CN210129504U - 智能功率模块及空调器 - Google Patents

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CN210129504U CN201921489592.2U CN201921489592U CN210129504U CN 210129504 U CN210129504 U CN 210129504U CN 201921489592 U CN201921489592 U CN 201921489592U CN 210129504 U CN210129504 U CN 210129504U
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张土明
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苏宇泉
马博斌
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Abstract

本实用新型公开一种智能功率模块及空调器，智能功率模块包括：安装基板，安装基板具有相对设置的第一表面和第二表面；电路布线层，设置于安装基板的第一表面，电路布线层具有自安装基板宽度方向设置的第一安装区和第二安装区；散热片，设置于第一安装区内；功率器件，设置于散热片上；驱动器件，驱动器件设置于第二安装区内，驱动器件和功率器件通过引线连接。本实用新型解决了因率功率器件产生的热量导致驱动芯片的工作温度过高，而导致驱动芯片发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。

Description

智能功率模块及空调器
技术领域
本实用新型涉及电子电路技术领域，特别涉及一种智能功率模块及空调器。
背景技术
智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块的工作电流较大且温度较高，在高温的状态下，会使所述智能功率模块内部温度升高，若不及时散热，则容易损坏集成于内部的器件。
实用新型内容
本实用新型的主要目的是提出一种智能功率模块及空调器，旨在解决因率功率器件产生的热量导致驱动芯片的工作温度过高，而导致驱动芯片发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。
为实现上述目的，本实用新型提出一种智能功率模块，所述智能功率模块包括：
安装基板，所述安装基板具有相对设置的第一表面和第二表面；
电路布线层，设置于所述安装基板的第一表面，所述电路布线层具有自所述安装基板宽度方向设置的第一安装区和第二安装区；
散热片，设置于所述第一安装区内；
功率器件，设置于所述散热片上；
驱动器件，所述驱动器件设置于所述第二安装区内，所述驱动器件和功率器件通过引线连接。
可选地，所述第一安装区包括第一子安装区和第二子安装区；
所述功率器件包括三相上桥臂功率管和三相下桥臂功率管，三相所述上桥臂功率管设置于所述第一子安装区，三相所述下桥臂功率管设置于所述第二子安装区。
可选地，所述散热片包括第一散热片和第二散热片；
至少一个所述上桥臂功率管设置于所述第一散热片上；
至少一个所述下桥臂功率管设置于所述第二散热片上。
可选地，所述散热片包括第一散热片和多个第二散热片；
三相所述上桥臂功率管设置于所述第一散热片上；
每一所述第二散热片上设置有一个所述上桥臂开关管。
可选地，所述散热片包括多个第一散热片和多个第二散热片；
每一所述第一散热片上设置有一个所述上桥臂开关管；
每一所述第二散热片上设置有一个所述上桥臂开关管。
可选地，所述功率器件为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。
可选地，所述散热片包括铜基板及包覆于所述铜基板表面的银镀层。
可选地，所述散热片的厚度及尺寸与流经所述功率器件的电流大小呈正相关。
可选地，所述智能功率模块还包括封装壳体，所述功率器件、驱动芯片及安装基板封装于所述封装壳体内。
本实用新型还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块。
本实用新型提出的智能功率模块在功率器件和电路布线层之间贴装有散热片，在驱动芯片驱动功率器件工作的过程中，功率器件产生的热量通过散热片快速地进行扩散，从而使得热量流入绝缘层之前已经均匀分布在散热片上，当该部分热量纵向传导至散热片时，基于散热片的超高横向导热能力，点状热源迅速变化为面热源形态，将热源快速的传导至安装基板，再由安装基板传导至智能功率模块之外。通过散热片快速导热效果，可以解决智功率模块小空间高集成，且大功率散热不及时，或者散热效果较差的问题。此外，本实用新型将功率器件和驱动芯片分装于电路布线层的两个安装区内，将两者的物理位置隔开，从而实现热源器件和非热源分开设置，可以避免热源器件向非热源器件散热，而影响非热源器件工作。本实用新型还可以解决因率功率器件产生的热量导致驱动芯片的工作温度过高，而导致驱动芯片发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型智能功率模块一实施例的结构示意图；
图2为图1中散热片一实施例的结构示意图；
图3为本实用新型智能功率模块另一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 安装基板 21 第一安装区
20 电路布线层 211 第一子安装区
30 散热片 212 第二子安装区
40 功率器件 22 第二安装区
50 驱动器件 31 铜基板
60 封装壳体 32 银镀层
70 散热器 41 IGBT
80 引脚 42 快速恢复二极管
11 绝缘层 23 引脚焊盘
本实用新型目的的实现、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
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提出一种集成芯片，适用于智能功率模块的封装中。
智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品，一般应用于驱动风机、压缩机等设备的电控板上。目前，智能功率模块大多将功率器件、驱动电路及MCU等集成于一安装基板上。智能功率模块工作时，其功率器件发热比较严重。然而智能功率模块还需要通过EMC塑封料进行封装或者灌封方式，因塑封料的热阻很大，热量不利于外扩，模块长期工作下，会导致功率器件发热过大而被损坏，尤其是在设置有的智能功率模块中，主控芯片和驱动芯片的温洁较低，功率器件产生的热量会通过安装基板向主控芯片MCU、驱动芯片传导，使得功率器件与MCU、功率器件几乎达到相同的温度。这样将导致MCU的工作温度过高而发生故障，出现控制信号紊乱等现象，严重时可能会烧毁智能功率模块。
提高智能功率模块的散热性，智能功率模块通常是采用如下两种方案，第一种方案是减小智能功率模块下表面封装壳体的厚度，但是较薄的封装壳体对工艺要求很高，这导致智能功率模块的不良率大幅增加，进而导致智能功率模块的成本居高不下；第二种方案是采用高热导率的封装料，然而高热导率绝缘材料的价格较高，同样会增加智能功率模块的成本。
为了解决智能功率模块的散热不及时的问题，参照图1，在本实用新型一实施例中，该智能功率模块包括：
安装基板10，所述安装基板10具有相对设置的第一表面和第二表面；
电路布线层20，设置于所述安装基板10的第一表面，所述电路布线层20具有自所述安装基板10宽度方向设置的第一安装区21和第二安装区22；
散热片30，设置于所述第一安装区21内；
功率器件40，设置于所述散热片30上；
驱动器件50，所述驱动器件50设置于所述第二安装区22内，所述驱动器件50和功率器件40通过引线连接。
本实施例中，安装基板10可以采用铝基板、铝合金基板、铜基板或者铜合金基板中的任意一种来实现。安装基板10为功率器件40和驱动器件50的安装载体，安装基板10的形状可以根据功率器件40的具体位置、数量及大小确定，可以为方形，但不限于方形。安装基板10上设置有电路布线层20，电路布线层20根据智能功率模块的电路设计，在安装基板10上形成对应的线路以及对应供功率器件40中的各电子元件安装的安装位，即焊盘。
当安装基板10在采用氮化铝陶瓷安装基板10来实现时，氮化铝陶瓷安装基板10包括绝缘散热层及形成于所述绝缘散热层上的电路布线层20。在采用金属材质制成的安装基板10时，安装基板10包括金属散热安装基板10、铺设在金属散热安装基板10上的绝缘层11及形成于绝缘层11上的电路布线层20。本实施例中，安装基板10可选为单面布线板。所述绝缘层11夹设于所述电路布线层20与所述金属安装基板10之间。该绝缘层用于实现电路布线层20与金属安装基板10之间的电气隔离以及电磁屏蔽，以及对外部电磁干扰进行反射，从而避免外部电磁辐射干扰功率器件40正常工作，降低周围环境中的电磁辐射对智能功率模块中的电子元件的干扰影响。该绝缘层11可选采用热塑性胶或者热固性胶等材料制成，以实现安装基板10与电路布线层20之间的固定连接且绝缘。绝缘层11可以采用环氧树脂、氧化铝、高导热填充材料一种或多种材质混合实现的高导热绝缘层11来实现。在制作安装基板10的过程中，可以在安装基板10上设置好绝缘层11后，将铜箔铺设在绝缘层11上，并按照预设的电路设计蚀刻所述铜箔，从而形成电路布线层20。
功率器件40可以是氮化镓(GaN)功率器件40、Si基功率器件40或SiC基功率器件40，本实施例优选采用氮化镓(GaN)功率器件40。功率器件40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器件40，或者是四个的倍数，也可以包括六个所述功率器件40，或者六个的倍数，六个功率器件40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器件40导通/截止，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。
驱动芯片30对应设置于第二安装位上，驱动芯片30的数量可以是一个，例如HVIC驱动芯片30，该驱动芯片30为集成芯片，其中集成了四路、六路或者三路功率器件40的驱动电路，具体可以根据驱动器件50的数量进行集成设置。驱动芯片30的数量也可以是多个，例如两个、四个或者六个，多个驱动芯片30的数量可以与功率器件40的数量对应，每一驱动芯片30对应驱动一功率器件40工作。驱动芯片也可以设置上桥臂驱动芯片和下桥臂驱动芯片两个驱动芯片，并分别驱动上桥臂功率器件40和下桥臂功率器件40工作，功率器件40与驱动芯片30之间通过金属引线实现电连接，形成电流回路。在智能功率模块工作时，驱动芯片30输出相应的控制信号，以控制对应的功率器件40导通，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作，这个过程中功率器件40产生的热量经散热片30传导至安装基板10上，以通过散热片30和安装基板10进行散热。
电路布线层20分为多个安装区，散热片30设置于第一安装区21内，驱动芯片安装于第二安装区22域内。功率器件40和驱动芯片可以是贴片式的电子元件，还可以是裸die晶圆，散热片30上设置有焊盘，功率器件40可以通过焊锡、导电胶等粘接于对应的散热片30上，驱动芯片通过焊锡、导电胶等粘接第二安装区22形成的焊盘上。本实施例中，散热片30可选采用高导热的导电材料来实现，例如可以采用高导热金属材料来实现，所述功率器件40在散热片30上的正投影位于所述散热片30的边缘内。也即功率器件40的下表面形成的贴合面小于散热片30的上表面面积，在功率器件40贴装至散热片30上时，散热片30上表面的其余部分形成散热区域，由于散热区域的面积大于两者贴合面的面积，散热片30上表面的面积大于功率器件40下表面的面积。如此设置，使得热量自功率器件40向散热片30扩散时其热流密度能够大幅衰减，从而能够避免功率器件40下表面温度过高，可以提高智能功率模块10的热可靠性。
本实用新型提出的智能功率模块在功率器件40和电路布线层20之间贴装有散热片30，在驱动芯片驱动功率器件40工作的过程中，功率器件40产生的热量通过散热片30快速地进行扩散，从而使得热量流入绝缘层之前已经均匀分布在散热片30上，当该部分热量纵向传导至散热片30时，基于散热片30的超高横向导热能力，点状热源迅速变化为面热源形态，将热源快速的传导至安装基板10，再由安装基板10传导至智能功率模块之外。通过散热片30快速导热效果，可以解决智功率模块小空间高集成，且大功率散热不及时，或者散热效果较差的问题。此外，本实用新型将功率器件40和驱动芯片分装于电路布线层20的两个安装区内，将两者的物理位置隔开，从而实现热源器件和非热源分开设置，可以避免热源器件向非热源器件散热，而影响非热源器件工作。本实用新型还可以解决因率功率器件40产生的热量导致驱动芯片的工作温度过高，而导致驱动芯片发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。
参照图1，在一实施例中，所述第一安装区21包括第一子安装区211和第二子安装区212；
所述功率器件40包括三相上桥臂功率管(图未标示)和三相下桥臂功率管(图未标示)，三相所述上桥臂功率管设置于所述第一子安装区211，三相所述下桥臂功率管设置于所述第二子安装区212。
本实施中，功率器件40的数量为六个，六个功率器件40组成三相逆变电路，具体地，第一安装区21设置为两个子安装区，三相上桥臂功率管设置于第一子安装区211，三相下桥臂功率管设置于第二子安装区212内。
可以理解的是，功率器件40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器件40，或者是四个的倍数，也可以包括六个所述功率器件40，或者六个的倍数，本实施例以在智能功率模块中设置有六个功率管为例进行说明。参照图1，在一实施例中，散热片30的数量可以根据功率器件40的数量进行设置，具体地：
所述散热片30包括第一散热片30和第二散热片30；
至少一个所述上桥臂功率管设置于所述第一散热片30上；
至少一个所述下桥臂功率管设置于所述第二散热片30上。
本实施例中，散热片30的数量设置为两个，上桥臂功率管中任一个或者两个功率开关管设置于该第一散热片30上，下桥臂功率管中任一个或者两个功率开关管设置于该第二散热片30上，或者将三相上桥臂功率开关管和三相下桥臂功率管分设于第一散热片30和第二散热片30上。三相上桥臂功率管的集电极连接于同一电源端，并且三相上桥功率管通过散热片30电与电路布线层20电连接，如此，则可以将三相上桥臂功率管设置于同一个散热片30上。而在三相下桥臂开关管之间可以进行绝缘处理，以防止信号串扰。
或者，所述散热片30包括第一散热片30和多个第二散热片30；
三相所述上桥臂功率管设置于所述第一散热片30上；
每一所述第二散热片30上设置有一个所述下桥臂功率管。
本实施例中，散热片的数量设置为四个，三相上桥臂功率管的集电极连接于同一电源端，并且三相上桥功率管通过散热片30电与电路布线层20电连接，因此可以将三相上桥臂功率管设置于一个散热片30上，而三相下桥臂功率管则每一个功率管对应设置一个第二散热片30。
或者，所述散热片30包括多个第一散热片30和多个第二散热片30；
每一所述第一散热片30上设置有一个所述上桥臂开关管；
每一所述第二散热片30上设置有一个所述下桥臂功率管。
本实施例中，每一个功率器件40(三相上桥臂功率管和三相下桥臂功率管)对应设置有一个散热片30，也即散热片30数量为六个，六个散热片30分设于各电路布线层20的焊盘上，如此则可以使每个功率器件40都对应设置有一个独立的散热片30，每个功率器件40安装至各自对应的散热片30上，以通过各自的散热片30进行散热。
参照图1，在一实施例中，所述功率器件40为IGBT41；
所述智能功率模块还包括快速恢复二极管42，所述快速恢复二极管42的数量及位置与所述IGBT41对应；
所述快速恢复二极管42和所述IGBT41的反并联连接。
本实施例中，快速恢复二极管42的数量和位置(设置于散热片30上)与每一功率器件40的对应，本实施例中，快速恢复二极管42的数量可选为六个，六个快速恢复二极管42分别标记为。本实施例中，快速恢复二极管42为高功率反并联二极管，用于实现功率器件40的快速关断。其中，在基于功率器件40设置为SiC MOSFET或者SiC IGBT，或者GaN HEMT器件时，将智能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42可选采用Si材料制成的快速恢复二极管42或者肖特基二极管来实现，可以保证智能功率模块的自身的功耗较低的同时，降低智能功率模块的生产成本。
在一些实施例中，功率器件40还可以采用逆导IGBT来实现，逆导IGBT将和与IGBT功率器件40反并联封装在一起的快速恢复二极管FRD集成在同一芯片上，从而降低逆变桥电路的体积。如此设置，有利于提高功率密度，降低高集成智能功率模块的体积、制造成本和封装制程，同时还有利于提高高集成智能功率模块的可靠性。
参照图2，在一实施例中，所述散热片30包括铜基板31及包覆于所述铜基板31表面的银镀层32。
本实施例中，可选采用铜基板31或者铝基板来实现，并在铜基板31的表面镀上银层，以增大功率器件40和散热片30的接触面积，以及增大散热片30与电路布线层20的安装面，使的散热片30与功率器件40、电路布线层20之间更好的贴合，有利于提高安装基板10与焊料的焊接牢固性，还可以减少在焊接过程或者在使用热循环过程中产生焊料孔洞的问题发生。
参照图1，在一实施例中，所述散热片30的厚度及尺寸与流经所述功率器件40的电流大小呈正相关。
可以理解的是，考虑到智能功率模块的电流越大，功率器件40产生的热量越多，为了能够在大电流的工作条件下保持功率器件40的良好散热，本实施例中，所述散热片30的厚度与所述智能功率模块的工作电流呈正比。如此，当功率模块的工作电流较高时，散热片30的厚度较厚，能够吸收并传递的热量也更多，从而能够保证散热片30良好的散热效果。
参照图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括封装壳体60，所述功率器件40、驱动芯片及安装基板10封装于所述封装壳体60内。
本实施例中，封装壳体60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60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60材料进行轧制成形，以形成封装壳体60，再将芯片和安装基板10封装在封装壳体60内。或者通过注塑工艺及封装模具，将安装有芯片的安装基板10放置于模具后，在模具中注入封装材料，将芯片和安装基板10封装在封装壳体60内，以在成型后形成封装壳体60。如此，可以实现对芯片进行绝缘处理，以及提高智能功率模块的EMI性能。
智能功率模块可以采用全包封封装和半包封封装。而在为了提高智能功率模块的散热效率，在在采用半包封封装时，可以将智能功率模块的安装基板10部分裸露在封装壳体60外，在智能功率模块还设置有散热器70时，安装基板10裸露于智能功率模块的封装壳体60之外的表面可以更好的与散热器70贴合。
参照图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括散热器70，所述散热器70设置于所述安装基板10背离所述功率组件20的一侧。
本实施例中，散热器70可以采用铝质、铝合金等散热效果较好的高导热材料制得，以使得功率器件40中的电子元件产生的热量通过安装基板10传导至散热器70上，进一步增大功率器件40产生的热量与空气的接触面积，提高散热速率。所述散热器70还可意设置有散热器70本体及多个散热叶片，多个所述散热叶片间隔设置于所述散热器70本体的一侧。如此设置，可以增加散热器70与空气的接触面积，也即在散热器70工作时，增加散热器70上的热量与空气的接触面积，以加快散热器70的散热速率。同时还可以减少散热器70的物料，避免散热片30因材料应用过多，造成成本过高。
参照图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括引脚80，所述引脚80设置于所述安装基板10的电路布线层20上，且通过金属引线与各所述芯片30电连接。
本实施例中，对应的在电路布线层20上，还设置有引脚80的引脚焊盘23，引脚80对应焊接于该引脚焊盘上.
引脚80可以采用鸥翼型引脚80或者直插型引脚80来实现，本实施例优选为直插型引脚80，引脚80焊接在电路布线层20对应的安装位221上的引脚焊盘位置，并通过金属引线与功率器件40、驱动芯片30实现电气连接。在另一实施例中，各个引脚80的一端固定于所述安装基板10上，引脚80的另一端朝远离所述安装基板10的方向延伸，引脚80的延伸方向与所述安装基板10所在的平面平行。
本实用新型还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块和集成芯片。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，由于在本实用新型空调器中使用了上述智能功率模块和集成芯片，因此，本实用新型空调器的实施例包括上述智能功率模块和集成芯片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。
在实际应用时，空调器还包括电控板，上述集成芯片和智能功率模块设置于电控板上，再通过电路布线与电控板上的电子元件电连接。
以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型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实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括：
安装基板，所述安装基板具有相对设置的第一表面和第二表面；
电路布线层，设置于所述安装基板的第一表面，所述电路布线层具有自所述安装基板宽度方向设置的第一安装区和第二安装区；
散热片，设置于所述第一安装区内；
功率器件，设置于所述散热片上；
驱动器件，所述驱动器件设置于所述第二安装区内，所述驱动器件和功率器件通过引线连接。
2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述第一安装区包括第一子安装区和第二子安装区；
所述功率器件包括三相上桥臂功率管和三相下桥臂功率管，三相所述上桥臂功率管设置于所述第一子安装区，三相所述下桥臂功率管设置于所述第二子安装区。
3.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述散热片包括第一散热片和第二散热片；
至少一个所述上桥臂功率管设置于所述第一散热片上；
至少一个所述下桥臂功率管设置于所述第二散热片上。
4.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述散热片包括第一散热片和多个第二散热片；
三相所述上桥臂功率管设置于所述第一散热片上；
每一所述第二散热片上设置有一个所述上桥臂开关管。
5.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述散热片包括多个第一散热片和多个第二散热片；
每一所述第一散热片上设置有一个所述上桥臂开关管；
每一所述第二散热片上设置有一个所述上桥臂开关管。
6.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率器件为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。
7.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述散热片包括铜基板及包覆于所述铜基板表面的银镀层。
8.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述散热片的厚度及尺寸与流经所述功率器件的电流大小呈正相关。
9.如权利要求1至8任意一项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，所述功率器件、驱动芯片及安装基板封装于所述封装壳体内。
10.一种空调器，其特征在于，所述空调器包括如权利要求1至9任意一项所述的智能功率模块。
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