CN117497504A - 功率电子器件模块 - Google Patents

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Abstract

功率电子器件模块具有：DBC电路板；以及多层引线框架，其中，多层引线框架由子框架构成。多层引线框架的子区域设立成用于充当漏极源极和/或负载源极和/或栅极源极和/或开尔文源极的电接触部，使不在DBC电路板上进行功率和控制引导。充当负载源极的子区域的区域布置在DBC电路板与充当栅极源极和开尔文源极的子区域之间并与功率半导体电接触且与之联接的区域位于DBC电路板之外。充当漏极源极的子区域的区域与漏极电接触且与之联接的区域位于DBC电路板之外。充当栅极源极的子区域和充当开尔文源极的子区域具有在充当负载源极的子区域上方的使它们与功率半导体电接触的区域以及与之联接的在DBC电路板之外的与充当栅极源极的子区域对置且具有向DBC电路板上方折弯的引脚的区域。

Description

功率电子器件模块
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，尤其是电子器件模块的领域。
背景技术
近几十年来，电子器件模块，如功率电子器件模块在机动车中的使用已大大增强。这一方面归因于需要改进燃料经济性和车辆性能，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，需要大量的电子构件，利用它们例如实现桥式电路(如半桥)，例如半导体功率开关，该半导体功率开关也被称为功率半导体。功率半导体可以安装在完整的功率电子器件模块(其也被称为电源模块)中，或者可以充当分立的构件安装。
功率电子器件模块有电路板，其上布置有功率半导体，这些功率半导体在电路板上为了进行功率和控制引导彼此电接触。也已经提供有所谓的引线框架(联接框架)，即金属的线路载体，以便建立向内部和向外部的电流连接。然而，尽管有已知的引线框架，但在功率电子器件模块中提供尽可能高的功率密度仍是成问题的。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种可以实现更高的功率密度的功率电子器件模块。
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。
本发明提出了一种功率电子器件模块，其具有：DBC电路板，DBC电路板具有布置在其最上层的功率半导体；以及用于三维功率和控制引导的多层引线框架，其中，多层引线框架由至少两个单独的子框架构成。多层引线框架的子区域被设立成用于充当漏极源极和/或负载源极和/或栅极源极和/或开尔文源极的电接触部，使得不在DBC电路板中进行功率和控制引导。充当负载源极的子区域的区域布置在DBC电路板与充当栅极源极和开尔文源极的子区域之间并与功率半导体电接触，并且与之联接的区域位于DBC电路板之外。充当漏极源极的子区域的区域与布置在DBC电路板的最上层上的漏极端子电接触，并且与之联接的区域位于DBC电路板之外。充当栅极源极的子区域和充当开尔文源极的子区域具有在充当负载源极的子区域的上方的使得它们与功率半导体电接触的区域以及与之联接的在DBC电路板之外的与充当漏极源极的子区域相对置且具有向DBC电路板上方折弯的引脚的区域。
在一个设计方案中，充当栅极源极的子区域和充当开尔文源极的子区域借助键合线与功率半导体电接触，并且其中，形成为负载源极的子区域和漏极源极的子区域借助钎焊或烧结与功率半导体或漏极端子电接触。
在一个设计方案中，充当负载源极的子区域在它与功率半导体接触的区域中具有多个拱曲部，使得在它与功率半导体和与DBC电路板以及与充当漏极源极的子区域之间形成自由区域。
在一个设计方案中，DBC电路板、功率半导体和多层引线框架的布置在DBC电路板的区域中的子区域被浇封料或模制料包围。
在一个设计方案中，充当负载源极的子区域形成为单独的第一子框架，而充当漏极源极的子区域、充当栅极源极的子区域和充当开尔文源极的子区域则是第二子框架的组成部分。
在一个设计方案中，在充当负载源极的子区域和充当漏极源极的子区域由两个单独的子框架形成的情况下，充当负载源极的子区域的端部区域在充当漏极源极的子区域上方有间距地延伸。
在一个设计方案中，充当负载源极的子区域的端部区域在充当漏极源极的子区域的端部区域前方终止或与之重叠。
此外，还提供了一种用于制造被使用在功率电子器件模块中的多层引线框架的方法，其中，事先由能导电的金属片材制造出彼此分开的至少两个子框架，并且其中，漏极源极和/或负载源极和/或栅极源极和/或开尔文源极形成为其中一个子框架的一部分，其中，其中每个子框架以如下方式形成，使得其一部分位于DBC电路板之内的区域中，而充当外部电接触部的其他区域位于DBC电路板的区域之外，并且其中，其中至少一个子框架以如下方式形成，使得由它形成漏极源极和/或负载源极和/或栅极源极和/或开尔文源极的其中至少一个结构，其中，在框架结构中还设置有包围DBC电路板的外框架以及横向连接部。
此外，还提供了一种用于功率电子器件模块的装配方法，其中，将多层引线框架的子框架安置到配备有功率半导体的DBC电路板上并与功率半导体接触，并且然后将浇封料或模制料施加到DBC电路板上，并且然后将位于浇封料或模制料之外的外框架和横向连接部分离，从而使得仅仍有漏极源极、负载源极、栅极源极和开尔文源极的外部电触点从浇封料或模制料伸出。
此外，还提供了一种逆变器，其具有功率电子器件模块。此外，还提供了一种车辆的电动驱动装置，其具有该逆变器。同样，还提供了一种机动车，其具有借助电动驱动装置驱动的电动马达。
本发明的另外的特征和优点由以下对本发明实施例的描述、结合示出了根据本发明的细节的附图和权利要求得出。在本发明的变体中，各个特征可以单独或以多种任意组合来实现。
附图说明
下面将结合附图更详细地解释本发明的优选的实施方式。
图1示出根据本发明的实施方案的功率电子器件模块的基本结构；
图2示出图1中所示的功率电子器件模块的剖面图；
图3示出根据本发明的实施方案的多层引线框架的子框架的剖面图；
图4-图8示出用于制造根据本发明的实施方案的多层引线框架的子框架的方法的过程；
图9-图12示出用于制造根据本发明的实施方案的功率电子器件模块的方法的过程。
在下面的附图描述中，相同的元件或功能设有相同的附图标记。
具体实施方式
在当前的功率电子器件模块中，通常将电路板的用于信号传导的部分与功率半导体2分离，从而使得它们不再具有有利的热影响，并因此导致(功率半导体2的)构件的功率密度降低。
为了实现在功率电子器件模块中的经改善的功率密度，根据本发明，现在只在引线框架1上引导迄今在电路板上引导的功率和控制引导部。为此，引线框架1形成为多层引线框架1。电路板3被实施为DBC(Direct Bonded Copper，直接键合铜)电路板3，其在下文也被简称为DBC 3。功率半导体2被布置在DBC电路板3上，这些功率半导体经由相应的连接部(键合部、钎焊点等)与功率和控制引导部进行电接触。
根据本发明的构思的特征在于，使用到多层引线框架1。这就能够在封装体(被模塑包封的功率电子器件模块)内实现三维功率和信号引导，而无需使用DBC 3用于信号接触，且无需在功率半导体2的排列/连接方面做出妥协。
在此，多层引线框架1由至少两个单独的子框架1a和1b构成。多层引线框架1的子区域11-14被设立成用于充当漏极源极12和/或负载源极11和/或栅极源极13和/或开尔文源极14的电接触部，使得功率和控制引导不需要在DBC电路板3上进行。在此，其中每个子区域11-14都是其中一个子框架1a、1b的一部分。
在图中所示的实施方案中，充当负载源极端子11(下文简称负载源极11)的子区域11形成为单独的子框架1a。其他子区域，即充当漏极源极12、栅极源极13和开尔文源极14的端子，形成为与第一子框架1a分开制成的第二子框架1b。例如，漏极源极12和负载源极11也可以被设置作为子框架1a，而栅极源极13和开尔文源极14则被设置作为另一单独的子框架1b。原则上，只要功率和信号引导以及部件之间的电绝缘得到保证，任何组合都是能想到的。
下面将结合一个实施方案来描述本发明，在该实施方案中，负载源极11被形成为单独的子框架1a，而其他端子，即漏极源极12、栅极源极13和开尔文源极14则由与第一子框架1a分开的第二子框架1b形成。
如图1和图2中所示，在DBC 3的最上层31上布置有多个功率半导体2。这些功率半导体借助充当负载源极11的子框架1a例如借助烧结或钎焊的方式进行电接触。形成为负载源极11的子框架1a以如下方式成形，即，使其能够提供对功率半导体2的接触部。有利地，如图1和图2所示并在图3中更详细示出地，在子框架1a中、尤其是在相邻的功率半导体2的接触点之间设置有了附加的拱曲部111。由此可以形成中空的中间空间，在装配中可以将用于电绝缘且用于对构件进行机械稳定的浇封料或模制料4引入到该中间空间中。
同样，在DBC 3的最上层31上且直接与布置在其上的功率半导体2相邻地设置有用于负载馈电的DBC 3的漏极端子30，在该漏极端子30上借助钎焊、烧结或焊接方式与漏极源极12的区域进行电接触。漏极源极12的另外的区域向DBC 3之外伸出，以便能够实现外部接触。
此外有利的是，在负载源极11和漏极源极12相互靠近的区域中，负载源极11也具有向漏极源极12上方的拱曲部111，以便与漏极源极12保持所需的(电气)间距。由于负载源极11和漏极源极12被分开到两个独立的子框架1a、1b上，使得功率半导体2与DBC 3上的漏极端子30之间的间距有可能非常短，这是因为两个端子不需要由共同的平面成形出，而且DBC 3上也没有线路引导。这意味着，两个子框架1a、1b也可以布置得更靠近彼此。
此外，在负载源极11(即子框架1a)上方有间距地存在有子框架1b的其中提供了栅极源极13和开尔文源极14的子区域。子框架1b的一个区域直接位于负载源极11上方，并与之有一定间距，以便与功率半导体2例如借助键合线来进行电接触。与该区域联接的区域向DBC 3之外伸出，以便能够实现外部接触。为此，相应地将成形为引脚的端部区域折弯，使其指向DBC 3的上方。
栅极源极13、开尔文源极14和负载源极11的从DBC 3伸出的部分有利地位于DBC 3的不同于漏极源极12的另一侧(但是位于最上层31的上方)(图中漏极源极12位于左侧，而栅极源极13、开尔文源极14和负载源极11位于右侧)。
在所有实施方案中，在DBC 3与子框架1a、1b之间的区域中有利地都设置有电绝缘物，其还可以充当散热部。这种浇封料或模制料4(也被称为模塑料)可以是树脂或其他物料，在制造过程中它被引入到功率电子器件模块中并固化。在此，浇封料或模制料4流到所有自由区域中，即也流入到子框架1a、1b与功率半导体2以及DBC 3之间的中间区域中。在装配中，这种浇封料或模制料4还充当对各个部件的机械稳定。
由于取消了通常在DBC 3上引导的信号线路(其由子框架1a和1b承担)，使得功率半导体2能够在DBC 3的整个区域内实现最佳分布。因此，在模块中半导体面积尽可能大的情况下可以实现最佳的热接驳。
功率半导体2的连接工艺(例如烧结)以及对漏极端子30和对用于连接栅极源极13或开尔文源极14的键合线5的接触可以在两个子框架1a和1b被定位后进行，从而在制造中无需附加的步骤。
从图中可以清楚看出，子区域12-14在装配状态下彼此电隔离，即子框架1b在装配后被分解成多个单件。在装配之前，子区域12-14通过框架结构彼此连接，如图4-图8所示并后面将结合制造方法进行描述。
两个子框架1a和1b通常由片材件制成，其中，通过诸如冲压和折弯的相应方法产生所期望的形状。
图3中所示的子框架1a在所述的实施方式中被如下这样成形为使得有可能实现对DBC 3上的功率半导体2的接触以及提供向DBC 3之外的电接触。在此，可以对该子框架进行多次折弯，从而生成已述的拱曲部111，以便相对功率半导体2、DBC 3和另一子框架1b提供相应的中间区域。以该方式，使得栅极源极13和开尔文源极14仍可以被稳定在功率半导体2的区域内以用于进行连接工艺和随后的模塑包封。在此，图3中右侧的区域被形成为使得其可以在装配中容纳子区域13和14，即栅极源极13和开尔文源极14的引脚。因此，由两个子框架1a和1b形成了平坦的面，简化了功率电子器件模块的生产工艺。
图4至图8示出了子框架1b的制造。在此，对片材(图4中尚未加工)进行加工，例如冲裁，使得形成子区域，即漏极源极12、栅极源极13和开尔文源极14(参见图5)。在此，外框架以及横向连接部会留在框架结构中，外框架以及横向连接部充当子区域12-14之间的稳定和临时连接部直至装配结束。在此重要的是，外框架和横向连接部被布置成使得不能使子区域12-14之间的电连接部位于之后安置的浇封料或模制料4中，这是因为这些浇封料或模制料不再能被移除。因此，所有以后不需要或不期望有的连接部都被设置在浇封料或模制料4将占用的区域之外。在此，外框架包围着DBC 3，因此其周长大于DBC 3。
在另外的步骤中，优选通过折弯法形成漏极源极12(图6中用圆圈表示)、以及栅极源极13和开尔文源极14(图7中用圆圈表示)的所需的拱曲部以及栅极源极13和开尔文源极14的引脚(图8中用圆圈表示)。在此，先成形哪些区域的顺序取决于所使用的模具和机器。因此，顺序不一定是图6-图8中所示的顺序。甚至有利的是，栅极源极13和开尔文源极14的引脚(图8)只在装配方法结束时才向上折弯，这是因为由此可以简化其他工艺，并减少了引脚断裂的风险。
图9至图12非常抽象地示出了装配方法。图9中示出，两个子框架1a和1b被安装在(未示出的)DBC 3上。然后，建立电连接部(未示出)。随之，将具有功率半导体2和多层引线框架1的DBC 3通过电绝缘的浇封料或模制料4进行包围或模塑包封(图10)。在该工艺步骤之后，使子框架1a和1b的用于从外部与DBC 3进行电接触的区域位于模制料4之外。此外，从外部仍然可以看到外框架和部分的横向连接部。有利地，在下一步骤中，现在才将栅极源极13和开尔文源极14的引脚向上折弯。在最后的步骤中移除不需要的外框架。
由于移除了外框架，使得子框架1b的子区域12-14现在也相互电隔离，这是因为不再存在连接。因此，已经形成了子框架1b的三个单独的子区域。
术语功率半导体2包括各个拓扑开关和半桥/B6桥。多层引线框架1由适合冲压和折弯的导电金属板形成。
本发明的范围内的电子器件模块被用于运行借助蓄能器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。功率电子器件模块包括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，功率电子器件模块被用于对电机，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)为能被用于驱动装置的直流电流。
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装置的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。
所述逆变器组件例如用于机动车中。机动车尤其可以具有电驱动的车桥。机动车原则上可以作为纯内燃机马达式的机动车、混合动力车辆或电动汽车。
附图标记列表
1 多层引线框架
1a、1b 子框架
11 负载源极
111 拱曲部
12 漏极源极
13 栅极源极
14 开尔文源极
2 功率半导体
3 DCB电路板
30 漏极端子
31 3的最上层
4 浇封料或模制料
5 键合线

Claims (12)

1.功率电子器件模块，所述功率电子器件模块具有：
-DBC电路板(3)，所述DBC电路板具有布置在其最上层(31)上的功率半导体(2)，以及
-用于三维功率和控制引导的多层引线框架(1)，其中，所述多层引线框架(1)由至少两个单独的子框架(1a；1b)构成，
并且其中，所述多层引线框架(1)的子区域被设立成用于充当漏极源极(12)和/或负载源极(11)和/或栅极源极(13)和/或开尔文源极(14)的电接触部，使得不在所述DBC电路板(3)上进行功率和控制引导，
其中，
-充当负载源极(11)的子区域的区域布置在所述DBC电路板(3)与充当栅极源极(13)和开尔文源极(14)的子区域之间并与所述功率半导体(2)电接触，并且与之联接的区域位于所述DBC电路板(3)之外，并且
-充当漏极源极(12)的子区域的区域与布置在所述DBC电路板(3)的最上层(31)上的漏极端子(30)电接触，并且与之联接的区域位于所述DBC电路板(3)之外，并且
-充当栅极源极(13)的子区域和充当开尔文源极(14)的子区域具有在所述充当负载源极的子区域(11)上方的使得它们与所述功率半导体(2)电接触的区域以及与之联接的在所述DBC电路板(3)之外的与所述充当漏极源极(12)的子区域相对置且具有向所述DBC电路板(3)上方折弯的引脚的区域。
