CN120283303A - 具有至少一个半导体元件的半导体组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体组件(2)，该半导体组件尤其是用于转换器(64)的功率半导体组件，该半导体组件具有至少一个半导体元件(4)，为了改进半导体组件(2)的可再循环性，提出了将半导体元件(4)布置在壳体(6)中，其中，壳体(6)至少部分地利用灌封化合物(30)填充，该灌封化合物能够经由加热过程被熔化并且该灌封化合物与半导体元件(4)直接接触。

Description

具有至少一个半导体元件的半导体组件

技术领域

本发明涉及一种半导体组件，尤其是用于转换器的功率半导体组件，具有至少一个半导体元件。

此外，本发明涉及一种具有至少一个这种半导体组件的转换器。

此外，本发明涉及一种对具有半导体元件的半导体组件进行再循环或维修的方法。

背景技术

这种半导体组件例如使用在转换器中。转换器例如可理解为整流器、逆变器、变频器或直流电压转换器。通常，这种半导体组件包括壳体，在壳体中布置有至少一个半导体元件。这种半导体元件尤其能够是晶体管。在壳体内部通常设置有由热固性塑料制成的浇注件，尤其是硅树脂浇注件或环氧树脂浇注件，用于保护至少一个半导体元件。

这种半导体组件例如使用在转换器中。转换器例如可理解为整流器、逆变器、变频器或直流电压转换器。通常，这种半导体组件包括壳体，在壳体中布置有至少一个半导体元件。这种半导体元件尤其能够是晶体管。在壳体内部通常设置有软浇注件、尤其是硅树脂浇注件，以用于保护至少一个半导体元件。

公开文献WO 2022/033745 A1描述一种具有至少一个功率单元的功率模块，功率单元包括至少一个功率半导体和衬底，其中，至少一个功率单元至少部分地被壳体包围。壳体用软浇注件、尤其是用硅树脂浇注件来填充。

环境方面和可持续性方面在电子学发展中也变得越来越重要。尤其是改进的可再循环性受到关注。可再循环性以及维修耗费例如通过省去例如能够通过钎焊、烧结或熔焊建立的材料锁合的连接来改进。

公开文献EP 3 926 670 A1描述一种具有至少一个功率半导体元件的功率半导体模块。为了减小功率半导体模块所需的结构空间并提高其使用寿命，提出的是，至少一个功率半导体元件通过介电材料层与冷却元件处于电绝缘且能导热的连接中，其中，介电材料层平面地贴靠在冷却元件的表面上并且借助于正交于冷却元件的表面作用的第一力与冷却元件力配合地连接。

公开文献WO 2018/046165 A1描述一种具有在上侧和下侧待接触的半导体结构元件的功率模块，其中，半导体结构元件在上侧通过引线框架矩阵借助压紧力电接触。

发明内容

例如在再循环过程中，由热固性塑料制成的浇注件非常难以去除。在该背景下，本发明的目的是改进半导体组件的可再循环性。

该目的根据本发明通过半导体组件、尤其是用于转换器的功率半导体组件来解决，该半导体组件具有至少一个半导体元件，其中，半导体元件布置在壳体中，其中，壳体至少部分地利用灌封化合物填充，灌封化合物能够经由加热过程被熔化并且灌封化合物与半导体元件直接接触。

此外，根据本发明，该目的通过具有至少一个这种半导体组件的转换器来解决。

此外，该目的根据本发明通过一种用于对具有半导体元件的半导体组件进行再循环或维修的方法来解决，其中，该半导体元件布置在壳体中，其中，该壳体至少部分地利用灌封化合物填充，该灌封化合物能够经由加热过程被熔化并且灌封化合物与该半导体元件直接接触，该方法包括以下步骤：通过加热使灌封化合物液化，将液化的灌封化合物从壳体排出并且将半导体元件从壳体中移除。

此外，该目的根据本发明通过一种用于对具有半导体元件的半导体组件进行再循环或维修的方法来解决，其中，该半导体元件布置在壳体中，其中，该壳体至少部分地利用灌封化合物填充，该灌封化合物能够经由加热过程被熔化并且灌封化合物与该半导体元件直接接触，该方法包括以下步骤：通过加热使灌封化合物蒸发，将气态的灌封化合物从壳体排出并且将半导体元件从壳体中移除。

