CN116454027A - 功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率模块(10)，其具有：至少一个冷却体(8)；至少一个功率单元(11)，功率单元包括至少一个半导体元件(6)和基板(7)；用于将至少部分地构造在冷却体之内和/或之上的功率单元包围并用于将驱控单元(20)相对于功率单元定心的装置(1)，该装置包括：框架(2)，框架至少部分地、优选完全地围绕基板；至少一个第一凸出部段(3)，第一凸出部段接合到冷却体的凹槽或开口(12)中；至少一个第二凸出部段(4)，第二凸出部段构造用于接合到具有至少一个电子器件(24)的驱控单元的凹槽或开口或缺口(21)中，第二凸出部段的轮廓在横截面中观察至少基本构造成星的形状，该星具有至少一个第一腿部、第二腿部和第三腿部。

Description

功率模块

技术领域

本发明涉及一种功率模块，其具有至少一个冷却体和至少一个功率单元的，其中该功率单元包括至少一个半导体元件和基板。

背景技术

功率单元与驱控单元、尤其是电路板的精确对准是困难的。不精确导致：引脚不能正确定位，进而不能或至少不能完全提供功率模块的功能。

发明内容

本发明的基本目的是：简化和改进驱控单元相对于功率单元的定位。

该目的通过一种功率模块来实现，该功率模块具有：

-至少一个冷却体；

-至少一个功率单元，其中功率单元包括至少一个半导体元件和基板；

-用于将至少部分地构造在冷却体之内和/或之上的功率单元包围并且用于将驱控单元相对于功率单元定心的装置，其中该装置包括：

-框架，其中框架至少部分地、优选完全地围绕基板；

-至少一个第一凸出部段，其中第一凸出部段接合到冷却体的凹槽或开口中；

-至少一个第二凸出部段，其中第二凸出部段构造用于接合到具有至少一个电子器件的驱控单元的凹槽或开口或缺口中，

其中第二凸出部段的轮廓在横截面中观察至少基本上构造成星的形状，其中，该星具有至少一个第一腿部、第二腿部和第三腿部。

有利的实施方式是：第一凸出部段的轮廓在横截面中观察至少基本上构造成圆的形状。然而，第一凸出部段的轮廓也可以例如是星或十字的形状。也可以考虑其他的形状。

该装置优选是一件式的。

基板有利地用作引导元件。

基板例如包括至少一个导电层，其中导电层优选具有铜，还包括至少一个导热层，其中导热层优选具有陶瓷。

导热层有利地是电绝缘的。导热层应一方面建立绝缘并且另一方面导出废热。在此，陶瓷是有利的，因为由此特别良好地实现建立电绝缘。

基板特别有利地具有三个层。朝向冷却体的第一层优选地具有铜。邻接于第一层的第二层优选具有陶瓷。邻接于第二层的第三层优选地具有铜。第一层和第三层因此是导电层，而第二层因此是导热层。导热层有利地是电绝缘的。

引导元件优选地在第三层处和/或在第三层上包括至少一个半导体元件，优选地包括多个半导体元件。

功率单元优选地是转换器系统或功率变换器系统的一部分。

该装置取代了至今为止的壳体并且在此在结构方面被显著简化。此外，通过本发明还可以在冷却充分且均匀的情况下减小结构尺寸。

星形轮廓也可被视为Y形轮廓。

三个腿部是特别有利的，因为在此在材料使用少的情况下确保了高的稳定性。与构造为屋顶或锥体或柱体的示例性的第二凸出部段相比，材料使用显著减少。

为了耐高温，有利地使用具有高玻璃纤维份额的塑料或树脂，这是非常昂贵的。在此，即使只是少量的材料减少也降低了成本。

该轮廓还提供以下优点，即不需要加强件来稳定，否则尤其针对在冷却浇铸的或注塑的框架时的材料收缩而需要加强件。

通过星形的轮廓加强第二凸出部段，尤其在朝驱控单元的方向上加强。由此，第二凸出部段是特别稳定的，且不易于倾斜。应避免倾斜，因为倾斜在将功率模块与驱控单元拼接的过程中导致残次品。

星形的轮廓也在工具成本方面是有利的，例如在构造为空心柱体的第二凸出部段中，在工具方面需要销，围绕销注塑材料。由于星形的形状，可以省去这种销。

通过星形的轮廓减少第二凸出部段和驱控单元之间的接触面积，由此减少了在接合时出现的摩擦。与圆形相比，如果仅三个星形尖端(即径向观察腿部的端部)与驱控单元接触，则接合过程会更顺畅。

