CN110176852B - 智能功率模块及空调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能功率模块及空调器，该智能功率模块包括：铝基板；镍化铝合金薄膜，设置于铝基板上；电路布线层，设于镍化铝合金薄膜上，电路布线层设置有安装位；功率组件，功率组件设置于对应的电路布线层的安装位上。本发明解决了功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致功率组件的工作温度过高而发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。

Description

智能功率模块及空调器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种智能功率模块及空调器。

背景技术

目前，智能功率模块大多采用在金属散热基板，并通过绝缘层与金属散热基板单面散热的方式将功率模块运行过程中产生的热量向外辐射。然而，当功率模块产热较多时，这种散热方式可能会因散热不及时而烧毁功率模块。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种智能功率模块及空调器，旨在解决功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致功率组件的工作温度过高而发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种智能功率模块，所述智能功率模块包括：

铝基板；

镍化铝合金薄膜，设置于所述铝基板上；

电路布线层，设于所述镍化铝合金薄膜上，所述电路布线层设置有安装位；

功率组件，所述功率组件设置于所述电路布线层对应的安装位上。

可选地，所述功率组件包括主控芯片和功率开关管，所述功率开关管和所述主控芯片通过金属线与所述电路布线层上对应的安装位电连接。

可选地，所述功率器件的数量为多个，多个所述功率开关管构成所述PFC功率开关模块、压缩机功率模块及风机功率模块中的一种或者多种组合。

可选地，所述功率组件还包括驱动芯片，所述驱动芯片设置于所述电路布线层上对应的安装位上，所述驱动芯片通过所述金属线和所述电路布线层上对应的安装位与所述主控芯片和功率开关管电连接。

可选地，所述镍化铝合金薄膜中，铝与镍的比例为1:1。

可选地，所述铝基板和所述镍化铝合金薄膜总体厚度为1～2mm。

可选地，所述智能功率模块还包括引脚，所述引脚设置于所述电路布线层上，且通过金属线与所述功率组件电连接。

可选地，所述智能功率模块还包括对所述功率组件、铝基板、电路布线层及镍化铝合金薄膜进行封装的封装壳体。

可选地，所述智能功率模块还包括散热器，所述散热器设置于所述铝基板背离所述功率组件的一侧。

本发明还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块；所述智能功率模块包括：铝基板；镍化铝合金薄膜，设置于所述铝基板上；电路布线层，设于所述镍化铝合金薄膜上，所述电路布线层设置有安装位；功率组件，所述功率组件设置于对应的所述电路布线层的安装位上。

本发明通过设置镍化铝合金薄膜，使得功率组件工作时产生的热量通过镍化铝合金薄膜传导至铝基板上，再通过铝基板将热量传导至智能功率模块外，直接或间接的将热量辐射至空气中，从而进行快速散热，以提高功率开关管的散热速度，由于镍化铝合金薄膜的导热效果较佳，避免了功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致功率开关管的工作温度过高而发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。此外，镍化铝合金薄膜的抗氧化能力和耐高温能力较佳，使用寿命较长，可长期应用于功率模块的高温环境下，有利于提高功率模块的稳定性。利用镍化铝合金薄膜的高绝缘性和低热阻性，在实现铝基板与电路布线层之间的电绝缘，还可以解决功率组件中的功率元件产生的热量远高于非功率元件产生的热量时，产生不平衡热点，导致热聚集现象，降低智能功率模块的热可靠性的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明智能功率模块一实施例的结构示意图；

图2为本发明智能功率模块另一实施例的结构示意图；

图3为本发明智能功率模块又一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	铝基板	60	散热器
20	镍化铝合金薄膜	70	引脚
				30	电路布线层	41	功率器件
40	功率组件	42	主控芯片
				50	封装壳体	43	PFC功率开关管

