CN113544845A - 改进地集成有冷却器框架的电力转换器装置 - Google Patents

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CN113544845A CN202080016946.0A CN202080016946A CN113544845A CN 113544845 A CN113544845 A CN 113544845A CN 202080016946 A CN202080016946 A CN 202080016946A CN 113544845 A CN113544845 A CN 113544845A
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J·舒德雷尔
F·莫恩
T·格拉丁格尔
C·卢伊
D·托雷辛
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Abstract

一种电力转换器装置(1)，其包括第一功率半导体模块(100)和用于封闭式冷却器的框架(20)。第一功率半导体模块(100)包括第一基板(30)，其具有第一主侧(32)、与第一主侧相反的第二主侧(33)和横向侧表面(34)，该横向侧表面(34)沿着第一基板(30)的周缘延伸，并且连接第一主侧和第二主侧。框架(20)附装到第一基板(20)的第二主侧(33)。第一基板(30)沿着第一基板(30)的周缘在第二主侧(33)上具有第一台阶(35A)，以沿着第一基板(30)的周缘构成第一凹部(35)，框架(20)的第一部分(21)容纳在该第一凹部(35)中。

Description

改进地集成有冷却器框架的电力转换器装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电力转换器装置。
背景技术
对电力转换器中包含的功率半导体模块的直接的水-乙二醇冷却通常用于恶劣的工作条件。这归因于直接冷却的优越性能。直接冷却意味着功率半导体模块的基板与冷却流体直接接触，并且包含通常呈引脚形式的表面延伸部。
在已知的电力转换器中，将一个或多个功率半导体器件的衬底放置在公共基板上，并且将顶侧框架通过螺纹连接件连接到和粘合到基板的顶侧。然后将树脂灌封到框架中，以将一个或多个功率半导体器件封装在一个功率半导体模块中。为了防止冷却水的任何泄漏问题并避免大量使用螺纹连接件，还有一种趋势是放弃开放式针翅基板(其必须在基板的底侧通过被螺纹连接的O形环连接而密封)，而采用与功率半导体模块集成的封闭式金属冷却器。
功率模块的传递模制和烧结封装已经成为通过如上所述的灌封来封装功率半导体器件的传统方法的令人关注的替代方案。烧结和模制化合物的封装可以显著提高功率模块的循环可靠性。此外，模块一步烧结和传递模制方法可以显著降低模块的制造成本和在模块的材料上的账单。
在电力半导体模块中，从基板和引脚到冷却流体的热量传递对于直接冷却的性能至关重要。
此外，具有直接冷却的电力转换器的已知设计需要很大的空间。
一些电力转换器需要多个功率半导体器件。例如，在用于电动汽车的两电平三相牵引逆变器中，需要六个功能性半导体开关。其中，六个功能半导体开关至少需要六个半导体器件(芯片)，但是可能需要更多的半导体器件，因为每个功能半导体开关的多个(通常为3到10个)器件是并联的。
当将多个功率半导体器件集成在一个模制和烧结模块中在单个公共基板上时，存在明显的缺陷。大面积模制具有挑战性，因为环氧树脂材料在化合物转移期间的固化限制了模制通道的可能长度，商业设备中的模制化合物的装载量有限，并且大面积模制化合物与冷却器或基板之间的热膨胀系数(CTE)不匹配可能导致翘曲和应力，这可能会影响机械完整性并导致模制化合物分层。此外，包括多个功率半导体器件的功率半导体模块的一步烧结在经济上非常冒险，因为多个功率半导体器件不能在组装之前测试。虽然在进行后续的衬底焊接时，这些衬底可以通过引线键合完全组装，但是用于烧结的衬底不能在烧结前进行引线键合和测试，因为烧结方法需要对衬底施加强大的压力(通常无视具体情况地机械地施加或通常通过橡胶印制件机械地施加)，这将破坏引线键合。
在已知的包括多个功率半导体器件的电力转换器中，因此可以优选地将多个功率半导体器件集成在具有单个封闭式冷却器的紧凑配置的多个模制或烧结功率模块中。然而，将多个模制或烧结的功率模块集成在具有封闭式冷却器的紧凑配置中需要在每个功率模块的衬底的引脚周围创建流体通道(或密闭件)，并且这些通道必须流体连接。这是一个挑战，因为连接必须牢固且紧密。此外，如上所述，其设计应该节省空间且便宜。
从DE 10 2009 045 063 A1中已知一种包括功率半导体模块和附加散热器元件的功率半导体模块系统。功率半导体模块包括衬底、位于衬底正面的半导体裸片/芯片/裸芯和由树脂制成的散热器，该散热器模制在衬底的背侧。附加散热器元件附装到功率半导体模块，使得形成冷却流体的通道，其中，通道中的冷却流体与散热器直接接触。其中描述了通过螺纹接头或通过粘合将附加散热器元件附装到功率半导体模块。出于密封的目的，描述了使用设置在散热器或附加散热器元件中的凹槽中的O形环。在该现有技术的功率半导体模块系统中，冷却流体中的压降较高。
从JP 5659935 B2中已知一种电力转换器，其中，多个功率模块通过焊料接合到单个冷却器。这种设计需要很大的空间，并且冷却效率较低。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种克服现有技术的上述缺点的电力转换器装置。特别地，本发明的目的是提供一种以节省空间的方式集成用于冷却器的框架(即冷却器框架)的电力转换器，以此能够提高冷却效率。
该目的通过根据权利要求1所述的电力转换器装置实现。本发明的其他改进在从属权利要求中得以详细说明。
本发明的电力转换器装置包括第一功率半导体模块和用于封闭式冷却器的框架。第一功率半导体模块包括第一基板和至少一个第一裸片/芯片/裸芯。第一基板具有第一主侧、与第一主侧相反的第二主侧和横向侧表面，该横向侧表面沿着第一基板的周缘延伸，并且连接第一主侧和第二主侧。至少一个第一裸片位于第一基板的第一主侧上。框架附装到第一基板的第二主侧。第一基板沿着第一基板的周缘在第二主侧上具有第一台阶，以沿着第一基板的周缘构成第一凹部，框架的第一部分容纳在该第一凹部中。
通过沿着第一基板的周缘的第一凹部(其中框架的第一部分容纳在该第一凹部中)，可以以节省空间的方式将用于封闭式冷却器的框架附装到基板，因为框架的第一部分不增加电力转换器装置的总厚度。此外，通过提供容纳框架的第一部分的凹部，可以使框架的第一部分的下侧和第一基板的第二主侧的在电力转换器运行中使冷却流体沿其流动的部分在沿着垂直于第一基板的第二主侧的方向上彼此更加靠近，使得冷却流体可以沿着框架的第一部分的下侧和基板的第二主侧更平滑地流动。这导致冷却流体中的压降更小，从而提高冷却效率。
在一个示例性实施例中，框架的第一部分是容纳在第一凹部中的凸缘部分，使得凸缘部分的底表面与第一基板的邻近第一台阶的第二主侧齐平。在该示例性实施例中，包括凸缘部分的底表面和与第一台阶相邻的第二主侧的表面没有台阶，而是提供了没有台阶的光滑表面，从而可以使冷却流体沿着该表面流动的流动阻力最小化。这导致冷却流体中的压降较小，从而提高冷却效率。
在一个示例性实施例中，框架的第一部分通过焊接的连接接头/焊接连接固定到第一基板。
在一个示例性实施例中，与第一基板在该第一基板的中心区域的第二厚度相比，第一基板沿着其周缘具有减小的第一厚度，该中心区域被第一台阶横向地包围。基板由于第二主侧上的第一台阶而沿着周缘具有较小的第一厚度的优点在于：如果第一台阶是在锻造基板时直接成型，则能够减少用于基板的材料(从而降低重量和成本)。基板可以仅在至少一个裸片下方的区域中较厚。在该区域中，需要较大的第二厚度进行散热。在更外围的区域中，可能没有裸片，因此损耗低得多，从而使散热不那么重要。在那里第一基板的第一厚度由于第一台阶而减小。
在一个示例性实施例中，电力转换器装置包括在第一基板的中心区域从第一基板的第二主侧突出的多个冷却延伸部，该中心区域被第一台阶横向地包围。在该示例性实施例中，可以提高冷却效率。由于第一凹部，与将第一部分附装到没有凹部的基板的情况相比，靠近框架的冷却延伸部被更有效地冷却。冷却延伸部可以通过锻造在单个制造步骤中与第一凹部一起制造。
在一个示例性实施例中，框架具有包括开口的板部分，其中，板部分的与开口直接相邻并且围绕开口的边缘部分是框架的第一部分。在该示例性实施例中，板部分构成封闭式冷却器中的通道的平的壁部分。
在一个示例性实施例中，板部分具有与第一基板中的第一凹部的深度相同的第三厚度。在这种示例性实施例中，板部分的下侧边与第一基板的第二主侧齐平。
在一个示例性实施例中，电力转换器装置包括模制封装件，其封装第一基板的第一主侧和横向侧表面，使得封装件的底表面在第一基板的第二主侧的周缘处与第一基板齐平。该示例性实施例便于框架的集成，因为框架的面向封装件且面向第一凹部的表面可以是平表面。此外，由于第一凹部中的第二主侧表面可以用作用于通过模制构成封装件的模具的抵接面或密封面，因此便于形成封装件。
在一个示例性实施例中，第一基板由铜(Cu)或铝(Al)或铝碳化硅(AlSiC)或铜(Cu)与铝(Al)的组合制成。这种材料具有高导热性和高耐用性，以承受恶劣条件，并且在装置运行期间与冷却流体直接接触。
在一个示例性实施例中，电力转换器装置包括冷却器盖，其在第一基板的相反侧附装到框架，以构成封闭式冷却器中的流体通道的底壁部分。
在一个示例性实施例中，电力转换器装置包括至少一个第二功率半导体模块，该第二功率半导体模块包括：第二基板，其具有第三主侧和与第三主侧相反的第四主侧；和位于第二基板的第三主侧上的至少一个第二裸片/芯片/裸芯，其中，框架附装到第二基板的第四主侧，并且第二基板沿着第二基板的周缘在第四主侧上具有第二台阶，以沿着第二基板的周缘构成第二凹部，框架的第二部分容纳在该第二凹部中。该示例性实施例便于将第一和第二功率半导体模块与单个封闭式冷却器集成在一起。在第一和第二基板处创建了流体通道(或密闭件)，并且这些通道以牢固且紧密的方式流体连接。此外，该设计允许以节省空间且相对便宜的方式集成多个功率半导体模块。第二功率半导体模块可以与上述第一功率半导体模块具有相同的结构，并且可以以与上述第一功率半导体模块相同的方式与框架集成在一起，即，多个功率半导体模块可以具有相同的结构，并且可以以与上述第一功率半导体模块相同的方式附装到框架。
在一个示例性实施例中，本发明的电力转换器装置可以通过包括以下步骤的方法制成：提供用于封闭式冷却器的框架；提供第一功率半导体模块，该第一功率半导体模块包括第一基板和至少一个第一裸片，该第一基板具有第一主侧、与第一主侧相反的第二主侧和横向侧表面，该横向侧表面沿着第一基板的周缘延伸，并且连接第一和第二主侧，该至少一个第一裸片位于第一基板的第一主侧上，其中，第一基板沿着第一基板的周缘在第二主侧上具有第一台阶，以沿着第一基板的周缘构成第一凹部；和将第一功率半导体模块附装到框架，使得框架的第一部分容纳在第一凹部中并固定到第一基板。
如上所述，通过沿着第一基板的周缘并且容纳框架的第一部分的第一凹部，可以以节省空间的方式将用于封闭式冷却器的框架附装到基板，使冷却流体中的压降减小，并且提高冷却效率。
提供第一功率半导体模块的步骤可以包括模制出封装件，其中，封装件封装第一基板的第一主侧和横向侧表面，使得封装件的底表面在第一基板的周缘处与第一基板齐平；并且使用底部模具和顶部模具，该底部模具具有第一平表面，该第一平表面与第一凹部的在模制步骤期间用作密封表面的第二平表面接触。使用第一凹部的第二平表面作为密封表面使得模具被可靠密封，从而以可靠的方式形成封装件，而在密封表面处没有任何化合物溢料或渗出。
在一个示例性实施例中，框架具有包括开口的板部分，其中，板部分的与开口直接相邻并且围绕开口的边缘部分是框架的第一部分，并且在将第一功率半导体模块附装到框架的步骤中，通过焊接或结合/粘合将第一部分固定到第一基板。为框架提供具有开口(第一半导体模块插入该开口中，使得框架的第一部分容纳在第一凹部中)的板部分便于第一半导体模块与框架集成在一起。
一个示例性实施例包括提供第二功率半导体模块的附加步骤，第二功率半导体模块包括：第二基板，其具有第三主侧、与第三主侧相反的第四主侧和横向侧表面，该横向侧表面沿着第二基板的周缘延伸，并且连接第三和第四主侧；和位于第二基板的第三主侧上的至少一个第二裸片，其中，第二基板沿着第二基板的周缘在第四主侧上具有第二台阶，以沿着第二基板的周缘构成第二凹部；以及，将第二功率半导体模块附装到框架，使得框架的第二部分容纳在第二凹部中，并且固定到第二基板。在该示例性实施例中，多个功率半导体模块能够以可靠的方式有效地与单个框架集成在一起。通过将第一和第二功率半导体模块提供成单独的部件，可以在与单个框架集成之前测试这些功率半导体模块。这使得在电力转换器的制造中具有高产量。
附图说明
下面参考附图对本发明的详细实施例进行说明，图中：
图1A以沿着图1D中的直线A-A'截取的横截面示出了根据一个实施例的电力转换器装置；
图1B以沿着图1D中的直线C-C'截取的横截面示出了图1A的电力转换器装置；
图1C以沿着图1D中的直线B-B'截取的横截面示出了图1A的电力转换器装置；
图1D示出了图1A的电力转换器装置的俯视图；
图2示出了图1A所示的横截面的局部放大图；
图3以剖视图示出了功率半导体模块的局部放大图，其中示出了在用于制造图1A的电力转换器装置的方法中提供功率半导体模块的步骤；
图4以剖视图示出了功率半导体模块的局部放大图，其中示出了在用于制造图1A的电力转换器装置的方法中形成封装的步骤；
图5A以剖视图示出了电力转换器装置的局部放大图，其中示出了在用于制造图1A的电力转换器装置的方法中将框架附装到功率半导体模块的步骤；
图5B以剖视图示出了电力转换器装置的局部放大图，其中示出了在用于制造图1A的电力转换器装置的方法中将框架附装到功率半导体模块的步骤；
图5C以剖视图示出了电力转换器装置的局部放大图，其中示出了在用于制造根据图1A的电力转换器装置的另一个修改的实施例的方法中将框架附装到功率半导体模块的步骤。
附图标记列表总结了附图中使用的附图标记及其含义。通常，相似的元件在整个说明书中具有相同的附图标记。所描述的实施例仅作为示例，而不应当限制本发明的范围。
具体实施方式
下面参考图1A、1B、IC、1D和图2描述根据本发明的实施例的电力转换器装置1。图1D示出了电力转换器装置1的俯视图。图1A以沿着图1D中的直线A-A'截取的横截面示出了电力转换器装置1，图1B以沿着图1D中的直线C-C'截取的横截面示出了电力转换器装置1，并且图1C以沿着图1D中的直线B-B'截取的横截面示出了电力转换器装置1。图2示出了图1A所示的横截面中的区段S的局部放大图。
