車輛的電子組件的製作方法

2023-04-23 01:28:26

專利名稱：車輛的電子組件的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及車輛的電子組件，更具體地，涉及用於車輛的功率逆變器組件的 熱界面並涉及用於製造這種組件的方法。
背景技術：
電動和混合動力電動車輛經常使用高壓源，例如輸送直流(DC)電以驅動車輛馬 達、電力牽引系統(ETS)和其他車輛系統的蓄電池組或燃料電池。功率逆變器通常用於將 DC源信號轉換成交流(AC)信號，該交流信號被引導至例如電力牽引機或其他AC系統。因 為這種系統經常使用相當大量的功率，所以包括絕緣門雙極結電晶體(IGBT)模塊和功率 二極體的逆變器內的很多部件會生成大量的熱。因此，逆變器內的其他伴隨部件(例如，柵 極驅動電路板)經常暴露在高溫下，尤其是在峰值功率要求期間。因為很多電子部件的性能特性會受到高溫的影響，所以功率逆變器通常包括冷卻 系統來耗散熱。這種冷卻系統通常包括具有大的熱質量的散熱器，散熱器可採取歧管的形 式，該歧管熱聯接到車輛的主冷卻系統並構造用於冷卻各個部件。例如，柵極驅動電路板通 常通過預成型彈性熱界面連接墊而熱聯接到散熱器表面，所述墊位於板和散熱器之間。電 路板然後通常抵抗下面墊的彈力而緊固到散熱器，從而固定電路板並通過壓縮墊而提高熱 接觸。然而在這種情況下，由於墊和板的通常高度不規則的表面之間不相符合，所以會妨礙 熱傳遞。因此，希望提供一種用於車輛的電子組件，其具有熱界面，該熱界面為電子部件 (例如電路板)提供改進的熱傳遞和振動阻尼。此外，還希望這種組件減小電路板撓曲和零 部件數量，並且易於製造。此外，還希望提供一種用於製造這種組件的方法。而且，結合附 圖和前面的技術領域和背景技術，通過下面的詳細描述和所附權利要求書，本發明的其他 期望特徵和特性將變得明顯。

發明內容
根據各個實施例，提供了用於在車輛中使用的電子組件。該組件包括散熱器；聯接 到散熱器的屏障，屏障和散熱器結合形成容器；定位於容器內的電子部件；以及適形模製 (conformally molded)到電子部件並置於電子部件和散熱器之間的熱傳導層。提供了用於製造電子組件的方法，該組件包括具有表面的散熱器。根據本發明的 示例性實施例，一種方法包括將屏障聯接到散熱器表面，屏障和散熱器表面結合形成容器; 並且在容器中放置電路板。該方法還包括在容器中以及在散熱器表面和電路板之間施加可 固化材料；以及，使該可固化材料固化。本發明還提供了如下技術方案技術方案1. 一種用於在車輛中使用的電子組件，所述組件包括散熱器；聯接到所述散熱器以形成容器的屏障；
定位於所述容器內的電子部件；以及
適形模製到所述電子部件並且被設置於所述電子部件和所述散熱器之間的熱傳導層。
技術方案2．如技術方案l所述的組件，其特徵在於，所述電子部件包括電路板。
技術方案3．如技術方案2所述的組件，其特徵在於，所述電路板聯接到所述屏障。
技術方案4．如技術方案3所述的組件，還包括在所述屏障中的開口，所述開口構造成使熱傳導層能夠通過該開口施加。
技術方案5．如技術方案l所述的組件，其特徵在於，所述熱傳導層包括可固化彈性體。
技術方案6．如技術方案5所述的組件，其特徵在於，所述熱傳導層包括可固化矽橡膠。
技術方案7．如技術方案l所述的組件，其特徵在於，所述屏障包括電絕緣材料。
技術方案8．如技術方案7所述的組件，其特徵在於，所述屏障包括聚合材料。
技術方案9．如技術方案l所述的組件，其特徵在於，所述散熱器包括表面，其中，所述屏障位於所述散熱器的該表面上。
