CN117334652A - 集成电压调节器 - Google Patents

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Abstract

一种集成电压调节器包括多个半导体器件和电路板，所述电路板包括多个导热嵌体。所述多个电子器件中的至少一个电子器件热耦合到电子器件多个导热嵌体中的至少一个导热嵌体。衬底热耦合到所述电路板并且热耦合到所述多个导热嵌体。

Description

集成电压调节器
相关申请的交叉引用
本申请要求以下共同转让的中国临时专利申请的优先权：序列号202210777120.7，提交于2022年7月1日；序列号202210995777.0，提交于2022年8月18日；以及序列号202210993190.6，提交于2022年8月18日，这些专利申请分别出于所有目的而以引用的方式全部并入。本申请还涉及以下同时提交和共同转让的美国专利申请：序列号18/057,692，名称为“BI-DIRECTIONAL POWER CONVERTER MODULE”，提交于2022年11月21日(代理人案卷号096868-1346409-007200US)和序列号18/057,697，名称为“INTEGRATEDTRANSFORMER”，提交于2022年11月21日(代理人案卷号096868-1346423-007000US)，这些专利申请出于所有目的而以引用的方式全部并入。
技术领域
所描述的实施例整体涉及功率电子设备和集成电压调节。更具体地，所描述的实施例涉及从半导体部件高效地传导热能的电压调节器。
背景技术
电压调节器用于包括汽车系统的众多电气系统中。随着对汽车系统的性能要求的提高，要求电压调节器处理不断增加的功率并在更高的温度下操作。
发明内容
在一些实施例中，提出了一种集成电压调节器。该电压调节器包括多个电子器件。包括具有多个导热嵌体的电路，其中所述多个电子器件中的至少一个电子器件热耦合到所述多个导热嵌体中的至少一个导热嵌体。衬底热耦合到电路板和多个导热嵌体。在一些实施例中，多个导热嵌体中的至少一个导热嵌体包括铜并且延伸穿过电路板的厚度。多个电子器件中的至少一个电子器件被软钎焊到多个导热嵌体中的相应一个导热嵌体。在一些实施例中，热界面材料定位在电路板和衬底之间，并且弹簧支承的夹具被配置为将热界面材料保持处于压缩状态。在一些实施例中，包括定位在弹簧支承的夹具和多个电子部件之间的绝缘盖。多个电子器件包括一个或多个基于氮化镓的器件以及作为直接键合铜层压板的衬底。
在一些实施例中，公开了一种电子组件，其包括：电路板，所述电路板包括延伸穿过所述电路板的厚度的导热嵌体；半导体器件，所述半导体器件定位在电子封装内，所述电子封装附接到所述电路板的顶表面并且热耦合到所述导热嵌体。热界面材料横跨电路板的底表面的至少一部分定位，并且衬底经由热界面材料热耦合到电路板。在一些实施例中，导热嵌体包括铜并且压配合在电路板内。电子封装被软钎焊到导热嵌体，并且弹簧支承的夹具被配置为将热界面材料保持处于压缩状态。在一些实施例中，绝缘盖定位在弹簧支承的夹具和电子封装之间，半导体器件是基于氮化镓的器件，并且衬底是直接键合铜层压板。
在一些实施例中，提供了一种形成电子组件的方法。所述方法包括形成电路板，所述电路板具有形成在所述板中的孔。所述方法还包括将嵌体定位在孔内，将嵌体固定在孔内，将电子封装附接到电路板的顶表面上，并且将电子封装热耦合到热嵌体。在一些实施例中，公开了将热界面材料附接至电路板的底表面并将衬底附接至热界面材料。在一些实施例中，嵌体延伸穿过电路板的厚度。所述电子封装包括基于氮化镓的器件。
附图说明
图1示出了根据本公开的实施例的集成电压调节器的简化分解图；
图2说明图1中所示的电子器件的区中的集成电压调节器的简化横截面；
图3A说明根据本公开的实施例的示例集成电压调节器的简化分解等距图；
图3B说明图3A所示的集成电压调节器的简化组装等距图。
具体实施方式
现将相对于附图描述若干说明性实施例，附图形成本发明的一部分。以下描述仅提供实施例，并且不旨在限制本公开的范围、适用性或配置。实际上，实施例的以下描述将为本领域的技术人员提供用于实施一个或多个实施例的启迪性描述。应理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下对元件的功能和布置做出各种改变。在以下描述中，出于解释的目的，阐述特定细节以便提供对某些发明性实施例的透彻理解。然而，将显而易见，可在没有这些特定细节的情况下实践各种实施例。图式及描述并不希望为限制性的。词语“示例”或“示例性”在本文中用以意指“充当示例、实例或说明”。本文中被描述为“示例性”或“示例”的任何实施方案或设计不一定被解释为相较于其他实施方案或设计为优选或有利的。
