CN110506330A - 功率电子模块以及包含该模块的电功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块(PM1)，其具有功率开关电子芯片(IT、ID)的3D堆叠架构，并且包括分别与第一和第二散热器(DH、DL)热接触的第一和第二介电基板(SH、SL)、至少一对第一和第二堆叠功率开关电子芯片(ITHS、IDHS；ITHS、IDHS)、以及公共中间基板(SC)，该第一和第二功率开关电子芯片分别夹在第一介电基板和公共中间基板之间以及公共中间基板和第二介电基板之间。根据本发明，公共中间基板是整体金属元件，并且包括中心部分和至少一个导热部分，该中心部分用于安装功率开关电子芯片，该导热部分与第一介电基板和/或第二介电基板热接触。

Description

功率电子模块以及包含该模块的电功率变换器
相关申请的交叉引用
本发明要求于2017年4月13日提交的申请号为1753254的法国专利申请的优先权，其内容(文本、附图和权利要求)通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及电力电子技术领域。更具体地，本发明涉及电力电子模块，其具有用于设置功率开关电子芯片的3D架构。本发明还涉及诸如换流器的电功率变换器。
背景技术
电力电子电路存在于许多活动领域中，并且尤其是在运输领域中。变流器和电力电子模块在最近几十年中得到了强劲的发展，尤其是在电动轨道牵引方面。随着向产生更少CO2排放的可再生能源进行期望的能量过渡，电力电子技术需要变得更加普及，并且应当应对日益增长的经济和技术限制。在运输领域，汽车工业受到非常严格的污染物排放标准的约束，这在通过混合动力或全电动架构进行的车辆电气化中引发了真正的技术变革。飞机发动机的混合动力化也是当前重要议题，以减少二氧化碳排放。
通常，功率模块通过电子芯片的平面设置来构造。在这种平面设置中，芯片的背面固定在基板上，并且称为“键合线”的互连线用于在芯片的正面上建立电连接。例如覆盖有铜板的陶瓷形式的基板实现通过冷却装置的热界面功能以及电绝缘功能。
这种传统的平面架构在紧凑性和成本方面未进行优化，并具有其他缺点。芯片的冷却仅通过其表面中的一个来进行。特别是由键合线和电连接带导致的寄生电感会产生过电压，该过电压会增加释放的热量并可能造成破坏。此外，寄生电感会妨碍较高的开关频率，而较高的开关频率有利于紧凑性，尤其是在功率变换器中的紧凑性。
芯片的3D堆叠是一种改善功率模块的紧凑性并减少寄生电感的良好方法。集成度的提高通常也有利于降低成本。然而，3D架构增加了组件上的热应力。
在US20160005675A1中，公开了具有3D架构的功率模块。该功率模块在图1中示出并标记为100。模块100通过其上下两面被冷却。上下两面分别包括上散热器106和下散热器110。模块100的3D堆叠包括上部电子芯片220、下部电子芯片210和夹在芯片220和221之间的中间互连基板212。芯片220和210通过其表面中的一个分别焊接到散热器106和110，而通过其另一表面焊接到中间互连基板212。成型树脂108确保模块的密封和机械粘合。中间互连基板212在这里是DCB(英文“Direct Copper Bond(直接铜键合)”)或DBA(英文“DirectBonded Aluminium(直接键合铝)”)类型的基板，其包括在两侧涂覆有铜制(DCB)或铝制(DBA)金属层216和217的中心介电板215。该中心介电板215由陶瓷或诸如Kapton(注册商标)的聚酰亚胺制成。
在现有技术的功率模块100中实现的3D堆叠允许更高的紧凑性。然而，电子芯片210和220仅通过一面被冷却。这样的设置可能不足以通过将电子芯片的结温保持在临界值以下而以可接受的成本确保大功率下的良好可靠性。
可期望的是，提出一种改进的功率模块，其为3D堆叠电子芯片的类型且具有保证良好冷却性能的架构。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种具有3D堆叠架构的功率电子模块，其包括第一和第二介电基板、至少一对第一和第二堆叠功率开关电子芯片、以及公共中间基板，该第一和第二介电基板用于分别与第一和第二散热器热接触，第一和第二功率开关电子芯片分别夹在第一介电基板和公共中间基板之间以及公共中间基板和第二介电基板之间。根据本发明，公共中间基板是整体金属元件，并且包括中心部分和至少一个导热部分，该中心部分用于安装功率开关电子芯片，该导热部分与第一介电基板和/或第二介电基板热接触。
