CN111033734A - 功率转换器模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率半导体模块以及一种相应的制造方法。功率半导体模块具有多个功率开关，其中功率开关的第一子集形成第一电流分支的一部分。功率开关的第二子集形成第二电流分支的一部分。第一电流分支和第二电流分支一起形成半桥，该半桥并联连接于第一和第二DC电压接头。在两个电流分支的每个中，通过所配属的功率开关中的每个单个功率开关来限定在DC电压接头与AC电压接头之间延伸的单个电流路径。在所述电流分支内，所配属的功率开关关于所述DC电压接头对称设置并被连接，使得在功率半导体模块的高频运行期间和/或在功率开关以高电压梯度的运行中，在分别对应于所述功率开关中的一个的单个电流路径中形成的电流密度至少基本上均匀地分布。

Description

功率转换器模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种功率半导体模块、尤其是用于运行车辆驱动器的驱动转换器模块，以及一种用于这种功率半导体模块的制造方法和一种具有这种功率半导体模块的车辆。
背景技术
由功率电子设备已知可用于控制电流的传输的电路。通过所谓的电流转换器，可使电流类型转换为另一个或可改变诸如频率或电压那样的特性参数。特别的功率转换器类型、诸如整流器或逆变器可将可用的AC电压转换成DC电压或将可用的DC电压转换成AC电压。
这些电路尤其是在运行电机、诸如三相马达时和在能量存储技术中扮演重要角色。它们因此在电动车领域中尤其重要，其中电流以来自能量存储设备的直流电的形式可用并以交流电形式用于驱动车辆，或其中在所谓的再生时驱动器作为发电机用于交流电，该交流电被整流使得能量存储设备又可用直流电充电。
功率电子领域的技术进步已产生基于诸如碳化硅、氮化镓或砷化镓的那样的具有宽带隙的半导体(宽带隙半导体)的开关元件、尤其是功率开关，其可以特别是高频被切换，诸如超过100kHz、尤其是超过1MHz，和/或尤其是以高电压梯度被切换，诸如超过10V/ns、尤其是超过100V/ns，并且可有利地用于前述电路。然而，在由此可实现的高频和开关速度的情况下很可能发生频率相关效应，其可以不期望的方式损害电流转换器模块中的电流传导。
发明内容
本发明的目的是提出一种改进的功率半导体模块，其中可减少或甚至避免对功率半导体模块、尤其是对其能量效率和空间使用效率和/或寿命产生的频率相关的和/或电压梯度相关的负面影响。
本发明的目的由根据独立权利要求的功率转换器模块和用于制造这种功率半导体模块的方法实现。
本发明的第一方面涉及一种功率半导体模块，优选地一种驱动转换器模块，用于运行车辆驱动器、尤其是机动车驱动器。功率半导体模块包括：电绝缘的平面式载体基板，其具有第一和第二主面；和桥电路，其具有多个功率开关、尤其是功率晶体管。多个功率开关中的一个或多个功率开关的第一子集是功率半导体模块的电流转换第一电流分支的一部分，第一电流分支在功率半导体模块的第一DC电压接头与AC电压接头之间延伸。多个功率开关中的一个或多个功率开关的第二子集是功率半导体模块的电流转换第二电流分支的一部分，第二电流分支在功率半导体模块的与第一DC电压接头极性相反的第二DC电压接头与AC电压接头之间延伸。第一电流分支和第二电流分支与AC电压接头电连接为，使得它们一起构成与DC电压接头并联连接的半桥。在两个电流分支的每个中，通过所配属的功率开关中的每个单个功率开关来限定在两个DC电压接头之间延伸且对应于该功率开关的单个电流路径。在电流分支中的至少一个内部、优选地电流分支中的每个电流分支内部，所配属的功率开关关于DC电压接头对称设置并被连接为，使得在功率半导体模块优选地在超过10kHz时、特别是优选地在超过100kHz时、特别是在超过1MHz时的高频运行期间，和/或在功率开关以高电压梯度(优选地超过10V/ns、特别是超过100V/ns)运行期间在分别对应于多个功率开关中的一个功率开关的和/或在电流分支中的至少一个电流分支中形成的单个电流路径中形成的电流密度至少基本上均匀地分布。多个功率开关中的至少一个功率开关被设置在载体基板的第一主面上，多个功率开关中的至少一个另外的功率开关被设置在载体基板的第二主面上。
在分别对应于多个功率开关中的一个功率开关的单个电流路径中和/或在电流分支中的至少一个电流分支中的基本上均匀分布的电流密度，在本发明的意义下相应于电流密度的空间分布，其中，相对偏差少于25％、优选地少于15％、尤其是少于2％。
通过电流分支中的均匀电流密度分布，可实现至少一个电流路径中的一功率开关的对称载荷和/或至少一个电流路径中的所有功率开关的对称载荷。尤其是也在功率半导体模块高频运行期间和/或在以高电压梯度切换功率开关时，电流一致地流过所有功率开关或对应于它们的电流路径，使得可避免或至少降低损害高频运行时的功率半导体模块的效率的高频效应(诸如集肤效应和/或邻近效应)。
