CN117440653A - 功率电子模块 - Google Patents

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CN117440653A CN202310889784.7A CN202310889784A CN117440653A CN 117440653 A CN117440653 A CN 117440653A CN 202310889784 A CN202310889784 A CN 202310889784A CN 117440653 A CN117440653 A CN 117440653A
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王鹏帅
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ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

提出了一种功率电子模块，其具有用于布置功率电子模块的多个部件的电路板。要么功率半导体与DC和AC连接元件被布置在有机绝缘体上并且并排布置，并且分别经由有机绝缘体与冷却体热和机械连接。要么DC和AC连接元件被布置在功率半导体与冷却体之间，并且与冷却体热和机械连接，并且与功率半导体热和电连接。

Description

功率电子模块
技术领域
本发明涉及电动汽车的领域，尤其是涉及针对借助燃料电池驱动的电驱动器的电子模块。
背景技术
近几十年来，电子模块，如功率电子模块在机动车中的使用已大大增长。这一方面归因于需要改进燃油经济性和车辆性能，并且另一方面归因于半导体技术的进步。
为了可以提供能量，需要用以实现桥式电路(如半桥)的大量的电子构件，例如也被称为功率半导体的半导体功率开关。功率半导体可以安装到完整的电源模块中或者作为分立的构件安装。电源模块具有的缺点是它们通常相对较大，并因此难以扩展，并且由于其结构而只允许相对较低的开关速度。分立的构件具有的缺点是，与电源模块相比，它们通常具有较低的热性能。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种功率电子模块，通过该功率电子模块可以实现更好的热性能。
该任务通过独立权利要求的特征来解决。有利的设计方案是从属权利要求的主题。
提出了一种功率电子模块，其具有用于布置功率电子模块的多个部件的电路板，其中多个部件形成为分立的功率半导体，功率半导体具有壳体，其中，壳体的第一侧被设立成用于提供与冷却体的上侧的热接驳，另一侧被设立成用于紧固在电路板上并且与之电接触。此外，设置有与功率半导体的第一侧相对置的冷却体，该冷却体的上侧与每个功率半导体的第一侧热接驳，以及设置有用于与功率半导体电接触的导电的DC和AC连接元件。在情况A)中，在功率半导体与冷却体之间设置有金属芯电路板，其具有金属芯、绝缘层和金属层，其中，金属芯电路以如下方式布置，使得金属层与冷却体连接，并且金属芯与功率半导体连接并被结构化，使得金属芯被用作用于与功率半导体电接触的DC和AC连接元件。在替选的情况B)中，在冷却体的上侧设置有由有机绝缘体构成的层，并且其中，在有机绝缘体上设置有金属的线路载体作为联接框架，该线路载体以如下方式被结构化，使得其被用作用于与功率半导体电接触的DC和AC连接元件。要么在B1)的情况下，功率半导体和DC和AC连接元件被布置在有机绝缘体上并且并排布置且经由有机绝缘体分别与冷却体热和机械连接。要么在B2)的情况下，DC和AC连接元件被布置在功率半导体与冷却体之间，并且与冷却体热和机械连接且与功率半导体热和电连接。
在一个实施方案中，在DC和AC连接元件被布置在功率半导体与冷却体之间的情况下，DC和AC连接元件的面积大于布置在其上的功率半导体的面积。
在一个实施方案中，金属芯或联接框架以如下方式被结构化，使得其一个区域被用作接地连接部。
在一个实施方案中，在情况A)中，金属芯以如下方式被结构化，使得在DC和AC连接元件之间形成延伸至绝缘层的沟槽。
在一个实施方案中，电连接部和/或机械连接部被实施为钎焊连接部或烧结连接部。
在一个实施方案中，经由功率半导体的壳体的热接触部形成为面式的接触部。
在一个实施方案中，分立的功率半导体被实施为半导体开关。
此外，还提供了一种功率电子模块，它被实施为DC/DC转换器、逆变器、车载充电器。
在一个实施方案中，在电路板与冷却体之间的中间空间中引入有电绝缘的模制料。
