本公开涉及一种用于功率模块的布置、功率模块以及生产用于功率模块的布置的方法。
背景技术：
技术实现思路
1、一个目的在于提供一种用于功率模块的改进布置，例如，一种具有可靠且节省空间的电连接和/或用于大电流的电连接的布置。另外的目的在于提供一种具有这种布置的功率模块以及一种生产这种布置的方法。
2、本公开的实施例涉及一种用于功率模块的改进布置，一种改进的功率模块以及一种生产用于功率模块的布置的改进方法。
3、首先，对用于功率模块的布置进行详细说明。
4、根据一个实施例，用于功率模块的布置包括导电的接触区域以及用于电连接到该接触区域的第一连接元件和第二连接元件。第一连接元件在第一接合区域中牢固地接合到接触区域，并且第二连接元件通过激光焊接的方式在第二接合区域中焊接到第一连接元件。
5、通常地，功率模块中用于电连接的空间是有限的。此外，小型功率模块(即，具有小的占用空间)可以更便宜并且可以表现出改良的电磁性能。这主要是由更小的基部尺寸和更低的寄生电感。然而通常地，需要相当大的空间来在例如功率模块的功率半导体器件的顶侧接触部或功率模块的基部的顶部金属化部上准备线接合连接或带状接合连接。在大多数情况下，需要多个并联的线接合连接或带状接合连接以实现相当大的电流承载力。此外，如果将多个电并联端子与基部的相同金属化区域连接以实现足够的电流承载力，则需要大量空间。有限的空间也会限制连接的数量，从而限制电流承载力。
6、本发明尤其基于这样的认识，即通过至少两个连接元件的如下布置可以实现空间消耗的降低：第一连接元件牢固地接合到接触区域(例如基部的顶部金属化部或功率半导体器件的接触区域)，并且第二连接元件正接合到第一连接元件上，而不是与第一连接元件相邻地接合到同一个接触区域。通过这种方式，连接所需的空间消耗最高可以降低50％。此外，通过这种方式，可以增加连接的电流承载力，尤其是在可用空间有限的情况下，因为第一连接元件和第二连接元件都可以用于传输电流。
7、然而，两个连接元件提供的电连接(其中第一连接元件接合到接触区域，而第二连接元件接合到第一连接元件)的质量证明是取决于所使用的接合方法。例如，如果两个连接元件都通过超声波焊接进行焊接，振动会引起强烈的热应力和机械应力。当第二连接元件焊接到第一连接元件时，这种方法可能导致接触区域和第一连接元件之间的接头损坏。此外，超声波焊接过程中通常会产生金属颗粒，并且用于放置接合工具(如超声波发生器)的空间占用量很大。
8、为了规避这些问题，激光焊接被用于将第二连接元件焊接到第一连接元件，特别是焊接到第一连接元件上。激光焊接不会像超声波焊接那样产生振动，因此接触区域和第一连接元件之间的接头因为没有了机械冲击所以不会损坏。
9、导电的接触区域可以包括金属或者由金属制成，例如al或cu或ni或au或ag或其合金。接触区域是一个表面，第一连接元件接合在其上。例如，接触区域是基部的一部分或者功率半导体器件的一部分或用于外部电连接的端子的一部分。
10、第一连接元件和第二连接元件是导电的。两者均可以包括金属或者由金属组成，例如cu或al、au、ag或其合金。每个连接元件均可以配置为承载至少1a或至少10a或至少100a的电流。
11、第一连接元件牢固地接合到接触区域。“牢固地接合”和“材料接合”是同义词。例如，第一连接元件的末端部分或终端部分分别牢固地接合到接触区域。同样地，第二连接元件的末端部分或终端部分可以分别激光焊接到第一连接元件。
12、在此处及下文中，如果一个元件与另一个元件接合，这特别表明这些元件彼此直接接合。彼此接合的两个元件也彼此电连接。
13、第一连接元件通过一个或多个接头牢固地接合到接触区域，该接头在下文中也称为一个或多个第一接头。第一接合区域定义为在第一连接元件和接触区域之间形成一个或多个第一接头所在的区域。在第一连接元件和接触区域之间没有接头形成在第一接合区域之外。例如，在接触区域和第一连接元件之间仅形成一个连续的第一接头。替代地，可以在第一连接元件和接触区域之间形成多个第一接头。
14、同样地，由于激光焊接，第二连接元件通过一个或多个接头牢固地接合到第一连接元件，该接头在下文中也称为一个或多个第二接头。特别地，第二接头由一个激光焊接点或多个重叠的激光焊接点形成，其中点的直径由激光光束直径定义。第二接合区域定义为在第二连接元件和第一连接元件之间形成一个或多个第二接头所在的区域。例如，由于激光焊接，在第二连接元件和第一连接元件之间形成多个第二接头，其中第二接头成对地彼此间隔开。
15、接头在此理解为其上分别实现两个元件之间的牢固接合或材料接合的区域。例如，在焊接的情况下，接头是材料熔化的区域。在两个接头之间，可存在两个元件之间的接触，但没有牢固接合/材料接合。
16、第一接合区域和/或第二接合区域可以分别具有平行于接触区域的延伸，例如至少1mm或至少3mm和/或至多10mm或至多5mm。当只有一个接头限定接合区域时，接头的面积等于接合区域的面积。当接合区域由多个间隔开的接头限定时，每个接头的面积均小于该指定的接合区域的面积。例如，每个接头的面积占接合区域面积的至多25％或至多10％。例如，每个接头的延伸为至多2mm或至多1mm或至多0.5mm。
17、除了第一连接元件和第二连接元件之外，布置还可以包括一个或多个其他连接元件。在这种情况下，通过激光焊接将第三连接元件在相应的接合区域中焊接到第二连接元件。通过激光焊接将可选的第四连接元件在相应的接合区域中焊接到第三连接元件，等等。特别地，多个连接元件中的每两个连接元件通过激光焊接的方式相互焊接到彼此上。本文针对第一连接元件和第二连接元件公开的所有特征也相应地针对其他连接元件公开。例如，每两个连接元件之间的接合区域可以与接触区域重叠和/或在接触区域的平面图中彼此重叠。
18、根据另一实施例，第二连接元件设有一个或多个涂层。例如，第二连接元件在背向第一连接元件的顶侧处包括抗反射涂层。该顶侧例如被配置为在激光焊接期间面向冲击的激光光束。通过该顶侧处的抗反射涂层可以提高激光光束的照射效率。替代地或附加地，第二连接元件在面向第一连接元件的底侧处可以包括涂层，例如由贵金属(例如银或金或镍)制成的涂层。这种涂层可以防止氧化并可以改善激光焊接过程。完整的连接元件可以具有这种涂层。
19、附加地或替代地，第二连接元件可以包括一个或多个涂层。针对第二连接元件的一个或多个涂层公开的所有特征也针对第一连接元件的一个或多个涂层公开。
20、根据另一实施例，第一接合区域和第二接合区域在接触区域的平面图中至少部分地(即部分地或完全地)彼此重叠。第二连接元件可以焊接到第一连接元件的接合脚上。当在接触区域的平面图中看时，第二连接元件和第一连接元件之间的一个或多个第二接头可以至少部分地与第一连接元件和接触区域之间的一个或多个第一接头重叠。替代地，第一连接元件和第二连接元件之间的第二接头可以与接触区域和第一连接元件之间的第一接头呈交错构造，使得在该平面图中没有第一接头与第二接头重叠。在接触区域的平面图中，第一接合区域和第二接合区域或它们对应的接头与接触区域重叠。
21、根据另一实施例，通过超声波焊接将第一连接元件焊接到接触区域。替代地，通过激光焊接将第一连接元件焊接到接触区域。也可以通过任何其他合适的方法(例如胶合)将第一连接元件钎焊(soldering)或烧结或牢固地接合到接触区域。
22、本领域技术人员能够知晓使用哪种接合方法来接合两个元件。例如，超声波焊接在元件和接头和/或超声波发生器的压痕中产生剪切位移。例如，激光焊接产生例如小而明确的接头(焊接点)或形成连续焊接束(划线或区域)的多个重叠点。
23、在超声波焊接的情况下，存在例如一个单一连续接头。在激光焊接的情况下，存在例如多个成对间隔开的接头。
24、根据另一实施例，第二连接元件包括为改进激光焊接而准备的焊接结构。这种焊接结构可以通过第二连接元件中的一个或多个变薄区域、槽、凹槽和/或凹口来实现。在接触区域的平面图中，焊接结构可以分别与第一连接元件和第二连接元件之间的第二接合区域或一个或多个第二接头重叠。替代地或附加地，第二连接元件的与第二接合区域重叠的整个部分可以形成为比第二连接元件的主体更薄。例如，变薄部分的厚度范围可以是主体厚度的0.3倍到0.8倍。
25、这种特定结构可以有益地影响激光焊接过程，并且可以有助于减少所需的加热功率或由激光光束引起的激光照射对第二连接元件和/或第二连接元件下方的结构的能量影响。焊接过程在这种较薄部分上进行，因此，由于要熔化的金属的量更少并且侧向热损耗减少了，可以减少实现激光焊接接头所需的激光能量。
26、在第二连接元件中实施孔或槽可以在孔的边缘或槽的边缘处实现对第一连接元件和第二连接元件之间的界面的直接照射，因此实现激光焊接接头所必须要熔化的金属的量更少。附加地，可以通过孔、槽或凹槽阻止或减少侧向热扩散。为了减少侧向热损耗，孔、槽或凹口也可以位于接合区域之外。
27、根据另一实施例，第一连接元件和第二连接元件彼此堆叠。例如，第一连接元件和第二连接元件彼此基本平行地延伸。
28、根据另一实施例，第一连接元件和第二连接元件将接触区域电连接到布置的另一接触区域。例如，接触区域和另一接触区域仅通过连接元件电连接。
29、另一接触区域可以像接触区域一样包括金属或者由金属组成，例如al或cu或ni或au或ag或其合金。
30、根据另一实施例，第一连接元件在第三接合区域中牢固地接合到另一接触区域。例如，第一连接元件通过超声波焊接或激光焊接或钎焊或烧结牢固地接合到另一接触区域。第一连接元件牢固地接合到另一接触区域的部分可以分别是第一连接元件的末端部分或终端部分。
31、根据另一实施例，通过激光焊接将第二连接元件在第四接合区域中焊接到第一连接元件上。第二连接元件在第四接合区域中焊接到第一连接元件的部分可以分别是第二连接元件的末端部分或终端部分。
32、第一接合区域和第二接合区域的定义以及针对其公开的所有特征都相应地适用于第三接合区域和第四接合区域。因此，第三接合区域和第四接合区域也可以由形成对应的接头所在的区域来定义。
33、根据另一实施例，在另一接触区域的平面图中，第三接合区域和第四接合区域或其分别对应的接头至少部分地彼此重叠。特别地，在另一接触区域的平面图中，第三接合区域和第四接合区域至少部分地与该另一接触区域重叠。
34、此外，第一连接元件可以牢固地接合到第三和/或第四和/或第五等接触区域。第二连接元件可以在所有这些接触区域中激光焊接到第一连接元件，使得例如，在指定的接触区域的平面图中，对应的接合区域彼此重叠和/或与该接触区域重叠。与第三和/或第四和/或第五等接触区域的连接可以是缝合连接。
35、根据另一实施例，接触区域由布置的基部的顶部金属化部形成。基部可以是带有电绝缘树脂层的绝缘金属基部(ims)，该电绝缘树脂层夹在顶部金属化部和底部金属化部之间。替代地，基部可以是带有陶瓷隔离片的活性金属钎焊(active metal bracing)基部或直接键合铜(dbc)基部或直接键合铝(dba)基部。
36、根据另一实施例，接触区域由布置的功率半导体器件(也称为功率半导体芯片)形成。功率半导体器件可以是晶体管(例如mosfet、misfet、igbt、jfet或hemts)、或晶闸管、或二极管。例如，接触区域由顶侧接触点形成。接触区域可以电连接到功率半导体器件的主电极或栅极电极或由功率半导体器件的主电极或栅极电极形成。
37、根据另一实施例，接触区域由布置的端子形成。在此，端子被理解为(例如金属的)元件，通常是cu或cu合金，该元件被配置用于布置的外部电连接，即用于布置与外部组件的电连接。端子例如是布置的引线框或母线。与外部组件的连接例如是可复原的。
38、在此，端子例如是片状刚性元件。每个端子可以包括主体和至少一个端脚。在主体和端脚之间，端子可以包括例如90°的弯折。
39、端脚可以分别具有至少1mm和/或至多15mm的宽度。例如，端脚的厚度在每种情况下至少为0.5mm和/或至多为1.5mm。
40、根据另一实施例，另一接触区域由布置的基部的顶部金属化部或布置的功率半导体器件或布置的端子形成。
41、根据另一实施例，第一连接元件和/或第二连接元件是带状件。带状件可以分别具有至少1mm和/或至多15mm的宽度。带状件的厚度可以分别为至少1μm或至少20μm和/或至多2mm。带状件可以分别是柔性的或可弯曲的。带状件可以在它们的接合脚处通过激光彼此焊接。
42、根据另一实施例，第一连接元件和/或第二连接元件是端子。端子被配置用于外部电连接。端子可以在它们的端脚处通过激光彼此焊接。
43、根据另一实施例，端子的连接区域或连接部分分别彼此间隔开。连接区域或连接部分是设置用于外部电连接的端子的区域或部分。连接区域/部分可以是端子的暴露区域/部分，例如在功率模块的未连接状态下从模块外壳或主体暴露。连接区域/部分可以用于功率模块的互连。端子的连接区域/部分可以在横向和/或纵向上间隔开。横向在此理解为分别平行于布置或功率模块的主延伸平面的方向。纵向是垂直于该主延伸平面的方向。例如，接触区域和/或另一接触区域分别平行于布置或功率模块的主延伸平面延伸。
44、根据另一实施例，第一连接元件和/或第二连接元件均为夹持件。夹持件在此处应理解为刚性的片状结构。夹持件为预弯曲结构。例如，每个夹持件包括由夹持件的主体连接的至少两个夹脚或末端。主体和每个夹脚之间可存在弯折。夹脚可配置为焊接到其他元件。例如，夹持件的夹脚通过激光彼此焊接。
45、第一连接元件和第二连接元件可以是相同类型，例如两者都是带状件或夹持件或端子。替代地，第一连接元件和第二连接元件可以是不同类型，例如一个是带状件，并且另一个是夹持件或端子。任何其他组合也是可行的。
46、根据另一实施例，第一连接元件和第二连接元件中的一个是主端子。主端子被布置用于向功率模块提供电流或电压或从功率模块输出电流或电压。例如，主端子被配置为传输至少1a或至少10a或至少100a或至少600a。
47、根据另一实施例，第一连接元件和第二连接元件中的另一个是辅助端子。辅助端子例如被配置为用于控制功率半导体器件，例如作为栅极端子，或者用于电流或电压测量。例如，与电流运行垂直的辅助端子的横截面积至多为主端子的横截面积的50％或至多为10％。
48、根据另一实施例，第二连接元件通过多个激光焊接的焊接接头(这些接头是上文所述的第二接头)连接到第一连接元件。这些焊接接头分布在第二接合区域上并且成对地彼此间隔开。例如，在两个相邻焊接接头之间的区域中，第一连接元件和第二连接元件并不彼此牢固地接合。在接触区域的平面图中，焊接接头可以分别具有圆形或长形状。每两个焊接接头之间的距离可以是例如至少1μm或至少50μm和/或至多100μm。
49、上一段中针对第二接头公开的特征也针对第一接头公开，特别是当第一连接元件通过激光焊接的方式焊接到接触区域时。
50、接下来，对功率模块进行详细说明。
51、根据功率模块的一个实施例，功率模块包括根据本文所述的任意实施例的布置。
52、由于功率模块包括本文所述的布置，因此针对布置公开的所有特征也针对功率模块公开，反之亦然。
53、根据功率模块的另一实施例，功率模块包括电绝缘材料的外壳。布置可以至少部分嵌入在外壳中。功率模块还可以包括一个或多个功率半导体器件和一个或多个基部，其中功率半导体器件如上所述安装。此外，功率模块可以包括基板，一个或多个基部安装在该基板上，并且基板被配置为用作热沉。功率模块还可以包括主端子和辅助端子。
54、外壳可由热塑性或热固性树脂材料形成，该材料可填充有无机颗粒或纤维。例如，外壳至少部分由树脂体或由填充有凝胶或环氧树脂的树脂框架形成。例如，功率模块的功率半导体器件嵌入在外壳中并被外壳封装。外壳可以至少部分地通过模塑过程形成，如传递模塑或注射模塑。
55、功率模块可以是包含多个功率半导体器件并将其以电互连并且机械互连的器件。功率模块可以适用于处理大于10a的电流。功率模块可以是适用于处理1kv以下电压的低压模块，也可以是适用于处理1kv至10kv之间的电压的中压模块。
56、功率模块可用于电转换器，该电转换器例如可将交流电压/交流电流整流为直流电压/直流电流，以供应给直流链路或电池，例如电动汽车的电池。功率模块也可是逆变器，其从直流电压/直流电流产生交流电压/交流电流以供应给电动机，例如电动汽车的电动机。逆变器还可用于将交流电压/交流电流的频率改变为交流电压/交流电流的另一频率。功率模块可用于汽车应用，如电动汽车、摩托车、公共汽车、越野施工车辆、卡车、充电站或发电厂或牵引应用。
57、根据另一实施例，在功率模块的未连接配置中，第一连接元件和第二连接元件的连接区域暴露并且可自由接近。特别地，连接区域没有被外壳覆盖，即不受外壳限制。
58、接下来，对生产用于功率模块的布置的方法进行详细说明。例如，该方法用于生产根据本文所述的任一实施例的布置。因此，针对布置公开的所有特征也针对该方法公开，反之亦然。
59、根据该方法的一种实施例，生产用于功率模块的布置的方法包括步骤：通过接合过程将第一连接元件电连接并且机械连接到第一接合区域中的接触区域。在另一步骤中，通过激光焊接的方式将第二连接元件电连接并且机械连接到第二接合区域中的第一连接元件。
60、例如，首先将第一连接元件接合到接触区域，并且然后将第二连接元件激光焊接到第一连接元件上。激光焊接可采用红外激光或绿色激光。
61、根据该方法的另一实施例，第一接合区域和第二接合区域形成为使得它们在接触区域的平面图中至少部分地彼此重叠。特别地，第一连接元件和第二连接元件之间的一个或多个第二接头可以至少部分地与第一连接元件和接触区域之间的一个或多个第一接头重叠。
62、根据该方法的另一实施例，给出了用于激光焊接的激光光束的激光参数以有益地影响激光焊接。用于激光焊接的激光光束或相应的激光源可配置为提供300w～3000w的激光功率。替代地或附加地，用于激光焊接的激光光束或激光源可配置为提供沿着面向冲击的激光光束的第二连接元件的顶侧引导的1mm/s至200mm/s的激光光束行进速度。激光光束本身或工件可以移动。因此，焊接不必仅在一个受限的点处进行，并且提供焊接过程的激光光束的激光点可以以上述速度移动，以在限定的区域上提供焊接接头。
63、激光光束还可以配置为以预定的频率振荡。因此，激光点位置可以以高达2khz的频率和/或高达500μm的振幅进行振荡或摆动，以有益地(例如通过防止局部过热)影响焊接过程。
64、在下文中，将基于示例性实施例参考附图更详细地解释用于功率模块的布置、功率模块和用于生产用于功率模块的布置的方法。附图被包括以提供进一步的理解。在附图中，相同结构和/或功能的元件可以被相同的附图标记表示。应当理解，图中所示的实施例是说明性表示，不一定按比例绘制。只要不同附图中的元件或部件在功能上彼此对应，就不对以下每个附图重复其描述。为了清楚起见，元件可能不会在所有图中以相应的附图标记出现。
1.一种用于功率模块的布置(100)，包括：
2.根据权利要求1所述的布置(100)，其中，
3.根据权利要求1或2所述的布置(100)，其中，
4.根据前述权利要求中任一项所述的布置(100)，其中，
5.根据前述权利要求中任一项所述的布置(100)，其中，
6.根据前述权利要求中任一项所述的布置(100)，其中，
7.根据权利要求5或引用权利要求5的情况下的权利要求6所述的布置(100)，其中，
8.根据前述权利要求中任一项所述的布置(100)，其中，
9.根据前述权利要求中任一项所述的布置(100)，其中，
10.根据权利要求9所述的布置(100)，其中，
11.根据前述权利要求中任一项所述的布置(100)，其中，
12.一种功率模块(1000)，包括：
13.根据权利要求12所述的功率模块(1000)，其中，
14.一种用于生产用于功率模块的布置的方法，包括：
15.根据权利要求14所述的方法，其中，
