CN101594067B - 混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，有主动开关芯片和二极管芯片，主动开关芯片和二极管芯片并排设置于上层覆铜陶瓷基板和下层覆铜陶瓷基板之间，主动开关芯片和二极管芯片与上层覆铜陶瓷基板及下层覆铜陶瓷基板之间的界面通过烧结银接头而连接，主动开关芯片、二极管芯片、上层覆铜陶瓷基板和下层覆铜陶瓷基板之间的间隙填充有密封材料。在主动开关芯片和二极管芯片两者中相对薄的芯片下面设置金属垫片，使主动开关芯片和二极管芯片两者高度相等。本发明具有优异的散热能力；可在更高的结点温度下工作；模块的可靠性高；可降低混合动力汽车的制造和维护成本，具有无铅化，节能降耗且环保的特点，降低汽油等能源消耗，降低二氧化碳的排放。

Description

混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器

技术领域

本发明涉及一种汽车用高温逆变器。特别是涉及一种可以在超过175℃的结点温度下可靠工作，去除第二套冷却循环系统，降低混合动力汽车的制造成本和维护成本的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器。

背景技术

目前的混合动力汽车逆变器的结点温度要求不得高于150℃，通常使用125℃作为结点温度，而混合动力汽车大功率逆变器中的电流可高达上百安培，必会产生大量的热量，因此，必须在传统汽车中的环路液体冷却系统(散热器内介质温度高达105℃)的基础上，在额外增加一套冷却循环系统，必然增加混合动力车的制造成本和长期的维修保养成本。因此，混合动力汽车的发展急需一种新的汽车逆变器，使其可以在更高的温度(175℃)下长期可靠的工作，从而去除第二套冷却循环系统，降低混合动力汽车的制造成本。

显然，要求逆变器在175℃以上的结点温度下可靠工作，逆变器的整个封装系统必须具有高的高温性能，并且要求能够将芯片产生的热量迅速疏导出去。当前汽车逆变器的封装模块中的高压电极是用金属丝键合方法，因此热量只能从模块的单侧被导走，严重限制了模块的热性能。近些年来，已经发展了几种不采用线连接而能提供双面冷却能力的封装技术。International Rectifier Corp.(IR)用一个固体铜片代替连接电源与引线框的引线框式键合。Vishay Siliconix公司发明了一种功率连接的专利技术，来代替功率MOSFETs中传统的引线键合技术(用金属线将铜引线框与芯片直接连接)。通用电气公司(GE)的研究者发明了用于封装功率器件的薄膜功率搭接技术，他们薄膜沉积后进行电镀来进行芯片连接。Liang等人提出了与GE的功率搭接技术相似的嵌入式功率技术。我们也曾提出了具有双面冷却能力的三维封装技术，如倒装焊、球栅阵列和旋涡阵列连接技术。但是，上述的封装技术均是使用钎料合金来进行功率芯片的连接，而钎料合金的高温性能限制了这些功率模块在高温下的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于新型无铅界面连接材料的低温烧结技术，具有双面冷却能力和优良耐高温性能，可以在超过175℃的结点温度下可靠工作，从而去除第二套冷却循环系统，降低混合动力汽车的制造成本和维护成本的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器。

本发明所采用的技术方案是：一种混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，包括有主动开关芯片和二极管芯片，所述的主动开关芯片和二极管芯片并排设置于上层覆铜陶瓷基板和下层覆铜陶瓷基板之间，所述的主动开关芯片与上层覆铜陶瓷基板及下层覆铜陶瓷基板之间的界面，以及二极管芯片与上层覆铜陶瓷基板及下层覆铜陶瓷基板之间的界面均是通过烧结银接头而连接，所述的主动开关芯片、二极管芯片、上层覆铜陶瓷基板和下层覆铜陶瓷基板之间的间隙填充有密封材料。

在所述的主动开关芯片和二极管芯片两者中相对薄的芯片下面设置金属垫片，使主动开关芯片和二极管芯片两者高度相等。

所述的上层覆铜陶瓷基板和下层覆铜陶瓷基板均是表面镀镍/银的覆铜陶瓷基板。

所述的烧结银接头是采用纳米银膏在空气中，无压力或低压力下实现低温烧结，获得的高密度的银烧结薄膜。

所述的密封材料为绝缘材料。

本发明的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，在这种新型的混合动力汽车大功率逆变器中，由于采用了具有双面冷却能力的平面功率模块设计，并且界面连接材料为具有优良导热性能的高密度银烧结薄膜，因此逆变器具有优异的散热能力；并且银的熔点很高，因此逆变器可在更高的结点温度下工作；又由于银烧结薄膜具有较低的弹性模量，这有利于降低热循环下的热应力导致的疲劳失效，从而提高模块的可靠性。而且，纳米银膏是无铅材料。因此，本发明可降低混合动力汽车的制造和维护成本，具有无铅化，节能降耗且环保的特点，降低汽油等能源消耗，降低二氧化碳的排放，促进汽车工业无铅化的发展。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1所构成的电路原理图。

其中：

1：主动开关芯片                   2：二极管芯片

3：上层覆铜陶瓷基板               4：下层覆铜陶瓷基板

5：烧结银接头                     6：密封材料

7：金属垫片

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器做出详细说明。

如图1所示，本发明的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，包括有主动开关芯片1和二极管芯片2，所述的主动开关芯片1和二极管芯片2并排设置于上层覆铜陶瓷基板3和下层覆铜陶瓷基板4之间，所述的主动开关芯片1和二极管芯片2与上层覆铜陶瓷基板3及下层覆铜陶瓷基板4之间的界面通过烧结银接头5而连接，所述的主动开关芯片1、二极管芯片2、上层覆铜陶瓷基板3和下层覆铜陶瓷基板4之间的间隙填充有密封材料6。所述的上层覆铜陶瓷基板3和下层覆铜陶瓷基板4均是表面镀镍/银的覆铜陶瓷基板。

所述的烧结银接头5是采用纳米银膏在空气中，无压力或低压力下实现低温烧结，获得的高密度的银烧结薄膜。

所述的密封材料6为绝缘材料。

在所述的主动开关芯片1和二极管芯片2两者的厚度不同，可在相对薄的芯片下面设置金属垫片7，使主动开关芯片1和二极管芯片2两者高度相等，来确保所有接线端子的连接性。所述的金属垫片7可以采用铜片或其它的金属薄片。

图2所示，本实施例所述的主动开关芯片1是由两个相同的Si模块或SiC模块的绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应管T1、T2构成(即：Si-IGBT，全硅模块的绝缘栅双极型晶体管；SiC IGBT，碳化硅模块的绝缘栅双极型晶体管；Si-MOSFET，全硅的金属氧化物半导体场效应管；SiC-MOSFET，碳化硅的金属氧化物半导体场效应管)，所述的两个相同的Si模块或SiC模块的绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应管T1、T2中一个管T1/T2的发射极或源极与另一个管T2/T1的控制极或漏极相连构成，而两个管T1、T2中没有相连的控制极或漏极构成正电源端，发射极或源极构成负电源端，输出端C位移两个绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应管之间。

所述的二极管芯片2是两个相同的Si或SiC二极管D1、D2，所述的两个二极管D1、D2分别各连接在一个绝缘栅双极型晶体管或半导体场效应管T1/T2的漏极与源极之间共同构成推拉输出电路。

本发明的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，可通过芯片的两个侧面同时向外传导热量，帮助降低热膨胀系数的不匹配引起的热-机械应力，使功率模块可以在超过175℃的结点温度下可靠工作。本发明可降低混合动力汽车的制造和维护成本，对促进费用低廉、节能降耗且环保的混合动力汽车产业的发展，降低汽油等能源消耗，降低二氧化碳的排放等方面具有重大的意义。

Claims (5)

1.一种混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，包括有主动开关芯片(1)和二极管芯片(2)，其特征在于，所述的主动开关芯片(1)和二极管芯片(2)并排设置于上层覆铜陶瓷基板(3)和下层覆铜陶瓷基板(4)之间，所述的主动开关芯片(1)与上层覆铜陶瓷基板(3)及下层覆铜陶瓷基板(4)之间的界面，以及二极管芯片(2)与上层覆铜陶瓷基板(3)及下层覆铜陶瓷基板(4)之间的界面均是通过烧结银接头(5)而连接，所述的主动开关芯片(1)、二极管芯片(2)、上层覆铜陶瓷基板(3)和下层覆铜陶瓷基板(4)之间的间隙填充有密封材料(6)。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，其特征在于，在所述的主动开关芯片(1)和二极管芯片(2)两者中相对薄的芯片下面设置金属垫片(7)，使主动开关芯片(1)和二极管芯片(2)两者高度相等。

3.根据权利要求1所述的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，其特征在于，所述的上层覆铜陶瓷基板(3)和下层覆铜陶瓷基板(4)均是表面镀镍/银的覆铜陶瓷基板。

4.根据权利要求1所述的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，其特征在于，所述的烧结银接头(5)是采用纳米银膏在空气中，无压力或低压力下实现低温烧结，获得的高密度的银烧结薄膜。

5.根据权利要求1所述的混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器，其特征在于，所述的密封材料(6)为绝缘材料。

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