[发明专利]电力电子模块及制造电力电子模块的方法

说明书

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。

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。