本发明涉及一种功率半导体器件，其具有功率半导体模块和冷却体，其中功率半导体模块具有冷却板，其中冷却体具有开口，所述开口由冷却体的环绕该开口的横向第一表面限定，其中冷却板设置在开口中，其中冷却板的环绕该冷却板的横向第一表面和冷却体的第一表面与冷却板的朝向功率半导体组件的主表面之间的各个角分别小于90°，其中冷却板的第一表面和冷却体的第一表面环绕地沿着冷却板的第一表面且环绕地沿着冷却体的第一表面彼此压紧设置。此外本发明涉及一种用于制造相关功率半导体器件的方法。本发明提出一种功率半导体器件，具有从功率半导体组件到功率半导体器件的由液体流过的冷却体的良好导热且其中冷却体长期可靠地密封。
1.一种功率半导体器件，具有功率半导体模块(3)和由液体流过的冷却体(2)，其中功率半导体模块(3)具有设置在导电的导体电路(13)上的功率半导体组件(9)，其中该功率半导体模块(3)具有不导电的绝缘层(6)和冷却板(5)，其中绝缘层(6)设置在导体电路(9)和冷却板(5)之间，其中冷却体(2)具有开口(25)，所述开口由冷却体(2)的环绕该开口(25)的横向第一表面(26)限定，其中冷却板(5)设置在开口(25)中，其中冷却板(5)的环绕该冷却板(5)的横向第一表面(24)与冷却板(5)的朝向功率半导体组件(9)的主表面(30)之间的角(α)小于90°且冷却体的第一表面(26)与冷却板(5)的朝向功率半导体组件(9)的主表面(30)之间的角(β)小于90°，其中冷却板(5)的第一表面(24)和冷却体(2)的第一表面(26)环绕地沿着冷却板(5)的第一表面(24)且环绕地沿着冷却体(2)的第一表面(26)彼此压紧设置。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述冷却板(5)的环绕该冷却板(5)的横向第一表面(24)与所述冷却板(5)的朝向功率半导体组件(9)的主表面(30)之间的角(α)为89.5°至85°。
3.根据权利要求1或2所述的功率半导体器件，其特征在于，所述冷却体(2)的第一表面(26)与冷却板(5)的朝向功率半导体组件(9)的主表面(30)之间的角(β)等于冷却板(5)的第一表面(24)与冷却板(5)的朝向功率半导体组件(9)的主表面(30)之间的角(α)。
4.根据权利要求1或2所述的功率半导体器件，其特征在于，所述冷却体(2)具有开口(25)，所述开口由所述冷却体(2)的环绕该开口(25)的横向第一表面(26)且由所述冷却体的环绕该开口(25)的横向第二表面(14)限定，其中所述冷却体(2)的第二表面(14)形成环绕开口(25)的第一槽(36)的内表面，其中冷却板(5)的边缘区域(29)具有环绕冷却板(5)的凸起(34)，所述凸起设置在第一槽(36)中。
5.一种用于制造功率半导体器件的方法，具有以下方法步骤：
a)提供功率半导体模块(3)，所述功率半导体模块具有设置在导电的导体电路(13)上的功率半导体组件(9)，其中功率半导体模块(3)具有不导电的绝缘层(6)和冷却板(5)，其中绝缘层(6)设置在导体电路(9)和冷却板(5)之间，其中所述冷却板(5)的环绕该冷却板(5)的横向第一表面(24)与所述冷却板(5)的朝向功率半导体组件(9)的主表面(30)之间具有小于90°的角(α)，且提供由液体流过的冷却体(2)，所述冷却体具有开口(25)，所述开口由冷却体(2)的环绕该开口(25)的横向第一表面(26)限定，b)在冷却体(2)的开口(25)上设置冷却板(5)，
c)将冷却板压入冷却体(2)的开口中，其中在压入之后，冷却板(5)的第一表面(24)和冷却体(2)的第一表面(26)环绕地沿着冷却板(5)的第一表面(24)且环绕地沿着冷却体(2)的第一表面(26)彼此压紧设置，其中冷却体(2)的第一表面(26)与冷却板(5)的朝向功率半导体组件(9)的主表面(30)之间具有小于90°的角(β)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述开口(25)由冷却体(2)的环绕该开口(25)的横向第一表面(26)且由冷却体(2)的环绕该开口(25)的横向第二表面(14)限定，其中冷却体(2)的第二表面(14)形成环绕开口(25)的第一槽(36)的内表面，所述方法进一步具有以下方法步骤：d)使冷却板(5)的横向边缘区域(29)这样变形，使该边缘区域(29)具有围绕该冷却板(5)的凸起(34)，所述凸起在该冷却板(5)的横向边缘区域(29)变形之后设置在第一槽(14)中。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在将冷却板(5)压入冷却体(2)的开口(25)中时实施，在冷却板(5)的朝向功率半导体组件(9)的主平面(30)中切割出与冷却板(5)的第一表面(24)间隔的环绕的第二槽(28)。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在方法步骤a)中，所述冷却板(5)的朝向功率半导体组件(9)的主表面(30)具有与冷却板(5)的第一表面(24)间隔的环绕的第二槽(28)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，借助于具有压入模具(51)和变形模具(52)的工具(50)来实施该方法，其中借助于压入模具(51)来使冷却板(5)压入冷却体(2)的开口(25)中，以及借助于变形模具(52)来实施冷却板(5)的横向边缘区域(29)的变形，其中变形模具(52)设置为能够横向围绕压入模具(51)且相对于压入模具(51)运动。
功率半导体器件以及用于制造功率半导体器件的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种功率半导体器件。本发明还涉及一种用于制造功率半导体器件的方法。
背景技术
[0002] 在从现有技术中已知的功率半导体器件中，通常在基底上设置功率半导体组件，例如功率半导体开关和二极管，且这些功率半导体组件借助于基底的导电层以及焊线和/或薄膜复合物彼此导电连接。功率半导体开关在此通常为晶体管的形式，例如为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
[0003] 设置在基底上的功率半导体组件通常电连接到一个或多个所谓的半桥电路，其用于电压和电流的整流和换流。
[0004] 在功率半导体器件的工作中在功率半导体组件上产生电损耗，其会使功率半导体组件升温。为了冷却功率半导体组件，通用技术的功率半导体器件经常具有由冷却液流过的冷却体，其导热地耦合到功率半导体组件。
[0005] 从DE 10 2010 043 446 B3中已知，由冷却液流过的冷却体设置有开口且在开口中设置有功率半导体模块的冷却板，该功率半导体模块包括功率半导体组件。由此获得从功率半导体组件到冷却液的良好导热。在此不利的是，冷却板必须长期且可靠地相对于冷却体密封，以可靠地在通常设置得较长的功率半导体器件的使用期限中阻止冷却液流出。
发明内容
[0006] 本发明的任务是提供一种功率半导体器件，其具有从功率半导体组件到功率半导体器件的由液体流过的冷却体的良好导热且其中冷却体长期可靠地密封。
