CN214176010U - 一种功率器件和电子装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种功率器件和电子装置，所述功率器件包括：壳体、绝缘基板、第一导电层、导热块和芯片，所述壳体内具有容置空间；绝缘基板设置于所述壳体内的容置空间中；第一导电层覆盖所述绝缘基板的第一表面；导热块设置于所述第一导电层上；芯片设置于所述导热块上。本申请的功率器件中由于具有导热块，芯片设置于该导热块上，提升了芯片纵向散热面积，能够更好的引导和释放芯片因高速开通、关断而产生的热量，从而提升器件的电流输出能力。

Description

一种功率器件和电子装置

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种功率器件和电子装置。

背景技术

高压功率模块(本文也称高压功率器件)在通电流工作过程中，为模块供放电的芯片会不停的开通和关断，在此过程中，芯片本身的温度会不断的上升，从而影响芯片过流能力。

为解决因芯片温度上升而影响模块过电流的问题，需要对芯片进行散热，目前常规的散热方案中其散热效果不佳，无法满足散热要求。

鉴于上述问题的存在，有必要提出一种新的功率器件和电子装置。

实用新型内容

在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对目前存在的问题，本实用新型提供一种功率器件，所述功率器件包括：

壳体，所述壳体内具有容置空间；

绝缘基板，设置于所述壳体内的容置空间中，所述绝缘基板包括第一表面和第二表面，所述第二表面和所述第一表面相对；

第一导电层，覆盖所述绝缘基板的第一表面；

导热块，设置于所述第一导电层上；

芯片，设置于所述导热块上。

在一个示例中，所述功率器件还包括：

导热片，电连接所述芯片和所述导热块，或者，电连接所述芯片和所述第一导电层。

在一个示例中，所述功率器件包括多个芯片和多个导热块，其中，每个芯片对应设置在一个所述导热块上；

所述功率器件包括多个芯片和多个导热片，其中，每个芯片对应和一个所述导热片电连接。

在一个示例中，所述芯片包括第一芯片和第二芯片，所述导热块包括第一导热块、第二导热块和第三导热块，其中，所述第一芯片设置于所述第一导热块上，所述第二芯片设置于所述第二导热块上，所述导热片包括第一导热片和第二导热片，其中，所述第一导热片电连接所述第一芯片和所述第三导热块，所述第二导热片电连接所述第二芯片和所述第一导热块。

在一个示例中，还包括散热器，所述散热器中设置有管道，所述管道内具有冷却液，其中，所述壳体包括底板，所述底板设置于所述散热器上，所述绝缘基板设置于所述底板上；

所述壳体还包括框体，所述框体设置于所述底板上，所述绝缘基板位于所述框体内。

在一个示例中，所述绝缘基板的第二表面上覆盖有第二导电层，所述第二导电层固定于所述底板上。

在一个示例中，还包括：

第一导电连接线和输入端，所述第一导电连接线电连接所述输入端的第一端和所述第一导电层；

第二导电连接线和输出端，所述第二导电连接线电连接所述输出端的第一端和所述第一导电层。

在一个示例中，所述壳体还包括框体和盖体，所述盖体连接所述框体，并密封所述框体的开口，其中，所述框体上设置有第一开孔和第二开孔，所述输出端插设于所述第一开孔中，并且所述输出端的第二端位于所述盖体上方，所述输入端插设于所述第二开孔中，并且所述输入端的第二端位于所述盖体上方。

在一个示例中，还包括封装材料，所述封装材料设置于所述框体内，并覆盖所述芯片、部分所述第一导电层、部分所述导热块。

本申请再一方面提供一种电子装置，所述电子装置包括前述的功率器件。

本申请的功率器件中由于具有导热块，芯片设置于该导热块上，提升了芯片纵向散热面积，能够更好的引导和释放芯片因高速开通、关断而产生的热量，从而提升器件的电流输出能力。

附图说明

本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。

附图中：

图1示出了目前常规的具有散热结构的高压功率器件的示意图，其中，左图为斜视图，右图为俯视图；

图2示出了目前常规的具有散热结构的高压功率器件的剖面示意图；

图3示出了本申请一个实施例中的功率器件的斜视图；

图4示出了本申请一个实施例中的功率器件的俯视图；

图5示出了本申请一个实施例中的功率器件的局部主视图；

图6A示出了目前常规的的功率器件的局部散热示意图；

图6B示出了本申请一个实施例中的功率器件的局部散热示意图；

图7示出了本申请一个实施例中的功率器件的剖面示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本实用新型能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本实用新型的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本实用新型教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本实用新型的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本实用新型的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述实用新型的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本实用新型的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本实用新型的范围。

为解决因芯片温度上升而影响模块过电流的问题，目前常规的散热方案中，将芯片封装在功率模块内部，再将功率模块固定在可以提供水冷循环的散热箱体上。在模块安装在散热箱体的散热过程中，如何提升芯片的散热能力，如何提升模块的电流输出能力，成为亟待解决的技术问题。

针对模块散热问题，如图1和图2所示的为目前常规的高压功率模块散热结构的示意图，目前常规的高压功率模块散热技术，是将芯片109焊接在双面覆有金属层(例如绝缘基板上表面金属层107、绝缘基板下表面金属层104)的绝缘基板110(例如陶瓷衬板)上，通过焊接实现芯片109和绝缘基板110表面金属电路层的电气连接；绝缘基板110下表面则通过焊接与散热底板102连接，为芯片提供散热功能，散热底板102则通过密封胶及螺钉与模块外框105连接密封在一起；外框105内部通过填充硅凝胶106将芯片109以及金属电路层密封在功率模块内，实现模块内部的电气绝缘，并保护元件免受湿气和污染侵蚀；最后通过冷却介质水101，在散热器103进、出水口不断循环，为模块芯片发热提供降温需求，该高功率模块中还具有输出端112、输入端113和铝线111，铝线111电连接芯片和绝缘基板上表面金属层107。

在模块散热要求中，影响模块散热功能的主要是芯片的散热面积，以及散热材料的选定。现有方案通过邦定(bond)铝线来实现芯片的电气连接，铝材散热效果差，且线型邦线自身体积小，到散热的过程中，可提供的散热的面积小，不利于散热；其次，由于电流动过导电介质时，输出电流大小由导电介质面积及材料决定，现有导电材料为线型铝材，铝材导电性能差(同比铜材)，且线型形状体积小，会影响模块输出电流的能力。

因此，为了更好的释放芯片因为快速开通、关断产生的热量，提升器件的电流输出能力，本申请提供一种功率器件，包括：壳体，所述壳体内具有容置空间；设置于所述壳体内的容置空间中的绝缘基板；覆盖所述绝缘基板的第一表面的第一导电层；设置于所述第一导电层上的导热块；设置于所述导热块上的芯片。

本申请的功率器件中由于具有导热块，芯片设置于该导热块上，因此能够更好的引导和释放芯片因高速开通、关断而产生的热量，从而提升模块的电流输出能力。

为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细结构，以便阐释本实用新型提出的技术方案。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

下面，参考附图对本申请的功率器件的结构进行描述，其中，图3示出了本申请一个实施例中的功率器件的斜视图；图4示出了本申请一个实施例中的功率器件的俯视图；图5示出了本申请一个实施例中的功率器件的局部主视图；图6A示出了目前常规的的功率器件的局部散热示意图；图6B示出了本申请一个实施例中的功率器件的局部散热示意图；图7示出了本申请一个实施例中的功率器件的剖面示意图。

作为示例，如图7所示，本申请的功率器件可以包括壳体，所述壳体内具有容置空间。其中，该壳体用于封装功率器件，例如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT)，和与功率器件相关联的其他器件，例如用于给功率器件供电的芯片214等。

该壳体可以是任意的适合的结构，例如方形、圆形、椭圆形结构等，例如本申请的壳体可以包括底板205、框体204和盖体202。

底板205和框体204相连接，例如框体204具有第一开口和第二开口，则底板205对应第一开口，而盖体202对应第二开口。其中，底板205可以通过例如密封胶和/或螺钉与框体204连接密封在一起。而盖体202则对应第二开口，通过例如卡扣、螺接、粘接等方式固定与框体204上，并密封所述框体204。

在一个示例中，如图7所示，本申请的功率器件还包括绝缘基板211，绝缘基板211设置于所述壳体内的容置空间中，例如，所述绝缘基板211设置于壳体的底板205上。

绝缘基板211可以包括PCB基板、陶瓷基板、玻璃基板、半导体基板或合金基板，本申请实施例中，绝缘基板211可包括陶瓷基板。

在一个示例中，如图7所示，本申请的功率器件还包括第一导电层209，第一导电层209覆盖所述绝缘基板211的第一表面，其中，第一导电层209可以具有各种电路图形，以实现各个对应元器件之间的电连接。

示例性地，如图7所示，在所述绝缘基板211的第二表面上覆盖有第二导电层208，所述第二导电层208固定于底板205上，所述第一表面和所述第二表面相对。其中，第二导电层208可以通过例如焊接的方式固定于底板205上，该底板205也能起到散热的作用。

可选地，第一导电层209和第二导电层208可以均为金属层，金属层的材料例如为铝、铜、金、银等或者多种金属的合金，其中，本申请实施例中，金属层的材料例如包括铜。

该第一导电层209和第二导电层208的厚度可以根据实际需要合理设定，在此不做具体限定，其中，由于绝缘基板211上表面金属层(也即第一导电层209)的加工工艺限制，其厚度通常小于阈值，且较薄，而且通常整个第一导电层209的厚度必须均匀一致。

第一导电层209和第二导电层208可通过例如烧结的方式固定在绝缘基板211上。

进一步，本申请实施例的功率器件还包括导热块213，导热块213设置于所述第一导电层209上。功率器件可以包括一个或多个导热块213，具体的数量可以根据需要散热的芯片214的数量合理设定。

导热块213可以为金属块，或者其他的能够导热的块状结构，可选地，导热块213的厚度可以大于第一导电层209的厚度。金属块的材料可以是任意的具有导热性能的材料，为铝、铜、金、银等或者多种金属的合金，其中，本申请实施例中，金属块的材料例如包括铜。导热块213可以通过例如焊接的方式固定于第一导电层209上。

在一个示例中，本申请实施例的功率器件还包括芯片214，该芯片214设置于所述导热块213上。其中，该芯片214的数量可以是一个或多个，通常为多个，具体地，可以根据实际需要合理设定，所述功率器件包括多个芯片214和多个导热块213，其中，每个芯片214对应设置在一个所述导热块213上，或者，还可以每几个芯片214设置在一个导热块213上。

该芯片214可以是任意的功率器件需要用到的芯片214结构，例如本申请实施例中，该芯片214包括为功率器件供放电的芯片214，具体地，该芯片214的结构可以是本领域技术人员熟知的任意适合的结构，在此不做具体限定。

在常规的功率器件在散热过程中(图6A所示)，发热源(也即芯片109)散热方向是垂直向下并往两侧扩散的，由于芯片109与底板205之间的距离过短，限制了芯片109的纵向(也即垂直向下)散热面积。对比现有技术，而本申请实施例的方案中，如图6B所示，由于在发热源(也即芯片214)下表面增加导热块，因此增加了芯片与底板间的距离，提升了芯片纵向散热面积，同时，由于导热片212(也即次发热源)电连接芯片和和位于芯片外侧导热块，因此，其也能将部分热量传导至导热块，从而在横向和纵向上均增加了散热面积，从而有效提升功率器件的散热能力。

在一个示例中，所述功率器件还包括导热片212，导热片212电连接所述芯片214和所述导热块213，或者，导热片212电连接所述芯片214和所述第一导电层209。例如，图3、图4、图5和图7所示，导热片212电连接所述芯片214和所述导热块213。

在一个示例中，所述功率器件包括多个芯片214和多个导热片212，其中，每个芯片214对应和一个所述导热片212电连接，例如如图5所示，功率器件包括的芯片214包括第一芯片和第二芯片，导热块213包括第一导热块、第二导热块和第三导热块，其中，第一芯片设置于第一导热块上，第二芯片设置于第二导热块上，导热片212则包括第一导热片和第二导热片，其中，第一导热片电连接第一芯片和第三导热块，第二导热片电连接第二芯片和第一导热块。

和芯片214电连接的导电片还可以直接和第一导电层209连接，例如，通过焊接连接。导热片212还可以选择使用导电性能大于铝的金属材料例如铜，从而提升功率器件输出电流的能力。

通过导热片212实现芯片214和第一导电层209的电连接，由于在芯片214上表面增加导热片212(例如金属导热片212)，金属导热片212一端连接在芯片214上表面，一端连接在基板(例如绝缘基板211上的第一导电层209)上表面，或者，一端连接在导热块213上，通过导热块213和第一导电层209电连接，芯片214在工作中，一部分热量会沿着金属导热片212引出，作用在基板上表面，相当于增加了芯片214的散热面积；另外，金属导热片212和芯片214的接触面积相比线材更大，金属导热片212导电能力远优于导电线例如铝线，因此还能够提高功率器件的电流输出能力；且其和芯片214之间的焊接结构相比导电线和芯片214的键合更加稳定，能够提升功率器件的使用寿命。

在一个示例中，本申请的功率器件还包括散热器207，所述散热器207中设置有管道，冷却液206(例如冷却介质水)在所述管道内流动，以带走热量，其中，所述壳体包括底板205，所述底板205设置于所述散热器207上。例如底板205可以通过螺钉安装固定于散热器207上。通过冷却介质水，在散热器207进水口和出水口不断循环，为芯片214发热提供降温功能。

在一个示例中，功率器件还包括第一导电连接线和输入端201，所述第一导电连接线电连接所述输入端201的第一端和所述第一导电层209；功率器件还包括第二导电连接线和输出端210，所述第二导电连接线电连接所述输出端210的第一端和所述第一导电层209，从而实现功率器件内部电流回路流通。

所述第一导电连接线和所述第二导电连接线可以为任意的金属连接线，例如可以为铝线，铝线可以通过键合的方式和输入端201、输出端210连接。

进一步，所述壳体还包括框体204和盖体202，所述盖体202连接所述框体204，并密封所述框体204的开口，其中，所述框体204上设置有第一开孔和第二开孔，所述输出端210插设于所述第一开孔中，并且所述输出端210的第二端位于所述盖体202上方，所述输入端201插设于所述第二开孔中，并且所述输入端201的第二端位于所述盖体202上方。

