CN117395974A - 集成电力电子器件上的emi优化屏蔽的材料设计 - Google Patents

集成电力电子器件上的emi优化屏蔽的材料设计 Download PDF

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Abstract

一种电磁干扰屏蔽复合材料。所述电磁干扰屏蔽复合材料包括形成为封装部件的形状的聚合物基底。所述复合材料还包括与所述聚合物基底接触的电磁干扰层和与所述电磁干扰层接触的传导涂层。集成电力电子模块包括含有所述电磁干扰屏蔽复合材料的封装。一种形成用于集成电力电子模块的电磁干扰屏蔽复合材料的方法，包括将聚合物基底模制成封装部件的形状，在所述聚合物基底上形成电磁干扰层，以及在所述电磁干扰层上形成传导涂层。

Description

集成电力电子器件上的EMI优化屏蔽的材料设计
技术领域
电动和混合动力车辆利用集成电力电子器件来执行车辆中的若干功能。这些功能包括控制能量流、转换电能以及将电能分配给车辆中的不同系统。此外，可以将各种电气部件集成在一起。
背景技术
包括逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等的电力电子模块可以使用由金属材料(例如铝)形成的封装部件，例如壳体和盖。为了实现相对较高的效率和来自集成电力电子器件的功率输出，需要在较宽的频率范围内进行电磁干扰(EMI)屏蔽。此外，电力电子器件的不适当的冷却材料设计/架构可降低EMI屏蔽的效率，这可导致在高温和振动下的退磁。用于电子封装的聚合物材料的使用提供了诸如逆变器或高级驾驶员辅助系统的部件的相对较高的集成水平。然而，使用重量相对较轻的聚合物复合材料集成电力电子封装由于具有强大的EMI屏蔽效能而变得更加便利。
因此，虽然目前的集成电子封装实现了其预期目的，但仍需要用于集成电力电子封装的新的和改进的聚合物材料。
发明内容
根据几个方面，本公开涉及电磁干扰屏蔽复合材料。该电磁干扰屏蔽复合材料包括形成为封装部件形状的聚合物基底。该复合材料还包括与聚合物基底接触的电磁干扰层和与电磁干扰层接触的传导涂层。
根据上述各方面，电磁干扰层的厚度在2微米至100微米范围内。
根据上述方面中的任一个方面，电磁干扰层包括尺寸在10纳米至20微米范围内的晶粒。
根据上述方面中的任一个方面，电磁干扰层在50MHz至400MHz的频率范围内的屏蔽效率在10分贝至45分贝范围内。
根据上述方面中的任一个方面，电磁干扰层由以下电磁干扰材料中的一种或多种形成：硅、锌、Fe2O3、FeO、ZnFe2O4、Ni-Zn、Mn-ZnO、Co-ZnO、NiAl-Mn、Co-TiO2、BaTiO3和ZrO3。
根据上述方面中的任一个方面，传导涂层具有10W/m-K至200W/m-K范围内的热导率和1×10-5Ohm-m至1×10-8Ohm-m范围内的电阻率中的至少一种。
根据上述方面中的任一个方面，传导涂层的厚度在10纳米至500微米范围内。
根据上述方面中的任一个方面，传导涂层在400MHz至1000MHz的频率范围内的屏蔽效率在25分贝至45分贝范围内。
根据上述方面中的任一个方面，传导涂层包括以下的一种或多种：铜、铝、镍、锌、钴、锰、铝青铜、AlSi、CuO、ZnO和Al2O3。
根据上述方面中的任一个方面，聚合物基底包括泡沫，并且聚合物基底的厚度在0.5毫米至3毫米范围内。
根据上述方面中的任一个方面，电磁干扰层包括尺寸在10纳米至20微米范围内的晶粒，并且电磁干扰层在50MHz至400MHz的频率范围内的屏蔽效率在10分贝至45分贝范围内。
根据上述方面中的任一个方面，传导涂层的厚度在10纳米至500微米范围内，并且传导涂层在400MHz至1000MHz范围内的屏蔽效率在25分贝至45分贝范围内。
根据几个方面，本公开涉及集成电力电子模块。集成电力模块包括封装和容纳在封装内的电子器件。封装包括电磁干扰屏蔽复合材料。电磁干扰屏蔽复合材料包括形成为封装部件形状的聚合物基底、与聚合物基底接触的电磁干扰层和与电磁干扰层接触的传导涂层。
在上述方面中的任一个方面中，封装包括壳体隔间和盖。
在上述方面中的任一个方面中，盖限定至少一个开口并且包括内表面，围绕所述开口的密封件固定到所述内表面。
在上述方面中的任一个方面中，聚合物基底包括泡沫，并且聚合物基底的厚度在0.5毫米至3毫米范围内。
在上述方面中的任一个方面中，电磁干扰层包括尺寸在10纳米至20微米范围内的晶粒，并且电磁干扰层在50MHz至400MHz的频率范围内的屏蔽效率在10分贝至45分贝范围内。
在上述方面中的任一个方面中，传导涂层的厚度在10纳米至500微米范围内，并且传导涂层在400MHz至1000MHz的频率范围内的屏蔽效率在25分贝至45分贝范围内。
根据几个方面，本公开涉及形成用于集成电力电子模块的根据上述方面中的任一个方面的电磁干扰屏蔽复合材料的方法。该方法包括将聚合物基底模制成封装部件的形状，在聚合物基底上形成电磁干扰层，以及在电磁干扰层上形成传导涂层。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1A示出了根据本公开的实施方案的电力电子模块和马达驱动单元的示意图。
图1B示出了根据本公开的实施方案的用于电力电子模块的盖。
图1C示出了根据本公开的实施方案的移除了盖的电力电子模块的截面图。
图2A示出了根据本公开的实施方案的电磁干扰(EMI)屏蔽复合材料的示意图。
图2B示出了根据本公开的实施方案的电磁干扰屏蔽复合材料的扫描电子显微镜氧元素图。图像左下方的刻度表示20微米。此外，用于创建该图的x射线是K-alpha.
图3示出了聚合物基底的和具有不同涂层的相同聚合物基底的EMI屏蔽复合材料效率的曲线图。
图4A示出了使用垂直于热流方向的分流器的传热系数。
图4B示出了使用平行于热流方向的分流器的传热系数。
图4C示出了使用垂直和平行于热流方向的接合金属分流器的传热系数。
图4D示出了使用平行于热流方向的分流器的传热系数。
图4E是示出了对于固定的聚合物纵横比和涂层厚度，假设热流平行于涂层而不垂直于涂层，覆层对热导率的影响的曲线图。
图5是示出了各种EMI屏蔽复合材料的效果的曲线图。
图6是示出了各种EMI屏蔽复合材料的效果的曲线图。
图7A示出了具有EMI屏蔽复合材料的钢的示意图。
图7B是示出了热导率对包括EMI屏蔽复合材料的钢板的传热系数的影响的曲线图。
图8A示出了具有EMI屏蔽复合材料的钢的示意图。
图8B是示出了热导率对夹有EMI屏蔽复合材料的钢板的传热系数的影响的曲线图。
图9是用于形成根据本公开的实施方案的EMI屏蔽复合材料的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。此外，本公开不受前述技术领域、背景技术、发明内容或下面的具体实施方式中提出的任何明示或暗示的理论的约束。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
如本文所使用的，术语“车辆”不限于汽车。虽然本文主要结合汽车来描述本技术，但是本技术不限于汽车。这些概念可用于广泛的应用中，例如与飞机、船舶、其它交通工具和消费电子部件有关。
图1A示出了集成到电动驱动单元100中的电力电子模块102。集成电力电子模块102包括如图1B和1C所示的用于容纳电力电子模块102的封装104。封装104包括用于集成电力电子模块102的壳体隔间106和壳体盖108。应当理解，可以仅为封装104提供没有盖的壳体，或者用于单个壳体的多个盖，以及各种分隔壁。在所示方面，集成电力电子模块102包括在逆变器中使用的电子器件，逆变器包括耦合到门电路板122的控制电路板120、功率模块124、大容量电容器126、电流传感器128、母线130和也耦合到控制电路板120的连接器132。在其他方面，集成电力电子模块102包括在高级驾驶员辅助系统、DC/DC转换器、DC/AC转换器、LiDAR/LADAR等中使用的电子器件。集成电力电子模块102还包括各种屏蔽部件，该屏蔽部件包括铝内屏蔽136和铝外屏蔽138以及用于固定门电路板122的铝支架140。封装104包括几个部件，该部件包括外部聚合物壳体隔间144、用于容纳大容量电容器126的内部聚合物壳体隔间146和盖108。如图所示，一个或多个密封件142固定到盖108的内表面110上，以防止碎屑、湿气或气体进入限定在盖108中的一个或多个开口143。尽管未示出，开口也可以由壳体隔间106限定，并且密封件可以设置在壳体隔间106的内表面107上。密封件由例如一种或多种以下聚合物材料形成：热塑性弹性体、硅树脂、热塑性聚氨酯、天然橡胶、合成橡胶和包括交联泡沫的泡沫。
封装104中的聚合物部件的至少一部分可以使用电磁干扰(EMI)屏蔽复合材料148形成，例如盖108和壳体隔间106，如图2A和2B所示。EMI屏蔽复合材料包括聚合物基底150、电磁干扰(EMI)层152和传导涂层154。在一些方面，电磁干扰层152直接接触聚合物基底150的表面156，传导涂层154直接接触电磁干扰(EMI)层152的表面158。在可选的方面，在聚合物基底150与电磁干扰层152之间、电磁干扰层152与传导涂层154之间、或者在聚合物基底150与电磁干扰层152之间以及电磁干扰层152与传导涂层154之间设置有粘合剂层(未示出)，该粘合剂包括热熔胶和嵌入粘合剂中的至少一种，并且在0.5微米至10微米的范围内，包括其中的所有值和范围。
聚合物基底150被成形为希望的形状以将电子器件容纳在集成电力电子模块102中，并且可以包括以下聚合物材料中的一种或多种：泡沫、弹性体、热塑性塑料、热塑性弹性体、热固性塑料、纤维增强复合材料、环氧树脂等。在例如图1A至1C所示的电力电子模块102的应用中，聚合物基底150由泡沫形成，并且厚度在0.5毫米至3毫米范围内，包括其中的所有值和范围。在可选的方面，厚度可大于3毫米，例如高达10毫米，包括从3毫米到10毫米的所有值和范围。
电磁干扰层152设置于聚合物基底150的表面156上，EMI层152的厚度为1微米至100微米，包括其中的所有值及范围。EMI层152被理解为吸收或反射入射到EMI层152上的电磁波，例如频率在50MHz至400MHz范围内的(包括其中的所有值和范围)的电磁波，并且具有10分贝或更大范围内的屏蔽效率，正如ASTM D4935-99测量的，例如在50MHz至400MHz范围内10至45分贝的范围内的屏蔽效率。可以理解，在45分贝下，至少95％的入射电磁干扰被屏蔽。
EMI层152由包括以下材料中的一种或多种的电磁干扰材料形成：金属、金属合金、金属间化合物、半导体和陶瓷。电磁干扰材料呈现晶粒160，其被理解为金属、金属合金、金属间化合物、半导体或陶瓷材料的微晶。沿着最长的线性维度测量，晶粒160的尺寸可以在10纳米至20微米范围内，包括其中的所有值和范围。在进一步的方面，EMI层152由以下电磁干扰(EMI)材料中的一种或多种形成：硅、锌、诸如Fe2O3、FeO和ZnFe2O4的铁氧体；铁氧体变体例如Ni-Zn-Fe2O4；以及具有过渡金属的抗磁性变体，例如Mn-ZnO、Co-ZnO、NiAl-Mn、Co-TiO2、BaTiO3和ZrO3。在另外的方面，形成EMI层152的EMI材料被沉积为多个颗粒。颗粒154的粒径在40微米至60微米范围内，包括其中的所有值和范围，例如50微米。在进一步的方面，颗粒154分散在粘合剂中，其中粘合剂是聚合物材料，例如环氧树脂、聚氨酯和聚酯。
传导涂层154设置在电磁干扰层152的表面158上，具有导热性和导电性中的至少一种。传导涂层154用作热分流路径和电分流路径中的一种或两种，分别用于提供散热或电接地。导热的传导涂层154的热导率在10瓦每米*开尔文(W/m-K)至200W/m-K范围内，包括其中通过稳态或瞬态技术(包括闪光扩散率、瞬态平面源方法或瞬态热丝技术)测量的用于传导涂层154的所有值和范围。导电的传导涂层154的电阻率在1×10-5Ohm-m至1×10-8Ohm-m范围内，包括其中的所有值和范围。传导涂层154被理解为反射400MHz至1000MHz范围内相对较高频率的电磁波，包括其中的所有值和增量，并且传导涂层154的屏蔽效率在25分贝或更高范围内，例如根据ASTM D 4935-99测量的400MHz至1000MHz范围内的屏蔽效率在25至45分贝的范围，其中在45分贝下，应理解至少95％的入射电磁干扰被屏蔽。传导涂层包括以下的一种或多种：金属、金属间化合物、陶瓷和半导体。金属、金属间化合物、陶瓷和半导体包括例如铜、铝、镍、钴、锰、铝青铜、AlSi、CuO、ZnO和Al2O3。在多个方面中，基于热导率、电阻率或热导率和电阻率两者来选择金属、金属间化合物、陶瓷和半导体。
参照图3至图8B描述的是说明性示例，其本质上是示例性的并且不意味着限制本公开的范围。
现在参照图3，进一步参照图2A和2B。图3是曲线图300，示出了对于本文所述的电磁屏蔽复合材料148的说明性示例在各种频率下的电磁干扰屏蔽效能的效果。屏蔽效能(SE)可以理解为撞击能量与剩余能量的比率，其中当电磁波穿过EMI层时，撞击能量是撞击在EMI层上的能量，而剩余能量是穿过该层的能量。具体而言，根据ASTM D4935-99，在50MHz至1000MHz的频率范围内，对以下材料测定屏蔽效能(分贝)：没有涂层的聚醚醚酮基底，如趋势线302所示；包括CoNiCrAlY EMI层152和AlSi聚酯传导涂层154的聚醚醚酮聚合物基底150，如趋势线304所示；以及具有NiAl EMI层152和AlSi聚酯传导涂层154的聚醚醚酮聚合物基底150，如趋势线306所示。如在该示例中所看到的，NiAl EMI层152在100MHz和更高的频率下提供显著增加的屏蔽效能水平，并且NiAl EMI层152的屏蔽效能大于CoNiCrAlY EMI层152的屏蔽效能。
图4A至4E提供了几何形状如何影响传热系数的说明性示例。图4A示出了EMI复合材料400，其包括夹在ZnO EMI层403之间的聚醚醚酮402，其具有垂直于热流方向406的铝青铜传导涂层404。使用稳态热流和傅立叶方法，发现在300开尔文(K)下，在从复合材料400的外表面410测量的4.453毫米的距离408上，复合材料400的热导率为0.331瓦每米*开尔文(W/m-K)。图4B示出了复合材料420，该复合材料420包括由平行于热流方向426的夹在ZnOEMI层423和铝青铜传导涂层424之间的聚醚醚酮422。使用稳态热流和傅立叶方法，发现在300K下，在从复合材料420的外表面430测量的2.353毫米的距离428上，复合材料420的热导率为0.946瓦每米*开尔文(W/m-K)。图4C示出了包括聚醚醚酮442的复合材料440，所述聚醚醚酮442由NiAl EMI层443和平行于和垂直于热流方向446的铝青铜传导涂层444覆盖在两个邻接侧上。使用稳态热流法和傅里叶法，发现在300K下，在从复合材料440的外表面450测量的3.746毫米的距离448上，复合材料440的热导率为1.376瓦每米*开尔文。图4D示出了包括聚醚醚酮聚合物基底462的复合材料460，该基底462包括ZnO EMI层463和在聚合物基底462的平行于热流方向466的一侧上的铝青铜传导涂层464。使用稳态热流和傅立叶方法，发现在300K下，在从复合材料460的外表面470测量的3.568毫米的距离468上，复合材料460的热导率为0.4瓦每米*开尔文至1.2瓦每米*开尔文。
