缓冲电容器的制作方法

1.本实用新型涉及一种缓冲电容器，特别是一种设置在功率模块内部的缓冲电容器。


背景技术：

2.功率器件(wbg(宽带隙)半导体，比如sic、gan)在需要快速且高效开关的应用(比如电源应用)中变得越来越受欢迎。此外，功率器件通常受到功率模块封装和周围电路的杂散电感的干扰，并且功率器件的快速开关能力导致高dv/dt，这导致在关断时功率器件的漏极端子与源极端子之间的大浪涌电压和emi(电磁干扰)噪声。
3.为了平滑电压浪涌和降低噪声，增加了缓冲电容器cc，如图1中所示。参考图2，图示了分别具有和不具有缓冲电容器的两个电压波形。如虚线所示，缓冲电容器对电压浪涌加以平滑。因此，缓冲电容器成为wbg半导体应用中必不可少的元件。
4.现在参考图3，常规逆变器设计在框图中示出。逆变器包括ac连接器101、dc连接器102、具有多个功率器件1031(比如wbg功率器件)的功率模块103、以及邻近功率模块103的缓冲电容器104。缓冲电容器104需要尽可能靠近功率器件1031设置。在常规逆变器中，缓冲电容器仅设置在部分功率器件附近，因此缓冲电容器的平滑效果受到限制。
5.此外，mlcc(多层陶瓷电容器)由于其合适的电容值而通常用于常规逆变器设计中。mlcc包括两个外部电极和具有电介质和内部电极的电容器芯。参考图4，mlcc 104通过焊接材料6被焊接到铜图案层114上，并且在mlcc下方存在间隙118。热树脂112设置在铜图案层114与引脚翅片冷却构件110之间(本领域技术人员应当理解，在铜图案与冷却构件之间存在绝缘材料，在这种情况下，热树脂112被用作绝缘材料)。在这种设计中，mlcc 104产生的热仅可以通过焊接材料6散发，这导致不希望的热传导效率。在某些情况下，缓冲电容器甚至在恶劣的热条件下烧毁。


技术实现要素：

6.为了改善缓冲电容器的热条件并且增强平滑效果，本实用新型公开了一种缓冲电容器。缓冲电容器包括第一电极、第二电极、以及在第一电极与第二电极之间的电容器芯；导电的第一引出元件，该导电的第一引出元件电联接到第一电极并且覆盖第一电极的至少一部分和电容器芯的一部分；导电的第二引出元件，该导电的第二引出元件电联接到第二电极并且覆盖第二电极的至少一部分和电容器芯的另一部分，其中，第一引出元件与第二引出元件电绝缘。利用这种设计，引出元件扩大缓冲电容器与联接到缓冲电容器的元件(比如逆变器的外部连接器、功率模块的导电层的电路图案)之间的接触面积。因此，缓冲电容器的散热得到改善。
7.根据本实用新型的另一方面，联接到第一引出元件的第一电极的端表面与联接到第二引出元件的第二电极的端表面相对。
8.根据本实用新型的另一方面，被第一引出元件覆盖的电容器芯的侧壁与被第二引
出元件覆盖的电容器芯的侧壁相对。
9.根据本实用新型的另一方面，被第一引出元件覆盖的电容器芯的侧壁邻近被第二引出元件覆盖的电容器芯的侧壁。这种缓冲电容器可以设置在功率模块的功率元件附近，以平滑电压浪涌并且降低emi噪声。
10.根据本实用新型的另一方面，第一引出元件和第二引出元件这两者是l形的。利用这些引出元件，缓冲电容器可以竖直地或水平地设置在功率模块内部。
11.根据本实用新型的另一方面，第一引出元件和第二引出元件中的至少一个包括基部部分和沿着缓冲电容器的纵向方向从基部部分延伸的两个延伸部分，两个延伸部分分别平行于电容器芯的两个相邻侧壁延伸。在替代实施例中，第一引出元件和第二引出元件中的至少一个包括基部部分和沿着缓冲电容器的纵向方向从基部部分延伸的两个延伸部分，两个延伸部分分别平行于电容器芯的相对侧壁延伸。具有相邻延伸部分的缓冲电容器主要用作功率模块内部的内缓冲电容器，而具有相对延伸部分的缓冲电容器用于功率模块外部。利用这些引出元件，缓冲电容器的散热面积明显增加，这样改善缓冲电容器的热效应。此外，缓冲电容器受温度变化引起的应力变化影响较小。
12.根据本实用新型的另一方面，第一引出元件被焊接/烧结到第一电极，并且/或者，第二引出元件被焊接/烧结到第二电极。
13.根据本实用新型的另一方面，第一引出元件被超声焊接到第一电极，并且/或者，第二引出元件被超声焊接到第二电极。
14.根据本实用新型的另一方面，第一引出元件通过银烧结到第一电极，并且/或者，第二引出元件通过银烧结到第二电极。
15.根据本实用新型的另一方面，公开了一种功率模块。功率模块包括上述的缓冲电容器，缓冲电容器设置在功率模块的内部，功率模块包括至少一个功率半导体元件、第一导电层和第二导电层，第一导电层和第二导电层被配置为将功率半导体元件夹于其间，第一引出元件电联接到第一导电层，第二引出元件电联接到第二导电层，第一引出元件的热膨胀系数介于第一导电层的热膨胀系数与第一电极的热膨胀系数之间，第二引出元件的热膨胀系数介于第二电极的热膨胀系数与第二导电层的热膨胀系数之间。利用这种设计，从电极到导电层的热转变足够平缓，以避免应力的不均匀分布，因此缓冲电容器可以良好地固定在功率模块中。此外，缓冲电容器与导电层之间的接触面积足够大，以实现改善的散热。
16.根据本实用新型的另一方面，缓冲电容器被定位成邻近功率半导体元件。
17.根据本实用新型的另一方面，功率模块的操作温度为-40℃～150℃。第一导电层与第二导电层之间的电压为300v～800v。第一导电层与第二导电层之间的电流为100a～1000a。
18.根据本实用新型的另一方面，缓冲电容器是mlcc。
19.从以下结合附图的详细描述中，实施例的其他方面和优点将变得显而易见，附图通过举例的方式展示了所描述的实施例的原理。
附图说明
20.通过结合附图参考以下描述，可以最好地理解所描述的实施例及其优点。这些附图决不限制本领域技术人员在不脱离所述实施例的精神和范围的情况下可以对所述实施
例在形式和细节上进行的任何改变。
21.图1展示了使用功率器件的电源电路。
22.图2展示了分别具有和不具有缓冲电容器的两个电压波形。
23.图3展示了常规逆变器的图形，其中缓冲电容器邻近功率模块设置。
24.图4展示了具有引脚翅片冷却构件的缓冲电容器布置的截面视图。
25.图5展示了根据本实用新型第一实施例的缓冲电容器的透视图。
26.图6展示了图5中的缓冲电容器的引出元件的透视图。
27.图7展示了根据本实用新型第二实施例的缓冲电容器的透视图。
28.图8展示了根据本实用新型第二实施例的缓冲电容器的另一透视图。
29.图9展示了图7中的缓冲电容器的引出元件的透视图。
30.图10展示了根据本实用新型第二实施例的引出元件的另一透视图。
31.图11展示了根据本实用新型第二实施例的具有双面冷却器件的功率模块。
32.图12展示了功率模块的另一透视图。
33.图13展示了根据本实用新型第三实施例的缓冲电容器的透视图。
34.图14展示了图13中的缓冲电容器的引出元件的透视图。
具体实施方式
