CN204558457U - 功率模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种功率模块,包括:所述至少一个功率器件;绝缘层,所述绝缘层的第一侧装配有所述至少一个功率器件;散热层,设置于所述绝缘层的第二侧。通过本实用新型技术方案,有效增大了功率模块的散热面积和散热效率,同时,保证了功率模块的密封性和结构可靠性,降低了功率模块因导热效果差而导致的故障问题,提升了用户的使用体验。
Description
技术领域
本实用新型涉及功率模块技术领域,具体而言,涉及一种功率模块。
背景技术
随着IC(Integrated Circuit,集成电路)技术的小型化、兼容性地发展,IC模块上的模块结构之间的结构越来越近,以IPM(IntelligentPower Module,智能驱动模块)类型的IC模块为例,IPM模块实现了功率开关器件和高压驱动电路的集成,一方面,IPM模块接收微处理器的控制信号,另一方面,IPM模块将检测状态发送给微处理器,因此,IPM模块被广泛应用于变频调速技术、冶金机械技术、电力牵引技术、伺服驱动技术以及变频家电的设计中,但是,IPM模块上多个功率模块之间的间距较小,而不同功率模块因为功耗的差别而导致散热热量差别比较大,因此功率模块之间会产生较大的热串扰,甚至导致某些小功率的功率模块在受到较大热串扰的情况下受损。
在相关技术中,通常采用高导热绝缘层材以及增加散热器来解决功率模块的散热不佳的问题,但是相关技术中的散热方法存在以下缺点:
(1)高导热绝缘层材料成本高,这就导致功率模块的制作成本增高;
(2)如将功率模块贴装于散热器,贴装过程的工艺难度较大,失败率高同时由于增加了散热器结构,会导致功率模块的面积和体积不同程度的增大,这非常不利于功率模块投入实际应用过程。
因此,如何设计功率模块的结构以实现功率模块的高效散热成为亟待解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
为此,本实用新型的一个目的在于提出了一种功率模块,提高了功率模块的散热效率和结构可靠性。
为实现上述目的,根据本实用新型的第一方面的实施例,包括:所述至少一个功率器件;绝缘层,所述绝缘层的第一侧装配有所述至少一个功率器件;散热层,设置于所述绝缘层的第二侧。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过形成散热层,有效增大了功率模块的导热面积和导热效率,降低了功率器件因散热不佳导致的烧损或失效等问题,进而提高了功率模块的可靠性,降低了功率模块的故障率,另外,通过将多个功率模块集中设置于同一区域,对上述同一区域进行散热层的集中制备,不会增加制作复杂度,同时,避免了多个功率模块将工况热量传递于非功率模块。
另外,根据本实用新型的上述实施例的功率模块,还可以具有如下附加的技术特征:
根据本实用新型的一个实施例,包括:皱褶层,设置于所述绝缘层的第一侧,所述皱褶层对应于所述功率器件所在的区域,所述皱褶层包括粉末层和纤维状碳素层。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过粉末层和纤维状碳素层形成散热层以及形成皱褶层,有效增大了功率模块的散热面积和散热效率,同时,由于湿式碳素复合层具备极高地机械强度,可以有效减小散热层的厚度,进而减小了功率模块的体积。
根据本实用新型的一个实施例,包括:至少一个非功率器件,设置于所述绝缘层的第一侧。
根据本实用新型的一个实施例,包括:至少一个引脚结构,设置于所述绝缘层的第一侧;焊盘,设置于所述绝缘层的第一侧。
根据本实用新型的一个实施例,包括:密封层,设置有防水层,包覆于所述功率模块上除所述皱褶层所在的区域。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过形成密封层,实现了对功率模块的防水保护,同时降低了功率模块的工频干扰或散粒噪声等,提高了功率模块的信号稳定性。
根据本实用新型的一个实施例,包括:金属布线层,设置于所述绝缘层的第一侧;金属连线层,连接于需要进行信号传输的所述功率器件、所述非功率器件、所述引脚结构和所述焊盘之中的任两个之间,所述金属布线层和所述金属连线层用于实现所述功率器件、所述非功率器件、所述引脚结构和所述焊盘之中的任两个之间的线路连接。
根据本实用新型的一个实施例,所述金属连线层包括线宽36至420微米的铝线、24至280微米的铜线和18至210微米的金线中的一种或多种的任意组合,所述金属布线层的厚度为1至5微米。
根据本实用新型的一个实施例,所述皱褶层与所述散热层的接触区域的厚度大于或等于所述皱褶层与所述散热层的非接触区域的厚度。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过设置皱褶层与散热层的接触区域的厚度大于或等于皱褶层与散热层的非接触区域的厚度,增强了皱褶区的结构可靠性,降低了皱褶区的破损造成散热层的可能性,进而提高了功率模块的可靠性。
根据本实用新型的一个实施例,所述至少一个功率器件包括桥堆功能模块、压缩机逆变功率模块、功率因素校正模块和风机逆变模块中的一种或多种模块的任意组合。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过形成桥堆功能模块、压缩机逆变功率模块、功率因素校正模块和风机逆变模块,将功率模块中散热功能模块集中于散热层上方,降低了散热层制作的工艺复杂度,适合于功率模块的批量生产。
根据本实用新型的一个实施例,所述绝缘层包括二氧化硅层、氮化硅层和碳化硅层中的一层或多层的任意组合。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1示出了根据本实用新型的一个实施例的功率模块的剖面示意图;
图2示出了根据本实用新型的另一个实施例的功率模块的俯视示意图。
图1至图2中的附图标记及其对应的结构名称为:11引脚结构,12树脂密封层,13绝缘层,14非功率器件,15布线连线,16功率器件,17散热层,17A皱褶层,18金属层,18A焊盘区,1001桥堆功能模块,1002压缩机逆变功能模块,1003功率因素校正模块,1004风机逆变功能模块。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型,但是,本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
根据本实用新型的实施例的功率模块的结构包括多种实施方式。
实施例一:
如图1至图2所示,根据本实用新型的一个实施例的功率模块,包括:所述至少一个功率器件16;绝缘层13,所述绝缘层13的第一侧装配有所述至少一个功率器件16;散热层17,设置于所述绝缘层13的第二侧。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过形成散热层17,有效增大了功率模块的导热面积和导热效率,降低了功率器件16因散热不佳导致的烧损或失效等问题,进而提高了功率模块的可靠性,降低了功率模块的故障率,另外,通过将多个功率模块集中设置于同一区域,对上述同一区域进行散热层17的集中制备,不会增加制作复杂度,同时,避免了多个功率模块将工况热量传递于非功率模块。
另外,根据本实用新型的上述实施例的功率模块,还可以具有如下附加的技术特征:
根据本实用新型的一个实施例,包括:皱褶层17A,设置于所述绝缘层13的第一侧,所述皱褶层17A对应于所述功率器件16所在的区域,所述皱褶层17A包括粉末层和纤维状碳素层。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过粉末层和纤维状碳素层形成散热层17以及形成皱褶层17A,有效增大了功率模块的散热面积和散热效率,同时,由于湿式碳素复合层具备极高地机械强度,可以有效减小散热层17的厚度,进而减小了功率模块的体积。
根据本实用新型的一个实施例,包括:至少一个非功率器件14,设置于所述绝缘层13的第一侧。
根据本实用新型的一个实施例,包括:至少一个引脚结构11,设置于所述绝缘层13的第一侧;焊盘,设置于所述绝缘层13的第一侧。
根据本实用新型的一个实施例,包括:密封层,设置有防水层,包覆于所述功率模块上除所述皱褶层17A所在的区域。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过形成密封层,实现了对功率模块的防水保护,同时降低了功率模块的工频干扰或散粒噪声等,提高了功率模块的信号稳定性。
