专利名称：低电感门控晶闸管及其功率半导体组件的制作方法
技术领域：
本发明属于大功率电力半导体器件技术领域，特别涉及一种低电感门控晶闸管及其功率半导体组件。
背景技术：
门控晶闸管一般包括晶闸管、门极可关断晶闸管(GTO)和集成门极换流晶闸管(IGCT)。为了提高门控晶闸管的工作性能，特别是开关性能，都希望尽量减少门极回路的电感。为此，在之前，人们提出了多种方案，而其中又以文献《低电感控制的门控晶闸管》(专利号CN99803524.6)所述方案最为完善。在该专利中，半导体器件具有一个凸出于管壳的环形门极引线，和一个具有大致相同半径并同样凸出于管壳的辅助阴极凸台。此类半导体器件与印制电路板组装成为半导体组件的方式主要有以下两种①半导体器件的门极和阴极引线被设计成多个扇段，而印制电路板上的安装孔周围则对应分布了数目和尺寸与之一致的切口。在安装过程中，半导体器件首先被插入安装孔，门极和阴极引线上的扇段位于印制板切口位置。然后，半导体器件绕管壳轴旋转，直至门极和阴极引线位于切口之间印制电路板的上方和下方范围为止，并最终在该处连接到印刷电路板上。
②半导体器件辅助阴极引线或门极引线在其圆周上至少具有一个扇形或窄槽形的切口，而印制电路板的安转孔上则至少有一个扇形或槽形切口。安装时，使半导体器件倾斜定位旋入安装孔中，就可以完成半导体组件的组装。
这两种方案都存在一些缺点首先，半导体器件凸出于外壳的门极和阴极引线的造型十分复杂，对生产设备和生产工艺的要求也比较高；其次，在这些方案中，半导体器件的门极引线、阴极引线或是印制电路板安装孔的周边，都不可避免需要设置一定数量的切口，而这会在不同程度上损坏整个门极电流回路的连续性，从而增加半导体组件中门极回路的电感，影响其性能；最后，前述专利中的第2套方案，由于电流通路的中断较小，而优于第1套方案。但在该方案中，半导体器件的造型相当复杂，而且半导体器件与印制电路板的安装也需要一定的技巧，因此会影响半导体器件的出厂测试效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种低电感门控晶闸管及其功率半导体组件。所述低电感门控晶闸管是大功率电力半导体器件，具有一个阳极、一个阴极和门极引线；其特征在于，该低电感门控晶闸管1具有一个呈圆形的外壳2，在该外壳中放置了一个半导体芯片3；半导体芯片3引出门极引线6，并和阴极5相互靠近，且位于外壳2的同一侧，门极引线6和阴极5都不凸出于外壳2。
所述门极引线6加工成阶梯状，其弯折面9靠近门控晶闸管外壳2，并有一个与阴极辅助台面8处于同一平面的门极引线安装面7。
所述阴极辅助台面8上有均匀分布螺丝孔15，阴极的底面为阴极压装台面10，最好高于阴极辅助台面8。
所述门极引线安装面7上有均匀分布的通孔16。
所述阴极辅助台面8、门极引线安装面7为圆形或对称的扇形。
所述功率半导体组件为低电感门控晶闸管1通过阴极辅助台面8、门极引线安装面7安装在印制电路板14上组成。
所述阴极辅助台面8、门极引线安装面7的形状在印制电路板上相应的位置加工出相应形状的导电接触区19和导电接触区20。
所述阴极5、阴极辅助台面8的螺丝孔15及门极引线安装面7的安装孔16在印制电路板上相应的位置加工出相应的阴极孔18及相应的安装孔17。
所述阴极辅助台面8与印制电路板14的连接是用螺钉12直接拧入螺丝孔15压紧实现。
所述门极引线安装面7与印制电路板14的连接是用螺钉穿过印制电路板14的安装孔17、门极引线安装面7的安装孔16后拧入门极引线压条11而成。
