CN107078111B - 冷却装置、用于加工冷却装置的方法和功率电路 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种冷却装置（10），它具有铝冷却体（26）和至少一镍板块（90,90’）。所述镍板块（90,90’）利用焊料层（36）与铝冷却体（26）连接。所述冷却装置（10）具有用于固定和用于接收热量的固定面（92,92’），它由背离铝冷却体（26）的镍板块（90）侧面构成。此外还描述了一种用于加工冷却装置的方法以及一个具有如同在这里描述的冷却体（10）的功率电路。

Description

冷却装置、用于加工冷却装置的方法和功率电路

技术领域

本发明涉及一个冷却装置，一种用于加工该冷却装置的方法和一种配有冷却装置的功率电路。

背景技术

尤其在汽车应用里面使用电的或电子的电路或功率半导体或者其它电子或电的部件，其在运行中的损失热量必需通过冷却体排出。冷却体一般由良好导热性的铝制成，而电路利用铜基电路板或类似的载体构成。为了保证良好地传热，铜层平面地固定在铝冷却体上。由于不同的热膨胀系数在温度循环时产生剥离现象，它们不利地影响使用寿命和可靠性。

发明内容

因此，本发明的目的是，给出一种可能性，通过它能够加工具有更长使用寿命的冷却的电路。

这个目的通过一种冷却装置、一种用于加工所述冷却装置的方法以及一种功率电路得以实现。

所述冷却装置具有铝冷却体和至少一个镍板块，所述至少一镍板块利用焊料层与铝冷却体连接，其中，所述冷却装置具有用于固定和用于接收热量的固定面，该固定面由镍板块的背离所述铝冷却体的侧面所构成。

所述方法包括：

a、将钎焊料涂覆在至少一个铝板的连接面上；

b、将铝板叠摞起来，它们包括在其上已经涂覆钎焊料的所述至少一个铝板；

c、熔化所述钎焊料，用于在铝板之间构成至少一个焊料层，通过使铝板与钎焊料一起加热，由此产生作为叠摞的铝板结构的铝冷却体，其中本方法还包括：

d、将所述镍板块布置在所述铝板之一上，它形成铝冷却体的外侧面，其中，钎焊料位于镍板块与铝板之间，并且其中，位于镍板块与铝板之间的钎焊料通过步骤c的加热而被熔化，用于构成在镍板块与铝冷却体之间的焊料层。

所述功率电路具有所述冷却装置，其中，所述功率电路还具有电路板，该电路板具有两面的导体层，其中所述两面的导体层之一通过焊料层与镍板块连接，并且其中，所述功率电路还具有至少一个半导体，它装配在电路板上背离镍板块的电路板一侧上。

本发明还涉及其它有利的实施方式。

已经认识到，在铝冷却体与在其上装配电路板的铜层之间的机械应力对于失效负有责任并且通过减小应力能够提高可靠性。因此建议，利用镍板块减小在冷却体与电路板的在其上安置铜层之间的机械应力，该镍板块建立这两个部件之间的连接或者说设有镍板块用于装配电路板（或者说铜层）。通过使用板块（其厚度超过例如电镀的镍层厚度）可以沿着板块的厚度减小应力。板块的厚度允许在板块纵向延伸方向上变形（与薄的钎焊简化层相反）。所述镍板块可以在与冷却体连接的一侧上相对于板块的相反一侧变形，由此接收并因此也减小应力。因此使用镍的弹性特性，所述板块沿着其厚度方向（即垂直于纵向延伸方向）具有这种特性。背离冷却体的板块一侧同样提供用于装配铜的良好钎焊特性。因此所述板块也能够实现材料过渡。

因此描述了一个冷却装置，它具有铝冷却体和至少一镍板块。所述冷却装置设计成装配在电路上、尤其电路结构的铜层上。在此所述镍板块形成固定面形式的（平面的）热传递接口，在固定面上固定铜层。至少一镍板块钎焊在铝冷却体上，尤其利用焊料层。这个焊料层（直接）连接镍板块与铝冷却体。所述焊料层尤其是硬焊料层。

所述冷却装置具有用于固定和用于接收热量的固定面，它具有热传递接口的功能。所述固定面由镍板块侧面构成。这个侧面背离铝冷却体并因此也背离在板块与冷却体之间的焊料层。这个侧面是基本平面的，但是也可以适配于要安置的电路板的走向。所述镍板块的厚度最好在板块的每个位置上基本（即以不大于±1%或±0.1%的误差）相同。

在冷却体上可以固定一个或多个镍板块（尤其利用焊料层）。多个镍板块可以直接或相互间隔地固定在冷却体表面上。多个镍板块可以位于冷却体的相同的、不同的或相反的侧面上。尤其可以在冷却体的（两个）相反的（最好相互平行的）侧面上分别固定一个镍板块或分别固定多个镍板块。如同已经注意到的那样，至少一镍板块材料锁合地固定在冷却体上，尤其利用材料锁合的连接如钎焊连接（即利用焊料层）。所述冷却体尤其在两侧配有至少一镍板块，用于可以两侧地安置电路板或电路。所述冷却体尤其扁平的且最好基本长方形的。所述冷却体可以具有冷却指，用于将热量排到冷却体外侧面上且尤其在冷却指上排到周围的热介质（空气）上，或者可以具有冷却通道，它穿过冷却体延伸，用于将热量排到通流冷却通道的热介质（液体、尤其是油或水）。

所述铝冷却体可以由多个铝板构成。它们上下叠摞。此外它们相互连接，尤其利用焊料层，最好硬焊料层。至少一铝板具有空隙。至少一具有空隙的铝板在两侧被两个其它的铝板遮盖或者单侧地被铝板而在另一侧被板块遮盖。所述空隙形成冷却通道。所述空隙穿过铝板的整个厚度或者只穿过部分相关铝板延伸。所述空隙例如是槽形的。所述空隙一直导引到铝板的棱边。所述空隙可以具有蜿蜒的长度走向，其中所述空隙的长度走向在一个且最好两个不同的铝板纵向延伸方向上延伸。因此所述空隙最好平面地延伸。所述空隙可以在一个或两个方向上按照光栅构成。所述空隙例如冲压或铣削或铸造。所述铝板尤其利用焊料层相互连接。所述焊料层使铝板相互密封。在铝板之间也可以设有其它密封元件（密封的、弹性的材料如硅层），其中所述铝板利用固定元件相互连接，例如螺栓连接，它穿过铝板延伸。铝板可以具有平面的或杆状的冷却鳍，冷却鳍伸进冷却通道里面。具有杆状冷却鳍的结构也称为“针鳍”结构，其中冷却鳍平面地（且最好均匀地）分布。所述冷却鳍尤其延伸到铝冷却体内部、即至少一冷却通道里面，并因此也可以（在功能方面）视为湍流器。

所述铝板尤其是轧制铝板，它们可以利用硬焊料钎焊。所述冷却体且尤其是铝板最好具有至少590℃的熔点，其中作为硬焊料（为了连接铝板和/或为了固定镍板块，即作为焊料层）最好使用具有8-15%硅质量分量的铝。所述硬焊料具有最好670-740℃的浇铸温度和570-590℃的凝固区间。尤其AlSi12可以作为硬焊料。所有具有7-13%硅质量分量的铝合金适合作为硬焊料。此外硬焊料的熔化区间可以为575℃-615℃。

所述冷却体且尤其是铝板尤其具有小于2%质量分量的镁含量，由此（通过钎焊料）实现良好的使用性。所述冷却体且尤其是铝板具有至少70%的铝质量含量，用于保证耐腐蚀性。可以使用轧制的（或者浇铸的）铝板，尤其也使用AlMg5Si2Mn。在这种情况下铝板的熔化下限例如为594℃。如果铝体不构造为铝板叠摞，则这个铝体可以由这种材料制成，在这里列举的铝板由所述材料制成。因此前面的说明同样涉及铝板和铝冷却体。

术语“铝板”和“铝冷却体”具有词“铝”，因此得出，组成部分主要是铝。因此通过使用词“铝”不是验证100%（质量分量）的铝含量（质量含量），而是涉及合金，由此可以是合金，它主要由铝组成，其中不排除所提及的添加物。

至少一镍板块具有至少70%、85%且最好至少95%、98%或99%镍的镍质量分量。所述镍板块可以具有金属芯和镍层，该镍层包围金属芯。所述镍层的镍质量含量至少为70%、85%且也至少为95%、98%或99%。所述镍板块的导热性最好至少为70,75且特别优选至少85或90W/m*K。在硬焊料层与铝冷却体或者与相关的铝板连接之前，所述镍板块可以单侧（指向铝冷却体）或两侧地具有硬焊料层。所述镍板块可以指向铝冷却体地具有硬焊料层并且在相反的一侧上具有软焊料层。这种配有至少一焊料层（或者相应的钎焊料）的镍板块与铝冷却体一起叠摞并且钎焊（例如在炉里面）。