[0007] 通过具有功率半导体模块和由液体流过的冷却体的功率半导体器件来解决该任务，其中该半导体模块具有设置在导电的导体电路上的功率半导体组件，其中该功率半导体模块具有不导电的绝缘层和冷却板，其中该绝缘层设置在导体电路和冷却板之间，其中该冷却体具有开口，所述开口由冷却体的环绕该开口的横向第一表面限定，其中冷却板设置在开口中，其中冷却板的环绕该冷却板的横向第一表面与冷却板的朝向功率半导体组件的主表面之间具有小于90°的角，且冷却体的第一表面与冷却板的朝向功率半导体组件的主表面之间具有小于90°的角，其中冷却板的第一表面和冷却体的第一表面环绕地沿着冷却板的第一表面且环绕地沿着冷却体的第一表面彼此压紧设置。
[0008] 此外通过用于制造功率半导体器件的方法来解决该任务，该方法具有以下步骤：
[0009] a)提供功率半导体模块，其具有设置在导电的导体电路上的功率半导体组件，其中功率半导体模块具有不导电的绝缘层和冷却板，其中绝缘层设置在导体电路和冷却板之间，其中冷却板的环绕该冷却板的横向第一表面与冷却板的朝向功率半导体组件的主表面之间具有小于90°的角，且提供由液体流过的冷却体，所述冷却体具有开口，所述开口由冷却体的环绕该开口的横向第一表面限定，
[0010] b)在冷却体的开口上设置冷却板，
[0011] c)将冷却板压入冷却体的开口中，其中在压入之后，冷却板的第一表面和冷却体的第一表面环绕地沿着冷却板的第一表面且环绕地沿着冷却体的第一表面彼此压紧设置，其中冷却体的第一表面与冷却板的朝向功率半导体组件的主表面之间具有小于90°的角。
[0012] 从从属权利要求中得出本发明的有利改进方案。
[0013] 类似于功率半导体器件的有利改进方案得出该方法的有利改进方案，且反之亦然。
[0014] 证实为有利的是，冷却板的环绕该冷却板的横向第一表面与冷却板的朝向功率半导体组件的主表面之间具有89.5°至85°的角，因为在这个角度范围内会产生冷却板的第一表面和冷却体的第一表面的特别良好的彼此压紧。
[0015] 此外证实为有利的是，冷却体的第一表面与冷却板的朝向功率半导体组件的主表面之间的角等于冷却板的第一表面与冷却板的朝向功率半导体组件的主表面之间的角，因为然后冷却体的第一表面和冷却板的第一表面在较大环绕的表面区域中彼此压紧地设置。
[0016] 此外证实为有利的是，冷却体具有开口，所述开口由冷却体的环绕该开口的横向第一表面且由冷却体的环绕该开口的横向第二表面限定，其中冷却体的第二表面构成围绕开口的第一槽的内表面，其中冷却板的边缘区域具有围绕冷却板的凸起，该凸起设置在第一槽中。由此实现了冷却板相对于冷却体的特别可靠的长期的密封。
[0017] 此外证实为有利的是，所述开口由冷却体的环绕该开口的横向第一表面且由冷却体的环绕该开口的横向第二表面限定，其中冷却体的第二表面构成围绕开口的第一槽的内表面，还进一步具有以下方法步骤：
[0018] d)使冷却板的横向边缘区域这样变形，使该边缘区域具有围绕该冷却板的凸起，所述凸起在该冷却板的横向边缘区域变形之后设置在第一槽中。该凸起引起冷却板相对于冷却体的附加的液密密封且通过凸起与第一槽形状配合的连接来阻止冷却板从开口中运动移出。
[0019] 此外证实为有利的是，在冷却板压入冷却体的开口时实施：在冷却板的朝向功率半导体组件的主平面中切割出与冷却板的第一表面间隔的环绕的第二槽。借此获得功率半导体器件的经济的制造，其中第二槽便于冷却板的横向边缘区域的变形。
[0020] 此外证实为有利的是，在方法步骤a)中，冷却板的朝向功率半导体组件的主表面具有与冷却板的第一表面间隔的环绕的第二槽。第二槽便于冷却板的横向边缘区域的变形。
[0021] 此外证实为有利的是，借助于具有压入模具和变形模具的工具来实施该方法，其中借助于压入模具来使冷却板压入冷却体的开口中，以及借助于变形模具来实施冷却板的横向边缘区域的变形，其中变形模具设置为横向围绕压入模具且相对于压入模具可运动。
附图说明
[0022] 在附图中示出且以下进一步描述本发明的实施例。其中示出了：
[0023] 图1示出了用于制造根据本发明的功率半导体器件的第一方法步骤；
[0024] 图2示出了功率半导体模块的截面图；
[0025] 图3示出了用于制造根据本发明功率半导体器件的其他方法步骤；
[0026] 图4示出了用于制造根据本发明功率半导体器件的其他方法步骤的详细视图；
[0027] 图5示出了用于制造根据本发明功率半导体器件的其他方法步骤的详细视图；
[0028] 图6示出了根据本发明功率半导体器件的截面图；
[0029] 图7示出了图6的详细视图；
[0030] 图8示出了其他根据本发明功率半导体器件的截面图；
[0031] 图9示出了其他根据本发明功率半导体器件的截面图；以及
[0032] 图10示出了其他根据本发明功率半导体器件的截面图。
具体实施方式
[0033] 在图1中示出用于制造根据本发明的功率半导体器件1(见图6)的第一方法步骤。在图2中示出功率半导体模块3的截面图，其中在图2中为了理解本发明仅示出功率半导体模块3的主要元件。应当指出，在图2、图3、图6和图8至图10中为清楚起见未用阴影示出剖切的元件。
[0034] 在用于制造根据本发明的功率半导体器件1的第一方法步骤中，提供功率半导体模块3，其包括设置在导电的导体电路13上的功率半导体组件9，其中该功率半导体模块3包括不导电的绝缘层6和冷却板5。绝缘层6设置在导体电路13和冷却板5之间。冷却板5的环绕该冷却板5的横向第一表面24与冷却板的朝向功率半导体组件9的主表面30之间的角α小于90°。优选地，冷却板5的环绕该冷却板的横向第一表面24与冷却板5的朝向功率半导体组件
9的主表面30之间的角α为89.5°至85°。此外在第一方法步骤中，提供由液体流过的冷却体
2，其具有开口25，该开口由冷却体2的环绕该开口25的横向第一表面26来限定。
[0035] 功率半导体模块3具有设置在导电的导体电路13上的功率半导体组件9。导体电路13通过导电结构的第一导电层31形成。功率半导体组件9与导体电路13优选通过焊层或烧结金属层导电连接。各个功率半导体组件优选以功率半导体开关或二极管的形式存在。功率半导体开关在此优选以晶体管、例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的形式存在。各个功率半导体模块3优选具有第一直流负载电流连接元件DC+、第二直流负载电流连接元件DC-和交流负载连接元件AC，它们与第一导电层31优选通过焊层或烧结金属层导电连接。在实施例的范围内，各个功率半导体模块3从在直流负载电流连接元件DC+和直流负载电流连接元件DC-之间供给的直流电压中在交流负载连接AC上产生交流电压。此外，各个功率半导体模块3在实施例的范围内具有控制连接元件S，其与功率半导体模块3的功率半导体开关的控制连接导电连接。
[0036] 此外，各个功率半导体模块3具有不导电的绝缘层6和冷却板5，其中绝缘层6设置在导体电路13和冷却板5之间。导体电路13与绝缘层6连接。在实施例的范围内，在绝缘层6和冷却板5之间设置有导电的优选非结构化的第二导电层8，其与绝缘层6连接。绝缘层6优选以陶瓷体的形式存在。第一导电层31和第二导电层8以及绝缘层6优选一起通过直接键合铜基板(DCB-基板)构成。
[0037] 应当注意这一点，第一和第二导电层能够由单个的层或也可以由多个叠加的层组成。因此第一和/或第二导电层例如具有铜层，其具有例如由贵金属(例如银)或贵金属化合物组成的单个的或多个叠加的层，它们能够例如用作增附剂涂层和/或保护层。
[0038] 冷却板5能够在其朝向功率半导体组件9的一侧上涂覆有单个或多个叠加的层，它们能够例如用作增附剂涂层和/或保护层，和/或用于减小绝缘层6和冷却板5之间的机械应力，在温度改变时由于绝缘层6和冷却板5的不同膨胀系数会产生该机械应力。在实施例的范围内，冷却板5在其朝向绝缘层6的一侧上涂覆有铜层12，其能够例如再次涂覆有涂层，特别是贵金属涂层(例如银)。铜层12设置在冷却板5和绝缘层6之间，特别是在冷却板和第二导电层8之间。第二导电层8与冷却板5优选通过焊层或贵金属层直接或间接(如果冷却板在其朝向功率半导体组件的一侧上涂覆有单个或多个叠加的层)连接。第二导电层8在实施例的范围内通过焊层或贵金属层与铜层12连接。
[0039] 为清楚起见，在图2中未示出焊层或贵金属层。此外应注意，层的厚度和功率半导体组件的厚度未成比例地示出。
[0040] 应当注意这一点，冷却板能够以绝缘金属基板(IMS)的铝体的形式存在。
[0041] 冷却板5优选在其朝向功率半导体组件9的一侧B上具有冷却鳍和/或冷却销19。
[0042] 由液体(例如水)流过的冷却体2在其朝向功率半导体组件9的冷却体2的外侧A上具有开口25。功率半导体模块3的冷却板5在制成的功率半导体器件1(见图6)中设置在开口25中，其中各个冷却板5的一部分能够从开口25中凸出。冷却板5封闭开口25。在冷却板2的朝向功率半导体组件9的一侧B上形成有空腔18。在实施例的范围内，液体流过冷却体2，其中当未通过冷却板5封闭开口25时，液体穿过冷却体2的进入开口(在图1的立体图中该进入开口不可见)流入空腔18，穿过空腔18且通过离开开口11且通过冷却体2的开口25从冷却体
2中流出。在实施例的范围内，液体流过冷却体2，其中当通过冷却板5封闭开口25时，液体穿过冷却体2的进入开口流入空腔18，穿过空腔18且通过冷却体2的离开开口11从冷却体2中流出。各个冷却板5的热量传递到液体上且由液体带走。
[0043] 冷却板5和/或冷却体2优选分别由铝或铝合金制成。
[0044] 在另一个方法步骤中，如在图3中所示，冷却板5设置在冷却体2的开口25上。在实施例的范围内，借助于包括压入模具51和变形模具52的工具50来将冷却板5设置在冷却体2的开口25上。变形模具52横向地环绕压入模具51且相对于压入模具51可移动地设置。通过压入模具51的开口53(见图1)产生负压，其将冷却板5吸在压入模具51上且保持在压入模具51上。
[0045] 在另一个方法步骤中，如在图4中所示，将冷却板5压入冷却体2的开口25中，其中在压入之后，将冷却板5的第一表面24和冷却体2的第一表面26设置为环绕地沿着冷却板5的第一表面24和冷却体2的第一表面26彼此压紧，其中冷却体2的第一表面26与冷却板5的朝向功率半导体组件9的主表面30之间的角度β小于90°。优选地，冷却体2的第一表面26与冷却板5的朝向功率半导体组件9的主表面30之间的角度为β，其等于冷却板5的第一表面24与冷却板5的朝向功率半导体组件9的主表面30之间的角度α。当冷却板5压入冷却体2的开口25时，冷却板5这样深地压入开口25中，直至冷却板5的第一表面24和冷却体2的第一表面26设置为环绕地沿着冷却板5的第一表面24和环绕地沿着冷却体2的第一表面26彼此压紧(同样见图8和图9)。冷却板5的第一表面24和冷却体2的第一表面26环绕地沿着冷却板5的第一表面24且环绕地沿着冷却体2的第一表面26具有彼此的触点。冷却板5设置为压入开口
25中。优选地，冷却体2具有第三表面15，其平行于冷却板5朝向功率半导体组件9的第二表面33延伸。冷却体2的第三表面15能够构成用于冷却板5的第二表面33的挡块且限制冷却板
5能够被压入开口25中的压入深度。优选地，冷却板5这样深地被压入开口25中，直到冷却板
5的第二表面33位于冷却体2的第三表面15上。通过相应地选择冷却体2的第三表面15设置在冷却体2中的深度，压紧力能够使环绕地沿着冷却板5的第一表面24且环绕地沿着冷却体
