用于直接基板冷却的具有分布式支撑的逆变器功率模块

摘要

本发明提供用于直接基板冷却的具有分布式支撑的逆变器功率模块的系统和/或方法。一种逆变器模块包括功率电子基板。第一支撑框架适于容纳功率电子基板，并具有适于允许功率电子基板直接冷却的第一区域。在功率电子基板与第一支撑框架之间插设垫圈。所述垫圈构造成在第一区域与功率电子基板之间提供密封。第二支撑框架适于容纳功率电子基板并接合至第一支撑框架而形成所述密封。

说明书

有关联邦资助研发的声明

如美国能源部颁布的条款DE-FC26-07NT43123所规定的，美国政府对于本发明具有无偿许可并具有在有限条件下要求专利所有人以合理条款许可他人实施的权利。

技术领域

这里所说明的主题的实施方式一般来说涉及功率电子模块，更具体地说该主题的实施方式涉及适于与直接基板冷却方法一起使用的逆变器功率模块。

背景技术

许多电子器件在消耗电能时作为副作用而发热。过热往往会影响电子器件的性能及稳定性，因而电子设备例行进行冷却以防止过热。

在大多数功率电子应用中，在期望有效散热的情况下使用散热片。散热片通过热接触吸收并耗散来自电子器件的热。例如，可将散热片焊接或安装至功率电子基板以冷却该基板。在更大功率应用中，通常增大散热片的尺寸以提高其热容量。增大散热片的尺寸会导致相应功率电子模块的成本、重量和体积增大。从封装角度来说，功率电子模块的重量和体积增大是不期望的。例如，在汽车应用中，护罩下的封装空间有限，并且增大车辆重量是不期望的。

可采用另选冷却方法来冷却功率电子基板。然而，这些冷却方法产生的压力或作用力有可能致使功率电子基板挠曲，这会潜在地引起功率电子基板弯曲或断裂。

发明内容

提供一种用于车辆中所用的功率模块的设备。所述功率模块包括功率电子基板和适于容纳所述功率电子基板的第一塑料框架。第二塑料框架适于容纳所述功率电子基板。所述第一塑料框架和所述第二塑料框架适于接合在一起以支撑所述功率电子基板。所述功率电子基板布置在所述第一塑料框架和所述第二塑料框架之间，使得当所述第一塑料框架和所述第二塑料框架接合在一起时在所述第一塑料框架与所述功率电子基板之间形成密封。

提供一种用于构造逆变器功率模块的方法。该方法包括在第一塑料支撑框架和第二塑料支撑框架之间对齐功率电子基板。所述第一塑料支撑框架和所述第二塑料支撑框架适于容纳所述功率电子基板。该方法还包括将所述第一塑料支撑框架和所述第二塑料支撑框架压缩在一起以在所述第一塑料支撑框架和所述功率电子基板之间形成密封，以及接合所述第一塑料支撑框架和所述第二塑料支撑框架。

提供一种用于逆变器模块的设备。该逆变器模块包括功率电子基板。第一支撑框架适于容纳所述功率电子基板并具有适于允许所述功率电子基板直接冷却的第一区域。在所述功率电子基板与所述第一支撑框架之间插设垫圈。该垫圈构造成在所述第一区域与所述功率电子基板之间提供密封。第二支撑框架适于容纳所述功率电子基板并接合至所述第一支撑框架以形成所述密封。

提供该发明内容部分从而以简化方式介绍可供选择的思想，并且以下在具体实施方式中对此进一步说明。该发明内容部分并不意图确定所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不意图用于辅助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

参照详细说明和权利要求，结合下面的附图来考虑，将会更彻底地理解本主题，其中在所有附图中，相同附图标记指代相似元件。

图1是根据一个实施方式的示例性功率模块的立体图；

图2是根据一个实施方式的图1的功率模块的分解立体图；

图3是根据一个实施方式的图1的功率模块的俯视图；

图4是根据一个实施方式的图1至图3的功率模块的沿着线4-4的侧剖视图；以及

图5是根据一个实施方式的示例性逆变器功率模块的分解立体图。

具体实施方式

以下详细说明本质上仅是例示性的，并不意图限制本主题的实施方式或者这类实施方式的应用和使用。用在本文中时，词语“示例性”是指“作为实施例、示例或例示”。这里作为示例性的所述的任何实施并不必定解释为优于或胜于其它实施。而且，并不意图受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细说明所提供的明确或暗含理论的约束。

