低電感控制的門控晶閘管的製作方法

2023-05-06 17:00:46

專利名稱：低電感控制的門控晶閘管的製作方法
技術領域：
本發明涉及電力半導體技術的領域，它涉及按權利要求1前序部分所述的一種半導體器件特別是一種晶閘管以及按權利要求4前序部分所述的一種半導體組件。
現有技術門控晶閘管(GCT)例如可關斷晶閘管(GTO)在一些要求高的使用場合中要求特別低的電感控制(例如參見P·斯泰訥和H·格呂寧等人題為「大功率變頻器用的GTO晶閘管的串聯電路」一文，ABB技術，5／1996，14～20頁，尤其是圖5)。為了在元件和一個位於一塊印製電路板上的控制電路之間的低電感的連接，在一篇早期的、未提前公開的專利申請中提出了一個具有同軸門電路連接的外殼，這種外殼可達到門控晶閘管和印製電路板之間的結電感＜1納亨。在該專利中，門控晶閘管的陰極通過一塊與該門控晶閘管分開的鋼板例如門單元的一塊連續底板形狀的鋼板接通。這樣，門控晶閘管的安裝變得簡便。
·門單元的印製電路板放置在帶環的底板上；·然後放置門控晶閘管的門極引線，即把帶外殼的門控晶閘管放入已形成的槽盆中；·用螺栓將由底板／環、印製電路板和門控晶閘管的門極引線構成的多層結構在不同的部位進行連接。這樣，就建立了從印製電路板到門控晶閘管的門極和陰極的連接。
另一種改進的結構型式避免了由大面積的、公差小的和鍍鎳的底板與環組成的昂貴的結構，即用一個深拉的槽盆來代替該底板和環。這樣就可達到明顯的製造簡化。
但這兩個方案都有熱的缺點陰極槽盆的鋼板位於陰極凸臺和冷卻器之間並由此對從門控晶閘管排出的和散發的熱形成第二個結。特別是在有效冷卻的系統中，會導致整個系統功率的明顯(＞5％)減少。
此外，WO 97／21248提出了一種具有一個設置在一個外殼中的半導體襯底、一個陽極、一個陰極、一個門極引線和一個輔助陰極引線的可關斷晶閘管。其中，該輔助陰極引線做成管子，其內腔構成門極引線。
DE-A-4227063公開了一種具有一個突出於外殼的門極凸臺的可關斷晶閘管。該可關斷晶閘管與一個門單元的連接通過一個帶狀導體進行，該帶狀導體在一側上與該門極凸臺連接並在另一側上通過一個陰極端面接通。
本發明的說明所以本發明的目的在於，提出上述那種半導體器件和半導體組件，它們沒有上述缺點，特別是結構簡單、安裝方便，且陰極側具有明顯改善熱傳導的特點。
這個目的是通過一種半導體器件、尤其是具有權利要求1各個特徵的一種晶閘管以及通過權利要求4各個特徵的半導體組件來實現的。
本發明的半導體器件或由門單元和半導體器件組成的半導體組件可在門單元和半導體器件之間實現低電感的連接。由於直接在外殼上設置了一個輔助陰極，所以不再需要接通陰極用的槽盆。這個目的是這樣實現的在這個半導體器件時，門極引線以及輔助陰極引線各由一個突出於絕緣外殼的凸臺組成，它們在半導體器件安裝好的情況下圍著該門單元的印製電路板。所以門極引線和輔助陰極引線形成一對最好上下平行的環，在晶閘管安裝好的狀態下，印製電路板在這兩個環之間達到晶閘管的外殼，從而可在門或陰極和印製電路板之間實現突起的凸臺形狀的低電阻的環形連接。其中陰極本身不受影響並可與冷卻體直接接觸而沒有熱的損害。
通過印製電路或半導體器件的特殊造型可簡化安裝。在第一種結構型式中，印製電路板具有一個凹槽，該凹槽可插入一個由兩個凸臺構成的縫中。在另一些結構型式中，為了晶閘管在安裝時不存在困難和不同嚙合在連接結構內就可固定在輔助陰極引線和門極引線之間的連接印製電路板上，在印製電路板的安裝孔和晶閘管的引線上設置有安裝結構。
