CN107154393B - 电力电子模块 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电力电子模块。电力电子模块包括图案化的绝缘金属基底、粘结到绝缘金属基底的半导体和固体金属颗粒的团聚体，所述固体颗粒机械地结合到彼此和基底，所述团聚体被布置为在半导体与汇流条、控制板或传感器之间形成电互连部或在半导体与汇流条、控制板和传感器的组合之间形成电互连部。

Description

电力电子模块
技术领域
本公开涉及电力电子器件的封装件以及生产该电力电子器件的封装件的方法。
背景技术
电力电子模块已用于多种产业(包括电气化车辆、发电站、工业机械)中以及用于可再生能量应用(诸如，风力涡轮机、太阳能板、潮汐发电站)中。电力电子模块为电力部件以及非电学部件(诸如电互连部、散热路径等)提供物理性防护。传统的电互连部包括可能容易产生噪声、振动或疲劳的多个引线键合部(wire-bond)或带键合部(ribbon-bond)。此外，引线键合的互连部使模块受操作温度的限制。更进一步，随着高温装置在商业上日益成熟，存在对减小尺寸、改善可靠性和耐高温性的电力电子应用的越来越多的需求。然而，包括引线键合的互连部的模块由于空间的限制很难满足不断上升的需求。
已开发了诸如热喷沉积的可替代方法来设置电子互连部。然而，诸如电弧喷涂或等离子喷涂的这些方法使封装件经受高达20000℃的温度。此外，模块的各个部件之间的由热喷沉积产生的键合部会受氧化物沉积的损害。
发明内容
在至少一个实施例中，公开了一种电力电子模块。所述模块包括图案化的绝缘金属基底和粘结到所述基底的半导体。所述模块还包括固体金属颗粒的团聚体，所述固体金属颗粒机械地结合到彼此和基底，所述团聚体被布置为在半导体与汇流条、控制板或传感器之间形成电互连部或半导体与汇流条、控制板和传感器的组合之间形成电互连部。经由塑性变形机械地结合到彼此和基底的固体颗粒的另一团聚体被布置为形成介电材料，以防止半导体与汇流条、控制板或传感器之间的电短路或半导体与汇流条、控制板和传感器的组合之间的电短路。与团聚体关联的颗粒-基底交界面可没有空隙和氧化夹杂物。团聚体可没有空隙和/或氧化夹杂物。颗粒可具有扁豆形状。颗粒中的每个均可具有离散的晶体结构。半导体可以是晶体管或二极管。
在另一实施例中，公开了一种电力电子模块。所述模块可包括图案化的绝缘金属基底和粘结到基底的半导体。所述模块还可包括固体金属颗粒的团聚体，所述固体金属颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和基底，所述团聚体被布置为形成与半导体热连通并被构造为消散由半导体产生的热的热沉和/或散热部。所述团聚体可包括导热性材料。经由塑性变形机械地结合到彼此和基底的固体金属颗粒的另一团聚体被布置为形成高电流电互连部、传感器电互连部、控制电互连部或前述互连部的组合。经由塑性变形机械地结合到彼此和基底的固体颗粒的另一团聚体被布置为形成介电材料，以防止半导体与汇流条、控制板或传感器之间的电短路或半导体与汇流条、控制板和传感器的组合之间的电短路。与团聚体关联的颗粒-基底交界面和/或团聚体可没有空隙和/或氧化夹杂物。所述颗粒可具有离散的晶体结构。半导体可以是晶体管或二极管。
根据本发明的一个实施例，所述团聚体可包括高导热性材料。
在又一实施例中，公开了一种电力电子模块。所述模块包括：半导体装置，结合到图案化的绝缘金属基底；介电材料；电互连部，嵌入在介电材料中并经由塑性变形机械地结合到半导体装置。所述模块还可包括将半导体装置、介电材料和电互连部夹在中间的发射器和收集器。经由塑性变形机械地结合到彼此和基底的固体颗粒的团聚体被布置为形成电互连部和/或介电材料。与团聚体关联的颗粒-基底交界面和/或团聚体可没有空隙和氧化夹杂物。电互连部包括高电流电互连部、传感器电互连部、控制电互连部或前述互连部的组合。半导体装置还可包括热沉和/或散热部。通过冷喷涂或动力金属喷涂来沉积电互连部、介电材料、热沉、散热部或电互连部、介电材料、热沉和散热部的组合。
根据本发明，提供了一种电力电子模块，所述电力电子模块包括：图案化的绝缘金属基底；位于绝缘金属基底上的半导体；固体金属颗粒的团聚体，所述固体金属颗粒机械地结合到彼此和绝缘金属基底，所述团聚体被布置为在半导体与汇流条、控制板或传感器之间形成电互连部；固体颗粒的另一团聚体，所述固体颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此，所述另一团聚体被布置为在绝缘金属基底与电互连部之间形成介电部。
根据本发明的一个实施例，经由塑性变形机械地结合到彼此和绝缘金属基底的固体颗粒的所述另一团聚体经由塑性变形机械地结合到半导体。
根据本发明，提供了一种电力电子模块，所述电力电子模块包括：图案化的绝缘金属基底；半导体，直接粘结到绝缘金属基底；固体金属颗粒的团聚体，所述固体颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和绝缘金属基底，所述团聚体被布置为形成热沉和/或散热部，所述热沉和/或散热部与半导体热连通并被构造为消散由半导体产生的热；固体颗粒的另一团聚体，所述固体颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和绝缘金属基底，所述另一团聚体被布置为形成介电部。
根据本发明的一个实施例，所述介电部防止半导体与汇流条、控制板或传感器之间的电短路或半导体与汇流条、控制板和传感器的组合之间的电短路。
根据本发明，提供了一种电力电子模块，所述电力电子模块包括：半导体装置，结合到图案化的绝缘金属基底；固体颗粒的团聚体，所述固体颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和绝缘金属基底，所述团聚体被布置为形成介电部；电互连部，嵌入在介电部中并经由塑性变形机械地结合到半导体装置；发射器和收集器，将半导体装置、介电部和电互连部夹在中间。
根据本发明的一个实施例，经由塑性变形机械地结合到彼此和基底的固体金属颗粒的团聚体被布置为形成电互连部。
根据本发明的一个实施例，通过冷喷涂或动力金属喷涂来沉积电互连部、介电部、热沉、散热部或这些部件的组合。
附图说明
图1描绘了根据一个或更多个实施例的示例性的电力电子模块的示意性侧视图；
图2描绘了包括在冷喷涂系统中产生的团聚体-基底交界面的示例性的冷喷涂系统的示意性侧视图；
图3A-图3D描绘了在冷喷涂沉积工艺中在固体颗粒与基底的表面发生冲击时颗粒-基底交界面的变化；
图4描绘了通过热喷涂沉积工艺产生的涂层-基底交界面的示意性透视图；
图5描绘了图2中描绘的团聚体-基底交界面的示意性详细视图；
图6A和图6B描绘了包括半导体的绝缘金属基底的示意性侧视图和示意性俯视图；
图6C和图6D描绘了结合到介电材料的图6A和图6B中描绘的基底的示意性侧视图和示意性俯视图；
图6E和图6F描绘了具有电互连部的图6C和图6D中描绘的基底的示意性侧视图和示意性俯视图；
图7A描绘了具有热沉的绝缘金属基底的示意图；
图7B描绘了包括散热部的绝缘金属基底的示意图；
图8A描绘了根据一个或更多个实施例的电力电子模块的示意性侧视图；
图8B描绘了现有技术的电力电子模块的示意性侧视图。
具体实施方式
在此描述了本公开的多个实施例。然而，应当理解，公开的实施例仅仅为示例并且其它实施例可采取各种和替代的形式。附图无需按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一附图说明和描述的各种特征可与一幅或更多幅其它附图中说明的特征结合，以产生未明确说明或描述的实施例。说明的特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可以期望用于特定应用或实施方式。
除非明确地指明以外，否则在描述本发明的最宽范围时，在本描述中指示尺寸或材料特性的所有数量值都应被理解为由词语“大约”来修饰。
首字母缩略词或其它缩写的首次定义适用于同一缩写在此的所有后续使用，并且规定于最初定义的缩写的常规语法变化准用之。除非明确地规定为相反的以外，否则对属性的测量由与前面或后面对于同一属性提及的技术相同的技术来确定。
适合于与本发明的一个或更多个实施例有关的给定目标的一组或一类材料的描述暗含该组或该类的组分中的任意两种或更多种的混合物也是适合的。化学术语的成分描述指的是在添加到描述中说明的任何组合时的成分，并且一旦混合后不一定要排除混合物的成分之间的化学反应。
在诸如混合动力车辆、电源供应、感应加热的多种应用中和在需要将一种形式的电能转换成另一种形式的电能的其它应用中，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管或功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的电力电子器件已变得越来越重要。为电力电子器件提供物理性防护的封装件决定电力电子模块的多种特性(诸如，它们的效率或散热性)。封装件包括将电子电路设计转换成制造组件所需要的所有非电学部件并提供机械支撑、电互连、散热路径、防止受外部环境影响等。
已开发了电力电子模块组装的多种技术。示例性的技术是板上芯片式组装，在该组装过程中半导体装置(也称作裸片)通过烧结或焊接附连到电力电子基底。随后，通过使用金、铜、银或铝进行引线键合来提供裸片与其封装件之间的互连。在一个模块中可形成几百个引线键合互连部。通过在裸片和引线上涂覆环氧树脂涂层来对裸片和引线进行包封，从而完成组装。然而，经由引线键合设置互连部具有某些缺点。例如，引线键合占用模块内部的相对较大量的空间。此外，速度和电学品质由于引线键合的互连部的延长的长度而相对较低。更进一步，焊接开裂、电迁移、振动和热循环或热区的存在带来其他问题。
已研发出了近来较先进的电力电子模块组装工艺来克服这些缺点中的一些缺点。例如，可选的工艺包括倒装芯片工艺、压力接触组装、薄膜覆盖技术、金属柱互连的平行板结构(MPIPPS)或多层集成。然而，这些类型的组装受其它缺点(诸如，由于较大的功率密度而需要高的散热性、与较高的成本关联的较高的复杂性和较高的设计软件需求)影响。此外，如果互连部由引线键合、带/条带键合、直接焊接引线框架或诸如MPIPPS的其它方法产生，则在键合部与热循环的交汇接合处可能出现层离。层离失效可出现在进行互连接键合的焊接接点处。
许多组装方法使用高温热喷涂工艺来沉积可焊接的材料。热喷沉积技术通常是能够将较宽范围的供给材料以较高的沉积速率层叠在基底上的工艺。然而，该方法使用较高的温度，这导致材料熔化。在热喷涂工艺中，键合机理为机械互锁，并且键合可通过增加温度或颗粒速度而得到改善。但是高的工艺温度通常会增多嵌入在涂层中的氧化物的量，降低用于结构应用的涂层性能并可能损坏模块。示例性的热喷涂技术和通常与它们关联的温度范围包括具有9727℃(10000K)与19727℃(20000K)之间的温度的等离子喷涂工艺、具有大约14727℃(15000K)的温度的电弧、使用大约5227℃(5500K)的温度的爆炸喷涂沉积或具有大约5227℃(5500K)的温度的高速富氧沉积(HVOF)。
因此，将期望提供按照将使层离的出现最小化、增大模块的可靠性并能够进行高温操作的方式涂覆的电子互连部。此外，减小寄生电容并因此降低功耗和热应力从而产生较长的使用寿命的模块封装件将是有用的。使信号在模块内两点之间传送所耗费的时间最小化的组装方法也将是有用的。更进一步，将期望提供一种通过减少噪声(诸如反射、串音、同步开关)和电磁干扰(其会抑制信号传递的质量)来改善模块的性能的电力电子模块组装方法。
在图1中描绘的一个或更多个实施例中，公开了一种电力电子模块10。模块10可表示平面封装件或盒式封装件。电力电子模块10包括附连到底板和/或冷却器14的绝缘金属基底12。模块10还包括经由任何传统的粘合剂18粘结到基底12的半导体16。一层或更多个层的介电材料20沉积在绝缘金属基底12上以隔离电路径，在该电路径中沉积导电材料以形成电力互连部、感测互连部和/或控制互连部22。
绝缘金属基底12可以是能够承载较高电流、提供高达几千伏的较高电压绝缘并以高达大约200℃的较宽温度范围操作的任何基底。例如，绝缘金属基底12可以是：直接覆铜基底(DBC)，包括将铜箔粘结到一侧或两侧的陶瓷部；活泼金属钎焊基底(AMB)，具有在高温和真空下焊接到陶瓷部的金属箔；或绝缘金属基底(IMS)，包括由薄的介电层(诸如，环氧类层和铜层)覆盖的金属底板。可替代地，绝缘金属基底12可以是印刷电路板(PCB)，尤其是如果电力电子模块附连到热沉，这消除对热效率高的基底的需求。还考虑将包括聚酰亚胺薄膜的本质上柔性的基底用作介电或陶瓷基底。
