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CN110098153B - 电力电子模块及制造电力电子模块的方法 - Google Patents

电力电子模块及制造电力电子模块的方法 Download PDF

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CN110098153B CN201910085353.9A CN201910085353A CN110098153B CN 110098153 B CN110098153 B CN 110098153B CN 201910085353 A CN201910085353 A CN 201910085353A CN 110098153 B CN110098153 B CN 110098153B
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Abstract

本发明公开了一种电力电子模块以及制造电力电子模块的方法。该电力电子模块包括并入壳体中且附接至基板的多个电力电子半导体芯片；以及附接至基板并且具有底表面的热传递结构，该底表面形成模块的外表面并且适于接纳冷却装置的表面，其中，热传递结构包括可压缩底板。

Description

电力电子模块及制造电力电子模块的方法
技术领域
本发明涉及电力电子模块，并且具体地涉及具有改进的冷却性能的电力电子模块。
背景技术
电力电子模块通常在用于切换高电流以及对高电压进行操作的高功率装置中使用。电力电子模块包含位于同一部件壳体中并且通常彼此内部连接以提供某种电路结构的多个开关部件。
电力电子模块被用于例如制造某种电力转换电路，诸如逆变器和转换器。电力电子模块的示例包括在模块内部串联连接的两个IGBT(绝缘栅双极晶体管)。其他示例可以包括容易在模块内部电连接的桥拓扑或者桥拓扑的部分。
电力电子模块还可以包括通常由铜制成的底板(base plate)。底板的目的是将由半导体产生的热传导至冷却装置，例如散热器。底板的表面通常是散热器可以附接至其的基本上平坦的表面。散热器的尺寸还要考虑到由模块中的半导体部件所产生的热量。
图1示出了附接至散热器2的电力电子模块1的截面的示例。该示例的电力电子模块包括焊接至基板如直接铜接合(direct copper bonding，DCB)结构的两个半导体芯片11、12。该示例的DCB结构具有两个铜板3和在铜板3之间的陶瓷层4。该DCB结构与模块的铜底板7的顶部上的焊料层5焊接。该模块还包括在DCB结构和芯片周围以点划线示出的壳体6。
图1的示例的模块被附接至外部散热器，使得热界面材料层8被放置在模块的底板与散热器的底板之间。热界面材料的目的是将来自模块底板的热尽可能有效地传递至散热器。应注意的是提供图1仅为了示出附接至散热器的电力电子模块的结构的示例。应清楚的是存在其他种类的结构。
电力电子模块也可以在没有底板的情况下形成。在这种模块中，DCB结构的铜板形成模块的外表面。为了使模块冷却，将散热器或任何其他冷却装置附接至DCB结构的铜板。
电力电子模块的热损失主要通过其底板消散，该底板必须与适当的冷却装置保持良好的热连接。适当的冷却装置具有明确的尺寸任务，但是管理模块与其冷却器之间良好且可靠的热连接更具挑战性。两个表面之间的热连接取决于包括其表面粗糙度(Ra)和表面平坦度的若干个特性。实际上，两个表面的接触是不完美的并且在它们之间存在填充有空气的间隙。因为空气是不良热导体，所以可以通过使得接触表面非常光滑和平坦以及/或者通过以较好的热传导物质取代空气来减小接触热阻。
