電功率模塊設(shè)置的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電功率模塊(14)，包括功率晶體管(15)和用于控制所述功率晶體管(15)的控制組件(17)，具體而言，所述模塊(14)通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)冷卻。本發(fā)明的所述模塊還包括：承載所述功率晶體管的AMB/Si3N4型主基板(16)，這一主基板(16)自身通過(guò)被設(shè)置在所述模塊(14)中以與承載結(jié)構(gòu)(21)直接接觸來(lái)構(gòu)成用于散發(fā)所述功率晶體管(15)所產(chǎn)生的熱量的散熱底板，所述承載結(jié)構(gòu)(21)通過(guò)在所述模塊(24)就位時(shí)進(jìn)行傳導(dǎo)來(lái)提供冷卻；以及承載所述控制組件(17)的陶瓷基板(18)，這一陶瓷基板(18)自身由所述主基板(16)承載。
【專利說(shuō)明】電功率模塊設(shè)置
[0001]本發(fā)明涉及被設(shè)計(jì)成通過(guò)使其與它所控制的致動(dòng)器相鄰而用在航空類應(yīng)用中的電功率模塊，這需要嚴(yán)峻環(huán)境中的高可靠性以及低重量和低體積。

【背景技術(shù)】
[0002]這樣的反相器模塊被設(shè)計(jì)成置于電源與電磁致動(dòng)器之間，用于將電功率信號(hào)注入致動(dòng)器的電馬達(dá)，所述功率信號(hào)具有依賴于發(fā)送給該模塊的命令的且隨時(shí)間變化的頻率。
[0003]作為示例，這一類型的模塊可被用來(lái)根據(jù)命令以及可持續(xù)變化的工作條件來(lái)移動(dòng)飛機(jī)的副翼或其他空氣動(dòng)力學(xué)元件。
[0004]在實(shí)踐中，這樣的模塊接收控制指令，并且根據(jù)這些指令，它調(diào)整遞送給致動(dòng)器的功率信號(hào)的頻率以及所述功率信號(hào)的其他參數(shù)。
[0005]這樣的模塊(其一部分在圖1的圖解剖面中示出并在本文中被稱為I)包括由功率基板3承載的功率晶體管2，功率基板3自身由銅底板4承載以散發(fā)功率晶體管所產(chǎn)生的熱量。它還包括控制功率晶體管的控制組件6和與其他組件9 一起提供的接口卡8，控制組件6被另一基板7承載。
[0006]如在圖1中可見(jiàn)的，承載控制組件6的基板7位于由承載它們的功率基板3和底板4所形成的組裝件上方，同時(shí)也與所述組裝件間隔開(kāi)，從而使得可能減少將控制組件連接到功率晶體管2的連接11的長(zhǎng)度。
[0007]功率基板3 (它們一般是直接敷銅/鋁氧化物(DBC/A1203)類型)在它們的頂面上具有用于接納功率晶體管2的銅軌且它們的底面敷有銅。
[0008]每一功率基板3通過(guò)焊接到銅底板4的頂面而緊固到所述底板，并且所述銅底板2的相對(duì)面鄰接載體結(jié)構(gòu)，所述載體結(jié)構(gòu)構(gòu)成用于通過(guò)在組裝件就位雙時(shí)通過(guò)傳導(dǎo)來(lái)冷卻模塊I的熱阱，所述模塊的最熱部分是其功率晶體管。
[0009]發(fā)明目的
[0010]本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種在可靠性、緊致性、以及重量方面比已知模塊更令人滿意的電功率模塊結(jié)構(gòu)。
發(fā)明概要
[0011]為此，本發(fā)明提供了一種電功率模塊，包括功率晶體管以及用于控制所述功率晶體管的控制組件，所述模塊通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)冷卻，并且所述電功率模塊特征在于它還包括:
[0012]-承載功率晶體管的活性金屬接合/氮化硅(AMB/Si3N4)型主基板，這一主基板自身通過(guò)設(shè)置在所述模塊中以與承載結(jié)構(gòu)直接接觸來(lái)構(gòu)成用于散發(fā)功率晶體管所產(chǎn)生的熱量的散熱底板，所述承載結(jié)構(gòu)通過(guò)在所述模塊就位時(shí)進(jìn)行傳導(dǎo)提供冷卻；以及
[0013]-承載所述控制組件的陶瓷基板，這一陶瓷基板自身由所述主基板承載。
[0014]使用這一設(shè)置，附加的銅層不再是必需的，因?yàn)樯嵬ㄟ^(guò)承載所有功率晶體管的基板來(lái)直接提供。所述模塊的組件的數(shù)量因而減少，從而使得提高其可靠性、降低其重量以及提高其緊致性成為可能。
[0015]本發(fā)明還提供以上定義的模塊，其中主基板的軌道以及主基板所承載的陶瓷基板的軌道通過(guò)導(dǎo)線互連，這些導(dǎo)線中的每一個(gè)的一端接合到主基板的軌道以及另一端接合到陶瓷基板的軌道。
[0016]本發(fā)明還提供以上定義的模塊，其中所述陶瓷基板是厚層氧化鋁類型。
[0017]本發(fā)明還提供以上定義的模塊，進(jìn)一步包括功率連接墊，功率連接墊中的每一個(gè)是一條傳導(dǎo)金屬板的形式，該金屬板條被切出并折疊以容納夾緊卡式螺母，每一個(gè)墊通過(guò)將構(gòu)成它的經(jīng)折疊的金屬板條的一端或多端接合到主基板的軌道來(lái)被緊固到所述基板，每一螺母被設(shè)置成接納緊固螺栓以將電源部件緊固到該墊。
[0018]本發(fā)明還提供以上定義的模塊，進(jìn)一步包括由銅層和Kapton層構(gòu)成的疊層部件形式的并具有孔形式的端子的功率總線，這一總線通過(guò)穿過(guò)所述模塊并旋緊到所述墊上的緊固螺栓來(lái)被緊固到所述模塊的其余部分。
[0019]本發(fā)明通過(guò)以上定義的模塊，包括金屬機(jī)架，并且其中所述功率總線具有在所述總線就位時(shí)緊靠所述機(jī)架的銅層，以此方式與機(jī)架進(jìn)行協(xié)作來(lái)構(gòu)成法拉第籠。
[0020]附圖簡(jiǎn)述
[0021]圖1 (以上描述)是從現(xiàn)有技術(shù)已知的模塊設(shè)置的局部圖解剖視圖；
[0022]圖2是本發(fā)明的設(shè)置的局部圖解剖視圖；
[0023]圖3是示出由本發(fā)明的模塊的主基板承載的功率連接墊的視圖；
[0024]圖4是示出連接到本發(fā)明的模塊的功率總線的功率連接墊的視圖；
[0025]圖5是本發(fā)明的模塊的功率連接墊的俯視立體圖；
[0026]圖6是本發(fā)明的模塊的功率連接墊的俯視立體圖；
[0027]圖7是本發(fā)明的功率模塊的功率總線的俯視圖；
[0028]圖8是示出構(gòu)成其堆疊的各層的本發(fā)明的模塊的功率總線的分解視圖；以及
[0029]圖9是本發(fā)明的模塊的功率總線的立體圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明的基本概念是將合適的單個(gè)共同主基板上的各功率晶體管編組在一起，以避免對(duì)附加散熱底板的需求。這使得降低所得組裝件的尺寸和重量成為可能，同時(shí)還消除了由將功率基板焊接到銅底板上所引起的可靠性不確定性。
[0031]這樣的焊接造成已知模塊的由于這些模塊遭受的不同膨脹而引起的故障源，從而將焊接壓迫到使其破裂的點(diǎn)或的確破壞它的點(diǎn)。
[0032]更確切地，根據(jù)本發(fā)明，支撐功率晶體管的主基板是單個(gè)AMB/Si3N4型基板。這一類型的基板具有使其隨工作周期增加機(jī)械和熱強(qiáng)度的機(jī)械和熱特性，使得它還可構(gòu)成散熱底板而沒(méi)有被降級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0033]在本發(fā)明的在圖2中圖解地示出的并且在此中被稱為14的模塊中，構(gòu)成所述模塊的功率橋的各功率晶體管15由AMB/Si3N4型的共同主基板14來(lái)承載，該AMB/Si3N4型主基板在其頂面上提供銅軌且其底面也由銅制成。
[0034]為了進(jìn)一步提高緊致性，控制組件17及其相關(guān)聯(lián)的電源電路(它控制功率晶體管15)以及還有溫度探針都由陶瓷18制成的基板來(lái)承載，陶瓷基板自身由主基板16直接承載，同時(shí)被粘合到主基板。
[0035]有利地，陶瓷基板18是厚層氧化鋁類型，以具有良好的熱傳導(dǎo)性，從而便于有效排除控制組件所產(chǎn)生的熱量。
[0036]所有功率晶體管和控制它們的所有組件因而在由主基板16構(gòu)成的同一共同支撐件上被編組在一起，主基板16還擔(dān)當(dāng)散熱底板。
[0037]如圖2所示，控制組件17經(jīng)由接合線19連接到功率晶體管15，接合線19將位于陶瓷基板18的頂面上的軌道連接到位于主基板15的頂面上的軌道。
[0038]在現(xiàn)有技術(shù)中，每一功率晶體管15通過(guò)直接接合(焊接)到功率基板16的軌道來(lái)連接到所述軌道，并且它經(jīng)由接合(焊接)到晶體管的頂面以及所述軌道的導(dǎo)線來(lái)連接到所述基板的頂面的另一軌道，所使用的功率晶體管是不具有保護(hù)封裝的晶體管。
[0039]如圖2所示，主基板16被直接抵靠承載結(jié)構(gòu)21安裝，在本發(fā)明的模塊就位時(shí)承載結(jié)構(gòu)21形成熱阱，以此方式來(lái)有效地冷卻功率晶體管。換言之，在本發(fā)明的組裝件的底部的主基板還構(gòu)成所述模塊的散熱底板。
[0040]另外，陶瓷基板所承載的控制組件在物理上非常接近它們控制的功率晶體管，從而給予該系統(tǒng)更好的功能行為。
[0041]承載其他組件23的接口卡22可被置于由功率基板16與它所承載的各元件(即，功率晶體管、陶瓷基板、以及各控制組件)構(gòu)成的組裝件的上方。這一接口卡22隨后與由主基板16及它所承載的各元件構(gòu)成的組裝件間隔開(kāi)，同時(shí)與該組裝件平行地延伸。
[0042]以互補(bǔ)的方式，粘合到功率基板的金屬框架24使得將所述基板及其各元件緊固到所述接口卡22，同時(shí)限定圍起功率晶體管及其控制部件的內(nèi)部空間。這一內(nèi)部空腔有利地用凝膠來(lái)填充以保護(hù)這些電子元件。
[0043]如上所示，電子模塊遭受到相當(dāng)大的循環(huán)溫度變化，從而造成可使其各組件在機(jī)械上被壓迫到使這些組件降級(jí)的點(diǎn)的不同膨脹。
[0044]在這一上下文中，本發(fā)明的模塊配備由其主基板16承載的用于對(duì)所述模塊供電的功率連接墊26，并且所述模塊經(jīng)由所述功率連接墊遞送其功率信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明，所述墊被設(shè)計(jì)成具有某種彈性量，以便更好地承受不同膨脹的影響。
[0045]如可從圖5中看到的，每一個(gè)墊26具有板狀金屬元件，該金屬元件被切出并折疊以首先容納卡式螺母且其次限定折疊進(jìn)去以成為共面的兩端凸板，從而使得能夠通過(guò)焊接到基板16的軌道而被緊固。
[0046]一旦就位，即一旦焊接到主基板16，每一連接墊26就接收螺栓27旋入它所圍起的螺母的螺紋，以緊固功率電連接條，這些條在圖6中被引用為28。
[0047]如可在圖5和6中看到的，一旦它們被焊接到主基板16，各個(gè)墊26 (它們是相同的)的頂面就全部在同一水平上，從而一旦該組裝件就位，就維持連接條28與主基板16之間的空隙。
[0048]如可理解的，條28通過(guò)螺栓27被緊固到墊26，螺栓27穿過(guò)所述條的端部中提供的孔且旋入墊26中，以在所述螺栓頭部27與所述墊26的主體之間夾緊所述連接條28的所述端部。
[0049]每一個(gè)墊26是從一條銅板29制造的，所述墊被切出以限定基本上矩形的輪廓且具有位于兩個(gè)主凸板32和33之間的中心孔31，所述主凸板彼此對(duì)齊地延伸并且與所述矩形輪廓的主端部相對(duì)應(yīng)。
[0050]這一切出條的板29還具有相對(duì)于限定孔31的中心區(qū)域向外徑向延伸的四條舌36、37、38以及39。如可在附圖中看到的，兩個(gè)主凸板和四條舌繞中心孔31彼此間隔開(kāi)60度。
[0051]所述條板29的主凸板32和33以圍起六邊形螺母41并同時(shí)將其拘住的方式向下折疊進(jìn)去。以互補(bǔ)的方式，所述凸板32和33的自由端42和43以共面的方式向外折疊進(jìn)去，從而使得可能將它們焊接到主基板16的銅軌。
[0052]以互補(bǔ)的方式，舌36和38以與條板29的其余部分協(xié)作來(lái)限定將螺母41完全保持固定的籠的方式也向下折疊進(jìn)去，并且舌37和39在相對(duì)的方向上折疊進(jìn)去，以此方式突出在墊26的頂面之外，以將所述墊要接收的連接條28保持就位。
[0053]通過(guò)它們的一般結(jié)構(gòu)，由折疊銅板制成的這些墊26呈現(xiàn)出彈性，由此不存在所述模塊遭受損傷所述模塊或其連接的不同膨脹的風(fēng)險(xiǎn):每一個(gè)墊在不同膨脹的情況下有效地伸縮，從而使得在所述模塊的各組件中引起的機(jī)械壓力相應(yīng)地降低。
[0054]具體而言，每一個(gè)墊26在與折疊進(jìn)去的凸板32和33的主體的軸法線對(duì)應(yīng)的方向上呈現(xiàn)大量彈性。
[0055]本發(fā)明的模塊還包括功率傳輸總線，所述功率傳輸總線經(jīng)由螺栓27連接到墊26且還構(gòu)成包圍所述模塊14的主體或機(jī)架的覆蓋并且在附圖中不可見(jiàn)。
[0056]這一功率總線(在圖7、8以及9中示出)(其中它被引用為44)是傳遞用于對(duì)所述模塊供電的高電流以及所述模塊遞送給它所控制的致動(dòng)器的高電流的功率總線。
[0057]根據(jù)本發(fā)明，這一功率傳輸總線被制造成疊層元件的形式，所述功率傳輸總線基本上是由矩形輪廓限定的平面形狀，所述疊層元件形成銅層和Kapton層的堆疊，所述Kapton形成絕緣體。
[0058]提供了從其經(jīng)度邊緣突出的五個(gè)外部連接舌，這些舌被引用為46a到46e且電連接到位于總線44的中心區(qū)域且是具有導(dǎo)電外部環(huán)的通孔形式的五個(gè)對(duì)應(yīng)端子47a到47e。
[0059]舌46a經(jīng)由它作為其一部分的墊28連接到端子47a，且以類似的方式，舌46b、46c、46d、46e分別經(jīng)由不同的墊28電連接到端子47b、47c、47d以及47e。
[0060]總線44中的這些電連接通過(guò)元件堆疊來(lái)提供，包括圖8中示出的三個(gè)銅層48、49以及50且通過(guò)Kapton層(未示出)彼此絕緣。以互補(bǔ)的方式，兩個(gè)附加層52和53被安裝在總線44的頂面和底面，如可在圖8和9中看到的。
[0061]頂部銅層48是在端子47b到47e處提供有四個(gè)大直徑孔的平板的形式。在端子47a處提供了較小孔以形成這一端子，并且還提供它因而電連接到端子47a的舌46a。
[0062]中間銅層49具有限定舌46a到46e以及端子47b到47e的四個(gè)不同銅元件。如可理解的，這四個(gè)元件中的每一個(gè)構(gòu)成圖4的四個(gè)墊28之一。換言之，這四個(gè)元件分別將舌46b到46e連接到端子47b到47e，同時(shí)以彼此電絕緣的方式來(lái)被布置。每一端子47b到47e以相對(duì)小直徑的孔的形式被限定在這些元件之一中。另外，經(jīng)由端子47a穿過(guò)的元件具有所述端子處的大直徑孔(圖8中不可見(jiàn))。
[0063]底層50是由基本上矩形輪廓限定的單個(gè)銅盤的形式，并且在總線44被緊固到所述模塊的機(jī)架時(shí)，所述底層50緊靠所述機(jī)架，使得它與所述模塊的機(jī)架協(xié)作來(lái)限定法拉第籠，即將所述模塊的內(nèi)部組件與外部電磁干擾隔離開(kāi)的籠。
[0064]如可理解的，這一底部銅層50在端子47a到47e處提供有五個(gè)大直徑孔。
[0065]如在圖8中可看到的，底部絕緣層53具有基本上小于盤50的尺寸的尺寸，以此方式使得所述盤的輪廓是清晰的，以便在所述組裝件就位時(shí)與所述模塊的機(jī)架電接觸。
[0066]兩個(gè)附加Kapton層分別置于層48和49之間以及層49和50之間，使得這些層彼此完全電絕緣。
[0067]以互補(bǔ)的方式，所述功率總線44承載安裝在頂部絕緣層52上的兩個(gè)電容器(引用為55和56)，這些電容器中的每一個(gè)首先連接到頂部銅層48，且其次連接到中間銅層49，中間銅層49將舌46b連接到端子47b。
[0068]如在圖9中可看到的，一旦總線44在它所裝備的本發(fā)明的模塊的機(jī)架上就位，螺栓27就在端子47a到47e中的每一個(gè)處穿過(guò)所述總線，以便夾緊由主基板16承載的彈性墊26。這樣的總線因而既圍起所述機(jī)架或封裝(從而構(gòu)成將反相器在電磁上絕緣的法拉第籠)，又通過(guò)舌46a到46e構(gòu)成到電源裝置的連接以及到致動(dòng)器的連接。
【權(quán)利要求】
1.一種電功率模塊(14)，包括功率晶體管(15)和用于控制所述功率晶體管(15)的控制組件(17)，所述模塊(14)通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)冷卻，且所述電功率模塊的特征在于它進(jìn)一步包括: 承載所述功率晶體管的AMB/Si3N4型主基板(16)，該主基板(16)自身通過(guò)被設(shè)置在所述模塊(14)中以與承載結(jié)構(gòu)(21)直接接觸來(lái)構(gòu)成用于散發(fā)所述功率晶體管(15)所產(chǎn)生的熱量的散熱底板，所述承載結(jié)構(gòu)(21)通過(guò)在所述模塊(24)就位時(shí)進(jìn)行傳導(dǎo)來(lái)提供冷卻；以及 承載所述控制組件(17)的陶瓷基板(18)，這一陶瓷基板(18)自身由所述主基板(16)承載。
2.如權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于，所述主基板(16)的軌道以及所述主基板(16)所承載的所述陶瓷基板(18)的軌道通過(guò)導(dǎo)線(19)互連，所述導(dǎo)線(19)中的每一個(gè)的一端接合到所述主基板(16)的軌道而另一端接合到所述陶瓷基板(18)的軌道。
3.如權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于，所述陶瓷基板(18)是厚層氧化鋁類型。
4.如任何前述權(quán)利要求所述的模塊，其特征在于，還包括功率連接墊(26)，所述功率連接墊(26)中的每一個(gè)是一條傳導(dǎo)金屬板(29)的形式，該金屬板條被切出并折疊以容納夾緊卡式螺母(41)，每一個(gè)墊(26)通過(guò)將構(gòu)成它的經(jīng)折疊的金屬板條的一端或多端接合到所述主基板(16)的軌道來(lái)被緊固到所述基板，每一螺母(41)被設(shè)置成接納緊固螺栓以將電源部件緊固到所述墊。
5.如權(quán)利要求4所述的模塊，其特征在于，還包括由銅層和Kapton層構(gòu)成的疊層部件形式的并具有孔形式的端子(47a-47e)的功率總線(44)，該總線通過(guò)緊固螺栓(27)在被旋緊到所述墊(26)中的同時(shí)穿過(guò)所述模塊來(lái)被緊固到所述模塊的其余部分。
6.如權(quán)利要求5所述的模塊，其特征在于，包括金屬機(jī)架，并且其中所述功率總線(44)具有在所述總線(44)就位時(shí)緊靠所述機(jī)架的銅層(50)，以此方式與所述機(jī)架進(jìn)行協(xié)作來(lái)構(gòu)成法拉第籠。
【文檔編號(hào)】H01L23/373GK104321870SQ201380025349
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2013年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月16日
【發(fā)明者】O·羅什 申請(qǐng)人:薩甘安全防護(hù)公司