35.现在参照附图，详细描述本实用新型的实施例。在本实用新型中，不同实施例的缓冲电容器主要用于汽车工业，比如逆变器的功率模块、或电动车辆的逆变器。缓冲电容器被设置在功率模块内部或邻近功率模块。与pcb应用不同，功率模块的操作条件要严格得多。例如，功率模块的操作温度在-40℃～150℃的范围内。第一导电层(表示正极性)与第二导电层(表示负极性)之间的电压为300v～800v。第一导电层与第二导电层之间的电流为100a～1000a。因此，为了满足上述要求，必须考虑温度对电容器的影响。
36.首先参考图5至图6，缓冲电容器1包括第一电极11、第二电极12、以及在该第一电极与该第二电极之间的电容器芯10。缓冲电容器进一步包括导电的第一引出元件21和导电的第二引出元件22。第一引出元件21电联接到第一电极11并且覆盖第一电极11的至少一部分和电容器芯10的一部分，第二引出元件22电联接到第二电极12并且覆盖第二电极12的至少一部分和电容器芯10的另一部分。为了防止短路，第一引出元件21与第二引出元件22电绝缘。例如，第一引出元件21与第二引出元件22之间在缓冲电容器的纵向方向(l)上的最短距离至少为1mm。
37.主要参考图6，第一引出元件21和第二引出元件22这两者均是l形的。第一引出元件21包括基部部分211和沿着缓冲电容器的纵向方向(l)从基部部分211延伸的延伸部分212，并且第二引出元件22包括基部部分221和沿着缓冲电容器的纵向方向从基部部分221延伸的延伸部分222。以第一引出元件21为例，基部部分211垂直于延伸部分212，第一电极11联接到基部部分211并且被该基部部分覆盖，并且电容器芯10的一个侧壁被延伸部分212部分地覆盖。联接到第一引出元件21的第一电极11的端表面与联接到第二引出元件22的第二电极12的端表面相对。被第一引出元件覆盖的电容器芯的侧壁与被第二引出元件覆盖的电容器芯的侧壁相对。
38.在该实施例中，第一引出元件21焊接到第一电极11，并且第二引出元件22焊接到
第二电极22。更具体地，引出元件21、22被超声焊接到电极。在其他优选的实施例中，引出元件21、22可以通过银烧结到电极11、12。
39.例如，在电力电子应用中，缓冲电容器可以应用于逆变器。缓冲电容器设置在功率模块附近，以在功率模块内部的功率半导体元件的切换期间平滑电压浪涌。在引出元件的帮助下，缓冲电容器可以稳定地固定在铜图案层上。同时，散热面积的增加也改善了热效应。在本技术中，被第一引出元件覆盖的电容器芯的侧壁邻近被第二引出元件覆盖的电容器芯的侧壁。
40.现在参考图7至图10，展示了根据本实用新型第二实施例的缓冲电容器。代替l形引出元件，第一引出元件31和第二引出元件32中的每一个包括基部部分311、321和沿着缓冲电容器的纵向方向(l)从基部部分311、321延伸的两个延伸部分312、322，该两个延伸部分312、322分别平行于电容器芯10的相邻侧壁延伸。
41.在一些应用中，缓冲电容器(如图7至图8中所示)是设置在功率模块内部的mlcc。现在参考图11至图12，功率模块包括至少一个功率半导体元件9(比如sic器件)、第一导电层81和第二导电层82，该第一导电层和该第二导电层被配置为将功率半导体元件9夹于其间。第一导电层81和第二导电层82这两者被联接到具有引脚翅片结构的冷却器件7。第一引出元件31电联接到第一导电层81，并且第二引出元件32电联接到第二导电层82。缓冲电容器1被设置成邻近功率半导体元件9，使得在功率半导体元件的接通和关断期间引起的电压浪涌被平滑，并且emi噪声被降低。第一引出元件31的热膨胀系数介于第一导电层的热膨胀系数与第一电极11的热膨胀系数之间，第二引出元件32的热膨胀系数介于第二电极12的热膨胀系数与第二导电层的热膨胀系数之间。因此，这些引出元件提供了从电极到功率模块的(联接到第一导电层和第二导电层的)汇流条的逐渐热转变，并且防止应力的不均匀分布，且因此缓冲电容器被良好地固定，甚至是固定在功率模块内部。利用这种设计，避免了由于不同的热效应导致的缓冲电容器中应力的不均匀分布，且因此延长了缓冲电容器的寿命。
42.现在参考图13至图14，示出了根据第三实施例的缓冲电容器和引出元件。第一引出元件41包括基部部分411和沿着缓冲电容器的纵向方向从基部部分411延伸的两个延伸部分412a、412b。一个延伸部分412a平行于电容器芯的顶表面延伸，以及另一个延伸部分412b平行于电容器芯的底表面延伸。第二引出元件42包括基部部分421和沿着缓冲电容器的纵向方向从基部部分421延伸的两个延伸部分421a、421b。延伸部分421a、421b覆盖电容器芯的相邻侧壁。延伸部分412a与延伸部分421b之间沿纵向方向的距离至少为1mm。
43.对于优选的实施例，已经提出了许多替代的结构性元件。因此，尽管已经参考特定实施例描述了本实用新型，但是本说明书是对本实用新型的说明，而不应被解释为对本实用新型的限制。在不脱离由所附权利要求限定的本实用新型的真实精神和范围的情况下，本领域技术人员可以想到多个不同的修改和应用。