本發明的第一優選結構型式的特徵是，這樣構成安裝結構，使晶閘管與外殼軸垂直於印製電路板定位插入安裝孔中並通過繞外殼軸旋轉一下即可進入連接位置。在這種結構型式時，安裝雖然特別簡單，但這種安裝結構的造型則相當複雜。最好將輔助陰極引線和／或門極引線分成許多均勻分布在整個圓周上的、由相應的第一切口相互分開的扇形，安裝孔包括在內圓周上均勻分布的且數目和尺寸與扇形一致的第二扇形切口。在安裝時，晶閘管用扇形插入第二切口直至印製電路板位於兩個引線之間，隨即進行旋轉，直至這些扇形位於第二切口之間的上方或下方範圍為止，並可在該處連接在印製電路板上。
本發明第二優選結構型式的特徵是，這樣構成安裝結構，使晶閘管可用與印製電路板傾斜定位的外殼軸旋入安裝孔中。在這個結構型式中，安裝結構特別簡單，而安裝本身則需要多一些的技巧。最好輔助陰極引線和／或門極引線在其圓周上具有至少一個扇形的或槽形的第一切口，而安裝孔則在其內圓周上具有至少一個扇形的或槽形的第二切口。
用一個扇形切口或一個槽形切口的優點是，印製電路板只有一個小的中斷，這樣可使門極電流上升率最佳化。
安裝結構(扇段或切口)可只設在輔助陰極引線上、只設在門極引線上，或設在這兩個引線上。在第一種情況中，晶閘管必須(從上方)用陰極側首先插入安裝孔中，在第二種情況下，晶閘管必須(從下方)用陽極側首先插入安裝孔中；而在第三種即最後一種情況中，插入可選擇地從兩側之一進行。
各由一個門單元組成的並在其中布置了一個半導體器件的這類半導體組件一般都是上下成堆插入。本發明的半導體組件的優點是，在一個半導體元件有缺陷時，無須拆開整個堆即可更換那個有缺陷的元件。
其它的結構型式可從各項從屬權利要求中得知。
附圖簡要說明下面結合一些實施例並參照附圖來詳細說明本發明。附圖表示

圖1具有一個裝入的半導體器件的本發明半導體組件和透視圖；圖2a本發明一個實施例的半導體器件的透視圖(未示出安裝結構)；圖2b已插入印製電路板中的圖2a所示晶閘管的側視圖；圖2c本發明半導體器件的第二種結構型式的側視圖；圖3a圖2c所示半導體器件的橫截面；
圖3b第三種結構型式的部分斷面圖；圖4本發明的門單元；圖5第二實施例的一個安裝好的半導體器件的部分放大視圖；圖6一個半導體器件的第四種結構型式的部分放大圖；圖7a根據本發明帶有分成扇形連段形狀的安裝結構的晶閘管的第五優選實施例的俯視圖圖7b在連接印製電路板上設置有與圖7a晶閘管的安裝結構配合的扇形切口；圖7c在軸向內插入連接印製電路板以後的圖7a晶閘管的俯視圖；圖7d晶閘管在安裝孔中旋轉以後的圖7c的結構；圖8a根據本發明在引線上設置有一個扇形切口形狀的安裝結構的晶閘管的第六優選實施例的俯視圖；圖8b在連接印製電路板上設置了一個與圖8a晶閘管的安裝結構配合的扇形切口；圖8c在陰極引線環插入連接印製電路板的上述切口之前的圖8a晶閘管的仰視圖；圖8d在陰極引線環插入連接印製電路板的上述切口之後的圖8a晶閘管的仰視圖；圖9a根據本發明在輔助陰極引線上設置有一個槽形狀的安裝結構的晶閘管第七優選實施例的俯視圖；圖9b在連接印製電路板上設置了一個與圖9a晶閘管的安裝結構配合的槽。
本發明的實施方法圖1表示本發明的一個半導體組件HT。該半導體組件HT由一個門單元GE、一塊印製電路板1(也叫連接印製電路板)和在其上布置的電元件2以及一個固定在連接印製電路板1中的大功率半導體器件3組成。連接印製電路板一般為多層結構。電元件2的至少一部分用來控制門並例如由電容器組成。
