用于电力电子开关装置的压力装置、开关装置及其布置的制作方法

本发明描述了用于电力电子开关装置的压力装置，由于通过其自身或通过与其它优选相同的压力装置组合，形成功率半导体模块或电力电子系统的基本单元，压力装置形成功率半导体模块或电力电子系统的电力电子基本构件。此外，本发明描述了包括该电力电子开关装置的布置。

背景技术：

例如在DE 10 2013 104 949 B3中披露的现有技术公开了一种开关装置，其包括基底、功率半导体件、连接装置、负载终端装置和压力装置。在该实例中，基底具有电绝缘的导体迹线，其中功率半导体部件布置在导体迹线中。连接装置实现为膜复合物，其包括导电膜和电绝缘膜，并具有第一主要和第二主要区域。因此，开关装置以符合电路的方式内部连接。压力装置具有压力本体，压力本体具有第一切口，压力元件布置为从第一切口突出，其中，压力元件压在膜复合物的第二主要区域的区域部分上，并且在该实例中所述区域部分在功率半导体件的法线方向投影布置在功率半导体件的区域中。

技术实现要素：

通过对上述状况的了解，本发明基于提供一种压力装置的目的，该压力装置是以灵活的方式适用于相应的电力电子开关装置、以及相关联的开关装置及其布置。

根据本发明，通过具有权利要求1的特征的压力装置、通过具有权利要求8的特征的电力电子开关装置、以及通过包括具有权利要求13的特征的电力电子开关装置的布置，实现该目的。从属权利要求中分别描述了优选实施方式。

根据本发明的压力装置实施为具有用于压力本体的多个容器装置的主体，其中，各压力本体实施为具有第一刚性部分本体和第二弹簧弹性部分本体实，其中，压力本体通过可逆连接被布置在主体的容器装置中，以及各第二部分本体在远离主体的方向从所分配的第一部分本体突出。在这种情况中，一个或多个第一部分本体也能够在各情况下具有多于一个的第二部分本体。

在该实例中，可逆连接能够以强制锁定或主动锁定方式实现，具体实现为卡锁连接或夹锁连接。

有利地，第一部分本体由耐高温塑料，优选热塑性塑料实现，其中，也可在第一部分本体的该塑料或切口中布置金属加强结构。第二部分本体优选由弹性体实现，优选为硅树脂弹性体，特别是交联液体硅树脂。此外，不同的第二部分本体能够具有不同的高度，特别是，它们能够从所分配的第一部分本体突出至不同程度。第二部分本体特别优选地部分地布置在第一部分本体的切口中，并从所述切口伸出，第二部分本体特别是垫状方式，其中，其表面能够实现为平面、凸起或凹进。

特别优选地，在各实例中，主体的多个容器装置以n×m矩阵形式的矩阵状方式布置，并且在该实例中，容器装置(500)优选彼此等距间隔开，其中，在矩阵n方向的间距能够完全不同于m方向的间距，此外，能够使这些行列的仅一部分具有相同间距。

根据本发明的开关装置实现为包括基底、包括连接装置并且包括压力装置，其中，基底具有彼此电绝缘的导体迹线，并且功率半导体部件以其自身主要区域被布置在一个导体迹线上，并且以导电方式连接至此，其中，通过一个第二部分本体的压力区域，压力装置压在连接装置的第一区域部分上，所述第一区域部分面对压力装置，其中，所述第一区域部分与功率半导体部件的第一主要区域的表面在基底法线的方向上对准。

优选地，连接装置实现为诸如基本上从现有技术所知的膜复合物，包括导电膜和电绝缘膜，其中，开关装置，通过连接装置以强制锁定或材料结合的方式，以符合电路的方式内部地连接。

特别是，优选的，第二部分本体的压力区域在所述基底的法线的方向投影在完全位于所述功率半导体部件的表面内。

压力装置通过一个第二部分本体的另一压力区域压在连接装置的第二区域部分上，所述第二区域部分面对压力装置，其中所述第二区域部分在基底的法线方向上投影布置在所有功率半导体部件的表面外侧，则是尤其有利的。这意味着所述第二部分本体或者所述多个第二部分本体仅压在功率半导体部件旁边的区域上。

优选地，第一区域部分的表面区域为所分配的功率半导体件表面的表面区域的至少25％，特别是至少50％。在该实例中，功率半导体件的区域可理解为意味着其整个区域的程度，就是说，不仅是终端或接触区域。

根据本发明的布置实现为包括上述电子开关装置，包括冷却装置并包括压力引入装置，其中，该压力引入装置直接或间接支撑在冷却装置上，并且优选中心地，向压力装置上引入压力，并且因此开关装置以强制锁定方式连接至冷却装置。

类似的，尤其是由于有效的压力引入，导热层，尤其是导热糊剂，可以具有小于20微米的厚度，尤其小于10微米，尤其小于5微米、其可以布置在基底和冷却装置之间，特别是布置有功率半导体部件的基底部分与冷却装置之间。

同样可优选的是，冷却装置为功率半导体模块的基板(优选金属基板)或散热器。

当然，除非自身排除，上述单个形式的特征能够多个地实施。特别的，在各电力电子开关装置或其布置中，功率半导体部件能够为多个。

不言而喻，本发明的不同结构能够单独或者任意组合实现，以获得改进。特别是，上述和下文说明和解释的特征，无论是否在压力装置的上下文中对它们进行说明，电力电子开关装置或布置不仅能够用在所示出的组合中，还能够用于其他组合中，或由它们自身，而不偏离本发明的范围。

附图说明

在图1至图10所示出的示例性实施方式的下述说明中，本发明的其他说明、有利的描述和特征变得更加明了。

图1和图2在横向剖视图中示出根据本发明的压力装置。

图3在平面图中示出根据本发明的压力装置。

图4在三维视图中示出压力本体。

图5和图6示出根据本发明的压力装置的另一三维视图。

图7在分解图中示出根据本发明的布置，其包括根据本发明的电力电子开关装置。

图8和图9分别以非组装状态和组装状态示出根据本发明的电力电子开关装置。

图10在不同的截面中示出电力电子开关装置的平面图。

具体实施方式

图1和图2在横向剖视图中示出根据本发明的用于电力电子开关装置的压力装置5。在该实例中，压力装置5具有主体50，主体50具有在这些结构中以相同方式实现的多个容器装置500。所述容器装置500实现为主体50的切口。

此外，压力装置5具有多个压力本体52，各所述压力本体52被分配至一个切口，即主体50的容器装置500，并且各所述压力本体52设置为布置在其中，请参见图2。在该实例中，各压力本体52具有第一刚性部分本体54，其优选由耐高温塑料构成，优选为热塑性塑料，特别是聚苯硫醚。在第一部分本体54的另一切口540中，以如下方式布置第二部分本体56，其在远离所分配的主体50的方向从所述切口540突出。

各第二部分本体56由弹性体构成，优选为硅树脂弹性体，特别是交联液体硅树脂，并且通过双组分注塑(two-component plastic injection-moulding)方法布置在另一切口540中。在该结构中，第二部分本体56以具有平面压力区域560、562的垫状方式从另一切口540突出。

附图在此处仅以示例示出压力本体的两个变化例，其具有不同的第一部分本体高度，以形成不同压力本体的第二部分本体的压力区域的平行偏移，请参见图8和图9。与此等效地，第二部分本体的厚度也能够变化，或者主体切口的深度能够变化，或者这些变化任意理想组合。

根据本发明的压力装置5的主体50可优选地具有很多切口，即容器装置500，其以n×m矩阵形式的矩阵状的方式布置。在该实例中，压力本体52不是必须布置在每个切口中。优选地，压力本体52与其第一部分本体54以强制锁定或主动锁定方式布置，此处以强制锁定可逆夹持连接的形式。尤其有利的是，主体50和压力本体52能够因此以特定的应用方式被装配，其由图1的箭头示出。然后，图2示出以此方式装配的主体50，其连同所布置的压力本体52一起形成压力装置5。

图3在平面图中示出根据本发明的压力装置5。类似于图1和图2，该图示出，具有切口500的主体50，切口500以4×2矩阵形式的矩阵状方式布置，其中，切口分别在x方向和y方向等距布置。此处以不同方式实现将压力本体52布置在切口500中。

图中示出，压力本体52具有大致方形压力区域560以及具有矩形或圆形的压力区域。两个压力本体52各具有一个第一部分本体54和两个第二部分本体56。在该实例中，所示出的变化仅仅作为第二部分本体56的多种结构的实例。

图4基本上在三维图中示出诸如关于图1和图2所述的压力本体52。此处本质的区别包括连接至主体的结构，其中，此处压力本体52、更精确的为压力本体52的第一部分本体54具有闭锁凸缘542，参见图6，其连同接合部502一起形成可逆连接。

图5和图6示出根据本发明的压力装置5的另外的三维视图。在该实例中，图5示出功率半导体模块形式的电力电子开关装置的剖视图，其中，压力装置5是功率半导体模块的壳体510的一部分。此外，功率半导体模块具有基底2，其在该领域中为常规的，并且在随后附图中以示例方式更详细地描述。此外，这些附图分别示出主体50，其中，各自分配的压力本体52，很大程度上类似于根据图4的压力本体，其通过卡锁连接502、542布置在切口500中。

图7在示意分解图中示出根据本发明的布置，其包括根据本发明的电力电子开关装置1。该图示出基本上以该领域中常规方式实现的基底2，并且基底2包括绝缘基底本体20和布置在其上并且各自彼此电绝缘的导体迹线22，所述导体迹线具有不同电位，尤其为负载电位，还有辅助物，特别是开关装置的开关和测量、电位。此处具体示出了具有负载电位的三个导体迹线22，诸如电力电子线路的常规半桥拓扑。

功率半导体部件7分别布置在两个导体迹线22上，功率半导体部件7能够以该领域中常规方式实现为单独的开关，例如，MOS-FET、或此处所示的具有以反向并联方式连接的IGBT。通过该领域中常规的材料结合的方式，优选通过压力烧结连接84，将功率半导体件7、更精确的为其第一主要区域700的第一接触区域(700，参见图2)以导电方式连接至所分配的导体迹线22。

开关装置1的内部连接通过连接装置3形成，连接装置3是由具有交替导电的膜30、34和电绝缘膜32制成的膜复合物。此处，膜复合物确切地具有两层导电膜和一层布置在两层导电膜中的绝缘膜。在该实例中，面对基底2的所述膜复合物3的表面形成所述膜复合物的第一主要区域300，同时相对表面形成所述膜复合物的第二主要区域340。具体地，连接装置3的导电膜30、34为固有结构，并因此形成彼此绝缘的导体迹线部分。所述导体迹线部分特别是将各功率半导体件7、更准确为其面对远离基底2的一侧上的接触区域连接至基底的导体迹线22。在这种结构中，通过压力烧结连接82，以材料结合的方式，将导体迹线部分连接至基底2的接触区域。

对于外部电气连接，电力电子开关装置1具有负载终端件和辅助终端件，此处仅示出负载终端件10、12。通过示例可见，所述负载终端件完全实现为金属成型体10，通过接触脚、以材料结合的方式，有利地以类似于通过压力烧结连接，将金属成型体10连接至基底2的导体迹线22。同样地如该领域中常规的，同样示出作为接触弹簧12的负载终端件的可选结构。基本上，连接装置3自身的一部分也可实现为负载终端件或辅助终端件。诸如门终端或传感器终端等辅助终端件(未示出)也优选类似以该领域中常规方式实现，特别是以与上述负载终端件功能上相同的方式实现。

压力装置5按照图1和图2中所述实现，并且具有主体50和压力本体52，压力本体52在所述主体的切口500中以可逆方式布置，所述压力本体包括第一部分本体54和第二部分本体56作为其部件。第二部分本体56的压力区域560也以垫状方式实现，其中，第二部分本体56在远离主体50并朝向基底2的方向突出。

此外，该布置还具有散热器4，其表面由导热层40覆盖，因此，电力电子开关装置1，更准确的为其基底2布置在导热层40上。由于根据本发明的该布置的结构，导热层40能够具有非常小的厚度，此处为5微米至10微米之间。基本上，完全能够省略导热层40。这取决于表面构成，特别是散热器4的粗糙度。

可选地并通过实例，基底2的绝缘层20能够实现为电绝缘膜，其直接层压在散热器4上。在这种情况下，导体迹线22也能够实现为由铜构成的平面导电件。然后，后者有利地具有0.5毫米至1.0毫米的厚度。

该布置还具有压力引入装置6，其布置在连接装置3上方，并具有弹簧元件600，在该结构中，弹簧元件600中心地压在压力装置5上。通过所述压力引入装置6(其以未示出的方式由散热器支撑)，将压力60引入在压力本体50上。通过压力部件52和它们的第二部分本体56的压力区域560，所述压力60在各种情况下作为部分压力62被直接传输至膜复合物3的第二主要区域340的第一区域部分360。然后，随着强制锁定连接的形成，所述区域部分360将膜复合物3的第一主要区域300的接触区域间接压在功率半导体部件7的第二主要区域的所分配的接触区域700上。所述区域部分360布置为沿基底2的法线N的方向投影在功率半导体件7的区域760中。

被引入的压力60还将整个基底2压在散热器4上。两个压力接触，连接装置3与功率半导体件7之间导电压力接触，和基底2与散热器4之间的压力接触，在各种情况下在基底2的并且也是功率半导体件7的法线N方向上产生作用。因此，首先，在连接装置3与功率半导体件7之间形成高效的强制锁定和导电连接，所述连接呈现极低的接触电阻。第二，在基底2与散热器4之间同时形成相似效率的热传递连接，由于施加压力的压力本体50在此对准布置，该连接精确地在具有最高发热量的位置即功率半导体部件7处形成最有效的热传递。因此，能够省略基底2与散热器4之间大面积的材料结合连接，该连接在该领域中为常规的并且难以具有耐久性。

