CN114071919A - 一种高密度集成的大功率电子模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高密度集成的大功率电子模块，包括结构功能一体化的盒体与盖板、印制板电路，盒体中开设有凹腔，盒体凹腔底部与盖板结构内侧均布置有电气互联的电子器件与三维共形电路以及电连接器，盖板安装在盒体开设的凹腔上，在内部形成封闭腔体，印制板电路设置在腔体内，印制板电路分别与盖板和盒体上的电连接器电气互联。本发明提出的方案创造性地在传统电子模块的盒体或盖板上增加了电路功能，将模块中的纯结构件变成了结构功能一体化的功能构件，同时极大的优化了模块内部分高热器件的散热路径；在不增加模块外形尺寸及外部散热条件的前提下，提高模块内的空间利用率和集成密度，改善部分高热器件的散热性能。

Description

一种高密度集成的大功率电子模块

技术领域

本发明涉及电子单元/模块领域，特别涉及一种高密度集成的大功率电子模块。

背景技术

随着电子设备小型化不断发展及其功能性能不断提升，如何在有限空间内进一步提高电子模块的集成密度以及在高集成度的情况下满足其不断攀升的散热需求，是电子行业中需要持续攻克和突破的技术难题。

如图1所示，现有电子模块的典型构型为“结构盒体1+印制板电路2+结构盖板3”，其中印制板电路2安装在结构盒体1内，结构盖板3安装在结构盒体1上形成相对封闭的空间，保护内部印制板电路2免受外部电磁及其他物理环境的影响。印制板电路2上布置有电子器件22，其中高热器件主要通过电路板21、结构盒体上的散热凸台11或结构盖板上的散热凸台31进行散热。

现有常用的提升电子模块集成度的方式为：

1)如图2所示，将结构盒体由单面开腔形式变为双面开腔形式，具体为在结构盒体1正反两面均设置凹腔用于安装印制板电路2，并配合正反两面的结构盖板3形成双层的电子模块。该种方式一定程度上提升了模块的集成度，但高热器件的散热方式并没有改变，且由于正反两面的印制板电路共用结构盒体底板作为散热通路，模块整体的散热性能有所恶化。

2)如图3所示，在印制板电路上2加装印制板扣板4，印制板扣板4也是一块印制板电路，它通过其上的电连接器41与主印制板电路2上的电连接装置23进行电气互连。该方式增加了模块的印制板布板面积，一定程度上提升了集成密度。但没有改变印制板上高热器件的散热方式，而且布置在两块印制板相向面上的高热器件不能通过结构盒体或结构盖板上的散热凸台进行散热，一定程度上恶化了模块的散热能力。

综上所述，现有常用的提升电子模块集成密度的方式，对于模块集成度的提升有限，且对于模块的散热性能有所恶化。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种高密度集成的大功率电子模块，旨在针对大功率、高散热、高集成要求，可在现有技术的两种解决方案的基础上进一步提升模块的集成密度，并大幅改善模块内部分高热器件的散热能力。

本发明采用的技术方案如下：一种大功率电子模块，包括结构功能一体化的盒体与盖板、印制板电路，盒体中开设有凹腔，盒体凹腔底部与盖板结构内侧均布置有电气互联的电子器件与三维共形电路以及电连接器，盖板安装在盒体开设的凹腔上，在内部形成封闭腔体，印制板电路设置在腔体内，印制板电路分别与盖板和盒体上的电连接器电气互联。

进一步的，所述三维共形电路包括绝缘介质层与电路层，绝缘介质层设置在电路层与盒体和/或盖板之间，用于介质分隔；电路层为实现电路功能的金属电路走线层，并于电连接器连接。

进一步的，所述三维共形电路为单层电路，绝缘介质层与电路层依次布置在盒体凹腔或盖板表面；或，三维共形电路为多层电路，每层电路层之间以及电路层与盒体凹腔或盖板表面均设有一层绝缘介质层，电路层之间的绝缘层上设置有互联通孔，用于实现不同电路层的互联。

进一步的，位于盒体内的电子器件底部主散热面直接与盒体凹腔接触，电子器件引脚焊接至盒体内的三维共形电路的电路层上；位于盖板上的电子器件底部主散热面直接与盖板接触，电子器件引脚焊接至盖板上的三维共形电路的电路层上。