2.根据权利要求1所述的功率电子器件模块，其中，所述充当栅极源极(13)的子区域和所述充当开尔文源极(14)的子区域借助键合线与所述功率半导体(2)电接触，并且其中，形成为负载源极(11)的子区域和形成为漏极源极(12)的子区域借助钎焊或烧结与所述功率半导体(2)或所述漏极端子(30)电接触。
3.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子器件模块，其中，所述充当负载源极(11)的子区域在它与所述功率半导体(2)接触的区域中具有多个拱曲部(111)，使得在它与所述功率半导体(2)和与所述DBC电路板(3)以及与所述充当漏极源极(12)的子区域之间形成自由区域。
4.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子器件模块，其中，所述DBC电路板(3)、所述功率半导体(2)和所述多层引线框架(1)的布置在所述DBC电路板(3)的区域中的子区域被浇封料或模制料(4)包围。
5.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子器件模块，其中，所述充当负载源极(11)的子区域形成为单独的第一子框架(1a)，而所述充当漏极源极(12)的子区域、所述充当栅极源极(13)的子区域和所述充当开尔文源极(14)的子区域是第二子框架(1b)的组成部分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的功率电子器件模块，其中，在所述充当负载源极(11)的子区域和所述充当漏极源极(12)的子区域由两个单独的子框架(1a；1b)形成的情况下，所述充当负载源极(11)的子区域的端部区域在所述充当漏极源极(12)的子区域上方有间距地延伸。
7.根据权利要求6所述的功率电子器件模块，其中，所述充当负载源极(11)的子区域的端部区域在所述充当漏极源极(12)的子区域的端部区域前方终止或与之重叠。
8.用于制造被使用在根据前述权利要求中任一项所述的功率电子器件模块中的多层引线框架的方法，其中，事先由能导电的金属片材制造出彼此分开的至少两个子框架(1a；1b)，并且其中，漏极源极(12)和/或负载源极(11)和/或栅极源极(13)和/或开尔文源极(14)形成为其中一个子框架(1a；1b)的一部分，其中，其中每个子框架(1a；1b)以如下方式形成，使得其一部分位于所述DBC电路板(3)之内的区域中，而充当外部电接触部的其他区域位于所述DBC电路板(3)的区域之外，并且其中，其中至少一个子框架(1a；1b)以如下方式形成，使得由它形成漏极源极(12)和/或负载源极(11)和/或栅极源极(13)和/或开尔文源极(14)的其中至少一个结构，其中，在所述框架结构中还设置有包围所述DBC电路板(3)的外框架以及横向连接部。
9.用于根据权利要求1至7中任一项所述的功率电子器件模块的装配方法，其中，将所述多层引线框架(1)的子框架(1a；1b)安置到配备有功率半导体(2)的DBC电路板(3)上并与所述功率半导体接触；并且然后将浇封料或模制料施加到所述DBC电路板(3)上，并且然后将位于所述浇封料或模制料(4)之外的外框架和横向连接部分离，从而使得仅仍有所述漏极源极(12)、所述负载源极(11)、所述栅极源极(13)和所述开尔文源极(14)的外部电触点从所述浇封料或模制料(4)伸出。
10.逆变器，所述逆变器具有根据权利要求1至7中任一项所述的功率电子器件模块。
11.车辆的电动驱动装置，所述电动驱动装置具有根据权利要求10所述的逆变器。
12.机动车，所述机动车具有借助根据权利要求11所述的电动驱动装置驱动的电动马达。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118431170A (zh) * 2024-07-03 2024-08-02 深圳平创半导体有限公司 一种晶体管封装结构及其制作方法

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