功率电子电路的冷却制造技术

一种用于对功率电子电路进行冷却的方法，其中电路板(102)根据预先确定的电路板工艺来生产并且装配有至少一个功率电子结构元件(110)，其中在该电路板(102)的表面上延伸的至少一个金属导轨(120)上的至少一个位置与至少一个金属元件(104)接触，该金属元件既是导电的、也是导热的并且该金属元件的结构高度被设计为与该至少一个功率电子结构元件(110)的结构高度至少一样大，并且其中向该至少一个功率电子结构元件(110)和/或该至少一个金属元件(104)上平坦地放置冷却板(116)。

Cooling of power electronic circuit

【技术实现步骤摘要】
功率电子电路的冷却
本专利技术涉及一种用于对功率电子电路进行冷却的方法，其中在热量排放可能性的方面在电路板上设计至少一个导轨。此外要求保护一种如此设计的电路板。
技术介绍
常规的功率电子单元大多数由带有螺旋接口和电流轨道的分立的电子结构元件实现，例如晶闸管和IGBT(是本领域技术人员对“Isolatedgatebi-polartransistors(隔离栅双极晶体管)”的缩写)。相对比地，最新的功率晶体管允许将高功率电路集成到典型的电路板中。然而，如此的电路板(本领域技术人员称为“printedcircuitboard(印刷电路板)”或“PCB”)不能以35μm的典型金属厚度传导高电流或吸收它们的废热。现代的模块式的功率电子单元(例如在美国文献US9,496,799B2描述的模块式的多电平转换器)将高功率分成更小的、由其包括的低压半导体可切换的部分。然而必要的是，利用所述的现代的功率电子单元在电路板上传导这些高功率和电流。此外，现代的、快速切换的功率半导体需要非常紧凑的电路实现方式，以便能够利用它们的速度。背景首先是高寄生电感，其导致空间大的电路结构。储存在高寄生电感中的磁能能够在开关过程中无意地放电并且无意地产生损害或毁坏元件的开关过电压。然而，现有技术中的电路板包含多层较厚的铜，从而获得大的电路板厚度。通常连接到顶层和底层的结构元件因此彼此之间具有大的间隔，从而极大地增加电流跨越的面积以及因此的寄生电感。文献US5,214,309说明了一种带有用于从功率晶体管散热的厚金属片的电路板。虽然常规电路板通常利用一定数量的厚度为约35μm至70μm的铜层制造而成，但是与此同时现有技术知道以非常相似的制造工艺利用400μm或更厚的多层制造电路板的可能性。与标准电路板一样，铜层全表面电解(电镀)地沉积或层压成金属箔，然后涂上感光胶(正面或负面)，该感光胶正面或负面地曝光出相应的图案、显影并且部分去除，以便最后不再湿法刻蚀感光胶覆盖区域。然而，铜的刻蚀在很大程度上是各向同性单向的并且因此也从侧面刻蚀到仍然被感光胶覆盖的铜区域。因此可能的结构的分辨率随着层厚度而降低。否则，几乎所有已建立的方法都可以用于生产中，例如，通过通孔(所谓的Vias)局部地连接电路板的不同层。电路板上的高电流路径在现有技术中例如利用垂直布置的电流轨道形成。这些电流轨道大多数实施于通孔插装技术，其中同样可以想到表面装配技术(所谓的surfacemounteddevice或SMD)。由于厚铜的刻蚀通常限于远低于一毫米的层厚度，因此通常产生所谓的嵌体以获得几毫米的更高厚度。嵌体被裁剪成符合所需尺寸的铜并且紧接着嵌入进电路板。该嵌体通常用于电路板的内层。在所使用的实心铜元件的层面上产生的空腔必须填充材料，通常是预浸渍的纤维。在现有技术中提供用于SMD半导体的电路板，在表面处仅带有嵌体层面和可能地一些位于上方或位于下方的通常刻蚀的板层，但是不能实现重叠的电流路径。在此可以想到嵌入多个嵌体层，然而存在的问题是，利用标准方法无法实现成本有效的导电连接或从表面到所有堆叠嵌体层的通孔。对于高电流和/或热量排放，连接相应更远的层只能是困难且昂贵的。因此，多个现代的电子结构元件(例如晶体管)被设计成能够将它们的热量通过电接触输出到导体路径中。