CN219660011U - 功率模块以及机电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了功率模块以及机电装置。所述功率模块包括：第一基板，所述第一基板设置有电路层并具有彼此相对的第一侧和第二侧；第一工作器件，所述第一工作器件布置在所述第一侧并与所述电路层形成电连接；以及第二工作器件，所述第二工作器件布置在所述第二侧，其中，在所述第二工作器件和所述第二侧之间具有经由低温焊料在焊接后形成的焊接层。本实用新型能有效克服现有基板在焊接时可能出现裂纹、分层等问题，减少或消除热损坏风险，提高产品质量。

Description

功率模块以及机电装置

技术领域

本实用新型涉及电子器件技术领域，尤其涉及功率模块以及机电装置。

背景技术

随着电子科技发展，在许多装置中已使用了大量电子器件，在这些电子器件的安装、工作等期间有可能产生并积累大量热能，因此经常要面对涉及到热能方面的问题，例如散热处理、热损坏等，以便避免由于过高的温度而可能带来产品性能问题。通常，电子器件是被安装到电路基板上，这样的电路基板可以例如采用DBC(Direct Bonding Copper)工艺、AMB(Active Metal Bonding)工艺等来提供，以便具有较好的导热性能。

本申请经过研究后发现，现有技术在电路基板、电子器件在诸如构造、性能保障等方面还存在可供优化改进的空间。例如，现有电路基板在经历气相焊接工艺时，有时容易出现诸如热裂纹、结构分层等不利现象，比如基板上的模组顶部位置处在焊接过程中可能产生一些细小的热裂纹，从而影响到产品质量。又例如，如果电子器件与电路基板之间的焊接结合处理不妥当，那么不仅会侵占有限空间，而且不利于散热，将会影响到系统工作性能，进而可能形成潜在的安全风险。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了功率模块以及机电装置，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。

根据本实用新型的第一方面，首先提供了一种功率模块，其包括：

第一基板，所述第一基板设置有电路层并且具有彼此相对的第一侧和第二侧；

第一工作器件，所述第一工作器件布置在所述第一侧并且与所述电路层形成电连接；以及

第二工作器件，所述第二工作器件布置在所述第二侧，其中，在所述第二工作器件和所述第二侧之间具有经由低温焊料在焊接后形成的焊接层。

在根据本实用新型的功率模块中，可选地，所述焊接层的厚度范围是100um-300um，并且/或者所述低温焊料是SnBi合金焊料，并且/或者所述低温焊料的熔点温度不大于240℃。

在根据本实用新型的功率模块中，可选地，所述第一工作器件包括半导体器件，所述第二工作器件包括散热器，所述功率模块具有从所述半导体器件经由所述第一基板和所述焊接层至所述散热器的传热路径。

在根据本实用新型的功率模块中，可选地，所述半导体器件通过烧结、键合或焊接方式设置在所述第一侧上，并且/或者所述散热器设置成与所述第一基板沿着所述第二侧的方向平行布置，并且所述散热器在与所述第二侧贴靠的一侧具有不小于所述第一基板的尺寸的散热面。

在根据本实用新型的功率模块中，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，并且所述功率模块还包括与所述电路层电连接的逻辑控制单元，所述逻辑控制单元根据所述输入信号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。

在根据本实用新型的功率模块中，可选地，所述第一工作器件包括场效应晶体管(FET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，所述逻辑控制单元和所述第一工作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(19)向外输出的输出电压信号。

在根据本实用新型的功率模块中，可选地，所述功率模块还包括第二基板，所述第二基板与第一基板分别布置在所述第一工作器件的两侧，并且所述第一工作器件与所述第二基板上的电路层形成电连接。

在根据本实用新型的功率模块中，可选地，所述第一基板是AMB基板或DBC基板，所述第二基板是LTCC基板。

在根据本实用新型的功率模块中，可选地，所述功率模块具有壳体，所述壳体采用绝缘材料制成并布置成至少部分地覆盖所述第一基板、第二基板和所述第一工作器件，所述绝缘材料包括硅胶或热固性树脂材料。

此外，根据本实用新型的第二方面，还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，其中所述工作部件包括电机。

本实用新型通过优化设计，特别是借助于由低温焊料形成的焊接层，能够有效克服在对基板进行焊接处理时可能出现裂纹、结构分层等问题，减少或消除了热损坏风险，提升系统散热性能和工作稳定性，同时还能够促进实现整体紧凑布局。本功率模块具有良好性能，非常适合广泛应用于众多类型的机电装置。

附图说明

图1是一个根据本实用新型的功率模块实施例的构成示意图。

图2是图1所示的功率模块实施例在一种应用示例下的构成示意图。

具体实施方式

首先，在图1中示意性地显示了一个根据本实用新型的功率模块实施例的大致构造情况。如图1所示，在功率模块100中可以设置基板11、第一工作器件12、第二工作器件13、基板16、壳体17等部件，其中还特别展示出了位于基板11和第二工作器件13之间的焊接层14，下面就结合这个实施例来详细介绍本功率模块。

对于基板11，它是用作电子元器件进行电子线路连接的支撑载体，通过其中的电路层可以提供电子线路，用来电连接符合具体应用所需的电子元器件，例如场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管等半导体器件，比如MOSFET、IGBT等，此类电子元器件可以通过诸如烧结(如银烧结)、键合或者焊接(如钎焊)等工艺方式贴装到电路层上。电路层可以按需设置单层线路、两层或更多层并且可具有任何可行的、甚至复杂的线路布局，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。在实际应用中，基板11可使用AMB基板、DBC基板等类型基板产品，本实用新型对此不做限制。例如，在图1实施例中作为示范性说明，展示出采用了AMB基板，在该图中以附图标记110示意性地标示出了位于AMB基板中的陶瓷层。

基板11具有相对置的第一侧111和第二侧112，可以将第一工作器件12和第二工作器件13分别布置这两侧上，比如可通过钎焊工艺等将第二工作器件13焊接到第二侧112上。作为可选情形，第二工作器件13可配置成散热器用于进行散热处理，通常可考虑使用诸如铜、铝、铁或金属合金等具有良好导热性能的合适材料来制成此类散热器。如此，可以形成例如从第一工作器件12经由基板11到第二工作器件13的传热路径，以便对第一工作器件12、基板11等进行散热降温处理。

不同于现有技术，本实用新型提议在将第二工作器件13焊接至基板11的第二侧112上时通过使用低温焊料来形成上述的焊接层14，而不是使用业界常规采用标准气相焊接时所用的焊材和相应工艺来形成焊接层。由于低温焊料的熔点温度通常不大于240℃，因此这与传统方案相对比，在进行焊接时产生的热量会相对较少，从而可以有效减少、甚至消除对基板造成热损坏的风险，克服了现有技术在基板焊接处理时经常出现裂纹、结构分层等问题。

作为举例说明，低温焊料可以选择使用SnBi合金焊料，比如可市购获得的SnBi58(熔点温度一般为139℃)、LF143S(熔点温度一般为143°C)等，根据不同的Sn-Bi合金配置成分可以导致不同的烧结温度。焊接层14的具体厚度可根据应用需要来设置，例如100um-300um等。在使用SnBi合金焊料进行焊接过程中将产生热蒸汽，这些热蒸汽将朝向基板11的第二侧112流动并形成惰性气氛，基板11在此时的无氧环境中加热并与SnBi合金焊料经过焊接后形成焊接层14，该焊接层14由于具有相对更少的氧化物而具有更佳的润湿性，促进实现均匀地散热降温，同时也容易形成更紧凑的结构，促进提高系统整体集成度，这对于改进系统整体散热、提高性能、实现更丰富、更先进的功能应用等方面都是有益的。当然，应当理解的是，本实用新型允许灵活选用相应的低温焊料，以便充分满足不同的实际应用需要。

功率模块100可通过例如柔性导电体20等与一个或多个其他的元器件进行连接，用来实现符合实际需要的功能应用。例如，在图2中展示了图1所示功率模块实施例的一种应用示例情形。

具体来讲，可以在基板11的电路层上设置诸如电源接口、输入接口、输出接口等各种可能接口，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2中具体展示了可以通过例如柔性导电体20，将基板11的电源接口与诸如直流电连接器300等元器件进行电连接，该直流电连接器300可通过例如柔性导电体20与诸如电磁过滤器400等元器件进行连接，电磁过滤器400可以具有PCB控制板40用来进行电磁过滤控制处理，这在图2中也给出了示例性阐释。

功率模块100可以可选地通过例如柔性导电体20与逻辑控制单元15相连，该逻辑控制单元15可以与基板11的电路层形成电连接，并且可根据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，例如当第一工作器件12设置为场效应晶体管(如MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管时，可以通过此类半导体器件和逻辑控制单元15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通过例如与电路层相连的柔性导电体20向外提供给工作部件200(例如电机等，比如无刷电机)，在图2中已经使用附图标记M对工作部件200进行了示范性展示，或者将上述输出电压信号用于诸如逆变器等元器件，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。

继续参考图1和图2，在功率模块100中还设置了作为可选配置的基板16。基板16使用任何可行的基板类型，包括但不限于例如LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)基板等，可以将它与基板11分别布置在第一工作器件12的两侧，第一工作器件12可以与基板16上的电路层形成电连接来实现一部分功能应用，例如实现电路驱动等。应当理解，根据不同应用需要，可以允许一个或一些第一工作器件12仅与基板11或基板16进行电连接，或者允许一个或一些第一工作器件12可同时与基板11或基板16进行电连接，从而使得本功率模块能灵活地应用于各种复杂、先进的功能应用场合。

作为示例说明，功率模块100可设置具有绝缘性能的壳体部分，这在图1中使用附图标记17进行了对应标示。根据不同应用情况，壳体17可采用诸如硅胶、热固性树脂或者其他适宜材料来制成，通过壳体17可以按需全部地或者部分地包覆基板11、基板16、第一工作器件12等部分，以便对它们起到绝缘保护、防止灰尘等杂物侵入等防护目的。

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、基板16、第一工作器件12、第二工作器件13等具体类型、功能构造、设置数量、布置位置等情况，可以根据不同实施场合来进行设定，本实用新型对此不做出具体限制。

举例来讲，在图1实施例中仅示意性地示出了可以在基板11上布置三个第一工作器件12，将它们电连接到基板11和基板16的电路层的不同位置处，并可以通过相应的传热路径对它们各自进行散热降温处理，而其他实施例中则可以在基板11或基板16(如果配置的话)上布置了一个、两个或更多个的第一工作器件12，这些修改都是用于示范性说明目的。

再举例说明，可以第二工作器件13可选地设置成与基板11二者在沿着第二侧112的方向上形成平行布置，以便促使在第二工作器件13用作散热器使用时能获得相对较大的散热接触面积。此外，作为一种可选情形，可以将第二工作器件13设置成在朝向第二侧112的一侧上具有大于或等于基板11的尺寸的散热面，以便有利于促进整体散热效果。例如图2所示，可以考虑将其他元器件也布置在用作散热器的第二工作器件13上，用来对其中一个或多个元器件进行散热处理，从而在系统整体上促进获得更佳的全面的散热降温处理效果，在图2中对此类元器件进行了相应的示例性标示，例如直流电连接器300、电磁过滤器400等。

根据本实用新型设计思想，进一步提供了一种机电装置。可以在该机电装置中设置工作部件和根据本实用新型的功率模块，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，在图2给出的实施例中对此已经给出了示范性展示。上述的工作部件允许具有众多的实施类型，例如在一个或一些典型应用场合下，工作部件可以是电机，诸如无刷电机等。

如前所述，在根据本实用新型的功率模块中，通过设置经由低温焊料进行焊接后形成的焊接层结构，由此能够有效解决现有基板在焊接时由于形成裂纹、结构分层等影响到产品性能的问题，同时在散热性能、工作性能、功能应用等方面具有突出优势，从而能促进提升功率模块的产品质量，进而保证机电装置具有良好的工作性能。需要指出的是，根据本实用新型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：

第一基板(11)，所述第一基板(11)设置有电路层并且具有彼此相对的第一侧(111)和第二侧(112)；

第一工作器件(12)，所述第一工作器件(12)布置在所述第一侧(111)并且与所述电路层形成电连接；以及

第二工作器件(13)，所述第二工作器件(13)布置在所述第二侧(112)，其中，在所述第二工作器件(13)和所述第二侧(112)之间具有经由低温焊料在焊接后形成的焊接层(14)。

2.根据权利要求1所述的功率模块(100)，其中，所述焊接层(14)的厚度范围是100um-300um，并且/或者所述低温焊料是SnBi合金焊料，并且/或者所述低温焊料的熔点温度不大于240℃。

3.根据权利要求1所述的功率模块(100)，其中，所述第一工作器件(12)包括半导体器件，所述第二工作器件(13)包括散热器，所述功率模块(100)具有从所述半导体器件经由所述第一基板(11)和所述焊接层(14)至所述散热器的传热路径。

4.根据权利要求3所述的功率模块(100)，其中，所述半导体器件通过烧结、键合或焊接方式设置在所述第一侧(111)上，并且/或者所述散热器设置成与所述第一基板(11)沿着所述第二侧(112)的方向平行布置，并且所述散热器在与所述第二侧(112)贴靠的一侧具有不小于所述第一基板(11)的尺寸的散热面。

5.根据权利要求1-4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，并且所述功率模块(100)还包括与所述电路层电连接的逻辑控制单元(15)，所述逻辑控制单元(15)根据所述输入信号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。

6.根据权利要求5所述的功率模块(100)，其中，所述第一工作器件(12)包括场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管，所述逻辑控制单元(15)和所述第一工作器件(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。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的功率模块(100)，其中，所述功率模块(100)还包括第二基板(16)，所述第二基板(16)与第一基板(11)分别布置在所述第一工作器件(12)的两侧，并且所述第一工作器件(12)与所述第二基板(16)上的电路层形成电连接。

8.根据权利要求7所述的功率模块(100)，其中，所述第一基板(11)是AMB基板或DBC基板，所述第二基板(16)是LTCC基板。

9.根据权利要求7所述的功率模块(100)，其中，所述功率模块(100)具有壳体(17)，所述壳体(17)采用绝缘材料制成并布置成至少部分地覆盖所述第一基板(11)、第二基板(16)和所述第一工作器件(12)，所述绝缘材料包括硅胶或热固性树脂材料。

10.一种机电装置，其特征在于，包括：

如权利要求1-9中任一项所述的功率模块(100)；以及

工作部件(200)，所述工作部件(200)与所述功率模块(100)的输出接口电连接，其中所述工作部件(200)包括电机。