CN111095550A - 具有夹持特征的功率模块和功率模块组件 - Google Patents

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Abstract

披露了一种功率模块(200)。该功率模块(200)包括：底板(210)；电子部件(230)，该电子部件安装在该底板(210)的顶表面上；以及主体(220)，该主体封装该电子部件(230)和该底板(210)。该主体(220)被配置或设计成使得该底板(210)的顶表面的一部分是从外部可触及的。还披露了一种包括至少一个功率模块(200)的功率模块组件。该功率模块组件进一步包括：基板(400)，该基板上设置有该功率模块(200)；以及至少一个夹持装置(300)，该夹持装置被配置用于在该底板(210)的顶表面的一部分上进行夹持，并且将该功率模块(200)固定到该基板(400)。

Description

具有夹持特征的功率模块和功率模块组件
技术领域
本披露涉及一种电气装置、并且具体地涉及一种具有夹持特征的功率模块、一种功率模块组件以及包括该功率模块的电气装置。
背景技术
客户对工业和汽车应用的电气和机械要求越来越多。功率模块用于不同种类的电气装置中。在诸如逆变器等电气装置中，用于模制功率模块的空间越来越小。
常规地，通过诸如螺钉或螺栓等固定构件将功率模块固定安装在基板上。通常，固定构件需要穿过功率模块的相应固定部分，以将功率模块固定在基板上。固定部分占据空间，使得电气装置中需要更多空间。此外，在需要多个功率模块的情况下，这些固定零件使得无法紧凑地布置这些功率模块。
在图1和图2中示出了一种解决方案。功率模块100包括底板110和设置在底板100上的模制主体120，该模制主体密封或封装布置在底板110上的诸如芯片等电子部件(未示出)。为了将功率模块固定到基板(未示出)上，提供了可以与底板110集成的固定部分130。固定部分130中的每一个可以设置有孔，固定构件140可以穿过该孔。然后，可以将固定构件140固定到基板，从而使得可以将功率模块100固定到基板。
为了将多个功率模块100紧凑地安装在基板上，沿着底板110的两侧以交错布置来形成固定部分130。以这种方式，当将多个功率模块100固定到基板上时，可以将一个功率模块100的固定部分与相邻功率模块100的固定部分交替地布置，如图2所示。
然而，提供固定部分显著增加了制造底板和功率模块的成本。进一步地，每个功率模块需要设置有若干固定部分以将该功率模块牢固地安装到基板，并且因此，安装功率模块是费时的。
需要一种解决方案，通过该解决方案可以方便且紧凑地安装功率模块。
发明内容
已经作出了本披露以克服或减轻上述缺点中的至少一个方面。
在本披露的一个方面，提供了一种功率模块。
在示例性实施例中，该功率模块可以包括：底板；电子部件，该电子部件安装在该底板的顶表面上；以及主体，该主体封装该电子部件和该底板。该底板的顶表面的一部分是从外部可触及的。“外部可触及”是指底板的顶表面的暴露部分可以由不是该功率模块本身的一部分的另一部件或工具从前述功率模块的外部触及。
在另一实施例中，该主体可以被模制在该底板上，并且在该主体中设置有至少一个开口，使得该底板的顶表面的一部分可从该开口触及。
在又一个实施例中，该底板可以包括金属。可以使用诸如铜、铝或不锈钢等这类金属，或者这类金属的混合物或合金。金属底板的优点包括能够将热量从安装在其上的任何电子部件快速地传导到冷却器或散热器。另外，金属底板将为形成功率模块的一部分的电子部件形成稳定、坚固且刚性的安装位置。
在又另一个实施例中，该主体可以完整地封装该电子部件，并且部分地封装该底板。这种形式的封装能够保护电子部件免受诸如潮湿、腐蚀和灰尘等外部环境负面后果的影响。底板的部分封装产生稳定且刚性的封装，从而导致功率模块的稳定性的提高和使用寿命的延长。该主体可以有利地包括硬模材料。这种硬模材料可以包括塑料材料、环氧树脂材料、或者可以以液体形式或双组分(two-part)形式施加并且将变硬以形成固体的聚合物材料。
在仍另一实施例中，可能不存在从该底板的暴露的顶表面延伸到该底板的底表面的孔口。这类孔口(例如采用螺栓孔的形式)可以在现有技术模块中用于通过该孔口插入固定装置(诸如螺栓)，并且然后该固定装置用于在底板与该底板被固定到的任何基板之间施加压力。在本发明中，这类孔口不是必需的，因为可以在主体的开口内应用在底板的顶表面上施加压力的夹持件。这种固定底板的夹持方法在功率模块组件的生产方面具有明显的优势，因为由于不需要通过螺栓孔来安装任何螺栓因而可以使组装更快速，并且使用夹持件允许更紧密地组装单独的功率模块以形成功率模块组件。在体积受限的应用中，此节省空间的方面可能是至关重要的。
在仍又一个实施例中，该开口可以包括在主体的边缘中形成的凹部或在主体中形成的孔。
在仍又另一个实施例中，多个开口可以在该主体中对称地分布。
在本披露的另一方面，提供了一种功率模块组件。
在示例性实施例中，该功率模块组件可以包括：至少一个根据上述实施例中任一项所述的功率模块；基板，该基板上设置有该功率模块；以及至少一个夹持装置，该夹持装置被配置用于在该底板的顶表面的一部分上进行夹持，并且将该功率模块固定到该基板。
在另一实施例中，该主体可以被模制在该底板上，并且在该主体中设置有至少一个开口，使得该底板的顶表面的一部分可从该开口触及；并且该夹持装置可以包括夹持构件，该夹持构件具有突出部，该突出部延伸到该开口中并且被夹持在该底板的上表面的可触及部分上。
在又一个实施例中，该夹持装置进一步包括固定构件，该固定构件被配置用于将该夹持构件固定到该基板。
在又另一个实施例中，多个功率模块并排布置，并且该夹持装置位于两个相邻的功率模块之间并且被夹持在这两个相邻的功率模块的可触及部分上。
在仍另一个实施例中，多个功率模块被布置成阵列，该夹持装置位于这些功率模块的两个相邻列之间，并且其中，该夹持装置沿着这两个相邻列延伸并且被夹持在这两个相邻列中的功率模块的可触及部分上。
在仍又一个实施例中，可以在不使用穿过该底板中的孔口的夹持装置的情况下实现将该功率模块固定到该基板。这类孔口(例如采用螺栓孔的形式)可以在现有技术模块中用于通过该孔口插入固定装置(诸如螺栓)，并且然后该固定装置用于在底板与该底板被固定到的任何基板之间施加压力。如上文所讨论的，在本发明中，这类孔口不是必需的，因为可以在主体的开口内应用在底板的顶表面上施加压力的夹持件。上文也已经讨论了这样的系统的优势。
附图说明
通过参照附图对本披露的详细示例性实施例进行描述，本披露的以上和其他特征将变得更加明显，在附图中：
图1是现有功率模块的说明性透视图；
图2是示出了多个图1的功率模块的布置的说明性透视图；
图3是根据本披露的实施例的功率模块的说明性俯视图；
图4是沿图3的线A-A截取的说明性放大截面视图；
图5是示出了并排安装的两个图3的功率模块的说明性俯视图；
图6是沿图5的线B-B截取的说明性截面视图；
图7是示出了根据本披露的实施例的布置成阵列的四个功率模块的说明性俯视图；
图8是根据本披露的另一实施例的功率模块的说明性俯视图；
图9是根据本披露的又一实施例的功率模块的说明性俯视图；
图10是沿图9的线C-C截取的说明性截面视图；
图11是图9和图10的功率模块的说明性透视图，其中示出了与功率模块组装在一起的夹持构件；并且
图12是沿图11的线D-D截取的说明性截面视图。
具体实施方式
在下文中将详细参照附图对本披露的示例性实施例进行描述，其中相似的附图标记指代相似的元件。然而，本披露可以通过许多不同的形式来实现并且不应被解释为局限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本披露将是透彻和完整的，并且将为本领域的技术人员完整地传达本披露的概念。
图3和图4示出了本披露的实施例中的功率模块。功率模块200包括底板210、安装在底板210的顶表面上的电子部件230、以及封装电子部件230和底板210的主体220。如图3和图4所示，底板的顶表面的一部分从主体220暴露，因而可从外部触及。术语“可从外部触及”是指底板的顶表面的暴露部分可以由不是该功率模块本身的一部分的另一部件或工具从功率模块200的外部触及。利用此特征，可以将夹持装置(将在下文中对其进行详细描述)用于在底板200的顶表面的暴露或可触及部分上进行夹持，并且从而可以将功率模块200固定地安装到基板400(图6)、冷却器、电路板或其他安装表面。
为了使底板200的顶表面的一部分暴露，通常被模制在底板上并且封装底板的顶表面和侧表面的主体可以设置有至少一个开口221，从而使得底板的顶表面的一部分可从开口221触及。
开口221可以采用在主体220的边缘中形成的凹部2211的形式。在另一实施例中，开口221可以采用在主体220中形成的孔2212的形式，这将在下文中进行详细描述。本领域普通技术人员可以预期的是，可以在将主体模制在底板上的同时形成凹部或孔。因此，可以使用适当的模具来形成具有凹部或孔的模制主体。可以理解的是，根据实际情况或需要，可以在主体中形成一个或多个凹部2211。在图3和图4所示的实施例中，提供了四个凹部2211，这些凹部2211中的两个在主体220的一侧或边缘中形成，并且这些凹部2211中的另外两个在主体220的相反侧或边缘中形成。这四个凹部2211在主体220的两个相反侧上对称地形成。在图8中所示的另一实施例中，两个凹部2211分别设置在主体220的两个相反边缘中。应当注意的是，通常，在功率模块的一侧或两个相反侧上设置有要连接到电路、其他模块、其他部件等的连接件或端子240，如图3所示。在这种条件下，可以在主体的设置有连接件或端子的侧面之外的一侧或两个相反侧中形成凹部。
凹部2211可以以不同的形状形成。例如，每个凹部2211可以呈圆角矩形的形状，如图3、图4和图8所示。在其他示例中，每个凹部可以呈半圆形、半椭圆形、矩形等形状。凹部2211的形状可以根据封装在主体中的电子部件230的形状或电子部件230所占据的区域来确定。
应当注意的是，可以根据实际需要在主体220中封装一个或多个电子部件230。电子部件可以采用半导体功率开关的形式，诸如，绝缘栅双极型晶体管(IBGT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或在本领域中众所周知的其他有源或无源部件。这类部件230可以安装在某些形式的电路板250上，诸如，直接敷铜(DCB)基板或直接敷铝(DAB)基板、印刷电路板或在本领域中众所周知的其他形式的安装件。如图4所示，电路板250也设置在底板210的顶表面上，并且被主体220封装。这种安装形式的替代方案还可以包括将电子部件直接固定在底板上、或者固定在引线框架上，该引线框架进而直接或间接地连接到底板。
本实施例中披露的功率模块不需要在底板上设置具有安装孔的安装部分，因此减小了功率模块的横向尺寸。如果应用需要并排安装多于一个功率模块，则横向尺寸的减小是一个巨大的优势。进一步地，密封小底板比密封较大底板更加容易，因为小底板不太可能发生翘曲。更进一步地，在底板上没有安装孔的情况下，更容易制造该底板。
图5和图6示出了通过夹持装置300来并排地安装两个功率模块。如图所示，每个夹持装置300包括夹持构件310和固定构件320。夹持构件310可以具有板形主体，该板形主体设置有至少一个突出部311，该突出部311延伸到相应凹部2211中并且压在底板210的顶表面的相应暴露部分上。夹持构件310设置有孔，固定构件320可以穿过该孔并且将夹持构件310固定到基板400。固定构件320可以是例如螺钉或螺栓，可以使该固定构件穿过夹持构件310的孔并且固定到在基板400中形成的孔。
可以理解的是，突出部311可以具有不同的形状，但是优选地，突出部311的形状与凹部2211的形状一致或互补。
仍然参照图5和图6，可以看出中心夹持装置300用于夹持彼此相邻布置的这两个功率模块200。中心夹持装置300的夹持构件310设置有四个突出部311，这四个突出部延伸到四个凹部2211中，这些凹部中的两个在上部功率模块200中形成，并且另外两个在下部功率模块200中形成。上部夹持装置和下部夹持装置300可以具有与中心夹持装置300不同的配置。如图5所示，上部夹持装置和下部夹持装置300中的每一个仅在其一侧具有两个突出部311。
本领域普通技术人员可以理解的是，在将多个功率模块200布置成排或者阵列时也可以应用图5和图6示出的概念。为了简化起见，功率模块200被表示为矩形块。图7示出了布置成2×2阵列的四个功率模块200。如图7所示，一个夹持装置300位于这些功率模块200的两个相邻列之间，并且夹持装置300具有沿着这两列延伸的夹持构件310。每个功率模块200在其与夹持装置300相邻的一侧设置有两个凹部，并且夹持构件310设置有八个突出部311，这些突出部分别延伸到八个凹部中并且被夹持在与夹持构件310相邻的功率模块200的底板的相应暴露部分上。夹持构件310通过两个固定构件320固定到基板(未示出)，这些固定构件中的每一个位于两个相邻的功率模块200之间。
本领域普通技术人员还可以理解的是，可能存在位于上列功率模块的上侧处的上部夹持装置以及位于下列功率模块的下侧处的下部夹持装置，并且上部夹持装置和下部夹持装置中的每一个可以被配置为与图5示出的夹持装置相似，或者与图7示出的夹持装置相似，但是仅在其一侧设置有突出部。
利用图7示出的布置，可以显著减少用于功率模块的夹持装置的数量，从而可以降低用于夹持装置的成本。此外，可以通过夹持装置将功率模块彼此更靠近地布置并固定在一起，从而使得系统可以更加紧凑。通常，在如同现有技术功率模块中那样未使用夹持装置的情况下，固定构件需要穿过功率模块的相应固定部分以将该功率模块固定到基板上。固定部分占据空间，使得电气装置中需要更多空间。
图9和图10示出了根据本披露另一实施例的功率模块，并且图11和图12示出了该功率模块与夹持构件组装在一起。
参照图9和图10，功率模块200的类型与图3所示的功率模块的类型不同。然而，功率模块200的总体配置与图3所示的功率模块相似。这两种功率模块200之间的区别在于，图9和图10的功率模块200的开口221采用了不同的形式。如图9和图10所示，主体220中设置有六个孔2212，并且底板210的顶表面的部分可从孔2212触及。尽管图9中所示的孔2212是圆形孔，但是本领域普通技术人员可以理解的是，这些孔可以具有不同的形状。此外，根据实际条件(诸如功率模块的大小)，可能存在更多或更少的孔。
六个孔2212被对称地定位在功率模块200的主体220的两个相反侧附近。然而，孔的位置可以不同。例如，如果封装在主体220中的四个电子部件位于主体的四个象限处并且这些电子部件之间的距离足够，则一个或多个孔可以位于主体220的中心。孔的位置可以基于实际情况来确定。
然后，构造夹持装置300以适应功率模块200的配置。如图11和图12所示，夹持构件310被配置为在主体220的边缘部分上方延伸并且覆盖孔2212。夹持构件310设置有突出部311，该突出部在与孔2212的位置对准的位置处从夹持构件310的底表面向下延伸，穿过孔2212，并且压靠功率模块200的底板210的上表面。应当理解的是，可以在功率模块200的相反侧设置另一夹持构件。
本领域普通技术人员可以理解的是，图5至图7中所示的概念也可以应用于图9至图12所示的实施例。具体而言，图10所示的夹持构件310可以被配置为在并排布置的两个相邻功率模块的边缘部分上方延伸并覆盖这两个功率模块的孔，并且夹持构件310可以在其底表面设置有分别延伸到这两个功率模块的孔中的向下突出部。进一步地，夹持构件可以被配置为沿着功率模块阵列的两列延伸，并且用于夹持布置在列中的功率模块。
尽管已经示出和描述了若干示例性实施例，但本领域的技术人员将理解的是，在不脱离本披露的原理和精神的情况下，可以对这些实施例做出多种不同改变或修改，本披露的范围是在权利要求及其等效物中限定的。
附图标记列表
100： 功率模块
110： 底板
120： 模制主体
130： 固定部分
140： 固定构件
200： 功率模块
210： 底板
220： 模制主体
221： 开口
2211： 凹部
2212： 孔
230： 电子部件
240： 端子/连接件
250： 电路板
300： 夹持装置
310： 夹持构件
311： 突出部
320： 固定构件
400： 基板

Claims (15)

1.一种功率模块(200)，包括：
底板(210)；
电子部件(230)，该电子部件安装在该底板(210)的顶表面上；以及
主体(220)，该主体封装该电子部件(230)和该底板(210)，
其中，该底板(210)的顶表面的一部分是从外部可触及的。
2.根据权利要求1所述的功率模块(200)，其中，该主体(220)被模制在该底板(210)上，并且在该主体中设置有至少一个开口(221)，使得该底板(210)的顶表面的一部分可从该开口(221)触及。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的功率模块(200)，其中，该底板(210)包括金属。
4.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(200)，其中，该主体(220)完整地封装该电子部件(230)，并且部分地封装该底板(210)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(200)，其中，该主体(220)包括硬模材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(200)，其中，未设置从该底板(210)的暴露的顶表面延伸到该底板(210)的底表面的孔口。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的功率模块(200)，其中，该开口(221)包括在该主体(220)的边缘中形成的凹部(2211)。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的功率模块(200)，其中，该开口(221)包括在该主体(220)中形成的孔(2212)。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的功率模块(200)，其中，多个开口(221)在该主体(220)中对称地分布。
10.一种功率模块组件，包括：
至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的功率模块(200)；
基板(400)，该基板上设置有该功率模块(200)；以及
至少一个夹持装置(300)，该夹持装置被配置用于在该底板(210)的顶表面的一部分上进行夹持，并且将该功率模块(200)固定到该基板(400)。
11.根据权利要求10所述的功率模块组件，其中，该主体(220)被模制在该底板(210)上，并且在该主体中设置有至少一个开口(221)，使得该底板(210)的顶表面的一部分可从该开口触及；以及
该夹持装置(300)包括夹持构件(310)，该夹持构件具有突出部(311)，该突出部延伸到该开口(221)中并且被夹持在该底板(210)的上表面的可触及部分上。
12.根据权利要求11所述的功率模块组件，其中，该夹持装置(300)进一步包括固定构件(320)，该固定构件被配置用于将该夹持构件(310)固定到该基板(400)。
13.根据权利要求10所述的功率模块组件，其中，多个功率模块(200)并排布置，并且该夹持装置(300)位于两个相邻的功率模块(200)之间并且被夹持在这两个相邻的功率模块(200)的可触及部分上。
14.根据权利要求10所述的功率模块组件，其中，多个功率模块(200)被布置成阵列，该夹持装置(300)位于这些功率模块(200)的两个相邻列之间，并且其中，该夹持装置(300)沿着这两个相邻列延伸并且被夹持在两个相邻列中的功率模块(200)的可触及部分上。
15.根据权利要求10所述的功率模块组件，其中，在不使用穿过该底板(210)中的孔口的夹持装置(300)的情况下实现将该功率模块(200)固定到该基板(400)。
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