CN210467803U - 智能功率模块及空调器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种智能功率模块及空调器，该智能功率模块包括：纳米化安装基板，纳米化安装基板上设置有安装位；功率组件，功率组件设置于纳米化安装基板对应的安装位上。本实用新型解决了功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致功率开关管的工作温度过高而发生故障，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

目前，智能功率模块大多采用在金属散热基板，并通过绝缘层与金属散热基板单面散热的方式将功率模块运行过程中产生的热量向外辐射。然而，当功率模块产热较多时，这种散热方式可能会因散热不及时而烧毁功率模块。

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，旨在解决功率模块工作过程中散热不及时的问题。

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：

纳米化安装基板，所述纳米化安装基板上设置有安装位；

功率组件，所述功率组件设置于所述纳米化安装基板对应的安装位上。

可选地，所述纳米化安装基板包括金属基板，所述金属基板的至少一板面开设有纳米孔洞。

可选地，所述纳米孔洞的直径为50-100nm。

可选地，所述智能功率模块还包括石墨烯涂层，所述石墨烯涂层设置于所述纳米化安装基板与所述功率组件之间。

可选地，所述石墨烯涂层的厚度为5-10nm。

可选地，所述功率组件包括功率器件及陶瓷覆铜板，所述功率器件设置于所述陶瓷覆铜板上，所述陶瓷覆铜板设置于所述纳米化安装基板上。

可选地，所述功率组件包括功率器件、电路布线层及绝缘层，所述电路布线层及绝缘层依次层叠设置于所述纳米化安装基板上，所述功率器件设置于所述电路布线层上。

可选地，所述智能功率模块还包括对所述功率组件及纳米化安装基板进行封装的封装壳体。

可选地，所述智能功率模块还包括散热器，所述散热器设置于所述纳米化安装基板背离所述功率组件的一侧。

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。

本实用新型通过将安装基板纳米化制得纳米化安装基板，使得功率组件40工作时产生的热量传导至纳米化安装基板上，再通过纳米化安装基板将热量传导至智能功率模块外，直接或间接的将热量辐射至空气中，从而进行快速散热，以提高功率开关管的散热速度，由于纳米化安装基板的导热效果较佳。本实用新型解决了功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致功率开关管的工作温度过高而发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。并且安装基板的纳米化表面有利于提高安装基板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。

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为本实用新型智能功率模块另一实施例的结构示意图；

图3为本实用新型智能功率模块又一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

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智能功率模块。

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等集成于一基板上。智能功率模块工作时，其功率器件发热比较严重，为了加速散热，大多采用铝安装基板来进行散热，但是由于铝安装基板基材的高导热作用，特别是在设置有MCU的智能功率模块中，功率器件产生的热量会通过基板向主控芯片MCU传导，使得功率器件与MCU几乎达到相同的温度。MCU的理想工作温度一般是低于85℃，而IGBT等功率器件工作温度可达100℃以上，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。

参照图1至图3，在本实用新型一实施例中，该智能功率模块包括：

纳米化安装基板10，所述纳米化安装基板10上设置有安装位；

功率组件20，所述功率组件20设置于所述纳米化安装基板10对应的安装位上。

本实施例中，纳米化安装基板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。本实施例以铝基板为例进行说明，铝基板10为功率组件20的安装载体，铝基板10的形状可以根据功率开关管的具体位置、数量及大小确定，可以为方形，但不限于方形。在制作纳米化安装基板10时，可以采用电化学腐蚀的方法在铝基板的板面进行纳米化处理后，在铝基板上腐蚀出均匀的纳米孔洞。

功率组件20包括功率器件21，例如功率开关管可以是氮化镓(GaN)功率开关管、Si基功率开关管或SiC基功率开关管，本实施例优选采用氮化镓(GaN)功率开关管。功率开关管的数量可以为一个，也可以为多个，当设置为多个时，可以包括四个所述功率开关管，或者是四个的倍数，也可以包括六个所述功率开关管，或者六个的倍数，六个功率开关管组成逆变电路，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23输出相应的PWM控制信号，以驱动控制对应的功率开关管导通/截止，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。

功率组件20还包括主控芯片22，即为MCU，MCU中集成有逻辑控制器、存储器、数据处理器等，以及存储在所述存储器上并可在所述数据处理器上运行的软件程序和/或模块，MCU通过运行或执行存储在存储器内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，输出相应的控制信号至智能功率模块的驱动芯片23，使得驱动芯片23根据接收到的控制信号驱动对应的功率开关管导通/关断，以驱动风机、压缩机、电机等负载工作。或者驱动PFC模块工作，从而实现对接入的直流电源进行功率因素校正。

