CN109757024A - 具有并排布置的晶体管部件的部件承载件 - Google Patents

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杰拉尔德·魏斯
克里斯蒂安·维肯博格
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Abstract

提供了一种部件承载件(100)、一种电子器件(150)以及一种制造部件承载件(100)的方法。该部件承载件包括：堆叠体(102)，该堆叠体包括多个导电层结构(104)和/或电绝缘层结构(106)；以及并排嵌入堆叠体(102)中的第一晶体管部件(108)和第二晶体管部件(110)。

Description

具有并排布置的晶体管部件的部件承载件
技术领域
本发明涉及一种制造部件承载件的方法、一种部件承载件以及一种电子器件。
背景技术
在配备有一个或多个电子部件的部件承载件的产品功能不断增多和这样的电子部件日益微型化以及待安装在部件承载件诸如印刷电路板上的电子部件的数量不断增加的背景下，日益采用具有若干电子部件的更强大的阵列状部件或封装件，这些部件或封装件具有多个触点或连接件，在这些触点之间的间隔不断减小。移除由这样的电子部件和部件承载件本身在运行期间产生的热成为日益凸显的问题。同时，部件承载件应该是机械牢固的且电气可靠的，以使得甚至在恶劣的条件下也能够运行。
特别地，在部件承载件中有效的集成晶体管功能是具有挑战性的。
EP 3,148,300A1公开了在用于电子部件的包括多个绝缘层和传导层并且还包括嵌入该多个绝缘层和传导层中至少之一的至少一个嵌入式电子部件的连接系统中，该至少一个嵌入式电子部件是使其主体端与热管道热接触的至少一个第一晶体管，所述热管道包括多个过孔，过孔延伸穿过用于电子部件的连接系统的绝缘层和导电层中至少之一，并在第一表面安装部件下在用于电子部件的连接系统的第一外表面显露。
发明内容
本发明的目的是在部件承载件中集成晶体管功能，使得实现高热性能和紧凑设计。
为了实现上述限定的目的，提供了根据本发明的示例实施方式的一种制造部件承载件的方法、一种部件承载件以及一种电子器件。
根据本发明的示例实施方式，提供了一种部件承载件，其包括：堆叠体，该堆叠体包括多个导电层结构和/或电绝缘层结构；以及并排嵌入堆叠体中的第一晶体管部件和第二晶体管部件。
根据本发明的另一示例实施方式，提供了电子器件，其包括：安装主体(例如印刷电路板，PCB)；以及安装在安装主体上和/或嵌入其中的具有上述特征的部件承载件。
根据本发明的又一示例实施方式，提供了一种制造部件承载件的方法，其中，方法包括：形成经连接的堆叠体，该经连接的堆叠体包括多个电绝缘层结构和/或导电层结构；以及将第一晶体管部件和第二晶体管部件并排嵌入堆叠体中。
在本申请的上下文中，术语“部件承载件”可以特别地指能在其上和/或其中容纳一个或多个部件以提供机械支撑和/或电连接的任何支撑结构。换言之，部件承载件可以被配置为用于部件的机械和/或电子承载件。特别地，部件承载件可以是印刷电路板、有机插入件和IC(集成电路)基板中的一个。部件承载件还可以是结合了上述类型的部件承载件中的不同部件承载件的混合板。
在本申请的上下文中，术语“晶体管部件”可以特别地指实现晶体管功能特别是恰好一个晶体管的功能的电子构件。这种晶体管可以是场效应晶体管(特别是MOSFET，金属氧化物半导体场效应晶体管)或双极晶体管(特别是IGBT，绝缘栅极双极晶体管)。优选地，晶体管部件被实施为具有集成式晶体管的半导体芯片。换言之，晶体管部件可以是晶体管芯片。例如，可以用半导体技术，特别是硅技术或碳化硅技术或者氮化镓技术，来制造相应的晶体管部件。在一实施方式中，晶体管部件可以是并联的两个晶体管。特别地，两个晶体管部件可以是并联连接以构成高侧和低侧的两个晶体管部件，然而其还可以串联连接。两个晶体管部件可以实施为两个单独的芯片，即，每个晶体管一个芯片。两个晶体管部件可以是相同的类型，或者可以是不同的类型。
在本申请的上下文中，术语“并排嵌入的晶体管部件”可以特别地指晶体管部件至少部分地并列布置。其竖向延伸范围可以一致，可以至少部分地重叠，或一个晶体管部件的竖向延伸范围可以完全在另一晶体管部件的竖向延伸范围内。例如，晶体管部件可以仅在横向上与另一晶体管部件间隔开，而不是布置在彼此顶部，即，一个在另一个上方。特别地，晶体管部件可以被定位成使得其侧壁面向彼此，特别是其间有横向间隙(该间隙可以用堆叠体的材料填充)。晶体管部件的上主表面可以至少基本上处于同一竖向水平，例如可以对齐。晶体管部件的下主表面可以至少基本上处于同一竖向水平，例如可以对齐。晶体管部件可以特别地嵌入堆叠体的同一层结构内或嵌入相同层结构之间。晶体管部件可以定位在同一竖向水平处，例如，可以在竖向方向上具有重合的重心。
根据本发明的示例实施方式，提供了一种具有两个晶体管部件的部件承载件，两个晶体管部件并排嵌入部件承载件材料的堆叠体中，而不是一个在另一个上方。这有许多优点：首先，使晶体管芯片基本上嵌在同一竖向水平上形成平坦并因此紧凑的部件承载件，这样的部件承载件例如当安装在安装主体上时在竖向方向上仅占用较小的空间。其次，晶体管部件的热生成表面非常靠近部件承载件的表面的这种薄型部件承载件得以当在部件承载件运行期间晶体管部件生成欧姆热时高效地移除热并扩散热。这防止过热并改善部件承载件整体的热性能。此外，适当的热耗散会抑制热负荷，因此降低部件承载件内的机械张力(例如由于层式堆叠体的不同材料的不同热膨胀系数而引起的)。因此，可以有效防止部件承载件的不期望效应，诸如翘曲和分层。再次，将晶体管部件嵌入成并排的并因此基本上在相同或者至少非常相近的竖向水平上使得制造过程非常简单，因为两个晶体管部件可以在单个公共制造程序中嵌入。本发明的示例实施方式特别地可以用PCB(印刷电路板)技术提供几何结构平坦且热性能高的半桥模块。