已经开发了特定材料来填充接触的表面之间的空气间隙并且减小接触热阻。这些所谓的热界面材料可以以不同的物理形式如可分散的脂剂或糊剂、各种厚度的橡胶垫、金属箔等得到。这些材料通常是包括已经填充有较高导热材料如氮化硼或碳纳米管的载体或基板(substrate)化学品(如硅油或橡胶)的混合物。常规TIM的典型热导率相对低，例如0.7W/mK、……、5W/mK，这对于典型应用通常是可行的，因为热界面材料接合线厚度仅为25μm至100μm。热界面材料的热导率越高并且热界面材料越薄，则得到电力模块与冷却装置之间的热阻越低。这进一步导致较低的芯片温度水平。一些热界面材料还具有相变特性，该相变特性例如在循环操作应用中可能是有益的。这种类型的热界面材料已经被证明在接触表面面积相对小且平坦的许多应用例如在CPU中工作很好。最近，在市场上还出现了石墨/石墨烯基热界面材料箔，并且它们的物理特性与常规的TIM显著不同。石墨片的作用类似于非常柔软的固体材料，但它们具有高度各向异性的热导率，例如，面内k为约1000W/mK以及厚度方向k为约6W/mK。
电力电子模块的内部电子封装密度随着先进的构造材料和制造方法而逐渐地增加。这导致了更有挑战性的模块外部冷却解决方案，因为装置能够在散热器表面产生很高的超过35W/cm2的热点。
考虑到冷却，当模块以其最大电流和电压水平即以最大功率工作时，情况最为严峻。在该条件下，对于模块底板的高热点，常规的铝散热器的底板传播热阻太高。也就是说，常规的铝散热器不能足够快地传播从模块的底板传递的热。这导致了较高的散热器至底板温度以及相应地芯片至接合点温度两者。尽管由于新型芯片材料，新型的部件可以允许比之前高的接合点温度，但该部件可能不会被充分地利用，除非电力电子模块的外部冷却不处于适当的水平。
为了使冷却装置运行，电力电子模块和冷却装置应处于热接触状态，在热接触中热尽可能有效且可靠地从电力电子模块传递至冷却装置。也就是说，模块与散热器或相应的冷却装置之间的热阻应尽可能低，并且应在运行期间不改变。在模块与冷却装置之间使用热界面材料层需要在装置安装期间小心和注意，因为热界面材料层薄且操作麻烦。此外，当使用散热糊剂时，应该仔细确定所用糊剂的量，因为太厚的层增加热阻。常规的热界面材料层的另一个问题是当电力电子模块在使用期间扭曲和弯曲时，箔状层可能破裂并且脂状或糊状材料可能泵出。
发明内容
本发明的目的是提供一种电力电子模块以及一种制造电力电子模块的方法以减轻上述缺点。本发明的目的通过以下方案中陈述的内容为特征的方法和装置来实现。
一种电力电子模块，包括：并入壳体中且附接至基板的多个电力电子半导体芯片，以及附接至所述基板并且具有底表面的热传递结构，所述底表面形成所述模块的外表面并且适于接纳冷却装置的表面，其中，所述热传递结构包括可压缩底板。
一种制造电力电子模块的方法，包括：提供并入壳体中且附接至基板的多个电力电子半导体芯片；以及将热传递结构附接至所述基板，所述热传递结构具有底表面，所述底表面形成所述模块的外表面并且适于接纳冷却装置的表面，其中，所述热传递结构包括可压缩底板
在以下方案中公开本发明的优选实施方式。
优选地，所述热传递结构可以由附接至所述基板的所述可压缩底板形成。
优选地，所述可压缩底板可以包括具有填充有可压缩材料的多个孔的金属板和可压缩材料层，所述可压缩材料层适于形成所述模块的所述外表面。
优选地，所述可压缩材料层被施加到所述金属板的表面。
优选地，所述可压缩底板可以包括附接至所述金属板的表面的第一铜片，所述可压缩材料层被施加至所述铜片的表面以形成所述模块的所述外表面。
优选地，所述底板可以包括附接至所述基板的第二铜片。
优选地，所述可压缩底板适于在所述模块附接至冷却装置时变形。
优选地，所述模块的所述壳体可以包括围绕所述底板的侧边缘，所述侧边缘具有适于紧靠冷却装置附接的底表面，所述侧边缘的所述底表面限定了与由所述热传递结构的所述底表面限定的水平面相比更靠近所述基板的水平面。
优选地，所述基板可以是直接接合铜结构。
优选地，所述可压缩底板可以包括金属合金，所述金属合金具有所述金属合金的总重量的按重量计小于50％的锡、按重量计20％至50％的铟以及按重量计1％至5％的铜。
优选地，所述可压缩底板可以包括环氧树脂基体。
优选地，所述可压缩底板可以包括一个或多个石墨烯片或石墨片。
优选地，所述可压缩底板可以包括热传递添加剂，所述热传递添加剂包括合成的或天然的金刚石颗粒、氧化铝颗粒、石墨烯颗粒、银颗粒和/或铅颗粒。
