CN101924043A - 用于制造具有冷却装置的变流器系统的方法和变流器系统 - Google Patents

Abstract

一种用于制造具有冷却装置的变流器系统的方法和变流器系统，冷却装置具有金属成型体，金属成型体具有主面的至少一个平坦区段和大量冷却机构，变流器系统具有至少一个设置变流器电路其他部件的衬底，该方法具有如下主要方法步骤：提供压力烧结装置的带有用于容纳冷却装置的凹处的对压件，凹处构成为冷却装置的阴模。随后将冷却装置设置在对压件内。接着将变流器电路的至少一个衬底设置在冷却装置主面的所分配的平坦区段上，衬底的和冷却装置的各接触面分别在所要连接的区域内具有可烧结的表面，在所要连接的区域之间设置有适当稠度的烧结金属。然后，向衬底和冷却装置导入压力和温度来构成压力烧结连接。使得向冷却装置的热传导特别有效地构成。

Description

用于制造具有冷却装置的变流器系统的方法和变流器系统

技术领域

本发明涉及一种制造方法和一种具有冷却装置的特定的变流器系统。这种变流器系统作为具有布置于其上的大功率半导体模块的冷却装置公知。这种大功率半导体模块的变流器电路普遍由至少一个衬底组成，该衬底在它那方面具有导体带。在这些导体带上布置、相互连接有大功率半导体元件并且大功率半导体元件与外部接口连接。

背景技术

例如由DE 10355925A1公开了上述类型的大功率半导体模块。那里所公开的大功率半导体模块具有至少一个衬底，该衬底具有适于电路地设置的导体带，其中，在这些导体带上设置大功率半导体元件和隔离件。所述元件与由至少两个金属箔层及各一个设置于两个金属箔层间的电绝缘箔层组成的交替性的箔复合体来导电连接。为此，箔复合体具有接触球块和镀通部。该箔复合体与大功率半导体元件和隔离件借助超声波焊接导电连接。

通常这种大功率半导体模块力配合地设置在冷却装置上。为此，大多在大功率半导体模块与冷却装置之间设置有螺栓连接件或者夹紧连接件。在这种力配合的连接件中，连接副之间一般情况下设置有导热层。但为此使用的导热膏与金属相比，特别是与铜和铝相比导热能力低。

发明内容

本发明基于如下任务，即，提供一种制造方法和变流器系统的一种具有优点构造方案，其中，向冷却装置的热传导特别有效地构成。

该任务依据本发明通过一种具有权利要求1特征的方法和具有权利要求8特征的主题得以解决。优选的实施方式在各自的从属权利要求中予以说明。

本发明的设想由如下所要制造的变流器系统出发，该变流器系统具有优点地具有冷却装置和至少一个变流器电路。在这种情况下，冷却装置从它那方面由金属成型体组成，该金属成型体具有主面的至少一个平坦区段和与该主面相对地具有大量冷却机构。

至少一个变流器电路从它那方面由具有大量第一导体带的至少一个衬底组成，其中，至少一个大功率半导体元件设置在至少一个第一导体带上并借助连接装置与至少一个另外的大功率半导体元件和/或者至少一个另外的第一导体带适于电路地连接。具有优点的是，连接装置由至少一个电绝缘箔和导电箔构成。

变流器电路的尽可能所有导电的材料配合连接均构成为依据现有技术的压力烧结连接。依据本发明，在这里变流器电路也与冷却装置也材料配合地连接。为此，变流器电路的各衬底的与冷却装置主面各所分配的平坦区段的那种连接构成为压力烧结连接。

这种变流器系统的制造的特征在于下列主要方法步骤的顺序，其中，该变流器系统具有带金属成型体的冷却装置并具有至少一个衬底，可以将变流器电路的其他部件设置在该衬底上：

·提供压力烧结装置的具有用于容纳冷却装置的凹处的对压件，其中，该凹处构成为冷却装置的阴模；在这种情况下，凹处作为阴模不必完全仿照冷却装置。凹处以如下方式构成就足够了，即，足以确保冷却装置意外扭曲。

·将冷却装置设置在对压件内；在这种情况下，无需冷却装置主面的平坦区段与对压件的主面齐平或者与对压件的主面对准；

·将变流器系统的至少一个衬底设置在冷却装置主面所分配的平坦区段上，其中，衬底和冷却装置的各接触面分别在所要连接的区域内具有可烧结的表面，并且其中，在这些所要连接的区域之间设置适当稠度的烧结金属；

·向衬底和冷却装置导入压力和温度，以构成压力烧结连接。由此，产生材料配合的连接，该材料配合的连接具有烧结金属那种高导热能力。此外，这种压力烧结连接特别是与可行的另选的钎焊连接相比也具有长时间稳定性。

在该方法的框架内，特别具有优点的是，冷却装置的形成阴模的凹处这样构成，即，设置在其内的冷却装置在压力作用下关于其主面凹着变形。特别是冷却装置关于主面的平坦区段所分配的纵向伸展变形不超过2％。通过冷却装置在压力烧结过程之前和期间的这种凹着的预弯曲，达到：在压力和温度作用结束后，主面的平坦区段既没有明显的凹着的挠度，也没有明显的凸着的挠度。

此外，优选可以为：在衬底与冷却装置连接之后，就将大功率半导体元件和其他连接装置设置在衬底上。但制造技术上更加有效的是，在衬底与冷却装置连接之前，就已经在衬底上设置有大功率半导体元件和所属的连接装置。

特别是衬底与冷却装置之间大面积的压力烧结连接的情况下，特别优选的是，金属成型体由一种弹性模量特别小的金属材料的变体(Variante)构成。为此，首先适合作为金属材料的是纯度至少99％的纯铝或者热处理的铜。

附图说明

借助图1至图3的实施例对依据本发明的设想进行详细说明。

图1示出依据本发明的变流器系统；

图2示出变流器系统依据本发明的制造方法第一构造方案的步骤；

图3示出变流器系统依据本发明的制造方法第二构造方案中依据图2的步骤。

具体实施方式

图1未按比例示出依据本发明的变流器系统。该变流器系统由冷却装置10组成，冷却装置10具有大量的冷却机构12并且在这些冷却机构12的相对侧上具有带两个平坦区段16、18的主面14。冷却装置10本身由铝含量至少99％的纯铝组成。这种纯铝与通常用于冷却装置的铝合金相比具有低20％以上的弹性模量/切变模量。对于纯铝可另选地，也可以使用热处理铜或者具有相应适用的低弹性模量的其他金属材料。

在所称的平坦区段16、18上，分别材料配合地布置有变流器电路20的所分配的衬底30a/b，该衬底30a/b由各主面上的绝缘材料体32和导体带34a/b、36组成。这种材料配合的连接是压力烧结连接60，这是因为压力烧结连接具有很高的导热能力。同时该压力烧结连接60在与纯铝冷却装置10的上述构造方案相组合下，即便在运行时公知的温度变换下也具有特别高的疲劳强度。

变流器电路20由各衬底30a/b组成，这些衬底30a/b各自在其背向冷却装置10的侧上具有大量的第一导体带34a/b。在第一衬底30a上，在导体带34a之一上设置有大功率半导体元件50。该大功率半导体元件50与同一衬底30a的另一未示出的第一导体带适于电路地连接并且与第二衬底30b的导体带34b适于电路地连接。

为这种适于电路导流连接而设置有连接装置40，连接装置40在这里由一个电绝缘箔44和两个导电箔42、46以交替的堆叠布置构成。该连接装置40同样可以用于与其他未示出的大功率半导体元件连接。具有优点的是，连接装置40的与大功率半导体元件50及第一导体带34a/b的导电连接也构成为压力烧结连接60。

为制造这种压力烧结连接60，在图2和3中分别介绍了分步骤，各自连接副的连接面62、衬底和冷却装置的平坦的面具有适当的表面。这一点依据现有技术为贵金属表面，在贵金属表面之间设置有按照现有技术的烧结金属层60。

图2示出变流器系统20的依据本发明的制造方法第一构造方案的步骤。所示出的是连同仅示意示出的衬底30的冷却装置10在压力烧结装置的对压件70内的布置。在压力烧结连接本身框架内的其他部件(诸如用于导入压力的压力装置)在这里没有示出。冷却装置10在这里依据本发明具有在主面14上的平坦区段16，在平坦区段16上设置有不带其他元件的衬底30。冷却装置10的金属成型体100此外具有片状的分体102并在该分体102上在背向主面14的侧上具有大量的冷却机构12。这些冷却机构12是依据现有技术构造的、具有平滑或者网纹表面的冷却鳍(Kühlfin)。成型体100在冷却机构12之间具有平坦的中间面104。

为容纳冷却装置10的成型体100，对压件70具有凹处72，凹处72在这里以如下方式构成，即，冷却装置10从对压件70中部分伸出。对压件70此外具有大量放置面74，放置面74形成小平台76的上侧，小平台76朝成型体100的中间面104的方向凸起。中间面104在将压力导向冷却装置10的成型体100时置于这些放置面74上。

冷却机构12以如下方式伸入对压件70的凹处72的形成小平台76的间隙的容纳处76内，即，不与间隙的边缘78和底面80接触。

具有优点的是，对压件70以如下方式构成，即，放置面74至少在一个，但优选在两个平行于冷却装置10主面14的旁侧方向上形成中断的凹面。因此，对压件70的凹处72形成用于容纳冷却装置10成型体100的阴模，其中，在压力作用下该成型体100关于其主面14凹着变形。在这种情况下需要注意的是，这种变形尽可能不超过2％，也就是说，变形区域中心的挠度D(参见图3)不超过第一主面14的上面设置衬底30的平坦区段16的纵向延伸L(参见图3)的2％。

为保证可变形性，作为材料使用纯度至少99％，最好99.5％的纯铝或者热处理的铜。特别是在使用这些材料的情况下，大面积的压力烧结连接60对于在这里应用造成的变换的运行温度下的大功率半导体模块中的应用是特别稳定耐用的并且特别是与导热膏相比具有出色的导热能力。

