CN118263199A - 功率模块以及包括其的逆变器和机电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了功率模块以及包括其的逆变器和机电装置。所述功率模块包括：具有电路层的基板；电子器件，其与所述电路层上的电路电连接；以及散热器，其设置有腔体和通向所述腔体内部空间的开口，所述腔体内布置有具有热界面材料的中间层，所述电子器件的一部分经由所述开口容纳于所述腔体内并与所述中间层接触，形成从所述电子器件经由所述中间层至所述散热器的传热路径。本功率模块具有突出的散热性能和减振性能，能够有效提升系统工作性能。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，并且尤其涉及功率模块以及包括其的逆变器和机电装置。
背景技术
随着电子科技发展，在许多装置中已经使用了大量的电子器件，这些电子器件在工作期间常会产生一定的热能。特别是，当电子电子器件具有相对较大功率或者设置数量较多的情况下，有时甚至可能产生并积累相当多的热能。为了避免这些装置及其电子器件在过高温度环境下工作而带来性能问题，现有技术提供了很多技术手段对此进行散热处理。
举例而言，功率模块(Power Module)是将功率电力电子器件按照一定的功能需求组合后封装形成一个模块，通常可采用焊接或烧结等方式将这些器件设置在功率模块的电路基板上，同时为功率模块配置使用由诸如铜、铝等制成的散热器，由于铜、铝等纯金属材料具有较好的导热性能，因此可以对功率模块起到散热降温处理效果。此外，在一些应用情况下，还可能结合采用例如图1中所示的方式，通过增设硅胶材料层3用来促进散热和降温。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了功率模块以及包括其的逆变器和机电装置，从而可以解决或至少缓解现有技术中存在的上述问题和其他方面的问题中的一个或多个，或者可以为现有技术提供可替换的技术方案。
首先，根据本发明的第一方面，提供了一种功率模块，包括：
具有电路层的基板；
电子器件，其与所述电路层上的电路电连接；以及
散热器，其设置有腔体和通向所述腔体内部空间的开口，所述腔体内布置有具有热界面材料的中间层，所述电子器件的一部分经由所述开口容纳于所述腔体内并与所述中间层接触，形成从所述电子器件经由所述中间层至所述散热器的传热路径。
在根据本发明的功率模块中，可选地，所述电子器件具有彼此相对的第一端和第二端，所述第一端与所述电路层上的电路电连接，所述第二端浸入所述中间层中。
在根据本发明的功率模块中，可选地，所述第二端浸入所述中间层中的厚度不小于0.1mm，并且/或者所述电子器件的侧部外表面与所述腔体的内侧壁之间的距离范围为1.5-20mm。
在根据本发明的功率模块中，可选地，所述中间层和所述腔体之间布置有电绝缘层，并且/或者所述开口设置成朝向所述基板，并且所述中间层设置成与所述基板基本上平行。
在根据本发明的功率模块中，可选地，所述腔体的深度范围为1.5-2mm，并且/或者所述中间层的厚度范围为0.5-1.0mm。
在根据本发明的功率模块中，可选地，所述腔体的内表面和/或外表面设置有散热鳍片，所述中间层至少部分地覆盖位于所述腔体的内表面的散热鳍片，并且/或者所述电子器件通过烧结、键合或焊接方式贴装在所述电路层上。
在根据本发明的功率模块中，可选地，所述电路层设置有电源接口、输入接口和输出接口，所述功率模块经由所述电源接口与输入电源相连，并且经由所述输入接口接收输入信号并经过设置在所述基板上的控制单元和所述电子器件处理后形成输出信号，所述输出信号经由所述输出接口向外输出；并且/或者，所述电路层设置成单层或多层。
在根据本发明的功率模块中，可选地，所述电子器件包括场效应晶体管(FET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，所述控制单元和所述电子器件设置成根据所述输入信号将所述输入电源变换处理成从所述输出接口向外输出的输出电压信号。
此外，根据本发明的第二方面，还提供了一种逆变器，其包括如以上任一项所述的功率模块，所述功率模块设置有多个绝缘栅双极型晶体管，所述多个绝缘栅双极型晶体管电连接用于控制所述逆变器进行从直流电压到交流电压的转换、或者从交流电压到直流电压的转换。
另外，根据本发明的第三方面，进一步提供了一种机电装置，其包括：
如以上任一项所述的功率模块；以及
工作部件，所述工作部件与所述功率模块的输出接口电连接，用以接收来自于所述输出接口的输出信号而工作。
