CN102867816A - 具有冷却装置的功率电子系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有冷却装置的功率电子系统以及制造方法，该功率电子系统具有多个第一面式绝缘材料体、多个第一印制导线、至少一个功率半导体器件、至少一个内部连接装置和外部接线件。绝缘材料体在此材料锁合地或力锁合地并且彼此相距地利用其第一主面布置在冷却装置上。至少一个第一印制导线将两个第一绝缘材料体在其第二主面上至少部分地覆盖，并且在此利用至少一个连接段覆盖第一绝缘材料体之间的间隙。

Description

具有冷却装置的功率电子系统

技术领域

本发明介绍一种功率电子系统，优选用于构造由此实现的、变流器形式的（例如三相逆变器形式的）电路系统。这种类型的系统例如公知为具有基板的功率半导体模块或公知为无基板的具有冷却装置的功率半导体模块的结构体。

背景技术

由DE 10 2009 045 181 A1公知这种类型的功率电子系统，该功率电子系统在这里由共用壳体内的整流器和逆变器构建。为满足不同的要求，该系统具有两个衬底，其分别由在两个主面上均具有金属叠层的绝缘材料体构造的。衬底的、各朝向系统内部的面在这里具有金属叠层的结构化，其由此构造多个印制导线。

对所有此类功率电子系统的基本要求是将由功率半导体器件的损耗功率产生的热量从系统中排放到冷却装置上或者经由冷却装置排放。在这种情况下还要考虑，系统运行时承受周期性的温度变化。这种温度波动使功率电子系统不同组件的彼此连接增加负荷，特别是在所述组件具有不同的热膨胀系数的情况下。

因此，这种类型功率电子系统结构方面可能的努力的目标是补偿热造成的机械负荷并因此提高抗疲劳强度，并且备选地或优选地同时提高热负荷能力。为此，由DE 10 2006 011 995 A1公知，功率半导体模块的基板按照不同方式分段，部分还完全中断，以便由此改善与其它冷却装置的连接。DE 197 07 514 A1除了分段还额外地建议，为各个基板段配设预弯曲。

发明内容

由此，本发明的目的在于，提出一种功率电子系统，该系统具有在其热耦合和其抗疲劳强度方面得到改进的功率电子器件与冷却装置的连接。

该目的依据本发明通过一种具有权利要求1所述特征的功率电子系统以及通过具有权利要求8所述特征的功率电子系统的制造方法得以实现。优选的实施方式在各从属权利要求中予以说明。

所提出的功率电子系统可以构造为具有基板的功率半导体模块，其中，该基板承担冷却装置的功能并可与其它大部分效率更高的冷却装置连接。在此方面，这对应于具有外部接线件的功率半导体模块的多种公知的结构，所述接线件布置在电绝缘的壳体内，并且构造负载接线端和辅助接线端。

功率电子系统同样可以构造为与冷却装置连接的无基板的功率半导体模块。这种类型的功率半导体模块同样具有壳体和上述功能的外部接线件。

功率电子系统此外可以构造为用于构建更大单元的子系统。在这种情况下，该子系统优选不具有自己的壳体，如从上述功率半导体模块公知的那样。外部接线件在这里要么用于更大单元内部的内部连接，要么也用于其外部连接。

上述的外部接线件在此可以按照不同方式构造，其中，在功率电子系统内可以不仅仅设置这些构成中的一种。

依据本发明的功率电子系统的任何构成均具有多个第一面式绝缘材料体，所述绝缘材料体材料锁合地或力锁合地且彼此相距地利用其各自的第一主面布置在冷却装置上。这种优选由陶瓷原料制成的绝缘材料体用于功率电子系统的功率半导体器件与其冷却装置的电绝缘。

为布置功率半导体器件，功率电子系统具有第一印制导线，其中，依据本发明至少一个这种第一印制导线将两个第一绝缘材料体在其第二主面上至少部分地覆盖。第二主面在此与第一主面相对地布置，由此各第一印制导线布置在第一绝缘材料体背离冷却装置的侧上。

在所述第一印制导线上符合电路规则地布置有功率电子系统的功率半导体器件。在此，优选功率半导体器件与所配属的第一绝缘材料体对准地布置，并在此，水平上不超出该第一绝缘材料体。因此优选为少量的、需要时也只为一个功率半导体器件配属自己的第一绝缘材料体，经由该绝缘材料体可以将功率半导体器件内产生的损耗功率向冷却装置排放。

所述功率半导体器件的、其它符合电路规则的连接借助至少一个内部连接装置构造。该内部连接装置优选构造为具有至少一个第二印制导线的柔性电路板。备选地或额外地，作为内部连接装置可以设置引线键合连接或载带键合连接。

第一绝缘材料体之间的间隙由上述第一印制导线，具体地说是由该印制导线的至少一个连接段至少部分地覆盖。这意味着，两个第一绝缘材料之间的整个间距得到覆盖，但不强制在一个或另一个第一绝缘材料体的整个宽度上进行覆盖。

为确保覆盖这种间隙的第一印制导线的连接段之间的电绝缘，可以有利地，由绝缘材料如下方式地填充该连接段与冷却装置之间的间隙，即，使得该绝缘材料至少在第一绝缘材料体的边缘区域之间的覆盖的区域内延伸，并且分别与所述第一绝缘材料体连上。当然，出于电绝缘的原因可以有利的是，不仅直接在连接段之下而且也在其侧向设置所述绝缘材料。

这种绝缘材料在此可以作为凝胶式液体构成，正如其多样化地在功率半导体模块中例如为了内部绝缘而使用的那样。这种构成的优点是良好地连上第一绝缘材料体的相应的边缘区域。

备选地，这种绝缘材料也可以构造为有利地由可压缩的材料制成的第二绝缘材料体，所述可压缩的材料在压力下贴靠在第一绝缘材料体的相应边缘段上。

同样在特定的应用领域有利的是，由第二绝缘材料体（不必构成为不可压缩的材料）与凝胶式液体的组合来作为这种绝缘材料。

功率电子系统的依据本发明的构成的主要优点在于冷却装置与各功率半导体器件尽可能机械上退耦。第一印制导线，因为典型地由铜制成，具有与典型地由铝或铜制成的冷却装置类似的或者甚至相同的膨胀系数。与此相反，第一绝缘材料体和功率半导体器件具有明显更小的膨胀系数。由于由第一印制导线和多个彼此相距的第一绝缘材料体组成的衬底的构造，在热膨胀的框架内，功率半导体器件与冷却装置机械上比现有技术公知的更少地刚性连接。由此各组件的连接较少地受机械负荷，并且取得更大的抗疲劳强度。同时功率半导体器件与冷却装置的热耦合也由于优选的烧结连接而近似最佳。

依据本发明，这种类型的功率电子系统借助以下主要步骤制造：

a）准备冷却体，优选以上面所描述构成之一；

b）将第一绝缘材料体利用其第一主面布置在冷却体上；现在接下来有利地直接设置至少一个绝缘材料；

c）将第一印制导线这样布置在绝缘材料体上，即，使得至少一个第一印制导线将两个第一绝缘材料体在其第二主面上至少部分地覆盖，并且利用至少一个连接段覆盖第一绝缘材料体之间的间隙；

d）将至少一个功率半导体器件布置在第一印制导线上；

e）布置至少一个内部连接装置。

有利地，这些步骤要么以所给出的顺序施行，要么以a）、b）、d）、c）、e）的顺序进行。如果绝缘材料仅由凝胶式的液体组成，那么该绝缘材料也还可以安排在制造过程的较晚的时间点上。即公知这种类型的液体如下方式地构造，即，使该液体处于低粘度的状态下，并且只有通过热的或其它方式地引入交联粘度才升高并且构造凝胶式的状态。

原则上有利的是，除了冷却体与第一绝缘材料体之间的那种连接外，功率电子系统的两个连接伙伴的所有连接均构造为材料锁合连接。对于冷却体与第一绝缘材料体之间的这种连接来说，力锁合连接与材料锁合连接同样适用。

这种类型的力锁合连接专业技术上通常通过向第一绝缘材料体进行压力导入产生。压力在这种情况下可以直接地、经由第一印制导线或者也经由所述的或其它的组件导入到绝缘材料体上。

钎焊连接的不同构成，又如优选烧结连接由于其突出的机械和热负荷能力、抗疲劳强度和载流能力，适用于作为材料锁合的连接。为构造这种类型的烧结连接，专业技术上通常在连接伙伴的连接部位上设置贵金属表面，两个连接部位之间布置含有贵金属的烧结膏，并且连接伙伴在高压和适度的温度下连接。在这种烧结技术的实际构造中，也同时构造多个连接，在这里例如功率开关与第一印制导线的和与柔性电路板形式的内部连接装置的那些连接。但同样有利的是，为同时连接选取连接伙伴的另外的组合。

附图说明

下面借助依据附图1至5的实施例对本发明的解决方案进行进一步说明。其中：

图1示出可以借助一个或多个依据本发明的功率电子系统构造的典型的电路系统；

图2至4示出依据本发明的制造方法的阶段；

图5示出依据本发明的功率电子系统。

具体实施方式

图1示出一种典型的电路系统（三相桥电路）该电路系统可以借助一个或多个依据本发明的功率电子系统构造。该三相桥电路的三个半桥中的各个在这里不同详细程度地示出。

第一左半桥电路示出总体视图，具有也称为“TOP”的第一上功率开关10和也称为“BOT”的第二下功率开关12。这些功率开关10、12与直流电压源连接，而其中间抽头则形成第一相的交流电压输出端。

在其它半桥电路中示出不同的更加具体的构成。例如功率开关10、12可构造为具有反并联的外部或内置的功率二极管106、126的功率晶体管102、122。同样可以设置多个这种变化方案用于构造功率开关。例如在这里可以为上功率开关10和下功率开关12设置两个功率晶体管102、104、122、124和两个功率二极管106、108、126、128。

依据本发明的功率电子系统现在可以构造至少一个，但也可以同时构造所有这三个上面所提及的半桥电路。原则上也可以构造其它电路拓扑结构，例如具有每个桥电路两个以上功率开关的直流电桥或多级桥电路。

图2至4示出依据本发明的制造方法的阶段。图2在截取图中示意地示出功率电子系统制造的阶段。示出冷却装置14，多个第一绝缘材料体160和第一印制导线162。

绝缘材料体160的第一主面可以借助压力烧结连接与冷却装置14连接。这一点在这里通过由烧结膏144组成的层表示。显然，为构造这种烧结连接，设置专业技术上常用的所有必要措施。公知，例如在所要连接的表面上设置有未示出的贵金属层。备选地（未示出），冷却装置14与第一绝缘材料体160之间的连接也可以构造为力锁合连接。

第一绝缘材料体160的第二主面与第一印制导线162的连接在这里同样借助烧结连接进行，示意性地通过所属烧结膏164表示。

在该区段中，因此各两个第一绝缘材料体160与共同的第一印制导线162，具体地说借助它们的连接段，连接成衬底16。在这种构成中（但不是必须地），该第一印制导线162完全覆盖第一绝缘材料体160的所配属的第二主面。

此外借助第一印制导线162的连接段166分别覆盖相邻绝缘材料体160之间的间隙18。图3示出用于进一步介绍这种覆盖的与图2非常类似构成的俯视图。

这里的区别在于仅示出第一印制导线162和该印制导线不是完全覆盖所配属的第一绝缘材料体160，而是部分地留出边缘。在所配属的两个第一绝缘材料体160之间的连接区域内，在这里可以看出，显然第一绝缘材料体160之间的间隙18的整个间距得到覆盖。但这种借助连接段166的覆盖不必在第一绝缘材料体160的整个纵向延展上进行。

此外在这里示出额外的绝缘材料42，该额外的绝缘材料（参见图5）布置在第一绝缘材料体160之间的间隙18内，并且在第一印制导线162的连接段166之下。在此，该绝缘材料42在各自的第一绝缘材料体162的边缘区域166之间延伸。此外，该绝缘材料42不仅与配属于它的连接段166对准，而且从其侧向设置，以确保连接段166与冷却装置14之间的电绝缘。

在所示的构成中，在这里分别在第一绝缘材料体162之间设置有多个单个的绝缘材料42。在此，所述绝缘材料42有利地构造为凝胶式的液体，该凝胶式的液体需要的粘度直到布置以后才调设出。备选地或额外地，作为绝缘材料可以设置第二绝缘材料体，该第二绝缘材料体优选在一个和多个第一绝缘材料体的边缘处至少区段式的包围所述一个和多个第一绝缘材料体。

此外，第一印制导线162具有其它段168，这些段在其继续走向中作为外部连接件使用或与外部连接件直接连接。

图4示出制造方法较晚的阶段。在此，示出与第一绝缘材料体160连接的第一印制导线162。这种复合因此构造衬底16。该衬底16与冷却装置14力锁合地或材料锁合地连接，并且用于布置功率半导体器件106、108、116。所述功率半导体器件优选同样借助烧结连接与第一印制导线162连接。这一点示意性地由所属的烧结膏124表示。

此外示出成柔性电路板式构成的内部连接装置30，其例如可以构造为由导电膜310、312、330和电绝缘膜320组成的复合膜。这种柔性电路板因此提供第二印制导线并且必要时也提供其它印制导线，并且在需要的情况下也可以具有穿过绝缘膜320的过孔340。

在所示的构成中，这种类型的第二印制导线310将两个布置在共同的第一印制导线162上的功率半导体器件106与另外的第一印制导线162连接。所述柔性电路板30又借助烧结连接符合电路规则地与功率半导体器件并且与第一印制导线连接。为说明这种烧结连接又示意性地示出所配属的烧结膏354、364。

原则上为各个连接的构造提供两种优选的顺序。第一顺序以构造由衬底16与冷却装置14组成的复合体开始。在下个步骤中，构造由功率半导体器件106、108、116和内部连接装置30组成的复合体。最后将两个复合体彼此连接。在这种构成中有利的是，所有连接均构造为材料锁合连接，特别是构造为烧结连接。

第二顺序以构造衬底16，也就是由第一绝缘材料体160与第一印制导线162组成的复合体开始，其中，功率半导体器件106、108、116同时或随后与第一印制导线162连接。此后，将该复合体布置在冷却装置14上。在这种构成中可以有利的是，除了第一绝缘材料体160与冷却装置14之间的那种连接外，所有连接均构造为材料锁合连接。于是，所述第一绝缘材料体160与冷却装置14之间的这种连接构造为力锁合的、所谓的压力接触连接。必要的内部连接装置30在这种情况下根据其构成的不同例如在构造压力接触连接之前布置。

图5示出依据本发明的功率电子系统的截取图，其具有：冷却装置14；在此上布置而不是一体式构造的、由多个的第一绝缘材料体160组成的衬底16，具有第一印制导线162。示出两个第一印制导线162，每个第一印制导线各覆盖两个绝缘材料体160并借助连接段166覆盖这些绝缘材料体160之间的间隙18。

在该间隙18内，必要位置上设置有绝缘材料40、42，该绝缘材料在此在截取放大图中要么构造为凝胶式的液体42，要么构造为可压缩的第二绝缘材料体40。

功率电子系统的功率半导体器件106、108、116符合电路规则地布置在第一印制导线162上，并且借助于构造为柔性电路板30的内部连接装置、符合电路规则地连接。内部连接装置30和备选地或额外地还有第一印制导线162可以在其未示出的继续走向中本身构造外部连接件或与所述外部连接件连接。

Claims (14)

1.功率电子系统（1），所述功率电子系统具有：冷却装置（14）、多个第一面式绝缘材料体（160）、多个第一印制导线（162）、至少一个功率半导体器件（102、104、106、108、122、124、126、128）、至少一个内部连接装置（30）和外部接线件，其中，所述绝缘材料体（160）材料锁合地或力锁合地且彼此相距地利用其第一主面布置在所述冷却装置（14）上，至少一个第一印制导线（162）将两个第一绝缘材料体（160）在其第二主面上至少部分地覆盖，并且利用至少一个连接段（166）覆盖所述第一绝缘材料体（160）之间的间隙（18）。

2.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，所述至少一个功率半导体器件（102、104、106、108、122、124、126、128）与配属的第一绝缘材料体（160）对准地布置，并在此，水平上不超出所述第一绝缘材料体。

3.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，所述第一绝缘材料体（160）由陶瓷原料制成。

4.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，至少一个在第一绝缘材料体（160）之间的由第一印制导线（162）的连接段（166）覆盖的间隙（18）通过绝缘材料（40、42）如下方式地填充，即，使得所述绝缘材料至少在所述第一绝缘材料体（160）的边缘区域（166）之间的覆盖的区域内延伸，并且构造成分别与所述第一绝缘材料体（160）连上。

5.按权利要求4所述的功率电子系统，其中，所述绝缘材料（40、42）构造为第二绝缘材料体（40）或构造为凝胶式的液体（42）或构造为它们的组合。

6.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，所述至少一个内部连接装置（30）构造为具有至少一个第二印制导线（310、312）的柔性电路板。

7.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，所述至少一个内部连接装置（30）构造为引线键合连接或载带键合连接。

8.功率电子系统的制造方法，所述功率电子系统具有：冷却装置（14）、多个第一面式绝缘材料体（160）、多个第一印制导线（162）、至少一个功率半导体器件（102、104、106、108、112、124、126、128）、至少一个内部连接装置（30）和外部接线件，所述制造方法包括以下工作步骤：

a）准备冷却体（14）；

b）将所述第一绝缘材料体（160）利用其第一主面布置在所述冷却体（14）上；

c）将所述第一印制导线（162）如下方式地布置在所述绝缘材料体（160）上，即，使得至少一个第一印制导线（162）将两个第一绝缘材料体（160）在其第二主面上至少部分地覆盖，并且利用至少一个连接段（166）覆盖所述第一绝缘材料体（160）之间的间隙（18）；

d）将所述至少一个功率半导体器件（102、104、106、108、122、124、126、128）布置在第一印制导线（162）上；

e）布置所述至少一个内部连接装置（30）。

9.按权利要求8所述的制造方法，其中，所述制造方法以a）至e）的顺序实施。

10.按权利要求8所述的制造方法，其中，所述制造方法以a）、b）、d）、c）、e）的顺序实施。

11.按权利要求9或10所述的制造方法，其中，接着制造步骤b）在至少两个第一绝缘材料体（160）之间布置绝缘材料（40、42）。

12.按权利要求8所述的制造方法，其中，在所述冷却体（14）与所述第一绝缘材料体（160）之间以及在所述第一绝缘材料体（160）与所述至少一个第一印制导线（162）之间设置有烧结膏（144、164），并且在制造步骤c）之后将这些组件借助压力烧结设备彼此连接。

13.按权利要求8所述的制造方法，其中，在第一印制导线（162）与至少一个第一功率半导体器件（102、104、106、108、122、124、126、128）之间设置有烧结膏（124），并且将这些组件在压力烧结设备内彼此连接。

14.按权利要求8所述的制造方法，其中，在所述至少一个第一功率半导体器件（102、104、106、108、122、124、126、128）与构造为柔性电路板（30）的内部连接装置之间，在所设置的接触部位上设置有烧结膏（364），并且将这些组件在压力烧结设备内彼此连接。

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