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CN117476559A - 具有嵌入式电力电子器件的电力电子组件 - Google Patents

具有嵌入式电力电子器件的电力电子组件 Download PDF

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CN117476559A
CN117476559A CN202310938970.5A CN202310938970A CN117476559A CN 117476559 A CN117476559 A CN 117476559A CN 202310938970 A CN202310938970 A CN 202310938970A CN 117476559 A CN117476559 A CN 117476559A
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metal layer
circuit board
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周锋
请川纮嗣
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Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
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Abstract

公开了具有嵌入式电力电子器件的电力电子组件。在一个实施例中，电力电子组件包括电路板组件和嵌入在基底中的电力电子器件组件，电路板组件包括电绝缘的基底。电力电子器件组件包括S单元，S单元包括内部石墨层、包封内部石墨层的金属层以及金属层的第一表面，所述第一表面包括设置在所述第一表面内的凹陷部。电力电子器件组件还包括布置在所述第一表面的凹陷部内的电力电子器件。

Description

具有嵌入式电力电子器件的电力电子组件
技术领域
本说明书概括来说涉及电力电子组件，更特别地，涉及用于在实现紧凑包装尺寸的同时具有低总热阻的电力电子组件的设备和方法。
背景技术
由于电子器件在车辆中的使用越来越多，存在使电子系统更加紧凑的需要。这些电子系统的一个部件是用作逆变器电路中的开关的电力电子器件。电力电子器件由于产生大量热量而具有较大的冷却要求。
另外，传统上由硅构成的电力电子器件现在有由碳化硅构成的趋势。碳化硅的使用导致了更大的热通量，因为它限定了更小的器件占地面积。由于这些原因以及更多原因，存在在保持紧凑包装尺寸的同时改进电力电子器件的冷却的需要。
发明内容
在一个实施例中，一种电力电子组件包括电路板组件和电力电子器件组件，电路板组件包括电绝缘的基底，电力电子器件组件嵌入基底中。电力电子器件组件包括S单元，该S单元包括内部石墨层、包封内部石墨层的金属层以及该金属层的第一表面，该第一表面包括设置在该第一表面内的凹陷部。电力电子器件组件还包括设置在所述第一表面的凹陷部内的电力电子器件。
在另一个实施例中，一种电力电子组件包括电路板组件和冷板。电路板组件包括电绝缘的基底和嵌入基底中的多个电力电子器件组件。每个电力电子器件组件包括S单元，该S单元进一步包括内部石墨层、包封内部石墨层的金属层、结合到该金属层的第二表面的绝缘层、以及该金属层的第一表面，该第一表面包括设置在该第一表面内的凹陷部。电力电子器件组件还包括设置在第一表面的凹陷部内的电力电子器件。电路板组件还包括在基底的表面上的表面金属层和将S单元热耦合到表面金属层的多个热过孔。电路板组件的表面金属层结合到冷板的第一表面。
结合附图，鉴于以下详细描述，将更充分地理解由本文描述的实施例提供的这些特征和附加特征。
附图说明
附图中阐述的实施例本质上是说明性的和示例性的，并不旨在限制权利要求所限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述，其中相似的结构用相似的附图标记表示，并且其中：
图1示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的电力电子组件的透视图；
图2示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的图1所示的示例性电力电子组件的分解透视图；
图3示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的示例性电力电子组件的截面图；
图4示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的示例性S单元的俯视透视图；
图5示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的示例性S单元的截面图；
图6示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的另一示例性电力电子组件的截面图；
图7示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的图6所示的电力电子组件的示例性电力电子器件组件的局部分解图；
图8示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的图7所示的示例性电力电子器件的另一局部分解图；
图9示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的图7所示的示例性电力电子器件的透视组装图；
图10示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的图7所示的示例性电力电子器件的截面图；
图11示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的另一示例性电力电子组件的截面图；
图12示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的另一示例性电力电子组件的截面图；
图13示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的图12所示的电力电子组件的示例性电力电子器件组件的局部分解图；
图14示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的图13所示的示例性电力电子器件的透视组装图；和
图15示意性地描绘了根据本文描述和示出的一个或多个实施例的图13所示的示例性电力电子器件的剖面透视图。
具体实施方式
本文描述的实施例概括来说涉及具有一个或多个直接嵌入到电路板(例如印刷电路板)中的电力电子器件组件的电力电子组件。通过将一个或多个电力电子器件组件完全嵌入电路板中，可以去除电路板和电力电子器件的冷板之间的热油脂层。去除热油脂层降低了电力电子器件和冷板之间的热阻，从而提高了热性能。
本公开的电力电子器件组件包括固定到安装基底的电力电子器件，该安装基底在本文中被称为S单元。如下面更详细地描述的，S单元包括提供增强的热扩散能力的石墨层。此外，本公开的实施例包括一个或多个电隔离层，所述一个或多个电隔离层将电力电子器件(多个电力电子器件)与冷板电隔离。例如，S单元的电绝缘层使得能够去除印刷电路板和冷板之间的电隔离层，因为电隔离是由S单元本身提供的。
如下面更详细地描述的，由于石墨层促进热通量流向冷板，本公开的S单元提供了增强的热性能。
本文描述的电力电子器件组件、电路板组件和电力电子组件可用于电气化车辆(例如但不限于电动车辆、混合动力电动车辆)、任何电动机、发电机、工业工具、家用电器等等中。本文描述的电力电子组件可以电联接到电动机和/或电池，并且配置为逆变器电路，该逆变器电路可操作以将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力。
如本文使用的“电力电子器件”是指用于将直流电力转换成交流电力或将交流电力转换成直流电力的任何电气部件。实施例也可以用于AC-AC转换器和DC-DC转换器应用中。电力电子器件的非限制性示例包括功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、晶闸管和功率晶体管。
如本文使用的短语“完全嵌入”是指部件的每个表面都被基底包围。例如，当电力电子器件组件被电路板基底完全嵌入时，这意味着电路板基底的材料覆盖电路板基底的每个表面。当部件有一个或多个表面暴露时，该部件被“部分嵌入”。