技術方案lo．一種適於布置在車輛的功率逆變器中的熱界面連接組件，所述組件包括
具有表面的散熱器；
聯接到所述散熱器的屏障，所述屏障和所述散熱器表面結合形成容器；
置於所述容器中並具有表面的電路板；以及
適形模製到所述電路板的所述表面和所述散熱器的所述表面的熱傳導層。
技術方案11．如技術方案lo所述的組件，其特徵在於，所述電路板的所述表面位於所述屏障上。
技術方案12．如技術方案lo所述的組件，還包括緊MI"仁，其中，所述電路板、所述屏障和所述散熱器構造成使用所述緊固件機械聯接在一起。
技術方案13．一種用於製造電子組件的方法，所述組件包括具有表面的散熱器，所述方法包括以下步驟
將屏障聯接到所述散熱器的所述表面以形成容器；
在所述容器中放置電路板；
在所述容器中以及在所述散熱器的所述表面和所述電路板之間施加可固化材料；以及
固化可固化材料。
技術方案14．如技術方案13所述的方法，其特徵在於，所述施加可固化材料的步驟包括施加在固化後具有彈性體性質的可固化材料。
技術方案15．如技術方案13所述的方法，還包括對所述可固化材料應用真空的步驟。
技術方案16．如技術方案13所述的方法，其特徵在於，所述施加步驟在所述放置步驟之前執行。
技術方案17．如技術方案13所述的方法，還包括將所述屏障和所述電路板機械聯接到所述散熱器的步驟。技術方案18.如技術方案17所述的方法，其特徵在於，所述機械聯接的步驟在所 述施加步驟之前執行。技術方案19.如技術方案13所述的方法，其特徵在於，所述屏障還包括開口，其 中，所述施加步驟包括通過所述開口施加。技術方案20.如技術方案13所述的方法，其特徵在於，所述固化步驟包括熱固化。


下面將結合附圖描述本發明，其中相同的附圖標記表示相同的元件，附圖中圖1是根據示例性實施例的示例性車輛的示意圖，其示出了功率逆變器與車輛的 各種子部件集成在一起的方式；圖2是根據示例性實施例的電子組件的剖視圖，此類電子組件適於布置在圖1所 示的功率逆變器中；圖3是根據示例性實施例的圖2所示的電子組件的等距視圖；圖4是根據另一示例性實施例的電子組件的剖視圖，此類電子組件適於布置在圖 1所示的功率逆變器中；以及圖5是根據又一的示例性實施例的方框圖，其示出了具有圖2-4所示類型的熱界 面的電子組件的製造方法。
具體實施例方式本文所述的本發明的各個實施例提供了用於車輛的電子組件和製造這種組件的 方法。該組件包括聯接到散熱器表面的屏障，以及電子部件，例如定位於由散熱器表面和屏 障形成的容器內的電路板。通過在容器中以及電路板和散熱器表面之間施加可固化材料並 且使該可固化材料固化從而在電路板和散熱器表面之間適形模製出熱傳導界面連接層。產 生的界面連接層適形模製到電路板的不規則形狀上，包括與其他電子部件、焊接連接等相 關聯的不規則形狀。因此，接合的適形性改善了板和散熱器之間的熱接觸和熱傳遞，而不將 電路板壓靠在界面連接層壓縮板上，該壓縮可能導致電路板撓曲。此外，由於其彈性體特 性，界面連接層提供了能量吸收，從而緩衝振動，否則該振動可能更直接地傳遞到電路板上 的電子部件和相關連接。圖1是根據本發明的示例性實施例的示例性車輛10的示意圖。車輛10包括底盤 12、車身14、四個車輪16和電子控制系統(或電子控制單元(ECU))18。車身14布置在底 盤12上並且基本包圍了車輛10的其他部件。車身14和底盤12可共同形成車架。車輪16 的每一個在車身14的相應角部附近旋轉地聯接到底盤12。車輛10可以是許多不同類型汽車中的任意一種，例如轎車、貨車、卡車或運動型 多用途車(SUV)，而且也可以是兩輪驅動(2WD)(即後輪驅動或前輪驅動)、四輪驅動(4WD) 或全輪驅動(AWD)。車輛10還可包含許多不同類型發動機(或致動器)中的任意一種或幾 種的組合，例如以汽油或柴油為燃料的燃燒發動機、「兩用燃料車輛」(FFV)發動機(即，使 用汽油和乙醇的混合物)、以氣體化合物(例如，氫氣和/或天然氣)為燃料的發動機、或燃 料電池、燃燒/電動機混合發動機、和電動機。
在圖1所示示例性實施例中，車輛10是混合動力車輛，其進一步包括致動器組件 (或動力系)20、蓄電池(或直流電源)組件22、蓄電池充電狀態(SOC)系統24、功率逆變 器組件26和散熱器28。蓄電池組件22電聯接到各種電子部件，這些電子部件包括使用電 纜連接和匯流排的功率逆變器組件26。致動器組件20包括內燃發動機30和電動機/發電 機(馬達)系統(或組件)32。在一個實施例中，蓄電池組件22包括具有任意數量的單格 電池的鋰離子(Li-ion)蓄電池，這種蓄電池是常用的。E⑶18可還包括變速馬達驅動模塊 34，該模塊34構造成控制各種車輛功能，這些功能包括但不限於電動機扭矩和速度。功率逆變器組件26包括電容器和IGBT模塊(未示出)以及多根導線和多個電子 元件。功率逆變器26構造成具有通向散熱器的通路(例如與散熱器28流體連通的歧管)， 或者具有用於耗散其中生成的熱的導熱質量。逆變器組件26還包括其他電子組件，例如柵 極驅動電路板組件，該柵極驅動電路板組件包括在該電路板和散熱器之間的構造成促進它 們之間熱傳遞的熱界面。如下面更完全的描述，該界面包括熱傳導界面連接層，該連接層適 形模製到柵極驅動電路板以提供高效的熱傳遞但不導致該電路板受到會引起撓曲的應力。 界面連接層還吸收和阻尼振動，否則該振動可能傳遞到與該電路板相關聯的電子部件和電 子連接，並且該界面連接層提供了用於這些部件的防潮環境密封。圖2是根據第一示例性實施例的電子組件40的剖視圖，此類電子組件適於布置在 圖1所示的功率逆變器組件26中。組件40包括散熱器44、屏障48、熱界面連接層52和電 路板56。儘管此處描述且在圖2示出的本實施例為電路板的情況，但是應理解的是任何期 望冷卻的電子部件都可取代板56。散熱器44可具有適合作為散熱器的任何構造，例如熱傳 導套或歧管60構造，該熱傳導套或歧管具有中空腔64，汽車的冷卻劑可在中空腔64中流 動。替代地且更簡單地，散熱器44可為熱傳導元件，其具有足以用作散熱器的熱質量。屏 障48聯接到散熱器44的表面66，並構造成其自身基本上形成閉環，並且與表面66 —起形 成容器68。屏障48可由電絕緣的、耐久的、且優選地導熱的材料構成，該材料例如是適合的 熱塑性或熱固性聚合(塑料)材料。容器68以任何合適的方式在其中包含電路板56。例如，在一個實施例中(未示 出)，電路板56位於容器68中的表面66上。在另一個實施例中(如所示)，電路板56通 過聯接到屏障48的上邊緣78而定位於容器68中。板56可使用螺栓82或其他適合緊固 件常規地固定到屏障48和散熱器44。熱界面連接層52置於容器68中並且位於電路板56 和表面66之間，從而提供了這兩個元件之間的導熱的熱傳遞通路。在一個實施例中，界面 連接層52適形模製到電路板56並聯接到表面66。在另一個實施例中，界面連接層52適形 模製到電路板56和表面66。如本文所使用的，用在熱界面連接層52情況中的術語「適形模製」意味著層52在 流體狀態時形成到或模製到板56，因此呈現出與板56的表面特徵(包括不規則形狀和聯接 到板56上的任何子部件86)緊密接觸。層52包括這樣的材料，S卩，其固化後形成熱傳導層， 該熱傳導層在正常操作溫度下具有彈性體性質。在固化之前，層52以充分流動狀態存在， 例如，作為可施加到容器68中並位於表面66和板56之間的液體或凝膠。因此，這些表面 (包括其中任何的不規則形狀)產生了模具，層54流入到該模具中並且與上述不規則形狀 適形。當固化後，形成了表面66和板56之間的緊密的物理接觸和熱接觸，這至少部分地是 由於這種適形模製。層52可由任何適合的可固化材料形成，該材料在固化後產生低Tg(玻璃化轉變溫度)彈性體。在一個實施例中，層52包括可固化矽橡膠，例如THERM-A-GAP (由 Parker Chomerics, Cleveland OH 製造)，或 R-2930 (由 Nusil Technology, Carpenteria, CA製造)，如本文所使用的，在層52的情況中的術語「固化」可涉及例如經由聚合物鏈的交 聯產生更加凝固的材料的反應機理，或者涉及例如通過蒸發去除溶劑從而固化的非反應機 理，或者這些機理的組合。在操作期間，電路板56和/或子部件86的溫度可由於從逆變器組件26內部或外 部的電源產生的熱量而升高(圖1)。該熱量的至少一部分從電路板56通過熱界面層52傳 遞到散熱器44。將層52適形模製到電路板56在這兩個元件之間提供了比先前基於墊的 設計更高效的熱接觸，並由此提高了板56的熱傳遞和冷卻。因此，由於實現這種與界面連 接層52的接觸不需要將板56壓緊固定到散熱器44，所以減小了板56的撓曲。此外，層52 粘性結合到板56並有助於通過防止水分侵入到這些電子元件從而提供了對子部件86和相 關焊接連接的環境保護。如上所述，因為層52由低Tg彈性材料製成，所以振動能量可被層 52吸收並阻尼，否則該振動能量可能更直接地傳遞到板56和/或子部件86以及相關的相 互連接部。圖3是根據示例性實施例的電子組件40的等距視圖，組件40的某些元件(最明 顯是界面連接層52和電路板56)已經被省略以更清楚地表現散熱器44和屏障48之間的 關係。屏障48是自身基本封閉的圍牆結構，其自身結合表面66形成了容器68。儘管屏障 48示出為具有基本上矩形形狀，但是應理解的是屏障48可具有任意形狀和尺寸使得容器 68協調地包含電路板56的至少一部分(圖2)。例如，屏障48可呈現出具有多個基本上直 線段的多邊形形狀或可為基本上圓形或橢圓形，或可包括直線段或彎曲線段的結合。在一 個實施例中，屏障48存在於表面66上。屏障48用作外圍邊界以在容器68內容納可固化 材料，該材料在固化後形成界面連接層52(圖2)。圖4是根據另一示例性實施例的電子組件100的剖視圖，此類電子組件適於布置 在功率逆變器26中(圖1)。組件100包括具有表面106的散熱器104、屏障108、熱界面連 接層112和電路板116。屏障108為無蓋或無底的圍牆封閉件，其抵靠表面106形成合適的 密封並構造成將液體或凝膠保持在容器118內。電路板116定位於容器118內並基本上由 屏障108圍繞，並且可具有任意數量的部件和/或焊接連接(未示出)。電路板116聯接到 至少一個保持元件136，該保持元件構造成將板116在容器118內機械固定就位。元件136 可為任意類型的保持裝置，例如支撐支架，或者可為電互連元件，例如電連接器或電纜。元 件136可將容器118內的電路板116保持在離屏障108任意距離處。在一個實施例中(未 示出)，板116位於表面106上。在另一個實施例中(如所示)，板116被保持就位在表面 106上一定距離(由雙箭頭140表示)，該距離至少部分地取決於層112的期望厚度。屏障 108的高度(如由雙箭頭141表示)相應地被調節從而足以保持熱界面連接層112。層112 位於容器118中並在電路板116和表面106之間。在一個實施例中，層112適形模製到電路 板116的表面144。在另一個實施例中，層112還適形模製到表面106。在又一實施例中， 屏障108包括開口 138，其構造成提供通路，界面連接層112在處於凝膠或液體狀態時可通 過該通路施加。在又一個實施例中，板116包括適於此目的的開口 139。在操作期間，電路板116內的熱量經過界面連接層112傳遞並由散熱器104耗散。 將層112適形模製到電路板116提供了這些元件之間的緊密的物理接觸和熱接觸，如前所述。另外，這種適形模製還提供了對板116的保持支撐，從而進一步減少了對緊固件的需要 (緊固件會不均勻地對板116施加應力從而引起撓曲)。因此，這種減小的撓曲還減小了施 加到其他子部件和/或相關焊接連接的伴隨應變。此外，層112粘性地結合到板116的表 面144以有助於防止水分沿此界面侵入，並提供了將板116固定到表面106的保持性支撐。 此外，層112吸收並阻尼了振動和/或震動，否則當用傳統方式將電路板16緊靠在彈性墊 型的層時，這些振動和/或震動會傳遞到板116。通過減小這些振動的振幅，有可能導致子 部件和焊接連接的疲勞相關失效的那種類型的周期性應力被減小。這些組件的製造還被簡 化，這是因為將層112粘性結合在板116和表面106之間提供了對板116的保持性支撐，並 由此至少部分地減少了對用於此目的的緊固件的需要。圖5是根據示例性實施例的方框流程圖，其示出了具有前面在圖2-4中所描述和 圖示的類型的熱界面的電子組件的製造方法200。當屏障聯接到散熱器表面時方法200開 始(步驟204)。屏障可定位成與散熱器表面直接接觸，或者替代地，可定位在與散熱器表面 熱連通的另一表面上。屏障與散熱器表面結合以形成容器。然後在容器中放置電路板(步 驟208)。電路板可位於散熱器表面上，或者可由任意類型的保持或連接元件懸掛在容器內， 和/或可聯接到屏障。然後電路板與屏障一起機械聯接到散熱器(步驟212)。機械聯接可 使用適合的緊固件執行，或者替代地，可使用上面參照圖4描述的保持或連接元件執行，只 要這些保持或連接元件足以將板固定在容器中。接下來，將可固化材料施加在容器中以及 在散熱器表面和電路板之間(步驟216)。屏障、散熱器表面和板由此用作可固化材料的模 具，以便使該可固化材料在這些元件的表面之間流動。然後，將真空應用至該可固化的材料 (步驟220)。真空消除可能在施加步驟(步驟216)期間存留在可固化材料中或存留在可 固化材料和電路板之間的氣泡和/或氣穴，從而能夠改進可固化材料和電路板之間的物理 接觸和熱接觸。然後使用適合的工藝固化可固化材料，該工藝包括高溫烘烤和/或暴露於 輻射(例如紫外線輻射)以形成傳導性的、彈性的、熱界面連接層(步驟224)。儘管方法200已經根據一個實施例在上面描述並在圖5中示出，應理解的是該方 法的其他變形也是可行的。例如，在一個實施例中，屏障構造成具有開口，並且將可固化材 料施加到開口中。替代地，可固化材料可施加到位於屏障和電路板之間的任何適合開口中， 或者，通過電路板自身上的開口施加可固化材料(如果電路板這樣構造的話)。此外，上 面參照方法200描述的某些步驟可省略。例如，具有熱界面的電子組件的製造可由下列步 驟執行將屏障聯接到散熱器表面(步驟204)，在由屏障形成的容器中放置電路板(步驟 208)，在容器中以及在散熱器表面和電路板之間施加可固化材料(步驟216)，並且固化可 固化材料(步驟224)，同時省略了機械聯接(步驟212)和/或應用真空(步驟220)的步 馬聚ο本文所述的本發明的各個實施例提供了用於車輛的電子組件，該電子組件具有熱 界面，該熱界面為電子部件(例如電路板)提供了改進的熱傳遞和振動/震動阻尼，並且還 提供了用於製造這種組件的方法。構造用於保持可固化材料的屏障物理聯接到散熱器表 面，並且將電路板放置在由屏障和散熱器表面形成的容器內。可固化材料被施加在容器內， 並在散熱器表面和電路板之間流動。當固化後，可固化材料形成電絕緣且熱傳導的彈性體 熱界面連接層，該層適形模製到電路板並與該電路板緊密地物理接觸和熱接觸。因為在沒 有將電路板用力壓緊在界面連接層上的情況下實現了與電路板的緊密物理接觸和熱接觸，所以減小了板的撓曲以及施加到部件和其上的相關連接的相伴應力。此外，因為需要更少 的緊固件，總部件數量可減小以簡化組件製造。 儘管在前面的詳細描述中已經示出了至少一個示例性實施例，應認識到的是存在 大量變體。還應認識到的是上述一個或多個示例性實施例僅為示例，並且不用於以任何方 式限制本發明的範圍、應用或構造。而是，前面的詳細描述將為本領域技術人員提供實施一 個或多個示例性實施例的方便途徑。應理解的是元件的功能和布置能夠進行各種變化，而 不脫離由所附權利要求及其法律等同物所述的本發明範圍。
權利要求
一種用於在車輛中使用的電子組件，所述組件包括散熱器；聯接到所述散熱器以形成容器的屏障；定位於所述容器內的電子部件；以及適形模製到所述電子部件並且被設置於所述電子部件和所述散熱器之間的熱傳導層。
2.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述電子部件包括電路板。
3.如權利要求2所述的組件，其特徵在於，所述電路板聯接到所述屏障。
4.如權利要求3所述的組件，還包括在所述屏障中的開口，所述開口構造成使熱傳導 層能夠通過該開口施加。
5.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述熱傳導層包括可固化彈性體。
6.如權利要求5所述的組件，其特徵在於，所述熱傳導層包括可固化矽橡膠。
7.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述屏障包括電絕緣材料。
8.如權利要求7所述的組件，其特徵在於，所述屏障包括聚合材料。
9.一種適於布置在車輛的功率逆變器中的熱界面連接組件，所述組件包括 具有表面的散熱器；聯接到所述散熱器的屏障，所述屏障和所述散熱器表面結合形成容器； 置於所述容器中並具有表面的電路板；以及適形模製到所述電路板的所述表面和所述散熱器的所述表面的熱傳導層。
10.一種用於製造電子組件的方法，所述組件包括具有表面的散熱器，所述方法包括以 下步驟將屏障聯接到所述散熱器的所述表面以形成容器； 在所述容器中放置電路板；在所述容器中以及在所述散熱器的所述表面和所述電路板之間施加可固化材料；以及 固化可固化材料。
全文摘要
本發明涉及車輛的電子組件。具體地，提供了一種用於在車輛中使用的電子組件。所述組件包括散熱器；聯接到所述散熱器的屏障，所述屏障和所述散熱器結合形成容器；定位於容器內的電子部件；以及適形模製到所述電子部件並且被置於所述電子部件和所述散熱器之間的熱傳導層。
文檔編號H05K7/20GK101987602SQ20101024171
公開日2011年3月23日 申請日期2010年7月29日 優先權日2009年7月29日
發明者J·E·普魯爾克斯, Y·鄭 申請人:通用汽車環球科技運作公司