CN102916317A - 将至少一个电子元件与电源电互连的装置及相关电子系统 - Google Patents

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Abstract

电子互连装置包括第一端子、第二端子、绝缘衬底、第一传导层和电流传导回路，绝缘衬底包括平行的顶表面和底表面，第一传导层被设置成接触顶表面且包括用于连接电子元件的焊盘和电流迹线，第一传导层形成第一电流传导平面，电流传导回路在第一端子和第二端子之间，包括所述迹线且具有电感。该装置包括降低回路的电感的器件，该器件包括第二传导层和电连接件，第二传导层被设置成接触底表面，所述第二层形成与第一平面平行的第二传导平面，电连接件在两个平面之间，第一端子被连接到第一平面而第二端子被连接到第二平面，以使电流能通过电连接件在这两个平面中从第一端子流到第二端子，在第二平面中电流的方向与在第一平面中电流的方向是相反的。

Description

将至少一个电子元件与电源电互连的装置及相关电子系统
技术领域
本发明涉及一种将至少一个电子元件与电源电互连的装置，这种类型的装置包括： 
-第一端子，第二端子，以及第一端子和第二端子之间的电流传导回路， 
-绝缘衬底，包括基本上平行的顶平面和底平面， 
-第一电传导层，被设置成接触绝缘衬底的顶表面，并且包括用于使电流循环的迹线和用于连接所述或每个电子元件的焊盘，第一传导层形成电流的第一传导平面， 
所述传导回路包括迹线并具有电感。 
本发明还涉及一种适于连接到电源的电子系统，包括至少一个电子元件和这种互连装置。 
背景技术
上述类型的电互连装置已经公知。这种电互连装置包括绝缘衬底和电传导层，绝缘衬底包括有基本上平行的顶平面和底平面，电传导层被设置在衬底的顶平面上并具有用于使电流循环的迹线。第一端子和第二端子被设置在衬底顶平面的相对侧，并连接到电传导层。在互连装置的第一端子和第二端子之间的导体形成一个电流传导回路。衬底由陶瓷制成，互连装置支持的电压在1200V到10000V之间。 
但是，在这类电互连装置的第一端子和第二端子之间的电流传导回路具有高电感值，大于或等于30nH。这种寄生电感产生电涌和振荡，需要减慢元件转换过程，进而阻止使用此类元件的快速转换性能。 
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电互连装置，容许在第一端子和第二端子之间的传导回路的电感值被降低，以容许元件的更快速转换。 
为了这个目的，本发明的目的在于提拱上述类型的电互连装置，其进一步 包括降低传导回路的电感的器件，该降低器件包括第二电传导层和电连接件，该第二电传导层被设置成接触绝缘衬底的底表面，第二传导层形成电流的第二传导平面，第二传导平面基本上和第一传导平面平行，第二传导层基本上是第一传导层沿垂直于第一传导平面的方向上的移置，该电连接件在两个传导平面之间，第一端子被连接到第一传导平面，第二端子被连接到第二传导平面，以使得电流能在两个平行的电流传导平面中或通过电连接件从所述第一端子流到所述第二端子，在第二传导平面中电流的流动方向是和第一传导平面中电流的流动方向相反的。 
根据另外的实施例，电互连装置包括一个或多个以下特征(单独地或根据任何技术上可能的组合)： 
-所述装置还包括第二绝缘衬底，第二绝缘衬底具有基本上平行的顶平面和底平面，以及第三电传导层，第三电传导层被设置成接触第二绝缘衬底的顶表面，第三电传导层被固定并电连接到第二传导层，第二和第三传导层形成第二电流传导平面。 
-绝缘衬底的数量是二， 
-所述装置包括第四电传导层，第四电传导层被设置成接触第二绝缘衬底的底表面，第四传导层能够被固定和电连接到接地的固定基底， 
-第一端子和第二端子被连接在衬底的同一侧上，与电连接件相反， 
