用于电源模块双面冷却的金属块制造技术

一种用于将直流电转换为交流电的电源模块，所述电源模块包括：半导体开关电路器件；主基板，所述开关电路器件实体地且电气地耦接至所述主基板；至少一个副基板，所述半导体开关电路器件实体地且电气地耦接至所述至少一个副基板，使得所述半导体开关电路器件形成于所述主基板和所述至少一个副基板之间；至少一个热质体，其连接至所述至少一个副基板的相应的副基板；以及至少部分地围绕所述电源模块布置的盖，所述盖包括暴露出所述基板的底面的开口。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电源模块双面冷却的金属块相关申请的交叉引用本申请要求申请号：14/978，669，于2015年12月22日递交的美国专利申请的优先权，该美国专利申请通过引用的方式并入本文中。
本专利技术涉及一种用于将高压直流电(DC)转换为高压交流电(AC)的电源模块，例如，但并非限于，混合动力车辆和纯电动车辆中使用的电源模块。
技术介绍
在过去，用于混合动力或电动汽车的电源模块经常在电子器件的单面提供冷却，如电源端的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其它组件。由于这些电源模块在散热器上的放置，所述器件的引线框端子可以接近于所述散热器。此外，过去的电源模块通常与电源模块器件的一个或多个面使用引线接合。引线接合的使用产生了装配时间多和固定器件成本高的问题，以及引起电压过冲的高寄生电感问题。更进一步，由于重复的电力循环，引线接合可以导致故障。然而，在实践中，由于构成电源模块的各组件的机械容差，双面冷却难以实现。这样的具有双面冷却的模块可以包括两片直接键合铜(DBC)基板，每片基板均由两层铜和一层陶瓷组成，每片基板均具有厚度容差，两层焊料和一功率半导体器件夹在两个DBC基板层之间。电源模块厚度所需求的容差使得提供散热存在困难，特别是，当每个器件均具有它们自己的厚度和平整度容差时，如果试图对两个相邻的器件进行散热，将更加困难。
技术实现思路
本专利技术的示例性实施例提供了一种具有良好导热性的热质体，其被添加到电源模块中以提高双面冷却。这些和其他特征提供了一种改善了瞬态热性能及降低了热阻抗(底面冷却)的电源模块。根据本专利技术的一个方法方面，一种用于将直流电转换为交流电的电源模块，所述电源模块包括：半导体开关电路器件；主基板，所述开关电路器件实体地且电气地耦接至所述主基板；至少一个副基板，所述半导体开关电路器件实体地且电气地耦接至所述至少一个副基板，使得所述半导体开关电路器件形成于所述主基板和所述至少一个副基板之间，以及盖。所述盖包括暴露出暴露于所述基板底面的开口。所述半导体开关电路器件通过钎焊或烧结连接，耦接至所述基板和所述副基板。热质体，也添加到每个所述至少一个副基板之上。热质体也可以利用导热层附接至对应的每个所述至少一个副基板的上表面。热质体也可以利用多种其他方法附接至所述至少一个副基板的上表面，例如导热粘合剂，钎焊，烧结，或层压箔。在特别的实施例中，所述盖设置在所述电源模块的上面，包括至少一个盖孔，所述至少盖孔暴露出连接至对相应的副基板的热质体的顶面。所述盖也可以包括多个盖孔，每个盖孔均暴露出附接至应对的副基板的相应的热质体的顶面。根据本专利技术的另一方面，所述半导体开关电路器件包括至少一个开关电路，所述至少一个开关电路包括绝缘栅双极晶体管和二极管。所述基板和/或副基板可以包括陶瓷层，所述陶瓷层具有顶面和底面，第一铜层耦接至所述陶瓷层的所述顶面，第二铜层耦接至所述陶瓷层的所述底面。另一种选择，所述基板和/或副基板可以包括铜层，氧化铝层和铝板，所述氧化铝层形成在所述铝基板上，所述铜层涂覆在所述氧化铝层上。热质体因此附接至副基板的第一铜层的上面。根据本专利技术的其他方面，所述半导体开关电路器件的每个开关电路实体地且电气地偶接至所述基板和对应的副基板，使得多个开关电路实体地且电气地耦接至基板和对应的副基板。根据本专利技术的其他方面，所述盖中的所述至少一个盖孔的形成过程为所述盖的顶面的一部分经受研磨过程以除去所述盖的一部分并露出所述至少一个热块的顶表面，使得每个盖孔均暴露出对应的热质体。一种用于将直流电转换为交流电的电源模块，包括半导体开关电路器件，基板，至少一个副基板，并可与冷却单元一起使用。所述开关器件可以包括一个或多个金属氧化物半导体(MOS)管，绝缘栅双极晶体管，或其它合适的开关器件，包括上模或倒装式绝缘栅双极晶体管。所述冷却单元可以通过压力配合与开关电路器件和基板及副基板实体地耦合，其中所述冷却单元包括第一部分和与所述第一部分隔开的第二部分，其中所述第一部分和所述第二部分适于在之间夹持所述基板，开关电路器件，以及副基板。所述冷却单元的所述第一和第二部分可包括适于允许冷却液流过其中的空腔。所述开关电路器件可包括多个绝缘栅双极晶体管和二极管。所述模块可被构造成不使用单独的紧固件将冷却单元耦合连接到所述基板，开关电路器件和副基板。所述冷却单元的第一部分可以与连接到半导体开关电路器件的开关电路的副基板的顶面接触，接触的位置为与所述半导体开关电路器件内部的所述开关电路对准的位置，所述冷却单元的所述第二部分可与所述基板的与所述第一部分对准的底面接触。附图说明通过结合附图查阅下面的说明书，本专利技术的这些和其它主题，优点和目的，以及本专利技术的特征将变得清晰。图1为无模压或铜块的电源模块的剖视图；图2为具有铜块的图1中的电源模块的剖视图；图3为无模压的图2中的电源模块的等距视图；图4为具有铜块和模压的图2中的电源模块的剖视图；图5为无顶面研磨的图4中的电源模块的等距视图；图6为图5中的电源模块的等距视图，示出了暴露的背面铜层；图7为不含铜块的超模压电源模块的经简化的剖视图；图8为包含铜块的超模压电源模块的经简化的剖视图；图9为在铣削后露出铜块的图8中的超模压电源模块的简化截面视图；图10为经顶面研磨露出铜块的图5中的电源模块的等距视图；图11为包含具有不规则性的高度和平面度的铜块的超模压电源模块的一部分的经简化的剖视图；图12为在研磨操作后去除不规则性的露出铜块的图11中的超模压电源模块的一部分的简化的剖视图；图13为用于研磨电源模块盖以露出热块以及为电源模块的双面冷却去除高度/平面度的不规则性的计算机实现方法的步骤流程图；以及图14为半导体开关电路器件的示意图。具体实施方式现在将参考附图对本专利技术进行描述，其中，以下书面描述中编号的部件对应于附图中的相同编号的部件。如本文所详细讨论的，热质体(也称为热块)，其具有良好的导电性的(例如，镀覆或未镀覆的铜)，在电源模块中所述热质体连接于顶层DBC基板层的顶面，提高了瞬态热性能并降低了热阻抗(底面冷却)。此外，又如本文所讨论的，如果使用后模研磨或铣削操作，可以实现一致的模块厚度和平整度，有利于高效的双面冷却。本专利技术的示例性实施例提供了改良这些度量，而不影响通过电源模块底部的冷却路径的方法(底面冷却)。如本文所述，可通过与最上层DBC基板的背面铜板的导热连接来添加热质体。又如本文中所讨论的，示例性的热质体需具有良好的热容量和高热传导性。铜是合适材料的实例，然而，也可以使用其它物质。根据本专利技术的一个实施例的电源模块100的一部分，如图1所示。示例性的电源模块100可用于开关电路120，该开关电路120可用于各种不同应用中。这样的应用可以包括在纯电动车辆或混合电动车辆中，将直流(DC)电流转换交流(AC)电流。来自电源模块100的交流电输出可用于为车辆内部的交流电机供电，或可用于向车辆的其它部件供电，以及用于非车辆的应用中。在名称为“用于将直流电转换为交流电的电源模块”，专利技术人为詹姆斯·D·汤姆金斯(JamesD.Tomkins)，申请号为13/880,553，申请日为2011年10月19日的美国专利申请中，详细讨论了示例性的电源模块，该文献在此通过引用的方式被并入本申请之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于将直流电转换为交流电的电源模块，所述电源模块包括：半导体开关电路器件；主基板，所述开关电路器件实体地且电气地耦接至所述主基板；至少一个副基板，所述半导体开关电路器件实体地且电气地耦接至所述至少一个副基板，使得所述半导体开关电路器件形成于所述主基板和所述至少一个副基板之间；至少一个热质体，其连接至所述至少一个副基板相应的副基板；以及至少部分地围绕所述电源模块设置的盖，所述盖包括暴露出所述基板底面的开口。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.22 US 14/978,6691.一种用于将直流电转换为交流电的电源模块，所述电源模块包括：半导体开关电路器件；主基板，所述开关电路器件实体地且电气地耦接至所述主基板；至少一个副基板，所述半导体开关电路器件实体地且电气地耦接至所述至少一个副基板，使得所述半导体开关电路器件形成于所述主基板和所述至少一个副基板之间；至少一个热质体，其连接至所述至少一个副基板相应的副基板；以及至少部分地围绕所述电源模块设置的盖，所述盖包括暴露出所述基板底面的开口。2.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述半导体开关电路器件包括多个开关器件。3.根据权利要求2所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块包括多个副基板，使得所述多个副基板中的每个副基板均连接至所述多个开关器件中相应的开关器件。4.根据权利要求3所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块还包括多个热质体，以使得热质体附接至所述多个副基板中的每个副基板。5.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述至少一个热质体的每个热质体利用导热层附接至对应的所述至少一个副基板的上表面。6.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，通过使用导热粘合剂，钎焊或烧结连接，或层压箔，热质体附接至副基板的上表面。7.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述半导体开关电路器件通过钎焊或烧结连接，耦接至所述基板和所述副基板。8.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述盖包括至少一个盖孔，其中所述至少一个盖孔的盖孔暴露出连接至所述至少一个副基板中相应的副基板的热质体的顶面。9.根据权利要求4所述的电源模块，其特征在于，所述盖设置在所述电源模块的顶面，所述盖包括多个盖孔，每个盖孔均暴露出附接至相应的副基板的热质体的顶面。10.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述半导体开关电路器件包括至少一个开关电路，所述至少一个开关电路包括绝缘栅双极晶体管和二极管。11.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述基板和副基板均包括陶瓷层，顶面和底面，第一铜层耦接至所述陶瓷层的所述顶面，第二铜层耦接至所述陶瓷层的所述底面，...

【专利技术属性】
技术研发人员：西蒙·斯特朗布里奇，莱尔德·R·博尔特，
申请(专利权)人：KSRIP控股有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US