图3示出变流器系统依据本发明的制造方法第二构造方案中依据图2的步骤。在这种情况下，以剖面图以及附加地以俯视图示出冷却装置10的成型体100也设置在压力烧结装置对压件70的凹处72内。凹处72这种构造的阴模具有带外部平坦面区段84和中间凹面区段86的基面82。在这种情况下，凹面区段86不必居于中心地处于基面82中。此外，凹面区段86的表面非球面地构成，以便可以从平坦区段84连续过渡至凹面区段86。

冷却装置10的成型体100也具有片状的分体102和设置在分体102上的冷却机构12，但在最简单的情况下，这些冷却机构12没必要都具有相同的长度。对于成型体100的其他几何形状的构造方案，对压件70的凹处72的基面82可以相应进行配合。此外，在冷却装置10主面14的平坦区段16上设置有变流器电路20并示意地示出。参见图1，该变流器电路20在其背向冷却装置10的侧上具有大量的导体带34。在这些导体带34上设置大功率半导体元件50并且这些大功率半导体元件50适于电路地相互连接或与其他导体带连接。这种连接借助上述的连接装置40构成。

还示出未加压情况下，也就是冷却装置10成型体100的主面14是平坦的时的制造步骤。在通过变流器电路20向冷却装置10加压的情况下，该冷却装置10遵循阴模的预定形状(Formvorgabe)。为此特别具有优点的是，冷却装置10的成型体100具有特别小的弹性模量。纯铝特别好地满足这些要求。

在这种情况下，需要注意的是，压力作用下的变形通过阴模以如下方式来界定，即，变形区域中心的挠度D不超过第一主面14的平坦区段16的纵向伸展L的2％。

Claims (10)

1.用于制造变流器系统的方法，所述变流器系统具有带金属成型体(100)的冷却装置(10)和至少一个衬底(30a/b)，所述金属成型体(100)具有主面(14)的至少一个平坦区段(16、18)和大量冷却机构(12)，在所述至少一个衬底(30a/b)上能够设置变流器电路(20)的其他部件(50)，其特征在于下列主要方法步骤的顺序：

·提供压力烧结装置的具有用于容纳冷却装置(10)的凹处(72)的对压件(70)，其中，所述凹处(72)构成为所述冷却装置(10)的阴模；

·将所述冷却装置(10)设置在所述对压件(70)内；

·将所述变流器电路(20)的至少一个衬底(30a/b)设置在所述冷却装置(10)的所述主面(14)的所分配的所述平坦区段(16、18)上，其中，所述衬底(30)的和所述冷却装置(10)的各接触面(62)分别在所要连接的区域内具有能烧结的表面，并且其中，在所述所要连接的区域之间设置有适当稠度的烧结金属(60)；

·向所述衬底(30a/b)和所述冷却装置(10)导入压力和温度来构成压力烧结连接。

2.按权利要求1所述的方法，其中，所述对压件(70)的形成所述阴模的所述凹处(72)以如下方式构成，即，设置于其内的所述冷却装置(10)在压力作用下关于所述冷却装置(10)的所述主面(14)凹着变形。

3.按权利要求2所述的方法，其中，所述冷却装置关于所述主面(14)的所述平坦区段(16、18)的所分配的纵向伸展(L)变形不超过2％。

4.按权利要求1所述的方法，其中，在所述衬底(30)与所述冷却装置(10)连接之后，在所述衬底(30)上设置有大功率半导体元件(50)和其他连接装置(40)。

5.按权利要求1所述的方法，其中，在所述衬底(30)与所述冷却装置(10)连接之前，在所述衬底(30)上已经至少设置有大功率半导体元件(50)。

6.按权利要求1所述的方法，其中，所述金属成型体(100)由弹性模量特别小的金属材料的变体构成。

7.按权利要求6所述的方法，其中，所述金属材料为纯度至少99％的纯铝或者热处理的铜。

8.变流器系统，所述变流器系统具有冷却装置(10)和至少一个变流器电路(20)，所述冷却装置(10)具有金属成型体(100)，所述金属成型体(100)具有主面(14)的至少一个平坦区段(16、18)和大量冷却机构(12)，所述至少一个变流器电路(20)具有至少一个带有大量第一导体带(34a/b)的衬底(30a/b)，其中，至少一个大功率半导体元件(50)设置在至少一个第一导体带(34a/b)上并借助连接装置(40)与至少一个另外的大功率半导体元件(50)和/或者至少一个另外的第一导体带(34a/b)适于电路地连接，

其中，所述冷却装置(10)的所述主面(14)的平坦区段(16、18)与所述变流器电路(20)之间材料配合的连接借助压力烧结连接构成。

9.按权利要求8所述的变流器系统，其中，所述金属成型体(100)由弹性模量特别小的金属材料的变体构成。

10.按权利要求9所述的变流器系统，其中，所述金属材料为纯度至少99％的纯铝或者热处理的铜。

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