CN220856561U - 功率模块的散热结构和功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率模块的散热结构和功率模块。其中，散热结构包括：导热基板，具有第一表面和用于安装功率器件的第二表面，第一表面设有金属散热层；散热罩，安装在导热基板的第一表面，并与导热基板之间围合成容纳冷却工质的蒸发腔，蒸发腔具有设置在散热罩的内壁和金属散热层上的毛细结构。本实用新型中，用于安装功率器件的导热基板形成蒸发腔的一部分，使得冷却工质可直接接触导热基板，以实现快速散热。

Description

功率模块的散热结构和功率模块

技术领域

本实用新型涉及功率模块的散热结构和采用该散热结构的功率模块。

背景技术

包括IGBT芯片和/或MOSFET芯片等功率器件的功率模块广泛应用在各种电力电子设备上，此类功率器件工作时会产生大量热量，如果功率模块不能及时将所产生的热量散发，将严重影响功率器件及其周边电子元件的工作。

现有技术中，功率模块普遍采用散热器进行散热。作为改进，在一些现有技术中，功率模块被连接到均温板或热管上，均温板或者热管再连接到散热器，以通过均温板或热管将功率模块内的热量更快速地传导至散热器。其中，均温板或热管一般通过导热介质(例如导热垫)连接到功率模块的导热基板上，在连接界面处产生的热阻会影响从功率模块到均温板或热管的传热效率。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的主要目的是提供一种功率模块的散热结构，以进一步提高功率模块的散热性能。

本实用新型的另一目的是提供具有上述散热结构的功率模块。

为了实现上述主要目的，本实用新型的第一方面公开了一种功率模块的散热结构，包括：

导热基板，具有第一表面和用于安装功率器件的第二表面，所述第一表面设有金属散热层；

散热罩，安装在导热基板的第一表面，并与导热基板之间围合成容纳冷却工质的蒸发腔，该蒸发腔具有设置在散热罩的内壁和金属散热层上的毛细结构。

进一步地，上述功率模块的散热结构还包括：水箱，设有进水口和出水口；散热罩至少部分地容纳在水箱的内部。功率模块工作时，水箱内的循环水流可快速带走散热罩的热量，以实现更佳的散热性能。

根据本实用新型的一种具体实施方式，导热基板包括绝缘基板和设置在绝缘基板内的金属块或者陶瓷块；其中，金属块直接连接到金属散热层，陶瓷块直接或通过金属箔连接到金属散热层。

根据本实用新型的另一具体实施方式，导热基板包括陶瓷芯板，金属散热层设置在陶瓷芯板的表面。

进一步地，蒸发腔内设有支撑毛细结构的支撑结构，以避免或减少毛细结构坍塌或者脱落的发生。

进一步地，散热罩的底壁具有中空或非中空的散热柱，以增大散热罩的散热面积。

为了实现上述的另一目的，本实用新型的第二方面提供了一种功率模块，其包括功率器件以及如上所述的任意一种散热结构，功率器件安装在导热基板的第二表面上。

进一步地，功率模块还包括封装体，其设置在导热基板的第二表面，并将功率器件封装在其内部。

进一步地，封装体背对导热基板的表面可以设有与功率器件电连接的表面线路。功率模块的功率脚位和信号脚位均可以设置在该表面线路中，以简化其外部电连接结构。

进一步地，封装体包括多层绝缘芯板，封装体的内部具有设置在绝缘芯板表面的内层导电线路。

本实用新型中，安装功率器件的导热基板形成蒸发腔的一部分，使得蒸发腔内的冷却工质可直接接触导热基板，以消除导热基板与蒸发腔之间的热阻，从而可进一步提高功率模块的散热性能。

为了更清楚地说明本实用新型的目的、技术方案和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例2的结构示意图；

图3是本实用新型实施例3的结构示意图；

图4是本实用新型实施例4的结构示意图；

图5是本实用新型实施例5的结构示意图；

图6是本实用新型实施例6的结构示意图。

具体实施方式

在下面的描述中结合实施例阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但应当理解的是，以下的实施例和详细描述仅用于说明的目而不限制本实用新型的保护范围。

如图1-6所示，实施例的功率模块包括导热基板10、一个或多个功率器件20(例如IGBT芯片)和散热罩30。其中，导热基板10具有相对设置的第一表面和第二表面，散热罩30与导热基板10的第一表面连接，功率器件20设置在导热基板10的第二表面上。

散热罩30与导热基板10之间的连接可以采用焊接连接或者紧固件(例如螺钉或螺栓)固定连接，本实用新型对此不作限制。其中，散热罩30与导热基板10之间围合成容纳冷却工质的蒸发腔40，蒸发腔40内形成负压环境；冷却工质可以选用水、乙醇、丙酮等中的任意一种或多种，本实用新型对此不作限制。

蒸发腔40的内壁设有毛细结构，以使得热量可以从导热基板10快速传导至散热罩30。其中，毛细结构可以是烧结金属粉末(例如铜粉)形成的多孔金属层、采用纤维丝或金属丝(例如铜丝的)编织形成的毛细网和/或在蒸发腔40的内壁加工出的毛细槽。毛细结构还可以通过已知的其他方式制作，本实用新型对此不作限制。

导热基板10的第一表面设有作为金属散热层的第一金属层11，第一金属层11可以包括厚度为0.2mm～1.0mm的铜箔层，该铜箔层的表面可以具有耐蚀涂层。在一个具体的实施方式中，毛细结构包括设置在第一金属层11上的金属丝编织毛细网41a和设置在散热罩30的内壁的多孔金属层41b，金属丝编织毛细网41a的边缘与多孔金属层41b接触，形成连续的毛细结构。其中，金属丝编织毛细网41a可以通过焊接的方式设置在第一金属层11上。

优选的，蒸发腔40内设有支撑毛细结构的支撑结构，以避免或减少毛细结构坍塌或者脱落的发生。图示的实施例中，支撑结构包括设置在散热罩30的底壁31和导热基板10之间的多个支撑柱42。支撑结构也可以采用例如三维骨架、波形板等能够支撑毛细结构的其他结构，本实用新型对此不作限制。

本实用新型中，散热罩30的底壁31可以形成平板状，也可以具有中空或非中空的散热柱，该散热柱的设置可以增大散热罩30的散热面积。在一些实施例中，如图1、图5和图6所示，散热罩30的底壁31形成平板状；在一些实施例中，如图2所示，散热罩30的底壁31具有多个非中空(实心结构)的散热柱32；在一些实施例中，如图3和图4所示，散热罩30的底壁31具有多个中空的散热柱32，多个中空散热柱32的内壁同样具有毛细结构。

优选的，如图1-图6所示，实施例中散热罩30的至少一部分容纳在水箱50内，水箱50设有进水口51和出水口52。功率模块工作时，水箱50内的循环水流可以快速带走散热罩30的热量。水箱50可以与散热罩30或导热基板10固定连接。可选的，水箱50与导热基板10固定连接，使得散热罩30完全容纳在水箱50内部，以提供更佳的散热性能。水箱50与导热基板10之间的连接可以采用焊接连接或者紧固件(例如螺钉或螺栓)固定连接，本实用新型对此不作限制。

实施例中，导热基板10的第二表面设有与功率器件20连接的第二金属层12，第二金属层12可以包括厚度为0.2mm～1.0mm的铜箔层。第二金属层12可以具有导电图形121，即起到传输电流的作用，也可以仅用于进行导热而不传输电流，具体可以根据功率器件20的结构进行设定。导热基板10具有设置在第一金属层11和第二金属层12之间的绝缘介质，该绝缘介质可以是陶瓷芯板或嵌有导热元件(例如金属块或陶瓷块)的绝缘基板，本实用新型对此不作限制。

在一些实施例中，如图1-3和图5-6所示，导热基板10为陶瓷基板，其包括陶瓷芯板13a，第一金属层11和第二金属层12分别设置在陶瓷芯板13a的两个相对表面。在一些实施例中，如图4所示，第一金属层11和第二金属层12之间的绝缘介质为嵌有陶瓷块131的绝缘基板13b，陶瓷块131的两侧分别通过金属箔132(例如铜箔)与第一金属层11和第二金属层12焊接连接。绝缘基板13b可以是具有层压结构的FR-4基板或者具有一体成型结构的树脂基板，本实用新型对此不作限制。

作为前述实施例的一种变化，陶瓷块131也可以与第一金属层11和第二金属层12直接连接(例如通过活性金属钎焊连接)。作为前述实施例的另一种变化，也可以在绝缘基板13b内设置金属块(例如铜块)作为导热元件，该金属块可以与第一金属层11和第二金属层12直接连接，也可以与第一金属层11或第二金属层12形成一体成型结构。其中，例如金属块或陶瓷块的导热元件可以在绝缘基板13b中形成具有较好导热性能的导热通道，以将功率器件20产生的热量快速传导至第一金属层11。