-电连接件被设置在所述绝缘衬底或每个绝缘衬底的外部， 
-电连接件是预制的金属板的形式，优选由铜制成， 
-第一端子和第二端子每个都包括分开地从衬底延伸的支承板，并且第一端子和第二端子的支承板部分地基本彼此平行，所述装置还包括设置在支承板之间的电绝缘体。 
-所述装置还包括至少一个板，用来连接所述电子元件或每个电子元件到相应导体，连接板包括基本上平行的顶平面和底平面，以及被设置成接触底表面的电传导层，所述传导层形成另外的电流传导平面，所述另外的平面平行于第一和第二传导平面，在所述另外的平面中电流的流动方向和在第一平面中电流的方向相同；以及 
-第一传导层包括用来连接至少两个电子元件的焊盘，焊盘被设置成使得在两个电子元件之间的间距大于3毫米，优选地等于或大于5毫米。 
本发明另一目的是提供一种能被连接到电源的电子系统，其包括至少一个电子元件和用于将所述电子元件或每个电子元件与电源互连的装置，所述互连装置如上所述来定义。 
附图说明
本发明的这些特征和优点将通过阅读下述描述得到清楚了解，提供的下述描述仅仅进行举例说明并且参考附图给出，其中： 
-图1是依据本发明的电子系统的示意性立体图，其包括多个电子元件和用于互连电子元件的装置，以及 
-图2是图1中电子系统的侧视图，具有另外的利底来电连接元件。 
具体实施方式
在图1中，电子系统10能被电连接到电源(没有示出)，该电子系统10包括多个电子元件12和将电子元件与电源互连的装置14。 
举例来说，电子系统10是从一种电流到另一种电流的静态变换器。在图1的示例性实施例中，电子系统10是从在未示出的直流总线上流动的直流电流到在未示出的交流总线上流动的交流电流的变换器。直流/交流变换器10作也称为逆变器。 
替代地，电子系统是交流到直流变换器，也称为整流器。更进一步替代地，电子系统是电流和电压双向直流/交流变换器，电流能从直流总线到交流总线流动，而且可以从交流总线到直流总线流动。 
进一步替代地，电子系统是DC/DC变换器，或AC/AC变换器。 
如图2中所示，每个电子元件12包括基本平行的顶表面18和底表面20。每个电子元件12包括电极22，电极22在图1中可见，被连接到互连装置。每个电子元件12包括在其底表面20上的单个电极22和在其顶表面18上的一个或多个电极。 
举例来说，电子元件12是IGBT(绝缘栅双极晶体管)，因此在其顶表面18上包括2个电极22。另外，电子元件12例如是二极管，因此在其顶表面18上包括单个电极22。在图1的示例性实施例中，电子系统包括10个IGBT和8个二极管。 
互连装置14包括能被连接到DC总线的第一端子24和第二端子26。互连装置14包括能被连接到AC总线的相端子27。在图1的示例性实施例中，电 子系统10是逆变器，并且电源是连接到DC总线的直流电压源。 
互连装置14包括第一绝缘衬底28和第二绝缘衬底30。绝缘衬底28、30每个都包括顶平面32和底平面34，顶平面32和底平面34基本上平行。 
电互连装置14包括第一电传导层36，第一电传导层36被设置成接触第一绝缘衬底28的顶表面，并且包括电流迹线38和未示出的焊盘，用来连接电子元件。焊盘和电子元件的底表面20的电极接触。第一传导层36形成第一电流传导平面P1，如图2中所示。 
互连装置14具有在第一端子24和第二端子26之间的电流传导回路42，传导回路42包括导体38并具有电感L。 
依据本发明，电互连装置14包括降低传导回路电感L的器件，降低器件包括与第一传导平面P1平行的第二电流传导平面P2。 
在图1和2的示例性实施例中，降低器件包括第二电传导层44和被固定和电连接到第二传导层44的第三电传导层46，第二和第三传导层44、46形成第二电流传导平面P2。 
降低电感的器件还包括在第一传导平面P1和第二传导平面P2之间的电连接件48。在图1和2的示例性实施例中，电连接件48连接在形成第一传导平面的第一传导层36和第二传导平面的第三传导层46之间。 
另外，互连装置14包括第四电传导层50，第四电传导层50被设置成接触第二绝缘衬底30的底表面，第四传导层50被固定和电连接到接地的固定基底52，其中地没有示出。第四传导层50例如是与固定基底52焊接的焊接层。 
电互连装置14包括两个板51，板51用于将电子元件的顶表面18的电极连接到相应的迹线38，如图2中所示。替代地，电子元件的顶表面18的电极与相应迹线38的连接通过结合(bonding)来实现。 
第一端子24被电连接到第一传导平面P1。更准确地说，第一端子24被焊接到第一传导层的迹线38。 
第二端子26被电连接到第二传导平面P2。在图1和2的示例性实施例中，第二端子26被焊接到第三传导层46。 
第一端子24和第二端子26被连接在衬底28、30的同一侧，该侧与电连接件48相反。 
第一端子24和第二端子26分别包括从衬底28、30延伸离开的支承板54。 第一端子24和第二端子26分别包括连接环56，所述连接环56与相对应的支承板54是一体的，并且允许将未示出的电源线缆连接到电源。输入端子和输出端子的支承板54部分地基本彼此平行。 
另外，互连装置14包括电绝缘体58，该电绝缘体58被设置在输入端子和输出端子的支承板54之间。 
相端子27包括从衬底28、30延伸离开的支承板60和与支承板60一体的连接环62。 
绝缘衬底28、30可以比如用氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)或也被称为蓝宝石的单晶氧化铝制成。绝缘衬底28、30优选由氮化铝制造。举例来说，绝缘衬底28、30、31具有毫米级的厚度。 
第二传导层44被设置成接触第一绝缘衬底28的底表面，并且第三传导层46被设置接触第二绝缘衬底30的顶表面。 
第二传导层44基本上是第一传导层36沿垂直于第一平面P1的方向N的移置。 
第一传导层36、第二传导层44、第三传导层46和第四传导层50通过金属化相应的绝缘衬底28、30而获得，并具有数百微米的厚度。 
传导层36、44、46、50例如由铜或铝制成。 
焊盘被设置成使得两个电子元件12之间的间距大于3mm，优选地大于等于5mm。 
电连接件48被设置在绝缘衬底28、30的外部。电连接件48是预制的金属板的形式，优选由铜制成。在图1和2的示例性实施例中，电连接件48一方面被焊接到第一传导层36，另一方面被焊接到第三传导层46。 
每个连接板51包括基本上平行的顶平面64、底平面66，并且还包括电传导层68，该电传导层被设置成接触底表面。每个连接板51包括在电子元件的相应电极22和传导层68之间的第一连接焊道(bead)70。每个连接板51包括在传导层68和相应导体38之间的第二连接焊道72。换句话说，每个第一焊道70被设置在连接板的传导层68和电子元件的相应电极22之间，并且每个第二焊道72被设置在传导层68和相应导体38之间。 
另外，每个连接板51包括电传导层74，该电传导层74被设置成接触顶表面。 
固定基底52例如是由金属-陶瓷复合物制成，比如具有位于铝内部的碳化硅颗粒的铝复合物。 
电绝缘体58例如是一层柔性绝缘材料，被设置在输入端子和输出端子的支承板54之间。 
传导层68形成另外的电流传导平面P3，该另外的平面P3与第一和第二传导平面P1、P2平行。 
在所述电子元件12是可控的情况下(例如经由其栅电极来控制的IGBT)，传导层74形成用于相应电子元件12的控制器件的电连接平面。传导层74于是也连接到控制电极，例如通过末示出的电连接件而连接到可控电子元件12的栅电极。 
在图1和2的示例性实施例中，绝缘衬底28、30的数量等于2。 
替代地，互连装置14仅包括第一绝缘衬底28和仅包括第一传导层36和第二传导层44，第一传导层36总是形成第一传导平面P1，而第二传导层44形成与第一传导平面P1基本平行的第二传导平面P2。第一端子24被连接到第一传导层36，且第二端子26于是被连接到第二传导层44。相据这种变型，电连接件48一方面被连接到第一传导层36，另一方面被连接到第二传导层44。固定基底52是电绝缘基底，并且第二传导层44与地电绝缘。 
下文将参照相关的图2来解释根据本发明的电子系统的操作。 
由逆变器10进行的直流电压到交流电压的变换过程交替地包括第一阶段和第二阶段，在第一阶段期间，正极端子例如第二端子26的电压流到相端子27，在第二阶段期间，负极端子例如第一端子24的电压流到相端子27。因此，传递到相端子的电压是交流电压。第一阶段和第二阶段是从端子24，26向相端子27传导电流的阶段。 
直流电压到交流电压的变换还包括在两个连续传导阶段之间的转换阶段。在第一传导阶段和第二传导阶段之间的第一转换阶段期间，电流从第二端子26流到第一端子24，如图2中通过箭头I1到I3所示。相反，在第二传导阶段和第一传导阶段之间的第二转换阶段期间，电流从第一端子24流到第二端子26。 
在第一转换阶段期间，电流依据第一流动方向(箭头I1)在第二传导平面P2中从第二端子26流到电连接件48。然后，电流依据与第一流动方向相反的第二流动方向(箭头I2)在第一传导平面P1中从电连接件48流到第一端子24， 并且在连接板的另外的平面P3中流动。电流在另外的平面中的流动方向(箭头I3)和电流在第一平面中的流动方向(箭头I2)相同。 
换句话说，在从第二端子26到第一端子24的第一转换阶段期间，电流在经由电连接件48两个平行的传导平面P2、P1中流动，并且在第二传导平面P2中的电流的流动方向与在第一传导平面P1中的电流的流动方向相反，因此在两个传导平面P1、P2之间产生了互感M。 
反过来，类似地，在从第一端子24到第二端子26的第二转换阶段期间，电流经由电连接件48在两个平行的传导平面P1、P2中流动，并且在第二传导平面P2中的电流的流动方向也与在第一传导平面P1中的电流的流动方向相反，也同样在两个传导平面P1、P2之间产生了互感M。 
传导回路42的电感L于是具有一个比现有技术互连装置的传导回路的电感小的值，因为在两个传导平面P1、P2之间的互感M将会减小传导回路42的电感L。 
更准确地说，在电子元件上的顶表面18的电极通过结合电连接到相应迹线38的情况下，依据本发明的互连装置的传导回路的电感L满足以下方程式： 
L＝L1+L2-2×M 
其中L1是第一传导平面P1的电感，L2是第二传导平面P2的电感。 
比较而言，现有技术互连装置的传导回路的电感Lini满足以下方程式： 
Lini＝L1 
依据本发明的互连装置14的传导回路的电感L于是小于10nH，例如8nH，因此，在同样的电流和电压条件下，远小于现有技术互连装置，现有技术互连装置的值大于30nH。 
而且，输入端子和输出端子的支承板54的部分彼此平行的设置方式也允许产生互感。 
电子元件12之间的间距大于3毫米，这次许减小由于电子元件所造成的热阻，并且补偿由于存在第二绝缘剂底30所造成的热阻的轻微增大，因此依据本发明的电子系统的热阻基本上和现有技术电子系统的一样。 
显然，依据本发明的电互连装置允许在第一端子和第二端子之间的电流传导回路的寄生电感的值被降低。这样，在回路寄生电感减小从而导致电子系统中的电涌和振荡减小的情况下，允许更快的电子元件转换。 

Claims (10)

1.一种将至少一个电子元件(12)与电源电互连的装置(14)，包括：
-第一端子(24)、第二端子(26)和在第一端子(24)与第二端子(26)之间的电流传导回路(42)，
-绝缘衬底(28)，所述绝缘衬底包括基本上平行的顶平面(32)和底平面(34)，
