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CN106558563B - 功率模块和具有其的车辆 - Google Patents

功率模块和具有其的车辆 Download PDF

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CN106558563B CN201510632470.4A CN201510632470A CN106558563B CN 106558563 B CN106558563 B CN 106558563B CN 201510632470 A CN201510632470 A CN 201510632470A CN 106558563 B CN106558563 B CN 106558563B
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Abstract

本发明公开了一种功率模块和具有其的车辆，其中功率模块包括：壳体，壳体内限定有容纳腔，容纳腔内充设有绝缘材料；功率芯片和两个平板热管，功率芯片和两个平板热管均设在容纳腔内且被绝缘材料包覆；每个平板热管具有冷凝部和蒸发部，两个平板热管的蒸发部分别设在功率芯片的上下表面上，功率芯片和每个平板热管上均引出有电极，电极伸出壳体外。根据本发明实施例的功率模块，功率芯片的上下表面可以实现同时散热，增强了功率模块的散热能力，提高功率模块的可靠性，再者，该功率模块省去了相关技术中的覆铜陶瓷基板，使得结构简单、生产工序简易，而通过在壳体内设置绝缘材料，可以起到电气绝缘的作用，使壳体内的各器件保证独立的电气特性。

Description

功率模块和具有其的车辆
技术领域
本发明涉及电子制造领域，更具体地，涉及一种功率模块和具有其的车辆。
背景技术
功率半导体模块是将多只半导体芯片按一定的电路结构封装在一起的器件。在一个功率模块里，功率芯片及二极管芯片被集成到一块共同的安装底板上，且功率半导体模块的功率器件与其安装底板相互绝缘。
相关技术中的IGBT模块的具体封装结构是：芯片下表面直接连接在DBC基板上，连有DBC基板的芯片再与散热底板进行连接，具体地，表面金属化的芯片采用细的铝制键接线用键接方式实现电气连接。再者，相关技术中的IGBT模块大的散热形式大都采用对芯片一侧的散热板进行液体冷却的方式。这种功率半导体模块由多层材料组成，结构较复杂，各层膨胀系数不同，多层的结构阻碍了散热，且底板散热能力有限，整个模块热阻大，严重地降低了功率半导体模块的使用寿命。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种功率模块，该功率模块的结构简单、散热性好、可靠性高。
本发明还提出一种具有上述功率芯片的车辆。
根据本发明第一方面实施例的功率模块，包括：壳体，所述壳体内限定有容纳腔，所述容纳腔内充设有绝缘材料；功率芯片和两个平板热管，所述功率芯片和所述两个平板热管均设在所述容纳腔内且被所述绝缘材料包覆；每个所述平板热管具有冷凝部和蒸发部，两个所述平板热管的蒸发部分别设在所述功率芯片的上下表面上，所述功率芯片和每个所述平板热管上均引出有电极，所述电极伸出所述壳体外。
根据本发明实施例的功率模块，通过在功率芯片的上下表面上分别设置平板热管，并将每个平板热管的蒸发部与功率芯片的表面相连，使功率芯片的上下表面可以实现同时散热，大大地增强了功率模块的散热能力，从而提高功率模块的可靠性，延长功率模块的使用寿命，再者，该功率模块省去了相关技术中的覆铜陶瓷基板，使得结构简单、生产工序简易，可以大大地提高功率模块的生产效率，而通过在壳体内设置绝缘材料，并使绝缘材料包覆功率芯片和两个平板热管，可以起到了电气绝缘的作用，使壳体内的各器件不受干扰、保证各自独立的电气特性。
根据本发明第二方面实施例的车辆，包括根据上述实施例所述的功率模块。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的功率模块的结构示意图；
图2是根据本发明又一个实施例的功率模块的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的功率模块的平板热管的结构示意图。
附图标记：
功率模块100；
壳体10；容纳腔11；入口12；出口13；
功率芯片20；门极21；焊料22；
