CN207165544U - 一种设有双面散热装置的功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种设有双面散热装置的功率模块，包括功率模块和设置在功率模块下表面的散热装置以及设置在功率模块上表面的多个热管，散热装置上设有热管插入口，热管包括蒸发段，多个蒸发段在功率模块的上表面交错排布，蒸发段在功率模块的边缘处向下折弯形成连接段，连接段插入散热装置的热管插入口并固定。本实用新型采用散热装置与热管相结合进行双面散热，减小了功率模块的热阻，提高功率模块的散热效率，并且体积小、简化了散热结构，提升了散热效果，节省了成本，安装方便，且便于驱动PCB板的安装，减轻了重量。

Description

一种设有双面散热装置的功率模块

技术领域

本实用新型涉及电力电子功率模块，尤其是一种设有双面散热装置的功率模块。

背景技术

电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动汽车，光伏发电，风力发电，工业变频等行业。随着我国工业的崛起，电力电子功率模块有着更加广阔的市场前景。

现有电力电子功率模块封装体积大，重量重，不符合电动汽车、航空航天等领域的高功率密度、轻量化的要求。体积较大的电力电子功率模块，其寄生电感往往也比较大，这会造成过冲电压较大、损耗增加，而且也限制了在高开关频率场合的应用。SiC电力电子器件具有高频、高温、高效的特性，但现有功率模块的寄生电感较大，限制了SiC性能的发挥。随着应用端功率密度的不断升级，现有功率模块的封装结构已经阻碍了功率密度的进一步提升，必须开发出更加有效的散热结构才能满足功率密度日益增长的需求。

另外，现有的设有双面散热装置的功率模块结构往往需要在模块的上、下两侧加装散热装置，不仅散热结构复杂，而且成本高、体积大，安装也不方便，另外由于双面均安装有散热装置，驱动板的安装也比较困难。

实用新型内容

实用新型目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本实用新型旨在提供一种设有双面散热装置的功率模块。

技术方案：一种设有双面散热装置的功率模块，包括功率模块和设置在功率模块下表面的散热装置以及设置在功率模块上表面的多个热管，散热装置上设有热管插入口，热管包括蒸发段，蒸发段在功率模块的边缘处向下折弯形成连接段，连接段插入散热装置的热管插入口并固定。

进一步的，所述功率模块包括驱动端子，驱动端子连接有驱动板，所述驱动板和功率模块之间设有热管。

进一步的，所述功率模块还包括正极功率端子、负极功率端子、输出功率端子、顶部金属绝缘基板以及底部金属绝缘基板，所述顶部金属绝缘基板与底部金属绝缘基板叠层设置，顶部金属绝缘基板与底部金属绝缘基板之间设有芯片，正极功率端子、负极功率端子、输出功率端子均与芯片电连接。

进一步的，所述顶部金属绝缘基板和底部金属绝缘基板在二者相对的面上均烧结有芯片。

进一步的，还包括塑封外壳，所述热管的蒸发段烧结在顶部金属绝缘基板上；所述蒸发段被包裹在塑封外壳内；或者，所述蒸发段露在塑封外壳外部，且塑封外壳将顶部金属绝缘基板上表面的中间部分和底部金属绝缘基板下表面的中间部分裸露在外。

进一步的，所述输出功率端子包括焊接部和位于塑封外壳外侧的连接部，所述焊接部位于顶部金属绝缘基板上烧结的芯片与底部金属绝缘基板上烧结的芯片之间。

进一步的，所述底部金属绝缘基板下表面设有扰流结构，所述散热装置的上表面设有扰流孔，所述扰流结构通过扰流孔伸入散热装置内部并在扰流孔口处密封，在散热装置内部构成散热介质的换热通道。

进一步的，扰流结构为叉排的圆柱状pin-fin。

进一步的，正极功率端子与底部金属绝缘基板上的芯片电连接，负极功率端子与顶部金属绝缘基板上的芯片电连接；顶部金属绝缘基板上烧结的芯片为下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片，底部金属绝缘基板上烧结的芯片为上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片；其中，上半桥开关芯片与下半桥二极管芯片叠层设置，下半桥开关芯片与上半桥二极管芯片叠层设置。

进一步的，正极功率端子和负极功率端子与顶部金属绝缘基板和底部金属绝缘基板均电连接，所述顶部金属绝缘基板上烧结的芯片为下半桥二极管芯片和上半桥二极管芯片，底部金属绝缘基板上烧结的芯片为下半桥开关芯片和上半桥开关芯片，其中，下半桥二极管芯片与下半桥开关芯片叠层设置，上半桥二极管芯片与上半桥开关芯片叠层设置；

或者，顶部金属绝缘基板上烧结的芯片为上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片，底部金属绝缘基板上烧结的芯片为下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片，其中，上半桥开关芯片与下半桥二极管芯片叠层设置，上半桥二极管芯片与下半桥开关芯片叠层设置。

有益效果：本实用新型采用散热装置与热管相结合进行双面散热，减小了功率模块的热阻，提高功率模块的散热效率，并且体积小、简化了散热结构，提升了散热效果，节省了成本，安装方便，且便于驱动PCB板的安装。此外，顶部金属绝缘基板以及底部金属绝缘基板叠层设置，部分芯片之间存在堆叠关系，输出功率端子也作为层状结构烧结在正极金属绝缘基板与负极金属绝缘基板之间，可以大大降低回路寄生电感，减小了功率模块的体积，节约了成本，减轻了重量。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是散热装置示意图；

图3是一种散热方式示意图；

图4、图5、图6是实施例1的装配过程示意图；

图7是实施例1功率模块结构示意图；

图8是实施例2的结构示意图；

图9是实施例3的功率模块背面示意图；

图10是实施例3的扰流结构示意图；

图11是实施例3的流体方向示意图；

图12是实施例3的散热装置示意图；

图13是实施例4的功率模块结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本技术方案进行详细说明。

本实用新型提出了一种设有双面散热装置的功率模块及散热装置12，通过对设有双面散热装置的功率模块的项部金属层设计高热导热管13，及散热装置 12，可降低功率模块的热阻，减小散热装置12的体积，便于功率模块及驱动板 11安装，节省成本。

实施例1：

如图1所示，一种设有双面散热装置12的功率模块，包括功率模块、塑封外壳15、设置在功率模块下表面的散热装置12以及设置在功率模块上表面的多个热管13。

如图2所示，散热装置12上设有热管插入口121，热管13包括蒸发段131，蒸发段131的始端连接在功率模块上，本实施例中多个蒸发段131在功率模块的上表面交错排布，蒸发段131在功率模块的边缘处向下折弯形成连接段132，连接段132插入散热装置12的热管插入口121并固定，本实施例中连接段132包括其延伸出的冷凝段，冷凝段插入散热装置12的热管插入口121并固定；多个蒸发段131也可以采用平行但不交错的方式，即始端不连接在功率模块上，其主体烧结在功率模块的上表面，热管13的两端均在功率模块的边缘处向下折弯形成连接段132，连接段132插入散热装置12的热管插入口121并固定。

散热装置12与热管13冷端可以通过软钎焊进行连接，或者通过其它介质进行连接，或者通过过盈配合进行连接。热管13冷端可以直接与液体散热介质接触，此时需做好散热器与热管13连接孔的密封。

功率模块包括包括正极功率端子1、负极功率端子2、输出功率端子3、驱动端子10、顶部金属绝缘基板4以及底部金属绝缘基板5，所述顶部金属绝缘基板4与底部金属绝缘基板5叠层设置，为平行正对结构，本实施例中与负极功率端子2相连的金属绝缘基板为顶部金属绝缘基板4，与正极功率端子1相连的金属绝缘基板为底部金属绝缘基板5，也可以将顶部金属绝缘基板4组件与底部金属绝缘基板5组件位置对换，不影响本设计方案的效果。顶部金属绝缘基板4 和底部金属绝缘基板5在二者相对的面上均烧结有芯片，顶部金属绝缘基板4、底部金属绝缘基板5以及输出功率端子3均与芯片电连接。驱动端子10连接有驱动板11，驱动板11通过导热性能良好的粘结胶固定在设有双面散热装置的功率模块上表面，驱动板11和功率模块之间设有热管13。

输出功率端子3包括焊接部31和位于塑封外壳15外侧的连接部32，所述焊接部31位于顶部金属绝缘基板4上烧结的芯片与底部金属绝缘基板5上烧结的芯片之间。

如图3所示，散热装置12可以采用水冷、风冷或其他本领域常用的散热方式，本实施例中的散热装置12为风冷散热装置，热管13的冷端插入风冷散热器中。

如图4、图5、图6所示是本实施例中功率模块与热管13的装配部分流程，通过软钎焊的方式将热管13的一端焊接在功率模块内部顶部金属绝缘基板4的外表面；然后对模块进行注塑封装，再将完成注塑模块外部的热管13向底部金属绝缘基板5的方向进行折弯，本实施例中热管13的蒸发段131被包裹在塑封外壳15内，此时，塑封外壳15仅将底部金属绝缘基板5下表面的中间部分裸露在外，为了方便与其底部的散热装置接触散热，而并未将顶部金属绝缘基板4 上表面的中间部分裸露在外。

此时，功率芯片的热量通过顶部金属绝缘基板4传导到热管13的蒸发段131，热管13内部的填充介质由液相变为汽相，汽相散热介质到达热管13冷端后，又重新变为液相，并在毛细管虹吸的作用下到达蒸发段131，不断循环，实现了将模块顶部的热量传导至冷端的目的。为了减小热管13蒸发段131与顶部金属绝缘基板4的热阻，将蒸发段131通过软钎焊焊接在功率模块顶部金属上。为进一步优化散热效果，热管13的排列分为交错双向排列。

功率模块的驱动板11上有些元件在工作过程中也会产生大量热量，如果不及时散热，同样存在元件烧毁的风险。本实用新型功率模块由于在顶部金属绝缘基板4上布置有高导热的热管13，驱动板11可以通过散热介质与热管13接触，此时驱动板11的热量也可以通过热管13传导至散热器，进一步提高了系统的可靠性。

此外，如图7所示，本实施例中，正极功率端子1与底部金属绝缘基板5 上的芯片电连接，负极功率端子2与顶部金属绝缘基板4上的芯片电连接；顶部金属绝缘基板4上烧结的芯片为下半桥开关芯片8和下半桥二极管芯片9，底部金属绝缘基板5上烧结的芯片为上半桥开关芯片6和上半桥二极管芯片7；其中，上半桥开关芯片6与下半桥二极管芯片9叠层设置，下半桥开关芯片8与上半桥二极管芯片7叠层设置。具体的：底部金属绝缘基板5上设置有上半桥开关芯片 6，输出功率端子3的焊接部31烧结在上半桥功率芯片的上表面，在输出功率端子3上烧结有下半桥二极管芯片9，上半桥开关芯片6与下半桥二极管芯片9叠层设置，下半桥二极管芯片9位于上半桥开关芯片6的上方，下半桥二极管的上表面烧结有顶部金属绝缘基板4；同理，底部金属绝缘基板5上还设置有上半桥二极管芯片7，输出功率端子3的焊接部31在面向底部金属绝缘基板5的一面与上半桥开关芯片6和上半桥二极管芯片7烧结，在面向顶部金属绝缘基板4 的一面与下半桥开关芯片8和下半桥二极管芯片9烧结。具体的，输出功率端子 3的接部31烧结在上半桥二极管芯片7的上表面，在输出功率端子3上还烧结有下半桥开关芯片8，下半桥开关芯片8与上半桥二极管芯片7叠层设置，下半桥开关芯片8位于上半桥二极管芯片7的上方，下半桥开关芯片8上表面也烧结有顶部金属绝缘基板4。

本实施例中所述的烧结具体为通过焊接层14烧结，由于开关芯片为硅或碳化硅材料通过电镀或者溅射或者蒸发有上表面下表面钛镍银金属的结构，因此焊接层14可以是锡铅等钎焊料通过烧结形成的焊接层14，也可以是银浆通过烧结形成的焊接层14。

本实施例中顶部金属绝缘基板4与底部金属绝缘基板5所采用的金属绝缘基板均为DBC，即顶部金属绝缘基板4包括绝缘基板和基板两侧的金属层，面向底部金属绝缘基板5的一面上安装了芯片，未安装芯片的另一面则为顶部金属绝缘基板背面金属层41，同理，底部金属绝缘基板5也有相同的结构，未安装芯片一面为底部金属绝缘基板背面金属层51；本领域技术人员在实施时也可不采用DBC结构，也可以采用绝缘基板两侧覆铝，或者一侧覆铜一侧覆铝等金属覆盖在绝缘介质两侧的结构；塑封外壳15为传递模一体化成型工艺制作，即借助塑封压机将融化的热固性塑料注入到模腔内，模腔内放置有经过烧结的功率模块半成品，融化的热固性塑料达到固化温度后会快速固化成型，形成本实用新型设计方案所示的塑封外壳15。

负极功率端子2烧结在顶部金属绝缘基板4金属层表面，顶部金属绝缘基板 4上设有顶部金属绝缘基板表面金属层、第一上半桥驱动局部金属层和第二上半桥驱动局部金属层，所述顶部金属绝缘基板表面金属层上烧结有下半桥开关芯片 8和下半桥二极管芯片9，第一上半桥驱动局部金属层和第二上半桥驱动局部金属层分别连有一个上半桥驱动端子101，上半桥开关芯片6的门极通过金属连接块与所述第一上半桥驱动局部金属层电连接，输出功率端子3上设有的金属连接块与第二上半桥驱动局部金属层电连接。

所述顶部金属绝缘基板4上还设有下半桥驱动局部金属层，下半桥驱动局部金属层与所述下半桥开关芯片8的门极相连，下半桥驱动局部金属层的另一端连接有一个下半桥驱动端子102，所述顶部金属绝缘层的表面金属层也连接有一个下半桥驱动端子102。

实施例2：

本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：

如图8所示，顶部金属绝缘基板4的上表面烧结有交错排布的热管13，热外的冷端向底部金属绝缘基板5的方向折弯，并插入散热装置12内部。驱动板 11与驱动端子10连接，并通过高热导的粘结材料固定在热管13的另一表面，达到驱动芯片散热的目的。此时，塑封外壳15将顶部金属绝缘基板4上表面的中间部分和底部金属绝缘基板5下表面的中间部分裸露在外，顶部金属绝缘基板 4上表面的中间部分和底部金属绝缘基板5下表面的中间部分均高出塑封外壳15，便于与散热装置12的接触；热管13的蒸发段131烧结在顶部金属绝缘基板4 上，蒸发段131露在塑封外壳15外部。

实施例3：

本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：

如图9、图10、图11所示，本实施例在底部金属绝缘基板5下表面的中间部分烧结有扰流结构52，流体直接与扰流结构52接触，达到更好的散热效果。本实施例中的扰流结构52为叉排的圆柱状pin-fin，本实用新型中所述的pin-fin，本领域技术人员可毫无疑义的确认，其指的是一种扰流换热结构，翻译为“钉状翅片、针肋”，通过焊料烧结在底部金属绝缘基板5的下表面，流体流动向方向的pin-fin呈交叉排布，增加了流体的扰动性，增强了流体与pin-fin的换热效果。

如图12所示，散热装置12的上表面设有扰流孔122，所述扰流结构52通过扰流孔122伸入散热装置12内部并在扰流孔122口处密封，在散热装置12 内部构成散热介质的换热通道。

扰流结构52不限于圆柱状pin-fin，横截面可也以是菱性、方形，或者是肋条状结构等形式。pin-fin的材料一般为铜材，并在表面镀有其它金属，通过在底部金属绝缘基板5的下表面印刷焊膏，并利用工装夹具，将pin-fin烧结在底部金属绝缘基板5的下表面，功率模块内部产生的热量通过底部金属绝缘基板5 传导至pin-fin，而pin-fin直接与流体接触，去除了底部金属绝缘基板5下表面金属层平板结构的导热硅脂，增加了功率模块的散热面积，减小了功率模块的热阻。

实施例4：

本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：

如图13所示，正极功率端子1和负极功率端子2与顶部金属绝缘基板4和底部金属绝缘基板5均电连接，具体的，正极功率端子1和负极功率端子2均烧结在顶部金属绝缘基板4上，并与底部金属绝缘基板5通过金属连接柱相连；

或者，正极功率端子1和负极功率端子2均烧结在底部金属绝缘基板5上，并与顶部金属绝缘基板4通过金属连接柱相连；或者，正极功率端子1和负极功率端子2与顶部金属绝缘基板4和底部金属绝缘基板5均烧结。

所述顶部金属绝缘基板4上烧结的芯片为下半桥二极管芯片9和上半桥二极管芯片7，底部金属绝缘基板5上烧结的芯片为下半桥开关芯片8和上半桥开关芯片6，其中，下半桥二极管芯片9与下半桥开关芯片8叠层设置，上半桥二极管芯片7与上半桥开关芯片6叠层设置；

顶部金属绝缘基板4包括与正极功率端子1通过烧结的方式实现电连接的顶部金属绝缘基板4正极金属层、与负极功率端子2通过烧结的方式实现电连接的顶部金属绝缘基板4负极金属层、与输出功率端子3和一个上半桥驱动端子101 电连接的上半桥开关芯片6发射极/源极局部金属层，以及与另一个上半桥驱动端子101电连接的上半桥开关芯片6门极局部金属层；

顶部金属绝缘基板4正极金属层的表面烧结有上半桥二极管芯片7，并且与上半桥二极管芯片7的负极相对，顶部金属绝缘基板4负极金属层的表面烧结有下半桥二极管芯片9，并且与下半桥二极管芯片9的正极相对，上半桥开关芯片 6门极局部金属层与上半桥开关芯片6的门极电连接。

底部金属绝缘基板5包括与正极功率端子1通过烧结或超声波金属焊接的方式实现电连接的底部金属绝缘基板5正极金属层、与负极功率端子2及一个下半桥驱动端子102电连接的底部金属绝缘基板5负极金属层，以及与另一个下半桥驱动端子102电连接的下半桥开关芯片8门极局部金属层；正极功率端子1、负极功率端子2均可通过烧结或超声波金属焊接的方式分别连接至底部金属绝缘基板5正极金属层和底部金属绝缘基板5负极金属层；

底部金属绝缘基板5正极金属层的表面烧结有上半桥开关芯片6，并与上半桥开关芯片6的集电极或漏极正对，底部金属绝缘基板5负极金属层表面烧结有下半桥开关芯片8，并与下半桥开关芯片8的发射极正对；下半桥开关芯片8门极局部金属层通过烧结的方式与下半桥开关芯片8的门极电连接。

实施例5：

本实施例与实施例4的结构基本相同，不同之处在于：

顶部金属绝缘基板4上烧结的芯片为上半桥开关芯片6和上半桥二极管芯片 7，底部金属绝缘基板5上烧结的芯片为下半桥开关芯片8和下半桥二极管芯片 9，其中，上半桥开关芯片6与下半桥二极管芯片9叠层设置，上半桥二极管芯片7与下半桥开关芯片8叠层设置。

实施例6：

本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：

顶部金属绝缘基板4与底部金属绝缘基板5叠层设置，顶部金属绝缘基板4 与底部金属绝缘基板5之间设有芯片，本实施例中的芯片只设置在顶部金属绝缘基板4、底部金属绝缘基板5其中的一个基板上，此处设置两个基板仅是为了方便散热，正极功率端子1、负极功率端子2、输出功率端子3均与芯片电连接；正极功率端子1、负极功率端子2、输出功率端子3和驱动端子10从顶部金属绝缘基板4与底部金属绝缘基板5之间引出。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，包括功率模块和设置在功率模块下表面的散热装置(12)以及设置在功率模块上表面的多个热管(13)，散热装置(12)上设有热管插入口(121)，热管(13)包括蒸发段(131)，蒸发段(131)在功率模块的边缘处向下折弯形成连接段(132)，连接段(132)插入散热装置(12)的热管插入口(121)并固定。

2.根据权利要求1所述的一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，所述功率模块包括驱动端子(10)，驱动端子(10)连接有驱动板(11)，所述驱动板(11)和功率模块之间设有热管(13)。

3.根据权利要求1所述的一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括正极功率端子(1)、负极功率端子(2)、输出功率端子(3)、顶部金属绝缘基板(4)以及底部金属绝缘基板(5)，所述顶部金属绝缘基板(4)与底部金属绝缘基板(5)叠层设置，顶部金属绝缘基板(4)与底部金属绝缘基板(5)之间设有芯片，正极功率端子(1)、负极功率端子(2)、输出功率端子(3)均与芯片电连接。

4.根据权利要求3所述的一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，所述顶部金属绝缘基板(4)和底部金属绝缘基板(5)在二者相对的面上均烧结有芯片。

5.根据权利要求4所述的一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，还包括塑封外壳(15)，所述热管(13)的蒸发段(131)烧结在顶部金属绝缘基板(4)上；所述蒸发段(131)被包裹在塑封外壳(15)内；或者，所述蒸发段(131)露在塑封外壳(15)外部，且塑封外壳(15)将顶部金属绝缘基板(4)上表面的中间部分和底部金属绝缘基板(5)下表面的中间部分裸露在外。

6.根据权利要求4所述的一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，所述输出功率端子(3)包括焊接部(31)和位于塑封外壳(15)外侧的连接部(32)，所述焊接部(31)位于顶部金属绝缘基板(4)上烧结的芯片与底部金属绝缘基板(5)上烧结的芯片之间。

7.根据权利要求4所述的一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，所述底部金属绝缘基板(5)下表面设有扰流结构(52)，所述散热装置(12)的上表面设有扰流孔(122)，所述扰流结构(52)通过扰流孔(122)伸入散热装置(12)内部并在扰流孔(122)口处密封，在散热装置(12)内部构成散热介质的换热通道。

8.根据权利要求7所述的一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，所述扰流结构(52)为叉排的圆柱状pin-fin。

9.根据权利要求4所述的一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，所述正极功率端子(1)与底部金属绝缘基板(5)上的芯片电连接，负极功率端子(2)与顶部金属绝缘基板(4)上的芯片电连接；顶部金属绝缘基板(4)上烧结的芯片为下半桥开关芯片(8)和下半桥二极管芯片(9)，底部金属绝缘基板(5)上烧结的芯片为上半桥开关芯片(6)和上半桥二极管芯片(7)；其中，上半桥开关芯片(6)与下半桥二极管芯片(9)叠层设置，下半桥开关芯片(8)与上半桥二极管芯片(7)叠层设置。

10.根据权利要求4所述的一种设有双面散热装置的功率模块，其特征在于，所述正极功率端子(1)和负极功率端子(2)与顶部金属绝缘基板(4)和底部金属绝缘基板(5)均电连接，所述顶部金属绝缘基板(4)上烧结的芯片为下半桥二极管芯片(9)和上半桥二极管芯片(7)，底部金属绝缘基板(5)上烧结的芯片为下半桥开关芯片(8)和上半桥开关芯片(6)，其中，下半桥二极管芯片(9)与下半桥开关芯片(8)叠层设置，上半桥二极管芯片(7)与上半桥开关芯片(6)叠层设置；

或者，顶部金属绝缘基板(4)上烧结的芯片为上半桥开关芯片(6)和上半桥二极管芯片(7)，底部金属绝缘基板(5)上烧结的芯片为下半桥开关芯片(8)和下半桥二极管芯片(9)，其中，上半桥开关芯片(6)与下半桥二极管芯片(9)叠层设置，上半桥二极管芯片(7)与下半桥开关芯片(8)叠层设置。