TWM592106U

TWM592106U - 功率模組

Info

Publication number: TWM592106U
Application number: TW108213651U
Authority: TW
Inventors: 趙國亨
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-03-11

Abstract

本案關於一種功率模組，其包含基板、電子元件、第一焊接層、散熱塊體以及散熱器件。基板係包含第一表面。電子元件係設置於基板。第一焊接層係設置於基板之第一表面，並對應電子元件。散熱塊體係連接第一焊接層，並透過第一焊接層設置於基板之第一表面。散熱器件係可分離地組接於基板之第一表面，且包含容置槽以及開口，其中開口與容置槽相連通，且容置槽係架構於導引冷卻流體。其中，基板係密封散熱器件之開口，且第一焊接層以及散熱塊體係通過開口而容置於容置槽中。

Description

功率模組

本案係關於一種功率模組，尤指一種利用直接水冷方式進行散熱之功率模組。

隨著科技的快速發展，電子設備日趨小型化、精密化，而功率模組作為電子設備中電能轉換與電路控制的核心部件，亦必須在提高效率的同時減小體積來提高功率密度。然而，在功率密度提升的同時，功率元件運作時所產生的熱亦隨之增加，故功率模組的散熱需求也日漸提升。

第1圖係揭示習知功率模組之剖面結構示意圖。如第1圖所示，當功率模組有高效散熱的需求而必須使用水冷散熱方法時，習知功率模組9之功率元件91係設置於基板92上，而基板92與裝有冷卻水W的散熱器94之間係塗佈熱介面材料93（Thermal Interface Material, TIM）以使兩者相貼合。藉此，功率元件91所產生的熱經由基板92及熱介面材料93傳導至散熱器94之殼體，再傳導至其中的冷卻水W中，透過冷卻水W移除熱。然熱介面材料93主要的功用係在於填補基板92與散熱器94接合時兩者表面間產生的微空隙及物體表面的孔洞以維持熱傳導路徑，其相較於微空隙及孔洞中的空氣雖具有較佳的傳熱係數，但仍不足以及時地將現行具高功率密度之功率模組9所產生的熱傳導至冷卻水W中，使得功率元件91的運作受到影響。

因此，實有必要提供一種解決習知技術缺陷之功率模組，進一步提升散熱效果以維持功率模組的正常運作。

本案之目的在於提供一種功率模組，俾解決並改善前述先前技術之問題與缺點。

本案之又一目的在於提供一種功率模組，適用於直接水冷之散熱方式，且藉由設置在基板的第一表面上並直接浸泡於散熱器件之冷卻流體中的散熱塊體，可縮短電子元件的熱傳導路徑且降低熱阻，並提升與冷卻流體直接接觸的表面積，俾提升功率模組的散熱效能。

本案之又一目的在於提供一種功率模組，透過將複數個散熱塊體設置於基板，達到提升基板與散熱塊體的接合可靠度、提升散熱塊體的應用的靈活性及功率模組的設計彈性之功效。

本案之又一目的在於提供一種功率模組，其中電子元件與散熱塊體可藉由同樣的方式，例如表面黏著技術，設置於基板上，可簡化功率模組製程並降低生產成本。

為達前述目的，本案提供一種功率模組，包含基板、電子元件、第一焊接層、散熱塊體以及散熱器件。基板係包含第一表面。電子元件係設置於基板。第一焊接層係設置於基板之第一表面，並對應電子元件。散熱塊體係連接第一焊接層，並透過第一焊接層與基板之第一表面連接。散熱器件係可分離地組接於基板之第一表面，且包含容置槽以及開口，其中開口與容置槽相連通，且容置槽係架構於導引冷卻流體。其中，基板係密封散熱器件之開口，且第一焊接層以及散熱塊體係通過開口而容置於容置槽中。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用於限制本案。

請參閱本案第2圖至第5A圖。第2圖係揭示本案第一實施例之功率模組之結構示意圖。第3圖係揭示第2圖所示之功率模組之結構爆炸圖。第4圖係揭示第2圖所示之功率模組之基板與散熱塊體之結構示意圖。第5A圖係揭示第2圖所示之功率模組於A-A’切面之剖面結構示意圖。如圖所示，本案係提供一種功率模組1，其包含基板2、電子元件3、第一焊接層41、散熱塊體5、第二焊接層42以及散熱器件6。基板2係包含第一表面2a以及與第一表面2a相對之第二表面2b。電子元件3係設置於基板2之第二表面2b。第一焊接層41係設置於第一表面2a上，且對應第二表面2b上的電子元件3設置。第二焊接層42係設於基板2之第二表面2b，並對應電子元件3。散熱塊體5係連接該第一焊接層41，並透過第一焊接層41設置於基板2之第一表面2a。散熱器件6係可分離地組接於基板2之第一表面2a，且包含容置槽61以及開口62。開口62與容置槽61相連通，且容置槽61係架構於導引冷卻流體。其中，基板2係密封散熱器件6之開口62，且第一焊接層41以及散熱塊體5係通過開口62而容置於容置槽61中，以透過其中的冷卻流體將電子元件3傳導至散熱塊體5的熱移除，俾實現對電子元件3之散熱。於本實施例中，電子元件3可為例如但不限於功率場效電晶體或絕緣閘雙極電晶體。

