包括壳体的功率半导体器件及生产功率半导体器件的方法
阅读说明：本技术 包括壳体的功率半导体器件及生产功率半导体器件的方法 (Power semiconductor device comprising a housing and method for producing a power semiconductor device ) 是由 托马斯·洪卡 赖纳·波普 斯特凡·魏斯 于 2019-06-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及包括壳体的功率半导体器件及生产功率半导体器件的方法,该功率半导体器件包括穿过壳体开口的销元件；包括弹性密封装置,其布置在壳体的壳体开口壁与销元件之间,该壳体开口壁限定壳体开口并且环绕销元件；并包括套筒,其中销元件延伸穿过套筒并延伸穿过密封元件的密封装置开口,其中密封装置未以材料结合的方式连接到套筒、连接到壳体开口壁和连接到销元件,且密封装置将壳体开口壁与套筒封隔开来并且将套筒与销元件封隔开来；并包括布置在密封装置上的交联灌封化合物,其中交联灌封化合物以材料结合的方式连接到套筒、连接到壳体开口壁和连接到销元件,且灌封化合物将壳体开口壁与套筒封隔开来并且将套筒与销元件封隔开来。(The invention relates to a power semiconductor device comprising a housing and a method of producing a power semiconductor device, the power semiconductor device comprising a pin element passing through a housing opening; comprising an elastic sealing means arranged between a housing opening wall of the housing, which defines the housing opening and surrounds the pin element, and the pin element; and comprising a sleeve, wherein the pin element extends through the sleeve and through a sealing means opening of the sealing element, wherein the sealing means is not connected in a material-bonded manner to the sleeve, to a housing opening wall and to the pin element, and the sealing means seals off the housing opening wall from the sleeve and seals off the sleeve from the pin element; and a cross-linking potting compound disposed on the sealing device, wherein the cross-linking potting compound is materially bonded to the sleeve, to the housing opening wall, and to the pin element, and the potting compound seals the housing opening wall from the sleeve and seals the sleeve from the pin element.)
技术领域
本发明涉及一种包括壳体的功率半导体器件，并且涉及一种用于生产功率半导体器件的方法。
背景技术
