CN110660762A - 热传递结构、电力电子模块及其制造方法以及冷却元件 - Google Patents

热传递结构、电力电子模块及其制造方法以及冷却元件 Download PDF

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Abstract

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***件。

Description

热传递结构、电力电子模块及其制造方法以及冷却元件
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。
本发明是基于产生传热递结构的构思，该热传递结构用于电力电子模块和冷却元件中。热传递结构由金属体形成并具有碳基***件。根据实施方式，碳基***件由碳基板或带形成，并且优选石墨板或石墨烯板。根据实施方式，碳基***件具有各向异性的导热性。
热传递结构优选地被形成为使得碳基***件部分地位于金属体的表面。也就是说，碳基板的边缘位于金属体的表面。根据另一实施方式，碳基***件完全在金属体内。
本发明的热传递结构产生良好的热特性。使用金属体传递热并且通过碳基***件增强了热传递。碳基***件在金属体内高效地扩散热。当在功率半导体模块中使用时，热传递结构的热特性使得能够使用模块的功率半导体开关的全电势。
附图说明
在下文中，将参照附图借助优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中，
图1(现有技术)示出了现有技术的附接至散热器的电力电子模块；
图2示出了本发明的实施方式的截面图；
图3示出了实施方式的流程图；
图4示出了根据实施方式的电力电子模块；以及
图5示出了本发明的实施方式的立体图。
具体实施方式
图2示出了本公开内容的电力电子模块的实施方式的截面图。图2的上部图示出了从模块的侧面看的截面图，并且图2的下部图示出了展示电力电子模块的基板的内部结构的截面图。
根据本发明内容，电力电子模块包括至少一个电力电子部件。在图2的示例中，示出了两个电力电子部件11、12。此外，该电力电子模块包括基板21，该基板用于将由至少一个电力电子部件生成的热传递至冷却设备。本公开内容的基板是包括具有第一表面和第二表面的金属体的热传递结构。第一表面和第二表面是相对的表面，以及第一表面和第二表面中之一适于接纳发热部件。在本公开内容中，热传递结构的金属体包括碳基***件。在图2的示例中，热传递结构是电力电子部件的基板。
根据本公开内容，基板是具有碳基***件的金属结构。电力电子模块的基板是固定到模块的衬底3、4的结构并且因此是模块的一部分。电力电子模块的一个外表面由基板的表面形成，并且在安装电气设备期间，诸如散热器的冷却设备附接至基板的表面。
根据本发明的实施方式，碳基***件具有各向异性的导热性。关于各向异性的导热性，其指的是在一个方向上比在另一方向上更高效地传递热的结构。此外，根据实施方式，基板的芯结构的导热性在由基板的长度方向和高度方向限定的平面中最高。长度方向被定义为热传递结构的最长尺寸的方向L并且高度方向H被定义为热传递结构的表面的法线方向。因此，当导热性在由基板的长度方向和高度方向限定的平面中最高时，热在基板的长度方向和高度方向上被高效地传递。这还意味着热不会在与所述平面相反的方向上，即在基板的宽度方向上，被高效地传递。
根据实施方式，碳基***件包括碳基材料板51，该碳基材料板51被至少部分地布置在热传递结构的金属体内。热传递结构的金属体优选为铜结构。根据实施方式，碳基材料板51具有长度、宽度和高度。碳基材料板的长度是最大尺寸，并且高度是碳基材料板的最小尺寸。碳基材料板还被平行布置在金属体内，使得碳基材料板的长度方向对应于金属体的长度方向，并且碳基材料板的宽度方向对应于金属体的高度方向。关于该实施方式，热传递结构的热导性在金属体的长度方向上和金属体的高度方向上最高，因为碳基材料板在这些方向上具有最长的尺寸。在图2中，碳基材料板被显示为完全被金属体包围。然而，碳基材料板或带可以被定位成使得碳基材料板的一个边缘在金属体的表面。也就是说，碳基材料板具有一个边缘，该边缘形成热传递结构的一个表面的一部分。在图2中，碳基材料板51被显示在金属体内。因此，另一选择将是碳基材料板与连接至DCB结构3、4的表面连接或者与如散热器之类的冷却结构连接。当然，可以在电力电子模块与散热器之间采用热界面材料层，并且因此碳基材料板的边缘可以与热界面材料层接触。
当使用电力电子模块的半导体部件时，部件或芯片11、12中的损耗生成热。热通过DCB结构3、4传递至基板。本公开内容的具有碳基***件的基板在基板内有效地扩散热，并且因此防止在基板中在半导体芯片的覆盖区域(footprint area)形成热点。关于芯片的覆盖区域，其指的是直接位于芯片下方的表面区域。
图4示出了碳基材料板51位于基板内的另一实施方式。碳基材料板优选是石墨或石墨烯，并且可以是合成的石墨或石墨烯或天然的石墨或石墨烯。此外，板可以是热解石墨烯或石墨的。图4示出了电力电子模块的截面并且因此示出了碳基材料板的高度和宽度尺寸。板或带彼此平行布置并且它们在电力电子模块的长度方向上延伸。如图4所示，热传递结构的金属结构内的板51彼此相距一定距离。此外，碳基材料板还在热传递结构内均匀地间隔开。模块的对应部分用与图1有关的相同的数字进行编号。如上所述，图2和图4示出了将本公开内容的热传递结构用于电力电子模块的实施方式。
图5示出了电力电子模块的简化立体图，该电力电子模块具有在衬底例如直接铜键合结构61上的六个电力电子半导体部件62。DCB结构61附接至具有碳基***件64的基板63。碳基***件64被以简化方式显示为块。然而，清楚的是，芯结构例如由碳基材料板形成，所述碳基材料板在电力电子模块的长度方向L上平行地延伸。
本公开内容的热传递结构还可以用作包括热接收体的冷却元件。热接收体是具有第一表面和第二表面的金属体，其中第一表面和第二表面是相反表面。此外，在本公开内容的冷却元件中，第一表面和第二表面中之一适于接纳发热部件，并且金属体包括碳基***件。本公开内容的冷却元件的结构对应于上面详细描述的基板的结构。冷却元件可以是散热器，该散热器具有用于将热传递到周围空气的冷却翅片或其中使诸如水的液体循环以用于移除热的液体冷却元件。
热传递结构还可以被构造为电力电子模块的冷却元件和基板的组合。在这样的结构中，如上面详细描述的，将热传递元件用作电力电子模块的基板。此外，金属体的另一表面可以配备有冷却翅片或用于流体(流体可以是气体或液体)循环的开口以用于从基板移除热。在这样的结构中，利用单一结构——即在没有附接至基板的单独的冷却元件的情况下——获得有高效热性能。
碳基材料板可以是分开的板或带，它们平行地布置在金属基板优选铜基板内。碳基材料板也可以被提供为具有彼此附接的两个或多个板的较大实体。例如，所有碳基材料板可以在板的一端彼此附接。板也可以从板的中心或在板的任何其他位置彼此附接。
基板的底表面适于以导热方式接纳冷却设备，使得来自半导体部件或芯片的热通过基板被引导至冷却设备，例如散热器。由于热在基板中被有效地扩散，冷却设备不必像在具有已知基板的情况下那样有效。尽管上述基板和散热器的组合是可能的，但是也可以使用单独的冷却设备。
根据实施方式，至少一个电力电子部件是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。IGBT部件广泛用于电力电子应用。
在制造电力电子模块的方法中并且如图3的流程图所示，为作为衬底结构的直接铜键合结构提供32至少一个半导体芯片。此外，为具有金属体的基板提供33碳基***件。此外，例如通过焊接将衬底结构附接34到基板的表面。利用本发明的方法，获得了具有上述优点和特性的电力电子模块。
根据本发明的实施方式，金属体是铜体。此外，根据其他实施方式，碳基***件由碳基材料板形成，所述碳基材料板被平行布置并且与另一碳基材料板相距一定距离。
在上文中，结合电力电子模块描述了本发明。如所理解的，本公开内容的电力电子模块包括被构造为本公开内容的热传递结构的基板。此外，本公开内容的冷却元件包括如结合电力电子模块描述的对应热传递结构。
对本领域的技术人员而言明显的是，随着技术进步，可以以各种方式实现本发明构思。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求书的范围内变化。
本公开内容还包括以下方案：
1.一种热传递结构，其中，所述结构包括：
金属体，其具有第一表面和第二表面，其中，所述第一表面和所述第二表面是相反表面，所述第一表面和所述第二表面中之一适于接纳发热部件，并且其中
所述金属体包括碳基***件。
2.根据方案1所述的热传递结构，其中，所述碳基***件具有各向异性的导热性。
3.根据方案2所述的热传递结构，其中，所述碳基***件的所述导热性在由所述金属体的长度方向和高度方向限定的平面中最高，所述长度方向被定义为所述金属体的最长尺寸的方向并且所述高度方向被定义为所述金属体的所述第一表面的法线方向。
4.根据方案3所述的热传递结构，其中，所述热传递结构的所述金属体是铜结构并且所述碳基***件包括布置在所述铜结构内的碳基材料板。
5.根据方案4所述的热传递结构，其中，所述碳基材料板具有长度、宽度和高度，所述长度是所述板的最大尺寸并且所述高度是所述板的最小尺寸，其中，所述碳基材料板被平行布置在所述金属体内，使得碳基材料板的长度方向对应于所述金属体的长度方向，并且碳基材料板的宽度方向对应于所述金属体的高度方向。
