專(zhuān)利名稱(chēng)：電力電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子裝置。
尤其適用于軌道牽引的電力電子裝置包括一個(gè)銅制的導(dǎo)性基底，它附著有導(dǎo)體-絕緣體-導(dǎo)體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有熱傳遞和電絕緣功能。每個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)頂層構(gòu)成一個(gè)基底，其上二極管和絕緣門(mén)雙極晶體管(IGBT)以與有關(guān)的電子裝置的特性不同的布置放置。功率半導(dǎo)體電路由錫-鉛或錫-鉛-銀軟焊料固定。
二極管和IGBT的自由面由一個(gè)或多個(gè)連接端子覆蓋，連接到每個(gè)端子的是典型地具有380至500微米數(shù)量級(jí)的直徑的焊接鋁導(dǎo)線。導(dǎo)線的另一端被焊接到形成一個(gè)反相器支路的復(fù)合結(jié)構(gòu)的一個(gè)頂層導(dǎo)性基底上。
然而現(xiàn)有技術(shù)中公知的上述設(shè)計(jì)具有一些缺點(diǎn)。上述電力電子裝置由于包括大量鋁導(dǎo)線而使制造復(fù)雜。而且這些電力電子裝置的表面積相當(dāng)大，從而它增加了裝配裝置的總體積，并產(chǎn)生寄生電感現(xiàn)象，它危及電子操作。
本發(fā)明的目的是提供一種電力電子裝置，它能克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。為此，該電力電子裝置包括一個(gè)導(dǎo)性基底，其上有由二極管和絕緣門(mén)雙極晶體管形成的半導(dǎo)體電路的第一平面布置，所述半導(dǎo)體電路具有連接端子、相同的第一和第二平面布置以及第一和第二平面導(dǎo)體陣列；每個(gè)所述平面陣列38B包括至少一個(gè)順序的一行絕緣門(mén)雙極晶體管的共控制極；所述第一平面陣列和所述第二平面陣列的導(dǎo)性匯流條分別形成所述第一平面布置和第二平面布置的絕緣門(mén)雙極晶體管的共射極。
下面本發(fā)明結(jié)合附圖通過(guò)非限制性的實(shí)施例進(jìn)行描述，其中

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的反相器分路的元件部分的剖開(kāi)立體圖2是反相器分路的軸截面視圖；圖3是在沿圖2中線III-III的部分截面圖；圖4是示出本發(fā)明的反相器分路的一個(gè)導(dǎo)性匯流條到一個(gè)二極管的裝配；圖5是前圖中示出的反相器分路的電路圖。
圖中示出根據(jù)本發(fā)明的反相器分路1的制造。形成第一平面半導(dǎo)體電路布置的二極管4和IBGT 6被放置在例如由銅制成的底基板2上。二極管4和IGBT 6通過(guò)相應(yīng)的錫-鉛焊接層8和10以公知方式固定在基底2上。通常每個(gè)二極管4具有單個(gè)的連接端子12，每個(gè)IGBT具有一個(gè)中央端子14和多個(gè)周?chē)俗?6。在示出的例子中，基底支撐九個(gè)二極管和四個(gè)IGBT，但熟練技術(shù)人員可以根據(jù)所完成的反相器分路的需要的特性選擇不同數(shù)目的電路。
一個(gè)導(dǎo)電匯流條18位于半導(dǎo)體電路4，6的端子12，14，16的自由面。匯流條18具有分別由頂肩和底肩24A和24B分隔的一個(gè)薄端部分20和一個(gè)厚端部分22。頂肩部24A的尺寸是這樣的，它使得匯流條18保持在基本上平行于基底2的平面的電路4，6上。
二極管104和IGBT 106位于薄部20和主部22的頂層表面而形成與上述第一布置相同的半導(dǎo)體電路第二布置。二極管104和IGBT 106分別通過(guò)焊接層108，110固定。二極管具有單個(gè)端子112，而IGBT具有一個(gè)中央端子114和側(cè)端口116。頂肩部24A的尺寸是這樣的，它使得端子112，114，116的頂表面基本上位于與基底2平行的公共面。
凹槽26形成于匯流條18的主部22的低表面。凹槽26接受以電氣互連連條28A和28B形式的兩個(gè)導(dǎo)性部件。第一個(gè)連條28A覆蓋于順序放置的第一行(R1)IGBT的的中央端子114，而第二個(gè)連條28B覆蓋第二行(R2)的IGBT的中央端子，如圖3所示。則連條28A，28B形成連接并行的兩行IGBT(R1，R2)的兩個(gè)控制極(gate)。
當(dāng)反相器支路已裝配好，匯流條18上的凹槽26的邊緣位于每個(gè)IGBT 6的側(cè)端子16上。因而匯流條18構(gòu)成對(duì)于所有IGBT的共射極。注意凹槽26和連條28的各自的尺寸以使得連條28與匯流條18電氣絕緣。從而連條28和匯流條18的底表面形成相互絕緣的導(dǎo)性部件的一個(gè)平面陣列。
現(xiàn)在結(jié)合圖4說(shuō)明匯流條18的薄部20是如何與基底2上支承的二極管4固定的。
第一步是例如通過(guò)噴涂工藝將大約0.8微米厚的鈦-鎳-金多層涂層30沉積于二極管4的端子12的自由面上。
然后其尺寸對(duì)應(yīng)于端子12的尺寸的錫-鉛-銀凸臺(tái)32放置在多層涂層30上。在本例中，該凸臺(tái)含有大約2％錫，95.5％鉛和2.5％銀。注意多層涂層30極好地將凸臺(tái)32機(jī)械固定于端子12上。
下一步是使匯流條18的薄部20的底表面與每個(gè)凸臺(tái)32相接觸并通過(guò)將凸臺(tái)加熱到例如大約330℃ 10秒鐘來(lái)熔化每個(gè)凸臺(tái)。這使端子12固定到匯流條18上。
上述例子只提及將匯流條18的薄部20固定到二極管4的端子12上。當(dāng)然，利用同樣的處理可將匯流條18的主部22固定到IGBT 6的側(cè)端子16，和連條28A和28B固定到IGBT 6的中央端子14。
制造反相器支路1的最后一步是將另一個(gè)附加的導(dǎo)性匯流條34附著于由匯流條18在與基底2相對(duì)側(cè)支承的導(dǎo)性電路104，106上。匯流條34具有接收與前述的連條28A和28B類(lèi)似的導(dǎo)性連條34A和34B的槽口36。連條38A和38B是電氣互連的，構(gòu)成在與基底2相對(duì)側(cè)的附加導(dǎo)性部件。
在一種類(lèi)似于參照電路4和6所述的方式中，一旦反相器支路組裝好，附加導(dǎo)性匯流條34就覆蓋在所有二極管104的端子112和IGBT 106的周?chē)俗?16上。因而匯流條34構(gòu)成了對(duì)于所有IGBT的共射極。而且第一附加連條38A覆蓋在第一行(R’1)IGBT的各中央端子114上，而第二附加連條38B置于第二行(R’2)IGBT的各中央端子上，結(jié)果是每個(gè)連條形成相同行的IGBT的共控制極。注意槽口36和連條38的尺寸是這樣的，使得匯流條34和連條38不相互接觸并構(gòu)成相互絕緣導(dǎo)性部件的一個(gè)平面陣列。
圖5是反相器支路1的一個(gè)電路圖，將它與圖1圖2相比較，顯然基底2形成一個(gè)負(fù)饋電軌條AN，附加匯流條34形成一個(gè)正饋電軌條AP。
一組二極管4和一組二極管104構(gòu)成圖5中相應(yīng)的等效二極管D和D’。
同樣，IGBT 6和IGBT 106構(gòu)成圖5中相應(yīng)的等效晶體管T和T’。最后，中性導(dǎo)性匯流條20形成反相器1的相線P。
由上述工序組裝的反相器支路可通過(guò)將其浸入介電溶液中冷卻?；?和匯流條18、34都是導(dǎo)電的，則可附加假設(shè)熱耗散功能。
同樣易于在兩個(gè)熱傳導(dǎo)和電絕緣復(fù)合結(jié)構(gòu)中包括基底2和匯流條34。為此，在基底2下面放置一個(gè)絕緣層42和一個(gè)導(dǎo)性層44，如以點(diǎn)劃線示出的，以使得基底2構(gòu)成最終結(jié)構(gòu)46的頂層。同樣，有可能將相應(yīng)的絕緣和導(dǎo)性層48和50置于導(dǎo)性匯流條34的頂部，以使匯流條34構(gòu)成最終復(fù)合結(jié)構(gòu)52的底層。
反相器分路1則通過(guò)將復(fù)合結(jié)構(gòu)46，52的導(dǎo)性端面層44，50與冷卻部件(未示出)相接觸。通常這些可以是水冷卻板，氣熱(air heat)交換器或“caloduc”蒸發(fā)器噴嘴。因而根據(jù)本發(fā)明的反相器支路可以通過(guò)它的頂和底表面冷卻。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了前述目的。根據(jù)本發(fā)明的電力電子裝置的三維結(jié)構(gòu)是非常緊湊的。與現(xiàn)有技術(shù)中的電力電子裝置相比，本發(fā)明顯著地減小的裝置的整個(gè)體積并降低了寄生阻抗現(xiàn)象。
而且，本發(fā)明使得有可能省去現(xiàn)有技術(shù)中使用的鋁導(dǎo)線。除了簡(jiǎn)化制造以外，還可以改善可靠性，鋁導(dǎo)線在使用中遭受熱循環(huán)可能使其斷裂，導(dǎo)致嚴(yán)重的性能不良。
另外，在沒(méi)有這種鋁導(dǎo)線的情況下，本發(fā)明的電力裝置比現(xiàn)有技術(shù)的裝置易于冷卻。鋁導(dǎo)線對(duì)于冷卻構(gòu)成了一個(gè)限制，因?yàn)樗鼈兊募訜崤c流過(guò)它們的電流面積成比例，難以冷卻它們。在這方面提出了通過(guò)基底和導(dǎo)性匯流條確保熱耗散。
因?yàn)槔鋮s得到改善，本發(fā)明或者對(duì)于使用的給定數(shù)量的半導(dǎo)體材料增加電力電子裝置的載流容量，從而耗用給定的單元，或者對(duì)于給定的標(biāo)準(zhǔn)電流減小體積從而耗用整個(gè)單元。
如果導(dǎo)性基底和與它相對(duì)的導(dǎo)性匯流條兩者都是復(fù)合熱傳導(dǎo)和電絕緣結(jié)構(gòu)的一部分，改進(jìn)的冷卻將尤其有利。這使得從構(gòu)成電力電子裝置的一組半導(dǎo)體電路的頂和底表面同時(shí)冷卻。
權(quán)利要求
1.一種電力電子裝置(1)，包括一個(gè)導(dǎo)性基底(2)，其上有由二極管(4)和絕緣門(mén)雙極晶體管(6)形成的半導(dǎo)體電路的第一平面布置，所述半導(dǎo)體電路(4，6)具有連接端子(12，14，16)，其特征在于所述裝置還包括至少一個(gè)半導(dǎo)體電路(104，106)的第二平面布置，兩個(gè)相鄰的平面布置(4，6，104，106)由一個(gè)平面導(dǎo)體陣列(18，28A，28B)分隔，該平面導(dǎo)體陣列包括至少一個(gè)連接到第一布置的電路(4，6)的端子(12，16)的導(dǎo)電和熱耗散匯流條(18)，該匯流條(18)還在其與基底(2)相反的表面支承第二平面布置的電路(104，106)，至少一個(gè)與所述匯流條(18)電絕緣的導(dǎo)性部件(28A，28B)與所述第一布置的電路(4，6)的另外端子(14)相連接，并置于所述匯流條(18)的體積內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于一個(gè)半導(dǎo)體電路(104，106)的端平面布置由一個(gè)導(dǎo)體陣列(34，38A，38B)端平面所覆蓋，該導(dǎo)體陣列端平面包括至少一個(gè)連接所述端布置的電路(104，106)的端子(112，116)的導(dǎo)電和熱耗散端匯流條(34)，和至少一個(gè)與所述端匯流條(34)電絕緣的端導(dǎo)體部件(38A，38B)，它與所述端布置的電路(104，106)的另外端子(114)相連并位于匯流條(34)的體積內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述平面布置(4，6，104，106)的端子(12，14，16，112，114，116)通過(guò)焊接至少一個(gè)錫-鉛-銀凸臺(tái)(32)分別固定到平面陣列(18，28A，28B，34，38A，38B)上。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述端子(12，14，16，112，114，116)通過(guò)與這個(gè)凸臺(tái)或每個(gè)凸臺(tái)附著的涂層和這個(gè)或每個(gè)凸臺(tái)(32)相分隔，該涂層尤其可以是鈦-鎳-金鍍層(30)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述至少一個(gè)導(dǎo)性匯流條(18)具有至少一個(gè)肩部(24A，24B)，并從而在與所述基底(2)平行的平面延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述基底(2)和所述端匯流條(34)是相應(yīng)的導(dǎo)熱和電絕緣復(fù)合結(jié)構(gòu)(46，52)的一部分。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述導(dǎo)性匯流條(18，34)具有接受所述導(dǎo)性部件(28A，28B，38A，38B)的凹槽(26，36)。
8.如權(quán)利要求2至7所述的裝置，其特征在于它形成一個(gè)反相器支路(1)，并且它包括相同的第一和第二平面布置(4，6；104，106)以及第一和第二平面導(dǎo)體陣列(18，28A，28B；34，38A，38B)。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于每個(gè)所述平面陣列(18，28A，28B；34，38A，38B)包括至少一個(gè)串聯(lián)的絕緣門(mén)雙極晶體管的行(R1，R2，R’1，R’2)的共控制極(28A，28B，38A，38B)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于所述第一平面陣列(18，28A，28B)和所述第二平面陣列(34，38A，38B)的所述導(dǎo)性匯流條(18，34)分別形成所述第一平面布置(4，6)和所述第二平面布置(104，106)的絕緣門(mén)雙極晶體管(6，106)的共射極。
全文摘要
裝置(1)具有一個(gè)導(dǎo)性基底(2),其上有由具有連接端子(12,14,16)的二極管(4)和IGBT(6)形成的半導(dǎo)體電路的第一平面布置。該裝置包括至少一個(gè)第二平面半導(dǎo)體電路(104,106)布置,兩個(gè)相鄰的平面布置(4,6,104,106)由具有至少一個(gè)導(dǎo)電和散熱匯流條(20)的平面導(dǎo)體陣列(18,28A,28B)隔開(kāi),所述匯流條(20)與第一布置的電路(4,6)的端子(12,16)相連,所述匯流條(18)還支承第二平面布置的電路(104,106),與所述匯流條(20)電絕緣的至少一個(gè)導(dǎo)性部件(28A,28B)與所述第一布置的電路(4,6)的另外端子(14)相連并位于所述匯流條(20)的體積內(nèi)。
文檔編號(hào)H01L25/18GK1255749SQ9912438
公開(kāi)日2000年6月7日 申請(qǐng)日期1999年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月27日
發(fā)明者米歇爾·莫米特-圭恩尼特 申請(qǐng)人:阿爾斯托姆控股公司