图8和图9各自分别表示根据本发明的电力电子开关装置1的剖视图，分别以非组装状态类似于在图7中示出和描述，和以组装状态、即在压力装置5上施加有压力的状态、示出和描述，。

此处的附图示出基底2，其包括一个绝缘层20和两个导体迹线22。在右边的导体迹线22上，布置有实现为功率二极管的功率半导体部件7，并且功率半导体部件7通过材料结合连接、此处为压力烧结连接84，导电地连接至导体迹线22。

功率半导体部件7，更精确的是其面向远离基底2的第二主要区域的接触区域700，通过连接装置3导电地连接至左边的导体迹线22。为此，连接装置3具有第一导电膜30，其中，第一导电膜30的接触区域与功率半导体部件7的对应接触区域在此处仅通过强制锁定连接(但并不限于此)实现。

所述强制锁定连接由直接引入连接装置(此处为膜复合物3)的第二主要区域340的第一区域部分360的部分压力62形成。强制锁定连接的各接触位置此处优选设置有金表面，特别是几毫米的金薄层，由于它们具有最佳的接触特性和接触电阻。此外，在根据EN ISO 4287确定的各种情况中，强制锁定连接的各接触位置具有小于5微米的粗糙深度(Rz)(特别是小于2微米)和小于1微米的平均粗糙度(特别是小于0.5微米)。

功率半导体部件7的第二接触区域导电地连接至左边导体迹线22。为此，膜复合物3的第一金属膜30从与功率半导体部件7的接触位置延伸远至左边导体迹线22的接触位置222。连接装置3的接触位置322与基底2的导体迹线22的接触位置222之间的连接以强制锁定方式形成。为此，压力装置5的所分配的压力本体52的另一部分压力62被引入到导体迹线22与金属膜30的接触位置222、322。因此，在这种情况下，部分压力62施加在连接装置的第二主要区域340的第二区域部分362上，结果，第一导电膜30的接触区域322被压在左边导体迹线22的接触区域222上，并且以强制锁定方式与其导电地连接。在这种情况下，图9示意性示出在压力作用下压力本体52的第二部分本体56的变形。

为了补偿由功率半导体部件的厚度引起的第一区域部分360相对于第二区域部分362的高度偏移382，参见图1和图2，左边第一部分本体具有与右边第一部分本体的高度580相比更高的高度582。优选但不是完全需要两个部分本体在高度上的差值精确地对应高度偏移382。差值范围高达10％，甚至通常高达25％在此处是完全可接受的。

作为导体迹线22的接触位置222、322与金属膜30之间的强制锁定连接的可选例，所述连接也能够实现为压力烧结连接，或者该领域中常规的一些其他连接。

连接装置3还具有电绝缘膜32和另一导电膜34，它们相互作用形成电力电子开关装置1的另外的符合电路的内部连接。通过导电膜30、34之间的电绝缘膜32的电镀通孔320也在该实例中示出。

此外，电力电子开关装置1也具有优选地为胶状的绝缘物质38，其布置在基底2、连接装置3和功率半导体件7之间的空隙中。这用于内部的电绝缘，特别是连接装置3的第一导电膜30与基底2的右边导体迹线22之间的电绝缘。

图10在不同截面中示出电力电子开关装置1的平面图。根据图10a的截面图示出两个功率半导体部件7，其通常布置在基底的同一导体迹线上，但未示出该方式。不限制于一般情况，这包括晶体管，其具有中央门端区域和与后者相邻的发射端区域，以及具有阴极端区域的二极管。

图10b示出连接装置3的第一固有结构的导电膜30。其形成晶体管发射端区域与二极管的阴极端区域之间的导电连接。在该实例中，对于晶体管的门终端区域执行切口。

图10c示出连接装置3的第二固有构造的导电膜34。这形成与晶体管的门终端区域的导电连接。

图10d示出分配至功率半导体部件7的接触装置的接触元件的覆盖区域，其中，由于其方形基本形状，仅一个接触件分配至晶体管，以及由于其矩形基本形状，两个接触元件分配至二极管。各覆盖区域对应连接装置3的第二主要区域340上的这些第一区域部分360，该部分在法线方向与功率半导体部件对准布置，并且在此处伸出至各功率半导体件上。此处清楚地的是，覆盖区域的面积，即引入压力的区域覆盖了功率半导体部件区域的最大可能部分，而不超出所述区域。