如本文使用的“S单元”是可操作以固定到电力电子器件的安装基底，并且该安装基底至少包括围绕石墨层的金属层(例如，铜)。
以下详细描述电力电子器件组件、电路板组件和电力电子组件的各种实施例。只要可能，在整个附图中将使用相同的参考数字来指代相同或相似的部件。
现在参考图1和图2，示例性电力电子组件100分别以组装图和分解图示出。图1和图2所示的电力电子组件100包括冷板102、结合层104和电路板组件106。冷板102可以是能够从嵌入在电路板组件106的基底材料内的电力电子器件140(参见例如图3)去除热通量的任何装置。冷板的非限制性实例包括热沉、单相液体冷却、两相液体冷却、蒸汽室。图1和图2示出了冷板102配置为单相液体冷却装置。冷板102包括流体入口132和流体出口134，该流体入口和流体出口流体地联接到冷板102内的流体室115。简要地参考图3，来自储器(未示出)的冷却流体135通过流体入口132流入流体室115中，并通过流体出口134流出流体室115，在流体出口处，冷却流体返回储器，例如在流过热交换器(未示出)以从冷却流体去除热量之后。虽然未示出，但是可以在流体室115中设置翅片阵列，以提供用于将热量传递到冷却流体135的额外表面积。如图3所示，冷的冷却流体135通过流体入口132进入冷板102，流过流体室115，并作为温的冷却流体离开流体出口134。
电路板组件106被固定到冷板102的第一表面103。图1和图2示出了通过紧固件101(例如螺栓和螺母)将电路板组件106固定到冷板102的第一表面103，所述紧固件设置成穿过冷板102的通孔105、结合层104的通孔107和电路板组件106的通孔。当使用紧固件101时，结合层104可以是热油脂层，以降低电路板组件106和冷板102之间的热阻。
在其他实施例中，电路板组件106通过配置为焊料层的结合层104固定到冷板102的第一表面103。例如，电路板组件106的底表面可以包括金属层，该金属层使得电路板组件106能够通过焊料层固定到冷板102的第一表面103。应当理解的是，也可以使用其他结合方法。
现在参考图3，示出了示例性电力电子组件100A的截面图。在所示的实施例中，附加电气部件130被固定到冷板102的第二表面。作为非限制性示例，该附加电气部件130可以是例如逆变器电路的电容器。应当理解，在其他实施例中，附加电气部件130可以不固定到冷板102。
电路板组件106包括由电绝缘材料制成的基底111。电绝缘材料可以是用于在印刷电路板的制造中使用的材料，例如但不限于FR-4。电路板组件106还包括嵌入的金属层110(或其他导电层)、多个过孔112(例如，导电过孔和热过孔两者)以及多个电力电子器件组件120。
作为一个非限制性示例，电路板组件106可以包括用于电动车辆的逆变器电路的六个电力电子器件组件120。然而，应当理解，根据应用，可以使用任何数量的电力电子器件组件。
每个电力电子器件组件120包括S单元121和固定到S单元121的电力电子器件140。如上所述，S单元121是基底，电力电子器件140固定到该基底上。它提供了导电表面以建立与电力电子器件140的底表面上的电极的连接。S单元121进一步提供散热功能。
图4和图5分别以俯视透视图和截面图示出了示例性S单元121。图4和图5所示的S单元121包括由金属层122封装的内部石墨层125。金属层122包括具有凹陷部127的表面128，该凹陷部具有接收电力电子器件140的尺寸。如下面更详细地描述的，金属层122提供导电表面128，导电过孔可以接触到该导电表面，以建立与电力电子器件140的底表面上的电极的电连接。凹陷部127可以通过例如化学蚀刻来形成。
金属层122可以由任何合适的金属或合金制成。作为非限制性示例，铜和铝可以用作金属层122。
提供石墨层125以促进热量在S单元121上以及朝向冷板102扩散。石墨的晶体结构为其提供了高导热性，使得其有利于向冷板102传导热通量。然而，石墨不具有等温分布。相反，石墨具有沿两个轴线具有高导热性而在第三轴线上具有低导热性的非等温分布。考虑石墨的非等温分布，S单元121被设计成矩形形状，使得其长度尺寸大于其宽度尺寸。参考图4，石墨层125沿着x轴线和z轴线具有高导热性。因此，S单元121被设计成使得其沿x轴线的长度尺寸大于其沿y轴线的宽度尺寸。热通量将优先沿着x轴线和z轴线行进。如下面更详细地描述的，热过孔112可以沿着x轴线设置在S单元的边缘处，以接收热通量并将其朝向冷板102移动。热通量也将沿着z轴线朝向冷板102行进。
再次参考图3，与多个电极141、142和金属层122的电连接可以通过多个过孔112来建立。这些过孔可以向电力电子器件140提供驱动信号，以及提供用于切换电流的电流路径。注意，在一些实施例中，过孔112中的一些可以配置为不传导驱动信号或切换电流的热过孔。
电路板组件106通过结合层104结合到冷板102。在图3所示的实施例中，结合层104既提供电路板组件106和冷板102之间的机械结合，又提供电路板组件106和冷板102之间的电绝缘。图3的结合层104是具有电绝缘性能的反应性多层系统(RMS)结合层。在RMS结合过程中，箔的堆叠层，例如金属箔和电绝缘材料箔，通过点火火花进入反应状态，这产生导致金属间结合的反应。反应的RMS结合层将具有金属底表面(例如，以暴露的金属层110的形式)的电路板组件106结合到也是金属(例如，铝或铜)的冷板102。在一些实施例中，第一金属层117A设置在电路板组件106上，第二金属层117B设置在冷板102上，以增强结合。例如，第一金属层117A和第二金属层117B均可以是焊料(solder)层或钎焊(brazing)层。
RMS结合层104提供了优异的热性能，从而允许热通量从电力电子器件140行进到冷板102，以及还提供了电隔离。通过提供不仅将电路板组件106结合到冷板102而且还提供电绝缘的结合层104，不再需要单独的专用电绝缘层。这减小了功率电子组件100A包装的总体尺寸。通过将电力电子器件组件120嵌入电路板组件106内部，进一步减小了电力电子组件100A包装的总体尺寸。
现在参考图6，示出了另一个电力电子器件组件100B。电路板组件106′和冷板102之间的电隔离不是通过如图1-3所示的结合层来提供电隔离，而是通过一个或多个电力电子器件组件120′的S单元121′的金属化绝缘层124来提供。
图6所示的实施例的结合层104′可以配置为任何结合层，例如但不限于焊料层、钎焊层或RMS结合层。一个或多个暴露的金属层110(例如，铜层)提供了电路板组件106′的金属表面，结合层104′结合到该金属表面上。在一些实施例中，当电力电子器件组件100B通过紧固件101保持在一起时，结合层104'可以是热油脂层。热过孔112从电力电子器件组件120′的底部朝向电路板组件106′的底部延伸，以提供由电力电子器件140产生的热通量的热路径。
图7和图8示出了图6的示例性电力电子器件组件120′的局部分解图，图9是俯视透视图，图10是示例性电力电气器件组件120′的截面图。电力电子器件组件120′包括固定到S单元121′的电力电子器件140。总体上参考图7-10，S单元121′包括内部石墨层125，该内部石墨层被诸如铜层的金属层122封装。金属层122包括具有凹陷部127的表面128，该凹陷部具有接收电力电子器件140的尺寸。如上所述，石墨层125提供了增强的热性能。
图7描绘了电力电子器件140和相对于凹陷部127的结合层143。将电力电子器件140固定到金属层122的结合层143可以是例如焊料层。作为另一示例，结合层143可以是瞬态液相结合层143。电力电子器件140包括在其顶表面上的多个电极141、142。大电极141可以是电力电极，而小电极142可以是信号电极。应当注意，尽管在图7-10中不可见，但是电力电子器件140在其底表面上也包括一个或多个电极。通过将电力电子器件140放置到凹陷部127中，电力电子器件的底表面上的该一个或多个电极电连接到第二金属层126。因此，可以通过第二金属层126建立与电力电子器件140的底部电极的电连接。
S单元121′还包括金属化绝缘层124，该金属化绝缘层在金属层122和冷板102之间提供电隔离。金属化绝缘层124被金属化，使得其可以结合到金属层122。金属化绝缘层124可以由任何电绝缘材料制成，例如但不限于陶瓷材料。作为一个非限制性示例，金属化绝缘层124可以是金属化氧化铝。金属化绝缘层124的绝缘材料的金属化使得其能够被结合。应注意的是，金属化绝缘层124的主表面应被金属化，但侧边缘不应被金属化以防止电短路。
示例性S单元121′还包括第二金属层126，该第二金属层结合到金属化绝缘层124。金属化绝缘层124可以通过任何结合技术结合到金属层122和第二金属层126。第二金属层126提供额外的热扩散，以及提供用于热过孔112的热连接点以使热通量朝向底部金属层110并最终朝向冷板102移动，如图6所示。例如，示出的与S单元121′的第二金属层126接触的过孔112可以是仅导热的过孔，其被设置成朝向靠近冷板102的底层传导热通量。此外，热过孔112可以电耦合到金属层122的顶表面的端部，以将热通量从金属层122向下朝向冷板102移动。以这种方式，热通量被最佳地引导离开电力电子器件140并朝向冷板102引导。
图11示出了电力电子器件组件110C，其类似于图6的电力电子器件组件，不同之处在于电力电子器件组件120″的S单元121″不包括第二金属层。相反，电路板组件106″的基底111材料暴露出每个S单元121″的金属化绝缘层124。金属化绝缘层124的暴露提供了电路板组件106″在金属化绝缘层124处直接地、而不是通过中间层结合到冷板102的表面的能力。例如，电路板组件106″可以通过将一个或多个金属层110和金属化绝缘层124结合到冷板102的表面的结合层104″(例如，焊料层)进行结合。这可能是有利的，因为这可以减小电力电子器件组件110C的尺寸。
图12示出了电力电子器件组件100D，其类似于图6所示的电力电子组件100B。电力电子组件100D的电隔离不是由金属化绝缘层124提供，而是由电力电子器件组件120″′的S单元121″′的直接结合的金属基底150层提供。
图13示出了示例性电力电子器件组件120″′的局部分解图，该电力电子器件组件包括通过结合层143固定到S单元121″′的凹陷部127的电力电子器件140。图14示出了电力电子器件组件120″′的组装透视图。图15是电力电子器件组件120″′的剖面透视图。参考图13-15，示例性S单元121″′包括由金属层122封装的石墨层125。S单元121″′还包括直接结合的金属(DBM)基底150，其被结合到金属层122的底表面。DBM基底150可以是例如直接结合的铜(DBC)基底。DBM基底150具有绝缘层152，该绝缘层可以是陶瓷材料，例如氧化铝。DBM基底150还具有直接结合到绝缘层152(例如陶瓷层)的第一表面的第一DBM金属层151和直接结合到绝缘层152的第二表面的第二DBM金属层153。
可以是铜的第二DBM金属层153结合到金属层122的底表面。绝缘层152为电力电子器件提供电绝缘。
再次参考图12，多个热过孔112接触第一DBM层151并朝向底部金属层110延伸，以将热通量从S单元121″′带到电路板组件106″′的底部。然后，电路板组件106″′可以在暴露的金属层110处通过结合层104结合到冷板102的表面，该结合层可以是例如焊料层。
类似于图11的电力电子组件，在一些实施例中，电路板组件106″′的基底111材料可以暴露出第一DBM层151。在这样的实施例中，电路板组件106″′可以在第一DBM层151处、而不是在中间金属层处结合到冷板102的表面。
现在应当理解，本公开的实施例涉及包括完全嵌入电路板基底内的S单元的电路板组件、电力电子器件组件和电力电子组件。本文描述的实施例的S单元包括封装的石墨层以提高热性能。可以通过S单元的电绝缘部件来提供电隔离。将电力电子器件组件直接嵌入电路板中以及去除电路板和冷板之间的单独的电隔离层，显著减小了电力电子器件的总体尺寸，同时还提供了增强的热性能。
值得注意的是，术语“大体”和“约”在本文中可以用于表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有不确定程度。本文中还使用这些术语来表示定量表示可能与所述参考不同而不会导致所讨论主题的基本功能发生变化的程度。
尽管本文已经说明和描述了特定的实施例，但是应当理解，在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下，可以进行各种其他的改变和修改。此外，尽管本文已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这些方面不必组合使用。因此，所附权利要求旨在覆盖落入所要求保护的主题的范围内的所有这样的改变和修改。
对本领域技术人员来说显然的是，在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下，可以对本文描述的实施例进行各种修改和变型。因此，本说明书旨在覆盖本文描述的各个实施例的修改和变型，只要这些修改和变型落入所附权利要求及其等同的范围内。

Claims (20)

1.一种电力电子组件，包括：
电路板组件，所述电路板组件包括：
基底，所述基底是电绝缘的；
嵌入所述基底中的电力电子器件组件，所述电力电子器件组件包括：
S单元，所述S单元包括：
内部石墨层；
金属层，所述金属层包封所述内部石墨层；和
所述金属层的第一表面，所述第一表面包括设置在所述第一表面内的凹陷部；以及
电力电子器件，所述电力电子器件设置在所述第一表面的所述凹陷部内。
2.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述电路板组件还包括多个热过孔，所述多个热过孔嵌入所述基底中并且热耦合到所述电力电子器件。
3.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述S单元的长度大于宽度。
4.根据权利要求1所述的电力电子组件，还包括冷板，其中所述电路板组件通过结合层结合到所述冷板的表面。
5.根据权利要求4所述的电力电子组件，其中，所述结合层是电绝缘的。
6.根据权利要求4所述的电力电子组件，其中，所述结合层是反应性多层系统结合层。
7.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述S单元还包括结合到所述金属层的第二表面的金属化绝缘层。
8.根据权利要求7所述的电力电子组件，还包括冷板，其中：
所述S单元的所述金属化绝缘层在所述电路板组件的表面处暴露；
所述电路板组件在所述S单元的所述金属化绝缘层处结合到所述冷板的表面。
9.根据权利要求8所述的电力电子组件，其中，所述电路板组件通过反应性多层系统结合而在所述S单元的所述金属化绝缘层处结合到所述冷板的表面。
10.根据权利要求7所述的电力电子组件，其中，所述S单元还包括结合到所述金属化绝缘层的第二金属层。
11.根据权利要求10所述的电力电子组件，其中，所述电路板组件还包括热耦合到所述第二金属层的多个热过孔。
12.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中：
所述S单元进一步包括直接结合的金属基底，所述直接结合的金属基底包括：
第一直接结合的金属层；
陶瓷层，所述陶瓷层结合到所述第一直接结合的金属层；和
结合到所述陶瓷层的第二直接结合的金属层。
13.根据权利要求12所述的电力电子组件，还包括冷板，其中：
所述第二直接结合的金属层在所述电路板组件的表面处暴露；并且
所述电路板组件在所述S单元的所述第二直接结合的金属层处结合到所述冷板的第一表面。
14.一种电力电子组件，包括：
电路板组件，所述电路板组件包括：
基底，所述基底是电绝缘的；
嵌入所述基底中的多个电力电子器件组件，每个电力电子器件组件包括：
S单元，所述S单元包括：
内部石墨层；
金属层，所述金属层包封所述内部石墨层；
绝缘层，所述绝缘层结合到所述金属层的第二表面；和
所述金属层的第一表面，所述第一表面包括设置在所述第一表面内的凹陷部；以及
电力电子器件，所述电力电子器件设置在所述第一表面的所述凹陷部内；
在所述基底的表面上的表面金属层；和
多个热过孔，所述多个热过孔将所述S单元热耦合到所述表面金属层；以及
冷板，其中所述电路板组件的所述表面金属层结合到所述冷板的第一表面。
15.根据权利要求14所述的电力电子组件，其中，所述S单元的长度大于宽度。
16.根据权利要求14所述的电力电子组件，其中，所述绝缘层包括金属化绝缘层。
17.根据权利要求14所述的电力电子组件，其中，所述绝缘层包括直接结合的金属基底，所述直接结合的金属基底包括：
第一直接结合的金属层；
陶瓷层，所述陶瓷层结合到所述第一直接结合的金属层；和
结合到所述陶瓷层的第二直接结合的金属层。
18.根据权利要求14所述的电力电子组件，还包括电容器，所述电容器固定到所述冷板的与所述第一表面相对的第二表面。
19.根据权利要求14所述的电力电子组件，其中：
所述冷板包括流体室、流体入口和流体出口；和
所述流体入口和所述流体出口热耦合到所述流体室。
20.根据权利要求14所述的电力电子组件，其中，所述电路板组件通过紧固件和热油脂层固定到所述冷板的所述第一表面。
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