各个功率开关管可以是贴片式的电子元件，还可以是裸die晶圆，在多个铝基板上设置有焊盘，多个功率元件可以通过焊锡、导电胶等粘接于对应的安装位上。

本实用新型通过将安装基板纳米化制得纳米化安装基板10，使得功率组件20工作时产生的热量传导至纳米化安装基板10上，再通过纳米化安装基板10将热量传导至智能功率模块外，直接或间接的将热量辐射至空气中，从而进行快速散热，以提高功率开关管的散热速度，由于纳米化安装基板10的导热效果较佳，解决了功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致功率开关管的工作温度过高而发生故障，严重时甚至被烧毁智能功率模块的问题。并且安装基板的纳米化表面有利于提高安装基板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或图2，在一实施例中，所述纳米化安装基板10包括金属基板11，所述金属基板11的至少一板面开设有纳米孔洞12。

本实施例中，可以采用电化学腐蚀的方法在铝基板的两个板面进行纳米化处理后，在铝基板的两个板面上腐蚀出均匀的纳米孔洞12，也即在安装有功率组件20的板面和背离功率组件20一侧的板面均可以设置有纳米孔洞12。当然在其他实施例中，也可以在铝基板的任一板面来制得纳米孔洞12。安装基板的纳米化表面有利于提高安装基板与焊料的焊接牢固性，减少在焊接过程或者在使用热循环过程中产生焊料孔洞问题。

其中，理论上，纳米孔洞12的直径越大，孔洞深度越深，散热面积更大，所能达到的散热效果越好；但是，相应地，所述直径越大，孔洞深度越深，散热面积更大，使得安装基板容易断裂。因此，所述H宜保持在一定范围内。经测验，所述纳米孔洞12的直径为50-100nm，深度为5-10nm时，散热效果较好，且在智能功率模块上形成的孔洞，该孔洞的直径和深度也不会过大，安装基板的承受能力也较好。至于纳米孔洞12的具体数值，可以是70mm、80mm、90mm均可。

参照图1或图2，在一实施例中，所述智能功率模块还包括石墨烯涂层30，所述石墨烯涂层30设置于所述纳米化安装基板10与所述功率组件20之间。

本实施例中，石墨烯涂层30设置于纳米化安装基板10上，具体为安装有功率组件20的一侧，使得石墨烯涂层30夹设所述纳米化安装基板10与所述功率组件20，在制作智能功率模块时，可以将石墨烯插层镀于经表面纳米化处理的金属基板11上，沉积厚度控制为5-10nm，也即石墨烯插层可以不分或者完全至于安装基板的纳米孔洞12中，使石墨烯插层至于纳米孔洞12之中，金属基板11表面的纳米孔洞12及填充与其中的石墨烯插层提供了高效的散热通道，能够有效改善模块的散热，降低模块因热疲劳导致的失效概率，利用石墨烯插层本身的高导热性及纳米孔洞12的通道作用，有效提高该功率组件20的散热效率。

参照图1或图2，在一实施例中，所述功率组件20包括功率器件21及陶瓷覆铜板24，所述功率器件21设置于所述陶瓷覆铜板24上，所述陶瓷覆铜板24设置于所述纳米化安装基板10上。

本实施例中，陶瓷覆铜板24包括绝缘层241及形成于所述绝缘层241上的电路布线层242，以及设置于绝缘层241另一侧的金属散热层243，其中绝缘层241为陶瓷层。所述绝缘层241夹设于所述电路布线层242与所述金属散热层243之间。该绝缘层241用于实现电路布线层242与金属散热层243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开关管正常工作，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。功率器件21通过导电胶、焊锡等，安装于陶瓷覆铜板24的电路布线层242上，再通过焊料焊接于纳米化安装基板10，

参照图1或图2，在一实施例中，功率组件20还包括绝缘层241和电路布线层242，绝缘层241可选采用热塑性胶或者热固性胶等材料制成，并在绝缘层241上设置覆铜层，以形成电路布线层242，通过绝缘层241来实现纳米化安装基板10与电路布线层242之间的固定连接且绝缘，所述电路布线层242及绝缘层241依次层叠设置于所述纳米化安装基板10上，所述功率器件21设置于所述电路布线层242上。纳米化的铝基板10上设置有电路布线层242，电路布线层242根据智能功率模块的电路设计，在纳米化安装基板10上形成对应的线路以及对应供功率组件20中的各电子元件安装的安装位，即焊盘。具体地，在纳米化安装基板10上设置好绝缘层241后，将铜箔铺设在绝缘层241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242。在将功率器件21中安装于电路布线层242的焊盘上后，还可以通过金属线实现各功率器件21之间的电连接。

参照图1至图3，在另一实施例中，功率组件20还可以包括非功率器件，例如驱动芯片23，驱动芯片23的数量可以是一个，例如HVIC驱动芯片23，该驱动芯片23为集成芯片，其中集成了四路、六路或者三路功率开关管的驱动电路，具体可以根据驱动器件的数量进行集成设置。驱动芯片23的数量也可以是多个，多个驱动芯片23的数量与功率开关管的数量对应，每一驱动芯片23对应驱动一功率开关管工作。功率开关管与驱动芯片23之间通过电路布线层242及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，主控芯片22输出相应的控制信号至驱动芯片23，驱动芯片23驱动对应的功率开关管导通，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。

参照图2或图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括封装壳体40，所述功率组件20、纳米化安装基板10封装于封装壳体40。

本实施例中，封装壳体40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40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40材料进行轧制成形，以形成封装壳体40，并将温度传感器通过贴装，镶嵌等方式固定于所述封装壳体40靠近所述功率组件20的一侧。再将电路布线层242、纳米化安装基板10、驱动芯片23及功率开关管封装在封装壳体40内。

智能功率模块中，可以将所述封装壳体40罩设于所述纳米化安装基板10及所述功率组件20上。使得纳米化安装基板10的下表面裸露在封装件外，而加速功率元件的散热。若智能功率模块还设置有散热器50来给功率开关管散热，则可以将封装壳体40包裹于所述纳米化安装基板10及所述功率组件20的外周，以使功率开关管与纳米化安装基板10及驱动芯片23一体成型设置。

参照图3，在一实施例中，所述智能功率模块还包括散热器50，所述散热器50设置于所述纳米化安装基板10背离所述功率组件20的一侧。

本实施例中，散热器50可以采用铝质、铝合金等散热效果较好的高导热材料制得，以使得功率开关管中的电子元件产生的热量通过纳米化安装基板10传导至散热器50上，进一步增大功率开关管产生的热量与空气的接触面积，提高散热速率。所述散热器50还可意设置有散热器50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50本体的一侧。如此设置，可以增加散热器50与空气的接触面积，也即在散热器50工作时，增加散热器50上的热量与空气的接触面积，以加快散热器50的散热速率。同时还可以减少散热器50的物料，避免散热片因材料应用过多，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(图未示出)，所述引脚设置于所述电路布线层242上，且通过金属线与所述功率组件20电连接。

本实施例中，引脚可以采用鸥翼型引脚或者直插型引脚来实现，本实施例优选为直插型引脚，引脚焊接在电路布线层242对应的安装位上的焊盘位置，并通过金属线与功率开关管、驱动芯片23实现电气连接。

在另一实施例中，各个引脚的一端固定于所述纳米化安装基板10上，引脚的另一端朝远离所述纳米化安装基板10的方向延伸，引脚的延伸方向与所述纳米化安装基板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。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，因此，本实用新型空调器的实施例包括上述智能功率模块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。

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：

纳米化安装基板，所述纳米化安装基板上设置有安装位；

功率组件，所述功率组件设置于所述纳米化安装基板对应的安装位上。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述纳米化安装基板包括金属基板，所述金属基板的至少一板面开设有纳米孔洞。

3.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述纳米孔洞的直径为50-100nm。

4.如权利要求3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石墨烯涂层，所述石墨烯涂层设置于所述纳米化安装基板与所述功率组件之间。

5.如权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，所述石墨烯涂层的厚度为5-10nm。

6.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率组件包括功率器件及陶瓷覆铜板，所述功率器件设置于所述陶瓷覆铜板上，所述陶瓷覆铜板设置于所述纳米化安装基板上。

7.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率组件包括功率器件、电路布线层及绝缘层，所述电路布线层及绝缘层依次层叠设置于所述纳米化安装基板上，所述功率器件设置于所述电路布线层上。

8.如权利要求1至7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对所述功率组件及纳米化安装基板进行封装的封装壳体。

9.如权利要求1至7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散热器，所述散热器设置于所述纳米化安装基板背离所述功率组件的一侧。

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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