功率开关的对称载荷也导致提高功率半导体模块的使用寿命，因为可靠地避免了电流集中到单个功率开关中，电流集中到单个功率开关中会损坏功率开关以及由此功率半导体模块，例如通过局部温度升高而损坏。
至少一个电流分支中的功率开关的对称设置和互联导致功率半导体模块高频运行时电流路径中形成均匀的电流密度分布，并由此也可实现避免或至少减少电流路径和/或电流分支中的电流集中。
为了可实现均匀的电流密度分布，从直流接头或从交流接头到功率开关的供应线、即对应于功率开关的电流路径优选地在电学上和/或几何学上基本上平行延伸。尤其地，切换元件中的每个和对应于其的电流路径一起可处于一平面中，在此，电并联连接的功率开关的平面也几何学上彼此平行。由此，即使在高频下可避免或至少减少电流路径中的电流集中，诸如电流集中可在使用基于具有宽带隙的半导体的快速切换功率开关时出现。
功率开关设置在第一和第二主面上可实现在功率半导体模块运行时围绕模块的棱边或侧面引导电流，使得由电流绕流的面基本上相应于垂直于第一或第二主面的载体基板的横截面。这也使得可以实现减少、尤其是最小化根据本发明的功率半导体模块的总电感。由此，可至少减少超电压和切换损失，使得可实现相应地更有效地运行根据本发明的功率半导体模块。
根据本发明的功率开关的和/或所配属的电流路径的该设置也可实现在根据本发明的功率半导体模块运行时基本上均匀的温度分布。优选地，功率半导体模块、或至少其功率开关在高运行温度时可优选地超过150℃、尤其是优选地超过185℃、尤其是超过200℃运行。
通过使用载体基板的第一和第二主面用于对称设置功率开关，相对于纯平面功率半导体模块还可增加为功率开关和其供应线可用的功率半导体模块安装空间，在纯平面功率半导体模块中，桥电路仅二维地构造在基板面上。相应地，可实现功率半导体模块的提高的集成密度。
通过制造优选被构造为用于散热的散热器的、由电绝缘材料构成的载体基板，还可改进模块的电磁兼容性，因为可避免或至少减少与优选被构造为散热器的载体基板的电容耦合以及由此也与接收载体基板的壳体的电容耦合。
总之，本发明提供了一种具有即使在高频运行时和/或在以高电压梯度运行时长使用寿命的有效的功率半导体模块、尤其是具有低的总电感和在运行期间均匀的温度分布。
在另一优选的实施方式中，多个功率开关中的一个或多个功率开关的第一子集被设置在平面式载体基板的第一主面上，多个功率开关中的一个或多个功率开关的第二子集被设置在平面式载体基板的第二主面上。由此，第一和第二电流转换的电流分支分别被设置在彼此对置的载体基板主面上，由此可特别易于实现电流路径中和/或电流分支中的电流密度的相等分布。附加地，也可特别易于由此实现电流分支中的对应功率开关的对称的连接、尤其是几何学上的并联连接。
优选地，该设置允许构成2级模块、即其AC电压接头侧上的输出电压在两个电压值之间改变的功率半导体模块，诸如基于B6桥的转换器。在另一优选的实施方式中，可由此也构成3级模块，诸如具有I型拓扑学的桥电路(I型逆变器)，其中，由每个第一和第二电流分支构成的至少一个功率开关也被包含在第三电流分支中。优选地，第一子集的功率开关关于载体基板相对于第二子集的功率开关被对称设置，即第一子集的每个功率开关与第二子集的功率开关对置，使得第一主面和第二主面上的每对对置的功率开关的电流路径的电感基本上相同。这可实现到所有功率开关或供应线上的均匀电流分布，并使得在功率半导体模块高频运行中平行于第一或第二主面的平面中的电流集中可避免或至少可减少。
在另一优选的实施方式中，多个功率开关中的一个或多个功率开关的第三子集是功率半导体模块的第三电流分支的一部分，第三电流分支在功率半导体模块的具有相对于第一和第二DC电压接头而言中性极性的第三DC电压接头与AC电压接头之间延伸。由此可构成3级模块、即其AC电压接头侧上的输出电压在3个电压值之间改变的功率半导体模块。优选地，与DC电压接头电连接的中间电路电容包括串联连接的两个中间电路电容器，在其之间设置第三DC电压接头，使得构成NPC型逆变器(NPC中性点被夹紧)，诸如I型逆变器或T型逆变器，其中每个功率开关被包含在仅一个电流分支中。
在该实施方式中，相对于由2级模块被转换的电压可减少由功率半导体模块所转换的电压的谐波量，在此同时可实现提高电磁兼容性(EMC)，因为通过两个附加的电压级将每时间单元所切换的电压减半。
在另一优选的实施方式中，第一子集包括多个功率开关中的两个或更多个，这些功率开关在电学上彼此并联连接。此外，第二子集也包括多个功率开关中的两个或更多个，这些功率开关在电学上彼此并联连接。如果被提供的话，第三子集也包括多个功率开关中的两个或更多个，这些功率开关在电学上彼此并联连接。优选地，在电流分支中格的至少一个电流分支内部，所配属的功率开关关于DC电压接头对称设置并被连接为，使得由分别对应于每个单个功率开关的电流路径所形成的电感彼此之间至少基本上相同。
通过尤其是在载体基板的第一主面上或基板的第二主面上在电学上和/或几何学上并联连接功率开关或所配属的电流路径，可在电流分支的每个电流路径中形成基本上相同的电感。这意味着一电流分支的所有功率开关即使在高频运行中也可运送基本上相同的电流，由此可实现电流路径中和/或电流分支中的特别均匀的电流密度分布。
由配属有功率开关的电流路径所形成的基本上相同的电感，在本发明的意义下相应于具有低于25％、优选地低于15％、尤其是低于2％的相对偏差的电感。
在另一优选的实施方式中，第一直流接头平面式地沿着第一主面的第一棱边设置，第二直流接头平面式地沿着与第一主面的第一棱边对置的第二主面的第二棱边设置。
由于直流接头的该平面设计，中间电路电容可平面式地被连接以及由此可以减少所谓的整流电感，即在变换引导电流的电路分支时出现的电感，其通常导致功率半导体模块运行中的功率损失。以该方式可实现增加功率半导体模块的能效。
由于直流接头设置在第一或第二主面的棱边上，直流接头在空间上彼此位置靠近，由此由第一和第二、以及如果被提供的话还有第三电路分支围成的区块以及由此功率半导体模块的总电感可有利地被减少，即可减少功率半导体模块运行中的超电压和功率损失。
在另一优选的实施方式中，多个功率开关中的两个或更多个功率开关的第一子集和来自多个功率开关中的两个或更多个功率开关的第三子集的至少一个功率开关被设置在平面式载体基板的第一主面上，多个功率开关中的两个或更多个功率开关的第二子集和来自多个功率开关中的两个或更多个功率开关的第三子集的至少一个功率开关被设置在平面式载体基板的第二主面上。来自第一和/或第二子集的功率开关的一部分可构成第三子集。这可构成具有I型拓扑学的半桥(I型逆变器)。在该实施方式中，可使用具有比类似的2级模块中更低反向电压的功率开关。
优选地，在每个由来自第三子集的功率开关所限定的电流路径中设置二极管，由此第一、第二或第三直流接头与交流电压接头之间的电流可被控制或导引，使得第一、第二与第三电流分支之间的电流被整流，并由此出现在直流电压接头处的直流电压被转换成交流电压、诸如具有相对于2级模块减少谐波量的正弦电压。
在另一优选的实施方式中，多个功率开关中的两个或更多个功率开关的第一和第二子集被设置在平面式载体基板的第一主面上，多个功率开关中的两个或更多个功率开关的第三子集被设置在平面式载体基板的第二主面上。以该方式可构成具有T型拓扑学的半桥(T型逆变器)。该实施方式相对于I型拓扑学的实施方式的优点是，可更易于对称设置和连接来自功率开关的第一、第二和/或第三子集的数个功率开关，使得实现具有特别低电感的结构。
平面式载体基板的第一主面上的多个功率开关中的两个或更多个功率开关的第一子集优选地关于平面式载体基板的第一主面上的多个功率开关中的两个或多个功率开关的第二子集被对称设置。第一子集可被设置在第一主面的第一面部分上，第二子集可被设置在第一主面的第二面部分上。优选地，第一面部分和第二面部分每个占据相同区块，在此第一主面的第一和第二面部分由优选地在第一直流接头与第二直流接头之间对称延伸的轴线限定。
在另一优选实施方式中，第一和第二直流接头平面式地沿着这些主面中的一个主面的一棱边并排设置。第三直流接头可平面式地沿着对置的主面的一棱边设置，使得第一和第二直流接头与第三直流接头对置。以该方式可实现彼此靠近设置直流接头以及由此减少由电流分支所围绕的区块所形成的功率半导体模块的总电感，由此可减少功率半导体模块运行中的功率损失。
在另一优选的实施方式中，平面式载体基板由电绝缘材料、尤其是陶瓷或塑料制成，并且被设置为使功率半导体模块运行中、尤其是功率开关运行中产生的热消散。这使得传导层、诸如金属化部直接被施加到优选地构造为散热器的载体基板上，并且功率开关直接被施加到传导层上，这可实现减少用于运行模块所需的层。这使得模块可特别扁平地被制造，使得在运行中由电流所环流的、由第一和第二主面所限制的载体基板横截面区块以及由此模块的总电感变得特别小。
尤其是可省略附加的层，其损害尤其是功率开关与平面式载体基板之间的导热，经由平面式载体基板可散热。总之，不导电的、构造为散热器的载体基板因此也可实现改进的散热。
优选地，平面式载体基板在其中设置多个功率开关、直流接头和/或交流接头的区域中被金属化。在优选的实施方式中，金属化部包括铜层，尤其是厚度为100至1500μm、优选250至1000μm、优选500μm。金属化部可例如在DCB(直接铜键合)或AMB(主动金属钎焊)过程的框架下直接施加到载体基板上。由此，由功率开关与载体基板之间的金属化部导致的热阻相对于由功率开关与传统的能导电载体基板之间的层结构所形成的热阻可基本上减半，尤其是减到低于0.5K/W、优选地低于0.4K/W、优选地低于0.3K/W。
可呈接触片、尤其是键合线形式构造到功率开关的电接头，其将功率开关与另外的金属化区域连接。
在另一优选的实施方式中，载体基板在第一与第二主面之间具有第一侧面，在第一侧面上设置交流接头。由此，可将电流分支的电流路径简单地对称制造，使得其具有基本上相同的电感。
交流接头优选地由所述侧面的金属化部、尤其是铜层构成。在替换的实施方式中，交流接头由连接接片构成，其包围所述侧面并接触第一和第二主面每个上的金属化区域。
在另一优选实施方式中，载体基板在第一与第二主面之间具有尤其是与第一侧面对置的第二侧面，在第二侧面上可设置中间电路电容。由此，尤其是结合在第二侧面上、尤其是平面式在第二侧面的棱边上设置的直流接头可实现功率半导体模块的扁平的结构，其中由电流分支的电流路径所围住的区块以及由此功率半导体模块的总电感相对于平面式构造的功率半导体模块减少。
在另一优选的实施方式中，第一直流接头包括第一导电弹簧装置，第二直流接头包括第二导电弹簧装置，中间电路电容被设置在第一弹簧装置与第二弹簧装置之间。中间电路电容可经由第一和第二弹簧装置与第一和第二直流接头连接。以该方式，相对于固定地、尤其是材料配合地将中间电路电容与直流接头连接，在运行期间功率半导体模块热膨胀时可提高功率半导体模块的机械稳定性。
在另一优选的实施方式中，平面式载体基板在第一主面上具有其中设置多个功率开关中的至少一个功率开关的第一金属化区域，在第二主面上具有其中设置至少一个另外的功率开关的第二金属化区域，其中，第一金属化区域经由穿过平面式载体基板延伸的电连接件与第二金属化区域导电连接。该所谓的穿孔电镀促成可实现第一和第二以及如果被提供的话还有第三子集的功率开关的对称设置和互联，使得由电流路径所形成的电感基本上相同大小。尤其地，通过穿孔电镀，在电流分支整流期间由电流路径所围绕的面相对于无穿孔电镀的功率半导体模块中的功率开关的设置和连接方案的所围成的面可减少，以及由此也减少相应的电感。
在另一优选的实施方式中，在电流分支中的至少一个电流分支中设置衰减电容，该衰减电容抵消干扰的高频或电压峰值。通过合并所谓的阻尼器，可进一步减少整流电感。此外，可限制功率开关上的电压上升率。
在另一优选的实施方式中，平面式载体基板在这些功率开关中的至少一个功率开关的一区域中具有冷却通道，冷却介质可流过该冷却通道以便冷却多个功率开关中的至少一个功率开关。这使得在功率半导体模块运行时功率开关中或上产生的热可被可靠地和有效地排出。如果第一主面上的功率开关相对于第二主面上的功率开关对称设置、即第一主面上的每个功率开关与第二主面上的对应功率开关对置，则该实施方式是特别有利的。在该情况下，用于引导冷却介质的冷却通道可用于至少两个彼此对置的功率开关的散热，由此使得冷却通道的数目相对于具有相同功率开关数目的平面式地构造的功率半导体模块可基本上减半。
替代地，第一主面上的功率开关相对于第二主面上的功率开关可偏移地设置。由此，由功率开关在模块运行时所产生的热被分布在更大的区块上并可实现更均匀的温度分布。
在另一优选的实施方式中，冷却通道在多个功率开关中的至少一个功率开关的区域中包括用于输送流过冷却通道的冷却介质的湍流的设施，使得当冷却介质以预定的冷却介质流条件、尤其是以预定的流速和/或黏度、或雷诺数流过至少一个冷却通道时，在多个功率开关的至少一个功率开关的区域中形成湍流并在另一区域中形成层流。由此，在功率半导体模块运行中在功率开关中产生的热可通过湍流特别有效地散热，而由于另外的具有基本上层流的区域使得相比于完全的湍流而言维持因此仅部分地湍流的流所需的能量可被减少。由此，功率半导体模块可有效地运行。
本发明的第二方面涉及一种用于制造根据本发明第一方面的功率半导体模块、尤其是用于运行车辆驱动器的驱动转换器模块的方法，该方法包括以下制造步骤：制造平面式载体基板，其具有第一和第二主面；提供多个功率开关；将多个功率开关中的至少一个功率开关安装和互连、尤其是接触在载体基板的第一主面上，并将多个功率开关中的至少一个另外的功率开关安装和互连、尤其是接触在载体基板的第二主面上，使得多个功率开关中的一个或多个功率开关的第一子集形成功率半导体模块的第一分支的一部分，第一分支在功率半导体模块的第一DC电压接头与AC电压接头之间延伸。此外，由此多个功率开关中的一个或多个功率开关的第二子集优选形成功率半导体模块的第二电流分支的一部分，第二电流分支在功率半导体模块的与第一DC电压接头相反极性的第二DC电压接头与AC电压接头之间延伸。第一电流分支和第二电流分支被连接到AC电压接头，使得它们一起构成并联连接于DC电压接头的半桥，其中，在两个电流分支的每个中由所配属的功率开关中的每个单个的功率开关来限定在两个直流电压接头之间延伸且对应于该功率开关的单个电流路径，并且在多个电流分支中的至少一个、优选每个电流分支内部，所配属的功率开关关于DC电压接头对称设置和连接为，使得在功率半导体模块高频运行中(优选地超过10kHz、特别优选地超过100kHz、尤其是超过1MHz)和/或在功率开关以高电压梯度运行中(优选地超过10V/ns、特别优选地超过100V/ns)在分别对应于多个功率开关中的一个的单个电流路径中和/或在多个电流分支中的至少一个电流分支中所形成的电流密度至少基本上均匀分布。
优选地，载体基板被金属化、尤其是通过施加铜层的方式。尤其地，可通过DCB过程(直接铜键合过程)、AMB过程(主动金属钎焊过程)、厚膜技术或快速成型或3D打印来施加金属化。
在优选的实施方式中，制造平面式载体基板的包括第一主面的第一基板部分和平面式载体基板的包括第二主面的第二基板部分。紧接着，可施加和互连功率开关，并且两个基板部分尤其是通过利用浆体、附着键合、焊接或烧结的后烧结可被接合在一起。由此，可借助制造装置将多个功率开关施加到载体基板的第一或第二主面上，制造装置被建立用于生产纯平面式功率半导体模块。
载体基板的第一和/或第二基板部分优选地包括以冷却介质可流过的冷却通道或分别包括冷却通道的一部分。因为两个基板部分被分开制造，所以冷却通道可容易地、尤其是在多个功率开关中的至少一个功率开关的区域中被提供用于输送湍流的设施。
在另一优选实施方式中，功率开关被施加到载体基板的第一主面和第二主面上并通过烧结被连接、尤其是接触。导电连接件、诸如键合线或引线框也可在功率开关之间施加到载体基板上和/或载体基板上的导电层上，或与功率开关和/或导电层通过烧结连接。在此过程中优选地，功率开关通过烧结而被导电地与载体基板上的金属化部、尤其是金属化区域连接。这相对于用于将功率开关与金属化部连接的焊接过程是有利的，因为通过在焊接时出现的载体基板的热可尤其是在相对置的载体基板主面上软化已经存在的焊层和/或焊点。
通过将功率半导体烧结到导电层的上表面，该导电层下侧与载体基板连接，可提供特别薄的模块，使得至少部分地由穿过模块的横截面所确定的电感特别小。
本发明的第三方面涉及一种车辆、尤其是机动车，其带有车辆驱动器，该车辆驱动器为了电流转换的目的而包括根据本发明第一方面的功率半导体模块。
关于本发明第一方面及其有利的设计方案所描述的特征和优点也可由本发明第二方面及其有利的设计方案实现，并反之亦然。
附图说明
参照附图从下面的说明中得出本发明的其他特征、优点和应用可能性，其中相同附图标记一贯地用于本发明的同一或彼此相应的元件。至少部分地示意性示出：
图1为功率半导体模块的实施例的侧视图；
图2为呈放卷形式的2级模块的实施例；
图3为T型逆变器的实施例；和
图4为I型逆变器的实施例。
具体实施方式
图1示出具有功率开关2的功率半导体模块1的实施例的侧视图，在此功率开关2每个被设置在一对应的电流分支3a、3b中。电流分支3a、3b在第一直流电压接头4a(诸如正接头)与平面式载体基板6的第一主面6a上的交流电压接头5之间延伸，或在第二直流电压接头4b(诸如负接头)与载体基板6的第二主面6b上的交流电压接头5之间延伸。
电流分支3a、3b由功率开关2和引入和引出的对应电线路(也就是说从功率开关2到DC电压接头4a、4b和AC电压接头5的电连接件)组成。引入和引出的电线路至少部分地由金属化部7、尤其是大约500μm厚的铜层构成，作为制造过程的部分该铜层被施加到由电绝缘材料制成的载体基板6上。
功率开关2、DC电压接头4a、4b和AC电压接头5可被焊接到金属化部7和/或由后者构成。相应的焊层8优选地具有40至120μm的厚度、优选地60至100μm、尤其是大约80μm的厚度。
替代地，功率开关2、DC电压接头4a、4b和AC电压接头5可通过烧结而被施加到金属化部7上。通过相应的烧结过程，可将载体基板6特别是容易地在两个主面6a、6b上提供前述组件，而不需要复杂的两侧焊接过程。
金属化部7优选地由每个主面6a、6b上的数个金属化区域7a、7b组成，金属化区域7a、7b可例如借助键合线9或引线框(未示出)彼此电连接。在优选的实施方式中，也可在电流分支3a、3b中包含有或设置有一个或多个衰减电容器(未示出)、诸如所谓的阻尼器。替代地或附加地，金属化区域7a、7b可经由被引导穿过载体基板6的导电连接件9’彼此电连接。
AC电压接头5被构造为连接板，该连接板包围载体基板6的第一侧面11a并分别在第一和第二主面6a、6b上接触金属化区域。替代地，AC电压接头5然而也可由第一侧面11a上的金属化区域构成，其围绕第一侧面11a与第一或第二主面6a、6b之间的棱边延伸。
在载体基板6的第二侧面11b上设有中间电路电容10、诸如电容器，第二侧面处于第一主面6a与第二主面6b之间并尤其是与第一侧面11a对置，中间电路电容一方面与第一DC电压接头4a并且另一方面与第二DC电压接头4b电连接。由此，在第一和第二主面6a、6b上设置的功率开关2与中间电路电容10一起构成半桥，其中，半桥的对应半部分别被设置在第一主面6a上和第二主面6b上。
图1所示的功率开关2、DC电压接头4a、4b、AC电压接头5和中间电路电容10的设置方案使得半桥的两个半部基本上彼此对称地构造，也就是说功率开关2和由键合线9制成的引入和引出线路和金属化区域或电流分支3a、3b关于点或轴线12基本上对称、尤其是镜像对称或旋转对称地设置。
在该设置方案中，功率半导体模块1关于功率开关2的数目可容易地设定规模，通过如下方式，即DC电压接头4a、4b、AC电压接头5和金属化部7相应地平面式地沿垂直于图平面的方向实施，使得数个功率开关2沿该方向可彼此相邻设置并可容易地并联电连接(参看例如图2)。因此，可使由此所形成的单个电流路径的电感(电流分支3a、3b共同形成其)保持相同和尤其是低，使得在单个电流路径中实现均匀的电流密度分布并且功率半导体模块在运行中可转换较高的功率。电流也不必沿垂直于图平面的方向被引导，由此在高频运行中也可避免垂直于图平面的平面中的电流集中。
为了能使用在高运行温度下工作的功率开关2，载体基板6包括数个冷却通道13，用于移除在功率半导体模块1运行中产生的热的冷却介质可流过冷却通道。
图2示出构造为2级模块的功率半导体模块1呈放卷形式的实施例，在此为了更好地示出，平面式载体基板的第一主面6a、第二主面6b和第一侧面11a“展开地”相邻示出。
载体基板在主面6a、6b和第一侧面11a上提供有金属化部7，使得形成不同的导电区域。在第一和第二主面6a、6b的每个上的一对应区域中设置有并联电连接的功率开关2，功率开关通过键合线9来与另外的金属化区域电连接。由键合线9跨越的区块7’被用作操控功率开关2，尤其是在使用场效应晶体管、IGBT和/或类似物作为功率开关2作为其栅极接点时。
区块7’也可被金属化。替代地，区块7’也可由与载体基板连接的、尤其是粘到载体基板上的电路板构成，电路板被设计用于操控功率开关2并且可与模块1外部的功率开关驱动器(未示出)连接。
第一主面6a上沿着载体基板的一棱边的金属化区域构成平面式第一DC电压接头4a，电流可从第一DC电压接头一致地经由在该区块中设置的功率开关2流到第一侧面11a。第一侧面11a上的金属化区域构成AC电压接头5。
同样地，金属化区域沿着载体基板的一棱边在第二主面6b上构成平面式第二DC电压接头4b，电流可从第二DC电压接头一致地经由第二主面6b上的功率开关2流到第一侧面11a。第一和第二DC电压接头4a、4b中的每个与对应的中间电路电容(未示出)电连接。
通过所示的DC电压接头4a、4b位于载体基板的彼此对置的主面6a、6b上的设置，可构成2级模块、尤其是B6逆变器，其具有数个并联连接的功率晶体管用于提高电流承载能力。由于第一和第二主面6a、6b上的对称设置，得出到功率晶体管的一致的电流分布，其中，模块的总电感由于扁平式结构(中间电路电容可在与第一侧面11a对置的第二侧面(未示出)上与DC电压接头4a、4b连接)而保持很低。
图3示出构造为T型逆变器的功率半导体模块1的实施例的平面图，在此又为了更好地示出，平面式载体基板的第一主面6a、第二主面6b和第一侧面11a被“展开地”相邻示出。
在该实施例中，载体基板的不同区块也设有金属化部7。金属化部7被施加为，使得沿着棱边在第一主面6a上构成第一DC电压接头4a、诸如正接头和第二DC电压接头4b、诸如负接头。DC电压接头4a、4b经由键合线9和功率开关2与第一主面6a上的另一金属化区域导电连接，该另一金属化区域合并到在第一侧面11a上设置并构成AC电压接头5的金属化区域中。
在第二主面6b上，一金属化区域构成第三DC电压接头4c、诸如关于正接头和负接头中性的接头，在该中性接头上在连接电机时在模块运行中基本上没有电压，该中性接头经由键合线9和功率开关2同样地与第二主面6b上的另一金属化区域导电连接，该另一金属化区域合并到第一侧面11a上的AC电压接头5中。被键合线9跨越的区块7’在此也构成用于操控功率开关2的接头，并且可由用于操控功率开关2的金属化部或电路板构成。
通过所示的设置，可构成3级模块、尤其是以T型拓扑学。
图4示出构造为I型逆变器的功率半导体模块1的实施例的平面图，在此又为了更好地示出，平面式载体基板的第一主面6a、第二主面6b和第一侧面11a被“展开地”相邻示出。
类似于图3和4所示的实施例，载体基板被金属化，使得在载体基板的第一主面6a、第二主面6b和第一侧面11a上构成不同的能传导的区块。
在第一主面6a上，金属化部7沿着载体基板的一棱边构成第一DC电压接头4a、诸如正接头，正接头经由键合线9和功率开关2与第一主面6a上的另一金属化区域导电连接，另一金属化区域合并到第一侧面11a上的金属化区域中。第一侧面11a上的金属化部7构成AC电压接头5。
在第二主面6b上，金属化部7沿着载体基板的一棱边构成第二DC电压接头4b、诸如负接头，负接头经由键合线9和功率开关2与第二主面6b上的另一金属化区域导电连接。另一金属化区域合并到第一侧面11a上的AC电压接头5中。
在第一主面6a上设置另一金属化区域，该另一金属化区域在第一侧面11a上方延伸到第二主面6b并构成第三DC电压接头4c、诸如关于正接头和负接头中性的接头。第三DC电压接头4c经由键合线9、二极管2’和功率开关2同样地与AC电压接头5导电连接。
通过所示的设置，可构成3级模块、尤其是以I型拓扑学。在所示金属化区域之间延伸并用于控制功率开关2的栅极的电路板，为清楚起见未示出。
尽管在前面的描述中对至少一个示例性的实施例进行了说明，但是应该理解还可能存在许多的变型。还应该注意的是，这些示例性的实施例仅仅是举例，其不应以任何方式限制在此所描述的设备和方法的保护范围、应用和构造。更确切地说，通过前面的描述将指导本领域技术人员对至少一个示例性的实施方式进行转化，其中，在不脱离所附权利要求中分别确定的主题及其等效的情况下，关于示例性实施方式所述的部件的功能和设置可以有各种变化。
附图标记列表
1 功率半导体模块
2 功率开关
3a，3b 电流分支
4a，4b，4c 第一、第二、第三DC电压接头
5 AC电压接头
6 载体基板
6a，6b 第一和第二主面
7 金属化部
8 焊层
9 键合线
10 中间电路电容
11a，11b 第一和第二侧面
12 对称点
13 冷却通道

Claims (15)

1.一种功率半导体模块(1)、尤其是用以运行车辆驱动器的驱动转换器模块，包括：
电绝缘的平面式载体基板(6)，其具有第一主面和第二主面(6a，6b)；
桥电路(14)，其包括多个功率开关(2)；
其中，所述多个功率开关(2)中的一个或多个功率开关的第一子集是所述功率半导体模块(1)的第一电流分支(3a)的一部分，所述第一电流分支在所述功率半导体模块(1)的第一DC电压接头(4a)与AC电压接头(5)之间延伸；和
所述多个功率开关(2)中的一个或多个功率开关(2)的第二子集是所述功率半导体模块(1)的第二电流分支(3b)的一部分，所述第二电流分支在所述功率半导体模块(1)的与所述第一DC电压接头(4a)极性相反的第二DC电压接头(4b)与所述AC电压接头(5)之间延伸；
其中，所述第一电流分支(3a)和所述第二电流分支(3b)与所述AC电压接头(5)电连接为，使得它们一起构成与所述DC电压接头(4a，4b)并联连接的半桥；
其中，在两个电流分支(3a，3b)的每个中，通过所配属的功率开关(2)中的每个单个功率开关来限定单个电流路径，所述单个电流路径在两个所述DC电压接头(4a，4b)之间延伸并对应于该功率开关(2)；和
其中，在所述电流分支内(3a，3b)内部，所配属的功率开关(2)关于所述DC电压接头(4a，4b)对称设置并被连接为，使得在所述功率半导体模块(1)优选地在超过10kHz时、特别优选地在超过100kHz时、特别是在超过1MHz时的高频运行期间，和/或在所述功率开关以优选地超过10V/ns、特别是超过100V/ns的高电压梯度的运行期间，在分别对应于所述多个功率开关(2)中的一个的所述单个电流路径中形成的电流密度至少基本上均匀地分布；和
所述多个功率开关(2)中的至少一个被设置在所述载体基板(6)的第一主面(6a)上，所述多个功率开关(2)中的至少一个另外的被设置在所述载体基板(6)的第二主面(6b)上。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其中，所述多个功率开关(2)中的一个或多个功率开关的第一子集被设置在所述平面式载体基板(6)的第一主面(6a)上，所述多个功率开关(2)中的一个或多个功率开关的第二子集被设置在所述平面式载体基板(6)的第二主面(6b)上。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其中，所述多个功率开关(2)中的一个或多个功率开关的第三子集是所述功率半导体模块(1)的第三电流分支的一部分，所述第三电流分支在所述功率半导体模块(1)的具有相对于所述第一DC电压接头和第二DC电压接头(4a，4b)而言中性极性的第三DC电压接头(4c)与所述AC电压接头(5)之间延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，所述第一子集包括所述多个功率开关(2)中的两个或更多个功率开关，这些功率开关在电学上彼此并联连接，并且所述第二子集包括所述多个功率开关(2)中的两个或更多个功率开关，这些功率开关在电学上彼此并联连接，并且如果提供的话，所述第三子集包括所述多个功率开关(2)中的两个或更多个功率开关，这些功率开关在电学上彼此并联连接，并且在所述电流分支中的至少一个电流分支内部，所配属的功率开关(2)关于所述DC电压接头(4a，4b)对称设置并被连接为，使得由分别配属于每个单个功率开关(2)的所述电流路径所形成的电感彼此之间至少基本上相同。
5.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，所述第一DC电压接头(4a)平面式地沿着所述第一主面(6a)的第一棱边设置，所述第二DC电压接头(4b)平面式地沿着与所述第一主面(6a)的第一棱边对置的所述第二主面(6b)的第二棱边设置。
