CN116057694A - 具有至少有一个功率单元的功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有至少一个功率单元(4)的功率模块(2)，该功率模块包括至少一个功率半导体(6)和基板(8)。为了改进功率模块(2)的可靠性而提出，功率单元(4)的基板(8)直接与冷却体(12)的表面(10)材料配合地连接，其中，至少一个功率单元(4)至少部分地被壳体(14)包围，其中，壳体(14)包括由第一介电材料制成的壳体框架(16)和由第二介电材料制成的壳体盖(18)，其中，第一介电材料不同于第二介电材料，并且其中壳体框架(16)与冷却体(12)的表面(10)液密地连接，并且其中通过壳体盖(18)与壳体框架(16)连接来封闭壳体(14)。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个功率单元的功率模块。
此外，本发明涉及一种具有至少一个这样的功率模块的功率转换器。
此外，本发明涉及一种用于制造具有至少一个功率单元的功率模块的方法。
背景技术
在这样的功率转换器中，通常将目前以分立的构造方式制成的闭合开关模块例如经由实心金属底板拧到冷却体上。功率转换器例如应理解为整流器、逆变器、转换器或直流电压转换器。
在这种开关模块中，由于功率半导体的最大允许芯片温度(其例如在175℃的范围内)增加，功率半导体周围的外围也变得越来越热。这尤其涉及包围功率半导体的、并且通常由塑料制成的壳体。因此，开关模块内部空间的温度的升高也对功率半导体周围的壳体提出了挑战。使用耐高温塑料(例如PPS材料)还有其他缺点。这种耐高温塑料例如具有高比例的玻璃纤维，这使得材料变脆，尤其在机械应力的情况下，这导致开裂并最终破损。
发明内容
在这样的背景下，本发明的目的在于改进功率模块的可靠性。
根据本发明，该目的通过具有至少一个功率单元的功率模块来实现，该功率模块包括至少一个功率半导体和基板，功率单元的基板直接与冷却体的表面材料配合地连接，其中，至少一个功率单元至少部分地被壳体包围，其中，壳体包括由第一介电材料制成的壳体框架和由第二介电材料制成的壳体盖，其中，第一介电材料不同于第二介电材料介电材料，其中，壳体框架与冷却体的表面液密地连接，并且其中，通过将壳体盖与壳体框架连接来封闭壳体。
此外，根据本发明，该目的通过具有至少一个这样的功率模块的功率转换器来实现。
此外，根据本发明，该目的通过一种用于生产具有至少一个功率单元的功率模块的方法来实现，该功率单元包括至少一个功率半导体和基板，其中，功率单元的基板直接与冷却体的表面材料配合地连接，其中，壳体围绕至少一个功率单元地布置，其中，壳体包括由第一介电材料制成的壳体框架和由第二介电材料制成的壳体盖，其中，第一介电材料不同于第二介电材料介电材料，其中，壳体框架与冷却体的表面液密地连接，并且其中，通过将壳体该与壳体框架连接来封闭壳体。
下面列出的关于功率模块的优点和优选设计方案能够类似地转移到功率转换器和方法。
本发明基于通过壳体改进功率模块可靠性的想法，壳体至少部分地包围功率模块的功率单元。功率单元具有至少一个功率半导体和基板。基板具有带有(特别是在两侧的)金属化部的介电材料层。例如，介电材料层为25μm至400μm，特别是50μm至250μm厚，并且包含陶瓷材料(例如氮化铝或氧化铝)或有机材料(例如聚酰胺)。金属化部例如由铜制成。
基板直接与冷却体的表面材料配合地连接。冷却体应理解为金属底板，其能够具有冷却肋或用于增加表面积的其他构件。冷却体由铝或铝合金制成，例如通过挤压制成。直接的材料配合的连接应理解为直接连接，其包括用于产生材料配合的连接的连接装置(包括例如粘合剂、焊料、烧结膏等)，然而不包括附加连接元件(例如附加导体、接合线、间隔件、底板、导热膏等)。
壳体包括壳体框架和壳体盖，其中，通过将壳体盖与壳体框架连接来封闭壳体。壳体框架与冷却体的表面液密地连接，使得例如软封装、特别是硅树脂封装能够设置在壳体框架内，以保护功率半导体。例如能够通过力配合或形状配合粘性地产生液密连接。通过将壳体框架与冷却体连接，即使在功率半导体的高温(例如在175℃的范围内)的情况下，也减少了壳体上的热负荷。