对于嵌体技术产生这样的问题，热量虽然能够很好地输出到嵌体的厚铜中，然而之后，热能停留在通常热绝缘的电路板的内部，该热绝缘的电路板例如由玻璃纤维复合材料构成。然后必须高耗费地从嵌体中排放出这种热量。美国文献US2001/0038310A1描述了一种散热体，其与功率晶体管模块的电路板和底板连接。然而存在的问题是，虽然针对提高的温度有多个功率结构元件是允许的，然而在电路板上通常同样存在常见的IC和标准部件如电阻，其例如不能超过85℃。然而，这些IC和标准部件大多数位于冷却路径上并且更靠近热源而不是冷却装置。由此，与冷却装置直接位于热源上时相比，这些部件升温更高。这从技术上通常要求冷却装置的更高的尺寸设定。在文献US2012/0236500A1中公开了一种带有功率组件的电路板，该电路板通过电绝缘的树脂类材料与冷却液流经的管线分开。在带有嵌体的电路板中必须考虑的是，电路板的厚度大大增加，因为导体和结构元件必须相互堆叠并且每个嵌体层不能发生交叉。
技术实现思路
在此背景下，本专利技术的目的是提供一种方法，对于电路板上的功率电子电路、并且尤其针对其导轨而言，该方法被设计成用于排放热量或可以实现热量排放。此外本专利技术的目的是，提供一种对应设计的电路板。为了实现上述目的，要求保护一种用于对功率电子电路进行冷却的方法，其中电路板根据预先确定的电路板工艺来生产并且装配有至少一个功率电子结构元件，其中在该电路板的表面上延伸的至少一个金属导轨上的至少一个位置与至少一个金属元件接触，该金属元件既是导电的、也是导热的并且该金属元件的结构高度被设计为与该至少一个功率电子结构元件的结构高度至少一样大，并且其中一个冷却板被平坦放置在该至少一个功率电子结构元件和/或该至少一个金属元件上，即，没有明显的倾斜或明显的隆起、凹陷或弯曲。通过在导轨上的选定位置处接触的金属元件局部地提供高电流导电性、高导热性和高热容量，其中电流传输优选地垂直于热传输方向进行。这与先前实现的直接放置在电路板上的散热体形成对比，这些散热体不导电流并且只用于热量排放。通过根据本专利技术的方法的一个实施方式，高电流线路和功率电子结构元件组合在一个平面中、尤其在表面上，其中相应的结构高度不相加在一起。根据本专利技术的方法的另一个优点在于，该电路板能够以从现有技术中已知的电路板工艺生产。现有技术还提供了用于为电路板装配至少一个金属元件和至少一个功率电子电路的已知方法。在根据本专利技术的方法的一个实施方式中，在电路板工艺中从以下列表选择该导轨的层厚度：18μm、35μm、70μm、105μm、210μm、360μm。以上列表在此应不排除其他层厚度，而仅仅作为常规参考用于制造中的根据现有技术的常规层厚度。例如，相应层厚度的生产可以在光化学结构的、湿法刻蚀方法中进行，其中较薄的层厚度允许针对IC或集成电路中的小结构的对应更高的分辨率。根据本专利技术的方法，一方面通过现有技术中已知的相应的电路板工艺的适用性可以实现用于控制IC或各种晶体管的导轨的高分辨率，例如栅极引脚的连接能够非常精细。另一方面，通过根据本专利技术的方法的一个实施方式能够在电路板的表面上局部地加强所选择的导轨，例如那些用于功率电子结构元件的导轨。然而，与从现有技术中的电流轨道相比，至少一个放置的金属元件不是垂直布置的，而是至少在一个位置处形成平坦的表面。因此提供了用于冷却板的接触面。通过冲压或水射流切割或铣削或激光切割能够获得所需形状的相应的金属元件。具体地，在如今的基于电路板的功率电子电路中，除了电流线路之外，通过至少一个功率电子结构元件，例如晶体管，通过接触位置或通过连接点，例如在电源处设置中心热源。在根据本专利技术的方法的一个实施方式中，至少一个功率电子结构元件和至少一个用于电流线路的金属元件同时经由冷却板以及因此还有电路板被冷却。该电路板通常包含其他的电子结构元件，例如电阻、电容器和IC，它们容许比功率电子结构元件明显更低的极限温度。在例如仅晶体管被直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对功率电子电路进行冷却的方法，其中电路板(102，214，506，614，624，824，924，934，1012，1022)根据预先确定的电路板工艺来生产并且装配有至少一个功率电子结构元件(110，216)，其中在该电路板(102，214，506，614，624，824，924，934，1012，1022)的表面上延伸的至少一个金属导轨(120)上的至少一个位置与至少一个金属元件(104，212，222，226，404，508，612，622，704，706，822，932，1024，1112，1122)接触，该金属元件既是导电的、也是导热的并且该金属元件的结构高度被设计为与该至少一个功率电子结构元件(110，216)的结构高度至少一样大，并且其中一个冷却板(116，931)被平坦地放置在该至少一个功率电子结构元件(110，216)和/或该至少一个金属元件(104，212，222，226，404，508，612，622，704，706，822，932)上。

【技术特征摘要】
2018.04.25 DE 102018109920.71.一种用于对功率电子电路进行冷却的方法，其中电路板(102，214，506，614，624，824，924，934，1012，1022)根据预先确定的电路板工艺来生产并且装配有至少一个功率电子结构元件(110，216)，其中在该电路板(102，214，506，614，624，824，924，934，1012，1022)的表面上延伸的至少一个金属导轨(120)上的至少一个位置与至少一个金属元件(104，212，222，226，404，508，612，622，704，706，822，932，1024，1112，1122)接触，该金属元件既是导电的、也是导热的并且该金属元件的结构高度被设计为与该至少一个功率电子结构元件(110，216)的结构高度至少一样大，并且其中一个冷却板(116，931)被平坦地放置在该至少一个功率电子结构元件(110，216)和/或该至少一个金属元件(104，212，222，226，404，508，612，622，704，706，822，932)上。2.根据权利要求1所述的方法，其中该导轨(118，120)在电路板工艺中具有从以下列表选择的层厚度：18μm、35μm、70μm、105μm、210μm、360μm。3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中为该至少一个金属元件(104，212，222，226，404，508，612，622，704，706，822，932，1024，1112，1122)选择比该至少一个功率电子结构元件(110，216)更高的结构高度。4.根据权利要求1或2所述的方法，其中设置在一个位置处的该至少一个金属元件(104，212，222，226，404，508，612，622，704，706，822，932，1024，1112，1122)被划分为多个子部分。5.根据权利要求1或2所述的方法，其中选择该冷却板(116，931)作为液体流经的金属板、或作为具有针对性地放大的表面的金属片、或作为热导体。6.根据权利要求1或2所述的方法，其中对该功率电子电路的冷却从该电路板(102，214，506，614，624，824，924，934，1012，1022)的上侧以及下侧来进行。7.根据权利要求1或2所述的方法，其中为了补偿该至少一个功率电子结构元件(110，216)与该至少一个金属元件(104，212，222，226，404，508，612，622，704，706，822，932)之间的结构高度的微小差异，将至少一个间隔垫(112，826)定位在与该冷却板(116，931)的接触面上。8.根据权利要求1或2所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·格茨，E·施佩希特，
申请(专利权)人：保时捷股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE