CN105900230A - 用于电力电子部件的基板，设置有这样的基板的电力模块，以及相应的制造方法 - Google Patents

Abstract

用于电力电子部件的基板，设置有这样的基板的电力模块，以及相应的制造方法。用于电力电子部件的所述基板包括共同层叠的多层复合材料，该共同层叠的多层复合材料具有至少一个内层(8)和外层(6，7)，所述至少一个内层(8)由具有根据所述部件的膨胀系数选择的热膨胀系数的材料制成，所述外层由导热材料制成并在任一侧上盖住所述内层并通过由导热材料制成的井状部(P)连接在一起，所述井状部被布置在所述内层中。每个内层形成位于用于安装所述部件的区域中插入件以使得所述外层侧向地延伸超过所述插入件。

Description

用于电力电子部件的基板，设置有这样的基板的电力模块， 以及相应的制造方法

技术领域

通常地，本发明涉及电力电子设备的领域，更特别地涉及用于电力电子部件的基板。

本发明还涉及电力电子模块以及用于制造这样的基板的方法。

背景技术

电力模块是尤其地用来控制高功率负载，例如控制电机的电子模块。

它们的使用趋向于例如在机载飞行器或机动车辆上增加。

电力电子模块包括电力电子部件，特别地电子芯片，由硅或另一半导体例如氮化镓、碳化硅等制成，其被安装在尤其地允许所述部件被冷却的基板上。

电力电子部件故障的主要来源之一与一方面通常由铜制成的基板的热膨胀和另一方面电子芯片的热膨胀之间的差异有关，所述电子芯片的膨胀系数通常是所述铜的膨胀系数的三分之一。电子部件的功率和工作频率的连续增加已经导致越来越高的热量损耗，其已经增加了电力电子部件和基板的工作温度。基板和部件的不同的冶金特性导致它们的与热有关的热性能的差异。因此，温度增加在焊接区域产生相当大的剪切应力，其可引起芯片/基板组件的降级或者甚至破坏。

为了硅芯片正确地操作以及为了它的寿命，尽可能多地移除热是必要的。虽然铜充分地执行了它的作为导热体的作用，但是它的线性膨胀系数比硅或其它目前使用的半导体的线性膨胀系数高三倍，其对芯片/基板结合是不利的。

由此，基板应当具有良好的导热性和甚至导电性以及低于和类似于在基板的平面中的玻璃或硅的线性膨胀系数的线性膨胀系数。然而，这两个特性自然是矛盾的。具体地说，除了金刚石之外，在元素周期分类表中没有材料结合了导热性和低膨胀的这两个特性。

为了该原因其他基板已经被研发。

由此，已经建议使用基于金属基质复合材料(MMC)的基板。例如，已经建议使用铝/碳化硅[2,3,6],铜/碳化硅[5],铜/金刚石[1,2,4],铜/碳(纤维)[1,3,8]等。这些材料的制造非常复杂并且成本价格高。通常地，制作的部分此外必需具有基板的最终尺度，因为机加工几乎是不可能的，意味着必需使用一次使用的制造方法，该制造方法由于它们的低的生产率提供了小的投资回收率。

还采用了共同层叠的基板，该基板包括由导热金属制成的两个外层，该两个外层被放置在由具有低的膨胀性的材料制成的内层的任一侧上。共同层叠的基板已经由铜/钼/铜[2,3,7],铜/钼-铜合金/铜[2,3,7]或者铜/低膨胀的铁-镍合金/铜[9]的层制成。虽然它们具有低的膨胀系数，然而它们在热移除的方向上的导热性不是令人满意的。具体地说，内层形成热屏障。这样的特别是此情况，例如(因瓦合金)，其导热性比铜的导热性低二十倍。

还已经建议使用包括由因瓦合金制成的内层和由导热材料例如铜或铜合金制成的外层的多层复合材料，所述外层被放置在内层的任一侧并且也由导电材料制成并且被布置在内层中的井状部(well)连接在一起，以便产生热桥接部，允许热穿过内层移除，即使它具有低的热膨胀系数。

在这点上，读者可参照文献FR 09 56 865，其描述了这样的多层复合材料。

这样的材料通过共同层叠所述内层和外层得以产生。

已经注意到，这样的材料，虽然它允许在导热性和线性膨胀系数之间获得最好的兼顾，然而具有主要缺点，即不利于它用作特别是在汽车中、铁路领域、航空电子设备领域以及工业机械领域中的电力电子模块基板。

具体地说，虽然在共同层叠期间施加的高压力，以及最终的塑性变形，使得可以获得面向内层和外层的平行于叠层平面的表面的那些之间的原子结合，以及使板材中的接触平面中的微粗糙度增密，在内层中产生的以便接收所述热桥接部的孔的侧表面，其平行于所述成叠力安置，形成在原子结合中的弱点并且这些层的机械凝聚(cohesion)易于在这些区域中更弱。

已经特别地观察到因瓦合金层和外铜层之间的结合在这些区域中较弱。

因瓦合金层和铜外层之间的结合特别地易于在其中基板打算弯曲的区域中断裂。热桥接部的存在是在宏观尺度上的应力奇点以及在所述孔的壁上的微观尺度的所述内层和外层的固态结合的低质量在弯曲操作期间加重了局部脆弱。

然而，时常，用于电力电子模块的基板的制作必然伴有成形，尤其地弯曲，所述基板以便为连接到机电子组件做准备。这样的成形操作尤其地是要求的以建立用于电力模块的电气输入端和输出端，避免需要机械地连接或焊接这些输入端或输出端，其另外会导致附加的非可以忽略的成本和电气不连续性的风险。

发明内容

本发明的目的是要减轻该缺点并要提供一种用于电力电子部件的基板，其由共同层叠的多层复合材料制成，该基板具有在它的整个面积内的良好的导热性和导电性以及，在打算接收电子芯片的区域中，线性膨胀系数接近硅或任何其他半导体的线性膨胀系数，该基板在宽的温度范围内是可用的并且由此具有比目前可用的基板的寿命长的多的寿命。

本发明的另一个目的是要提供这样的基板，其还保证多层材料的层之间的凝聚。

因此，根据第一方面的本发明的主题是用于电力电子部件的基板，包括共同层叠的多层复合材料，该共同层叠的多层复合材料具有至少一个内层和外层，所述至少一个内层由具有根据所述部件的膨胀系数选择的热膨胀系数的材料制成，所述外层由导热材料制成并在任一侧上盖住所述内层并通过由导热材料制成的井状部被连接在一起，所述井状部被布置在所述内层中。

每个内层形成一插入件，该插入件位于用于安装所述部件的区域中以使得外层侧向地延伸超过所述插入件。

换句话说，穿过低热膨胀系数的内层在导热的外层之间延伸的热井状部能使热移除。然而，低热膨胀系数的材料和导热材料的井状部仅被放置在电子部件之下以使得，在侧向上，没有插入件的外层的共同层叠在这些层之间产生了足够强以使得保持弯曲的能力并成形所述基板的机械结合。

例如，内层的材料选自于因瓦合金，低膨胀系数的铁-镍合金，钼和它的合金，铌和它的合金，以及钨和它的合金。

根据根据本发明的基板的另一个特征，外层和/或井状部的导电材料包括至少一种金属，其选自于铜和它的合金，银和它的合金以及铝和它的合金。

根据根据本发明的基板的再一个特征，至少一个外层包括至少一个第一区域，其中所述层侧向地延伸超过内层，具有第一厚度以及至少一个第二区域，该至少一个第二区域定位在用于安装所述部件的区域中，具有小于所述第一厚度的第二厚度。

例如，外层，其在任一侧上盖住所述内层，每个包括具有所述第一和第二厚度的区域。

作为变型，外层中的一个，其盖住所述内层的面之一，包括具有所述第一和第二厚度的区域，另一个外层被层叠并具有恒定的厚度。

例如，桥接部周期性地分布在所述材料中。

例如可提供每单位面积的井状部的比例小于35％。

根据第二方面，本发明的主题还是一种电力模块，该电力模块包括基板和电力电子部件，该电力电子部件在用于安装这些部件的一些区域中被安装在所述基板上，所述基板包括共同层叠的多层复合材料，该多层复合材料具有至少一个内层和外层，所述至少一个内层由具有根据所述部件的膨胀系数选择的热膨胀系数的材料制成，所述外层由导热材料制成并在任一侧上盖住所述内层并且通过由导热材料制成的井状部被连接在一起，所述井状部被布置在所述内层中。

每个内层形成一插入件，该插入件仅被定位在用于安装所述部件的区域中以使得所述外层侧向地延伸超过所述插入件。

根据该电力模块的另一特征，该基板包括弯曲区域。在这些弯曲区域中，外层在没有插入件的情况下被共同层叠。

换句话说，在用于安装所述部件的区域的外侧，所述外层在没有插入件的情况下被共同层叠。

最后，根据第三方面，本发明的主题还是一种用来制造用于电力电子部件的基板的方法，包括以下步骤：

-将具有根据所述部件的热膨胀系数选择的热膨胀系数的材料的第一层定位在外层之间，该外层由导热材料制成以使得材料的第一层形成位于用于安装所述部件的区域中的插入件以及以使得所述外层通过由导热材料制成的井状部被连接在一起，所述井状部被布置在所述第一层中，以及以使得所述外层侧向地延伸超过所述插入件；以及

-经由穿过轧制机的间隙的通路共同层叠所述内层和外层。

附图说明

本发明的其他目的，特征和优点将在阅读以下仅借助于非限制性例子并参照附图给出的说明书时将变得是显而易见的，在附图中：

-图1是根据本发明的用于电力电子模块的基板的横截面视图；

-图2是部分剖开的图1的基板的透视图；

-图3和4示出根据本发明的基板的一个实施例；

-图5示意性地示出在弯曲之后图1的基板；

-图6和7示出根据本发明的基板的另一个实施例；

-图8示出根据本发明的基板的变型的实施例；

-图9是示出根据本发明和根据现有技术的通过承载它的芯片经受严重的热应力的基板的各个区域的温度的直方图；以及

-图10是示出根据本发明和根据现有技术的基板中的应力水平的直方图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的基板，其由通用的附图标记1表示。

基板用来形成电力电子模块的元件，所述电力电子模块例如为包括电力电子部件2和3的电力模块，所述电力电子部件例如为晶体管和二极管，借助于焊剂4和5的层被分别安装在基板1上。

如可看到的，基板1包括由在此情况下的金属的导电材料制成的两个外层6和7，这些层被布置在由具有低的热膨胀性的材料制成的内层8的任一侧上。

外层6和7优选地由铜制成由此提供在所述层的平面中的优秀的导热性和导电性因此确保热密度和电流密度均匀分布。

然而，作为变型，外层6，7还可由铜合金、银或银合金或铝和它的合金制成。

内层8本身包括由具有低热膨胀即类似于硅的低热膨胀的材料制成的层，以便获得与安装在基板1上的部件2和3的热膨胀系数对应的热膨胀系数。

然而，可看到，内层8穿孔有形成井状部P的通道，用于快速地导热。这些通道填充有很高的导热性的材料由此形成热桥接部。因此，将理解到,填充所述通道的材料局部地替换内层的材料。换句话说，基板局部地包括热桥接部，其由在外层6和7之间延伸的井状部形成。这样的井状部，有利地有规律地分布在内层8中，可通过穿孔所述内层或通过机加工得以获得，如将在下面描述的。然而，将注意到，在一个实施例中，每单位面积的井状部的比例有利地小于35％。

热桥接部有利地将由与用来制作外层的材料相同的材料制成。

关于用来制作内层8的材料，将注意到，可以使用钼，铌等或者具有低膨胀系数的金属合金，例如因瓦合金。

通常地，这些材料能够很好地形成与铜的冶金冶金结合。

钼具有适合于预想的使用的热机械特性。特别地，问题在于在平均温度下的高熔点、高弹性模数、高机械强度，在许多介质中的良好的导电性和导热性、低的膨胀系数和优秀的耐腐性。基于铜-钼的其他组成物，例如共同叠层("Cu/Mo/Cu"和"Co/Mo₇₀Cu₃₀/Cu")也可被用于这样的机电一体化应用，作为电力模块基板。

替代地，如上所示的，可以使用因瓦合金来制作所述内层。问题在于FeNi_(36％)合金与在从大约–100℃到+100℃延伸的非常宽的温度范围内的非常低的热膨胀性有关。该合金不仅被用于该特定特性而且用于它的机械特性。

然而，如图1和2示出的，特别地图2，其中C，E和T分别指示共同层叠方向，基板的厚度和基板的横向方向，内层定位在区域Z的位置，用于安装部件2和3。因此，该内层形成仅位于该区域中的插入件，以使得在侧向上，即，在所述区域的每个侧面上，用于安装所述部件2和3，所述基板仅包括两个共同层叠的外层，其因此具有足够强以允许基板弯曲的原子结合。

现在参照图3和4，刚已经描述的基板通过共同层叠外层6和7和定位的内层8进行制作。

首先，外侧6或7被形成为以便获得具有两个厚度的层，即，包括第一侧向区域9，具有第一厚度，其用来侧向地延伸超过所述内层，以及具有小于第一厚度并用来接收所述内层8的第二厚度的区域10。

问题会是执行材料移除步骤，例如通过切割，或者在第二区域10的位置中执行锤击和/或轧制操作。

层6和7然后被放置成彼此面对，内层8放在当中，然后组件被层叠以便在热桥接部具有区域的任一侧上获得仅从共同层叠的铜层制作的区域，因此允许所述基板弯曲以及特别地所述基板以小的半径R弯曲而没有损坏由共同层叠制作(图5)的固态结合。

在参照图3和4描述的示例实施例中，基板包括单个插入件8。当然，本发明的范围没有被超过，如果所述基板包括一系列这样的插入件(图6和7)。

同样地，参照图8，其中与图3和4中相同的元件已经被给出相同的附图标记，还可以由外侧和以及通过轧制制成并具有恒定厚度的相反层7制作基板，所述外层包括不同厚度的两个区域9和10以便形成印记(imprints)，该印记能够接收由具有根据电子部件的膨胀系数选择的热膨胀系数的材料制成的插入件。

如以上所述的，制作用于具有内层的电力电子部件的基板允许获得良好的导热性和导电性以及接近所述部件的线性膨胀系数的线性膨胀系数，其中所述内层设置有热桥接部并定位在所述区域的位置中用于安装所述部件。此外，在其中基板打算弯曲的区域Z’中，基板没有插入件以使得外层被共同层叠，从而允许获得足以允许基板弯曲的原子结合。

图9示出在图1中的基板的不同位置处的尤其地在晶体管芯片2的、二极管3的、芯片2的焊剂4的水平的、二极管3的焊剂5的水平的、基板1和对于所有这些元件的水平的位置中的平均温度的变化。该直方图示出在图1中的区域A中的即在部件之下的温度值，在临近区域A的区域B中的温度值，以及从区域B侧向位移的区域C的温度值。

将观察到，将低膨胀系数材料限制在所述部件之下没有改变基板的热性能。

同样地，图10，其示出在基板的区域A，B和C中的西格玛.米塞斯应力的变化，示出了没有基板的机械特性的相当大的改变是通过使低膨胀材料位于电子部件之下引起的。

Claims (12)

1.一种用于电力电子部件的基板，包括共同层叠的多层复合材料，该共同层叠的多层复合材料具有至少一个内层(8)和外层(6，7)，所述至少一个内层由具有根据所述部件的膨胀系数选择的热膨胀系数的材料制成，所述外层由导热材料制成并在任一侧上盖住所述内层并通过由导热材料制成的井状部(P)被连接在一起，所述井状部被布置在所述内层中，其特征在于，每个内层形成一插入件，该插入件位于用于安装所述部件的区域中以使得所述外层侧向地延伸超过所述插入件。

2.如在权利要求1中所述的基板，其中内层的材料选自于包括因瓦合金、低膨胀系数的铁-镍合金、钼和它的合金、铌和它的合金以及钨和它的合金的组。

3.如在权利要求1和2之一中所述的基板，其中所述外层和/或井状部的传导材料包括选自于铜和它的合金、银和它的合金以及铝和它的合金的至少一个金属。

4.如在权利要求1到3之一中所述的基板，其中至少一个外层包括至少一个第一区域，其中所述层侧向地延伸超过内层，具有第一厚度，以及至少一个第二区域，该至少一个第二区域位于用于安装所述部件的区域中，具有小于第一厚度的第二厚度。

5.如在权利要求4中所述的基板，其中在任一侧上盖住所述内层的外层每个都包括具有所述第一和第二厚度的区域。

6.如在权利要求4中所述的基板，包括盖住所述内层的面之一并且包括具有所述第一和第二厚度的区域的外层，以及具有恒定的厚度的层叠的外层。

7.如在权利要求1到6的任一项中所述的基板，其中所述井状部被周期性地分布在所述材料中。

8.如在权利要求1到7的任一项中所述的基板，其中每单位面积的井状部的比例小于35％。

9.一种电力模块，包括基板(1)和电力电子部件(2，3)，该电力电子部件被安装在基板上的位于用于安装这些部件的区域(Z)中，所述基板包括共同层叠的多层复合材料，该多层复合材料具有至少一个内层(8)和外层(6，7)，所述至少一个内层(8)由具有根据所述部件的膨胀系数选择的热膨胀系数的材料制成，所述外层由导热材料制成并在任一侧上盖住所述内层并通过由导热材料制成的井状部(P)被连接在一起，所述井状部被布置在所述内层中，其特征在于，每个内层形成一插入件，该插入件仅位于用于安装所述部件的区域中以使得所述外层侧向地延伸超过所述插入件。

10.如在权利要求9中所述的模块，其中所述基板包括弯曲区域(Z’)以及其中在所述弯曲区域中，所述外层被共同层叠。

11.如在权利要求9和10之一中所述的模块，其中，在用于安装所述部件的区域外侧，所述外层被共同层叠。

12.一种用来制造用于电力电子部件的基板的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

-将具有根据所述部件的热膨胀系数选择的热膨胀系数的材料的第一层(8)定位在外层(6，7)之间，该外层由导热材料制成以使得材料的第一层形成位于用于安装所述部件的区域(Z)中的插入件以及以使得所述外层通过由导热材料制成的井状部被连接在一起，所述井状部被布置在所述第一层中，以及以使得所述外层侧向地延伸超过所述插入件；以及

-经由穿过轧制机的间隙的通路共同层叠所述内层和外层。