粘结到基底12的半导体装置16可以是由半导体材料制成的任何电子组件，该半导体材料允许电流流过该组件。该半导体材料可以是无机的(诸如，硅、锗、硒、砷化镓、碳化硅、氮化镓、磷化镓、硫化镉、硫化铅)或可包括各种有机材料(诸如，聚(3-己基噻吩)、聚(对苯撑乙烯撑)、聚乙炔以及其衍生物等)。示例性的半导体装置16包括具有两个电端子的二极管以及能够放大或转换电信号和电力并具有连接到外部电路的至少三个端子的晶体管。
介电材料20可以是能通过施加的电场而被极化从而电荷不会流过该材料的任何适宜的绝缘材料。介电材料20可以是诸如聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺、聚酰胺、甲基倍半硅氧烷(methylsilsesquioxane)、聚芳撑醚(polyarelene ether)、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚苯乙烯、聚四氟乙烯的聚合物或Al2O3(蓝宝石)、Al6Si2O13(莫来石)、ZrO2(斜锆石)、HfO2、Y2O3等。考虑诸如AlN-Si3N4层或AlN-Si3N4-(Ni-Cr-Al)层的其他绝缘材料。
如在图6E和图6F中所描绘的，互连部22连接半导体16和汇流条24、控制板25或传感器27。传感器27可以是温度传感器、电流传感器、电压传感器等。因而，互连部22可形成高电流电互连部29、控制电互连部31或传感器电互连部33。互连部22可由任何适宜的导电材料(诸如铜或铝)形成。
介电材料20和/或互连部22可形成为固体颗粒28的团聚体26，该固体颗粒28经由塑性变形机械地结合到彼此和基底12。可使用冷喷涂沉积方法(也称为气体动力冷喷涂(GDCS))获得颗粒28的团聚体26。冷喷涂沉积是一种冲击固结方法。冷喷涂沉积与上述的热喷涂工艺不同，这是由于冷喷涂沉积使用较低的温度(诸如大约24℃(297.15K)至大约80℃(353.15K)的环境温度)，使得正被沉积在基底上的材料保持处于兼容但是固体的状态。只要升高的温度低于颗粒28和基底12的熔点，温度就可增大超过上述的范围以获得颗粒28的较高的柔韧性和柔软度。因此，冷喷涂沉积是一种沉积颗粒28而没有发生相变的工艺。因为没有发生相变，所以团聚体26中的所有的颗粒28都具有相同的热-机械经历，这导致介电材料20和/或互连部22的均匀的特性。
在冷喷涂沉积过程中，粉末化的金属颗粒28通过以超声速度进行弹道冲击而沉积在基底12上以形成层叠的涂层30或自由形态的结构。在图2中能观察到冷喷涂系统34的示例性示意描述。系统34包括用于容纳粉末供给料38的粉末供给器36，粉末供给料38的颗粒尺寸为大约1μm-100μm的直径。供给料可以是包括金属(诸如Mg、Al、Si、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au、Re)、聚合物、陶瓷、复合材料、金属基复合材料、纳米晶材料或前述材料的混合物的粉末。供给料的各个颗粒可以是软的、硬的、刚性的、光滑的、粗糙的等。
示例性的粉末供给速率可以是1-10磅/小时。系统34还包括用于供应能够夹带固体颗粒28的气体的进气口40。例如，气体可以是N2、He、它们的混合物等。提供加热器42用于将该夹带气体加热至大约100℃-500℃，以增大将被沉积在基底12上的颗粒28的延展性。气体流量可以为大约30CFM-100CFM。粉末供给料38在高压和高温下插入在超声速喷嘴44的入口处。当气体温度降低时，气体膨胀并加速穿过喷嘴44。快速的变化发生在喷嘴喉部48，在喷嘴喉部48达到气体超声速。固体颗粒28的速度和温度因发生热传递而接近气体的值。
在冷喷涂系统34中产生的高压和高温能够顺从气流46内的超声速气体速度(诸如大约300m/s-1500m/s)和高的颗粒加速度。固体颗粒28被夹带在气流46中并被引导至基底12，在基底12上固体颗粒28在受到冲击时嵌入基底12的表面并形成与基底12的表面的牢固结合。在结合期间颗粒28的动能(由气体的膨胀所提供的)转换成塑性变形的能量。为了实现颗粒与表面的固结，必须在颗粒28与基底12的冲击之前达到临界速度。临界速度根据供给料类型而不同。因为颗粒28保持处于其固体状态并经受塑性变形，所以在受到冲击时它们的形状可变为扁豆状(如图3A-图3D所描绘的)。图3A-图3D示出了当固体颗粒28与基底12的表面发生冲击时在颗粒-基底交界面49处的变化顺序。如能从图3A-图3D观察到的，当颗粒28碰到基底时，颗粒28变平同时凹坑形成在基底12中。凹坑的深度和宽度随时间增大，使得w1<w2并且h1<h2。同时，冲击区域的温度升高，所述温度升高集中于颗粒-基底交界面49处。然而，在受到冲击时固体颗粒28的离散的晶体结构得以保持。在固体颗粒28与基底12之间所得到的连接在颗粒-基底交界面49处产生类似于爆炸式结合的机械混合。
与图3A-图3C中描绘的冷喷涂沉积的颗粒28相比，在图4中示出了沉积在基底56上的热喷涂熔融颗粒(molten particles)54的涂层-基底交界面51。所得到的结构包括熔融颗粒/材料54、空隙58以及氧化夹杂物60和未熔化的颗粒62。
有利的是，机械混合不会使颗粒-基底交界面49处存在通常由热喷涂工艺产生的与涂层-基底交界面51关联的空隙58。图5描绘了图2中的团聚体-基底交界面的部分5的示意性详细视图。在图5中能观察到形成互连部22的固体粉末颗粒28的示例性的固结沉积是无空隙结构。如能从图5进一步观察到的，沉积的颗粒层(或团聚体26)的厚度可通过供应额外量的固体颗粒28而增大。在形成的团聚体26中，额外量的颗粒28与已沉积的固体颗粒28机械混合。在团聚体26内没有产生空隙。相反，在图4中描绘了包括氧化夹杂物和空隙的热喷涂涂层。颗粒-基底交界面49以及颗粒-颗粒交界面50没有空隙和氧化夹杂物。
因为互连部22和/或介电层20可由对氧的存在敏感并且在升高的温度下将容易氧化的材料(诸如铜和铝)形成，所以热喷涂工艺可能会产生低质量的互连部22。然而，在大多数热喷涂过程中出现的颗粒的熔化(这会导致涂层和基底的氧化并因此降低模块的性能)不会出现在冷喷涂工艺中。因此，团聚体26和颗粒-基底交界面49(在冷喷涂工艺中产生的)没有氧化夹杂物60，不然的话氧化夹杂物60会降低涂层30的粘附强度和内聚强度。因此，冷喷涂的介电材料20和/或互连部22被沉积为具有少于大约0.3％至0.5％的低的氧化物含量的密集涂层30。涂层30是具有低于大约0.5％至2％的孔隙率的非多孔结构或低多孔结构。然而，涂层30具有诸如与一些可锻材料的强度可比拟的强度或超过一些可锻材料的强度的强度的物理特性。颗粒28彼此之间以及颗粒28与基底12的示例性的粘附强度可以为大约10MPa至60MPa或更多、大约15MPa至40MPa或更多，或大约15MPa至25MPa或更多。
在一个或更多个实施例中，公开了一种用于电互连部22和/或介电材料20的直接冷喷涂沉积的方法。在图6A-图6F中描绘了方法步骤的顺序，并且该方法步骤包括提供图案化的绝缘金属基底12(在图6A和图6B中描绘了其示例)。如能从附图观察到的，半导体16附连到基底12。所述附连可由传统的方法(诸如，焊接或其它方法)提供。在附图6C和图6D中，介电材料20附连到基底12以保护和/或产生互连部22稍后沉积到其中的路径。介电材料20通过上述方法冷喷涂沉积。为了按照期望图案冷喷涂介电材料20，可使用掩模。
可替代地，介电材料20可以是在将半导体16附连到基底12之前经由蒸发、溅射、烧结、等离子体沉积、低压CVD等层叠的。如果使用冷喷涂沉积，则介电材料20作为与基底12相互机械混合的固体颗粒28的团聚体涂覆，团聚体26没有空隙和/或氧化夹杂物。如图6C和6D进一步示出的，介电材料20可形成各种尺寸、形状和构造的一层或更多层。
随后，如图6E和图6F所示，互连部22通过上述的冷喷涂方法涂覆在绝缘金属基底12上和/或介电材料20上。互连部22按照预定图案涂覆以形成各种类型的互连部22。例如，冷喷涂的互连部22可以是高电流电互连部29、控制电互连部31或传感器电互连部33。掩模可按照期望图案用于辅助互连部22的冷喷涂沉积。诸如各个互连部22的高度、宽度和长度的尺寸可根据具体应用的需要而变化。同样地，互连部中的至少一些可由与其余互连部22不同的材料制成。所有的互连部22可同时形成，或者互连部22的第一部分可在冷喷涂沉积互连部22的第二部分之前形成。冷喷涂的互连部22可以是作为相对平坦的涂层30涂覆的平面的、紧凑的结构，并因此可比典型的引线键合的互连部具有更大空间效率。继而，这使整个模块10的尺寸减小。
在图7A和图7B中描绘的至少一个实施例中，冷喷涂沉积技术可用于形成层叠的自由形态的结构，该自由形态的结构用于被动冷却模块100。自由形态的结构可被设计为辅助模块100的热管理，并且因此增大其性能可靠性和预期寿命，这是因为这两个特性都与模块的半导体116的操作温度逆相关。自由形态的结构能够将半导体的操作温度有效的控制在设定限制内。
自由形态的结构可以是图7A中描绘的热沉164或能够增强从模块100的产热部件到冷却剂(诸如空气)的散热性的其它冷却装置。模块包括基底112，介电材料120和各种电互连部122通过冷喷涂沉积涂覆在基底112上，如上所述。如能从图7A进一步观察到的，热沉164形成为半导体116、基底112、互连部122或前者的组合上的固体颗粒的团聚体。热沉164包括一个或更多个平坦表面168以确保与将被冷却的半导体116的恰当接触。此外，热沉164包括一个或更多个突起170和凹入172，以增大与冷却剂的表面接触并因此增大散热的速率。突起170可以以针翅片、板翅片的形状、梳子形状等形成或以上述形状的组合形成。凹入172是两个相邻的突起170之间的区域。突起170和/或凹入172的密度、轮廓、尺寸和构造可被设计为获得最佳的传热系数。热沉164可结合到风扇(未示出)以更进一步增大冷却速率。
此外，自由形态的结构可形成为图7B中示出的整体式散热部266。图7B中描绘的粘结到半导体216的基底212还包括通过冷喷涂沉积涂覆的介电材料220和各种电互连部222，如上所述。散热部266形成为半导体216、基底212、互连部222或前者的组合上的固体颗粒的团聚体。热沉264是通过从热源提取热而减小热区或过热温度的点并在较大区域扩散热的有效方式，在热源中热集中于有限的体积。散热部266可用作热源、半导体216和热沉264之间的接合部。散热部266从半导体216收集热并将热以最少的时间量扩散到热沉264的表面。
自由形态的结构可在沉积介电材料120、220和互连部122、222之后形成。可供选择地，自由形态的结构可在形成互连部122、222中的至少一些的同时涂覆。冷喷沉积允许改变自由形态的结构的高度、底部宽度、轮廓、构造、几何形状、尺寸或前者的组合以满足特定热需求。此外，自由形态的结构可由能够散热、消除模块中的热区并减轻模块封装件的温度梯度的任何适宜的材料制成。示例性的材料可以是高导热性材料，诸如铝、铜、银、金、铜/钨、铜/钼、铜/碳、铝/碳化硅或前者的组合。考虑诸如金属基复合材料或多晶金刚石薄膜(包括但不限于金刚石强化的铜基复合材料薄膜)的其它材料，特别是用于形成散热部266。
通过上述的冷喷涂方法涂覆的自由形态的结构有助于确保自由形态的结构的底部是平坦且平滑的，使得获得与半导体116、216的最好的热接触。此外，冷喷涂工艺为冷喷涂颗粒(其形成自由形态的结构)和基底之间的结合提供足够的粘附强度，其中，颗粒被沉积在诸如半导体116、216、绝缘金属基底112、212、介电部120、220、互连部122、222或前述部件的组合上。
在图8A中示出的又一实施例中，公开了一种电力电子模块300。模块300可以是盒式电力电子封装件。模块300包括附连到基底312的半导体316、介电材料320、嵌入在介电材料320中并经由塑性变形机械地结合到半导体316的一个或更多个电互连部322。模块300还包括将半导体316、介电材料320和电互连部322夹在中间的发射器376和收集器378。半导体316经由绝缘金属基底312与其底部接合并经由电互连部322与其顶部接合。介电材料320因此沉积在绝缘金属基底与电互连部322之间，电互连部322经由焊料结合部318连接到发射器376。
在图8B中示出了传统结构的盒式电力电子模块400，盒式电力电子模块400包括发射器476、收集器478和基底412。与图8B中描绘的传统结构的盒式电力电子模块400相比，图8A中描绘的模块300具有冷喷涂沉积的介电材料320和/或冷喷沉积的电互连部322，使得介电材料320和/或互连部322形成固体颗粒的团聚体，所述固体颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和基底。此外，模块300消除对模块400的半导体416与半导体间隔件482之间的额外的焊接部418的需求。额外的焊接部418通常具有不令人满意的散热效应。此外，焊接层418通常是自由形态的，具有可导致涂覆在焊接层418的顶部上间隔件层482倾斜的各种厚度。通过消除焊接层418，可获得模块的高度和整体尺寸的较好的控制。将冷喷涂的介电部320和互连部322增加到图8A中描绘的模块300中进一步提供高度的控制、减小模块300内的潜在变形和表面的粗糙度。此外，颗粒和基底之间的机械混合确保较好的粘附。
虽然模块100、200、300的介电材料和/或互连部可通过任何类型的冷喷涂沉积技术形成，但是动力金属喷涂工艺可提供许多优点。例如，动力金属喷涂工艺以声速和大约50psig至130psig的压力操作，该压力低于要求高达700psig的一些其它冷喷涂方法。较低的压力能够在使用较少量的气体(诸如最多为在其它类型的冷喷涂方法中所需要的气体的1/10)的同时执行该工艺。
虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本公开的所有可能的形式。更确切地说，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可作出各种改变。此外，可组合各个实施的实施例的特征以形成本公开的进一步实施例。

Claims (10)

1.一种电力电子模块，包括：
图案化的绝缘金属基底；
半导体，粘结到绝缘金属基底；
固体金属颗粒的团聚体，所述固体金属颗粒机械地结合到彼此和绝缘金属基底，固体金属颗粒的所述团聚体被布置为在半导体与汇流条、控制板或传感器之间形成电互连部或在半导体与汇流条、控制板和传感器的组合之间形成电互连部；
固体颗粒的另一团聚体，所述另一团聚体的固体颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和绝缘金属基底，固体颗粒的所述另一团聚体被布置为在绝缘金属基底与电互连部之间形成介电部。
2.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，固体颗粒的所述另一团聚体经由塑性变形机械地结合到半导体。
3.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，与所述团聚体关联的颗粒-基底交界面没有空隙和氧化夹杂物。
4.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，所述团聚体没有空隙和/或氧化夹杂物。
5.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，所述固体金属颗粒具有扁豆状。
6.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，所述固体金属颗粒中的每个具有离散的晶体结构。
7.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，半导体是晶体管或二极管。
8.一种电力电子模块，包括：
图案化的绝缘金属基底；
半导体，粘结到图案化的绝缘金属基底；
固体金属颗粒的团聚体，所述固体金属颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和图案化的绝缘金属基底，所述团聚体被布置为形成热沉和/或散热部，所述热沉和/或散热部与半导体热连通并被构造为消散由半导体产生的热；
固体颗粒的另一团聚体，所述另一团聚体的固体颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和图案化的绝缘金属基底，固体颗粒的所述另一团聚体被布置为在图案化的绝缘金属基底与热沉和/或散热部之间形成介电部。
9.根据权利要求8所述的电力电子模块，其中，所述团聚体包括高导热性材料。
10.一种电力电子模块，包括：
半导体装置，结合到图案化的绝缘金属基底；
固体颗粒的团聚体，所述固体颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和图案化的绝缘金属基底，固体颗粒的所述团聚体被布置为形成介电部；
固体金属颗粒的另一团聚体，所述固体金属颗粒经由塑性变形机械地结合到彼此和半导体装置，固体金属颗粒的所述另一团聚体被布置为嵌入在介电部中以形成电互连部；发射器和收集器，将半导体装置、介电部和电互连部夹在中间。
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