热界面箔制造技术

本公开涉及热界面箔。提供了一种制造电力电子组件的方法以及包括电力电子模块的电力电子组件，该电力电子模块包括多个半导体电力电子开关部件，该电力电子模块包括底表面，该电力电子组件进一步包括冷却装置，用于冷却电力电子模块，该冷却装置包括冷却表面，其适合于面向电力电子模块的底表面被附接，其中该电力电子组件进一步包括热界面材料，其布置在电力电子模块的底表面与冷却装置的冷却表面之间，以将热从电力电子模块传递至冷却装置，该热界面材料包括具有聚合物涂层的铝箔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子部件，并且更具体地涉及与电力电子部件结合使用的热界面材料。
技术介绍
电力电子模块是其中多个电力电子开关或器件被布置在单个模块中的广泛使用的部件。电力电子模块的开关以特定方式被接线到模块内部，使得电力电子模块可以被用于不同的电路结构。这样的电路结构是例如不同功率变换器的功率级。为此目的，电力电子模块可以包括其中可控开关部件与功率二极管内部连接的半桥、全桥、或其他桥拓扑。电力电子模块还包括端子如控制端子和功率端子，其使得能够将模块连接至他其所需电路系统以及可能地连接至其他模块。电力电子模块内部的部件通常被安装在基底上，基底被热连接至模块的基板。基板是被集成至模块底部的金属片并且其意图附接至冷却构件(如散热器)的表面。模块内部的半导体开关在开关被操作时产生热。开关电流可以是数百甚至上千安培，并且模块的功率半导体的电压阻断能力为数千伏特。这些半导体开关还在数千赫兹的相对高的频率下被操作。电力电子模块也在没有基板的情况下被制造，则模块的底表面由基底形成。这样的模块通常利用散布在基底上的较小片的半导体开关而构造。由于产生热的半导体被分散开，所以热也均匀地产生并且无需基板来散布热。没有基板的电力电子模块被附接至冷却构件，使得热从基底传递至冷却构件。适合的热设计对于电力电子模块的可靠操作很关键。违反额定温度可能导致减小的安全操作区域并且因此突发器件故障或者导致减少的操作寿命。例如，IEC 60747-9给出IGBT的额定温度范围，例如存储温度、管壳温度以及虚拟结温。为了使模块的温度保持在可忍受范围，已知将模块附接至散热器。这是通过将基板的平坦表面或基底的平坦表面附接至散热器的对应的平坦表面而进行的。模块的底表面与散热器之间的热传递通
过使用热界面材料(TIM)而增强。这样的材料或层被布置在基板的表面与散热器之间，或者如果模块没有基板则被布置在基底的表面与散热器之间。两个表面之间的热连接取决于包括其表面粗糙度(Ra)和表面平坦度的数个特性。实际上，两个表面的接触是不完美的，并且在其中间存在填充有空气的间隙。由于空气是差的热导体，所以可以通过使接触表面非常平滑和平坦(非常昂贵)和/或通过将空气替换成更好的导热物质来减小接触热阻(Rth)。已开发了特定材料来填充接触表面之间的空气间隙并减小接触热阻。这些热界面材料可以以不同的物理形式(例如，可分配的脂或膏、各种厚度的橡胶如垫、金属箔等)得到。这些材料通常是包括已被填充较高导热性材料(如氮化硼或碳纳米管)的载体或基底化学品(如硅油或橡胶)的混合物。一些TIM还具有相变特性，其在例如循环操作应用中会是有利的。这种类型的TIM被证明在其中接触表面面积相对小和平坦的许多应用(例如对CPU的冷却)中工作良好。CPU和类似小占用空间(footprint)及平坦表面的另一工作解决方案是使用石墨烯热界面材料。已知石墨烯TIM具有高的导热性并且由于材料硬度而适合于小占用空间器件。然而，PE模块的基板占用空间尺寸比CPU的占用空间尺寸大数倍。另外，在电力电子模块中基板表面轮廓远不是平坦的。基板的平坦度偏差在50mm的长度上可以超过0.1mm(>100μm)。这个开始就失去平面性使得在模块安装时产生不均匀的接触压力。PE模块的材料中的温度梯度、功率循环以及热膨胀系数差使得热界面形状产生动态变化。这个动态变化性能使得加载TIM的热界面产生复杂的变形情况并且在许多情况下破坏了TIM的进行导热功能的能力。对于“脂”而言，这意味着脂漏出的“排出”，并且对于箔而言，这意味着箔的破裂和掉落的片。上述功率循环是指使用其中模块的加载是周期性的电力电子模块。周期性或循环加载还意味着模块的温度根据循环加载而改变。问题是电力电子模块的冷却由于模块的基板与相邻散热器的冷却表面之间减少的热接触而随时间减弱。电力电子模块操作包括使基板变形的热机械力，基板的变形导致热界面材料的变形。这进而可以增加基板与散热器界面的热阻，这使电力电子模块芯片的温度上升并且模块提早失效。除了通过功率循环产生的动态变化之外，已经注意到PE模块在操作期间经历永久变形。结果是TIM必须能够不仅遵循动态变化而且遵循热
界面的静态形状的改变。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电力电子组件以及用于制造该组件的方法，以解决上述问题。本专利技术的目的通过在独立权利要求中陈述的内容表征的组件和方法来实现。本专利技术的优选实施方式在从属权利要求中被公开。本专利技术基于以下构思：采用具有聚合物涂层的铝片作为热界面材料或片。包括具有聚合物涂层的铝的热界面材料层产生可靠的界面层，这是因为已知铝具有良好的导热性。铝片的聚合物涂层还利用能够使得在电力电子模块的底表面与冷却装置的表面之间进行可靠接触提供了良好的导热性。聚合物层还相对软，使得其填充基板和冷却装置的表面中的可能的间隙或变形部。具有聚合物涂层的铝片也是非常具有成本效益的结构，这是因为这样的片的制造容易且单位成本相对低。附图说明下面将参考附图借助于优选实施方式更详细地描述本专利技术，其中：图1示出了本专利技术的实施方式的电力电子组件的基本结构，其中结构的部件分开，以及图2示出了所组装的图1的基本结构。具体实施方式图1和图2示出了根据实施方式的电力电子组件的基本结构。在图1中，结构的主要部件被示为彼此分开，然而在图2中，组件是完整的。该电力电子组件包括：电力电子模块1、冷却装置2以及包括具有聚合物涂层的铝箔的热界面材料3。电力电子模块是包括多个电力电子开关的部件。这样的模块被用于构造切换大电流并且使用高电压的电力电子器件。操作这样的功率半导体开关的通常方式是使部件完全传导或者阻断，使得仅当部件间的电压接近零时电流流过部件。虽然部件被以使损耗最小化这
样的方式控制，但是在切换瞬间以及在传导期间二者产生一些损耗。如果不从模块去除，则开关部件的损耗使得模块产生可能对部件有害的热。图1和图2被作为实施例呈现用于更好地理解本专利技术的构思。应注意，图1和图2没有按比例呈现组件的部件。例如，出于说明目的，热界面材料3在附图中被示为厚块。为了从模块去除热，模块通常在内部以将热传递至模块的基板的方式被构造，并且开关部件的温度可以通过将热从部件通过基板去除而保持在可允许的限度内。基板是模块的主要部分，并且通常为金属以使得能够经由基板来传热。基板的物理长度在数百毫米的范围内。对于热的去除，底板被机械连接至冷却装置的配合表面。冷却装置由此具有可以接收来自电力电子模块的热并且进一步将该热传递至热传递介质(可以是液体或空气)的表面。在经液体冷却的冷却装置中，冷却液体在冷却表面附近的金属块内部的通路或管道中流动。在经空气冷却的冷却装置中，冷却装置包括与周围空气连接的大的表面区域。热被从冷却装置的表面去除至周围空气，并且通常通过使用翅片或肋来获得大的表面面积，并且可以通过使用吹风机使空气在翅片或肋中移动来增大热的去除。根据本专利技术，电力电子组件包括布置在电力电子模块的底表面与冷却装置的冷却表面之间以将热从电力电子模块传递至冷却装置的热界面材料，热界面材料包括具有聚合物涂层的铝箔。上述底表面是基板的表面或如果模块在没有基板的情况下被构造则是基底的表面。具有聚合物涂层的铝箔是可以在安装组件期间被布置在底表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括电力电子模块的电力电子组件，所述电力电子模块包括多个半导体电力电子开关部件，所述电力电子模块包括底表面，所述电力电子组件进一步包括冷却装置，用于冷却所述电力电子模块，所述冷却装置包括冷却表面，其适合于面向所述电力电子模块的底表面被附接，其中所述电力电子组件进一步包括热界面材料，其布置在所述电力电子模块的底表面与所述冷却装置的冷却表面之间，以将热从所述电力电子模块传递至所述冷却装置，所述热界面材料包括具有聚合物涂层的铝箔。

【技术特征摘要】
2015.05.22 EP 15168863.71.一种包括电力电子模块的电力电子组件，所述电力电子模块包括多个半导体电力电子开关部件，所述电力电子模块包括底表面，所述电力电子组件进一步包括冷却装置，用于冷却所述电力电子模块，所述冷却装置包括冷却表面，其适合于面向所述电力电子模块的底表面被附接，其中所述电力电子组件进一步包括热界面材料，其布置在所述电力电子模块的底表面与所述冷却装置的冷却表面之间，以将热从所述电力电子模块传递至所述冷却装置，所述热界面材料包括具有聚合物涂层的铝箔。2.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述聚合物涂层被布置在所述铝箔的一侧上。3.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述聚合物涂层被布置在所述铝箔的两侧上。4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的电力电子组件，其中，所述铝箔的厚度在100μm至300μm的范围内。5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的电力电子组件，其中，所述聚合物涂层的厚度在10μm至50μm的范围内。6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的电力电子组件，其中，所述热界面材料包括多个具有聚合物涂层的铝箔层。7.根据权利要求6所述的电力电子组件，其中，所述热界面材料包括两个铝箔和在所述铝箔之间的聚合物涂层，其中所述铝箔中的至少一个包括在所述铝箔之上的聚合物涂层。8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的电力电子组件，其中，所述电力电子模块的多个半导体电力电子部件中的至少一个的额定电流在数百...

【专利技术属性】
技术研发人员：约尔马·曼尼宁，米卡·西尔文诺伊宁，海基·默尔斯基，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI