CN101878528B - 由部分电路组成的电子电路及其制造方法 - Google Patents

Abstract

为改进制造将电子电路按照部分电路模块化，本发明将这些部分电路布置在一个共同的基底上、诸如散热体上并且借助平面电接触电连接。

Description

由部分电路组成的电子电路及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造电子电路的方法以及一种电子电路。

背景技术

在电子电路的制造中存在一种越来越高的集成的趋势，也就是说，将越来越多的电子组件例如半导体芯片安装在用于电子电路的基底、例如陶瓷基底上并且由此实现越来越复杂和广泛的电子电路。尽管在电子电路的制造中的产量由于高的集成和复杂性而下降，但是由此还是实现了总的来说成本有利的制造。

在功率电子电路、即具有功率电子的组件的那些电路中，对于制造存在特别的边界条件，即，在功率电子电路中出现极大量的损耗热。由此限制了用于功率电子组件的可能的包装密度，因为必须排出其损耗热并且功率电阻组件的温度首先不允许超过在半导体组件元件中特定的温度限制。由此复杂的电路在基底上的增加的集成导致总体上增大的电路。但是这些电路又具有本身的缺陷。因此特别地在循环的热负荷的情况下这样的装置的可靠性降低，因为容易发生在绝缘的基底材料和铜层之间的交界面上的疲劳。同样功率电子电路的高的工作温度也导致大面积的基底的变形()，这使得热排出困难。热偏差还取决于在冷却器和基底之间的尽可能良好的机械连接。基底越大，则对与其相连的冷却器的要求越高，例如冷却器的表面的平坦性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种方法，利用该方法能够制造一种尽可能避免或减小上述缺陷的电子电路。本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种避免或减小上述缺陷的电子电路。

就方法来说，所述技术问题通过一种具有权利要求1的特征的方法解决。就电子电路来说，上述技术问题通过一种具有权利要求10的特征的电子电路解决。从属权利要求涉及本发明的优选实施方式和扩展。

在按照本发明的用于电子电路的制造方法中，在第一步骤中制造至少两个部分电子电路，其中所述部分电路分别在分开的绝缘的部分基底上具有至少一个电子组件。在第二步骤中，将所述部分电路并排布置在一个共同的基底上。在第三步骤中将部分电路利用用于平面接触的方法电连接，其中用于平面接触的方法至少包括金属层的沉积(Abscheiden)。

按照本发明的电子电路具有至少两个部分电子电路，其中部分电路分别在分开的绝缘部分基底上具有至少一个电子组件，部分电路并排布置在一个共同的基底上并且借助平面接触电连接。平面电接触在此具有至少一个至少部分地覆盖部分电路的金属层。

绝缘的部分基底例如可以是简单的陶瓷基底。还可以是例如DCB(DCB＝Direct Copper Bonding，直接铜熔结)。DCB典型地具有绝缘的陶瓷基底和两个在基底的每个面上涂覆的平面铜印制导线。在部分基底上有一个或多个电子组件，诸如电阻、电容、二极管或晶体管。除了单个电子组件，部分基底还可以具有其本身又包含一个或多个电子组件的整个芯片。

按照本发明，将部分电路并排地、即，互相相邻地布置在一个共同的基底上。在此，部分电路的非常密地布置具有优势地使得电子电路的尺寸小。然而替换地，在部分电路之间的较大间隔导致在部分电路中形成的损耗热的改善的分布。用于部分电路之间的电连接的金属层优选是由铜组成的层。

按照本发明的制造方法以及按照本发明的电子电路具有一系列的优点。因此，整个电子电路拆分为小的部分电路，其中，小的部分电路总体上使得整个电子电路的可靠性提高，因为部分电路的循环热负荷导致材料疲劳降低。此外，小的部分电路在工作温度升高的情况下比大的整个电路变形少。由此一方面当例如部分电路与冷却器相连时可以进行更好的热排出。此外，对这样的冷却器的表面提出的要求降低，例如对其平坦性的要求。

用于部分电路的电连接的平面金属层，此外还被用于在部分电路之间的低电感的连接。

这样的电路的处理也是有利的，因为通过组合不同的电路可能性实现了益处的最佳利用。由部分电路组成的结构此外还使得在功率谱中的模块性是可能的，因为通过例如两个或多个相同的部分电路的并联电路能够制造具有更高总功率的电子电路。然后通过如下得到改进，即，理想地利用部分基底的基本形状。作为例子，可以采用被理想地使用的DCB作为部分基底，而作为共同的基底可以使用更简单的基底类型，例如简单的陶瓷基底。

特别具有优势的是，在部分电路上设置的组件的至少一部分是功率电子的组件。由此电子电路是功率电子电路。恰恰是功率电子电路具有至少100℃或更高的高的工作温度。电子电路及其制造方法的本文开头已经提到的优点在这种情况下特别适用。特别是通过与整个电路相比小的部分电路，减小了由于工作温度产生的变形并且由此改善了热排出。此外由此还降低了对冷却器的结构的要求。

在本发明的另一种具有优势的实施方式和扩展中，利用平面接触还建立在部分电路内部的一个或多个电连接。这意味着，例如在部分电路内部可以不进行事先的接线或另外的接触，因为这通过平面接触来建立。这特别地简化了电子电路的制造并且由此特别地节省了成本和资源。在此，优选地利用平面接触建立与接线端子或其它连接元件的电连接。

在本发明的另一个优选实施方式和扩展中，共同的基底是散热体。这样的散热体的例子是具有由铜或优质钢组成的块的散热片。由此避免了使用造成成本的其它绝缘基底。此外，将部分电路直接构造在散热体上使得可以理想地分布在部分电路中形成的损耗热。

在本发明的特别优选的实施方式中，为了建立平面接触首先将用于电绝缘的绝缘膜涂覆在共同的基底和位于其上的部分电路上。此外，将作为平面接触的部分并且用于电连接的金属层电涂覆到绝缘膜上。为了实现与位于绝缘膜下的接触面的电连接，在涂覆绝缘膜之后在该绝缘膜中在合适的位置上开窗口。此外具有优势的是，在电涂覆金属层之前例如通过喷涂涂覆金属的起始层。在此绝缘膜具有优势地允许与金属层和已经存在的导电层、诸如作为部分基底被使用的DCB的铜基层的电绝缘。金属层的电涂覆是一种小心的(schonende)过程，然而在该过程中还是能够产生直到500μm的高的厚度的层。

在本发明的另一种优选实施方式中，在涂覆金属层之后，将另一个电绝缘的层涂覆到至此的结构上。也就是，该另一个电绝缘的层覆盖金属层、位于其下的绝缘层以及所有的部分电路和共同的基底。

特别具有优势的是，电子电路的两个、多个或所有的部分电路相同。这导致非常高效的制造，因为在处理部分电路时比在处理相应的较大的整个电子电路时明显降低次品。另一个优点是提高了电路结构的灵活性。这在于，从相同的部分电路中通过改变基底电路或通过调整部分电路的数量能够制造调整了的或改变的电子电路。例如可以从一相电路中通过并联布置多个相应使用的部分电路来制造多相类似的电路。作为另一个例子可以通过改变部分电路的电连接从多相电路中制造一相电路。另一种可能性在于，通过类似电路的并联电路来制造具有更高功率容量的电路。

优选地，将部分电路利用支架固定在共同的基底上。替换地，还可以利用焊接、粘贴连接或其它连接固定它们。在具有功率半导体组件的电路的情况下具有优势的是，连接具有高的导热性，以允许组件的废热的良好扩散。然而支架的使用具有如下优点：能够抵抗热机械负荷并且建立与共同的基底的更好的热耦合。

附图说明

以下借助附图详细解释本发明。其中，

图1示出了DCB上的部分电路，

图2示出了在散热体上布置的在一个绝缘层结构下具有电连接的多个部分电路，

图3示出了绝缘层结构的结构，

图4示出了两种利用支架构造部分电路的可能性，

图5示出了可模块化的三相开关的电路图，

图6示出了可模块化的三相变流器系统的电路图，

图7示出了具有三相开关的部分电路的模块化结构，

图8示出了由变流器系统的部分电路构成的模块化结构，

图9示出了变流器系统和三相开关的部分电路的模块化结构，

图10示出了部分电路的电路图。

具体实施方式

图1以侧视图示出了示例性的如可按照本发明构造的部分电路10。部分电路10由DCB基底14组成，其在底面具有未结构化的(unstrukturierte)下面的铜印制导线15。DCB基底在上面具有结构化的上面的铜印制导线13。在上面的铜印制导线13上借助焊层12涂覆了两个半导体芯片11。在此，上面的铜印制导线13示例性地用于半导体芯片11的底面上的电接头的电连接。对此的一种可能的替换在于，上面的铜印制导线13不建立电连接，而是仅用于排出半导体芯片11的损耗热。在这种情况下合适的是，上面的铜印制导线13不具有结构化。

在该例子中，两个半导体芯片11的一个包含二极管56，而另一个半导体芯片11包含IGBT(IGBT＝Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)。清楚的是，该结构仅仅是示例性的，并且在其它实施变形中还可以使用具有远远更多和/或更复杂的结构的半导体芯片11，或者与单个电子组件混合使用。

图2以侧视图示出了按照本发明的电子电路的一种示例性结构可能性。电子电路基于散热体23并且具有在散热体上设置的三个并排的部分电路10。散热体23和位于其上的部分电路10由层结构22覆盖，该层结构相同地用于电绝缘和电连接。层结构22的详细结构在图3中示出。层结构22由电介体31组成，在该电介体上涂覆了结构化的平面铜印制导线32。电介体31和平面铜印制导线32又由绝缘的覆盖层33覆盖。电介体31和绝缘覆盖层33作为塑料膜实施并且由此例如能够依次在引入平面铜印制导线32的条件下被层压(auflaminiert)在具有部分电路10的散热体23上。

按照图4将部分电路10借助支架44固定在散热体23上。在此，按照图4部分电路10和支架44直接相邻地布置，从而又覆盖部分电路10和支架44的层结构22仅必须以微小程度克服高度差。

以下示出可模块化的电路50、60及其借助部分基底10的具体实现(Umsetzung)的具体例子。图5示意性示出了三相开关50。三相开关50由三个电独立的单相开关51组成。每个单相开关51具有两个接线端子58。接线端子58通过两个半开关模块(Halbschaltermodule)52互相连接，其中半开关模块52反串联连接。每个半开关模块52由一个由IGBT 57和作为续流二极管的二极管56构成的并联电路组成。

三相开关50可以以多种不同方式模块化。因此，可以由一个具有六个接线端子58的部分基底10构成三相开关50。此外，还使用一个具有六个二极管56的第二部分电路10，和一个具有六个IGBT 57的第三部分电路10。另一种可能的方法在于，采用分别实现一个单相开关51的三个部分电路10。也就是这些部分电路10的每一个具有两个接线端子58、两个二极管56和两个IGBT57。也就是在利用这样划分为部分电路10的情况下，可以为实现三相开关50而采用三个相同的部分电路10。另一种基本的可能性在于，不是将接线端子58集成在部分电路10中，而是直接涂覆在作为基础的基底上、在这种情况下是冷却元件23上。

然而，对于三相开关50以及对于以下描述的变流器系统60，以下还描述了第三实施可能性，其在于，使用六个部分基底10，其中每个部分基底10具有一个接线端子58、一个二极管56和一个IGBT 57。为了实现期望的电特性、诸如电阻、耐压性能等，还可以取代单个组件而使用多个组件的电路。因此，取代单个的二极管56，还可以使用由典型的类似的二极管56组成的串联电路。也可以通过多个IGBT 57的并联电路来代替该IGBT 57。当然，所述电路还可以由不同种的组件组成。

为了清楚起见，图9示意性示出了一个部分电路10中的俯视图。按照图10，在部分电路上没有电连接地并排布置了一个二极管56和一个IGBT 57。二极管56具有两个接线点92，用于电连接。IGBT 57实际上又具有四个电接头。然而为更清楚起见，仅示出了两个电接线电92。按照图10对于电接线点92总共设置四个接触面91。由于IGBT 57实际上有四个电接头，在完整的实施中必须是六个接触面91。合适地在电介体31中的层结构22中对于每个接触面91设置一个窗口，通过该窗口，平面铜印制导线32可以与接触面91电接触。要指出的是，在图5至9中由于清楚性原因省略了电介体31和绝缘覆盖层33。

在按照图9的例子中假定，在二极管56和IGBT 57之间在部件电路层面上不进行电连接。由，此按照图9的部分电路10具有最大的灵活性。然而必须在事后在完整的电路中建立所有需要的电连接，这会使得铜印制导线32的这里的结构变得复杂。由此，作为对按照图9的可能性的替换，还可以，在部分电路10上就电连接了两对接触面91并且由此强制二极管56和IGBT 57的并联连接。由此极大降低了部分电路10的灵活性，但是相反，简化了多个部分电路10的事后连接。

一种可能的折中在于，仅连接所述接触面对91中的一个。由此存在如下可能性：通过分别断开IGBT 57或二极管56的另一个电接线点92，来不使用IGBT 57和二极管56。尽管如此，还是稍微简化了部分电路10的进一步接线。

假定，在部分电路10上最初不设置电连接，则得到在图7中示出的三相开关50的结构。图7以俯视图示出了散热体23，在该散热体上涂覆了部分电路10。在此六个相同的部分电路10按照两列、每列三个部分电路10布置在散热体23上。该布置的由两个部分电路10组成的每一行实现了一个单相开关51。按照图7，实现一个单相开关51的部分电路10在此这样布置，使得两个部分电路10中的一个旋转180°。由此简化了反串联接线的电实现。

对于按照图7的该示出的布置还存在其它变形可能性。因此，可以弃用三个部分电路10的旋转布置却还能实现通过相应的平面铜印制导线32的反串联电路。部分电路10按照2×3栅格形式的布置也不是必要的。还可以选择部分电路10的间隔更大或更小。

在此处给出的例子中以及在以下描述的变流器60中假定，在部分电路10中不实现电连接。这意味着，二极管56和IGBT 57通过平面铜印制导线32才被接触。这是具有优势的，因为利用平面铜印制导线32还同时建立了在部分电路10之间的电连接，并且由此为了部分电路10的和三相开关50的电接线，仅需唯一的步骤。取消了每个部分电路10的特别接线。也就是在图7中示出的平面铜印制导线32用于将每个部分电路10的二极管56和IGBT 57分别连接为一个并联电路，并且用于将每两个这些并联电路反串联连接和与接线端子58连接。

在此要注意，上述实施方式仅仅是作为例子。在功率电子开关的情况下必须有规律地连接芯片的底面。在此，这通常通过在DCB的上面的铜印制导线进行。

由此通过使用六个相同的部分电路10实现了三相开关50。

以下作为对于本发明的另一个示例性实施可能性示出变流器系统60。变流器系统60具有三个接线端子58作为输入端。它们分别与一个换向电抗器61相连。换向电抗器61又分别与第一IGBT桥63的一个支路相连。第一IGBT桥63的两个输出端与中间电路电容器62相连并且与之并联地与第二IGBT桥64的两个接头相连。抽头(Abgriffe)从第二IGBT桥64引出到三个接线端子58作为输出端。

在此，第一和第二IGBT桥63、64分别由三个半桥67组成。半桥67又分别由两个半开关模块52组成，后者也如在三相开关50的情况下那样分别由一个IGBT 57和与之并联连接的二极管56组成。然而在变流器系统60的半桥70的情况下，半桥67的半开关模块52是串联连接，不是反串联。在此在第一IGBT桥63的半桥67的中间的抽头单独地引出到换向电抗器61，而第二IGBT桥64的半桥67的中间抽头引出到输出端的接线端子58。第一和第二IGBT桥63、64的半桥67整体上在外部并联连接并且还与中间电路电容器62并联连接。

在图8中示意性示出了具有部分电路10和平面铜印制导线32的变流器系统60的模块化形式。模块化电路由十二个在三相开关50的情况下也采用的部分电路10组成。附加地，在模块化电路中还设置包含了换向电抗器61的电抗器部分电路81。按照图8，平面铜印制导线32用于相应的接线和部分电路10之间和部分电路10之上的电连接。如在三相开关50的情况下，对于变流器系统60的模块化也存在多种可能性。选择按照图8的示出的可能性，因为包含了半开关模块51的部分电路10，既可以在三相开关50中也可以在变流器系统60中被使用。在此，也就是可以利用完全相同的部分电路10构建不同的电子电路，其中，在变流器系统60中还需要一些附加的组件。

作为替换，在变流器系统60中例如可以，对于每个半桥67设置一个部分电路10。如果在此在该部分电路上没有电连接地保持所有四个组件，即，两个二极管56和两个IGBT 57，则还可以在三相开关50的情况下使用这些部分电路。然而，在此在三相开关50的情况下和在变流器系统60的情况下必须借助平面铜印制导线32进行在该部分电路上的不同的电接线，以实现半开关模块52的串联或反串联布置。

在变流器系统60的情况下以及在三相开关50的情况下模块化的其它可能性在于，例如在变流器系统60的情况下对于一个换向组642、643使用一个部分电路10。因为这些换向组同样如半桥67那样在功能上由一个二极管56和一个IGBT 67组成，所以其在给出的例子中对部分电路10不起作用。然而对于电接线、即平面铜印制导线32，可能得出另一种形式，因为可能需要其它的电连接。在开关50的情况下可以通过部分电路10来实现电流路径54而不是半开关模块52，在这种情况下，这同样可能不会导致部分电路10改变，但是可能导致铜印制导线32的布局改变。

最后对于电子电路50、60的按照部分电路10的模块化，在部分电路10的可反复使用性、部分电路10的尺寸、电子电路的整个尺寸和所需的平面铜印制导线32的复杂性之间找到一种折中。在功率电子电路的情况下，在此关于更好的热扩散和对散热体和DCB的更小要求还得到特别的优点。

Claims (18)

1.一种用于电子电路(50，60)的制造方法，其中：

-在第一步骤中，制造至少两个电子部分电路(10)，其中，所述部分电路(10)分别在分开的绝缘的部分基底(14)上具有多个电子组件(11，56，57)；

-在第二步骤中，将所述部分电路(10)并排布置在一个共同的基底(23)上；并且

-在第三步骤中，将所述部分电路(10)利用用于平面接触的方法电连接，其中所述用于平面接触的方法至少包括金属层(32)的沉积，

其中，按照共同的处理来制造至少两个相同的部分电路(10)，并且单独地或与其它部分电路(10)一起连接为电子电路(50，60)。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在所述部分电路(10)中使用功率电子(57)的组件并且由此制造功率电子电路(50，60)。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其中，利用所述用于平面接触的方法还建立在部分电路(10)内部的一个或多个电连接。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其中，利用所述用于平面接触的方法还建立与接线端子(58)的电连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制造方法，其中，作为共同的基底(23)使用散热体(23)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的制造方法，其中，所述用于平面接触的方法具有步骤：

-将用于电绝缘的绝缘膜(31)涂覆到共同的基底(23)和部分电路(10)上；

-在该绝缘膜(31)中开窗口；

-涂覆金属起始层；

-将金属层(32)电涂覆到所述绝缘膜(31)上。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其中，在所述用于平面接触的方法中附加地在涂覆金属层(32)之后涂覆另一个电绝缘的层(33)。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的制造方法，其中，为了固定部分电路(10)使用在共同的基底(23)上的支架(44)。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的制造方法，其中，使用至少一个IGBT(57)和至少一个二极管(56)作为电子组件(11，56，57)，并制造变流器(60)或三相开关(50)作为电子电路(50，60)。

10.一种具有至少两个电子部分电路(10)的电子电路(50，60)，其中所述部分电路(10)：

-分别在一个分开的绝缘部分基底(14)上具有多个电子组件(11，56，57)；

-并排布置在一个共同的基底(23)上；并且

-借助平面接触电连接，其中，所述平面接触具有至少一个至少部分地覆盖所述部分电路(10)的金属层(32)，

其中，所述部分电路(10)的至少两个是相同的。

11.根据权利要求10所述的电子电路(50，60)，其中，所述部分电路(10)具有功率电子(57)的组件并且由此是功率电子电路(50，60)。

12.根据权利要求10所述的电子电路(50，60)，其中，所述平面接触还建立在部分电路(10)内部的一个或多个电连接。

13.根据权利要求10所述的电子电路(50，60)，其中，所述平面接触还建立与接线端子(58)的电连接。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的电子电路(50，60)，其中，所述共同的基底(23)是散热体(23)。

15.根据权利要求10至13中任一项所述的电子电路(50，60)，其中，所述平面接触在金属层(32)之下具有用于电绝缘的绝缘膜(31)。

16.根据权利要求15所述的电子电路(50，60)，其中，所述平面接触附加地在金属层(32)和绝缘膜(31)上具有另一个电绝缘的层(33)。

17.根据权利要求10至13中任一项所述的电子电路，其中，在所述共同的基底(23)上具有用于固定所述部分电路(10)的支架(44)。

18.根据权利要求10至13中任一项所述的电子电路，具有至少一个IGBT(57)和至少一个二极管(56)作为电子组件(11，56，57)。

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