平板热管30；本体部31；冷凝部311；蒸发部312；散热部32；散热片321；集电极33；发射极34；
第一连接垫50；
支撑柱60。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面首先结合附图1至图3具体描述根据本发明第一方面实施例的功率模块100。
如图1所示，根据本发明实施例的功率模块100包括壳体10、功率芯片20和两个平板热管30。具体而言，壳体10内限定有容纳腔11，容纳腔11内充设有绝缘材料(未示出)，功率芯片20和两个平板热管30均设在容纳腔11内且被绝缘材料包覆，其中，该绝缘材料可以为硅胶类材料，也可以为具有绝缘导热性质的冷却液，从而可以对壳体10内的各器件进行快速散热，并且还可以起到电气绝缘的作用，每个平板热管30具有冷凝部311和蒸发部312，两个平板热管30的蒸发部312分别设在功率芯片20的上下表面上，功率芯片20和每个平板热管30上均引出有电极，电极伸出壳体10外。
换言之，功率模块100主要由壳体10、功率芯片20和两个平板热管30组成。其中，功率芯片20以及两个平板热管30均沿水平方向(如图1所示的左右方向)延伸且布置在壳体10内，而两个平板热管30分别设在功率芯片20的上下两侧，可以理解的是，功率芯片20的上表面与两个平板热管30中的一个的下表面焊接相连，而功率芯片20的下表面与另一个平板热管30的上表面焊接相连。即两个平板热管30分别通过焊料22与功率芯片20的上表面和下表面实现连接。
其中，位于功率芯片20下方的平板热管30上设有伸出壳体10的集电极33，也就是说，集电极33通过平板热管30与功率芯片20的背面(如图1所示的下表面)实现电连接，而功率芯片20的正面(如图1所示的上表面)和位于功率芯片20上方的平板热管30上设有伸出壳体10外的门极21和发射极34，发射极31与门极21也分别与功率芯片20电连接。
进一步地，每个平板热管30上分别设有蒸发部312和冷凝部311，平板热管30利用管内工作介质在蒸发部312蒸发后在冷凝部311冷凝的相变过程、对功率芯片20的热量进行快速传导，从而达到散热的效果。可选地，蒸发部312和冷凝部311设在平板热管30的相对的两个侧壁上，具体地，如图1所示，两个平板热管30的蒸发部312分别与功率芯片20的上表面和下表面焊接相连，而两个冷凝部311分别设在位于功率芯片20上方的平板热管30的上表面和位于功率芯片20下方的平板热管30的下表面，当功率模块100在正常工作过程中，两个平板热管30的蒸发部312分别与功率芯片20的上表面和下表面进行热交换，从而使功率芯片20的上表面和下表面达到同时散热的效果，提高了功率模块100的散热性能。
而相关技术中的功率模块的功率芯片多采用单面散热的方式，首先需焊接在覆铜陶瓷基板上，然后再在覆铜陶瓷基板上焊接散热板，结构较复杂、散热效果较差，并且该功率模块的生产工序复杂，生产效率较低。
由此，根据本发明实施例的功率模块100，通过在功率芯片20的上下表面上分别设置平板热管30，并将每个平板热管30的蒸发部312与功率芯片20的表面相连，使功率芯片20的上下表面可以实现同时散热，大大地增强了功率模块100的散热能力，从而提高功率模块100的可靠性，延长功率模块100的使用寿命，再者，该功率模块100省去了相关技术中的覆铜陶瓷基板，使得结构简单、生产工序简易，可以大大地提高功率模块100的生产效率，而通过在壳体10内设置绝缘材料，并使绝缘材料包覆功率芯片20和两个平板热管30，可以起到了电气绝缘的作用，使壳体10内的各器件不受干扰、保证各自独立的电气特性。
在本发明的一些具体实施方式中，平板热管30包括本体部31和散热部32。具体而言，本体部31的一侧表面形成为蒸发部312，本体部31的与蒸发部312相对的另一侧表面形成为冷凝部311，蒸发部312与功率芯片20相连，散热部32设在冷凝部311上。
也就是说，平板热管30主要由本体部31和散热部32组成，其中，本体部31的相对的两个侧表面分别形成蒸发部312和冷凝部311，而散热部32设在冷凝部311上且与冷凝部311相连。具体地，如图3所示，平板热管30的本体部31形成为沿水平方向(如图3所示的左右方向)延伸的板体，其中本体部31的下表面形成蒸发部312，而本体部31的上表面形成冷凝部311，散热部32设在本体部31的上表面。