本发明通过在功率模块中创新性地布置并利用热界面材料，不仅可以获得突出的散热降温功能，而且还尤其能够实现显著的阻尼减振效果，这将非常有利于促进功率模块的高功率密度优化设计，提高系统集成度和工作稳定可靠性。本功率模块具有应用范围广、性能突出并且易于实施等优点，非常适合在众多类型的机电设备中配置使用。
附图说明
图1是一个现有技术中的功率模块实施例的组成示意图。
图2是一个根据本发明的功率模块实施例的组成示意图。
图3是一个根据本发明的逆变器实施例的组成示意图，其中同时示出了与逆变器相连的工作部件。
具体实施方式
本发明首先提供了一种功率模块，它与现有的功率模块产品相比具有突出的工作稳定可靠性，特别是散热性能和抗振性能等。参考图2，在图中示意性地展示出了一个本发明的功率模块实施例的大致构成情况，其中功率模块100设置有基板11、电子器件12、中间层13和散热器14，下面就结合该实施例对本发明方案进行详细介绍。
如图2所示，在功率模块100中，基板11是作为电子元器件进行电子线路连接的支撑载体，它通过其中的电路层提供电子线路用来电连接符合具体应用所需的电子元器件，例如电容、场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管等电子器件12，比如MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)等半导体器件。为了简化图面起见，在图2中仅简单绘示了一个电子器件12用作示范性阐释。此类电子元器件可通过诸如烧结(如银烧结)、键合或者焊接等任何可行的工艺方式贴装到基板11上并与电路层上的电路形成电连接，在图2中示范性展示出了可将电子器件12上的管脚120焊接到基板11上与电路层形成电连接。
基板11上的电路层可以按需设置单层、两层或更多层的电子线路，并且它可以具有任何可能的、甚至复杂的电子线路布局，这可以通过使用例如铜等导电性材料并通过蚀刻、激光烧刻等加工工艺来制成。在一个或一些实施方式下，可以使用单层或多层印刷电路板(PCB)来非常方便地实现上以上描述的具有电路层的基板11。
如图2所示，可以将散热器14构造成具有腔体141和开口142，经由开口142可以进入到腔体141的内部空间。在散热器14的腔体141的内部，本发明创新性地布置应用了具有热界面材料(Thermal Interface Material)的中间层13，例如将中间层全部地或者部分地由热界面材料构成并涂覆在腔体141内的适宜位置处，并使得电子器件12的一部分经由开口142放置到腔体141的内部空间并且与中间层13之间形成接触，从而构建成从电子器件12经由中间层13到达散热器14的传热路径，以便用来对电子器件12和基板11等进行散热降温处理。
由于热界面材料(如采用TC4525等)具有相当优异的热传导性能，因此一方面能够明显改善在现有功率模块产品的散热器中惯常使用的优良纯金属导热材料(如铜、铝)的导热性能，从而带来更加优异的散热降温效果；另一方面，与图1所示的此类现有功率模块产品相比较，尽管在该示例中的散热器4和通过管脚21与电路板1相连的电子器件12之间布置有硅胶材料层3用于促进散热，然而它在具体功能实现和技术效果等方面与本功率模块中的中间层13存在着显著差异。
具体来讲，正如图1所示，本领域技术人员总习惯于将此类硅胶材料自由地涂覆在电子器件12和散热器4的对应接触面上，即在不对硅胶材料的运动边界进行限制的情况下，然后施加一定压力来促使在它们之间充分的接触贴合，这是因为业界普遍认为以此方式将有利于在它们的接触面之间形成均匀的结合以填补其间可能的缝隙，从而获得更佳的接触贴合效果来增强散热。
对此，本发明方案破除了以上固化认识进而采用反其道方式，通过利用腔体141的内部空间边界，用来对构成中间层的热界面材料在受到外力作用后的运动边界进行限制，例如在一些应用场合下可以将电子器件12可选地布置成使得它的侧部外表面123与腔体141的内侧壁143之间的距离范围为1.5-20mm(如1.5mm、3mm、5mm、10mm、12mm、15mm、18mm、20mm等)，从而可促使该中间层由于运动受限而能沿着与其接触的电子器件12的这部分外形轮廓运动并形成具有一定厚度且达到将其包裹住的效果，例如厚度可以可选地达到0.5-1.0mm(如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm等)或者符合具体应用所需的其他适宜数值。如此，不仅能够基于热界面材料本身的优异散热特性而使得电子器件12在散热降温方面获得益处，有利地促使传热速度更快、散热效率更高，而且还尤其能够利用中间层的厚度对于电子器件12的一部分的上述包裹作用，对于电子器件12起到明显的阻尼减振效果，这一方面是现有技术没有考虑到，甚至完全忽视的。