-第一电传导层(36)，所述第一电传导层被设置成接触所述绝缘衬底的顶表面(32)，并且包括用于连接所述电子元件或每个电子元件(12)的焊盘(40)和电流迹线(38)，所述第一电传导层(36)形成第一电流传导平面(P1)，
所述传导回路(42)包括所述迹线(38)并具有电感(L)，
其特征在于，所述装置包括用于降低所述传导回路的电感(L)的器件，所述器件包括第二电传导层(44)和电连接件(48)，所述第二电传导层被设置成接触所述绝缘衬底(28)的底表面(34)，所述第二电传导层(44)形成与所述第一电流传导平面(P1)基本上平行的第二电流传导平面(P2)，所述第二电传导层(44)基本上是所述第一电传导层(36)沿垂直于所述第一电流传导平面(P1)的方向上的移置，所述电连接件(48)位于两个传导平面(P1、P2)之间，所述第一端子(24)被连接到所述第一电流传导平面(P1)，所述第二端子(26)被连接到所述第二电流传导平面(P2)，以使得电流能通过电连接件(48)在这两个平行的传导平面(P1、P2)中从所述第一端子(24)流到所述第二端子(26)，在第二平面中电流的流动方向(I2)与在第一平面中电流的流动方向(I1)是相反的，并且所述装置还包括用于将所述电子元件或每个电子元件(12)连接到相应迹线(38)的至少一个连接板(51)，所述连接板(51)包括基本上平行的顶平面(64)和底平面(66)，以及设置成接触所述底表面(66)的电传导层(68)，所述电传导层(68)形成另外的电流传导平面(P3)，所述另外的电流传导平面(P3)与所述第一电流传导平面(P1)和第二电流传导平面(P2)是平行的，在所述另外的电流传导平面中的电流流动方向(I3)与在所述第一平面中的电流的流动方向(I1)相同。
2.如权利要求1所述的装置(14)，还包括第二绝缘衬底(30)，其中所述第二绝缘衬底(30)包括基本上平行的顶平面(32)和底平面(34)，以及设置成接触所述第二绝缘衬底(30)的顶表面(34)的第三电传导层(46)，所述第三电传导层(46)被固定和电连接到所述第二电传导层(44)，所述第二电传导层(44)和第三电传导层(46)形成所述第二电流传导平面(P2)。
3.如权利要求2所述的装置(14)，其中绝缘衬底(28、30)的数量是两个。
4.如权利要求2或3所述的装置(14)，包括设置成接触所述第二绝缘衬底(30)的底表面(34)的第四电传导层(50)，所述第四电传导层(50)能被固定并电连接到接地的固定基底(52)。
5.如前述任一权利要求所述的装置(14)，其中所述第一端子(24)和所述第二端子(26)被连接在衬底(28、30)的相同侧上，与所述电连接件(48)相反。
6.如前述任一权利要求所述的装置，其中所述电连接件(48)被设置在所述绝缘衬底或每个绝缘衬底(28、30)的外部。
7.如权利要求6所述的装置(14)，其中所述电连接件(48)是预制的金属板的形式，优选地由铜制成。
8.如前述任一权利要求所述的装置(14)，其中所述第一端子(24)和所述第二端子(26)分别包括分开地从衬底延伸的支承板(54)，并且所述第一端子和第二端子的支承板(54)部分地基本上彼此平行，所述装置(14)还包括设置在所述支承板(54)之间的电绝缘体(58)。
9.如前述任一权利要求所述的装置(14)，用于将至少两个电子元件(12)与电源电互连，其中所述第一传导层(36)包括用于连接至少两个电子元件的焊盘，所述焊盘被设置成使得两个电子元件(12)之间的间距大于3毫米，优选地大于或等于5毫米。
10.一种能被连接到电源的电子系统(10)，其包括至少一个电子元件(12)以及将所述电子元件或每个所述电子元件(12)与电源互连的互连装置(14)，
其特征在于，所述互连装置(14)是如上述任一权利要求所述的装置。
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