CN111064344B - 具有底部金属散热基板的功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种具有底部金属散热基板的功率模块，包括电源模块及底部金属散热基板。电源模块具有输入接脚及输出接脚并包括印刷电路板。输入接脚及输出接脚焊接于系统板并与系统板电性连接。印刷电路板具有顶面及底面，且至少一发热元件设置于底面。底部金属散热基板具有彼此相对的上表面及下表面。上表面具有至少一固定位置及至少一散热位置，固定位置与底面直接连接或通过介质材料间接连接，散热位置与发热元件之间存在公差累积造成的缝隙，填缝材料被填充于缝隙，且下表面与系统板相互焊接连接。藉此，可达到增进散热效果的功效。

Description

具有底部金属散热基板的功率模块
技术领域
本发明是关于一种功率模块，尤指一种具有底部金属散热基板的功率模块。
背景技术
板载大功率直流-直流电源模块在电话通讯、数据中心、超级计算机等领域得到广泛使用。随着固网和行动通讯的快速发展，对板载大功率直流-直流电源模块输出功率和效率的要求越来越高。此外，通讯产品日趋小型化，必然要求模块电源在提高效率的同时减小体积来提高功率密度。因此板载大功率直流-直流电源模块的散热问题也日趋严重。
针对板载大功率直流-直流电源模块的散热问题，目前常用的方式是在模块电源的顶部加装散热器，通过散热器将放置在印刷电路板的发热元件的热量传导出去，进而降低模块电源的整体温度和零部件温度，请参阅图1，其显示现有板载大功率直流-直流电源模块的前视图。如图1所示，现有板载大功率直流-直流电源模块9中，顶部阴影所示即为散热基板91。但是因为高功率密度的需求，模块电源的发热元件92已经不仅只放置在印刷电路板93的顶面，在印刷电路板93的底面也会放置发热元件92，但是模块电源的底部往往和系统板之间存在空隙，发热元件92的热量只能通过印刷电路板93传导到与系统板连接的接脚94或者焊点，再通过系统板来进行散热，散热效果不佳。
因此，实有必要创作出一种能解决现有技术缺点的具有底部金属散热基板的功率模块。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种具有底部金属散热基板的功率模块，以解决并改善前述先前技术的至少一个缺点。
本发明的另一目的为提供一种具有底部金属散热基板的功率模块，藉由底部金属散热基板的上表面的固定位置与印刷电路板的底面直接连接或通过介质材料间接连接，以及使底部金属散热基板的上表面的散热位置与发热元件之间的缝隙以填缝材料填充，能降低热阻，增加散热面积，扩大热传路径，并确实达到增进散热效果的功效。
为达上述目的，本发明的一较佳实施态样为提供一种具有底部金属散热基板的功率模块，包括：一电源模块，具有一输入接脚及一输出接脚并包括一印刷电路板，其中该输入接脚及该输出接脚焊接于一系统板并与该系统板电性连接，该印刷电路板具有一顶面及一底面，且至少一发热元件设置于该底面；以及一底部金属散热基板，具有彼此相对的一上表面及一下表面，其中该上表面具有至少一固定位置及至少一散热位置，该固定位置与该底面直接连接或通过一介质材料间接连接，该散热位置与该发热元件之间存在公差累积造成的一缝隙，一填缝材料被填充于该缝隙，且该下表面与该系统板相互焊接连接。
在一实施例中，该电源模块更包括一磁性元件及至少一印刷电路板线圈。
根据本发明的构想，该发热元件为一开关元件或由该磁性元件及该印刷电路板线圈构成的一变压器或一电感。
根据本发明的构想，该固定位置固定于该磁性元件及该印刷电路板线圈的位置。
根据本发明的构想，该底部金属散热基板于中央具有一开口，且该磁性元件的一表面露出于该开口。
在一实施例中，该固定位置与该底面之间不存在公差累积的间隙。
在一实施例中，该固定位置通过一螺丝与该印刷电路板相固定。
在一实施例中，该固定位置通过一固定胶与该印刷电路板相固定。
在一实施例中，该固定位置与该印刷电路板的底面以焊接连接。
在一实施例中，该电源模块于该底面更包括一焊接铜块，且该固定位置固定于该焊接铜块上。
在一实施例中，该填缝材料的导热率为大于或等于每公尺每克氏温度0.3瓦特(0.3W/mK)。
在一实施例中，该底部金属散热基板为铝基板或铜基板。
在一实施例中，该底部金属散热基板与该系统板间的焊接为镀锡处理、沉金处理或有机保焊膜处理。
在一实施例中，该底部金属散热基板的该下表面为平面，且该下表面与该系统板以回流焊焊接连接。
在一实施例中，该下表面具有向下突出的多个针脚，且该多个针脚插入该系统板并与该系统板焊接连接。
在一实施例中，该下表面与该系统板通过一大面积铜箔焊接连接，且该大面积铜箔为该电源模块的负端输入电压或负端输出电压。
在一实施例中，该输入接脚及该输出接脚以表面贴回流焊焊接于该系统板。
在一实施例中，该输入接脚及该输出接脚以插脚焊焊接于该系统板。
在一实施例中，该具有底部金属散热基板的功率模块更包括一顶部金属散热基板，其中该顶部金属散热基板设置于该印刷电路板的该顶面，用以安装一散热片，且该顶部金属散热基板与该底部金属散热基板共享同一螺杆固定。
在一实施例中，该输入接脚及该输出接脚自该印刷电路板的该底面延伸而出。
附图说明
图1显示现有板载大功率直流-直流电源模块的前视图。
图2显示本发明一实施例的具有底部金属散热基板的功率模块的前视图。
图3显示本发明一实施例的具有底部金属散热基板的功率模块的结构爆炸图。
图4A显示图3所示的底部金属散热基板的结构示意图。
图4B显示图3所示的螺杆穿设于底部金属散热基板的示意图。
图5显示本发明一实施例的具有底部金属散热基板的功率模块以底部金属散热基板的下表面在上方的结构示意图。
图6显示本发明一实施例的具有底部金属散热基板的功率模块以具有多个针脚的底部金属散热基板的下表面在上方的结构示意图。
其中，附图标记
1：具有底部金属散热基板的功率模块
10：电源模块
101：输入接脚
102：输出接脚
103：印刷电路板
103a：顶面
103b：底面
104：发热元件
105：磁性元件
11：底部金属散热基板
11a：上表面
11b：下表面
111：固定位置
112：散热位置
2：具有底部金属散热基板的功率模块
201：印刷电路板
202a：顶面
202b：底面
203a：顶部金属散热基板
203b：底部金属散热基板
204：变压器
205：变压器二次侧开关组合
206：变压器一次侧开关组合
207：发热元件
211、212、213：第一通孔
221、222、223：第二通孔
224：第一通孔组合
225：第二通孔组合
231、232、233：第三通孔
234：输入接脚
235：输出接脚
24：螺杆
304：第一区块
305：第二区块
306：第三区块
307：第四区块
401：区块
501：针脚组合
8：系统板
9：现有板载大功率直流-直流电源模块
91：散热基板
92：发热元件
93：印刷电路板
94：接脚
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非架构于限制本发明。
请参阅图2，其显示本发明一实施例的具有底部金属散热基板的功率模块的前视图。如图2所示，本发明针对大功率直流-直流电源模块的散热问题，提出一种具有底部金属散热基板的功率模块1，相较于传统的功率模块，本发明是在功率模块的底部加装一金属散热基板，例如但不限于一铝基板或一铜基板。具体而言，本发明具有底部金属散热基板的功率模块1包括电源模块10及底部金属散热基板11。电源模块10具有输入接脚101及输出接脚102并包括印刷电路板103。输入接脚101及输出接脚102自印刷电路板103的底面103b延伸而出，且输入接脚101及输出接脚102焊接于系统板8并与系统板8电性连接。印刷电路板103具有顶面103a及底面103b，且至少一发热元件104设置于底面103b。底部金属散热基板11具有彼此相对的上表面11a及下表面11b。上表面11a具有至少一固定位置111及至少一散热位置112，固定位置111与底面103b直接连接或通过介质材料间接连接，散热位置112与发热元件104之间存在公差累积造成的缝隙，填缝材料被填充于缝隙，且下表面11b与系统板8相互焊接连接。具体而言，底部金属散热基板11与系统板8间的焊接为镀锡处理、沉金处理或有机保焊膜处理。其中，发热元件104可为电源模块10的开关元件。此外，电源模块10可进一步包括磁性元件105及至少一印刷电路板线圈，该印刷电路板线圈可直接印制于印刷电路板103，故于此不多行赘述。磁性元件105为上下磁芯，通过上下磁芯的扣合，将印刷电路板上的平面绕组耦合在一起，形成电源模块10所需的变压器。当然，该磁性元件105亦属发热元件之一。在一些实施例中，发热元件亦可为由磁性元件及印刷电路板线圈构成的电感，但不以此为限。
请参阅图3，其显示本发明一实施例的具有底部金属散热基板的功率模块的结构爆炸图。如图3所示，本发明的具有底部金属散热基板的功率模块2的电源模块的印刷电路板201具有顶面202a及底面202b。于此定义印刷电路板201的底面202b所在的平面为水平面。在印刷电路板201的顶面202a，放置变压器204、变压器二次侧开关组合205、变压器一次侧开关组合206以及其它发热元件207，这里的发热元件207可以是电感，也可以是放置在印刷电路板201上的散热金属块。在印刷电路板201的顶面202a可设置一些其它元器件，因为不是主要发热元器件，于此不一一介绍。印刷电路板201的顶面202a放置的主要元器件与在印刷电路板201的底面202b放置的主要元器件可以相同，也可以相异。在一些实施例中，以放置在印刷电路板201的顶面202a和底面202b的主要元器件相同来进行说明。
请继续参阅图3。元件符号203a指出放置在电源模块顶部的顶部金属散热基板，元件符号203b指出放置在电源模块底部的底部金属散热基板。电源模块的输入接脚234及输出接脚235分别穿过底部金属散热基板203b上的第一通孔组合224及第二通孔组合225，然后插脚焊接在系统板上，以此来实现电性连接和固定。本发明在另一实施例中，将输入接脚234及输出接脚235通过底部金属散热基板203b的下表面的焊接平板和系统板表面贴(Surface Mount Technology,SMT)焊接实现电性连接和固定。此外，顶部金属散热基板203a设置于印刷电路板201的顶面202a，用以安装散热片，且顶部金属散热基板203a与底部金属散热基板203b可共享同一螺杆24固定。
顶部金属散热基板203a、印刷电路板201以及底部金属散热基板203b用螺丝通过通孔组合一(即第一通孔211、第二通孔221及第三通孔231的组合)，通孔组合二(即第一通孔212、第二通孔222及第三通孔232的组合)以及通孔组合三(即第一通孔213、第二通孔223及第三通孔233的组合)三点固定。底部金属散热基板203b的固定位置与电源模块之间没有公差累积的缝隙，或者该缝隙接近于0。在三个固定位置中，用螺丝24固定顶部金属散热基板203a、印刷电路板201和底部金属散热基板203b的固定点数量并不限于此，亦可以通过两点固定或四点固定来实现，固定方式也可以通过顶部金属散热基板203a与印刷电路板201固定，或者印刷电路板201与底部金属散热基板203b固定，这样两两固定的方式将三块板固定在一起。
本发明于另一实施例中，通过固定顶部金属散热基板203a、印刷电路板201与底部金属散热基板203b的通孔组合一、通孔组合二以及通孔组合三焊接到系统板的方法，也可以用焊接平板替代，通过分布在顶部金属散热基板203a、印刷电路板201及底部金属散热基板203b相对应位置的焊接平板将三块板焊接固定在一起。此外，本发明亦可采用固定胶将顶部金属散热基板203a、印刷电路板201与底部金属散热基板203b固定在一起。焊接固定的方法和固定胶固定的方法对固定位置的个数并无特别要求，对固定位置选择也更多，更有利于缩小该电源模块的尺寸。在该两种实施方案中，至少有一个固定位置固定于该磁性元件及该印刷电路板线圈的位置，因为印刷电路板线圈所占面积较大，可以将这部分面积再次利用来做固定位置，同时因为印刷电路板线圈为发热元件之一，就近放置固定位置，有利于印刷电路板线圈的散热。另外，在底部金属散热基板203b和电源模块之间的固定位置，也可以藉由可焊接铜块连接固定。该可焊接铜块一面与电源模块焊接，其相对的另一面与底部金属散热基板203b焊接，这样可以减小散热基板的设计及制造难度。
请参阅图4A及图4B并配合图3，其中图4A显示图3所示的底部金属散热基板的结构示意图，以及图4B显示图3所示的螺杆穿设于底部金属散热基板的示意图。如图3、图4A及图4B所示，螺杆24可穿设于底部金属散热基板203b的第二通孔221、第二通孔222及第二通孔223，但不以此为限。由于放置在印刷电路板201的底面202b的散热元件的高度不同，使得底部金属散热基板的厚度必须对应而不同，因此接触面被分成多个区块。其中，第一区块304与变压器204的下磁芯表面通过导热胶贴合，变压器二次侧开关组合205的表面通过导热胶与第二区块305贴合，变压器一次侧开关组合206的表面通过导热胶与第三区块306贴合，其他发热元件207的表面亦可通过导热胶与第四区块307接触。印刷电路板201的底面202b上设置的主要发热元件通过导热胶与底部金属散热基板203b贴合，该导热胶(即填缝材料)为软胶，且该填缝材料的热导率大于或等于每公尺每克氏温度0.3瓦特(≥0.3W/m·K)。填缝材料在电源模块与底部金属散热基板203b压合过程中，可以有一定的形变，可以充分填充底部金属散热基板203b和各个发热元件之间的空气缝隙，使得底部金属散热基板203b与各个发热元件充分接触。因为填缝材料(或导热软胶)的导热数远远大于空气的导热系数，可以使得热量通过导热软胶和底部金属散热基板在所定义水平面的垂直方向传导，其热阻计算公式为：
Rth＝l/(k·A)，其中，l为发热元件与底部金属散热基板所贴合区块的基板厚度，k为根据底部金属散热基板选定材料的导热系数，A则为底部金属散热基板在水平面方向的平面面积。
由此可见，因为传导路径l小而传导面积A大，使得本实施例的热阻大幅减小，散热效果大为增加。另外，该导热软胶(填缝材料)更可进一步减小电源模块的累积公差，使得生产制程简单化。
本实施例中所示底部金属散热基板203b上的区块分割与分布并不仅限于此，应依据实际所用电源模块的主散热元件的尺寸和位置来决定所在区块的位置、面积和该区块所对应底部金属散热基板203b的厚度。本发明于另一实施例中，将第一区块304做镂空处理，以露出变压器204的磁芯面。镂空处理可以减少底部金属散热基板203b的厚度，从而减小整体具底部金属散热基板的功率模块2的总厚度。换言之，底部金属散热基板203b于中央具有一开口，且磁性元件的表面露出于开口。
本实施例仅以底部金属散热基板203b为例来说明其上表面的设计，顶部金属散热基板203a的设计与此相同，故不再多行赘述。在本实施例中，顶部金属散热基板和底部金属散热基板可以为铜，也可以是铝或其他导热固体材质。
请参阅图5并配合图3，其中图5显示本发明一实施例的具有底部金属散热基板的功率模块以底部金属散热基板的下表面在上方的结构示意图。如图3及图5所示，底部金属散热基板203b的下表面为平面，且下表面与系统板以回流焊焊接连接。在一些实施例中，底部金属散热基板203b的下表面上的区块401与所定义水平面平行，该区块401可以直接与系统板上的大面积铜箔通过回流焊焊接在一起，使得具底部金属散热基板的功率模块2可以通过系统板上的大面积铜箔快速散热，系统板上的大面积铜箔可以为电源模块的负端输入电压Vin-或者负端输出电压Vo-。同时，本发明具底部金属散热基板的功率模块2通过输入接脚234、输出接脚235与系统板实现电性连接的同时，亦可以将电源模块的主发热元件的热量传递到该底部金属散热基板203b后，通过与区块401的焊接以及输入接脚234与输出接脚235将热量快速有效地传递到系统板上。
本发明在另一实施例中，也可以将底部金属散热基板的下表面用多个针脚来实现。请参阅图6并配合图3，其中，图6显示本发明一实施例的具有底部金属散热基板的功率模块以具有多个针脚的底部金属散热基板的下表面在上方的结构示意图。如图3及图6所示，底部金属散热基板203b的下表面均压分布一定数量的针脚组合501，且针脚组合501中包括向下突出的多个针脚(于图6中为向上突出)，该多个针脚在系统板上相对应的位置上有通孔，将该多个针脚插入系统板上的通孔并焊接连接，即可使热量通过针脚组合501快速地传导到系统板上，并通过系统板散热。根据本发明的构想，对针脚组合501的数量与形状并不进行限定。针脚组合501的设计可依据系统板的布局、底部金属散热基板203b的面积以及电源模块的损耗进行调整及变更。
综上所述，本发明提供一种具有底部金属散热基板的功率模块，以解决并改善先前技术的问题与缺点。本发明藉由底部金属散热基板的上表面的固定位置与印刷电路板的底面直接连接或通过介质材料间接连接，以及使底部金属散热基板的上表面的散热位置与发热元件之间的缝隙以填缝材料填充，能降低热阻，增加散热面积，扩大热传路径，并确实达到增进散热效果的功效。
纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由熟悉本技艺的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims (20)

1.一种具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，包括：
一电源模块，具有一输入接脚、一输出接脚和一印刷电路板，其中该输入接脚及该输出接脚焊接于一系统板并与该系统板电性连接，该印刷电路板具有一顶面及一底面，且至少一发热元件设置于该底面；以及
一底部金属散热基板，具有彼此相对的一上表面及一下表面，其中该上表面具有至少一固定位置及至少一散热位置，该固定位置与该底面直接连接或通过一介质材料间接连接，该散热位置与该发热元件之间存在公差累积造成的一缝隙，一填缝材料被填充于该缝隙，且该下表面与该系统板相互焊接连接；
其中，该底部金属散热基板于中央具有与所述至少一发热元件对应的一开口。
2.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该电源模块更包括一磁性元件及至少一印刷电路板线圈。
3.如权利要求2所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该发热元件为一开关元件或由该磁性元件及该印刷电路板线圈构成的一变压器或一电感。
4.如权利要求2所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该固定位置固定于该磁性元件及该印刷电路板线圈的位置。
5.如权利要求2所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该磁性元件的一表面露出于该开口。
6.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该固定位置与该底面之间不存在公差累积的间隙，或该固定位置与该底面之间的公差累积的间隙趋近于0。
7.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该固定位置通过一螺丝与该印刷电路板相固定。
8.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该固定位置通过一固定胶与该印刷电路板相固定。
9.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该固定位置与该印刷电路板的底面以焊接连接。
10.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该电源模块于该底面更包括一焊接铜块，且该固定位置固定于该焊接铜块上。
11.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该填缝材料的导热率为大于或等于0.3W/m·K。
12.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该底部金属散热基板为铝基板或铜基板。
13.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该底部金属散热基板的该下表面为平面，且该下表面与该系统板以回流焊焊接连接。
14.如权利要求13所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该底部金属散热基板的该下表面与该系统板间的一焊接区以镀锡处理、沉金处理或有机保焊膜处理。
15.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该下表面具有向下突出的多个针脚，且所述多个针脚插入该系统板并与该系统板焊接连接。
16.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该下表面与该系统板通过一大面积铜箔焊接连接，且该大面积铜箔为该电源模块的负端输入电压或负端输出电压。
17.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该输入接脚及该输出接脚以表面贴回流焊焊接于该系统板。
18.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该输入接脚及该输出接脚以插脚焊接于该系统板。
19.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，更包括一顶部金属散热基板，其中该顶部金属散热基板设置于该印刷电路板的该顶面，用以安装一散热片，且该顶部金属散热基板与该底部金属散热基板共享同一螺杆固定。
20.如权利要求1所述的具有底部金属散热基板的功率模块，其特征在于，该输入接脚及该输出接脚自该印刷电路板的该底面延伸而出。
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