CN111108819B - 电动装置和制造电动装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动装置，该电动装置包括：具有电路载体的功率模块，在该电路载体上设置有电路部件；冷却结构；以及设置在该电路载体与该冷却结构之间的中间结构，其中，该冷却结构由第一金属材料制成，并且该中间结构由第二金属材料制成，该第二金属材料的热导率比该第一金属材料的热导率更高。本发明还提供一种制造该电动装置的方法。

Description

电动装置和制造电动装置的方法
技术领域
本发明涉及电力电子工业领域，尤其涉及一种具有冷却结构的电动装置以及一种制造电动装置的方法。
背景技术
功率耗散高的功率模块通常是液体冷却的。实现液体冷却的最常见的方法是将功率模块组装到冷却板上，例如，带有用于流体流动的集成管的金属板上。热界面材料(TIM)需要设置在功率模块和冷却板之间。
这种间接液体冷却方法的缺点是TIM中的热阻相对高。为了克服这个缺点并且改善热性能，TIM需要被消除。
解决方案是使冷却剂与要冷却的表面直接液体接触。直接液体冷却的最常见方法是在要冷却的表面上引入冷却翅片或针状翅片，以增加与流体接触的面积。然而，现在的直接液体冷却方法存在其他缺点，比如：(1)最佳的热解决方案要求通道宽度小于通常应用的锻造工艺可能达到的宽度；(2)在针状翅片与浴盆之间的旁路的容差引起冷却性能的变化；以及(3)由于相对较大的通道宽度，在高绝对液体压力下冷却板的变形。
所以需要一种用于在不使用TIM的情况下将冷却板附着到功率模块同时改善热导率和热传递的均匀性的技术解决方案。进一步地，还需要一种用于提供更窄的流体流动通道以实现最佳冷却效果的技术解决方案。
发明内容
已经做出了本发明以克服或减轻现有技术中的以上缺点中的至少一个方面。
因此，本发明的目的是提供一种具有集成的冷却结构的功率模块。
在本披露的一个方面中，提供了一种电动装置，该电动装置包括：具有电路载体的功率模块，在该电路载体上设置有电路部件；冷却结构；以及设置在电路载体与冷却结构之间的中间结构，其中，冷却结构由第一金属材料制成，并且中间结构由第二金属材料制成，第二金属材料的热导率比第一金属材料的热导率更高。
在一个实施例中，冷却结构直接连接到中间结构。这种配置的很大的优点在于，热量从中间结构传送到冷却结构而热量不必穿过一个或多个附加层，附加层将不可避免地增加传导路径的热阻，并因此阻碍电动装置内的部件的有效冷却。
在一个实施例中，中间结构直接连接到电路载体。这种配置的很大的优点在于，热量从电路载体传送到中间结构而热量不必穿过一个或多个附加层，附加层将不可避免地增加传导路径的热阻，并因此阻碍安装在电路载体上的部件的有效冷却。
在一个实施例中，第二金属材料的热膨胀系数小于第一金属材料的热膨胀系数。
在一个实施例中，冷却结构由铝制成，并且其中，中间结构包括铜基结构。
在一个实施例中，铜基结构包括铜板。
在一个实施例中，铜板的厚度在25μm至5mm的范围内。
在一个实施例中，中间结构被熔焊到冷却结构上。
在一个实施例中，中间结构通过焊接或低压银烧结而结合到电路载体的底表面上。
在一个实施例中，电路载体包括基板、直接敷铜板与印刷电路板中的任一个。
在一个实施例中，冷却结构包括：具有空腔的壳体；设置在壳体的空腔内的流量分配器；以及盖板，该盖板被配置成密封壳体的空腔并且附接到中间结构。
在一个实施例中，冷却结构包括：主体，该主体顶表面中形成有流体流动通道；以及盖板，该盖板覆盖主体的顶表面以密封流体流动通道，并且附接到中间结构。
在一个实施例中，冷却结构包括：主体，该主体在底表面中形成有流体流动通道，该主体的顶表面附接到中间结构；以及盖板，该盖板覆盖主体的顶表面以密封流体流动通道。
