CN110634822A - 安装基板、智能功率模块及空调器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种安装基板、智能功率模块及空调器，该智能功率模块包括：陶瓷层，陶瓷层包括相对设置的第一表面和第二表面；覆铜层，设置于陶瓷层的第一表面；金属散热层，设置于陶瓷层的第二表面，金属散热层上设置有去应力孔。本发明通过设置去应力孔，智能功率模块产生的应力通过该去应力孔被释放，可以防止在绝缘层上形成应力集中而造成断裂，从而有利于提高智能功率模块的强度。

Description

安装基板、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，特别涉及一种安装基板、智能功率模块及空调器。
背景技术
智能功率模块(Intelligent Power Module，简称为IPM)是一种以IGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor))为功率器件，以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场。为了缩小智能功率模块的体积，在采用较轻薄的基板来作为安装基板时，由于在贴片、绑线、封装等制作过程中，由于安装基板的材质较薄，容易在安装基板出现凹陷，从而出现变形或者皲裂的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种安装基板、智能功率模块及空调器，旨在提高智能功率模块基板的强度。
为实现上述目的，本发明提出一种安装基板，所述安装基板包括：
陶瓷层，所述陶瓷层包括相对设置的第一表面和第二表面；
覆铜层，设置于所述陶瓷层的第一表面；
金属散热层，设置于所述陶瓷层的第二表面，所述金属散热层上设置有去应力孔。
可选地，所述去应力孔的数量为多个，多个所述去应力孔呈网状设置。
可选地，所述金属散热层上还设置多个金属单元，多个所述去应力孔与多个金属单元交替分布。
可选地，所述金属散热层包括第一金属边框和第二金属边框，所述第一金属边框环设于所述金属单元与所述去应力孔的外周；
所述第二金属边框环绕所述第一金属边框设置，所述第二金属边框与所述第一金属边框之间形成有凹槽。
可选地，所述金属单元的形状为菱形或者六边形；
所述去应力孔的形状为菱形。
可选地，所述安装基板的形状为方形；
所述安装基板的长度大于40mm，所述安装基板的宽度大于20mm。
可选地，所述陶瓷层的厚度范围为0.5～1.5mm。
本发明还提出一种智能功率模块，所述智能功率模块包括如上所述的安装基板；其中，所述安装基板上设置有多个安装位；智能功率模块还包括：
多个功率开关管，设置于所述安装基板对应的安装位上；
多个驱动芯片，每一所述驱动芯片的位置对应一个所述功率开关管设置。
可选地，所述智能功率模块还包括封装壳体，所述封装壳体罩设于所述安装基板上，以对所述驱动芯片及所述功率开关管进行封装。
本发明还提出一种空调器，包括如上所述的智能功率模块。
本发明实施例通过设置绝缘层，并将覆铜层和金属散热层分设于所述绝缘层的两侧表面，通过在绝缘层远离覆铜层的一面设置金属散热层，有利于提高智能功率模块的散热，并且金属散热层的延展性较好，有利于防止绝缘层变形或者破裂。在金属散热层上还设置有去应力孔，智能功率模块产生的应力通过该去应力孔被释放，可以防止在绝缘层上形成应力集中而造成断裂，从而有利于提高智能功率模块的强度。
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为本发明安装基板一实施例的结构示意图；
图2为本发明安装基板另一实施例的结构示意图；
图3为本发明智能功率模块一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 安装基板 34 第二金属边框
10 陶瓷层 200 封装壳体
20 覆铜层 300 引脚
30 散热层 Q1～Q6 功率开关管
31 去应力孔 U1～U6 驱动芯片
32 金属单元 D1～D6 快速恢复二极管
33 第一金属边框
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。
