本發(fā)明涉及一種用于雙面冷卻的功率模塊的焊接夾具，更具體涉及以下這種用于雙面冷卻的功率模塊的焊接夾具，其能夠防止在焊接過(guò)程中基板發(fā)生熱變形。

背景技術(shù)：

通常，用于驅(qū)動(dòng)環(huán)境友好型車(chē)輛(混合動(dòng)力車(chē)/電動(dòng)車(chē))的混合動(dòng)力控制單元(hpcu)(例如，逆變器)，為環(huán)境友好型車(chē)輛的發(fā)展提供關(guān)鍵性作用。在構(gòu)成hpcu的元件中，功率模塊占hpcu生產(chǎn)成本的較大比例，并且是用于驅(qū)動(dòng)hpcu的關(guān)鍵部件。因此，相關(guān)的技術(shù)發(fā)展已明顯變得更加活躍。功率模塊的發(fā)展提供了重要的技術(shù)考慮，從而在環(huán)境友好型車(chē)輛產(chǎn)業(yè)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先地位。

近年來(lái)，功率模塊的技術(shù)發(fā)展集中于增強(qiáng)冷卻性能以及降低生產(chǎn)成本。冷卻性能的增強(qiáng)可以減小絕緣柵雙極晶體管(igbt)和二極管的額定電流，并且可靠地操作功率模塊。此外，可減小芯片的尺寸，從而降低生產(chǎn)成本。為了增強(qiáng)冷卻性能，功率模塊的結(jié)構(gòu)(例如，單面結(jié)構(gòu)或雙面結(jié)構(gòu))以及冷卻器的形狀得以改進(jìn)。具體地，目前正在研究可提供優(yōu)異的熱耗散特性的、具有雙面冷卻結(jié)構(gòu)的功率模塊。

為了制造雙面冷卻功率模塊，粘結(jié)過(guò)程將半導(dǎo)體芯片(器件)電聯(lián)接或物理聯(lián)接到具有銅(cu)電極或鋁(al)電極的陶瓷絕緣基板上。利用焊料的熔化或凝固的焊接過(guò)程，被用作將芯片聯(lián)接到基板的粘結(jié)過(guò)程，其中焊料是用于粘結(jié)的易熔金屬合金。通常情況下，焊接利用用于固定包括半導(dǎo)體芯片的元件的焊接夾具，并且包括將元件加熱至高溫(例如，大約200℃或更高溫度)，以及將元件冷卻以使焊料凝固。

在焊接過(guò)程中，由于元件之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，因此快速的溫度變化會(huì)引起某些元件變形。例如，當(dāng)具有較高熱膨脹系數(shù)的銅(cu)電極或鋁(al)電極安裝到具有較低熱膨脹系數(shù)的陶瓷基板上時(shí)，由于陶瓷和銅(cu)之間或者陶瓷和鋁(al)之間的熱膨脹系數(shù)存在顯著差異，因此元件中產(chǎn)生應(yīng)力。因此，絕緣基板由于應(yīng)力而被彎曲。由于需要用于保證絕緣基板的表面光滑度的附加步驟，因此絕緣基板的彎曲現(xiàn)象可能會(huì)降低功率模塊的冷卻性能或者增加生產(chǎn)成本。

具體地，當(dāng)利用常規(guī)的典型夾具來(lái)執(zhí)行焊接過(guò)程時(shí)，上基板10和下基板10的周邊彼此相對(duì)地彎曲。因而，與冷卻器20接觸的表面積減小，并且增強(qiáng)上基板和下基板之間的傳熱效率的熱脂(例如，熱界面材料tim)的使用量增加。為了克服這些問(wèn)題，當(dāng)對(duì)上基板10和下基板10的增加厚度部分進(jìn)行拋光或去除時(shí)需要附加操作，因此增加了處理時(shí)間和成本。

本發(fā)明利用具有改良結(jié)構(gòu)的功率模塊的焊接夾具，簡(jiǎn)化了步驟，并降低了生產(chǎn)成本，而且使在制造常規(guī)功率模塊時(shí)產(chǎn)生的絕緣基板的彎曲現(xiàn)象得以緩解，從而增強(qiáng)冷卻性能。

在背景技術(shù)部分中公開(kāi)的上述信息僅僅用于增強(qiáng)對(duì)本發(fā)明背景的理解，因此可能包含不構(gòu)成在本國(guó)中本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種用于雙面冷卻的功率模塊的焊接夾具，用于制造具有改良散熱性能的功率模塊。

根據(jù)一方面，一種焊接夾具，可包括：下夾具板，其布置在下基板下方，并且被配置成固定下基板的位置；上夾具板，其布置在上基板上方，并且被配置成朝向下基板對(duì)上基板加壓；連接器，其被配置成使下夾具板和上夾具板彼此聯(lián)接；以及插入件，其可布置在連接器上，并且位于上基板與下基板之間，其中插入件可被配置成在焊接過(guò)程中使上基板與下基板之間保持大致恒定的距離。例如，雙面冷卻功率模塊焊接夾具可被用于在半導(dǎo)體芯片被布置并焊接到上基板與下基板之間時(shí)，將上基板和下基板固定到恰當(dāng)位置上。

上夾具板與上基板的上表面相接觸，并且被形成為以下這種形狀，即上夾具板與上基板的中央部相接觸且可與上基板的周邊相分離的形狀。所下夾具板可被形成為大于下基板，并且上夾具板可被形成為大于上基板。連接器可以使上夾具板和下夾具板彼此聯(lián)接，并且可包括與上基板和下基板分離的多個(gè)連接銷(xiāo)。

插入件可固定于連接器，被形成為塊狀，并且與上基板和下基板中的每一個(gè)相接觸。插入件可被配置成朝向下夾具板對(duì)下基板加壓，并且將下基板固定于下夾具板。

附圖說(shuō)明

通過(guò)下面的詳細(xì)描述，并結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加顯而易見(jiàn)，其中：

圖1是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)雙面冷卻功率模塊的示例性視圖；

圖2是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在焊接常規(guī)雙面冷卻功率模塊的操作中夾具的安裝的示例性視圖；

圖3是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在焊接常規(guī)雙面冷卻功率模塊的操作中在基板上引起的彎曲現(xiàn)象的示例性視圖；

圖4是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在焊接常規(guī)雙面冷卻功率模塊的操作中將彎曲基板的一部分切掉的操作的示例性視圖；

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例，用于功率模塊的焊接夾具的安裝的示例性視圖；

圖6是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例，安裝在下夾具板上的下基板、連接器和插入件的示例性立體圖；以及

圖7是示出利用常規(guī)夾具和根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的夾具制造的功率模塊的厚度偏差的示例性圖表。

具體實(shí)施方式

在下文，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在整個(gè)附圖中，相同的附圖標(biāo)記指代相同或類(lèi)似的部件。

在下文中將參考附圖更加充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。雖然本發(fā)明將結(jié)合示例性實(shí)施例進(jìn)行描述，但應(yīng)該理解，本說(shuō)明書(shū)并非旨在將本發(fā)明限定于那些示例性實(shí)施例。相反地，本發(fā)明旨在不僅覆蓋示例性實(shí)施例，而且覆蓋包括在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)的各種替換、修改、等效和其它示例性實(shí)施例。

本文利用的專(zhuān)有名詞僅用于描述特定實(shí)施例的目的，而并非旨在限制本發(fā)明。如在本文利用，單數(shù)形式“一種/個(gè)”和“該”也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外清楚表明。應(yīng)進(jìn)一步理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中利用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包括的”限定了所述特征、整數(shù)、步驟、操作、要素和/或部件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、要素、部件和/或其集合的存在或添加。如在本文中利用，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括相關(guān)的所列條目中的一個(gè)或多個(gè)的任何與全部組合。例如，為使本發(fā)明的描述清楚，未示出無(wú)關(guān)部件，并且為清楚起見(jiàn)放大了層和區(qū)域的厚度。此外，當(dāng)規(guī)定一層“在”另一層或基板上時(shí)，該層可直接位于另一層或基板上或者第三層可布置在它們之間。

