[发明专利]功率电子模块以及包含该模块的电功率变换器

说明书

本发明涉及一种模块(PM1)，其具有功率开关电子芯片(IT、ID)的3D堆叠架构，并且包括分别与第一和第二散热器(DH、DL)热接触的第一和第二介电基板(SH、SL)、至少一对第一和第二堆叠功率开关电子芯片(ITsubgt;HS/subgt;、IDsubgt;HS/subgt;；ITsubgt;HS/subgt;、IDsubgt;HS/subgt;)、以及公共中间基板(SC)，该第一和第二功率开关电子芯片分别夹在第一介电基板和公共中间基板之间以及公共中间基板和第二介电基板之间。根据本发明，公共中间基板是整体金属元件，并且包括中心部分和至少一个导热部分，该中心部分用于安装功率开关电子芯片，该导热部分与第一介电基板和/或第二介电基板热接触。

相关申请的交叉引用

本发明要求于2017年4月13日提交的申请号为1753254的法国专利申请的优先权，其内容(文本、附图和权利要求)通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及电力电子技术领域。更具体地，本发明涉及电力电子模块，其具有用于设置功率开关电子芯片的3D架构。本发明还涉及诸如换流器的电功率变换器。

背景技术

电力电子电路存在于许多活动领域中，并且尤其是在运输领域中。变流器和电力电子模块在最近几十年中得到了强劲的发展，尤其是在电动轨道牵引方面。随着向产生更少CO₂排放的可再生能源进行期望的能量过渡，电力电子技术需要变得更加普及，并且应当应对日益增长的经济和技术限制。在运输领域，汽车工业受到非常严格的污染物排放标准的约束，这在通过混合动力或全电动架构进行的车辆电气化中引发了真正的技术变革。飞机发动机的混合动力化也是当前重要议题，以减少二氧化碳排放。

通常，功率模块通过电子芯片的平面设置来构造。在这种平面设置中，芯片的背面固定在基板上，并且称为“键合线”的互连线用于在芯片的正面上建立电连接。例如覆盖有铜板的陶瓷形式的基板实现通过冷却装置的热界面功能以及电绝缘功能。

这种传统的平面架构在紧凑性和成本方面未进行优化，并具有其他缺点。芯片的冷却仅通过其表面中的一个来进行。特别是由键合线和电连接带导致的寄生电感会产生过电压，该过电压会增加释放的热量并可能造成破坏。此外，寄生电感会妨碍较高的开关频率，而较高的开关频率有利于紧凑性，尤其是在功率变换器中的紧凑性。

芯片的3D堆叠是一种改善功率模块的紧凑性并减少寄生电感的良好方法。集成度的提高通常也有利于降低成本。然而，3D架构增加了组件上的热应力。

在US20160005675A1中，公开了具有3D架构的功率模块。该功率模块在图1中示出并标记为100。模块100通过其上下两面被冷却。上下两面分别包括上散热器106和下散热器110。模块100的3D堆叠包括上部电子芯片220、下部电子芯片210和夹在芯片220和221之间的中间互连基板212。芯片220和210通过其表面中的一个分别焊接到散热器106和110，而通过其另一表面焊接到中间互连基板212。成型树脂108确保模块的密封和机械粘合。中间互连基板212在这里是DCB(英文“Direct Copper Bond(直接铜键合)”)或DBA(英文“DirectBonded Aluminium(直接键合铝)”)类型的基板，其包括在两侧涂覆有铜制(DCB)或铝制(DBA)金属层216和217的中心介电板215。该中心介电板215由陶瓷或诸如Kapton(注册商标)的聚酰亚胺制成。

在现有技术的功率模块100中实现的3D堆叠允许更高的紧凑性。然而，电子芯片210和220仅通过一面被冷却。这样的设置可能不足以通过将电子芯片的结温保持在临界值以下而以可接受的成本确保大功率下的良好可靠性。

可期望的是，提出一种改进的功率模块，其为3D堆叠电子芯片的类型且具有保证良好冷却性能的架构。

发明内容