应注意到，通常在本申请中使用的术语“功率开关电子芯片”指诸如晶体管、二极管或其他元件的起切换作用的任意功率半导体元件。
根据特定实施例，公共中间基板具有H形截面并在中心部分的两侧包括两个侧向导热部分，侧向导热部分与第一和第二介电基板热接触。
根据特定特征，公共中间基板包括至少一个毛细管式或脉冲式的热管，该热管设置成确保热量从中心部分传递到侧向导热部分。
根据实施变型，公共中间基板包括冷却剂循环盘管，该冷却剂循环盘管设置成确保热量从公共中间基板传递到外部交换器。
根据另一特定特征，第一和第二功率开关电子芯片的第一电极面直接焊接在公共中间基板的相应面上。
根据另一特定特征，第一和第二功率开关电子芯片的第二电极面分别焊接至第一和第二电连接金属板，第一和第二电连接金属板分别固定到第一和第二介电基板。
根据另一特定实施例，功率电子模块包括至少一个第三功率开关电子芯片，其具有与第一和第二功率开关电子芯片中的至少一个不同的高度，并且该公共中间基板和/或第一和第二电连接金属板中的至少一个包括至少一个用于补偿厚度差以安装功率开关电子芯片的高差。
根据另一特定特征，功率电子模块包括半球形柱体，在该半球形柱体上焊接有功率开关电子芯片。
根据另一特定特征，公共中间基板以及第一和第二电连接金属板由铜或铝制成。
根据另一方面，本发明还涉及一种电功率变换器，其包括至少一个如上所述的功率电子模块。
附图说明
通过阅读以下参照附图的本发明多个特定实施例的详细描述，本发明的其他优点和特征将更清楚地显现，在附图中：
图1是具有3D堆叠架构的现有技术电力电子模块的剖视图；
图2示出了具有IGBT晶体管的晶体管桥臂的电路图；
图3和图4是示出根据本发明的功率电子模块的第一实施例的简化剖视图；
图5是示出将功率开关电子芯片安装到图3和图4的功率电子模块所具有的公共中间基板中的俯视图；
图6A至图6C是剖面俯视图，其示出了分别集成有毛细式热管、脉冲式热管和冷却剂循环盘管的图5的公共中间基板的三个实施例；
图7是根据本发明的功率电子模块的第二实施例的简化剖面图；
图8是示出将用于焊接功率开关电子芯片的半球形柱体安装在图7的功率电子模块所具有的公共中间基板中的俯视图；
图9示出了具有晶体管IGBT的三相逆变器形式的电功率转换器的电路图；并且
图10和图11示出了图9的三相逆变器的两个实施例，其分别具有根据本发明的功率模块的水平设置和竖直设置。
具体实施方式
现在，在制造晶体管开关桥臂或半桥形式的功率模块的背景下描述本发明。这样的桥臂构成单相逆变器形式的电功率转换器。这些模块可以相关联以形成诸如多相逆变器的完整的开关桥，或者并联以传递所需的电流。
这种具有IGBT型晶体管的功率模块PM的电路图在图2中示出。
如图2所示，功率模块PM包括标记为ITHS的上晶体管IGBT和标记为ITLS的下晶体管IGBT，其在英文中分别称为“下侧”晶体管和“上侧”晶体管。所谓“续流”二极管IDHS和IDLS分别与晶体管ITHS和ITLS关联。二极管IDHS、IDLS分别安装在晶体管ITHS、ITLS的集电极CHS、CLS和发射极EHS、ELS之间。晶体管ITHS的集电极CHS连接到正直流电压+DC，并且晶体管ITLS的发射极ELS连接到负直流电压-DC。晶体管ITHS和ITLS通过其各自的栅电极GHS和GLS来开关控制。模块PM的输出OUT对应于晶体管ITHS的发射极EHS和晶体管ITLS的集电极CLS的互连点，并且输送交流电压。
在此描述的功率模块PM中，认为晶体管ITHS和ITLS及其关联二极管IDHS和IDLS是单独的芯片。应注意到，在某些配置中，与晶体管相关联的二极管已经被集成到晶体管的芯片中，因此不需要安装这些二极管。还应注意到，根据本发明的功率模块可以通过诸如MOSFET晶体管或GTO晶闸管的其他功率开关来制成。
参照图3至图6C，现在描述根据本发明的功率模块的第一特定实施例PM1。
如图3和图4所示，功率模块PM1通过电子芯片ITHS、IDHS和电子芯片ITLS、IDLS的3D堆叠形成。功率模块PM1包括上部PHS和下部PLS，其中分别设置有晶体管ITHS及其关联二极管IDHS，以及晶体管ITLS及其关联二极管IDLS。上部PHS和下部PLS共享公共中间基板SC。
上部PHS主要包括所谓的“上部”介电基板SH、所谓的“上部”电连接金属板PH和所谓的“上部”第一散热器DH。下部PLS主要包括所谓的“下部”介电基板SL、所谓的“下部”电连接金属板PL和所谓的“下部”第二散热器DL。
介电基板SH和SL通常是陶瓷制基板。电连接金属板PH和PL通常是用于电子芯片电连接的铜制板。基板SH、SL包括第一表面SH1、SL1以及第二表面SH2、SL2，将散热器DH、DL固定到该第一表面SH1、SL1将金属板PH、PL固定到该第二表面SH2、SL2。使用本领域技术人员已知的技术，以实现散热器和金属板在上部介电基板和下部介电基板上的紧固，其中导热性非常良好。
根据本发明，公共中间基板SC是整体金属元件，其必须是优良的导电体和导热体。通常，公共中间基板SC由铜制成。
如图3所示，公共中间基板SC具有H形截面，并且包括中心部分SCC和两个导热的侧向部分SCL和SCR，这两个侧向部分SCL和SCR垂直于中心部分SCC并位于中心部分SCC的两侧。中心部分SCC专用于设置电子芯片。此处所谓“左侧”和“右侧”的侧向部分SCL和SCR专用于将热量从中心部分SCC传递到散热器DH和DL。
芯片ITHS和IDHS安装在模块PM1的上部PHS。图5示出了芯片ITHS和IDH在公共中间基板SC上的安装。
如图3所示，晶体管ITHS的集电极(CHS，图2)和二极管IDHS的阴电极焊接在上部金属板PH上。晶体管ITHS的发射极(EHS，图2)和二极管IDHS的阳电极焊接在公共中间基板SC的中心部分SCC的上表面SCC1上。在此应注意到，一般而言，本发明的描述中使用的术语“焊接的”或“焊接”必须以宽泛的方式解释，并且涵盖在提供电力电子技术中所使用的材料的情况下形成电连接的各种技术，例如溶焊、钎焊以及其他技术。
芯片ITLS和IDLS安装在模块PM1的下部PLS。晶体管ITLS的发射极(ELS，图2)和二极管IDLS的阳电极焊接在下部金属板PL上。晶体管ITLS的集电极(CLS，图2)和二极管IDLS的阴电极焊接在公共中间基板SC的中心部分SCC的下表面SCC2上。
晶体管ITHS、ITLS的栅电极GHS、GLS(图3中未示出)通常连接至由介电基板SH、SL支撑的铜质连接图案。
如作为沿剖面AA(图3)的视图的图4所示，金属板PH、PL和中心部分SCC延伸到模块PM1的外部，以形成直流电压+DC、-DC和输出OUT的电连接接头。
如图3所示，专用于散热的公共中间基板SC的侧向导热部分SCL、SCR包括固定至上部和下部介电基板SH、SL的上表面和下表面。更具体地，对于左侧部分SCL，其上表面SCL1固定到上部介电基板SH的第二表面SH2上，并且下表面SCL2固定到下部介电基板SL的第二表面SL2。对于右侧部分SCR，其上表面SCR1固定到上部介电基板SH的第二表面SH2，并且下表面SCR2固定到下部介电基板SL的第二表面SL2。选择用于将侧向导热部分SCL、SCR固定到介电基板SH、SL的技术，以确保非常良好的导热性。
由于公共中间基板SC通过其侧向导热部分SCL、SCR与散热器DH、DL进行热传导，因此，本发明允许在3D堆叠架构中对电子芯片进行真正的双面冷却。
如图3中双线箭头所示，模块PM1所产生的热量的排出以如下方式进行：
晶体管ITHS和二极管IDHS的上表面通过上散热器DH散热。
晶体管ITLS和二极管IDLS的下表面通过下散热器DL散热。
晶体管ITHS、ITLS和二极管IDHS、IDLS的焊接在公共中间基板SC上的表面通过两个散热器DH和DL散热，这些热量通过侧向导热部分SCL、SCR传递到散热器DH、DL。
图6A至图6C示出了公共中间基板的三个实施变型SC1、SC2和SC3，这三个实施变型允许增加由该基板排出的热量。图6A至6C是沿图4所示剖面BB的视图。
如图6A和图6B所示，公共中间基板SC1和SC2在其铜制主体中集成了热管CA1L、CA1R和热管CA2L、CA2R，以便增强中间基板SC1和SC2的导热性并排出更多的热量。因此可以降低电子芯片的温度。基板SC1的热管CA1L、CA1R是毛细管类型。基板SC2的热管CA2L、CA2R是脉冲类型。热管的微型通道将通过本领域技术人员已知的技术来制造，在此将不对该技术进行详细描述。
如图6A和图6B中的双线箭头所示，热量从公共中间基板SC1、SC2的中心部分向侧向导热部分SCL、SCR排出，侧向导热部分SCL、SCR将热量引导至散热器DH、DL。以已知的方式，热量的传递通过容纳在热管中的冷却剂的蒸发-冷凝循环来实现。
由于芯片在包含热管的中心部分SCC处直接焊接在公共中间基板SC1、SC2上，所以散热效率变得更高。由于热量的大部分通过公共中间基板的铜质主体直接排向两个散热器DH、DS，而没有经过热管，因此热管可以具有较小的尺寸。尽管存在热管的微型通道，但这种设置仍然允许获得具有良好机械刚度的功率模块。
在图6C所示的公共中间基板SC3中，用于连接至外部热交换器(未示出)的冷却剂循环盘管CAL代替了热管。该实施变型例如适合于非常大的功率。
参照图7和图8，现在描述根据本发明的功率模块的第二特定实施例PM2。当然，上述具有热管或盘管的变型也适用于该实施例。
当具有不同厚度的芯片集成到模块中时，例如，晶体管芯片和二极管芯片之间存在不同厚度，功率模块结构PM2是适用的。
在现有技术中，通常使用垫片来补偿芯片之间的厚度差异。这些垫片需要在两面焊接，即，一面焊接在底板(基板或铜板)的铜面上且另一面焊接在芯片上。由于将垫片固定到底板上需要额外的焊接层，垫片的引入降低了芯片和散热器之间的导热性。
在本发明中，芯片之间的厚度差异通过在底板上引入局部高差而得到补偿。因此，在二极管芯片IDHS、IDLS的厚度小于晶体管芯片ITHS、ITLS的厚度的功率模块PM2中，高差D1和D2被分别引入到公共中间基板SC4和金属板PL1。高差D1、D2在此位于二极管芯片的焊接区域并补偿了二极管芯片的较小厚度。因此，避免了垫片以及相应地附加焊料层的引入。
如图7和图8所示，在公共中间基板SC4和金属板PL1上形成包括半球形柱体PT的图案MT和MD。图案MT在晶体管的焊接区域形成，图案MD在二极管的焊接区域形成。对于热机械应力，半球形的柱体提供了芯片与其底板之间更好的粘合力。
应注意到，高差D1、D2和具有半球形柱体PT的图案MT、MD通过例如蚀刻底板SC4、PL1来制成。
参照图7，在模块MP2的上部PHS中，芯片ITHS和IDHS的金属面直接焊接在金属板PH(对应于电压+DC)上，而芯片ITHS和IDHS的相对面通常通过烧结焊料而焊接在半球体PT上，该半球体PT在公共中间基板SC4上蚀刻形成。在模块MP2的下部PL中，芯片ITLS和IDLS的金属面直接焊接在公共中间基板SC4上，而芯片ITLS和IDLS的相对面通常通过烧结焊料而焊接在半球体PT上，该半球体PT在金属板PL1(对应于电压-DC)上蚀刻形成。
参照图9至图11，现在描述三相逆变器形式的电功率变换器的两个实施例，该电功率变换器通过组合根据本发明的功率模块而形成。当然，本发明通常适用于实施具有任意数量的相的逆变器。
标记为OT的三相逆变器的电路图在图9中示出。该逆变器包括三个功率模块PMA、PMB和PMC，其相互并联并各自形成逆变器OT的开关支路。
图10所示的第一实施例是通过水平设置功率模块而形成的。
在该实施例中，功率模块PMA、PMB和PMC的上部金属板PH通过通常由陶瓷制成的公共介电基板SHC固定到上部PHS的公共散热器DHC。模块的下部金属板PL1通过通常由陶瓷制成的公共介电基板SLC固定到下部PLS的公共散热器DLC。通常由陶瓷制成的绝缘介电壁IS设置成使公共基板SC4的相对侧向导热部分电绝缘。为了形成逆变器的模块之间的电连接是通过外部连接件(未显示)实现的，该连接件可以集成在某些应用中。
图11所示的第二实施例是通过垂直设置功率模块而形成的。在该实施例中，在模块PMA的下部PLS与模块PMB的上部PHS之间并在模块PMB的下部PLS与模块PMC的上部PHS之间共享中间散热器DL1和DL2。与图10的实施例相同地，为了形成逆变器的模块之间的电连接是通过外部连接件实现的，该连接件可选地可以集成在某些应用中。
对水平或竖直设置功率模块以形成逆变器的选择将主要取决于形状和尺寸的限制。
应注意到，在一些实施例中，电连接金属板和/或公共中间基板可以由铝而不是由铜制成。通常，使用本领域技术人员熟知的各种技术以实现根据本发明的功率模块。因此，为了制造公共中间基板，可以例如使用诸如蚀刻、通过加工机械去除材料、激光或等离子切割、锻造、铜或铝型材的模塑或切割的技术。
本发明不限于此处仅作为示例描述的特定实施例。根据本发明的应用，本领域技术人员可以进行属于所附权利要求范围内的各种修改和变型。

Claims (10)

1.一种具有3D堆叠架构的功率电子模块，其包括用于与第一和第二散热器(DH、DL)热接触的第一和第二介电基板(SH、SL)、至少一对第一和第二堆叠功率开关电子芯片(ITHS、IDLS；IDHS、ITLS)、以及公共中间基板(SC)，所述第一和第二功率开关电子芯片(ITHS，IDLS；IDHS，ITLS)分别夹在所述第一介电基板(SH)和所述公共中间基板(SC)之间以及所述公共中间基板(SC)和所述第二介电基板(SL)之间，其特征在于，所述公共中间基板(SC)是整体金属元件，并且包括中心部分(SCC)和至少一个导热部分(SCL，SCR)，所述中心部分用于安装所述功率开关电子芯片(ITHS、IDLS；IDHS、ITLS)，所述导热部分与所述第一介电基板(SH)和/或所述第二介电基板(SL)热接触。
2.根据权利要求1所述的功率电子模块，其特征在于，所述公共中间基板(SC)具有H形截面，并且在所述中心部分(SCC)的两侧包括两个侧向导热部分(SCL、SCR)，所述侧向导热部分(SCL、SCR)与所述第一和第二介电基板(SH、SL)热接触。
3.根据权利要求2所述的功率电子模块，其特征在于，所述公共中间基板(SC1、SC2、SC3)包括至少一个毛细管式热管(CA1L、CA1R)或脉冲式热管(CA2L、CA2R)，所述热管设置成确保热量从所述中心部分(SCC)传递到所述侧向导热部分(SCL，SCR)。
4.根据权利要求2所述的功率电子模块，其特征在于，所述公共中间基板(SC3)包括冷却剂循环盘管(CAL)，所述冷却剂循环盘管设置成确保热量从所述公共中间基板(SC3)传递到外部交换器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率电子模块，其特征在于，所述第一和第二功率开关电子芯片(ITHS、IDLS；IDHS、ITLS)的第一电极面直接焊接在所述公共中间基板(SC)的相应面(SCC1，SCC2)上。
6.根据权利要求5所述的功率电子模块，其特征在于，所述第一和第二功率开关电子芯片(ITHS、IDLS；IDHS、ITLS)的第二电极面焊接在第一和第二电连接金属板(PH、PL)上，所述第一和第二电连接金属板(PH、PL)分别固定到所述第一和第二介电基板(SH、SL)。
7.根据权利要求6所述的功率电子模块，其特征在于，包括至少一个第三功率开关电子芯片(IDHS、IDLS)，所述第三功率开关电子芯片具有与所述第一和第二功率开关电子芯片(ITHS、IDLS；IDHS、ITLS)中的至少一个不同的高度，并且，所述公共中间基板(SC4)和/或所述第一和第二电连接金属板中的至少一个(PL1)包括至少一个用于补偿厚度差以安装所述功率开关电子芯片(ITHS、IDLS；IDHS、ITLS)的高差(D1，D2)。
8.根据权利要求5至7所述的功率电子模块，其特征在于，包括半球形柱体(PT)，在所述半球形柱体上焊接有所述功率开关电子芯片(ITHS、IDLS；IDHS、ITLS)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的功率电子模块，其特征在于，所述公共中间基板(SC、SC1、SC2、SC3、SC4)以及所述第一和第二电连接金属板(PH、PL、PL1)由铜或铝制成。
10.一种电功率变换器，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的功率电子模块(PM1、PM2、PMA、PMB、PMC)。
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