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种智能功率模块。

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品，一般应用于驱动风机、压缩机等设备的电控板上。目前，智能功率模块大多将功率器件、驱动电路及MCU等集成于一基板上。智能功率模块工作时，其功率器件发热比较严重，为了加速散热，大多采用铝金属基板来进行散热，但是由于铝金属基板基材的高导热作用，特别是在设置有MCU的智能功率模块中，功率器件产生的热量会通过基板向主控芯片MCU传导，使得功率器件与MCU几乎达到相同的温度。MCU的理想工作温度一般是低于85℃，而IGBT等功率器件工作温度可达100℃以上，这样将导致MCU的工作温度过高而发生故障，出现控制信号紊乱等现象，严重时可能会烧毁智能功率模块。

参照图1至图3，在本发明一实施例中，该智能功率模块包括：

铝基板10；

镍化铝合金薄膜20，也即AlNi，设置于所述铝基板10上；

电路布线层30，设于所述镍化铝合金薄膜20上，所述电路布线层30设置有安装位；

功率组件40，所述功率组件40设置于对应的所述电路布线层30的安装位上。

本实施例中，功率组件40包括功率器件41，例如功率开关管可以是氮化镓(GaN)功率开关管、Si基功率开关管或SiC基功率开关管，本实施例优选采用氮化镓(GaN)功率开关管。功率开关管的数量可以为一个，也可以为多个，当设置为多个时，可以包括四个所述功率开关管，或者是四个的倍数，也可以包括六个所述功率开关管，或者六个的倍数，六个功率开关管组成逆变电路，从而应用在逆变电源、变频器、制冷设备、冶金机械设备、电力牵引设备等电器设备中，特别是变频家用电器中。在智能功率模块工作时，驱动芯片30输出相应的PWM控制信号，以驱动控制对应的功率开关管导通/截止，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。

功率组件40还包括主控芯片42，即为MCU，MCU中集成有逻辑控制器、存储器、数据处理器等，以及存储在所述存储器上并可在所述数据处理器上运行的软件程序和/或模块，MCU通过运行或执行存储在存储器内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，输出相应的控制信号至智能功率模块的驱动芯片，使得驱动芯片根据根据接收到的控制信号驱动对应的功率开关管导通/关断，以驱动风机、压缩机、电机等负载工作。或者驱动PFC模块工作，从而实现对接入的直流电源进行功率因素校正。

各个功率开关管可以是贴片式的电子元件，还可以是裸die晶圆，在多个铝基板上设置有焊盘，多个功率元件可以通过焊锡、导电胶等粘接于对应的安装位上。

铝基板10为功率组件40的安装载体，铝基板10可以采用铝或铝质合金材料所制成的基板实现，铝基板10的形状可以根据功率开关管的具体位置、数量及大小确定，可以为方形，但不限于方形。

铝基板10上设置有电路布线层30，电路布线层30根据智能功率模块的电路设计，在铝基板10上形成对应的线路以及对应供功率开关管中的各电子元件安装的安装位，即焊盘。具体地，在铝基板10上设置好绝缘层13后，将铜箔铺设在绝缘层13上，并按照预设的电路设计蚀刻所述铜箔，从而形成电路布线层30。在将功率开关管中各电路模块的电子元件集成于散热基板11上的电路布线层30后，还可以通过金属线实现各电路模块之间的电气连接。

其中，镍化铝合金薄膜20设置于铝基板10上，在制作镍化铝合金薄膜20时，可以采用物理气相沉积法，例如离子束沉积法、脉冲激光沉积法、过滤式阴极真空电弧法、磁控溅射法等将镍作为靶材料，镍被溅射出粒子，被溅射出的靶材料粒子运动到铝基板10上，沉积到铝基板10上的镍粒子不断地团聚、成核、长大，最后在铝基板10上形成镍化铝合金薄膜20，铝镍合金薄膜电绝缘性能好，可以直接形成在铝基板10上，使得基板与绝缘层之间接触更紧密，有利于增大层与层之间的接触面积，镍化铝合金薄膜20直接形成于铝基板10上，还可以降低铝基板10与绝缘城之间的接触热阻。并且镍化铝合金薄膜20的导热系数约为25-30W/m*k，以利于提升智能功率模块导热性能。可以理解的是，智能功率模块工作时，功率组件40产生的热量由镍化铝合金薄膜构成的散热绝缘层向铝基板10传导。

