CN108695280A - 一种风冷陶瓷板绝缘散热器及耐高压绝缘散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风冷陶瓷板绝缘散热器及耐高压绝缘散热方法，包括基板、瓷芯、螺套、陶瓷板和安装在基板背面的散热片，所述基板正面加工有用于安装IGBT功率器件的向后凹陷的长方体形沉台，每个沉台的四角附近的底面上均安装有瓷芯，瓷芯上连接有螺套，IGBT功率器件通过螺栓安装在螺套上，陶瓷板设置在IGBT功率器件和基板之间，利用陶瓷的耐高电压性能，从而实现散热器的耐高压绝缘散热。本发明耐高压，绝缘性能和热性能可靠，同时具有良好的制造和装配工艺性、具有较长的使用寿命。可满足高直流电压环境下不同行业对散热器在绝缘性能上的要求。

Description

一种风冷陶瓷板绝缘散热器及耐高压绝缘散热方法

技术领域

本发明涉及散热技术领域。

背景技术

目前在散热器行业，风冷散热器常采用在铝合金基板上用挤压方式嵌紧散热片工艺或用整体型材方式加工而成。散热器表面氧化处理，通过在散热器元件面安装相应的IGBT电子器件来满足工作需要。但上述结构散热器对器件工作时带有高电压的特殊场合下不能满足绝缘要求，国内在绝缘方面应用的散热器较少，成熟可靠并工程化应用产品更不多见。

目前个别绝缘风冷散热器的绝缘措施是在器件模块下涂上一层绝缘胶方式来满足绝缘性能要求，但绝缘胶本身导热系数与导热能力与本体铝合金材料导热上差异较大，它不仅会增大器件间接触热阻，不利于功率器件热量传导，同时胶的老化还影响绝缘的可靠及产品绝缘寿命。

现有技术中，申请号为CN201721127547.3的实用新型公开了一种陶瓷散热器，包括陶瓷支架、陶瓷平板、陶瓷管道和吹风机，陶瓷支架四个角底端设置有等高的支柱，陶瓷支架顶端开有凹槽，凹槽设置有陶瓷平板，凹槽四个角与陶瓷平板四个角之间分别设置有弹簧，陶瓷平板下方设置有陶瓷管道，陶瓷管道固定于陶瓷支架上，陶瓷管道通过软管连接于吹风机，吹风机位于陶瓷支架外部，陶瓷平板底端设置有翘片，翘片之间设置有陶瓷管通道，陶瓷管通道内设置有陶瓷管道，陶瓷管道中上层所在截面均等设置有三个排气通道，排气通道间断性等距分布于陶瓷管道上。以上现有技术，不能满足下列要求：在高直流电压环境下，具有可靠的耐压与绝缘能力，同时又满足风冷散热器工作时的散热性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在铝合金风冷散热器的工程化运用中，提供一种风冷陶瓷板绝缘散热器及耐高压绝缘散热方法，在高直流电压环境下，具有可靠的耐压与绝缘能力，同时又满足风冷散热器工作时的散热性能。

本发明的技术方案是：一种风冷陶瓷板绝缘散热器，包括基板、瓷芯、螺套、陶瓷板、安装在基板背面的散热片，所述基板正面加工有用于安装IGBT功率器件的向后凹陷的长方体形沉台，每个沉台的四角附近的底面上均安装有瓷芯，瓷芯上连接有螺套，IGBT功率器件通过螺栓安装在螺套上，陶瓷板设置在IGBT功率器件和基板之间。

基板正面加工有4处沉台，每个沉台的四角附近的底面上各加工有一个用于安装瓷芯的沉台螺纹孔。

每个沉台的四角附近的底面上各加工有一个用于安装瓷芯的沉台螺纹孔；瓷芯中间设有用于装配排气的小底孔一；瓷芯正面加工有瓷芯内螺纹孔，瓷芯外侧面加工有与沉台螺纹孔相匹配的瓷芯外螺纹，每个沉台螺纹孔中各安装有一个瓷芯。

瓷芯内螺纹、瓷芯外螺纹上均涂有锁固胶；瓷芯通过瓷芯外螺纹与基板上的沉台螺纹孔连接并通过锁固胶锁固。

螺套中间设有用于装配排气的小底孔二；螺套正面设有螺套内螺孔，螺套外侧面加工有与瓷芯内螺纹孔相匹配的螺套外螺纹，螺套安装在瓷芯内螺纹孔中，瓷芯内螺纹与螺套外螺纹连接并通过锁固胶锁固。

螺套正面高于瓷芯正面，IGBT功率器件通过螺栓安装在螺套内螺孔中。

瓷芯正面涂有结构胶，结构胶为导热型双组份胶，沉台内侧壁上设有一级阶梯，结构胶正面、螺套正面与沉台内侧壁上的阶梯面齐平，形成陶瓷板安装面，陶瓷板通过导热硅脂安装在该陶瓷板安装面上，陶瓷板上与螺套内螺孔对应处设有可供螺栓穿过的通孔；相邻的陶瓷板之间、陶瓷板侧面与基板上沉台的内侧壁之间保留有间隙，陶瓷板正面高于基板正面。

基板背面设有嵌片凸台，凸台上加工有散热片槽，散热片用挤压基板变形方式紧固在散热片槽中；基板采用6063铝合金板制造，瓷芯采用三氧化二铝陶瓷材料制作，螺套采用防锈铝3A21制造，陶瓷板为氮化铝陶瓷板，散热片采用纯铝板材料。

一种耐高压绝缘散热方法，在散热器基板和IGBT功率器件之间设置陶瓷板，在基板上安装采用陶瓷材料制作的瓷芯，再在瓷芯上安装螺套，将用于安装IGBT功率器件的螺栓连接在螺套中，使螺栓与基板之间通过陶瓷隔开，利用陶瓷的耐高电压性能，从而实现散热器的耐高压绝缘散热。

采用上述风冷陶瓷板绝缘散热器进行散热。

采用本发明，能解决目前绝缘散热器用涂绝缘胶方式带来的接触热阻增大影响导热性能的问题，防止出现因绝缘胶的老化使绝缘性能失效从而影响散热器寿命的现象。本发明提供的风冷陶瓷板绝缘散热器在结构设计上具有创新性，耐高压，绝缘性能和热性能可靠，同时具有良好的制造和装配工艺性、具有较长的使用寿命。在高直流电压环境下工作时具有优良的绝缘可靠性，可满足高直流电压环境下不同行业对散热器在绝缘性能上的要求，并可满足电力电子、半导体、逆变电流、轨道交通等多个行业领域对散热器在绝缘方面的特殊需求。本发明中的风冷陶瓷板绝缘散热器经过了耐压4Kv、1分钟无击穿、漏电电流小于20mA、绝缘电阻大于1000兆欧的试验。

附图说明

图1是本发明中的风冷陶瓷板绝缘散热器的主视结构示意图；

图2是沿图1中A-A线的剖视结构示意图；

图3是图2中B处的局部放大图；

图4是本发明中的风冷陶瓷板绝缘散热器的后视结构示意图；

图5是本发明中的风冷陶瓷板绝缘散热器的俯视结构示意图；

附图标记说明：基板1，瓷芯2，螺套3，结构胶4，陶瓷板5，散热片6，沉台7。

具体实施方式

请参考图1至图5，一种风冷陶瓷板绝缘散热器包括基板1，瓷芯2，螺套3，结构胶4，陶瓷板5，散热片6。

基板采用6063铝合金板制造，具有高导热系数和阳极氧化后优良防腐性能，其上嵌有散热片6（采用纯铝板1060散热片），在基板安装面（正面）上IGBT功率器件安装处加工有4处长方体形的向后凹陷的沉台7，每个沉台的四角附近的底面上各加工有一个用于安装瓷芯的沉台螺纹孔。

瓷芯为内、外螺纹结构，中间设计一小孔（小底孔一）。瓷芯正面上加工有瓷芯内螺纹孔，瓷芯外侧面加工有与沉台螺纹孔相匹配的瓷芯外螺纹，每个沉台螺纹孔中各安装有一个瓷芯。瓷芯内螺纹、瓷芯外螺纹上均涂锁固胶。瓷芯采用三氧化二铝陶瓷材料制作，它具有优良的绝缘性能和较小介电常数及较大击穿强度，通过瓷芯外螺纹与基板上的沉台螺纹孔连接并用锁固胶锁固，其小孔用于装配排气，保证瓷芯与基板贴合，瓷芯装入后底部小孔用结构胶填充实。

螺套采用防锈铝3A21制造，为内、外螺纹结构，中间有一底孔（小底孔二）用于装配排气。螺套正面设有螺套内螺孔，螺套外侧面加工有与瓷芯内螺纹相匹配的螺套外螺纹，瓷芯内螺纹孔中安装螺套，瓷芯内螺纹与螺套外螺纹连接并用锁固胶锁固。螺套端面（正面）稍高于瓷芯，螺套内螺纹与安装IGBT功率器件的螺栓联接。

结构胶为局部填充用双组份胶，结构胶具有一定的导热能力，用于填充瓷芯与螺套之间高度差的局部空隙。瓷芯正面涂有导热型双组份结构胶4，结构胶正面在固化后经加工，与沉台阶梯面完全齐平，便于后续安装氮化铝陶瓷板。然后在沉台上涂导热硅脂后再安装陶瓷板。

陶瓷板采用导热性能好的氮化铝陶瓷板，陶瓷板平面上安装IGBT功率器件，陶瓷板上与螺套内螺孔对应处设有可供螺栓穿过的通孔，IGBT功率器件最后通过螺栓连接在螺套内螺孔中。氮化铝陶瓷板具有优良导热性能和较高热导率，兼有良好抗弯强度、较高的硬度及较小表面粗糙度、平面度和较小介电常数，同时具有较大电压击穿强度，装配后相邻的陶瓷板和陶瓷板周边的基板有一定间隙，装配后陶瓷板上用于安装IGBT功率器件的正面稍高于散热器基板正面。

该散热器基板背面上带有嵌片凸台，凸台上加工有散热片槽，散热片用挤压基板变形方式紧固在散热片槽中。散热片采用纯铝板材料。

该新型风冷陶瓷板绝缘散热器具有在功率器件带高压时耐压4kV、1分钟不击穿、漏电电流小于20mA的能力，同时螺套内螺孔具有应对散热片绝缘电阻≥1000MΩ能力。

风冷陶瓷板绝缘散热器的组装方法，先准备好所需零部件、材料、工具和设备。再按以下步骤进行组装：

步骤一：加工沉台和嵌片凸台：在基板正面IGBT功率器件安装处加工4处沉台，每个沉台的四角附近的底面上各加工有一个用于安装瓷芯的沉台螺纹孔；加工沉台内侧壁阶梯时，计算好尺寸位置，使阶梯面与安装好的螺套正面齐平；在基板背面加工嵌片凸台，在凸台上加工散热片槽；

步骤二：安装瓷芯和螺套：在瓷芯外螺纹和螺套外螺纹上涂上锁固胶，然后在每个沉台螺纹孔中均安装一个瓷芯，在瓷芯中安装好螺套；

步骤三：涂结构胶：锁固胶干后，在瓷芯与螺套之间因高度差形成的空隙处填充结构胶，待结构胶固化后，将结构胶正面加工至与沉台内侧壁阶梯面齐平，形成陶瓷板安装面；

步骤四：安装陶瓷板：在陶瓷板安装面上涂导热硅脂，再安装陶瓷板；安装时注意使相邻的陶瓷板之间、陶瓷板侧面与基板上沉台的内侧壁之间保留有间隙，陶瓷板正面高于基板正面，使陶瓷板上通孔与螺套内螺纹孔对正；

步骤五：安装散热片：待陶瓷板固定后，将散热片用挤压基板变形方式紧固在散热片槽中；

步骤六：检测并完成风冷陶瓷板绝缘散热器的组装。

一种耐高压绝缘散热方法，在散热器基板和IGBT功率器件之间设置陶瓷板，在基板上安装采用陶瓷材料制作的瓷芯，再在瓷芯上安装螺套，将用于安装IGBT功率器件的螺栓连接在螺套中，使螺栓与基板之间通过陶瓷隔开，利用陶瓷的耐高电压性能，从而实现散热器的耐高压绝缘散热。

可以采用上述风冷陶瓷板绝缘散热器进行散热。

本发明风冷陶瓷板绝缘散热器是一种新型陶瓷板绝缘散热器，耐高压，绝缘性能和热性能可靠，同时具有良好的加工、装配工艺性、具有较长的使用寿命，能满足多个行业对绝缘散热器的特殊需求。绝缘可靠、加工工艺性好、绝缘能力强、装配方便、产品使用寿命长，能满足多行业客户对绝缘散热器的需求。解决了目前常规风冷散热器不能满足耐高压和绝缘性能满足不了特殊需要的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风冷陶瓷板绝缘散热器，包括基板、安装在基板背面的散热片，其特征是，还包括瓷芯、螺套、陶瓷板，所述基板正面加工有用于安装IGBT功率器件的向后凹陷的长方体形沉台，每个沉台的四角附近的底面上均安装有瓷芯，瓷芯上连接有螺套，IGBT功率器件通过螺栓安装在螺套上，陶瓷板设置在IGBT功率器件和基板之间。

2.根据权利要求1所述的风冷陶瓷板绝缘散热器，其特征是，基板正面加工有4处沉台，每个沉台的四角附近的底面上各加工有一个用于安装瓷芯的沉台螺纹孔。

3.根据权利要求1所述的风冷陶瓷板绝缘散热器，其特征是，每个沉台的四角附近的底面上各加工有一个用于安装瓷芯的沉台螺纹孔；瓷芯中间设有用于装配排气的小底孔一；瓷芯正面加工有瓷芯内螺纹孔，瓷芯外侧面加工有与沉台螺纹孔相匹配的瓷芯外螺纹，每个沉台螺纹孔中各安装有一个瓷芯。

4.根据权利要求3所述的风冷陶瓷板绝缘散热器，其特征是，瓷芯内螺纹、瓷芯外螺纹上均涂有锁固胶；瓷芯通过瓷芯外螺纹与基板上的沉台螺纹孔连接并通过锁固胶锁固。

5.根据权利要求3所述的风冷陶瓷板绝缘散热器，其特征是，螺套中间设有用于装配排气的小底孔二；螺套正面设有螺套内螺孔，螺套外侧面加工有与瓷芯内螺纹孔相匹配的螺套外螺纹，螺套安装在瓷芯内螺纹孔中，瓷芯内螺纹与螺套外螺纹连接并通过锁固胶锁固。

6.根据权利要求5所述的风冷陶瓷板绝缘散热器，其特征是，螺套正面高于瓷芯正面，IGBT功率器件通过螺栓安装在螺套内螺孔中。

7.根据权利要求6所述的风冷陶瓷板绝缘散热器，其特征是，瓷芯正面涂有结构胶，结构胶为导热型双组份胶，沉台内侧壁上设有一级阶梯，结构胶正面、螺套正面与沉台内侧壁上的阶梯面齐平，形成陶瓷板安装面，陶瓷板通过导热硅脂安装在该陶瓷板安装面上，陶瓷板上与螺套内螺孔对应处设有可供螺栓穿过的通孔；相邻的陶瓷板之间、陶瓷板侧面与基板上沉台的内侧壁之间保留有间隙，陶瓷板正面高于基板正面。

8.根据权利要求1所述的风冷陶瓷板绝缘散热器，其特征是，基板背面设有嵌片凸台，凸台上加工有散热片槽，散热片用挤压基板变形方式紧固在散热片槽中；基板采用6063铝合金板制造，瓷芯采用三氧化二铝陶瓷材料制作，螺套采用防锈铝3A21制造，陶瓷板为氮化铝陶瓷板，散热片采用纯铝板材料。

9.一种耐高压绝缘散热方法，其特征是，在散热器基板和IGBT功率器件之间设置陶瓷板，在基板上安装采用陶瓷材料制作的瓷芯，再在瓷芯上安装螺套，将用于安装IGBT功率器件的螺栓连接在螺套中，使螺栓与基板之间通过陶瓷隔开，利用陶瓷的耐高电压性能，从而实现散热器的耐高压绝缘散热。

10.根据权利要求9所述的耐高压绝缘散热方法，其特征是，采用权利要求1至8中任一项所述的风冷陶瓷板绝缘散热器进行散热。