图4E示出了图4A至4D的EMI屏蔽复合材料的说明性示例的热导率相对于由ZnOEMI层覆盖的侧面的数量的曲线图480。参照趋势线482，随着由AlNi EMI层包覆的聚合物基底的侧面数量的增加，EMI屏蔽复合材料的热导率越大。
现在转到图5，并进一步参照图2A和2B，曲线图500示出了沉积在聚合物基底150上的不同EMI层152的EMI屏蔽效果。对以下进行屏蔽效能测量：涂有铝EMI层152的聚醚醚酮聚合物基底150，如趋势线502所示；以及涂有锌EMI层152的聚苯硫醚聚合物基底150，如趋势线504所示。测量是在50MHz至1000MHz的频率范围内进行的，根据ASTM D4935-99测量。如图所示，锌涂层504的性能优于铝涂层502，因为作为EMI层152，锌的电磁屏蔽效能比铝的高。
进一步参照图2A和2B，图6示出了另一个曲线图600，其显示了在电磁干扰屏蔽复合材料148中使用不同EMI层的EMI屏蔽效果。对以下进行屏蔽效能测量：包括Si-EMI层152和铝青铜传导涂层154的聚邻苯二甲酰胺聚合物基底150，由趋势线602示出；以及包括Zn-EMI层152和铝青铜传导涂层154的聚邻苯二甲酰胺聚合物基底150，由趋势线604示出。如曲线图600所示，锌EMI层604的性能在较低频率下相对优于硅EMI层602，并且在较高频率下，两种示例性EMI屏蔽复合材料148性能相似，这可以部分归因于铝青铜传导涂层154的贡献。
图7A和7B提供了钢板上的EMI屏蔽复合材料148的夹层结构的热导率对传热系数的影响的说明性示例。图7A示出了所测试的夹层结构700的示意图。夹层结构700包括夹在两个EMI屏蔽复合层148之间的硅钢板702，其中基底层是聚邻苯二甲酰胺，EMI层是ZnO，导电层是铝青铜，并且EMI屏蔽复合材料层148垂直于热流方向706排列。厚度为2微米的环氧树脂粘合剂层用于将钢板702粘合到EMI屏蔽复合材料层148上。钢板702的厚度708为0.25毫米，EMI屏蔽复合材料层148的厚度均为0.01毫米。如图7B所示，发现随着EMI屏蔽复合材料层148的热导率增加，EMI屏蔽复合材料层148和钢板702的传热系数增加，如710所证明的。发现仅具有粘合剂材料的钢板的传热系数为0.011W/K，如线714所示。
图8A和8B提供了夹在两块钢板之间的EMI屏蔽复合材料148的热导率的效果的说明性示例。图8A示出了所测试的夹层结构800的示意图。夹层结构800包括夹在两块硅钢板804之间的EMI屏蔽复合材料层148，其中聚邻苯二甲酰胺是基底层，EMI层是ZnO，导电层是铝青铜，其中钢板804垂直于热流方向806排列。厚度为2微米的环氧树脂粘合剂的粘合剂层将钢板804粘合到EMI屏蔽复合材料148上。每块钢板804的厚度808为0.025毫米，EMI屏蔽复合材料层148的厚度810为0.2毫米。已经发现，随着EMI屏蔽复合材料层148的热导率增加，EMI屏蔽复合材料层148和钢板804的传热系数增加，如线812所示。热导率在290K至300K的温度范围内通过使用量子设计物理性质测量测试系统的傅立叶方法的稳态热流来测量。发现仅具有粘合剂材料的钢板的传热系数为0.011W/K，如线814所示。
参照图1A、1B、1C、2A和2B，图9示出了形成电磁屏蔽复合材料148和集成电力电子模块的封装104的方法900。在方框910，使用一种或多种不同的模制工艺，例如注射模制、压缩模制、真空成型、吹塑、铸造等，模制聚合物基底150。聚合物基底150被模制成用于集成电力电子模块102的封装104的希望形状，例如盖108、外部聚合物壳体隔间144、壳体隔间106的内部壳体隔间146部分、整个壳体隔间106、或希望电磁干扰屏蔽的其它部件。封装104的每个部分可以单独模制，或者部分可以模制在一起。
在方框920中，在聚合物基底150上形成电磁干扰层152，利用一种或多种以下涂覆方法沉积电磁干扰层152，例如气相沉积，包括化学或物理气相沉积；和物理涂覆，其中将电磁干扰材料颗粒分散在粘合剂中，例如喷涂、旋涂或浸涂。颗粒分散体中的颗粒可以通过研磨颗粒而形成，并且粘合剂可以包括例如聚酯。
在方框930中，传导涂层154沉积在电磁干扰层152上。传导涂层154可以通过以下工艺中的一种或多种来沉积：热喷涂、等离子喷涂、电沉积、添加制造(包括3D打印)和气相沉积(例如物理气相沉积或化学沉积)。可选地，在方框940中，可以将集成电力电子模块的封装104的各种部件组装。
本文所述的EMI屏蔽复合材料提供了几个优点。这些优点中的一些包括封装相对更高效率的集成电力电子器件、从集成电力电子器件获得相对更大的功率输出或两者的能力。另一个优点包括通过促进热量的去除和振动的衰减来减少由于高温退磁和振动引起的集成电力电子器件的效率的降低。由于聚合物材料的相对较低的重量和增加的设计灵活性，EMI屏蔽复合材料的另一个优点包括允许聚合物材料在集成电力电子模块中的部署，同时仍然具有金属或金属合金封装的导电特性。
本公开的描述在本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的要旨的变化旨在落入本公开发明的范围内。这样的变化不应被认为是脱离了本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电磁干扰屏蔽复合材料，包括：
聚合物基底，其形成为封装部件的形状；
电磁干扰层，其与所述聚合物基底接触；以及
传导涂层，其与所述电磁干扰层接触。
2.根据权利要求1所述的电磁干扰屏蔽复合材料，其中所述电磁干扰层的厚度在2微米至100微米范围内。
3.根据权利要求2所述的电磁干扰屏蔽复合材料，其中所述电磁干扰层包括尺寸在10纳米至20微米范围内的晶粒。
4.根据权利要求3所述的电磁干扰屏蔽复合材料，其中所述电磁干扰层由以下电磁干扰材料中的一种或多种形成：硅、锌、Fe2O3、FeO、ZnFe2O4、Ni-Zn、Mn-ZnO、Co-ZnO、NiAl-Mn、Co-TiO2、BaTiO3和ZrO3。
5.根据权利要求1所述的电磁干扰屏蔽复合材料，其中所述传导涂层的热导率在10W/m-K至200W/m-K范围内。
6.根据权利要求1所述的电磁干扰屏蔽复合材料，其中所述传导涂层的电阻率在1×10-5Ohm-m至1×10-8Ohm-m范围内。
7.根据权利要求6所述的电磁干扰屏蔽复合材料，其中所述传导涂层包括以下的一种或多种：铜、铝、镍、锌、钴、锰、铝青铜、AlSi、CuO、ZnO和Al2O3。
8.根据权利要求7所述的电磁干扰屏蔽复合材料，其中所述传导涂层包括以下的一种或多种：铜、铝、镍、锌、钴、锰、铝青铜、AlSi、CuO、ZnO和Al2O3。
9.一种集成电力电子模块，包括：
包括电磁干扰屏蔽复合材料的封装，所述电磁干扰屏蔽复合材料包括：
聚合物基底，其形成为封装部件的形状，
电磁干扰层，其与所述聚合物基底接触，以及
传导涂层，其与所述电磁干扰层接触；以及
电子器件，其容纳在所述封装内。
10.形成用于集成电力电子模块的电磁干扰屏蔽复合材料的方法，包括：
将聚合物基底模制成封装部件的形状；
在所述聚合物基底上形成电磁干扰层；以及
在所述电磁干扰层上形成传导涂层。
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