CN107636827B - 功率电子设备模块 - Google Patents

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Abstract

功率电子设备模块（10）包括：第一液体冷却器（12a），包括用于接收冷却液体的冷却通道（22），其中第一液体冷却器（12a）包括提供功率电子设备模块（10）的第一端子（24）的金属本体（20）；第二液体冷却器（12b），包括用于接收冷却液体的冷却通道（22），其中第二液体冷却器（12b）包括提供功率电子设备模块（10）的第二端子（24）的金属本体（20）；多个半导体芯片（14），布置在第一液体冷却器（12a）和第二液体冷却器（12b）之间，使得每个半导体芯片（14）的第一电极（32a）接合到第一液体冷却器（12a），使得第一电极（32a）与第一液体冷却器（12a）电接触，并且每个半导体芯片（14）的相反的第二电极（32b）与第二液体冷却器（12b）电接触；以及绝缘包装（18），其通过将第一液体冷却器（12a）、第二液体冷却器（12b）和多个半导体芯片（14）模塑到绝缘材料（16）中来形成，使得第一液体冷却器（12a）、第二液体冷却器（12b）和多个半导体芯片（14）至少部分嵌入到绝缘材料（16）上。

Description

功率电子设备模块
技术领域
本发明涉及高功率半导体的封装领域。具体来说，本发明涉及功率电子设备模块并且涉及用于电转换器的功率单元。
背景技术
与基于Si衬底的类似的装置一样，例如基于SiC衬底的宽带隙半导体装置能够提供更高的最大阻挡电压。与SiC半导体装置的更低切换损耗组合的更高最大阻挡电压允许用于中压和高压应用的转换器设计的更多的灵活性。
例如，MV应用的整个电压范围可采用简单的两电平电压源转换器拓扑结构来覆盖。更高的切换频率可显著降低总谐波失真。
对于高压应用中的典型的两电平或三电平拓扑结构，串联连接的半导体的数量可急剧减少。这也可减少栅极驱动器的数量和堆叠的冷却器和模块的数量。
对于高压应用中的模块化多电平转换器或级联的半桥拓扑结构，转换器单元的数量可急剧减少。这又可减少栅极驱动器的数量和堆叠的冷却器和模块的数量。此外，整个转换器的体积可显著减少。
另外，高压SiC装置可提供更高的宇宙射线鲁棒性。
此外，SiC装置将允许高温和高电流操作，并且可潜在地允许SiC区域和功率模块覆盖区的显著收缩。
最后，用于基于SiC的高压应用的模块化多电平转换器和级联的半桥拓扑结构可降低对于短路失效模式（SCFM)操作的需要。
然而，由于与Si装置相比宽带隙半导体装置的不同设计和操作性质，可存在对于用于将这些装置组装到模块中的新封装概念的需要。
例如，与常规Si半导体装置相比，SiC装置具有更小的芯片面积，并且可因此具有更低的电流额定，这可要求甚至更大数量的装置的并联。
此外，高损耗密度可要求更高级的热扩散和冷却。另外，SiC双极装置的电阻的非常低或甚至负温度系数可需求跨并联双极装置的高度均匀耐温。
更高的操作电压可要求在衬底金属化边缘处的局部放电的更高的保护。例如，尖锐DBC（直接接合铜衬底）Cu边缘和具有在微米范围中的弯曲部分（curvature）的活性金属钎焊突出部可引起相当大场拥堵（field crowding），并且在超高电压应用处具有特定关注。更高的边缘终止表面场可导致对于边缘终止附近的增强的绝缘强度和排除的污染以及水汽凝结。
更快的切换能力可导致更高瞬变现象，并且可存在对于大量并联装置的同步切换的需要。
US2014/0291832A1涉及功率半导体模块，其中IGBT和二极管置于两个DBC（直接铜接合）衬底之间，并且模塑为复合模。两个冷却壳接合到衬底。
EP2270855A1涉及具有两个衬底板的双侧冷却模块以及在两个衬底板之间的半导体组件。
DE4103486A1示出具有安装在两个液体冷却电极之间的半导体装置的冷却布置。半导体装置布置在绝缘板的开口中，其布置在两个电极之间。
发明内容
本发明的目的是要提供考虑宽带隙切换装置的不同设计和操作性质的功率电子设备模块。例如，这种功率电子设备模块提供与增强的电气绝缘组合的良好的冷却能力，这通常由宽带隙装置来需要。
这个目的通过下文记载的主题来实现。根据下面的描述，另外的示范实施例是显然的。
本发明的方面涉及功率电子设备模块，其例如可用于高压DC（HVDC）应用和/或用于高压和中压功率转换器。术语“功率电子设备”可表示适合于切换多于100A和多于1.000V的电流的电子装置。中压可以是1.000V和20.000V之间的电压。高压可以是高于20.000V的电压。
根据本发明的实施例，功率电子设备模块包括第一和第二液体冷却器，冷却器之间的多个半导体芯片以及（电）绝缘包装，冷却器和芯片被至少部分嵌入到该（电)绝缘包装中。
第一液体冷却器包括用于接收冷却液体的冷却通道，其中第一液体冷却器包括提供功率电子设备模块的第一端子的金属本体。第二液体冷却器也包括用于接收冷却液体的冷却通道，其中第二液体冷却器包括提供功率电子设备模块的第二端子的金属本体。通常，冷却器的每个可包括其金属本体内部的腔，其用于传导冷却液体。此外，冷却器的每个可提供用于将一个或多个冷却导管与相应的冷却器连接的插头或连接。
也许有可能的是，中间冷却器布置在第一和第二冷却器之间，其中半导体芯片的第一层布置在第一和中间冷却器之间，并且半导体芯片的第二层布置在中间冷却器和第二冷却器之间。这种双堆叠模块相对于在一个模块内提供半桥可以是有用的。
冷却器的一个，两个或全部可以基于跨并联半导体芯片提供非常低且均匀热阻的鳍，微通道，小通道和/或冲击结构。小通道可以是具有大约100mm至1mm的直径的通道。微通道可以是具有大约小于100mm的直径的通道。冲击结构可包括液体到待冷却的表面上的喷射或喷雾冷却。也可以有可能的是，冷却液体在冷却器的一个或两个蒸发（流动沸腾）。
多个半导体芯片布置在第一液体冷却器和第二液体冷却器之间，使得每个半导体芯片的第一电极接合到第一液体冷却器。以这种方式，第一电极与第一液体冷却器电接触，以及每个半导体芯片的相反第二电极与第二液体冷却器电接触。例如，每个相反电极可经由导电柱状物与第二冷却器或与中间冷却器接触。
冷却器可具有以基本上板状形状的金属本体。半导体芯片可并排（以平行行和/或列）布置在两个冷却器之间。由于半导体芯片直接接合到第一冷却器，可避免从衬底（例如DBC衬底）的金属化边缘的部分放电。
第一和第二冷却器可提供功率电子设备模块的端子。电流可经由第一冷却器的金属本体进入模块，其将电流分配到半导体芯片的第一电极，并且可通过第二冷却器的金属本体离开模块（或者反之亦然）。必须理解的是，冷却器未与半导体芯片电绝缘。
包装通过将第一液体冷却器，第二液体冷却器和多个半导体芯片模塑到绝缘材料中以使得第一液体冷却器，第二液体冷却器和多个半导体芯片至少部分嵌入到绝缘材料上来形成。例如，冷却器和接合的芯片的组合件可放置到模具中，并且铸造成固化的绝缘材料。例如，容纳芯片的冷却器之间的空间可完全填充有绝缘材料。
根据本发明的实施例，第一冷却器，第二冷却器和/或中间冷却器嵌入到绝缘材料中，使得仅端子和冷却液体连接从绝缘材料突出。此外，多个半导体芯片完全嵌入到绝缘材料中。换言之，功率电子设备模块的基本上全部组件可嵌入到绝缘材料中。尤其是，冷却器的金属表面的多于90%以及所有的芯片可嵌入到绝缘材料中。以这种方式，模块可提供非常良好的电绝缘，这可以甚至适合于高压应用，并且可以提供非常良好的冷却，因为芯片与冷却器的金属本体直接热接触。
根据本发明的实施例，第一冷却器包括半导体芯片接合到其中的腔。而且中间冷却器在存在时可包括在指向第二冷却器的侧处的这类腔。例如，这类腔可机器加工到相应冷却器的金属本体中。腔可有助于减少整个模块的宽度和/或允许到衬底的小轮廓（lowprofile）的栅极焊线。此外，腔可以有助于将芯片相对于彼此和/或相对于冷却器对齐。
然而，也可以有可能的是，第一（和/或中间冷却器）在芯片的侧处具有基本上平坦表面，并且芯片接合到这个具有相应平坦电极的平坦表面。
根据本发明的实施例，半导体芯片接合到从第二液体冷却器和/或中间冷却器突出的柱状物。这些柱状物可以是相应液体冷却器的金属本体的一部分，即，可以是与相应冷却器相同的材料。也可以有可能的是，柱状物接合到相应的液体冷却器。
由于半导体芯片直接接合到下一个液体冷却器，因此也可以避免从衬底（例如DBC衬底）的金属化边缘的部分放电。 由于芯片的第二电极的无焊线的顶侧，芯片也可以从顶侧冷却。 此外，由于柱状物，模块可以具有改进的短路耐受能力。
如所述，芯片和/或柱状物可以接合到冷却器。 在这个上下文中，接合可以意味着适合于将相应电极与冷却器/柱状物互连的任何方法。 例如，接合可以是焊接或烧结，例如无压烧结或瞬时液相接合。
根据本发明的实施例，半导体芯片承载宽带隙半导体装置。例如，半导体芯片可以是SiC二极管，晶体管和/或晶闸管。然而，半导体芯片也可以是Si，GaN或其他半导体材料，并且也可以有可能的是，将不同的半导体材料组合在例如Si和SiC的混合方式中。
应该突出的是，模块设计也可以对Si和其他半导体是有益的，并不限于SiC。另外，也能够在该模块中封装低压的Si或SiC半导体。例如，该模块可以用于诸如汽车的电动或混合动力车辆的转换器。在该EV / HEC应用中，该概念可能是特别有兴趣的，因为可以消除成本和可靠性关键的互连和封装材料（例如DBC和底板）。
根据本发明的实施例，第一液体冷却器和第二液体冷却器与至少一个通孔销（pin）对齐。例如，冷却器的金属本体可以具有与一层或两层半导体芯片的延伸基本上正交的通孔。销可以被放置在第一冷却器和第二和/或中间冷却器的通孔中，并且可以被堵塞，其中第一冷却器和第二和/或中间冷却器的通孔在销上，这可以将第一冷却器对齐并且将第二和/或中间冷却器相对于第一冷却器对齐。如果半导体的顶侧柱状物是顶侧冷却器的一部分，则可以特别地使用这种对齐。
根据本发明的实施例，第一液体冷却器的金属本体提供从绝缘材料突出的平坦的第一端子，并且第二液体冷却器的金属本体提供在相反的方向上从绝缘材料突出的平坦的第二端子，使得功率电子设备模块可以与同等设计的功率电子设备模块堆叠以用于将功率电子设备模块与同等设计的功率电子设备模块串联连接。平坦端子可以基本上平行于平行的半导体芯片层和/或板形冷却器的延伸方向。这些串联连接的功率电子设备模块中的两个或更多个的塔可以夹在一起。
在这种情况下，绝缘材料可以完全围绕除了平坦端子之外的冷却器和芯片。
根据本发明的实施例，在具有栅极电极的半导体芯片旁边，包括金属化层的衬底接合到第一液体冷却器，使得金属化层与第一液体冷却器电隔离，并且栅极电极以焊线连接到金属化层。当存在中间冷却器时，面向第二冷却器的中间冷却器的侧可以类似地设计。
例如，衬底可以是DBC或PCB（印刷电路板）衬底，其以一个金属化层烧结或焊接到第一冷却器，并提供与第一冷却器电绝缘的第二金属化层。可以布置在与第二电极的芯片相同的侧上的栅极电极可以以一个或多个焊线与金属化层连接。也可以有可能的是，多于一个芯片的多于一个的栅极电极连接到相同的金属化层。
根据本发明的实施例，电连接到栅极端子的弹簧被电绝缘地附接到第二液体冷却器并被按压在金属化层上。栅极端子可以提供在面向第一冷却器的侧处的第二冷却器和/或中间冷却器上。在栅极端子上，当将第二和/或中间冷却器放在第一冷却器上时，提供用于每个金属化层的弹簧，该弹簧被按压在金属化层上。
具有金属化层的衬底，冷却器和/或弹簧之间的栅极端子可以完全嵌入到包装的绝缘材料中。
备选地，栅极端子杆被引导通过第二液体冷却器和/或中间冷却器，使得其电接触金属化层。在这种情况下，栅极端子可以提供在第二和/或中间冷却器的外部。
根据本发明的实施例，连接到栅极端子杆的栅极控制器定位于包装上。
根据本发明的实施例，第一液体冷却器和/或第二冷却器提供从功率电子设备模块在相反侧处突出的多于一个端子。例如，也许有可能的是，模块的端子从基本上平行于半导体芯片层和/或板形冷却器的延伸方向的模块延伸。也许有可能的是，在多于一侧处，端子从模块延伸。在中间区域（在端子之间），冷却器可以嵌入到包装的绝缘材料中。
根据本发明的实施例，第一液体冷却器和半导体芯片布置在由第二液体冷却器以及与第一液体冷却器和第二液体冷却器平行布置的端子板形成的端子笼（cage）内。也许有可能的是，第二冷却器和端子板形成围绕第一冷却器（和可选的中间冷却器）以及半导体芯片的电导体笼。这可以被看作是同轴端子布置。这种布置可以实现相对于端子和/或芯片的其它布置的更多的硬和/或更多的同步切换。
为了形成导电笼，第二液体冷却器和端子板可以经由横向连接板互连。例如，在模块的所有侧处，第一液体冷却器和端子板可以与连接板互连。
根据本发明的实施例，功率电子设备的液体冷却器中的至少一个由铜，铝，AlSiC，钼和/或这些材料的合金制成。可以包含作为腔的冷却通道和/或可以提供端子的液体冷却器的金属本体可以是整体的。例如，冷却器可以与冷却通道，柱状物和/或芯片的腔一起由铝或铜铸造。
根据本发明的实施例，功率电子设备模块还包括容纳嵌入在绝缘材料中的液体冷却器和半导体芯片的壳体，在这里，壳体填充有围绕液体冷却器以及半导体芯片的爆炸减轻材料（例如砂）。一个或若干功率电子设备模块可以放置在防爆箱中，以防止部件的开弧和/或破碎。
本发明的另外方面涉及一种基于功率电子设备模块的设计的半桥功率电子设备模块。
根据本发明的实施例，半桥模块包括提供第一DC端子的第一液体冷却器，提供第二DC端子的第二液体冷却器和包括用于接收冷却液体的冷却通道的中间液体冷却器，其中中间液体冷却器包括提供功率电子设备模块的AC端子的金属本体。半导体芯片的第一层接合到第一液体冷却器并经由导电柱状物与中间液体冷却器电接触。此外，半导体芯片的第二层接合到中间液体冷却器，并经由导电柱状物与第二液体冷却器电接触。
第一层（其可以是晶体管和/或晶闸管）的半导体芯片可以提供半桥的第一腿。第二层（其可以是晶体管和/或晶闸管）的半导体芯片可以提供半桥的第二腿。冷却器可以提供半桥的AC和DC端子。
这种堆叠的双重配置可以实现一层的所有半导体芯片的同步切换。此外，堆叠的双重配置可以与如上所述的同轴端子布置组合，这也可以增强半桥模块的切换能力。
本发明的另外方面涉及一种用于电转换器（例如模块化和/或多电平转换器）的功率单元。
根据本发明的实施例，功率单元包括至少一个电容器和至少一个公开电子设备模块，如上述和下面所述，其被安装到电容器。嵌入在固体绝缘材料中的液体冷却器和半导体芯片可以允许功率模块和附近转换器部件的紧凑布置。这样的功率模块可以直接安装到DC链路电容器或单元电容器。
例如，电容器可以提供功率模块的端子直接连接到的端子。可能不存在对于用于将功率电子设备模块电连接到电容器的汇流排或类似的导体的需要。这也可能导致电容器和功率电子设备模块之间的电连接的较低的电感，这相对于瞬变现象和切换速度可能具有优点。
从下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将是显而易见的，并且参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将被阐明。
附图说明
本发明的主题将在下文中参考在附图中图示的示范性实施例而更详细地被解释。
图1示意性示出根据本发明的实施例的功率电子设备模块的横截面视图。
图2示意性示出根据本发明的另外实施例的功率电子设备模块的一部分的横截面视图。
图3示意性示出根据本发明的另外实施例的功率电子设备模块的横截面视图。
图4示意性示出根据本发明的实施例的两个堆叠的功率电子设备模块的横截面视图。
图5示意性示出根据本发明的实施例的半桥模块的横截面视图。
图6示意性示出根据本发明的另外实施例的半桥模块的横截面视图。
图7示意性示出根据本发明的另外实施例的半桥模块的横截面视图。
图8示意性示出根据本发明的另外实施例的半桥模块的组件的透视图。
图9示意性示出根据本发明的另外实施例的半桥模块的横截面视图。
图10示意性示出根据本发明的实施例的转换器功率单元的透视图。
在图形中使用的参考符号以及其含义在参考符号的列表中以概括的形式列出。大体上，相同的部件在图形中提供有相同的参考符号。
具体实施方式
图1示出了包括第一液体冷却器12a，第二液体冷却器12b和置于冷却器12a，12b之间的多个半导体芯片14的功率电子设备模块10。半导体芯片14和冷却器12嵌入到绝缘材料16中，其形成功率电子设备模块10的包装18。
每个冷却器12a，12b具有例如由铜或铝形成的金属本体20，其包含冷却通道22。金属本体20具有基本上板状形状并且（在图1中在功率电子设备模块10的一侧上）提供功率电子设备模块10的端子24。另一方面，可由塑料材料制成的冷却连接或插头26附接到从绝缘材料突出的金属本体20。除了端子24之外，冷却器12a，12b的金属本体20嵌入到绝缘材料16中。
端子侧处的锯齿线表示绝缘材料中的表面图案28以用于增加端子24之间的爬电距离（creeping distance）。
冷却器的金属本体20可以具有从约1至2cm的宽度（与金属本体20的板延伸正交），以避免电弧腐蚀能够到达冷却液。
冷却器12a，12b可以在冷却通道20内和/或在外部表面上具有陶瓷保护层或塑料涂层以操纵电弧的位置。
冷却器12a，12b可以基于鳍，小通道（约100μm至1mm），微通道（小于100μm）和/或用于去离子水的冲击结构。为了非常高的耐热均匀性要求，冷却通道20可以以正常的液体流动配置布置和/或可以被设计以用于与合适的传热液体的蒸发沸腾。如果要求高冷却性能，则可以考虑碰撞冷却方式，其中冷却液体可以以喷嘴喷射到冷却区上。冷却连接或插头26和/或功率端子24可以连接到单独的母线系统。
在图1中，可以是基于SiC衬底或Si衬底的二极管、晶体管或晶闸管的芯片14布置在层30中，其基本上平行于冷却器12a，12b的板状形状的金属本体20的延伸。芯片14可以以行和列布置，即以二维布置。
每个芯片14具有本体，其中平坦的第一电极32a在一侧和平坦的第二电极32b在相反侧。
第一电极32a接合（烧结或焊接）到第一冷却器12a的表面。如图1所示，第一冷却器12a可以具有腔或凹陷34，其中容纳芯片14。这些腔可以有助于在调整不同芯片高度（例如开关和二极管）中对齐许多芯片14，并且允许到衬底的小轮廓栅极焊线。例如，腔34可以被机器加工到冷却器12a的金属本体20中，并且之后，芯片14可以烧结到腔34中。
在图1中，示出了并联连接的续流二极管和并联的开关（晶体管或晶闸管），其具有由不同深度的腔34补偿的不同高度。
每个芯片的第二电极32b接合到可以是冷却器12b的金属本体20（例如机器加工部件）的一部分的柱状物36，或者可以接合到冷却器12b。当柱状物36是单独的部件时，其可以首先接合到芯片14，并且然后接合到冷却器12b。柱状物36可以由铜（Cu），铝（Al）或钼（Mo）制成。与柱状物36的连接可以以电压来缩放，较长的柱状物36可用于较高的电压。柱状物可以由Al制成，或者可以在芯片14和柱状物36之间提供Al板，以允许Si半导体芯片14的SCFM（短路失效模式）形成（即在短路失效下形成低电阻Si / Al合金）。
由于芯片14经由也可以提供良好导热性的柱状物直接安装到冷却器12a和冷却器12b，所以冷却路径与绝缘路径分离。冷却性能可缩放到超高压应用。
有可能的是，在芯片14和柱状物36和/或柱状物36和冷却器12b之间添加Mo缓冲板38。而且，电极32a可以以Mo缓冲板38保护。这些缓冲板38 /缓冲层可以改进热延伸系数与SiC的匹配，例如以减少热循环期间的应力。
芯片14通过第一冷却器12a与其电极32a平行连接，并且通过第二冷却器14b与其电极32b平行连接。电流可以通过端子24中的一个进入功率电子设备模块10，电流由冷却器12a，12b中的一个分配到并联连接的芯片14，并且可以由其他一个冷却器12a，12b收集，从而通过另一个端子24离开功率电子设备模块。
由于芯片14直接连接到也用于电流传导的冷却器12a，12b，因此可以避免用于将芯片14与冷却器12a，12b互连的DBC衬底，并且因此可以由尖锐的金属化边缘生成的局部放电。为了进一步减少局部放电，冷却器12a，12b的边缘可以是圆形的。
此外，由于芯片14的两侧处的大面积接触和附接有低热阻的高热块（金属本体20），本设计可以提供改进的浪涌电流耐受能力。
用于开关的栅极连接，即具有栅电极40的芯片14可以以接合线42实现。除了对应的芯片14（和/或除了对应的腔34之外），可附接（胶合，接合，烧结或焊接）具有金属化层46的衬底44。一个或多个芯片14的栅极电极40可以以焊线42与金属化层46连接。例如，衬底44可以布置成在一行芯片14旁边的收集线。
衬底44的金属化层46可以附接到冷却器12b的一个或多个弹簧48接触。弹簧48可以电连接到附接到冷却器12b的栅极端子50，例如像PCB或如同Cu /聚酰亚胺的金属化柔性箔（flex foil）的绝缘板。以这种方式，可以实现跨并联芯片14的低电感和/或对称栅极连接。
冷却器12a、12b可以具有基本上正交于芯片14的层30和板形金属本体20的延伸的通孔。通过这些通孔，销52可以延伸，其用于将冷却器12a，12b相对于彼此对齐和/或固定。
芯片14、冷却器12a、12b嵌入到固体绝缘材料16中，例如在压缩模具化合物和/或递压模具化合物中。绝缘材料16可以具有与冷却器12a、12b（例如Cu或Al）的材料相匹配的热膨胀系数（CTE）。由于这种CTE匹配，可以避免成型后的翘曲问题。
