CN108428681A - 正面导电背面散热的电力电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种正面导电背面散热的电力电子设备，其中，该电力电子设备包括：散热器(1)；柔性绝缘导热材料(2)，设置在所述散热器(1)上；一个或多个电力电子功率器件(3)，设置在所述柔性绝缘导热材料(2)上；多个不可形变绝缘颗粒(4)，分散设置在所述柔性绝缘导热材料(2)内，用于防止所述散热器(1)和所述电力电子功率器件(3)接触；PCB电路板(5)，设置在所述电力电子功率器件(3)上。既可以保证所有电力电子功率器件释放的热量有效传导出去，又不会造成部分电力电子功率器件由于受到硬挤压而损坏。

Description

正面导电背面散热的电力电子设备
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及电力电子器件(Power Electronic Device)散热技术，具体来说就是一种正面导电背面散热的电力电子设备。
背景技术
电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和电路控制方面的大功率电子器件(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)。近年来，电力电子器件朝着智能化、应用高频化、硬件结构集成化、模块标准化的方向发展，广泛应用于变频调速、智能电网、汽车电子、信息和办公自动化、家用特种电源、牵引用特种电源、新能源、太阳能、风能及燃料电源等领域。
由于电力电子器件消耗一定的电能，因此会产生热量，加上电力电子器件的内部结构比较脆弱，散热和电气连接方式有别于传统封装器件，对散热提出新的挑战。例如GaNSystems公司开发了一款氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管)器件，氮化镓器件顶部是金属散热面，该散热面带电，氮化镓器件底部是焊接到PCB板(印制电路板)的电气连接端子。实际应用中，多个氮化镓器件的电气连接端子焊接到PCB板上，导致多个氮化镓器件的金属散热面不在一个平面，采用传统的导热垫片贴到散热器上会导致下面的问题：
a)多个氮化镓器件焊接到PCB板上后，各个氮化镓器件的散热面不在一个平面，采用传统的导热绝缘垫片不能很好地填充器件金属散热面与散热器之间的间隙。
b)氮化镓器件本体承受压力的能力较弱，压力较大时，会导致氮化镓器件损坏。
c)氮化镓器件的散热金属面带电，散热垫片需要提供电气绝缘功能。
d)氮化镓器件工作时候有一定热量损耗，散热垫片需要具有较小的热阻，保证氮化镓器件不会过热烧坏。
因此，本领域技术人员亟需研发一种能够及时散热且不会压坏电子元器件的电力电子功率器件。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种正面导电背面散热的电力电子设备，解决了现有电力电子设备的导热绝缘垫片不能很好地填充器件金属散热面与散热器之间的间隙，散热效果差，而且容易压坏氮化镓器件的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式提供一种正面导电背面散热的电力电子设备，包括：散热器；柔性绝缘导热材料，设置在所述散热器上；一个或多个电力电子功率器件，设置在所述柔性绝缘导热材料上；多个不可形变绝缘颗粒，分散设置在所述柔性绝缘导热材料内，用于防止所述散热器和所述电力电子功率器件接触；PCB电路板，设置在所述电力电子功率器件上。
根据本发明的上述具体实施方式可知，正面导电背面散热的电力电子设备至少具有以下有益效果：采用柔性导热绝缘填充材料替代现有伸缩形变能力较弱的导热垫片；在柔性导热绝缘填充材料中间可以增加小玻璃珠、绝缘纤维材料等受压不会发生形变的填充物，来保证电力电子功率器件(例如氮化镓器件)的导热面跟散热器之间不会短路；在散热器上设计带螺纹的凸台，螺丝通过该凸台来锁附PCB板。柔性导热绝缘填充材料可以很好地填充器件金属散热面与散热器之间的间隙，散热效果好；在柔性导热绝缘填充材料中间可以增加受压不会发生形变的绝缘填充物，可以保证电力电子功率器件的导热面跟散热器之间不会发生短路，安全性高；在散热器上设计带螺纹的凸台，可以保证不会压坏电力电子功率器件。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
图1为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例一的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例二的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例三的结构示意图；
图4为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例四的结构示意图；
图5为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例五的结构示意图；
图6为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例六的结构示意图。
符号说明：
1 散热器 2 柔性绝缘导热材料
3 电力电子功率器件 4 不可形变绝缘颗粒
5 PCB电路板 6 螺纹凸台
7 螺钉 51 安装孔