根据本实用新型的一个实施例,包括:金属布线层,设置于所述绝缘层13的第一侧;金属连线层,连接于需要进行信号传输的所述功率器件16、所述非功率器件14、所述引脚结构11和所述焊盘之中的任两个之间,所述金属布线层和所述金属连线层用于实现所述功率器件16、所述非功率器件14、所述引脚结构11和所述焊盘之中的任两个之间的线路连接。
根据本实用新型的一个实施例,所述金属连线层包括线宽36至420微米的铝线、24至280微米的铜线和18至210微米的金线中的一种或多种的任意组合,所述金属布线层的厚度为1至5微米。
根据本实用新型的一个实施例,所述皱褶层17A与所述散热层17的接触区域的厚度大于或等于所述皱褶层17A与所述散热层17的非接触区域的厚度。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过设置皱褶层17A与散热层17的接触区域的厚度大于或等于皱褶层17A与散热层17的非接触区域的厚度,增强了皱褶区的结构可靠性,降低了皱褶区的破损造成散热层17的可能性,进而提高了功率模块的可靠性。
根据本实用新型的一个实施例,所述至少一个功率器件16包括桥堆功能模块、压缩机逆变功率模块、功率因素校正模块和风机逆变模块中的一种或多种模块的任意组合。
根据本实用新型的实施例的功率模块,通过形成桥堆功能模块、压缩机逆变功率模块、功率因素校正模块和风机逆变模块,将功率模块中散热功能模块集中于散热层17上方,降低了散热层17制作的工艺复杂度,适合于功率模块的批量生产。
根据本实用新型的一个实施例,所述绝缘层13包括二氧化硅层、氮化硅层和碳化硅层中的一层或多层的任意组合。
实施例二:
本实用新型的功率模块具有散热层17,具体地包括如下结构:
散热层17表面上形成有绝缘层13;
散热层17背面上形成有大量皱褶层17A,在述散热层17背面形成有皱褶层17A的位置较厚,未形成皱褶层17A的位置较薄;
配置在绝缘层13上的布线连线15和焊盘区18A;
配置在布线连线15特定位置上的功率器件16,配置在布线连线15特定位置上的非功率器件14;
配置在焊盘区18A上的引脚结构11;
用于连接功率器件16、非功率器件14、布线连线15的金属层18;
密封该电路且完全覆盖散热层17上表面所有元素和未形成皱褶层17A的散热层17背面的树脂密封层12。
其中,上述功率模块包括:桥堆功能模块1001、压缩机逆变功能模块1002、功率因素校正模块1003以及风机逆变功能模块1004。
实施例三:
散热层17为湿式碳素复合材料功能纸,可由粉末和纤维状碳素材料复合加工成石墨质,材料可耐受350℃以上的高温并可根据需要折叠成任意形状,得到皱褶层17A。
为了提高抗腐蚀性和防水,表面可进行防水处理;散热层17和与皱褶层17A一体制成,其中散热层17的一面平整,对于第一种实现方法,另一面的特定位置形成1mm的突台,在此,突台位置位于,对于第二种实现方法,另一面平坦,而皱褶层17A形状不规则;散热层17与皱褶层17A也可以为采用不同厚度的湿式碳素复合材料,其中,为了增加机械强度,散热层17采用了较厚的湿式碳素复合材料,薄处厚度可设计为1.5mm,厚处厚度,即有突台处厚度为2.5mm,为了降低成本和增加皱褶的密度,皱褶层17A采用了较薄的湿式碳素复合材料,厚度可设计为0.5mm。在此,散热层17的具有突台的一面称为散热层17的背面,相对面称为散热层17的表面。在此,皱褶层17A位于突台处,并且突台与散热层17的背面的边缘需要留出至少1mm的平整位置。本实施例使用了两面平坦的方式。
绝缘层13采用日东、日化、电化等厂家的绝缘材料,可以加入二氧化硅、氮化硅、碳化硅等掺杂以提高导热性,在此,掺杂可以是球形或角形,通过热压方式,压合在散热层17的表面。
布线连线15由铜等金属构成,形成于绝缘层13上的特定位置,根据功率需要,可设计成0.035mm或0.07mm等的厚度,对于一般的智能功率模块,优先考虑设计成0.07mm,优选的,采用0.07mm的厚度。
另外,在绝缘层13的边缘,形成有由布线连线15构成的焊盘区18A,其中,在绝缘层13的一边附近设置多个对准排列的焊盘区18A,根据功能需要,也可在绝缘层13的多个边附近设置多个对准排列的焊盘区18A。
功率器件16和非功率器件14被固定在布线连线15上构成规定的电路。在此,功率器件16采用IGBT管、高压MOSFET管、高压FRD管、高压二极管等元件,功率器件16通过金属层18与布线连线15等连接;非功率器件14采用集成电路、晶体管或二极管等有源元件、或者电容或电阻等无源元件,面朝上安装的有源元件等通过金属层18与布线连线15连接。
布线连线15可以是铝线、金线或铜线,通过邦定使各功率器件16之间、各非功率器件14之间、各布线连线15之间建立电连接关系,有时还用于使引脚结构11和布线连线15、功率器件16、非功率器件14之间建立电连接关系。
引脚结构11被固定在设于电路基板一个边缘的焊盘区18A上,其具有例如与外部进行输入、输出的作用,其中,设计成一边上设有多条引脚结构11,引脚结构11和焊盘区18A通过焊锡等导电电性粘结剂焊接,引脚结构11一般采用铜等金属制成,铜表面通过化学镀和电镀形成一层镍锡合金层,合金层的厚度一般为5μm,镀层可保护铜不被腐蚀氧化,并可提高可焊接性。
树脂密封层12可通过传递模方式使用热硬性树脂模制也可使用注入模方式使用热塑性树脂模制。在此,树脂密封层12完全密封散热层17表面上的所有元素,并且密封散热层17背面未形成突台的所有位置,树脂密封层12在散热层17背面的厚度可设计为1mm,从而使高度与突台高度一致。对于两面平坦的功率模块,则只密封具有功率器件16的一面,另一面完全露出。
以上结合附图详细说明了本实用新型的技术方案,本实用新型提出了一种功率模块,通过形成散热层,有效增大了功率模块的导热面积和导热效率,降低了功率器件因散热不佳导致的烧损或失效等问题,进而提高了功率模块的可靠性,降低了功率模块的故障率,另外,通过将多个功率模块集中设置于同一区域,对上述同一区域进行散热层的集中制备,不会增加制作复杂度,同时,避免了多个功率模块将工况热量传递于非功率模块。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,对于本领域的技术人员来说,本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种功率模块,其特征在于,包括:
至少一个功率器件;
绝缘层,所述绝缘层的第一侧装配有所述至少一个功率器件;
散热层,设置于所述绝缘层的第二侧。
2.根据权利要求1所述的功率模块,其特征在于,包括:
皱褶层,设置于所述绝缘层的第一侧,所述皱褶层对应于所述功率器件所在的区域,所述皱褶层包括粉末层和纤维状碳素层。
3.根据权利要求2所述的功率模块,其特征在于,包括:
至少一个非功率器件,设置于所述绝缘层的第一侧。
4.根据权利要求3所述的功率模块,其特征在于,包括:
至少一个引脚结构,设置于所述绝缘层的第一侧;
焊盘,设置于所述绝缘层的第一侧。
5.根据权利要求4所述的功率模块,其特征在于,包括:
密封层,设置有防水层,包覆于所述功率模块上除所述皱褶层所在的区域。
6.根据权利要求4或5所述的功率模块,其特征在于,包括:
金属布线层,设置于所述绝缘层的第一侧;
金属连线层,连接于需要进行信号传输的所述功率器件、所述非功率器件、所述引脚结构和所述焊盘之中的任两个之间,所述金属布线层和所述金属连线层用于实现所述功率器件、所述非功率器件、所述引脚结构和所述焊盘之中的任两个之间的线路连接。
7.根据权利要求6所述的功率模块,其特征在于,所述金属连线层包括线宽36至420微米的铝线、24至280微米的铜线和18至210微米的金线中的一种或多种的任意组合,所述金属布线层的厚度为1至5微米。
8.根据权利要求6所述的功率模块,其特征在于,所述皱褶层与所述散热层的接触区域的厚度大于或等于所述皱褶层与所述散热层的非接触 区域的厚度。
9.根据权利要求6所述的功率模块,其特征在于,所述至少一个功率器件包括桥堆功能模块、压缩机逆变功率模块、功率因素校正模块和风机逆变模块中的一种或多种模块的任意组合。
10.根据权利要求6所述的功率模块,其特征在于,所述绝缘层包括二氧化硅层、氮化硅层和碳化硅层中的一层或多层的任意组合。
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