圖2a表示本發明一個實施例的晶閘管形式的半導體器件的透視圖。門控晶閘管3包括在矽基板上的一個(在圖3a中可清楚看出的)半導體襯底31，在該半導體襯底上按熟知的方式並排布置了許多單個元件。半導體襯底31最好埋入兩個鉬圓片32之間。半導體襯底31放在一個密封的絕緣外殼30中。該外殼30例如繞一根外殼軸39是旋轉對稱的。該外殼由一個圓筒形的側部組成，它通常用陶瓷製成並且有一個(圖2c所示的)波狀外形，以延長漏電路徑。在外殼30的端面-可從圖2b側視圖看出-布置了一個圓形的、大面積的陽極33(上端面)和一個相應的陰極34(下端面)，通過該陰極使晶閘管33以一個在軸向壓力作用下的疊層結構在相鄰的冷卻盒上實現電和熱的連接。
在陽極33和陰極34之間的一個平面內從外殼30突出一個圍著外殼30的同心圓環形門極引線35，該引線構成一個徑向突出外殼30的門極凸臺。該凸臺最好形成至少接近於一個全圓，其中在該全圓的整個圓周上具有若干均勻分布的第一螺絲孔35』。
一個輔助陰極引線36與門極引線35平行位於門極引線35下方的一個平面內，該輔助陰極引線做成一個側向伸出外殼30的、包圍陰極34的同心圓環並構成一個輔助陰極凸臺。該輔助陰極凸臺具有許多第二螺絲孔36』，這些螺絲孔與柵電極凸臺的第一螺絲孔35』同心。
門極引線35和輔助陰極引線36分別由一個金屬環組成，它們最好進行硬釺焊。這兩個引線至少相互接近平行地在外殼30外面伸展，其中一個引線和／或另一個引線的至少伸出外殼30的部分做成平面。這兩個連接片35、36最好具有相同的外半徑。
圖3b表示第三種結構型式。在這種情況中，這兩個引線在外殼30外面不是相互立即呈平面伸展，而是具有彎起部和／或凹入部。
在圖2c和圖3b所示的結構型式中，這兩個引線35、36具有至少接近相等的厚度。該厚度是這樣選擇的，使圍繞管殼30的導線迴路的電阻明顯低於門電路的總電阻。一個凸臺的典型厚度值為0．3～0．5毫米。
門極引線35和輔助陰極引線36之間的距離是相當小的。該距離選擇成使圍繞管殼30的導線迴路的電感明顯低於門電路的總電感。其典型值為1～2．5毫米，最好至少接近1．8毫米。但這個距離不但取決於要求的特性，而且取決於相應的門單元GE的連接印製電路板1的厚度，這在下面還要進行說明。
如圖1和圖2b所示，為了低電感控制，晶閘管33以特殊的方式與一個設置在連接印製電路板1上的控制電路連接。這是通過晶閘管33插入一個設置在連接印製電路板1上的圓形安裝孔10來實現的。安裝孔10的內直徑明顯小於門極引線35和輔助陰極引線36。通過兩個引線35，36在該安裝孔邊緣搭接連接印製電路板1，於是這兩個引線便可通過其整個圓周直接地和低電感地與連接印製電路板1或與該印製電路板兩側上存在的印製導線連接。
門極引線35和輔助陰極引線36之間的距離是這樣選擇的，使連接印製電路板1能用其板厚填充這兩者之間的位置，如圖2b所示。由於輔助陰極引線36呈環形包圍陰極34，在晶閘管33組成一堆的情況下，該冷卻盒直接緊貼在陰極上，所以避免了現有技術在用一個陰極槽盆時出現的各種問題。但另一方面，為了該印製電路板的上側可直接與門極引線35接觸和該印製電路板的下側可直接與輔助陰極引線36接觸，連接印製電路板1必須以某種方式方法放置在這兩個引線35和36之間。
圖4表示半導體器件固定在門單元GE的連接印製電路板1內的第一方案。為了安裝本發明的晶閘管3，連接印製電路板1具有一個孔，該孔在連接印製電路板1中構成一個最好是半圓形的凹槽10』。沿著這個凹槽10』在第一表面上實現了第一半圓形的金屬化的接觸面11與門極引線35的電接通，在對面的第二表面上設置了第二個半圓形金屬化的接觸面12，該接觸面用來接通輔助陰極引線36。至少在這兩個接觸面11、12的範圍內，連接印製電路板1包括接觸面11、12具有一個至少接近相當於門極引線35和輔助陰極引線36之間的距離的厚度。這兩個接觸面11、12被固定孔13穿通，該固定孔與兩個引線35、36的螺絲孔35』、36』按相同的距離進行布置。