61 螺纹孔
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
图1为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例一的结构示意图，如图1所示，采用柔性导热绝缘填充材料替代现有伸缩形变能力较弱的导热垫片；在柔性导热绝缘填充材料中间可以增加小玻璃珠、绝缘纤维材料等受压不会发生形变的绝缘颗粒，来保证电力电子功率器件的导热面跟散热器之间不会接触，从而不会引起短路。
该附图所示的具体实施方式中，正面导电背面散热的电力电子设备包括：散热器1、柔性绝缘导热材料2、电力电子功率器件3、不可形变绝缘颗粒4和PCB电路板5。其中，柔性绝缘导热材料2设置在所述散热器1上；一个或多个电力电子功率器件3设置在所述柔性绝缘导热材料2上；多个不可形变绝缘颗粒4分散设置在所述柔性绝缘导热材料2内，不可形变绝缘颗粒4用于防止所述散热器1和所述电力电子功率器件3接触；PCB电路板5设置在所述电力电子功率器件3上。本发明的具体实施例中，柔性绝缘导热材料2可以为Bergquist公司生产的Gap Filler4000或者为Gap Pad 5000S35等类似的柔性绝缘导热材料；电力电子功率器件3可以为氮化镓器件；不可形变绝缘颗粒4可以为玻璃珠或者为塑料球；电力电子功率器件3的电气连接端子焊接到所述PCB电路板5上。
参见图1，柔性绝缘导热材料2可以很好地填充电力电子功率器件3金属散热面与散热器1之间的间隙，散热效果好；在柔性绝缘导热材料中间可以增加受压不会发生形变的不可形变绝缘颗粒4，从而可以保证电力电子功率器件3的导热面跟散热器1之间不会发生接触而导致短路，安全性高。
图2为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例二的结构示意图，参见图2，电力电子设备还包括螺纹凸台和螺钉，螺钉穿过PCB电路板上的安装孔将PCB电路板固定到螺纹凸台上。
该附图所示的具体实施方式中，PCB电路板5具有安装孔51，该电力电子设备还包括螺纹凸台6和螺钉7。其中，螺纹凸台6设置在所述散热器1上，螺纹凸台6具有螺纹孔61，所述螺纹孔61与所述安装孔51对应；螺钉7用于穿过所述安装孔51将所述PCB电路板5固定在所述螺纹凸台6上。本发明的具体实施例中，螺纹凸台6可以与散热器1一体成型，从而降低产品生产过程中的复杂度。
参见图2，在散热器1上设计带有螺纹的螺纹凸台6，螺钉穿过通过PCB电路板5上的安装孔51，将PCB电路板5锁附在螺纹凸台6上，在散热器1上设计带螺纹的螺纹凸台6，既能保证电力电子功率器件3(如氮化镓器件)与散热器1之间的缝隙良好填充，电力电子功率器件3到散热器1具有较小的热阻，同时保证电力电子功率器件3承受合适的压力，避免电力电子功率器件3承受较大压力而损坏，可以进一步保证PCB电路板5不会压坏电力电子功率器件3。
图3为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例三的结构示意图，如图3所示，螺纹凸台的高度h1大于电力电子功率器件的最大高度h2与不可形变绝缘颗粒的直径r之和，即h1＞h2+r，当螺钉将PCB电路板固定到螺纹凸台上时，可形变绝缘颗粒和PCB电路板不会对电力电子功率器件造成硬挤压。
该附图所示的具体实施方式中，所述螺纹凸台6的高度h1大于所述电力电子功率器件3的最大高度h2与所述不可形变绝缘颗粒4的直径r之和，即h1＞h2+r。
参见图3，对于多个电力电子功率器件3同时设置在同一不可形变绝缘颗粒4的情形，螺纹凸台6的高度h1大于电力电子功率器件3的最大高度h2与不可形变绝缘颗粒4的直径r之和，当螺钉将PCB电路板5附着到螺纹凸台6时，保证不会出现由于其中一个或多个电力电子功率器件3的高度过大，不可形变绝缘颗粒4和PCB电路板5共同挤压这些电力电子功率器件3而导致这些电力电子功率器件3损坏的情形。
图4为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例四的结构示意图，如图4所示，不可形变绝缘颗粒的直径r小于柔性绝缘导热材料在自然状态下的厚度L，螺纹凸台的高度h1小于所述电力电子功率器件的最小高度h3与所述柔性绝缘导热材料在自然状态下的厚度L之和，即保证不可形变绝缘颗粒不外露、不遗失，又能保证柔性绝缘导热材料对于最低的电力电子功率器件也能起到导热作用。
该附图所示的具体实施方式中，所述不可形变绝缘颗粒4的直径r小于所述柔性绝缘导热材料2在自然状态下的厚度L，即r＜L，从而保证不可形变绝缘颗粒4完全包裹在柔性绝缘导热材料2内，增加柔性绝缘导热材料2的美观。通常来说，柔性绝缘导热材料2的厚度L根据电力电子设备导热和填充特性来确定。
其中，所述螺纹凸台6的高度h1小于所述电力电子功率器件3的最小高度h3与所述柔性绝缘导热材料2在自然状态下的厚度L之和，即h1＜h3+L，如图6所示，从而有效防止对于多个电力电子功率器件3同时设置在同一柔性绝缘导热材料2上时，由于其中一个或多个电力电子功率器件3的高度较小，电力电子功率器件3不能有效接触柔性绝缘导热材料2，热量传导不出去的情形。
参见图4，多个电力电子功率器件3同时设置在同一柔性绝缘导热材料2上时，即使其中一个或多个电力电子功率器件3的高度较小，这些电力电子功率器件3也能有效接触柔性绝缘导热材料2，将热量传导给散热器1，从而进行有效散热。
图5为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例五的结构示意图；图6为本发明具体实施方式提供的一种正面导电背面散热的电力电子设备的实施例六的结构示意图，如图5、图6所示，当螺钉穿过PCB电路板5的安装孔51将PCB电路板5固定到螺纹凸台6上时，柔性绝缘导热材料2出现形变，电力电子功率器件与柔性绝缘导热材料2一直处于接触状态。其中，图5中两个电力电子功率器件3的高度相同，图中两个电力电子功率器件3均受到柔性绝缘导热材料2的柔性挤压，电力电子功率器件3的高度和柔性绝缘导热材料2在自然状态下的厚度大于螺纹凸台6的高度，但电力电子功率器件3的高度和不可形变绝缘颗粒4的直径之和小于螺纹凸台6的高度，当PCB电路板5固定到螺纹凸台6上时，可以保证电力电子功率器件3受到柔性挤压，但不会受到硬性挤压。图6中三个电力电子功率器件31、32、33的高度不相同，图中三个电力电子功率器件31、32、33，不论高低，均受到柔性绝缘导热材料2的柔性挤压，电力电子功率器件31、33由于高度较大，柔性绝缘导热材料2的形变程度较大，电力电子功率器件32由于高度较小，柔性绝缘导热材料2的形变程度较小；电力电子功率器件32的高度和柔性绝缘导热材料2在自然状态下的厚度大于螺纹凸台6的高度，但电力电子功率器件31、33的高度和不可形变绝缘颗粒4的直径之和小于螺纹凸台6的高度，当PCB电路板5固定到螺纹凸台6上时，既可以保证高度较大的电力电子功率器件31、33受到柔性挤压，又可以保证高度较小的电力电子功率器件32不会受到硬性挤压，对于在同一柔性绝缘导热材料2上同时设置高度不同的电力电子功率器件31、32、33，同样可以保证最低电力电子功率器件32的热量顺序排放出去，同时保证最高电力电子功率器件31、33不会被压毁。
本发明具体实施例提供一种正面导电背面散热的电力电子设备，采用柔性导热绝缘填充材料替代现有伸缩形变能力较弱的导热垫片；在柔性导热绝缘填充材料中间可以增加小玻璃珠、绝缘纤维材料等受压不会发生形变的绝缘填充物，来保证电力电子功率器件(例如氮化镓器件)的导热面跟散热器之间不会接触，而导致电路短路；在散热器上设计带螺纹的凸台，螺丝通过该凸台来锁附PCB板。柔性导热绝缘填充材料可以很好地填充器件金属散热面与散热器之间的间隙，散热效果好；在柔性导热绝缘填充材料中间可以增加受压不会发生形变的绝缘填充物，可以保证电力电子功率器件的导热面跟散热器之间不会发生短路，安全性高；在散热器上设计带螺纹的凸台，可以保证不会压坏电力电子功率器件。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，该电力电子设备包括：
散热器(1)；
柔性绝缘导热材料(2)，设置在所述散热器(1)上；
一个或多个电力电子功率器件(3)，设置在所述柔性绝缘导热材料(2)上；
多个不可形变绝缘颗粒(4)，分散设置在所述柔性绝缘导热材料(2)内，用于防止所述散热器(1)和所述电力电子功率器件(3)接触；以及
PCB电路板(5)，设置在所述电力电子功率器件(3)上。
2.如权利要求1所述的正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，所述PCB电路板(5)具有安装孔(51)，该电力电子设备还包括：
设置在所述散热器(1)上的螺纹凸台(6)，具有螺纹孔(61)，所述螺纹孔(61)与所述安装孔(51)对应；以及
螺钉(7)，用于通过所述安装孔(51)将所述PCB电路板(5)固定在所述螺纹凸台(6)上。
3.如权利要求2所述的正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，所述螺纹凸台(6)的高度大于所述电力电子功率器件(3)的最大高度与所述不可形变绝缘颗粒(4)的直径之和。
4.如权利要求3所述的正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，所述不可形变绝缘颗粒(4)的直径小于所述柔性绝缘导热材料(2)在自然状态下的厚度。
5.如权利要求2所述的正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，所述螺纹凸台(6)的高度小于所述电力电子功率器件(3)的最小高度与所述柔性绝缘导热材料(2)在自然状态下的厚度之和。
6.如权利要求1所述的正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，所述柔性绝缘导热材料(2)为Gap Filler4000或者为Gap Pad 5000S35。
7.如权利要求1所述的正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，所述柔性绝缘导热材料(2)的厚度根据电力电子设备导热和填充特性来确定。
8.如权利要求1所述的正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，所述电力电子功率器件(3)为氮化镓器件。
9.如权利要求1所述的正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，所述不可形变绝缘颗粒(4)为玻璃珠或者为塑料球。
10.如权利要求1所述的正面导电背面散热的电力电子设备，其特征在于，所述电力电子功率器件(3)的电气连接端子焊接到所述PCB电路板(5)上。
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