在一个示例中，功率器件还包括封装材料203，所述封装材料203设置于所述框体204内，并覆盖所述芯片214、部分所述第一导电层209、部分所述导热块213、所述导热片212，以将芯片214以及金属电路层密封在壳体内，为芯片214提供一个无尘、无静电的环境，实现功率器件内部的电气绝缘，并保护元件免受湿气和污染侵蚀。封装材料203可以包括硅凝胶或者其他任意适合的材料。

在一个示例中，壳体还包括盖体202，盖体202例如可以通过卡扣等方式固定在框体204上，实现功率器件的防尘、防挤压的功能。

综上所述，本申请的功率器件中由于具有导热块，芯片设置于该导热块上，增加了芯片与底板间的距离，提升了芯片纵向散热面积，能够更好的引导和释放芯片因高速开通、关断而产生的热量，从而提升模块的电流输出能力；通过导热片实现芯片和第一导电层的电连接，由于在芯片上表面增加导热片(例如金属导热片)，金属导热片一端连接在芯片上表面，一端连接在基板(例如绝缘基板上的第一导电层)上表面，或者，一端连接在导热块上，通过导热块和第一导电层电连接，芯片在工作中，一部分热量会沿着金属导热片引出，作用在基板上表面，相当于增加了芯片的散热面积；另外，金属导热片和芯片的接触面积相比线材更大，金属导热片导电能力远优于导电线例如铝线，因此还能够提高功率器件的电流输出能力；且其和芯片之间的焊接结构相比导电线和芯片的键合更加稳定，能够提升功率器件的使用寿命。

另外，本申请还提供一种电子装置，该电子装置包括前述的功率器件。

该电子装置可以为变频器、不间断电源(Uninterruptable Power System，简称UPS)等设备。该电子装置还可以是包括具有本申请的功率器件的变频器、不间断电源(Uninterruptable Power System，简称UPS)等设备的任意的装置。

由于电子装置具有前述的功率器件，因此具有和前述功率器件相同的优点。

本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种功率器件，其特征在于，所述功率器件包括：

壳体，所述壳体内具有容置空间；

绝缘基板，设置于所述壳体内的容置空间中，所述绝缘基板包括第一表面和第二表面，所述第二表面和所述第一表面相对；

第一导电层，覆盖所述绝缘基板的第一表面；

导热块，设置于所述第一导电层上；

芯片，设置于所述导热块上。

2.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件还包括：

导热片，电连接所述芯片和所述导热块，或者，电连接所述芯片和所述第一导电层。

3.如权利要求2所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件包括多个芯片和多个导热块，其中，每个芯片对应设置在一个所述导热块上；

所述功率器件包括多个芯片和多个导热片，其中，每个芯片对应和一个所述导热片电连接。

4.如权利要求2所述的功率器件，其特征在于，所述芯片包括第一芯片和第二芯片，所述导热块包括第一导热块、第二导热块和第三导热块，其中，所述第一芯片设置于所述第一导热块上，所述第二芯片设置于所述第二导热块上，所述导热片包括第一导热片和第二导热片，其中，所述第一导热片电连接所述第一芯片和所述第三导热块，所述第二导热片电连接所述第二芯片和所述第一导热块。

5.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，还包括散热器，所述散热器中设置有管道，所述管道内具有冷却液，其中，所述壳体包括底板，所述底板设置于所述散热器上，所述绝缘基板设置于所述底板上；

所述壳体还包括框体，所述框体设置于所述底板上，所述绝缘基板位于所述框体内。

6.如权利要求5所述的功率器件，其特征在于，所述绝缘基板的第二表面上覆盖有第二导电层，所述第二导电层固定于所述底板上。

7.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，还包括：

第一导电连接线和输入端，所述第一导电连接线电连接所述输入端的第一端和所述第一导电层；

第二导电连接线和输出端，所述第二导电连接线电连接所述输出端的第一端和所述第一导电层。

8.如权利要求7所述的功率器件，其特征在于，所述壳体还包括框体和盖体，所述盖体连接所述框体，并密封所述框体的开口，其中，所述框体上设置有第一开孔和第二开孔，所述输出端插设于所述第一开孔中，并且所述输出端的第二端位于所述盖体上方，所述输入端插设于所述第二开孔中，并且所述输入端的第二端位于所述盖体上方。

9.如权利要求8所述的功率器件，其特征在于，还包括封装材料，所述封装材料设置于所述框体内，并覆盖所述芯片、部分所述第一导电层、部分所述导热块。

10.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括如权利要求1至9任一项所述的功率器件。

Images