CN108428682A - 一种功率模组及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率模组及其制备方法，该功率模组包括由上往下依次设置的电器发热件、陶瓷覆铜板、锡膏层、铜冷喷涂层以及散热器，所述散热器包括一散热器顶面，所述散热器顶面与所述铜冷喷涂层之间晶格相容，所述电器发热件包括一发热件基体以及设于所述发热件基体底部的电器覆铜层，所述电器覆铜层与所述陶瓷覆铜板的顶部相贴合，所述陶瓷覆铜板包括一陶瓷基体以及设于所述陶瓷基体底部的陶瓷铜面，所述陶瓷铜面与所述锡膏层的顶面相贴合。本发明提出的功率模组具有良好的导热效率，提高了产品的整体质量。
Description
技术领域
本发明涉及大功率器件技术领域，特别涉及一种功率模组及其制备方法。
背景技术
随着经济的不断发展以及社会的不断进步，在生产领域中，人们对更高功率的交流器提高了更多的需求，更高功率的功率模组目前在压变频器领域得到了长足的利用。
对功率模组而言，由于电机控制器的功率较大，控制器内的功率元器件(发热源，例如IGBT、MOSFET)等发热量较大，因此散热处理是电机控制器设计的一项重要内容，只有保证了电机控制器的充分散热，才能让电机控制器更加安全稳定地进行工作。目前，传统散热器之间通常使用散热硅脂作为导热介质，由于导热系数在一定程度上也取决于导热介质自身以及发热源与散热器之间的结合度，所以通常使用螺钉将功率元器件固定在散热器上，这样做是为了提高结合度。
然而，由于陶瓷层的存在，螺钉的固定扭力不能太大，否则会导致陶瓷层的碎裂，这无疑抑制了发热源与散热器之间的结合度，降低了散热效率。
发明内容
基于此，本发明的目的是为了解决现有的功率模组中，由于陶瓷层的存在，螺钉的固定扭力不能太大，导致降低了发热源与散热器之间的结合度，进而降低了散热效率。
本发明提出一种功率模组，其中，包括由上往下依次设置的电器发热件、陶瓷覆铜板、锡膏层、铜冷喷涂层以及散热器，所述散热器包括一散热器顶面，所述散热器顶面与所述铜冷喷涂层之间晶格相容，所述电器发热件包括一发热件基体以及设于所述发热件基体底部的电器覆铜层，所述电器覆铜层与所述陶瓷覆铜板的顶部相贴合，所述陶瓷覆铜板包括一陶瓷基体以及设于所述陶瓷基体底部的陶瓷铜面，所述陶瓷铜面与所述锡膏层的顶面相贴合。
本发明提出的功率模组，包括由上往下依次设置的电器发热件、陶瓷覆铜板、锡膏层、铜冷喷涂层以及散热器，由于散热器顶面与铜冷喷涂层之间为晶格相容，铜冷喷涂层可稳定地固定在散热器的顶部；此外，在本发明中，由于通过设置一锡膏层将陶瓷覆铜板、电器发热件与散热器一体化地固定在一定，因此避免了传统的采用螺钉进行固定的方式，可提高电器发热件与散热器之间的结合度，从而提高了导热效率，提供了该功率模组的整体散热效果，满足了实际应用需求。
所述功率模组，其中，所述陶瓷覆铜板为三氧化二铝陶瓷覆铜板或氮化硅陶瓷覆铜板。
所述功率模组，其中，所述三氧化二铝陶瓷覆铜板的导热率为30W/m.k，采用三氧化二铝陶瓷覆铜板制成的功率模组对应的总导热系数为0.036。
所述功率模组，其中，所述氮化硅陶瓷覆铜板的导热率为180W/m.k，采用氮化硅陶瓷覆铜板制成的功率模组对应的总导热系数为0.0087。
所述功率模组，其中，所述散热器为铝制散热器，所述散热器顶面与所述铜冷喷涂层之间的界面导热系数至少为317W/m.k，结合强度至少为1200kg/cm2。
所述功率模组，其中，所述铜冷喷涂层的厚度范围为0.033～0.038mm。
所述功率模组，其中，所述功率模组为一体化直焊成型。
本发明还提出一种功率模组的制备方法，其中，所述方法包括如下步骤：
在一散热器的顶面设置一铜冷喷涂层，通过锡焊的方式在所述铜冷喷涂层的顶部设置一锡膏层；
在所述锡膏层的顶部放置一陶瓷覆铜板，在所述陶瓷覆铜板的顶部放置一电器发热件，然后整体放入一恒温加热器中进行加热以实现一体化焊接得到功率模组。
所述功率模组的制备方法，其中，所述恒温加热器的加工温度范围为240℃～260℃。
所述功率模组的制备方法，其中，所述功率模组为一体化直焊成型。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/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为本发明第一实施例提出的功率模组的整体结构示意图；
图2为图1所示的功率模组中陶瓷覆铜板的结构放大图；
图3为图1所示的功率模组中电器发热件的结构放大图；
图4为本发明第一实施例提出的功率模组的实际产品示意图；
图5为本发明第一实施例中传统的采用树脂绝缘层的功率模组的导热过程示意图；
图6为本发明第二实施例提出的功率模组制备方法的流程图。
主要符号说明：
| 散热器 | 10 | 陶瓷基体 | 131 |
| 铜冷喷涂层 | 11 | 陶瓷铜面 | 132 |
| 锡膏层 | 12 | 发热件基体 | 141 |
| 陶瓷覆铜板 | 13 | 电器覆铜层 | 142 |
| 电器发热件 | 14 |
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对现有的功率模组而言，由于陶瓷层的存在，螺钉的固定扭力不能太大，否则会导致陶瓷层的碎裂，这无疑抑制了发热源与散热器之间的结合度，降低了散热效率。
为了解决这一技术问题，本发明提出一种功率模组，请参阅图1至图4，对于本发明第一实施例提出的功率模组，包括由上往下依次设置的电器发热件14、陶瓷覆铜板13、锡膏层12、铜冷喷涂层11以及散热器10。
在此需要指出的是，上述的散热器10为铝制散热器，该散热器10包括一散热器顶面，由于铜与铝的晶格相似，在本发明中，该散热器顶面与上述的铜冷喷涂层11之间晶格相容，因此铜冷喷涂层11可被稳定地固定在散热器10上。
对铜冷喷涂层11而言，该铜冷喷涂层11的厚度范围为0.033～0.038mm。在本实施例中，该铜冷喷涂层11的厚度为0.035mm。
对上述的电器发热件14而言，该电器发热件14包括一发热件基体141以及设于该发热件基体141底部的电器覆铜层142，其中该电器覆铜层142与上述的陶瓷覆铜板13的顶部相贴合。可以理解的，在发热件基体141的下部设置电器覆铜层142，主要是为了加快热量的传递，将电器发热件14中所产生的热量较为迅速地往下传递。
对陶瓷覆铜板13而言，该陶瓷覆铜板13包括一陶瓷基体131以及设于该陶瓷基体131底部的陶瓷铜面132，该陶瓷铜面132与锡膏层12的顶面相贴合。由上所述可以得知，该陶瓷集体131的上下两面均覆盖有一金属铜，可以理解的，该设置有利于提高导热效率，保证该功率模组的正常散热。
在此需要说明的是，该陶瓷覆铜板13为三氧化二铝陶瓷覆铜板。在本实施例中，三氧化二铝陶瓷覆铜板对应的导热率为30W/m.k，采用该三氧化二铝陶瓷覆铜板制成的功率模组对应的总导热系数为0.036。
作为另外一实施方式，上述的陶瓷覆铜板13也可为氮化硅陶瓷覆铜板。其中，该氮化硅陶瓷覆铜板对应的导热率为180W/m.k，采用氮化硅陶瓷覆铜板制成的功率模组对应的总导热系数为0.0087。
此外，散热器顶面与所述铜冷喷涂层11之间的界面导热系数至少为317W/m.k，结合强度至少为1200kg/cm2。在本实施例中，散热器顶面与铜冷喷涂层11之间的界面导热系数为317W/m.k，结合强度为1200kg/cm2。在此还需要指出的是，本实施例中的功率模组，在实际制备过程中，为一体化直焊成型。
下面将本实施例提出的功率模组与传统的功率模组对应的导热性能进行对比分析，具体分析如下所述：
一般的，传统的功率模组所采用的导热材料一般为树脂绝缘层或导热硅脂层。如图5所示，对传统的采用树脂绝缘层的功率模组，其导热过程一般包括如下几个步骤：(1)PN结到封装基板的热传导，对应的导热率为40～60W/m.k；(2)铝基板中树脂绝缘层的热传导，对应的导热率为2W/m.k；(3)铝基板中铝板体的热传导，对应的导热率为200W/m.k；(4)导热硅脂的热传导，对应的导热率为1.5W/m.k；(5)铝制散热器与空气的对流。
根据上述的导热过程，计算得到传统的功率模组对应的总导热系数为：
采用同样的计算方法，计算得到上述采用该三氧化二铝陶瓷覆铜板制成的功率模组对应的总导热系数为0.036，采用氮化硅陶瓷覆铜板制成的功率模组对应的总导热系数为0.0087。由上述结果可以很明显地看出：采用一体化直焊方法制备得到的功率模组，其导热能力比传统的功率模组要高出很多，能够保证功率模组中的热量及时有效地散发出去，提高了产品的整体使用性能。
与此同时，我们也对本发明的功率模组与传统的功率模组，在实际应用中的温度变化进行了测试对比，测试结果如下表一所示：
表一：
对表一而言，需要补充说明的是，在本实施例中，室温为12℃，其中温升等于所测温度减去室温值。从表一中可以看出：本发明提出的功率模组，相较于现有技术中的功率模组，其能有效地抑制温度的上升。在相同的工况下，采用LTS制备得到的功率模组，其比传统的功率模组的结温最大降低了23℃。
此外，我们还对本发明的功率模组与传统的功率模组进行了10W灯珠测试，测试结果表明：本发明中，采用LTS制备得到的功率模组，其比传统的功率模组的的灯珠温度降低了17℃。
本发明提出的功率模组，包括由上往下依次设置的电器发热件、陶瓷覆铜板、锡膏层、铜冷喷涂层以及散热器，由于散热器顶面与铜冷喷涂层之间为晶格相容，铜冷喷涂层可稳定地固定在散热器的顶部；此外，在本发明中，由于通过设置一锡膏层将陶瓷覆铜板、电器发热件与散热器一体化地固定在一定，因此避免了传统的采用螺钉进行固定的方式，可提高电器发热件与散热器之间的结合度，从而提高了导热效率，提供了该功率模组的整体散热效果，满足了实际应用需求。
请参阅图6，对于本发明第二实施例提出的功率模组的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)在铝制散热器的顶面采用LTS技术键合一铜冷喷涂层。
LTS技术指的是灯珠散热器低温直焊技术。其中，铜冷喷涂层的厚度范围为0.033～0.038mm。在本实施例中，该铜冷喷涂层的厚度为0.035mm。在此还需要指出的是，由于铜与铝的晶格相似，因此该铝制散热器的顶面与上述的铜冷喷涂层之间晶格相容，二者可稳定连接。
(2)通过锡焊的方式在上述的铜冷喷涂层的顶部焊接一锡膏层。
(3)在锡膏层的顶部放置一陶瓷覆铜板。
需要指出的是，该陶瓷覆铜板包括一陶瓷基体以及设于该陶瓷基体底部的陶瓷铜面，该陶瓷铜面与上述的锡膏层的顶面相贴合。
(4)在陶瓷覆铜板的顶部放置一电器发热件。
该电器发热件包括一发热件基体以及设于该发热件基体底部的电器覆铜层。
(5)整体放入一恒温加热器中进行加热以实现一体化焊接得到功率模组。
在进行恒温加热时，在该恒温加热器的加工温度范围为240℃～260℃。在本实施例中，需保持恒温温度为240℃。此外，本发明中的功率模组为一体化直焊成型。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种功率模组，其特征在于，包括由上往下依次设置的电器发热件、陶瓷覆铜板、锡膏层、铜冷喷涂层以及散热器，所述散热器包括一散热器顶面，所述散热器顶面与所述铜冷喷涂层之间晶格相容，所述电器发热件包括一发热件基体以及设于所述发热件基体底部的电器覆铜层，所述电器覆铜层与所述陶瓷覆铜板的顶部相贴合，所述陶瓷覆铜板包括一陶瓷基体以及设于所述陶瓷基体底部的陶瓷铜面，所述陶瓷铜面与所述锡膏层的顶面相贴合。
2.根据权利要求1所述的功率模组，其特征在于，所述陶瓷覆铜板为三氧化二铝陶瓷覆铜板或氮化硅陶瓷覆铜板。
3.根据权利要求2所述的功率模组，其特征在于，所述三氧化二铝陶瓷覆铜板的导热率为30W/m.k，采用三氧化二铝陶瓷覆铜板制成的功率模组对应的总导热系数为0.036。
4.根据权利要求2所述的功率模组，其特征在于，所述氮化硅陶瓷覆铜板的导热率为180W/m.k，采用氮化硅陶瓷覆铜板制成的功率模组对应的总导热系数为0.0087。
5.根据权利要求2所述的功率模组，其特征在于，所述散热器为铝制散热器，所述散热器顶面与所述铜冷喷涂层之间的界面导热系数至少为317W/m.k，结合强度至少为1200kg/cm2。
6.根据权利要求2所述的功率模组，其特征在于，所述铜冷喷涂层的厚度范围为0.033～0.038mm。
7.根据权利要求2所述的功率模组，其特征在于，所述功率模组为一体化直焊成型。
8.一种功率模组的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
在一散热器的顶面设置一铜冷喷涂层，通过锡焊的方式在所述铜冷喷涂层的顶部设置一锡膏层；
在所述锡膏层的顶部放置一陶瓷覆铜板，在所述陶瓷覆铜板的顶部放置一电器发热件，然后整体放入一恒温加热器中进行加热以实现一体化焊接得到功率模组。
9.根据权利要求8所述的功率模组的制备方法，其特征在于，所述恒温加热器的加工温度范围为240℃～260℃。
10.根据权利要求8所述的功率模组的制备方法，其特征在于，所述功率模组为一体化直焊成型。
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