本发明涉及功率半导体模块。本发明尤其是涉及一种具有至少部分地封装的电路的功率半导体模块，所述电路具有至少一个电容器。本发明此外涉及一种用于可电驱动运输工具的传动系的控制设备、用于可电驱动运输工具的传动系以及可电驱动运输工具。
背景技术：
1、对用于可电驱动运输工具的控制设备进行构造在很大程度上是已知的。迄今为止，例如在用于具有48v逆变器的应用的汽车领域中的印刷电路板或控制设备被实施有基板和壳体。更高集成的应用使用所谓的“嵌入”技术。在嵌入技术的情况下使用专门为这种类型的构建技术制造的裸片mosfet(bare die mosfet)。还存在以下应用，所述应用使用具有所封装的构件的“绝缘金属衬底(isolated metal substrat)”作为电路载体。附加耗费(这涉及衬底尺寸)是所需要的电容、尤其是电解电容器的布置。
2、de 42 44 721 a1描述一种电机，所述电机的绕组连接到尤其是功率晶体管形式的可控半导体阀。绕组与流体冷却装置处于热交换接触，在其与绕组联合成结构单元的冷却流体通道中，冷却装置产生冷却流体、尤其是冷却液体的强制流。半导体阀同样是结构单元的组成部分并且与冷却流体通道中的冷却流体同样地处于热交换接触。
3、然而，这种解决方案仍可以尤其是在成本低的且简单的制造方面和/或在同时良好冷却的情况下空间限制的可能减少方面进一步被改善。
技术实现思路
1、本发明的任务是提供一种解决方案，借助于所述解决方案，功率半导体模块能够在可制造性方面和/或在具有良好冷却和相应地良好性能数据的结构方面被改善。
2、通过具有权利要求1的特征的功率半导体模块解决本发明。此外通过具有权利要求14的特征的传动系、通过具有权利要求15的特征的控制设备以及通过具有权利要求16的特征的可电驱动运输工具来解决该任务。本发明的优选设计方案在从属权利要求中、在说明书或附图中予以描述，其中如果从上下文中不明确地得出相反情况，则在从属权利要求中或在说明书或附图中描述的或示出的其他特征可以单独地或以任意组合的方式表示本发明的主题。
3、本发明的主题是一种功率半导体模块，所述功率半导体模块具有衬底，在所述衬底上布置有电路，其中电路具有至少一个功率半导体器件，其中功率半导体模块包括具有用于外部接触功率半导体模块的dc+汇流排和dc-汇流排的引线框架，其中电路此外具有至少一个电容器，并且其中功率半导体模块至少部分地由封装材料封装，其中至少一个电容器紧固在汇流排上并且在热传导的意义上与穿过衬底伸展的散热装置热接触。
4、这种功率半导体模块相对于来自现有技术的解决方案可以尤其是在可制造性方面和/或在具有良好冷却和相应地良好性能数据的结构方面具有明显的优点。
5、描述一种功率半导体模块。功率半导体模块尤其是可以被理解为根据本身对于本领域技术人员已知的定义具有至少一个半导体器件的这样的功率半导体模块，所述半导体器件被设计用于控制和/或切换高电流和电压。在此，高电流和电压尤其是可以被理解为具有超过1安培的电流和超过大约24伏特的电压。尤其是，在这里描述的功率半导体模块可以用于控制电动机，如这稍后更详细地描述的。
6、功率半导体模块具有衬底，在所述衬底上布置有电路。为此，衬底尤其是具有电绝缘基础结构，电路定位在所述绝缘基础结构上并且相应地接线。例如，衬底是例如由fr4构成的本身已知的印刷电路板。以本身已知的方式，fr4是一类包括环氧树脂和玻璃纤维织物的难以引燃的且阻燃的复合材料。衬底可以例如具有电印制导线和/或必要时配备有金属化部。
7、在考虑期望的应用的情况下，电路的特定定位和接线可以以对于本领域技术人员容易地已知的方式来实现。
8、电路具有至少一个功率半导体器件，优选地具有多个功率半导体器件，所述功率半导体器件又根据期望的应用来选择。例如，可以构造逆变器，由此所述一个或多个器件可以例如包括功率晶体管，诸如来自包括双极晶体管、mosfet和/或igbt的组。至少一个功率半导体器件优选地包括mosfet。
9、功率半导体模块包括具有用于外部接触功率半导体模块的dc+汇流排和dc-汇流排的引线框架。这种汇流排也可以被称为引线框或母线，并且除了用于与电压源或电池接触的dc+母线和dc-母线之外，还具有用于连接到三相电动机的其他母线或其他汇流排。例如，汇流排可以被设计为所谓的压配合连接。
10、此外，电路具有至少一个电容器、尤其是多个电容器。例如，所述电容器可以被构造为电解电容器。此外，可以存在其他有源或无源构件，诸如电阻，而未分别指出。
11、在这里描述的功率半导体模块的情况下，关于至少一个电容器的定位此外规定，所述一个电容器或多个电容器紧固在汇流排上并且在热传导的意义上与穿过衬底伸展的散热装置热接触。
12、尤其是这种设计方案允许节省空间的布置以及在此允许高效的冷却概念。
13、因此，至少一个电容器不仅紧固在dc+汇流排上而且紧固在dc-汇流排上。由此不需要在衬底上或在印刷电路板上为电容器保留(freihalten)其他空间需求。从而，尤其是与其中电容器以常见的方式在汇流排旁布置在衬底上的设计方案相比，从而可以遵守小的空间需要并且可以节省安装空间。
14、为了尽管如此仍能够实现高效的冷却，电容器以在热传导的意义上与穿过衬底伸展的散热装置热接触的方式被定位。在此，在本发明的意义上，散热装置可以尤其是被理解为具有比衬底的材料更高的导热性的区域。从而通过散热装置可以以高效的方式冷却电容或电容器。
15、由此实现，在衬底的上侧不需要保留用于直接在电容器处进行冷却的空间。与此相反，可以使得能够在运行时出现的热量通过衬底被消散到下侧。由于在衬底的下侧大多不存在有源构件，因此可以在这里毫无问题地设置冷却。如果模块至少部分地由封装材料封装，则这此外可以是有利的，因为在下侧冷却时不需要对此进行考虑，如这在下面更详细地描述的。
16、因此，通过这种设计方案可以在同时减少的空间需要的情况下实现有效的冷却。此外，从而可以以特别简单的方式有可能不仅对于电容器而且对于现有的功率半导体器件使用对应的冷却，如这在下面更详细地描述的。
17、这例如是可能的，其方式是例如在衬底下方设置冷却元件，所述冷却元件例如借助于其他元件、诸如散热装置或具有导热材料的其他孔将电容器和功率半导体器件热连接。
18、因此，在性能数据方面，电路可以被设计为使得所述电路在运行条件下产生更大量的热量。尽管如此通过本发明的非常有效的排热概念仍然可以良好地消散所述热量。
19、尤其是，改善的冷却此外可以积极地对使用寿命产生影响，使得可以改善总使用寿命。此外，可以降低易受干扰性，这可以允许获得可靠性。
20、在这里描述的功率半导体模块的情况下此外规定，功率半导体模块至少部分地由封装材料封装。
21、例如，封装材料可以是浇注材料或直接施加到电路的至少一部分上并且可以例如在那里硬化的另一种材料，或者也可以是陶瓷材料。然而，封装材料优选地是聚合物。本发明意义上的封装在此尤其是应该意味着封装材料至少与电路的一部分直接接触。
22、例如，封装材料可以与功率半导体器件直接接触或者也可以与用于对器件进行接线的接合线直接接触。
23、封装材料用于保护电路免受外部影响、诸如尤其是湿气、灰尘或机械影响，以便从而在如例如存在于自动变速器中的恶劣环境中存在。由此例如可以允许变速器油接触并且可以提供防腐蚀的保护。
24、尤其是，通过设置封装材料，可以不需要使用围绕电路的附加壳体，使得功率半导体模块可以被设计为无壳体的。
25、此外，封装材料提供功率半导体模块的机械稳定性，使得可以不需要设置用于模块的稳定性的基板或类似构件，或者可以至少减少这种构件或可以更轻地和/或者用更少的材料构造这种构件。
26、此外可以优选的是，封装材料具有导热填料。填料可以使得能够尤其是相对于纯封装材料改善导热能力，这又可以导致改善的散热并且因此导致改善的电路冷却。在本发明的意义上，导热填料尤其是应该被理解为具有比纯封装材料更好的导热性的这样的填料。填料的特定选择可以在期望的应用和期望的热和机械特性以及可能成本预设的背景下来选择。
27、关于封装材料，可以优选的是，所述封装材料是热固性材料。热固性材料提供作为封装材料可获得的特性和可处理性的特别有利的组合的优点。在可处理性方面有利的是，在热固性塑料达到其热固性状态之前，所述热固性塑料大多可以被用作浇注材料。由此，所述热固性塑料良好地适用于至少部分地封装电路。此外，从而变得可能的是，引入高度可定义和可再生的冷却结构不仅作为内部结构而且作为外部结构。这例如通过以下方式进行，即例如对于内部结构浇注诸如所谓的热管之类的占位件(platzhalter)，所述占位件产生冷却结构的形状。外部结构可以例如通过成形工具被产生或者同样可以通过对应的占位件来产生。
28、关于可实现的特性，热固性塑料具有高稳定性和硬度以及大多非常好的耐介质性的优点，使得可以将对电路进行高度保护与毫无问题地使用用于引导冷却剂相组合。
29、尽管放弃行业常见的壳体解决方案，但是从而得出相对于热、机械和化学干扰影响的改善的稳健性。随之出现地在整个使用寿命上实现结构和连接技术的改善的稳健性。
30、通过封装材料，如所述的功率半导体模块允许在遵守关于热管理的给定的要求和限制的情况下降低成本。可以避免电子组件部分的高构件耗费以及强烈的空间限制，因为电子组件部分可以以气密的方式并且在考虑例如对构件焊接点的有针对性的保护的情况下被保护。
31、可以至少部分地不需要从现有技术中已知的和在那里必要的构件，诸如用于机械稳定的铝基板、热界面材料、壳体等。如已经提及的，从中得出总成本和重量的降低以及制造的简化。后者尤其是在移动应用的情况下可以是大为有利的，诸如当在电驱动运输工具中使用功率半导体模块例如作为控制设备或作为运输工具的传动系的其一部分时。
32、优选地，散热装置可以在热传导的意义上与至少一个功率半导体器件、优选地与所有功率半导体器件热接触。在该设计方案中，尤其是可以实现在高效构件集成方面的优点。因为功率半导体器件经常需要有效的冷却，以便允许高性能数据和模块的良好的长期稳定性。如果为此存在的构件也被使用来冷却所述一个或多个电容器，则从而可以减少构件数量并且可以将重量和空间需求保持得低。
33、与此有关地，可以优选的是，散热装置或在热传导的意义上与之连接的部分从至少一个功率半导体器件的下侧冷却所述至少一个功率半导体器件。功率半导体器件的下侧在此尤其是应该是指向衬底、诸如印刷电路板的侧。从下侧冷却的优点尤其是可以表明在于：在衬底下方大多不存在有源构件。因此，在模块的该区域中的设计方案可以完全与此协调：冷却可以如何特别有效地工作。从而不需要实施考虑可能存在的其他构件。由此，可以将有效的冷却与非常低的空间需要相组合。这种冷却通过衬底本身或例如通过衬底中的填充有良好导热材料的孔可以是可能的。因此可以根据所描述的散热装置来设计孔。
34、此外可以优选的是，散热装置具有穿过衬底的多个孔，所述孔填充有散热材料。在该设计方案中，衬底可以在电容器的区域中具有所谓的“导热孔(thermovias)”。这种装置能够特别有效地消散热量并且在此在生产技术上可以容易地实施。
35、关于散热材料，所述散热材料可以优选地选自由金属和塑料、尤其是环氧树脂组成的组。诸如铜之类的金属可以本身已经具有良好的导热性。这也可以适用于环氧树脂，其中可以通过本领域技术人员已知的对应的填料进一步改善导热性。这种填料的示例例如包括金属颗粒、陶瓷颗粒或具有比对应的基质材料更好的导热性的其他物质。
36、此外优选地，至少一个功率半导体器件、优选地所有功率半导体器件可以通过用于冷却流体的冷却通道被冷却，所述冷却通道关于衬底与至少一个功率半导体器件相对地定位。因此，在该设计方案中冷却通道可以非常有效地作用于功率半导体器件，使得热管理总体地非常有效，并且可以实现非常高的性能数据。在此，与至少一个功率半导体器件相对地定位应该尤其是意味着冷却通道在冷却元件处存在于这种位置处：即在所述位置处至少一个功率半导体器件相对地在冷却元件处定位，即冷却通道和功率半导体器件尤其是布置在相对于冷却元件成直角地伸展的平面中。因此，冷却通道可以从功率半导体器件的下侧对所述功率半导体器件进行冷却。
