CN1700453B - 与功率半导体模块形成压力接触的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种与非常紧凑的功率半导体模块形成压力接触的结构。此结构由一个电路板、一个功率半导体模块和一个冷却装置组成。功率半导体模块具有框架形绝缘塑料外壳和一个带孔的盖板。外壳的第二盖板由基板构成，具有至少一根导电条和至少一个设置在其上并形成电路连接的功率半导体元件。功率半导体模块还具有接触弹簧，它们穿过盖板的孔来连接基板和电路板。功率半导体模块的外壳在电路板方向和/或在冷却装置方向上具有凸出部，它们穿过相应的孔，并与电路板和/或冷却装置形成可逆或不可逆的连接。

Description

与功率半导体模块形成压力接触的结构
技术领域
本发明描述了一种与非常紧凑的功率半导体模块形成压力接触的结构。DE 19630173C2或DE 19924993C2公开了这种相对于其结构尺寸具有高功率的功率半导体模块的现代结构，这种功率半导体模块正是本发明的出发点。
背景技术
DE 19630173C2公开了一种用于直接安装在冷却装置上的功率半导体模块，它由一个外壳和一个电绝缘的基板构成，基板由其上具有多根相互绝缘的金属导电条的绝缘材料体和位于绝缘材料体上并与这些导电条形成电路连接的功率半导体元件组成。与外壳外部的电路板的导电条的外部电气连接借助于接触弹簧来实现。
功率半导体模块还具有至少一个中心孔，用于实现与冷却体的螺钉连接。此孔与电路板背对功率半导体模块一侧上设置的并且在此侧面上平放的形状固定的压块一起用于模块的压力接触。这种压力接触同时满足两项任务：一方面实现连接件与电路板可靠的电接触，另一方面实现模块与冷却体的热接触，这里两个接触都是可逆的。
现有技术下功率半导体模块的缺点在于，已知的压块不允许在电路板被其遮盖的部分上设置其它元件，如电阻、电容或集成电路等。此外存在至少一个用于实现螺钉连接的孔也是具有缺点的。它限制了功率半导体模块内部用于有效元件的面积。
例如DE 19924993C2公开了一种功率半导体模块，其中功率半导体模块与电路板之间的连接由焊脚实现。这些焊脚被用作功率半导体元件在功率模块内部与电路板上的导电条之间电气连接的控制连接件和负载连接件。此功率半导体模块从而可以直接与电路板连接，也可以像DE 19924993所公开的那样借助一个适配电路板与电路板连接。在功率半导体模块与冷却体之间的热接触借助于螺钉连接与电接触无关地形成。
这种功率半导体模块结构的缺点在于，为了将模块集成到一个安装结构中需要两种不同的连接工艺(螺钉连接和焊接，它们必须在多个工序中进行)。一个主要的缺点在于，不能保证在长的使用期内焊接连接的接触可靠性。
发明内容
本发明的目的在于给出一种由一块电路板、一个功率半导体模块和一个冷却装置组成的结构，此结构可以简单而廉价地生产，并具有非常高的紧凑性。
上述任务由权利要求1所述的结构完成，特殊的设计在从属权利要求中给出。本发明的思路出发点在于功率半导体模块直接安装在冷却体上，其中功率半导体模块具有一个框式的绝缘塑料外壳。此外该塑料外壳具有一个最好与外壳形成一个整体相连接的第一盖板。第二盖板由一基板构成，此基板由一个绝缘层和至少一个设置在其上的金属层构成，此金属层面对着功率半导体模块。此金属层可在其中进行构造，从而形成至少一根功率半导体模块的导电条。在这些/这个导电条上设置至少一个功率半导体元件，并且此元件与其它导电条和/或另一个功率半导体元件形成电路连接。
外壳的第一盖板具有多个孔。连接件穿过这些孔，以使功率半导体的导电条与设置在第一盖板上面的电路板的导电条触点形成电连接。此电路板由一个绝缘基板构成，并最好具有两根设置在基板上或基板中的导电条，电路板实现了功率半导体模块的电连接，并最好承载用于控制功率半导体模块的其它元件。
在第二盖板上，即基板背对功率半导体模块内部的一侧上设置一个最好为有源的冷却体。有源冷却体-例如其上设置有鼓风机的冷却体-相对于无源的冷却体-例如一个空气冷却器-具有紧凑的结构形状这一重要优点。
不仅用于功率半导体模块的负载连接的连接件，而且用于功率半导体模块的控制连接的连接件都是至少部分弹性构造的连接导体。这些连接导体形成连接条与外壳外部的电路板和其上设置的外部导电条之间的电连接。连接导体与电路板的外部导电条之间可靠的电接触借助于下面将要说明的用于形成压力接触的结构得到。
在本发明的结构设计中功率半导体模块的外壳在电路板方向上和/或在冷却装置方向上具有凸出部，用于结构中的各个部件的相互固定。
在第一种结构设计中这些凸出部伸入到电路板的孔中，在第二种结构设计中这些凸出部伸入到冷却装置的孔中。在第一种结构设计中这种连接影响功率半导体元件与电路板的连接，用于形成压力接触。原则上两种固定方式是可能的，一种是可逆的，其中各个部件无需高的费用就可以再次分开；一种是不可逆的，其中各个部件如此相互连接，只有用昂贵的费用才可能分开它们。
一种可能的可逆连接设计是咬合-卡锁连接。此时外壳的凸出部具有止动销，而电路板和/或冷却装置具有相应的支座。
一种可能的不可逆连接是将凸出部设计为栓钉。这种栓钉穿过电路板和/或冷却装置上的对应孔，并且在其末端例如通过超声作用或热作用被变形，使得它们形成一个铆钉，它支撑在相应的支座上。
最好功率半导体模块与电路板的连接和与冷却装置的连接以相同方式形成。
在根据本发明的另一结构设计中-此设计也可与前述设计相结合-冷却装置具有凸出部。这些凸出部伸入功率半导体模块和/或电路板的孔中，并与其形成上述类型的可逆或不可逆的连接。
上述具有一个电路板、一个功率半导体模块和一个有源冷却装置的结构的另一个具有优点的实施例具有至少一个用于有源冷却装置与电路板导电条之间电气连接的连接件。这里此连接件是功率半导体模块外壳的一部分。此连接件具有一个插接触点，用于与有源冷却装置，最好与其上安装的鼓风机电气连接。此插接触点与弹性接触件相连接，并且此接触件与电路板上导电条的相应接触面相连接。
本发明上述结构设计的优点在于，它一方面具有功率半导体元件的基板与电路板之间的电连接为压力接触的优点，即相对于焊接具有更长的使用寿命，另一方面此结构具有紧凑的构造，在紧凑度上至少和焊接方式的连接相当。
附图说明
下面结合图1至3借助于实施例详细说明本发明。
图1示出本发明结构的一个剖面。
图2示出本发明结构的第一个三维分解视图。
图3示出本发明结构的第二个三维分解视图。
图4示出另一个本发明结构的一个剖面。
具体实施方式
图1示出本发明结构的一个剖面。所示结构由一个电路板100，一个功率半导体模块200和一个冷却装置300组成。
电路板100具有一个绝缘体110，以及排列在绝缘体上和/或绝缘体内的导电条112。这些导电条承载多个信号，例如功率半导体模块200的负载信号、控制信号和辅助信号。
功率半导体模块200具有一个框架式的外壳210，外壳带有集成为一体的盖板212。外壳210的第二个盖板由基板230构成。此基板由一个绝缘体234，最好是工业陶瓷、如氧化铝或亚硝酸铝，和此绝缘体两侧上的金属层232，236构成。这里金属层借助于已知的DCB方法涂覆在绝缘体234上。最好是朝向外壳内部的金属层232被进行构造，形成相互绝缘的导电条。这些导电条承载着功率半导体元件240，如IGBT或MOS-FET，它们通过焊接设置在其上。功率半导体元件240与其它导电条或其它功率半导体元件的其它电路连接通过导线熔接242来实现。
用于基片230的导电条232与由电路板100上的导电条112构成的外部引线之间的电气连接的连接元件借助于接触弹簧250实现。借助于下面将要说明的引入压力方法，这些接触弹簧250被施加压力，从而形成可靠的电气连接。
所示结构还具有一个冷却装置300a。它是有源的冷却装置300a，由一个冷却体310和一个直接连接于冷却体的不可调鼓风机(320)构成。此有源冷却装置的优点是小而紧凑。根据使用目的也可以用一个无源冷却装置代替有源的冷却装置。在无鼓风机的无源冷却装置情况下水冷的方案比空气冷却要好。
电路板100和功率半导体模块200的连接不仅用于相互间的装配，而且还用于引入压力到接触弹簧250上，从而形成压接结构，此连接通过功率半导体模块200外壳210的多个凸出部220形成。这些凸出部220可以设计为可逆的或不可逆的连接。不可逆连接通过将凸出部220设计为栓钉而形成，这些栓钉被置入到电路板100的对应孔120中，并且它们的末端被如此变形，使得此连接成为与电路板100上支座122的铆接。例如此变形可以通过在栓钉上的热作用而实现。通过施加超声实现变形是具有好处的。
功率半导体模块200与冷却装置300之间的连接可以通过同样的方式构成不可逆连接。图1示出设计为咬合-卡锁连接的一种可逆连接。其中外壳210的凸出部在其末端被设计为止动销222。此凸出部220伸入到构成有源冷却装置300a的冷却体310和鼓风机320的孔312，322中。止动销222固定在冷却装置300a的支座324中，这里即为鼓风机320的止动座。
电路板100与功率半导体模块200之间的连接当然也可以用与所示的功率半导体模块200与冷却装置300之间的连接相同的方式形成。
图1中还示出了用于有源冷却装置300a与电路板100的导电条112a之间的电气连接的连接件280。此连接件280具有一个用于与有源冷却装置300a形成电连接的插接触点282。此外连接件280的插接触点282还与弹性设计的接触件284相连接，其中这些接触件284与电路板100的导电条112a的相应接触面相连接。这里可靠的电气连接也通过上面所述的施加压力的方法而获得。借助于此连接件可以实现电路板100与冷却装置300之间简单的电气连接，而不必在电路板100上增加像插针板这样的接触件。
图2示出本发明结构的第一个三维分解视图。这里示出了电路板100的绝缘基板110，其中电路板具有多个孔120。图中还示出了功率半导体模块200。模块的外壳210在其面对电路板100的盖板212上也具有孔214和凸出部220。外壳210的这些凸出部220伸入到电路板100的孔120中，以形成不可逆的连接。
功率半导体模块200还具有一个基板230，它由绝缘体234和设置在其上的金属层232构成。此金属层中进行构造，形成相互绝缘的导电条。在这些导电条232上设置功率半导体元件图中未示出。必要的电路连接通过图中也未示出的导线熔接形成。接触弹簧250用于导电条232上的功率半导体元件的电气连接，接触弹簧穿过外壳210的孔214。通过上面所述的不可逆连接，电路板100和功率半导体模块200被连接，并且接触弹簧250被施加压力。从而保证了可靠的电接触。
此外图中还示出了由一个冷却体310和一个鼓风机320构成的冷却装置300a。这两个部件同样通过凸出部-这里通过穿过鼓风机320的孔的冷却体的凸出部-借助于止动装置322相互设置。功率半导体模块200的基板230直接设置在冷却体300a上，以确保最有效的热量排放。
此外，冷却装置300a-这里是冷却体-还具有两个凸出部330，它们分别穿过功率半导体模块的外壳218上的孔216。在这些凸出部上设置了与止动装置322类似的装置，使冷却装置300相互固定，从而将冷却装置固定在功率半导体模块上。
此外图中还示出了一个连接件280，它设置在功率半导体模块200的外壳210上。这个连接件由两个接触件284构成，它们分别被设计为弹簧，从而通过插接触点282在鼓风机与电路板100的相应导电条之间形成电气连接。通过压力接触，这里这些接触件284同样如上面所示那样施加压力，从而形成可靠的电气连接。
图3示出本发明结构的第二个三维分解视图。其中示出了在底侧具有多根导电条112的电路板100。此外可以看到电路板100的孔120，它们用于接纳功率半导体模块200的外壳210的凸出部220。
功率半导体模块200的基板230的电连接借助于接触弹簧250完成。功率半导体模块200的外壳210在其一个侧面上具有连接件280，它与外壳210构造为一个整体。与用于基板230与电路板100之间的电连接的接触弹簧一样，接触弹簧284用作连接件280的接触弹簧284。这些接触件284连接电路板100的导电条和鼓风机320的插接触点282。此鼓风机与冷却体310一起构成本发明结构中的有源冷却装置300a。
图4示出另一个本发明结构的剖面。与图1一样图中示出了由一个电路板100、一个功率半导体模块200和一个冷却装置300组成的结构。电路板100这里类似于图1中的电路板来设计。
功率半导体模块200同样具有一个框架形的外壳210，它具有集成为一体的盖板212。外壳210的第二个盖板与图1一样也由基板230构成。此结构还具有一个无源的冷却装置300b。
由电路板100、功率半导体模块200和冷却装置300b构成的结构的连接也用于在接触弹簧250上引入压力，并从而形成压接结构，此连接由多个由铝构成的冷却部件300b的凸出物330构成。这些凸出物330可设计成可逆的或不可逆的连接。一个不可逆的连接通过将凸出物330c设计为栓钉而得到，栓钉置入到电路板100的相应孔120中，并且其末端被如此变形，使得此连接成为与电路板100上支座122的铆合连接。此变形例如可通过在栓钉上的机械作用而实现。
用作可逆连接的凸出物330b被设计为已知的并已在上面说明过的咬合-卡锁连接。

Claims (11)

1.一种压接结构，具有一个电路板(100)、一个功率半导体模块(200)和一个冷却装置(300a/b)作为该压接结构的部分结构，其中所述功率半导体模块(200)设置在所述电路板(100)和所述冷却装置(300a/b)之间，其中
-所述电路板(100)具有绝缘体(110)，该绝缘体带有导电条(112)，其中
-所述功率半导体模块(200)具有一个框架形绝缘塑料外壳(210)，所述外壳具有带有第一个孔(214)的盖板(212)、一个基板(230)和接触弹簧(250)，其中所述基板(230)构成了所述外壳(210)的第二个盖板，并具有至少一根导电条(232)和至少一个设置在其上并形成电路连接的功率半导体元件(240)，其中
-所述接触弹簧(250)穿过所述外壳(210)的第一个孔(214)，从而能够在基板(230)的导电条(232)与电路板(100)上的导电条(112)的触点之间形成连接，其中
-所述冷却装置(300)是有源或无源的，并且其中
-在所述部分结构中，所述功率半导体模块(200)的外壳(210)和/或所述冷却装置(300a/b)具有凸出部(220b，330)，并且一个部分结构上的所述凸出部穿过至少另一个部分结构上的不同于所述第一个孔(214)的孔，并从而在所述部分结构(100，200，300a/b)之间形成可逆的连接或不可逆的连接，使得所述部分结构(100，200，300a/b)通过上述连接彼此连接到一起，而无需采用焊接工艺。
2.如权利要求1所述的结构，其中所述功率半导体模块(200)的外壳(210)的凸出部(220b)指向所述电路板(100)的方向，并穿过所述电路板(100)上的孔(120)。
3.如权利要求1或2所述的结构，其中所述功率半导体模块(200)的外壳(210)的凸出部(220b)指向所述冷却装置(300a/b)的方向，并穿过所述冷却装置(300a/b)上的孔(312，324)。
4.如权利要求1或2所述的结构，其中所述冷却装置(300a/b)的凸出部(330)穿过所述外壳(210)上的不同于所述第一个孔(214)的孔(216)和/或穿过所述电路板(100)上的孔(120)。
5.如权利要求1所述的结构，其中可逆连接通过设计为止动销(222)的凸出部(220b，330)而形成，这些凸出部穿过孔(120，216，312，324)，并且其止动销(222)被置于相应的支座(326)中，形成咬合-卡锁连接。
6.如权利要求1所述的结构，其中可逆连接通过设计为栓钉的凸出部(220b，330)形成，这些凸出部穿过孔(120，216，312，324)并被止动装置固定于相应的支座中。
7.如权利要求1所述的结构，其中不可逆连接通过设计为栓钉的凸出部(220b，330)形成，这些凸出部被置于相应的孔(120，216，312，324)中，并且其末端被变形，以形成一个铆合连接(224)。
8.如权利要求1所述的结构，其中无源冷却装置(300)被设计为空气冷却器或水冷却器。
9.权利要求1所述的结构，其中有源冷却装置(300a)具有一个不能调节的或一个温度调节的鼓风机(320)。
10.如权利要求1所述的压接结构，其中所述功率半导体模块(200)的外壳(210)具有至少一个用于有源冷却装置(300a)与电路板(100)的导电条(112)之间电气连接的连接件(280)，其中该连接件(280)具有一个用于与有源冷却装置(300a)形成电气连接的插接触点(282)，此插接触点(282)与弹性设计的接触件(284)相连接，并且这些接触件(284)与所述电路板(100)上的导电条(112a)的相应接触面相连接。
11.如权利要求3所述的结构，其中所述冷却装置(300a/b)的凸出部(330)穿过所述外壳(210)上的不同于所述第一个孔(214)的孔(216)和/或穿过所述电路板(100)上的孔(120)。
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