因此，与现有的功率模块产品对比，本功率模块不仅具有相当优异的散热性能，而且能够显著改进和提升抗振性能，这非常保证电子器件的工作稳定可靠性，有利于提高系统整体集成度，从而允许设计并实现相对更复杂的电子线路和元器件，提供更加先进和丰富的功能应用。
根据本发明方案，在具体应用时可以对散热器14进行任何可行的优化设计，它们可以根据需要单独地或者结合起来实施。举例而言，例如可以将散热器14的开口142设置成朝向基板11，同时将中间层13设置在腔体141内并且基本上平行于基板11，以便可以将电子器件12更紧凑、高效地布置就位并促进实现散热降温、阻尼减振等积极效果。如图2所示，可以将导体器件12的一个端部121与基板11上的电路层进行电连接，并将另一个端部122的一部分浸入到中间层13中，例如将浸入厚度控制为不小于0.1mm或者任何其他的适宜值，以便更好地在热传导、机械减振等方面获得综合收益。
此外，由于电子器件常构造成具有圆柱形或矩形外型，因此与图1中采用的将电子器件2的圆柱形或矩形外型侧向布置方式相比，使用如图2中所示的上述端部布置方式，也更有利于电子器件在装配布置后在系统中具有极佳的稳固性，保证能够长期稳定可靠地工作，同时避免由于位置松动或脱离等原因而对周围的其他零部件造成干涉和影响。
再举例来讲，腔体141以及开口142的具体大小、形状构造等均可以按需进行设置，例如在一个或一些实施方式下，可以将腔体构造成其深度范围为1.5-2mm，当然在另外的实施方式下也可将腔体构造成具有其他的适宜尺寸的深度，以便充分匹配对于中间层13的设计需求、散热器的功能要求、功率模块的整体布局等。
此外，在一个或一些实施方式下，可以将散热器14构造成具有散热鳍片用来促进功率模块的散热降温处理，例如可将散热鳍片单独设置在腔体的内表面或外表面上，或者同时设置在这些内外表面上。当将散热鳍片设置在腔体的内表面上时，散热鳍片当中的至少一部分可以与以上讨论的中间层进行接触，即可以被中间层可选地完全或部分地覆盖，从而促进热交换过程能够更加充分、均匀地进行。应当理解，可以将散热鳍片设置成例如针形、波形等任何合适的构型。
另外，作为可选情形，可考虑在中间层13和散热器14的腔体内表面144之间设置电绝缘层，从而能起到更佳的绝缘保护效果，由此充分满足一些应用需要。此类电绝缘层可采用诸如涂覆电绝缘材料、布置由电绝缘材料构成的片状部件等任何可行方式来实施，此类绝缘材料可以包括但不限于例如氮化物材料、SiO2、Al2O3、TiO2或者它们的任意组合等。
需要说明的是，可以在功率模块100的基板11上设置诸如电源接口、输入接口、输出接口等各种可能接口(未示出)，例如可通过电源接口和输入接口分别将来自于功率模块100之外的输入电源和输入信号引入到该功率模块100中。在图1中示例性地展示出了电源接口可以通过例如柔性导电体与诸如直流电连接器等元器件进行电连接，该直流电连接器可通过例如柔性导电体与诸如电磁过滤器(其可以具有PCB控制板用于电磁过滤控制处理)等元器件进行连接；然后，通过设置在基板11上用于逻辑和/或功率控制等的控制单元和电子器件12，用来对输入信号进行处理从而形成输出信号，再将该输出信号经由输出接口向外输出以提供给所需要的应用。
举例而言，例如当将电子器件12选择设置为场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管时，可以通过此类电子器件和上述控制单元用来根据输入信号将输入电源变换处理成相应的输出电压信号，这样的输出电压信号可向外提供给工作部件300，或者将上述输出电压信号用于诸如逆变器等元器件，以便用来根据应用需要实现从直流电压转换成交流电压，或者与之相反地从交流电压转换成直流电压的电压变换处理。
应当理解，以上关于功率模块100中这些组成部分的描述只是用于示例性说明目的，例如关于基板11、电路层、电子器件12、散热器14等具体构造、配置数量、布局位置等情况，可以根据不同实施场合来进行设置，本发明对此不做出任何的具体限制。
另外，根据本发明的技术方案，还提供了一种逆变器。可以在该逆变器中设置根据本发明的功率模块，并且在功率模块中设置多个IGBT，通过将这些IGBT彼此进行电连接，可以用来控制逆变器实现将直流电压转换成交流电压，或者实现从交流电压到直流电压的电压变换操作。
对此，在图3中示范性地给出了一种逆变器实施例框图，在图中除了由IGBT组成的IGBT功率模块部分之外，省略了逆变器200中的其他部分以便简化图面。如图3所示，通过将例如六个IGBT以两两为一组形成三相桥臂，从而将它们电连接形成IGBT功率模块，用来控制逆变器200进行交直流电压之间的转换，经过该逆变器200转换处理后的输出电压可提供给工作部件300(如电机等)使其工作运行。
此外，根据本发明的设计思想，还提供了一种机电装置。在该机电装置中，可以设置工作部件和根据本发明的功率模块，该工作部件与功率模块的输出接口形成电连接，以便在接收来自于该输出接口的输出信号进行工作运行。
如前所述，由于根据本发明的功率模块具有相当突出的工作稳定性，特别是兼具散热降温和减振效果等的综合性能，因此非常有利于促进功率模块和工作部件一起长期地稳定工作运行，并且适应于更多的应用场合(例如处于可能面对较多振动的工作环境)，保证机电装置具有长期的优良工作性能。应当理解，根据本发明的机电装置具有广泛类型，例如可以包括但不限于例如各类电机、压缩机、液压装置等。
Claims (10)
1.一种功率模块(100)，其特征在于，包括：
具有电路层的基板(11)；
电子器件(12)，其与所述电路层上的电路电连接；以及
散热器(14)，其设置有腔体(141)和通向所述腔体(141)内部空间的开口(142)，所述腔体(141)内布置有具有热界面材料的中间层(13)，所述电子器件(12)的一部分经由所述开口(142)容纳于所述腔体(141)内并与所述中间层(13)接触，形成从所述电子器件(12)经由所述中间层(13)至所述散热器(14)的传热路径。
2.根据权利要求1所述的功率模块(100)，其中，所述电子器件(12)具有彼此相对的第一端(121)和第二端(122)，所述第一端(121)与所述电路层上的电路电连接，所述第二端(122)的一部分浸入所述中间层(13)中。
3.根据权利要求2所述的功率模块(100)，其中，所述第二端(122)浸入所述中间层(13)中的厚度不小于0.1mm，并且/或者所述电子器件(12)的侧部外表面(123)与所述腔体(141)的内侧壁(143)之间的距离范围为1.5-20mm。
4.根据权利要求1所述的功率模块(100)，其中，所述中间层(13)和所述腔体(141)之间布置有电绝缘层，并且/或者所述开口(142)设置成朝向所述基板(11)，并且所述中间层(13)设置成与所述基板(11)基本上平行。
5.根据权利要求1所述的功率模块(100)，其中，所述腔体(141)的深度范围为1.5-2mm，并且/或者所述中间层(13)的厚度范围为0.5-1.0mm。
6.根据权利要求1所述的功率模块(100)，其中，所述腔体(141)的内表面和/或外表面设置有散热鳍片，所述中间层(13)至少部分地覆盖位于所述腔体(141)的内表面的散热鳍片，并且/或者所述电子器件(12)通过烧结、键合或焊接方式贴装在所述电路层上。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的功率模块(100)，其中，所述电路层设置有电源接口、输入接口和输出接口，所述功率模块(100)经由所述电源接口与输入电源相连，并且经由所述输入接口接收输入信号并经过设置在所述基板(11)上的控制单元和所述电子器件(12)处理后形成输出信号，所述输出信号经由所述输出接口向外输出；并且/或者，所述电路层设置成单层或多层。
8.根据权利要求7所述的功率模块(100)，其中，所述电子器件(12)包括场效应晶体管(FET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，所述控制单元和所述电子器件(12)设置成根据所述输入信号将所述输入电源变换处理成从所述输出接口向外输出的输出电压信号。
9.一种逆变器(200)，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的功率模块(100)，所述功率模块(100)设置有多个绝缘栅双极型晶体管，所述多个绝缘栅双极型晶体管电连接用于控制所述逆变器(200)进行从直流电压到交流电压的转换、或者从交流电压到直流电压的转换。
10.一种机电装置，其特征在于，包括：
如权利要求1-8中任一项所述的功率模块(100)；以及
工作部件(300)，所述工作部件(300)与所述功率模块(100)的输出接口电连接，用以接收来自于所述输出接口的输出信号而工作。
Priority Applications (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication |