电力电子模块制造技术

公开了一种电力电子模块。该电力电子模块包括至少一个电力电子部件，其中该电力电子模块包括用于将所述至少一个电力电子部件产生的热传递至冷却设备的基板，该基板包括具有第一铜层、第二铜层以及在第一铜层与第二铜层之间的碳基层的分层结构。

Power electronics module

A power electronic module is disclosed. The power electronic module includes at least one power electronic component, wherein the power electronic module includes a substrate for transferring heat generated by the at least one power electronic component to a cooling device, comprising a first copper layer, a second copper layer, and a carbon base layer laminated between the first copper layer and the second copper layer. Structure.

【技术实现步骤摘要】
电力电子模块
本专利技术涉及具有基板的电力电子部件，并且涉及制造电力电子部件的方法。
技术介绍
电力电子部件，例如单个电力电子部件或多个电力电子模块，通常在用于切换高电流或对高电压进行操作的高功率设备中使用。单个电力电子部件涉及例如高功率晶闸管和二极管。电力电子模块包含位于相同的部件壳体中并且通常内部地彼此连接以提供某种电路结构的多个切换部件。电力电子模块被用于例如制造某种电力转换电路，诸如逆变器和变换器。电力电子模块的示例包含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。电力电子模块或单个电力电子部件还可以包括通常由铜制成的基板。基板的目的是将由半导体产生的热传导至冷却设备，例如散热器。基板的表面通常是散热器可以附接至的大体平坦的表面。考虑到由模块中的半导体部件所产生的热量，对散热器进一步确定尺寸。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直接键合铜(directcopperbonding，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和铜板3之间的陶瓷层4。该DCB结构与模块的铜基板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的该示例的模块被附接至散热器，使得热界面材料8被放置在模块的基板与散热器的基板之间。热界面材料的目的是将来自模块基板的热尽可能有效地传递至散热器。要注意的是提供图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。要清楚的是存在其他种类的结构。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，因为设备能够在散热器表面产生很高的超过35W/cm2的热点。考虑到冷却，当模块以其最大电流和电压水平(即以最大功率)工作时，情况最为严苛。在该条件下，对于模块基板的高热点，常规的铝散热器的基板传播热阻太高。就是说，常规的铝散热器不能足够快地扩散从模块的基板传递的热。这导致了更高的散热器至基板的温度以及相应地芯片至接合点的温度两者。尽管由于新型的芯片材料，新型的部件可以允许比以前更高的接合点温度，但该部件可能不会被充分地利用，除非电力电子模块的外部冷却不在适当的水平。常见电力电子模块外部冷却解决方案包括例如铝散热器。这些常规的解决方案对于通常的电力电子模块的基板热损耗密度而言是很充足的。具有更高的基板热损耗密度(例如超过35W/cm2)的更严苛的应用需要明显更有效地从基板的热传递。通常地，例如通过使用更大的冷却风扇增大冷却空气流动速率，以不同的方式修改铝散热器等等，来增大热传递。修改可以包括将铜热扩散板添加至基板，或者使用铜翅片来代替散热器铝冷却翅片。可以通过用散热管、散热器或热虹吸冷却设备代替铝散热器来获得更有效的冷却布置。对于这些更有效的散热器和冷却设计的共同挑战是它们的成本与常规的铝散热器的成本相比是相当高的。成本的增加来源于如下若干问题：更费力的制造、更复杂的制造以及更高价格的材料。因此管理电力电子模块内的集中热损耗密度将是有益的，并且这种方式使得能够使用相对低成本的散热器解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供电力电子模块以及制造电力电子模块的方法，以解决上述问题。通过由独立权利要求中所述的内容而限定的电力电子模块和方法来实现本专利技术的目的。在从属权利要求中公开了本专利技术的优选实施方式。本专利技术基于制造电力电子模块的新型基板的理念。该基板由金属结构形成，并且具有碳基芯结构。根据一个实施方式，电力电子模块的基板包括具有铜层和在铜层之间的碳基层的分层结构。碳基层优选地是石墨层或石墨烯层。基板被优选地形成为使得铜在基板的所有侧围绕碳基材料层，并且因此碳基材料形成基板的芯。根据一个实施方式，碳基芯结构具有各向异性热传导率，并且优选地，该芯结构由布置在基板的金属结构内部的碳基材料板形成。本专利技术的电力电子模块具有以下热属性：利用该热属性，大大地增强了模块的冷却。该热属性使得能够利用该模块的电力半导体开关的全部潜能。附图说明在下文中将借助于优选实施方式参照附图更加详细地描述本专利技术，在附图中，图1示出了现有技术的附接至散热器的电力电子模块；图2示出了本专利技术的实施方式的截面图；图3和图4示出了实施方式的流程图；图5示出了根据实施方式的电力电子模块；以及图6示出了本专利技术的实施方式的透视图。具体实施方式图2示出了本公开内容的电力电子模块的实施方式的截面视图。图2的上图示出了从模块的侧面看的截面视图，并且图2的下图示出了展现电力电子模块的基板的内部结构的截面视图。根据本专利技术，电力电子模块包括至少一个电力电子部件。在图2的示例中，示出了两个电力电子部件11、12。此外，该电力电子模块包括用于将由至少一个电力电子部件产生的热传递至冷却设备的基板21。根据一个实施方式，该基板包括具有第一铜层、第二铜层以及第一铜层与第二铜层之间的碳基层的分层结构。在图2的示例中，直接键合铜结构3、4以及芯片11、12与图1的示例中相似。在图2中，紧固至电力电子模块的DCB结构3、4的基板21是由具有第一铜层22、碳基材料层23和第二铜层24的分层结构形成。碳基材料层23位于两个铜层22、24之间。图2示出了铜层具有大于碳基层的表面面积，并且铜层在层的端部彼此紧固。当铜层彼此紧固时，在铜基板内形成了碳基材料芯。当使用模块的半导体部件时，部件或芯片11、12中的损耗产生热。热通过DCB结构3、4传递至基板。具有碳基芯的本专利技术的基板在基板内部有效地扩散热，并且因此防止在半导体芯片的覆盖区域中的基板中形成热点。芯片的覆盖区域指的是在芯片正下方的表面区域。优选地，碳基材料层由天然石墨、热解石墨或石墨烯形成。该碳材料层具有在平面内近似1500W/mK、穿透厚度方向(through-thickness)近似60W/mK的各向异性热传导率。因此该材料在长度L、宽度W的方向上有效地扩散热。当热在基板内部扩散时，热也在碳基层23的整个表面区域中从碳基层23传递至第二铜层24。第二铜层24的表面适于以热传导的方式接纳冷却设备，使得来自半导体部件或芯片的热被通过基板引导至冷却设备，诸如散热器。由于热以均匀的方式在基板中扩散，因此冷却设备不必需要与具有已知基板的情况一样有效。优选地，基板包括至少一个热通孔，该热通孔由被布置为与第一铜层、第二铜层和碳基材料层热接触的铜柱形成。优选地，该热通孔或多个热通孔被布置在至少一个电力电子部件的半导体芯片的覆盖区域内。图2以截面视图示出了热通孔25。从部件侧面看的截面视图(上图)是沿着与热通孔交叉的线截取的，并且因此第一和第二铜层被示出为相连接。图2的下图是从模块下方看、并且沿着切割碳基材料层的平面而截取的截面视图。该下图显示出了热通孔的结构以及它们相对于半导体芯片的覆盖区域的位置。两个半导体芯片11、12的覆盖区域111、112被示出为图2中的虚线。热通孔位于覆盖区域内，并且因此位于半导体芯片下方。优选地，热通孔由图中示出的铜柱形成，以具有圆形截面。因此铜柱是附接至基板的圆柱件。热通孔提供在半导体下方的高导热路径。铜柱增强了到基板的碳芯的热传导。此外铜柱增强了通过碳芯或碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力电子模块，其包括至少一个电力电子部件，其中，所述电力电子模块包括用于将由所述至少一个电力电子部件产生的热传递至冷却设备的基板，所述基板是具有碳基芯结构的金属结构。

【技术特征摘要】
2017.02.09 US 15/428,4711.一种电力电子模块，其包括至少一个电力电子部件，其中，所述电力电子模块包括用于将由所述至少一个电力电子部件产生的热传递至冷却设备的基板，所述基板是具有碳基芯结构的金属结构。2.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，所述基板是具有第一铜层、第二铜层以及在所述第一铜层与所述第二铜层之间作为芯结构的碳基层的分层结构。3.根据权利要求2所述的电力电子模块，其中，所述第一铜层适于接收来自所述至少一个电力电子部件的热，以及所述第二铜层的表面适于以热接触方式接纳冷却设备的表面以将来自所述电力电子模块的热传递至所述冷却设备。4.根据权利要求3所述的电力电子模块，其中，所述第一铜层的表面被焊接至所述电力电子模块的内部结构。5.根据权利要求4所述的电力电子模块，其中，所述电力电子模块的内部结构包括直接键合铜结构，其中所述第一铜层的表面被焊接至所述直接键合铜结构。6.根据权利要求2所述的电力电子模块，其中，所述基板是通过将所述第一铜层与所述第二铜层铜焊接在一起并且碳基材料在所述层之间而形成的。7.根据权利要求2所述的电力电子模块，其中，所述基板包括由铜柱形成的至少一个热通孔，所述铜柱被布置为与所述第一铜层、所述第二铜层以及碳基材料层热接触。8.根据权利要求2所述的电力电子模块，其中，所述基板包括至少一个热通孔，所述至少一个热...

【专利技术属性】
技术研发人员：约尔马·曼尼宁，米卡·西尔文诺伊宁，谢尔·英曼，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI