CN102867817B - 具有冷却装置的功率电子系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种具有冷却装置的功率电子系统和所属的制造方法，该功率电子系统具有：多个子模块，每个子模块具有第一面式绝缘材料体、恰好一个与之材料锁合地连接的第一印制导线、恰好一个布置在该印制导线上的功率开关；由至少一个导电膜和至少一个电绝缘膜的交替层序列组成的至少一个内部连接装置，其中，至少一个导电层构造至少一个第二印制导线；并且具有外部接线件。子模块在这种情况下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冷却装置上。至少一个第二印制导线至少部分地覆盖两个子模块的第一印制导线，将所述两个子模块彼此导电连接并且覆盖子模块之间的间隙。

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。衬底的各个朝向系统内部的侧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 2006011 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，该系统具有在热耦合和机械抗疲劳强度方面得到改进的功率半导体器件与冷却装置的连接。
该目的依据本发明通过如下的功率电子系统得以实现，该功率电子系统具有：多个子模块，每个子模块具有：第一面式绝缘材料体、恰好一个与之材料锁合地连接的第一印制导线、恰好一个布置在第一印制导线上的功率开关；由至少一个导电膜和至少一个电绝缘膜的交替层序列组成的至少一个内部连接装置，其中，至少一个导电膜层构造至少一个第二印制导线；并且具有外部接线件；其中，子模块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冷却装置上，至少一个第二印制导线至少部分覆盖两个子模块的第一印制导线，将两个子模块彼此电连接并且覆盖子模块之间的间隙。该目的还通过下文中将要阐述的如下功率电子系统的制造方法得以实现，该功率电子系统具有冷却装置、多个子模块、至少一个内部连接装置和外部接线件。
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开关与其冷却装置的电绝缘。
所述第一面式绝缘材料体分别为子模块的部件，该子模块此外恰好具有一个第一印制导线，该第一印制导线依据本发明布置在第一面式绝缘材料体的第二主面上并且材料锁合地与其连接。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所配属的第一面式绝缘材料体的、背离冷却装置的侧上。
此外，子模块具有恰好一个功率开关，所述功率开关以不同的优选形态构成：
·功率开关可以构造为恰好一个功率二极管或构造为恰好一个功率晶体管或构造为恰好一个具有内置地构造的反并联功率二极管的功率晶体管。
·功率开关可以构造为恰好一个具有恰好一个反并联功率二极管的功率晶体管。
·功率开关可以构造为至少一个具有至少一个反并联功率二极管的功率晶体管，其中，在此至少三个功率半导体器件构造这种功率开关。
通过子模块在自己的第一面式绝缘材料体上具有恰好一个功率开关的这种构造，功率开关内产生的损耗功率可以很有效地向冷却装置排放。
此外，依据本发明的功率电子系统具有至少一个由至少一个导电膜与至少一个电绝缘膜的交替层序列组成的内部连接装置，其中，至少一个导电膜层构造至少一个第二印制导线。在此，内部连接装置的导电膜层可以内部结构化，并且构造多个第二印制导线。同样可以设置有穿过绝缘层的、用于电连接导电膜层的过孔。
依据本发明，至少一个第二印制导线作为内部连接装置的部件覆盖至少一个两个子模块之间的间隙。为此该第二印制导线至少部分覆盖和接触子模块的第一印制导线，并且由此将这两个印制导线彼此电连接。
子模块之间的间隙由第二印制导线至少如下方式地覆盖，即，使得虽然两个子模块之间的整个间距被覆盖，但不强制在一个或另一个子模块的整个宽度上进行覆盖。
为确保第二印制导线与冷却装置之间的电绝缘，所述第二印制导线与所述冷却装置之间的间隙可以有利地通过绝缘材料如下方式地填充，即，使该绝缘材料至少在第一面式绝缘材料体的或子模块的边缘区域之间覆盖的区域内延伸，并且分别与所述第一面式绝缘材料体连上。当然出于电绝缘的原因可以有利的是，该绝缘材料不仅直接在第二印制导线的之下而且也在其侧向设置。
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面式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面式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，第一面式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面式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)准备形成冷却装置的冷却体；
b)由第一面式绝缘材料体、恰好一个与其材料锁合地连接的第一印制导线、恰好一个布置在该印制导线上的功率开关构造子模块；
c)将子模块与冷却装置材料锁合地或力锁合地连接；现在接下来有利地直接布置至少一个绝缘材料；
d)由导电膜与电绝缘膜的交替层序列构造至少一个内部连接装置，其中，至少一个导电膜层构造至少一个第二印制导线；
e)将至少一个第二印制导线与至少两个子模块的第一印制导线如下方式地材料锁合地连接，即，使得至少一个第二印制导线覆盖子模块之间的间隙。
有利地，这些步骤要么以给出的顺序要么以a)、b)、d)、c)、e)的顺序进行。
作为上述方法的备选，并且同样地依据本发明，这种类型的功率电子系统借助以下主要步骤制造：
a)准备形成冷却装置的冷却体；
b)准备第一面式绝缘材料体和所配属的第一印制导线作为子模块的部件；
c)将冷却体与第一面式绝缘材料体材料锁合地连接；
d)将功率开关布置在各自的印制导线上；
e)将功率开关与所配属的印制导线材料锁合地连接；现在优选接下来直接布置至少一个绝缘材料。
f)由导电膜的和电绝缘膜的交替层序列构造至少一个内部连接装置，其中，至少一个导电膜层构造至少一个第二印制导线；
g)将至少一个第二印制导线与至少两个子模块的第一印制导线如下方式地材料锁合地连接，即，使得至少一个第二印制导线覆盖子模块之间的间隙。
有利地，所述步骤以所提及的顺序实施，或者步骤e)和g)共同在步骤f)之后实施。不依赖于此地，同样有利的是，步骤c)期间同时将绝缘材料体与所配属的第一印制导线连接。
如果绝缘材料仅由凝胶式的液体组成，那么该绝缘材料在两种方法中也还可以安排在制造过程的较晚时间点上。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，除了冷却体与第一面式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。对于冷却体与第一面式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面式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作为连接介质的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借助压力烧结设备连接。在这种烧结技术的实际构造中，以上述方式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内部连接装置的那些连接。但可能同样有利的是，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7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示出依据本发明的第一制造方法的阶段；
图5至7示出依据本发明的第二制造方法的阶段。
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。所述功率开关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串联功率开关的直流桥或多级桥电路。
图2至4示出依据本发明的第一制造方法的阶段。图2在截取图中示意地示出功率电子系统制造的阶段以及两个子模块16。示出冷却装置14、两个第一面式绝缘材料体160连同各自已经设置在此上的第一印制导线162。与其相距地示出各功率二极管106作为依据本发明地设置的功率开关10、12的可能的构成。这些功率二极管106与所配属的第一印制导线162材料锁合地连接，为此设置有连接介质114。各功率二极管106、更一般的情况下是各功率开关10、12以及第一面式绝缘材料体160连同第一印制导线162一起构造子模块16，并且由此构造功率电子系统的发明的基本元件。
该子模块16与冷却装置14借助连接介质144材料锁合地连接。有利的是，先完全构造子模块16，并且随后再将各个子模块16与冷却装置14连接。在此，各个子模块16可能已经进行第一电子测试，并且只有在子模块16测试成功的情况下才继续构建。如果子模块16与冷却装置14的连接要利用未示出的方式力锁合地进行，那么显然有意义的是，在制造方法中较晚的时间点上才设置这种连接。
出于制造经济性的原因和特别是在设置有同类型的、材料锁合连接的情况下，有利的是所示的组件也可以在一个制造步骤中材料锁合地连接。
图3示出内部连接装置30，该内部连接装置由如下层序列组成，该层序列由内部结构化的导电膜310、312、314、绝缘膜320并且还有内部结构化的导电膜330、332组成。此外也设置有过孔340，正如其在各种各样的构成中已经由现有技术以公知的那样，以便可以构造功率电子系统的符合电路规则的内部连接。单个导电膜层正是为此内部结构化，并且构造多个印制导线。
这些印制导线之一构造用于依据本发明地将子模块16的第一印制导线162彼此连接的第二印制导线。所述第二印制导线与第一印制导线162的连接在此又通过材料锁合的连接、借助适当地设置的连接介质354进行，这里仅示出其中的一个。在这些接触部位上，第二印制导线覆盖第一印制导线162。内部连接装置30的导电膜314以所提及的方式也与各子模块16的功率二极管106、108的、更一般的情况下是与功率开关10、12的接触面连接。所述接触面为此设置在功率二极管106、108的背离第一面式绝缘材料体160的侧上。
图4示出在布置了通向子模块16的内部连接装置30之后，依据本发明的功率电子系统的截取图，其中，在这里清楚看出通过两个导电膜与一个电绝缘膜的交替层序列进行的、内部连接装置30的柔性构成。
图5至7示出依据本发明的第二制造方法的阶段。图5在此示出冷却装置14与第一面式绝缘材料体160和与第一印制导线162的连接。有利的是，这三个元件在一个制造步骤中彼此连接。备选地，也可以先将第一印制导线162与第一面式绝缘材料体160连接，并且随后将其与冷却装置14连接。
图6示出对图3已经介绍的内部连接装置30。该内部连接装置以有利的方式、与在这里又由以功率二极管106、108的形态制成的功率开关材料锁合地借助所配属的连接介质364连接。
在下一步骤中，所述由功率二极管106、108和内部连接装置30组成的复合体与由冷却装置14、第一面式绝缘材料体160和第一印制导线162组成的复合体材料锁合地借助所配属的连接介质354连接。
备选地，内部连接装置30和功率二极管106、108在一个制造步骤中与由冷却装置14、第一面式绝缘材料体160和第一印制导线162组成的复合体材料锁合地借助所配属的连接介质354、364连接。
图7示出依据本发明的、借助上述方法制造的功率电子系统的截取图，所述功率电子系统具有冷却装置14、设置在此上的子模块16，并且具有内部连接装置30。通过所述内部连接装置30的导电膜层结构化构造的第二印制导线在此符合电路规则地将子模块16，具体地说是将其第一印制导线162彼此连接。内部连接装置30不仅用于功率电子系统内部的符合电路规则的连接，而且在其未示出的其它分布中本身可以构造外部接线件或与所述外部接线件连接。
在所述第二印制导线之下和在子模块16的边缘区域166之间，因此在该第二印制导线与冷却装置14之间产生间隙18。在该间隙18内必要的位置上设置有绝缘材料40、42，该绝缘材料在这里的截取放大图中要么作为凝胶式液体，要么作为可压缩的第二绝缘材料体构造。显然，两种构成也可以组合地设置。

Claims (15)

1.具有冷却装置(14)的功率电子系统(1)，所述功率电子系统具有：
多个子模块(16)，每个子模块具有：第一面式绝缘材料体(160)、恰好一个与之材料锁合地连接的第一印制导线(162)、恰好一个布置在所述第一印制导线(162)上的功率开关(10、12)；
由至少一个导电膜(310、312、314、330、332)和至少一个电绝缘膜(320)的交替层序列组成的至少一个内部连接装置(30)，其中，至少一个导电膜层构造至少一个第二印制导线；
并且具有外部接线件；其中，
所述子模块(16)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，
至少一个第二印制导线至少部分覆盖两个子模块(16)的第一印制导线(162)，将所述两个子模块彼此电连接并且覆盖所述子模块(16)之间的间隙(18)。
2.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，功率开关(10、12)构造为恰好一个功率二极管、恰好一个功率晶体管或恰好一个具有内置地构造的反并联功率二极管的功率晶体管。
3.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，功率开关(10、12)构造为恰好一个具有恰好一个反并联功率二极管(106、126)的功率晶体管(102、122)。
4.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，功率开关(10、12)构造为至少一个具有至少一个反并联功率二极管(106、108、126、128)的功率晶体管(102、104、122、124)。
5.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，所述第一面式绝缘材料体(160)由陶瓷原料制成。
6.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，所述内部连接装置的至少一个导电膜层是内部结构化的，并且构造多个第二印制导线。
7.按权利要求1所述的功率电子系统，其中，至少一个两个子模块(16)之间的通过第二印制导线覆盖的间隙(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子模块(16)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子模块(16)连上。
8.按权利要求7所述的功率电子系统，其中，所述绝缘材料构造为第二绝缘材料体或构造为凝胶式液体或构造为它们的组合。
9.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)、多个子模块(16)、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)准备形成所述冷却装置(14)的冷却体；
b)由第一面式绝缘材料体(160)、恰好一个与之材料锁合地连接的第一印制导线(162)、恰好一个布置在所述第一印制导线(162)上的功率开关(10、12)构造所述子模块(16)；
c)将所述子模块(16)与所述冷却装置(14)材料锁合地或力锁合地连接；
d)由导电膜和电绝缘膜的交替层序列构造所述至少一个内部连接装置(30)，其中，至少一个导电膜层形成至少一个第二印制导线；
e)将至少一个第二印制导线与至少两个子模块(16)的第一印制导线(162)如下方式地材料锁合地连接，即，使得至少一个第二印制导线覆盖所述子模块(16)之间的间隙(18)。
10.按权利要求9所述的制造方法，其中，所述制造方法以所提及的顺序实施，或者以a)、b)、d)、c)、e)的顺序实施。
11.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)、多个子模块(16)、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)准备形成所述冷却装置(14)的冷却体；
b)准备第一面式绝缘材料体(160)和各自配属的第一印制导线(162)作为所述子模块(16)的部件；
c)将所述冷却体与所述第一面式绝缘材料体(160)材料锁合地连接；
d)将功率开关(10、12)布置在各自的第一印制导线(162)上；
e)将所述功率开关(10、12)与所配属的第一印制导线(162)材料锁合地连接；
f)由导电膜和电绝缘膜的交替层序列构造至少一个内部连接装置(30)，其中，至少一个导电膜层形成至少一个第二印制导线；
g)将至少一个第二印制导线与至少两个子模块(16)的第一印制导线(162)如下方式地材料锁合地连接，即，使得至少一个第二印制导线覆盖所述子模块(16)之间的间隙。
12.按权利要求11所述的制造方法，其中，所述制造方法以所提及的顺序实施，或者步骤e)和g)共同在步骤f)之后实施。
13.按权利要求11所述的制造方法，其中，在步骤c)期间同时将所述第一面式绝缘材料体(160)与所配属的第一印制导线(162)连接。
14.按权利要求9至12之一所述的制造方法，其中，将绝缘材料(40、42)布置在至少两个子模块(16)之间。
15.按权利要求9至12之一所述的制造方法，其中，为构造两个连接伙伴之间的材料锁合的连接，设置有烧结膏作为连接介质(114、144、354、364)，并且分别借助压力烧结设备构造连接。
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