其中，本体部31内设有相互连通的毛细管(未示出)和毛细芯(未示出)，毛细管内充有工作介质，可选地，该介质可以为冷媒，当本体部31的蒸发部312吸收热量后，毛细管中的冷媒吸收热量、转化为气态冷媒，气态冷媒在本体部31的冷凝部311重新凝结成液态冷媒，然后在毛细芯的吸力作用下，液态冷媒重新回到蒸发部312。需要说明的是，该平板热管30的厚度较小，因此蒸发部312与冷凝部311之间的距离较小，平板热管30内的蒸发和冷凝过程基本同时发生，如此往复，从而实现循环散热的目的。
如图2所示，两个平板热管30分别沿上下方向间隔开布置，其中，位于功率芯片20上方的平板热管30的蒸发部312(如图2所示的下表面)与功率芯片20的上表面相连，而位于功率芯片20下方的平板热管30的蒸发部312(如图2所示的上表面)与功率芯片20的下表面相连，两个平板热管30的冷凝部311与功率芯片20相背设置，功率芯片20的上表面和下表面产生的热量传导到两个平板热管30的蒸发部312上，从而实现功率芯片20的上表面和下表面的循环散热。
本发明实施例的功率模块100的平板热管30的结构简单、紧凑，工作可靠、传热温度均匀，与相关技术中相比，本发明实施例的功率模块100减少了覆铜陶瓷基板的设置，并利用该平板热管30可以快速地进行散热的性能，从而缩短了散热路径，减小了热阻，大大地提升了功率模块100的散热效率，延长了功率模块100的使用寿命。
由此，通过在功率芯片20的上表面和下表面分别设置平板热管30，并将平板热管30的蒸发部312与功率芯片20相连，而将平板热管30的冷凝部311与功率芯片20相背设置，从而使功率芯片20的上下表面可以实现同时散热，大大地增强了功率模块100的散热能力，从而提高功率模块100的可靠性，延长功率模块100的使用寿命，再者，该由于该平板热管30的结构紧凑，使得功率芯片20散出的热量可以均匀分布，极大地提高了功率模块100的散热效果。
进一步地，两个平板热管30的冷凝部311上均设有散热部32，即位于功率芯片20下方的平板热管30的本体部31的下表面和位于功率芯片20上方的平板热管30的本体部31的上表面分别设有散热部32，从而使功率芯片20的上表面和下表面同时得到散热，进一步地提高了功率模块100的散热能力，延长功率模块100的使用寿命。
优选地，根据本发明的一个实施例，散热部32形成为多个散热片321，每个散热片321沿垂直于冷凝部311的方向延伸。
也就是说，位于功率芯片20下方的平板热管30的散热部32和位于功率芯片20上方的平板热管30的散热部32均形成为多个散热片321，多个散热片321分别沿对应的平板热管30的长度方向(如图2所示的左右方向)间隔开布置，每个散热片321沿垂直于平板热管30的冷凝部311的方向延伸。由此，通过在两个平板热管30与功率芯片20相背的一侧分别设置多个散热片321，大大地增加了散热部32与外界流体对流的散热面积，从而提高了功率模块100的散热能力，进一步提高了功率模块100的可靠性。
在本发明的另一些具体实施方式中，功率模块100还包括连接在两个平板热管30中位于上方的平板热管30和功率芯片20之间的第一连接垫50，第一连接垫50的一侧与蒸发部312焊接相连，另一侧与功率芯片20焊接相连
具体地，如图2所示，功率模块100主要由壳体10、功率芯片20、两个平板热管30和第一连接垫50组成。其中，门极21从功率芯片20的上表面引出且与第一连接垫50间隔开布置，发射极34和集电极33分别从功率芯片20上方和下方的平板热管30上引出。即第一连接垫50和门极21分别间隔开布置在功率芯片20的上表面，通过将第一连接垫50设在功率芯片20的上表面与平板热管30之间，可以保证功率芯片20与平板热管30之间的安全高度，避免门极21与其他器件发生干涉，并且可以起到缓冲的作用。
其中，第一连接垫50为导电导热的缓冲件，可选地，第一连接垫50的材料为铜、钼或铜钼复合材料，由此，该第一连接垫50具有较强的导电性和导热性，可以使位于功率芯片20上方的平板热管30上的发射极34与功率芯片20实现电连接，还可以将功率芯片20的热量传导到平板热管30的蒸发部312上，保证功率芯片20的正常功能。
其中，在本发明的一些具体示例中，壳体10内充有绝缘导热冷却液，即壳体10内设置的绝缘材料可以为绝缘导热冷却液。例如，该绝缘导热冷却液可以为绝缘导热油、绝缘导热硅油或者绝缘导热变压器油等。这样，壳体10内的绝缘导热冷却液可以与两个平板热管30的多个散热片321充分接触，增强多个散热片321与周围的绝缘导热冷却液的热交换，从而提高功率模块100的散热能力和可靠性。其中，壳体10的制造材料为耐腐蚀性强、高绝缘性、耐高温的材料，从而提高功率模块100的壳体10的使用寿命。由此，通过在壳体10内充设绝缘导热冷却液，起到了电气绝缘的作用，与相关技术中的具有覆铜陶瓷基板的功率模块相比，该功率模块100省去了覆铜陶瓷基板，结构简单、制造过程简单，易于加工。
