散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，其在例如混合動力車、電動汽車或燃料電池車等環(huán)境友好型車輛的逆變器中使用，其中通過采用利用擠壓方法制成的散熱片的雙面直接冷卻方法，使冷卻效率最佳。具體地，散熱片布置在功率模塊的上部和下部，直接鍵合材料（DBMs）沉積在上部散熱片與下部散熱片之間，其中芯片被插在直接鍵合材料之間。散熱片、芯片和直接鍵合材料之間的表面通過焊劑彼此粘合，并且芯片和直接鍵合材料的整個周邊通過模塑部進(jìn)行最后處理。
【專利說明】散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，更具體涉及一種在諸如混合動力車、電動車或燃料電池車等環(huán)保車輛的逆變器中使用的功率模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁型電動機通常被用作電動車、混合動力車或燃料電池車的驅(qū)動機構(gòu)。電動機通常由因控制器的脈寬調(diào)制(PWM)信號而將直流(DC)電壓變換為三相電壓的逆變器傳送的相位電流，經(jīng)由電力電纜來驅(qū)動。
[0003]通過接收電池的直流電來供應(yīng)用于驅(qū)動電動機的電力的功率模塊，與逆變器組合在一起。功率模塊通常具有六個或三個相位被集合成一個封裝的形狀。作為供應(yīng)電力的結(jié)果，在這樣的功率模塊中會產(chǎn)生熱。因此，為實現(xiàn)功率模塊的穩(wěn)定操作，而使用對功率模塊中生成的熱量進(jìn)行冷卻的各個單元。例如，在功率模塊中通常使用散熱片，用于減小在進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作時的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和二極管芯片中所產(chǎn)生的熱量。
[0004]圖1示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的單面直接冷卻的功率模塊的橫截面圖。如圖1所示，使用箱型單面直接冷卻方法來冷卻功率模塊，且該功率模塊被布置在集成熾燃的(blazing)散熱片上。在此，附圖標(biāo)記100、110、120以及130分別表示芯片，直接鍵合材料(DBM)，散熱片以及焊劑。
[0005]直接鍵合銅(DBC)或直接鍵合鋁(DBA)通常被用作DBM。然而，在圖1所示的功率模塊中，難以制造集成熾燃的散熱片，并且需要高昂的制造成本，而且難以管理散熱片的平面圖(plan view).而且，與雙面冷卻相比，降低了功率模塊的冷卻效率。
[0006]圖2是示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的雙面非直接冷卻的功率模塊的橫截面圖。如圖2所示，利用雙面非直接冷卻方法來冷卻功率模塊，將導(dǎo)熱硅脂施加到功率模塊的兩面上，然后將陶瓷貼附在功率模塊上，使得功率模塊的兩面都可以被散熱片冷卻。在此，附圖標(biāo)記100、120、130、140、150、160以及170分別表示芯片、散熱片、焊劑、導(dǎo)熱硅脂、陶瓷、散熱器以及模塑體(mold)。
[0007]然而，在圖2所示的功率模塊中，難以將幾個功率模塊中的每個功率模塊的兩面布置成彼此平行以便利用散熱片冷卻功率模塊。而且，由于功率模塊、陶瓷和散熱片是獨立的元件，因此難以制造組合這些元件的逆變器，因為將它們裝配起來是比較復(fù)雜的，因此，難以管理和制造。此外，在圖2中用于冷卻功率模塊的非直接冷卻方法，與雙面直接冷卻相比，冷卻效率降低。
[0008]圖3是示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的雙面直接冷卻的功率模塊的橫截面圖。如圖3所示，利用模塑型(mold type)雙面直接冷卻方法來冷卻功率模塊，將絕緣片附著在功率模塊的兩面上，使得功率模塊可以被固定到箱型的散熱片上。在此，附圖標(biāo)記100、120、130、160、170和180分別表示芯片、散熱片、焊劑、散熱器、模塑體以及絕緣片。
[0009]然而，在圖3所示的功率模塊中，通過將絕緣片附著到功率模塊上，而將箱型散熱片和功率模塊組合在一起。在此情況下，由于絕緣片而降低了冷卻效率。此外，在將絕緣片用力地附著到功率模塊上時，絕緣片可能會從功率模塊上脫離。在此情況下，可能會產(chǎn)生有關(guān)絕緣的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供一種散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，其中采用利用通過擠壓方法制造的散熱片的雙面直接冷卻方法，可以使冷卻效率最佳，并且通過制造具有簡單結(jié)構(gòu)的逆變器，可以降低逆變器的制造成本。
[0011]本發(fā)明還提供一種散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，其中可以省略由于散熱片的平面圖管理相關(guān)問題所需要的附加步驟，這是由于其通過采用將幾個功率模塊連接和組合的功率模塊連接器，從而獲得了所有功率模塊的平面圖。
[0012]根據(jù)本發(fā)明一個方面，提供一種在車輛的逆變器中使用的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，其包括:布置在功率模塊的上部和下部的散熱片；以及沉積在上部散熱片和下部散熱片之間的直接鍵合材料(direct bonding materials),其中芯片插入在直接鍵合材料之間，其中散熱片、芯片以及直接鍵合材料之間的表面通過焊劑彼此結(jié)合，并且芯片和直接鍵合材料的整個周邊通過模塑部進(jìn)行最后處理。
[0013]散熱片可以通過擠壓方法制成，并且可以包括冷卻水流經(jīng)的多個孔，該多個孔形成在散熱片中。例如，散熱片可被形成為矩形箱體，該矩形箱體具有散熱片的兩個相對橫截面沿一個方向彼此連通的結(jié)構(gòu)，在箱體中可以形成有多個阻擋壁，該阻擋壁沿著散熱片的兩個相對橫截面彼此連通的方向彼此平行，并且多個阻擋壁之間的空間由多個孔形成。
[0014]包含模塑部以及上部散熱片和下部散熱片的幾個模塊可以由模塊連接器彼此連接。在此情況下，模塊連接器可以包括連接器本體，該連接器本體與散熱片的內(nèi)部連通，同時容納相鄰散熱片的端部；栓銷，被卡鎖在散熱片形成的槽中或者從所述槽中被釋放；以及操縱栓銷的移動的栓銷移動部。
[0015]此外，在模塊連接器的連接器本體上沿著接觸散熱片的連接器本體一部分的圓周可以安裝墊圈，以防止冷卻水的泄漏。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]通過描述本發(fā)明的具體示例性實施方式并參考附圖，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)勢會變得更加顯而易見，其中:
[0017]圖1示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的單面直接冷卻的功率模塊的橫截面圖；
[0018]圖2示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的雙面非直接冷卻的功率模塊的橫截面圖；
[0019]圖3示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的雙面直接冷卻的功率模塊的橫截面圖；
[0020]圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊的平面圖；
[0021]圖5示出沿著圖4的A-A線的橫截面圖；
[0022]圖6示出沿著圖4的B-B線的橫截面圖；
[0023]圖7示出根據(jù)本發(fā)明實施例的幾個散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊處于彼此連接狀態(tài)的平面圖；
[0024]圖8示出沿著圖7的C-C線的橫截面圖；以及
[0025]圖9示出沿著圖7的D-D線的橫截面圖。【具體實施方式】
[0026]現(xiàn)參考其中示出本發(fā)明示例性實施例的附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，以使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠容易地理解本發(fā)明。
[0027]可以理解的是，本文中所使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它類似的術(shù)語包括一般而言的機動車輛，比如包含運動型多用途車輛(SUV)、公共汽車、貨車，各種商用車輛的客車、包含各種輪船和艦船的船只、飛行器等等，并且包括混合動力車輛、電動汽車、混合動力電動汽車、氫動力汽車和其它替代燃料汽車(例如，從除了石油以外的資源中取得的燃料)。如在本文中所引用的，混合動力車輛是具有兩種或多種動力來源的車輛，例如汽油動力車輛和電動動力車輛二者。
[0028]除非明確指出或可從上下文明顯看出，否則如本文中使用的術(shù)語“約”應(yīng)被理解為在本領(lǐng)域中的正常公差范圍內(nèi)，例如，在平均數(shù)的兩個標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)。“約”可以被理解為在規(guī)定值的 10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05% 或 0.01% 內(nèi)。除非從上下文可以明確知道，否則本文所提供的所有數(shù)值都可由術(shù)語“約”修正。
[0029]本文所用的術(shù)語僅用于描述特定實施例的目的，而并非旨在限制本發(fā)明。除非上下文明確指出，否則如本文中所使用的單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”等意圖也包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)該理解的是，在本說明書中使用“包括”和/或“包含”等術(shù)語時，是意圖說明存在該特征、整數(shù)、步驟、操作、元素和/或組件，而不排除一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元素、組件、和/或其組合的存在或增加。如本文中所使用的，術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)列出項目的任何和所有組合。
[0030]圖4至圖6是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊的平面圖和橫截面圖。如圖4至圖6所示，根據(jù)本發(fā)明，其改良了將散熱片和功率模塊集成在一起以及將散熱片連接到功率模塊上的方法，因此可以實現(xiàn)輕質(zhì)、低價和可靠性高的功率模塊。
[0031]為此，將散熱片12a和12b布置在模塊18的上部和下部，當(dāng)芯片10被插在直接鍵合材料(DBMs) Ila與Ilb之間時，將直接鍵合材料Ila和Ilb沉積在上、下散熱片12a和12b之間，使得芯片10與直接鍵合材料Ila和Ilb通過焊劑13彼此粘合，并且通過模塑部17使粘合的芯片10與直接鍵合材料Ila和Ilb的整個周邊模塑成形并進(jìn)行最后處理。
[0032]在此情況下，散熱片12a和12b的內(nèi)側(cè)與直接鍵合材料Ila和Ilb之間的表面也通過焊劑13彼此粘合。因而，完成其中包括芯片10和直接鍵合材料Ila和Ilb的模塑部17，和上部、下部散熱片12a、12b形成為一體的模塊18。在此，芯片10是半導(dǎo)體芯片，包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和二極管，焊劑13將芯片10和直接鍵合材料Ila和Ilb彼此粘合在一起，同時粘合直接鍵合材料Ila和lib。
[0033]模塑部17是利用樹脂將整個模塊18模塑(molding)的部分。芯片10可以由模塑部17密封，以便可以提高模塊18的可靠性。具體地,利用擠壓方法(extrusion method)來制造散熱片12a和12b，在由鋁制成的箱體15中形成冷卻水可以流經(jīng)的多個孔14。
[0034]例如，散熱片12a和12b可被形成為矩形箱體15，其具有散熱片12a和12b的兩個相對橫截面沿一個方向彼此連通的結(jié)構(gòu)。在箱體15中形成有多個阻擋壁16，其沿著散熱片12a和12b的兩個相對橫截面彼此連通的方向(豎直方向)彼此平行，同時沿水平方向保持有規(guī)律的間隔。在此情況下，多個阻擋壁16之間的間隔是可以進(jìn)行擠壓的最小間隔，以使散熱性能最佳。因此，在箱體15中形成的阻擋壁16之間的空間可以通過冷卻水可以流經(jīng)的多個孔14而自然地形成。當(dāng)然，孔14的橫截面形狀除了是矩形形狀以外，還可以是圓形或橢圓形的形狀。
[0035]而且，在模塊18的散熱片12a和12b上、延伸到模塑部17兩側(cè)的部分的內(nèi)部位置形成有凹槽21。在此情況下，當(dāng)模塊連接器19 (后面將描述)的栓銷22的突起27被卡鎖在凹槽21中時，可利用凹槽21。
[0036]高電壓端子28和信號端子28布置在模塊18上。在此情況下，高電壓端子28是功率模塊的高電壓端子，并且包括高電壓正、負(fù)輸出端子。此外，信號端子29包括用于驅(qū)動功率模塊以及溫度、電流傳感器的門信號。
[0037]圖7至圖9是示出根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的，幾個散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊被彼此連接的狀態(tài)的平面圖和橫截面圖。如圖7至9所示，通過利用模塊連接器19，將包含模塑部17和散熱片12a和12b的幾個模塊18連接成一行。
[0038]為此，模塊連接器19包括連接器本體20，其具有模塊容納槽25，該模塊容納槽25可以容納每個模塊18的散熱片12a和12b的端部，并且可以形成在連接器本體20的兩側(cè)；栓銷22 ;和栓銷移動部23，作為鎖定和釋放模塊18的模塊連接器19的連接狀態(tài)的操作部。
[0039]冷卻水可以流經(jīng)的冷卻水路徑26形成在連接器本體20中連接兩個模塊容納槽25的部分中。在此情況下，當(dāng)散熱片12a和12b接觸模塊連接器19的兩側(cè)時，冷卻水路徑26與散熱片12a和12b內(nèi)的孔14連通。因此，流經(jīng)散熱片12a和12b中的一個散熱片的孔14的冷卻水，經(jīng)由連接器本體20的冷卻水路徑26被運送到散熱片12a和12b中另一個散熱片的孔14，并且可以連續(xù)地流經(jīng)散熱片12a和12b中的另一個散熱片的孔14。
[0040]具體地，可以在連接器本體20上沿著與散熱片12a和12b接觸的連接器本體20的一部分的圓周安裝墊圈24。因此，可以防止冷卻水從連接器本體20與散熱片12a和12b彼此連接的部分泄漏。每個栓銷(latch) 22，以及每個與栓銷22的端部集成在一起的、作為操作部的栓銷移動部23，被布置成用于連接和釋放模塊連接器19與模塊18的部分。
[0041]根據(jù)本發(fā)明，總共四對的栓銷22和栓銷移動部23可布置在模塊連接器19的兩偵牝即，在模塊連接器19的兩側(cè)的前、后方向上各一對。栓銷22是帶狀部件，栓銷22的一端連接于連接器本體20，栓銷22上布置栓銷移動部23的另一端是自由端，使得栓銷22可以彈性地向后傾斜或復(fù)位。
[0042]凸起27形成在栓銷22上。在此情況下，凸起27被卡鎖在模塊18的槽21(即散熱片12a和12b內(nèi)的槽21)中，或者從模塊18的槽21中脫離，使得模塊連接器19和模塊可以彼此連接成一體，模塊18也可以與模塊連接器19分離。例如，當(dāng)模塊18的散熱片12a和12b的端部被插在模塊連接器19的模塊容納槽25中時，栓銷22的凸起27因與散熱片12a和12b的端部相接觸而向后傾斜，再次復(fù)位并被卡鎖在槽21中，使得模塊18可被連接到模塊連接器19。
[0043]此外，當(dāng)模塊18從模塊連接器19分離時，用手指沿豎直方向抓握兩個相對的栓銷移動部23，對其加壓并縮攏(purse)，栓銷22彈性地向后傾斜，凸起27從槽21脫離，使得模塊18可以容易地從模塊連接器19分離。因而，幾個模塊18由多個模塊連接器19連接，以便可以獲得流經(jīng)每個模塊和每個模塊連接器的冷卻水的流動路徑。此外，通過利用模塊連接器彼此平行排列的模塊，被系統(tǒng)地彼此連接，并被保持在相同平面中，以便可以省略現(xiàn)有技術(shù)中在功率模塊連接在一起時管理所有功率模塊的平面圖的附加步驟。
[0044]如上所述，根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊具有以下優(yōu)勢:
[0045]成本降低
[0046]根據(jù)本發(fā)明，通過利用擠壓方法來制造散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，可以省略用于直接冷卻的管腳鰭片型散熱片的制作過程，與相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)相比，制造散熱片的成本可被降低50%以上。
[0047]根據(jù)本發(fā)明，提高了冷卻效率，與現(xiàn)有非直接單面冷卻相比，半導(dǎo)體芯片的尺寸可以減小至少一半，制造功率模塊的成本可以降低20%以上。根據(jù)本發(fā)明，與雙面非直接冷卻的功率模塊相比，可以省去組合幾個功率模塊的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，從而大大降低制造逆變器的成本。
[0048]性能提高
[0049]根據(jù)本發(fā)明，與現(xiàn)有單面非直接冷卻相比，雙面直接冷卻可提高冷卻效率60%以上，而與雙面非直接冷卻相比提高20%以上，與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過提高冷卻性能可增加兩倍以上的輸出。
[0050]話銷件提高
[0051]根據(jù)本發(fā)明，通過減小功率模塊的尺寸而減小了整個逆變器的尺寸，因此可以獲得車輛封裝的靈活性，從而可大大提高發(fā)動機室的適銷性。
[0052]根據(jù)本發(fā)明，散熱片(冷卻模塊)與功率模塊集成一體，因此不需要用于冷卻功率模塊的附加壓鑄冷卻通道。因此，可以容易地制造逆變器，并且在裝配模塑模塊時，可以省略包含涂覆導(dǎo)熱硅脂和貼附絕緣片的步驟，因此，可以簡化制造逆變器的過程。
[0053]在將幾個模塑模塊同時貼附到散熱片上時，應(yīng)管理冷卻模塊的平面圖，以便提高冷卻效率。根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)，需要管理雙面模塊的平面圖的附加步驟。然而，根據(jù)本發(fā)明，提出將散熱片與模塑模塊的兩面直接結(jié)合的方案，因此，可以省去與平面圖管理相關(guān)問題的附加步驟。
[0054]盡管已經(jīng)具體示出并參照本發(fā)明的示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以對上述示例性實施例進(jìn)行各種變化和修改，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種在車輛的逆變器中使用的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，其包括: 布置在所述功率模塊的上部和下部的散熱片；以及 沉積在所述上部散熱片和下部散熱片之間的直接鍵合材料，其中芯片插入在所述直接鍵合材料之間， 其中所述散熱片、所述芯片以及所述直接鍵合材料之間的表面通過焊劑彼此結(jié)合，并且所述芯片和所述直接鍵合材料的整個周邊通過模塑部進(jìn)行最后處理。
2.如權(quán)利要求1所述的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊,其中所述散熱片通過擠壓方法制成，并且包括冷卻水流經(jīng)的多個孔，所述多個孔形成在所述散熱片中。
3.如權(quán)利要求2所述的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，其中所述散熱片被形成為矩形箱體，所述矩形箱體具有所述散熱片的兩個相對橫截面沿一個方向彼此連通的結(jié)構(gòu)，在所述箱體中形成有多個阻擋壁，所述阻擋壁沿著所述散熱片的兩個相對橫截面彼此連通的方向彼此平行，并且所述多個阻擋壁之間的空間由所述多個孔形成。
4.如權(quán)利要求1所述的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，其中包含模塑部以及所述上部散熱片和下部散熱片的幾個模塊由模塊連接器彼此連接。
5.如權(quán)利要求1或4所述的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，其中所述模塊連接器包括連接器本體，所述連接器本體與所述散熱片的內(nèi)部連通，同時容納相鄰散熱片的端部；栓銷，被卡鎖在所述散熱片形成的槽中或者從所述槽中被釋放；以及操縱所述栓銷的移動的栓銷移動部。
6.如權(quán)利要求1或4所述的散熱片集成式雙面冷卻的功率模塊，其中在所述模塊連接器的連接器本體上沿著接觸所述散熱片的所述連接器本體一部分的圓周安裝墊圈，以防止冷卻水的泄漏。
【文檔編號】H05K7/20GK103904911SQ201310122347
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】朱正弘, 張基永, 全禹勇, 申相哲 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社