此外，还提供了一种逆变器或DC/DC转换器，其具有所描述的功率电子模块。此外，还提供了一种车辆的电驱动器或燃料电池驱动器，其具有所描述的逆变器或DC/DC转换器。还提供了一种机动车，该机动车具有借助所描述的电驱动器或燃料电池驱动器驱动的电动马达。
此外，还提供了一种用于制造功率电子模块的方法，其中，在第一步骤中，在情况A)下，在预备步骤中，将金属芯电路板的金属芯结构化，并且在另外的步骤中，将金属芯电路板的金属层与冷却体连接起来，并且然后，将分立的功率半导体与金属芯电路板连接起来。在情况B1)下，在预备步骤中，制造引线框架，并且在另外的步骤中，将有机绝缘体施装到冷却体上，然后，通过压力和温度将引线框架和分立功率半导体连同有机绝缘体与冷却体热和机械连接，然后，将分立的功率半导体与DC和AC连接元件电连接。在情况B2)中，在预备步骤中，制造联接框架，并且在另外的步骤中，将有机绝缘体施装到冷却体上，并且然后，通过压力和温度将联接框架与有机绝缘体一起与冷却体热和机械连接。然后，将分立的功率半导体布置到DC和AC连接元件上并且与之热和电连接。在第二步骤中，将分立的功率半导体以及功率电子模块的另外的构件与电路板电接触，并且在第三步骤中，向电路板与冷却体之间的中间空间填充电绝缘的模制料。
本发明的另外的特征和优点由以下对本发明的实施例的描述、结合示出根据本发明的细节的图示以及权利要求得出。各个特征可以在本发明的变体中分别单独或以多种任意组合方式来实现。
附图说明
下面参照附图对本发明的优选实施方式进行更详细解释。
图1示出根据本发明的实施例的功率电子模块的基本结构；
图2示出图1中所示的功率电子模块的剖面图；
图3和图4分别示出图1中所示的功率电子模块的替选的实施方案的剖面图；
图5示出用于制造根据本发明的所有实施方案的功率电子模块的流程图。
在以下附图描述中，相同的元件或功能设有相同的附图标记。
具体实施方式
如已述，本发明的目的是为功率电子模块实现改进的热性能，即实现改进的散热。
下面描述的实施方案示出了一种AVT(装配和连接技术)构思，它结合了电源模块的优点，尤其是良好的冷却，以及分立元件的优点，尤其是良好的可扩展性和高开关速度。
为了可以实施这一构思，总是使用两侧都具有可接触性的分立的功率半导体6，这些功率半导体经由参考图中描述的实施方案被接驳到功率电子模块100的冷却器4上。
其两侧具有可接触性的分立的功率半导体6，即已经被(标准)壳体包围的功率半导体例如被如下这样地形成，使得在壳体的扁平侧61上施装有金属面，该金属面可以与冷却体4置于接触，以用于改善对功率半导体6的冷却。在壳体的相对置的侧62和/或一个或多个短侧63上设置有用于功率半导体6电接触的引脚。
这些以下也简称为功率半导体6的分立的功率半导体6通常形成为半导体开关，并且是功率电子模块100的主要的组成部分。
根据本发明提出的功率电子模块100在汽车领域被用作DC/DC转换器、逆变器(DC/AC)、车载充电器等。本发明的主要应用是DC/DC转换器，其被用在机动车的、尤其是商用车辆的燃料电池驱动器中。
如图1中所示，功率电子模块100在此具有电路板1，其用于布置功率电子模块100的多个部件，如冷却体4、驱控和接触元件等。此外，还设置有扼流圈3和被实施为Y-电容(干扰抑制电容器)的安全电容器2以及用于经由AC和/或DC连接元件DC+/DC-、AC进行电流分配的母线。此外，在电容器2与母线之间设置并且与电路板1连接有多个分立的(被布置在壳体中的)功率半导体6。因此，每个分立的功率半导体6的壳体的一侧61在此被设立成用于提供与冷却体4的上侧的热接驳。该侧61有利地是壳体的具有大表面积的侧，该侧设置有相应的散热的材料，例如金属，并且与金属芯电路板7的金属芯71或有机绝缘体9或后面将描述的实施方案的引线框架10面式地连接。另一侧(在图2-图4中为侧62)又被用于利用其引脚与电路板1电连接，例如通过钎焊或烧结电连接。一个或多个另外的侧63可以(替选地或附加地)例如具有从功率半导体6的壳体引导出来的引脚，以便根据壳体的形状使功率半导体6与导电的AC和/或DC连接元件DC+/DC-、AC电接触。
此外，功率电子模块100具有至少一个与功率半导体6的第一侧61相对置的冷却体4，该冷却体的上侧与每个功率半导体6的第一侧61连接或接触。冷却体4被用于吸收由功率半导体6排放出的热量，并因此保护功率半导体6免于过热。
因此，功率半导体6总是位于电路板1与冷却体4之间。
此外，为了对导电的DC连接元件DC-、DC+供应电能量，或者为了截取功率半导体6中转换的能量，设置有导电的AC连接元件AC。这些导电的AC连接元件与功率半导体6例如经由其引脚电接触。
为了实现改善的热接驳并因此实现对功率半导体6的冷却，下面将描述所提出的不同构思。
第一构思在图1和图2中示出并被称为情况A)。在该情况A)中，在功率半导体6与冷却体4之间设置有绝缘的金属芯电路板7，简称IMS。金属芯电路板7具有金属芯71、金属层73和布置在中间的绝缘层72。如图2中以剖面图所示，金属芯电路板7被布置在功率半导体6与冷却体4之间。在此，金属芯电路板被如下这样地定向，使得金属层73与冷却体4连接，并且金属芯71与功率半导体6连接。金属芯71在此以如下方式被结构化，使得它被用作DC和AC连接元件DC-、DC+、AC以用于对功率半导体6电接触。在被用作DC或DC+或AC连接元件并且与相应的能量源(如燃料电池)或相应的耗电器(AC与车辆的驱动器连接)和功率半导体6电接触的金属芯71的各个结构之间设置有延伸直到绝缘层72的预给定宽度的沟槽74，以便使这些结构相互间电绝缘。沟槽74的宽度由本领域技术人员根据应用来确定。这些结构在初步工艺中，即在其制造过程中被引入到金属芯电路板7。在工艺技术上，因此更容易实现直到绝缘层72并且笔直延伸的沟槽壁。
从图2中可以看出，在该情况下A)中存在三个连接平面8。一个连接平面8位于电路板1与功率半导体6之间，以便将它们彼此连接起来。另一个连接平面8位于功率半导体6与金属芯71之间，以便将它们彼此连接起来，而第三连接平面8位于金属层73与冷却体4之间，以便将它们彼此连接起来。
在一个实施方案中，金属层73可以是非结构化的或者可以是结构化的，这取决于哪个方案能够实现更好的连接。
第二构思在图3和图4中示出并被称为情况B)，该情况B)又可以被划分成两个子情况B1)和B2)。在该情况B)中，在冷却体4的上侧设置有由有机绝缘体9构成的层。在有机绝缘体9上设置有也被称为引线框架10的金属的线路载体10作为联接框架，线路载体以如下方式被结构化，使得其被用作DC和AC连接元件DC-、DC+、AC以用于对功率半导体6电接触。引线框架10具有与IMS 7的金属芯71相同的结构，即通过沟槽彼此分开的DC和AC连接元件DC-、DC+、AC以及接地GND。
在此，在情况B1)中，功率半导体6和DC和AC连接元件DC-、DC+、AC被布置在有机绝缘体9上并且并排布置。此外，通过压力和温度将功率半导体6和DC和AC连接元件DC-、DC+、AC分别经由有机绝缘体9与冷却体4热和机械连接或与之接驳。功率半导体6和DC和AC连接元件DC-、DC+、AC例如经由功率半导体6的引脚彼此电连接。在该情况B1)下，只设置了一个形成为钎焊或烧结平面的连接平面8，即在电路板1与功率半导体6之间。
在情况B2)中，与情况B1)不同的是，DC和AC连接元件DC-、DC+、AC，即引线框架10被布置在功率半导体6与冷却体4之间并经由有机绝缘体9与冷却体4热和机械连接并且与功率半导体6热和电连接。在该情况B2)中，设置有两个形成为钎焊或烧结平面的连接平面8，即在电路板1与功率半导体6之间以及在功率半导体6和引线框架10之间。在该情况下，在接触其中一部分对机械负载敏感的功率半导体6之前，可以通过压力和温度将DC和AC连接元件DC-、DC+、AC的坚固的结构，即引线框架10，与冷却体4热和机械连接。
在图2和图4(情况A和B2)中所示的实施方案中有利的是，位于功率半导体6下方的金属芯71或引线框架10的结构的面积大于功率半导体6的面积。因此可以实现热扩散，即实现将热分布到位于功率半导体6下方的金属芯71或引线框架10的结构的整个面上，即DC和AC连接元件DC-、DC+、AC的整个面上。此外，该区域也可以用于电接触。
在所有的实施方案中，另外的构件(例如安全电容器2)与电路板1和/或金属芯71或引线框架10同时接触，或者在装备好功率半导体6后接触。
在所有实施方案中，形成DC和AC连接元件DC-、DC+、AC的结构可以由诸如金属、尤其是铜的导电材料形成。
在所有实施方案中，连接平面8可以形成为钎焊平面或烧结平面，其中，不同的平面也可以具有不同的连接类型。
在所有实施方案中，另外的构件可以与DC和AC连接元件DC-、DC+、AC、电路板1和冷却体4连接。此外，情况A)中的金属芯71的区域或情况B)中的引线框架10的区域被形成用于提供接地GND并对构件接触。
在所有实施方案中，可以在电路板1与冷却体4之间的区域中设置有电绝缘的接地，该接地也可以被用作散热部。这种模制料5可以是树脂或其他的模制料。模制料5在此流入所有自由区域中，即也流入到在DC和AC连接元件DC-、DC+、AC和DC或AC连接元件DC-、DC+、AC与接地GND之间以及在DC或AC连接元件DC-、DC+、AC与功率半导体6之间的沟槽74中。
通过所提出的经由IMS 7或引线框架10将功率半导体6与冷却体4的材料锁合的接驳，使得可以实现对功率半导体6的改善的冷却。
图5中示意性地说明了用于制造功率电子模块的方法。在第一步骤S1中，在情况A)中，在预备步骤中，将金属芯电路板7；71-73的金属芯71结构化，并在另外的步骤中，将金属芯电路板7；71-73的金属层73与冷却体4连接，然后将分立的功率半导体6与金属芯电路板7；71-73连接。在情况B1)中，在预备步骤中，制造联接框架10，并在另外的步骤中，将有机绝缘体9施装到冷却体4上，然后，通过压力和温度将联接框架10和分立的功率半导体6连同有机绝缘体9一起与冷却体4热和机械连接，其中，然后，将分立的功率半导体6与DC和AC连接元件DC-、DC+、AC电连接。在情况B2)中，在预备步骤中，制造联接框架10，并在另外的步骤中，将有机绝缘体9施装到冷却体4上，然后，通过压力和温度将联接框架10连同有机绝缘体一起与冷却体热和机械连接。然后，将分立的功率半导体6布置在DC和AC连接元件DC-、DC+、AC上并且与之热和电连接。
在第二步骤S2中，将分立的功率半导体6和功率电子模块100的另外的构件2与电路板1电接触，并在第三步骤S3中，向电路板1与冷却体4之间的中间空间填充电绝缘的模制料5。
本发明的范围内的电子模块被用于运行借助蓄电池、燃料电池驱动的机动车的电动马达。该机动车尤其是商用车辆，如载重车辆或公共汽车，或者是乘用车辆。功率电子模块包括DC/AC逆变器(英文：Inverter)。它还可以包括AC/DC整流器(英文：Rectifier)、DC/DC转换器(英文：DC/DC Converter)、变压器(英文：Transformer)和/或其他电转换器或这种转换器的一部分或者是这些中的一部分。尤其地，功率电子模块被用于对电机，例如电动马达和/或发电机通电。DC/AC逆变器优选被用于从借助能量源(如电池)的DC电压产生的直流电流中产生多相的交流电流。例如，DC/DC转换器被用于将来自燃料电池的直流电流转换(升压)为能被用于驱动器使用的直流电流。
用于车辆、尤其是乘用车辆和商用车辆以及公共汽车的电动驱动器的DC/DC转换器和逆变器是为高压范围而设计的，并且尤其是设计在大约从650伏起的反向电压等级中。
附图标记列表
100 功率电子模块
1 电路板
2 电容器、安全电容器、Y-电容
3 扼流圈
4 冷却体
5 模制料
DC+/DC- 导电的DC连接元件
AC 导电的AC连接元件
GND 接地
6 分立的功率半导体
61 第一侧
62 第二侧
63 第三侧
7 金属芯电路板
71 第一层、金属芯
72 第二层、绝缘层
73 第三层、金属层
74 DC/AC之间71中的沟槽
8 连接平面(钎焊、烧结等)
9 有机绝缘体
10 引线框架

Claims (13)

1.功率电子模块(100)，所述功率电子模块具有：
-用于布置所述功率电子模块的多个部件(6、2)的电路板(1)，其中多个部件形成为分立的功率半导体(6)，所述功率半导体具有壳体，其中，所述壳体的第一侧(61)被设立成用于提供与所述冷却体(4)的上侧的热接驳，另外的侧(62、63)被设立成用于紧固在所述电路板(1)上并且与之电接触，
-与所述功率半导体(6)的第一侧(61)相对置的冷却体(4)，所述冷却体的上侧与每个功率半导体(6)的第一侧(61)热接驳，
-用于对所述功率半导体(6)电接触的导电的DC和AC连接元件(DC-、DC+、AC)，其中，
-在情况A)中，在所述功率半导体(6)与所述冷却体(4)之间设置有金属芯电路板(7；71-73)，所述金属芯电路板包括金属芯(71)、绝缘层(72)和金属层(73)，其中，所述金属芯电路板(7；71-73)以如下方式布置，使得所述金属层(73)与所述冷却体(4)连接，并且所述金属芯(71)与所述功率半导体(6)连接并以如下方式被结构化，使得所述金属芯被用作用于对所述功率半导体(6)电接触的DC和AC连接元件(DC-、DC+、AC)，
或者其中，
-在情况B)中，在所述冷却体(4)的上侧设置有由有机绝缘体(9)构成的层，并且其中，在所述有机绝缘体(9)上设置有金属的线路载体(10)作为联接框架，所述线路载体以如下方式被结构化，使得所述线路载体被用作用于对所述功率半导体(6)电接触的DC和AC连接元件(DC-、DC+、AC)，其中，
