[發(fā)明專利]熱傳遞結(jié)構(gòu)、電力電子模塊及其制造方法以及冷卻元件

在審

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• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110660762A
• 公開（公告）日: 2020-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 約爾馬·曼尼寧;米卡·西爾文諾伊寧;謝爾·英曼
• 申請（專利權(quán)）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: 11227 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 楊鐵成;楊林森

本申請涉及熱傳遞結(jié)構(gòu)、電力電子模塊及其制造方法以及冷卻元件。在電力電子模塊中利用熱傳遞結(jié)構(gòu)。熱傳遞結(jié)構(gòu)包括金屬體和碳基插入件。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱傳遞結(jié)構(gòu)、電力電子模塊、冷卻元件以及制造熱傳遞結(jié)構(gòu)和電力電子部件的方法。

背景技術(shù)

諸如單個(gè)電力電子部件或電力電子模塊的電力電子部件通常在用于切換高電流和在高電壓進(jìn)行操作的高功率設(shè)備中使用。關(guān)于單個(gè)電力電子部件，指的是例如高功率晶閘管和二極管。電力電子模塊包含位于同一部件殼體中并且通常內(nèi)部地彼此連接以提供某種電路結(jié)構(gòu)的多個(gè)切換部件。

電力電子模塊被用于例如制造某種電力轉(zhuǎn)換電路，諸如逆變器和變換器。電力電子模塊的示例包含在模塊內(nèi)串聯(lián)連接的兩個(gè)IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。其他示例可以包括容易在模塊內(nèi)電連接的橋拓?fù)浠蛘邩蛲負(fù)涞牟糠帧?/p>

電力電子模塊或單個(gè)電力電子部件還可以包括通常由銅制成的基板。基板的目的是將由半導(dǎo)體生成的熱傳導(dǎo)至冷卻設(shè)備，例如散熱器。基板的表面通常是散熱器可以附接至的大體平坦的表面。考慮到由模塊中的半導(dǎo)體部件所生成的熱量，對散熱器進(jìn)一步確定尺寸。

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。示例的電力電子模塊包括焊接至襯底例如直接銅鍵合(direct copper bonding，DCB)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)半導(dǎo)體芯片11、12。示例的DCB結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)銅板3和銅板3之間的陶瓷層4。DCB結(jié)構(gòu)與模塊的銅基板7的頂部上的焊料層5焊接。模塊還包括用DCB結(jié)構(gòu)和芯片周圍的點(diǎn)劃線示出的殼體6。

圖1的示例的模塊被附接至散熱器，使得熱界面材料8被放置在模塊的基板與散熱器的基板之間。熱界面材料的目的是將來自模塊基板的熱盡可能有效地傳遞至散熱器。要注意的是，提供圖1僅為了示出附接至散熱器的電力電子模塊的結(jié)構(gòu)的示例。很顯然的是存在其他種類的結(jié)構(gòu)。

電力電子模塊的內(nèi)部電子封裝密度隨著先進(jìn)的構(gòu)造材料和制造方法而逐漸地增加。這導(dǎo)致了更有挑戰(zhàn)性的模塊外部冷卻解決方案，因?yàn)樵O(shè)備能夠在散熱器表面產(chǎn)生很高的超過35W/cm²的熱點(diǎn)。

考慮到冷卻，當(dāng)模塊以其最大電流和電壓水平，即以最大功率工作時(shí)，情況最為嚴(yán)苛。在該條件下，對于模塊基板的高熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的鋁散熱器的基板擴(kuò)散熱阻太高。也就是說，傳統(tǒng)的鋁散熱器不能足夠快地?cái)U(kuò)散從模塊的基板傳遞的熱。這導(dǎo)致了較高的散熱器至基板溫度和相應(yīng)地芯片至接合點(diǎn)溫度兩者。盡管由于新型的芯片材料，新型的部件可以允許比以前更高的接合點(diǎn)溫度，但是部件可能不會被充分地利用，除非電力電子模塊的外部冷卻不在適當(dāng)?shù)乃健?/p>

常見電力電子模塊外部冷卻解決方案包括例如鋁散熱器。這些常規(guī)的解決方案對于通常的電力電子模塊的基板熱損耗密度而言是很充足的。

具有較高的基板熱損耗密度(例如超過35W/cm²)的更嚴(yán)苛的應(yīng)用需要明顯更有效地從基板的熱傳遞。通常地，例如通過使用較大的冷卻風(fēng)扇增大冷卻空氣流動速率、以不同的方式修改鋁散熱器等來增大熱傳遞。修改可以包括將銅熱擴(kuò)散板添加至基板，或者使用銅翅片來代替散熱器鋁冷卻翅片。可以通過用熱管散熱器或熱虹吸冷卻設(shè)備代替鋁散熱器來獲得更有效的冷卻布置。

對于這些更高效的散熱器和冷卻設(shè)計(jì)的共同挑戰(zhàn)是它們的成本與常規(guī)的鋁散熱器的成本相比相當(dāng)高。成本的增加來源于如下若干問題：更費(fèi)力的制造、更復(fù)雜的制造以及更高價(jià)格的材料。因此管理電力電子模塊內(nèi)的集中熱損耗密度將是有益的，并且該方式使得能夠使用相對低成本的散熱器解決方案。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供熱傳遞結(jié)構(gòu)、電力電子模塊、冷卻元件以及產(chǎn)生熱傳遞結(jié)構(gòu)和電力電子模塊的方法以解決上述問題。通過以實(shí)施方式中所述的內(nèi)容為特征的熱傳遞結(jié)構(gòu)、電力電子模塊、冷卻元件和方法來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。在實(shí)施方式中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。