[发明专利]功率电子电路的冷却

说明书

一种用于对功率电子电路进行冷却的方法，其中电路板(102)根据预先确定的电路板工艺来生产并且装配有至少一个功率电子结构元件(110)，其中在该电路板(102)的表面上延伸的至少一个金属导轨(120)上的至少一个位置与至少一个金属元件(104)接触，该金属元件既是导电的、也是导热的并且该金属元件的结构高度被设计为与该至少一个功率电子结构元件(110)的结构高度至少一样大，并且其中向该至少一个功率电子结构元件(110)和/或该至少一个金属元件(104)上平坦地放置冷却板(116)。

技术领域

本发明涉及一种用于对功率电子电路进行冷却的方法，其中在热量排放可能性的方面在电路板上设计至少一个导轨。此外要求保护一种如此设计的电路板。

背景技术

常规的功率电子单元大多数由带有螺旋接口和电流轨道的分立的电子结构元件实现，例如晶闸管和IGBT(是本领域技术人员对“Isolated gate bi-polar transistors(隔离栅双极晶体管)”的缩写)。相对比地，最新的功率晶体管允许将高功率电路集成到典型的电路板中。然而，如此的电路板(本领域技术人员称为“printed circuit board(印刷电路板)”或“PCB”)不能以35μm的典型金属厚度传导高电流或吸收它们的废热。

现代的模块式的功率电子单元(例如在美国文献US 9,496,799 B2描述的模块式的多电平转换器)将高功率分成更小的、由其包括的低压半导体可切换的部分。然而必要的是，利用所述的现代的功率电子单元在电路板上传导这些高功率和电流。

此外，现代的、快速切换的功率半导体需要非常紧凑的电路实现方式，以便能够利用它们的速度。背景首先是高寄生电感，其导致空间大的电路结构。储存在高寄生电感中的磁能能够在开关过程中无意地放电并且无意地产生损害或毁坏元件的开关过电压。然而，现有技术中的电路板包含多层较厚的铜，从而获得大的电路板厚度。通常连接到顶层和底层的结构元件因此彼此之间具有大的间隔，从而极大地增加电流跨越的面积以及因此的寄生电感。

文献US 5,214,309说明了一种带有用于从功率晶体管散热的厚金属片的电路板。

虽然常规电路板通常利用一定数量的厚度为约35μm至70μm的铜层制造而成，但是与此同时现有技术知道以非常相似的制造工艺利用400μm或更厚的多层制造电路板的可能性。与标准电路板一样，铜层全表面电解(电镀)地沉积或层压成金属箔，然后涂上感光胶(正面或负面)，该感光胶正面或负面地曝光出相应的图案、显影并且部分去除，以便最后不再湿法刻蚀感光胶覆盖区域。然而，铜的刻蚀在很大程度上是各向同性单向的并且因此也从侧面刻蚀到仍然被感光胶覆盖的铜区域。因此可能的结构的分辨率随着层厚度而降低。否则，几乎所有已建立的方法都可以用于生产中，例如，通过通孔(所谓的Vias)局部地连接电路板的不同层。电路板上的高电流路径在现有技术中例如利用垂直布置的电流轨道形成。这些电流轨道大多数实施于通孔插装技术，其中同样可以想到表面装配技术(所谓的surface mounted device或SMD)。

由于厚铜的刻蚀通常限于远低于一毫米的层厚度，因此通常产生所谓的嵌体以获得几毫米的更高厚度。嵌体被裁剪成符合所需尺寸的铜并且紧接着嵌入进电路板。该嵌体通常用于电路板的内层。在所使用的实心铜元件的层面上产生的空腔必须填充材料，通常是预浸渍的纤维。

在现有技术中提供用于SMD半导体的电路板，在表面处仅带有嵌体层面和可能地一些位于上方或位于下方的通常刻蚀的板层，但是不能实现重叠的电流路径。在此可以想到嵌入多个嵌体层，然而存在的问题是，利用标准方法无法实现成本有效的导电连接或从表面到所有堆叠嵌体层的通孔。对于高电流和/或热量排放，连接相应更远的层只能是困难且昂贵的。

因此，多个现代的电子结构元件(例如晶体管)被设计成能够将它们的热量通过电接触输出到导体路径中。对于嵌体技术产生这样的问题，热量虽然能够很好地输出到嵌体的厚铜中，然而之后，热能停留在通常热绝缘的电路板的内部，该热绝缘的电路板例如由玻璃纤维复合材料构成。然后必须高耗费地从嵌体中排放出这种热量。