DE 10 2012 219 791 A1公开了一种功率半导体器件，其包括功率半导体部件、壳体，并且包括电连接元件。功率半导体器件的电连接元件用于电连接导电的负载电流连接元件。这里，功率半导体器件的电连接元件从壳体的内部穿过壳体壁延伸到壳体的外部。为了防止灰尘颗粒和湿气进入壳体内部，使功率半导体器件的电连接元件与壳体壁封隔开来。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率半导体器件，其包括壳体，在该功率半导体器件中，以可靠的方式长期防止灰尘颗粒和湿气进入壳体内部。
该目的通过一种功率半导体器件来实现，该功率半导体器件包括功率半导体部件：包括具有壳体开口的壳体；包括销元件，该销元件穿过壳体开口并且至少在壳体之外具有螺纹；包括弹性密封装置，该弹性密封装置布置在壳体的壳体开口壁与销元件之间，该壳体开口壁限定壳体开口并且环绕销元件；并且包括导电套筒，该导电套筒形成功率半导体器件的电连接元件，其中销元件延伸穿过套筒并且延伸穿过密封元件的密封装置开口，其中密封装置的第一密封元件布置在套筒和壳体开口壁之间，并且密封装置的第二密封元件布置在套筒和销元件之间，其中密封装置未以材料结合的方式连接到套筒、连接到壳体开口壁和连接到销元件，并且密封装置将壳体开口壁与套筒封隔开来并且将套筒与销元件封隔开来；并且包括布置在密封装置上的交联灌封化合物，其中交联灌封化合物布置在套筒和壳体开口壁之间以及布置在套筒和销元件之间，其中交联灌封化合物以材料结合的方式连接到套筒、连接到壳体开口壁和连接到销元件，并且灌封化合物将套筒开口壁与套筒封隔开来，并且将套筒与销元件封隔开来。
此外，所述目的通过一种用于生产功率半导体器件的方法来实现，该方法包括以下方法步骤：
a)提供一种功率半导体器件前体产品，该功率半导体器件前体产品包括功率半导体部件；包括具有壳体开口的壳体；包括销元件，所述销元件布置在所述壳体内并且穿过所述壳体开口，并且具有至少在所述壳体之外的螺纹；包括弹性密封装置，该弹性密封装置布置壳体的壳体开口壁与销元件之间，该壳体开口壁限定壳体开口并且环绕销元件；并且包括导电套筒，该导电套筒形成功率半导体器件的电连接元件，其中销元件延伸穿过套筒并且延伸穿过密封元件的密封装置开口，其中密封装置的第一密封元件布置在套筒和壳体开口壁之间，并且密封装置的第二密封元件布置在套筒和销元件之间，其中密封装置未以材料结合的方式连接到套筒、连接到壳体开口壁并连接到销元件，并且密封装置将壳体开口壁与套筒封隔开来并且将套筒与销元件封隔开来，
b)在密封装置上布置液体或胶状的未交联的灌封化合物，其中未交联的灌封化合物布置在套筒和壳体开口壁之间以及布置在套筒和销元件之间，其中未交联的灌封化合物与套筒、与壳体开口壁以及与销元件机械接触，
c)使未交联的灌封化合物交联，由此，形成交联灌封化合物，其将壳体开口壁与套筒封隔开来并且将套筒与销元件封隔开来。
该方法的有利改进以类似于功率半导体器件的有利改进的方式显而易见，并且反之亦然。
已经证明有利的是，交联灌封化合物由交联硅树脂，特别是由交联硅橡胶形成，因为在这种情况下，实现了非常可靠的封膈。
此外，已经证明有利的是，套筒具有从该套筒的面向销元件的销元件外端的那一侧开始的第一凹部，该销元件外端布置在壳体之外，并且第一凹部沿销元件的轴向方向延伸，其中密封装置具有－件式设计并且具有第一连接部段，该第一连接部段延伸穿过第一凹部并且将第一密封元件连接到第二密封元件，因为第一密封元件在这种情况下非常可靠地连接到第二密封元件。
在这种情况下，已经证明有利的是，套筒具有从该套筒的面向销元件的销元件外端的那一侧开始的第二凹部，该销元件外端布置在壳体之外，并且第二凹部沿销元件的轴向方向延伸，其中密封装置具有第二连接部段，该第二连接部段延伸穿过第二凹部并且将第一密封元件连接到第二密封元件，因为第一密封元件以这种方式非常可靠地连接到第二密封元件。
在这种情况下，已证明有利的是，第二凹部与第一凹部相对布置，并且第二连接部段与第一连接部段相对布置，因为在这种情况下，第一密封元件特别可靠地连接到第二密封元件。
当第一和第二密封元件和套筒均具有中空的圆柱形设计并且销元件具有圆形横截面区域时，进一步证明是有利的，因为圆形轮廓可以以特别可靠的方式被封隔开来。
当密封装置由弹性体形成时，进一步证明是有利的，因为在这种情况下，实现了非常可靠的封隔。
此外，已经证明有利的是，功率半导体器件具有保持主体，其中销元件以在旋转上固定的方式连接到保持主体，特别是被注塑成型到保持主体中。结果，销元件以非常可靠的方式机械连接到功率半导体器件的其余部分。
此外，已经证明有利的是，功率半导体器件具有布置在壳体内并且与功率半导体部件导电连接的导电连接元件，其中导电套筒布置在连接元件上面，因为在这种情况下，套筒可以以简单的方式与连接元件导电连接。
在这种情况下，已证明有利的是，套筒布置在连接元件上。结果，当力生成元件在负载电流连接元件上产生了在套筒的方向上作用的力时，套筒在连接元件的方向上的运动被可靠地阻止。
此外，已被证明是有利的是，功率半导体布置包括根据本发明的功率半导体器件并且包括导电的负载电流连接元件，该导电的负载电流连接元件具有第三凹部并且布置在壳体之外，使得销元件延伸穿过第三凹部，其中功率半导体布置的力生成元件被扭转到销元件的螺纹上并且具有螺纹，所述力生成元件在负载电流连接元件上产生了在套筒的方向上作用的力，由此，负载电流连接元件被布置成压靠在套筒上，并且在套筒和负载电流连接元件之间形成导电压力接触。
应该注意，本文中可以任选地存在多于一个的以单数形式描述的元件。
附图说明
下面将参照下列附图解释本发明的示例性实施例，在附图中：
图1示出包括根据本发明的功率半导体器件的功率半导体布置的透视图，
图2示出了根据本发明的功率半导体器件的透视截面图，
图3示出了图2的细节的视图，
图4示出了根据本发明的功率半导体器件的套筒和密封装置的透视图的分解图示，以及
图5示出了功率半导体器件前体产品和外部生热装置的截面图。
在附图中，相同的元件具有相同的附图标记。应注意，为清楚起见，附图中未示出可以存在的任何钎焊或烧结金属层。
具体实施方式
图1示出了包括根据本发明的功率半导体器件1的功率半导体布置30的透视图。图2示出了根据本发明的功率半导体器件1的透视截面图，并且图3示出了图2的细节A的放大图。图4示出了根据本发明的功率半导体器件1的套筒5和密封装置6的透视图的分解图示。在功率半导体器件1的生产期间，在示例性实施例的范围内，密封装置6被推到套筒5上，使得密封装置6的第一连接部段6c布置在套筒5的第一凹部5a中，并且密封装置6的第二连接部段6d布置在套筒5的第二凹部5b中，并且套筒5的上部延伸穿过密封装置6的密封装置凹部6h和6i。图2和图3中所示的部段延伸穿过连接部段6c和6d并且延伸穿过凹部5a和5b。
功率半导体布置30具有根据本发明的功率半导体器件1和负载电流连接元件4，每个负载电流连接元件4都借助于具有螺纹并且优选地是设计成螺母的力生成元件9与功率半导体器件1的相应的电连接元件导电连接，也就是说与相应的套筒5导电连接。例如，负载电流连接元件4可以导电地连接到电马达，用于向电马达供电。负载电流连接元件4可以被设计为例如汇流排或电缆座。功率半导体器件1通常具有功率半导体部件11，功率半导体部件11电连接起来，以形成转换器，并且例如可以生成向电马达供电所需的电流。
功率半导体器件1具有至少一个功率半导体部件11，但通常具有多个功率半导体部件11，这些功率半导体部件11与导电连接元件3导电连接，导电连接元件3具有一件式或多件式设计。功率半导体部件11优选地是布置在功率半导体器件1的基板10的至少一个导电导体轨道上。这里，功率半导体部件11优选借助于布置在功率半导体部件11和导体轨道之间的钎焊或烧结金属层而导电地连接到所述至少一个导体轨道。导体轨道由基板10的导电的图案化的第一传导层形成。相应的功率半导体部件11优选以功率半导体开关或二极管的形式存在。这里，功率半导体开关优选地是以晶体管的形式存在，诸如例如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)。
此外，功率半导体模块1优选具有底板14，基板10布置在底板14上，在示例性实施例的上下文中，基板10被设计为直接铜结合基板(DCB基板)。
连接元件3与功率半导体部件11导电连接。在示例性实施例的范围内，为此目的，连接元件3例如借助于材料结合连接(诸如例如钎焊、烧结或熔焊连接)被基板10导电地接触。连接元件3优选地是至少基本上由铜或铜合金构成。
功率半导体器件1具有壳体2，壳体2优选地是由塑料构成。壳体2优选地是布置在底板4上，并且优选地是例如借助于螺钉19连接到所述底板。壳体2覆盖功率半导体部件11。壳体2具有壳体开口12，功率半导体器件1的销元件7延伸穿过壳体开口12，该销元件至少在壳体2之外具有螺纹13。
功率半导体器件1还具有弹性密封装置6，该弹性密封装置6布置在壳体2的壳体开口壁2a与销元件7之间，该壳体开口壁限定壳体开口12并且环绕销元件7。密封装置6优选地是由弹性体形成。弹性体优选由交联的硅树脂形成，特别是由交联的硅橡胶形成。与示例性实施例中一样，密封装置6优选地是具有一件式设计，但也可以具有多件式设计。
功率半导体器件1还具有导电套筒5，该导电套筒布置在连接元件3上面，其中销元件7延伸穿过套筒5并且延伸穿过密封元件6的密封元件开口6g。套筒5形成功率半导体器件1的电连接元件，也就是说，套筒5用于将外部载流元件(诸如例如负载电流连接元件4)电连接到功率半导体器件1。电负载电流在功率半导体器件1的工作期间流经套筒5的材料。套筒5，更确切地说是套筒5的面向连接元件3的那一侧5d优选地是如图2和图3中所示，布置在连接元件3上并且与连接元件3导电接触。在示例性实施例中，套筒5通过安靠在连接元件3上而布置在连接元件3上。套筒5可以以材料结合的方式(例如，通过钎焊、烧结或熔焊连接)连接到连接元件3。在示例性实施例中，套筒5未以材料结合的方式连接到连接元件3。然而，套筒5也可以布置在连接元件3上并且借助于布置在套筒5和连接元件3之间的钎焊或烧结层与连接元件3导电接触。当套筒5未布置在连接元件3上时，在这种情况下，套筒5和连接元件3之间可以存在窄的空气间隙。连接元件3优选地是具有连接元件凹部18，销元件7延伸穿过该连接元件凹部18。销元件7优选地是沿基板10的法线方向N延伸。套筒5优选地是被设计为空心圆柱体。应该注意的是，套筒5通常可以通过任何所需的导电连接装置(例如，电缆、铜带)与功率半导体部件11导电连接。
密封装置6的第一密封元件6a布置在套筒5和壳体开口壁2a之间，并且密封装置6的第二密封元件6b布置在套筒5和销元件7之间。相应的密封元件6a或6b具有环形设计。密封装置6未材料结合方式连接到套筒5，连接到壳体开口壁2a和连接到销元件7。在功率半导体器件1的生产期间，密封装置6作为已经预制出来的元件存在。密封装置6借助于第一密封元件6a将壳体开口壁2a与套筒5封隔开来，并且借助于第二密封元件6b将套筒5与销元件7封隔开来。
如图4中的示例所示，套筒5优选地是具有从该套筒的面向销元件7的销元件外端7a的那一侧5c开始的第一凹部5a，该销元件外端布置在壳体2之外，并且该第一凹部5a在销元件7的轴向方向B上延伸。在示例性实施例中，套筒5具有从该套筒的背向连接元件3的那一侧5c开始的第一凹部5a，并且该第一凹部5a在连接元件3的方向上延伸。这里，密封装置6具有一件式设计并且具有第一连接部段6c，该第一连接部段6c延伸穿过第一凹部5a并且将第一密封元件6a连接到第二密封元件6b。第一连接部段6c与第一凹部5a相互作用，确保第二密封元件部分6b以可靠的方式长期保持在其位置。应该注意的是，密封装置6也可以具有多件式设计，因此第一密封元件6a和第二密封元件6b也可以被设计为例如单独的密封环。
套筒5优选地是具有从该套筒的面向销元件7的销元件外端7a的那一侧5c开始的第二凹部5b，该销元件外端布置在壳体2之外，并且该第二凹部5b沿销元件7的轴向方向B延伸。在示例性实施例中，套筒5具有第二凹部5b，该第二凹部5b从该套筒的背向连接元件3的那一侧5c开始并且在连接元件3的方向上延伸，其中密封装置6具有第二连接部段6d，该第二连接部段6d延伸穿过第二凹部5b并且将第一密封元件6a连接到第二密封元件6b。这里，第二凹部5b优选地是与第一凹部5a相对布置，其中第二连接部段6d与第一连接部段6c相对布置。
套筒5优选地是至少基本上由铜或铜合金构成。套筒5可具有银涂层。在示例性实施例的范围内，第一密封元件6a和第二密封元件6b以及套筒5均具有中空圆柱形设计，其中销元件7具有圆形横截面区域。
功率半导体器件1还具有交联灌封化合物40，该交联灌封化合物40布置在密封装置6的避开连接元件3的那一侧6e上。交联灌封化合物40布置在套筒5和壳体开口壁2a之间以及布置在套筒5和销元件7之间，其中交联灌封化合物40以材料结合的方式连接到套筒5，连接到壳体开口壁2a，以及连接到销元件7。灌封化合物40将壳体开口壁2a与套筒5封隔开来，并且将套筒5与销元件7封隔开来。交联灌封化合物40优选由交联的硅树脂，特别是交联的硅橡胶形成。在功率半导体器件1的生产期间，在密封装置6的避开连接元件3的那一侧6e上布置液体或胶状的未交联的灌封化合物40’(参见图5)，然后使之交联，由此，交联灌封化合物40由未交联的灌封化合物40’制成，其以材料结合的方式连接到套筒5，连接到壳体开口壁2a以及连接到销元件7。当提供所述液体或胶状的未交联的灌封化合物时，密封装置6防止液体或胶状的未交联的灌封化合物40’流入功率半导体器件1的布置在壳体2内的密封装置6下方的区域。
在本发明中，交联灌封化合物40用作主密封，并且密封装置6用作辅助密封。以这种方式在本发明中实现的壳体开口的两级封隔以可靠的方式并且长期防止灰尘颗粒和湿气进入壳体的内部。由于当提供所述液体或胶状的未交联的灌封化合物时，密封装置6另外还防止液体或凝胶的未交联的灌封化合物40’流入功率半导体器件1的布置在壳体2内的密封装置6下方的区域，因此功率半导体器件1还更加能够以简单且有效的方式进行生产。
功率半导体器件1优选地是具有保持主体17，其中销元件7以在旋转上固定的方式连接到保持主体17，特别是被注塑成型到保持主体17中。保持主体17优选地是布置在底板14上，优选例如借助于螺纹连接来连接到底板14。
功率半导体器件1例如可以安装到车辆(诸如例如叉式装卸车)中，或者例如安装到开关柜中。车辆、开关柜或者总的来说意图与根据本发明的功率半导体器件1导电连接的外部电气部件具有导电的负载电流连接元件4，所述负载电流连接元件4被设置以便导电地连接到根据本发明的功率半导体器件1。当负载电流连接元件4电连接到功率半导体器件1时，更精确地说是电连接到套筒5时，生产出功率半导体布置30。相应的负载电流连接元件4优选地是至少基本上由铜或铜合金构成。
为了生产出功率半导体布置30，具有第三凹部的导电的负载电流连接元件4布置在功率半导体器件1的壳体2之外，使得销元件7延伸穿过第三凹部。然后，将具有螺纹的力生成元件9布置并扭转到销元件7的螺纹13上，使得力生成元件9在负载电流连接元件4上产生沿套筒5的方向作用的力F，更确切地说是在套筒5的面向负载电流连接元件4的那一侧5c的方向上作用的力，由此，将负载电流连接元件4压靠在套筒5上，更确切地说是压靠在套筒5的面向负载电流连接元件4的那一侧5c上，并且在套筒5和负载电流连接元件4之间形成导电压力接触。套筒5与连接元件3导电地接触。套筒5和连接元件3之间的导电接触可以以导电材料结合接触(例如钎焊、熔焊或烧结连接)的形式实现，或者，如在示例性实施例中那样实现为压力接触。套筒5，更确切地说是套筒5的面向连接元件3的那一侧5d，在此过程中压靠在连接元件3上。
如果在套筒5和连接元件3之间存在狭窄的空气间隙，则通过套管5由于力F而朝向连接元件3移动，直至它与连接元件3机械接触并且因此也与连接元件3导电接触，该空气间隙被封闭。这里，使用具有一定弹性的交联灌封化合物40。连接元件3形成套筒5的抵接座。保持主体17形成用于连接元件3的抵接座。负载电流连接元件4借助于套筒7与连接元件3导电连接。力生成元件9优选设计为螺母。
因此，功率半导体布置30具有：根据本发明的功率半导体器件1；具有第三凹部的导电的负载电流连接元件4；以及具有螺纹的力生成元件9。负载电流连接元件4布置在功率半导体器件1的壳体2之外，使得功率半导体器件1的销元件7延伸穿过第三凹部，其中力生成元件9被扭转到销元件7的螺纹13上，并且在负载电流连接元件4上生成了在功率半导体器件1的套筒5的方向上作用的力F，由此，负载电流连接元件4布置成压靠在套筒5上，并且在套筒5和负载电流连接元件4之间形成导电压力接触，并且由此，在示例性实施例中，套筒5被布置成压靠在连接元件3上，并且在套筒5和连接元件3之间形成导电压力接触。
下面将详细说明根据本发明的具有连续方法步骤的生产功率半导体器件1的方法。类似于根据本发明的上述功率半导体器件1的有利改进和变型发展，方法的有利改进是显而易见的，因此，为了避免重复，在下文中不再描述所述有利的改进。在根据图5的方法结束时生产出来的功率半导体器件1对应于结合图1至图4的根据本发明的功率半导体器件1(包括有利的发展和变型发展)。
如通过图5中的示例所示，在第一方法步骤a)中提供功率半导体器件前体产品1’。功率半导体器件前体产品1’具有：功率半导体部件11；壳体2，其具有壳体开口12；优选地是导电的连接元件3，其布置在壳体2内并且与功率半导体部件11导电连接；和销元件7，其穿过壳体开口12并且至少在壳体2之外具有螺纹13。应当注意，为了清楚起见，销元件7的螺纹13未在图5中示出。功率半导体器件前体产品1’还具有：弹性密封装置6，其布置在壳体2的壳体开口壁2a与销元件7之间，该壳体开口壁限定壳体开口并且环绕销元件7；和导电套筒5，其在这里布置在连接元件3上面。销元件7延伸穿过套筒5并且延伸穿过密封元件6的密封装置开口6g，其中密封装置6的第一密封元件6a布置在套筒5和壳体开口壁2a之间，并且密封装置6的第二密封元件6b布置在套筒5和销元件7之间，其中密封装置6未以材料结合的方式连接到套筒5，连接到壳体开口壁2a，以及连接到销元件7，并且密封装置6将壳体开口壁2a与套筒5封隔开来并且将套筒与销元件7封隔开来。功率半导体器件前体产品1’对应于根据本发明的结合图1至4的功率半导体器件1(包括有利的发展和变型发展)，除了存在交联灌封化合物40之外。交联灌封化合物40从功率半导体器件前体产品1’中缺失。应该注意的是，套筒5总的来说可以通过任何所需的导电连接装置(例如，电缆、铜带)与功率半导体部件11导电连接。
在随后的进一步的方法步骤b)中，液体或胶状的未交联的灌封化合物40’布置在密封装置6上，这里是布置在密封装置6的避开连接元件3的那一侧6e上，其中未交联的灌封化合物40’布置在套筒5和壳体开口壁2a之间以及布置在套筒5和销元件7之间，其中未交联的灌封化合物40'与套筒5，与壳体开口壁2a以及与销元件7机械接触。壳体开口壁2a的布置在密封装置6上方的那一区域优选地是在该过程中形成用于未交联的灌封化合物40’的填充盆。
在随后的进一步的方法步骤c)中，使未交联的灌封化合物40’交联，由此，形成交联灌封化合物40，灌封化合物40将壳体开口壁2a与套筒5封隔开来并且将套筒5与销元件7封隔开来。这里，未交联的灌封化合物40’的交联优选通过借助外部生热装置41加热销元件7和/或套筒5来加速。在该过程中，通过销元件7和/或套筒5加热未交联的灌封化合物40’，这加速了所述灌封化合物的交联。这里，未交联的灌封化合物40’可以由例如紧接在方法步骤b)之前混合在一起的两种组分组成，并且可以进行交联反应。这里应该注意，由于在这种情况下，仅在方法步骤b)之后发生绝大部分交联，因此出于本发明的目的，在方法步骤b)中仍存在未交联的灌封化合物40’。未交联的灌封化合物40’的交联也可以例如通过用UV光照射未交联的灌封化合物40’来引发。
在这一点上应该注意，本发明的不同示例性实施例的特征只要不相互排斥，当然可以在需要时相互组合，而不会脱离本发明的范围。