TWM506371U - 一種整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構 - Google Patents

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Chen-Wei Yin
Kuei-Jen Kao
dong-xiao He
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Yangzhou Hy Technology Dev Co Ltd
Hy Electronic Cayman Ltd
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    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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Description

一種整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構
本創作涉及一種功率半導體模組結構，尤指一種整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構。
功率半導體模組常作為核心裝置與其他外圍結構，例如散熱器、驅動電路電源板、以及CPU控制板等進行組合形成功率半導體模組，從而實現各種功能，在變頻器、UPS、電焊機等電力電子領域得到了廣泛使用。例如在變頻器中，功率半導體模組與散熱器、驅動電路電源板和CPU控制板的一般組合方式如第1圖所示，功率半導體模組1底部均勻塗抹導熱矽脂15後用螺絲鎖在風冷散熱器16上，驅動電路電源板14焊接在功率半導體模組1上面，CPU板3通過插拔信號綫連接在驅動電路電源板14上，其中功率半導體模組由專門的模組廠商提供，而其餘部分則由變頻器或者其他終端廠商自行設計。這種配合方式的優點是工程師可以根據已有的功率半導體模組自由設計外圍組件，產品靈活性大，設計簡單，拆裝、更換方便；缺點 是形成的功率半導體模組體積大，整合度低。以變頻器為例，通過研究和分析，它之所以體積大、整合度低，有15%是因為現有功率半導體模組的驅動電路電源板、CPU板的體積較大，另外70%是與功率半導體模組的散熱器體積有關(而散熱器的體積又與模組的功耗成正比)。
針對先前技術的弊端，各個廠商分別做了改進：有的公司將驅動電路電源板，拆封成為驅動電路板2和電源板4，然後將驅動電路板2整合在功率半導體模組1內部，進行環氧埋置，如第2圖所示，形成的功率半導體模組被稱作IPM(智慧功率模組)。這種拆分方式可以在一定程度上提高整合度、减小體積，但是减小的體積非常有限，小於10%；而且因為驅動電路板被環氧埋置在功率半導體模組內部，難以拆卸替換，因此靈活度不够高且不易維修。而歐洲模組廠商Semikron採用壓接技術，將功率半導體模組1直接用機械彈簧的方式壓在平整的水冷散熱器17，如第3圖所示，這樣可以將散熱器的體積减小到原來的1/3左右，因此减小了整個功率半導體模組的體積，提高了效率，但是使用的壓接設備和方法複雜較難實現，而且水冷散熱器17一般比較複雜昂貴，因此該方式形成的功率半導體模組適合用在高端場合。其他廠商比如英飛淩，采用新一代低功耗晶片，充分减小了散熱器的體積，這是目前最為直接有效的方式。然而要想在不减小輸出功率的情况下减小散熱器體積，需要將功率半導體模組內部的晶片換成技術功耗更低的新一代晶片，該技術目前被幾個國際大公司壟 斷；而且晶片更新換代投資巨大，周期長，幾年甚至幾十年都有可能。
綜上，先前技術對功率半導體模組的結構改進方式要不是整合度偏低，靈活度减小，就是成本較高，改進周期長，因此需要設計一種新的功率半導體模組結構。
本創作所要解决的技術問題是提供一種整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，以解决先前技術中功率半導體模組結構體積大、整合度偏低的技術問題。
本創作解决上述技術問題的技術方案如下：包括功率半導體模組、第一控制電路板和第二控制電路板，該功率半導體模組包括晶片、DBC板、散熱器和容置該DBC板和晶片的模組外殼；該DBC板焊接在該散熱器的上表面；該晶片焊接在該DBC板上表面，該晶片上覆蓋有矽膠保護層；該模組外殼上靠近該DBC板兩端處設有第一插槽和第二插槽，該第一、第二插槽內分別設有第一電極端子和第二電極端子，該第一控制電路板固定在該第一電極端子上，該第二控制電路板固定在該第二電極端子上，且該第二控制電路板的安裝位置高於該矽膠保護層的上表面。