进一步的，所述印制板电路由电路板、电子器件以及电连接装置组成，电子器件与电连接装置均安装在电路板正反两面，其中一面的电连接装置与盒体内的电连接器电气互联，另一面的电连接装置与盖板上的电连接器电气互联。

进一步的，所述盒体在上下两面均开设凹腔，每一凹腔内均对应布置有电子器件、三维共形电路以及电连接器；两块布置有电子器件、三维共形电路以及电连接器的盖板分别安装在凹腔上，每个凹腔内均设有印制板电路，分别与对应的盖板和凹腔内的电连接器电器互联。

进一步的，所述三维共形电路与所在盖板或盒体凹腔的形状共形。

进一步的，所述盒体与盖板均采用高导热的金属材料或导热性能良好的非金属材料制成。

进一步的，所述盒体与盖板之间为平面、曲面或多平面拼接中其中一种构型。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：在现有电子模块的基础上，提出了一种高密度集成、高效散热的新型大功率电子模块构型及具体实现方法，创造性地在传统电子模块的盒体或盖板上增加了电路功能，将模块中的纯结构件变成了结构功能一体化的功能构件。此外，新构型还极大的优化了模块内部分高热器件的散热路径。可做到，在不增加模块外形尺寸及外部散热条件的前提下，提高模块内的空间利用率和集成密度，改善部分高热器件的散热性能，为大功率、小空间的应用场景提供了一种新的大功率电子模块解决方案。

附图说明

图1为现有技术中传统单层构型电子模块。

图2为现有技术中双面开腔构型电子模块。

图3为现有技术中扣板构型电子模块。

图4为本发明一实施例中提出的电子模块顶部爆炸视图。

图5为本发明一实施例中提出的电子模块底部爆炸视图。

图6为本发明一实施例中提出的电子模块爆炸视图。

图7为本发明一实施例中提出的电子模块剖视图。

图8为本发明另一实施例中提出的电子模块爆炸视图。

图9为本发明另一实施例中提出的电子模块剖视图。

图10为现有技术中电子模块中高热器件的散热路径。

图11为本发明提出的子模块中高热器件的散热路径。

附图标记：

1-结构盒体、11-结构盒体的散热凸台、2-印制板电路、21-电路板、22-电子器件、23-电连接装置、231-表贴矩形连接器、232-压接焊盘、3-结构盖板、31-结构盖板的散热凸台、4-印制板扣板、41-电连接器、5-结构功能一体化盒体、51-盒体结构、511-盒体凹腔、52-第一三维共形电路、521-第一绝缘介质层、522-第一电路层、53-第二电子器件、531-第二电子器件底部散热面、54-第一电连接器、6-结构功能一体化盖板、61-盖板结构、611-盖板结构内侧、62-第二三维共形电路、621-第二绝缘介质层、622-第二电路层、63-第三电子器件、631-第三电子器件底部散热面、64-第二电连接器、7-结构功能一体化曲面盖板、71-曲面盖板结构、711-曲面盖板结构凹面、72-第三三维共形电路、721-第三绝缘介质层、722-第三电路层、73-第四电子器件、731-第四电子器件底部散热面、74-第三电连接器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

针对大功率、高散热、高集成要求，提供一种高密度集成的大功率电子模块，可在现有解决方案的基础上进一步提升模块的集成密度，并大幅改善模块内部分高热器件的散热能力，具体方案如下：

如图4、图5所示，一种大功率电子模块，包括结构功能一体化的盒体与盖板、印制板电路，盒体中开设有凹腔，盒体凹腔底部与盖板结构内侧均布置有电气互联的电子器件与三维共形电路以及电连接器，盖板安装在盒体开设的凹腔上，在内部形成封闭腔体，印制板电路设置在腔体内，印制板电路分别与盖板和盒体上的电连接器电气互联。其中，结构功能一体化盒体和结构功能一体化盖板均可根据具体应用，设置为平面、曲面或多平面拼接等构型。

具体的，三维共形电路包括绝缘介质层与电路层，绝缘介质层设置在电路层与盒体和/或盖板之间，用于介质分隔；电路层为实现电路功能的金属电路走线层，并于电连接器连接。其中，电连接器坑根据实际需求，选用插合式电连接或器弹性连接器等实现。

需要注意的是，在三维共形电路为单层电路时，绝缘介质层与电路层依次布置在盒体凹腔或盖板表面；在三维共形电路为多层电路时，每层电路层之间以及电路层与盒体凹腔或盖板表面均设有一层绝缘介质层，电路层之间的绝缘层上设置有互联通孔，用于实现不同电路层的互联。优选的，互联通孔形式为金属化过孔或盲孔。

三维共形电路与盒体结构凹腔以及盖板的形状共形，可布置在平面、曲面、多平面拼接等多种形式内。需要注意的时，这里的共形是指对应共形，即布置在盖板上的三维共形电路与盖板形状共形，布置在盒体结构凹腔内的三维共形电路与凹腔形状共形。

位于盒体内的电子器件底部主散热面直接与盒体凹腔接触，电子器件引脚焊接至盒体内的三维共形电路的电路层上；位于盖板上的电子器件底部主散热面直接与盖板接触，电子器件引脚焊接至盖板上的三维共形电路的电路层上。对应电子器件底部主散热面与盒体或盖板的接触面采用焊接等方式降低接触热阻。

具体的，印制板电路由电路板、电子器件以及电连接装置组成，电子器件与电连接装置均安装在电路板正反两面，其中一面的电连接装置与盒体内的电连接器电气互联，另一面的电连接装置与盖板上的电连接器电气互联。其中，电路板为刚性或柔性印制板，可设置为单层或多层印制板，具体可根据使用情况进行选择或设置。

盒体是电子模块的主承力结构，可选用金属或非金属材料，为保障高效散热，可选择高导热的金属材料或导热性能良好的非金属材料；它可根据具体应用，在单面或双面设置凹腔，凹腔可根据具体应用，设置为平面、曲面或多平面拼接等构型；盖板为电子模块的副承力结构，在材料选择与结构外形等方面的要求和适应性与盒体一致。

在盒体在上下两面均开设凹腔时，每一凹腔内均对应布置有电子器件、三维共形电路以及电连接器；两块布置有电子器件、三维共形电路以及电连接器的盖板分别安装在凹腔上，每个凹腔内均设有印制板电路，分别与对应的盖板和凹腔内的电连接器电器互联。

需要注意的是，本发明提出的电子模块并不限定于盒体和盖板上必须同时一体化集成电子器件等功能器件，可以仅在两者其一中一体化集成功能器件。由此只要盒体或盖板中任一构件通过采用了本发明提出的结构功能一体化思路变成了功能构件，都在本发明的保护范围内。

基于此，以电子模块外形为长方体与半球体为例进行说明。

实施例1

如图4、图5所示，本实施例提出了一种外形为长方体的电子模块，包括结构功能一体化盒体5、印制板电路2、结构功能一体化盖板6。

如图6、图7所示，结构功能一体化盒体5包括盒体结构51、第一三维共形电路52、第二电子器件53、第一电连接器54。

本实施例中，盒体结构51采用铝合金机加工成形，第一三维共形电路52布置在盒体结构凹腔511内，主要包括第一绝缘介质层521和第一电路层522。

第一绝缘介质层521采用静电喷涂方式在盒体结构凹腔511内表面沉积而成，第一电路层522采用激光微熔覆工艺和精密刻蚀技术在第一绝缘介质层521上加工而成。优选的，若需制作多层三维共形电路，在制作多层第一三维共形电路52时依次重复上述第一绝缘介质层521和第一电路层522的加工步骤即可；在制作多层三维共形电路时，需在第一绝缘介质层521上设置有互连通孔，不同第一电路层522之间通过这些互连通孔形成的金属化过孔或盲孔进行互连。

第二电子器件底部散热面531通过焊接方式安装在盒体结构凹腔511上，第二电子器件53和第一电连接器54的管脚焊接在第一三维共形电路52相应焊盘上，实现与第一三维共形电路52的连通。在本实施例中，第一电连接器54采用表贴式矩形连接器。

结构功能一体化盖板6与结构功能一体化盒体5类似，包括盖板结构61、第二三维共形电路62、第三电子器件63、第二电连接器64。

在本实施例中，盖板结构61采用铝合金机加工成形，第二三维共形电路62布置在盖板结构内侧611，主要包括第二绝缘介质层621和第二电路层622。第二绝缘介质层621采用静电喷涂方式在盖板结构内侧611沉积而成，第二电路层622采用激光微熔覆工艺和精密刻蚀技术在第二绝缘介质层621上加工而成，在制作多层第二三维共形电路62时需依次重复第二绝缘介质层621和第二电路层622的加工步骤。对于多层三维共形电路，第二绝缘介质层621上设置有互连通孔，不同第二电路层622之间通过这些互连通孔形成的金属化过孔或盲孔进行互连。

第三电子器件底部散热面631通过焊接方式安装在盖板结构内侧611上，第三电子器件63和第二电连接器64的管脚焊接在第二三维共形电路62相应焊盘上，实现与第二三维共形电路62的连通。在本实施例中，第二电连接器64选用表贴式矩形连接器。

印制电路板2包括电路板21、电子器件22、电连接装置23，其中电路板21为多层刚性印制板，电子器件22在电路板21正反两面布置。在本实施例中，电连接装置23选用表贴式矩形连接器，布置在电路板21正反面的两个电连接装置23分别与结构功能一体化盒体5中第一电连接器54和结构功能一体化盖板6中第二电连接器64进行对插互连。

实施例2

如图8、图9所示，本实施例提出了一种外形为长方体的电子模块，包括结构功能一体化盒体5、印制板电路2、结构功能一体化曲面盖板7。

其中，结构功能一体化盒体5的实施方式与实施例1中结构功能一体化盒体5完全一致，在此不做赘述。需要注意的是，由于本实施例与实施例1中的结构功能一体化盒体5完全一致，因此采用同样的附图标记来表示本实施例中的结构功能一体化盒体，尽管附图标记相同，但是应当明确在不同的实施例中同样的标记在对应的实施例中所表示的部件，不应混淆。同理，针对印制板的描述也是如此。

结构功能一体化曲面盖板7包括曲面盖板结构71、第三三维共形电路72、第四电子器件73、第三电连接器74。

在本实施例中，曲面盖板结构71采用铝合金3D打印成形，第三三维共形电路72布置在曲面盖板结构凹面711内，主要包括第三绝缘介质层721和第三电路层722。第三绝缘介质层721采用3D打印方式在曲面盖板结构凹面711上增材制作而成，第三电路层722采用配备有高精度定位系统的五轴联动激光微熔覆和精密刻蚀设备在第三绝缘介质层721上加工而成，在制作多层第三三维共形电路72时需依次重复第三绝缘介质层721和第三电路层722的加工步骤，对于多层三维共形电路，第三绝缘介质层721上设置有互连通孔，不同第三电路层722之间通过这些互连通孔形成的金属化过孔或盲孔进行互连。

第四电子器件底部散热面731通过焊接方式安装在曲面盖板结构凹面711上，第四电子器件73和第三电连接器74的管脚焊接在第三三维共形电路72相应焊盘上，实现与第三三维共形电路72的连通。在本实施例中，第三电连接器74选用表贴弹性连接器。

印制电路板2包括电路板21、电子器件22、电连接装置23，其中电路板21为多层刚性印制板，电子器件22在电路板21正反两面布置。电连接装置23在电路板21正反面分别选用压接焊盘231和表贴矩形连接器232形式，其中压接焊盘231与结构功能一体化曲面盖板7上的第三电连接器74通过控制压合距离实现压接互连，其中矩形连接器232与结构功能一体化盒体5上的电连接器54实现对插互连。

如图10所示为传统的电子模块构型，如图11所示本发明提出的电子模块构型(图中为长方体外形，仅作为示例，其余外形同理)中高热器件的散热路径。无论对于那种构型来说，电子模块的盒体通常都是模块的热沉。

在传统电子模块构型里，电子器件布置在印制板电路上，其中高热器件的散热路径主要有两条：

器件底部散热：①器件发出的热量通过器件底部传导到印制板电路上；②经印制板电路水平传导扩散；③通过印制板电路与结构盒体相接触的区域传导到结构盒体上。

器件顶部散热：<1>器件发出的热量通过器件顶部传导到结构盒体或结构盖板的散热凸台上；<2>经结构盒体或结构盖板水平传导扩散；<3>通过结构盖板与结构盒体相接触的区域传导至结构盒体上(针对经结构盖板散热凸台进行散热的情形)。在器件顶部与散热凸台之间通常需要加装导热垫片，以降低该传热环节的接触热阻。

由于印制板电路的热导率非常低，其水平方向的热导率大约为30W/(m.K)左右，大约为电子模块结构常用金属材料热导率的1/5左右，散热能力较差。对于塑料封装的大功率器件(如DC-DC、电源等)来说，通常器件底部为主要的散热面，其顶部热阻非常大，散热效率极低。因此，综合分析得出，上述两条散热路径中，器件顶部的散热路径较短，且从发热部位到热沉之间不存在长距离的热不良导体，散热效率较高。但是对于底部散热的大功率器件，器件顶部较优的散热路径由于不是主散热面，所以不能散走大部分的热量；而器件底部作为主散热面，它的散热路径又较长，且从发热部位到热沉之间需要经过长距离的印制板电路这一热不良导体，散热效率较低。总的来说，传统的电子模块构型，对于底部散热的大功率高热器件来说，散热效率不高。

对于本发明提出的电子模块构型来说，底部散热的高热器件的散热路径得到较大程度的优化。主要变化为：将原有布置在印制电路板上的部分高热器件布置在结构功能一体化盒体或者结构功能一体化盖板上，这些器件底部的主散热面直接与盒体结构或盖板结构接触，在接触界面处采用焊接等方式降低接触热阻。

该种构型下，部分高热器件的散热路径大为改善，散热路径为：【1】器件发出的热量通过器件底部传导到盒体结构或盖板结构的散热凸台上；【2】经盒体结构或盖板结构水平传导扩散；【3】通过盖板结构与盒体结构相接触的区域传导到盒体结构上(针对高热器件安装在结构功能一体化盖板上的情形)。

分析可知，在新构型下对于底部散热的大功率器件，其底部主散热面的散热路径极大地缩短，且散热路径上不存在长距离的热不良导体，热阻极大减小，散热效果极大改善。

另外，根据模块具体功耗及使用情况，本发明提出的结构功能一体化的大功率电子模块内部可布置液冷流道，成为穿透式液冷电子模块，进一步提升散热效率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (9)

1.一种高密度集成的大功率电子模块，其特征在于，包括结构功能一体化的盒体与盖板、印制板电路，盒体中开设有凹腔，盒体凹腔底部与盖板结构内侧均布置有电气互联的电子器件与三维共形电路以及电连接器，盖板安装在盒体开设的凹腔上，在内部形成封闭腔体，印制板电路设置在腔体内，印制板电路分别与盖板和盒体上的电连接器电气互联。

2.根据权利要求1所述的高密度集成的大功率电子模块，其特征在于，三维共形电路包括绝缘介质层与电路层，绝缘介质层设置在电路层与盒体和/或盖板之间，用于介质分隔；电路层为实现电路功能的金属电路走线层，并于电连接器连接。

3.根据权利要求2所述的高密度集成的大功率电子模块，其特征在于，所述三维共形电路为单层电路，绝缘介质层与电路层依次布置在盒体凹腔或盖板表面；或，三维共形电路为多层电路，每层电路层之间以及电路层与盒体凹腔或盖板表面均设有一层绝缘介质层，电路层之间的绝缘层上设置有互联通孔，用于实现不同电路层的互联。

4.根据权利要求1或2所述的高密度集成的大功率电子模块，其特征在于，位于盒体内的电子器件底部主散热面直接与盒体凹腔接触，电子器件引脚焊接至盒体内的三维共形电路的电路层上；位于盖板上的电子器件底部主散热面直接与盖板接触，电子器件引脚焊接至盖板上的三维共形电路的电路层上。

5.根据权利要求4所述的高密度集成的大功率电子模块，其特征在于，所述印制板电路由电路板、电子器件以及电连接装置组成，电子器件与电连接装置均安装在电路板正反两面，其中一面的电连接装置与盒体内的电连接器电气互联，另一面的电连接装置与盖板上的电连接器电气互联。

6.根据权利要求5所述的高密度集成的大功率电子模块，其特征在于，所述盒体在上下两面均开设凹腔，每一凹腔内均对应布置有电子器件、三维共形电路以及电连接器；两块布置有电子器件、三维共形电路以及电连接器的盖板分别安装在凹腔上，每个凹腔内均设有印制板电路，分别与对应的盖板和凹腔内的电连接器电器互联。

7.根据权利要求1所述的高密度集成的大功率电子模块，其特征在于，所述三维共形电路与所在盖板或盒体凹腔的形状共形。

8.根据权利要求1所述的高密度集成的大功率电子模块，其特征在于，所述盒体与盖板均采用高导热的金属材料或导热性能良好的非金属材料制成。

9.根据权利要求1所述的高密度集成的大功率电子模块，其特征在于，所述盒体与盖板之间为平面、曲面或多平面拼接中其中一种构型。

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