除了端子24和连接26之外，功率电子设备模块10的所有部件可以是固体绝缘的，例如弹簧48，衬底44和大部分栅极端子50也是固体绝缘的。这可以允许若干功率模块10和附近的转换器部件的紧凑布置以及新颖的转换器集成方式，因为爬电距离和空袭距离可能被大大降低。
绝缘材料16可以是环氧树脂模具化合物，其作为硅凝胶可以具有显著较低的水分扩散系数，使得可以改进对边缘终止的水分渗透的问题。
绝缘材料16也可以是硅橡胶。材料柔软性可以有助于避免短路条件下部件的破裂。也有可能的是，将模块10中的软和硬绝缘材料组合，以便将沿着软材料的过压气体引向模块10或转换器的通风区域。
图2示出了具有备选栅极连接的功率电子设备模块10的一部分。在这种情况下，冷却器12b具有通孔，其中栅极端子杆54被引导通过冷却器12b，使得杆54电接触金属化层46。这些杆54可以连接到冷却器12b的顶侧上的栅极端子或可以在冷却器12a，12b之间接触到附接到冷却器12b的内部的栅极端子50。图2的模块10的其它部分可以如相对于图1所描述的那样同等地设计。
此外，也许有可能的是，连接到栅极端子杆54的栅极控制器55（例如包括具有控制和可选的保护组件的印刷电路板）定位于包装18上。栅极控制器55可以非常接近于杆54地定位于功率模块10的顶部上。由于冷却器12b然后可以位于栅极控制器55和半导体芯片14之间，所以可以实现良好的热去耦。以这种方式，可能不存在栅极控制器55的控制电子组件的低温额定和如例如由SiC来实现的高T半导体操作的问题。
图3示出了功率电子设备模块10的另外实施例，其在模块10的侧上具有基本上在与芯片层14和/或板状形状的冷却器12a、12b相同的方向上延伸的平坦端子24' 。平坦端子24'可以从绝缘材料16突出，其可以完全在相反的方向上嵌入冷却器12a、12b的所有其他部分。
对于串联连接，这样的模块10中的两个或更多个可以彼此堆叠并且可以被夹紧在一起。图3的模块10的其它部分可以如相对于图1和/或图2所述的那样进行同等的设计。
图4示出了根据图1的两个功率电子设备模块10可以在不夹紧的情况下堆叠在一起。模块10可以具有平坦侧（其可由包装18提供）并且可以彼此堆叠。为了串联连接模块10，由下模块10的冷却器12b提供的端子24（从而留下包装在上面）可与由上模块的冷却器12a提供的端子24互连（从而留下封装在底部）。不需要模块10的机械夹紧。
图5可以提供由两个模块10组成的半桥。然后，外部端子24是DC端子。两个连接的内部端子24''然后是半桥的AC端子。
图5示出了半桥模块10'，其包括在冷却器12a、12b之间的中间冷却器12c。在第一冷却器12a和中间冷却器12c之间，布置了芯片的第一层30，并且在中间冷却器12c和第二冷却器12b之间布置芯片的第二层30。冷却器12a，12b如同在前面的图中那样被设计。
面向冷却器12a的中间冷却器12c的侧如同与面向芯片14的冷却器12b的侧那样被设计，并且面向冷却器12b的中间冷却器12c的侧如同面向芯片14的冷却器12a那样被设计。
中间冷却器12c的冷却通道22可以如同冷却器12a 12b那样被设计。
中间冷却器12c也可以与通孔杆52对齐和/或固定。
芯片的层30各提供集成到模块10'中的半桥的腿。由冷却器12a、12b提供的端子24是半桥的DC端子。芯片14的每个层30由中间冷却器12c并联连接，中间冷却器12c还提供半桥的AC端子24''。
与图4相比，图5的双重配置可以允许更薄的结构，并且因此可以具有较低的环路电感。
图6示出了具有在包装18的两侧上端子24的半桥模块10'。多个端子24可以围绕模块10的外围定位以用于对称连接。而且，图1至图4的实施例可以提供有这样的端子24。端子24的这种布置可以均衡端子24和芯片14之间的阻抗。
图7示出了半桥模块10'，其中第一冷却器12a，中间冷却器12c和芯片14布置在由第二冷却器12b、位于第一冷却器12a下方（外部）的端子板58和互连端子板58和第二冷却器12b的横向连接板60组成的端子笼56的内部。对应于第二冷却器12a的端子24由端子板58提供。
图7示出了图7的冷却器12a、12b、12c，芯片14和端子笼56的透视图。端子笼58和冷却器12a可以被看作是“同轴”端子装置，其可以具有高环路电感降低和更均衡的端子对芯片阻抗。
除了端子笼60之外，图7的模块10'可以如同图5的模块10'的那样设计。此外，也有可能的是，仅具有一层30芯片14的图1和图2的模块10提供有根据图7和图8的端子笼56。
在图8中，还示出了DC +和DC-端子24以低感应平行板配置进入模块10'。 （上）DC冷却器12b通过围绕模块10的外围的多个垂直板60连接到（底部）DC端子板58。在图8中，模块10'的每一侧上的两个垂直板60 作为示例示出。然而，有可能的是，提供每侧多于两个的板60。
图9示出了图5至图8的半桥模块10'可以布置在防爆壳体62的内部。壳体62还可以填充有诸如砂的爆炸减轻材料64。只有端子24和连接26可以穿透到壳体62的外部。
必须理解的是，如相对于图1至图3所描述的模块10也可以被容纳在如相对于图9所述的另外的壳体62中。
图10示出了具有电容器68和半桥模块10'的转换器功率单元66。示出了没有其外壳18的一个模块10'。
半桥模块10与其端子24直接连接到电容器68的端子70。不需要外部汇流条。也可以有可能的是，将模块集成到电容器68的壳体中，以便重新使用电容器壳体的功能性（过压排去，防爆外套等）。
虽然已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的说明和描述将被认为是说明性的或示范性的而不是限制性的;本发明不限于所公开的实施例。根据研究附图，公开和所附权利要求，对于所公开的实施例的其它变化能够由本领域中熟练的并且实践所要求保护的发明的人员理解和实现。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其他单元可以实现权利要求中所述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。
参考符号列表
10 功率电子设备模块
12a 冷却器
12b 冷却器
14 半导体芯片
16 绝缘材料
18 包装
20 金属本体
22 冷却通道
24 端子
26 冷却连接
28 表面图案
30 芯片层
32a 第一电极
32b 第二电极
34 腔
36 柱状物
38 钼板
40 栅极电极
42 接合线
44 衬底
46 金属环层
48 弹簧接触
50 栅极端子
52 销
54 栅极杆
55 栅极控制器
24' 平坦端子
10' 半桥模块
12c 中间冷却器
24'' AC端子
56 端子笼
58 端子板
60 连接板
62 防爆壳体
64 爆炸减轻材料
66 转换器单元
68 电容器
70 端子。

Claims (15)

1.一种功率电子设备模块（10），包括:
第一液体冷却器（12a），包括用于接收冷却液体的冷却通道（22），其中所述第一液体冷却器（12a）包括提供所述功率电子设备模块（10）的第一端子（24）的金属本体（20）；
第二液体冷却器（12b），包括用于接收冷却液体的冷却通道（22），其中所述第二液体冷却器（12b）包括提供所述功率电子设备模块（10）的第二端子（24）的金属本体（20）；
多个半导体芯片（14），布置在所述第一液体冷却器（12a）和所述第二液体冷却器（12b）之间，使得每个半导体芯片（14）的第一电极（32a）接合到所述第一液体冷却器（12a），使得所述第一电极（32a）与所述第一液体冷却器（12a）电接触，并且每个半导体芯片（14）的相反的第二电极（32b）与所述第二液体冷却器（12b）电接触；
绝缘包装（18），其通过将所述第一液体冷却器（12a）、所述第二液体冷却器（12b）和所述多个半导体芯片（14）模塑到绝缘材料（16）中来形成，使得所述第一液体冷却器（12a）、所述第二液体冷却器（12b）和所述多个半导体芯片（14）至少部分嵌入到所述绝缘材料（16）上。
2.如权利要求1所述的功率电子设备模块（10），其中第一液体冷却器（12a）和第二液体冷却器（12b）嵌入到所述绝缘材料（16）中，使得仅端子和冷却液体连接（26）从所述绝缘材料（16）突出；和/或
其中所述多个半导体芯片（14）完全嵌入在所述绝缘材料（16）中。
3.如权利要求1所述的功率电子设备模块（10),其中第一液体冷却器(12a)包括腔(34),所述半导体芯片(14)接合到所述腔(34)中。
