[发明专利]电力电子模块

说明书

公开了一种电力电子模块。该电力电子模块包括至少一个电力电子部件，其中该电力电子模块包括用于将所述至少一个电力电子部件产生的热传递至冷却设备的基板，该基板包括具有第一铜层、第二铜层以及在第一铜层与第二铜层之间的碳基层的分层结构。

技术领域

本发明涉及具有基板的电力电子部件，并且涉及制造电力电子部件的方法。

背景技术

电力电子部件，例如单个电力电子部件或多个电力电子模块，通常在用于切换高电流或对高电压进行操作的高功率设备中使用。单个电力电子部件涉及例如高功率晶闸管和二极管。电力电子模块包含位于相同的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部串联连接的两个IGBT(绝缘栅双极晶体管)。其他示例可以包括容易在模块内部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产生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产生的热量，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。该示例的电力电子模块包括焊接至直接键合铜(direct copper bonding，DCB)结构的两个半导体芯片11、12。该示例的DCB结构具有两个铜板3和铜板3之间的陶瓷层4。该DCB结构与模块的铜基板7的顶部上的焊料层5焊接。该模块还包括在DCB结构和芯片周围以点划线示出的壳体6。

图1的该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。要清楚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，常规的铝散热器的基板传播热阻太高。就是说，常规的铝散热器不能足够快地扩散从模块的基板传递的热。这导致了更高的散热器至基板的温度以及相应地芯片至接合点的温度两者。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，但该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。

具有更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，例如通过使用更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。可以通过用散热管、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。

对于这些更有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是相当高的。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，并且这种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电力电子模块以及制造电力电子模块的方法，以解决上述问题。通过由独立权利要求中所述的内容而限定的电力电子模块和方法来实现本发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。