本发明提出一种安装基板，适用于智能功率模块中。
该功率模块适用于驱动电机的变频器及各种逆变电源中，以实现变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动等功能。尤其适用于驱动空调、冰箱等压缩机的电机工作。空调器一般包括室内机和室外机，室外机和室内机中均设置电机及驱动电机工作的电控板。以室外机的电控板为来说，室外机的电控板上大多设置有驱动压缩机的智能功率模块，以及驱动风机的智能功率模块。
参照图1和图2，在本发明一实施例中，该安装基板100包括：
陶瓷层10，所述陶瓷层10包括相对设置的第一表面和第二表面；
覆铜层20，设置于所述陶瓷层10的第一表面；
金属散热层30，设置于所述陶瓷层10的第二表面，所述金属散热层30上设置有去应力孔31。
本实施例中，安装基板100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。覆铜层20和金属散热层30分设于所述陶瓷层10的两侧表面，也即覆铜层20及陶瓷层10可以依次叠设与金属散热层30上，或者在另一实施例中，金属散热层30与覆铜层20依次形成于陶瓷层10上。覆铜层20上形成有供智能功率模块的电子元件安装的安装位，具体可根据智能功率模块的电路设计，在安装基板100上形成对应的电路走线以及对应供功率组件中的各电子元件安装的安装位，即焊盘。功率开关管对应设置于覆铜层20的安装位上，并通过焊锡、金属绑线等导电材料与覆铜层20实现电连接，形成电流回路。
陶瓷层10可选采用氮化铝陶瓷来实现，在制作安装基板100时，可以将铜箔铺设在陶瓷层10上，并按照预设的电路设计蚀刻所述铜箔，从而形成覆铜层20。在将功率开关管中各电路模块的电子元件集成覆铜层20后，还可以通过金属绑线实现各电路模块之间的电气连接。或者，可以采用铜或铜质合金直接压延制作成线路及安装位，再通过设备将线路及安装位通过热压工艺压合在陶瓷层10上。
在制作金属散热层30时，可以采用分立的金属基板来实现，并将形成有覆铜层20的陶瓷层10通过热压工艺或者采用导热粘合胶等将金属基板与陶瓷层10贴合形成于一体，实现安装基板100的制作。或者，采用铜或者铜质合金在陶瓷层10上通过覆铜工艺直接形成该金属散热层30。可以理解的是，相较于传统的采用硬质材料制得的安装基板100，本发明的覆铜层20的厚度较薄，可以减薄智能功率模块的厚度，相应的陶瓷层10的厚度也较薄，陶瓷层10的厚度范围可以设置为30～100μm，智能功率模块的整体厚度范围可以设置为0.5～1.0mm。在一些高集成智能功率模块中，安装基板100的陶瓷层10的尺寸可以设置至少为40*20mm2。由于陶瓷层10的厚度较薄，并且面积较大，使得在制作的过程或者在使用的过程中，容易出现翘曲、变形或者破裂的现象。
本发明实施例通过设置陶瓷层10，并将覆铜层20和金属散热层30分设于所述陶瓷层10的两侧表面，通过在陶瓷层10远离覆铜层20的一面设置金属散热层30，有利于提高智能功率模块的散热，并且金属散热层30的延展性较好，有利于防止陶瓷层10翘曲、变形或者破裂。在金属散热层30上还设置有去应力孔31，智能功率模块产生的应力通过该去应力孔31被释放，可以防止在陶瓷层10上形成应力集中而造成断裂，从而有利于提高智能功率模块的强度。
参照图1，在一实施例中，所述去应力孔31的数量为多个，多个所述去应力孔31呈网状设置。
本实施例中，所述去应力孔31的形状可以设置为规则的形状，也可以设置为不规则的形状，在设置为规则的形状时，可以是圆形，或者三角形，四边形，四边形可以设置为菱形、方形等。去应力孔31可以是轴对称结构或者中心对称结构。
去应力孔31的数量可以设置为多个，多个去应力孔31在金属散热成上可以呈对称分布，例如在金属散热基板上呈轴对称分布，或者在金属散热基板上呈中心对称分布，本实施可选将去应力孔31设置为在金属散热基板上呈网状设置。或者可以通过测力计等测试应力的集中部位之后，再将个个去应力孔31适应性的设置于应力集中的部位。去应力孔31的大小、形状可以根据陶瓷层10应力大小进行设置和分布。
参照图1，在一实施例，所述金属散热层30上还设置多个金属单元32，多个所述去应力孔31与多个金属单元32交替分布。
本实施例中，所述金属单元32的形状为菱形或者六边形，各个金属单元32的设置使得去应力孔31呈菱形设置，多个金属单元32的设置使得去应力孔31设置为网状结构，或者多个去应力孔31程网状设置，使得金属单元32的形状为菱形或者六边形。金属单元32和去应力孔31的面积可以根据陶瓷层10的面积大小设置，或者根据应力集中部位中应力大小设置。金属单元32与去应力孔31的面积可以设置为相同，也可以设置为不同。在制作金属散热层30时，可以将金属散热层30通过覆铜工艺铺设于陶瓷层10上，再根据预设的金属单元32和去应力孔31的形状通过刻蚀的工艺在金属散热层30上形成。或者在制作好金属散热层30的金属单元32和去应力孔31后，再通过压合、黏胶等工艺将金属散热层30固定设置于陶瓷层10上。
可以理解的是，将多个所述去应力孔31与多个金属单元32交替分布，可使陶瓷层10的厚度设计形式更灵活，可是陶瓷层10的厚度进一步的减薄，同时降低陶瓷层10的刚度，使陶瓷层10更加柔性，降低内应力，降低变形、断裂风险。并且在金属单元32与去应力孔31的面积设置为相同时，去应力孔31布置区域可以设置为50％，有利于去应力孔31的开设及布置，更大范围地调节陶瓷层10刚度范围，降低陶瓷层10应力，还可以平衡金属散热层30的散热性能和去应力性能。此外，去应力孔31的设置，还可以减少金属散热层30材料的使用，有利于智能功率模块节约资源，降低成本。
参照图1，在一实施例中，所述金属散热层30包括第一金属边框33和第二金属边框34，所述第一金属边框33环设于所述金属单元32与所述去应力孔31的外周；
所述第二金属边框34环绕所述第一金属边框33设置，所述第二金属边框34与所述第一金属边框33之间形成有凹槽。
可以理解的是，在安装基板100应用于智能功率模块中时，金属散热层30至少部分裸露在封装壳体200外，在智能功率模块还设置有散热器400时，金属散热层30裸露于智能功率模块的封装壳体200之外的表面可以更好的与散热器400贴合，从而可以进一步提高智能功率模块的散热效率。
这样对智能功率模块进行封装时，需要将金属散热层30至少一部分显露在智能功率模块的外侧，然而，半包封需将金属散热层30外露，导致注塑难度增大，且易出现注塑溢胶的问题，进而导致注塑工艺成品率低。
需要说明的是，防溢胶的方式是通过顶针将基板下压使基板与模具型腔紧密贴合塑封料无法通过基板与型腔，达到防溢胶的效果。这种方式带来的后果就是会在模块表面留下个顶针孔，在模块长期使用下，外部的湿度、温度及其它因素容易通过顶针孔对模块内部进行腐蚀、氧化，影响模块的使用寿命。即便模具带有顶针回缩功能，但在电路布线版图设计时始终需要考虑在金属散热层30表面预留顶针位置，影响设计的灵活性。或者是针对溢料的金属散热层30通过表面打磨来去除表面溢料，这种方式会破坏基板上的阳极氧化层，导致基板容易被损坏。
为此，本实施例通过在金属散热层30的底部形成沟槽，从而阻断塑封料的流动。具体地，在对智能功率模块进行封装时，智能功率模块放置在封装磨具中。当向封装磨具注胶以封装智能功率模块时，封装材料因为金属散热层30的底部形成沟槽而被阻隔，从而封装材料仅能够流动至沟槽内，而不会向金属散热层30的底部进一步流动。本发明还解决了塑封过程中塑封料流动导致的图案间隙中出现无法去除的溢料问题，有利于防止溢料发生。
当封装完成后，智能功率模块上异于金属散热层30的底面包覆有封装壳体200，封装壳体200硬化后即形成智能功率模块整体，并且智能功率模块的金属散热层30至少有一面是裸露于智能功率模块的封装壳体200之外的，从而可以提高智能功率模块的散热效率。
本发明还提出一种智能功率模块。
参照图1至图3，所述智能功率模块包括如上所述的安装基板100；
所述安装基板100，所述安装基板100上设置有多个安装位；以及，
多个功率开关管(Q1～Q6)，设置于所述安装基板100对应的安装位上；
多个驱动芯片(U1～U6)，每一所述驱动芯片叠设于一所述功率开关管上。
本实施例中，安装基板100，包括覆铜层20，所述覆铜层20上形成有供智能功率模块的电子元件安装的安装位；
多个功率开关管，设置于所述覆铜层20对应的安装位上；
多个驱动芯片，每一所述驱动芯片的位置对应一个所述功率开关管设置。
本实施例中，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，也可以包括六个所述功率开关管，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。本实施例可选采用六个功率开关管组成三相逆变桥电路，三相逆变桥电路包括三相上桥臂功率开关管和三相下桥臂功率开关管。
功率开关管可以组成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。
驱动芯片用于在功率模块工作时，驱动芯片输出相应的控制信号，以控制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。在驱动功率开关管导通时，给功率开关管提供充电电流，以使功率开关管的栅源极间电圧迅速上升至所需值，保证功率开关管开关能快速导通。并在功率开关管导通期间保证功率开关管的栅源极间电圧维持稳定，以使功率开关管可靠导通。本实施例中，每个驱动芯片分别驱动一个功率开关管，相较于采用一个集成的驱动芯片来同时驱动多个功率开关管，驱动芯片的算法简单，可以提高功率开关管的响应速度。并且驱动芯片独立驱动一个功率开关管，可以较好的监测该功率开关管的工作状态，从而提高智能功率模块的可靠性。所述功率开关管与所述驱动芯片之间通过绝缘粘合剂固定连接。
安装基板100为功率开关管和驱动芯片的载体，安装基板100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。其中，多个驱动芯片中的每一驱动芯片叠设于一上叠设于功率开关管上，如此设置，使得驱动功率开关管与驱动芯片形成于一体，可以缩小安装基板100的面积，可以使智能功率模块的整体结构紧凑，并且驱动功率开关管与驱动芯片在依次叠设于较薄的安装基板100时，可以降低安装基板的硬度要求，也即采用超薄的安装基板100也能够稳定的承载各个电子元件，保证智能功率模块能够可靠工作。电路布线层的面积大于散热层的面积，也即散热层背向电路布线层的一侧向外凸设于绝缘基板。本发明智能功率模块具有超薄、立体、且稳定性较好的优势，可以解决功率开关管和驱动芯片采用平铺布局模式，增加的焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。并且该智能功率模块体积较小，抗干扰能力强，适用于驱动电机的变频器及各种逆变电源中，以实现变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动等功能，尤其适用于驱动空调、冰箱等压缩机和风机的电机工作。
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第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六个(D1～D6)。快速恢复二极管和肖特基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SiCMOSFET或者SiC IGBT，或者GaN HEMT器件时，将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，可以保证功率模块的自身的功耗较低的同时，降低功率模块的生产成本。
参照图1至图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括封装壳体200，所述封装壳体200罩设于所述安装基板100上，以对所述驱动芯片及所述功率开关管进行封装。
本实施例中，封装壳体200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200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200材料进行轧制成形，以形成封装壳体200后将驱动芯片和功率开关管封装在封装壳体200内。或者通过注塑工艺将驱动芯片和功率开关管封装在封装壳体200内，将所述封装壳体200罩设于所述安装基板100及所述功率开关管和驱动芯片上。使得柔性电路基板的陶瓷层10的下表面裸露在封装件外，而加速功率元件的散热。本实施例中，智能功率模块可以采用半包封的形式进行封装，也即封装壳体200罩设于安装基板100上，使得封装壳体200可以嵌设于空调器中的电控板中，封装壳体200与电控板贴合，从而使得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，所述智能功率模块还包括引脚300，所述引脚300设置于所述覆铜层20上，且通过金属线与所述功率开关管和驱动芯片及覆铜层20电连接。
本实施例中，引脚300可以与安装基板的覆铜层20一体形成，也即引脚300自安装基板的覆铜层20延伸形成，在制作覆铜层20时，覆铜层20通过刻蚀的工艺形成智能功率模块的电路布线层、焊盘和引脚300。引脚300与安装基板平行设置，也即引脚300呈平铺结构，使得在安装基板的封装壳体200嵌设于空调器中的电控板中，封装壳体200与电控板贴合时，智能功率模块的引脚300通过焊锡、导电胶固定于电控板上时，引脚300延伸出安装基板的部分与电控板贴合，且焊接面在同一平面，使得引脚300的延伸段与电控板贴合，可以防止电控板在跌落时，导致引脚300断裂。当然在其他实施例中，引脚300的一端可以固定在安装基板的电路布线层上，另一端自电路布线层延伸出，具体可以通过固定框架来实现，固定框架向内延伸的多个导电条，导电条的自由端焊接于所述覆铜层20的安装位上，在智能功率模块进行封装后，通过切脚的工艺来将固定框架切除，形成智能功率模块的引脚300。而在智能功率模块的封装前，固定框架的导电条的自由端焊接于安装基板100的安装位之后，可以实现固定框架与安装基板100的固定。
进一步地，在智能功率模块还设置可以有散热器(图未示出)时，金属散热层30裸露于智能功率模块的封装壳体200之外的表面可以更好的与散热器贴合，从而可以进一步提高智能功率模块的散热效率。
本发明还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的安装基板和智能功率模块。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 (10)

1.一种安装基板，其特征在于，所述安装基板包括：
陶瓷层，所述陶瓷层包括相对设置的第一表面和第二表面；
覆铜层，设置于所述陶瓷层的第一表面；
金属散热层，设置于所述陶瓷层的第二表面，所述金属散热层上设置有去应力孔。
2.如权利要求1所述的安装基板，其特征在于，所述去应力孔的数量为多个，多个所述去应力孔呈网状设置。
3.如权利要求2所述的安装基板，其特征在于，所述金属散热层上还设置多个金属单元，多个所述去应力孔与多个金属单元交替分布。
4.如权利要求3所述的安装基板，其特征在于，所述金属散热层包括第一金属边框和第二金属边框，所述第一金属边框环设于所述金属单元与所述去应力孔的外周；
所述第二金属边框环绕所述第一金属边框设置，所述第二金属边框与所述第一金属边框之间形成有凹槽。
5.如权利要求3所述的安装基板，其特征在于，所述金属单元的形状为菱形或者六边形；
所述去应力孔的形状为菱形。
6.如权利要求1所述的安装基板，其特征在于，所述安装基板的形状为方形；
所述安装基板的长度大于40mm，所述安装基板的宽度大于20mm。
7.如权利要求1至6任意一项所述的安装基板，其特征在于，所述陶瓷层的厚度范围为0.5～1.5mm。
8.一种智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括如权利要求1中7任意一项所述的安装基板；其中，所述安装基板上设置有多个安装位；智能功率模块还包括：
多个功率开关管，设置于所述安装基板对应的安装位上；
多个驱动芯片，每一所述驱动芯片的位置对应一个所述功率开关管设置。
9.如权利要求8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封装壳体，所述封装壳体罩设于所述安装基板上，以对所述驱动芯片及所述功率开关管进行封装。
10.一种空调器，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的智能功率模块。
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