所述印制电路板上准备与门控晶闸管门极和阴极相连的导电接触区，分别设在印制电路板的不同层，其中门极连线与门极引线安装面直接接触相连，而阴极连线则在印制电路板的相应层通过过孔和螺钉通过安装孔与门控晶闸管的阴极辅助台面相连。
本发明的有益效果是采用上述结构的低电感门控晶闸管及其功率半导体组件，其门极引线、阴极辅助台面则只需在印制电路板上相应的位置加工出相应的安装孔，就可以克服现有技术的缺点，特别是具有结构和加工简单以及组装方便等优点，另外由于电流通路完全连续，因此可以实现更低的门极连接电感。本发明的低电感门控晶闸管，以及由带驱动电路的印制电路板与低电感门控晶闸管组成的功率半导体组件之间的低电感连接，是由环形的门极引线以及阴极上一个呈环形的阴极辅助台面来实现的。由于取消了凸出于外壳的辅助阴极，而且门极引线也无需再伸出外壳以外，因此，生产加工变得十分简单。
为了实现低电感门控晶闸管的阴极和印制电路板的连接，低电感门控晶闸管的阴极上设计有呈环形的阴极辅助台面，其上加工有均匀分布的螺丝孔，而印制电路板上则有相同数目和位置的安装孔与之对应。印制电路板上设计有形状和大小与低电感门控晶闸管阴极压装台面大致相同的安装孔，它可以保证在低电感门控晶闸管与印制电路板的安装过程中，低电感门控晶闸管的阴极压装台面可以从印制电路板中完全露出来。然后在印制电路的另一面利用螺钉对低电感门控晶闸管和印制电路进行固定和电连接。这样一来，低电感门控晶闸管的组装就变得十分简便，从而可以大幅度提高低电感门控晶闸管测试和生产装配的效率。
印制电路板上准备与低电感门控晶闸管门极和阴极相连的连线，最好分别设在印制电路板的不同层。其中门极连线可与低电感门控晶闸管的门极引线安装面直接接触相连，而阴极连线则在印制电路板的相应层通过过孔和螺钉通过安装孔与门控晶闸管的阴极辅助台面相连。采用这种连线方式，整个安装组件中的门阴极电流通路完全连续，从而可以实现更低的电感，保证最佳的半导体器件开关性能。
图1为低电感门控晶闸管的解剖示意图。
图2为图1的门极、阴极结构和印制电路板的连接示意图。
图3为低电感门控晶闸管的底视图，表示了低电感门控晶闸管的环形门极引线安装面和环形阴极辅助面的设计方案。
图4为另一种结构低电感门控晶闸管的底视图，表示了扇形门极引线安装面和扇形阴极辅助面的设计方案。
图5为印制电路板与低电感门控晶闸管对应的安装孔示意图。
图6为功率半导体组件与散热器之间位置关系的示意图。
具体实施例方式
本发明提出一种低电感门控晶闸管及其功率半导体组件。下面结合附图对本发明予以说明。
图1为低电感门控晶闸管的解剖示意图。低电感门控晶闸管1主要由一个绝缘的外壳2、半导体芯片3以及门极引线6、阳极4和阴极5等部件组成。半导体器件芯片3与在晶闸管和GTO中所用方法类似，是在一片硅片上，加工出多个小的半导体胞元，并由这些半导体胞元并联而成的。处于外壳2两端的阳极4和阴极5在外界轴向压力的作用下，实现与半导体芯片3的电连接，同时将半导体芯片3工作产生的热量，传递到压接在低电感门控晶闸管1的阳极4的顶面和阴极5端的阴极压装台面10上的散热器21(图6所示)上。
图2详细表示出了门极、阴极结构和与印制电路板的连接示意图。低电感门控晶闸管1的门极引线6在外壳2上，阳极4和阴极5之间靠近阴极的一个平面引出。门极引线6引出外壳2后，应在尽量靠近外壳的地方，比如图1、2中的弯折面9靠近外壳2所示的位置，向阴极5的方向折弯。门极引线6经过如弯折面9所示的再次折弯，形成一个与阴极5基本平行的门极引线安装面7。门极引线安装面7的作用是为了实现门极引线6和印制电路板14上门极连线的电连接，并帮助将低电感门控晶闸管1和印制电路板14紧固在一起。整个门极引线6最好采用完整的环形，就像图3所示的一样，但也可以采用与图4类似的均匀分布的扇段。
为了将低电感门控晶闸管1的门极引线安装面7固定在印制电路板14上，门极引线安装面7上分布着多个门极引线安装孔16，与图3和图4中低电感门控晶闸管1的底视图所示类似。虽然门极引线安装孔16可以加工成圆形或长腰形等类似形状，但如果采用类似长腰形的形状，则可以降低对加工和安装精度的要求，从而更易于实现。
在门极引线安装孔16设计成类似长腰形形状的情况下，如果门极引线安装面7采用完整环形结构，那么安装孔16最好在门极引线安装面7上至少大致均匀分布；而如果门极引线安装面7采用由几个扇段组成，那么就可以采取直接在门极引线安装面7的每个扇段上加工若干个安装孔16的方法。在后一种情况下，如果低电感门控晶闸管1是利用下述的门极引线压条11进行紧固，那么在每个门极引线安装面7扇段上加工一个类似长腰形的安装孔16就可以了。
为了尽量保证电流通路的连续性，印制电路板14上与门极引线安装孔16对应的安装孔17最好采用圆形，如图5所示。门极引线安装面7和印制电路板14之间的连接，是利用螺钉通过安装孔17和安装孔16将两者紧固在一起实现的。为了减小门极引线部分的电阻，最好采用这样的方法即先在门极引线安装面7上压上加工有螺纹孔的门极引线压条11，然后如图2所示，从印制电路板14的另一面，利用螺钉13和门极引线压条11，将门极引线安装面7紧压在印制电路板14上。门极引线压条11既可以设计成完整的环形，也可以由几个外形大致相同且均匀分布的环形扇形段组成，而其中又以完整的环形所能实现的性能最佳。门极引线6、门极引线安装面7和阴极辅助台面8最好采用完整的环形，就像图3中所示一样。在这种情况下，安装孔17最好采用一个完整的圆形。在有些情况下，门极引线6和门极引线安装面7或阴极辅助台面8也可以加工成几个环形或扇段的形状，如图4所示。这些环形或扇段一般都大致均匀地分布在整个圆周方向上，数目则虽没有限定，但是从简化加工的角度，2～4个是最常用的。
为了能从门极引线安装面和外壳之间插入，门极引线压条11则最好设计成由几个(虽然2～4个是最常用的，但也可以采用更多的数目)大致相同的扇段组成。如果门极引线安装面7被设计成由几个部分组成，那么门极引线压条11最好设计成能将两个或两个以上的门极引线部分压接在一起，这样能够尽可能减小门极引线的电阻。
低电感门控晶闸管1的阴极5一般都由一整块金属加工而成。为了在低电感门控晶闸管1与印制电路板14连接的情况下，方便低电感门控晶闸管1的阴极5与散热器21的压接，其外表面则最好设计成由两个台面组成，如图2中阴极辅助台面8和阴极压装台面10所示。阴极辅助台面8可以简单地加工成环形，如图3所示，也可以加工成由几个扇段组成，如图4所示。辅助阴极台面8上加工有均匀分布的螺纹孔15，而在图5所示的印制电路板安装孔17周围，与阴极辅助台面8上的螺纹孔15位置和数量相对应，加工有多个安装孔17。安装孔17最好采用圆孔以保证门极电流通路的连续，但从简化加工和安装的角度考虑，也可以采用类似长腰形的形状。通过安装孔17，利用螺钉12可以将印制电路板14固定在阴极辅助台面8的下部，同时实现印制电路板14的阴极连线与低电感门控晶闸管1阴极5之间的电连接，如图2所示。
印制电路板14上加工有一个形状与阴极压装台面10形状类似但比阴极压装台面10略大的安装孔18，如图5中所示。低电感门控晶闸管1可以如图6中所示，从印制电路板14的上部垂直放入阴极安装孔18中，阴极压装台面10从阴极安装孔18中突出。通过绕其外壳垂直轴线旋转，使门极引线安装面7和阴极辅助台面8上的安装孔16和螺丝孔15，分别与印制电路板阴极安装孔18周围的门极、阴极安装孔17相对应。之后，在门极引线安装面7上放好门极引线压条11，并调整门极引线压条11的位置，使门极引线压条11上的螺丝孔与印制电路板上的安装孔17对准，最后利用螺钉12和13分别进行紧固，从而实现印制电路板14与门极引线安装面7和阴极辅助台面8之间的电连接。如果不采用门极引线压条，也可以简单地使用螺母代替，与螺钉13配合，实现对门极引线安装面7紧固和连接。
印制电路板14常采用多层电路板结构，由于半导体器件的门极和阴极都将与印制电路板14的同一侧接触相连，因此分布在不同层的门极连线和阴极连线可采用如下设计在印制电路板14半导体器件放入的一侧，阴极安装孔18的周围加工两个同心的环状导电接触区19和20。其中门极导电接触区20的位置和大小可以参照低电感门控晶闸管1门极引线安装面7确定，当低电感门控晶闸管1放置到位后，门极引线安装面7在门极导电接触区20的位置实现与印制电路板14门极连线的电连接。阴极导电接触区19的位置和大小可以参照低电感门控晶闸管1阴极辅助台而8确定，当低电感门控晶闸管1放置到位后，阴极辅助台面8在阴极导电接触区19的位置实现与印制电路板14阴极连线的电连接。不论门极引线安装面7和阴极辅助台面8采取上述的何种形状，导电接触区19和20都可简单地采用环形，而其大小只需考虑低电感门控晶闸管1相应的电连接面能够与印制电路板14上相应的连线尽可能完全可靠的连接。由于印制电路板14上的门阴极连线最好整层分布，因此如果导电接触区19和20所在的层被分配给了门极或阴极中的一个，那么处于另一层的连线就必须借助过孔、螺钉等方法实现与导电接触区的电连接。
由于印制电路板14有一定的厚度，低电感门控晶闸管1阴极中部的阴极压装台面10最好高出辅助阴极台面8，而高出的距离至少要大于印制电路板14的厚度。这样一来，散热器21上与阴极压装台面10的接触面就可以简单加工为一个平面，如图6所示。如果阴极压装台面10不能高出辅助阴极台面8足够的距离，那么阴极散热器21的压装接触面就必须加工出相应的凸台面，以保证在散热器的压装过程中不会妨碍压装。为了减少门极回路的电感，印制电路板14常采用多层结构，且印制电路板上分别与低电感门控晶闸管1门极和阴极相连的门极连线和阴极连线最好在相邻的层上做整层分布。一般情况下，驱动电路都被直接设计加工在印制电路板14上，而低电感门控晶闸管1则通过本专利所述的方法与印制电路板14进行连接和固定。
总之，本发明设计的低电感门控晶闸管，不但结构简单、对生产设备和生产工艺的要求较低，而且组装拆卸方便，非常适合大功率(特别是大电流)半导体器件的要求，达到降低成本、提高性能的目的。而按照本发明设计的功率半导体组件，由于可以实现驱动电路和低电感门控晶闸管极低的连接阻抗，因而可以充分发挥后者的开关性能，进一步扩展其在大功率领域的应用范围。
权利要求
