CN104867903A - 电子模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子模块(1)，具有至少一个能在其上侧(10)和其下侧(9)处接触的电子组件(8，12)，该下侧(9)至少部分地平坦地贴靠在第一电路板(2)的线路结构(4)上，并且该上侧(10)至少部分地平坦地贴靠在第二电路板(14)的线路结构(16)上。一种用于制造电子模块(1)的方法包括，使至少一个电子组件(8，12)利用其上侧(10)安装在第二电路板(14)的线路结构(16)上；将至少一个间距保持件(13)安装在第二电路板(14)的线路结构(16)处；并且将第一电路板(2)的线路结构(4)安装到至少一个电子组件(8，12)的上侧(9)和至少一个间距保持件(13)上。本发明特别能应用到特别是其中具有集成有半桥的功率电子模块上。

Description

电子模块
技术领域
本发明涉及一种电子模块，具有至少一个能在其上侧和其下侧处接触的电子组件，该下侧至少部分地平坦地贴靠在第一电路板的线路结构上。本发明还涉及一种制造该电子模块的方法。本发明特别能应用到特别是其中具有集成的半桥的功率电子模块上。
背景技术
在功率(电子)模块中，通向功率半导体组件或者功率半导体芯片的两个连接位置是必需的。这些连接位置通常称为芯片上侧和芯片下侧。典型地，在芯片上侧建立电连接并且产生到模块的接点或者到绝缘层上的接触面的电流。用于建立电连接的现有技术是铝制厚线，其在一侧键合到芯片上并且在另一侧键合到连接面上。还公知的是，通过铜质线键合(例如与厚线或者薄线)、短带键合和与合金线的键合建立电连接。另外其他的连接解决方案由烧结的、金属化的塑料薄膜构成，例如根据Semikron公司的所谓的“SKiN”技术。SKiN技术的特征是，通过柔性的结构化的薄膜来取代键合线，该薄膜平坦的烧结到具有固定在其上的功率电子组件的电路板上。此外，已知由薄的铜制成的焊接的汇流排。此外还公知了西门子公司的所谓的“SiPLIT”连接技术。
在公知的连接技术中不利的是，与芯片表面相连的上布线平面在应用非平面的连接技术(例如借助线键合)时很难冷却。在制造时，应用平面的连接技术、如“SKiN”或“SiPLIT”连接技术则耗费更大，特别是又基于耗费大的生产步骤如结构化或者金属化的又更昂贵。
发明内容
本发明的目的在于，至少部分地克服现有技术中的缺陷并且特别是提出一种用于电子模块的能简单地实现且能高效地冷却的连接技术，特别是用于电子模块的上侧的连接技术，所述电子模块具有至少一个电子组件，特别是功率电子组件，尤其是功率半导体芯片。
该目的根据独立权利要求的特征来实现。优选的实施方式特别地能从属权利要求中得出。
该目的通过一种电子模块来实现，其具有至少一个能在其上侧和其下侧处接触的电子组件，该下侧至少部分地平坦地贴靠在第一电路板的线路结构上，并且该上侧至少部分地平坦地贴靠在第二电路板的线路结构上。因此，至少一个电子组件特别地布置在两个电路板之间，例如以所谓的“三明治”结构来布置。
这种电子模块的优点在于，能简单和廉价地生产电路板，以及电路板能够简单地且以多种方式与电子组件连接。为此，电路板的远离至少一个电子组件的一侧能大面积地冷却，这实现了至少一个电子组件的、特别是在两侧上的特别有效的排热。
所改进的冷却产生了其他优点，如隐含的对电子组件的更好的充分利用、使用更热的冷却介质如冷水等等。
电子组件特别地能够是芯片式存在的组件，该组件在其上侧和其下侧处具有该组件的电接点。组件例如能够是半导体芯片，例如作为“未封装芯片(Naked Chip)”或者“裸芯片(Bare Die)”而存在。电接点能够具有例如至少一个接触区域和/或至少一个突出的接触元件(例如至少一个接触销)。附加或者替代的能够使用封装的电子组件。
特别地，第一电路板和/或第二电路板能够具有陶瓷基质。该陶瓷基质能够在一侧或者在两侧设置有相应的金属层。金属层至少在电路板的朝向至少一个电子组件的一侧是结构化的，并且因此形成线路结构或者布线平面。特别地，线路结构能够具有一个或者多个印制线路和/或接触区和/或伸出的接触元件。
特别地，在朝向至少一个电子组件的一侧上的金属层能够由铜制成。
特别地，第一电路板和第二电路板彼此平行地布置。
一种设计方案是，至少一个电子组件是功率电子组件。为此，根据本发明所实现的高效冷却是特别有利的，因为来自功率电子组件的热输出特别高。
一种改进方案是，至少一个功率电子组件是IGBT、功率MOSFET、功率二极管、晶闸管、三端双向可控硅开关元件(Triac)。特别地，至少一个功率电子组件作为(未封装的)功率半导体芯片来存在。
还有一种设计方案是，第一电路板和/或第二电路板在其远离至少一个电子组件的一侧具有金属层。该金属层能够是非结构化的，特别是完全平坦的。由此实现了特别良好的冷却可行性和高频特性。
一种改进方案是，在远离的一侧处存在的金属层是铜层。还有一种改进方案是，基质是陶瓷基质并且在两侧都设置有铜层。一种特殊的改进方案是，第一电路板和/或第二电路板是DCB电路板(直接覆铜板“DirectBonded Cooper”，也作DBC，“Direct Cooper Bonded”)。第一电路板和/或第二电路板能够附加地或替换地是在远离的一侧具有铝层的IMS电路板(“绝缘金属基质”Insulated Metal Substrate)。但是第一和/或第二电路板也能够至少是DAB电路板(直接覆铝板“Direct Aluminium Bonded”)、至少是AMB电路板(活性金属钎焊“Active Metal Brazing”)和/或至少是常规的FR4电路板。
其他的设计方案是，至少一个电子组件、特别是半导体芯片在其上侧处具有居中的或者中央的电接点，并且第二电路板具有接触中央的电接点的金属化通孔。这明显提高了关于可用组件的灵活性，因为此时还能够使用这种具有中央接点的组件。
在上侧和/或下侧处能够存在一个或者多个接点。例如电子开关、特别是断路器、例如IGBT芯片在其上侧处能够不仅具有负载接点(典型的是发射器接点)而且还具有辅助接点(例如中央栅栏或者栅栏接点)。
用于相同目的的替代设计方案是，至少一个电子组件在其上侧处具有居中的或者中央的电接点，并且第二电路板具有相对应的空隙。这对于以下情况能够特别有利的，即中央的电接点不具有平坦的接触区，而是例如向上伸出。
中央的电接点不需要精确居中地布置在组件上，而是能够例如与精确的中心轻微错开地布置。
附加于或者替代中央的接点地，电子组件能够在其上侧处具有至少一个边缘侧的接点(例如边缘栅栏)和/或至少一个布置在边角处的接点(例如角栅栏)。
特别地，配备有中央的接点的电子组件能够是电子开关、特别是断路器、例如IGBT。特别地，中央的电接点能够是控制接点、特别是栅栏接点或者“中央栅栏”。
还有一种其他的设计方案是，第一电路板和第二电路板借助至少一个间距保持件(特别是借助多个间距保持件)彼此分开。这实现了两个电路板彼此间的特别精确的定位。
由此的一种改进方案是，至少一个间距保持件是能导电的。因此，其能够同时用作两个电路板的导体结构之间的电连接元件。
间距保持件例如能够构造成在横剖面中具有两个平行的接触面的棒状、例如长方体状的。也能够使用从这两个电路板的每一个或者其线路结构出发的间距保持件，这些间距保持件分别具有相应的较小的高度并且例如成对地接触。
此外，一种设计方案是，第一电路板的安装了至少一个电子组件的线路结构具有至少一个第一子区域和至少一个与第一子区域电隔开的第二子区域，并且第一电路板的第一子区域和第二子区域通过第二电路板的安装了至少一个电子组件的线路结构电连接。这实现了至少一个电子组件的能简单实现的且多样化的电布线。因此，第一和第二电路板的线路结构组成了用于第一电子组件的布线。
一种改进方案是，在第一电路板的不同子区域中，至少两个子区域处于彼此不同的电位。这能够例如通过施加直流电压或者交流电压来实现。