关于半导体组件在下面所列举的优点和优选的设计方案能够合理地转用到转换器、制造方法和应用上。

本发明基于如下考虑，即，通过如下方式改进半导体组件的再循环性，即，通过能够借助于加热过程熔化的灌封化合物来代替由热固性塑料构成的通常所使用的软浇注件。半导体组件的壳体至少部分地用可熔化的灌封化合物填充，使得半导体元件与可熔化的灌封化合物直接接触，在该壳体中布置有至少一个半导体元件。尤其半导体元件至少部分地由可熔化的灌封化合物包围。可熔化的灌封化合物被实施成电绝缘的并且例如能够包含热塑性塑料或石蜡。特别地，可熔化的灌封化合物在室温下具有2kV/mm的击穿强度。例如能够考虑高熔点石蜡或者其他蜡，尤其具有高于100℃的熔点。灌封化合物能够在液化或气态状态下被去除。灌封化合物例如通过电加热装置、尤其借助加热板在金属底板或冷却体上被加热。与通常使用的热固性塑料相比，可熔化的灌封化合物能够明显更容易地并且基本上无残留地被去除。通过这种可熔化的灌封化合物能够实现简单地拆卸以进行修理或再循环。

另外的实施方式规定，在壳体中布置有电路载体，其中，该半导体元件尤其借助于至少一个压力接触部力配合地与该电路载体连接。电路载体尤其能够被实施为衬底，尤其是被实施为DCB(直接铜键合)衬底。这种压力接触部能够尤其实施成也称为汇流条的汇流排。替代地，能够使用弹簧、螺钉和/或卡箍用于力配合地连接半导体元件。半导体元件的这种力锁合的连接是可拆卸的并且在拆卸时为了修理或再循环、尤其与由可熔化的灌封化合物构成的填充物组合地简单地并且基本上无残留地被移除。

另外的实施方式规定，壳体具有用于去除可熔化的灌封化合物的排出开口。排出开口例如布置在壳体框架中或壳体盖中并且能够实现排出液化的或气态的灌封化合物。排出开口尤其能够附加地用于给壳体填充可熔化的灌封化合物。排出开口也能够被实施为额定断裂位置或者实施为用于在壳体中引入开口的标记。尤其通过排出开口能够在不移除盖的情况下实现排出，其中，通过盖实现灌封化合物的更均匀加热，使得附加地简化了基本上无残留地去除灌封化合物。

另外的实施方式规定，排出开口在半导体组件的运行期间利用第一封闭元件以流体密封并且可拆卸的方式封闭。第一封闭元件例如实施为密封塞。这种密封塞使得能够简单地移除灌封化合物并且可靠且成本低廉地确保壳体的密封性。

另外的实施方式规定，壳体具有压力补偿开口，压力补偿开口在半导体组件的运行期间利用第二封闭元件以流体密封并且可拆卸的方式封闭。压力补偿开口也能够被实施为额定断裂位置或者实施为用于在壳体中引入开口的标记。第二封闭元件例如实施为密封塞。尤其排出开口和压力补偿开口被布置成使得封闭体积的至少60％能够位于开口之间。流经压力补偿开口的空气流补偿壳体中的压力，从而灌封化合物能够基本上无残留地从壳体中被去除。

另外的实施方式规定，壳体至少部分地由可熔化的材料制成，可熔化的材料与可熔化的灌封化合物相比具有更高的熔化温度。以这种方式确保，壳体在灌封化合物的加热和排出时不液化。

另外的实施方式规定，半导体组件包括电加热装置，电加热装置至少部分地布置在壳体内。例如加热导体被布置在壳体框架或壳体盖的内表面的区域中。通过这种加热装置，尤其与通过冷却体或底板加热相比，减少了所需的能量输入并且防止了部件在壳体内的意外脱落。

另外的实施方式规定，电加热装置包括加热线圈，加热线圈至少部分地与壳体连接。加热线圈能够与壳体框架或壳体盖的内表面连接。加热线圈的通电尤其能够无接触地以变压器方式进行。这种加热装置使得能够简单而快速地加热灌封化合物。

附图说明

下面借助于在附图中示出的实施例更详细描述和解释本发明。

示出：

图1示出半导体组件的第一实施方式的示意截面图，

图2以示意性的截面图示出半导体组件的第一实施方式的再循环，

图3示出半导体组件的第二实施方式的示意截面图，

图4示出半导体组件的第三实施方式的示意截面图，

图5示出半导体组件的第四实施方式的示意截面图，

图6示出转换器的示意图。

下面阐述的实施例是本发明的优选实施方式。在实施例中，实施方式的所描述的部件分别是本发明的各个可视为彼此独立的特征，这些特征分别也彼此独立地改进本发明并且因此也能够单独地或以与所示出的组合不同的组合被视为本发明的组成部分。此外，所述实施方式也能够通过本发明的已经描述的特征中的另外的特征来补充。

相同的附图标记在不同的附图中具有相同的意义。

具体实施方式

图1示出具有半导体元件4的半导体组件2的第一实施方式的示意性截面图，该半导体元件布置在闭合的壳体6中。例如半导体元件4实施为垂直晶体管、尤其实施为IGBT或垂直的SiC-MOSFET。壳体6包括金属的冷却体8、具有多个管脚12的壳体框架10和壳体盖14。壳体框架10和壳体盖14例如由塑料制成，其中，这些管脚12被浇注或压入到壳体框架10中。起到底板作用的冷却体8例如由铜、铝或其合金制成。电路载体16与冷却体8平面地连接。示例性地，电路载体16包括介电材料层18和金属化部20，介电材料层尤其包含氧化铝、氮化铝或有机的电绝缘的且导热的材料，金属化部例如包含铜、金、钼、银或其合金。介电材料层18能够与冷却体挤压在一起或者与其粘性连接。替代地，电路载体16能够被实施为衬底，尤其被实施为DGB(直接铜键合)衬底，衬底例如钎焊在冷却体8上。

半导体元件4具有第一功率接触部22、尤其集电极接触部，并且在对置的侧上具有第二功率接触部24、尤其发射极接触部以及控制接触部26、尤其栅极接触部。半导体元件4的第一功率接触部22例如材料粘合地与电路载体16的金属化部20连接。半导体元件4与电路载体16的材料粘合的连接尤其能够通过钎焊和/或烧结来制造。布置在半导体元件4的背离电路载体16的一侧上的第二功率接触部24和控制接触部26分别通过接线机构28与电路载体16的金属化部20连接，其中，金属化部20与壳体6的管脚12连线。以这种方式，半导体元件4的接触部22、24、26从壳体6中引出并且能够经由管脚12从外部导电地接触。接线机构28例如被实施为键合线或键合带，其尤其通过超声波引线键合来熔焊。

壳体6被填充有灌封化合物30，该灌封化合物能够经由加热过程被熔化并且该灌封化合物与半导体元件4直接接触并且部分地包围半导体元件。灌封化合物30尤其能够包含热塑性塑料或石蜡。尤其能够考虑具有高于100℃的熔点的高熔点石蜡或其他蜡，使得灌封化合物在室温下是固态的。灌封化合物30能够包含诸如陶瓷颗粒的填充物。灌封化合物30能够被液化或蒸发以用于去除。

壳体6能够至少部分地由可熔化的材料制成，该可熔化的材料与可熔化的灌封化合物30相比具有更高的熔化温度，以便防止壳体在可熔化的灌封化合物30加热时同样被液化。为了移除可熔化的灌封化合物30，壳体具有排出开口32，排出开口在半导体组件2的运行期间利用第一封闭元件34以流体密封并且可拆卸的方式封闭。第一封闭元件34例如实施为密封塞。此外，壳体6具有压力补偿开口36，压力补偿开口在半导体组件2的运行期间利用第二封闭元件38以流体密封并且可拆卸的方式封闭。开口32、36被布置成使得封闭体积的至少60％能够位于开口32、36之间。开口32、36也能够被实施为预定断裂位置或者实施为用于在壳体6中插入开口的标记。

图2以示意性的截面图示出半导体组件2的第一实施方式的再循环，其中，液化的灌封化合物30通过排出开口32排出。为此，第一封闭元件34从排出开口32移除并且第二封闭元件38从压力补偿开口36移除。半导体组件2如在图1中所示出的那样被实施。灌封化合物30通过借助电加热装置、例如借助加热板进行加热而被液化。替代地，灌封化合物30能够通过加热转换为气态状态以用于被去除。

液化的灌封化合物30通过排出开口32排出到收集容器42中。例如壳体6以角度α倾斜。角度α能够在10°至90°的范围内并且在排出期间尤其多次地变化。附加地或替代地，收集容器42能够包括用于抽吸灌封化合物30的抽吸装置。单独收集灌封化合物30改进了环境友好性或可持续性。流经压力补偿开口36的空气流43补偿壳体6中的压力，从而灌封化合物30能够尤其无残留地从壳体6中被去除。替代地，在引线键合的电路的情况下，能够在没有压力补偿开口36的情况下通过移除壳体盖14来进行压力补偿，其中，通过壳体盖14实现灌封化合物30的更均匀加热。

在另外的步骤中打开壳体盖14并且移除半导体元件4。此外，能够去除电路载体16、尤其DGB衬底。以这种方式将用于进一步使用的部件干净利落地分离。

被液化的灌封化合物30也能够通过排出开口32排出以进行维修，其中，打开壳体盖14以移除至少一个有缺陷的半导体元件4。在另外的步骤中，至少替换有缺陷的半导体元件4。尤其能够实现移除具有至少一个有缺陷的半导体元件4的电路载体16，有缺陷的半导体元件在另外的步骤中代替被去除的部件。

图3示出半导体组件2的第二实施方式的示意性截面图，其中，半导体元件4借助于第一压力接触部44力配合地与电路载体16连接。第一压力接触部44除了机械固定外还建立半导体元件4的第二功率接触部24的电接触。

第一金属接触元件46与半导体元件4的第二功率接触部24连接并且用作缓冲层，该缓冲层分配来自压力接触部44的力F，从而防止压力峰值引入到敏感的半导体元件4中。第一金属接触元件46尤其能够被实施为包含铜和/或钼的金属片并且具有在25μm至250μm范围中的厚度。第一金属接触元件46与半导体元件4的连接能够材料粘合地、例如通过钎焊或烧结进行。替代地，第一金属接触元件46能够借助热喷涂方法尤其呈铜颗粒和/或钼颗粒形式被喷涂。可选的第二金属接触元件48被布置在第一功率接触部22和电路载体16之间，该第二金属接触元件能够被实施为尤其包含铜和/或钼的金属片。

第二压力接触部50和第三压力接触部52力配合地与电路载体16的金属化部20连接，以电接触第一功率接触部22或控制接触部26，其中，控制接触部26通过至少一个接线机构28与金属化部20连接。通过压力接触部44、50、52将电路载体16压到冷却体8上并且由此力配合地与其连接。

压力接触部44、50、52被实施为汇流排，其也被称为汇流条。例如汇流排由铜或铜合金制成。附加地或替代地，压力接触部44、50、52能够具有弹簧、螺钉或卡箍。经由密封元件54将汇流排从壳体6中引导出来，从而壳体6以流体密封的方式被密封。多个第一压力接触部44尤其等距地排列在金属接触元件46上的正方形或矩形中(例如2x2、2x3、3x4或者4x4)，能够改进半导体元件4的机械固定，使压力分布更均匀，并实现低电阻电接触。图3中的半导体组件2的另外的实施方案对应于图1中的实施方案。如在图2中所示的那样进行再循环，其中，在排出灌封化合物30之后松脱压力接触部44、50、52的力配合的连接并且目前松动地放置在电路载体16上的半导体元件4能够容易地且无破坏地被移除以用于进一步使用。目前松动地放置在冷却体8上的电路载体16同样能够容易地并且无破坏地被移除以用于进一步的使用。

图4示出半导体组件2的第三实施方式的示意性截面图，其中，电加热装置56布置在壳体6中。电加热装置56具有加热线圈58，该加热线圈示例性地与壳体盖14连接。例如加热线圈58与塑料壳体盖14一起借助MID(模制互连装置)方法制造。加热装置能够包括用于与电流源62连接的电接触部60，其中，电接触部60以穿过壳体盖14延伸的方式布置。替代地，加热线圈58能够无接触地经由变压器通电。图4中的半导体组件2的另外的实施方案对应于图1中的实施方案。如图3中所示，半导体元件4的接触能够通过压力接触部44、50、52实现。

图5示出半导体组件2的第四实施方式的示意性截面图，其中，电加热装置56包括至少一个电绝缘的加热丝62，加热丝被布置成延伸穿过壳体6。至少一个电绝缘的加热丝62以灌封化合物30浇注并且能够直接加热该灌封化合物。图5中的半导体组件2的另外的实施方案对应于图4中的实施方案。

图6示出包括半导体组件2的转换器64的示意图。转换器64能够包括多于一个半导体组件2。

总之，本发明涉及一种半导体组件2、尤其是用于转换器64的功率半导体组件，其具有至少一个半导体元件4。为了改进半导体组件2的可再循环性，提出了将半导体元件4布置在壳体6中，其中，壳体6至少部分地利用灌封化合物30填充，该灌封化合物能够经由加热过程被熔化并且该灌封化合物与半导体元件4直接接触。

Claims (15)