壳体框架由第一介电材料制成，而壳体盖由第二介电材料制成，其中第一介电材料不同于第二介电材料。特别地，第一介电材料在其机械、电气和热特性方面不同于第二介电材料。通过针对壳体框架和壳体盖采用不同的介电材料，为优化壳体的机械、电气和热性能提供了很大的自由度，以便改进功率模块的可靠性。特别地，不同介电材料的使用能够实现即使在功率半导体的高温情况下也不会显著损害功率模块的使用寿命的壳体。
另一实施方式提出，使得壳体盖与壳体框架能拆卸地连接。可逆连接例如能够经由壳体盖与壳体框架之间的力配合的连接产生。由于壳体盖能够从壳体框架上拆卸下来，因此能够(例如在生产或运行过程中出现错误的情况下)对功率单元进行非破坏地分析。
另一实施方式提出，壳体盖与壳体框架形状配合地连接。形状配合的连接例如是壳体盖的卡扣连接。卡扣连接例如能够经由壳体盖产生，该壳体盖至少在卡扣连接的区域中可弹性变形并且钩在壳体框架中以产生卡扣连接。通过形状配合地连接的盖，能够(例如在生产或运行过程中出现错误的情况下)特别简单地非破坏地分析功率单元。
另一实施方式提出，第一介电材料具有比第二介电材料更高的介电强度和/或更高的温度稳定性。因为壳体盖不与由功率半导体加热的冷却体直接接触并且因此处于比壳体框架更低的温度，因此较低的温度稳定性是足够的。尤其当在壳体框架内使用软封装时，壳体盖能够具有比壳体框架低的介电强度。因此，对于壳体盖能够使用更便宜的材料。
另一实施方式提出，第一介电材料具有比第二介电材料更高的机械刚度。例如，包括第二介电材料的壳体盖而由于较低的机械刚度能够弹性变形，以产生与壳体框架的卡扣连接。
另一实施方式提出，第一介电材料包含反应树脂和/或具有50％至75％、特别是60％至65％的纤维含量。反应树脂例如是环氧树脂。例如，玻璃和/或碳纤维被用于填充，由此能够获得高强度和/或刚度。此外，第一介电材料实现高介电强度。
另一实施方式提出，第二介电材料包含热塑性材料和/或具有5％至15％的纤维含量。这种热塑性材料例如是聚碳酸酯。例如，玻璃和/或碳纤维用于填充。通过这种比例的纤维实现第二介电材料的高弹性，例如用于产生卡扣连接。
另一实施方式提出，基本上平行于冷却体表面延伸地布置的配电板经由垂直接触部与功率单元连接，其中，壳体盖具有用于垂直接触部穿过的留空部。垂直接触部例如应被理解为引脚，由于其结构特性，其能够垂直地布置在基板上。这样的结构特性例如是脚，它允许将引脚布置在基板上(例如通过与基板的材料配合的连接)，和/或摆动圆，其使得更容易在配电板中找到孔和更高的稳定性和鲁棒性(例如在运行过程中发生热膨胀的情况下)。例如，垂直接触部焊接到基板上，并借助于压配合连接与配电板连接。这种触点例如由铜或铜合金制成，以便实现低电阻和高载流能力。接触部的垂直布置导致短的电缆路径和相关的低电感，这能够实现具有低阻抗和低损耗的功率单元。
另一实施方式提出，配电板具有金属化部，其中，该金属化部至少部分地留空。特别地，将不同的垂直接触部的电势之间的金属化部留空，以便保持所需的空气和爬电距离。
附图说明
下面根据附图所示的实施例更详细地描述和解释本发明。
图中示出：
图1示出了功率模块的横截面示意图，
图2示出了功率模块的示意性三维截面图，
图3示出了功率模块的示意性三维图，以及
图4示出了具有功率模块的功率转换器的示意图。
具体实施方式
以下说明的实施例是本发明的优选实施方式。在实施例中，所描述的实施方式的部件分别代表本发明的独立特征，这些特征分别彼此独立地进行考虑，这些特征也彼此独立地改进本发明，并且因此也被单独地或在示出的组合以外的组合中被视为本发明的组成部分。此外，所描述的实施实施方式也能够经由已经描述的本发明的其他特征来补充。
相同的附图标记在各个图中具有相同的含义。
图1以横截面示出功率模块2的示意图。功率模块2具有至少一个功率单元4，该功率单元包括功率半导体6和基板8。功率半导体6例如实施为晶体管，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或场效应晶体管，或二极管。特别地，至少一个晶体管分配有反并联二极管。
至少一个功率单元4的基板8具有介电材料层，其厚度为25μm至400μm，特别是50μm至250μm，其包含陶瓷材料(例如氮化铝或氧化铝)，或有机材料(例如聚酰胺)。此外，基板8在两侧具有金属化部，尤其是结构化的金属化部，其例如由铜制成，其中，基板8经由金属化部直接与冷却体12的表面10材料配合地连接。冷却体12例如通过挤压由铝或铝合金制成。与冷却体12的材料配合的连接通过焊接或烧结产生。直接的材料配合的连接应理解为直接连接，其包括用于产生材料配合的连接的连接装置(包括例如粘合剂、焊料、烧结膏等)，然而不包括附加连接元件(例如附加导体、接合线、间隔件，底板、导热膏等)，。
至少一个功率单元4被壳体14包围，其中，壳体14具有由第一介电材料制成的壳体框架16和由第二介电材料制成的壳体盖18，其中，通过将壳体盖18与壳体框架16连接来封闭壳体14。此外，壳体盖18通过突出部16a形状配合且能拆卸地与壳体框架16连接。壳体框架16与冷却体12的表面10液密地连接。壳体14填充有软封装20，特别是硅树脂封装，刚好在壳体盖18下方。
第一介电材料不同于第二介电材料，第一介电材料具有比第二介电材料更高的介电强度和/或更高的温度稳定性。此外，第一介电材料具有比第二介电材料更高的机械刚度。
例如，第一介电材料包含反应树脂，特别是环氧树脂，其填充有50％至75％，特别是60％至65％的纤维含量。另一方面，第二介电材料包含例如填充有5％至15％纤维含量的热塑性塑料。例如，将玻璃和/或碳纤维用于填充。
基本上平行于冷却体12的表面10延伸地布置的配电板22通过垂直接触部24与功率单元4连接，其中，垂直接触部24材料配合地与功率单元4的基板8连接。垂直接触部24具有弹性屈服部段26，并且例如利用压配合连接28与配电板22连接。配电板22具有尤其在两侧的金属化部30，其中，金属化部30至少部分地留空，以便在配电板22上保持所需的空气和爬电距离。特别地，在不同垂直接触部24的电势之间留空金属化部30，以保持必要的间隙和爬电距离。壳体盖18具有用于正交触头24的穿引的留空部32。
图2示出功率模块2的示意性三维截面图。功率模块2包括至少两个功率单元4。相应功率单元4的壳体盖18通过卡扣连接34形状配合地且能拆卸地与壳体框架16连接。卡扣连接例如经由至少在卡扣连接的区域中可弹性变形的壳体盖18产生，该壳体盖至少在两个相对置的侧上钩在壳体框架16中以产生卡扣连接。特别地，壳体盖18的凸耳18a钩在壳体框架16中的留空部16b中。为清楚起见，未示出配电板22。图2中功率模块2的另外的实施方案对应于图1中的实施方案。
图3示出了功率模块2的示意性三维视图，其中，示出了壳体盖18的弹性区域18b，其用于与壳体框架16建立可拆卸的形状配合的连接。图3中的功率模块2的设计方案对应于图2中的设计方案。
图4示出具有功率模块2的功率转换器36的示意图。功率转换器36可包括多于一个功率模块2。
总之，本发明涉及一种具有至少一个功率单元4的功率模块2，该功率单元包括至少一个功率半导体6和基板8。为了改进功率模块2的可靠性而提出，使得功率单元4的基板8直接与冷却体12的表面10材料配合地连接，其中，至少一个功率单元4被壳体14至少部分包围，其中，壳体14具有由第一介电材料制成的壳体框架16和由第二介电材料制成的壳体盖18，其中，第一介电材料不同于第二介电材料，并且其中，壳体框架16与冷却体12的表面10液密地连接，并且其中，通过将壳体盖18与壳体框架16连接来封闭壳体14。
Claims (14)
1.一种功率模块(2)，具有至少一个功率单元(4)，所述功率单元包括至少一个功率半导体(6)和基板(8)，
其中，所述功率单元(4)的所述基板(8)直接与冷却体(12)的表面(10)材料配合地连接，
其中，至少一个所述功率单元(4)至少部分地被壳体(14)包围，
其中，所述壳体(14)包括由第一介电材料制成的壳体框架(16)和由第二介电材料制成的壳体盖(18)，
其中，所述第一介电材料不同于所述第二介电材料，并且
其中，所述壳体框架(16)与所述冷却体(12)的所述表面(10)液密地连接，并且
其中，通过将所述壳体盖(18)与所述壳体框架(16)连接来封闭所述壳体(14)。
2.根据权利要求1所述的功率模块(2)，其中，所述壳体盖(18)能拆卸地与所述壳体框架(16)连接。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的功率模块(2)，其中，所述壳体盖(18)与所述壳体框架(16)形状配合地连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(2)，其中，所述第一介电材料具有与所述第二介电材料相比更高的介电强度和/或更高的温度稳定性。
5.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(2)，其中，所述第一介电材料具有与所述第二介电材料相比更高的机械刚度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(2)，其中，所述第一介电材料包含反应树脂，和/或所述第一介电材料具有50％至75％、特别是60％至65％的纤维含量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(2)，其中，所述第二介电材料包含热塑性材料和/或所述第二介电材料具有5％至15％的纤维含量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(2)，其中，基本平行于所述冷却体(12)的所述表面(10)延伸地布置的配电板(22)经由垂直接触部(24)与所述功率单元(4)连接，
其中，所述壳体盖(18)具有用于所述垂直接触部(24)的穿引的留空部(32)。
9.根据权利要求8所述的功率模块(2)，其中，所述配电板(22)具有金属化部(30)，其中，所述金属化部(30)至少部分地留空。
10.一种功率转换器，具有至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的功率模块(2)。
11.一种用于生产具有至少一个功率单元(4)的功率模块(2)的方法，
所述功率单元包括至少一个功率半导体(6)和基板(8)，
其中，所述功率单元(4)的所述基板(8)直接与冷却体(12)的表面(10)材料配合地连接，
其中，壳体(14)围绕所述至少一个功率单元(4)布置，
其中，所述壳体(14)包括由第一介电材料制成的壳体框架(16)和由第二介电材料制成的壳体盖(18)，
其中，所述第一介电材料不同于所述第二介电材料，
其中，所述壳体框架(16)与所述冷却体(12)的所述表面(10)液密地连接，并且
其中，通过将所述壳体盖(18)与所述壳体框架(16)连接来封闭所述壳体(14)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述壳体盖(18)与所述壳体框架(16)形状配合地连接。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其中，所述壳体盖(18)能拆卸地与所述壳体框架(16)连接。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，
其中，基本上平行于所述冷却体(12)的所述表面(10)延伸地布置的配电板(22)经由垂直接触部(24)与所述功率单元(4)连接，
其中，所述壳体盖(18)具有用于所述垂直接触部(24)的穿引的留空部(32)。
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