CN102648665A - 电子电力模块，和用于制造所述模块的方法 - Google Patents

电子电力模块，和用于制造所述模块的方法 Download PDF

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Abstract

所述电子电力模块（10）包括：堆叠结构（14），包括金属层，所述金属层形成电路（26）和意图用于支撑电子电力部件（18），诸如半导体；金属本体，形成热排放件（20）；和介电材料层（22），形成电绝缘件并插入在电路（26）和热排放件（20）之间。堆叠结构（14）包括具有装填有碳的金属基体的复合材料本体（24）。碳装填物处于20和60之间的体积百分比。所述复合本体（24）插入在电路（26）的区域和电绝缘件（22）之间，所述区域意图用于支撑电子电力部件（18）。

Description

电子电力模块,和用于制造所述模块的方法
技术领域
本发明涉及电力电子模块的领域，特别是用于机动车辆。
背景技术
电力电子模块，诸如DBC（直接敷铜（Direct Bound Copper）的缩写），已从现有技术已知。
该类型的模块包括形成电路的金属层，至少一个电子电力部件（诸如半导体）固定到所述金属层上。该模块还包括形成热沉的金属质量件，一般由铜或铝制成，允许部件在操作中产生的热量被消散。在电路和热沉（两者均由金属制成）之间，插置有介电陶瓷材料层，形成电绝缘件。
常规地，当部件产生的热流非常高时和当传统印刷电路的可靠性由于热流不再能以令人满意的方式消散而不再令人满意时，使用这些模块。
在DBC模块中，铜薄膜直接沉积到陶瓷基板上；铜由于其优秀的导电性而被使用。
该基板起电绝缘件的作用，以便避免电路和热沉之间的任何短路。在陶瓷基板的一个面上，铜层形成电路，电力电子部件直接钎焊到所述电路上；在另一面上，铜层允许基板被铜焊到热沉上。
热沉一般由铜制成，铜具有高导热率（~400Wm-1K-1），该导热率允许高效热消散。
用于陶瓷基板的最常用材料是氧化铝和氮化铝。除了其作为电绝缘件的作用，该基板必须允许热量从电力电子部件传递到热沉，同时具有接近所述部件热膨胀系数的热膨胀系数。这允许在部件-电绝缘件界面处由每一个操作周期（温度增加和降低）引起的热机械应力导致的部件退化被避免。
为了克服基板的热膨胀系数（对于氮化铝4.10-6K-1）和热沉的热膨胀系数（17.10-6K-1）的值之间的差异带来的缺陷，陶瓷基板通过应用形成接头的铜焊质量件而被铜焊到热沉上；该接头还用于将热量从部件传递到热沉。
在这样的电力电子模块中，热机械应力集中在铜焊接头，这是由于形成基板的氮化铝和形成热沉的铜的热膨胀系数中的差异。
在使用电力电子模块期间，这些热机械应力在铜焊接头处引起机械疲劳，这可以导致其局部脱离结合。热量在部件和热沉之间的传递可以不再以最优的方式运行，并且于是存在部件的退化和过热的风险。
发明内容
本发明的目的特别是提供一种模块，具有对形成该模块的元件的热膨胀系数之间的差异产生的热机械应力的最佳抵抗。
为此，本发明的一个主题是电力电子模块，其包括堆叠结构，该堆叠结构包括：
-金属层，形成电路，设计为承载电力电子部件，诸如半导体，
-金属质量件，形成热沉，和
-介电材料层，形成插置在电路和热沉之间的电绝缘件，
其特征在于，所述堆叠结构包括具有装填有碳的金属基体的复合材料制成的质量件，碳装填物在体积上处于20%至60%的范围内，该复合质量件插置在一方面设计为承载电力电子部件的电路的区域和另一方面电绝缘件之间。
由于本发明，可以有利地制造具有易于实施的简单结构的电力电子模块。
观察到，不必再在元件之间形成铜焊接头来确保热量从部件传递到热沉。因此，消除了重复的热机械应力以及由此导致的疲劳。
本发明的另一优势是，一方面，在电绝缘件和包括由复合材料制成的质量件的电路之间的界面处，另一方面，在电绝缘件和热沉之间的界面处没有热机械应力的传递。
本发明的又一优势在于，由复合材料制成的质量件，其代替DBC模块的陶瓷基板，具有比氮化铝更高的导热率。其直接在部件之下的定位因此确保了热流经由介电材料层到热沉的最优传递。在适当情况下，热量的一部分还可以通过从复合质量件侧向地流动到电路以及随后从电路经由介电材料层流动到热沉而消散，这允许部件和直接在部件之下的电路的温度的增加受限。而且，部件和用复合材料制成的质量件之间的热膨胀系数的差异非常小。该复合材料质量件因此防止热机械应力在电路和电力电子部件之间的界面处发展。
碳装填物在体积上为20%之下，导热率没有增加，并且复合材料的质量件和电力电子部件的热膨胀系数值的差异产生热机械应力。
碳装填物在体积上超过60％，遇到碳被金属可润湿能力的问题。于是难以获得均质的复合材料质量件。
根据本发明的模块可以还包括一个或多个以下可选特征：
-金属基体主要包括铜或铝，碳装填物包括短石墨纤维（优选地具有小于30μm的长度）、石墨烯、或片状石墨。
-介电材料层包括硅树脂和潜在地包括装填物，所述装填物改进其导热率。
-模块包括用于将堆叠结构的元件夹持在一起的装置。
-模块包括壳体，所述壳体容置至少一部分电路，该壳体至少部分地被堆叠结构和壳体本体形成，夹持装置参与至少一个壳体本体部分与堆叠结构的刚性组装。
短石墨纤维的使用允许复合材料质量件的特性的各向异性受到限制。此外，成形制造操作是便利的。
本发明的另一主题是用于制造电力电子模块的方法，其特征在于，所述模块根据本发明，所述方法包括以下步骤：
-形成子组件，包括：
·设计为形成电路的金属层；和
·由复合材料制成的质量件，和
-通过堆叠堆叠结构子组件、介电材料层和热沉形成堆叠结构，使得复合材料插置在一方面设计为承载电力电子部件的电路的区域和另一方面电绝缘件之间。
根据本发明的方法形成的堆叠结构子组件可以容易地进行：
-切割、钻孔或折叠以形成电路，和
-与介电材料层和热沉进行组装。
这样的子组件易于制造，不形成有现有技术的陶瓷基板。
根据本发明的方法可以还包括一个或多个以下可选特征：
a）根据本方法的一个实施例：
-堆叠结构子组件通过实施以下步骤形成：
·形成至少一个预形成的碳质量件
·将该预形成的质量件放置在模具中，
·将第一量的液态金属引入到模具中，使得该液态金属覆盖所有预形成的质量件，和
·将压力施加到该第一量的液态金属，优选地处于30MPa至40MPa的范围内，使得液态金属浸渍预形成的碳质量件，被浸渍的预形成的质量件形成复合质量件，且第一量的金属的剩余部分至少部分地形成设计为形成电路的金属层；
-在第一量的液态金属引入和加压之后，第二量的液态金属被引入到模具中，设计为使第一量的金属补足，以便形成设计为形成电路的金属层；
-预形成的碳质量件通过实施以下步骤形成：
·在无纺碳纤维板中切割给定尺寸的带状物，
·所述带状物被一个堆叠在另一个顶部上，和
·将带状物的堆叠结构加热到允许带状物将其自身聚集在一起的温度。
b）根据本方法的另一实施例：
-复合质量件（24）通过实施以下步骤形成：
·将粉末状金属与碳装填物混合，
·将该混合物层沉积到模具中，和
·混合物被如下烧结：通过将其加热到处于400℃至1100℃的范围内的温度，优选地处于400℃至900℃的范围内，并且以10MPa至80MPa的范围内的压力将其压紧，该压力优选地处于50MPa至80MPa的范围内；
-在适当情况下，堆叠结构子组件（14A）通过将复合质量件（24）与设计为形成电路（26）的金属层共同层叠而形成；
-作为变体：
·将混合物层沉积到导电金属箔上，和
·两层被烧结在一起，使得在烧结后，获得堆叠结构子组件，在所述堆叠结构子组件中，混合物层形成复合质量件，金属箔形成设计为形成电路的金属层。
附图说明
在阅读以下仅作为示例和参考附图给出的描述将更好地理解本发明，在附图中，图1和2是根据本发明的电力电子模块的第一和第二实施例的各自的示意性横截面图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施例的电力电子模块10。
该模块10包括大致扁平形状的壳体12。
壳体12的壁至少部分地由元件的堆叠结构14和本体16形成。
考虑到图1所示的示例，可以看到堆叠结构14形成壳体12的下表面。此外，本体16包括形成壳体12的上表面的平面侧16A、用于隔开并支撑平面侧16A和堆叠结构14的周边侧壁16B、和至少一个内壁16C。
模块10还包括被堆叠结构14承载的电力电子部件。在所述示例中，该部件采用大致薄片的形式，并包括半导体，所述半导体还称为电子芯片18。
直接在电子芯片18之下，堆叠结构14包括（从相对于图1的底部到顶部）形成热沉20的金属质量件、形成电绝缘件22的介电材料层、用复合材料制成的质量件24和形成承载芯片18的电路26的金属层。电绝缘件22因此插置在电路26和热沉20之间。
当然，电路26，其完全地或部分地容置在壳体12内，所述电路26可以承载不同于芯片18的其他部件。
热沉20例如主要用铜制成，该材料具有高导热率。其还可以主要用铝制成。
形成电绝缘件22的介电材料包括硅树脂和潜在地包括装填物，所述装填物改进其导热率。
电路26例如主要用铜或铝制成。
芯片18以本身已知的方式铜焊到电路26上。芯片18到电路26的电连接以常规的方式制成。因此，在所示示例中，一方面，该连接通过插入在芯片18的下表面和电路26的接触面之间的铜焊质量件28而提供，另一方面，通过使芯片18和电路26连接的一个或多个连接器30而提供。
复合质量件24设计为将来自芯片18的热量疏散，该复合质量件24插置在一方面承载芯片18的电路26的区域和另一方面电绝缘件22之间。
复合质量件24包括金属基体（具有良好导热率的材料），该金属基体装填有碳（具有接近芯片热膨胀系数的热膨胀系数的材料）。碳装填物在体积上处于20%至60%的范围。在所述示例中，金属基体主要包括铜或铝，碳装填物包括短石墨纤维（优选地具有小于30μm的长度）、或石墨烯、或片状石墨。
在图1所示的实施例中，复合质量件24直接在芯片18下方占据较局部的体积，该局部体积在金属层中形成插件，所述金属层形成电路26。
根据本发明的模块10易于制造。下文中，将说明用于制造与本发明相关联的该模块10的方法的步骤。
根据该方法，形成堆叠结构子组件14A，包括：
·金属层，设计为形成电路26，和
·质量件24，用复合材料制成。
大体上，子组件14A设计为获得电路26的期望的布局。
在适当的情况下，芯片18被铜焊到电路26上，且其电连接到该电路26。该步骤可以在稍晚实施。
优选地，壳体本体16的至少一些部件可以模制到电路26上，例如周边侧壁16B和内壁16C。
随后，堆叠结构14通过堆叠子组件14A（包括模制到电路24上的壳体部件16B、16C）、电绝缘件22和热沉20而形成，使得复合质量件24插置在一方面设计为承载芯片18的电路26的区域和另一方面电绝缘件22之间。
堆叠结构14的各个元件通过常规夹持装置32被刚性地夹持和保持在一起，所述夹持装置例如螺钉，由图1中虚线示意性地示出的。
优选地，夹持装置32参与壳体本体16的至少一部分与堆叠结构14的刚性安装。因此，在所示示例中，装置32参与该本体16的平面16A与堆叠结构14的刚性固定，在适当情况下通过本体16的侧壁16B。
将注意到，在所述示例中，侧壁16B和内壁16C每一个具有台阶状底边缘，所述台阶状底边缘允许它们抵靠绝缘件22和电路26两者放置。
根据本发明的第一实施例的模块10的堆叠结构子组件14A可以有利地通过实施以下步骤来制造。
首先，形成至少一个预形成的碳质量件。
优选地，该预形成的碳质量件通过在无纺碳纤维板中以给定尺寸切割带状物而形成。这些纤维例如是短石墨纤维，优选地具有小于30μm的长度。随后，带状物一个被堆叠在另一个顶部上，直到期望的高度。之后，将带状物的堆叠结构加热到允许带状物将其自身聚集在一起的温度。
将注意到，石墨纤维的导热率可以处于500Wm-1K-1至1000Wm-1K-1的范围内。
在预形成的质量件形成之后，该预形成的质量件被放置到模具中，第一量的液态金属被引入到模具中，使得该液态金属覆盖所有预形成的质量件。优选地，液态金属主要包括铜或铝。
最后，将压力施加到该第一量的液态金属，优选地处于30Mpa至40MPa的范围内，使得液态金属浸渍预形成的碳质量件。这样的压力允许金属基体和碳纤维之间的良好结合，而不必处理这些碳纤维。
被浸渍的预形成的质量件因此形成复合质量件24，第一量的液态金属的其余部分至少部分地形成金属层，所述金属层设计为形成电路26。
因此，例如，可以将模具中的液态金属的高度选择为使得，在子组件14A冷却后，该子组件14A在其一面上呈现连续的金属层。该层在复合质量件24上方的厚度必须允许芯片18铜焊到其上，同时保持电路26的导电特性。
将注意到，由于该方法，在复合质量件24和电路26之间没有间断。
作为变体，在第一量的液态金属引入和加压之后，为了补足第一量的金属，第二量的液态金属可以被引入到模具中，以便形成设计为形成电路26的金属层。
第二量的液态金属的引入可以在第一量的金属的冷却之后实施。相继引入的两个量的金属不必相同。
在图2中，示出根据本发明的第二实施例的电力电子模块10。在该图2中，类似于图1中那些的元件以相同的附图标记标记。
与第一实施例相反，用具有装填有碳的金属基体的复合材料制成的质量件24基本上在整个电路26之下延伸。
根据本发明的第二实施例的模块10的堆叠结构子组件14A可以有利地通过实施以下步骤来制造。
首先，通过实施以下步骤形成复合质量件24。
初始地，将粉末状金属与碳装填物混合，所述碳装填物例如为片状石墨的形式，金属例如主要包括铜或铝，具有碳装填物，例如为片状石墨的形式。将注意到，石墨的导热率很高，由于其可以超过1500Wm-1K-1。
随后，将该混合物层沉积到模具中，该混合物被如下烧结：通过将其加热到处于400℃至1100℃的范围内的温度，优选地处于400℃至900℃的范围内，例如等于500℃，并且以10Mpa至80MPa的范围内的压力将其压紧，该压力优选地处于50Mpa至80MPa的范围内。该压力允许碳装填物在金属基体内的良好分布和良好结合被确保。将注意到，获得的复合质量件24的结构，装填有石墨烯，是准各向同性的。
在复合质量件24的形成之后，堆叠结构子组件14A通过将该复合质量件24与设计为形成电路26的金属层共同层叠而形成。
制造堆叠结构子组件14A的该方法相对于关于本发明的第一实施例的上述方法具有避免形成预形成的碳质量件的优势。
作为变体，复合质量件24可以通过实施以下步骤而获得。
在已将导电金属箔沉积到模具中之后，将混合物层在模具中沉积到该层上，如上所述。金属箔，例如主要包括铜或铝，不必与混合物层中使用的金属相同。
随后，该箔和层被如下烧结：通过将它们加热到处于400℃至1100℃的范围内的温度，优选地处于400℃至900℃的范围内，例如等于500℃，并且以10MPa至80MPa的范围内的压力将其压紧，该压力优选地处于50至80MPa的范围内，使得在烧结后，获得堆叠结构子组件14A，在所述堆叠结构子组件14A中，混合物层形成复合质量件24，粉末状金属覆盖层形成设计为形成电路26的金属层。
用于根据本发明的第二实施例的模块10的制造过程的其他步骤类似于关于根据本发明的第一实施例的模块所描述的步骤。

Claims (10)

1.一种电力电子模块（10），包括堆叠结构（14），所述堆叠结构包括：
-金属层，形成电路（26），设计为承载电力电子部件（18），诸如半导体，
-金属质量件，形成热沉（20），和
-介电材料层（22），形成插置在电路（26）和热沉（20）之间的电绝缘件，
其特征在于，所述堆叠结构（14）包括具有装填有碳的金属基体的复合材料制成的质量件（24），碳装填物在体积上处于20%至60%的范围内，该复合质量件（24）插置在一方面设计用于承载电力电子部件（18）的电路（26）的区域和另一方面电绝缘件（22）之间。
2.如权利要求1所述的模块（10），其中，金属基体主要包括铜或铝，碳装填物包括短石墨纤维、石墨烯、或片状石墨，短石墨纤维优选地具有小于30μm的长度。
3.如前述权利要求中的任一项所述的模块（10），其中，介电材料层（22）包括硅树脂和潜在地包括装填物，所述装填物改进其导热率。
4.如前述权利要求中的任一项所述的模块（10），包括用于将堆叠结构（14）的元件（20、22、24、26）夹持在一起的装置（32）。
5.如权利要求4所述的模块（10），包括壳体（12），所述壳体（12）容置至少一部分电路（26），该壳体（12）至少部分地被堆叠结构（14）和壳体本体（16）形成，夹持装置（32）参与至少一个壳体本体部分（16）与堆叠结构（14）的刚性组装。
6.一种用于电力电子模块（10）的制造的方法，其特征在于，所述模块为如权利要求1至5中的任一项所述的模块，所述方法包括以下步骤：
-形成子组件（14A），子组件包括：
·设计为形成电路（26）的金属层，和
·由复合材料制成的质量件（24），和
通过堆叠堆叠结构子组件、介电材料层（22）和热沉（20）形成堆叠结构，使得复合材料（24）插置在一方面设计用于承载电力电子部件（18）的电路（26）的区域和另一方面电绝缘件（22）之间。
7.如权利要求6所述的方法，其中，复合材料（24）通过执行以下步骤形成：
-将粉末状金属与碳装填物混合，
-将该混合物层沉积到模具中，和
-将混合物如下烧结：通过将混合物加热到处于400℃至1100℃的范围内的温度，所述范围取决于金属，优选地处于400℃至900℃的范围内，并且通过以10MPa至80MPa的范围内的压力将其压紧，该压力优选地处于50MPa至80MPa的范围内。
8.如权利要求7所述的方法，其中，堆叠结构子组件（14A）通过将复合质量件（24）与设计为形成电路（26）的金属层共同层叠而形成。
9.如权利要求7所述的方法，其中，
-粉末状金属覆盖层沉积在混合物层上，和
-两层被烧结在一起，使得在烧结后，获得堆叠结构子组件（14A），在所述堆叠结构子组件（14A）中，混合物层形成复合材料（24），粉末状金属覆盖层形成设计为形成电路（26）的金属层。
10.如权利要求7所述的方法，其中，
-将混合物层沉积到导电金属箔上，和
-两层被烧结在一起，使得在烧结后，获得堆叠结构子组件（14A），在所述堆叠结构子组件（14A）中，混合物层形成复合材料（24），金属箔形成设计为形成电路（26）的金属层。
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