[发明专利]具有压力补偿接触板的功率半导体器件

说明书

本发明属于功率电子器件领域。所涉及的是一种如权利要求1前序部分所述的带有压力补偿接触板的功率半导体器件。

用于工业、动力牵引和其他用途的功率半导体通常包括诸如闸流晶体管、GTO(双向闸流晶体管)、MCT(金属氧化物可控硅)、功率二极管、IGBT(绝缘栅双极晶体管)或者MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)等功率半导体器件。它们封装在一个具有压力接触的壳体内。这种压力壳体内可以包含诸如一个大面积的闸流晶体管或若干个小面积MOS-可控半导体芯片。

这种功率半导体器件例如公开在美国专利说明书第4500907号中。其典型的结构包括一个半导体圆片，具有金属化的电力接触层，其两侧是接触板，并且包括两个圆柱形金属压块，通过该压块将器件保持在壳体内。接触板由钼(Mo)或钨(W)制成，它们具有和硅相适应的膨胀系数。金属压块的作用是实现与功率半导体之间的电气和传热的压力接触，并且将热量传递给散热片。所需的高压力会导致出现公知的问题，因为半导体圆片的边缘与刚性接触板之间的接触面会出现有害的过高压力。为此所建议的解决方案是，在金属压块的圆周上开出例如是直角形、V形或圆弧形的槽，以便在均匀的压力载荷下通过槽的弹性变形从外部实现边缘压力的减小。

在美国专利说明书第5539220号中建议了一种平面压力壳体用于若干个并排布置的半导体器件，其中的接触和热传导是通过电极板的大面积共同压缩实现的。这种压力接触壳体特别适用于多个IGBT芯片以及自振荡二极管。这种结构的优点是，可改善散热状况，并且可取消搭接引线及其电感。为了保证在所有元件上实现均匀的压力，所采取的措施是，在电极板和半导体之间加一层导热层或钎焊层，并且补偿IGBT和自振荡二极管的结构高度。

在以上两份文献中所没有解决的问题是，来自外部的不均匀压力作用在元件上所造成的影响始终存在。这首先表现在接触板的不平度以及作用力不均匀的夹紧结构。如果接触板或夹紧结构变形或者随着时间的推移，由于交变应力、材料疲劳等原因变形，则将在一个或若干个功率半导体表面上产生不均匀的压力分布。此时会导致出现局部过热，使半导体器件失效。例如对GTO而言，在工作中接触板和金属压块的变形是导致器件失效的最通常的原因。例如10毫米厚的铜接触板的不平度为100微米或更大。接触板的轻微变形甚至在其装配前的检测中便可出现。

本发明的任务是，提供一种具有特殊压力接触方式的功率半导体器件，通过本发明可明显改善功率半导体表面上的压力状况，实现均匀分布。

本发明的以上任务的解决方案是，在功率半导体和所述压块之间至少设置一个导电的压力补偿元件；所述压力补偿元件包括一个盒子，其内部充有流态的或可塑性变形的介质。

本发明的核心是，在压力接触的功率半导体器件内增加一个压力补偿元件，它含有一种流态或可塑性变形的介质，通过该元件可将一侧产生的不均匀压力变换成另一侧的均匀压力。

在一个实施例中，功率半导体器件具有一个设置在一侧的压力补偿元件，它是一个盒子，其内充有流态或塑性金属或金属珠。

在另一个实施例中，压力补偿元件的形状是一个盒子，它具有向内隆起的弧形外表面，其特点是，在边缘区域也能得到均匀的压力分布。

在第三个实施例中，盒子或槽的一侧是敞开的，其内部充有软的塑性金属。

其他的实施例提供了压力补偿盒子的各种可能的形状和结构，以及填充介质的选择。

所述介质是不可压缩的或可少量压缩的介质，所述介质具有导电性和导热性。

所述盒子由一个上压力面和一个下压力面以及一个旋转对称形或圆柱形的外表面组成，所述压力面是平整的并且相互平行，并且所述盒子具有导电性。

所述介质包括液态或塑性金属，或者处在一种导热液体或膏体中的金属珠，所述盒子部分或全部由金属或一种金属陶瓷制成，并且所述盒子的一个盖或底或一个槽由一种导热材料制成，所述导热材料的热膨胀系数和功率半导体的相匹配。