1.一种低电感门控晶闸管，所述低电感门控晶闸管是大功率电力半导体器件，具有一个阳极、一个阴极和门极引线；其特征在于，该低电感门控晶闸管(1)具有一个呈圆形的外壳(2)，在该外壳中放置了一个半导体芯片(3)；半导体芯片(3)引出门极引线(6)，并和阴极(5)相互靠近，且位于外壳(2)的同一侧，门极引线(6)和阴极(5)都不凸出于外壳(2)。
2.根据权利要求1所述低电感门控晶闸管，其特征在于，所述门极引线(6)加工成阶梯状，其弯折面(9)靠近门控晶闸管外壳(2)，并有一个与阴极辅助台面(8)处于同一平面的门极引线安装面(7)。
3.根据权利要求1所述低电感门控晶闸管，其特征在于，所述阴极辅助台面(8)上有均匀分布的螺丝孔(15)，阴极的底面为阴极压装台面(10)，为了便于散热器的压装，高于阴极辅助台面(8)。
4.根据权利要求3所述低电感门控晶闸管，其特征在于，所述门极引线安装面(7)上有均匀分布的安装孔(16)。
5.根据权利要求1所述低电感门控晶闸管，其特征在于，所述阴极辅助台面(8)和门极引线安装面(7)为圆形或扇形。
6.一种权利要求1所述低电感门控晶闸管的功率半导体组件，其特征在于，所述功率半导体组件为低电感门控晶闸管(1)通过阴极辅助台面(8)、门极引线安装面(7)安装在印制电路板(14)上，并与印制电路板上的驱动电路共同组成。
7.根据权利要求6所述低电感门控晶闸管的功率半导体组件，其特征在于，所述阴极辅助台面(8)、门极引线安装面(7)的形状在印制电路板(14)上相应的位置加工出相应形状的作导电接触区的导电金属膜层。
8.根据权利要求6所述低电感门控晶闸管的功率半导体组件，其特征在于，所述阴极(5)、阴极辅助台面(8)的螺丝孔(15)及门极引线安装面(7)的安装孔(16)在印制电路板上相应的位置加工出相应的阴极孔(18)及相应的安装孔(17)。
9.根据权利要求6所述低电感门控晶闸管的功率半导体组件，其特征在于，所述阴极辅助台面(8)与印制电路板(14)的连接是用螺钉直接拧入螺丝孔(15)压紧实现。
10.根据权利要求6所述低电感门控晶闸管的功率半导体组件，其特征在于，所述门极引线安装面(7)与印制电路板(14)的连接是用螺钉穿过印制电路板(14)的安装孔(17)、门极引线安装面(7)的安装孔(16)后拧入门极引线压条(11)而成，或用螺母紧固。
11.根据权利要求6所述低电感门控晶闸管的功率半导体组件，其特征在于，所述印制电路板(14)上准备与门控晶闸管门极和阴极相连的金属膜层连线，分别设在印制电路板的不同层，其中门极连线与门极引线安装面直接接触相连，而阴极连线则在印制电路板的相应层通过过孔和螺钉通过安装孔与门控晶闸管的阴极辅助台面相连。
全文摘要
本发明公开了属于大功率电力半导体器件技术领域的一种低电感门控晶闸管及其功率半导体组件。该低电感门控晶闸管是一种大功率电力半导体器件，在一个呈圆形的外壳中放置了一个半导体芯片，半导体芯片引出的门极引线和阴极相互靠近，且位于外壳的同一侧，门极引线不凸出于外壳；门极引线加工成阶梯状，有一个与阴极辅助台面处于同一平面的门极引线安装面。该低电感门控晶闸管通过阴极辅助台面、门极引线安装面安装在印制电路板上组成低电感门控晶闸管功率半导体组件。由于阴极和门极引线无需伸出外壳以外，因此，生产加工变得十分简单。整个功率半导体组件中的门阴极电流通路完全连续，从而实现更低的电感，可以保证最佳的半导体器件开关性能。
文档编号H01L23/48GK1971942SQ20061016509
公开日2007年5月30日 申请日期2006年12月13日 优先权日2006年12月13日
发明者童亦斌, 张婵 申请人:北京交通大学