本发明通过设置镍化铝合金薄膜20，使得功率组件40工作时产生的热量通过镍化铝合金薄膜20传导至铝基板10上，再通过铝基板10将热量传导至智能功率模块外，直接或间接的将热量辐射至空气中，从而进行快速散热，以提高功率开关管的散热速度，由于镍化铝合金薄膜20的导热效果较佳，解决了功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致功率开关管的工作温度过高而发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。此外，镍化铝合金薄膜20的抗氧化能力和耐高温能力较佳，使用寿命较长，可长期应用于功率模块的高温环境下，有利于提高功率模块的稳定性。利用镍化铝合金薄膜20的高绝缘性和低热阻性，在实现铝基板10与电路布线层30之间的电绝缘，还可以解决功率组件40中的功率元件产生的热量远高于非功率元件产生的热量时，产生不平衡热点，导致热聚集现象，降低智能功率模块的热可靠性的问题。

参照图1至图3，在另一实施例中，功率组件40还可以包括非功率器件41，例如驱动芯片(图未示出)，驱动芯片的数量可以是一个，例如HVIC驱动芯片，该驱动芯片为集成芯片，其中集成了四路、六路或者三路功率开关管的驱动电路，具体可以根据驱动器件的数量进行集成设置。驱动芯片的数量也可以是多个，多个驱动芯片的数量与功率开关管的数量对应，每一驱动芯片对应驱动一功率开关管工作。功率开关管与驱动芯片之间通过电路布线层及金属引线实现电连接，形成电流回路。在智能功率模块工作时，主控芯片42输出相应的控制信号至驱动芯片，驱动芯片驱动对应的功率开关管导通，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作，这个过程中功率开关管产生的热量经镍化铝合金薄膜20传导至铝基板10上，以通过镍化铝合金薄膜20和铝基板10进行散热。

参照图1至图3，在一实施例中，所述镍化铝合金薄膜20中，铝与镍的比例为1:1。

本实施例中，铝与镍的比例可选为1:1，当然在其他实施例中，还可以采用其他的比例，并且在铝基板10表面的采用物理气相沉积的方法制备镍化铝合金薄膜20，可通过改变铝-镍合金的配比，调整镍化铝合金薄膜20形成的绝缘层的电绝缘性能和导热性能。

参照图1至图3，在一实施例中，所述铝基板10和所述镍化铝合金薄膜20总体厚度为1～2mm。

可以理解的是，铝基板10的厚度一般为1～2mm，本实施例中，在铝基板10表面的采用物理气相沉积的方法制备镍化铝合金薄膜20其厚度为几微米，几乎可以忽略不计，因而本申请采用镍化铝合金薄膜20来实现铝基板10与电路布线层30之间的电绝缘，以及降低铝基板10与绝缘城之间的接触热阻，还可以缩小智能功率模块的整体厚度，从而提供了一种较薄的智能功率模块。

参照图2或图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括对所述功率组件40、铝基板10、电路布线层30、镍化铝合金薄膜20进行封装的封装壳体50。

