CN113809022A - 功率电子电路装置 - Google Patents

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H·科博拉
M·诺德雷尔
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Abstract

公开了一种功率电子电路装置,具有包括多个导电迹线的基板,具有布置在这些导电迹线上的功率半导体部件,具有带有金属片的连接装置,所述连接装置将所述功率半导体部件的所述接触盘导电地连接到另一功率半导体部件的另一接触盘或导电迹线,并且具有压力装置,其中，所述连接装置分别包括接触部分和连接部分，所述接触部分用于连接到分配的接触盘，所述连接部分布置在所述两个接触部分之间，其中，所述压力装置包括二维弹性压力元件，所述二维弹性压力元件包括压力元件部分，其中，所述第一压力元件部分用相应的第一压力表面部分压在分配的接触部分上，并且所述第二压力元件部分用第二压力表面部分压在连接部分上。

Description

功率电子电路装置
技术领域
本发明描述了一种功率电子电路装置，其具有包括多个导电迹线的基板，具有布置在这些导电迹线上的功率半导体部件，该功率半导体部件背对基板的接触盘限定法线方向，具有带有金属片的连接装置，该连接装置将功率半导体部件的接触盘导电地连接到另一功率半导体部件的另一接触盘或导电迹线，并且具有压力装置。
背景技术
DE102016123697A1公开了一种用于功率电子电路装置的压力装置，其配置有二维延伸的刚性基体和可弹性变形的弹性体本体，其中，基体和弹性体本体通过力配合或形状配合而彼此可逆地连接，并且其中，弹性体本体包括多个压力体。此外，提出了两种具有这种压力装置的功率电子电路装置和布置。
如图7中的原理所示，DE102017126716A1公开了一种装置及其功率半导体模块，后者由电路装置形成，该电路装置包括基板,连接装置和端子装置，优选负载和辅助端子装置，并且具有在基板的法线方向上可移动地布置的压力装置,其中，该基板包括彼此电绝缘的导电迹线，其中,功率半导体部件布置在一个导电迹线上并且与该导电迹线导电地连接,其中，该电路装置借助于连接装置根据其电路在内部连接，其中，该压力装置包括刚性基体、弹性压力体和弹簧体或多个弹簧体，其中，弹性压力体在基板的法线方向从基体突出到基板上，并且其中，弹簧体被支撑在支撑件上，该支撑件相对于基板不移动并且沿基板的法线方向将该压力体压向基板，并且因此间接或直接抵靠基板，并且因此也压在电路装置上。
发明内容
根据现有技术的知识，本发明的目的是进一步改进压力装置，特别是以更可控的方式将压力与功率半导体部件一起施加到基板上。
根据本发明，通过一种功率电子电路装置来实现这一目的,功率电子电路装置具有包括多个导电迹线的基板,具有布置在这些导电迹线上的功率半导体部件,该功率半导体部件背对基板的接触盘限定法线方向,具有带有金属片的连接装置,该连接装置将功率半导体部件的接触盘导电地连接到另一功率半导体部件的另一接触盘或导电迹线,并且具有压力装置,其中，该连接装置分别包括接触部分和连接部分，该接触部分用于连接到分配的接触盘，该连接部分布置在两个接触部分之间，其中，压力装置包括二维弹性压力元件，该二维弹性压力元件包括压力元件部分，其中，第一压力元件部分用相应的第一压力表面部分压在分配的接触部分上，并且第二压力元件部分用第二压力表面部分压到下部部分或整个连接部分。
这里，连接部分可具有优选的拱形轮廓，并且在这种情况下优选地具有位于法线方向上的最高点，该最高点的水平位于两个相邻接触部分的上方。
特别优选地，连接部分构造为交替地具有金属片和绝缘片的片堆叠。
有利地，第一压力元件部分中的一个，优选地全部，具有0.5mm至15mm的厚度，并且优选地在2mm至8mm之间。
此外，有利地，相应的第一压力表面部分以平面方式配置，并且第二压力表面部分具有弯曲的表面轮廓，优选地与连接部分匹配。以这种方式，相应的压力表面部分可以压在连接装置的指定部分上，并且以平面的方式在那里施加压力。
特别有利地，压力元件包括由第一弹性材料组成的第一材料部分和由第二弹性材料组成的第二材料部分。在这种情况下,第一弹性材料可由弹性体材料组形成，特别是硅橡胶材料组,其肖氏A级硬度在30至90之间,并且特别是在60至70之间,并且第二弹性材料同样由相应地具有第二肖氏A级硬度的这种材料组形成,其第二肖氏A级硬度比第一肖氏A级硬度小5％,特别是小10％,或者，第二弹性材料能够由塑料泡沫的材料组形成,特别是由硅酮泡沫(silicone foam)形成，硅酮泡沫具有根据ASTM D1056在25kPa至250kPa之间,特别是在100kPa至150kPa之间的压缩力。
在具体应用中，也可有利地，第一压力元件部分与第一材料部分相同，并且第二压力元件部分与第二材料部分相同也是有利的。作为替代，第一材料部分能够布置在第一压力元件部分内部，并且优选地可具有比第一压力元件部分小至多30％的体积。作为替代，第二材料部分能够布置在第二压力元件部分的内部，并且优选地具有比第二压力元件部分小至多30％的体积。作为替代，第一材料部分能够包括在第二压力元件部分的区域中的第一凹陷，其中，第二材料部分布置在第一凹陷中。此外，作为替代，第二材料部分能够包括在第一压力元件部分的区域中的第二凹陷，其中，第一材料部分布置在第二凹陷中。
此外，优选地，压力元件布置在压力框架的凹陷中，压力框架优选地包括金属稳定元件。
通过根据本发明的功率电子电路装置的配置，并且在这种情况下特别是压力装置的配置，以限定的方式，压力可以更灵活地施加到相应的功率半导体部件上，并且同时也施加到紧邻功率半导体部件的接触盘并且也紧邻功率半导体部件自身的连接装置的区域上。
当然，在根据本发明的电路装置中，除非明确地或本身排除或与本发明的概念相冲突，否则分别以单数提及的特征，特别是功率半导体部件，可以以复数形式存在。
应当理解，本发明的各种配置可以单独地实施或以任何期望的组合实施，以便实现改进。具体地，在不脱离本发明的范围的情况下，上面和下面提到和解释的特征不仅可以在分配的组合中使用，而且可以在其它组合中使用或单独使用。
附图说明
本发明的进一步解释，以及有利的细节和特征，能够从以下对图1至图7中示意性地表示的本发明的示例性实施方式的描述或其相应部分中找到。
图1以侧向分解图示出了根据本发明的功率电子电路装置的第一构造。
图2示出了压力元件的各种构造的接触部分和连接部分。
图3示出了压力元件的各种布置和构造的第一材料部分和第二材料部分。
图4示出了压力元件的各种布置和构造的另外的第一材料部分和第二材料部分。
图5示出了压力装置的三维分解图。
图6示出了单个压力元件的三维图。
图7示出了如上所述的根据现有技术的功率电子电路装置。
具体实施例
图1以侧向分解图示出了根据本发明的功率电子电路装置1的第一构造，其作为布置在冷却装置8上的功率半导体模块10的一部分，这里不受一般性限制地，冷却装置8构造为空气冷却装置。
功率电子电路装置1包括本领域中常规的电力电子基板2。后者包括绝缘体20和布置在其上的多个导电迹线22。这里，两个功率半导体部件26布置在这些导电迹线22中的一个上。这些功率半导体部件26包括用于在其背对基板2的表面上进行电接触的接触盘(contact pad)。该接触盘被指定为法线方向N。电力电子基板2布置在冷却装置8的表面上，导热膏800也布置在基板2和该表面之间。
此外，示出了连接装置3，这里，其被构造为简单的金属片，但同样也可被构造为成形的金属体，或者特别是本领域中常规的片堆叠，该片堆叠交替地具有金属片和绝缘片。连接装置3包括具有宽度302的接触部分32，其与相应功率半导体部件26的指定接触盘导电接触。这些接触部分32分别跟随具有宽度304的至少一个连接部分34，其形成功率半导体部件26到另一功率半导体部件26或到基板2的导电迹线22的进一步电连接。
这里，连接部分34分别具有拱形轮廓，该轮廓在法线方向N上具有最高点，其高度高于相邻的接触部分32的高度。例如，连接装置3的最大厚度为700μm。在这种情况下，连接装置背离基板2的表面上的最高点比相邻接触部分32背离基板2的表面高500μm。
如本领域常规的那样，绝缘体复合物28，例如硅橡胶，布置在连接部分34的下方并且填充在那里形成的体积。此外，示出了用于电路装置1的外部电连接的接触元件4。
这里，压力装置5包括三个组成部分，压力体500，压力体500在其面向基板2的主侧上具有凹部，压力元件50布置在该凹部中。在其相对的主侧上，压力体500具有另外的凹部，在该凹部中，布置有用于加强和稳定的二维金属体502(也参见图5)。
以下将更详细地说明，压力体500包括压在连接装置3的接触部分32上的第一压力元件部分52和压在连接装置3的连接部分34上的第二压力元件部分54。
为了在压力装置5上施加所需的压力，功率半导体模块10包括壳体6，该壳体也可构造为部分壳体。该壳体6借助于紧固装置80、82布置在冷却装置8上，这里是借助于螺钉连接。在这种情况下，冷却装置8起到配合支承(counter-bearing)的作用，通过该配合支承可以将压力施加到压力装置上。壳体6的压力借助于弹簧元件504，这里是盘形弹簧的堆叠，被施加到压力装置5上。压力元件50的压力元件部分52、54将压力传递到到连接装置3上，使得基板2最终被压到冷却装置8的表面上。箭头60、61、62、64、65、66分别表示产生的压力。
图2分别示出了没有压力施加的压力元件50的各种构造的第一压力元件部分52和第二压力元件部分54。在这种情况下，图2a以及图6的三维视图示出了压力元件50，该压力元件50形成为单独的压力元件，并且被构造为和旨在用其第一压力元件部分52压到连接装置3的接触部分32上。第二压力元件部分54围绕第一压力元件部分52延伸布置，第二压力元件部分54构造为并旨在压到连接装置3的连接部分34的子部分上，该子部分与接触部分32直接相邻并且在这里同样围绕延伸。
第一压力元件部分52的面向连接装置的第一压力表面部分520在此以平面方式构造，因为连接装置3的分配d接触部分32同样以平面方式配置。第二压力元件部分54具有其第二压力表面部分540的轮廓，该轮廓从第一压力元件52的压力表面部分520连续地跟随并且基本上遵循连接装置3的轮廓。
图2b示出了具有第二压力元件部分54的表面轮廓的较浅轮廓的单个压力元件50的替代构造。
图2c示出了压力元件50，该压力元件50被构造为多个压力元件，并且在没有压力施加的状态下具有两个相互平行的表面。因此，该压力元件50包括多个第一压力元件部分52和第二压力元件部分54。第一压力元件部分52和第二压力元件部分54之间的边界524、542是虚拟功能边界，其由压力元件50的功能限定，但不一定由压力元件50的结构特性限定。
图2d示出了多压力元件的进一步构造，其中，第二压力元件部分54的面向连接装置3的压力表面部分540具有拱形轮廓，其基本上遵循连接装置3的连接部分34的轮廓，参见图1。此外，压力元件部分之间的边界524、542是竖直的。
除了图3a之外，图3示出了具有第一材料部分56和第二材料部分58的压力元件50的各种布置和构造。这些第一材料部分56和第二材料部分58是结构上不同的部分，优选地由不同的特性，特别是压缩特性和弹性特性。此外，第一材料部分56和第二材料部分58可因不同的材料特性而不同。
图3a示出了仅由第一材料部分56形成的单独压力元件50，尽管如图2a所示具有第一压力元件部分52和第二压力元件部分54。
图3b示出了具有第一压力元件部分52和第二压力元件部分54的单独压力元件50，这里，在第一压力元件部分52中，第一材料部分56布置成井(well)的形状，并且从在第二材料部分内部的表面开始。可替代地，该第一材料部分可从面向或远离连接装置的表面开始形成。其也可(这里未示出)形成为埋置的第二材料层。
图3c示出了如已经关于图2c描述的多个压力元件，其包括多个第一压力元件部分52和第二压力元件部分54，这里，第一材料部分56布置在第一压力元件部分52中，并且以井的形状横向延伸超过第一压力元件部分52并且从第二材料部分内部的表面开始。当然，关于图2b描述的变体在这里同样是可能的。
图3d示出了如已经关于图2d描述并且也在图5中表示的多压力元件，这里，第一压力元件部分52与第一材料部分56在空间上重合。这当然也适用于第二压力元件部分54和第二材料部分58。
图4示出了压力元件50的各种布置和构造的另外的第一材料部分56和第二材料部分58，其分别具有如关于图2d描述的几何形状。
图4a示出了类似于图3d的多个压力元件，尽管这里第一材料部分56和第二材料部分58之间的边界在垂直于法线方向N的方向从第一压力元件部分52移动到第二压力元件部分54中。因此，第一材料部分56的区域大于第二压力元件部分54的区域。
图4b示出了多个压力元件，其中,第二材料部分58的宽度从面向连接装置的表面到背离连接装置的表面不断增加。
图4c示出了多个压力元件，该多个压力元件具有多个区域的第二材料部分58，该区域以井的形状完全布置在第一压力元件部分52的内部。这些第二材料部分58布置在压力元件50的面向连接装置3的一侧。
对于在图3和图4的范围内描述的所有材料部分56、58，特别优选地，第一材料部分56由第一弹性材料形成，并且第二材料部分58由第二弹性材料形成。在这些示例的范围内，不受一般性的限制，两种弹性材料都是硅橡胶。在这种情况下，第一弹性材料具有65的第一肖氏A级硬度，而第二弹性材料具有60的第二肖氏A级硬度。
图5示出了，也参见图1，具有压力体500的压力装置5的三维分解图，压力体500包括在两个主侧上的凹部。在背离连接装置3的主侧上，金属稳定元件502布置在其凹部中，金属稳定元件502进一步用于均匀的压力分布。原则上，对应于根据图3d的压力元件的多个压力元件分别布置在面向连接元件3的主侧的两个凹部中。
图6示出了单个压力元件50的三维图。这种压力元件50具有例如3mm的厚度和6mm的边缘长度。
如上所述，图7示出了根据现有技术的功率电子电路装置，其布置在具有安装在冷却装置8上的基板24的功率半导体模块10中。

Claims (26)

1.一种功率电子电路装置，其具有：包括多个导电迹线的基板；布置在这些导电迹线上的功率半导体部件，所述功率半导体部件背离所述基板的接触盘限定法线方向N；带有金属片的连接装置，所述连接装置将功率半导体部件的接触盘导电地连接到另一功率半导体部件的另一接触盘或导电迹线；以及压力装置，其特征在于，连接装置(3)分别地包括接触部分(32)和连接部分(34)，所述接触部分(32)用于连接到分配的接触盘，所述连接部分(34)布置在两个接触部分(32)之间，其中，压力装置(5)包括二维弹性压力元件(50)，二维弹性压力元件(50)包括压力元件部分(52、54)，其中，第一压力元件部分(52)用相应的第一压力表面部分(520)压在分配的接触部分上，并且第二压力元件部分(54)用第二压力表面部分(540)压在下部部分(36)或整个连接部分(34)上。
2.根据权利要求1所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述连接部分具有拱形轮廓。
3.根据权利要求1或2所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述连接装置配置为交替地具有金属片和绝缘片的片堆叠。
4.根据权利要求1或2所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第一压力元件部分(52)中的一个具有从0.5mm至15mm的厚度。
5.根据权利要求1或2所述的功率电子电路装置，其特征在于，
相应的第一压力表面部分(520)以平面方式配置，并且其中，所述第二压力表面部分(540)具有弯曲的表面轮廓。
6.根据权利要求1所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述压力元件(50)包括由第一弹性材料组成的第一材料部分(56)和由第二弹性材料组成的第二材料部分(58)。
7.根据权利要求6所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第一弹性材料由第一肖氏A级硬度在30至90之间的弹性体材料组形成,并且其中，所述第二弹性材料同样由相应地具有第二肖氏A级硬度的这种材料组形成,第二肖氏A级硬度比第一肖氏A级硬度小5％,或者其中,所述第二弹性材料由塑料泡沫材料组形成。
8.根据权利要求6或7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第一压力元件部分(52)与所述第一材料部分(56)相同，并且所述第二压力元件部分(54)与所述第二材料部分(58)相同。
9.根据权利要求6或7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第一材料部分(56)布置在所述第一压力元件部分(52)的内部。
10.根据权利要求6或7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第二材料部分(58)布置在所述第二压力元件部分(54)的内部。
11.根据权利要求6或7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第一材料部分(56)在第二压力元件部分(54)的区域中包括第一凹陷，所述第二材料部分(58)布置在所述第一凹陷中。
12.根据权利要求6或7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第二材料部分(58)在第一压力元件部分(52)的区域中包括第二凹陷，所述第一材料部分(56)布置在所述第二凹陷中。
13.根据权利要求1或2所述的功率电子电路装置，其特征在于，
压力元件布置在压力框架的凹陷内。
14.根据权利要求2所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述连接部分的拱形轮廓具有位于法线方向上的最高点，最高点的水平面位于所述两个相邻接触部分的上方。
15.根据权利要求4所述的功率电子电路装置，其特征在于，所述第一压力元件部分(52)中的一个具有在2mm至8mm之间的厚度。
16.根据权利要求1或2所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第一压力元件部分(52)的全部具有从0.5mm至15mm的厚度。
17.根据权利要求16所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第一压力元件部分(52)的全部具有在2mm至8mm之间的厚度。
18.根据权利要求5所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第二压力表面部分(540)具有与所述连接部分(34)匹配的弯曲的表面轮廓。
19.根据权利要求7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第一弹性材料由硅橡胶材料组形成。
20.根据权利要求7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
第一肖氏A级硬度在60至70之间。
21.根据权利要求7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
第二肖氏A级硬度比第一肖氏A级硬度小10％。
22.根据权利要求7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第二弹性材料由具有根据ASTM D1056在25kPa至250kPa之间的压缩力的硅酮泡沫形成。
23.根据权利要求7所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第二弹性材料由具有根据ASTM D1056在100kPa至150kPa之间的压缩力的硅酮泡沫形成。
24.根据权利要求9所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第一材料部分(56)具有比所述第一压力元件部分(52)小至多30％的体积。
25.根据权利要求10所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述第二材料部分(58)具有比所述第二压力元件部分(54)小至多30％的体积。
26.根据权利要求13所述的功率电子电路装置，其特征在于，
所述压力框架包括金属稳定元件。
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