下面将对方法、部件承载件和电子器件的其他示例实施方式进行说明。
在一实施方式中，第一晶体管部件和第二晶体管部件连接，以形成半桥电路。半桥电路可以包括所谓的高侧晶体管和所谓的低侧晶体管，高侧晶体管和低侧晶体管可以以共源共栅架构加入电路中。可以经由入口端子处的对应控制信号交替地导通和关断两个晶体管部件。两个晶体管端子可以在半桥的出口端子处彼此连接。可以使用一个或多个这种半桥，以实现某些电功能(例如，两个半桥可以构成全桥)
在一实施方式中，部件承载件包括被配置用于控制第一晶体管部件和第二晶体管部件的至少一个控制芯片(特别地实施为至少一个半导体芯片)。特别地，预计可以有两个控制芯片，每个晶体管部件对一个控制芯片。该至少一个控制芯片可以在晶体管部件的入口端子处施加上述控制信号。
在一实施方式中，该至少一个控制芯片中至少之一嵌入堆叠体中，特别是与第一晶体管部件和第二晶体管部件并排(更特别地是处于同一竖向水平)。因此，控制芯片还可以被配置为嵌入式部件。以与晶体管部件处于相同的竖向水平嵌入一个或多个控制芯片还促成部件承载件平坦且竖向紧凑的构造以及高效的热移除能力。
在另一实施方式中，该至少一个控制芯片中至少之一表面安装在堆叠体上，优选地安装在堆叠体的底侧上。换言之，还可以用SMD(表面安装器件)技术装配该至少一个控制芯片。
在一实施方式中，部件承载件包括至少一个过孔，特别是多个过孔，该过孔竖向地延伸穿过堆叠体的至少一部分，并与第一晶体管部件和第二晶体管部件中至少之一的至少一个焊垫电接触。例如，被配置为场效应晶体管的晶体管部件包括源极端子、漏极端子和栅极端子。可以在相应晶体管部件的两个相反主表面(即，上主表面和下主表面)中之一处为每一个前述端子布置对应的焊垫。为了将焊垫与部件承载件的其他构成部分和/或部件承载件的电子环境连接起来，可以在堆叠体中形成竖向互连件，诸如过孔，并且其可以延伸直到相应焊垫。可以通过在堆叠体中钻孔(特别是通过激光钻削或机械钻削)并用导电材料(特别是通过铜)部分或完全地填充这些孔(特别是通过镀覆)来形成这种过孔。为了连接晶体管部件的焊垫的过孔形成不仅有利于提供可靠的电连接，另外或替代地还可以用于促进热移除(特别是由于铜的适当热移除能力)。
优选地，多组共面过孔可以连接到第一晶体管部件和/或第二晶体管部件的主表面，进一步优选地连接到两个相反的主表面。这提供相应晶体管部件的适当电和热耦接。
在一实施方式中，部件承载件包括至少一个导电片、板或其他块状结构，该至少一个导电片、板或其他块状结构与第一晶体管部件和第二晶体管部件中至少之一的主表面的至少一部分直接电接触，特别是与整个主表面直接电接触。设置嵌入在堆叠体内并与晶体管部件中之一或二者的焊垫电连接的块状导电片或板(例如铜板)提供电阻非常低的电连接(因此损耗低)，同时还提供显著的热耗散。换言之，导电片可以与相应的晶体管部件建立全面积(特别是电和/或热)接触。
在一实施方式中，部件承载件包括嵌入堆叠体中用于感测指示堆叠体中的温度的信息的至少一个温度传感器部件。这种温度传感器部件(其可以实施为温度敏感电阻器或具有热感测能力的半导体芯片)可以在部件承载件运行期间局部地确定堆叠体的内部的温度，从而提供可能过热的指示。特别地，嵌入堆叠体的温度传感器部件可以布置得非常靠近部件承载件的一个或多个主热源，即，晶体管部件或更特别地是其放热最多的表面，以能局部地感测最相关的温度信息。温度传感器部件可以与晶体管部件中的一个相应晶体管部件直接接触。温度传感器部件可以实施为无源电构件。
在一实施方式中，部件承载件被配置用于：当由该至少一个温度传感器部件感测到的信息指示堆叠体过热时，减低功率或关断第一晶体管部件和第二晶体管部件中至少之一。为此，温度传感器部件可以将指示堆叠体内的当前温度的信号传输至该至少一个控制芯片。然后，后者可以相应地调节其对晶体管部件的控制，以将检测到的临界温度恢复到可接受范围内。
在一实施方式中，部件承载件在堆叠体的主表面上包括至少一个插接件(socket，插座、承口)，该至少一个插接件被配置用于插入待通过插头连接与部件承载件连接的另一电子构件的插头(诸如排针)。通过将插接件直接布置在模块型部件承载件上，用户只需处理部件承载件形式的单个电子构件并简单地将插头插入插接件中就能建立电连接。这允许获得非常方便用户的部件承载件。这种插接件可以例如是用于控制连接器或用于功率连接器的插接件。
在一实施方式中，部件承载件包括至少一个DC(直流)链电容器。可以连接这种DC链电容器，以用于例如进行DC滤波和/或能量缓冲。DC链电容器对部件承载件的电路可以有稳定效应。在这种优选的实施方式中，可以有利地实现DC链的稳定。与模具型模块相比，根据本发明的示例实施方式将功率模块制造为层压型板状部件承载件提供足够的空间用于容纳一个或多个DC链电容器。优选地，至少一个DC链电容器中至少之一被配置为陶瓷电容器或反铁电电容器。
在一实施方式中，至少一个DC链电容器中至少之一表面安装在堆叠体上。因此，平坦板状部件承载件的主表面中之一的空余部分可以高效地用于安装一个或者优选地多个DC链电容器。
有利地，该至少一个DC链电容器中至少之一可以安装在堆叠体的其上还安装有至少一个插接件和/或用于控制第一晶体管部件和第二晶体管部件中至少之一的至少一个控制芯片的同一主表面上。将所述部件中的至少两个并排或并排安装在部件承载件的同一主表面上的这种方式令空间得以节约，并因此得到具有高度的电子功能的紧凑型部件承载件。部件承载件的剩余相反主表面则可以用于在其上安装热移除结构。
在一实施方式中，堆叠体内电绝缘层结构的最外层(outmost，最外面的、最外侧的)电绝缘层结构具有比该电绝缘层结构中更居中的至少一个其他电绝缘层结构高的热导率值，所述最外层电绝缘层结构特别是由热预浸料制成。例如，堆叠体的电绝缘层结构可以包括树脂，诸如环氧树脂，可选地与增强颗粒诸如玻璃纤维结合。这种材料特别是预浸料在堆叠体的层压期间具有有利性质，因为之前在升高的温度和压力下至少部分未固化的树脂材料变得暂时可流动，并且在再凝固后有助于堆叠体的层结构之间的粘附。然而，这种预浸料的热导率有限(通常低于1W/mK，例如FR4可能具有约0.2-0.3W/mK的热导率)，因而在部件承载件运行期间对于热移除的贡献有限。通过设置高度导热的电绝缘层结构，如部件承载件的最外层介电层，可以使部件承载件的一个外主表面处的热移除和热传导特别适宜。例如，可以在部件承载件的这种主表面附接散热器。非常有利地，堆叠体的介电层中热导率最高的电绝缘层结构可以与运行期间晶体管部件中之一或二者的生成大部分热的那侧连接。因此可以显著增加该临界侧的热移除。非常优选的是堆叠体的电绝缘层结构中热导率最高的电绝缘层结构由热预浸料制成。这种热预浸料可以有助于堆叠体的粘附(如上所述)，同时可以有助于高效的热移除。例如，这种热预浸料可以具有在1W/mK至200W/mK的范围、特别地在2W/mK至100W/mK的范围、更特别地在3W/mK至50W/mK的范围内的热导率。
有利地，电绝缘层结构中具有较高热导率值的至少一层在竖向上布置在下述两方面之间，所述两方面中的一方面为热移除结构，所述两方面中的另一方面为第一晶体管部件和第二晶体管部件。电绝缘层结构中具有较高热导率值的至少一层可以直接与热移除结构和晶体管部件热耦接。通过采取这种措施，可以确保从部件承载件的在晶体管部件的热侧上的热临界部分离开、经由热预浸料并直到热移除结构的热耗散非常高效且在空间上适当受控。
在一实施方式中，部件承载件包括附接在堆叠体的外表面的热移除结构，特别是包括冷却鳍片的散热器。例如，这种热移除结构可以由高度导热的材料诸如铜或铝制成。热移除结构可以具有与部件承载件材料的堆叠体的外表面连接的板区段，并且可以包括与板连接并具有高表面以适当与环境进行热交换的多个冷却鳍片。这种热移除结构的板形状与堆叠体的对应大主表面完美配合。在一实施方式中，可以通过加成制造特别是三维打印来生产热移除结构。
在一实施方式中，部件承载件包括使第一晶体管部件和第二晶体管部件与部件承载件或相连电路(例如通过将该电路插入部件承载件的插接件来连接)的另一部分绝缘的绝缘隔挡件。这在电路的两个所述区段之间提供可靠的隔离。
在一实施方式中，第一晶体管部件和第二晶体管部件嵌入堆叠体内处于相同的竖向水平，特别是嵌入堆叠体的中央芯内。通过采取这种措施，可以得到竖向上非常紧凑的部件承载件，并可以在公共程序中将晶体管部件嵌入。例如，一个或多个预切割层结构(例如预切割FR4或预浸料片)可以设置有凹部，晶体管部件容纳在该凹部中。例如，凹部在底部可以用临时承载件(诸如胶带或板)封闭。然后，可以通过层压、随后移除临时承载件来嵌入晶体管部件，再然后可以层压一个或多个其他层。可替代地，还可以将晶体管部件放置在(优选地已完全固化的材料的)中央芯上，积聚堆叠体，并通过用各种其他层结构层压完成嵌入程序。
在一实施方式中，部件承载件被配置为功率模块或功率级。那么晶体管部件可以例如为半导体功率芯片。
在一实施方式中，第一晶体管部件和第二晶体管部件可以彼此并联地电连接。晶体管部件中的一个可以形成高侧开关，晶体管部件中的另一个可以构成低侧开关。
可以在部件承载件上表面安装和/或嵌入至少一个另外的部件。该至少一个另外的部件可以选自由以下组成的组：不导电嵌体、导电嵌体(诸如金属嵌体，优选地包括铜或铝)、热传递单元(例如热管)、导光元件(例如光学波导或光导体连接装置)、电子部件或它们的组合。例如，部件可以是有源电子部件、无源电子部件、电子芯片、存储装置(例如DRAM或另一数据存储器)、滤波器、集成电路、信号处理部件、功率管理部件、光电接口元件、电压转换器(例如DC/DC转换器或AC/DC转换器)、加密部件、发射器和/或接收器、机电换能器、传感器、致动器、微机电系统(MEMS)、微处理器、电容器、电阻器、电感、电池、开关、摄像机、逻辑芯片、导光件和能量采集单元。然而，可以在部件承载件中嵌入或表面安装其他部件。例如，可以将磁性元件用作部件。这种磁性元件可以是永磁元件(诸如铁磁元件、反铁磁元件，或亚铁磁元件例如铁素体耦接结构)或者可以是顺磁性元件。然而，部件还可以是另外的部件承载件，例如板中板构造。
如上所述，部件承载件可以包括至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的堆叠体。例如，部件承载件可以是上述电绝缘层结构和导电结构构成的层压体，特别是通过施加机械压力形成的，如果期望的话还由热能支持。上述堆叠体可以提供能够为另外的部件提供大安装表面但仍然非常薄且紧凑的板状部件承载件。术语“层结构”可以特别地指公共平面内的连续层、图案化层或多个非连续岛状物。
在一实施方式中，部件承载件成型为板。这有助于紧凑设计，其中部件承载件仍然提供用于在其上安装部件的大基底。此外，特别是作为嵌入式电子部件的示例的裸晶片由于其厚度小可以方便地嵌入到薄板诸如印刷电路板中。
在一实施方式中，部件承载件被配置为由印刷电路板和基板(特别是IC基板)组成的组中之一。