本实施例中，封装壳体50可以采用环氧树脂、氧化铝、导热填充材料等材料制成，其中，导热填充材料可以是氮化硼、氮化铝材质，氮化铝和氮化硼的绝缘性较好，且导热率较高，耐热性及热传导性较佳，使得氮化铝和氮化硼有较高的传热能力。在制作封装壳体50时，可以将环氧树脂、氧化铝、氮化硼或者氮化铝等材料进行混料，然后将混合好的封装材料进行加热；待冷却后，粉碎所述封装材料，再以锭粒成型工艺将封装壳体50材料进行轧制成形，以形成封装壳体50，并将温度传感器通过贴装，镶嵌等方式固定于所述封装壳体50靠近所述功率组件40的一侧。再将电路布线层30、铝基板10、驱动芯片及功率开关管封装在封装壳体50内。或者通过多次注塑的工艺将温度传感器固定于所述封装壳体50上后，再将电路布线层30、铝基板10、驱动芯片及功率开关管封装在封装壳体50内。

智能功率模块中，可以将所述封装壳体50罩设于所述铝基板10及所述功率组件40上。使得铝基板10的下表面裸露在封装件外，而加速功率元件的散热。若智能功率模块还设置有散热器60来给功率开关管散热，则可以将封装壳体50包裹于所述铝基板10及所述功率组件40的外周，以使功率开关管与铝基板10及驱动芯片30一体成型设置。

参照图1至图3，在一实施例中，多个所述功率开关管构成所述PFC功率开关模块、压缩机功率模块及风机功率模块中的一种或者多种组合。

本实施例中，PFC功率开关模块10可以仅由PFC功率开关管43来实现，或者还与二极管、电感等其他元器件组成PFC电路来实现对直流电源的功率因素校正。PFC电路可以采用无源PFC电路来实现，以构成升压型PFC电路，或者降压型PFC电路，或者升降压型PFC电路。PFC功率开关模块将外部整流桥输出的直流电进行功率因素调整，调整后的直流电输出至各IPM模块的电源输入端，以使各功率模块驱动相应的负载工作。调整后的直流电还可以通过外部开关电源电路，产生各种数值的驱动电压，例如产生5V、15V等电压，以为各IPM的驱动IC供电。

压缩机功率模块及风机功率模块中均集成了多个功率开关管，多个功率开关管组成驱动逆变电路，例如可以由六个功率开关管组成三相逆变桥电路，或者由四个功率开关管组成两相逆变器桥电路。其中，各功率开关管可以采用MOS管或者IGBT来实现。多个功率开关管组成功率逆变桥电路，用于驱动风机、压缩机等负载工作，各个功率开关管设置在电路布线层30对应的安装位上后，可通过焊锡等导电材料与电路布线层30实现电连接，并形成电流回路。各功率开关管还可以通过倒装的工艺贴设于电路布线层30对应的安装位上，并通过电路布线层30及金属线与各电路元件之间形成电流回路。

参照图2或图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括散热器60，所述散热器60设置于所述铝基板10背离所述功率组件40的一侧。

本实施例中，散热器60可以采用铝质、铝合金等散热效果较好的高导热材料制得，以使得功率开关管中的电子元件产生的热量通过镍化铝合金薄膜20及铝基板10传导至散热器60上，进一步增大功率开关管产生的热量与空气的接触面积，提高散热速率。所述散热器60还可意设置有散热器60本体及多个散热叶片，多个所述散热叶片间隔设置于所述散热器60本体的一侧。如此设置，可以增加散热器60与空气的接触面积，也即在散热器60工作时，增加散热器60上的热量与空气的接触面积，以加快散热器60的散热速率。同时还可以减少散热器60的物料，避免散热片因材料应用过多，造成成本过高。

参照图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括引脚70，所述引脚70设置于所述电路布线层30上，且通过金属线与所述功率组件40电连接。

本实施例中，引脚70可以采用鸥翼型引脚70或者直插型引脚70来实现，本实施例优选为直插型引脚70，引脚70焊接在低导热绝缘基板上，电路布线层30对应的安装位上的焊盘位置，并通过金属线与功率开关管、驱动芯片30实现电气连接。

