CN111883523A - 半导体构件、机动车和用于制造半导体构件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体构件，包括支承框架(2)和安装在该支承框架(2)上的至少一个半导体模块(3)，其中所述支承框架(2)具有相应的缺口(6)，所述半导体模块(3)的基板(4)支撑在所述缺口的边缘(7)上，其中所述基板(4)与所述支承框架(2)钎焊连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体构件，其包括支承框架和安装在该支承框架上的至少一个半导体模块。此外，本发明涉及一种用于制造半导体构件的方法和一种机动车。
背景技术
为了借助于直流电流来驱动三相电机或者为了借助于三相发电机来提供直流电流，可以使用由半导体开关构成的三相逆变器或整流器。在此，可以将整个桥式电路构造为封装构件，该封装构件随后例如可以装配在冷却体或类似物上。但当各个半导体构件应通过烧结与基底连接时，将整个桥电路构造为单个模块有较大的经济风险，因为各个部件在此不能被单独连接和检测。在烧结时产生的压力通常会破坏相应的引线钎焊连接。
然而，如果使用更小的组件，则为所有半导体开关提供公共冷却成本较高。例如，在文献US 2003/0053298 A1中公开的对电构件的冷却中，承载着构件的基板与构成冷却通道的部件焊接接。然而，由于在焊接过程中出现的高温，焊接接位置应该离易损的半导体构件相对远，使得所得到的结构可能不必要地被构造得很大或者需要相对复杂的结构。此外，确保焊接连接在其整个长度上被流体密封的成本较高。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种半导体构件的与之相比得到改进的结构，所述半导体构件能够包括多个半导体模块，其中尤其应实现对于半导体构件的良好的冷却性。
根据本发明，该目的通过开头所述类型的半导体构件来实现，其中，支承框架具有相应的缺口，半导体模块的基板支撑在缺口的边缘上，其中，基板与支承框架钎焊连接。
与将部件焊接相比，在钎焊连接的情况下，还有在硬钎焊的情况下，通过选择具有合适熔点的钎料，可以在显著更低的温度下工作。此外，在根据本发明的半导体构件中，基板和支承框架在钎焊连接区域中优选面式地/整面地彼此上下叠置，使得液化的钎料通过在两个上下叠置的板状区域之间起作用的毛细作用被吸入到中间空间中。由此，以简单的措施实现稳固的流体密封性。如将在下面更详细地解释的，这可以用于通过基板和支承框架共同将用于输送例如液态冷却剂的流体通道密封。由此可以实现对各个半导体模块的非常好的冷却。换句话说建议，基板和支承框架通过布置在其间的钎料来材料接合地连接。钎焊特别是可以通过激光钎焊或激光硬焊来实现。基板尤其承载基底，所述基底又承载半导体部件，例如半导体芯片。
半导体模块尤其是在周侧全面都以其边缘支撑在缺口的边缘上。因此，通过全面地钎焊连接，所述缺口可以通过相应的基板完全封闭，这如上所述地特别是可以用于形成冷却通道。基板可以至少在其支撑在缺口边缘上的区域中的一个区段上与支承框架钎焊在一起。因此，使用搭接连接。
基板的将基板与支承框架钎焊连接的区段可以完全围绕基板的具有凸起的区域延伸和/或可以完全围绕支承框架的相应的缺口延伸，该凸起延伸穿过支承框架的相应的缺口。基板的凸起尤其可以是散热片，所述散热片在半导体构件运行时优选持久地与冷却流体接触。例如，这些散热片或凸起可以伸入到引导冷却流体(例如冷却液体)的冷却通道中。通过包围布置有散热片的区域或者包围整个缺口，可以确保，缺口被基板和钎焊连接共同完全密封。
通过支承框架、至少一个半导体模块的相应的基板和封闭元件可以形成流体通道，该流体通道除了冷却流体入口和冷却流体出口外都流体密封地全面封闭。例如，流体通道可以相对于特定的冷却流体(例如水或油)是流体密封的。因此，封闭元件可以形成用于冷却通道的一种盖，其中，封闭元件尤其可以形成冷却流体入口和冷却流体出口并且在边缘区域中可以与支承框架的边缘区域在各个面上都连接或者类似于此。
封闭元件可以与支承框架钎焊连接或熔接。如上所述，通过钎焊可以特别简单地并且在相对低的温度下建立流体密封的连接。然而，因为连接点通常比支承框架与基板的连接点距离半导体构件或半导体模块的半导体部件更远，所以也可以利用更高的温度并且可以进行熔接。
基板可以利用熔点为至少450℃的钎料与支承框架钎焊连接。换句话说，基板和支承框架可以通过硬钎焊连接。由此可以实现特别牢固的连接，而尽管如此所需要的连接温度却比熔接过程中更低，并且此外如上面所述那样可以更容易地实现流体密封性。具体地，钎料可具有低于基板和支承框架的材料的熔点。原则上，钎焊连接过程因此可以在基板或支承框架的材料没有熔化的情况下进行。但如稍后还要阐述的那样，这些材料也可以至少局部熔化。
相应的半导体模块的半导体部件可以通过烧结与基板或者与安装在基板上的基底来安装，和/或半导体模块可以通过浇注材料来浇注。如已经在开头所阐述的那样，有利的是，通过烧结制造的半导体模块具有相对小的复杂性。通过半导体模块的根据本发明的结构，多个单独构造的半导体模块能够以小的耗费组合成可良好冷却的半导体构件。因此，能够使用具有相对低的复杂性的烧结的半导体模块。
各个半导体模块的浇注例如可以通过压力注塑(也称为树脂传递模塑来进行，然而也可以例如通过喷射注塑或类似方法来进行。尤其是不将单独的壳体与基底或基板粘接，而是尤其是在烧结各个部件或接合各个部件之后直接浇注半导体模块。浇注材料可以除了基板的露出的接触面和露出的侧面之外在所有侧上都封闭半导体模块。在此，接触面尤其可以是向外伸出的接触部/触点。
半导体模块尤其可以包括至少一个半导体芯片，该半导体芯片布置在基底上或布置在基板上。基底背离半导体芯片的一侧可以与基板连接。基底的背离基底或半导体芯片的一侧可以在周侧具有边缘区域，在该边缘区域中，所述侧支撑在支承框架上。在基板的该侧面的由该区域包围的内部区域中可以布置凸起或者说散热片。支撑在支承框架上的部分可以完全包围所述内部区域。
支承框架可由铝或铝合金制成。补充地或替代地，基板可以由铜或铝或由在铝基质中接纳了碳化硅颗粒的复合材料制成。如果使用由铜制成的基板，则该基板尤其可以镀镍。当上述复合材料用作基板时，进行钎焊的区域可以具有富铝层，以便于形成牢固的钎焊连接。该富铝层的层厚度可以例如为0.5mm或更大。通过基板或支承框架的所述设计，特别地可以实现的是，基板的热膨胀特性在很大程度上与安装在其上的基底的热膨胀特性相一致，其中特别是可以实现良好的热输出。
半导体模块可以是半桥，和/或半导体构件可以是尤其三相的桥式逆变器或桥式整流器。桥式逆变器或桥式整流器可以在其功率部件方面、即在半导体模块方面是结构相同的。它们主要在功率传输方向方面不同，并因此在控制方面不同。半导体构件因此例如也可以根据需要被用作桥式整流器和桥式逆变器。
除了根据本发明的半导体构件，本发明还涉及一种机动车，所述机动车包括根据上述权利要求之一所述的半导体构件。该半导体构件尤其可以是用于机动车电机的、尤其是用于驱动器的逆变器。半导体构件能够补充地或替选地也用于：在电机的发电机运行时提供直流电流，例如以便给车载电网馈电或给机动车的电池充电。
此外，本发明涉及一种用于制造半导体构件、尤其是根据本发明的半导体构件的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供至少一个半导体模块和一个支承框架，该支承框架对于每个半导体模块都具有一个相应的缺口，
-将至少一个半导体模块这样布置在支承框架上，使得各相应半导体模块的基板支撑在各相应缺口的边缘上，
-将各个基板与支承框架钎焊连接。
在制造半导体构件时，至少一个半导体模块或优选多个半导体模块通过如下方式安装在支承框架上，即，使将这些半导体模块首先放置在缺口的区域中并且接着将这些半导体模块的基板与支承框架在缺口的边缘区域中钎焊连接。对此的细节已经在上文中针对根据本发明的半导体构件作出了阐述。对其所述的特征可以与上文提到的优点一起转用到根据本发明的方法上。
优选地，基板通过激光钎焊，特别是通过激光硬焊，与支承框架钎焊连接。激光钎焊或激光硬焊的过程原则上在现有技术中是已知的并且例如在车身制造中用在机动车中。在此，工件在一个应进行钎焊过程的位置上通过高能激光的入射被局部加热。通过激光钎焊也可以以高精度实现狭窄的钎焊缝。
为了制造根据本发明的半导体构件，激光尤其可以被照射到支承框架的背向基板的一侧上。由此，支承框架被局部地加热并且钎料通过被加热的支承框架被熔化。这可以是特别有利的，因为由此可以防止半导体模块的部件的过强的加热。
如果如上所述，例如为了形成冷却室而将封闭元件与支承框架连接，则这也可以通过激光钎焊或激光硬钎焊来实现。
根据本发明的半导体构件也可以根据本发明的方法或如对于根据本发明的方法所阐述的那样来制造。特别地，可以在根据本发明的半导体构件中通过激光钎焊、特别是通过激光硬钎焊来建立基板与支承框架的连接或者支承框架与封闭元件的连接。
在根据本发明制造半导体构件的过程中，基板和/或支承框架的材料可以在将相应的基板与支承框架钎焊的过程中被局部地熔化。特别是支承框架的材料能够在背向基板的一侧被熔化。但也可以是，支承框架在其整个厚度上被熔化和/或基板的面向支承框架的一侧被熔化。然而，与通过熔焊将支承框架和基板直接材料接合地连接相比，在根据本发明的钎焊中，由于基板和支承框架之间的毛细作用，钎料被拉到它们之间并且因此特别牢固地产生流体密封的连接。
附图说明
本发明的其它优点和细节由以下实施例以及对应的附图得出。在此示意性地示出：
图1示出根据本发明的半导体构件的一个实施例，
图2示出在图1中示出的半导体构件的细节图，
图3示出在用于制造图1和图2所示的半导体构件的根据本发明的方法的一个实施例中的中间步骤，和
图4示出了根据本发明的机动车的一个实施例。
具体实施方式
图1示出半导体构件1，所述半导体构件例如可以是三相桥式整流器或桥式逆变器。因为未示出的各个半导体部件应当通过烧结与基底连接，所以会相宜的是，将这种整流器或逆变器不实施为一个单独的模块，而是使用例如三个半导体模块3，这些半导体模块例如可以分别实现半桥。各个半导体模块3的内部结构以及其接触部在附图中出于清楚原因未示出。将例如半桥制造为烧结的半导体构件在现有技术中原则上是已知的，并且因此不应解释。
但为了能够实现在该示例中由三个半导体模块3构成的半导体构件1的良好的可操作性并且尤其实现半导体模块3的共同冷却，半导体模块3布置在共同的支承框架2上。支承框架2例如可以由具有多个缺口6的板材构件或类似物形成。半导体模块3分别包括基板4，该基板支承其它部件、即直接支承半导体构件或者支承对半导体构件进行支承的基底，并且通过浇注材料5来浇注。基板4分别通过凸起16、尤其是散热片穿过各缺口6，并且支撑在各相应缺口6的边缘7上。
如稍后还要详细阐述的那样，在支承框架2的背离半导体模块3的一侧上设置有流体通道20，例如液态的冷却剂能够引导通过该流体通道。为了密封流体通道20，基板4应当与支承框架2流体密封地连接。这在半导体构件1中通过如下方式进行，即，相应的基板4与支承框架2的相应的缺口6的边缘7钎焊连接。这将在下面参考图2和图3更详细地解释。
图2示出半导体构件1的放大的细节图。如在那里可以看到的，在基板4和支承框架2之间在边缘7的区域中布置有钎料8，钎料8的熔化温度低于基板4和支承框架2的材料的熔化温度。为了在半导体开关中部分出现的相对高的运行温度下也确保牢固的连接，优选使用具有至少450°的熔点的钎料8，也就是说进行硬钎焊。相应的钎料在现有技术中是已知的并且不应详细地阐述。
图3示出在制造半导体构件1的范围内的中间步骤，其中在该状态下封闭元件10还没有安置在半导体构件1上，并且其中图3示出了从支承框架2的背离半导体模块3的一侧观察的视图。虚线11分别示出了基板4的一部分，在该部分中将相应的基板4与支承框架2钎焊连接。如在图3中清楚可见，钎焊缝或者进行钎焊的区段完全包围着缺口6或基板4的凸起16穿过缺口6的区域。因此，通过基板4和焊料8将缺口6完全密封。
图3中的虚线13示出了为形成冷却通道16将支承框架2与封闭元件10钎焊连接的区域。如图2所示，因此也通过钎料12、特别是同样通过硬钎焊实现支承框架2与封闭元件10的连接。另选地，由于该连接相对远离所使用的半导体芯片，所以该连接也可以通过熔焊来实现。通过将封闭元件10安装在支承框架2上和通过相应的钎料8、12在封闭元件10与支承框架2之间或者在支承框架2与基板4之间的流体密封的连接实现了，流体通道20除了流体入口14和流体出口15以外流体密封地封闭。因此，凸起16或散热片例如能够在封闭的流体循环中被液态的冷却剂环流。
各个基板4与支承框架2或支承框架2与封闭元件10的钎焊优选地通过激光钎焊来实现。钎料8、12在此可以在焊接过程之前布置在部件中的一个上或者布置在它们之间。随后，激光可以被射入到相应的区域中，以便熔化钎料8、12并且因此钎焊连接部件。
为了将基板4钎焊连接到支承框架2上，激光尤其可以从支承框架2的图3所示的一侧(即，从图1中的下方)射入。因此，支承框架2在虚线11的区域中被局部地加热，并且布置在支承框架2的另一侧上的钎料8也随着支承框架的加热而熔化。如果钎料的熔点被选择为足够低，则能够防止基板4和支承框架2的材料熔化。然而也可以的是，支承框架2或基板4的材料至少局部地熔化，而材料被钎焊。
图4示例性地示出了机动车17，在该机动车中，电机18、尤其是机动车17的驱动装置应该通过电池19或其他的直流电源、例如车载电网供电。为了将电池19或车载电网的直流电压转换成用于运行电机18的三相交流电压，在图1和图2中示出的构件1被用作逆变器。在例如电机18的发电机运行中，相同的构件1能够用于整流所产生的三相交流电压，以便例如给电池19充电。
Claims (12)
1.一种半导体构件，包括支承框架(2)和安装在该支承框架(2)上的至少一个半导体模块(3)，其特征在于，该支承框架(2)具有相应的缺口(6)，半导体模块(3)的基板(4)支撑在所述缺口的边缘(7)上，其中，基板(4)与支承框架(2)钎焊连接。
2.根据权利要求1所述的半导体构件，其特征在于，所述基板(4)在该基板(4)与支承框架(2)焊接的区段完全围绕所述基板(4)具有凸起(16)的区域延伸和/或完全围绕支承框架(2)的相应的缺口(6)延伸，该凸起(16)延伸穿过支承框架(2)的相应的缺口(6)。
3.根据权利要求1或2所述的半导体构件，其特征在于，通过支承框架(2)、至少一个半导体模块(3)的相应的基板(4)和封闭元件(10)形成流体通道(20)，除了冷却流体入口(14)和冷却流体出口(15)外，该流体通道全面流体密封地封闭。
4.根据权利要求3所述的半导体构件，其特征在于，所述封闭元件(10)与支承框架(2)钎焊连接或熔接。
5.根据上述权利要求之一所述的半导体构件，其特征在于，利用熔点为至少450℃的钎料(8)将基板(4)与支承框架(2)钎焊在一起。
6.根据前述权利要求之一所述的半导体构件，其特征在于，相应的半导体模块(3)的半导体部件通过烧结与基板(4)或者与安装在基板(4)上的基底连接，和/或半导体模块(3)通过浇注材料(5)浇注。
7.根据前述权利要求之一所述的半导体构件，其特征在于，支承框架(2)由铝或铝合金制成和/或基板(4)由铜或铝或由在铝基质中接纳了碳化硅颗粒的复合材料制成。
8.根据上述权利要求之一所述的半导体构件，其特征在于，半导体模块(3)是半桥，和/或半导体构件(1)是尤其是三相的桥式逆变器或桥式整流器。
9.一种机动车，其特征在于，该机动车包括根据上述权利要求之一所述的半导体构件(1)。
10.一种用于制造半导体构件(1)、尤其是根据权利要求1至8之一所述的半导体构件(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供支承框架(2)和至少一个半导体模块(3)，该支承框架对于每个半导体模块(3)都具有相应的缺口(6)，
-将至少一个半导体模块(3)这样布置在支承框架(2)上，使得相应的半导体模块的基板(4)支撑在相应缺口(6)的边缘(7)上，
-将相应的基板(4)与支承框架(2)钎焊连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过激光钎焊、特别是通过激光硬焊，将相应的基板(4)与支承框架(2)钎焊连接。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在将相应的基板(4)与支承框架(2)钎焊连接的过程中，基板(4)和/或支承框架(2)的材料被局部熔化。
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