4.如权利要求1-3中的一项所述的功率电子设备模块(10),其中半导体芯片(14)接合到从所述第二液体冷却器(12b)突出的柱状物(36);和/或
其中所述柱状物(36)的至少一个是所述第二液体冷却器(12b)的所述金属本体(20)的一部分,或者所述柱状物(36)的至少一个接合到所述第二液体冷却器(12b)。
5.如权利要求1-3中的一项所述的功率电子设备模块(10),其中所述半导体芯片(14)承载宽带隙半导体装置。
6.如权利要求1-3中的一项所述的功率电子设备模块(10),其中所述第一液体冷却器(12a)和所述第二液体冷却器(12b)与至少一个通孔销(52)对齐。
7.如权利要求1-3中的一项所述的功率电子设备模块(10),其中所述第一液体冷却器(12a)的所述金属本体(20)提供从所述绝缘材料(16)突出的第一平坦端子（24'），并且所述第二液体冷却器（12b）的所述金属本体（20）提供在相反方向上从所述绝缘材料（16）突出的第二平坦端子（24'），使得所述功率电子设备模块（10）可与同等设计的功率电子设备模块堆叠以用于将功率电子设备模块与所述同等设计的功率电子设备模块串联连接。
8.如权利要求1-3中的一项所述的功率电子设备模块（10），其中在具有栅极电极（40）的半导体芯片（14）旁边，包括金属化层（46）的衬底（44）附接到所述第一液体冷却器（12a），使得所述金属化层（46）与所述第一液体冷却器（12a）电隔离，并且所述栅极电极（40）以焊线（42）连接到所述金属化层（46）。
9.如权利要求8所述的功率电子设备模块（10），其中电连接到栅极端子（50）的弹簧（48）电绝缘地附接到所述第二液体冷却器（12b），并且按压在所述金属化层（46）上；或者
其中栅极端子杆（54）被引导通过所述第二液体冷却器（12b），使得它电接触所述金属化层（46）和/或连接到所述栅极端子杆（54）的栅极控制器（55）定位在所述包装（18）上。
10.如权利要求1-3中的一项所述的功率电子设备模块（10），其中所述第一液体冷却器（12a）和/或所述第二液体冷却器（12b）提供在相反侧处从所述功率电子模块（10）突出的多于一个端子（24）。
11.如权利要求1-3中的一项所述的功率电子设备模块（10），其中所述第一液体冷却器（12a）和所述半导体芯片（14）布置在由平行于所述第一液体冷却器（12a）和所述第二液体冷却器（12b）布置的端子板（58）和所述第二液体冷却器（12b）形成的端子笼（56）内部；
其中所述第二液体冷却器（12b）和所述端子板（58）经由横向连接板(60)互连。
12.如权利要求1-3中的一项所述的功率电子设备模块（10），其中所述功率电子设备模块（10）的所述第一液体冷却器（12a）和所述第二液体冷却器（12b）中的至少一个由铜，铝，AlSiC，钼和/或这些材料的合金制成。
13.如权利要求1-3中的一项所述的功率电子设备模块（10），还包括：外壳（62），容纳所述第一液体冷却器（12a）和所述第二液体冷却器（12b）；以及所述半导体芯片（14），嵌入在所述绝缘材料（16）中；
其中所述外壳（62）填充有围绕所述液体冷却器和所述半导体芯片的爆炸减轻材料（64）。
14.一种包括如权利要求1-13中的一项所述的功率电子设备模块（10）的半桥功率电子设备模块（10'），包括：
所述第一液体冷却器（12a），提供DC第一端子（24）；
所述第二液体冷却器（12b），提供DC第二端子（24）；
中间液体冷却器（12c），包括用于接收冷却液体的冷却通道（22），其中所述中间液体冷却器（12c）包括提供所述功率电子设备模块的AC端子（24''）的金属本体（20）；
半导体芯片（14）的第一层，接合到所述第一液体冷却器（12a），并且经由导电的柱状物（36）与所述中间液体冷却器（12c）电接触；
半导体芯片（14）的第二层，接合到所述中间液体冷却器（12c），并且经由导电的柱状物（36）与所述第二液体冷却器（12b）电接触。
15.一种电气转换器（66)的功率电池，所述功率电池包括：
至少一个电容器（68）；
至少一个如权利要求1-13中的一项所述的功率电子设备模块（10），其被安装到所述电容器上。
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