6.根据权利要求4所述的功率半导体模块(1)，其中，所述多个功率开关(2)中的两个或更多个功率开关的第一子集和来自所述多个功率开关(2)中的两个或更多个功率开关的第三子集的至少一个功率开关(2)被设置在所述平面式载体基板(6)的第一主面(6a)上，所述多个功率开关(2)中的两个或更多个功率开关的第二子集和来自所述多个功率开关(2)中的两个或更多个功率开关的第三子集的至少一个功率开关(2)被设置在所述平面式载体基板(6)的第二主面(6b)上。
7.根据权利要求4所述的功率半导体模块(1)，其中，所述多个功率开关(2)中的两个或更多个功率开关的第一子集和第二子集被设置在所述平面式载体基板(6)的第一主面(6a)上，所述多个功率开关(2)中的两个或更多个功率开关的第三子集被设置在所述平面式载体基板(6)的第二主面(6b)上。
8.根据权利要求7所述的功率半导体模块(1)，其中，所述第一DC电压接头和第二DC电压接头(4a，4b)平面式地沿着所述主面(6a，6b)中的一主面的一棱边并排设置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，所述载体基板(6)在所述第一主面与第二主面(6a，6b)之间具有第一侧面(11a)，在所述第一侧面(11a)上设置交流电接头(5)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块，其中，所述载体基板(6)在所述第一主面与第二主面(6a，6b)之间具有第二侧面(11b)，在所述第二侧面(11b)上能设置中间电路电容(10)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，所述平面式载体基板(6)在所述第一主面(6a)上具有其中设置所述多个功率开关(2)中的至少一个功率开关的金属化第一区域(7a)，并在所述第二主面(6b)上具有其中设置所述多个功率开关(2)中至少一个另外的功率开关的金属化第二区域(7b)，并且其中，所述第一金属化区域(7a)经由穿过所述平面式载体基板(6)延伸的电连接件(9')与所述第二金属化区域(7b)导电连接。
12.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块(1)，其中，所述平面式载体基板(6)在所述多个功率开关(2)中的至少一个功率开关的一区域中具有冷却通道(13)，冷却介质能流过所述冷却通道用于冷却所述多个功率开关(2)中的该至少一个功率开关。
13.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体模块(1)、尤其是用于运行车辆驱动器的驱动转换器模块的制造方法，该方法包括以下制造步骤：
制造电绝缘的平面式载体基板(6)，其具有第一主面和第二主面(6a，6b)；
提供多个功率开关(2)；以及
将所述多个功率开关(2)中的至少一个功率开关安装和互连在所述载体基板(6)的第一主面(6a)上，并将所述多个功率开关(2)中的至少一个另外的功率开关安装和互连在所述载体基板(6)的第二主面(6b)上，使得
所述多个功率开关(2)中的一个或多个功率开关的第一子集形成所述功率半导体模块(1)的第一电流分支(3a)的一部分，所述第一电流分支(3a)在所述功率半导体模块(1)的第一DC电压接头(4a)与AC电压接头(5)之间延伸；
所述多个功率开关(2)中的一个或多个功率开关的第二子集形成所述功率半导体模块(1)的第二电流分支(3b)的一部分，所述第二电流分支(3b)在所述功率半导体模块(1)的与所述第一DC电压接头(4a)极性相反的第二DC电压接头(4b)与所述AC电压接头(5)之间延伸；
所述第一电流分支(3a)和所述第二电流分支(3b)与所述AC电压接头(5)连接为，使得它们一起构成与所述DC电压接头(4a，4b)并联连接的半桥；其中，
在两个电流分支(3a，3b)的每个中，通过所配属的功率开关(2)中的每个单个功率开关来限定单个电流路径，所述单个电流路径在所述中间电路电容(10)的两个接头之间延伸且对应于该功率开关(2)；和
其中，在所述电流分支(3a，3b)内部，所配属的功率开关(2)关于所述DC电压接头(4a，4b)对称设置并被连接为，使得在所述功率半导体模块(1)优选地在超过10kHz时、特别优选地在超过100kHz时、特别是在超过1MHz时的高频运行期间，和/或在所述功率开关以优选地超过10V/ns、特别是超过100V/ns的高电压梯度的运行期间，在分别对应于所述多个功率开关(2)中的一个功率开关的所述单个电流路径中形成的电流密度至少基本上均匀地分布。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其中，将所述功率开关(2)施加到所述载体基板(6)的第一主面(6a)和第二主面(6b)上并通过烧结连接。
15.一种车辆、尤其是机动车，其具有车辆驱动器，所述车辆驱动器通过根据权利要求1至12中任一项所述的功率半导体模块(1)来运行。
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