混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器的製作方法

2023-06-10 16:12:11

專利名稱：混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種汽車用高溫逆變器。特別是涉及一種可以在超過175°C的結點溫度 下可靠工作，去除第二套冷卻循環系統，降低混合動力汽車的製造成本和維護成本的混 合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器。
背景技術：
目前的混合動力汽車逆變器的結點溫度要求不得高於150°(]，通常使用125°(:作為結點
溫度，而混合動力汽車大功率逆變器中的電流可高達上百安培，必會產生大量的熱量，
因此，必須在傳統汽車中的環路液體冷卻系統(散熱器內介質溫度高達105 。C)的基礎 上，在額外增加一套冷卻循環系統，必然增加混合動力車的製造成本和長期的維修保養 成本。因此，混合動力汽車的發展急需一種新的汽車逆變器，使其可以在更高的溫度(175 。C)下長期可靠的工作，從而去除第二套冷卻循環系統，降低混合動力汽車的製造成本。 顯然，要求逆變器在175°C以上的結點溫度下可靠工作，逆變器的整個封裝系統必 須具有高的高溫性能，並且要求能夠將晶片產生的熱量迅速疏導出去。當前汽車逆變器
的封裝模塊中的高壓電極是用金屬絲鍵合方法，因此熱量只能從模塊的單側被導走，嚴 重限制了模塊的熱性能。近些年來，已經發展了幾種不採用線連接而能提供雙面冷卻能 力的封裝技術。International Rectifier Corp. (IR)用一個固體銅片代替連接電源與 引線框的引線框式鍵合。Vishay Siliconix公司發明了一種功率連接的專利技術，來代 替功率M0SFETs中傳統的引線鍵合技術(用金屬線將銅引線框與晶片直接連接)。通用 電氣公司(GE)的研究者發明了用於封裝功率器件的薄膜功率搭接技術，他們薄膜沉積 後進行電鍍來進行晶片連接。Liang等人提出了與GE的功率搭接技術相似的嵌入式功率 技術。我們也曾提出了具有雙面冷卻能力的三維封裝技術，如倒裝焊、球柵陣列和旋渦 陣列連接技術。但是，上述的封裝技術均是使用釺料合金來進行功率晶片的連接，而釺 料合金的高溫性能限制了這些功率模塊在高溫下的應用。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種基於新型無鉛界面連接材料的低溫燒結技 術，具有雙面冷卻能力和優良耐高溫性能，可以在超過175°C的結點溫度下可靠工作， 從而去除第二套冷卻循環系統，降低混合動力汽車的製造成本和維護成本的混合動力汽 車雙面冷卻平面高溫逆變器。
本發明所採用的技術方案是 一種混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，包括有
主動開關晶片和二極體晶片，所述的主動開關晶片和二極體晶片並排設置於上層覆銅陶
3瓷基板和下層覆銅陶瓷基板之間，所述的主動開關晶片和二極體晶片與上層覆銅陶瓷基 板及下層覆銅陶瓷基板之間的界面通過燒結銀接頭而連接，所述的主動開關晶片、二極 管晶片、上層覆銅陶瓷基板和下層覆銅陶瓷基板之間的間隙填充有密封材料。
在所述的主動開關晶片和二極體晶片兩者中相對薄的晶片下面設置金屬墊片，使主 動開關晶片和二極體晶片兩者高度相等。
所述的上層覆銅陶瓷基板和下層覆銅陶瓷基板均是表面鍍鎳/銀的覆銅陶瓷基板。
所述的燒結銀接頭是採用納米銀膏在空氣中，無壓力或低壓力下實現低溫燒結，獲 得的高密度的銀燒結薄膜。
所述的密封材料為絕緣材料。
本發明的混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，在這種新型的混合動力汽車大功 率逆變器中，由於採用了具有雙面冷卻能力的平面功率模塊設計，並且界面連接材料為 具有優良導熱性能的高密度銀燒結薄膜，因此逆變器具有優異的散熱能力；並且銀的熔 點很高，因此逆變器可在更高的結點溫度下工作；又由於銀燒結薄膜具有較低的彈性模 量，這有利於降低熱循環下的熱應力導致的疲勞失效，從而提高模塊的可靠性。而且， 納米銀膏是無鉛材料。因此，本發明可降低混合動力汽車的製造和維護成本，具有無鉛 化，節能降耗且環保的特點，降低汽油等能源消耗，降低二氧化碳的排放，促進汽車工 業無鉛化的發展。


圖i是本^:'明的整體結構示意圖 圖2是圖i所構成的電路原理圖
其中
1:主動開關晶片 3:上層覆銅陶瓷基板 5:燒結銀接頭 7:金屬墊片
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明的混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器做出詳細 說明。
如圖1所示，本發明的混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，包括有主動開關芯
片1和二極體晶片2，所述的主動開關晶片1和二極體晶片2並排設置於上層覆銅陶瓷基 板3和下層覆銅陶瓷基板4之間，所述的主動開關晶片1和二極體晶片2與上層覆銅陶 瓷基板3及下層覆銅陶瓷基板4之間的界面通過燒結銀接頭5而連接，所述的主動開關 晶片l、 二極體晶片2、上層覆銅陶瓷基板3和下層覆銅陶瓷基板4之間的間隙填充有密
2: 二極體晶片
4:下層覆銅陶瓷基板
6:密封材料封材料6。所述的上層覆銅陶瓷基板3和下層覆銅陶瓷基板4均是表面鍍鎳/銀的覆銅陶
瓷基板。
所述的燒結銀接頭5是採用納米銀膏在空氣中，無壓力或低壓力下實現低溫燒結， 獲得的高密度的銀燒結薄膜。
所述的密封材料6為絕緣材料。
在所述的主動開關晶片1和二極體晶片2兩者的厚度不同，可在相對薄的晶片下面 設置金屬墊片7，使主動開關晶片1和二極體晶片2兩者高度相等，來確保所有接線端子 的連接性。所述的金屬墊片7可以採用銅片或其它的金屬薄片。
圖2所示，本實施例所述的主動開關晶片1是由兩個相同的Si模塊或SiC模塊的絕 緣柵雙極型電晶體或金屬氧化物半導體場效應管T1、 T2構成(即Si-IGBT，全矽模塊 的絕緣柵雙極型電晶體；SiC IGBT，碳化矽模塊的絕緣柵雙極型電晶體；Si-M0SFET， 全矽的金屬氧化物半導體場效應管；SiC-MOSFET，碳化矽的金屬氧化物半導體場效應管)， 所述的兩個相同的Si模塊或SiC模塊的絕緣柵雙極型電晶體或金屬氧化物半導體場效應 管Tl、 T2中一個管Tl/T2的發射極或源極與另一個管T2/T1的控制極或漏極相連構成， 而兩個管T1、T2中沒有相連的控制極或漏極構成正電源端，發射極或源極構成負電源端， 輸出端C位移兩個絕緣柵雙極型電晶體或金屬氧化物半導體場效應管之間。
所述的二極體晶片2是兩個相同的Si或SiC 二極體Dl、 D2，所述的兩個二極體Dl、 D2分別各連接在一個絕緣柵雙極型電晶體或半導體場效應管Tl/T2的漏極與源極之間共 同構成推拉輸出電路。
本發明的混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，.可通過晶片的兩個側面同時向外 傳導熱量，幫助降低熱膨脹係數的不匹配引起的熱-機械應力，使功率模塊可以在超過175 。C的結點溫度下可靠工作。本發明可降低混合動力汽車的製造和維護成本，對促進費用 低廉、節能降耗且環保的混合動力汽車產業的發展，降低汽油等能源消耗，降低二氧化 碳的排放等方面具有重大的意義。
權利要求
1.一種混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，包括有主動開關晶片(1)和二極體晶片(2)，其特徵在於，所述的主動開關晶片(1)和二極體晶片(2)並排設置於上層覆銅陶瓷基板(3)和下層覆銅陶瓷基板(4)之間，所述的主動開關晶片(1)和二極體晶片(2)與上層覆銅陶瓷基板(3)及下層覆銅陶瓷基板(4)之間的界面通過燒結銀接頭(5)而連接，所述的主動開關晶片(1)、二極體晶片(2)、上層覆銅陶瓷基板(3)和下層覆銅陶瓷基板(4)之間的間隙填充有密封材料(6)。
2. 根據權利要求1所述的混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，其特徵在於，在 所述的主動開關晶片(1)和二極體晶片(2)兩者中相對薄的晶片下面設置金屬墊片(7)， 使主動開關晶片(1)和二極體晶片(2)兩者高度相等。
3. 根據權利要求1所述的混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，其特徵在於，所 述的上層覆銅陶瓷基板(3)和下層覆銅陶瓷基板(4)均是表面鍍鎳/銀的覆銅陶瓷基板。
4. 根據權利要求1所述的混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，其特徵在於，所 述的燒結銀接頭(5)是採用納米銀膏在空氣中，無壓力或低壓力下實現低溫燒結，獲得 的高密度的銀燒結薄膜。 一
5. 根據權利要求1所述的混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，其特徵在於，所 述的密封材料(6)為絕緣材料。
全文摘要
本發明公開一種混合動力汽車雙面冷卻平面高溫逆變器，有主動開關晶片和二極體晶片，主動開關晶片和二極體晶片並排設置於上層覆銅陶瓷基板和下層覆銅陶瓷基板之間，主動開關晶片和二極體晶片與上層覆銅陶瓷基板及下層覆銅陶瓷基板之間的界面通過燒結銀接頭而連接，主動開關晶片、二極體晶片、上層覆銅陶瓷基板和下層覆銅陶瓷基板之間的間隙填充有密封材料。在主動開關晶片和二極體晶片兩者中相對薄的晶片下面設置金屬墊片，使主動開關晶片和二極體晶片兩者高度相等。本發明具有優異的散熱能力；可在更高的結點溫度下工作；模塊的可靠性高；可降低混合動力汽車的製造和維護成本，具有無鉛化，節能降耗且環保的特點，降低汽油等能源消耗，降低二氧化碳的排放。
文檔編號H05K7/20GK101594067SQ200910069440
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者徐連勇, 荊洪陽, 陸國權 申請人:天津大學