如第3圖所示，於本實施例中，散熱器件6更包含流體入口63及流體出口64。流體入口63及流體出口64係與容置槽61相連通，用以將冷卻流體導入及導出容置槽61。於本實施例中，流體入口63與流體出口64係分別設置於散熱器件6的兩相對側，但並不以此為限。散熱器件6之容置槽61、流體出口64及流體入口63之設計係可依實際需求任施變化。冷卻流體可例如但不限於液體或氣體，例如水或空氣。散熱器件6更包含一密封襯墊65，例如但不限於環形密封膠條，設置於開口62的周緣，用以在當基板2與散熱器件6相堆疊組合後，將基板2與散熱器件6之接合處密封，以提供防冷卻流體洩漏的功能。於本實施例中，基板2與散熱器件6可透過複數個固定件7相互鎖固，該固定件7可例如但不限於螺絲或铆釘。藉此，設置於基板2之第一表面2a上的散熱塊體5可直接浸泡於散熱器件6的冷卻流體中，以直接水冷的方式提升散熱效能。

如第3及5A圖所示，於本實施例中，散熱塊體5可為具高熱傳導係數的金屬塊，且可例如但不限於透過表面黏著技術（Surface-mount technology, SMT）設置於基板2的第一表面2a，第一焊接層41及第二焊接層42係可例如但不限於錫膏。藉此，可縮短電子元件3至冷卻流體的熱傳導路徑且降低熱阻，使電子元件3所產生的熱依序經由第二焊接層42、基板2、第一焊接層41及散熱塊體5傳導至散熱器件6之容置槽61中的冷卻流體。此外，透過複數個第一焊接層41將複數個散熱塊體5設置於基板2的第一表面2a，不僅可提升與冷卻流體直接接觸的表面積，提升功率模組1的散熱效能，且更可使基板2與散熱塊體5之接合可靠度提升。

需強調的是，由於複數個散熱塊體5係個別透過表面黏著技術設置於基板2的第一表面2a，故散熱塊體5之形狀及分布係可依實際需求任施變化，且各個散熱塊體5之形狀亦可相同或互不相同，藉此可提升功率模組1的設計彈性，以利於提升散熱效能並提升集成度。舉例而言，於本實施例中，散熱塊體5可具有特殊的輪廓設計，例如但不限於凹凸結構，以更進一步增加表面積，俾提升散熱效能。

請續參閱第5A圖。如圖所示，基板2包含絕緣層21、金屬層22以及線路層23。於本實施例中，金屬層22係設置於絕緣層21的底面，且其與絕緣層21連接之相對面係定義出基板2的第一表面2a。線路層23係設置於絕緣層21之頂面，且其與絕緣層21連接之相對面係定義出基板2之第二表面2b。於本實施例中，第二焊接層42係設置於基板2之第二表面2b，電子元件3係透過設置於第二表面2b之第二焊接層42與線路層23連接。換言之，電子元件3亦可例如但不限於透過表面黏著技術設置於基板2之第二表面2b。是以，本案可透過相同的方式，例如表面黏著技術，將電子元件3及散熱塊體5設置於基板2上，可達到簡化功率模組1製程及降低生產成本的功效。惟需強調的是，基板2之結構、電子元件3之設置位置及設置方式並不以上述為限。於一些實施例中，基板2係以直接覆銅(Direct bond Copper，DBC)基板或絕緣金屬基板(Insulated metal substrate，IMS)為較佳，但不以此為限。

請續參閱第5B及5C圖。第5B圖係揭示本案第二實施例之功率模組之剖面結構示意圖。第5C圖係揭示本案第三實施例之功率模組之剖面結構示意圖。於第5B圖所示之第二實施例中，基板2之線路層23係設置於絕緣層21之頂面，定義出基板2之第二表面2b，且更設置於絕緣層21之內部。而電子元件3係與第一實施例相類似地，透過設置於基板2之第二表面2b之第二焊接層42與線路層23連接。於本實施例中，基板2以多層印刷電路板為較佳。於第5C圖所示之第三實施例中，基板2之線路層23係與第二實施例相類似地，設置於絕緣層21之頂面及內部，惟電子元件3係嵌設於基板2之內部，並與絕緣層21內部的線路層23連接。於本實施例中，基板2以多層印刷電路板為較佳，且電子元件3係內嵌式電子元件。因此，本案散熱塊體5之設置並不受限於基板2之類型及電子元件3之設置方式，極具廣泛的適用性。

於上述實施例中，絕緣層21可為由樹脂絕緣材料構成之預浸材料(Prepreg, PP)，金屬層22之材質可為鋁或銅，線路層23之材質可為銅，但並不以此為限。值得補充的是，功率模組1之控制線路係設置在基板2上未與散熱器件6對應之電路佈設區2c，但並不以此為限。該電路佈設區2c可位於基板2之第一表面2a及/或第二表面2b，控制線路可設置於電路佈設區2c中，藉此進一步提升功率模組1之集成度。

綜上所述，本案所提供之功率模組係可適用於直接水冷之散熱方式，且藉由設置在基板的第一表面上並直接浸泡於散熱器件之冷卻流體中的散熱塊體，可縮短電子元件的熱傳導路徑及降低熱阻，並提升與冷卻流體直接接觸的表面積，俾提升功率模組的散熱效能，解決習知技術散熱效果不佳的問題，使電子元件所產生的熱可及時地被移除而不會影響功率模組的運作。由於複數個散熱塊體係個別透過複數個第一焊接層設置於基板，故不僅使基板與散熱塊體的接合可靠度提升，且散熱塊體的材料、形狀及分布亦可因應實際需求任施變化而不受基板的類型及電子元件之設置方式限制，是以具有較佳的設計彈性及應用的靈活性。此外，電子元件與散熱塊體亦可藉由同樣的方式，例如表面黏著技術，設置於基板上，進而達到簡化功率模組製程及降低生產成本之功效。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1:功率模組 2:基板 2a:第一表面 2b:第二表面 2c:電路佈設區 21:絕緣層 22:金屬層 23:線路層 3:電子元件 41:第一焊接層 42:第二焊接層 5:散熱塊體 6:散熱器件 61:容置槽 62:開口 63:流體入口 64:流體出口 65:密封襯套 7:固定件 9:習知功率模組 91:功率元件 92:基板 93:熱介面材料 94:散熱器 A-A’:切線 W:冷卻水

第1圖係揭示習知功率模組之剖面結構示意圖。

第2圖係揭示本案第一實施例之功率模組之結構示意圖。

第3圖係揭示第2圖所示之功率模組之結構爆炸圖。

第4圖係揭示第2圖所示之功率模組之基板與散熱塊體之結構示意圖。

第5A圖係揭示第2圖所示之功率模組於A-A’切面之剖面結構示意圖。

第5B圖係揭示本案第二實施例之功率模組之剖面結構示意圖。

第5C圖係揭示本案第三實施例之功率模組之剖面結構示意圖。

1:功率模組

2:基板

2a:第一表面

2b:第二表面

2c:電路佈設區

21:絕緣層

22:金屬層

23:線路層

3:電子元件

41:第一焊接層

42:第二焊接層

5:散熱塊體

6:散熱器件

61:容置槽

65:密封襯套

Claims

一種功率模組，包含：一基板，包含一第一表面；一電子元件，設置於該基板；一第一焊接層，設置於該基板之該第一表面，並對應該電子元件；一散熱塊體，連接該第一焊接層，並透過該第一焊接層而設置於該基板之該第一表面上；以及一散熱器件，可分離地組接於該基板之該第一表面，且包含一容置槽以及一開口，其中該開口與該容置槽相連通，且該容置槽係架構於導引一冷卻流體；其中，該基板係密封該散熱器件之該開口，且該第一焊接層以及該散熱塊體係通過該開口而容置於該容置槽中。
如請求項1所述之功率模組，其中該基板包含一絕緣層、一金屬層以及一線路層，該金屬層係設置於該絕緣層之底面，並定義出該基板之該第一表面，該線路層係設置於該絕緣層之頂面，並定義出該基板之一第二表面，該電子元件係設置於該基板之該第二表面並與該線路層連接。
如請求項2所述之功率模組，更包含一第二焊接層，該第二焊接層係設置於該基板之該第二表面，且該電子元件係透過設置於該第二表面之該第二焊接層與該基板之該線路層連接。
如請求項1所述之功率模組，其中該基板包含一絕緣層、一金屬層以及複數個線路層，該金屬層係設置於該絕緣層之底面，並定義出基板之該第一表面，該複數個線路層之部分係設置於該絕緣層之頂面，定義出該基板之一第二表面，且該複數個線路層之其他部分係設置於該絕緣層內部，該電子元件係與該基板之該線路層連接。
如請求項4所述之功率模組，更包含一第二焊接層，該第二焊接層係設置於該基板之該第二表面，且該電子元件係透過設置於該第二表面之該第二焊接層與該基板之該線路層連接。
如請求項4所述之功率模組，其中該電子元件係嵌設於該基板之內部，並與該絕緣層內部之該線路層連接。
如請求項1所述之功率模組，其中該散熱塊體係以表面黏著技術透過該第一焊接層而設置於該基板之該第一表面。
如請求項1所述之功率模組，其中該散熱塊體係具有凹凸結構。
如請求項1所述之功率模組，更包含一控制線路，該控制線路係設置於該基板之與該第一表面相對之一第二表面及/或該第一表面之一電路佈設區。
如請求項1所述之功率模組，其中該冷卻流體為液體或氣體，該散熱器件更包含一密封襯套，該密封襯套係設置於該散熱器件之該開口之周緣，且該基板與該散熱器件係透過一固定件相組接。
如請求項1所述之功率模組，其中該散熱器件更包含一流體入口、一流體出口，該流體入口及該流體出口係與該容置槽相連通，且分別架構於將該冷卻流體導入及導出該容置槽。