用于电源模块双面冷却的金属块的制作方法

文档序号:15235530发布日期:2018-08-21 20:31阅读:211来源:国知局

本申请要求申请号:14/978,669,于2015年12月22日递交的美国专利申请的优先权,该美国专利申请通过引用的方式并入本文中。

本发明涉及一种用于将高压直流电(dc)转换为高压交流电(ac)的电源模块,例如,但并非限于,混合动力车辆和纯电动车辆中使用的电源模块。



背景技术:

在过去,用于混合动力或电动汽车的电源模块经常在电子器件的单面提供冷却,如电源端的金属氧化物半导体场效应管(mosfet),绝缘栅双极晶体管(igbt)或其它组件。由于这些电源模块在散热器上的放置,所述器件的引线框端子可以接近于所述散热器。此外,过去的电源模块通常与电源模块器件的一个或多个面使用引线接合。引线接合的使用产生了装配时间多和固定器件成本高的问题,以及引起电压过冲的高寄生电感问题。更进一步,由于重复的电力循环,引线接合可以导致故障。

然而,在实践中,由于构成电源模块的各组件的机械容差,双面冷却难以实现。这样的具有双面冷却的模块可以包括两片直接键合铜(dbc)基板,每片基板均由两层铜和一层陶瓷组成,每片基板均具有厚度容差,两层焊料和一功率半导体器件夹在两个dbc基板层之间。电源模块厚度所需求的容差使得提供散热存在困难,特别是,当每个器件均具有它们自己的厚度和平整度容差时,如果试图对两个相邻的器件进行散热,将更加困难。



技术实现要素:

本发明的示例性实施例提供了一种具有良好导热性的热质体,其被添加到电源模块中以提高双面冷却。这些和其他特征提供了一种改善了瞬态热性能及降低了热阻抗(底面冷却)的电源模块。

根据本发明的一个方法方面,一种用于将直流电转换为交流电的电源模块,所述电源模块包括:半导体开关电路器件;主基板,所述开关电路器件实体地且电气地耦接至所述主基板;至少一个副基板,所述半导体开关电路器件实体地且电气地耦接至所述至少一个副基板,使得所述半导体开关电路器件形成于所述主基板和所述至少一个副基板之间,以及盖。所述盖包括暴露出暴露于所述基板底面的开口。所述半导体开关电路器件通过钎焊或烧结连接,耦接至所述基板和所述副基板。热质体,也添加到每个所述至少一个副基板之上。热质体也可以利用导热层附接至对应的每个所述至少一个副基板的上表面。热质体也可以利用多种其他方法附接至所述至少一个副基板的上表面,例如导热粘合剂,钎焊,烧结,或层压箔。

在特别的实施例中,所述盖设置在所述电源模块的上面,包括至少一个盖孔,所述至少盖孔暴露出连接至对相应的副基板的热质体的顶面。所述盖也可以包括多个盖孔,每个盖孔均暴露出附接至应对的副基板的相应的热质体的顶面。

根据本发明的另一方面,所述半导体开关电路器件包括至少一个开关电路,所述至少一个开关电路包括绝缘栅双极晶体管和二极管。所述基板和/或副基板可以包括陶瓷层,所述陶瓷层具有顶面和底面,第一铜层耦接至所述陶瓷层的所述顶面,第二铜层耦接至所述陶瓷层的所述底面。另一种选择,所述基板和/或副基板可以包括铜层,氧化铝层和铝板,所述氧化铝层形成在所述铝基板上,所述铜层涂覆在所述氧化铝层上。热质体因此附接至副基板的第一铜层的上面。

根据本发明的其他方面,所述半导体开关电路器件的每个开关电路实体地且电气地偶接至所述基板和对应的副基板,使得多个开关电路实体地且电气地耦接至基板和对应的副基板。

根据本发明的其他方面,所述盖中的所述至少一个盖孔的形成过程为所述盖的顶面的一部分经受研磨过程以除去所述盖的一部分并露出所述至少一个热块的顶表面,使得每个盖孔均暴露出对应的热质体。

一种用于将直流电转换为交流电的电源模块,包括半导体开关电路器件,基板,至少一个副基板,并可与冷却单元一起使用。所述开关器件可以包括一个或多个金属氧化物半导体(mos)管,绝缘栅双极晶体管,或其它合适的开关器件,包括上模或倒装式绝缘栅双极晶体管。所述冷却单元可以通过压力配合与开关电路器件和基板及副基板实体地耦合,其中所述冷却单元包括第一部分和与所述第一部分隔开的第二部分,其中所述第一部分和所述第二部分适于在之间夹持所述基板,开关电路器件,以及副基板。所述冷却单元的所述第一和第二部分可包括适于允许冷却液流过其中的空腔。所述开关电路器件可包括多个绝缘栅双极晶体管和二极管。所述模块可被构造成不使用单独的紧固件将冷却单元耦合连接到所述基板,开关电路器件和副基板。所述冷却单元的第一部分可以与连接到半导体开关电路器件的开关电路的副基板的顶面接触,接触的位置为与所述半导体开关电路器件内部的所述开关电路对准的位置,所述冷却单元的所述第二部分可与所述基板的与所述第一部分对准的底面接触。

附图说明

通过结合附图查阅下面的说明书,本发明的这些和其它主题,优点和目的,以及本发明的特征将变得清晰。

图1为无模压或铜块的电源模块的剖视图;

图2为具有铜块的图1中的电源模块的剖视图;

图3为无模压的图2中的电源模块的等距视图;

图4为具有铜块和模压的图2中的电源模块的剖视图;

图5为无顶面研磨的图4中的电源模块的等距视图;

图6为图5中的电源模块的等距视图,示出了暴露的背面铜层;

图7为不含铜块的超模压电源模块的经简化的剖视图;

图8为包含铜块的超模压电源模块的经简化的剖视图;

图9为在铣削后露出铜块的图8中的超模压电源模块的简化截面视图;

图10为经顶面研磨露出铜块的图5中的电源模块的等距视图;

图11为包含具有不规则性的高度和平面度的铜块的超模压电源模块的一部分的经简化的剖视图;

图12为在研磨操作后去除不规则性的露出铜块的图11中的超模压电源模块的一部分的简化的剖视图;

图13为用于研磨电源模块盖以露出热块以及为电源模块的双面冷却去除高度/平面度的不规则性的计算机实现方法的步骤流程图;以及

图14为半导体开关电路器件的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图对本发明进行描述,其中,以下书面描述中编号的部件对应于附图中的相同编号的部件。

如本文所详细讨论的,热质体(也称为热块),其具有良好的导电性的(例如,镀覆或未镀覆的铜),在电源模块中所述热质体连接于顶层dbc基板层的顶面,提高了瞬态热性能并降低了热阻抗(底面冷却)。此外,又如本文所讨论的,如果使用后模研磨或铣削操作,可以实现一致的模块厚度和平整度,有利于高效的双面冷却。

本发明的示例性实施例提供了改良这些度量,而不影响通过电源模块底部的冷却路径的方法(底面冷却)。如本文所述,可通过与最上层dbc基板的背面铜板的导热连接来添加热质体。又如本文中所讨论的,示例性的热质体需具有良好的热容量和高热传导性。铜是合适材料的实例,然而,也可以使用其它物质。

根据本发明的一个实施例的电源模块100的一部分,如图1所示。示例性的电源模块100可用于开关电路120,该开关电路120可用于各种不同应用中。这样的应用可以包括在纯电动车辆或混合电动车辆中,将直流(dc)电流转换交流(ac)电流。来自电源模块100的交流电输出可用于为车辆内部的交流电机供电,或可用于向车辆的其它部件供电,以及用于非车辆的应用中。在名称为“用于将直流电转换为交流电的电源模块”,发明人为詹姆斯·d·汤姆金斯(jamesd.tomkins),申请号为13/880,553,申请日为2011年10月19日的美国专利申请中,详细讨论了示例性的电源模块,该文献在此通过引用的方式被并入本申请之中。

在各种实施例中,电源模块100可包括多个开关电路120,在一实施例中,电源模块100可以包括四个开关电路120。其他实施例也可以包括其他数量的开关电路120。在一实施例中,如图1所示,示例性的开关电路120包括一个或多个开关模块125,其也可以称为功率硅部件125。在如图14所示的一实施例中,功率硅部件125为绝缘栅双极晶体管(igbts)和二极管127。每个开关电路120或开关模块125都可以是公司出售的市场上可买到的开关电路,比如位于加利福尼亚的elsegundo国际整流器公司。

图1还示出了组装在“热堆”中的示例性电源模块100的分层结构。如图1所示,所述电源模块100包括主基板110,开关电路120,副基板130以及多种焊料连接件10。

瞬态热阻抗(zth)和稳态热阻抗(rth)是电源模块设计时的关键度量。主基板110包括外铜层112,中央陶瓷层114和不连续的内铜层116,其中主基板110包括直接键合铜(dbc)基板。相应的,副基板130包括外铜层136,中央陶瓷层134,以及内铜层132,如此副基板130还包括dbc基板。如图1所示,基板110和130之间设置有功率硅部件125,例如绝缘栅双极晶体管或二极管,在所述基板110和130与电源硅部件125之间形成有多种焊料连接件10。

在一个实施例中,焊料连接件10可以被烧结连接件替代。烧结连接件的使用,例如银基烧结,相对于钎焊连接件10,提供更高的熔体温度。所以,相对于开关器件120的工作温度,烧结提供较大的delta差值,转而在运行时,可以提高电源模块100循环的循环温度的可靠性。此外,通过烧结工艺烧形成结连接件10,所述烧结工艺采用温度和压力来提高开关器件120的平整度。

图2示出了电源模块100,根据本发明的特征,其具有增加的热质体或块210。如图2所示,所述热质体或块210可以通过导热层215连接于第二dbc基板130的外铜层136。导热层215可包括导热粘合剂,焊料,烧结和叠层箔。用于热质体/块210的材料和用在附接过程中的导热层215的材料将决定是否需要镀覆dec基板铜层136和/或块210的配合面。例如,如果使用银环氧树脂作为热粘合剂,则会需要镀银的dbc基板铜层136和铜块210。重要的是使导热层215的厚度最小化以改善dbc基板铜层136和铜块210之间的热阻抗。可以改变尺寸和厚度以满足应用需求和预算。

在一个实施例中,如图3所示,电源模块100包括夹在基板110和四个对应的副基板130之间的四个开关电路120。图3还示出了每个副基板130也与相应的铜质/块210配对。虽然可以将单个铜质210置于上述四个开关电路120上方进行热冷却,钎焊连接件10和功率硅部件125本身的不规则性可以导致一个或多个dbc基板铜层136与单个热质体/块210的接触不充分。替代地,通过使用单个热质体/块210,每个热质体/块210只需处理单个dbc基板(其各自的高度和平面度不规则),从而改善与其它热堆的部件中的变化相关的问题。该电源模块还包括引线框端子150和152。引线框可以通过多种方式连接到主基板110,比如激光钎焊,超声波钎焊,烧结等。所述引线框包括与电池端子和电源模块的电路元件相关联的电源引线。

图4和图5示出了图2和3中所示的电源模块100的实施例,其中添加了包覆或覆盖块210的一面或部分的超模压塑料盖410。在一个实施例中,所述模压塑料盖410被尽可能薄地制造。图4和5中所示的电源模块100可用于单面冷却操作。如图6所示,电源模块100的下面不会被所述模压塑料盖410包覆。图6所示的超模压电源模块100可通过基板110的暴露的外铜层112放置于散热器上。这些散热器的使用被詹姆斯·d·汤姆金斯在之前并入本文中的名称为“用于将直流电转换为交流电的电源模块”的美国专利申请中作了详细的讨论。

图7和8示出了超模压电源模块的经简化的剖面图。在图7中,所述电源模块不包含热质体/块210,且因此包含置于次级dbc基板130上的较厚的塑料层。当只需单面冷却即可的情况下,可使用这样的实施例。由于不需要双面冷却,故可以省略额外的热质体/块210。然而,类似于图4所示的实施例,热质体/块210可附接至所述次级dbc基板130的外铜层136,如图8所示。如图4和图8所示,可以选择所述热质体/块210的厚度,使得热质体/块210上方的盖410的厚度将相对较薄。在一个实施例中,电源模块100上方的盖410的高度将与图7所示的高度相同,使得任一实施例(具有和没有热质体/块210)将具有相同的封装高度。在一个实施例中,通过将所述热质体量/块210上方的塑料盖410模压成尽可能的薄,所述热质体/块210可以尽可能的厚(同时仍然提供电源模块100以均匀的厚度)。

如图9和10所示,当需要电源模块100的双面冷却时,模压塑料盖410的顶面412可进行研磨或铣削操作,以将模压塑料盖410在热质体/块210之上的部分移除,以暴露于热质体/块210,使得在此讨论的散热器可以与暴露的热质体/块210相耦合,用于电源模块100的双面冷却。

如图11所示,当需要双面冷却时,其中的一个问题必须包含在内,即将散热器附接至电源模块100的顶部和底部的能力,在所述双面冷却的情况下,导致机械结构与所述电源模块100两面的部件均接触。为了最优的冷却效率,必须非常严格的控制钎焊和装配参数以实现所需的模块厚度和平面度要求。这样的模块厚度和平面度要求可能非常难以被一致地实现。如图11所示,在所述图形的右面的两个热质体/块210具有不规则的高度和/或平面度。为了清楚起见地说明,示出的结构被简化且不是按比例绘制的。当仅需要单面冷却时,不会看到这样的不规则性(模压塑料盖410是完整的),当为了双面冷却时所述热质体/块210的顶面暴露,所述不规则也将被暴露。

在一个实施例中,当在研磨或铣削操作中进行双面冷却,为了确保能够满足厚度和平面度的要求,所述模压塑料盖410的一部分可在所述研磨/铣削操作期间被移除,以及铣削/研磨所述热质体/块210的一部分,从而去除不规则物,从而使暴露的表面相对于彼此基本上是平整的。例如,如图11中所示,如果热质体/块210a附接至第二dbc基板130的外铜层136的一端比另一端具有较厚的焊料接头,热质体/块210a将会倾斜。如图11所示,如果热质体/块210b连接到第二dbc基板的热堆,则开关电路和dbc基板之间具有不规则高度,当与其它热质体/块210相比时,所述热质体/块210b将具有不规则的高度。如图中所示12,在研磨/铣削操作期间,所述研磨/铣削操作可用于将模压塑料盖的所述在热质体/块210上方的部分移除,所述研磨/铣削操作也可用于去除高度和平面度的不规则性。

如图9和12所示,即使在电源模块100中存在厚度和平面度的不规则性,所述研磨/铣削操作可用于去除厚度和平面度的不规则性,从而可以实现期望的电源模块高度和平面度(相对于非期望的电源模块100)。如图12所示,在研磨/铣削操作后,可以实现所需的高度和平面度。如上所述,为了清楚起见,结构被简化并且不按比例绘制。

图13示出了电源模块100的研磨/铣削过程的示例性流程图,如图4和8所示(其包含热质体/块210),用于双面冷却。如本文所讨论的,如图11和12所示,示例性的研磨/铣削操作/处理可以用于去除电源模块100的热质体/块210的任何高度/平面度的不规则性。

在图13的步骤1302中,当电源模块100使用双面冷却时,研磨/铣削操作/处理用于从电源模块100的盖410的上部移除选定厚度的模压塑料,在一个实施例中,待移除的所述选定厚度的模压塑料可由在所述热质体/块210上方的模压塑料的平均厚度来限定。

在图13的步骤1304中,当初始研磨/铣削完成时,确定所述电源模块100暴露的热质体/块210上是否存在任何高度和/或平面度的不规则性。在一个实施例中,初始研磨/铣削将移除在热质体/块210上方的盖410的模压塑料层。当在电源模块100暴露的热质体/块210上没有检测到高度或平面度的不规则时,该过程继续进行图13的步骤1306,研磨/铣削过程完成。

当在电源模块100暴露的热质体/块210上检测到高度和/或平面度的不规则时,该过程在图13的步骤1308中继续进行。在图13所示的步骤1308中,第二研磨/铣削操作/处理被执行,以除去一个或多个热质体/块210的一部分,以去除所述电源模块100暴露的热质体/块210上的任何检测到的不规则。在一个实施例中,附加的研磨/研磨的量由检测到的高度和/或平面度的不规则来限定。在附加的研磨/铣削操作/处理完成之后,该过程继续返回到图13的步骤1304,以确定在所述电源模块100暴露的热质体/块210上是否仍存在高度/平面度的不规则。在一个实施例中,步骤1308和1304可重复多次。

在不脱离本发明原理的情况下,可以对实施例的具体描述做出变化和修改。本发明的原理仅由所附权利要求书的范围进行限定,根据包括等同物的原则的专利法的原则进行解释。

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