視截面圖；以及
圖6a至6d示出保持元件的不同視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出殼體4的底側(cè)40，殼體4具有用于接納兩個襯底2的空隙41。 襯底2例如可以被構(gòu)成為DCB襯底(DCB:直接銅鍵合)。在殼體4中具 有固定孔45，穿過固定孔45可以對螺栓進(jìn)行引導(dǎo)，利用所述螺栓將殼 體4裝配在冷卻體(未示出)上。殼體4在其底側(cè)40上具有環(huán)形的框架 43，在該框架43內(nèi)布置有用于接納保持元件5的凹處42。
圖2示出在圖1中示出的殼體4的右側(cè)部分的放大視圖。
圖3a示出圖2中示出的保持元件5沿著圖2中勾畫的剖切線IIIa 的剖面圖。保持元件5嵌入殼體4的凹處42中。保持元件5具有突起 54，突起54抵靠在殼體4的底側(cè)40上。保持元件的突起54在朝向襯 底2的方向上從殼體4的環(huán)形框架43中突出來。突起54對于襯底2 作為止擋起作用并且對襯底2在朝向殼體4的底側(cè)40的方向上的運(yùn)動 進(jìn)行界定。也就是說，保持元件5對襯底進(jìn)行固定并且保證襯底2不 從凹處41中脫出。
圖3b示出保持元件5沿圖2中勾畫的剖切線IIIb的剖面圖。保持 元件5的朝向冷卻體3的區(qū)段51具有杯狀的外形。保持元件5的嵌入 殼體凹處42中的區(qū)段52具有兩個卡位指狀物53，卡位指狀物53如此 地嵌入凹處42的相應(yīng)卡位凹陷部44中，從而產(chǎn)生鎖緊卡位連接。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的橫截面。該裝置具有功率半導(dǎo)體模 塊1和冷卻體3，該功率半導(dǎo)體模塊1包括帶有兩個功率半導(dǎo)體元件 20的襯底2和殼體4，所述冷卻體3用于將功率半導(dǎo)體元件20的廢熱 導(dǎo)出。殼體4具有布置于殼體4的朝向冷卻體3的底側(cè)40上的空隙41 ， 用以接納襯底2。此外，功率半導(dǎo)體模塊1具有兩個保持元件5，所述 保持元件5嵌入殼體4的底側(cè)40上配屬于保持元件5的殼體凹處42 中并且對襯底2在朝向殼體底側(cè)40的方向上的運(yùn)動進(jìn)行界定。在襯底2與冷卻體3之間具有由導(dǎo)熱膏體構(gòu)成的導(dǎo)熱層6。殼體凹處42具有 卡位凹陷部44。保持元件5的相應(yīng)卡位指狀物53卡入卡位凹陷部44 中。借助由卡位指狀物53和卡位凹陷部44形成的卡位鎖緊連接將保 持元件5固定在殼體4中或固定在殼體4上。冷卻體3具有兩個凹處 30，保持元件5嵌入所述凹處30內(nèi)。保持元件5的嵌入凹處30的區(qū) 段51的形狀與冷卻體3的凹處30的形狀相協(xié)調(diào)，從而殼體4僅能在 所希望的且限定的位置上被定位在冷卻體30上。
圖5示出保持元件5的剖面圖，保持元件5嵌入殼體4的所配屬 的凹處42中。保持元件5從殼體4的底側(cè)40導(dǎo)入凹處42內(nèi)。保持元 件5具有兩個卡位指狀物53，卡位指狀物53卡入凹處42的相應(yīng)的卡 位凹陷部44內(nèi)。通過將適當(dāng)?shù)墓ぞ邚臍んw4的上側(cè)46引入可以使得 彈性的卡位指狀物53彼此靠近地運(yùn)動，由此，卡位鎖緊連接松開并且 保持元件5可以在不損壞殼體4的情況下取出。
圖6a至6d示出保持元件5的不同的視圖，諸如具有功率半導(dǎo)體 模塊1的根據(jù)本發(fā)明的裝置所具有的保持元件5那樣。
圖6a示出從下方對保持元件5的斜向視圖。保持元件5具有上部 區(qū)段51，上部區(qū)段51嵌入冷卻體3的凹處30內(nèi)；以及具有下部區(qū)段 52，下部區(qū)段52嵌入殼體4的殼體凹處42內(nèi)。下部區(qū)段52具有兩個 彈性的卡位指狀物53，這兩個彈性的卡位指狀物53與殼體4的所配屬 的凹處42形成卡位鎖緊連接。
圖6b示出在圖6a中所示出的保持元件5的仰視圖。
圖6c示出在圖6a中所示出的保持元件5的側(cè)視圖。
圖6d示出在圖6a中所示出的保持元件5的第二側(cè)視圖。附圖標(biāo)記列表:
1功率半導(dǎo)體模塊
2襯底
20功率半導(dǎo)體元件
冷卻體
30冷卻體3的凹處
4殼體
40殼體4的底側(cè)
41殼體4的用于接納襯底2的空隙
42殼體4的凹處
43殼體4的框架
44卡位凹陷部
45固定孔
保持元件
51保持元件5的朝向冷卻體3的區(qū)段
52保持元件5的嵌入凹處42中的區(qū)段
53保持元件5的卡位指狀物
54保持元件5的突起
6導(dǎo)熱層
權(quán)利要求
1.具有功率半導(dǎo)體模塊(1)和冷卻體(3)的裝置，所述功率半導(dǎo)體模塊(1)包括帶有至少一個功率半導(dǎo)體元件(20)的襯底(2)及殼體(4)，所述冷卻體(3)用于將所述至少一個功率半導(dǎo)體元件(20)的廢熱導(dǎo)出，其中，所述殼體(4)具有布置在所述殼體(4)的朝向所述冷卻體(3)的底側(cè)(40)上的空隙(41)，用于接納所述襯底(2)，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體模塊(1)具有至少一個保持元件(5)，所述保持元件(5)嵌入所述殼體(4)的所述底側(cè)(40)上的配屬于所述至少一個保持元件(5)的凹處(42)內(nèi)并且以如下方式構(gòu)成，使得所述保持元件(5)對所述襯底(2)在所述殼體(4)的所述底側(cè)(40)的方向上的運(yùn)動進(jìn)行界定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述至少一個保持 元件(5)以如下方式構(gòu)成，所述保持元件(5)在將所述殼體(4)裝 配在所述冷卻體(3)上時(shí)，為了將所述殼體(4)定位在所述冷卻體(3)上而嵌入所述冷卻體(3)的所配屬的凹處(30)內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述冷卻體(3)的 配屬于所述至少一個保持元件(5)的所述凹處(30)和所述保持元件(5)的朝向所述冷卻體(3)的、嵌入所述凹處(30)中的區(qū)段(51) 具有彼此相應(yīng)的形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其特征在于，所述至少一 個保持元件(5)的朝向所述冷卻體(3)的區(qū)段(51)呈圓柱形地構(gòu) 成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于，所述至少一 個保持元件(5)具有伸入用于接納所述襯底(2)的所述空隙(41) 中的突起(54)，所述突起(54)對所述襯底(2)在朝向所述殼體(4)的所述底側(cè)(40)的方向上的運(yùn)動進(jìn)行界定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的裝置，其特征在于，所述殼體(4) 具有環(huán)形的殼體框架(43)，在所述殼體框架(43)中布置有所述凹 處(42)，所述保持元件(5)嵌入所述凹處(42)中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的裝置，其特征在于，所述殼體凹 處(42)在所述殼體(4)的所述底側(cè)(40)上構(gòu)造為朝向所述殼體(4) 的所述底側(cè)(40)敞開的盲孔，所述至少一個保持元件(5)從所述殼 體(4)的所述底側(cè)(40)嵌入所述盲孔中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的裝置，其特征在于，所述至少一 個保持元件(5)被構(gòu)造為卡位定中心保持件。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的裝置，其特征在于，所述至少一 個保持元件(5)借助能松開的連接與所述殼體(4)連接。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述保持元件(5) 在嵌入到所述殼體凹處(42)中的區(qū)段(52)上具有外螺紋，并且所 述殼體凹處(42)具有配屬于所述外螺紋的內(nèi)螺紋。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述保持元件(5) 在嵌入所述殼體凹處(42)中的區(qū)段(52)上具有至少一個彈性的卡 位指狀物(53)，并且所述殼體凹處(42)具有配屬于所述卡位指狀 物(53)的卡位凹陷部(44)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l至ll之一所述的裝置，其特征在于，所述至少 一個保持元件(5)借助粘接連接固定在所配屬的所述凹處(42)內(nèi)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12之一所述的裝置，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體模塊(1)包括至少兩個保持元件(5)，優(yōu)選包括至少三個保 持元件(5)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的裝置，其特征在于，所述功率 半導(dǎo)體模塊(1)在所述襯底(2)與所述冷卻體(3)之間具有由導(dǎo)熱 膏體構(gòu)成的導(dǎo)熱層(6)。
15. 用于制造帶有功率半導(dǎo)體模塊(1)的裝置的方法，特別是依 據(jù)權(quán)利要求1至14之一所述的帶有功率半導(dǎo)體模塊(1)的裝置的方法， 其中，所述方法具有如下的步驟提供帶有至少一個功率半導(dǎo)體元件(20)的襯底(2);將所述襯底插入殼體(4)的空隙(41)中，所述空隙(41)布置 在所述殼體(4)的朝向冷卻體(3)的底側(cè)(40)上；將至少一個保持元件(5)引入所述殼體(4)的所述底側(cè)(40) 上配屬于所述至少一個保持元件(5)的凹處(42)中，用以對所述襯 底(2)在朝向所述殼體(4)的所述底側(cè)(40)的方向上的運(yùn)動進(jìn)行 界定；以及將所述殼體(4)裝配在所述冷卻體(3)上，其中，將所述殼體 (4)的所述底側(cè)(40)布置在所述冷卻體(3)上。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法還具有 下列步驟將所述殼體(4)如此地定位在所述冷卻體(3)上，使得所述至 少一個保持元件(5)嵌入所述冷卻體(3)的所配屬的凹處(30)中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15或權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所 述方法還具有下列步驟在將所述至少一個保持元件(5)引入所述殼體(4)的所述凹處 (42)中之前，將由導(dǎo)熱膏體形成的導(dǎo)熱層(6)施加到所述襯底(2) 的朝向所述冷卻體(3)的側(cè)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有功率半導(dǎo)體模塊(1)和冷卻體(3)的裝置，所述功率半導(dǎo)體模塊(1)包括帶有至少一個功率半導(dǎo)體元件(20)的襯底(2)和殼體(4)，所述冷卻體(3)用來將至少一個功率半導(dǎo)體元件(20)的廢熱導(dǎo)出，其中，殼體(4)具有布置在殼體(4)的朝向冷卻體(3)的底側(cè)(40)上的空隙(41)，用來接納襯底(2)，以及本發(fā)明涉及一種制造該裝置的方法。功率半導(dǎo)體模塊(1)具有至少一個保持元件(5)，所述保持元件(5)嵌入殼體(4)的底側(cè)(40)上的配屬于至少一個保持元件(5)的凹處(42)內(nèi)并且以如下方式構(gòu)成，使得保持元件(5)對襯底(2)在朝向殼體(4)的底側(cè)(40)的方向上的運(yùn)動進(jìn)行界定。
文檔編號H01L23/34GK101630663SQ20091013996
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月19日
發(fā)明者于爾根·斯蒂格, 馬可·萊德雷爾 申請人:賽米控電子股份有限公司