專利名稱：具有集成冷卻的匯流條組件的制作方法
具有集成冷卻的匯流條組件
相關參考
0001]本申請要求于2007年12月19日提交的美國臨時申請專利序號為
NO.61/015002的優先權。本發明通常涉及半導 件，并且更具體地涉及結f個或多個匯流條 的功率半導體元件。
背景技術：
逆變器通常包括IGBT (絕緣柵雙極晶體管)和大功率硅二極管。這些 功率元件被安裝(例如，焊接)在DBC (直接敷銅)基板上，該 含有絕緣 陶瓷層夾在其中的銅層。使用導線鍵合或其它的互連方式在匯流對通常為粗銅 銜和各禾中晶片之間提供電連接，其中該匯流^JI供與外部系統的電通信。
所期望的是，斷氐這些電子元件的復雜程度同時提高這些電子元件的熱 傳遞特性。通常，己知的匯流條組件通常禾i傭大的散熱器或氣冷單元，這樣就 導致額外的元件、增加1 和額外所需要的空間。因此，需要在諸如與電機控制逆變器結合使用的功率器件中改善熱傳遞 方法。本發明其它的所期望的性質和特征結合附圖和前述的技術領域及背景技 術，在隨后的詳細說明和所附的權禾腰求中將變，號楚。
通過結合以下附圖考慮，參考詳細的說明和權利要求，可以更完整地理 解本發明，其中在鱉個附圖中，相同的附圖標記表示類似的元件。
圖1是根據本發明一個實施例的匯流條組件的簡化總覽圖；
圖2是圖1的匯流條組件的橫截面視圖；圖3是圖2中標明的具體部分的橫截面視圖；禾口
圖4是與本發明相結合的熱傳遞概念圖。
具體實施例方式以下的詳細描述實際上僅是說明性的，而不是旨在限制本發明或本發明 的應用和使用。而且，存在于前述的技術領域、背景技術、簡要說明或以下詳 細描述中的任何明示或暗示的原理都沒剤蹄啲意圖。本發明在此可以按照功 能和/或邏輯塊元件以及各種處理步驟皿行描述。應當意識到的是，這些塊元 件可以由配置成以完成特定功能的任意數目的硬件、軟件、禾n/或固件元件來實 現。為了簡明的目的，與半導體處理、晶體管理論、封裝和功率模塊相關的傳 統技術和系統在此不再詳細描述。總體上，本發明涉及集成有用于散熱的匯流條的功率器件，從而附氐由 此得到的功率元件的成本、質量和體積。如以上所提及的，與電機結合使用的逆變器通常包括與相應的二極管 (例如，硅二極管)連接的一個或多個IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。這些元件通常 安裝(例如，焊接)在DBC (直接敷銅)繊上，其中該DBC的相對側用作 與散熱器的接觸面。晶片和二極管側互相連接(通過導線或類似物)至匯流條 接點上。然而，根據本發明，功率晶片本身(例如，IGBT晶片)和二極管直接 安裝在匯流條上，并且所述兩個元件被適當的連接。如以下更詳細地描述，匯 流條用作散熱器，并利用微型通道、微針型肋片直接冷卻或任何其它熱傳遞方 法進行自身y襯[]。本發明還可以^頓除了IGBT之外的其它器件，如WBG (寬 帶間隙)器件(例如由碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)制成的VJFET (垂向結 型場效應晶體管)。兩，流管120和130，連接到組件100的相對端。集流管120與入口 122流體連通，集流管130與出口 132流體連通。集流管120配置成接收來自加 壓流的冷卻劑，并且集流管130與例如下游熱交換器流體連通，該下游熱^^ 器配置成從流出的冷卻劑中移除熱量。如以下進一步詳細描述地，多種半導體晶片元件，諸如IGBT102和104、 二極管106和108、門極驅動器107直接連接至多種匯流條。
在操作期間，匯流條將從DC源的正節點110和負節點112接收到的信 號傳送給連接到正節點UO和負節點112上的每一功率二極管和/或IGBT器件， 從而產生M匯流條162傳送給例如，的AC系統的單相AC信號。匯流條 組件100被冷卻劑有效地y賴卩，？賴卩劑從第J流管120流動ilil至少--個匯 流條的冷卻劑通道(以下說明)，并M3S第二集流管130流出，在第二集流管130
y賴柳可流動到熱交換器用于y賴卩匯流條組件歸和稱盾環到冷卻匯流條組件
100。如部分剖面圖所示，各種端口—例如，端口125、 126、 127、禾卩128—形成
在匯流條中以方便液體M其傳輸。更具體地，參考圖2，匯流條組件120包括正DC匯流條160、負DC 匯流條164、 AC匯流條162、和任意數目的諸如IGBT禾B/或功率二極管(102， 106， 202，和204)的功率器件。在所說明的實施例中，DC匯流條160連接至 安裝在其上的第一 IGBT102和第一功率二極管106，并連接至諸如電池自料 電池(未示出)的DC源的正節點。對以的，負DC匯流條164連接至第二IGBT204 和第二功率二極管202,并連接至DC源(未示出)的負節點。這些功率器件中 的每個都具有利用焊接或類似的任何常規方式直接安裝在各自的匯流條表面的 第一側面。功率器件和AC匯流條162之間的電連接利用電線接合或類似方式實 現。在操作期間，這些處于聯合中的功率器件將ilil正匯流條160和負匯流條 164所接收到的DC信號轉換成ffiil AC匯流條162傳送給諸如驅動電機的AC 系統的單相AC輸出信號。在一個實施例中，每個匯流條160、 162和164由銅或者銅合金組成， 并且僅通過上述的功率器件與相鄰的匯流條電性互連。每個匯流條的全部或部 分可以被電鍍一例如M現有技術中已知的錫鍍。諸如環氧的絕緣豐才料可被注入到匯流條160、 162和164之間的空隙中，以封裝功，件，供電氣和環境上的隔離。圖3是圖2中匯流條組件100的沿A-A截面的橫截面視圖。如所示， 匯流條組件100包括單層排列且匯流條162插入其間的DC匯流條160和164。 IGBT功率晶片102、 202、 104和302安裝在匯流條之間以實現所希望的電氣功 能。可通過焊接，似的任何常規方式將半導體器件安裝到匯流條上。
在一個實施例中，匯流條160、 162、禾口/或164中的至少一個具有多個 連續通道，介電冷卻劑液體可通過這些通道流動，每個通道具有分別與第一集 流管120和第二集流管130 (圖2)流體M的第一端和第二端。通道可以整體 形成在每個匯流條中，或可以通過將密封板粘結在表面上形成有多個凹槽的主 體上來形成。例如，如圖3中所示，DC匯流條100可包括置于主體312的上表 面并粘結于此(例如使用焊接)而形成第一多個通道314的密封板310。在任一 情況下，通道314中的每個具有分別與第一集流管120和第二集流管130 (圖2) 流體連通的入口和出口。第一集流管120提供加壓^4口齊啲供應，該加壓y賴f]劑流經每個匯流條 的通道314以對其進行冷卻。流經通道的冷卻劑吸收匯流條組件100中產生的 熱量，并在受熱狀態下退入第二集流管130中，在此冷卻劑被導向至下游的熱 交換器用于冷卻和隨后幫盾環返回第~*流管120。通常，根據本發明可使用許多集成冷卻系統。圖4是描述系統中熱流動 的概念框圖。如所示，來自功率方塊502的熱被傳導給匯流條504。然后傳送給 匯流條504的熱被以任何便利的方式(例如，通過傳導、對流(強迫或自由的)、 和/^l射)適當地消散在環境中。例如，在一個實施例中，使用熱量子系統506 以增加熱量的消散。這種子系統506可包括直^y襯卩、微針型肋片、M通道、 換相、或任何其它的已知^來發展的熱傳遞系統。所說明的實施例允許例如在幾kW的范圍中高度集成功率開關裝置。典 型的牽引電機可以100kW的功率運行，這樣就要求高性能的冷卻。本發明還可與用于轉換器的斬波器和諸如六相逆變器的多相逆變器一同使用。雖然在之前的詳細說明中呈現了至少一個示例性實施例，但應當意識到 的是，還存在許多變化。還應當意識到的是，這里所描述的示例性實施例或實 施例并不旨在以任何方式限制本發明的范圍、應用或構造。相反，之前的詳細 描述將為本領域技術人員實施所描述的實施例或實施例提供方便的指示說明。 應當理解的是，在不脫離本發明及其合法等同物的范圍的情況下，可進行元件
的功能和排列的各種變化。
權利要求
1、一種匯流條組件，其包括多個匯流條；連接到所述多個匯流條上的多個功率半導體器件；其中至少一個匯流條包括集成冷卻系統。
2、 根據權利要求1所述的匯流條組件，其中所述集成冷卻系統包括一個或 多個配置為接收y賴卩劑流動通過其中的通道。
3、 根據權利要求2所述的匯流條組件，還包括具有冷卻劑入口的第J管， 和具有冷卻劑出口的第二集管，其中所述第一和第二集管連接至至少一個匯流 條。
4、 根據權禾腰求2所述的匯流條組件，其中所述集成7賴卩系統包括一個或 多個 肋片。
5、 根據權利要求2所述的匯流條組件，其中所述集成冷卻系統包括一個或 多個M通道。
6、 根據權利要求1所述的匯流條組件，其中所述多個功率半導體器件包括 電連接到其上的至少一個IGBT器件和至少一個二極管。
7、 根據權利要求1所述的匯流條組件，其中所述多個匯流^括第一DC 匯流條、第二DC匯流條、和設置在其間的AC匯流條。
8、 根據權利要求1所述的匯流條組件，還包括所述多個功率半導皿件之 間的聚合絕緣層。
9、 根據權利要求3的匯流條組件，其中所述出口連接至電機的定子。
10、 —種糊逆變器模塊，所述糊逆變器模塊包括 多個匯流條；和連接到所述多個匯流條上的多個功率半導體器件，包括連接在逆變器結構 中的成對的IGBT器件和功率二極管；其中至少一個匯流條包括集成冷卻系統，該集成冷卻系統包括一個或多個 配置為接收y賴卩劑流動fflil其中的通道。
11、 根據權禾腰求10所述的 逆變器模±央，還包括具有^4卩劑入口的第 --集管，和具有冷卻劑出口的第二集管，其中所述第一和第二集管連接至至少一個匯流條。
12、根據權利要求11所述的車輛逆變器模±央，其中所述集成冷卻系統包括
13、根^權利要求11所述的 逆變器模塊，其中所述集成冷卻系統包括 —個或多個微型通道。
14、 根據權利要求10所述的車輛逆變器模塊，所述多個匯流條包括第一 DC匯流條、第二DC匯流條、和設置在其間的AC匯流條。
15、 根據權利要求10所述的車輛逆變器模±央，還包括所述多個功率半導體 器件之間的聚合絕緣層。
16、 根據權利要求11所述的 逆變器模塊，其中所述出口連接至電機的 定子。
17、 一種冷卻其內安裝有多個功率半導mi件的逆變器模塊的方法，所述 方飽括提供多個具有形成在其中的通道的匯流條； 將功率半導條件安裝到所述多個匯流條；將流體入口和流體出口連接至所述多個匯流條的所述通道； 使冷卻流體循環通過所述多個匯流條的入口和出口以使得功率半導體器件 產生的熱量被傳遞到冷卻流體。
18、 根據權利要求17所述的方法，其中所述多個匯流條包括一個或多個微 ,片。
19、 根據權利要求17所述的方法，其中所述集成冷卻系統包括一個或多個 鵬通道。
20、 根據權利要求17所述的方法，其中所述多個匯流B括第一DC匯流 條、第二DC匯流條、和設置在其間的AC匯流條。
全文摘要
本發明涉及具有集成冷卻的匯流條組件，具體地涉及一種匯流條組件，該匯流條組件被配置使得功率器件(例如，IGBT晶片)和二極管被直接安裝到匯流條。該匯流條用作散熱器，并利用微型通道、微針型肋片、直接冷卻、或任何其它熱傳遞方法進行冷卻。一種組件，其包括多個匯流條，連接到所述多個匯流條的多個功率半導體器件，和一個或多個匯流條中的集成冷卻系統。
文檔編號H01L25/07GK101533833SQ20081019104
公開日2009年9月16日 申請日期2008年12月19日 優先權日2007年12月19日
發明者G·R·伍迪, T·G·沃德 申請人:通用汽車環球科技運作公司