在晶閘管3安裝在門單元GE內或上時，晶閘管3放在連接印製電路板1上，這時把連接印製電路板1的凹槽10推到門極引線35的凸臺和輔助陰極引線36的凸臺之間。用穿過螺孔35』、36和穿過固定孔13的電絕緣的固定螺栓4把插入的半導體器件3固定在連接印製電路板1上，如圖5所示。
如圖4所示，最好有一塊蓋板1』與上述的連接印製電路板1構成對應件，並在晶閘管3插入後附加在連接印製電路板1的凹槽一側的端面上。其中，蓋板1』也被推到兩個凸臺35、36之間並用固定螺栓固定。蓋板1』和連接印製電路板1構成一個圓孔來固定半導體器件3。最好蓋板1』也具有接通門極引線35和輔助陰極引線36的接觸面，以減小總電感和提高關斷能力。蓋板1最好使用在加工連接印製電路板1的凹槽10時切去的料。
但原則上是不需要這個蓋板1』的。在取消這個蓋極1』時，凸臺35、36最好在其自由區內進行深衝，如圖6所示。這樣就減小了引線之間的距離，從而減小總電感。
為了使圍繞晶閘管3的多層印製電路板不幹擾低電感的通路，在本發明的各個優選結構型式中提出了附加的安裝結構。這種附加安裝結構的第一優選實施例如圖7a～7d所示。其中圖7a和7b表示這種安裝結構本身，而圖7c和7d則表示這種安裝結構的插入和作用。在圖7a所示的第一實施例中，輔助陰極引線36和／或門板引線35在整個圓周上分成許多均勻分布的通過第一切口38相互分開的扇段37。此外，圖7d所示的安裝孔10在其內圓周上均勻分布許多扇形的第二切口14，第二切口14的數目和尺寸與引線35，36的扇段37一致。
按圖7c，這時晶閘管3可用外殼軸39垂直於連接印製電路板1定向插入安裝孔10中，其中扇段37分別通過連接印製電路板1的相應切口14插入。然後通過圍繞外殼軸39旋轉(圖7c所示箭頭)即可將晶閘管3置於其最終的連接位置，其中扇段37位於連接印製電路板1的切口14之間的下部和上部。在單個扇段37和位於連接印製電路板1切口14之間的範圍內分別設置了至少一個螺孔35』、36』或一個固定孔13，以擰緊門極引線35或輔助陰極引線36與連接印製電路板1，這些孔上下同心位於連接位置。
引線35和36的分段可按不同的方式進行如果只有輔助陰極引線36分段，則晶閘管3必須從上方通過安裝孔10插入。如果只有門極引線35分段，則晶閘管3必須從下方插入安裝孔10。如果兩個引線35、36都進行分段，則晶閘管3可選擇地從上方或下方插入。最好扇段37和第一切口38具有基本上相同的尺寸。這樣，連接印製電路板1和扇段37之間的連接面達到最大和電感達到最小。扇段37的數目可選用不同。在所示實施例中，扇段的數目為16。在這種情況中(圖7c、7d)，晶閘管3必須圍繞外殼軸39旋轉360°／32或11，25°，才能從插入位置(圖7c)到達連接位置(圖7d)。出於電感的原因，扇段37在圓周上的分布應當是均勻的，但在特殊情況中(出於位置原因或別的原因)也可選用不均勻的。
在圖7a～7d所示引線35、36具有相同尺寸的交替的扇段37和切口38的實施例中，在印製電路板1上的實際連接只有原有環形面積的一半。如果按圖8a～8d所示的第二實施例構成安裝結構時，則可達到大得多的連接面積。在這種情況中，輔助陰極引線36和／或門極引線35在其圓周上只有一個扇形的第一切口38(圖8a)。安裝孔10在其內圓周上同樣只具有一個扇形的第二切口14(圖8b)。晶閘管3插入安裝孔10中按圖8c(仰視圖；晶閘管3從上方插入安裝孔10中)這樣進行，使輔助陰極引線36的始端位於切口14中的切口38的邊緣上。然後用外殼軸39翻轉晶閘管3，這樣，輔助陰極引線36的始端便可通過切口14移到印製電路板1下方。在這種插入或交叉後，晶閘管3便可且傾斜的外殼軸39呈螺旋形旋入安裝孔10中(圖8d)，其中隨著不斷增加的旋轉使輔助陰極引線36通過不斷變大的長度到達印製電路板的下側並在完全旋轉大致360°時，完全位於下方。
在這種情況中，在輔助陰極引線36和門極引線35上以及沿安裝孔10的圓周上也均勻分布設置了許多相互配合的螺孔35』、13，以連接門極引線35或輔助陰極引線36與連接印製電路板1。在這種情況中，切口38也可選擇地設置在輔助陰極引線36上、設置在門極引線35上或設置在這兩個引線上。
圖9a和9b表示可達到大連接面的另一種結構型式。這時不用扇形的切口，而是設置窄的槽38』、14』。在晶閘管3的這種情況中，只需在凸臺上即這裡在輔助陰極引線上設置一個窄槽38』足夠。印製電路板1同樣具有一個窄槽14』該槽一直延伸到板的邊緣。安裝可按圖8a～8b所述的方案進行。但在這種結構型式中，安裝孔10最好也像引線35、36那樣，構成一個幾乎完整的圓。
在全部三個所示實施例中，晶閘管3的門極引線35都直接位於印製電路板1上，而輔助陰極引線36則直接位於該印製電路板1下方。當然也可以是相反的定位(輔助陰極引線36在上方，門極引線35在下方)，這對一些特殊安裝場合來說，是有利的。此外，也可選用任意數目的螺孔來代替16個螺孔35』、13。但12～16個螺栓就可達到大電流門控晶閘管(例如在直徑為1120毫米的外殼30中斷流容量為5～6千安)情況所需的特別好的接觸。
總的說來，用本發明獲得了一種低電感控制的門控晶閘管，這種晶閘管具有結構簡單和安裝簡便的特徵，特別適用於大電流和大功率，並在不改變低的連接電感的情況下可實現元件的不受幹擾的熱接觸。
權利要求
1．半導體器件(3)，特別是一種晶閘管具有一個外殼(30)，在該外殼中設置了一個半導體襯底(31)、一個陽極(33)、一個陰極(34)和一個環形門極凸臺(35)，該凸臺突出於外殼(30)，其特徵為，環形輔助陰極凸臺(36)用來接通一個輔助陰極，該凸臺突出於外殼(30)。
2．按權利要求1的半導體器件，其特徵為，輔助陰極凸臺(36)和門極凸臺(35)相互至少接近於相同的距離延伸。
3．按權利要求1的半導體器件，其特徵為，門極凸臺(35)和輔助陰極凸臺(36)具有至少接近相同的外半徑。
4．具有一個半導體器件(3)尤其是一個晶閘管和一個連接印製電路板(1)的半導體組件，其中半導體器件(3)具有一個大致呈圓筒形的外殼(30)，為了半導體器件(3)的電連接，該外殼(30)在一端面上包括一個陽極(33)，在另一個端面上包括一個陰極(34)並在陽極(33)和陰極(34)之間的一個平面內有一個從外殼(30)側向突出的、同心圍著外殼(30)的圓環形門極引線(35)，為了與一個設置在連接印製電路板(1)上的控制電路的低電感的連接，半導體器件(3)這樣插入連接印製電路板(1)的一個安裝孔(10)，使門極引線(35)平行於連接印製電路板(1)位於連接印製電路板(1)的一側上並通過安裝孔(10)的邊緣突出來，再從該處連接在連接印製電路板(1)的一側上，並使陰極(34)位於連接印製電路板的另一側和通過一根連接線連接到連接印製電路板(1)的另一側，其特徵為，半導體器件(3)具有一個輔助陰極引線(36)，該引線在連接印製電路板上構成陰極引線，其中輔助陰極引線(36)做成平行於門極引線(35)側向凸出外殼(30)的同心圓環，該圓環凸出於安裝孔(10)的邊緣。
5．按權利要求4的半導體組件，其特徵為，安裝孔(10)由一個凹入連接印製電路板(1)中的半圓形凹槽構成。
6．按權利要求4的半導體組件，其特徵為，在安裝孔(10)和輔助陰極引線(36)和／或門極引線(35)上設置有安裝結構(37、38、38；38、38)，藉助於這些安裝結構可將半導體器件(3)插入安裝孔(10)，而不改變該半導體器件或連接印製電路板(1)。
7．按權利要求6的半導體組件，其特徵為，這些安裝結構(37、38、38)做成可使半導體器件(3)用外殼軸(39)垂直於連接印製電路板(1)定向插入安裝孔(10)中並通過圍繞外殼軸(39)旋轉而可進入連接位置。
8．按權利要求7的半導體組件，其特徵為輔助陰極引線(36)和／或門極引線(35)在圓周上分成許多均勻分布的、被第一切口(38)相互隔開的扇段(37)；安裝孔(10)在內圓周上均勻分布許多與扇段(37)數目和尺寸一致的扇形第二切口(38)。
9．按權利要求8的半導體組件，其特徵為，扇段(37)和第一切口(38)具有基本上相同的尺寸。
10．按權利要求6的半導體組件，其特徵為，安裝結構(38、38)做成可使半導體器件(3)用傾斜於連接印製電路板(1)定向的外殼軸(39)旋入安裝孔(10)中。
11．按權利要求10的半導體組件，其特徵為輔助陰極引線(36)和／或門極引線(35)在其圓周上具有至少一個扇形的第一切口(38)；安裝孔(10)在其內圓周上具有至少一個扇形的第二切口(38)。
12．按權利要求10的半導體組件，其特徵為輔助陰極引線(36)和／或門極引線(35)在其圓周上具有一個窄槽形的第一切口(38)；安裝孔(10)具有一個一直延伸到一個印製電路板邊緣的窄槽形的第二切口(38)。
全文摘要
一種低電感控制的門控晶閘管(3)具有一個帶一個陽極(33)、一個陰極(34)和一個圓環形門極引線(35)的大致呈圓筒形的外殼(30),為了與一個設置在連接印製電路板(1)上的控制電路的低電感的連接,晶閘管(3)這樣插入一個圓形的安裝孔(10)中,使門極引線(35)平行於連接印製電路板(1)位於連接印製電路板(1)的一側並通過安裝孔(10)的邊緣突出來,再從該處直接連接在連接印製電路板(1)的一側上,並使陰極(34)位於連接印製電路板的另一側和通過一根輔助陰極引線(36)連接到連接印製電路板(1)的另一側。這種晶閘管結構簡單、安裝方便,且在陰極側達到了明顯改善的熱傳導,這個目的是這樣實現的:輔助陰極引線(36)做成平行於門極引線(35)並側向突出於外殼(30)的同心圓環,該圓環突出於安裝孔(10)的邊緣;在安裝孔(10)和輔助陰極引線(36)和/或門極引線(35)上設置了安裝結構,這種安裝結構可使晶閘管(3)插入安裝孔(10)中,而不改變晶閘管或連接印製電路板(1)。
文檔編號H01L29/66GK1292150SQ99803524
公開日2001年4月18日 申請日期1999年1月8日 優先權日1998年1月9日
發明者H·格呂寧, T·克勒, S·克拉卡, A·克萊特, P·麥巴赫, B·奧德加德, J·雷斯 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司