CN111615746A - 电力电子模块及制造电力电子模块的方法 - Google Patents

Abstract

一种电力电子模块和制造电力电子模块的方法。该模块包括：并入在壳体中的多个电力电子半导体芯片；以及具有如下表面的热传递结构，该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，热传递结构包括具有软覆层的金属结构。

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含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件。

电力电子模块还可以包括通常由铜制成的基底板。基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。基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直接铜键合(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结构与模块的铜基底板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的示例的模块附接至外部散热器，使得热界面材料层8被放置在模块的基底板与散热器的基底板之间。热界面材料的目的是将来自模块的基底板的热尽可能有效地传递至散热器。应注意，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基底板的情况下形成。在这样的模块中，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基底板消散，该基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，但是管理该模块与其冷却器之间的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，所以可以通过以下操作来减小接触热阻：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。

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、各种厚度的橡胶类垫、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，因为热界面材料键合线厚度仅为25μm至100μm。热界面材料的热导率越高并且热界面材料越薄，则得到越低的电力模块与冷却装置之间的热阻。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以及全厚度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，对于模块基底板的高热点，常规的铝散热器的基底板传播热阻太高。也就是说，常规的铝散热器不能足够快地传播从模块的基底板传递的热。这导致了较高的散热器至基底板温度以及相应地较高的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，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和一种制造电力电子模块的方法，以减轻以上缺点。本发明的目的通过一种方法和一种装置来实现，其特征在于独立权利要求中所述的特征。本发明的优选实施方式在从属权利要求中公开。

本发明基于将软覆层直接施加至电力电子模块的底部即热传递结构的底部的构思。该覆层被施加至作为电力电子模块的一部分的金属结构。形成模块的外表面的金属结构是模块的基底板或者DCB(直接键合铜)结构的铜板。

优选地，施加至金属结构的软覆层材料是铟、铜、锡、石墨、聚合物或所述材料的混合物。

本发明的电力电子模块的优点在于，软覆层易于在模块中就位，并且不需要附加的热界面层。与在安装期间需要处理薄膜或糊剂的现有解决方案相比，将模块安装至冷却装置更容易。

附图说明

在下文中，将参照附图借助于优选实施方式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基底板的电力电子模块；

图2示出了本发明的具有基底板的电力电子模块的实施方式；

图3示出了本发明的没有基底板的电力电子模块的实施方式；以及

图4示出了本发明的另一实施方式。

具体实施方式

图2示出了本发明的电力电子模块。在图2的截面中，对于模块的相应部分，附图标记对应于图1的附图标记。电力半导体芯片11、12焊接至DBC结构3、4，该DBC结构再次焊接至基底板7。

根据本发明，电力电子模块包括并入在壳体6中的多个电力电子半导体芯片11、12。该模块还包括具有如下表面21的热传递结构22，该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22包括具有软覆层20的金属结构7。在图2的实施方式中，热传递结构22由电力电子模块的基底板和施加至基底板的软覆层20组成。热传递结构的表面21形成电力电子模块的外表面或底表面。

热传递结构的表面21适于接纳冷却装置的表面，使得来自电力电子模块的热被引导至冷却装置。根据本发明，软覆层直接形成在金属结构的表面上。因此，具有壳体的电力电子模块包括具有软覆层20的表面。

当将诸如散热器的冷却装置附接至本发明的电力电子模块时，软覆层轻微变形并且填充可能存在于冷却装置的表面中的任何间隙。在已知的解决方案中，使用单独的层来在电力电子模块与散热器之间产生良好的热接触。这样的单独的层必须填充模块的表面和冷却装置的表面二者中可能的空气间隙。由于将软覆层施加至模块的表面，因此在覆层与被施加的表面之间不能存在任何空气间隙。

图3示出了本发明的电力电子模块的另一实施方式，其中将软覆层20施加至DPC结构的铜层。因此，在该实施方式中，热传递结构由铜层3和软覆层20形成。图3的模块是没有基底板的模块。因此，模块的底表面由施加至金属结构的软覆层形成，该金属结构为铜层3。底表面适于接纳用于从模块去除和传播热的冷却装置。

根据电力电子模块包括基底板的实施方式，基底板包括如图4所示的热传播石墨结构41。热传播石墨结构优选在金属基底板7的内部形成为一层或若干层。如图4中的箭头所示的，石墨结构的目的是在基底板的横向方向上传播热。石墨结构在不同的方向上可以具有不同的导热特性。当将来自电力半导体芯片的热引导通过基底板时，石墨层传播热，使得基底板更均匀地变热。当基底板均匀地变热时，从基底板到冷却装置的热传递比在基底板具有较热区域和较冷区域的情况下更有效。此外，当借助于石墨层有效地使用基底板的热质量时，在将冷却装置附接至模块时，底表面的软覆层产生有效的冷却特性。

根据实施方式，软覆层的材料是铟、铜、锡、石墨或聚合物。软覆层的材料也可以主要由所提及的材料之一组成。当材料主要由所提及的材料组成时，材料包括可以被包括到覆层以例如进一步增强覆层的热特性或机械特性的一种或更多种另外的材料。