在一个实施例中，冷却结构包括：第一板状体；以及与第一板状体相对设置的第二板状体，其中，第一板状体在其面对第二板状体的表面上形成有第一突出结构，第二板状体在其面对第一板状体的表面上形成有第二突出结构，并且第一突出结构和第二突出结构形成流体流动通道。
在一个实施例中，第一突出结构的顶端通过熔焊或钎焊以流体密封的方式结合到第二板状体，并且第二突出结构的顶端通过熔焊或钎焊以流体密封的方式结合到第一板状体。
在一个实施例中，熔焊或钎焊包括活性金属钎焊。
在一个实施例中，第一突出结构包括在第一方向上延伸的第一壁和朝向第二突出结构延伸的多个第二壁，第二突出结构包括在该第一方向上延伸的第一壁和朝向第一突出结构延伸的多个第二壁，并且第一突出结构的第二壁和第二突出结构的第二壁在第一方向上交替布置，使得流体流动通道是曲折的。
在一个实施例中，第一突出结构的第二壁等距地间隔开约5.2mm的距离，第二突出结构的第二壁等距地间隔开约5.2mm的距离，第一突出结构和第二突出结构的第二壁中的每一个的厚度是约1.2mm。
在本披露的第二方面中，提供了一种制造电动装置的方法，该方法包括以下步骤：
-提供第一板状体，
-在第一板状体的表面上形成第一突出结构，
-提供第二板状体，
-在第二板状体的表面上形成第二突出结构，
-通过熔焊或钎焊以流体密封的方式将第一突出结构的顶端结合到第二板状体，
-通过熔焊或钎焊以流体密封的方式将第二突出结构的顶端结合到第一板状体，
其中，第一突出结构和第二突出结构形成流体流动通道。
在该方法的一个实施例中，熔焊或钎焊包括活性金属钎焊。
在该方法的一个实施例中，包括提供一个或多个预制件的以实现熔焊或钎焊工艺的附加步骤。
在该方法的一个实施例中，第一突出结构或第二突出结构中的至少一个通过锻造而形成。
附图说明
通过参照附图以本发明的详细示例性实施例进行描述，本发明的以上和其他特征将变得更加明显，在附图中：
图1是示出了根据本披露的实施例的电动装置的说明性视图；
图2是示出了本披露的另一个实施例的电动装置的说明性视图；
图3是示出了本披露的进一步的实施例的电动装置的说明性视图；
图4是示出了本披露的又进一步的实施例的电动装置的说明性视图；
图5是示出了本披露的又进一步的实施例的电动装置的说明性视图；
图6a是示出了图5所示的冷却结构的第一主体的说明性透视图；
图6b是示出了图5所示的冷却结构的第二主体的说明性透视图；
图7是沿图5的线A-A截取的说明性截面图。
图8是制造电动装置的本发明方法的实施例的简图；
图9a至图9d图示了包括本发明方法的实施例的各个步骤；以及
图10a至图10e图示了包括本发明方法的替代实施例的各个步骤。
具体实施方式
在下文中将详细参照附图对本披露的多个示例性实施例进行描述，其中相似的附图标记指代相似的元件。然而，本披露可以通过许多不同的形式来实现并且不应被解释为局限于在此阐述的实施例；而是，提供这些实施例以使得本披露将是透彻和完整的，并且将为本领域的技术人员完整地传达本披露的构思。
在本披露的一个方面中，提供了一种电动装置。
图1示出了根据本披露的实施例的电动装置。电动装置包括：具有电路载体101的功率模块100，在该电路载体上设置有电路部件102；冷却结构200；以及设置在电路载体101与冷却结构200之间的中间结构300。中间结构300通过熔焊或钎焊附接或结合到电路载体101的底表面。也可以利用其他连接技术，比如钎焊、焊接或烧结。冷却结构200由第一金属材料制成，并且中间结构300由具有比第一金属材料的热导率更高的热导率的第二金属材料制成。
本领域的普通技术人员将理解，功率模块100可以是任何类型的功率模块，电路载体101可以是例如基板、直接敷铜(DCB)板、印刷电路板(PCB)等，并且电路部件102可以是任何电动或电子部件，比如芯片、集成电路、微处理器、半导体部件和/或导线，并且电路部件102的数量可以是一个或多于一个。在典型的功率模块中，比如IGBT、MOSFET或其他有源部件等开关半导体可以与辅助部件(比如二极管、电阻器等)一起用作电路部件102，以使得半导体能够高效操作。
通过由与TIM相比具有更高热导率的材料制成中间结构，从功率模块(即，电路载体101)散发的热量可以更迅速地在中间结构中传递和扩散，并且更均匀地传递和散布到冷却结构。同时，熔焊或钎焊可以提供中间结构300与电路载体101之间的更好接触和结合。
在实施例中，如果电路载体101是陶瓷基板，则选择具有低热膨胀系数(CTE)的金属材料作为第二金属材料，更优选地，第二金属材料的热膨胀系数低于第一金属材料的热膨胀系数，使得减小陶瓷基板与冷却结构之间的CTE不匹配。
通常，冷却结构200由铝制成，因此，中间结构300可以是铜基结构，因为铜比铝具有更高的热导率和更低的热膨胀系数。在优选实施例中，中间结构300(或铜基结构)可以是铜板。铜板可以通过锻造、熔焊或钎焊、焊接、低压银烧结等结合到铝基冷却结构上。可以使用形成铜板的其他方式。例如，铜板可以被冷气喷涂、化学喷涂或电镀到铝基冷却结构上。
铜板需要具有合适的厚度，使得热量可以更均匀地散布在铜板上并传递到冷却结构200。优选地，铜板的厚度是25μm到5mm。提出了铜板具有相对较大的厚度，这将在后面说明。
在优选实施例中，中间结构通过熔焊或钎焊结合到冷却结构上。当然，取决于用于中间结构和冷却结构的特定材料，可以使用其他金属接合工艺。
在实施例中，中间结构通过焊接或低压银烧结结合到电路载体的底表面上。与熔焊或钎焊或其他接合方法相比，焊接和低压烧结工艺对功率模块或电路载体的结构影响很小。本领域普通技术人员应理解，“低压”可以根据材料而变化，并且典型地，低压约为5MPa。
如图1至图5所示，冷却结构可以具有不同的配置。
在图1所示的实施例中，冷却结构200包括：主体201，其顶表面中形成有流体流动通道230；盖板202，其覆盖主体201的上表面以形成封闭的流体流动通道。盖板202附接到中间结构300。
在图2所示的实施例中，冷却结构200包括：主体201，其顶表面中形成有流体流动通道230；盖板202，其覆盖主体201的上表面以形成封闭的流体流动通道。主体201附接到中间结构300。
图3所示的实施例与图1所示的实施例相似，而两者之间唯一的区别在于图3所示的盖板202的厚度比图1所示的盖板202的厚度小得多。这种差别的原因在于，如果中间结构300通过例如熔焊或钎焊、锻造等方式牢固地结合到冷却结构200的盖板202，则中间结构300和盖板202充当为一个一体部件，该一体部件可以提供比图1的盖板202更高的机械强度。因此，与图1所示的盖板相比，图3的盖板202可以制作得更薄。以此方式，成本将降低，并且由于具有较低热导率的盖板的厚度减小，来自功率模块100的热量可以非常快速地传递到流经流体流动通道的冷却流体。
在图4所示的实施例中，冷却结构200包括：具有空腔的壳体203；设置在壳体203的空腔内的流量分配器204；以及盖板202，所述盖板被配置为密封壳体203的空腔并且附接到中间结构300。流量分配器204可以由铝、铜或其他具有高热导率并且与比如活性金属钎焊等金属接合工艺相容的金属材料制成。流量分配器204可以是一件式部件或彼此堆叠在一起或并排布置的几个部件。
在本披露的另一个方面，提供了一种冷却结构的新配置，使得与传统冷却结构相比，将获得更窄的流体流动通道。在图5至图7中示出了这种冷却结构的示例性实施例。