37、例如，该冷却通道或冷却通道同样可以与散热装置相邻地或相对地存在和/或与汇流排相对地存在，并且因此冷却电容器。由此可以进一步改善热管理。
38、特别优选地，冷却通道可以存在于衬底和封装材料之间并且朝向衬底敞开。在该设计方案中，冷却通道因此可以由封装材料直接构造，或者在施加封装材料之前，可以将直接围绕冷却通道的定界(begrenzung)(也称为插入件)放置在衬底处，所述定界随后由封装材料封装。在该设计方案中，用于冷却通道的空间需求被保持得特别低。此外，冷却通道可以以简单的方式根据特定的要求被定制(maβgeschneidert)，这同样使冷却效果变得非常积极。此外，冷却流体、诸如水或油可以直接沿着衬底通过冷却通道的开口流向冷却元件，这使排热变得特别有效。
39、特别优选地，用于在冷却流体中产生湍流的结构可以设置在冷却通道的定界处。在该设计方案中，可以再次实现特别有效的冷却效果，因为流过冷却通道的冷却流体湍急地尤其是沿着衬底流动。
40、在此，这种结构的产生可以是非常简单地可实施的。例如，冷却结构可以被冲压到衬底、例如印刷电路板或者冷却通道的另一定界、例如插入部件或冷却元件中。这在简单的可制造性的情况下允许所构造的结构中的高度自由度。
41、为了能够实现功率半导体模块的特别有效的冷却，此外可以优选的是，封装材料具有外部冷却结构，即指向模块的外部环境中的这种冷却结构。由此允许封装材料不仅用于提供机械稳定性并且保护电路免受外部影响，而且此外是组件的排热概念的一部分。由此，可以特别有效地并且在不需要耗费的其他构件的情况下进行排热或消散来自电路的热量。由此可以进一步改善功率半导体模块的性能数据和可制造性。
42、外部冷却结构可以优选地包括散热片。在该设计方案中，从而尤其是可以在表面处设置结构，所述结构与平坦的表面相比使表面增大。例如，散热片可以以本身已知的方式通过构造大量并排的肋片(也称为梳形结构)来构造。因此，在该设计方案中，可以产生被动(passive)冷却，通过所述被动冷却可以将热量放出给围绕冷却结构的大气。例如，在特定的应用中，空气可以作为与散热片相邻的冷却大气存在。
43、这种被动冷却的优点尤其是可以是：在无其他有源元件的情况下可以直接通过封装材料的表面结构的设计方案进行冷却或导热，使得可以不需要其他有源构件。
44、特别优选地，冷却结构可以与功率半导体器件相邻地并且与冷却通道相对地存在，使得冷却结构从至少一个功率半导体器件或所有功率半导体器件的上侧冷却所述至少一个功率半导体器件、例如所述所有功率半导体器件。这可以进一步改善冷却的效率，因为功率半导体器件现在可以从其上侧和从其下侧被冷却。由此，可以特别有效地实现上述的和通过有效冷却实现的优点。
45、此外可以优选的是，至少一个电容器与散热装置之间的热接触由导热中间材料构造。导热中间材料(也称为导热界面材料(tim))被应用来填充气隙并且从而改善传热以及从而改善通过电运行形成的热量的耗散。例如，可以使用导热绝缘体和导热膏。根据本发明，尤其是可以使用电绝缘的导热膏。可以有利地实现在≥3w/mk、诸如≤10w/mk、例如≥4w/mk、诸如≤7w/mk直至范围中的热传导系数。例如所谓的对于本领域技术人员在这些术语下已知的液体分配硅树脂导热垫(liquid-dispensed silicone thermal pad)、填缝剂或基于硅树脂的传导片、所谓的导热垫可以用作这种材料的示例。
46、优选地，至少一个电容器可以与汇流排焊接。在该设计方案中，可以以简单并且尽管如此仍非常稳定的方式将电容器与汇流排接触。由此可以改善模块的长期稳定性。
47、关于功率半导体模块的其他优点和技术特征，参考传动系、运输工具、控制设备的描述、附图以及附图的描述，并且反之亦然。
48、此外描述一种用于可电驱动运输工具、诸如尤其是可电驱动机动车辆的传动系，所述传动系具有电压源、功率半导体模块和电动机，其中功率半导体模块如尤其是上面描述的那样来设计。
49、这种传动系对于电驱动或可电驱动运输工具、诸如纯电动运输工具、混合动力运输工具或者例如仅提供回收能量的轻度混合动力运输工具尤其是可以是有利的。
50、电压源、尤其是电池可以是本身已知的电池，诸如尤其是锂离子蓄电池，并且可以例如提供48v的范围内的电压，所述电压施加在功率半导体模块、尤其是逆变器上。
51、相应地，该电路可以构造逆变器。可以特别优选的是，构造这样的逆变器，所述逆变器被构造用于将至少30v、例如48v的输入电压转换成交流电压。
52、在该设计方案中，电路或功率半导体模块可以优选地被使用在电驱动运输工具的传动系中。因此，所描述的发明可以尤其是代替来自现有技术的解决方案，其中先前已经实施了偏离的解决方案，诸如基于壳体的解决方案。因此，本发明的优点尤其是在这种逆变器的情况下可以特别有效起作用。
53、此外，尤其是在逆变器的情况下，热管理是非常重要的，使得改善的用于冷却的解决方案尤其是在逆变器的情况下、例如在电驱动运输工具的传动系中是重要的。
54、逆变器可以将电流例如逆变成交流电压，并且在此对电动机、诸如三相电动机馈电。所述电动机又可以用于驱动运输工具。因此，功率半导体模块可以被称为控制设备或用于电动机的控制设备或者可以与微控制器一起构造所述控制设备。
55、这种结构是本身已知的，但是通过使用根据本发明的功率半导体模块在同时低成本的情况下在减少的安装空间需要和高效的冷却方面提供如上描述的优点。此外，还可以使用控制设备的集成解决方案，并且在此通过在恶劣或艰苦的环境中使用可以是可能的。
56、关于传动系的其他优点和技术特征，参考控制设备、功率半导体模块、运输工具的描述、附图以及附图的描述，并且反之亦然。
57、此外描述一种用于可电驱动运输工具的传动系的控制设备，所述控制设备具有功率半导体模块，其中功率半导体模块如上描述的那样来设计。尤其是，这种控制设备除了功率半导体模块之外还具有用于操控功率半导体模块的微控制器。
58、如上描述的，这种控制设备优选地构造这样的逆变器，该逆变器被构造用于将至少30v、例如48v的输入电压转换成交流电压。尤其是在逆变器的情况下，热管理是非常重要的，使得改善的用于冷却的解决方案尤其是在逆变器的情况下、例如在电驱动运输工具的传动系中是重要的。
59、这种控制设备的优点在同时低成本的情况下在减少的安装空间需要和高效的冷却方面展示。此外，还可以使用控制设备的集成解决方案，并且在此通过在恶劣或艰苦的环境中使用可以是可能的。
60、关于控制设备的其他优点和技术特征，参考功率半导体模块、传动系、运输工具的描述、附图以及附图的描述，并且反之亦然。
61、此外描述一种可电驱动运输工具，其中可电驱动运输工具具有如详细地描述的功率半导体模块和传动系以及控制设备中的至少一个。
62、例如，运输工具可以是完全可电驱动运输工具或混合动力运输工具或轻度混合动力运输工具。示例性地，运输工具可以是机动车辆，诸如载客汽车或载重汽车或公共汽车。尤其是，运输工具可以是能够在恶劣环境下使用的营业用车辆。然而此外，运输工具还可以是任何其他陆上运输工具、船舶、尤其是船只或飞行器、例如飞机或来自宇宙航行领域的运输工具。
63、在此，运输工具尤其是可以具有前述优点，据此运输工具通过功率半导体模块或具有半导体模块的传动系或控制设备的设计方案在同时低成本的情况下具有在热管理和安装空间需要方面的优点。
64、关于运输工具的其他优点和技术特征，参考功率半导体模块、传动系、控制设备的描述、附图以及附图的描述，并且反之亦然。