1.一种半导体组件(2)，所述半导体组件尤其是用于转换器(64)的功率半导体组件，所述半导体组件具有至少一个半导体元件(4)，其中，所述半导体元件(4)布置在壳体(6)中，

其中，所述壳体(6)至少部分地利用灌封化合物(30)填充，所述灌封化合物能够经由加热过程被熔化并且所述灌封化合物与所述半导体元件(4)直接接触。

2.根据权利要求1所述的半导体组件(2)，其中，在所述壳体(6)中布置有电路载体(16)，其中，所述半导体元件(4)尤其借助于至少一个压力接触部(44，50，52)力配合地与所述电路载体(16)连接。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的半导体组件(2)，其中，所述壳体(6)具有用于移除能熔化的所述灌封化合物(30)的排出开口(32)。

4.根据权利要求3所述的半导体组件(2)，其中，所述排出开口(32)在所述半导体组件(2)的运行期间利用第一封闭元件(34)被以流体密封并且能拆卸的方式封闭。

5.根据权利要求3或4中任一项所述的半导体组件(2)，其中，所述壳体(6)具有压力补偿开口(36)，所述压力补偿开口在所述半导体组件(2)的运行期间利用第二封闭元件(38)被以流体密封并且能拆卸的方式封闭。

6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体组件(2)，其中，所述壳体(6)至少部分地由能熔化的材料制成，所述能熔化的材料与能熔化的所述灌封化合物(30)相比具有更高的熔化温度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体组件(2)，包括电加热装置(56)，所述电加热装置至少部分地布置在所述壳体(6)内。

8.根据权利要求7所述的半导体组件(2)，其中，所述电加热装置(56)具有加热线圈(58)，所述加热线圈至少部分地与所述壳体(6)连接。

9.一种转换器(64)，具有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的半导体组件(2)。

10.一种用于对具有半导体元件(4)的半导体组件(2)进行再循环或维修的方法，

其中，所述半导体元件(4)布置在壳体(6)中，

其中，所述壳体(6)至少部分地利用灌封化合物(30)填充，所述灌封化合物能够经由加热过程被熔化并且所述灌封化合物与所述半导体元件(4)直接接触，所述方法包括以下步骤：

-通过加热使所述灌封化合物(30)液化，

-将液化的所述灌封化合物(30)从所述壳体(6)中排出，并且

-从所述壳体(60)移除所述半导体元件(4)。

11.根据权利要求10所述的方法，

其中，电路载体(16)布置在所述壳体(6)中，

其中，所述半导体元件(4)尤其借助于至少一个压力接触部(44，50，52)力配合地与所述电路载体(16)连接，

其中，所述半导体元件(4)从所述壳体(6)中的移除包括将所述压力接触部(44，50，52)拆卸。

12.根据权利要求10或11中任一项所述的方法，

其中，所述壳体(6)具有用于移除能熔化的所述灌封化合物(30)的排出开口(32)，

其中，所述排出开口(32)在所述半导体组件(2)的运行期间利用第一封闭元件(34)被以流体密封并且能拆卸的方式封闭，

其中，在排出液化的所述灌封化合物(30)之前，通过移除所述第一封闭元件(32)打开所述排出开口(32)，

其中，液化的所述灌封化合物(30)经由所述排出开口(32)排出。

13.根据权利要求12所述的方法，

其中，所述壳体(6)具有压力补偿开口(36)，所述压力补偿开口在所述半导体组件(2)的运行期间利用第二封闭元件(38)被以流体密封并且能拆卸的方式封闭，

其中，在排出液化的所述灌封化合物(30)之前，通过移除所述第二封闭元件(38)打开所述压力补偿开口(36)，

其中，当液化的所述灌封化合物(30)经由所述排出开口(32)排出时，经由所述压力补偿开口(36)进行压力补偿。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，

其中，所述半导体组件(2)包括电加热装置(56)，所述电加热装置至少部分地布置在所述壳体(6)内，

其中，至少部分地经由所述电加热装置(56)实施加热。

15.一种用于对具有半导体元件(4)的半导体组件(2)进行再循环或维修的方法，

其中，所述半导体元件(4)布置在壳体(6)中，

其中，所述壳体(6)至少部分地利用灌封化合物(30)填充，所述灌封化合物能够经由加热过程被熔化并且所述灌封化合物与所述半导体元件(4)直接接触，所述方法包括以下步骤：

-通过加热使所述灌封化合物(30)蒸发，

-将气态的所述灌封化合物(30)从所述壳体(6)中排出，并且

-从所述壳体(6)移除所述半导体元件(4)。