如图5至图7所示，冷却结构200包括：第一板状体210；与第一板状体210相对设置的第二板状体220。第一板状体210在其面对第二板状体220的表面上形成有第一突出结构211，而第二板状体220在其面对第一板状体210的表面上形成有第二突出结构221。如图5所示，当第一板状体210与第二板状体220组装在一起时，第一突出结构与第二突出结构彼此配合以形成至少一个流体流动通道230。
在本实施例中，为了确保冷却流体沿着预定通道流动，第一突出结构211的顶端应当压靠在第二板状体220的面向第一板状体210的表面上，并且类似地，第二突出结构221的顶端应当压靠在第一板状体210的面向第一板状体220的表面，如图5所示。此外，为了在突出结构211、221的顶端与第一板状体210和第二板状体220的表面之间提供良好的流体密封，可以在第一板状体210与第二板状体220之间的接触位置处执行活性金属钎焊(AMB)工艺。AMB是已知的工艺，其中在比如钛等活性元素与存在于要钎焊的表面中的碳化物、氧化物或氮化物之间引发反应。也可以考虑其他活性元素，比如钒、铪、锆或铬。AMB通常在真空炉中进行，在真空炉中可以控制周围气氛。
如图6a所示，第一突出结构211包括沿第一方向延伸的第一壁2111和沿垂直于第一方向的第二方向延伸的多个第二壁2112。然而，应当注意的是，图6a中所示的取向是示例性的，第一方向和第二方向不需要彼此垂直，例如，第二方向可以与第一方向成60°至120°的角度定向。可以基于期望的流动特性来确定角度。
如图6b所示，第二突出结构221包括沿第一方向延伸的第一壁2211和沿第二方向延伸的多个第二壁2212。可以理解的是，在第一板状体210上可以有一个或多个第一壁2111，并且在第二板状体220上可以有一个或多个第一壁2211。
如图7所示，该图示出了冷却结构200沿图5的线A-A截取的截面(即，图7的中央部分)，第一突出结构211的第一壁2111和第二突出结构221的第一壁2211沿左右方向交替地形成。而且，图5的下部是沿图7的线B-B截取的冷却结构200的截面，并且从图5和图7中可以看出，第一突出结构211的第二壁2112和第二突出结构221的第二壁2212在第一方向上交替地形成。第一突出结构211的每个第二壁2112延伸到第二突出结构221的两个相邻第二壁2212之间的空间中，并且第二突出结构221的每个第二壁2212延伸到第一突出结构211的两个相邻第二壁2112之间的空间中。以这种方式，在一个第一突出结构211与相邻的第二突出结构221之间形成曲折的流体流动通道。
传统上，流体流动通道通过铸造、锻造、机加工、3D打印或类似工艺形成在铝基板中。因此，根据用于形成通道的工艺，通常存在通道宽度的最小极限。通常，通道的最小宽度例如是约3mm。然而，通过实验，发明人发现，如果通道的宽度减小到约2mm，将实现最佳的冷却效果。因此，提供图5至图7所示的实施例以解决这个技术问题。
根据图5至图7所示的本披露的实施例，第一板状体210和第二板状体220中的每一个可以分别形成。例如，第二板状体220的每个第二壁2212的厚度t可以设定为1.2mm，并且第一板状体210的相邻的第二壁2112之间的距离d可以设定为5.2mm，因此，第二壁2212和相邻第二壁2112之间在直接方向上的距离(即，通道的宽度)可以设定为2mm。以这种方式，第一板状体210与第二板状体220均可以通过传统工艺制作，并且通道的宽度可已被缩减，使得实现冷却结构的最佳冷却效果。
本领域普通技术人员还可以理解，第一板状体210的每个第二壁2112的厚度也可以被设定为1.2mm，第二板状体220的相邻第二壁2212之间的距离也可以被设定为5.2mm，并且第二壁2112可以朝向第一壁2211延伸但与其间隔开2mm的距离，使得整个通道的宽度是恒定的。
如图6a、图6b和图7所示，第一板状体210具有进口212和出口213，并且类似地，第二板状体220具有进口222和出口223。冷却流体可以从进口212、222流入冷却结构200，流经通道230，并且从出口213、223流出冷却结构200。还可以有用于将进口与出口隔离的分隔壁214。可以理解的是，进口和出口可以具有各种不同的形式，例如，它们可以形成在冷却结构的侧壁中。还有，分隔壁214可以由能够隔离进口和出口的任何结构代替。
在本披露的第二方面中，提供了一种制造电动装置的方法。
在图8中示意性地示出了这种制造电动装置的方法。在此，方法500包括以下步骤：提供(501)第一板状体210，在第一板状体210上形成(502)第一突出结构211，提供(503)第二板状体220，以及在第二板状体220上形成(504)第二突出结构221。上述步骤之后可以是可选的步骤，即提供(505)一个或多个预制件400并将它们放置在第一突出结构211的顶端401和第二突出结构221的顶端402上，这些顶端将接触第一板状体210和第二板状体220的相应区域。该方法中的两个进一步的步骤包括：通过熔焊或钎焊以流体密封的方式将第一突出结构211的顶端401结合(506)到第二板状体220；以及通过熔焊或钎焊以流体密封的方式将第二突出结构221的顶端402结合(507)到第一板状体210。以这种方式，第一突出结构211和第二突出结构221形成流体流动通道230。
图9a至图9d图示了包括本发明方法的实施例的各个步骤。图9a示出了第一板状体210和第二板状体220。在图9b中，示出了分别形成在第一板状体210和第二板状体220上的第一突出结构211和第二突出结构221。在图9c中，预制件400已经被提供并且分别被放置在第一突出结构211的顶端401和第二突出结构221的顶端402处。在图9d中，通过将第一突出结构211的顶端401结合到第二板状体220以及将第二突出结构221的顶端402结合到第一板状体210，两个板状体210、220和对应的突出结构211、221被接合，从而形成包括流体流动通道230的冷却结构200。
图10a至图10e图示了本发明方法的第二实施例，该第二实施例类似于图9a至图9d所示的实施例，但是具有附加步骤，即在图10c中，包括电路载体101的功率模块100、以及如上所述的中间结构300附接到第二板状体220，在该电路载体101上设置有电路部件102。中间结构300可以通过熔焊或钎焊或通过其他已知的连接技术(比如烧结)而附接或结合到电路载体101的底表面。在其他方面，图10a至图10e中所图示的方法与图9a至图9d中所图示的方法相同。
尽管已经示出和描述了若干示例性实施例，但本领域的技术人员应理解的是，在不脱离本披露的原理和精神的情况下，可以对这些实施例作出多种不同改变或修改，本披露的范围是在权利要求及其等效物中限定的。
附图标记清单
100： 功率模块
101： 电路载体
102： 电路部件
200： 冷却结构
201： 主体
202： 盖板
203： 壳体
204： 流量分配器
210： 第一板状体
211： 第一突出结构
2111： 第一突出结构的第一壁
2112： 第一突出结构的第二壁
212： 第一板状体的进口
213： 第一板状体的出口
214： 分隔壁
220： 第二板状体
221： 第二突出结构
2211： 第二突出结构的第一壁
2212： 第二突出结构的第二壁
222： 第二板状体的进口
223： 第二板状体的出口
230： 流体流动通道
300： 中间结构
400： 预制件
