功率电子装置及其制造方法与流程

1.本发明描述一种功率电子装置及其制造方法。本功率电子装置设计成具有功率转换器模块，功率转换器模块包括开关装置和第一直流(dc)电压端子元件和第二直流电压端子元件，开关装置具有基板，基板具有第一直流电压导体轨道和第二直流电压导体轨道，第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件以正确的极性以导电方式连接到第一直流电压导体轨道和第二直流电压导体轨道，并且功率电子装置具有第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件，其中每个直流电压端子元件在每种情况下通过材料结合的连接部以正确的极性以导电方式连接到相关联的第一直流电压连接元件。


背景技术：

2.de 10 2009 043 181 a1公开了一种功率转换器装置，功率转换器装置具有多个功率转换器组件，功率转换器组件具有冷却装置、具有功率半导体模块以及每个功率转换器组件具有一个电容器装置。在这种情况下，功率半导体模块相邻于电容器装置布置。功率半导体模块的直流负载端子元件通过平面母线连接到电容器装置，其中该平面母线由具有绝缘中间层的第一和第二金属成形体形成，并且该平面母线在至少一个取向上覆盖电容器装置。通过第一金属成形体以及通过第二金属成形体，两个相邻的功率转换器组件的母线可以低电感方式连接到彼此，第一金属成形体使用第一连接体和第一连接装置连接，第二金属成形体使用第二连接体和第二连接装置连接。第一连接体另外被第二连接体覆盖。
3.de 10 2017 109 706 b3公开了一种功率电子装置，功率电子装置设计成具有功率转换器模块，功率转换器模块具有第一和第二直流电压端子元件以及第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件，在每种情况下，该第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件以正确的极性以导电方式连接到相关联的直流电压端子元件，其中第一和第二直流电压端子元件以及第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件始终形成一个堆叠，其中在每种情况下在它们之间布置有绝缘装置，第一直流电压端子元件在第一主平面中具有由此封闭的第一开口，第二直流电压连接元件在第三主平面中具有由此封闭并且与第一开口对准的第二开口，第二直流电压端子元件和第一直流电压连接元件布置在第二主平面中，并且在开口区域中与彼此横向地间隔开，第二主平面布置于第一主平面和第三主平面之间。在该装置中，夹紧装置以电绝缘的方式延伸通过第一开口和第二开口，从而在第一直流电压端子元件与第一直流电压连接元件之间以及在第二直流电压端子元件与第二直流电压连接元件之间形成导电的夹紧连接。


技术实现要素：

4.考虑到所提及的现有技术，本发明的目的是提出一种具有功率转换器模块的功率电子装置及其制造方法，其中用于功率转换器模块的外部连接的功率转换器模块的直流电压端子元件到直流电压连接元件的连接以低电感的方式并且以材料结合的方式实施。
5.根据本发明，该目的通过功率电子装置来实现，功率电子装置具有功率转换器模
块，功率转换器模块包括开关装置、第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件，开关装置具有基板，基板具有第一直流电压导体轨道和第二直流电压导体轨道，第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件以正确的极性以导电方式连接到第一直流电压导体轨道和第二直流电压导体轨道，并且功率电子装置具有第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件，其中第一直流电压端子元件通过材料结合的第一连接部以正确的极性以导电方式连接到第一直流电压连接元件，其中第二直流电压端子元件通过材料结合的第二连接部以正确的极性以导电方式连接到第二直流电压连接元件，其中在直流电压端子元件和相关联的直流电压连接元件之间的每个连接区域中，沿法线方向观察，第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件以及第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件分别形成堆叠，其中在它们之间分别布置有绝缘装置，并且其中第二直流电压端子元件或第二直流电压连接元件在第一连接部的区域中具有连续的焊接腔。
6.在此，法线方向理解为是指在材料结合的连接部的区域中相应的端子元件或连接元件的主表面的法线方向。这些端子元件和连接元件在那具有相应的表面连接部段，这些表面连接部段也沿该法线方向对准。在此，术语“沿法线方向”应理解为是指正的法线方向和负的法线方向。
7.优选地，相应的材料结合的连接部实施为焊接接头，特别是实施为激光焊接接头。
8.可能优选的是，第一连接部与第二连接部垂直于法线方向即横向地间隔开，并且连接彼此间不具有重叠的区域。
9.特别优选的是，焊接腔设计为窗口或设计为单侧或双侧的收缩。
10.可能优选的是，第一直流电压端子元件或第一直流电压连接元件搁置在支撑装置上，该支撑装置至少在连接的一个的区域中优选地设计为开关装置的壳体的一部分或设计为冷却装置的一部分。
11.也可能有利的是，第一直流电压端子元件或第一直流电压连接元件通过夹紧装置在第一连接部的区域中、优选地紧邻于第一连接部布置在支撑装置上。在这种情况下，夹紧装置可以设计成螺钉连接，其具有至少部分地包围螺钉的绝缘套筒，并且因此能够以电绝缘的方式穿过在第一直流电压端子元件中的开口，并且优选地还穿过在第二直流电压连接元件中的开口。
12.有利的是，第一直流电压端子元件布置在第一主平面中，第二直流电压端子和第一直流电压连接元件布置在第二主平面中，以及第二直流电压连接元件布置在第三主平面中，或者其中第一直流电压连接元件布置在第一主平面中，第二直流电压连接元件和第一直流电压端子元件布置在第二主平面中，以及第二直流电压端子元件布置在第三主平面中，并且主平面在法线方向上堆叠。
13.原则上，可能有利的是，两个堆叠的绝缘装置在第一连接部和第二连接部之间的区域中彼此重叠。
14.每个相应的直流电压端子元件优选地设计为金属箔或金属片，其厚度优选为300μm至2000μm，特别优选为500μm至1500μm。还优选的是，每个绝缘装置由具有高电介质强度的塑料材料形成，特别是由聚酰亚胺、乙烯四氟乙烯共聚物或液晶聚合物形成，其厚度优选地为50μm至500μm，特别优选为75μm至150μm。
15.可能有利的是，直流电压连接元件形成功率转换器模块的直流电压源并且优选地
设计为电容器装置的一部分。
16.该目的另外通过一种用于制造上述装置的方法来实现，其具有以下步骤，其中步骤b)和c)也可以相反的顺序或并行地实现：
17.a.相对于具有第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件的电容器装置，将具有第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件的功率转换器模块以这种方式布置，使得第一直流电压连接元件的表面连接部段由此搁置在相关联的第一直流电压端子元件的表面连接部段上，第二直流电压连接元件的表面连接部段由此搁置在相关联的第二直流电压端子元件的表面连接部段上，以及第一直流电压端子元件或第一直流电压连接元件的表面连接部段对于焊接装置而言是可以通过第二直流电压端子元件或第二直流电压连接元件的焊接腔接近的，表面连接部段与相关联的表面焊接部段相对地定位；
18.b.借助于通过焊接腔的第一直流电压连接元件到第一直流电压端子元件的激光焊接来形成材料结合的第一连接部；
19.c.借助于第二直流电压连接元件到第二直流电压端子元件的激光焊接来形成第二连接部。
20.这样做，可能优选的是，在两个激光焊接过程中的激光束从相同的法线方向、优选地为负的法线方向作用在相应的表面焊接部段上。
21.表面连接部段确定了端子元件和连接元件的在其中形成材料结合的连接部(即，优选的激光焊接接头)的那些部分。相应的表面焊接部段确定了端子元件和连接元件的激光作用于其上以形成连接的那些部分。
22.当然，只要不固有地或不明确地排除这种情况，在根据本发明的装置中，以单数形式提及的特征，特别是功率转换器模块，也可以存在多个。
23.不言而喻，本发明的各个实施例可以单独地或以任何组合的方式实施，以实现改进。特别地，在没有背离本发明的范围的情况下并且不管是否在装置或方法的上下文中公开它们，上文以及下文中提及和解释的特征不仅可以示出的组合使用，而且还可以其他组合或单独地使用。
附图说明
24.从在图1至图6中示意性示出的本发明的示例性实施例的以下描述或从其相应的部分，本发明的进一步解释、有利的细节和特征是显而易见的。
25.图1以剖视图示出第一功率电子装置的细节以及根据本发明的方法的特征。
26.图2以剖视图示出第二功率电子装置的细节。
27.图3以剖视图示出第三功率电子装置的细节以及根据本发明的方法的特征。
28.图4示出根据本发明的方法的基本步骤。
29.图5示出根据本发明的方法的变型的基本步骤。
30.图6示出根据本发明的功率电子装置的三维视图。
具体实施方式
31.图1以剖视图示出第一功率电子装置的细节以及根据本发明的方法的特征。该图示出功率转换器模块2，功率转换器模块2具有开关装置4，该开关装置4布置在金属底板3
上，金属底板3在此设计为液体冷却装置。为了提供从液体冷却装置3的电绝缘以及到液体冷却装置3的热耦合，该开关装置4具有绝缘材料体40，绝缘材料体40实现为陶瓷体。在背离液体冷却装置3的一侧上，该陶瓷体40具有多个导体轨道42，这些导体轨道42在开关装置4的操作中具有不同的电势。这些导体轨道42的一个(即，第一直流电压导体轨道)具有第一直流电压电势，而另外的第二直流电压导体轨道具有第二直流电压电势。作为示例，开关装置4形成功率转换器电路。
32.在这些导体轨道42中的至少一个上，功率半导体装置44以标准方式布置并连接以形成电路，该导体轨道42与绝缘材料体40一起形成开关装置4的基板。在该实施例中的连接实施为标准膜复合物46，其由交替堆叠的导电膜和电绝缘膜制成。
33.为了外部连接，功率转换器模块2具有两个直流电压端子元件50、52，该直流电压端子元件50、52分别以导电的方式连接到直流电压导体轨道42，直流电压导体轨道42承载有直流电压电势。该连接以标准方式实施，在不受一般性限制的这种情况下，实施为压力烧结连接。这些直流电压端子元件50、52用于与相关联的直流电压连接元件60、62进行连接，该直流电压连接元件60、62优选地连接至电容器装置。
34.在该实施例中，第一直流电压端子元件50搁置在壳体20的支撑表面240上。第二直流电压端子元件52相对于第一直流电压连接元件50凹进地终止，结果是其表面连接部段500是可从上方(即在负的法线方向上，即也是在负的z方向上)接近的。在方法步骤a)之后，第一直流电压连接元件60的表面连接部段600搁置在相关联的第一直流电压端子元件50的表面连接部段500上。同样地，第二直流电压连接元件62的表面连接部段620搁置在相关联的第二直流电压端子元件52的表面连接部段520上。第一直流电压连接元件60相对于第二直流电压连接元件62凹进地终止。因此，相应的接触表面与彼此横向地间隔开，即垂直于相应的表面连接部段的法线方向n间隔开。
35.在第一直流电压端子元件50的表面连接部段500的区域中，其路线由第一主平面he1限定。第二直流电压端子元件52的表面连接部段520的区域和第一直流电压连接元件60的表面连接部段600的区域限定了第二主平面he2，第二主平面he2在法线方向n(在这种情况下，为正z方向)上紧随第一主平面。第二直流电压连接元件62的表面连接部段620的区域限定了第三主平面he3，其在法线方向n上紧随第二主平面。
36.表面焊接部段622对于来自负的法线方向n的焊接激光器的激光束而言是能够接近的，表面焊接部段622与第二直流电压连接元件62的表面连接部段相对，因此布置在相对的主表面上。焊接激光器的第一激光束700在第二直流电压连接元件62的表面焊接部段622上的作用形成第一连接部，从而在此形成第一焊接接头，该第一连接部在第二直流电压端子元件52和第二直流电压连接元件62之间。
37.第二直流电压连接元件62具有在法向方向n(在此是z方向)上的焊接腔630，该焊接腔630与第一直流电压端子元件50的表面连接部段500和第一直流电压连接元件60的表面连接部段600对准，还参考图4。该焊接腔630形成窗口，第一直流电压连接元件60的表面焊接部段602对于激光束而言是可通过该窗口接近的。焊接激光器的第二激光束720在第一直流电压连接元件60的表面焊接部段602上的作用形成第二连接部，从而在此形成第二焊接接头，该第二连接部在第一直流电压端子元件50和第一直流电压连接元件60之间。
38.在直流电压端子元件50、52与直流电压连接元件60、62之间的连接的区域中，第一
直流电压端子元件50和第二直流电压端子元件52因此形成堆叠，其中在两个直流电压端子元件50、52之间布置有绝缘装置54，并且其在图2中以示例性形式示出。第一直流电压端子元件50搁置在功率转换器模块2的壳体20(仅部分地示出)的支撑表面240上。在该实施例中，该壳体20仅实施为部分壳体22，并且因此没有如将是可能那样地完全封闭开关装置4。
39.功率转换器模块2的壳体20本身由耐高温的塑料形成，在此由聚苯硫醚形成，该耐高温的塑料也具有高的抗弯强度。直流电压端子元件50、52以及直流电压连接元件60、62实施为厚度为700μm的薄金属片，在此更精确地是铜片。在直流电压端子元件50、52之间以及在直流电压连接元件60、62之间的每个绝缘装置54、64均由具有高电介质强度的塑料制成，在此由乙烯四氟乙烯共聚物或液晶聚合物制成，其具有的厚度为100μm。
40.图2以剖视图示出第二功率电子装置的细节。这与第一设计的不同之处在于，在此还存在夹紧装置74，该夹紧装置74已经实施为螺钉连接4。
41.在此，第一直流电压端子元件50具有开口500，以及第二直流电压端子元件52相对于该第一开口凹进地终止。类似地，第二直流电压连接元件62具有开口，并且第一直流电压连接元件60相对于该开口凹进地终止。此外，壳体20还具有与这些开口对准的开口。因此，所有开口与彼此对准地布置，其中，螺钉连接740的螺钉穿过所有开口，并且端子元件和连接元件固定在壳体20上。替代地，但未示出，螺钉连接的螺钉也可以接合在装配有内螺纹的冷却装置3的另一开口中，并且从而将功率转换器模块附加地固定到其上。
42.还示出了第一连接部70和第二连接部72，它们以与针对图1描述的相同的方式形成。还示出在第一直流电压连接元件60和第二直流电压连接元件62之间的绝缘装置64的焊接腔650。该焊接腔650优选小于第二直流电压连接元件62的焊接腔，并且在法线方向n上与其对准。
43.图3以剖视图示出第三功率电子装置1的细节以及根据本发明的方法的特征。与根据图1和图2的第一实施例相比，在这种情况下，第一直流电压连接元件60以电绝缘的方式实际上直接地并且因此以优异的热导率搁置在冷却装置3上。为此目的并且纯粹作为示例，冷却装置具有隆起部30，隆起部具有支撑表面340。
44.在方法步骤a)之后，第一直流电压端子元件50以其表面连接部段500搁置在第一直流电压连接元件60的表面连接部段600上。同样，第二直流电压端子元件52以其表面连接部段520搁置在第二直流电压连接元件62的表面连接部段620上。
45.第二直流电压端子元件52以及布置在该第二直流电压端子元件52与第一直流电压端子元件50之间的绝缘装置54分别具有与彼此齐平地对准的焊接腔530、550。在这种情况下，第二直流电压端子元件52的焊接腔530再次具有比绝缘装置54的焊接腔550更大的直径。
46.使用焊接激光器的第一激光束700在表面焊接部段502上的作用来形成第一焊接接头，该表面焊接部段502与第一直流电压端子元件50的表面连接部段500相对地定位并且是能够通过焊接腔530、550接近的。
47.同样，焊接激光器的第二激光束720在表面焊接部段622上的作用在第二直流电压端子元件52和第二直流电压连接元件62之间形成了第二焊接接头，表面焊接部段622与第二直流电压连接元件62的表面连接部段620相对。
48.图4以平面图示出从法线方向n、即从z方向到端子元件和连接元件上的根据本发
明的方法的基本步骤。
49.该图的顶部部分示出具有其表面连接部段500的第一直流电压端子元件50和具有其表面连接部段520的第二直流电压端子元件52。
50.在其下方还另外示出第一直流电压连接元件60，该第一直流电压连接元件60以其表面连接部段搁置在第一直流电压端子元件50的表面连接部段500上。第一电压连接元件60具有表面焊接部段602，其与表面连接部段相对地定位。因此，两个部段都位于直流电压连接元件60的相对的主表面上。
51.还示出第二直流电压连接元件62，该第二直流电压连接元件62以其表面连接部段搁置在第二直流电压端子元件52的表面连接部段520上。第二电压连接元件62包括表面焊接部段622,其与表面连接部段相对地定位。因此，两个部段都位于直流电压连接元件62的相对的主表面上。
52.该第二直流电压连接元件62还具有窗口状的焊接腔630，该窗口状的焊接腔630与第一直流电压连接元件60的表面连接部段600对准地形成，但是正如在此示出的不一定是重合的。通过该焊接腔630，第一直流电压连接元件60的表面焊接部段602对于来自法线方向的激光束是能够接近的。
53.还示出了激光轨道704，该激光轨道704是在第二直流电压连接元件62的表面焊接部段622上形成第二连接部时通过激光焊接产生的。还示出了激光轨道724，该激光轨道724是通过穿过在第一直流电压连接元件60的表面焊接部段602上的焊接腔630的激光焊接而形成的。
54.图5示出根据本发明的方法的变型的基本步骤。在该变型中，焊接腔630设计为双侧的收缩632，在此是不对称的收缩632。
55.图6示出根据本发明的功率电子装置的三维视图。示出的所有基本元件都已经在上文进行了描述，但是所有端子元件和连接元件都具有成角度的部段，该部段用于对准法向矢量，并因此在x方向上对准与其相关的所有层。