如本文所使用，除非特別規(guī)定或從上下文明顯看出，否則術(shù)語(yǔ)“大約”理解為在本領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)偏差偏差的范圍內(nèi)，例如，在平均值的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)。“大約”可理解為在規(guī)定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之內(nèi)。除非從上下文中另外明確，否則本文所提供的所有數(shù)值均由“大約”來(lái)修飾。

除非另外限定，否則本文利用的包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)的所有術(shù)語(yǔ)與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員通常理解的具有相同的意義。應(yīng)該進(jìn)一步理解，術(shù)語(yǔ)諸如在通常利用的詞典中限定的那些應(yīng)被解釋為其含義與其在相關(guān)領(lǐng)域和本發(fā)明的上下文中的含義一致，而不應(yīng)以理想化或過(guò)于正式的意義進(jìn)行解釋?zhuān)窃诒疚拿鞔_限定。

應(yīng)該理解，如在本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“車(chē)輛”或“車(chē)輛的”或其他類(lèi)似術(shù)語(yǔ)通常包括機(jī)動(dòng)車(chē)輛，諸如包括運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē)輛(suv)的、公共汽車(chē)、卡車(chē)、各種商業(yè)車(chē)輛的客運(yùn)汽車(chē)，包括各種船艇和船舶的船只、飛行器等等，并且包括混合動(dòng)力車(chē)輛、電動(dòng)車(chē)輛、燃燒插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛、氫動(dòng)力車(chē)輛，以及其他替代燃料車(chē)輛(例如，采自除石油之外的資源的燃料)。

在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的用于雙面冷卻的功率模塊的焊接夾具。

本發(fā)明涉及一種用于雙面冷卻的功率模塊的焊接夾具，該焊接夾具可用于在將半導(dǎo)體芯片40布置并焊接到上基板10與下基板10之間時(shí)，將上基板10和下基板10固定到適當(dāng)位置上。焊接夾具可包括：下夾具板120，布置在下基板10下方并且被配置成將下基板10固定在適當(dāng)位置；上夾具板140，可布置在上基板10上方，并且被配置成朝向下基板對(duì)上基板10加壓；連接器130，使下夾具板120和上夾具板140彼此聯(lián)接；以及插入件110，其安裝在連接器130上，并且置于上基板10與下基板10之間，從而在焊接過(guò)程中使上基板10與下基板10之間保持大致恒定的距離。上基板10、下基板10和半導(dǎo)體芯片40可具有介于二者之間的焊料60，并且可通過(guò)使焊料60熔化并且使熔化的焊料60固化，從而使其彼此粘結(jié)。這一點(diǎn)在本領(lǐng)域中眾所周知；因此，在本發(fā)明中將省略其進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

現(xiàn)有技術(shù)的上夾具板140和下夾具板120僅通過(guò)連接器130而彼此結(jié)合，并且上基板10和下底板10因?yàn)闊崃縼?lái)產(chǎn)生變形。此外，上基板10和下底板10彼此相對(duì)地彎曲。然而，在本發(fā)明中，可將插入件110布置在上基板10與下基板10之間，因此可防止上基板10和下基板10的熱變形以及隨后的彎曲。換言之，當(dāng)上基板10和下基板10意圖因?yàn)闊崃慷l(fā)生彎曲時(shí)，布置在與上基板10和下基板10彎曲的方向相對(duì)應(yīng)的位置處的插入件110，可被配置成朝向上夾具板140和下夾具板120向上基板10和下基板10加壓。上夾具板140可具有與上基板10的上表面相接觸的形狀，更具體地，其具有與上基板10的上表面的中央部分相接觸的形狀，并且可與上基板10的周邊分離。

具體地，上夾具板140可與上基板10的上表面緊密接觸(例如，鄰接、接觸)。因此，在焊接步驟之后的冷卻步驟中，上基板10的熱應(yīng)力會(huì)過(guò)度增加，并且上基板10會(huì)被損壞。因此，可以對(duì)上夾具板140的下表面進(jìn)行微加工，以便與上基板10的中央部分相接觸，并且與上基板10的周邊分離(例如，與其間隔開(kāi))。換言之，當(dāng)調(diào)整上基板10與上夾具板140之間的接觸面積時(shí)，冷卻速率會(huì)基于上基板10的區(qū)域而發(fā)生變化。從而，可減小上基板10的熱應(yīng)力。

下夾具板120可被形成為大于下基板10，并且上夾具板140可被形成為大于上基板10。連接器130可使下夾具板120和上夾具板140聯(lián)接，并且可包括與上基板和下基板分開(kāi)(例如，與上基板或下基板都不接觸)的多個(gè)連接銷(xiāo)。因此，當(dāng)連接器130與上基板10或下基板10接觸時(shí)，連接器130可阻止上基板10或下基板10在被加熱時(shí)的橫向熱變形，由此，會(huì)將過(guò)度的熱應(yīng)力施加到上基板10或下基板10。

插入件110可被固定到連接器130，可被形成為塊狀，并且可與上基板10和下基板10中的每一個(gè)緊密接觸。換言之，由于插入件110可與下基板10的上表面和上基板10的下表面中的每一個(gè)緊密接觸，因此插入件110可防止上基板10向下彎曲或者下基板10向上彎曲。插入件110可朝向下夾具板120對(duì)下基板10加壓，并且可將下基板10固定到下夾具板120。

例如，下基板10可布置在下夾具板120上，并且連接器130可固定到下夾具板上。此后，插入件110可安裝在連接器130上，下基板10的上表面與插入件110接觸。插入件110可通過(guò)螺釘或其他緊固機(jī)構(gòu)固定到連接器130或下夾具板120上。換言之，下基板10的上表面被向下加壓。因此，可防止下基板10彎曲。此后，可將焊料60、半導(dǎo)體芯片40和上基板10堆疊在下基板10上。上夾具板140可布置在上基板10上，并且可聯(lián)接到連接器130。換言之，上夾具板140可聯(lián)接到連接器130，并且上夾具板140可被配置成對(duì)上基板10的上表面加壓。

在現(xiàn)有技術(shù)中，功率模塊的最大厚度、最小厚度、平均厚度以及厚度標(biāo)準(zhǔn)偏差偏差分別為大約4.78mm、4.34mm、4.50mm和0.13mm，因此厚度偏差相當(dāng)明顯。與現(xiàn)有技術(shù)相比，當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的具有上述配置的夾具時(shí)，功率模塊的最大厚度、最小厚度、平均厚度和厚度標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.82mm、4.65mm、4.70mm和0.032mm。即，本發(fā)明提供具有最小厚度偏差的功率模塊。

因此，應(yīng)該理解，示例性實(shí)施例僅出于說(shuō)明的目的，而并非限制本發(fā)明的保持范圍。本發(fā)明的范圍意圖由所附權(quán)利要求限定，并且源自所附權(quán)利要求的含義、范圍和等效概念的各種修改、添加和替換落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的用于雙面冷卻的功率模塊的焊接夾具具有以下效果：

首先，可省略用于整平功率模塊的切削、拋光和磨削過(guò)程，以簡(jiǎn)化整個(gè)工藝過(guò)程；

其次，冷卻器與功率模塊之間的接觸力可增強(qiáng)，從而可改善冷卻性能。

盡管已出于說(shuō)明的目的，對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行描述，然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，在未背離如所附權(quán)利要求中公開(kāi)的本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)的情況下，還可進(jìn)行各種修改、添加和替換。