在上述技術方案的基礎上，本創作還可以做如下改進。
進一步，該第一控制電路板通過插拔或焊接固定在該第一電極端子上。
進一步，該第二控制電路板通過插拔或焊接固定在該 第二電極端子上。
進一步，該散熱器底部固定有散熱片。
進一步，該散熱器為至少兩層結構的複合板，該DBC板焊接在該複合板最上層的上表面，該複合板的底部設有凹槽，該散熱片安插在該凹槽內。
進一步，該散熱器為上層銅層、中間鋁層和底層銅層組成的銅鋁銅三層複合板，該DBC板焊接在上層銅層表面，該底層銅層上設有用於安插該散熱片的凹槽。
進一步，該第一控制電路板為電源板，該第二控制電路板為驅動電路板。
進一步，還包括CPU板，該CPU板通過插拔信號綫與該驅動電路板相連接。
進一步，該第一控制電路板為電源板，該第二控制電路板為驅動CPU整合電路板。
進一步，該第一控制電路板為電源板的電容變壓整合板，該第二控制電路板為電源板的保護線路板。
本創作的有益效果是：本創作提出一種整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，將第一控制電路板、第二控制電路板分別整合到帶有散熱片的功率半導體模組上，不僅體積减小了30%，而且後期配合新的晶片技術，體積還可以得到進一步降低；同時各個控制板獨立固定，當出現故障的時候，各個控制板都可以直接更換，提高了功率半導體模組維修和更換的靈活性。
1‧‧‧功率半導體模組
2‧‧‧第二控制電路板、驅動電路板
3‧‧‧CPU板
4‧‧‧第一控制電路板、電源板
5‧‧‧DBC板
6‧‧‧模組外殼
7‧‧‧晶片
8‧‧‧矽膠保護層
9.1‧‧‧第一插槽
9.2‧‧‧第二插槽
10.1‧‧‧第一電極端子
10.2‧‧‧第二電極端子
11‧‧‧散熱器、複合板
11.1‧‧‧上層銅層
11.2‧‧‧中間鋁層
11.3‧‧‧底層銅層
12‧‧‧凹槽
13‧‧‧散熱片
14‧‧‧驅動電路電源板
15‧‧‧導熱矽脂
16‧‧‧風冷散熱器
17‧‧‧水冷散熱器
第1圖為先前技術用於變頻器的功率半導體模組的結構示意圖；第2及3圖為改進後用於變頻器的功率半導體模組的結構示意圖；第4圖為本創作的整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構的結構示意圖；以及第5圖為實施例1中用於變頻器的整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構的結構示意圖。
以下結合圖式對本創作的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本創作，並非用於限定本創作的範圍。
第4圖為本創作的整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構的結構示意圖，包括功率半導體模組1、第二控制電路板2和第一控制電路板4，該功率半導體模組1包括晶片7、DBC板5、散熱器11和容置該DBC板5和晶片7的模組外殼6；該晶片7焊接在該DBC板5上表面，該晶片7上覆蓋有矽膠保護層8；該模組外殼6上靠近該DBC板5兩端處設有第一插槽9.1和第二插槽9.2，該第一插槽9.1和第二插槽9.2內分別設有第一電極端子10.1和第二電極端子10.2，該第一控制電路板4固定在該第一電極端子10.1上，該第二控制電路板2固定在該第二電極端子10.2上，且第二控制電路板2的安裝位置高於該矽膠保護層8的上表面。
實施例1為用於變頻器的整合散熱器和智慧功率半導 體模組的整機結構，如第5圖所述，為實施例1中用於變頻器的整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構的結構示意圖，該散熱器11為複合板，該複合板11為銅鋁銅三層結構，該DBC板5焊接在上層銅層11.1上表面，複合板11中間層為中間鋁層11.2，底層銅層11.3上設有凹槽12，該凹槽12內安插有散熱片13。在其他實施例中，該複合板11可以為至少兩層結構，該DBC板5焊接在該複合板11最上層的上表面，該複合板11的底部設有凹槽12，該散熱片13安插在該凹槽12內。
實施例1中，該第一控制電路板4為用於提供電源的電源板，第二控制電路板2為驅動電路板，該電源板通過插拔或焊接固定在該第一電極端子10.1上；該驅動電路板通過插拔或焊接固定在該第二電極端子10.2上；該整機結構還包括用於控制該驅動電路板的CPU板3，該CPU板3通過插拔信號綫與該驅動電路板相連接。