401： 第一突出结构的顶端
402： 第二突出结构的顶端
t： 第二壁的厚度
d： 相邻的第二壁之间的距离。

Claims (17)

1.一种电动装置，包括：
具有电路载体的功率模块，在该电路载体上设置有电路部件；
冷却结构，该冷却结构由第一金属材料制成，该冷却结构包括：
第一板状体；以及
与该第一板状体相对设置的第二板状体，其中，该第一板状体在其面对该第二板状体的表面上形成有第一突出结构，该第二板状体在其面对该第一板状体的表面上形成有第二突出结构，并且该第一突出结构和该第二突出结构形成流体流动通道；以及
设置在该电路载体与该冷却结构之间的中间结构，该中间结构由第二金属材料制成，该第二金属材料的热导率比该第一金属材料的热导率更高，
其中，该第一突出结构包括在第一方向上延伸的第一壁和朝向该第二突出结构延伸的多个第二壁，该第一方向是平行于该第一板状体的所述表面的方向，
该第二突出结构包括在该第一方向上延伸的第一壁和朝向该第一突出结构延伸的多个第二壁，并且
该第一突出结构的这些第二壁和该第二突出结构的这些第二壁在该第一方向上交替布置，使得该流体流动通道是曲折的。
2.根据权利要求1所述的电动装置，其中，该冷却结构直接连接到该中间结构。
3.根据权利要求1或2所述的电动装置，其中，该中间结构直接连接到该电路载体。
4.根据权利要求中1或2所述的电动装置，其中，该第二金属材料的热膨胀系数小于该第一金属材料的热膨胀系数。
5.根据权利要求1或2所述的电动装置，其中，该冷却结构由铝制成，并且其中，该中间结构包括铜基结构。
6.根据权利要求5所述的电动装置，其中，该铜基结构包括铜板。
7.根据权利要求6所述的电动装置，其中，该铜板的厚度在25μm至5mm的范围内。
8.根据权利要求1或2所述的电动装置，其中，该中间结构被熔焊到该冷却结构上。
9.根据权利要求1或2所述的电动装置，其中，该中间结构通过焊接或低压银烧结而结合到该电路载体的底表面。
10.根据权利要求1或2所述的电动装置，其中，该电路载体包括基板、直接敷铜板和印刷电路板中的任一个。
11.根据权利要求1所述的电动装置，其中，该第一突出结构的顶端通过熔焊或钎焊以流体密封的方式结合到该第二板状体，并且该第二突出结构的顶端通过熔焊或钎焊以流体密封的方式结合到该第一板状体。
12.根据权利要求11所述的电动装置，其中，该熔焊或钎焊包括活性金属钎焊。
13.根据权利要求1所述的电动装置，其中，该第一突出结构的这些第二壁等距地间隔开5.2mm的距离，该第二突出结构的这些第二壁等距地间隔开5.2mm的距离，该第一突出结构和该第二突出结构的这些第二壁中的每一个的厚度是1.2mm。
14.一种制造根据权利要求1或11所述的电动装置的方法，包括以下步骤：
提供第一板状体，
在该第一板状体的表面上形成第一突出结构，
提供第二板状体，
在该第二板状体的表面上形成第二突出结构，
通过熔焊或钎焊以流体密封的方式将该第一突出结构的顶端结合到该第二板状体，
通过熔焊或钎焊以流体密封的方式将该第二突出结构的顶端结合到该第一板状体，
其中，该第一突出结构和该第二突出结构形成流体流动通道。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，该熔焊或钎焊包括活性金属钎焊。
16.根据权利要求15所述的方法，包括提供一个或多个预制件以实现熔焊或钎焊过程的附加步骤。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，这些第一突出结构或这些第二突出结构中的至少一个通过锻造而形成。
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