散热片集成式双面冷却的功率模块的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种散热片集成式双面冷却的功率模块，其在例如混合动力车、电动汽车或燃料电池车等环境友好型车辆的逆变器中使用，其中通过采用利用挤压方法制成的散热片的双面直接冷却方法，使冷却效率最佳。具体地，散热片布置在功率模块的上部和下部，直接键合材料（DBMs）沉积在上部散热片与下部散热片之间，其中芯片被插在直接键合材料之间。散热片、芯片和直接键合材料之间的表面通过焊剂彼此粘合，并且芯片和直接键合材料的整个周边通过模塑部进行最后处理。
【专利说明】散热片集成式双面冷却的功率模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及散热片集成式双面冷却的功率模块，更具体涉及一种在诸如混合动力车、电动车或燃料电池车等环保车辆的逆变器中使用的功率模块。
【背景技术】
[0002]永磁型电动机通常被用作电动车、混合动力车或燃料电池车的驱动机构。电动机通常由因控制器的脉宽调制(PWM)信号而将直流(DC)电压变换为三相电压的逆变器传送的相位电流，经由电力电缆来驱动。
[0003]通过接收电池的直流电来供应用于驱动电动机的电力的功率模块，与逆变器组合在一起。功率模块通常具有六个或三个相位被集合成一个封装的形状。作为供应电力的结果，在这样的功率模块中会产生热。因此，为实现功率模块的稳定操作，而使用对功率模块中生成的热量进行冷却的各个单元。例如，在功率模块中通常使用散热片，用于减小在进行转换操作时的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管芯片中所产生的热量。
[0004]图1示出根据相关现有技术的单面直接冷却的功率模块的横截面图。如图1所示，使用箱型单面直接冷却方法来冷却功率模块，且该功率模块被布置在集成炽燃的(blazing)散热片上。在此，附图标记100、110、120以及130分别表示芯片，直接键合材料(DBM)，散热片以及焊剂。
[0005]直接键合铜(DBC)或直接键合铝(DBA)通常被用作DBM。然而，在图1所示的功率模块中，难以制造集成炽燃的散热片，并且需要高昂的制造成本，而且难以管理散热片的平面图(plan view).而且，与双面冷却相比，降低了功率模块的冷却效率。
[0006]图2是示出根据相关现有技术的双面非直接冷却的功率模块的横截面图。如图2所示，利用双面非直接冷却方法来冷却功率模块，将导热硅脂施加到功率模块的两面上，然后将陶瓷贴附在功率模块上，使得功率模块的两面都可以被散热片冷却。在此，附图标记100、120、130、140、150、160以及170分别表示芯片、散热片、焊剂、导热硅脂、陶瓷、散热器以及模塑体(mold)。
[0007]然而，在图2所示的功率模块中，难以将几个功率模块中的每个功率模块的两面布置成彼此平行以便利用散热片冷却功率模块。而且，由于功率模块、陶瓷和散热片是独立的元件，因此难以制造组合这些元件的逆变器，因为将它们装配起来是比较复杂的，因此，难以管理和制造。此外，在图2中用于冷却功率模块的非直接冷却方法，与双面直接冷却相比，冷却效率降低。
[0008]图3是示出根据相关现有技术的双面直接冷却的功率模块的横截面图。如图3所示，利用模塑型(mold type)双面直接冷却方法来冷却功率模块，将绝缘片附着在功率模块的两面上，使得功率模块可以被固定到箱型的散热片上。在此，附图标记100、120、130、160、170和180分别表示芯片、散热片、焊剂、散热器、模塑体以及绝缘片。
[0009]然而，在图3所示的功率模块中，通过将绝缘片附着到功率模块上，而将箱型散热片和功率模块组合在一起。在此情况下，由于绝缘片而降低了冷却效率。此外，在将绝缘片用力地附着到功率模块上时，绝缘片可能会从功率模块上脱离。在此情况下，可能会产生有关绝缘的问题。
【发明内容】
[0010]本发明提供一种散热片集成式双面冷却的功率模块，其中采用利用通过挤压方法制造的散热片的双面直接冷却方法，可以使冷却效率最佳，并且通过制造具有简单结构的逆变器，可以降低逆变器的制造成本。
[0011]本发明还提供一种散热片集成式双面冷却的功率模块，其中可以省略由于散热片的平面图管理相关问题所需要的附加步骤，这是由于其通过采用将几个功率模块连接和组合的功率模块连接器，从而获得了所有功率模块的平面图。
[0012]根据本发明一个方面，提供一种在车辆的逆变器中使用的散热片集成式双面冷却的功率模块，其包括:布置在功率模块的上部和下部的散热片；以及沉积在上部散热片和下部散热片之间的直接键合材料(direct bonding materials),其中芯片插入在直接键合材料之间，其中散热片、芯片以及直接键合材料之间的表面通过焊剂彼此结合，并且芯片和直接键合材料的整个周边通过模塑部进行最后处理。
[0013]散热片可以通过挤压方法制成，并且可以包括冷却水流经的多个孔，该多个孔形成在散热片中。例如，散热片可被形成为矩形箱体，该矩形箱体具有散热片的两个相对横截面沿一个方向彼此连通的结构，在箱体中可以形成有多个阻挡壁，该阻挡壁沿着散热片的两个相对横截面彼此连通的方向彼此平行，并且多个阻挡壁之间的空间由多个孔形成。
[0014]包含模塑部以及上部散热片和下部散热片的几个模块可以由模块连接器彼此连接。在此情况下，模块连接器可以包括连接器本体，该连接器本体与散热片的内部连通，同时容纳相邻散热片的端部；栓销，被卡锁在散热片形成的槽中或者从所述槽中被释放；以及操纵栓销的移动的栓销移动部。
[0015]此外，在模块连接器的连接器本体上沿着接触散热片的连接器本体一部分的圆周可以安装垫圈，以防止冷却水的泄漏。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]通过描述本发明的具体示例性实施方式并参考附图，本发明的上述和其他特征和优势会变得更加显而易见，其中:
[0017]图1示出根据相关现有技术的单面直接冷却的功率模块的横截面图；
[0018]图2示出根据相关现有技术的双面非直接冷却的功率模块的横截面图；
[0019]图3示出根据相关现有技术的双面直接冷却的功率模块的横截面图；
[0020]图4示出根据本发明一个实施例的散热片集成式双面冷却的功率模块的平面图；
[0021]图5示出沿着图4的A-A线的横截面图；
[0022]图6示出沿着图4的B-B线的横截面图；
[0023]图7示出根据本发明实施例的几个散热片集成式双面冷却的功率模块处于彼此连接状态的平面图；
[0024]图8示出沿着图7的C-C线的横截面图；以及
[0025]图9示出沿着图7的D-D线的横截面图。【具体实施方式】
[0026]现参考其中示出本发明示例性实施例的附图更加详细地描述本发明，以使本领域普通技术人员能够容易地理解本发明。
[0027]可以理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包含运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动汽车、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车(例如，从除了石油以外的资源中取得的燃料)。如在本文中所引用的，混合动力车辆是具有两种或多种动力来源的车辆，例如汽油动力车辆和电动动力车辆二者。
[0028]除非明确指出或可从上下文明显看出，否则如本文中使用的术语“约”应被理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，在平均数的两个标准偏差内。“约”可以被理解为在规定值的 10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05% 或 0.01% 内。除非从上下文可以明确知道，否则本文所提供的所有数值都可由术语“约”修正。
[0029]本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。还应该理解的是，在本说明书中使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其组合的存在或增加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。
[0030]图4至图6是根据本发明示例性实施例的散热片集成式双面冷却的功率模块的平面图和横截面图。如图4至图6所示，根据本发明，其改良了将散热片和功率模块集成在一起以及将散热片连接到功率模块上的方法，因此可以实现轻质、低价和可靠性高的功率模块。
[0031]为此，将散热片12a和12b布置在模块18的上部和下部，当芯片10被插在直接键合材料(DBMs) Ila与Ilb之间时，将直接键合材料Ila和Ilb沉积在上、下散热片12a和12b之间，使得芯片10与直接键合材料Ila和Ilb通过焊剂13彼此粘合，并且通过模塑部17使粘合的芯片10与直接键合材料Ila和Ilb的整个周边模塑成形并进行最后处理。
[0032]在此情况下，散热片12a和12b的内侧与直接键合材料Ila和Ilb之间的表面也通过焊剂13彼此粘合。因而，完成其中包括芯片10和直接键合材料Ila和Ilb的模塑部17，和上部、下部散热片12a、12b形成为一体的模块18。在此，芯片10是半导体芯片，包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管，焊剂13将芯片10和直接键合材料Ila和Ilb彼此粘合在一起，同时粘合直接键合材料Ila和lib。
[0033]模塑部17是利用树脂将整个模块18模塑(molding)的部分。芯片10可以由模塑部17密封，以便可以提高模块18的可靠性。具体地,利用挤压方法(extrusion method)来制造散热片12a和12b，在由铝制成的箱体15中形成冷却水可以流经的多个孔14。
[0034]例如，散热片12a和12b可被形成为矩形箱体15，其具有散热片12a和12b的两个相对横截面沿一个方向彼此连通的结构。在箱体15中形成有多个阻挡壁16，其沿着散热片12a和12b的两个相对横截面彼此连通的方向(竖直方向)彼此平行，同时沿水平方向保持有规律的间隔。在此情况下，多个阻挡壁16之间的间隔是可以进行挤压的最小间隔，以使散热性能最佳。因此，在箱体15中形成的阻挡壁16之间的空间可以通过冷却水可以流经的多个孔14而自然地形成。当然，孔14的横截面形状除了是矩形形状以外，还可以是圆形或椭圆形的形状。
[0035]而且，在模块18的散热片12a和12b上、延伸到模塑部17两侧的部分的内部位置形成有凹槽21。在此情况下，当模块连接器19 (后面将描述)的栓销22的突起27被卡锁在凹槽21中时，可利用凹槽21。
[0036]高电压端子28和信号端子28布置在模块18上。在此情况下，高电压端子28是功率模块的高电压端子，并且包括高电压正、负输出端子。此外，信号端子29包括用于驱动功率模块以及温度、电流传感器的门信号。
[0037]图7至图9是示出根据本发明一个示例性实施例的，几个散热片集成式双面冷却的功率模块被彼此连接的状态的平面图和横截面图。如图7至9所示，通过利用模块连接器19，将包含模塑部17和散热片12a和12b的几个模块18连接成一行。
[0038]为此，模块连接器19包括连接器本体20，其具有模块容纳槽25，该模块容纳槽25可以容纳每个模块18的散热片12a和12b的端部，并且可以形成在连接器本体20的两侧；栓销22 ;和栓销移动部23，作为锁定和释放模块18的模块连接器19的连接状态的操作部。
[0039]冷却水可以流经的冷却水路径26形成在连接器本体20中连接两个模块容纳槽25的部分中。在此情况下，当散热片12a和12b接触模块连接器19的两侧时，冷却水路径26与散热片12a和12b内的孔14连通。因此，流经散热片12a和12b中的一个散热片的孔14的冷却水，经由连接器本体20的冷却水路径26被运送到散热片12a和12b中另一个散热片的孔14，并且可以连续地流经散热片12a和12b中的另一个散热片的孔14。
[0040]具体地，可以在连接器本体20上沿着与散热片12a和12b接触的连接器本体20的一部分的圆周安装垫圈24。因此，可以防止冷却水从连接器本体20与散热片12a和12b彼此连接的部分泄漏。每个栓销(latch) 22，以及每个与栓销22的端部集成在一起的、作为操作部的栓销移动部23，被布置成用于连接和释放模块连接器19与模块18的部分。
[0041]根据本发明，总共四对的栓销22和栓销移动部23可布置在模块连接器19的两侦牝即，在模块连接器19的两侧的前、后方向上各一对。栓销22是带状部件，栓销22的一端连接于连接器本体20，栓销22上布置栓销移动部23的另一端是自由端，使得栓销22可以弹性地向后倾斜或复位。
[0042]凸起27形成在栓销22上。在此情况下，凸起27被卡锁在模块18的槽21(即散热片12a和12b内的槽21)中，或者从模块18的槽21中脱离，使得模块连接器19和模块可以彼此连接成一体，模块18也可以与模块连接器19分离。例如，当模块18的散热片12a和12b的端部被插在模块连接器19的模块容纳槽25中时，栓销22的凸起27因与散热片12a和12b的端部相接触而向后倾斜，再次复位并被卡锁在槽21中，使得模块18可被连接到模块连接器19。
[0043]此外，当模块18从模块连接器19分离时，用手指沿竖直方向抓握两个相对的栓销移动部23，对其加压并缩拢(purse)，栓销22弹性地向后倾斜，凸起27从槽21脱离，使得模块18可以容易地从模块连接器19分离。因而，几个模块18由多个模块连接器19连接，以便可以获得流经每个模块和每个模块连接器的冷却水的流动路径。此外，通过利用模块连接器彼此平行排列的模块，被系统地彼此连接，并被保持在相同平面中，以便可以省略现有技术中在功率模块连接在一起时管理所有功率模块的平面图的附加步骤。
[0044]如上所述，根据本发明示例性实施例的散热片集成式双面冷却的功率模块具有以下优势:
[0045]成本降低
[0046]根据本发明，通过利用挤压方法来制造散热片集成式双面冷却的功率模块，可以省略用于直接冷却的管脚鳍片型散热片的制作过程，与相关现有技术相比，制造散热片的成本可被降低50%以上。
[0047]根据本发明，提高了冷却效率，与现有非直接单面冷却相比，半导体芯片的尺寸可以减小至少一半，制造功率模块的成本可以降低20%以上。根据本发明，与双面非直接冷却的功率模块相比，可以省去组合几个功率模块的结构复杂性，从而大大降低制造逆变器的成本。
[0048]性能提高
[0049]根据本发明，与现有单面非直接冷却相比，双面直接冷却可提高冷却效率60%以上，而与双面非直接冷却相比提高20%以上，与现有技术相比，通过提高冷却性能可增加两倍以上的输出。
[0050]话销件提高
[0051]根据本发明，通过减小功率模块的尺寸而减小了整个逆变器的尺寸，因此可以获得车辆封装的灵活性，从而可大大提高发动机室的适销性。
[0052]根据本发明，散热片(冷却模块)与功率模块集成一体，因此不需要用于冷却功率模块的附加压铸冷却通道。因此，可以容易地制造逆变器，并且在装配模塑模块时，可以省略包含涂覆导热硅脂和贴附绝缘片的步骤，因此，可以简化制造逆变器的过程。
[0053]在将几个模塑模块同时贴附到散热片上时，应管理冷却模块的平面图，以便提高冷却效率。根据相关现有技术，需要管理双面模块的平面图的附加步骤。然而，根据本发明，提出将散热片与模塑模块的两面直接结合的方案，因此，可以省去与平面图管理相关问题的附加步骤。
[0054]尽管已经具体示出并参照本发明的示例性实施例对本发明进行描述，然而本领域技术人员应当明白，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对上述示例性实施例进行各种变化和修改，本发明的保护范围由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种在车辆的逆变器中使用的散热片集成式双面冷却的功率模块，其包括: 布置在所述功率模块的上部和下部的散热片；以及 沉积在所述上部散热片和下部散热片之间的直接键合材料，其中芯片插入在所述直接键合材料之间， 其中所述散热片、所述芯片以及所述直接键合材料之间的表面通过焊剂彼此结合，并且所述芯片和所述直接键合材料的整个周边通过模塑部进行最后处理。
2.如权利要求1所述的散热片集成式双面冷却的功率模块,其中所述散热片通过挤压方法制成，并且包括冷却水流经的多个孔，所述多个孔形成在所述散热片中。
3.如权利要求2所述的散热片集成式双面冷却的功率模块，其中所述散热片被形成为矩形箱体，所述矩形箱体具有所述散热片的两个相对横截面沿一个方向彼此连通的结构，在所述箱体中形成有多个阻挡壁，所述阻挡壁沿着所述散热片的两个相对横截面彼此连通的方向彼此平行，并且所述多个阻挡壁之间的空间由所述多个孔形成。
4.如权利要求1所述的散热片集成式双面冷却的功率模块，其中包含模塑部以及所述上部散热片和下部散热片的几个模块由模块连接器彼此连接。
5.如权利要求1或4所述的散热片集成式双面冷却的功率模块，其中所述模块连接器包括连接器本体，所述连接器本体与所述散热片的内部连通，同时容纳相邻散热片的端部；栓销，被卡锁在所述散热片形成的槽中或者从所述槽中被释放；以及操纵所述栓销的移动的栓销移动部。
6.如权利要求1或4所述的散热片集成式双面冷却的功率模块，其中在所述模块连接器的连接器本体上沿着接触所述散热片的所述连接器本体一部分的圆周安装垫圈，以防止冷却水的泄漏。
【文档编号】H05K7/20GK103904911SQ201310122347
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年4月10日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】朱正弘, 张基永, 全禹勇, 申相哲 申请人:现代自动车株式会社