[發明專利]電力電子模塊及制造電力電子模塊的方法

在審

• 申請號: 201880086819.0
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN111615746A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 約爾馬·曼尼寧;米卡·西爾文諾伊寧;謝爾·英曼;約尼·帕卡里寧
• 申請（專利權）人: ABB瑞士股份有限公司
• 主分類號: H01L23/373
• 分類號: H01L23/373
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 王萍;楊林森

一種電力電子模塊和制造電力電子模塊的方法。該模塊包括：并入在殼體中的多個電力電子半導體芯片；以及具有如下表面的熱傳遞結構，該表面形成模塊的外表面并且適于接納冷卻裝置的表面，其中，熱傳遞結構包括具有軟覆層的金屬結構。

技術領域

本發明涉及電力電子模塊，并且具體地涉及具有改進的冷卻性能的電力電子模塊。

背景技術

電力電子模塊通常在用于切換高電流以及對高電壓進行操作的高功率裝置中使用。電力電子模塊包含位于同一部件殼體中并且通常彼此內部連接以提供某種電路結構的多個開關部件。

電力電子模塊被用于例如制造某種電力轉換電路，諸如逆變器和轉換器。電力電子模塊的示例包含在模塊內部串聯連接的兩個IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。其他示例可以包括容易在模塊內部電連接的橋拓撲或者橋拓撲的部件。

電力電子模塊還可以包括通常由銅制成的基底板。基底板的目的是將由半導體產生的熱傳導至冷卻裝置，例如散熱器。基底板的表面通常是散熱器可以附接至其的基本上平坦的表面。散熱器的尺寸還要考慮到由模塊中的半導體部件所產生的熱量。

圖1示出了附接至散熱器2的電力電子模塊1的截面的示例。該示例的電力電子模塊包括焊接至直接銅鍵合(direct copper bonding，DCB)結構的兩個半導體芯片11、12。該示例的DCB結構具有兩個銅板3和在銅板3之間的陶瓷層4。該DCB結構與模塊的銅基底板7的頂部上的焊料層5焊接。該模塊還包括在DCB結構和芯片周圍以點劃線示出的殼體6。

圖1的示例的模塊附接至外部散熱器，使得熱界面材料層8被放置在模塊的基底板與散熱器的基底板之間。熱界面材料的目的是將來自模塊的基底板的熱盡可能有效地傳遞至散熱器。應注意，提供圖1僅為了示出附接至散熱器的電力電子模塊的結構的示例。應清楚的是存在其他種類的結構。

電力電子模塊也可以在沒有基底板的情況下形成。在這樣的模塊中，DCB結構的銅板形成模塊的外表面。為了使模塊冷卻，將散熱器或任何其他冷卻裝置附接至DCB結構的銅板。

電力電子模塊的熱損失主要通過其基底板消散，該基底板必須與適當的冷卻裝置保持良好的熱連接。適當的冷卻裝置具有明確的尺寸任務，但是管理該模塊與其冷卻器之間的良好且可靠的熱連接更具挑戰性。兩個表面之間的熱連接取決于包括其表面粗糙度(Ra)和表面平坦度的若干個特性。實際上，兩個表面的接觸是不完美的并且在它們之間存在填充有空氣的間隙。因為空氣是不良熱導體，所以可以通過以下操作來減小接觸熱阻：使得接觸表面非常光滑和平坦以及/或者通過以較好的熱傳導物質取代空氣。

已經開發了特定材料來填充接觸的表面之間的空氣間隙并且減小接觸熱阻。這些所謂的熱界面材料可以以不同的物理形式如可分散的脂劑或糊劑、各種厚度的橡膠類墊、金屬箔等得到。這些材料通常是包括已經填充有較高導熱材料如氮化硼或碳納米管的載體或基板化學品(如硅油或橡膠)的混合物。常規TIM的典型熱導率相對低，例如0.7W/mK、……、5W/mK，這對于典型應用通常是可行的，因為熱界面材料鍵合線厚度僅為25μm至100μm。熱界面材料的熱導率越高并且熱界面材料越薄，則得到越低的電力模塊與冷卻裝置之間的熱阻。這進一步導致較低的芯片溫度水平。一些熱界面材料還具有相變特性，該相變特性例如在循環操作應用中可能是有益的。這種類型的熱界面材料已經被證明在接觸表面面積相對小且平坦的許多應用例如在CPU中工作很好。最近，在市場上還出現了石墨/石墨烯基熱界面材料箔，并且它們的物理特性與常規的TIM顯著不同。石墨片的作用類似于非常柔軟的固體材料，但它們具有高度各向異性的熱導率，例如，面內k為約1000W/mK以及全厚度k為約6W/mK。

電力電子模塊的內部電子封裝密度隨著先進的構造材料和制造方法而逐漸地增加。這導致了更有挑戰性的模塊外部冷卻解決方案，因為裝置能夠在散熱器表面產生很高的超過35W/cm²的熱點。