本公开的一些实施例涉及一种集成电压调节器，其可以特别用于电动车辆。更具体地，本文公开的技术涉及紧凑且高效地将热能耦合到散热器以提供改进的性能的电压调节器。
例如，在一些实施例中，集成电压调节器包括附接到电路板的多个功率半导体器件。热嵌体定位在电路板内以高效地将热从半导体器件耦合出到衬底。衬底可以是金属和/或陶瓷，并且被配置为将热能高效地耦合到冷板。热界面材料可以用于任何界面。
为了更好地理解根据本公开的集成电压调节器的特征和方面，通过讨论具有四个半导体器件的集成电压调节器的一个特定实现方式，在以下部分中提供了本公开的进一步上下文。这些实施例仅是示例性的，并且其他实施例可以具有任何合适数量的半导体器件，包括三个或更多、四个或更多、五个或更多个等。
图1示出了根据本公开的实施例的集成电压调节器100的简化分解图。如图1所示，四个电子器件110a-110d被附接到电路板112。在一些实施例中，电子器件110a-110d是GaN功率HEMTs，但是在其他实施例中，它们可以是硅、碳化硅或其他合适的器件。电子器件110a-110d可以包括任何适当类型的电子封装，包括TO无引线(例如TOLL)封装、四方扁平无引线封装或其他电子封装，尤其是被配置为将热能传导到基座部分的电子封装。电路板112可以是包括有机或基于陶瓷的绝缘层的任何合适类型的单层或多层电气布线结构。
电路板112包括定位在每个相应电子器件110a-110d下方的热嵌体114a-114d。在一些实施例中，热嵌体114a-114d延伸穿过电路板112的整个厚度并且高效地将热能传导出每个相应的电子器件110a-110d。例如，在一些实施例中，热嵌体114a-114d由铜、黄铜、铝、氮化铝或其他合适的高导热率材料制成，并且被压配合、钎焊、硬钎焊或型锻到电路板112中，以将它们保持在电路板内的适当位置。更具体地，在一些实施例中，一个或多个孔被形成为穿过电路板112的厚度，并且热嵌体114a-114d定位在孔内并且固定在适当位置。
在一些实施例中，利用合适的焊料合金(例如，无铅的锡/银/铜合金、烧结的银等)，然而在其他实施例中，可以使用热界面材料将每个电子器件110a-110d软钎焊到相应的热嵌体114a-114d。如图1进一步所示，电路板112可以用热界面材料116a-116d热耦合到衬底118，在一些情况下，热界面材料可以是焊料。当热界面材料116a-116d是焊料时，其可具有与所示不同的几何形状，并且在一些实施例中可具有与热嵌体114a-114d大致相同的长度和宽度。在各种实施例中，热界面材料116a-116d可以具有不同的几何形状，其中一者或多者具有不同的长度和/或宽度，并且在一个实施例中，所有四种热界面材料可以组合成整体层。在一些实施例中，衬底118可以是多层导热布线结构，诸如直接键合铜(DBC)或其他合适的结构，诸如但不限于绝缘金属衬底(IMS)。在其他实施例中，代替图1所示的整体结构的衬底118，衬底可以是两个、三个、四个或更多的单独的衬底。在一个示例中，衬底118是四个单独的衬底，每个衬底与相应的电子器件110a-110d对准，并且每个衬底具有将其热耦合到冷板122的单独的相应热界面材料116a-116d。
衬底118通过热界面材料120热耦合到冷板122，在一些实施例中，热界面材料可以是焊料。冷板122可以是将热能传递到空气、液体或其他合适介质的散热器。因此，集成电压调节器100可以是紧凑的，并且可以将热能从电子器件110a-110d高效地传递到冷板122。
在一些实施例中，电子器件110a-110d可以被电配置成作为全桥逆变器电路操作，而在其他实施例中，它们可以作为AC到DC转换器、DC到DC转换器或AC到AC转换器操作。
在一些实施例中，本文所述的热界面材料可以是导热胶、蜡、相变材料、含金属材料、含陶瓷材料、焊料材料或其他合适的导热材料。在各种实施例中，可以去除电路板112的部分以形成孔，并且衬底118可以具有一个或多个延伸部分，所述一个或多个延伸部分延伸穿过孔并且直接附接到电子器件110以改善热传递和去除热界面材料。在另外的实施例中，冷板122可以包括一个或多个延伸部分，所述一个或多个延伸部分延伸穿过衬底118和电路板112以直接附接到电子器件110，用于进一步提高热传递的效率。
图2示出了根据本公开实施例的图1所示的电子器件110b的区中的集成电压调节器100的简化横截面图。如图2所示，电子器件110b热耦合到热嵌体114b。如上所述，电子器件和热嵌体114b之间的界面可填充有热界面材料、焊料或其他合适的高导热率材料。热嵌体114b通过热界面材料116b、焊料或其他合适的高导热率材料热耦合到衬底118。衬底118可以是包括金属导体的基于陶瓷的多层布线结构，所述金属导体为例如但不限于铜或铝。衬底118可以通过热界面材料120、焊料或其他合适的高导热率材料热耦合到冷板122。
如图2所示，由电子器件110b耗散的热能可以通过第一焊料或热界面材料高效地传导到热嵌体114b。电子器件110b的温度可以由Tj(例如，固态半导体器件的结温)表示。电子器件110b外部的温度可以由Tc(例如，壳体温度)表示。来自半导体器件的热能通过热嵌体114耦合，所述热嵌体可将热能扩散以降低功率密度。热嵌体114底部的温度可以由Tpcb(例如，电路板的温度)表示。
然后，热能可以通过热界面材料116b传导至衬底118。热能的功率密度可以在衬底118内进一步减小，并且通过热界面材料120传导到冷板122。冷板122的外部处的温度可以由Th(例如外壳温度)表示，并且冷板内的冷却剂的温度可以由Ta(例如环境温度)表示。这种高效的热路径提供了在半导体器件的冷板和结之间的减小的温度变化，从而允许半导体器件在比常规结构更低的温度下操作。
图3A示出根据本公开的实施例的示例集成电压调节器300的简化分解等距图。图3B说明图3A所示的集成电压调节器的简化组装等距图。电压调节器300可类似于电压调节器100，然而，电压调节器300包括绝缘盖和弹簧支承的夹具，如本文更详细地描述。
如图3A所示，四个电子器件310A-310d被附接到电路板312。电路板312包括定位在每个相应电子器件310a-310d下方的热嵌体(未示出)。在一些实施例中，热嵌体延伸穿过电路板312的整个厚度并且高效地将热能传导出每个相应的电子器件310a-310d。
利用合适的焊料合金(例如，无铅的锡/银/铜合金、烧结的银等)，然而在其他实施例中，可以使用热界面材料将每个电子器件310a-310d软钎焊到相应的热嵌体。电路板312通过热界面材料(未示出)热耦合到衬底318，在一些情况下，热界面材料可以是焊料。在一些实施例中，衬底318可以是多层导热布线结构，例如直接键合铜(DBC)或其他合适的结构。塑料绝缘体345可定位在电路板312的一部分和衬底318之间。
绝缘盖350可以横跨电路板312的顶表面定位。弹簧支承的夹具355可被定位成在绝缘盖350和冷板(未示出)之间施加压缩压力。更具体地，在一些实施例中，当在衬底318和冷板之间和/或在衬底和电路板312之间使用热界面材料时，压缩压力经由弹簧支承的夹具施加到热界面材料。
在一些实施例中，电子器件110a-110d可以被电配置成作为全桥逆变器电路操作，而在其他实施例中，它们可以作为AC到DC转换器、DC到DC转换器或AC到AC转换器操作。
在前述说明书中，已参考可随具体实施而变化的众多具体细节描述了本公开的实施例。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。本公开的范围的唯一和排他性指标，以及申请人所意图成为本公开的范围的内容，是本申请发布的权利要求集合的字面和等效范围，在这种权利要求发布的具体形式中，包括任何后续更正。在不脱离本公开的实施例的精神和范围的情况下，可以任何合适的方式组合特定实施例的具体细节。
另外，诸如“底部”或“顶部”等的空间相对术语可以用于描述元件和/或特征与另一元件和/或特征的关系，例如，如图中所图示。将理解，除了图中描绘的定向以外，空间相对术语旨在涵盖器件在使用和/或操作中的不同定向。例如，如果图中的器件被翻转，则描述为“底部”表面的元件可以被定向为“在”其他元件或特征“之上”。器件可以以其他方式定向(例如，旋转90度或处于其他定向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。
如本文中所使用的术语“和”、“或”和“和/或”可以包括多种含义，所述含义也预期至少部分地取决于使用这类术语的上下文。通常，如果用以关联如A、B或C的列表，则“或”旨在意指A、B和C，此处是在包括性意义上使用；以及A、B或C，此处是在排他性意义上使用。另外，如本文中所使用的术语“一个或多个”可用以按单数形式描述任何特征、结构或特性，或可用以描述特征、结构或特性的某个组合。然而，应注意，这仅仅是说明性示例，并且所要求保护的主题不限于此示例。此外，如果用以关联如A、B或C的列表，则术语“……中的至少一个”可被解释为意指A、B和/或C的任何组合，如A、B、C、AB、AC、BC、AA、AAB、ABC、AABBCCC等。
在整个本说明书中，对“一个实例”、“实例”、“某些实例”或“示例性实施方案”的引用意指结合特征和/或实例描述的特定特征、结构或特性可包括在所要求保护的主题的至少一个特征和/或实例中。因此，短语“在一个实例中”、“实例”、“在某些实例中”或“在某些实施方案中”或其他相似短语在贯穿本说明书的各处的出现未必皆指相同特征、实例和/或限制。此外，特定特征、结构或特性可以组合于一个或多个实例和/或特征中。
在前文的详细描述中，已阐述众多具体细节以提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所要求保护的主题。在其他情况下，未详细地描述一般技术人员所知晓的方法和设备以免使所要求保护的主题模糊不清。因此，希望所要求保护的主题不限于所公开的特定示例，而是这一所要求保护的主题还可包括属于所附权利要求书和其等效物的范围内的所有方面。

Claims (20)

1.一种集成电压调节器，其包括：
多个电子器件；
电路板，所述电路板包括多个导热嵌体，其中所述多个电子器件中的至少一个电子器件热耦合到所述多个导热嵌体中的至少一个导热嵌体；
衬底，所述衬底热耦合到所述电路板并且热耦合到所述多个导热嵌体。
2.根据权利要求1所述的集成电压调节器，其中所述多个导热嵌体中的每个导热嵌体包括铜。
3.根据权利要求1所述的集成电压调节器，其中所述多个导热嵌体中的每个导热嵌体延伸穿过所述电路板的厚度。
4.根据权利要求1所述的集成电压调节器，其中所述多个电子器件中的每个电子器件被软钎焊到所述多个导热嵌体中的相应一个导热嵌体。
5.根据权利要求4所述的集成电压调节器，其还包括定位在所述电路板和所述衬底之间的热界面材料。
6.根据权利要求5所述的集成电压调节器，其还包括弹簧支承的夹具，所述弹簧支承的夹具被配置为将所述热界面材料保持处于压缩状态。
7.根据权利要求6所述的集成电压调节器，其中还包括绝缘盖，所述绝缘盖定位在所述弹簧支承的夹具和所述多个电子器件之间。
8.根据权利要求1所述的集成电压调节器，其中所述多个电子器件中的每个电子器件包括一个或多个基于氮化镓的半导体器件。
9.根据权利要求1所述的集成电压调节器，其中所述衬底是直接键合铜层压板。
10.一种电子组件，其包括：
电路板，所述电路板包括延伸穿过所述电路板的厚度的导热嵌体，
半导体器件，所述半导体器件定位在电子封装内，所述电子封装附接到所述电路板的顶表面并且热耦合到所述导热嵌体；
热界面材料，所述热界面材料横跨所述电路板的底表面的至少一部分定位；以及
衬底，所述衬底经由所述热界面材料热耦合到所述电路板。
11.根据权利要求10所述的电子组件，其中所述导热嵌体包括铜。
12.根据权利要求10所述的电子组件，其中所述导热嵌体被压配合在所述电路板内。
13.根据权利要求12所述的电子组件，其中所述电子封装被软钎焊到所述导热嵌体。
14.根据权利要求10所述的电子组件，其还包括弹簧支承的夹具，所述弹簧支承的夹具被配置为将所述热界面材料保持处于压缩状态。
15.根据权利要求14所述的电子组件，其还包括定位在所述弹簧支承的夹具和所述电子封装之间的绝缘盖。
16.根据权利要求10所述的电子组件，其中所述半导体器件是基于氮化镓的器件。
17.根据权利要求10所述的电子组件，其中所述衬底是直接键合铜层压板。
18.一种形成电子组件的方法，其包括：
形成电路板；
在所述电路板中形成孔；
将嵌体定位在所述孔内并且将所述嵌体固定在所述孔内；
将电子封装附接到所述电路板的顶表面并且将所述电子封装热耦合到所述热嵌体；
将热界面材料附接到所述电路板的底表面；以及
将所述衬底附接到所述热界面材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述热嵌体延伸穿过所述电路板的厚度。
20.根据权利要求10所述的方法，其中所述电子封装包括基于氮化镓的半导体器件。
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