CN101400246A - 具有散热功能的母线 - Google Patents

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斯特芬·万德雷斯
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奥托·施瓦茨伦德
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Abstract

本发明考虑了表面安装半导体开关的简单且节约成本的电流输送和散热。因此，使用一种母线，该母线通过热传导元件与半导体开关进行电接触和热接触。半导体开关操作过程中产生的热量通过设置在母线上的散热器被散发。母线是一种简单、扁平的元件，其紧靠电路板的底侧。母线与电路板由此形成一种子配件，该子配件可通过传统的SMD生产线以进行进一步装配。

Description

具有散热功能的母线
技术领域
本发明涉及一种具有改进的电流输送和散热的电控制单元，以及一种相应的制造方法。
背景技术
在控制装置或控制模块中，当它们被使用在例如车辆中来进行高电流的切换或分配时，使100A到200A的电流输入和输出电路板产生了问题，因为这种电流必须相应地通过实心(solid)机械部件(如母线和高电流连接器)来供给。当半导体开关(如场效应晶体管或双极结晶体管)与由辅助电子零件构成的相应驱动电路一起被用来切换和分配这些电流时，用来负载控制设备或控制模块中电路的电路板被优选使用。
这种控制装置的特殊使用领域为，例如用在机动车辆的附助电热器的驱动中，其中电能通过加热电阻器(优选为所谓的正温度系数(PTC)元件)被转换成热量，并通过散热器肋片传递给气流。这些加热器可包括一些单独的或联合的从动加热阶段。为使加热能力适合热量需求和/或当前在随车携带的电源中可用的电功率，加热器通常由脉冲宽度调制驱动。于是，上面提到的半导体开关被用来切换并分配该加热电流给各加热阶段。为了简化安装，加热器和相应的控制单元被构造成结构单元，其中控制电子器件可被并入到加热器的框架中。
所有的电子元件优选被制成为表面安装器件(SMD)。这产生了另一个问题：流经半导体开关的高电流产生了大量的热，因此需要采取专门的措施从半导体开关散发热量。由于半导体开关也被设置为表面安装器件，因此它们不再能够被栓接于散热器。因此，在热量有可能被输入散热器之前，热量必须通过热传导性能较差的电路板传送。热量从半导体开关的散发和热量到散热器的供入又被电绝缘件(所述电绝缘件对于隔离半导体开关和散热器的电势来说是必需的)阻碍，并且也恶化了半导体开关与散热器之间的传热。
从参考文献EP 1 395 098 A1可知散热问题的解决方法。电流输入和输出的问题通过栓接到电路板的实心(solid)母线和焊接到电路板上的接触弹簧而得以解决。散热借助于热传导元件(所述热传导元件被压入到其上焊接有半导体开关的电路板中)并借助于连接至热传导元件的散热器独立于电流输送而完成。
这种方法的缺点在于需要多个不同的零件和制造步骤，导致相应的高材料成本和制造成本。而且，很难保证散热器与热传导元件(该热传导元件与半导体开关电连接)之间可靠的电绝缘。
电流输送给半导体开关和热量从半导体开关的散发的问题原则上可以通过将半导体开关焊接到固体金属带上得以解决，该金属带具有高的导电性和热传导性(如，铜)。金属带还可设有冷却叶片，以改进与环境的热传递。同时，金属带可以形成为使得具有用于电流输送的相应大横截面的电缆可以被插入或用螺丝拧到金属带上(例如，通过将接线插脚压入到金属带中)。即使通过这种方法，仍然很难保证金属带(所述金属带电连接至半导体开关)与其周围环境之间可靠的电绝缘。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种简单、节约成本的解决方案，用于将电流输送给安装在电路板上的半导体开关以及用于从半导体开关散发热量。本发明的另一目的在于提供一种相应的制造方法。
上述目的通过独立权利要求的特征实现。优选实施例是从属权利要求的主题。
本发明的具体方法是使用母线来输送电流和散热，该母线与半导体开关电接触和热接触，以使操作过程中产生的热量通过设置在母线上的散热器散发。
根据本发明的第一个方面，提供了一种电控制单元。该控制单元包括：电路板及电路板上侧上的功率半导体器件；热传导元件，所述热传导元件通过电路板中的开口与功率半导体器件热接触；设置在电路板底侧上的散热器，其用于散发功率半导体器件的操作过程中产生的热量；散热器，所述散热器与电路板的底侧齐平，并与热传导元件热接触和电接触，其中热传导元件通过电路板中的开口与功率半导体器件电接触，以便为功率半导体器件输入电流或从中输出电流，并且其中散热器被设置在母线上，并与母线热接触。
优选地，散热器和母线通过热传导绝缘层(诸如粘合膜或胶合层)被电隔离。通过这种方式，控制单元的操作安全可大幅度提高。
有利地，母线由扁平的且基本成矩形的金属带材形成。这虑及了控制单元的简便、节约成本的制造。
有利地，通过金属带材的深冲压将热传导元件和母线形成为单独部件。可替换地，热传导元件也可形成为大致为圆柱形的、实心的金属件。在这种情况下，母线优选由扁平的金属带材形成，其上设有冲压孔，热传导元件被压入所述冲压孔中。在这两种情况下，均保证了简便、节约成本的制造。
有利地，热传导元件设有销，所述销伸入到电路板的开口中，以使销的上侧与电路板的上侧齐平。优选地，销正好适配于电路板的开口中。于是，可以保证功率半导体器件恰好紧靠电路板的上部和销的上部。
有利地，功率半导体器件的底侧与销的上侧电接触和热接触，并且优选地，功率半导体器件的底侧被焊接在销的上侧上。通过这种方式，可以保证功率半导体器件与热传导元件之间可靠的热接触和电接触。
有利地，功率半导体器件的底侧紧靠销的上侧和电路板的上侧。通过这种方式，可以保证功率半导体器件被焊接到电路板上的传导路径和热传导元件两者上。
有利地，母线设有可插入连接器的片端子，用于连接用于输入和输出电流的电缆。可替换地，母线也可设有螺栓连接件或压接连接件，用于连接用于输入和输出电流的电缆。在这两种情况下，均保证安全接触和简单制造。
有利地，母线设有凸出安装元件，其与电路板中的钻孔摩擦锁定。通过这种方式，实现安全的预安装。
有利地，该电控制单元设有同样类型的第二母线，其中这两条母线中的一条用来给功率半导体器件输送电流，另一条母线用来从功率半导体器件输出电流。在这种情况下，散热器优选地设置在两条母线上，并通过绝缘层分隔开。
优选地，功率半导体器件是SMD零件。通过这种方式，控制单元可以紧凑方式被制造。
有利地，将多个功率半导体器件设置在电路板上，每一个功率半导体器件都通过电路板中的相应开口电连接和热连接至母线。通过这种方式，多个半导体功率器件可被供以电流，同时，可通过共有的散热器冷却。
根据本发明的第二个方面，提供一种制造电控制单元的方法，该控制单元具有：位于电路板上侧上的功率半导体器件；热传导元件，其通过电路板中的开口与功率半导体器件热接触和电接触；母线，其与电路板的底侧齐平，并与热传导元件热接触和电接触；以及散热器，所述散热器设置在母线上，用于散发功率半导体器件的操作期间产生的热量。该制造方法包括以下步骤：通过将电路板预先机械固定在母线上而形成子配件，其中母线设有至少一个销，所述销从下面伸入到电路板的相应开口内，以使销的上侧与电路板的上侧齐平；将焊膏施加到子配件的上侧上；将功率半导体器件装配于子配件的上侧，使得功率半导体器件紧靠电路板的上侧和销的上侧；以及将功率半导体器件焊接至电路板和销。
有利地，散热器还优选通过热传导电绝缘层与母线连接。
有利地，母线设有电端子，其在子配件的一侧上凸出。
有利地，通过丝网印刷方式施加焊膏。此外，通过回流焊接法将功率半导体器件焊接至电路板和销。有利地，在传统的SMD生产线上执行施加焊膏、装配和焊接的步骤。因此，可通过非常有效且节约成本的方式用现有生产设备制造该控制单元。
优选地，通过对金属带材进行深冲压制成母线的销。可替代地，可通过将实心金属热传导元件压制在金属带材(该金属带材相应地被穿孔)中而制成母线的销。通过这种方式，可以非常节约成本的方式制造母线和热传导元件。
有利地，通过将销压入到电路板的开口内，电路板被预先机械固定到母线上。有利地，母线可额外或可选择地设有凸出安装元件，其与电路板中的通孔摩擦锁定，以使电路板被预先机械地固定到母线上。因此，电路板和母线形成了一种结构单元，该结构单元可容易地被进一步加工，尤其是被装配以电子零件。
有利地，这种制造方法用于制造根据本发明第一方面的控制单元。
附图说明
下面，通过参考附图描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明一个实施例的示例性电子控制单元，
图2A示出了图1中的控制单元的前视图，
图2B示出了沿图2A中的的A-A线截取的截面图，
图2C示出了图2B的细节图，
图2D示出了图2C的细节图，
图3A示出了根据本发明的一个方面的母线的实施例，
图3B示出了根据本发明另一方面的母线的替换实施例，
图3C示出了装配好的电路板的实施例，
图4A示出了根据本发明替换实施例的控制单元的前视图，
图4B示出了沿图4A中的B-B线截取的截面图，
图4C示出了图4B的细节图，
图4D示出了图4C的细节图，
图5A示出了根据本发明另一替换实施例的控制单元，
图5B示出了图5A所示控制单元的前视图，
图6A示出了根据本发明另一实施例的控制单元的前视图，