本发明基于如下构思：由柔软材料形成电力电子模块的底板使得底板是可压缩的。当附接至冷却装置时，底板变形并产生从基板到冷却装置的可靠的热传递结构。当底板变形时，该底板填充冷却装置的表面中的所有可能的间隙，从而提供低热阻系数并增强热传递。此外，由于底板是可压缩的，基板在电力电子模块内部“浮置”在底板顶部上。作用在模块上的可能的机械力受到阻尼，并且不能如已知的模块那样容易地到达基板。
由于本发明的电力电子模块的底板是柔软且可压缩的，因此可以免去底板与冷却元件之间的单独的热界面材料层。免去在模块安装期间要施加的单独的材料层有助于降低热源即半导体芯片与冷却元件之间的热阻系数。这另外意味着热传递能力增加。
本发明的模块的安装更简单，因为在底板与冷却元件之间不需要热界面材料层。具有界面层的安装是麻烦的，因为该层非常薄且在安装期间易碎或折叠。利用本发明的模块，冷却元件如散热器可以直接附接至模块的底板而没有任何中间层。在使用期间，热界面材料层也可能破裂，这导致芯片温度升高。
附图说明
在下文中，参照附图借助于优选实施方式将更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了已知的具有附接至散热器的底板的电力电子模块；
图2示出了本发明的在附接至散热器之前的电力电子模块的实施方式；
图3示出了图2的附接至散热器的电力电子模块；
图4和图5示出了本发明的另一实施方式；以及
图6示出了在本发明的实施方式中采用的底板结构的示例。
具体实施方式
图2示出了根据本发明的实施方式的电力电子模块的截面。图2的截面示出了焊接至基板例如DBC结构3、4的电力半导体芯片11、12。根据本发明，电力电子模块包括并入壳体中且附接至基板的多个电力电子半导体芯片。在说明书和附图中，具体参照直接接合铜结构作为基板的示例。图2的截面示出了仅两个半导体芯片11、12。然而，芯片的数目不限于任何特定数目。
电力电子模块还包括附接至基板且具有底表面的热传递结构，该底表面形成模块的外表面并且适于接纳冷却装置的表面。众所周知，来自半导体芯片的热通常通过模块的底部去除，该模块的底部在模块使用期间附接至冷却装置。在本发明中，热传递结构附接至基板以便传递来自半导体芯片的热。热传递结构的底表面形成电力电子模块的外表面。该外表面还适于接纳冷却装置如散热器或适于冷却电力电子模块的任何其他冷却装置。
根据本公开内容，热传递结构包括可压缩底板17。在图2的实施方式中，热传递结构由附接至基板3、4的底部的可压缩底板17组成。模块15的适于接纳冷却装置的外表面18也是可压缩底板17的底表面。
本实施方式的可压缩底板17通过焊料或胶19附接至基板的底部。可替选地，如果基板的底部被适当地图案化并且底板的表面柔软性允许这种粘附力，则底板可以通过这种粘附力附接至基板。底板与基板之间的粘结仅需要在电力电子模块的制造和处理期间将两者保持在一起。一旦冷却装置附接至模块，底板将牢固地保持在基板与冷却装置之间。
图3示出了图2的附接至冷却装置2如散热器的电力电子模块15。如图3所示，当模块附接至冷却装置时，底板17被压缩。在本实施方式中，附接是通过模块壳体的侧面进行的。也就是说，使用例如穿过电力电子模块的壳体的侧面的螺钉或螺栓将模块紧固至冷却装置。在图2和图3的示例中，螺钉的位置用箭头21示出。螺钉将壳体6朝向冷却装置推压，并且基板被示出为由壳体利用向内延伸的构件向下推动。因此，螺钉或螺栓不会穿透底板。在图2和图3的实施方式中，确保了底板的适当附接和合适的压缩，因为底板的压缩受到壳体可以朝向冷却元件移动的量的限制。也就是说，当拧紧螺钉或螺栓时，模块壳体6的侧边缘的底部20被压至冷却元件2的表面。同时，柔软且可压缩底板以期望的方式被压缩，使得冷却装置的表面中的可能的空气间隙被填充。模块壳体的侧边缘限定了与由热传递结构的底表面限定的水平面相比更靠近基板的水平面。当热传递结构的底表面延伸到由侧边缘限定的水平面之外时，热传递结构或底板在模块附接至冷却装置时被压缩。
图4示出了本发明的电力电子模块43的另一实施方式。在本实施方式中，柔软且可压缩底板41包括具有填充有可压缩材料的多个孔的金属板。此外，底板包括可压缩材料层42，并且层42适于形成模块的外表面。本实施方式的金属板优选铜板或铝板。金属板上形成有孔使得孔延伸穿透金属板。此外，孔的总体积大于板中金属的体积。在实施方式中，金属板具有蜂窝结构，其中孔是六边形或具有六边形圆周。具有蜂窝结构的优点是金属板仍然是刚性的，而孔之间的金属边缘可以很小。此外，蜂窝结构有效地均衡了由温度变化引起的机械应力。然而，孔的形状不限于某种形状。
根据本实施方式，金属板的孔填充有可压缩材料。当孔的总体积大时，该孔能够使用大量的可压缩材料。金属板的表面具有可压缩材料层，该材料优选与用于填充孔的材料相同。图6示出了具有蜂窝结构的金属板61的示例。板的孔填充有可压缩材料，并且板的一个表面具有可压缩材料层62。
在本实施方式中，使用具有大量孔的金属板的形式保持具有高热导率的可压缩材料。由于板的孔，防止了可压缩材料在横向方向上扩展，即，在由板的表面限定的平面中。在板的表面中的材料层确保模块的外表面提供在模块与冷却装置之间的热有效接触。可压缩且柔软的材料填充冷却装置的表面的任何可能的间隙，使得热阻尽可能低。本实施方式的底板41被胶合或焊接至在本实施方式中被示出为直接接合铜结构的基板的底部。
根据实施方式，底板包括附接至具有孔的金属板的表面的第一铜片。在本实施方式中，可压缩材料层被施加至第一铜片的表面以形成模块的外表面。第一铜片在图4中不可见，因为可压缩材料层42覆盖电力电子模块的底表面。第一铜片为结构提供附加的支撑并且优选利用胶或焊料附接至金属板。
图5示出了本发明的根据图4的实施方式修改的另一实施方式。在图5的实施方式中，底板包括附接至基板的第二铜片51。此外，具有孔的金属板附接至第二铜片。根据图5的实施方式，底板的制造更容易，并且同时结构更稳定。第二铜片51附接至具有孔的金属板，并且在附接之后，孔被填充有具有高热导率的可压缩且柔软的材料。在可压缩材料就位的情况下，然后将金属板附接至基板的底表面。图5的实施方式还可以包括与图4相关的示例中的第一铜片。
在参考图4和图5描述的实施方式中，电力电子模块被示出为附接至被示出为散热器的冷却装置45。在实施方式中，利用在固定点47穿过底板的螺钉或螺栓来执行电力电子模块与冷却装置的附接。因此具有多个孔的金属板具有固定孔。固定孔优选位于底板的实心区域中，也就是说，金属板的多个孔被定位成使得它们覆盖基板的覆盖区域(footprintarea)。当孔和可压缩材料位于基板的覆盖区域中时，金属板的侧边是完整的并且可以用于将模块通过底板附接至散热器。
根据本发明的另一实施方式，可压缩底板由一层或多层石墨或石墨烯形成。这种可压缩底板的厚度在50μm至700μm的范围内。这种底板例如通过胶合直接附接至基板的表面。例如，包含具有多层石墨或石墨烯的底板的电力电子模块附接至根据图2和图3中所示的原理设置的冷却装置。
用于本发明的可压缩材料为优选具有锡、铜和铟的金属合金。在柔软且可压缩的金属合金中，材料的相对量为例如金属合金的总重量的按重量计小于50％的锡、按重量计20％至50％的铟、以及按重量计1％至5％的铜。根据另一实施方式，可压缩材料还可以包含具有热传递添加剂的环氧树脂基体，例如金刚石颗粒。热传递添加剂也可以被添加至金属合金。金刚石颗粒可以是合成的或天然的，并且它们的半径可以小于1μm，但是优选地在1μm至125μm的范围内，并且它们在可压缩材料中的量可以在可压缩材料的总体积的按体积计10％至60％的范围内。添加剂颗粒也可以由其他固体颗粒制成，例如石墨烯、氧化铝(Al2O3)、银或铅。
在制造电力电子模块的方法中，该方法包括提供并入壳体中且附接至基板的多个电力电子半导体芯片。此外，在该方法中，热传递结构被附接至基板，热传递结构具有底表面，该底表面形成模块的外表面并且适于接纳冷却装置的表面，其中，热传递结构包括可压缩底板。本发明的方法能够形成具有上述特征和优点的电力电子模块。
在上面的描述中，电力电子模块的实施方式被非常普遍地描述为在本领域中已知的这样的电力电子模块。然而，清楚的是，这种模块具有相当大的覆盖区域，并且模块的长度通常在6cm至25cm的范围内。附图示出了从模块的一端看到的电力电子模块的截面。模块被示出为在电力电子半导体芯片的位置处被切割。
对于本领域技术人员明显的是，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求书的范围内变化。

Claims (13)

1.一种电力电子模块，包括：
并入壳体中且附接至基板的多个电力电子半导体芯片，以及
附接至所述基板并且具有底表面的热传递结构，所述底表面形成所述模块的外表面并且适于接纳冷却装置的表面，其中，所述热传递结构包括可压缩底板，
其中，所述可压缩底板包括金属合金，所述金属合金具有所述金属合金的总重量的按重量计小于50％的锡、按重量计20％至50％的铟以及按重量计1％至5％的铜。
2.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，所述热传递结构由附接至所述基板的所述可压缩底板形成。
3.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述可压缩底板包括具有填充有可压缩材料的多个孔的金属板和可压缩材料层，其中，所述可压缩材料层适于形成所述模块的所述外表面。
4.根据权利要求3所述的电力电子模块，其中，所述可压缩材料层被施加到所述金属板的表面。
5.根据权利要求3所述的电力电子模块，其中，所述可压缩底板包括附接至所述金属板的表面的第一铜片，其中，所述可压缩材料层被施加至所述铜片的表面以形成所述模块的所述外表面。
6.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述底板包括附接至所述基板的第二铜片。
7.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述可压缩底板适于在所述模块附接至冷却装置时变形。
8.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述模块的所述壳体包括围绕所述底板的侧边缘，所述侧边缘具有适于紧靠冷却装置附接的底表面，
其中，所述侧边缘的所述底表面限定了与由所述热传递结构的所述底表面限定的水平面相比更靠近所述基板的水平面。
9.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述基板是直接接合铜结构。
10.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述可压缩底板包括热传递添加剂，所述热传递添加剂包括合成的或天然的金刚石颗粒、氧化铝颗粒、石墨烯颗粒、和银颗粒。
11.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述可压缩底板包括热传递添加剂，所述热传递添加剂包括合成的或天然的金刚石颗粒、氧化铝颗粒、石墨烯颗粒、和铅颗粒。
12.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述可压缩底板包括热传递添加剂，所述热传递添加剂包括合成的或天然的金刚石颗粒、氧化铝颗粒、石墨烯颗粒、银颗粒和铅颗粒。
13.一种制造电力电子模块的方法，包括：
提供并入壳体中且附接至基板的多个电力电子半导体芯片；以及
将热传递结构附接至所述基板，所述热传递结构具有底表面，所述底表面形成所述模块的外表面并且适于接纳冷却装置的表面，其中，所述热传递结构包括可压缩底板，
其中，所述可压缩底板包括金属合金，所述金属合金具有所述金属合金的总重量的按重量计小于50％的锡、按重量计20％至50％的铟以及按重量计1％至5％的铜。
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