在本申请的上下文中，术语“印刷电路板”(PCB)可以特别地指部件承载件(其可以是板状的(即，平面的)、三维曲线的(例如当使用3D打印制造时)，或者其可以具有任何其他形状)，其通过将若干导电层结构与若干电绝缘层结构层压在一起形成，例如通过施加压力进行层压，如期望的话还伴随热能供应。关于PCB技术的优选材料，导电层结构由铜制成，而电绝缘层结构可以包括树脂和/或玻璃纤维，所谓的预浸料或FR4材料。可以形成穿过层压体的通孔，例如通过激光钻削或机械钻削形成，并用导电材料(特别是铜)填充通孔，从而形成过孔作为通孔连接装置，以此以期望的方式将各个导电层结构彼此连接。除了可以嵌入印刷电路板的一个或多个部件，印刷电路板通常被配置用于在板状印刷电路板的一个或两个相反表面上容纳一个或多个部件。部件可以通过焊接连接至相应的主表面。PCB的介电部分可以包括具有增强纤维(诸如玻璃纤维)的树脂。
在本申请的上下文中，术语“基板”可以特别地指与待安装在其上的部件(特别是电子部件)具有大致相同的大小的小型部件承载件。更具体地，基板可以理解为用于电连接装置或电网络的承载件以及与印刷电路板(PCB)相当的部件承载件，但横向和/或竖向布置的连接装置的密度高得多。横向连接装置例如为导电路径，而竖向连接装置可以为例如钻孔。这些横向和/或竖向连接装置布置在基板内，并可以用于提供容置部件或未容置部件(诸如裸晶片)特别是IC芯片与印刷电路板或中间印刷电路板的电和/或机械连接。因此，术语“基板”还包括“IC基板”。基板的介电部分可以包括具有增强球体(诸如玻璃球)的树脂。
在一实施方式中，至少一个电绝缘层结构包括由下述组成的组中的至少一种：树脂(诸如增强或非增强树脂，例如环氧树脂或双马来酰亚胺三嗪树脂，更具体地FR-4或FR-5)、氰酸酯、聚亚苯基衍生物、玻璃(特别是玻璃纤维、多层玻璃、玻璃类材料)、预浸材料、聚酰亚胺、聚酰胺、液晶聚合物(LCP)、环氧基积层膜、聚四氟乙烯(Teflon)、陶瓷和金属氧化物。也可以使用增强材料，诸如幅材、纤维或球体，例如由玻璃制成(多层玻璃)。虽然通常优选地是预浸料或FR4，但也可以使用其他材料。对于高频率应用，可以在部件承载件中实施高频率材料诸如聚四氟乙烯、液晶聚合物和/或氰酸酯树脂作为电绝缘层结构。
在一实施方式中，至少一个导电层结构包含由铜、铝、镍、银、金、钯和钨组成的组中的至少一种。虽然通常优选的是铜，但其他材料或其涂覆形式也是可能的，特别是用超导材料诸如石墨烯涂覆。
在一实施方式中，部件承载件是层压型主体。在这种实施方式中，部件承载件为通过施加压紧力堆叠并连接在一起的多层结构的复合体，如果期望的话上述过程还伴随有热。
根据下文描述的实施方式的实施例本发明的上述方面和其他方面会变得明了，并参照这些实施方式的实施例对这些方面进行解释。
附图说明
图1至图4示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件的截面图。
图5示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件的电路图。
图6示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件的三维视图。
图7示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件的正面的平面图。
图8示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件的背面的平面图。
图9示出了根据本发明的示例实施方式的包括部件承载件的电子器件的截面图。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，类似或相同元件的附图标记相同。
在参考附图更详细地描述示例实施方式之前，将总结一些基本考量，基于这些考量展开了本发明的示例实施方式。
功率电子装置正在变得越来越复杂。转换器或逆变器的设计者必须对主题如EMI(电磁干扰)、热导率以及无源器件(例如感应器、电容器)有深入了解。在1990年代，功率电子装置的开关速度在5kHz以下，因为较快地开关会造成晶体管以及转换器的主感应器的高功率损耗。
现代的电路能为功率转换器(芯片级)处理最高达5MHz的开关频率。这种开关速度加上热管理和EMI问题需要长时间的研究。
为了克服这些问题，本发明的示例实施方式提供了一种部件承载件，其可以用模块化功率电子技术实施并提供简单的解决方案。特别地，可以实现下述优点：
-可以实现一体的并因此紧凑的设计
-设计方面可以实现易于实施
-还考虑到不同热设计的可用性(取决于某应用的最大要求)，可以获得适当的管理
-有机会实施整体NTC(负温度系数)构件，进行温度测量和/或控制
-可以实现最高达600V或更高的DC链电压
-可以实现非常高的开关频率(例如100kW或更高，特别地最高达1MHz或更高)；相应地，取决于生成的损耗，可以实现高开关速度
-互锁延迟不固定
-易于更换
-部件承载件可以像集成电路或黑匣子一样使用，这使得部件承载件对于用户而言变得非常便利
-部件承载件可以用作开发新产品的工具
根据本发明的示例实施方式，提供了配置为基于层压体的完全集成功率级的部件承载件。特别地，这种部件承载件可以实施为集成半桥功率级。当被配置应用于功率电子装置时，根据本发明的示例实施方式可以在电子器件中实施开关电源。这意味着可以使用至少一个半桥(两个晶体管串联)。示例实施方式可以特别地提供栅极控制电路、热管理系统和EMI保护机制。根据示例实施方式的部件承载件可以基于模块化设计。特别地可以结合不同的模块，这可以缩短开发时间、简化理念并获得可靠的产品。
本发明的示例实施方式基于包括驱动器、热管理装置和用以观察温度的热测量器件的单个半桥。在过载事件的情况下，外部控制算法可以抵消。
作为这种部件承载件提供的模块可普遍使用，并且可以根据特定应用的需要进行配置。特别地，可以实施下述特征中的一个或多个：
-控制电路和功率电路之间完全隔离
-通过装配的散热器调节最大电流能力
-通过附加的风扇扩展功率水平
-通过外部控制装置调节互锁延迟(以改善甚至优化开关损耗)
特别地，当GaN晶体管被实施作为根据示例实施方式的部件承载件中的晶体管部件或晶体管芯片时，可以处理高开关频率，这得到小型滤波器设计(特别是因为可以降低感应器大小和重量)。还可以降低输入和输出电容器的值。这减少了储存在转换器中的能量。
本发明的示例实施方式能像集成电路一样使用，并且在控制电路和功率电路之间有内部隔离。除此以外，还获得高效率的热管理。
本发明的示例实施方式的示例应用涉及光伏逆变器、蓄电池测试单元、实验室设备、电机逆变器(工业和汽车)等。
根据本发明的示例实施方式的被配置为模块的部件承载件可以例如仅包括两个半桥晶体管部件以及一个或多个对应的驱动器件或控制芯片。除了功率器件，可以安装NTC热敏电阻作为温度传感器部件，以得到关于实际散热器温度的信息或部件承载件上和/或内的任何其他温度。
图1示出了根据本发明的示例实施方式的板形状层压型部件承载件100的截面图，此处实施为印刷电路板(PCB)并配置为功率级。
图1所示的部件承载件100包括层压堆叠体102，层压堆叠体由多个导电层结构104和多个电绝缘层结构106构成。在所示实施方式中，导电层结构104由铜制成。导电层结构104包括完整的或图案化的导电层，例如铜箔。导电层结构104还包括实施为铜过孔116的竖向互连结构。后者通过钻孔(例如通过激光钻削)并用铜(例如通过镀覆)填充钻出的孔(部分地填充，例如仅涂覆壁，或者优选地完全填充以增加载流能力)来形成。另外，示出了机械钻出的孔，这种孔用导电材料诸如铜部分或完全地填充，参见附图标记173。电绝缘层结构106可以包括填充有增强颗粒(诸如玻璃纤维)的树脂(诸如环氧树脂)，并且可以例如为预浸料或FR4。
设置了第一晶体管部件108，此处用GaN(氮化镓)技术实施为半导体芯片，特别地为具有单片集成HEMT(高电子迁移率晶体管)的晶片。对应地，设置了第二晶体管部件110，此处用GaN(氮化镓)技术实施为另一半导体芯片，特别地为具有另一单片集成HEMT(高电子迁移率晶体管)的另一晶片。从图1可以看出，第一晶体管部件108和第二晶体管部件110横向或并排嵌入，处于相同的竖向水平，并在堆叠体102的相同层结构104、106内和之间。更具体地，嵌入在堆叠体102内处于相同的竖向水平的第一晶体管部件108和第二晶体管部件110定位在堆叠体102的中央芯138(例如由FR4制成)内。对应的嵌入程序可以是中央芯嵌入，其中，相应的晶体管部件108、110可以放置在PCB核138的中间，并可以通过激光过孔116连接到层型导电层结构104。根据图1，晶体管部件108、110的上主表面彼此齐平或彼此对齐。对应地，晶体管部件108、110的下主表面彼此齐平或彼此对齐。这促进部件承载件100平坦且竖向紧凑的构造，确保晶体管部件108、110的所有主表面靠近部件承载件100的外主表面，并由此还有助于在部件承载件运行期间适当地移除由晶体管部件108、110生成的热。在晶体管部件108、110的主表面处的焊垫118在部件承载件100的运行期间被加热。因此，焊垫118放出热，特别地且主要地沿根据图1的箭头指示的方向171放出(晶体管部件108、110的内部构造的结果)。第一晶体管部件108和第二晶体管部件110连接，以形成半桥电路，对比图5。
部件承载件100还包括被配置用于分别控制第一晶体管部件108和第二晶体管部件110的一个或两个控制芯片112、114(对比图5)。在图1中，示出了这些控制芯片112、114中的仅一个，该控制芯片表面安装在堆叠体102上(另一个也可以表面安装或者可以嵌入堆叠体102内)。虽然图1未详细示出，但控制芯片112、114可以通过堆叠体102的导电层结构104以图5所示方式与晶体管部件108、110电耦接。
如前所述，多个铜过孔116被设置作为竖向互连结构，并由此竖向延伸穿过堆叠体102的对应部分，以使第一晶体管部件108和第二晶体管部件110的焊垫118彼此连接，与控制芯片112、114连接，并与部件承载件100的其他端子连接。除了已描述的电功能以外，过孔116同时还用作热移除特征件，有利于将热从部件承载件100中移除，特别地沿方向171移除。
插接件124被设置作为表面安装器件，并安装在堆叠体102的下主表面(与堆叠体102的上主表面相反，在上主表面附接有热移除结构128)上。插接件124被配置用于插入相应的插头(未示出)，以建立与另一电子构件(未示出)的机械连接和电连接。示出在图1的左手侧的插接件124可以被配置为控制连接器，而示出在图1的右手侧的另一插接件124可以被配置为功率连接器。
如上所述，热移除结构128附接至堆叠体102的上主表面，以进一步促进热从部件承载件100的内部耗散。在所示实施方式中，热移除结构128被配置为附接至堆叠体102的外表面的、具有板状区段130的散热器，板状区段与多个冷却鳍片132热连接。还可以在部件承载件100的相应主表面安装风扇，以产生冷却气流。另外可替代地，所示的热移除结构128可以由支持热移除的热管替代。根据另一示例实施方式，热移除结构128还可以部分或完全地集成在堆叠体104的内部。在所示实施方式中，热移除功率可以为例如15W，或者甚至最高达50W及更高。
从图1的附图标记112、114、124可以看出，多个部件140表面安装在堆叠体102的外表面上。另外，晶体管部件108、110被设置为部件承载件100的部件140，但是嵌入在堆叠体102的内部。虽然图1中未示出，但可以在堆叠体102上表面安装和/或嵌入一个或多个附加的部件140，用以提供附加的(例如电子和/或热)功能。
图2示出了根据本发明的另一示例实施方式的部件承载件100的截面图。
根据图2的实施方式与根据图1的实施方式的不同之处在于，根据图2，控制芯片112、114也嵌入堆叠体102内，更具体地基本与第一晶体管部件108和第二晶体管部件110并排(为简单起见，后面两者在图2示出为一个共同的块，但也可以实施为如图1所示的并排布置并处于相同的竖向水平的两个单独块)。因此，根据图2，控制芯片112、114不是表面安装的，而是也嵌入堆叠体112中，以进一步降低部件承载件100的竖向高度。
图2的实施方式与图1的实施方式的另一不同之处在于，激光过孔116的一部分(更准确地说是图1中从第一晶体管部件108和第二晶体管部件110向上延伸的激光过孔116)被导电片120或板代替，此处实施为固体铜本体，用以与第一晶体管部件108和第二晶体管部件110的基本上整个上主表面电接触。该全面积表面连接不仅提高部件承载件100的载流能力，而且同时还改善部件承载件100的热移除性能。
作为另一不同之处并且如附图标记181所示，电绝缘层结构106的最外层且最上层电绝缘层结构由与其余电绝缘层结构106不同的另一材料制成。更准确地说，堆叠体102中的用附图标记181指示的电绝缘层结构106的该最外层电绝缘层结构由热导率值(例如至少2W/mK)显著高于其他电绝缘层结构106(例如具有低于1W/mK的热导率值)的热预浸料制成。用附图标记181指示的电绝缘层结构106可以由热预浸料制成，而其他电绝缘层结构106可以由普通热预浸料制成。
有利地，仅该由热预浸料制成的电绝缘层结构106(参见附图标记181)在竖向上直接布置在下述两方面之间，所述两方面中的一方面为热移除结构128，所述两方面中的另一方面为附接至第一晶体管部件108和第二晶体管部件110的片120。有利地，这形成从晶体管部件108、110经由片120和由热预浸料制成的电绝缘层结构106一直到热移除结构128的非常高效的热移除路径。由此，导电片120和用附图标记181指示的电绝缘层结构106以及热移除结构128的结合作用可以进一步促进沿临界方向171的热移除。
图1和图2的又一不同之处在于，根据图2，堆叠体102的下表面上表面安装有DC(直流)链电容器126(其可以被配置为陶瓷电容器或反铁电电容器)。DC链电容器126有利地稳定DC电流，并能在不增加部件承载件100的竖向尺寸的情况下实施，参见图2。
图3示出了根据本发明的又一示例实施方式的部件承载件100的截面图。
根据图3，与图1相比，也实施了参照图2所述的用附图标记181表示的由热预浸料制成的层，并设置了表面安装在堆叠体102的下表面上的DC链电容器126，与图2中一样。
图4示出了根据本发明的又一示例实施方式的部件承载件100的截面图。
图4的实施方式与图2的实施方式非常类似，不同在于根据图2的导电片120由根据图4的竖向过孔116代替。
因此，图1至图4表明在本发明的不同实施方式中不同特征可以有各种组合。
图5示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件100的电路图190，其提供电子半桥功能。图1至图4的实施方式可以实施图5所示的特征，反之亦然。
特别地，图5示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件100可以在下述两方面之间包括绝缘隔挡件134，所述两方面中的一方面为第一晶体管部件108和第二晶体管部件110，所述两方面中的另一方面为电路的另一部分。
此外，可以在堆叠体102中嵌入和/或表面安装一个或多个可选的但有利的温度传感器部件122，其可以实施为NTC热敏电阻，用于局部感测指示堆叠体102中或上的温度。虽然所有附图中均未示出，但附图所示的实施方式中的每一个都可以设置一个或多个温度传感器部件122。部件承载件100还可以被配置用于：当由该一个或多个温度传感器部件122感测到的信息指示堆叠体102过热时，减低功率或者关断第一晶体管部件108和/或第二晶体管部件110。通过热移除使过热消失后，该一个或多个温度传感器部件122可能将其检测为温度降低，这可能触发再次导通第一晶体管部件108和/或第二晶体管部件110。
此外，图5示出了驱动电压源182、自举二极管184和DC链电容器126(参见Cin)。
因此，图5示出了根据本发明的示例实施方式的被配置为半桥的部件承载件100的电子功能框图。如图5所示，所示的控制线、温度传感器部件122、驱动电压如GND(地)连接到放置在模块型部件承载件100的左边缘的一个排针。
排针包含下述信号：
-Vin(驱动器的信号侧)
-Vdrive(用于MOSFET的驱动电压)
-用于低侧(“PWM L”)和高侧(“PWM H”)晶体管的PWM(脉冲宽度调制)
-NTC
-信号GND
-功率GND
剩余的模块排针(模块的右边缘)为功率导体(DC链、切换节点(SW)、功率GND)。
要在信号处理单元和功率电路之间设置隔离，可以使用隔离隔挡件134。框图示出了下述功能：可以对芯片进行优化，以处理最高达1MHz的频率，输出端有4A的驱动级。2.5kVrms的隔离足够600V的应用。
关于栅极驱动，驱动器和栅极之间的两个电阻器可能是限制导通和关断的转换速率。导通可以使用22Ω的电阻器，关断可以使用2.2Ω的电阻器。应仔细选择2.2Ω的值，因为该值也会影响米勒效应。如果对米勒电容进行充电，则MOSFET会导通并在桥中造成击穿。低电阻可以抵消该效应。
除了栅极驱动，还可以实施10kΩ的电阻，这在启动期间将栅极拉低。
为了使栅极驱动电压保持恒定，LDO(低压差稳压器)可以在两个驱动器处将输入电压调节为6kV。在反向传导模式期间，低侧MOSFET的源-漏电压可能加到高侧的驱动电压，这使电压超过7V，并因此可能造成高侧晶体管故障。在该模块中，可以使用BGA(球状网格阵列)式的可调节电压调节器，因为高的输入电压和小的输入电流使得其适合这种应用。
与自举电路相关的是，为了在该应用中驱动高侧MOSFET，可以使用自举电路使模块保持较小。在一些应用中，可能期望静态高侧导通，但这还需要隔离的DC/DC转换器，这涉及在小面积上实现DC/DC转换器的挑战。有利的是小二极管电容。模块可以有利地使用SiC二极管(例如Wolfspeed销售的)。
参考实施的输入电容器，提供安装在该模块上的DC链电容器126用以在快速开关操作(例如约20ns)期间供电，而不是完整的输入滤波器。
取决于期望的应用，可以实施外部输入滤波器。
关于不同的操作模式，可以特别地以下述配置使用模块：
1.信号地线与功率地线之间隔离
2.非隔离模式(低预算配置)
在操作模式1的情况下，可以安装外部DC/DC转换器，用于生成9V的Vdrive。为了从控制电路对模块进行供电，可以生成单独的Vdrive(针对功率地线)。
如果期望没有隔离(操作模式2)，则不需要外部部件。在控制连接器上可以连接信号地线和功率地线。可以通过控制电路生成功率供应。
图6示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件100的三维视图。
在图6中，更详细地示出了图1至图4以截面图示出的热移除结构128。从图6可以看出，热移除结构128的冷却鳍片132可以布置成矩阵状图案，即，呈行和列，其间有间隙。使得沿间隙有气流，这确保冷却鳍片132与流动空气之间适当地进行热交换。图6还示出PCB型堆叠体102的几何结构和热移除结构128的板状区段130彼此完美配合，实现较大热交换面积。
图7示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件100的正面的平面图。
晶体管部件108、110以及热传导部件122嵌入堆叠体102的内部。然而，为清楚起见，在图7中示出了其位置。此外，图7还示出了用于在另一器件上机械安装所示部件承载件100的安装孔194。
图8示出了根据7的部件承载件100的背面的平面图，具有与图3所示类似的构造。
图8示出了部件承载件100的多个表面安装部件：用于切换节点的插接件124(图8左手侧最上面的插接件124)，用于DC链的插接件124(图8左手侧中间的插接件124)，用于GND的插接件124(图8左手侧最下面的插接件124)，用于控制的插接件124(图8右手侧的插接件124)，四个DC链电容器126，以及用于驱动晶体管部件108、110的两个表面安装的控制芯片112、114。
图9示出了根据本发明的示例实施方式的包括部件承载件100的电子器件150的截面图。
所示电子器件150包括安装主体152，此处实施为印刷电路板(PCB)。安装主体152上安装有具有如上所述组成部分的部件承载件100。可以通过经由焊接结构179将部件承载件100的焊垫175与安装基部152的焊垫177焊接在一起来进行这种安装。
作为通过焊接来连接安装基部152与部件承载件100的替代方案，还可以通过将安装基部152的插头插入部件承载件100的插接件124使安装基部152与部件承载件100接触。另外可替代地，还可以将部件承载件100嵌入部件承载件型安装基部152，从而得到板中板构造。另外可替代地，部件承载件100可以容纳在壳体或模具中。
应注意的是，术语“包括”不排除其他元素或步骤，“一(a)”或“一(an)”不排除复数。另外，可以组合与不同实施方式相关的元件。
还应注意的是，权利要求中的附图标记不应理解为限制权利要求的范围。
本发明的实施不限于附图中的和上面描述的优选实施方式。代替地，可以有使用根据本发明的所示方案和原理的多种变型，即使是在基础不同的实施方式的情况下。

Claims (15)

1.一种部件承载件(100)，其中，所述部件承载件(100)包括：
堆叠体(102)，所述堆叠体包括多个导电层结构(104)和/或电绝缘层结构(106)；
并排嵌入所述堆叠体(102)中的第一晶体管部件(108)和第二晶体管部件(110)。
2.根据权利要求1所述的部件承载件(100)，其中，所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)连接，以形成半桥电路。
3.根据权利要求1或2所述的部件承载件(100)，包括至少一个控制芯片(112、114)，特别是两个控制芯片(112、114)，所述至少一个控制芯片被配置用于控制所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)。
4.根据权利要求3所述的部件承载件(100)，其中，所述至少一个控制芯片(112、114)中至少之一嵌入所述堆叠体(102)中，特别是与所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)并排。
5.根据权利要求3或4所述的部件承载件(100)，其中，所述至少一个控制芯片(112、114)中至少之一表面安装在所述堆叠体(102)上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的部件承载件(100)，包括至少一个过孔(116)，特别是多个过孔(116)，所述过孔竖向地延伸穿过所述堆叠体(102)的至少一部分，并与所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)中至少之一的至少一个焊垫(118)电接触。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的部件承载件(100)，包括至少一个导电片(120)，所述至少一个导电片与所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)中至少之一的主表面的至少一部分直接电接触，特别是与整个主表面直接电接触。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的部件承载件(100)，包括至少一个温度传感器部件(122)，所述至少一个温度传感器部件嵌入所述堆叠体(102)中，以用于感测指示所述堆叠体(102)中的温度的信息。
9.根据权利要求8所述的部件承载件(100)，被配置用于：当由所述至少一个温度传感器部件(122)感测到的信息指示过热时，减低功率或关断所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)中至少之一。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的部件承载件(100)，在所述堆叠体(102)的主表面上包括至少一个插接件(124)，所述至少一个插接件被配置用于插入插头，特别是排针。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的部件承载件(100)，包括至少一个直流链电容器(126)。
12.根据权利要求11所述的部件承载件(100)，包括下述特征中的至少一个：
其中，所述至少一个直流链电容器(126)中至少之一被配置为陶瓷电容器或反铁电电容器；
其中，所述至少一个直流链电容器(126)中至少之一表面安装在所述堆叠体(102)上，特别是表面安装在所述堆叠体(102)的其上还安装有至少一个插接件(124)和/或用于控制所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)中至少之一的至少一个控制芯片(112、114)的同一主表面上。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的部件承载件(100)，包括下述特征中的至少一个：
其中，所述堆叠体(102)的所述电绝缘层结构(106)中的至少一个最外层电绝缘层结构具有比所述电绝缘层结构(106)中的至少一个其他电绝缘层结构特别是比所有其他电绝缘层结构高的热导率值，该至少一个最外层电绝缘层结构特别是由热预浸料制成；
包括附接至所述堆叠体(102)的外表面的热移除结构(128)，特别是包括冷却鳍片(132)的散热器(130)，其中特别地，所述电绝缘层结构(106)中的具有较高热导率值的所述至少一个电绝缘层结构在竖向上布置在下述两方面之间，所述两方面中的一方面为所述热移除结构(128)，所述两方面中的另一方面为所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)；
包括绝缘隔挡件(134)，所述绝缘隔挡件使所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)与所述部件承载件(100)或相连电路的另一部分绝缘；
其中，所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)以相同的竖向水平嵌入所述堆叠体(102)内，特别是嵌入所述堆叠体(102)的中央芯(138)内；
被配置为功率模块；
还包括安装在所述至少一个电绝缘层结构(106)和/或所述至少一个导电层结构(104)上和/或嵌入所述至少一个电绝缘层结构和/或所述至少一个导电层结构中的至少一个另外的部件(140)，其中特别地，所述至少一个另外的部件(140)选自由下述组成的组：电子部件、不导电和/或导电嵌体、热传递单元、导光元件、能量收集单元、有源电子部件、无源电子部件、电子芯片、存储装置、滤波器、集成电路、信号处理部件、功率管理部件、光电接口元件、电压转换器、加密部件、发射器和/或接收器、机电换能器、致动器、微机电系统、微处理器、电容器、电阻器、电感、累加器、开关、摄像机、磁性元件、另外的部件承载件(100)和逻辑芯片；
其中，所述导电层结构(104)中至少之一包括由下述组成的组中的至少一种：铜、铝、镍、银、金、钯和钨，所提及材料中的任何一种可选地涂覆有超导材料诸如石墨；
其中，所述电绝缘层结构(106)中至少之一包括由下述组成的组中的至少一种：树脂，特别是增强或非增强树脂，例如环氧树脂或双马来酰亚胺-三嗪树脂、FR-4、FR-5；氰酸酯；聚亚苯基衍生物；玻璃；预浸材料；聚酰亚胺；聚酰胺；液晶聚合物；环氧基积层膜；聚四氟乙烯；陶瓷；以及金属氧化物；
其中，所述部件承载件(100)成型为板；
其中，所述部件承载件(100)被配置为由印刷电路板和基板组成的组中之一；
被配置为层压型部件承载件(100)；
其中，所述第一晶体管部件(108)和所述第二晶体管部件(110)彼此并联地电连接。
14.一种电子器件(150)，包括：
安装主体(152)，特别是印刷电路板；
根据权利要求1至13中任一项所述的部件承载件(100)，所述部件承载件安装在所述安装主体(152)上和/或嵌入所述安装主体中。
15.一种制造部件承载件(100)的方法，其中，所述方法包括：
形成经连接的堆叠体(102)，所述经连接的堆叠体包括多个电绝缘层结构(106)和/或导电层结构(104)；
将第一晶体管部件(108)和第二晶体管部件(110)并排嵌入所述堆叠体(102)中。
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