进一步地，导热基板10的第二表面设有封装体60，封装体60可以是具有一体成型结构的树脂封装体或者是具有层压结构的封装体，本实用新型对此不作限制。在一些实施例中，如图1-4和6所示，封装体60为具有一体成型结构的树脂封装体。在一些实施例中，如图5所示，封装体60具有层压结构，其包括多层绝缘芯板601(例如FR-4芯板)和多层粘结片602(例如固化片)；进一步地，封装体60内可以具有设置在绝缘芯板601表面的内层导电线路(图中未示出)。

功率器件20设置在封装体60的内部，封装体60背对导热基板10的表面设有与功率器件20电连接的表面线路61，功率模块的功率引脚和信号引脚可以设置在表面线路61中，以便于实现外部电连接。功率器件20与表面线路61的电连接结构可以根据功率器件20的具体结构加以设计，本实用新型对此不作限制。

在一些实施例中，如图1和图2所示，功率器件20的第一表面设有S极211和G极212，功率器件20的第二表面设有D极213，S极211和G极212通过对应的金属化互连孔631分别电连接到表面线路61的第一脚位611和第二脚位612；D极213与第二金属层12中的导电图形121连接，并进一步通过封装体60内的导电块62(例如铜块)电连接到表面线路61的第三脚位613；其中，第一脚位611和第三脚位613为连接较大电流的功率脚位，第二脚位612为连接较小电流的信号脚位，S极211与第一脚位611之间的金属化互连孔631优选为多个，以利于传输较大电流和进行散热。作为一种变化，导电图形121也可以通过对应的金属化互连孔电连接到表面线路61的第三脚位613。

在一些实施例中，如图6所示，功率器件20的S极211和G极212与第二金属层12的导电图形121电连接；S极211进一步通过封装体60内的导电块62(例如铜块)电连接到表面线路61的第一脚位611，G极212进一步通过封装体60内的金属化互连孔632D极213电连接到表面线路61的第二脚位612，D极213通过多个金属化互连孔631电连接到表面线路61的第三脚位613。

在一些实施例中，如图3和4所示，功率器件20的多个电极集中设置在其第一表面，与其第一表面相对的第二表面为仅用于进行散热的散热面。此时功率器件20第一表面上的多个电极可以通过对应的金属化互连孔631或导电块电连接到表面线路61，功率器件20的第二表面则仅与第二金属层12进行热连接，第二金属层12相应的可以具有非图形化结构。

需说明的是，除非存在相互矛盾或排斥的情形，否则以上所公开的不同实施例可以相互引用、参照或组合，不同实施例的技术特征/部件也可以进行相互的组合和/或替换。

虽然以上通过实施例描绘了本实用新型，但上述实施例仅用于示例性地描述本实用新型的可实施方案，而非用于限制本实用新型的保护范围，凡本领域技术人员依照本实用新型所作的同等置换或变化，应同样为本实用新型权利要求所限定的保护范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种功率模块的散热结构，其特征在于包括：

导热基板，具有第一表面和用于安装功率器件的第二表面，所述第一表面设有金属散热层；

散热罩，安装在所述导热基板的第一表面，并与所述导热基板之间围合成容纳冷却工质的蒸发腔，所述蒸发腔具有设置在所述散热罩的内壁和所述金属散热层上的毛细结构。

2.根据权利要求1所述功率模块的散热结构，其特征在于还包括：水箱，设有进水口和出水口；所述散热罩至少部分地容纳在所述水箱的内部。

3.根据权利要求1所述功率模块的散热结构，其特征在于：所述导热基板包括绝缘基板和设置在所述绝缘基板内的金属块或者陶瓷块；所述金属块直接连接到所述金属散热层，所述陶瓷块直接或通过金属箔连接到所述金属散热层。

4.根据权利要求1所述功率模块的散热结构，其特征在于：所述导热基板包括陶瓷芯板，所述金属散热层设置在所述陶瓷芯板的表面。

5.根据权利要求1所述功率模块的散热结构，其特征在于：所述蒸发腔内设有支撑所述毛细结构的支撑结构。

6.根据权利要求1所述功率模块的散热结构，其特征在于：所述散热罩的底壁具有中空或非中空的散热柱。

7.一种功率模块，其特征在于：所述功率模块包括功率器件以及如权利要求1-6任一项所述的散热结构，所述功率器件安装在所述导热基板的第二表面上。

8.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于还包括：

封装体，设置在所述导热基板的第二表面，并将所述功率器件封装在其内部。

9.根据权利要求8所述的功率模块，其特征在于：所述封装体背对所述导热基板的表面设有与所述功率器件电连接的表面线路。

10.根据权利要求8所述的功率模块，其特征在于：所述封装体包括多层绝缘芯板，所述封装体的内部具有设置在所述绝缘芯板表面的内层导电线路。