功率模块的制作方法

1.本发明涉及一种功率模块。


背景技术：

2.为了控制电能量流，使用功率电子模块，其也被称为功率模块。功率模块除了别的之外包含半导体，利用该半导体适当地影响电流流动并且因此影响能量流。电流和电压通常在1至2000安培和40至1500v的范围内变化。
3.功率模块通常位于具有输入端和输出端的电气设备中，电能通过该输入端和输出端进入和离开。同样在该设备中通常存在控制单元，该控制单元接管对功率模块的半导体的控制和特定于设备的其它控制和保护功能。这种电气设备的示例是电子电动机控制设备，其使用晶闸管作为半导体，或者是用于控制电动机的变流器，在该变流器中典型地使用igbt(＝insulated-gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)和晶闸管作为半导体。电能量流所通过的电气元件、半导体和连接的整体被称为主电路。
4.功率模块的半导体在对电流进行控制时由于在此在半导体中产生的电损耗而变热，并且例如当电流值变得过高或设备的冷却受损时，能够达到限制其功能或甚至破坏其功能的温度值。因此，为了保护半导体，在功率模块中引入温度敏感的组件，利用该温度敏感的组件可以近似地采集半导体的温度。温度敏感的组件在下文中也被称为温度传感器。
5.由温度传感器测量的温度或者与温度相对应的电参量通常被传递给控制单元，在超过预先给定的温度界限值时该控制单元将合适的控制信号发送给半导体元件以保护半导体元件。
6.因为控制单元一般情况下与主电路电绝缘地构造，所以与控制单元连接的温度传感器也与半导体电绝缘地布置在功率模块中。该电绝缘通过温度传感器与半导体的空间距离结合电绝缘的灌封料来实现。
7.在此，在遵守电绝缘的要求的情况下，出于以下原因寻求温度传感器在空间上尽可能靠近半导体地进行布置。一方面，温度传感器与半导体之间的空间距离越小，半导体的温度测量越精确。另一方面，朝向高功率密度以及由此朝向小结构体积的总体趋势要求半导体元件和温度传感器在功率模块内尽可能紧凑地布置。
8.由于故障情况或外部干扰，例如在设备的输出侧上的短路，在半导体中可能出现非常高的电流流动，其远高于半导体或功率模块的其它电流流过的部分的允许值。该非常高的电流值通常导致功率模块内的导电部分的蒸发。
9.在此产生的等离子体在功率模块内爆炸式地传播并且在功率模块内导致强烈破坏。由于等离子体的传播，在极端情况下可能导致主电路的部分与温度传感器以及由此与控制单元之间的短的或持久的、有故障的电连接。然后主电路的高电压转移到控制单元。因为控制单元通常处于与操作平面相同的、在正常情况下无危险的低的电压电势上，所以无论如何必须通过相应的措施避免这种电压转移。
10.总之，因此可以说应当保护功率模块的半导体免受过高的温度的影响。为了进行
良好的保护，即为了进行尽可能精确的温度测量，温度传感器必须在空间上尽可能靠近半导体地布置，由此同时满足对紧凑结构的要求。与空间紧凑性相反地存在如下要求：必须将处于操作平面的电压水平的温度传感器与半导体的高的电压水平电分离，并且还必须针对短路的极端情况确保这种分离。
11.用于分离电压水平的一个解决方案是使半导体和温度传感器之间的空间距离足够大，使得在短路的情况下不能发生主电路和控制单元之间的电连接。然而，这使得功率模块更大且更昂贵，因此限制了制造具有更高功率密度的紧凑设备的可能性并且降低了温度测量的精度。英飞凌应用说明an2009-10“内部设计”：“using the ntc inside a power electronic module(使用电源电子模块内部的ntc)”的第2章”(v1.0，2009年11月，2010-01-13版，英飞凌科技股份公司，59568瓦尔斯坦，德国)中的“ntc inside the econodual
tm 3mounted on a separate dcb close to the igbt(安装在靠近igbt的独立dcb上的econodual
tm 3内部的ntc)”的左图示出了一个示例。
12.另外的解决方案是，设置保险元件，该保险元件在短路情况下保护主电路免受损坏。保险元件意味着增加的成本和开销；此外，它们在运行过程中变得很热，这例如在开关柜构造中导致用于冷却的额外开销。
13.另外的解决方案是，弃用集成在功率模块中的温度传感器，并且替代地将该温度传感器实施为具有自身壳体的单独的构件，即实施为外部的温度传感器，使得主电路中的短路对温度传感器没有影响。因此，紧凑的结构仅是有限可能的，温度测量的精度不是最佳的，并且外部温度传感器由于自身的壳体、单独的安装和连接而产生附加的成本。在ep1568978a1(西门子股份公司，2005年8月31日)中描述了这种外部温度传感器。
14.同样使用的解决方案是，温度传感器与控制单元附加地电分离。在这种情况下假设，例如由于短路，温度传感器处于与主电路相同的电势上。在这种情况下，必要的电分离通常在控制单元内例如利用光耦合器进行，该光耦合器通过光学分离路径将温度传感器的温度模拟信号转换到控制单元的电压水平。除了用于连接光耦合器的电气构件的开销之外，还必须保持在电分离的光耦合器的区域中的空间距离，该空间距离在安置有电子构件的印刷电路板上要求更大的空间需求。除了光耦合器及其电子布线的附加成本之外，这还对控制单元的紧凑性产生负面影响并且可能导致设备变大。在上面已经提到的英飞凌应用说明an2009-10“内部设计”的第2章”中的“ntc inside a module without baseplate,mounted close to the silicon(在没有基板的模块内的ntc，安装在靠近硅的地方)”的右图中示出了靠近半导体布置的温度传感器。在这种情况下，如刚刚描述的，可能需要将温度传感器与控制单元电分离。上面提到的英飞凌应用说明an2009-10第2.1节“isolation considerations(绝缘考虑)”中提到了关于绝缘的相应考虑。


技术实现要素：

15.因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种功率模块，其中温度传感器热紧密地耦合到一个或多个半导体上，并且仍然与半导体的高的电压水平电分离，即使在故障情况下也是如此。
16.根据本发明，上述技术问题通过根据本发明的功率模块来解决。根据本发明的功率模块的有利的设计方案也是本发明的内容。
17.功率模块具有壳体。壳体具有承载板、壳体壁和壳体盖。在此，承载板作为壳体的底板起作用。壳体具有内部空间，该内部空间由承载板、壳体壁和壳体盖包围。功率模块具有半导体元件，该半导体元件在壳体的内部布置在承载板上。功率模块具有温度传感器单元，该温度传感器单元在壳体的内部布置在承载板上。在此，温度传感器单元具有温度传感器。功率模块还具有分隔壁，该分隔壁在壳体的内部将温度传感器单元与半导体元件分离并且将其封闭在腔室中。这些分隔壁围绕温度传感器单元形成腔室，该腔室在很大程度上将与控制单元的电压水平连接的温度传感器单元与属于主电路的电压水平的功率模块的其余区域隔绝。
18.本发明基于以下构思：通过简单的结构措施，即借助在功率模块的现有壳体内部的附加的分隔壁，温度传感器单元的温度传感器保持热紧密地耦合到一个或多个半导体元件上，并且温度传感器单元仍然与半导体元件的高的电压水平电分离，即使在故障情况下也是如此。因此，温度传感器可以在空间上靠近半导体进行布置，由此同时满足对紧凑结构的要求。同时，位于操作平面的电势上的温度传感器单元通过分隔壁与半导体的高的电压水平电分离，其中，对于短路的极端情况也保证这种分离。在此，选择分隔壁的壁厚，使得保证分隔壁的充分的屏蔽作用或机械负荷能力。在此，壁厚与功率模块的性能或电流强度以及与短路要求和破坏性影响相匹配。