2的第一表面26彼此压紧设置的冷却板5的第一表面24和冷却体2的第一表面26固定。在实施例中借助于压入模具51实现冷却板5在冷却体2的开口25中的压入。通过使冷却板5的第一表面24和冷却体2的第一表面26环绕地沿着冷却板5的第一表面24且环绕地沿着冷却体2的第一表面26彼此压紧设置，获得冷却体2的第一表面26相对于冷却板5的第一表面24的长期可靠的液密密封(同样见图10)。冷却体2从而这样长期且可靠地密封。
[0046] 在实施例的范围内，开口25由环绕开口25的冷却体2的横向第一表面26且由环绕开口25的冷却体2的横向第二表面14限定，其中冷却体2的第二表面14构成环绕开口25的第一槽36的内表面。
[0047] 在实施例的范围内，在其他方法步骤中，如在图5中所示，冷却板5的横向边缘区域29这样变形，使边缘区域29具有环绕冷却板5的凸起34，其在冷却板5的横向边缘区域29变形之后设置在第一槽36中。凸起34使冷却板5相对于冷却体2额外地液密密封且通过凸起34与第一槽36形状配合的连接阻止冷却板5从开口25中运动移出。在实施例中，借助于变形模具52来实现冷却板2的横向边缘区域29的变形。变形模具52具有变形棱边54(见图4)，其在变形模具52运动到冷却板5的边缘区域29上时相应地使冷却板5的边缘区域29变形。
[0048] 在实施例的范围内，在第一方法步骤中提供的冷却板5的朝向功率半导体组件9的主表面30(见图1和图2)具有与冷却板5的第一表面24间隔环绕的第二槽28。第二槽28简化了冷却板5的横向边缘区域29的变形。优选地，压入模具51具有环绕棱边32，其啮合到第二槽28中(见图3)。借此实现了冷却板在冷却体的开口上的非常精确的设置。
[0049] 第二槽28不需要在该方法的开始就已经存在。可替换地，在冷却板5压入冷却体2的开口25中时，才在冷却板5的朝向功率半导体组件9的主平面30中切割出与冷却板5的第一表面24间隔的环绕的第二槽28。在这种情况下，压入模具51的环绕棱边32以切入棱边的形式存在。由此实现了功率半导体器件的经济的制造。
[0050] 在图8中示出其他的根据本发明的功率半导体器件1的截面图，其与根据图6和图7的功率半导体器件1一致，除了该特征：图8的根据本发明的功率半导体器件1的冷却体2不具有形成为用于冷却板5的第二表面33的挡块的第三表面15。
[0051] 在图9中示出其他的根据本发明的功率半导体器件1的截面图，其与根据图8的功率半导体器件1一致，除了该特征：冷却体2不具有第一槽36且冷却板5的横向边缘区域29不变形。根据图9，功率半导体器件1的冷却板(这在图9中未示出)能够同样具有第二槽28，其与啮合到第二槽28中的压入模具51的环绕棱边32一起实现冷却板在冷却体开口上的精确设置。
[0052] 在图10中示出其他的根据本发明的功率半导体器件1的截面图，其与根据图6和图7的功率半导体器件1一致，除了该特征：冷却体2不具有第一槽36且冷却板5的横向边缘区域29不变形。根据图10，功率半导体器件1的冷却板(这在图10中未示出)能够同样具有第二槽28，其与啮合到第二槽28中的压入模具51的环绕棱边32一起实现冷却板在冷却体开口上的精确设置。
[0053] 通常应注意，根据本发明的功率半导体器件1同样能够具有多个功率半导体模块3，其中如果根据本发明的功率半导体器件1具有多个功率半导体模块3，则冷却体3具有多个开口25，其中如上所述设置有功率半导体模块3的冷却板5且冷却板相对于冷却体2液密密封。如果根据本发明的功率半导体器件1具有多个功率半导体模块3，则用于制造功率半导体器件的方法以上述类似的形式进行。
[0054] 进一步应注意，冷却体2能够一体地或由彼此连接的块形成。
[0055] 此外应注意这一点，只要不互斥，本发明不同实施例的特征显然能够彼此任意组合。
