CN108417546B - 电力电子模块 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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(direct copper bonding，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。
发明内容
本发明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发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
本发明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。
本发明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发明，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示出了本发明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示出了本发明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。
根据本发明，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。具有碳基芯的本发明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基材料层的热传导。
在本发明中，基板是分层结构，其具有与常规基板近似相同的厚度，其中该常规基板是固体铜块。例如，如果已知的固体铜基板具有4mm的厚度，那么本发明的模块的基板可以以两个1.5mm厚的铜板以及1.0mm厚的碳基材料层的形式来实现。例如，被用于提供导热路径的铜柱可以由具有3mm直径的圆柱件来实现。根据本发明的实施方式，碳基材料层的厚度近似为铜层的总厚度的三分之一。
热通孔或铜柱的尺寸可以影响进入碳芯和通过碳芯的热传导之间的平衡。所提到的两个特征对于基板的有效功能都是有益的，并且它们的相对平衡是特定情况。该平衡取决于例如基板总厚度、碳芯的厚度t以及在铜基板内的相对位置h、热通孔的直径以及它们的数量和它们的位置、热源(芯片)的覆盖区域大小以及它们的热通量概况(heat fluxprofile)以及芯片布局。碳芯或碳层与铜基板的相对位置h是指碳基层距第一铜层的上表面的距离。图2示出了相对位置h以及碳基材料层或芯的厚度。
被用作热通孔的一个或多个铜柱也用来向基板提供物理强度。铜柱被放置在钻至分层结构的孔中。孔和柱可以以下述方式而被确定尺寸：柱紧密地装配至对应的孔，从而为该结构提供支承。此外，所钻出的一个或多个孔必须不能将两个铜层都穿透。例如，当钻孔时，钻头穿透第一层和碳基层。然而，可以结束钻孔使得其不会穿透第二铜层。
为了提供用于热连接的适当表面，铜柱在附接至孔时具有适当的长度。基板的表面还可以在已经插入柱之后被穿孔，使得可以在电力半导体模块的其他部件的结构与要附接至电力半导体模块的冷却设备之间建立所需要的热连接。
优选地，碳基材料层的热传导率在如下范围内：在平面内1000W/mK至1600W/mK，穿透厚度方向上30W/mK至100W/mK。因此，与基板的高度方向相比，热在碳基材料层的平面方向上传递较好，并且类似地在基板的平面方向上传递较好。平面方向包括由箭头W和L示出的方向，高度方向在图2中由箭头H示出。
根据实施方式，至少一个热通孔也可以由在碳基材料层中的小颗粒生成。优选地，这些颗粒是纳米或微米颗粒，并且局部地在穿透厚度方向H上增强热传导率。与使用铜柱一样，小颗粒增大了通过分层结构并且到达碳基材料层的热传导。
根据本发明的实施方式，碳基芯结构具有各向异性热传导率。此外，根据实施方式，基板的芯结构的热传导率在由基板的长度方向和高度方向限定的平面中是最高的。长度方向被定义为基板的最长尺寸(L)的方向，高度方向(H)被定义为基板的表面的法线方向。
此外，根据实施方式，芯结构包括布置在基板的金属结构内部的碳基材料板。优选地，基板的金属结构是铜结构。根据实施方式，碳基材料板具有长度、宽度和高度。碳基材料板的长度是碳基材料板的最大尺寸，高度是碳基材料板的最小尺寸。碳基材料板还被平行地布置在基板内部，以使得碳基材料板的长度方向对应于基板的长度方向，并且碳基材料板的宽度方向对应于基板的高度方向。
在该实施方式中，基板的热传导率在基板的长度方向和基板的高度方向上是最高的，因为碳基材料板在这些方向上具有最长的尺寸。结合图2所示的实施方式，热传导率在基板的宽度方向和长度方向上是最高的。
图5示出了碳基材料板51在基板内部的实施方式。优选地，碳基材料板是石墨或石墨烯，并且可以是合成的或天然的石墨或石墨烯。此外，板可以是热解石墨或石墨烯。图5示出了电力电子模块的截面图，并且因此示出了碳基材料板的高度和宽度尺寸。板被布置为彼此平行，并且它们在电力电子模块的长度方向上延伸。
图6示出了电力电子模块的简化透视图，该电力电子模块具有在基底(例如直接键合铜结构61)上的六个电力电子半导体部件62。DCB结构61附接到具有碳基芯结构64的基板63。以简化的方式将芯结构64示出为块。然而清楚的是，芯结构例如由碳基材料板形成，该碳基材料板在电力电子模块的长度L的方向上平行延伸。
碳基材料板可以是平行地布置在金属(优选地，铜)基板内部的分离的板。碳基材料板也可以作为更大的实体来提供，该实体具有两个或多个彼此附接的板。例如，所有碳基材料板可以在板的一个末端彼此附接。板也可以从板的中心或在板的任何其他位置处彼此附接。
如图3所示，通过提供32第一铜层、第二铜层和碳基材料层，来产生实施方式的用于电力半导体模块的基板。根据这些单独的层，形成33具有第一铜层和第二铜层以及在铜层之间的碳基材料层的分层结构。
此外，方法还包括对基板形成至少一个热通孔，以用于增强通过分层结构的热传递。优选地，通过对分层结构钻孔并且向所钻的孔插入铜柱来形成热通孔。
在制造电力电子模块的方法中，提供了具有至少一个半导体芯片的直接键合铜结构。此外，提供了具有金属结构的基板，其中该金属结构具有碳基芯结构。此外，将所提供的直接键合铜结构附接(例如通过焊接)至基板的表面。方法的实施方式在图4的流程图中示出，其中提供42了具有至少一个半导体芯片的直接键合铜结构，并且提供42了第一铜层、第二铜层以及碳基材料层。此外，形成43了具有第一铜层、第二铜层以及第一铜层和第二铜层之间的碳基材料层的分层结构，并且直接键合铜结构被焊接44至所形成的分层结构的表面。
对于本领域技术人员来说明显的是，随着技术的进步，本发明构思可以以各种方式来实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求书的范围内变化。
Claims (10)
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，
其中，所述基板是分层结构，所述分层结构具有第一铜层、第二铜层以及在所述第一铜层与所述第二铜层之间作为碳基芯结构的碳基材料层，
其中，所述基板包括至少一个热通孔，所述至少一个热通孔由所述碳基材料层中包含的颗粒形成。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求2所述的电力电子模块，其中，所述第一铜层的表面被焊接至所述电力电子模块的内部结构。
4.根据权利要求3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。
5.根据权利要求1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。
6.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，所述至少一个热通孔位于所述至少一个电力电子部件的半导体芯片的覆盖区域内。
7.根据权利要求6所述的电力电子模块，其中，所述至少一个热通孔位于所述半导体芯片下方。
8.根据权利要求1所述的电力电子模块，其中，所述碳基芯结构具有各向异性热传导率。
9.根据权利要求8所述的电力电子模块，其中，所述碳基芯结构的热传导率在由所述基板的长度方向和高度方向限定的平面中最高，所述长度方向被定义为所述基板的最长尺寸的方向，所述高度方向被定义为所述基板的表面的法线方向。
10.一种制造电力电子模块的方法，所述方法包括：
提供具有至少一个半导体芯片的直接键合铜结构，
提供具有金属结构的基板，所述金属结构具有碳基芯结构，以及
将所述直接键合铜结构附接至所述基板，
其中，所述基板是分层结构，所述分层结构具有第一铜层、第二铜层以及在所述第一铜层与所述第二铜层之间作为碳基芯结构的碳基材料层，
其中，所述基板包括至少一个热通孔，所述至少一个热通孔由所述碳基材料层中包含的颗粒形成。
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