第二电路板的线路结构也能够具有多个分开的子区域。一种改进方案是，在第二电路板的不同的子区域中，至少两个子区域处于彼此不同的电位。
相对应的接点(例如负载或者强电接点、如发射器接点和/或集电极接点，和/或辅助接点、如控制接点或者栅栏接点)，特别是负载接点能够设置在第一电路板和/或第二电路板上。
接点、特别是负载接点能够例如存在于两个电路板中的一个上或者线路结构上、特别是存在于两个电路板的面积更大的一个上，在该处特别地存在于未由另外的电路板覆盖的区域处。替代地，其例如还能够存在于两个电路板之间并且然后例如从侧面向外伸出。
还有一种设计方案是，第一电路板的安装了至少一个电子组件的线路结构附加地具有与其他子区域隔开的至少一个第三子区域，并且至少一个第三子区域与其他的子区域中的至少一个子区域通过第二电路板的特别安装了至少一个电子组件的线路结构电连接。
此外，一种设计方案是，在第一子区域和第三子区域之间能够施加直流电压，并且在第二子区域处能够施加高频的电信号，例如交流电压。因此，特别地支持了为至少一个功率组件供应高频电信号。特别地，第一电路板的第一子区域和第二子区域或者其线路结构能够借助第二电路板的线路结构的子区域彼此连接，并且第一电路板的第二子区域和第三子区域或者其线路结构能够借助第二电路板的其他子区域彼此连接。特别地，至少一个第一区域、至少一个第二区域和至少一个第三区域能够按这种次序串联。
此外，一种设计方案是，电子模块是具有半桥或者电子模块是半桥。
所述目的也能够通过用于制造电子模块的方法实现，其中该方法至少具有以下步骤：(i)将至少一个电子组件利用其上侧安装在第二电路板的线路结构处；(ii)将至少一个间距保持件安装在第二电路板的线路结构处；并和(iii)将第一电路板的线路结构安装到至少一个电子组件的下侧和至少一个间距保持件上。
该方法的优点在于，其考虑到了，对于至少一个电子组件在第二电路板的线路结构处的定位来说，可能需要特别高的精确性，特别是如果至少一个电子组件在其上侧处具有中央的接点。为此，特别是能够借助已知的倒装芯片技术(Flip-Chip-Technologie)来实行至少一个电子组件的安装。对定位精度的要求在步骤(iii)中明显低于步骤(i)中，例如因为要定位在彼此上的金属化通孔的面积和中央接点的面积明显小于例如在第一电路板的线路结构上的电子组件的可能的接触面。
然而，设置间距保持件原则上是能够选择的，从而该方法也能够不执行步骤(ii)且执行相应调整了的步骤(iii)。
步骤(i)和步骤(ii)能够以任意的顺序、也能够在相同的过程步骤中执行。
在电子组件和线路结构之间的、在间距保持件和线路结构之间的和/或在接点和线路结构之间的连接能够特别地通过烧结工艺来实现。
附图说明
本发明的上述属性、特征和优点以及如何实现这些的方式方法，结合下面借助附图详细阐述的对实施例的示意性说明而更清楚易懂。在此，出于简明起见，相同的或者作用相同的元件设有相同的参考标号。
图1利用两个翻开示出的部分以俯视图示出了根据本发明的电子模块；
图2以沿着第一剖面Q1的侧视剖面图示出了根据本发明的电子模块；和
图3以沿着第二剖面Q2的侧视剖面图示出了根据本发明的电子模块。
具体实施方式
图1以俯视图示出了电子模块1，其以两个部分翻开地示出。这两个部分中的一个、即“下面”部分是第一电路板2，其具有板状的陶瓷基质3，该陶瓷基质具有安装在一侧的线路结构4。线路结构4几乎完全覆盖陶瓷基质3。线路结构4划分成耦合的第一子区域5、与其通过间隙间隔开的耦合的第二子区域6和与其通过间隙间隔开的耦合的第三子区域7。线路结构4或子区域5至7构造成铜层。
第一子区域5装配有三个IGBT芯片8形式的功率电子组件。IGBT芯片8为此利用其下侧9(见图3)平坦地安装在第一子区域5上。IGBT芯片8在其下侧9处具有集电极接点，该集电极接点通过平坦地固定在第一子区域5处而与其电连接。IGBT芯片8在其示出的上侧10处具有两个另外的接点，即发射器接点和中央的辅助接点11(栅栏接点)。
为此，第一子区域5装配有三个另外的电子组件12，例如装配有功率二极管。
