CN115885382A - 具有凹陷部的半导体模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体组件(1)，其包括半导体模块(2)和电子电路(4)，其中，半导体模块(2)设计用于与冷却体(3)连接。为了改进半导体组件(1)，尤其针对半导体组件(1)在功率转换器(10)中的应用方面提出：电子电路(4)布置在电路板(5)上，其中，带有电子电路(4)的电路板(5)在半导体模块(2)的背离冷却体(3)的表面(21)上固定至半导体模块(2)处，其中，半导体模块(2)的背离冷却体(3)的表面(21)具有凹陷部(6)，其中，电子电路(4)的布置在电路板(5)上的电子元件(41)伸入到半导体模块(2)的凹陷部(6)中。本发明还涉及一种具有至少一个这种半导体组件(1)的功率转换器(10)。

Description

具有凹陷部的半导体模块

技术领域

本发明涉及一种半导体组件，其包括半导体模块和电子电路，半导体模块设计用于与冷却体连接。此外，本发明涉及一种具有这种半导体组件的功率转换器。

背景技术

目前半导体发展的趋势主要是缩小现有系统的尺寸和/或在固定尺寸的情况下增加功率。这些可以用于性能较好的功率转换器。功率转换器是用于在半导体的帮助下转换电流和/或电压的功率模块的示例。

到目前为止，在缩小尺寸方面，重点是通过更有效的冷却体或更强大的风扇来改善散热或冷却。然而，对此已经达到了极限，因为市场不接受，例如铜冷却体有更高的价格或高速风扇有声音。此外，现有的不必要的设备体积已经通过各种优化措施去除，这意味着进一步减少是不可能的或者需要付出很大的努力才能实现。

这尤其涉及电力电子中的半导体。这些所谓的功率半导体具有超过1安培的载流能力和超过24伏特的电压。这些规格的上限是几千安培或几千伏。

功率转换器的尺寸也可以通过使用SiC功率半导体来减小。在这里，输入滤波器的部分体积可以部分地经由功率半导体的更高的时钟频率来显著减小。另一种减小尺寸的选择是在功率转换器中布置一个内部风扇。然而，这由于污染设备内部的原因通常是不可取的。

术语“半导体模块”是指包含一个或多个半导体开关功能的结构单元。然后将它们容纳在例如一个壳体中以形成结构单元。

发明内容

本发明的目的是，使半导体组件尤其对于在功率转换器中的使用方面改进。

该目的通过一种半导体组件实现，其包括半导体模块和电子电路，其中，半导体模块被设计用于与冷却体连接，其中，电子电路布置在电路板上，其中，带有电子电路的电路板在半导体模块的背离冷却体的表面上固定至半导体模块处，其中，半导体模块的背离冷却体的表面具有凹陷部，其中，电子电路的布置在电路板上的电子元件伸入到半导体模块的凹陷部中。该目的还通过具有至少一个这种半导体组件的功率转换器来实现。

本发明的进一步有利的改进方案在从属权利要求中给出。

本发明尤其基于如下认识，即可以改进半导体组件，使得电子电路至少布置在电路板的朝向半导体模块的一侧上。由于电路板和半导体模块之间的间距很小，这通常只适用于小型SMD(表面安装器件)构造类型中的诸如电阻器和电容器等特别小的元件。半导体模块的朝向电路板一侧的凹陷部还允许在电路板的朝向半导体模块的一侧设置更大的元件、例如脉冲电容器、陶瓷电容器或薄膜电容器。然后这些部件伸入半导体模块的凹陷部中。因此，它们不必布置在电路板背离半导体模块的一侧。否则，这种情况将无法在组装的电路板上对各个连接进行布线。安装空间和电路板面然后可以被节省，使得可以在凹陷部的位置处提供更大的部件，其伸入到凹陷部中，并且在没有凹陷部的位置处布置较小的部件、特别是使用SMD技术的部件。这种自由度实现单个信号的路由。在此，半导体模块的区域中的布线是可能的，特别是通过自由定位的端子实现。因此，有利的是根据电子电路的构件来布置端子。

半导体模块的凹陷部使得在双面装配电路板成为可能。换句话说，电路板在两侧上都装配是有利的。这意味着在电路板的两侧有两个区域可用于容纳电子元件。由于在紧邻半导体模块的电路板两侧布置大型元件的自由度，可以在电路板两侧以小尺寸实现电子电路。结果是，布置有电子电路的电路板的区域可以被双重使用并且因此被很好地利用。

通过由于半导体模块上的凹陷部而新获得的在电路板的朝向半导体模块的一侧放置元器件的新自由度，在布线技术方面靠近半导体模块布置的构件也能够以至半导体组件的较短的连接路径布置。例如，这适用于IGBT的控制电路或通过短电缆或连接路径将电容器以低电感连接到中间电路。

半导体模块是一个结构单元。该半导体模块在此可以包括单个开关或具有两个开关的相位模块。还可以在半导体模块中设置更多的开关，使得半导体模块形成具有四个、六个甚至更多个开关的桥式电路。

此外，当今为半导体模块制定的壳体标准高度可以满足大量市场需求。因此证明有利的是，还提供标准高度作为所提出的半导体组件的半导体模块的高度。

此外，已经证明有利的是，将端子分布在半导体模块的朝向电路板的表面上。这使得在电子电路布局中更容易将元件布置在电路板的朝向半导体模块的一侧，例如由于空气或爬电距离与负载连接的大导体路径宽度，并在那里实现相关信号的路由。

因此，通过半导体模块和电路板中的凹陷部，其电子元件部分地伸入到凹陷部中，可以实现半导体组件的巧妙嵌套，并且尤其在双侧装配时可以节省电路板上的电路板面。半导体模块的壳体的表面也称为半导体盖，其有利地位于半导体模块内部的具有未使用体积的位置处并且在电路板上必须放置较大部件的区域中包含一个或多个凹陷部，从而为电路板上的元件留出空间。由此，半导体模块中未使用的体积可以用于电子电路的构件。此外，在某些情况下还可以降低半导体模块的高度。

半导体模块的设计还在于，在盖子上的特定位置处提供一个或多个凹陷部。当半导体模块的端子分布在半导体模块的背离冷却体的表面上时，可以特别好地利用该优点。该自由度可用于将端子直接布置在下面的芯片之上，并且还可以将电子电路的相关电路部分布置在紧邻端子处。由此，半导体组件或具有这种半导体组件的功率转换器的电磁兼容性(EMC)在某些情况下可以显著改善。此外，减少了换向电路，从而改善了半导体模块的开关表现，尤其在使用功率电子设备时改善，并且减少了损耗。

在半导体模块的壳体的两部分式设计中，将端子布置在盖子中是特别有利的。这简化了相应的半导体模块和半导体组件的生产。

通过所提出的半导体组件导致更紧凑的结构，即使在诸如由这种半导体组件和其他功率模块构造的功率转换器的设备中也是如此。可替换地，可以针对给定的设计和尺寸切换到更高的功率。两者都会导致具有这种半导体组件的功率转换器的功率密度增加。同时可以廉价地制造半导体组件。电路板面积的减少使得生产比以前已知的解决方案更具成本效益。此外，也改善了半导体组件或功率转换器的运行表现和/或应用可能性，因为电子电路的电路部分可以在空间上布置成更靠近半导体模块并且因此更靠近半导体模块的功率芯片。

在本发明的一个有利的设计方案中，电路板为了固定而通过电连接、尤其仅通过电连接与半导体模块连接。由于尺寸小以及由此产生的作用在支架上的力小，因此可以仅通过电端子将电子电路的电路板固定至半导体模块。电路板和半导体模块之间的间距通过凹陷部在即使对电路板进行双侧装配的情况下也被缩小，使得在端子上的力也非常小，从而使得端子除了电气连接的任务之外还可以承担机械连接的任务。如果根据电气要求确定电连接的尺寸、特别是连接的横截面，则由于连接的长度较短，连接也具有足够的机械强度。此外，将引脚设计在凹陷部外的区域也有利于简化组装，因为引脚的长度可以更容易和更准确地匹配电路板上的孔。因此，不需要为机械连接提供另外的装置。

在本发明的另一有利的设计方案中，电路板在没有螺纹连接的情况下连接至半导体模块。如前所述，不再需要半导体模块和电路板之间的机械弹性连接，因为由于电路板的小尺寸以及电路板和半导体模块之间的小间距而出现的力也可以通过简单的连接(例如插接连接)或通过电端子充分地机械承担。此外，这可以简单且廉价地生产。

在本发明的另一有利的设计方案中，半导体模块的端子在半导体模块的背离冷却体的表面上布置在凹陷部之外。端子的区域的高的结构类型赋予端子特殊的强度。此外，将引脚设计在凹陷部外的区域也有利于简化组装，因为引脚的长度可以更容易和更准确地匹配电路板上的孔。这尤其可以通过连接将电路板固定至端子。端子处所需的连接特别短，因为端子位于凹陷部区域之外。在某些情况下，甚至可以将电路板直接连接到半导体模块的端子上。相应的连接相应地较短，因此在固定时只需吸收很小的力。此外，还可以设计具有标准高度的半导体模块的壳体。高度是冷却体所在的表面与半导体模块的朝向电路板的表面之间的间距。由于端子处在凹陷部之外的区域，因此具有凹陷部的半导体模块也可以在现有应用中得到普遍使用。由于规模效应，半导体组件于是可以被廉价地制造。

在本发明的另一有利的设计方案中，半导体模块具有碳化硅材料和/或亚硝酸镓材料。这种半导体材料实现具有特别高的开关频率的半导体模块。该频率位于两位或三位数的kHz的范围中。通过快速切换还需要至中间电路的特别低电感的控制和连接。这可以通过所提出的半导体组件的布置以特别简单且成本低廉的方式实现。一方面，中间电路电容器能够以至半导体模块和相关联的半导体芯片的较小间距布置。此外，控制所需的电子电路的构件也可以布置在半导体模块的控制端子附近。两者都能使开关频率特别高的半导体模块安全且可靠地运行。

在本发明的另一有利的设计方案中，半导体组件包括至少两个半导体模块。通过这种布置，能够以简单的方式实现桥支路或整个半桥。由于桥支路或半桥的元件之间存在相关性、例如锁定和锁定时间，已证明将这些半导体模块布置成使它们连接到电子电路的恰好一个电路板是有利的。特别是当几个半导体模块并联连接时，由于相同的控制信号，将这些半导体模块仅连接到一个电子电路是特别有利的，因为由于用于半导体模块的相同控制信号，该电路在结构上特别简单。这样，一个电路板可以用于控制或供应多个半导体模块。由此，功率转换器的特别紧凑的设计是可能的。

在本发明的另一有利的设计方案中，半导体组件具有冷却体并且半导体模块的基底以不能拆除的方式直接与冷却体连接。可以例如通过焊接、烧结、胶粘和/或印刷以及这些制造可能性的组合来施加基底，并因此将半导体材料施加到冷却体以产生特别好的热传递。此外，冷却体和半导体模块以力配合的方式相互连接。与半导体组件如何固定在功率转换器中无关，电子电路然后也可以通过与半导体模块的电端子的连接而机械地连接到半导体模块。当多个半导体模块连接到电子电路的电路板时尤其如此。因此特别有利的是，至少两个半导体模块布置在冷却体上。冷却体然后还承担使至少两个半导体模块相对于彼此对准和定位的功能，使得电路板然后能连接到具有多个半导体模块的电子电路而不必吸收不允许的大的力。

附图说明

下面参考附图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。附图示出：

图1示出半导体组件的一部分，

图2示出半导体组件的截面，并且

图3示出功率转换器。

具体实施方式

图1示出了半导体组件1的一部分。在该实施例中，半导体模块2连接到冷却体3。例如，该连接可以是不可拆除的。这可以通过将半导体模块2的基底直接安装到冷却体3上并且半导体模块2的基底因此直接连接到冷却体3来实现。在该图示中，半导体模块2被设计成两部分。壳体具有基体和盖，盖由半导体模块2的背离冷却体的表面21形成。半导体模块2的端子22也布置在该表面21上，在此未示出的具有电子电路4的电路板5可以固定到端子处。因此，一方面可以将用于固定电路板5的端子22做得更短，即长度更短，并且电路板5仍然可以在两侧配备，在半导体模块2的背离冷却体的表面21上存在凹陷部6。图2以剖视图示出电路板5上的电子电路4的电子元件41可以伸入到半导体模块2的凹陷部6中。因此可以确保半导体模块2和电路板5之间的间距可以选择得很小，使得在布置诸如脉冲电容器、陶瓷电容器或电解电容器的较大部件时，电路板5可以固定至半导体模块2的端子22，该端子形成在电路板5和半导体模块2之间的电连接8。为了避免重复，参考图1的描述和那里引入的参考符号。

图3示出了具有多个半导体组件1的功率转换器10。

总之，本发明涉及一种半导体组件，其包括半导体模块和电子电路，半导体模块设计用于连接至冷却体。为了改进半导体组件，尤其针对于半导体组件在功率转换器中的应用方面提出：电子电路布置在电路板上，其中，带有电子电路的电路板在半导体模块的背离冷却体的表面上固定至半导体模块处，其中，半导体模块的背离冷却体的表面具有凹陷部，其中，电子电路的布置在电路板上的电子元件伸入到半导体模块的凹陷部中。此外，本发明涉及一种具有至少一个这种半导体组件的功率转换器。

Claims (8)

1.一种半导体组件(1)，包括半导体模块(2)和电子电路(4)，其中，所述半导体模块(2)设计用于与冷却体(3)连接，其中，所述电子电路(4)布置在电路板(5)上，其中，带有所述电子电路(4)的所述电路板(5)在所述半导体模块(2)的背离所述冷却体(3)的表面(21)上固定至所述半导体模块(2)处，其中，所述半导体模块(2)的背离所述冷却体(3)的所述表面(21)具有凹陷部(6)，其中，所述电子电路(4)的布置在所述电路板(5)上的电子元件(41)伸入到所述半导体模块(2)的所述凹陷部(6)中。

2.根据权利要求1所述的半导体组件(1)，其中，所述电路板(5)为了固定而通过电连接(8)、尤其仅通过电连接(8)与所述半导体模块(2)的电端子(22)连接。

3.根据权利要求1或2所述的半导体组件(1)，所述电路板(5)在没有螺纹连接的情况下与所述半导体模块(2)连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体组件(1)，其中，所述半导体模块(2)的端子(22)在所述半导体模块(2)的背离所述冷却体(3)的所述表面(21)上布置在所述凹陷部(6)之外。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体组件(1)，其中，所述半导体模块(2)包括碳化硅材料和/或亚硝酸镓材料。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体组件(1)，其中，所述半导体组件(1)包括在刚好一个冷却体(3)上的至少两个半导体模块(2)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体组件(1)，其中，所述半导体组件(1)包括所述冷却体(3)，并且所述半导体模块(2)的基底以不能拆除的方式直接与所述冷却体(3)连接。

8.一种功率转换器(10)，具有至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的半导体组件(1)。

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