CN113964097A - 具有端子元件和连接装置的功率电子开关装置 - Google Patents

具有端子元件和连接装置的功率电子开关装置 Download PDF

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Abstract

一种功率电子开关装置，其具有：端子元件；具有第一和第二导体轨道的基板，功率半导体部件布置在第一导体轨道上；连接装置，其由膜复合物构成，具有面向基板的第一导电膜、在膜复合物中接下来的电绝缘膜、以及在膜复合物中进一步接下来的第二导电膜，其中导电膜之一的第二接触区段区域通过材料结合和导电连接而连接到第二导体轨道的接触区域，使得第二接触区段区域的子区段区域不具有材料接合的连接，其中端子元件通过第二接触区段区域的范围中的端子元件接触区域通过材料结合和导电连接而连接到导电膜之一，并且其中子区段区域和端子元件接触区域在法线方向上彼此对齐并且在该过程中至少部分地彼此重叠。

Description

具有端子元件和连接装置的功率电子开关装置
技术领域
本发明描述了一种功率电子开关装置，其具有：端子元件；具有第一和第二导体轨道的基板，其中功率半导体部件通过导电连接而布置在第一导体轨道上；连接装置，该连接装置由膜复合物构成，其具有面向基板的第一导电膜，以及在膜复合物中接下来的电绝缘膜，以及在膜复合物中进一步接下来的第二导电膜，其中导电膜之一的第一接触区段区域通过导电连接而连接到功率半导体部件的第一接触区域。
背景技术
DE 10 2019 117 476 A1作为现有技术公开了一种功率电子开关装置，其具有：功率半导体部件，所述功率半导体部件布置在基板的第一导体轨道上；连接装置，所述连接装置将该功率半导体部件连接到基板的第二导体轨道并由膜复合物构成，所述膜复合物包括面向基板和功率半导体部件的第一导电膜，以及在膜复合物中接下来的电绝缘膜，以及优选地在膜复合物中进一步接下来的第二导电膜；以及端子元件，其中所述端子元件具有第一接触区段，其中该第一接触区段以材料结合且导电的方式连接到导电膜之一的背离基板的表面的第二接触区段。
发明内容
针对上述现有技术的背景，本发明的目的在于改进膜复合物和基板之间的连接的配置，特别是在端子元件的区域中，并且在该点处减小机械负载。
根据本发明，该目的通过一种功率电子开关装置来实现，该功率电子开关装置具有：端子元件；具有法线方向以及第一和第二导体轨道的基板，其中功率半导体部件通过导电连接而布置在第一导体轨道上；由膜复合物构成的连接装置，其具有面向基板的第一导电膜，以及在膜复合物中接下来的电绝缘膜，以及在膜复合物中进一步接下来的第二导电膜，其中导电膜之一的第一接触区段区域通过导电连接而连接到功率半导体部件的第一接触区域，其中导电膜之一的第二接触区段区域通过材料结合和导电连接而连接到第二导体轨道的接触区域，使得第二接触区段区域的子区段区域不具有材料结合的连接，其中端子元件通过第二接触区段区域的范围中的端子元件接触区域通过材料结合且导电连接而连接到导电膜之一，并且其中子区段区域和端子元件接触区域在法线方向上彼此对齐并且在该过程中至少部分地彼此重叠。
通过这种配置，连接装置和第二导体轨道之间的材料结合连接的机械负载被局部地减轻负载并且因此总负载分布在更大的区域上。
可能有利的是，当在法线方向上观察时，端子元件接触区域完全布置在子区段区域内，并且优选地子区段区域的面积比端子元件接触区域的面积大至少50％，特别是大至少100％。
作为对此的替代，可能有利的是，当在法线方向上观察时，端子元件接触区域覆盖子区段区域的至多90％，优选至多80％。
原则上，可能优选的是，当在法线方向上观察时，子截面区域完全被第二接触区段区域包围。
原则上，优选的是，导电膜的相应厚度在10μm和500μm之间，优选在50μm和250μm之间，并且电绝缘膜的厚度在2μm和200μm之间，优选在10μm和100μm之间。
一方面，可能优选的是，端子元件呈销接触元件的形式或呈压销接触元件的形式。
然而，另一方面，也可能优选的是，端子元件呈其中布置有接触元件的套筒形式，接触元件就其本身而言呈销接触元件或压销接触元件的形式，其中在此套筒的接触区域的面向基板的外边缘形成端子元件接触区域的边缘。
在这种情况下，接触元件可以在套筒中布置有一区段并且可以以力配合和导电的方式连接到套筒。套筒也可以具有中空圆柱形或杯状的基本形状，优选具有附加的、优选结构化的基部元件。
还优选的是，相应的材料结合的连接呈钎焊接头的形式或呈焊接接头的形式，特别是呈激光焊接接头的形式，或呈烧结结合的形式或呈粘合结合的形式。
此外，可能有利的是，子壳体或壳体围绕或包围基板，其中端子元件的第一区段从壳体或子壳体突出，并且其中优选地第二区段固定地布置在壳体或子壳体中。
当然，只要本身没有被排除或没有被明确地排除，否则以单数提及的特征，特别是功率半导体部件和连接元件，也能够以复数的形式存在于根据本发明的功率电子开关装置中。
不言而喻的是，本发明的各种配置可以单独地实施或以任何期望的组合方式实施，以实现改进。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，上文和下文提到和解释的特征不仅可以以指定的组合来使用，而且能够以其它组合或单独地使用。
附图说明
本发明的进一步解释、有利的细节和特征来自于以下涉及图1至图7中示意性示出的本发明的示例性实施例或其相应部分的描述。
图1了示出根据现有技术的功率电子开关装置的侧视图。
图2了示出根据本发明的功率电子开关装置的第一配置的侧视图。
图3了示出根据本发明的功率电子开关装置的第二配置的侧视图。
图4了示出功率电子开关装置的第二配置的套筒。
图5至图7示出了第二接触区段区域和子区段区域的各种配置。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的功率电子开关装置1的侧视图。该开关装置1具有基板2，该基板2具有绝缘体20以及布置在此处的第一和第二导体轨道22、24。功率半导体部件5布置在基板2的第一导体轨道22上并且通过其面向第一导体轨道22的接触区域导电地连接到所述导体轨道。在没有任何一般性限制的情况下，该导电连接400在此呈材料结合的压力烧结结合的形式。
功率半导体部件5，更准确地是功率半导体部件5的在其法线方向N上背离基板2的接触区域，通过连接装置3连接到基板2的第二导体轨道24。该连接装置3呈该膜复合物的形式，该膜复合物由面向基板2的第一导电膜30、以及在膜复合物中接下来的电绝缘膜32、以及在膜复合物中进一步接下来的第二导电膜34构成。
功率电子开关装置1还具有端子元件8，在这种情况下更准确地是辅助端子元件，用于传导辅助电位，例如传感器信号或驱动信号。该端子元件8呈本领域内常规的弹簧元件的形式。该弹簧元件8的基部具有到第一导电膜30的背离基板2的表面上的接触区段的力配合连接。
该第一导电膜30通过材料结合且导电的连接420而连接到基板2的第二导体轨道24，在这种情况下呈本领域内常规的压力烧结结合的形式。
图2了示出根据本发明的功率电子开关装置1的第一配置的侧视图。基板2连同功率半导体部件5以及连接装置3的基本配置对应于现有技术，如对于图1所述。
配置为膜复合物的连接装置3具有第一导电膜30和第二导电膜34以及电绝缘膜32，所述第一导电膜30和第二导电膜34分别具有200μm的厚度，所述电绝缘膜32具有80μm的厚度。
端子元件6，同样是辅助端子元件，在这种情况下呈销接触元件60的形式，用于与用于驱动功率电子开关装置1的控制PCB(未示出)的相应部件的插接式或钎焊连接。为了连接到连接装置3，端子元件6具有基部元件602，该基部元件602通过材料结合的和导电的连接460布置在第一导电膜30上。在这种情况下，材料结合的和导电的连接460呈钎焊接头的形式。在这种情况下，端子元件6的面向基板2的端子元件接触区域600通过该钎焊接头而导电地连接到第二导电膜34的背离基板2的该表面的第三接触区段区域340。
此外示出了连接装置3和第二导体轨道24之间的材料结合的和导电的连接440。在这种情况下，导电膜30的第二接触区段区域300通过材料结合的和导电的连接440而连接到第二导体轨道24的接触区域240。在这种情况下同样是压力烧结结合。在这种情况下，只有围绕第二接触区段区域300的子区段区域302的边缘区域304具有材料结合的连接，但是该子区段区域302本身没有材料结合的连接。在连接内、更准确地在其烧结层内，从其解除的区域442在此延伸。由于在负法线方向N上作用于端子元件6上的压力，在开关装置1的使用期间，该解除区域442可以非常小，并且在这种情况下，子区段区域302可以直接且导电地与第二导体轨道24接触。
在这种情况下，当在法线方向N上观察时，端子元件6的端子元件接触区域600和子区段区域302对齐，其中端子元件接触区域600完全布置在子区段区域302内，参照图5，并且其中子区段区域302的面积比端子元件接触区域600的面积大至少80％。
图3示出了根据本发明的功率电子开关装置1的第二配置的侧视图。基板2连同功率半导体部件5以及连接装置3的配置在原则上对应于针对图2所描述的。
与此相反，端子元件6呈杯状套筒62的形式，其中布置有接触元件64。接触元件64就其本身而言呈压销接触元件的形式。接触元件64在套筒62中布置有一区段并且以力配合且导电的方式连接到套筒62。
套筒62的面向基板2的区段具有基部元件624，参照图4。套筒62的该基部元件通过导电连接462以材料结合的方式而以材料结合的和导电的方式连接到第一导电膜30的背离基板2的表面，在这种情况下，导电连接462呈钎焊接头的形式。为此目的，电绝缘膜32和第二导电膜34具有公共切口310，其用于将套筒布置在其中。
因此，通过该连接642，端子元件6的面向基板2的端子元件接触区域600(在这种情况下是其套筒62)导电连接到第一导电膜30的背离基板2的表面的第三接触区段区域340。
此外示出连接装置3和第二导体轨道24之间的导电的和材料结合的连接440，其原则上与图2中所示的具有相似的构造。在这种情况下，连接装置3的第二接触区段区域300的子区段区域302也不具有材料结合的连接，而是从其解除的区域442在此处呈烧结层形式的连接内延伸。
当沿法线方向N观察时，端子元件6的端子元件接触区域600和子区段区域302再次对齐，其中与图2相反，当沿法线方向N观察时，此处的端子元件接触区域600覆盖子区段区域302的85％。
此外，示出了壳体7，但仅以区段示出，该壳体围绕基板2。壳体7具有壳体切口70，端子元件6通过该切口70从壳体7中伸出。从壳体7伸出的端子元件6的该第一区段用于开关装置1的外部连接。在没有任何一般性限制的情况下，端子元件6的第二区段在此通过粘合结合72固定地布置在切口70中。
图4示出了具有中空圆柱形区段622的功率电子开关装置1的第二配置的套筒。此外，示出基部元件624的两个变体，具有或不具有接触表面626的附加结构628，其外边缘形成端子元件接触区域600的边缘，因此其包围接触表面626。该接触表面626设计为并旨在通过钎焊接头以材料结合的方式连接在连接装置3的导电膜30、34的背离基板2的表面上，参照图3。
图5至图7示出第二接触区段区域300和子区段区域302的各种配置，在每种情况下均从法线方向N观察，在这种情况下为从图平面外的方向观察。分别示出第二导体轨道24和连接装置3之间的导电连接440的类似细节，参照图2，其都具有解除区域442，即没有任何结合材料的区域。该解除区域442对应于第二接触区段区域300的子区段区域302，或与第二接触区段区域300的子区段区域302对齐。此外示出了端子元件接触区域600，其没有任何解除，甚至在图4中所示的套筒62的情况下也没有任何解除，并且因此总是以完全填充区域的形式存在。
这些端子元件接触区域600在每种情况下都与端子元件和连接装置3以及其第三接触区段区域340之间的导电连接460对齐。
图5示出了这样的配置：当在法线方向N观察时，端子元件接触区域600完全布置在子区段区域302内，并且其中子区段区域302的面积是端子元件接触面积600的三倍。此外，端子元件接触区域600的边缘与子区段区域302的边缘具有最小间距444，其大于子区段区域302的直径的10％。
图6和图7均示出不同的示例性配置，其中在每种情况下，端子元件接触区域600部分地，但从不完全地，与子区段区域302重叠，并具有重叠区域466。

Claims (19)

1.功率电子开关装置(1)，其特征在于，所述功率电子开关装置(1)具有：端子元件(6)；基板(2)，其具有法线方向(N)以及第一导体轨道(22)和第二导体轨道(24)，其中功率半导体部件(5)通过导电连接(400)布置在第一导体轨道(22)上；连接装置(3)，其由膜复合物构成，具有面向基板(2)的第一导电膜(30)、以及在膜复合物中接下来的电绝缘膜(32)、以及在膜复合物中进一步接下来的第二导电膜(34)，其中导电膜中之一的第一接触区段区域通过导电连接(402)连接到功率半导体部件(5)的第一接触区域，其中导电膜(30、34)之一的第二接触区段区域(300)通过材料结合的和导电的连接(440)而连接到第二导体轨道(24)的接触区域(240)，使得第二接触区段区域(300)的子区段区域(302)不具有材料结合的连接，其中端子元件(6)通过第二接触区段区域(300)的范围中的端子元件接触区域(600)而通过材料结合的和导电的连接(460)连接到导电膜(30、34)之一，并且其中子区段区域(302)和端子元件接触区域(600)在法线方向(N)上彼此对齐并且在该过程中至少部分地彼此重叠。
2.根据权利要求1所述的功率电子开关装置，其特征在于：
当在法线方向(N)上观察时，端子元件接触区域(600)完全布置在子区段区域(302)内。
3.根据权利要求1所述的功率电子开关装置，其特征在于：
当沿法线方向(N)观察时，端子元件接触区域(600)覆盖子区段区域(302)的至多90％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于：
当沿法线方向(N)观察时，子区段区域(302)完全被第二接触区段区域(300)包围。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于：
导电膜(30、34)的相应厚度在10μm和500μm之间，并且电绝缘膜(32)的厚度在2μm和200μm之间。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于：
端子元件(6)呈销接触元件(60)的形式或呈压销接触元件的形式。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于：
端子元件(6)呈套筒(62)的形式，其中布置有接触元件，所述接触元件就其本身而言呈销接触元件或压销接触元件(64)的形式，其中在此，套筒(62)的接触表面(626)面向基板(2)的外边缘形成端子元件接触区域(600)的边缘。
8.根据权利要求7所述的功率电子开关装置，其特征在于：
接触元件(64)在套筒(62)中布置有一区段(622)并且以力配合和导电的方式连接至此。
9.根据权利要求8所述的功率电子开关装置，其特征在于：
套筒(62)具有中空圆柱形或杯状的基本形状。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于：
相应的材料结合的连接(440、460)呈钎焊接头的形式或呈焊接接头的形式，或呈烧结结合的形式或呈粘合结合的形式。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于：
子壳体或壳体(7)围绕或包围基板(2)，并且其中端子元件(6)的第一区段突出到壳体(7)或子壳体之外。
12.根据权利要求2所述的功率电子开关装置，其特征在于：
子区段区域(302)的面积比端子元件接触区域(600)的面积大至少50％。
13.根据权利要求3所述的功率电子开关装置，其特征在于：
当沿法线方向(N)观察时，端子元件接触区域(600)覆盖子区段区域(302)的至多80％。
14.根据权利要求5所述的功率电子开关装置，其特征在于：
导电膜(30、34)的相应厚度在50μm和250μm之间。
15.根据权利要求5所述的功率电子开关装置，其特征在于：
电绝缘膜(32)的厚度在10μm和100μm之间。
16.根据权利要求9所述的功率电子开关装置，其特征在于：
套筒(62)具有附加的基部元件(624)。
17.根据权利要求16所述的功率电子开关装置，其特征在于：
所述基部元件(624)是结构化的基部元件(624)。
18.根据权利要求10所述的功率电子开关装置，其特征在于：
相应的材料结合的连接(440、460)呈激光焊接接头的形式。
19.根据权利要求11所述的功率电子开关装置，其特征在于：
端子元件(6)的第二区段固定地布置在壳体或子壳体中。
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