优选地，覆层材料是铟基材料，其在未压缩状态下的厚度在25μm至350μm的范围内。铟基材料覆层被加工成电力电子模块基底板。在电力半导体没有基底板的情况下，铟材料层被加工成DBC结构的底表面。

铟的自然柔软度和厚度使铟能够在模块附接期间适应并充分填充电力电子模块基底板与冷却装置的表面之间的(空气)间隙。电力电子模块的运行以及运行期间的电力循环会使基底板弯曲和/或扭曲。这意指在带有铟覆层的基底板与所附接的外部冷却装置的冷却表面之间的不同位置会出现一些新的间隙。然而，与常规的热界面材料层相比，铟基材料具有相对高的热导率(k为约82W/mK)。

根据本发明，将软覆层预先施加到部件DBC基板或基底板的底部中。可以通过使用PVD覆层技术以及尤其是利用例如低工艺温度的

FCAPAD覆层方法来施加覆层。PVD覆层适用于非常薄的覆层厚度(直至25μm)，而其他已知方法可能更适用于较厚的覆层。

当将软覆层施加至电力电子模块的表面时，其允许在制造采用电力电子模块的装置时容易且快速地进行工作。当使用本发明的模块时，不需要单独的热界面材料。

软覆层具有足够低的硬度(约莫氏1.2)。低硬度使覆层的初始厚度能够减小并在安装到其指定值期间适应冷却表面的表面轮廓。当将冷却装置适当地附接至本发明的电力电子模块时，覆层的厚度从以上提到的25μm至350μm的范围减小。

软覆层还允许向金属表面提供图案或纹理。也就是说，如果需要，可以以不均匀的方式施加软覆层。例如，这样的图案可以包括点或线。此外，可以将覆层施加在金属表面的期望部分中。例如，当电力电子模块利用螺钉或螺栓附接至冷却装置例如散热器时，可能期望在为螺钉或螺栓设置的孔附近不施加软覆层。这样的区域在没有软覆层的情况下而被留下，模块与冷却装置之间的压力可能在模块基底板的中心区域中更为理想。

当与常规使用的热界面材料层相比时，使用铟基软覆层能够实现约16倍至40倍的更高的热导率。自然地，可以加工不同的铟合金，这允许调整包括热导率和硬度的物理特性。

根据实施方式，铟覆层可以包含足够小的(纳米/微米)添加剂物质，例如金刚石或石墨，所述添加剂物质增强材料的热导率和/或其机械特性。前者有益于降低热阻，以及后者有益于软覆层在部件操作和热循环期间抵抗机械力的刚性。覆层的添加剂或填料物质的物理形式可以是例如颗粒、纤维、网眼或网状物。

在上文中，软覆层具体地称为铟基材料。然而，锡、铜、聚合物和石墨在用作用于电力电子模块的底表面的覆层时具有类似的益处。应当注意，可以以已知的方式将所有材料施加至金属表面，并且该覆层在电力电子模块的工作温度下为固体覆层。

在制造电力电子模块的方法中，该方法包括：提供电力电子模块，该电力电子模块包括并入在壳体中的多个电力电子半导体芯片并且具有热传递结构，该热传递结构具有形成模块的外表面的表面；以及将软覆层施加至所提供的电力电子模块的外表面。本发明的方法使得能够将现有的电力电子模块修改为具有更好的热特性的模块。

在以上描述中，电力电子模块的实施方式被相当大体上描述为本领域中已知的电力电子模块。然而，清楚的是，这样的模块具有相当大的占地面积，并且模块的长度通常在6cm:s至25cm:s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将明显的是，随着技术进步，本发明的概念可以以各种方式来实现。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的范围内变化。

Claims (13)

1.一种电力电子模块，包括

并入壳体中的多个电力电子半导体芯片，以及

具有如下表面的热传递结构，所述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具有软覆层的金属结构。

2.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，所述软覆层形成所述模块的外表面。

3.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述模块包括具有顶表面和底表面的直接键合铜结构，其中，所述电力电子半导体芯片附接至所述直接键合铜结构的所述顶表面，并且所述直接键合结构的所述底表面包括所述软覆层。

4.根据权利要求1或2所述的电力电子模块，其中，所述模块包括基底板，并且所述基底板的表面包括所述软覆层。

5.根据权利要求4所述的电力电子模块，其中，所述基底板是铜基底板。

6.根据权利要求4所述的电力电子模块，其中，所述基底板是铜基底板，并且在所述铜内部包括石墨层。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的电力电子模块，其中，所述软覆层包括铟。

8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的电力电子模块，其中，所述软覆层的材料是铟基、石墨基、铜基、锡基或聚合物材料。

9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的电力电子模块，其中，所述软材料层的厚度在25μm至350μm的范围内。

10.根据权利要求7、8或9所述的电力电子模块，其中，所述软覆层还包括用于增强所述软覆层的热导率的金刚石或石墨颗粒。

11.一种制造电力电子模块的方法，所述方法包括

提供电力电子模块，所述电力电子模块包括并入壳体中的多个电力电子半导体芯片并且具有热传递结构，所述热传递结构具有形成所述模块的外表面的表面，以及

将软覆层施加至所提供的电力电子模块的所述外表面。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述软覆层的材料是铟基、石墨基、锡基或聚合物材料。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述覆层使用PVD覆层技术来施加。

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