第二子区域6与第一子区域5类似地装配有三个IGBT芯片8和三个另外的电子组件12。附加地，第二子区域6装配有长方体状的、能导电的间距保持件13。该间距保持件13能够例如由铜制成。
最后，第三子区域7装配有(另外的)间距保持件13。
这两个部分中的另外一个，也就是“上面”部分示出了第二电路板14，其同样具有板状的陶瓷基质15，该陶瓷基质具有安装在一侧的线路结构16。线路结构16划分成第一子区域17和与其通过间隙间隔开的第二子区域18。第一子区域和第二子区域构造相同。线路结构16或者子区域17和18设计成铜层。
两个子区域17和18分别具有与其余的区域电隔开的穿孔(Vias)或者金属化通孔19，而且具有与三个IGBT芯片8的中央辅助接点11相同的间距。这两个子区域17和18能够分别具有间距保持件13，而且替代于或者附加于第一电路板2的间距保持件13。
在其安装好的状态中，这两个区域2至13以及13至19是组装的。一种对于可靠的组装来说优选的改进方案是，首先IGBT芯片8和间距保持件13安装到第二电路板14或者其线路结构16上，并且然后第二电路板2或者其线路结构4与之连接。
在本实施例中，第一子区域5处于第一直流电压水平且第三子区域7处于与之相比较低的第二电压水平。在第二子区域6处能够施加交流电压信号。
图2以沿着图1中示出的第一剖面Q1的侧视剖面图示出了组装好的电子模块1。剖面Q1从左向右穿过第一线路结构4的第一子区域5延伸，而且与三个IGBT芯片8的中点错开。因此，剖面Q1也穿过第二电路板14的第一子区域17延伸，而且与中点错开且进而位于三个金属化通孔19的之外。
IGBT芯片8的上侧10平坦地与第二电路板14的第一子区域17连接并且在该处与第一子区域17电连接。与其电隔开地，三个金属化通孔19与该IGBT芯片8的相应的中央辅助接点11相接触(在图3中示出)。类似地，这也适用于第二线路结构16的第二子区域18和第一线路结构4的第二子区域6的IGBT芯片8。
第二电路板14具有比第一电路板2更小的宽度，从而第二子区域6和第一子区域5的右侧边缘区域在上方是裸露的。该裸露的面20，21能够基于其简单的可触及度而特别有利地用作电信号的接点。然而，替代的或附加的还可行的是，第二电路板14和其线路结构16也实施成至少部分地宽于第一电路板2的，且线路结构16的裸露面用作电信号的接点。还可行的是，这两个电路板2，14也能够特别是等宽(或者等长)的，且供电线路从侧面在两个电路板2，14之间伸出。
图3以沿着图1中示出的第二剖面Q2的侧视剖面图示出了组装好的电子模块1。该剖面Q2垂直于剖面Q1并且穿过第一线路结构4的第一子区域5的或第二子区域6的两个连续布置的IGBT芯片8，而且居中地穿过中央的辅助接点11并穿过可能存在的间距保持件13延伸。其也穿过第二线路结构16的这两个子区域17和18延伸，而且穿过两个居中的金属化通过19且穿过可能存在的间距保持件13延伸。第一电路板2和第二电路板14的长度在此是相同的。
第一电路板2和第二电路板14借助间距保持件13在空间上彼此分隔。为此，间距保持件13用于使第二线路结构16的第一子区域17与第一线路结构4的第二子区域6电连接。另外的间距保持件13用于使第二线路结构16的第二子区域18与第一线路结构4的第三子区域7电连接。由此实现了以下电学路径，其从第一线路结构4的第一子区域5穿过安装在其上的IGBT芯片8和电子组件12通向第二线路结构16的第一子区域17并且从该处穿过间距保持件13继续通向第一线路结构4的第二子区域6。特别地，该电学路径从第二子区域6穿过安装在其上的IGBT芯片8和电子组件12向第二线路结构16的第二子区域18延伸，并且从该处向第一线路结构4的第三子区域7延伸。在远离IGBT芯片8和电子组件12的一侧处伸出金属化通孔19，从而能够为其相应地在外侧加载控制信号。
尽管没有示出，陶瓷基质3和15也能够在其远离IGBT芯片8和电子组件12的一侧上敷有(特别是非结构化的)金属层。特别地，陶瓷基质能够是DCB电路板(在金属层由铜制成时)或者IMS电路板(在金属层由铝制成时)。
特别地，电子模块1也能够是半桥。
尽管通过示出的实施例在细节上详细地阐述和描述了本发明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员能够由此推导出其他变体，而不离开本发明的保护范围。
通常，只要没有明确地排除，例如通过表述“刚好一个”等等，“一”、“一个”等等能够理解为单数或者复数，特别是在“至少一个”或者“一个或多个”等等的范畴中，。
只要没有明确地排除，数字说明也能够即恰好包括给出的数字也包括通常的公差范围。

Claims (10)

1.一种电子模块(1)，具有
至少一个能在所述电子模块的上侧(10)和下侧(9)处接触的电子组件(8，12)，
所述下侧(9)至少部分地平坦地贴靠在第一电路板(2)的线路结构(4)上，并且
所述上侧(10)至少部分地平坦地贴靠在第二电路板(14)的线路结构(16)上。
2.根据权利要求1所述的电子模块(1)，其中，至少一个所述电子组件是功率电子组件(8)，特别是功率半导体芯片。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，所述第一电路板(2)和/或所述第二电路板(14)在所述第一电路板和/或所述第二电路板的远离至少一个所述电子组件(8，12)的一侧具有非结构化的金属层。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，至少一个所述电子组件(8，12)在该电子组件的上侧(10)处具有中央电接点(11)并且所述第二电路板(14)具有与所述中央电接点(11)相接触的金属化通孔(19)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，所述第一电路板(2)和所述第二电路板(14)借助至少一个、特别是能导电的间距保持件(13)彼此隔开。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，
所述第一电路板(2)的安装了至少一个所述电子组件(8，12)的所述线路结构(4)具有至少一个第一子区域(5)和至少一个与所述第一子区域电分离的第二子区域(6)，并且
所述第一电路板(2)的第一子区域(5)和第二子区域(6)通过所述第二电路板(14)的安装了至少一个所述电子组件(8，12)的所述线路结构(16)电连接。
7.根据权利要求6所述的电子模块(1)，其中，
所述第一电路板(2)的安装了至少一个所述电子组件(8，12)的所述线路结构(4)附加地具有至少一个与其他的子区域隔开的第三子区域(7)，
并且至少一个所述第三子区域(7)与其他的所述子区域(5，6)中的至少一个子区域通过所述第二电路板(14)的安装了至少一个所述电子组件(8，12)的所述线路结构(16)电连接。
8.根据权利要求7所述的电子模块(1)，其中，
能够在所述第一子区域(5)和所述第三子区域(7)之间施加直流电压，并且
能够在所述第二子区域(6)处施加交流电压。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，所述电子模块(1)具有半桥或者所述电子模块是半桥。
10.一种用于制造电子模块(1)的方法，其中，所述方法至少包括以下步骤：
利用所述电子组件的上侧(10)将至少一个电子组件(8，12)安装在第二电路板(14)的线路结构(16)处；
将至少一个间距保持件(13)安装在所述第二电路板(14)的所述线路结构(16)处；
将第一电路板(2)的线路结构(4)安装到至少一个所述电子组件(8，12)的下侧(9)和至少一个所述间距保持件(13)上。
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