用于制造电子电力模块的方法
阅读说明：本技术 用于制造电子电力模块的方法 (Method for manufacturing an electronic power module ) 是由 巴普蒂斯泰·乔艾尔·克里斯汀·费迪 拉比赫·克哈扎卡 托尼·姚瑟夫 皮埃尔·金·萨洛特 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于通过增材制造来制造电力电子模块(1)的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤：-在绝缘衬底(2a)的至少一个面上制作或固定聚合物材料的预成型体(15),所述绝缘衬底被覆盖有至少一个金属层(2b、2c),被称为金属化衬底(2),-在所述预成型体(15)上沉积第一金属层(17),-通过电成型而在所述第一金属层(17)上沉积第二金属层(18)。(The invention relates to a method for manufacturing a power electronic module (1) by additive manufacturing, characterized in that it comprises the steps of: -making or fixing a preform (15) of polymeric material on at least one face of an insulating substrate (2a) covered with at least one metallic layer (2b, 2c), called metallized substrate (2), -depositing a first metallic layer (17) on the preform (15), -depositing a second metallic layer (18) on the first metallic layer (17) by electroforming.)
技术领域
本发明涉及一种用于通过增材制造来制造电子电力模块的方法，以及一种使用此类方法而获得的电子电力模块。
本发明特别地应用于可能存在严重热应力的航空领域中。
背景技术
电力电子模块用于航空器上的推进和非推进系统的电气化所需的转换器中，以便将来自主电网(115V AC、230V AC、540V DC)的电能转换成若干形式(AC/DC、DC/AC、AC/AC和DC/DC)。
图1示出了现有技术的电力电子模块1。其包括衬底2，所述衬底包括陶瓷材料的电绝缘层2a，所述电绝缘层在其相对面中的每一个上被涂布有金属层2b、2c。此类组合件被称为金属化衬底2。
顶部金属层2b形成其上组装有电力半导体组件3的电力电路。电力电子模块1包括电和/或机械互连接头4，电力半导体组件3和连接器5通过所述电和/或机械互连接头组装到电力电路。电力半导体组件3归因于其缺陷而经受焦耳效应损失且因此表示显著的热源。
电力半导体组件3借助于布线导线6而彼此电互连并与连接器5电互连。通常由聚合物制成的外壳7用粘合密封件8胶合到衬底2或胶合到其上布置有衬底2的金属基底9。外壳7被填充有例如凝胶或环氧树脂的包封物10，以为电力组件3和布线导线6提供机械和电保护。
衬底2的下部金属层2c附接到金属基底9，所述金属基底具有散播热流并提供与金属散热器11的热连接的功能。如图1中所示出，电力电子模块1包括电和/或机械互连接头12，衬底2的下部金属层2c通过所述电和/或机械互连接头结合到基底9。
基底9自身经由例如热油脂、弹性体膜或相变材料的热界面材料层13结合到散热器11。热界面材料层13减小基底9和散热器11之间的接触热阻以确保较佳的热流疏散。散热器11具备翅片14，从而允许进一步减小后者的热阻，翅片14被例如空气的冷却流体穿越。
此类层堆叠在高温下使用时具有若干局限性。
第一局限性是高热阻，所述高热阻是归因于热界面材料13，尤其是在使用软热界面材料(例如热油脂)的情况下，且是归因于将电力组件3和冷却剂分离的各种界面。
第二局限性与高温不稳定性相关，尤其受到热界面13的操作温度(在热油脂的情况下为大约50℃)限制。
第三局限性是归因于热疲劳现象组合件的可靠性有限，所述热疲劳现象是由于材料的热膨胀系数之间的差异。当使用刚性界面材料时，此疲劳是焊接接头中的裂纹的传播源，特别是衬底2和基底9之间以及基底9和散热器11之间的裂纹的传播源。
在文献中提出了基于流体对金属化衬底的直接冷却的技术方案，但这些技术方案尤其在交换表面的层级处呈现局限性。
为了克服这些缺点，以本申请人的名义的文档FR 3 061 989提出了通过将用于直接且分别在金属化衬底的下面和上面上生产壳体散热器和电连接器的粉末床熔融而使用增材制造。此技术减小了组合件的热阻并限制了组装步骤。然而，金属粉末床的熔融在过程期间局部地需要相当高的温度，从而导致高残余应力。这些应力可在一些几何结构中导致金属化衬底的陶瓷层开裂。此外，由此过程产生的高温将衬底的选择限于金属化陶瓷。此外，没有可能通过增材制造同时在衬底的两个相对侧上生产元件，使得需要操作者干预来翻转衬底。
发明内容
本发明旨在以简单、可靠且便宜的方式纠正此类缺点。
为此目的，本发明涉及一种用于通过增材制造来制造电力电子模块的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-在绝缘衬底的至少一个面上制作或固定聚合物材料的预成型体，绝缘衬底被覆盖有至少一个金属层，被称为金属化衬底，
-在预成型体上沉积第一金属层，
-通过电成型而在第一金属层上沉积第二金属层。
制造方法可在金属化绝缘衬底上进行，以便通过增材制造来获得电力电子模块的冷却、电连接和/或机械保护元件。
此类方法可允许并行地生产若干元件(例如辐射器、外壳和电力连接器)。
对于单个电力电子模块，可使用所描述的方法同时或连续地印刷所有上述元件或元件组合或群组。
预成型体可通过增材制造被制作。预成型体可在金属化衬底的至少两个相对侧上被制作或固定。
第二层取决于需求可具有在数微米和数毫米之间的厚度。第二层的厚度可依据在电成型沉积步骤期间所施加的电压和所施加的偏置时间而变化。
在电成型期间，金属衬底和第一金属层的全部或部分可浸没在含有金属离子的电解浴中，例如呈离子形式的铜。电极电连接到第一金属层，电位被施加到所述电极以便将电解浴的填充物金属沉积在第一金属层上。衬底的不处于电极电位的非金属区接着不会覆盖有填充物金属。
所述方法可包含用化学或热学手段溶解聚合物预成型体的步骤。
这使得有可能在所得的电力电子模块中产生凹入区、连接器或通道。具体地说，通道可促进热交换以用于例如借助于冷却空气流或液体冷却剂来冷却组合件。
所述方法可包含将例如半导体电力组件的有源组件组装到金属化衬底上的步骤。
有源组件可通过烧结、结合或烧结而结合到金属化衬底。
至少两个有源组件可通过导线而彼此连接。
所述方法可包含在沉积第一金属层之前保护金属化衬底的至少一个区的步骤。
要保护的区可被覆盖有由例如聚合物制成的膜。所述膜可在预成型体的溶解步骤期间被移除。
金属化衬底可包含至少一个陶瓷的绝缘层。
金属化衬底的金属层可通过活性金属钎焊(AMB)、直接结合铜(DBC)或直接结合铝(DBA)而接合到绝缘层。
绝缘层还可为聚合物层。
第一金属层的厚度可小于5微米，优选地小于1微米。
第一金属层可通过经由喷涂的化学还原而沉积在预成型体上。
电力电子模块可包括外壳，金属化衬底和有源组件容纳在外壳中，所述方法包括至少部分地用电绝缘材料填充外壳的步骤。
绝缘材料是例如基于硅酮或环氧树脂的凝胶。
本发明还涉及一种通过上述方法而获得的电力电子模块，其包括金属化衬底和安装在金属化衬底的第一面上的有源组件，包括冷却通道的散热器从金属化衬底的与第一面相对的第二面延伸。
电力电子模块可包含电连接到金属化衬底的至少一个连接器。
连接器可由从金属化衬底的第一侧延伸的导电构件形成。
外壳部分也可从金属化衬底的第一侧延伸。外壳的金属部件可在电成型步骤期间被制作。
本发明还包含一种航空器，其具有上述类型的至少一个电力电子模块。
附图说明
图1是示出了现有技术的电力电子模块的示意图，
图2、图3、图4、图5和图6示出了根据本发明的实施例的制造电力电子模块的方法的各种步骤。
具体实施方式
图2到6示意性地示出根据本发明的一个实施例的电力电子模块1的各种制造步骤。
在图2中所示出的第一步骤中，通过增材制造在金属化衬底2的两个相对侧上制作聚合物材料的预成型体15。预成型体15可直接在金属化衬底2上被制作，或可在预成型体15已被制作之后附接到所述金属化衬底2。在后一情况下，预成型体15可结合到金属化衬底2。
金属化衬底2包括陶瓷材料的电绝缘层2a，所述电绝缘层在其相对侧中的每一个上被涂布有例如铜的金属层2b、2c。金属化衬底2的金属层2b、2c可通过活性金属钎焊(AMB)、直接结合铜(DBC)或直接结合铝(DBA)而接合到绝缘层2a。
金属层2b、2c可形成彼此分离的轨道。
聚合物材料保护膜16可覆盖顶层2b的导体轨道的至少一部分。
替代地，电绝缘层2a可由聚合物材料(在绝缘金属衬底—IMS的情况下)制成。
如图3中所展示，接着将例如铜的第一金属层17沉积在预成型体15上，例如通过经由喷涂的化学还原。第一层17的厚度例如小于1微米。
接着将例如铜的第二金属层18沉积在第一金属层17上，如图4中所展示。此类沉积可通过电成型而进行。
按需要，第二层18可具有在数微米和数毫米之间的厚度。第二层18的厚度可依据在电成型沉积步骤期间所施加的电压和所施加的偏置时间而变化。
在电成型期间，金属化衬底2和第一金属层17的全部或部分浸没在包括金属离子的电解浴中，例如呈离子形式的铜。浴可为低温浴，即在低于100℃的温度下。电极电连接到第一金属层17，电位被施加到所述电极以便将电解浴的填充物金属沉积在第一金属层17上。衬底2的不处于电极电位的非金属区接着不被覆盖有填充物金属。根据一个实施例，第一金属层17的至少一部分被覆盖有保护膜，以便防止第二金属层18沉积在覆盖区中。
第二金属层17可尤其界定散热器或辐射器11的连接器5、外壳部件7或冷却通道19。
如图5中所展示，接着在化学或热溶解步骤中移除预成型体15。
在化学溶解的情况下，可使用超声在50℃的温度下将ABS预成型体15溶解于丙酮浴中。
替代地，为了溶解PLA预成型体15，可在60℃的温度下使用35％苏打浴且可进行搅拌以促进溶解。
因此有可能产生凹入区、连接器5或通道19，其意在促进热交换以用于例如借助于空气流或液体冷却剂来冷却组合件的目的。
也可在溶解步骤中移除膜16。
接着经由电和/或机械互连接头4将电力半导体组件3接合到金属化衬底2的对应轨道，如图6中所见。接着借助于布线导线6将电力组件3彼此和/或与连接器11电互连。接着用例如凝胶或环氧树脂的电包封物或绝缘体10填充外壳7，以为电力组件3和布线导线6提供机械和电保护。
此类方法提供以下优点：
-尤其归因于半导体组件3和散热器11之间的界面的减小以及生产具有复杂几何形状的散热器11的可能性而使热性能良好，
-可能在极高温度下使用——通过消除大表面上的焊接而提高了可靠性，
-归因于散热器11的质量减小而使转换器的质量功率密度增大，
-减少了制造步骤数目和制造时间，
-与通过需要极高局部温度以将金属粉末熔融或烧结的增材制造技术的相同生产相比，减少了残余应力，
-由于电沉积材料18中不存在孔隙度和间隙而密封了散热器11的通道19，
-在表面状态的再现性方面，电成型的精度高。这允许经由使用具有通过增材制造而获得的复杂几何结构的聚合物预成型体15而以极大自由度进行表面纹理化，因此极大地增大了交换表面且因此增大了在热耗散方面的性能，
-在低温(<80℃)下并且在单个阶段中获得单式组合件，其包含在金属化绝缘衬底2的两侧上的若干功能(散热器11、外壳7、连接器5)，而不需要额外接头。
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