6.根据方案4所述的热传递结构，其中，所述碳基材料板是石墨或石墨烯的。
7.根据方案6所述的热传递结构，其中，所述石墨或石墨烯是合成的石墨或石墨烯。
8.根据方案7所述的热传递结构，其中，平行布置的碳基材料板彼此相距一定距离并且从所述板的一端彼此连接。
9.一种电力电子模块，包括：
至少一个电力电子部件，其中，所述电力电子模块包括基板，所述基板用于将由所述至少一个电力电子部件生成的热传递到冷却设备，所述基板是具有第一表面和第二表面的金属体，其中
所述第一表面和所述第二表面是相反表面，
所述第一表面和所述第二表面中之一适于接纳所述至少一个电力电子部件，并且其中
所述金属体包括碳基***件。
10.根据方案9所述的电力电子模块，其中，所述碳基***件具有各向异性的导热性。
11.根据方案10所述的电力电子模块，其中，所述碳基***件的导热性在由所述基板的长度方向和高度方向限定的平面中最高，所述长度方向被定义为所述基板的最长尺寸的方向并且所述高度方向被定义为所述基板的表面的法线方向。
12.根据方案11所述的电力电子模块，其中，所述基板的所述金属体是铜结构并且所述碳基***件包括布置在所述铜结构内的碳基材料板。
13.根据方案12所述的电力电子模块，其中，所述碳基材料板具有长度、宽度和高度，所述长度是所述板的最大尺寸并且所述高度是所述板的最小尺寸，其中，所述碳基材料板被平行布置在所述基板的所述金属体内，使得碳基材料板的长度方向对应于所述金属体的长度方向并且碳基材料板的宽度方向对应于所述金属体的高度方向。
14.根据方案12所述的电力电子模块，其中，所述碳基材料板是石墨或石墨烯的。
15.根据方案14所述的电力电子模块，其中，所述石墨或石墨烯是合成的石墨或石墨烯。
16.根据方案9所述的电力电子模块，其中，所述电力电子模块包括衬底，所述至少一个电力电子部件附接至所述衬底。
17.根据方案16所述的电力电子模块，其中，所述衬底是直接键合铜结构。
18.根据方案17所述的电力电子模块，其中，所述至少一个电力电子部件是绝缘栅双极晶体管。
19.根据方案13所述的电力电子模块，其中，平行布置的碳基材料板彼此相距一定距离并且从所述板的一端彼此连接。
20.一种冷却元件，包括：
热接收体，其中，所述热接收体是具有第一表面和第二表面的金属体，其中，
所述第一表面和所述第二表面是相反表面，所述第一表面和所述第二表面中之一适于接纳发热部件，并且
所述金属体包括碳基***件。
21.根据方案20所述的冷却元件，其中，所述碳基***件具有各向异性的导热性。
22.根据方案21所述的冷却元件，其中，所述碳基***件的导热性在由所述金属体的长度方向和高度方向限定的平面中最高，所述长度方向被定义为所述金属体的最长尺寸的方向并且所述高度方向被定义为所述金属体的表面的法线方向。
23.根据方案22所述的冷却元件，其中，所述冷却元件的所述金属体是铜结构并且所述碳基***件包括布置在所述铜结构内的碳基材料板。
24.根据方案23所述的冷却元件，其中，所述碳基材料板具有长度、宽度和高度，所述长度是所述板的最大尺寸并且所述高度是所述板的最小尺寸，其中，所述碳基材料板被平行布置在所述冷却元件的所述金属体内，使得碳基材料板的长度方向对应于所述金属体的长度方向并且碳基材料板的宽度方向对应于所述金属体的高度方向。
25.根据方案20所述的冷却元件，其中，所述第一表面和所述第二表面中的另一个包括冷却翅片和/或用于流体循环的开口。
26.一种制造热传递结构的方法，所述方法包括：
提供具有第一表面和第二表面的金属体，所述第一表面和所述第二表面是相反表面，并且所述第一表面和所述第二表面中之一适于接纳发热部件，以及
在所述金属体中提供碳基***件。
27.一种制造电力电子模块的方法，所述方法包括：
为衬底结构提供至少一个半导体芯片，
为具有金属体的基板提供碳基***件，以及
将所述衬底结构附接至所述基板。
28.根据方案26所述的制造电力电子模块的方法，其中，所述金属基板是铜结构。
29.根据方案27所述的制造电力电子模块的方法，其中，所述碳基芯结构由碳基材料板形成，所述碳基材料板被平行布置并且与另一碳基材料板相距一定距离。
30.根据方案5所述的热传递结构，其中，所述碳基材料板是石墨或石墨烯的。
31.根据方案30所述的热传递结构，其中，所述石墨或石墨烯是合成的石墨或石墨烯。
32.根据方案31所述的热传递结构，其中，平行布置的碳基材料板彼此相距一定距离并且从所述板的一端彼此连接。
33.根据方案13所述的电力电子模块，其中，所述碳基材料板是石墨或石墨烯的。
34.根据方案33所述的电力电子模块，其中，所述石墨或石墨烯是合成的石墨或石墨烯。
35.根据方案24所述的冷却元件，其中，所述第一表面和所述第二表面中的另一个包括冷却翅片和/或用于流体循环的开口。

Claims (19)

1.一种热传递结构，其中，所述结构包括具有第一表面和第二表面的金属体，其中
所述第一表面和所述第二表面是相反表面，
所述第一表面和所述第二表面中之一适于接纳发热部件，并且其中
所述金属体包括碳基***件。
2.根据权利要求1所述的热传递结构，其中，所述碳基***件具有各向异性的导热性。
3.根据权利要求2所述的热传递结构，其中，所述碳基***件的导热性在由所述金属体的长度方向和高度方向限定的平面中最高，所述长度方向被定义为所述金属体的最长尺寸的方向并且所述高度方向被定义为所述金属体的所述第一表面的法线方向。
4.根据权利要求3所述的热传递结构，其中，所述热传递结构的所述金属体是铜结构并且所述碳基***件包括布置在所述铜结构内的碳基材料板。
5.根据权利要求4所述的热传递结构，其中，所述碳基材料板具有长度、宽度和高度，所述长度是所述板的最大尺寸并且所述高度是所述板的最小尺寸，其中，所述碳基材料板被平行布置在所述金属体内，使得碳基材料板的长度方向对应于所述金属体的长度方向，并且碳基材料板的宽度方向对应于所述金属体的高度方向。
6.根据权利要求4或5所述的热传递结构，其中，所述碳基材料板是石墨或石墨烯的。
7.根据权利要求6所述的热传递结构，其中，平行布置的碳基材料板彼此相距一定距离并且从所述板的一端彼此连接。
8.一种电力电子模块，包括至少一个电力电子部件，其中，所述电力电子模块包括基板，所述基板用于将由所述至少一个电力电子部件生成的热传递到冷却设备，所述基板是具有第一表面和第二表面的金属体，其中
所述第一表面和所述第二表面是相反表面，
所述第一表面和所述第二表面中之一适于接纳所述至少一个电力电子部件，并且其中
所述金属体包括碳基***件。
9.根据权利要求8所述的电力电子模块，其中，所述碳基***件具有各向异性的导热性。
10.根据权利要求9所述的电力电子模块，其中，所述碳基***件的导热性在由所述基板的长度方向和高度方向限定的平面中最高，所述长度方向被定义为所述基板的最长尺寸的方向并且所述高度方向被定义为所述基板的表面的法线方向。
11.根据权利要求8所述的电力电子模块，其中，所述基板的所述金属体是铜结构并且所述碳基***件包括布置在所述铜结构内的碳基材料板。
12.根据权利要求11所述的电力电子模块，其中，所述碳基材料板具有长度、宽度和高度，所述长度是所述板的最大尺寸并且所述高度是所述板的最小尺寸，其中，所述碳基材料板被平行布置在所述基板的金属体内，使得碳基材料板的长度方向对应于所述金属体的长度方向并且碳基材料板的宽度方向对应于所述金属体的高度方向。
13.根据权利要求12所述的电力电子模块，其中，平行布置的碳基材料板彼此相距一定距离并且从所述板的一端彼此连接。
14.一种冷却元件，包括热接收体，其中，所述热接收体是具有第一表面和第二表面的金属体，其中
所述第一表面和所述第二表面是相反表面，
所述第一表面和所述第二表面中之一适于接纳发热部件，并且
所述金属体包括碳基***件。
15.根据权利要求14所述的冷却元件，其中，所述碳基***件具有各向异性的导热性。
16.根据权利要求15所述的冷却元件，其中，所述碳基***件的导热性在由所述金属体的长度方向和高度方向限定的平面中最高，所述长度方向被定义为所述金属体的最长尺寸的方向并且所述高度方向被定义为所述金属体的表面的法线方向。
17.根据权利要求14所述的冷却元件，其中，所述冷却元件的所述金属体是铜结构并且所述碳基***件包括布置在所述铜结构内的碳基材料板。
18.一种制造热传递结构的方法，所述方法包括：
提供具有第一表面和第二表面的金属体，所述第一表面和所述第二表面是相反表面，并且所述第一表面和所述第二表面中之一适于接纳发热部件，并且
在所述金属体中提供碳基***件。
19.一种制造电力电子模块的方法，所述方法包括：
为衬底结构提供至少一个半导体芯片，
为具有金属体的基板提供碳基***件，以及
将所述衬底结构附接至所述基板。
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