具有冷却构造和密封膜的功率模块，用于保护功率模块免于发生可归因于腐蚀的失效的制作方法
本发明涉及一种功率模块，该功率模块具有用于安装在壳体表面上的冷却构造，其中设置有用于夹置在功率模块与壳体之间的密封件，所述密封件防止非预期的冷却液流。
背景技术：
1、功率模块是电动汽车（pkw、lkw以及其他商用车辆或nfz）的逆变器中的核心功率技术部件。逆变器在电机（发电机）与电池之间构成核心单元，其既执行调节和控制技术方面的功能，又执行与电压转换有关的功能。后者尤其包括在电动汽车制动时，将由电机传输的交流电压转换为直流电压，作为将能量存储于电池中的必要步骤，以及在驱动电动机时进行反向转换的相反步骤。功率模块包含作为功率电子部件的用于逆变器电路的晶体管。其中，作为晶体管的一个子类，尤其包括金属氧化物半导体场效应晶体管（英文“metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor”，简称：mosfet），其在众多技术应用中得到广泛应用。由于逆变器电路的mosfet具有核心功能，因此确保其长寿命具有重要意义。
2、诸如mosfet之类的半导体器件的技术效率通常由于转换损耗而受到限制。对于功率损耗而言，热能损耗（损耗热）是重要的。在mosfet处并因此在功率模块中产生的热量必须被导出，因为mosfet的最高工作温度是有限的（从材料物理学角度通过最高允许结温的高度来限定）。如果允许的工作温度在短时间内大幅超出或在较长时间内超出，则mosfet可能被破坏。此处，结温是指mosfet内部半导体材料的温度，并且取决于mosfet的特定功率损耗。结温的升高与释放的损耗热以及热阻直接成正比。一旦mosfet通电运行，mosfet的结温就会升高。
3、用于导出mosfet损耗热的一种工业技术解决方案是设置于功率模块上的冷却构造，其具有不同的结构形式，并且首先以传导方式导出mosfet的损耗热，因此通常由具有高导热系数的材料例如铜制成。在车辆技术应用中，从功率模块的导电冷却构造导出热量通常通过冷却回路进行，该冷却回路借助冷却液以对流方式从冷却构造导出热量。在功率模块中，冷却回路大多/通常位于下侧，并且在必要时另外位于上侧，并且借助围绕功率模块的冷却构造的密封件进行密封。安装功率模块于其上的壳体通常由铝制成。
4、由于水相较于例如环境空气具有良好的导热性，因此冷却构造的水冷却构成一种工业技术标准，其中，在pkw/lkw的情况下，尽管其导热系数较低，但尤其出于防冻原因，在冷却回路中使用具有不同添加剂附加物的水-乙二醇混合物作为冷却液。
5、由铜制成的功率模块的冷却构造在结构上通常仅与铝壳体保持约0,05至0,3 mm的小间距/间隙。由于铜和铝具有不同的电化学电位（电位差），在间隙中通过连接这些表面的冷却液会产生电化学/电解腐蚀，该冷却液起到电解质作用，从而使表面之间能够进行离子传输。由于铝相对于铜的电化学电位具有更低的电化学电位，铝壳体的表面通过释放离子而发生腐蚀。铝壳体因该过程而局部被分解。此时，冷却通道的结构通常以冷却通道的腐蚀结构的形式再现在壳体中的对置表面上，作为腐蚀表面。由于添加到冷却液中的添加剂，在腐蚀位置发生凝胶析出。该沉积机制可能导致功率模块的冷却构造堵塞（所谓功率模块/逆变器的胶化），并且最终由于围绕冷却构造的冷却液流被完全或部分阻止而导致功率模块过热，并引起功率模块失效。由于功率模块以及其中所包含的逆变器对于尤其是电动汽车的驱动具有核心意义，因此需要找到一种解决方案，以解决彼此关联的壳体腐蚀性分解问题以及在壳体腐蚀区域由于胶化而导致冷却构造堵塞的问题。
技术实现思路
1、技术问题
2、因此，本发明的任务是避免或者至少减轻现有技术中已知的缺点。
3、技术方案
4、本发明通过权利要求1中所述的措施来解决该任务。
5、对于一种功率模块，对于设置成夹置在功率模块与壳体之间的密封件，另外设置有膜，该膜被设计成夹置在壳体与功率模块冷却构造之间。
6、逆变器/功率模块连同所设置的冷却构造以及铝壳体免于遭受破坏，并且同时确保长的运行时间以及完整的功能性（为此通过从冷却构造导出热量）。
7、也可以说，在安装状态下，冷却构造与铝壳体之间的腐蚀过程（通过所述间隙）由膜予以阻止，并且铝壳体不会发生腐蚀。尽管仍然可以持续地从冷却构造导出热量，但由于所夹置的膜，具有不同电化学电位的冷却构造和壳体的表面不再/仅部分地通过冷却液以导电方式彼此连接。由于对铝壳体的完全或主要屏蔽，在冷却构造区域内的铝壳体位置处，不会由于添加到冷却液中的添加剂而产生凝胶的析出/沉积。因此，根据本发明，膜最终防止功率模块由于围绕冷却构造的冷却液流被凝胶沉积物完全或部分阻止而发生过热、失效以及功能故障。
8、有利的实施方式在从属权利要求中提出，并在下文中作更详细说明。
9、有利的是，膜朝向冷却构造的界面主要地或处处贴靠于冷却构造。通过这种布置形式，可以使壳体与冷却液分离，并且冷却液仅在根据冷却回路需要将冷却液供给至冷却构造或从冷却构造导出冷却液的区域与壳体接触。通过将壳体相对于冷却液进行密封，可以实现对冷却液流的改进利用。在密封件的壳体侧支承面的区域中，应设置约1 mm的袋状部即凹陷，以便在装配期间可靠地定位密封件并在运行中防止其滑移。为了提高密封件的寿命，进一步有利的是，功率模块的冷却构造是圆角的或者至少不是锐边的，以防止在运行中于膜与框架/环之间的过渡部/接缝处对密封件造成损伤。
10、进一步有利的是，密封件具有框架/环，膜布置在该框架/环内。通过这种方式，膜的位置在装配期间以及在运行期间均被确定。此外，在制造密封件期间，膜可以容易地被集成到注塑模具中。因此，制造密封件的附加成本有利地较低。关于制造，还进一步有利的是，相对于现有技术增宽密封件。通过增宽的密封件，膜可以过渡到其中一个密封唇中，由此有利地保证了可制造性。通过设有另一个与膜分离的密封唇的结构，密封功能得以保持。通过支承在上方两个密封唇以及下方密封唇和膜上，可以防止密封件在负载下扭曲。由此有利地表明，密封件能够长期实现预定功能。
11、另一有利的实施方式规定，矩形框架/环具有四个支腿，其中至少两个支腿通过膜连接。通过这种构造形式，可以实现壳体相对于冷却液的有利密封，因为在所述至少两个支腿之间的区域中，不存在膜与密封件的框架/环之间的自由过渡部。
12、进一步有利的是，在框架/环与膜之间存在一个长孔，或者在框架/环的两个支腿与膜之间存在两个取向相同且形状相同的长孔。通过这些长孔，在运行期间可以可靠地将冷却液从铝壳体中的冷却通道供给至功率模块的冷却构造，并且从工艺上也是可靠可行的。可以实现冷却液的连续流入和流出。这对于连续散热是有利的，而连续散热是将mosfet的工作温度保持在能够实现功率模块长期运行的范围内所必需的。出于公差原因，此时有利的是，密封件的长孔略大于冷却液开口，从而使冷却液开口的边缘略微暴露。该优点大于壳体表面的一小部分未受到防腐蚀保护这一缺点。
13、此外，通过长孔以及有利地呈矩形的密封件/多个密封件构造，其大多具有近似相等长度的边，因此装配有利地得到简化。这是由于在装配期间，矩形密封件的位置和取向可以通过摄像检查或手动方式可靠识别。
14、此外，有利的是，密封件由弹性和/或柔顺材料构成。由于弹性并因此柔顺材料具有高变形能力，因此可以在一定程度上补偿冷却构造与壳体之间间隙的高度公差。以这种方式，一方面可以更好地利用冷却液流，因为经由冷却构造端面的可能旁通被封闭。另一方面，可替代地，还可以放宽/扩大壳体的公差，从而能够在铝壳体的切削加工中实现更短的节拍时间。
15、另一有利的实施方式规定，密封件完全或部分由塑料制成，优选为乙烯丙烯二烯单体橡胶（epdm）。由于epdm具有高柔性和高弹性，并且结合其仅有轻微吸水倾向以及因此相对于水具有高密封能力，epdm有望使密封件具有长使用寿命。epdm的另一有利特性是在酸性介质中以及尤其是在碱性介质中具有良好的耐受性，这类介质通常是冷却液。由于epdm具有温度耐受性（约-40°c至100°c），从而覆盖pkw/lkw的广泛使用温度范围，并且具有吸收振动的能力，因此epdm尤其也适用于在pkw/lkw中的动态条件下使用。由于可以对密封件进行增强/不增强，并因此进行加固/不加固，因此还能够有利地使密封材料适应更高的负载，这些负载在pkw/lkw运行期间也会由于冷却液流/通过装配/运行伴随产生的力/力矩/振动而出现。
16、进一步有利的是，功率模块具有功率单元，例如晶体管，尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet），其能够实现逆变器电路的功能。
17、可以有利地使用具有不同电化学电位的材料制造壳体和冷却构造，以开发轻量化潜力。在这种情况下，本发明特别能够发挥其优点。否则会发生的腐蚀通过阻止具有不同电化学电位的材料之间的离子交换而得到避免。
18、对于壳体而言，使用诸如铝之类的轻金属，相较于例如钢具有约2/3降低的密度，这对于车辆的轻量化结构是有利的，尤其从降低整车重量以及由此在运行中能够节省燃料资源的可持续性角度来看更是如此。通过对冷却构造使用铜，相较于其他材料，由于铜具有高导热性（约300 w/(mk)），因此在快速导出来自逆变器电路的mosfet/mosfets的热量方面具有优势。
19、有利的是，膜具有凸起结构，通过该结构，膜朝向冷却构造的界面或者膜朝向壳体的界面与壳体间隔开。
20、有利的是，所述结构具有多个凸点。
21、有利的是，所述结构具有肋结构。
22、有利的是，所述肋结构沿膜的一侧呈蛇形延伸。
23、有利的是，在肋结构的部分之间形成有间隙。
24、有利的是，沿膜的界面的结构的形状设计跟随冷却构造的形状设计，使得结构朝向冷却构造的表面直接贴靠于冷却构造朝向结构的表面。
25、有利的是，逆变器具有前述功率模块，该功率模块在密封件的膜夹置其间的情况下固定在壳体的表面上。