在其他實施例中，可以根據實際需要對第一控制電路板和第二控制電路板做具體設置，把較容易損壞的電路板獨立設置在該第二電極端子上，以便更換。比如在另一實施例中，該第一控制電路板為電源板，該第二控制電路板為驅動板和CPU板整合的驅動CPU整合電路板；在另一實施例中，該第一控制電路板為電源板中電容和變壓部分獨立出來的電容變壓整合板，該第二控制電路板為電源板中保護線路部分獨立出來的保護線路板。
本創作提出一種整合散熱器和智慧功率半導體模組 的整機結構，將第一控制電路板、第二控制電路板分別整合到帶有散熱片的功率半導體模組上，不僅體積减小了30%，而且後期配合新的晶片技術，體積還可以得到進一步降低；同時各個控制板獨立固定，當出現故障的時候，各個控制板都可以直接更換，提高了功率半導體模組維修和更換的靈活性。
上述僅為本創作的較佳實施例，並不用以限制本創作，凡在本創作的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本創作的保護範圍之內。
2‧‧‧第二控制電路板
4‧‧‧第一控制電路板
5‧‧‧DBC板
6‧‧‧模組外殼
7‧‧‧晶片
8‧‧‧矽膠保護層
9.1‧‧‧第一插槽
9.2‧‧‧第二插槽
10.1‧‧‧第一電極端子
10.2‧‧‧第二電極端子
11‧‧‧散熱器
11.1‧‧‧上層銅層
11.2‧‧‧中間鋁層
11.3‧‧‧底層銅層
12‧‧‧凹槽
13‧‧‧散熱片

Claims (10)

  1. 一種整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，係包括：功率半導體模組，係包含：晶片，其上覆蓋有矽膠保護層；DBC板；散熱器；及模組外殼，係容置該DBC板和晶片；第一控制電路板；以及第二控制電路板；其中，該DBC板焊接在該散熱器的上表面，而該晶片焊接在該DBC板上表面，且該模組外殼上靠近該DBC板兩端處設有第一插槽和第二插槽，該第一、第二插槽內分別設有第一電極端子和第二電極端子，該第一控制電路板固定在該第一電極端子上，該第二控制電路板固定在該第二電極端子上，且該第二控制電路板的安裝位置高於該矽膠保護層的上表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，其中，該第一控制電路板通過插拔或焊接固定在該第一電極端子上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，其中，該第二控制電路板通過插拔或焊接固定在該第二電極端子上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之整合散熱器和智慧功率 半導體模組的整機結構，其中，該散熱器底部固定有散熱片。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，其中，該散熱器為至少兩層結構的複合板，該DBC板焊接在該複合板最上層的上表面，該複合板的底部設有凹槽，該散熱片安插在該凹槽內。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，其中，該散熱器為上層銅層、中間鋁層和底層銅層組成的銅鋁銅三層複合板，該DBC板焊接在上層銅層表面，該底層銅層上設有用於安插該散熱片的凹槽。
  7. 如申請專利範圍第1、2、3、4、5或6項所述之整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，其中，該第一控制電路板為電源板，該第二控制電路板為驅動電路板。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，更包括CPU板，而該CPU板通過插拔信號綫與該驅動電路板相連接。
  9. 如申請專利範圍第1、2、3、4、5或6項所述之整合散熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，其中，該第一控制電路板為電源板，該第二控制電路板為驅動CPU整合電路板。
  10. 如申請專利範圍第1、2、3、4、5或6項所述之整合散 熱器和智慧功率半導體模組的整機結構，其中，該第一控制電路板為電源板的電容變壓整合板，該第二控制電路板為電源板的保護線路板。
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