从图1C中可以最好地看出，根据该实施例的电力转换器装置1包括第一功率半导体模块100、第二功率半导体模块200、用于封闭式冷却器的框架20和冷却器盖60。由图1A所示的剖视图和图2中区段S的局部放大图详细示出的第一功率半导体模块100包括第一基板30和至少一个第一裸片40。基板30具有第一主侧/第一主侧面32、与第一主侧32相反的第二主侧/第二主侧面33和横向侧表面34，该横向侧表面34沿着第一基板30的周缘延伸，并且连接第一主侧32和第二主侧33。至少一个裸片40位于第一基板30的第一主侧32上。
第一基板30沿着第一基板30的周缘在第二主侧33上具有第一台阶35A，以沿着第一基板30的周缘构成第一凹部35。在本实施例中，与第一基板30在该第一基板30的由第一台阶35A横向地包围的中心区域的第二厚度d2相比，第一基板30沿着其周缘具有减小的第一厚度d1。因此，在本实施例中，第一台阶35A的高度由第二厚度d2与第一厚度d1之差d2-d1给出。
框架20具有板部分22和侧壁部分24，侧壁部分24从板部分22的周缘沿着垂直于第一主侧32的竖直方向延伸。如图1D所示，板部分22包括第一开口23和第二开口23'。板部分22的与第一开口23直接相邻并且围绕第一开口23的边缘部分是框架20的第一部分21，其附装到第一功率半导体模块100的第一基板30，如下文更详细所述。同样，板部分22的与第二开口23'直接相邻并且围绕第二开口23'的边缘部分是框架20的第二部分21'，其附装到第二功率半导体模块200的第二基板30'，如下文更详细所述。
板部分22的第一部分21在垂直于第一主侧32的方向上的厚度d3与第一凹部35的深度基本上相同，该深度由第一台阶35A的高度d2-d1确定。框架20的第一部分21是凸缘部分，其容纳在第一凹部35中，使得第一部分21的底表面21A与第一基板30的邻近第一台阶35A的第二主侧33基本上齐平。在示例性实施例中，整个板部分22可以具有恒定的厚度d3。
框架20通过框架20的第一部分21附装到第一基板30的第二主侧33，例如通过焊接连接、通过结合连接/粘合连接或通过任何其他合适的连接将该框架20固定到第一基板30。
多个冷却延伸部37在第一基板30的中心区域从第一基板30的第二主侧33突出，该中心区域被第一台阶35A横向地包围。其中，横向是平行于第一主侧32的任何方向。
第一基板30和冷却延伸部37由具有高导热性的任何合适的材料制成。示例性地，第一基板30可以由铜(Cu)或铝(Al)或铝碳化硅(AlSiC)或铜与铝的组合(combination)制成。例如，第一基板30可以是两层式基板，其具有由Cu制成的顶层和由Al制成的底层。从底层延伸出的冷却延伸部也可以由Al制成。
如图2所示的局部放大图所示，第一功率半导体模块100包括引线框43，该引线框43与至少一个裸片40一起位于衬底42上。引线框43与至少一个裸片40之间的电连接例如可以由至少一根接合线44提供。衬底可以是直接覆铜(DBC)衬底。
模制的封装件50封装第一基板30的第一主侧32和横向侧表面34。因此，至少一个第一裸片/芯片/裸芯40、衬底42和至少一个接合线44被封装件50封装。引线框43的一部分用作功率半导体模块100的端子，该部分从封装件50的侧面突出。封装件50的底表面在第二主侧33在的基板30的周缘处与第一基板30基本上齐平。
冷却器盖60在第一基板30的相反侧附装到框架20，以构成封闭式冷却器中的流体通道65的底壁部分。在电力转换器装置1操作期间，冷却流体F如图1C中的箭头所示流过流体通道65。
图1B示出了第二功率半导体模块200沿着图1D中的直线C-C'的第一横截面，图1C示出了第二功率半导体模块200沿着图1D中的直线B-B'的第二横截面。在本实施例中，第二功率半导体模块200与第一功率半导体模块100基本上相同。因此，具体参考上述对第一功率半导体模块100的讨论。与第一功率半导体模块100类似，第二功率半导体模块200包括第二基板30'，其具有第三主侧/第三主侧面32'、与第三主侧32'相反的第四主侧/第四主侧面33'以及位于第二基板30'的第三主侧32'上的至少一个第二裸片(图中未示出)。
将框架20附装到第二基板30'的第四主侧33'的方式与将框架20附装到第一基板30的第二主侧33基本上相同。特别地，第二基板30'沿着第二基板30'的周缘在第四主侧33'上具有第二台阶，以沿着第二基板30'的周缘构成第二凹部35'，框架20的第二部分21'容纳在该第二凹部35'中，例如如图1B所示。第二凹部35'的深度可以与第一功率半导体模块100的第一基板30中的第一凹部35的深度d2-d1相同。
在一个示例性实施例中，上述功率半导体模块100、200可以是半桥式模块。例如，电力转换器装置可以是用于电动车辆的牵引逆变器。
下面将描述根据图1A至2所示的上述实施例的电力转换器装置的制造方法。该方法大体上包括以下步骤：
(a)提供用于封闭式冷却器的框架20，
(b)提供第一功率半导体模块100，
(c)提供第二功率半导体模块200，
(d)将第一功率半导体模块100附装到框架20，
(e)将第二功率半导体模块200附装到框架20，和
(f)将冷却器盖60附装到框架20。
在提供用于封闭式冷却器的框架20的步骤(a)中，提供上面参考图1D和图2描述的框架20。因此，将不再重复对其的描述，而是参考对框架20的以上描述。
提供第一功率半导体模块100的步骤(b)包括提供如图3所示的初步的第一功率半导体模块100'。初步的第一功率半导体模块100'包括如上参考图2所述的第一功率半导体模块100的所有特征。特别地，它包括第一基板30、从第一基板30的第二主侧33突出的冷却延伸部37、位于基板30的第一主侧上的衬底42、位于衬底42上的至少一个第一裸片40和引线框43以及使至少一个裸片40与引线框43相连接的至少一根接合线44。第一基板30沿着第一基板30的周缘在第二主侧33上具有第一台阶35A，以沿着第一基板30的周缘构成第一凹部35。
在上述步骤(b)中，第一台阶35A和第一凹部35可以通过锻造与冷却突起37在同一制造步骤中形成。在这种情况下，不需要额外在第一基板30中形成第一台阶35A和凹部35的制造步骤。
另外，提供第一功率半导体模块100的步骤(b)包括模制封装件50的步骤，其中，封装件50封装第一基板30的第一主侧32和横向侧表面34，使得封装件50的底表面在第一基板30的周缘处与第一基板30齐平。在模制期间使用底部模具70和顶部模具80，其中，底部模具70具有第一平表面70A，该第一平表面70A与第一凹部35的、在模制步骤期间用作密封表面的第二平表面接触。通过在第二主侧33处的凹部35中提供平密封表面，保证了不会在冷却突起37上形成模制材料，但是这在如图5A至5C所示的第一基板30周围产生模制材料边缘。如图4所示，引线框43的端子设置在顶部模具80和底部模具70之间的分割平面上。示例性地，可以使用本领域技术人员已知的传递模制或任何其他合适的模制技术或铸造技术来作为模制或铸造封装件50的模制或铸造技术。
提供第二半导体模块200的步骤(c)包括与上述步骤(b)类似的方法步骤和特征。因此，将不再重复对其的描述，而是参考对步骤(b)的以上描述。
在将第一功率半导体模块100附装到框架20的步骤(d)中，在步骤(b)中提供的第一功率半导体模块100通过其冷却延伸部37和一部分第一基板30插入第一开口23中，使得板部分22的第一部分21容纳在第一凹部35中，如图5A至5C中任一个所示。然后，通过焊接或者诸如胶合或钎焊的其他结合/粘合技术将第一部分21固定到第一基板30。如果第一基板30由AlSiC制成，则第一基板30可以在待形成焊接的连接接头的部位集成有富铝部分(其示例性地具有5mm的厚度)。在图5A所示的实施例中，通过激光焊接将第一部分21固定到第一基板30。在图5A中用箭头表示用于激光焊接的激光束90。具体地，将激光束90引导到台阶35A与第一部分21的横向边缘部分之间的间隙处的区域，以在第一部分21和第一基板30之间形成对接焊连接。通过对接焊连接将第一部分21固定到第一基板的优点在于，它封闭了台阶35A与第一部分21的横向边缘之间的间隙，以提供光滑表面作为冷却通道65的壁。应当注意，由于第一基板30周围的模制材料边缘部分，在没有凹部35的情况下不可能形成对接焊的接头，而是只有由于第一部分21容纳在第一凹部35中，才可能进行形成对接焊的接头。可选择地，可以通过在除了台阶35A与第一部分21的横向边缘之间的间隙之外的另一区域中焊接来将第一部分21固定到第一基板30。例如，也可以通过贯穿第一部分21的激光焊接或者通过图5B所示的摩擦搅动焊接技术来实现这种焊接，图5B示出了摩擦搅动焊接装置92。可选择地，可以通过图5C所示的结合/粘合技术将第一部分固定到第一基板部分，图5C示出了结合层94。结合层94例如可以由焊料或胶制成。
在步骤(e)中将第二功率半导体模块200附装到框架20的方式与在步骤(d)中将第一功率半导体模块100附装到框架20的方式相同。因此，将不再重复对其的描述，而是参考图5A至5B对步骤(d)的以上描述。
通过将冷却器盖60附装到框架20，构成流体通道65的底壁来封闭流体通道65，如图1C所示。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离由随附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行修改。
在上述实施例中，电力转换器装置1被描述成具有两个功率半导体模块100和200。然而，电力转换器装置可替代地仅包括一个功率半导体模块或可替代地包括不止两个功率半导体模块。例如，本发明可以应用于电动车辆的两电平牵引逆变器，其包括实施为六个功率半导体模块的六个功能性功率半导体开关。这种两电平牵引逆变器可以示例性地包括三个功率半导体模块，每个模块包括两个功能开关。
此外，在上述实施例中，第一和第二功率半导体模块已被描述成基本上相同。然而，在电力转换器包括多个功率半导体模块的情况下，这些功率半导体模块不一定必须相同，而是可以彼此不同。特别地，这些多个功率半导体模块可以具有不同的尺寸。
在上述实施例中，侧壁部分24被描述成框架20的一部分。然而，侧壁部分24也可以是冷却器盖60的一部分。
在电力转换器装置1的上述实施例中，第一部分21的底表面21A与第一基板30的与第一台阶35A相邻的第二主侧33齐平。然而，第一部分21的底表面21A不一定与第一基板30的与第一台阶35A相邻的第二主侧33齐平。同样，第一凹部35的深度不一定与框架20的第一部分21的厚度相同。
在制造本发明的电力转换器装置的上述实施例中，在将第一和第二功率半导体模块100、200附装到框架20之前，对每个功率半导体模块单独模制或铸造封装件50。其优点在于可以在功率半导体模块与框架20集成之前测试该功率半导体模块。然而，也可以仅在将功率半导体模块附装到框架20之后进行封装。
应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除复数。还可以组合关于不同实施例描述的元件。
附图标记列表
1 电力转换器装置
100 第一功率半导体模块
100' 初步的第一功率半导体模块
20、20' 框架
200 第二功率半导体模块
21A 底表面
21 第一部分
21' 第二部分
22 板部分
23 第一开口
23' 第二开口
24 侧壁部分
30 第一基板
30' 第二基板
32 第一主侧
32' 第三主侧
33 第二主侧
33' 第四主侧
34、34' 横向侧表面
35 第一凹部
35' 第二凹部
35A 第一台阶
37 冷却延伸部
40 第一裸片
42 衬底
44 接合线
50 封装件
60 冷却器盖
65 流体通道
70 底部模具
70A 第一平表面
80 顶部模具
d1 第一厚度
d2 第二厚度
d3 第三厚度

Claims (15)

1.一种电力转换器装置，包括：
第一功率半导体模块(100)；和
用于封闭式冷却器的框架(20)，
所述第一功率半导体模块(100)包括
第一基板(30)，其具有第一主侧(32)、与所述第一主侧(32)相反的第二主侧(33)和横向侧表面(34)，所述横向侧表面(34)沿着所述第一基板(30)的周缘延伸，并且连接所述第一主侧(32)和所述第二主侧(33)；和
位于所述第一基板(30)的所述第一主侧(32)上的至少一个第一裸片(40)，
其中，所述框架(20)附接到所述第一基板(30)的所述第二主侧(33)，
其特征在于，所述第一基板(30)沿着所述第一基板(30)的周缘在所述第二主侧(33)上具有第一台阶(35A)，以沿着所述第一基板(30)的周缘构成第一凹部(35)，所述框架(20)的第一部分(21)容纳在所述第一凹部(35)中。
2.根据权利要求1所述的电力转换器装置，其中，所述框架(20)的所述第一部分(21)是凸缘部分，其容纳在所述第一凹部(35)中，使得所述凸缘部分的底表面(21A)与所述第一基板(30)的邻近所述第一台阶(35A)的所述第二主侧(33)齐平。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换器装置，其中，所述框架(20)的所述第一部分(21)通过焊接的连接接头而固定到所述第一基板(30)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电力转换器装置，其中，与所述第一基板(30)在所述第一基板(30)的中心区域的第二厚度(d2)相比，所述第一基板(30)沿着其周缘具有减小的第一厚度(d1)，所述中心区域由所述第一台阶(35A)横向地包围。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电力转换器装置，包括在所述第一基板(30)的中心区域从所述第一基板(30)的所述第二主侧(33)突出的多个冷却延伸部(37)，所述中心区域被所述第一台阶(35A)横向地包围。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电力转换器装置，其中，所述框架(20)具有包括开口(23)的板部分(22)，并且所述板部分(22)的与所述开口(23)直接相邻并且围绕所述开口(23)的边缘部分是所述框架(20)的所述第一部分(21)。
7.根据权利要求6所述的电力转换器装置，其中，所述板部分(22)具有与所述第一基板(30)中的所述第一凹部(35)的深度相同的第三厚度(d3)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电力转换器装置，包括模制封装件(50)，其封装所述第一基板(30)的所述第一主侧(32)和所述横向侧表面(34)，使得所述封装件(50)的底表面在所述基板(30)的周缘处在所述第二主侧(33)与所述第一基板(30)齐平。
9.根据上述权利要求中任一项所述的电力转换器装置，其中，所述第一基板(30)由铜(Cu)或铝(Al)或铝碳化硅(AlSiC)，或铜(Cu)与铝(Al)的组合制成。
10.根据上述权利要求中任一项所述的电力转换器装置，包括冷却器盖(60)，所述冷却器盖(60)在所述第一基板(30)的相反侧附装到所述框架(20)，以构成所述封闭式冷却器中的流体通道(65)的底壁部分。
11.根据上述权利要求中任一项所述的电力转换器装置，包括至少一个第二功率半导体模块(200)，所述第二功率半导体模块(200)包括：
第二基板(30')，其具有第三主侧(32')和与所述第三主侧(32')相反的第四主侧(33')；和
位于所述第二基板(30')的所述第三主侧(32')上的至少一个第二裸片，
其中，所述框架(20)附装到所述第二基板(30')的所述第四主侧(33')，并且
所述第二基板(30')沿着所述第二基板(30')的周缘在所述第四主侧(33')上具有第二台阶，以沿着所述第二基板(30')的周缘构成第二凹部，所述框架(20)的第二部分(21')容纳在所述第二凹部中。
12.一种制造根据上述权利要求中任一项所述的电力转换器装置的方法，所述方法包括以下步骤：
提供用于封闭式冷却器的框架(20)；
提供第一功率半导体模块(100)，所述第一功率半导体模块(100)包括：第一基板(30)，所述第一基板(30)具有第一主侧(32)、与所述第一主侧(32)相反的第二主侧(33)和横向侧表面(34)，所述横向侧表面(34)沿着所述第一基板(30)的周缘延伸，并且连接所述第一主侧(32)和所述第二主侧(33)；和
位于所述第一基板(30)的所述第一主侧(32)上的至少一个第一裸片(40)，其中，所述第一基板(30)沿着所述第一基板(30)的周缘在所述第二主侧(33)上具有第一台阶(35A)，以沿着所述第一基板(30)的周缘构成第一凹部；以及
将所述第一功率半导体模块(100)附装到所述框架(20)，使得所述框架(20)的第一部分(21)容纳在所述第一凹部(35)中并固定到所述第一基板(30)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，提供所述第一功率半导体模块(100)包括模制出封装件(50)，所述封装件(50)封装所述第一基板(30)的所述第一主侧(32)和所述横向侧表面(34)，使得所述封装件(50)的底表面在所述第一基板(30)的周缘处与所述第一基板(30)齐平；并且使用底部模具(70)和顶部模具(80)，所述底部模具(80)具有第一平表面(70A)，所述第一平表面(70A)与所述第一凹部(35)的在所述模制步骤期间用作密封表面的第二平表面接触。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述框架(20)具有包括开口(23)的板部分(22)，所述板部分(22)的与所述开口(23)直接相邻并且围绕所述开口(23)的边缘部分是所述框架(20)的所述第一部分(21)，并且在将所述第一功率半导体模块(100)附装到所述框架(20)的步骤中，通过焊接或结合将所述第一部分(21)固定到所述第一基板(30)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，包括以下步骤：提供第二功率半导体模块(200)，所述第二功率半导体模块(200)包括:
第二基板(32')，其具有第三主侧(32')、与所述第三主侧(32')相反的第四主侧(33')和横向侧表面(34)，所述横向侧表面(34)沿着所述第二基板(30')的周缘延伸，并且连接第三主侧(32')和第四主侧(33')；和
位于所述第二基板(30')的所述第三主侧(32')上的至少一个第二裸片，其中，所述第二基板(30')沿着所述第二基板(30')的周缘在所述第四主侧(33')上具有第二台阶，以沿着所述第二基板(30')的周缘构成第二凹部(35')；以及
将所述第二功率半导体模块(200)附装到所述框架(20)，使得所述框架(20)的第二部分(21')容纳在所述第二凹部(35')中并固定到所述第二基板(30')。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4009364B8 (en) * 2020-12-03 2023-12-06 Hitachi Energy Ltd Arrangement of a power semiconductor module and a cooler
EP4060724B1 (en) * 2021-03-19 2023-08-23 Hitachi Energy Switzerland AG A power module comprising at least one semiconductor module, and a method for manufacturing a power module
US11908766B2 (en) 2021-04-05 2024-02-20 Jmj Korea Co., Ltd. Cooling system where semiconductor component comprising semiconductor chip and cooling apparatus are joined
EP4184567A1 (en) * 2021-11-18 2023-05-24 Hitachi Energy Switzerland AG Cooler unit, semiconductor device and method for manufacturing a cooler unit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102683301A (zh) * 2011-03-15 2012-09-19 英飞凌科技股份有限公司 包括底座的半导体器件
CN103228388A (zh) * 2011-01-20 2013-07-31 丰田自动车株式会社 钎焊方法以及钎焊构造
US20150097281A1 (en) * 2013-10-03 2015-04-09 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
EP3276657A1 (en) * 2016-07-27 2018-01-31 Infineon Technologies AG Cooler, power semiconductor module arrangement having a cooler, and methods for producing the same

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8237260B2 (en) * 2008-11-26 2012-08-07 Infineon Technologies Ag Power semiconductor module with segmented base plate
JP5153684B2 (ja) * 2009-02-27 2013-02-27 三菱電機株式会社 半導体装置及び半導体装置の製造方法
DE102009045063C5 (de) 2009-09-28 2017-06-01 Infineon Technologies Ag Leistungshalbleitermodul mit angespritztem Kühlkörper, Leistungshalbleitermodulsystem und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls
JP5257817B2 (ja) * 2010-06-15 2013-08-07 三菱電機株式会社 半導体装置
JP5659935B2 (ja) 2011-04-14 2015-01-28 三菱電機株式会社 半導体装置
JP6176320B2 (ja) * 2013-04-25 2017-08-09 富士電機株式会社 半導体装置
JP6080929B2 (ja) * 2015-10-08 2017-02-15 三菱電機株式会社 半導体モジュール

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103228388A (zh) * 2011-01-20 2013-07-31 丰田自动车株式会社 钎焊方法以及钎焊构造
CN102683301A (zh) * 2011-03-15 2012-09-19 英飞凌科技股份有限公司 包括底座的半导体器件
US20150097281A1 (en) * 2013-10-03 2015-04-09 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
EP3276657A1 (en) * 2016-07-27 2018-01-31 Infineon Technologies AG Cooler, power semiconductor module arrangement having a cooler, and methods for producing the same

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