图6B示出了沿图6A中的C-C线截取的截面图，以及
图6C示出了图6A和图6B的母线的透视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电控制装置的零件的基本布置。控制装置包括：电路板1；焊接在电路板上的半导体开关2；特制的母线3；热传导绝缘箔(heat conducting insulating foil)4；和示例性散热器5。
在图2A中示出了本发明的第一实施例前视图，在图2B至图2D中示出了其截面图。具有至少一个钻孔(drilling)1.1的电路板1与具有凸形销3.1的扁平母线相连，从而实现用于进一步的处理的预固定。母线3的销3.1被压入到电路板1的钻孔1.1中，以使销3.1的上侧与电路板的上侧(即，电路板的铜层1.2)齐平。母线紧靠电路板的底侧，且对于整个厚度而言仅增加了几毫米。如此形成的子配件可在传统的SMD生产线上被进一步处理，就像常规的电路板一样。
半导体开关将与其他SMD零件一起被设置并且焊接至电路板。因此半导体开关紧靠电路板的铜层1.2和销3.1的上侧两者。这使得半导体开关的底侧2.1与母线的销的上侧3.2之间进行广泛接触，其中半导体开关2、销3.1与电路板1之间的空腔6内填满液态焊料。因此半导体开关与母线之间达到最佳热连接和电连接。
散热器5随后被连接到母线3的大部分面积上，以获得良好的热连接性能。这可通过例如胶合或压制完成。此外，可通过绝缘箔4以简单的方式实现母线3与散热器5的电隔离(即绝缘)，该绝缘箔要尽可能薄以便不会削弱热传递。绝缘箔也可由双面粘合膜构成，以便于还能获得粘接功能。从组装的观点看，在连接母线3与电路板1之前，散热器5、绝缘箔4和母线3的预装配也是可能的。可替换地，粘性箔也可由施加到散热器或母线上的粘性层代替。
散热器优选用预制铝型材制成。取代铝型材，也可使用类似于壳体金属基板这类材料。基板的内侧可设有用来容纳母线的带状凹槽，以使在装配后母线和电路板两者可由基板支撑。
图3A示出了母线3的结构，其为具有销3.1的深冲压零件。通过深冲压方法，可实现母线的显著成本节约和精确制造。母线优选地由扁平且基本为矩形的金属带材制成，而不需要任何额外的加工步骤。通过在母线3的一端形成可插入触点(pluggable contact)3.3，这种制造方法很容易为母线3提供安全的电流输送和输出，例如，流入电缆中。可替换地，例如，接触销或双头螺栓可被压入到母线中用于将电缆与之连接。其他接触装置(如压接连接件)也是可以的，所述接触装置优选地直接由金属带材形成。
在图4A中示出了本发明第二实施例的前视图，并且在图4B至图4D中示出了其的截面图。母线7形成为平坦的冲压金属带材。金属带材优选为扁平的且基本成矩形。伸入到电路板1内的钻孔中的销不是如第一实施例中那样由金属带材本身形成的，而是通过将分开的、实心的、圆柱状零件8压制在金属带材7(图3B)中而形成的。因此，可以通过特别简单和节约成本的方式制造母线。以如上所述的方式实施其他制造步骤。这种构造的优势归因于母线7与半导体开关2之间改进的热连接。
作为这种变形的替换，也可以想到将销8先压入并焊接到电路板1(图3C)上。通过这种子装配，母线和销8可利用钻孔7.1被连接，例如，通过形成适配突起(positive fitting protrusion)8.1被连接。
仅具有整体热传导元件(即，不具有散热器)的母线最初参与输送电流(通过可插入触点)、为各个功率半导体分配电流、吸收功率半导体的热量，以及将热量传到电路板的另一面(也就是与功率半导体器件相对的面)，伴随有热散播(heat spreading)。热散播意味着来自功率半导体的热流的输入横截面小于流入散热器的热传导元件(作为母线的一部分)处的热流的输出横截面。
通过单独的散热器完成进一步的热输送和热传递，如输送到周围空气中。通过经由一个表面(该表面优选地尽可能大)将散热器连接于母线，可实现以下效果，即，用于使两个零件电绝缘的薄绝缘箔仅微小地恶化母线与散热器之间的热传递：传递表面A(传递表面上设有厚度为d的绝缘箔)越大，产生的绝缘箔的热阻率Rth～d/A越小。
因此，具有整体热传导元件的母线具有促进电路板上良好的热传递的功能，并且，还具有将多余的热量引到散热器中的功能，该散热器优选为电绝缘的。
根据本发明的具有散热功能的母线的另一优点在于，母线与散热器结合，提供了半导体开关之间的热耦合。在其中一个半导体开关存在过热(如因损坏引起)的情况下，整个散热器就会通过关闭其他半导体开关来提供散热。这虑及了故障环境下控制单元的更安全的改进。在某种意义上说，本发明提供了制造和装配方面的显著简化，因为多个单独的热传导元件不再需要安装到电路上且随后连接至母线，而是这些单个零件是通过冲压并形成平坦金属带材以独立制造工艺制造的。同时，该带材的一端也可以形成用于可插入连接的触点片。具有散热功能的母线因此具有三种不同的功能，即，电流分配和输送功能、散热功能和提供可插入触点的功能。
本发明的具有整体热传导元件的母线通过单个装配和连接工艺被机械地安装到电路板上。在焊接工艺中实现电连接和热连接：在母线已经初步机械固定至电路板之后，通过丝网印刷将焊膏施加到电路板上(并施加到突出的热传导元件上)。接下来，装配功率半导体器件和其他电子零件。在接下来的回流工艺中，热传导元件、功率半导体器件和其他零件与电路板被同时焊接于彼此。
图5示出了具有第二母线10的布置。该母线可能与第一母线3具有相同的结构，用于半导体开关的电流输送和散热。具有两条母线的设置优选地用于这种情况：高电流需要输送至电路，在该电路中，在被再次合流之前高电流被分配给多个半导体开关。如果例如电路板上的多个半导体是并联连接以增加电流承载能力的话，就一直是这种情况。第二母线10的销确实也穿过电路板中的钻孔突出，然而没有半导体开关焊接于其上侧。借助于电路板上的铜区域(销被焊接于该铜区域)实现了具有销的母线与半导体开关或电路板上另一零件的电连接。
图6示出了母线与电路板的可选安装。因此，热传导元件设有突出安装元件12，其与电路板中的钻孔13相配合，从而促进了安全的预安装。这可以通过扩大安装元件的尺寸以与电路板中的钻孔产生压配合而实现。可替换地，在预张力(F)下，可安放至少两个安装元件(图6C中的12.1和12.2)，以便实现与电路板的摩擦锁定(friction lock)。
总之，本发明考虑了用于表面安装半导体开关的简单、节约成本的电流输送和散热。因此，使用一种母线，该母线通过热传导元件与半导体开关进行电接触和热接触。半导体开关操作过程中产生的热量通过设置在母线上的散热器被散发。母线是一种简单、扁平的元件，其紧靠电路板的底侧。母线与电路板由此形成一种子配件，该子配件可通过传统的SMD生产线以进行进一步装配。

Claims (32)

1.一种电控制单元，包括：
电路板(1)和设置在所述电路板(1)的上侧上的功率半导体器件(2)；
热传导元件(3.1；8)，所述热传导元件通过所述电路板(1)中的开口与所述功率半导体器件(2)热接触；
散热器(5)，设置在所述电路板(1)底侧上，用于散发所述功率半导体器件(2)操作过程中产生的热量，
其特征在于：
所述电控制单元还包括母线(3；7)，所述母线平坦地紧靠所述电路板(1)的底侧并与所述热传导元件(3.1；8)热接触和电接触，其中，
所述热传导元件(3.1；8)通过所述电路板(1)中的开口与所述功率半导体器件(2)电接触，用于为所述功率半导体器件(2)输入电流和从所述功率半导体器件中输出电流，并且
所述散热器(5)被设置在所述母线(3；7)上并与所述母线热接触。
2.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述散热器(5)和所述母线(3；7)通过热传导绝缘层(4)被电隔离。
3.根据权利要求2所述的电控制单元，其中，所述热传导绝缘层(4)是粘性箔或粘性层。
4.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述母线(3；7)由扁平的且基本成矩形的金属带材形成。
5.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述热传导元件(3.1；8)和所述母线(3；7)是通过深冲压金属带材作为单独部件形成的。
6.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述热传导元件(3.1；8)由大致为圆柱形的、实心金属件形成。
7.根据权利要求6所述的电控制单元，其中，所述母线(3；7)由平坦的金属带材形成，所述母线上设有冲压孔，所述热传导元件(3.1；8)被压入冲压孔中。
8.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述热传导元件(3.1；8)设有销(3.1)，所述销伸入到所述电路板(1)的开口中，以使所述销的上侧(3.2)与所述电路板(1)的上侧齐平。
9.根据权利要求8所述的电控制单元，其中，所述销(3.1)正好适配于所述电路板(1)的开口中。
10.根据权利要求8所述的电控制单元，其中，所述功率半导体器件(2)的底侧(2.1)与所述销(3.1)的上侧(3.2)电接触和热接触。
11.根据权利要求8所述的电控制单元，其中，所述功率半导体器件(2)的底侧(2.1)被焊接至所述销(3.1)的上侧(3.2)。
12.根据权利要求8所述的电控制单元，其中，所述功率半导体器件(2)的底侧(2.1)紧靠所述销(3.1)的上侧(3.2)和所述电路板(1)的上侧。
13.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述母线(3；7)设有可插入触点的片端子(3.3)，用于连接用于输入或输出电流的电缆。
14.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述母线(3；7)设有双头螺栓，用于连接用于输入或输出电流的电缆。
15.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述母线(3；7)设有压接连接件，用于连接用于输入或输出电流的电缆。
16.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述母线(3；7)设有突出安装元件(12)，所述突出安装元件与所述电路板(1)中的钻孔(13)摩擦锁定。
17.根据权利要求1所述的电控制单元，还包括同样类型的第二母线(10)，其中，两条母线(3；7，10)中的一条用来给所述功率半导体器件(2)输送电流，另一条母线用来从所述功率半导体器件(2)中输出电流。
18.根据权利要求17所述的电控制单元，其中，所述散热器(5)被设置在两条母线(3；7，10)上，并通过绝缘层(4)与母线电隔离。
19.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，所述功率半导体器件(2)被构造成表面安装器件。
20.根据权利要求1所述的电控制单元，其中，多个功率半导体器件(2)被设置在所述电路板(1)上，每一个功率半导体器件都通过所述电路板(1)中的相应开口被电连接和热连接至所述母线(3；7)。
21.一种用于制造电控制单元的方法，所述电控制单元具有：位于电路板(1)上侧上的功率半导体器件(2)；热传导元件(3.1；8)，其通过所述电路板(1)中的开口与所述功率半导体器件(2)热接触和电接触；母线(3；7)，所述母线紧靠所述电路板(1)的底侧并与所述热传导元件(3.1；8)热接触和电接触；以及散热器(5)，所述散热器设置在所述母线(3；7)上以便散发功率半导体器件(2)操作期间产生的热量，所述方法包括以下步骤：
通过将所述电路板(1)预先机械固定在所述母线(3；7)上而形成子配件，其中，所述母线(3；7)设有至少一个销，所述销从下方伸入到电路板(1)的相应开口内，以使所述销的上侧与所述电路板(1)的上侧齐平；
将焊膏施加到子配件的上侧上；
将所述功率半导体器件装配于所述子配件的上侧上，以使所述功率半导体器件紧靠所述电路板(1)的上侧和所述销的上侧；以及
将所述功率半导体器件焊接至所述电路板(1)和所述销。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括将散热器安装至所述母线(3；7)底侧的步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述散热器通过热传导的电绝缘层连接至所述母线(3；7)。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述母线(3；7)设有电端子，所述电端子在子配件的一侧凸出。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，通过丝网印刷方式施加所述焊膏。
26.根据权利要求21所述的方法，其中，通过回流焊接将所述功率半导体器件焊接至所述电路板(1)和所述销。
27.根据权利要求21所述的方法，其中，在传统的SMD生产线上执行施加焊膏、装配和焊接的步骤。
28.根据权利要求21所述的方法，还包括通过深冲压金属带材形成所述母线(3；7)的所述销的步骤。
29.根据权利要求21所述的方法，还包括通过将实心金属热传导元件压制于被相应穿孔的金属带材中而形成所述母线(3；7)的所述销的步骤。
30.根据权利要求21所述的方法，其中，通过将所述销压入到所述电路板(1)的开口内而将所述电路板(1)预先机械固定在所述母线(3；7)上。
31.根据权利要求21所述的方法，其中，所述母线(3；7)设有突出安装元件(12)，所述突出安装元件与所述电路板(1)中的钻孔(13)摩擦锁定，以使所述电路板(1)被预先机械地固定在所述母线(3；7)上。
32.根据权利要求21所述的方法，所述方法用于制造根据权利要求1-20中任一项所述的电控制单元。
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