在另一实施例中，各个引脚70的一端固定于所述铝基板10上，引脚70的另一端朝远离所述铝基板10的方向延伸，引脚70的延伸方向与所述铝基板10所在的平面平行。

相较于鸥翼型的引脚70，本实施例引脚70与铝基板10平行设置，也即引脚70呈平铺结构，如此设置，使得在铝基板10的散热基板11嵌设于空调器中的电控板中，铝基板10的绝缘层13与电控板贴合时。智能功率模块的引脚70通过焊锡、导电胶固定于电控板上，引脚70的延伸段与电控板贴合，进而可以防止电控板在跌落时，导致引脚70断裂。并且铝基板10部分嵌设于电控板内，使得智能功率模块安装于电控板上，智能功率模块与电控板的紧固性更好，进而防止智能功率模块与电控板在搬运或者跌落的过程中，智能功率模块与电控板发生相对运动而使电控板不能正常工作，或者导致智能功率模块断裂而损坏智能功率模块。

参照图1至图3，在一实施例中，所述功率开关管为IGBT；

所述智能功率模块还包括快速恢复二极管，所述快速恢复二极管的数量及位置与所述IGBT对应；

所述快速恢复二极管和所述IGBT的反并联连接。

本实施例中，快速恢复二极管的数量和位置与每一功率开关管的对应，本实施例中，快速恢复二极管的数量可选为八个，八个快速恢复二极管分别标记为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8。本实施例中，快速恢复二极管为高功率反并联二极管，用于实现功率开关管的快速关断。其中，在基于功率开关管设置为SiC MOSFET或者SiC IGBT，或者GaN HEMT器件时，将智能功率模块的开关损耗减小到较低，进而有利于节约电能、降低模块发热的情况下，快速恢复二极管可选采用Si材料制成的快速恢复二极管或者肖特基二极管来实现，可以保证智能功率模块的自身的功耗较低的同时，降低智能功率模块的生产成本。

参照图1至图3，在一些实施例中，功率元件还可以采用逆导IGBT来实现，逆导IGBT将与与IGBT功率开关管反并联封装在一起的快速恢复二极管FRD集成在同一芯片上，从而降低逆变桥电路的体积。如此设置，有利于提高功率密度，降低高集成智能功率模块的体积、制造成本和封装制程，同时还有利于提高高集成智能功率模块的可靠性。

本发明还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块。该智能功率模块的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本发明空调器中使用了上述智能功率模块，因此，本发明空调器的实施例包括上述智能功率模块全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括：

铝基板；

镍化铝合金薄膜，设置于所述铝基板上；其中，所述镍化铝合金薄膜利用镍材料沉积形成于所述铝基板上；所述铝基板表面的采用物理气相沉积的方法制备镍化铝合金薄膜厚度为微米级；所述铝基板和所述镍化铝合金薄膜总体厚度为1~2mm；

电路布线层，设于所述镍化铝合金薄膜上，所述电路布线层设置有安装位；

功率组件，所述功率组件设置于所述电路布线层对应的的安装位上。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率组件包括主控芯片和功率开关管，所述功率开关管和所述主控芯片通过金属线与所述电路布线层上对应的安装位电连接。

3.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率开关管的数量为多个，多个所述功率开关管构成PFC功率开关模块、压缩机功率模块及风机功率模块中的一种或者多种组合。

4.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率组件还包括驱动芯片，所述驱动芯片设置于所述电路布线层上对应的安装位上，所述驱动芯片通过所述金属线和所述电路布线层上对应的安装位与所述主控芯片和功率开关管电连接。

5.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述镍化铝合金薄膜中，铝与镍的比例为1:1。

6.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括引脚，所述引脚设置于所述电路布线层上，且通过金属线与所述功率组件电连接。

7.如权利要求1至6任意一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括对所述功率组件、铝基板、电路布线层及镍化铝合金薄膜进行封装的封装壳体。

8.如权利要求1至6任意一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括散热器，所述散热器设置于所述铝基板背离所述功率组件的一侧。

9.一种空调器，其特征在于，所述空调器包括如权利要求1至8任意一项所述的智能功率模块。

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