一个有利的实施方式提出，第一腿部和第二腿部设置成使得它们从鸟瞰图中观察部分地围绕第一部段的轮廓。

这是特别节省空间的实施方式。

一个有利的实施方式提出，第一腿部的长度对应于第二腿部的长度。

一个特别有利的实施方式提出，所有腿部都相同长。因此，凸出部段尤其稳定。

一个有利的实施方式还提出，第一腿部长于第三腿部。

该实施方式也可用于节约空间的造型。在这种情况下，最短的腿部有利地指向远离另一部段的方向。

一个有利的实施方式提出，框架借助于粘接固定在冷却体上。

由于不需要螺旋连接等方式，可以使冷却体、特别是冷却体基底更细长地构造。因此也可以实现功率模块的紧凑造型。

一个有利的实施方式提出，框架构造成矩形，其中第一凸出部段至少基本上设置在框架的角、特别是外角处，其中第二凸出部段至少基本上设置在框架的角、特别是外角处。

因此，可以特别好地实现定位或定心。

一个有利的实施方式提出，第一凸出部段和第二凸出部段构造成沿相反的方向伸出。

因此，可以实现框架相对于冷却体的良好定位，并且还实现驱控单元相对于框架的良好定位。

一个有利的实施方式提出，第一凸出部段和第二凸出部段垂直于冷却体的表面地定向。

因此尤其良好地实现接合过程。

一个有利的实施方式提出，框架具有聚苯硫醚(PPS)。

PPS是有利的，因为这是耐高温(例如直至175℃才释放的)的热塑性材料。

一个有利的实施方式提出，框架具有带50％至75％、特别是60％至65％的纤维份额的聚苯硫醚。

然而，也可以使用合成塑料。

一个有利的实施方式提出，第一腿部和第二腿部之间的角度等于第二腿部和第三腿部之间的角度。

特别有利的是具有120°均匀偏移的腿部的星。通过这种具体的形状可以在定位过程期间更好地补偿形状和位置公差。在电路板中的起始孔径相同的情况下，整个功率模块会发生更大的扭转。

一个有利的实施方式提出，腿部的宽度在0.5mm和2mm之间，优选地在0.8mm和1.6mm之间，特别地在1.1mm和1.3mm之间。

出于稳定性的原因，例如1.2mm是良好适合的。

一个有利的实施方式提出，功率模块还具有用于固定驱控单元的固定元件。

因此，可以牢固地固定驱控单元。固定元件例如是螺钉(也参见附图描述)。

该目的的解决方案还通过一种用于前述技术方案之一描述的功率模块的框架来实现，该框架具有：

-至少一个第一凸出部段，其中第一凸出部段构造用于接合到冷却体的凹槽或开口中；

-至少一个第二凸出部段，其中第二凸出部段构造用于接合到具有至少一个电子器件的驱控单元的凹槽或开口中，其中第二凸出部段的轮廓在横截面中观察至少基本上构造成星的形状，其中该星具有至少三个腿部。

一个有利的实施方式提出，在横截面中观察，第一凸出部段(3)的轮廓至少基本上构造成圆的形状(换言之：圆形)。

该目的的解决方案还通过一种功率变换器来实现，其具有：

-这种功率模块，

-具有至少一个电子器件的驱控单元，

其中，功率模块和驱控单元相互连接。

在此，一个有利的实施方式提出，通过将功率模块的第二凸出部段接合到驱控单元的凹槽或开口中，驱控单元相对于功率模块定心。

附图说明

下面根据附图中示出的实施例更详细地描述和解释本发明。附图示出：

图1示出功率模块的一个可行设计方案，

图2和图9详细示出第二凸出部段的轮廓，

图3示出图1中的可行设计方案的分解图，

图4和图5示出与驱控单元连接的功率模块，

图6示出功率变换器，

图7从鸟瞰图示出与驱控单元连接的功率模块，

图8示出框架。

具体实施方式

图1示出具有装置1的功率模块10的一个可行设计方案。

图3示出图1中的可行设计方案的分解图。

装置1包围构造在功率模块10之上的功率单元11。

功率单元11包括至少一个半导体元件6。半导体元件尤其是功率半导体，例如是IGBT。功率单元11还包括基板7。

装置1包括框架2，其中框架2完全包围基板7。

装置1包括至少一个第一凸出部段3，其中第一凸出部段3接合到冷却体8的凹槽或开口12中(在附图中)或构造用于接合到开口12中。

开口12例如可以是缺口、凹槽、盲孔或孔。

开口12有利地构造在冷却体8的基底22(或基板)中。

在附图中，冷却肋片81设置在基底22之下。

冷却体8在附图中具有多个冷却肋片81。冷却肋片81有利地平行设置。

装置1还包括至少一个第二凸出部段4，其中，第二凸出部段4构造用于接合到具有至少一个电子器件的驱控单元20(参见图4)的缺口21或凹槽或开口(参见图4)、例如孔中。

驱控单元20有利地是主电路板。

附图还示出接触元件9。接触元件优选地是管脚。功率单元11有利地具有多个接触元件9。接触元件9可以构造为单个管脚或构造为多件式的管脚系统。

装置1在附图中具有固定元件5。固定元件5构造用于固定驱控单元20。

框架2在附图中构造成矩形。然而，其他形状也是可以考虑的，例如圆形框架、椭圆形框架、方形框架或梯形框架。

图1和图3示出：第一凸出部段3至少基本上设置在框架2的外角处或设置在框架的外角的区域中。

图1和图3还示出：第二凸出部段4至少基本上设置在框架2的外角处或设置在外角的区域中。

也可以考虑彼此沿对角线设置。

两个部段3和4有利地设置在框架2的公用的角处。两个部段3和4有利地材料配合地彼此连接。因此，这些部段有利地构造成沿相反的方向伸出。这些部段有利地是一件式的。

第一凸出部段3有利地构造为定位栓。

以该方式，装置1可以精确地定位在冷却体8的表面上。有利地，在此不存在形状配合和/或力配合的连接。

框架2例如借助于粘接固定在冷却体8上。

第一类型的凸出件3有利地具有至少基本上精确配合地接合到冷却体8的凹槽或开口12中的形状。

第一凸出部段3有利地具有圆形横截面。然而，也可以考虑其他形状。

凸出部段4有利地构造为定心顶部。

第二凸出部段4的轮廓在横截面中观察至少基本上构造成星的形状，其中，该星具有至少一个第一腿部、第二腿部和第三腿部。

这实现驱控单元的精确定心。不需要任何引导工具。

部段3和4的轮廓在图2和图9中详细示出。

第二凸出部段4有利地具有刚好三个腿部S1、S2和S3。这些腿部围绕中点M星形(或也Y形)地设置。

关于中点M有利地提出：l1＝l2＝l3，其中，l1是第一腿部S1的长度，l2是第二腿部S2的长度，l3是第三腿部的长度S3。

对于l1以下是有利地提出：0.5mm≤l1≤5mm。特别优选地提出：1.5mm≤l1≤3.5mm。

一个特别有利的实施方式是：2mm≤l1≤3mm，例如l1是2.515mm。

可替代地，也可以考虑的是：一条腿部比另一腿部更长。

腿部S1、S2和S3有利地设置成，使得对于位于其之间的角度α、β和γ适用于α＝β＝γ。

示例性地示出腿部S2处的腿部宽度b2。腿部宽度有利地为0.5mm和2mm之间，优选为0.8mm和1.6mm之间，特别为1.1mm和1.3mm之间。

出于稳定性的原因例如1.2mm是良好适合的。

图2示出：凸出部段4接合到盖14的侧向缺口中。

通过部段3和4的所描述的设置防止扭转。

此外，在图2中示出：盖14具有用于管脚(参见图1)的开口91。

框架2有利地构造为，使得施加的灌封料保留在由框架2和功率模块10或功率模块10的侧部限界的区域内。

为此，框架2有利地以材料结合的方式尤其借助于粘接与功率模块10的表面连接。

硅树脂尤其良好地适合作为灌封料。也可以考虑聚氨酯和/或环氧化物。

硅树脂是耐高温的。此外，硅树脂在室温下或借助于UV(紫外)光固化。

此外，硅树脂具有非常好的电绝缘特性，并且具有低粘度和良好的流动性能。

功率单元11有利地与冷却体8连接。这种连接优选地借助于压制和/或钎焊和/或烧结来实现。然而，也可以考虑其他类型的连接，特别是借助于其他导热材料的连接。

此外，通过输入热量、例如熔焊实现的连接也是可行的。

功率单元11有利地构造为模块自身的冷却体的一部分。

功率单元有利地构造为直接铜键合(也称为DCB)。

模块自身的冷却体有利地具有功率单元11和接触元件。

冷却体8有利地具有至少一个功率单元11。然而，冷却体8也可以包括两个或更多个功率单元11。

