[发明专利]热传递结构、电力电子模块及其制造方法以及冷却元件

说明书

本申请涉及热传递结构、电力电子模块及其制造方法以及冷却元件。在电力电子模块中利用热传递结构。热传递结构包括金属体和碳基插入件。

技术领域

本发明涉及热传递结构、电力电子模块、冷却元件以及制造热传递结构和电力电子部件的方法。

背景技术

诸如单个电力电子部件或电力电子模块的电力电子部件通常在用于切换高电流和在高电压进行操作的高功率设备中使用。关于单个电力电子部件，指的是例如高功率晶闸管和二极管。电力电子模块包含位于同一部件壳体中并且通常内部地彼此连接以提供某种电路结构的多个切换部件。

电力电子模块被用于例如制造某种电力转换电路，诸如逆变器和变换器。电力电子模块的示例包含在模块内串联连接的两个IGBT(绝缘栅双极晶体管)。其他示例可以包括容易在模块内电连接的桥拓扑或者桥拓扑的部分。

电力电子模块或单个电力电子部件还可以包括通常由铜制成的基板。基板的目的是将由半导体生成的热传导至冷却设备，例如散热器。基板的表面通常是散热器可以附接至的大体平坦的表面。考虑到由模块中的半导体部件所生成的热量，对散热器进一步确定尺寸。

图1示出了附接至散热器2的电力电子模块1的截面的示例。示例的电力电子模块包括焊接至衬底例如直接铜键合(direct copper bonding，DCB)结构的两个半导体芯片11、12。示例的DCB结构具有两个铜板3和铜板3之间的陶瓷层4。DCB结构与模块的铜基板7的顶部上的焊料层5焊接。模块还包括用DCB结构和芯片周围的点划线示出的壳体6。

图1的示例的模块被附接至散热器，使得热界面材料8被放置在模块的基板与散热器的基板之间。热界面材料的目的是将来自模块基板的热尽可能有效地传递至散热器。要注意的是，提供图1仅为了示出附接至散热器的电力电子模块的结构的示例。很显然的是存在其他种类的结构。

电力电子模块的内部电子封装密度随着先进的构造材料和制造方法而逐渐地增加。这导致了更有挑战性的模块外部冷却解决方案，因为设备能够在散热器表面产生很高的超过35W/cm²的热点。

考虑到冷却，当模块以其最大电流和电压水平，即以最大功率工作时，情况最为严苛。在该条件下，对于模块基板的高热点，传统的铝散热器的基板扩散热阻太高。也就是说，传统的铝散热器不能足够快地扩散从模块的基板传递的热。这导致了较高的散热器至基板温度和相应地芯片至接合点温度两者。尽管由于新型的芯片材料，新型的部件可以允许比以前更高的接合点温度，但是部件可能不会被充分地利用，除非电力电子模块的外部冷却不在适当的水平。

常见电力电子模块外部冷却解决方案包括例如铝散热器。这些常规的解决方案对于通常的电力电子模块的基板热损耗密度而言是很充足的。

具有较高的基板热损耗密度(例如超过35W/cm²)的更严苛的应用需要明显更有效地从基板的热传递。通常地，例如通过使用较大的冷却风扇增大冷却空气流动速率、以不同的方式修改铝散热器等来增大热传递。修改可以包括将铜热扩散板添加至基板，或者使用铜翅片来代替散热器铝冷却翅片。可以通过用热管散热器或热虹吸冷却设备代替铝散热器来获得更有效的冷却布置。

对于这些更高效的散热器和冷却设计的共同挑战是它们的成本与常规的铝散热器的成本相比相当高。成本的增加来源于如下若干问题：更费力的制造、更复杂的制造以及更高价格的材料。因此管理电力电子模块内的集中热损耗密度将是有益的，并且该方式使得能够使用相对低成本的散热器解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供热传递结构、电力电子模块、冷却元件以及产生热传递结构和电力电子模块的方法以解决上述问题。通过以实施方式中所述的内容为特征的热传递结构、电力电子模块、冷却元件和方法来实现本发明的目的。在实施方式中公开了本发明的优选实施方式。