[发明专利]一种基于相变材料的功率模块及其制作方法

说明书

本发明涉及一种基于相变材料的功率模块及其制作方法，属于功率模块技术领域，包含基板(1)，陶瓷覆铜板(2)，相变模块和功率端子(7)；基板(1)上表面呈长方形，多块陶瓷覆铜板(2)分别设置在基板(1)上，陶瓷覆铜板(2)之间通过铜排连接；相变模块设置在陶瓷覆铜板(2)上，多块功率端子(7)设置在功率端子安装端上；相变模块包含传热增强框架(3)和密封盖(4)，传热增强框架(3)里面填充有相变材料；密封盖(4)的外表面还焊接有功率半导体芯片(5)。本发明提供一种结温短时可控的功率模块，可对功率模块的暂态温升作出响应，并适用于电网故障期间主动提供短路电流支撑电网电压的场合及电磁弹射、超级电容充电等冲击功率场合。

技术领域

本发明属于功率模块技术领域，涉及一种基于相变材料的功率模块及其制作方法。

背景技术

随着可再生能源的快速发展，功率变流器在电力系统中所占的比例越来越大，电力系统的安全稳定越来越受到功率变流器的可靠性影响。在分布式电源渗透率高的电力系统中，当电力系统发生故障，功率变流器主动向大电网注入无功功率支撑电压，变流器电流几倍甚至十几倍于额定值，模块损耗和结温将急剧上升，如不能有效控制结温，极可能造成模块热失效，严重威胁系统安全。此外，在变流器自身发生短路故障时，芯片结温也将急速上升。因此，研究一种在冲击负荷条件下芯片结温短时可控的功率模块，对分布式电源渗透率高的电力系统的安全可靠运行具有重要的意义，而芯片结温短时可控的实现有赖于在功率模块内部集成一种主动的热管理单元。

作为一种新兴的温控技术，相变温控利用相变材料，在某一特定温度下，从低熵聚集态转变到高熵聚集态物质时需吸收大量热量而转变过程中温度基本保持不变的性质，进而调整、控制温控对象周围环境温度。待温控对象停机期间相变材料再将吸收的热量释放到环境中，为下一次工作周期做好准备。对于冲击负荷，其输出功率具有短时性、间隙性特点，因而相变温控尤其适合所述冲击负荷的应用场合。目前相变控温技术已在航空、航天、电子等领域得到了广泛应用。

按照相变类型划分，相变材料可分为气—液相变材料、气—固相变材料、固—液相变材料和固—固相变材料四种类型。其中，气—液相变材料和气—固相变材料相变过程中伴随有气体变化，会引起相变材料体积和容器内压强的剧烈变化，因此虽然这两类材料相变过程的相变潜热很大，但在实际中却很少应用。固—固相变材料的体积变化最小，但由于其相变潜热是四种相变材料类型中最小的，所以在实际中亦很少应用。固—液相变材料的相变潜热适中，体积变化不大，是实际应用最广泛的相变材料类型。

对于相变材料的选择一般原则需要从以下几个方面考虑：相变温度和使用目标相匹配、相变潜热大、廉价易得、化学稳定性好、与存储容器的相容性好、热稳定性好、具有良好的传热及流动性能等。另外相变材料还应具有无毒、无味、相变体积变化小、无过冷或过冷度小、无相分凝现象、不易燃烧等性质。按照化学成分组成，常见的固—液相变材料分为有机类相变材料、无机类相变材料和复合类相变材料。

有机类相变材料主要包括石蜡类、脂肪酸类、多元醇类等有机物。以石蜡类和脂肪酸类为代表的材料温度适应性好、密度低、单位体积相变熵值较高、物理化学性能稳定、对容器无腐蚀性，没有过冷以及析出导致的分层现象，腐蚀性也较小。但在实际应用中，有机类相变材料也存在导热率低和密度小等问题。导热率低，主要通过加入高热导率材料或采用导热增强结构弥补，这增大了这类复合相变材料的制备难度。此外，有机类相变材料还存在其他不足，如相变过程中体积变化大、易挥发、易燃烧、易氧化等，这些都限制了有机类相变材料的应用。