所述镍板块可以具有至少200、500或800μm的厚度。尤其使用约1mm或1.5mm的板厚（在薄板的意义上）。所述镍板块（并且也包括至少一铝板）可以通过分离、尤其通过切割或冲压相关材料的带或条产生。

在冷却体里面可以设有冷却通道，它们具有自由的内横截面，或者在其中加入湍流器。所述湍流器是本身独立的物体（例如折叠的板块），它们与冷却通道内壁连接，或者通过侧面的空隙构成，或者通过体段形成，它们伸进到通道里面。

此外描述一种用于加工在这里所述的冷却装置的方法。在本方法范围内将钎焊料涂覆在至少一铝板的连接面上，例如通过印刷或者滚压，尤其通过涂覆或衬入“预制件”作为薄板或薄膜，它形成钎焊料（尤其在冷却装置内部的硬钎焊料）。所述铝板被叠摞。尤其已经配有钎焊料的铝板被叠摞或者所述铝板交替地与构造为薄板或薄膜的钎焊料叠摞。所述钎焊料熔化，用于在铝板之间构成至少一焊料层。这例如通过使铝板与钎焊料一起加热实现，例如在炉里面。所述炉可以抽真空或者可以在内室具有氮气。由此铝冷却体以叠摞的铝板结构产生。可以使用焊剂，尤其作为钎焊料的添加剂。

在本方法的范围内还将至少一镍板块放置在一铝板上，尤其在一形成铝冷却体的外侧面的铝板上。在此在镍板块与铝板之间存在钎焊料。因此可以规定，在镍板块或相关铝板的连接面上涂覆钎焊料。

位于镍板块与铝板之间的钎焊料通过与在铝板之间的钎焊料相同的步骤熔化。因此位于镍板块与铝板之间的钎焊料与铝板之间的钎焊料可以在同一步骤里面加热或熔化，例如通过将叠摞的铝板和至少一镍板块加入到炉里面，炉加热并由此熔化钎焊料。在镍板块与铝冷却体之间构成焊料层，尤其在加热的同一步骤里面（例如在炉里面）。

在叠摞前可以冲压至少一铝板。通过冲压形成空隙，空隙形成冷却通道，冷却通道通过相邻的薄板或板块封闭。这个铝板在叠摞范围内接合到两个铝板之间或者一铝板与镍板块之间。通过叠摞利用周围的铝板（或者说利用周围的铝板和镍板块）构成冷却通道。通过冲压产生空隙，它们与相邻的部件一起构成至少一冷却通道。在叠摞范围内还可以将湍流器（作为独立的物体）衬入到空隙里面和/或固定在那里。在此在湍流器与相邻的铝板或镍板块之间可以加入钎焊料，由此与在铝板之间的钎焊料和在镍板块与铝板之间的钎焊料一起也熔化在湍流器与邻接的薄板或板块之间的钎焊料，用于形成焊料层。在此在硬焊料上使用钎焊料，尤其具有硅含量的铝焊料。所述钎焊料具有最好至少450℃的熔点。

在接着的步骤里面利用软钎焊将电路板或具有铜导体层的另一载体（或者也可以只是铜导体层本身）钎焊在镍板块上。在此温度在上述钎焊料的熔点以下。

此外还描述了一个具有如同在这里提及的具有铝冷却体和镍板块的冷却装置的功率电路，它还具有电路板。所述电路板在两侧配有导体层，尤其铜导体层。所述导体层和相关地也包括电路板通过焊料层（最好软焊料）与镍板块连接，尤其与固定面连接，它由镍板块构成。所述功率电路还具有至少一半导体或者其它的电的或电子的元器件，它装配在电路板上的电路板一侧上，该侧面背离镍板块（即，在相反的导体层上）。在电路板与固定面之间或者在元器件与电路板之间的焊料层尤其由软焊料制成。可以使用Sn基软焊料，最好具有Ag添加、尤其SnAg3,5族的软焊料，替代地具有变化SnAg3Cu0,5和Sn95，75Ag3，5Cu0,75。

所述半导体可以是未封装的半导体形式的功率半导体。这个功率半导体利用软焊料层固定在电路板上。半导体（或者说元器件）可以在相同的步骤里面钎焊在电路板上，在该步骤中也钎焊电路板在冷却装置上或者说在铝冷却体上或者说在固定面/镍板块上，通过在炉里面（与冷却装置、电路板和半导体/元器件一起）加热相关的（软）钎焊料。在此在炉中存在温度，该温度位于在元器件与电路板之间的钎焊料和在电路板与冷却体之间的钎焊料的熔点以上，并且位于钎焊料或位于冷却装置内部的焊料层的熔点以下。

所述功率电路尤其形成机动车的电动机功率控制器、在机动车车载电网里面的电压或电流-功率变换器，或者交流逆变器-或整流器-电路。功率电路最好多相地设计，尤其三相。具有至少50A,100A,200A或500A的电流载流能力的电路尤其称为功率电路。

作为电路板尤其使用“直接铜焊（Direct Copper Bonded）”电路板，其中印刷的具有铜层的电路板也是可以的。此外，使用基板作为电路板，在这些基板中导体层首先作为唯一的薄板形成结构，其中例如通过冲压得到独立的导体带或者连接结构，然后将这个连接结构与基板连接，例如通过（电绝缘的）基板材料围注连接结构。

附图说明

图1以横剖面图示出功率电路和从属于功率电路的冷却体。

具体实施方式

图1以横剖面图示出冷却装置10，它包括多个上下叠摞的铝板20,22,24。铝板（包括从属的元件如焊料层、入口、出口、湍流器、固定元件…）形成铝冷却体。铝板上下平齐地叠摞。位于铝板20与24之间的铝板22具有空隙50,52，它们构成冷却通道。这个冷却通道一直到达冷却体10的外表面，尤其直到例如与图面错置（并因此未示出）的棱边。可以设有入口和出口，它们位于冷却通道的端部上。

铝板20-24利用焊料层30或32相互连接，其中焊料层分别位于两个相邻的铝板之间。焊料层尤其位于铝板也相互接触的位置，其中在空隙50,52上也可以没有钎焊料或者没有焊料层。湍流器40可以位于空隙50,52内部，如图所示，湍流器由波浪形的薄板构成。它们通过各个焊料层段34与邻接的铝板20,24连接。但是湍流器40是可选择的并且也可以去掉。空隙50,52通过位于其间的铝板22的整个厚度延伸。由此空隙50,52同样分别形成冷却通道（或者公共的冷却通道的冷却通道段），它由薄板20,24封闭，具有空隙的薄板22位于其间。

在叠摞的铝板的外侧面上、尤其在背离空隙50,52的位于外侧的铝板20,24的主表面上存在镍板块90，它通过焊料层36与铝板24连接。焊料层30-36是硬焊料层，并且可以在公共的熔化过程中在炉内部产生。

镍板块90形成固定面92，它背离铝板20-24。这个固定面92由镍板块90的上侧且尤其由配有焊料层70的镍板块90的表面形成。焊料层70尤其由软焊料组成。在固定面上可以固定要冷却的电子或电的部件。

图1除了按照本发明的冷却体10以外还示出配备的电路板60，它位于固定面92上。因此图1除了按照本发明的冷却体10以外也示出功率电路，它包括冷却体10并且它还构成功率电路。电路板60是两侧覆层的电路板，具有第一导体层62和第二导体层64。第一导体层62通过软焊料层70与镍板块90连接，由此使电路板60通过第一导体层62与冷却体10的固定面连接。相反的第二导体层62用于装配半导体80，它也代表其它电的或电子的元器件，尤其是功率元器件。

与层70一样构造为软焊料层的焊料层72连接半导体80与第二导体层64，它背离冷却体10。半导体80是未封装的半导体，例如晶体管、尤其是IGBT或MOSFET。半导体80只示例地表示许多元器件，这些元器件可以装配在电路板60上。

为了更清楚地表示在图1中电路板60比镍板块更窄地示出，其中在其它实施方式中电路板突出于焊料层并且也可以突出于冷却体10。在此尤其是产生要排出热量的功率半导体或功率元器件最好布置在固定面92上，由此使得用于要排出热量的导热路径保持较短。

此外冷却体10不仅可以单侧地具有镍板块90，并因此具有固定面92，而且也可以两侧地配有镍板块。在此示例地示出可选择的镍板块90’，它在镍板块90对面位于铝体的相反侧面上（通过铝层20-24形成）。这个第二镍板块90’具有另一固定面92’，在其上可以固定元器件或电路板，用于排出热量。镍板块90’与镍板块90一样利用硬焊料层36’与铝冷却体（即，与铝板）连接。如同已经注意到的，铝冷却体由铝板20,22和24以及位于其间的焊料层30和32形成，必要时包括湍流器40。在其它未示出的实施方式中，铝冷却体也可以通过不同于中断的铝板的方式表示，例如通过连续的铝体，或者通过其中加入了冷却通道的铝体。除了内部的冷却通道以外，铝冷却体也可以具有冷却鳍，尤其在铝冷却体的表面上，由此替代或附加地可以通过冷却体表面（并且不只通过冷却通道）排出热量。

附图标记清单

10 冷却装置

20,22,24 铝板

26 铝冷却体

30,32,36 焊料层，尤其是硬焊料层

34 用于固定湍流器的硬焊料层

40 湍流器

50,52 在铝板里面或在铝冷却体26里面的空隙

60 电路板

62,64 电路板60的导体层

70,72 焊料层，尤其软焊料层

80 半导体，最好未封装的

90,90’ 镍板块

92,92’ 固定面

Claims (11)

1.一种冷却装置（10），该冷却装置具有铝冷却体（26）和至少一个镍板块（90,90’），所述至少一镍板块利用焊料层（36）与铝冷却体（26）连接，其中，所述冷却装置（10）具有用于固定和用于接收热量的固定面（92,92’），该固定面由镍板块（90）的背离所述铝冷却体（26）的侧面所构成，其中所述镍板块通过分离或者通过切割或冲压带或条而产生，其中利用镍板块来减小在冷却体与电路板的在该冷却体上能安置的铜层之间的机械应力，所述镍板块沿着其厚度方向具有弹性特性。

2.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述至少一个镍板块（90,90’）利用焊料层（36）直接与铝冷却体（26）连接。

3.如权利要求1或2所述的冷却装置，其中，所述铝冷却体（26）由多个上下叠摞的且相互连接的铝板（20,22,24）构成，其中，至少一个铝板（22）具有空隙（50），这些空隙形成了冷却通道，该冷却通道由所述铝板（20,24,）中的至少一个铝板遮盖。

4.如权利要求3所述的冷却装置，其中，所述铝板利用焊料层（30,32）相互连接。

5.如权利要求3所述的冷却装置，其中，所述铝板（20-24）是轧制铝板，它们能够利用硬焊料来进行钎焊。

6.如权利要求1或2所述的冷却装置，其中，所述镍板块（90.90’）具有至少70%镍的镍质量分量，或者所述镍板块具有金属芯和镍层，该镍层包围金属芯并且它具有至少70%镍的镍质量分量。

7.如权利要求1或2所述的冷却装置，其中，所述镍板块（90,90’）具有至少200μm的厚度。

8.一种用于加工如权利要求1所述的冷却装置（10）的方法，包括：

（a）将钎焊料涂覆在至少一个铝板（20,22,24）的连接面上；

（b）将铝板（20,22,24）叠摞起来，它们包括在其上已经涂覆钎焊料的所述至少一个铝板；

（c）熔化所述钎焊料，用于在铝板之间构成至少一个焊料层（30,32），通过使铝板（20,22,24）与钎焊料一起加热，由此产生作为叠摞的铝板结构的铝冷却体（26），其中本方法还包括：

（d）将所述镍板块（90,90’）布置在所述铝板（24）之一上，它形成铝冷却体（26）的外侧面，其中，钎焊料位于镍板块（90）与铝板（24）之间，并且其中，位于镍板块（90）与铝板（24）之间的钎焊料通过步骤（c）的加热而被熔化，用于构成在镍板块（90,90’）与铝冷却体（26）之间的焊料层（36）。

9.如权利要求8所述的方法，其中，在叠摞所述铝板中的至少一个铝板（22）之前进行冲压，用于通过所述叠摞而利用周围的铝板（20,24）来构成冷却通道。

10.功率电路，具有如权利要求1-7中任一项所述的冷却装置（10），其中，所述功率电路还具有电路板（60），该电路板具有两面的导体层（62,64），其中所述两面的导体层之一通过焊料层（70）与镍板块（90）连接，并且其中，所述功率电路还具有至少一个半导体（80），它装配在电路板（60）上背离镍板块（90）的电路板（60）一侧上。

11.如权利要求10所述的功率电路，其中，所述半导体（80）是未封装的半导体形式的功率半导体，它利用软焊料层（62）固定在电路板上。

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