此外，在以下说明中还可能仅为参考之目的而使用某些术语，因而这些术语并不旨在进行限制。例如，术语“上”、“下”、“顶”、“底”之类的术语是指进行参照的图中的方向。这些术语可包括以上具体提到的词语、其派生以及具有类似含义的词语。类似地，除非上下文中清楚表明，否则术语“第一”、“第二”以及涉及结构的其它此类数词并不暗含顺序或次序。

这里所述的术语和概念通常涉及适用于直接基板冷却的功率模块。塑料支撑框架适于容纳功率电子基板并至少在功率电子基板的一部分周围形成密封，以允许基板暴露表面的直接冷却。可利用十字支撑和/或内接头以横过功率电子基板的表面提供附加结构刚度，从而允许按期望从功率模块的一侧或多侧进行功率电子基板的直接基板冷却。

现在参照图1至图4，在一个示例性实施方式中，功率模块100包括但不限于功率电子基板102、第一支撑框架104、第二支撑框架106以及密封件108。应当理解，为了清楚和易于说明，图1至图4示出了功率模块100的简化图示，并且这决不意图限制本主题的范围。在示例性实施方式中，功率电子基板102布置在由支撑框架104、106限定的内区110中。密封件108插设在第一支撑框架104和功率电子基板102之间。在示例性实施方式中，如以下更详细说明的那样，支撑框架104、106适于接合在一起以在功率电子基板102和支撑框架104、106之间形成密封，并在存在直接基板冷却方法的情况下减小功率电子基板102的挠曲。在优选实施方式中，支撑框架104、106接合在一起，使得在支撑框架104、106和功率电子基板之间保持压缩密封。

在示例性实施方式中，功率电子基板102实现为直接敷铜(DBC)基板。在这样的实施方式中，功率电子基板102具有：具有电轨迹和/或连接性(例如电热(electrically hot))的蚀刻铜表面层；包括陶瓷材料的非导电中间层；以及可蚀刻或电连接或者可不蚀刻或电连接(例如电冷(electrically cold)的另一铜表面层。在另一实施方式中，如本领域所理解的，可使用其它合适的基板材料，例如直接敷铝(DBA)、绝缘金属基板(IMS)或裸铜。在示例性实施方式中，功率电子基板102具有电热表面，该电热表面包括用于功率逆变器的电轨迹和电路，所述功率逆变器例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和其它合适元件。如以下所述，在示例性实施方式中，功率电子基板102的至少一部分表面暴露于冷却剂和/或邻近和/或接近相应支撑框架104、106的冷却机构。

在示例性实施方式中，支撑框架104、106适于容纳功率电子基板102。在示例性实施方式中，支撑框架104、106构造成在接合在一起时使得内区110容纳和/或基本上包围功率电子基板102，并限制功率电子基板102相对于支撑框架104、106的移位。用在这里时，内区110应当理解为当支撑框架104、106接触时位于支撑框架104、106之间和/或由支撑框架104、106界定的区域或空间。例如，如图2和图4所示，各支撑框架104、106可包括构造成抵接功率电子基板102的周边的支撑特征件，例如在支撑框架104、106中形成的唇部或肩部。在示例性实施方式中，支撑框架104、106实现为适于接合的注射成型塑料框架，使得支撑框架104、106为功率模块100提供机械强度并/或支撑功率电子基板102。根据一个实施方式，如以下所述，支撑框架104、106适于通过激光焊接接合。

在示例性实施方式中，各支撑框架104、106包括并/或限定暴露区域112、114，暴露区域112、114适于允许访问并/或直接冷却功率电子基板102的与暴露区域112、114大致对齐的部分。暴露区域112、114可实现为支撑框架104、106中的切口或孔洞，所述切口或孔洞允许冷却剂或直接基板冷却方法与功率电子基板102的与暴露区域112、114大致对齐的表面相互作用。

在示例性实施方式中，支撑框架104、106提供横过功率电子基板102的结构刚度以在存在直接基板冷却方法的情况下减少或防止挠曲。就此而言，各支撑框架104、106可包括与暴露区域112、114相交的十字支撑件116、118以提供附加结构刚度以及横过功率电子基板102的分布式支撑。在示例性实施方式中，十字支撑件116、118形成在相应的支撑框架104、106中。例如，在注射成型塑料支撑框架104、106的情况下，可在相应的支撑框架104、106所用的模具中限定十字支撑件116、118。

在示例性实施方式中，支撑框架104、106适于使得当接合在一起时绕暴露区域112、114形成密封。在示例性实施方式中，密封件108与第一支撑框架104的暴露区域112对齐，并构造成在功率电子基板102与支撑框架104、106之间绕暴露区域112、114形成密封。

在示例性实施方式中，密封件108与第一支撑框架104的暴露区域112的周边大致对齐。如图2中最佳可见，密封件108具有与第一支撑框架104中形成的矩形支撑特征件(例如肩部或唇部)相对应的大致矩形的外周。应当理解，尽管图1至图4可在大致矩形特征的上下文中被描述，但是这里所述的主题并不限于任何特定的几何配置。密封件108还可包括与十字支撑件116大致对齐的十字构件。根据该实施方式，如本领域中应理解的，密封件108可实现为压缩垫圈、O形环、冠密封件(crown seal)、液态密封垫、或能够容纳流体并/或防止流体泄漏的其它合适的机械密封件。根据一个实施方式，如以下所述，密封件108与支撑框架104一体形成(例如现场注塑密封件)。应当理解，尽管未示出，在另选实施方式中，可以以与这里就密封件108所述类似的方式在功率电子基板102与第二支撑框架106之间插设第二密封件。因而，应当理解，尽管这里可以根据在第一支撑框架104与功率电子基板102之间具有单独密封件108来说明功率模块100，但是这样的说明应理解为以等同方式适用于结合有第二支撑框架106与功率电子基板102之间所插设的第二密封件的另选实施方式。

在示例性实施方式中，可通过将支撑框架104、106接合在一起以支撑并/或包封功率电子基板102来形成功率模块100。根据一个实施方式，支撑框架104、106绕功率电子基板102的周边或在其附近接合。支撑框架104、106还可在一个或多个内部点120(例如，在暴露区域112、114内沿十字支撑件116、118)处接合，以提供横过功率电子基板102的分布式支撑。就此而言，第一支撑框架104可包括穿过功率电子基板102及/或密封件108伸出的一个或多个销122，从而能够使支撑框架104、106在与销122对齐的内部点120处接合。在示例性实施方式中，功率电子基板102和密封件108包括构造成与销122对齐的切口区或内部孔洞124、126。在本领域中应当理解，销122和/或内部点120的数量、形状和配置可按期望变化，并且图1至图4决不意图限制本主题的范围。

在示例性实施方式中，通过在第一支撑框架104与第二支撑框架106之间对齐功率电子基板102来构造功率模块100。例如，功率电子基板102的内部孔洞126可与第一支撑框架104的销122对齐。根据一个实施方式，密封件108也在第一支撑框架104与功率电子基板102之间对齐(例如，通过使内部孔洞124与销122对齐)。在示例性实施方式中，第一支撑框架104与第二支撑框架106压缩在一起，以在支撑框架104、106与功率电子基板102之间形成密封。当第一支撑框架104抵靠功率电子基板102压缩时，密封件108在第一支撑框架104与功率电子基板102之间绕暴露区域112提供密封。压缩密封件108而产生的反作用力可在功率电子基板102与第二支撑框架106之间形成齐平界面。如本领域中应理解的那样，根据第二支撑框架106所选用的材料类型，该平齐界面还可在功率电子基板102与第二支撑框架106之间建立密封。在示例性实施方式中，支撑框架104、106在被压缩或者说处于压缩力下时接合，使得长期保持密封(例如，功率模块100保持处于压缩状态)。

在示例性实施方式中，通过利用激光焊接处理来接合支撑框架104、106从而构造功率模块100。激光焊接处理形成接缝130(例如激光焊缝)，该接缝130在支撑框架104、106直接接触的部位维持支撑框架104、106上的压缩力。就此而言，为了能够进行激光焊接，第二支撑框架106可基本上透明或半透明，第一支撑框架104可基本上不透明或者包括颜色较暗的材料(例如黑色)。在这样的实施方式中，第一支撑框架104吸收透过第二支撑框架106及/或内部孔洞124、126引导的激光能，使得激光能加热支撑框架104、106的接合处，并熔化支撑框架104、106中的塑料材料以形成激光焊缝130。就此而言，支撑框架104、106可构造成与功率电子基板102的周边交叠，从而绕功率电子基板102的周边进行激光焊接。在另选实施方式中，接缝130可通过利用超声焊、摩擦焊或其它合适的结合技术接合支撑框架104、106而形成。另选的是，可利用维持支撑框架104、106上的压力的其它手段来形成密封(例如紧固件)而无需将支撑框架104、106结合在一起。

根据一个实施方式，可将冷却机构接合至支撑框架104、106中的任一个或二者，以便为功率电子基板102的与暴露区域112、114对齐的表面部分提供直接冷却。用在这里时，直接冷却应理解为是指将冷却剂施加至(或者另选的是，将冷却剂流引向)功率电子基板102的表面的处理和/或方法。就此而言，冷却剂可与功率电子基板102直接接触而没有任何居间层。例如，冷却机构可接合至支撑框架104，并适于经由暴露区域112向功率电子基板102的接近支撑框架104的暴露表面提供射流冲击冷却。射流冲击冷却应当理解为是指利用射流向功率电子基板102的表面提供并/或引导冷却剂流体流的处理。如本领域中应当理解的，若冷却功率电子基板102的电热表面，则冷却机构可利用并/或提供电介质冷却剂，或者若冷却功率电子基板102的电冷表面，则可利用其它合适的冷却剂(例如散热器冷却剂)。

现在参照图5，在示例性实施方式中，逆变器功率模块500可适于直接基板冷却。逆变器功率模块500包括但不限于功率电子基板502、底部支撑框架504以及顶部支撑框架506。逆变器功率模块500的这些元件与以上参照图1至图4所述的功率模块100中的对应元件类似，并且这里不针对逆变器功率模块500对这些通用元件详细地进行多余描述。

在示例性实施方式中，底部支撑框架504包括一个或多个密封机构508，该密封机构508与支撑框架504成一体并绕一个或多个暴露区域512的周边，所述暴露区域适于允许功率电子基板502的底面的一部分与暴露区域512对齐从而露出以用于直接基板冷却。在示例性实施方式中，功率电子基板502布置在支撑框架504、506之间，支撑框架504、506又被压缩并接合而在底部支撑框架504和功率电子基板502之间绕暴露区域512形成密封。根据一个实施方式，支撑框架504、506通过一个或多个接缝530绕暴露区域512的周边接合。

在示例性实施方式中，底部支撑框架504包括适于直接基板冷却(例如射流冲击冷却)的一个或多个开口540。冷却机构可与底部支撑框架504成一体并/或接合至底部支撑框架504并对齐，从而使得该冷却机构通过开口540向功率电子基板502提供冷却剂。就此而言，顶部支撑框架506的十字支撑件518防止功率电子基板502由于横过基板502的相对表面的外界压力差引起的力而向上挠曲(例如朝向顶部支撑框架506)。尽管未示出，但如本领域中应理解的，还可进一步修改支撑框架504、506以允许从逆变器功率模块500的顶部进行直接基板冷却(例如，通过向底部支撑框架504增设十字支撑件)，并且图5决不意图限制本主题的范围。

上述方法和/或系统的一个优点在于可不使用散热片而冷却功率电子基板。塑料支撑框架的使用降低了功率模块的总体成本和重量。塑料支撑框架可绕功率电子基板的周边以及在内部点处接合，以提供横过基板的结构刚度，并防止沿任一方向挠曲，直接基板冷却方法否则有可能引起所述挠曲。支撑框架可以是具有一体密封件或垫圈的注射成型塑料，并且适于激光焊接。

尽管在以上详细说明中提出了至少一个示例性实施方式，但是应当理解存在大量变形。还应当理解，这里所述的示例性实施方式或多个示例性实施方式决不意图限制所要求保护的主题的范围、应用或构造。而且，以上详细说明会为本领域技术人员提供用于实施所述实施方式或多个所述实施方式的便捷指示。应当理解，在不背离权利要求所限定的范围的情况下，可对元件的功能和配置进行多种变化，这包括等同物以及提交该专利申请时可预见的等同物。