19.本发明可以在没有大的开销的情况下实现：开销基本上限于功率模块的壳体中的结构措施，该结构措施在新开发中不产生或仅产生最小的附加成本。功率模块以及由此的在其中安装功率模块的设备的紧凑性得以保持，因为所提出的解决方案能够实现主电路的半导体与温度传感器单元之间的小的距离，并且因此不需要值得提及的附加的空间需求。由于半导体和温度传感器之间的距离很小，温度测量的精度很高。在设备固件中不需要附加的与时间和成本相关的措施来改善精度。
20.根据本发明的优选的实施方式，分隔壁与壳体盖连接并且与壳体盖一起形成构件。这具有如下优点，即在将壳体盖放置到壳体壁上时，分隔壁定位在壳体的内部。
21.根据本发明的优选的实施方式，分隔壁被构造为单独的构件，该单独的构件在壳体的内部布置在承载板上。在此，在安装壳体盖之前，将腔室状的构件放置在温度传感器上方。因为功率模块的外部尺寸不通过分隔壁改变，而是保持不变，所以也考虑将单独的、实施为腔室的构件用于已经存在的功率模块并且这是相对简单的改装可能，因为不必在壳体盖上进行改变；因此，可以以相对简单的方式改善已经使用的功率模块在短路情况下的表现。
22.根据本发明的优选的实施方式，分隔壁的壁厚在其指向承载板的下边缘处减小。这具有如下优点，即延伸到或几乎延伸到承载板的分隔壁仅将减小的壁厚的区域中的灌封料的厚度如此程度地减小，使得仍能够以足够的厚度形成电绝缘的灌封料，利用该电绝缘的灌封料包封功率模块的电构件以免受环境影响并且以进行电绝缘。
23.分隔壁在其指向承载板的下边缘处的减小的壁厚也可以具有以下优点：由于分隔壁在承载板上的与此相关的相对小的支承面，例如通过放上壳体盖从上方对分隔壁的压力导致相对高的表面压力并且因此导致分隔壁的指向承载板的下边缘无间隙地紧贴到承载板上。因此，避免了在分隔壁的下边缘与承载板之间的空气夹杂，该空气夹杂可能导致分隔壁的绝缘效果变差。
24.根据本发明的优选的实施方式，分隔壁以其指向承载板的下边缘直至够得到承载板，或者仅在分隔壁与承载板之间形成狭窄的贯通间隙。这具有如下优点，即由分隔壁形成的腔室如此稳定，使得其不会由于功率模块中的短路的影响而被破坏。在此，选择贯通间隙的间隙高度，使得填充到壳体内部的电绝缘的灌封料仍可以流过贯通间隙，但同时不显著地削弱分隔壁的屏蔽作用和机械负荷能力。
25.贯通间隙与减小的壁厚相互关联，并且在同时要求电绝缘和机械强度的情况下，由于功率模块中用于安置温度传感器的空间可能非常小而形成这种关联。如果在其上安装了半导体元件的导体面与在其上安装了温度传感器单元的导体线路之间的距离仅略大于分隔壁厚度的情况下，将分隔壁以全厚度向下拉至承载板，那么虽然这对于腔室的机械强度是有利的，但是在导体面与分隔壁之间仅保留相对窄的间隙，灌封必须流入该间隙中，以便能够满足其作为电绝缘体的功能。这同样适用于分隔壁的另一侧，该另一侧相对于腔室示出：在此，在分隔壁与导体线路之间也仅留有相对窄的间隙，温度传感器单元安装在该导体线路上。在此，通过分隔壁形成的两个间隙可以如此窄，使得从制造技术的角度来看不能确保灌封料在这些间隙中足够厚并且因此形成足够的电绝缘。
26.附加地，分隔板的下缘与承载板之间的剩余的贯通间隙可以非常狭窄，以至于没有灌封料可以流入贯通间隙，因此空气将会留在那里。但是，空气与灌封料相比具有明显更差的绝缘特性。因此，必须考虑到，非常窄的间隙和空气夹杂物的组合不具有足够的绝缘强度。出于该原因，有利的是，在接触区域中朝向承载板地减小分隔壁厚度。剩余的角落区域由此变得明显更宽，并且灌封料可以可靠地在分隔壁的两侧上以足够的厚度形成以用于绝缘作用。
27.然而，为了避免在分隔壁的下边缘和承载板之间的空气夹杂物的危险(这可能导致绝缘失效)，必须确保灌封料能够在分隔壁的下边缘与承载板之间流入，这需要使贯通间隙h同样足够大。因此，分隔壁的减小的厚度d与贯通间隙的所需的间隙高度h相关联：分隔壁的减小的厚度d选择得越大，贯通间隙的间隙高度h也必须选择得越大。
28.根据本发明的优选的实施方式，壳体壁具有至少一个侧壁和/或纵向壁，该侧壁和/或纵向壁与其余的壳体壁相比具有更小的壁厚，使得侧壁和/或纵向壁在壳体内部的压力升高的情况下能够充当指定断裂位置。以这种方式，与其余功率模块的稳定性相比，温度传感器的腔室的稳定性增加。在半导体的区域中发生短路的情况下，爆炸式地产生的气体在第一时间向四面八方扩散。该压力波然后在最小机械阻力的方向上传播，使得在形成温度传感器单元的腔室的分隔壁受到攻击之前，至少一个变薄的侧壁和/或至少一个变薄的纵向壁首先屈服于压力并且破裂。通过完全或部分地保持温度传感器单元的腔室的机械完整性，可以避免从主电路侧到控制单元的电压转移。
29.根据本发明的优选实施方式，功率模块具有两个或更多个半导体元件，在该两个或更多个半导体元件之间布置温度传感器单元。这具有如下优点，即由于半导体与温度传感器之间的距离小，温度测量的精度相对较高。
30.根据本发明的优选实施例，温度传感器单元具有用于供应温度传感器的电导线。在此有利的是，位于操作平面的电势上的构件共同地布置在腔室中并且与主电路的电势分开。
31.根据本发明的优选的实施方式，温度传感器单元具有位于承载板上的导体线路，
该导体线路形成到温度传感器的馈电线。在此有利的是，位于操作平面的电势上的构件共同地布置在腔室中并且与主电路的电势分开。
32.根据本发明的优选的实施方式，分隔壁具有至少一个开口，该开口在腔室和壳体的其余的内部空间之间形成连接通道，电绝缘的灌封料可以通过该连接通道流入到腔室中。这具有如下优点，即温度传感器可以通过电绝缘的灌封料免受环境影响并且为了电绝缘而被包封。
33.根据本发明的优选的实施方式，分隔壁中的至少一个分隔壁被构造为两层的或多层的。这具有如下优点，即与相同厚度的单层壁相比，多层壁的机械稳定性可以提高。
附图说明
34.通过下面对附图的描述更清楚且明晰地理解上面描述的本发明的特点、特征和优点以及其实现方式。在此，在示意性的且不按比例的图示中：
35.图1示出了功率模块的承载板的斜视图；
36.图2示出了图1的功率模块的纵截面ii-ii；
37.图3示出了图1的功率模块的横截面iii-iii；
38.图4示出了图1的功率模块的水平截面iv-iv的斜视图；
39.图5示出了图1的功率模块的水平截面iv-iv的俯视图；
40.图6至图9示出了根据四种不同设计方案的分隔壁的截面；
41.图10和图11示出了多壳的分隔壁的两个实施；和
42.图12至图14示出了具有单独的腔室构件的功率模块的另外的设计方案。
具体实施方式
43.图1示出功率模块的承载板1，在该承载板上布置有两个半导体元件2和温度传感器3。同样示出了被构造为柱形连接销的电导线4、5，该电导线接触承载板1的位于承载板1上的导体线路6、7。优选地被构造为铜轨的导体线路6、7形成至两个半导体元件2和温度传感器3的馈电线。在此，半导体元件2布置在导体面18上，该导体面位于承载板1上并且被构造为铜面。
44.在承载板1上存在两个区域，这两个区域属于不同的电压水平。一方面，两个半导体元件2、接触它们的导体线路7和接触这些导体线路7的电导线5(连接销)是主电路的电压水平的一部分，另一方面，温度传感器3连同其导体线路6和所属的电导线4(连接销)属于控制单元的电压水平，在该电压水平中存在比在主电路中明显更低的电压。
45.温度传感器3位于两个半导体元件2之间并且与这两个半导体元件仅具有小的距离。通过将温度传感器3放置在两个半导体元件2之间，在承载板1上的空间需求不会增大，使得功率模块能够非常紧凑。此外，温度传感器和两个半导体元件之间的小的距离对于温度测量的精度是有利的。
46.在两个半导体元件2和温度传感器3之间的空间上的接近需要采取措施，以便在主电路中短路的情况下，该情况可能导致爆炸式的蒸发过程并且因此导致半导体元件2的区域中的破坏，至少以如下程度保护温度传感器3免受短路影响，即防止从主电路的电压水平到温度传感器3的电压水平并且因此到控制单元的电压水平的短暂或甚至持续的电压转
移。
47.图2至图5说明了，为了解决技术问题，温度传感器3如何根据本发明通过结构措施在空间上与主电路的区域分开。为此，在功率模块9的壳体100的壳体盖8上安装有壁，该壁在壳体100的内部作为分隔壁10起作用，该壁通过形成壳体底部的承载板1、壳体盖8和在承载板1和壳体盖8之间延伸的壳体壁11构成。通过这些分隔壁10，围绕温度传感器单元3、4、6建立腔室15，该温度传感器单元3、4、6由温度传感器3、与其接触的导体线路6和相关联的电导线4构成，该腔室在很大程度上将温度传感器单元(其与控制单元的电压水平连接)与功率模块9的其余区域(其属于主电路的电压水平)隔绝。分隔壁10如此深地实施，使得在将壳体盖8放置到壳体壁11上时，分隔壁直至够得到承载板1，如在图6和图8中示出的那样，或者如在图7和图9中示出的那样，至少仅留下距离承载板1间隙高度h的贯通间隙24。在此，选择间隙高度h，使得灌封料仍可流过贯通间隙24，但同时分隔壁10的屏蔽作用和机械负荷能力不明显减弱。典型的间隙高度可以在0.1至3mm的范围内；这些值仅应被示例性地理解，但绝不应理解为是限制性的；贯通间隙24也可以具有任何其它的间隙高度h，其被证明适合于相应的应用情况。
48.壳体盖8具有用于填充灌封料的填充开口12以及通孔22，该通孔竖直地延伸穿过布置在功率模块9中心的柱23。通孔22用于能够穿过螺钉的目的，由此能够将功率模块9压紧到冷却体上。
49.如图6至图9所示，分隔壁10具有足够厚的壁厚d以用于其作为防爆的功能，并且连接到现有的壳体壁11和壳体盖8上，使得在温度传感器单元3、4、6周围形成稳定的腔室15。典型的壁厚可以在0.5至5mm的范围内；这些值仅应被示例性地理解，但绝不应理解为是限制性的；分隔壁10也可以具有任何其它的壁厚d，该壁厚被证明适合于相应的应用情况。腔室15的稳定性足够大，使得腔室不被短路效应破坏或仅以如下程度被破坏，即能够防止从主电路的电压水平到温度传感器单元3、4、6的电压水平的电压转移。
50.为了防止环境影响并且为了电绝缘，功率模块的电构件用电绝缘的灌封料包封。这通过在图2中示出的壳体盖8中的两个填充开口12中的一个来填充，直至达到预定的填充高度16，该填充高度确保了功率模块9内部的所有的导电部件被包封，从而实现电绝缘和免受环境影响的保护。
51.为了使灌封料也能够进入温度传感器单元的腔室中，在图3和图5中示出的连接通道13被引入到分隔壁10中。出于成本原因并且出于技术原因，灌封料没有填充直至壳体盖8的下边缘。在完全填充的情况下，在温度变化的情况下由于灌封料的热膨胀，压力可能作用到壳体盖8和承载板1上，该压力导致壳体盖8从承载板1上抬起并且因此可能损害功率模块9的电绝缘特性。
52.为了防止在短路情况下，能够通过腔室15的连接通道13进入的导电气体到达温度传感器3的电导线4，并且因此引起从主电流侧到控制单元的电压水平的电压转移，电导线4利用附加的壁14分开，该附加的壁将腔室15分离成布置有温度传感器3的主腔室15a和布置有电导线4的半敞开的子腔室15b。如图3中所示，附加的壁14仅如此深地实施，使得附加壁14的下边缘14a与承载板1之间的剩余开口足够大，使得灌封料也可以流入子腔室15b中并且因此覆盖承载板1在腔室15内的所有区域。以这种方式，在子腔室15b中，导体线路6也完全地被包封并且电导线4部分地被包封并且因此被电绝缘。为了使灌封料也能够在子腔室
15b中升高至预设的填充高度16(其在图3中以虚线示出)，在壳体盖8中引入排气开口17。
53.作为用于避免从主电路的电压水平到控制单元的电压水平的电压转移的另外的措施，例如壳体壁11的侧壁20和壳体壁11的纵向壁21可以在特定的区域中变薄地实施，如在图4和图5中示出的那样。以这种方式，与其余功率模块9的稳定性相比，温度传感器单元3、4、6的腔室15的稳定性增加。在半导体元件2的区域中发生短路时，爆炸式地产生的气体在第一时间向所有侧面扩散。然后，该压力波沿最小机械阻力的方向传播，使得在温度传感器单元3、4、6的分隔壁10受到攻击之前，变薄的侧壁20和变薄的纵向壁21首先屈服于压力并且破裂。通过完全或部分地保持温度传感器单元3、4、6的腔室15的机械完整性，可以避免从主电路到控制单元的电压转移。
54.图6至图9示出了根据四个不同设计方案的分隔壁的截面。由于功率模块9的空间紧凑性，在其上安装有半导体元件2的导体面18与温度传感器单元3、4、6的导体线路6之间的距离a可以相对较小，如在图2中可看出的那样。半导体元件2的导体面18(其属于主电路的电压水平)与温度传感器单元3、4、6的导体线路6(其属于控制单元的电压水平)之间的电绝缘通过灌封料实现，该灌封料覆盖导体线路6和导体面18。为了使灌封料能够满足其电绝缘功能，灌封料的层厚度必须具有最小厚度。灌封料的典型的层厚度可以在0.5至5mm的范围内；该值仅应被示例性地理解，但绝不应理解为是限制性的；灌封料也可以具有任何其它的层厚度，该层厚度被证明适合于相应的应用情况。为了使延伸到或几乎延伸到承载板1的分隔壁10不会以不允许的方式减少在导体线路6和导体面18的垂直边缘区域中的灌封料的厚度，如图6和图7所示，分隔壁10可以在其下边缘19处减薄到厚度d，使得在承载板1和分隔壁10的由导体线路6或导体面18限定的角落区域中仍然可以以足够的厚度形成灌封料。在此，图6示出一种实施，其中，变薄的边缘19贴靠在承载板1上；而图7示出一种实施，其中，在变薄的边缘19和承载板1之间构造有具有间隙高度h的贯通间隙24，灌封料可以流入该贯通间隙中。
55.典型的减小的壁厚d可以在0.2至3mm的范围内；这些值仅应被示例性地理解，但绝不应理解为是限制性的；分隔壁10也可以具有任何其它减小的壁厚d，其被证明适合于相应的应用情况。
56.如果在其上安装有半导体元件2的导体面18与温度传感器单元3、4、6的导体线路6之间的距离a足够大，则不需要减小分隔壁10在其下边缘19处的壁厚；替代地，分隔壁10可以在其整个高度上具有统一的厚度d，如图8和图9所示。在此，图8示出一种实施，其中，分隔壁10的边缘19贴靠在承载板1上；而图7示出一种实施，其中，在变薄的边缘19和承载板1之间构造有具有间隙高度h的贯通间隙24，灌封料可以流入该贯通间隙中。
57.图10和图11示出了多壳的分隔壁的两个实施。
58.图10示出了分隔壁10的三壳结构，该分隔壁10由布置在分隔壁10的背离腔室15的一侧上的第一外壳10a、布置在分隔壁10的面向腔室15的一侧上的第二外壳10c和构造为空气层的中间壳10b组成。
59.图11示出了分隔壁10的五壳结构，其具有布置在分隔壁10的背离腔室15的一侧上的第一外壳10a、布置在分隔壁10的面向腔室15的一侧上的第二外壳10e和布置在两个外壳10a和10e之间的中间壳10c。在外壳10a、10e和中间壳10c之间分别布置有连接层10b或10d，其例如可以被设计为粘合剂层。
60.图12至图14示出了另外的实施例，其中使用自身的机械构件30，该机械构件构成为腔室15。在安装壳体盖8(参见图14)之前，该腔室状的构件30被放置到温度传感器单元3、4、6上，参见图12和图13。之前描述的特征，例如用于灌封料的填充开口12、用于温度传感器单元3、4和6的被构造为连接销的电导线4的子腔室15b的附加的分隔壁14以及分隔壁10在其边缘处到承载板1的渐缩也可以应用在该单独的腔室构件中。已经存在的功率模块也可以利用单独的腔室构件30进行改装，因为不必在壳体盖8上进行改变。