[发明专利]功率电子模块

说明书

本发明涉及功率电子模块(200)，包括电气连接到电气支撑件(201)的多个半导体功率电子部件(210)，以及与每个部件(210)热接触的冷却装置(202)，每个部件(210)位于电气支撑件(201)和冷却装置(202)之间并通过至少一个导电弹簧元件(220)而被安装在电气支撑件(201)上。

背景技术

本发明涉及一种功率电子模块的生产，该功率电子模块具有高可靠性和易维护性，尤其在航空应用的情境内具有高可靠性和易维护性。

图1图示出了根据现有技术生产的功率电子模块100的结构。功率电子模块100具有基板101，该基板101由陶瓷材料制成并由电绝缘层101a布置在两个金属层101b、101c之间形成。金属层101b、101c可以根据各种技术来与电绝缘层101a组装在一起——例如通过AMB(活性金属钎焊)、通过DBC(直接敷铜)或者甚至通过DBA(直接敷铝)。基板101的上部金属层101b形成功率电路，一个或多个功率半导体部件102被组装在该功率电路上。功率半导体部件102通过互连密封件103而被组装在金属层101b上。互连密封件确保部件102与金属层101b之间的机械、电气和热接触。功率半导体部件102还通过金属接线电缆104而连接到由层101b形成的功率电路。

由于它们的缺陷，功率半导体部件102是因焦耳效应而损失的部位，并且表示重要的热源。因此，基板101的下部金属层101c经由互连密封件105而被转移到金属凸缘106上，后者被用来散布热通量并确保与金属散热器108的热连接。互连密封件105具有确保金属层101c与金属凸缘106之间的机械、电气和热接触的功能。凸缘106本身经由由热界面材料制成的层107而与金属散热器108组装在一起。层107例如是导热油脂、弹性薄膜或相变材料层。层107允许减小凸缘106和散热器108之间的接触热阻，以便确保更好地释放热通量。举例来说，散热器108提供有翅片109，使得可以使其热阻最小化，诸如空气之类的冷却剂穿过翅片109。

然而，上述功率电子模块100具有若干缺点。

首先，基板101的不同层101a、101b、101c以及凸缘106在它们之间具有不同的热膨胀系数，从而使得模块100对热疲劳现象敏感。在功率电子模块100经受的热循环期间，因此可能在基板101的电绝缘层101a中、在电气互连密封件103、105中和/或在金属接线电缆104与层101b之间的连接中出现裂纹。因此，这些裂纹风险影响模块100的可靠性。另外，金属接线电缆104的使用引发寄生电感的存在。

此外，通过互连密封件103转移功率半导体部件102以及通过金属接线电缆104连接功率半导体部件102限制了模块100的维修。功率半导体部件102的更换被证明确实非常约束。这尤其需要移除互连密封件103，对部件102断开布线，然后通过金属接线电缆104重复新部件的连接。在可能采取这些动作的情况下，因此需要多个步骤，这意味着费时和高成本的部件更换，以取得随机成功。因此，上面所描述的功率电子模块100极难维护，并且常见的解决方案包括在部件102发生故障的情况下整体上更换模块100。

此外，鉴于组装的复杂性，用于连接每个部件102的金属接线电缆104的存在限制了附加部件的添加或特定部件的更换。功率电子模块100的架构因此限制了附加部件的添加，并且因此限制了模块100可以应用的功率范围。

现有技术中已知的功率电子模块的另一种结构涉及通常以“压接(Press-Pack)”的名称指定的压制模块。在这种架构中，一个或多个功率半导体部件是直接夹在两个基板层之间的裸芯片的形式。与先前描述的架构相比，第二种架构具有若干优点。实际上，它尤其允许免除接线电缆或钎焊，对热疲劳不是非常敏感，并且允许减小寄生电感。但是，“压接”类型的架构仍然仅限于高功率部件(例如，晶闸管、门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT)。此外，将功率半导体部件以类似三明治的方式安置在两层基板之间的事实可导致观察到对这些部件的不良压阻效应。另外，部件的安装被证明是精密的并且涉及高的制造成本。这种解决方案因此也被证明是有局限的。