本技术涉及一种功率模块和一种用于生产功率模块的方法。
背景技术：
1、例如，在电动汽车的逆变器中使用的功率半导体模块通常必须由使用液体冷却剂的冷却单元来冷却。因此，各个功率半导体模块必须被集成到冷却单元中以用于液体冷却。这强加了对在功率半导体模块和冷却单元之间进行可靠防漏密封以防止泄漏到功率半导体模块内的任何风险的需要。
2、例如，先进技术水平是通过在冷却单元上具有o形环密封件的螺钉来安装功率半导体模块。替代地，功率半导体模块可以安装在封闭式冷却器上。这要求功率模块和冷却单元之间的、具有高导热性的可靠结合。然而，这将要求升高的工艺温度，可能导致功率半导体模块的外壳的损坏和/或分层。
3、文献de 10 2011 0882 18 a1描述了一种电子功率模块，所述电子功率模块用热耦合层与冷却元件耦合。
4、文献de 10 2012 2055 90 a1描述了一种用于与逆变器一起使用的功率模块，并且文献wo 2015/176992 a1描述了一种具有热界面的半导体功率模块，其中所述模块由树脂围绕。
技术实现思路
1、本实用新型的目的是提供一种具有改进的可靠性的功率模块，以及提供一种用于生产这样的功率模块的方法。
2、该目的通过独立权利要求的主题来实现。根据从属权利要求和以下描述，另一些示例性实施方案是明显的。
3、本实用新型的第一方面涉及一种功率模块。在此和在下文中的术语“功率”例如是指适于处理大于100v的电压和/或大于10a的电流、最高达1200v的示例性电压和数百安的电流的功率模块、功率半导体模块和/或半导体芯片。例如，在汽车应用，诸如电动车辆、混合动力车辆、摩托车、公共汽车、卡车、越野工程车和充电站中使用所述功率模块。
4、所述功率模块具有例如一个主延伸平面。横向方向平行于所述主延伸平面对齐，并且竖向方向垂直于所述主延伸平面对齐。
5、根据本实用新型的该实施方案，所述功率模块包括至少一个功率半导体模块，所述至少一个功率半导体模块具有布置在包括至少一个电绝缘层的衬底上的至少一个半导体芯片。
6、所述半导体芯片基于例如硅或宽带隙材料，示例性地是碳化硅。所述半导体芯片例如被形成为二极管和/或开关。这样的开关是例如晶体管、变阻器、绝缘栅双极晶体管——简称为igbt，或金属氧化物或绝缘体半导体场效应晶体管——简称为mosfet。
7、所述功率半导体模块例如包括至少两个半导体芯片。两个半导体芯片布置在所述衬底上，示例性地是同一衬底。例如，所述半导体芯片中的一个被形成为开关，并且所述半导体芯片中的另一个被形成为二极管。在此情况下，所述开关和所述二极管被相互反并联(antiparallel)连接。所述两个半导体芯片相互反并联连接形成例如半桥。例如，所述功率半导体模块包括一个或多个半桥。在此情况下，所述功率半导体模块包括两个或更多个半导体芯片。
8、所述衬底包括例如电绝缘材料。所述衬底的电绝缘材料包括陶瓷或由陶瓷构成，所述陶瓷诸如alo、aln和/或sin。
9、根据该实施方案，所述功率模块包括被布置成与所述半导体芯片电接触的引线框。所述引线框包括例如端子部分，所述端子部分被配置用于所述功率模块的外部接触。所述引线框例如包括金属或由金属构成，所述金属示例性地是cu。
10、根据该实施方案，所述功率模块包括基板，所述基板包括冷却结构。所述功率半导体模块布置在所述基板上。所述基板被配置为例如在运行期间冷却所述功率半导体模块。
11、根据该实施方案，所述功率模块包括结合层，所述结合层连接所述功率半导体模块和所述基板。所述结合层例如包括金属材料或由金属材料构成。因此，所述功率半导体模块在运行期间产生的热量可以在所述冷却结构的方向上被特别好地消散。所述结合层被配置为例如将所述功率半导体模块附接到所述基板，示例性地以机械稳定的方式。
12、根据该实施方案，所述功率模块包括布置在所述功率半导体模块、所述结合层和所述基板上的模制化合物。例如，所述模制化合物与所述功率半导体模块、所述结合层和所述基板直接接触。所述模制化合物包括环氧模制化合物或由环氧模制化合物构成，示例性地是环氧树脂。有利地，所述功率半导体模块到所述基板的附接的强度因此被进一步提高。
13、根据所述功率模块的该实施方案，所述结合层由所述功率半导体模块、所述基板和所述模制化合物完全封装。例如，所述功率半导体模块至少覆盖所述结合层的面向所述功率半导体模块的外表面的一部分。此外，所述基板至少覆盖所述结合层的面向所述基板的外表面的一部分。例如，所述模制化合物覆盖所述结合层的外表面的其余部分，该其余部分未由所述功率半导体模块和所述基板覆盖。因此，所述结合层示例性地被三维封装。示例性地，所述结合层不包括未由所述功率半导体模块、所述基板和所述模制化合物覆盖的外表面。具有这样的模制化合物，可以有利地减少所述结合层的老化效应。
14、根据所述功率模块的该实施方案，所述引线框至少部分地布置在所述模制化合物内。例如，所述引线框的端子部分从所述模制化合物突出，以是可外部接触的。
15、总之，这样的功率模块可以提供除了别的以外的以下优点。因为省略了用于将所述功率半导体模块安装到所述基板的附加开销，所以可以减少所述功率模块的总尺寸。此外，冷却剂泄露到所述功率半导体模块内的风险被减轻，因为在这样的功率模块内，可以使用冶金密封冷却器作为冷却结构。此外，这样的功率模块有利地具有相当高的循环能力，因为所述结合层被封装在所述模制化合物中。这样的受约束的结合层导致减少的冯-米斯(von mises)应变。因此，所述半导体芯片的最大运行温度可以被示例性地设置得很高，从而导致半导体面积的节省。
16、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述结合层是焊料层(solder layer)或烧结层(sinter layer)。
17、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述模制化合物至少在多个地方直接接触所述基板的侧表面布置。例如，所述模制化合物在竖向方向上、在向所述基板的方向上突出到所述结合层的外表面之外。这就是说，在侧视图中，所述模制化合物和所述基板重叠。有利地，所述结合层因此被进一步保护以免受外部污染。
18、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述衬底还包括第一金属化层和第二金属化层，并且所述电绝缘层布置在所述第一金属化层和所述第二金属化层之间。
19、例如，所述半导体芯片布置在所述第一金属化层上。此外，所述第一金属化层例如被结构化。在此情况下，所述第一金属化层仅在多个区域内覆盖所述电绝缘层。所述第一金属化层例如被结构化，以提供所述半导体芯片被连接到的电导体。
20、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述基板具有在横向方向上突出到所述结合层之外的突出部分。
21、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述模制化合物直接接触地布置在所述突出部分的外表面上。例如，所述模制化合物布置在所述突出部分的在竖向方向上延伸的侧表面上。此外，例如，所述模制化合物布置在所述突出部分的在横向方向上延伸的、面向所述功率半导体模块的顶表面上。根据此实施方案，在其上布置所述模制化合物的所述突出部分的外表面由所述突出部分的侧表面和所述突出部分的顶表面形成。
22、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述冷却结构包括针状翅片(pin fin)。例如，所述针状翅片布置在所述基板的背离所述功率半导体模块的底表面上。每个针状翅片示例性地由在竖向方向上延伸的柱(pillar)形成。例如，所有针状翅片具有与竖向方向平行的共同的延伸方向。所述针状翅片例如由与所述基板相同的材料(诸如cu)形成。例如，所述针状翅片增加了所述基板的底表面的面积。有利地，因为这样的针状翅片，因此热量消散可以被提高。
23、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述基板包括与至少一个入口端口和至少一个出口端口连接的微通道。例如，所述微通道嵌入所述基板中。“嵌入”在此是指所述微通道的外表面由所述基板的材料完全围住。所述微通道例如由棒(rod)形成。例如，液体冷却剂可以从入口端口通过所述微通道流动到出口端口。示例性地，液体冷却剂从入口端口通过所述微通道被泵送到出口端口。有利地，在功率模块的运行期间生成的热量可以通过包括这样的微通道的基板特别有效地从所述功率半导体模块消散出去。
24、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述基板包括互锁特征，所述互锁特征被配置为将所述模制化合物固定到所述基板。例如，所述基板的与所述模制化合物直接接触的外表面包括所述互锁特征。所述互锁特征例如由与所述基板相同的材料形成。所述互锁特征具有例如凹痕(dimple)、凹口(indent)和/或凹槽(groove)的形式。所述互锁特征有利地增加了所述模制化合物和所述基板之间的粘附力。
25、根据至少一个实施方案，所述功率模块包括至少两个功率半导体模块，所述至少两个功率半导体模块被布置成相互间隔开。例如，所述基板是所述功率半导体模块的共同基板。有利地，由于这样的共同基板，液体冷却剂的流动特别好，因为在所述基板内的功率半导体模块之间不存在焊缝或密封部分。
26、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述模制化合物布置在两个功率半导体模块上。
27、根据至少一个实施方案，所述模制化合物包括位于所述两个功率半导体模块之间的凹部(recess)。例如，在俯视图中所述凹部不与所述功率半导体模块重叠。
28、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述凹部不完全穿透所述模制化合物。例如，在所述两个功率半导体模块之间所述模制化合物在竖向方向上的高度小于在所述两个半导体模块之上的所述模制化合物在竖向方向上的高度。所述模制化合物例如被简单连接。这就是说，所述模制化合物在所述半导体模块之上连续地延伸。
29、有利地，由于所述凹部，因此与不具有凹部的模制化合物相比，由于所述模制化合物与所述半导体功率模块部件和所述基板之间的热膨胀系数不匹配而导致的所述模制化合物分层的风险降低。此外，所述功率模块的翘曲也因此被减少。
30、根据所述功率模块的至少一个实施方案，所述凹部完全穿透所述模制化合物。例如，所述凹部在所述两个功率半导体模块之间暴露所述基板。例如，所述模制化合物被多重连接。这就是说，根据此实施方案的所述模制化合物被不连续地形成。
31、本实用新型的第二方面涉及一种用于生产功率模块的方法。优选地，所述方法生产在本文中上文所描述的功率模块。因此，关于所述功率模块的所有特征也关于所述方法被公开，反之亦然。
32、根据至少一个实施方案，所述方法包括以下步骤：提供至少一个功率半导体模块，其中至少一个半导体芯片被结合在包括至少一个电绝缘层的衬底上。结合在此和在下文中是指例如锡焊、烧结和/或焊接。
33、根据至少一个实施方案，所述方法包括以下步骤：将引线框电接触地施加到所述半导体芯片。
34、根据至少一个实施方案，所述方法包括以下步骤：提供包括冷却结构的基板。
35、根据至少一个实施方案，所述方法包括以下步骤：用结合层将所述功率半导体模块结合到所述基板。对于所述功率模块包括不止一个功率半导体模块的情况，所有所述功率半导体模块例如在单个工艺步骤中被结合到所述基板。
36、根据至少一个实施方案，所述方法包括以下步骤：将模制化合物施加在所述功率半导体模块、所述结合层和所述基板上，使得所述结合层由所述功率半导体模块、所述基板和所述模制化合物完全封装，并且所述引线框至少部分地布置在所述模制化合物内。例如，通过转移模制工艺或压缩模制工艺施加所述模制化合物。使用转移模制工艺，可以实现最高达120cm3的模制化合物体积。
37、示例性地，在用结合层将所述功率半导体模块结合到所述基板的方法步骤之后，执行施加所述模制化合物的步骤。
38、使用这样的方法具有以下优点。与根据先进技术水平的功率模块相比，由于省略了将各个功率半导体模块安装在所述基板上，因此方法步骤的总数目被减小。此外，各个功率半导体模块之间的对准精度特别准确。
39、根据所述方法的至少一个实施方案，所述半导体芯片通过锡焊或烧结结合到所述衬底。
40、根据所述方法的至少一个实施方案，所述衬底是由具有坝-条(dam-bar)结构的单件式引线框施加的引线框。例如，具有坝-条结构的引线框可以包括与所述半导体芯片电接触的条。所述条被配置为提供与所述半导体芯片的电接触。此外，具有坝-条结构的引线框可以包括坝，其中所述坝布置在两个条之间，并且其中所述坝在横向方向上垂直于这些条延伸。示例性地，所述坝在横向方向上完全包围半导体芯片和衬底。这些坝可以被用作用于转移模制工艺的用于所述模制化合物的定界元件。
41、根据所述方法的至少一个实施方案，在施加模制化合物期间，在所述功率半导体模块的方向上按压所述基板。示例性地，在施加模制化合物期间，在竖向方向上在所述功率半导体模块的方向按压所述基板。有利地，这样的封装的结合层可以被特别好地保护以免外部污染。
1.一种功率模块(1)，其特征在于，包括
2.根据权利要求1所述的功率模块(1)，其特征在于，所述结合层(11)是焊料层或烧结层。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块(1)，其特征在于，所述模制化合物(12)至少在所述基板(9)的侧表面上直接接触地布置就位。
4.根据权利要求1或2所述的功率模块(1)，其特征在于，
5.根据权利要求1或2所述的功率模块(1)，其特征在于，
6.根据权利要求1或2所述的功率模块(1)，其特征在于，
7.根据权利要求1或2所述的功率模块(1)，其特征在于，所述基板(9)包括互锁特征(14)，所述互锁特征被配置为将所述模制化合物(12)固定到所述基板(9)。
8.根据权利要求1所述的功率模块(1)，其特征在于，包括
9.根据权利要求8所述的功率模块(1)，其特征在于，所述模制化合物(12)包括位于所述两个功率半导体模块(2)之间的凹部(15)。
10.根据权利要求8或9所述的功率模块(1)，其特征在于，所述凹部(15)不完全穿透所述模制化合物(12)。
11.根据权利要求8或9所述的功率模块(1)，其特征在于，所述凹部(15)完全穿透所述模制化合物(12)。