-要么在B1)的情况中，所述功率半导体(6)和所述DC和AC连接元件(DC-、DC+、AC)被布置在所述有机绝缘体(9)上并且并排布置，并且经由所述有机绝缘体(9)分别与所述冷却体(4)热和机械连接，
-要么在B2)的情况中，所述DC和AC连接元件(DC-、DC+、AC)被布置在所述功率半导体(6)与所述冷却体(4)之间，并且与所述冷却体(4)热和机械连接且与所述功率半导体(6)热和电连接。
2.根据权利要求1所述的功率电子模块(100)，其中，在所述DC和AC连接元件(DC-、DC+、AC)被布置在所述功率半导体(6)与所述冷却体(4)之间的情况下，所述DC和AC连接元件的面积大于布置在其上的所述功率半导体(6)的面积。
3.根据权利要求1或2所述的功率电子模块(100)，其中，所述金属芯(71)或所述联接框架以如下方式被结构化，使得所述金属芯的一个区域或所述联接框架的一个区域被用作接地连接部(GND)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子模块(100)其中，在情况A)中，所述金属芯(71)以如下方式被结构化，使得在DC和AC连接元件(DC-、DC+、AC)之间设有延伸直到所述绝缘层(72)的沟槽(74)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子模块(100)其中，电连接部和/或机械连接部实施为钎焊连接部或烧结连接部。
6.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子模块(100)其中，热接触部经由所述功率半导体(6)的壳体形成为面式的接触部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子模块(100)，其中，所述分立的功率半导体(6)被实施为半导体开关。
8.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子模块(100)，所述功率电子模块被实施为DC/DC转换器、逆变器、车载充电器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子模块(100)其中，在电路板(1)与冷却体(4)之间的中间空间中引入有电绝缘的模制料(5)。
10.逆变器或DC/DC转换器，其具有根据前述权利要求中任一项所述的功率电子模块(100)。
11.车辆的电驱动器或燃料电池驱动器，其具有根据权利要求10所述的逆变器或DC/DC转换器。
12.机动车，所述机动车具有借助根据权利要求11所述的电驱动器或燃料电池驱动器驱动的电动马达。
13.用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的功率电子模块(100)的方法，其中，
■在第一步骤(S1)中，
-在情况A)中，在预备步骤中，将金属芯电路板(7；71-73)的金属芯(71)结构化，并且在另外的步骤中，将所述金属芯电路板(7；71-73)的金属层(73)与冷却体(4)连接起来，然后，将分立的功率半导体(6)与所述金属芯电路板(7；71-73)连接起来，
-在情况B1)中，在预备步骤中，制造联接框架，并且在另外的步骤中，将有机绝缘体(9)施装到冷却体(4)上，然后，通过压力和温度将所述联接框架和分立的功率半导体(6)连同所述有机绝缘体(9)一起与所述冷却体(4)热和机械连接，然后，将所述分立的功率半导体(6)与DC和AC连接元件(DC-、DC+、AC)电连接，
-在情况B2)中，在预备步骤中，制造联接框架，并且在另外的步骤中，将有机绝缘体(9)施装到冷却体(4)上，然后，通过压力和温度将所述联接框架连同所述有机绝缘体(9)一起与所述冷却体(4)热和机械连接，然后，将分立的功率半导体(6)布置在DC和AC连接元件(DC-、DC+、AC)上并与之热和电连接，并且
■在第二步骤(S2)中，将所述分立的功率半导体(6)以及所述功率电子模块(100)的另外的构件(2)与电路板(1)电接触，并且
■在第三步骤(S3)中，向所述电路板(1)与所述冷却体(4)之间的中间空间填充电绝缘的模制料(5)。
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