最优化的方案是：冷却体8包括三个功率单元11。这在功率方面在负载优化的情况下确保良好的冷却。

三个功率单元11是有利的，因为可以分别将一个功率单元与三相系统的一个相关联。

半导体元件6例如是晶闸管或MOSFET或IGBT。也可以考虑其他半导体元件。

如果半导体元件6构造为IGBT，则还需要续流二极管。也可以考虑其他半导体元件。

驱控单元20优选是配电板(也称为主电路板)，即包括器件装配的电路板，并且优选用于驱控以及能量供应，优选地借助于直流电压进行驱控以及能量供应。

图3还示出构造用于支承盖的装置。例如，该装置具有多个凸耳13。

盖14在图4中示出。盖有时实现引导管脚。盖为此可以具有留空部。

此外，盖14在发生爆炸时提供保护。在性能测试中，半导体元件被使用或过载，使得其会造成爆炸。盖用于保护环境，尤其用于保护转换器或功率变换器。

为此，盖例如具有玻璃纤维增强的聚碳酸酯。

图4和图5示出与驱控单元20连接的功率模块10。

图7从鸟瞰图中示出与驱控单元连接的功率模块。

图5还示出多个电子器件24。

电子器件24例如是电容器、电阻或二极管。其他器件也是可行的。电子器件24优选用于驱控。

在附图中，第二凸出部段4接合到驱控单元的开口中。这实现良好的定心。

附图还示出冷却体盖或保持框架23。

图5示出固定元件5。

这用于固定驱控单元20。固定元件有利地构造用于支承驱控单元。

此外，固定元件5有利地具有空腔，例如螺纹构造在该空腔中。这提供以下优点：可以借助于螺钉51固定驱控单元5。

固定元件有利地是构造用于与另一主体力配合连接和/或形状配合连接的装置。

固定元件例如是具有内螺纹的装置，该装置构造用于容纳具有外螺纹的主体、例如螺钉。

通过螺钉确保可拆卸性。因此，该实施方式是优选的。

此外可行的是：固定元件5具有空腔，以能够固定内螺纹滚压的或自攻的螺钉。

如附图所示，固定元件还可以具有第一凸起部段3。功率模块10优选地是转换器系统的一部分。转换器系统优选是高性能的，并且能特别良好地适合于生产机器和机床的驱动器以及玻璃和/或包装行业中的驱动器。其他应用领域是供暖、通风、空调、泵和标准风扇以及各种变换器应用。

本发明提供以下优点：简化了工艺步骤、组装步骤和生产步骤并且可以降低成本、特别是在所用材料方面的成本。与至今为止常用的壳体相比，仅必须为所描述的装置使用显著更少的材料。

由此，功率变换器也变得更轻。

代替将封装的功率单元旋拧接合在冷却体上并为此在壳体中使用底座，所描述的装置有利地附接在冷却体上。

为了更容易定位并确保防止扭转，有利地设有至少两个栓，栓仅伸入到用于定位的最少伸入到孔、优选盲孔中。深度优选为1mm至5mm。

冷却体8连同功率单元11有利地借助于起作为定位工具的功能的至少一个定位栓伸入到主电路板中，进而实现定位。

借助于固定元件处的螺钉51有利地创建从冷却体8到主电路板的连续的机械连接。借助该连接，还通过定位栓直接对准构件。这促进构件更好的结构方面的协调。

图6示出功率变换器30。

功率变换器30具有至少一个已经描述的功率模块10。功率变换器也可以具有多个功率模块10。

功率变换器还具有驱控单元20，驱控单元具有至少一个电子器件24。

如附图中所示，功率模块10和驱控单元20相互连接。

图8示出框架2。

所示的框架具有至少一个第一凸出部段3，其中第一凸出部段3构造用于接合到冷却体8的凹槽或开口12中。

在附图中，框架2还具有刚好一个第二凸出部段4，其中第二凸出部段4构造用于接合到具有至少一个电子器件24的驱控单元20的凹槽或开口或缺口21中。第一凸出部段3的轮廓在横截面中观察至少基本上构造成圆或环的形状。

第二凸出部段4的轮廓在横截面中观察至少基本上构造成星的形状，其中该星具有三个腿部。

附图还示出纵轴线A3和A4。两个部段3和4不位于共同的纵轴线上。两个部段3和4位于不同的纵轴线A3和A4上。

图9详细示出第二凸出部段4的轮廓。

腿部S1、S2和S3的端部具有倒圆，倒圆按照假想的倒圆R2构造。R2在附图中是圆。

倒圆R2是用于第二凸出部段4(也称为Y形栓或Y形体)的量度。R2可以被认为对应于具有与第二Y形体相同直径的圆形的栓。

例如，倒圆R1对应于驱控单元的钻孔或开口。该倒圆优选地略大于倒圆R2。

如果两个栓的变体设计水平移动，则Y形轮廓比圆更晚地接触钻孔。示出Y形腿部的边缘与钻孔的接触，并且在其左侧可见位于外部的圆形轮廓。这具有以下优点：与在圆形轮廓的情况相比，通过所示的Y形轮廓在碰撞发生之前提供更多的回旋空隙。

Claims (15)

1.一种功率模块(10)，具有：

至少一个冷却体(8)；

至少一个功率单元(11)，其中，所述功率单元(11)包括至少一个半导体元件(6)和基板(7)；

用于将至少部分地构造在所述冷却体(8)之内和/或之上的功率单元(11)包围并且用于将驱控单元(20)相对于所述功率单元(11)定心的装置(1)，其中，所述装置(1)包括：

框架(2)，其中，所述框架(2)至少部分地、优选完全地围绕所述基板(7)；

至少一个第一凸出部段(3)，其中，所述第一凸出部段(3)接合到所述冷却体(8)的凹槽或开口(12)中；

至少一个第二凸出部段(4)，其中，所述第二凸出部段(4)构造用于接合到具有至少一个电子器件(24)的驱控单元(20)的凹槽或开口或缺口(21)中，

其中，所述第二凸出部段(4)的轮廓在横截面中观察至少基本上构造成星的形状，其中，所述星具有至少一个第一腿部、第二腿部和第三腿部。

2.根据权利要求1所述的功率模块(10)，其中，所述第一凸出部段(3)的轮廓在横截面中观察至少基本上构造成圆的形状，其中，所述第一腿部和所述第二腿部设置成使得所述第一腿部和所述第二腿部从鸟瞰图中观察部分地围绕所述第一凸出部段(3)的轮廓。

3.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，其中，所述第一腿部的长度对应于所述第二腿部的长度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，其中，所述第一腿部长于所述第三腿部。

5.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，其中，所述框架(2)借助于粘接固定在所述冷却体(8)上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，其中，所述框架(2)构造成矩形，其中，所述第一凸出部段(3)至少基本上设置在所述框架(2)的角、特别是外角处，其中，所述第二凸出部段(4)至少基本上设置在所述框架(2)的角、特别是外角处。

7.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，其中，所述第一凸出部段(3)和所述第二凸出部段(4)构造成沿相反的方向伸出。

8.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，其中，所述第一凸出部段(3)和所述第二凸出部段(4)垂直于所述冷却体(8)的表面(82)地定向。

9.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，其中，所述框架(2)具有聚苯硫醚。

10.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，其中，所述第一腿部与所述第二腿部之间的角度等于所述第二腿部与所述第三腿部之间的角度。

11.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，其中，腿部的宽度在0.5mm和2mm之间，优选地在0.8mm和1.6mm之间，特别地在1.1mm和1.3mm之间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)，还具有用于固定所述驱控单元(20)的固定元件(5)。

13.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(10)的框架(2)，所述框架具有：

至少一个第一凸出部段(3)，其中，所述第一凸出部段(3)构造用于接合到冷却体(8)的凹槽或开口(12)中；

至少一个第二凸出部段(4)，其中，所述第二凸出部段(4)构造用于接合到具有至少一个电子器件(24)的驱控单元(20)的凹槽或开口中，

其中，所述第二凸出部段(4)的轮廓在横截面中观察至少基本上构造成星的形状，其中，所述星具有至少三个腿部。

14.一种功率变换器(30)，具有：

根据权利要求1至12中任一项所述的功率模块(10)，

具有至少一个电子器件(24)的驱控单元(20)，

其中，所述功率模块(10)和所述驱控单元(20)相互连接。

15.根据权利要求14所述的功率变换器(30)，其中，通过将所述功率模块(10)的所述第二凸出部段(4)接合到所述驱控单元(20)的凹槽或开口中，所述驱控单元(20)相对于所述功率模块(10)定心。