进一步地，壳体10具有入口12和出口13，入口12和出口13分别与容纳腔11连通以被构造成绝缘导热冷却液循环的流动通道(未示出)。
具体地，如图2所示，壳体10上具有相互连通的入口12和出口13，入口12和出口13分别设在壳体10的上部和下部且位于壳体10的左右两侧以增加绝缘导热冷却液在壳体10内的流动时间，保证功率芯片20、两个平板热管30的散热部32与周围的绝缘导热冷却液进行充分的热交换。
可选地，壳体10内具有绝缘导热冷却液的流动通道，该流动通道可以是容纳腔11中除去两个平板热管30、功率芯片20以及其他器件的有效空间，也可以为在壳体10内另设的流体通道。通过在壳体10上设置入口12和出口13，使绝缘导热冷却液可以不断地从入口12流入流动通道内，绝缘导热冷却液经过与壳体10内的器件的热交换，带走热量并从出口13流出，如此循环，加强了绝缘导热冷却液与壳体10内各器件的对流散热，从而延长了功率模块100的使用寿命。
具体地，绝缘导热冷却液在壳体10内循环流动，使壳体10内的各器件浸泡在绝缘导热冷却液中，此时，绝缘导热冷却液不仅可以与两个平板热管30的散热部32进行热交换，还可以直接与功率芯片20的上表面中没有焊接其他器件的位置进行热交换，当然绝缘导热冷却液在壳体10内循环流动，可以与壳体10内器件实现全方位的热交换，进一步地增加了功率模块100与绝缘导热冷却液对流的散热面积，从而提高了功率模块100的散热能力，进一步提高了功率模块100的可靠性。
另外，功率模块100还包括支撑在两个平板热管30之间的支撑柱60。换言之，功率模块100主要由壳体10、功率芯片20、两个平板热管30、第一连接垫50和支撑柱60组成。其中，第一连接垫50设在功率芯片20的上方，两个平板热管30中的一个设在第一连接垫50的上方，另一个设在功率芯片20的下方，支撑柱60沿垂直于平板热管30的蒸发部312的方向(如图2所示的上下方向)延伸且设在两个平板热管30之间，具体地，支撑柱60的上端与位于功率芯片20上方的平板热管30的下表面相连，支撑柱60的下端与位于功率芯片20下方的平板热管30的上表面相连，并且支撑柱60的长度等于两个平板热管30之间的距离。
由此，通过在两个平板热管30之间设置支撑柱60，可以避免两个平板热管30在焊接时、发生倾斜，保证两个平板热管30焊接的水平度。可选地，支撑柱60的材料为绝缘材料，避免支撑柱60对其它器件发生电连接干涉，保证了功率模块100的正常功能。
其中，功率芯片20的与平板热管30相连的表面设有金属层(未示出)。这样既易于实现平板热管30与功率芯片20的焊接，使得各电极与功率芯片20实现电连接，又方便使得功率芯片20与平板热管30之间的热量的传导，从而增强功率模块100的可靠性。
在本发明的另一些具体示例中，功率模块100主要由壳体10、功率芯片20、两个平板热管30、第一连接垫50、第二连接垫(未示出)和支撑柱60组成。其中，两个平板热管30分别设在功率芯片20的上下表面上，第一连接垫50设在两个平板热管30中位于上方的平板热管30与功率芯片20之间，而第二连接垫设在两个平板热管30中位于下方的平板热管30与功率芯片20之间，该结构的功率模块100既可以使两个平板热管30之间保证一定的安全高度，避免门极21发生损坏，又可以使集电极33与发射极34分别与功率芯片20实现电连接，保证功率模块100的性能。
根据本发明第二方面实施例的车辆包括根据上述实施例的功率模块100，例如，当功率模块100应用在汽车上时，功率模块100可以分别与汽车的驱动电路和电机连接，由驱动电路驱动功率模块100工作，通过改变功率模块100的导通占空比、而改变电机的电流大小，进而改变电机的转速以及电机的输出功率。由于根据本发明实施例的功率模块100具有上述技术效果，因此，根据本申请实施例的车辆也具有上述技术效果，即该车辆的散热效果好，综合性能高。
根据本发明实施例的车辆的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体内限定有容纳腔，所述容纳腔内充设有绝缘材料；
功率芯片和两个平板热管，所述功率芯片和所述两个平板热管均设在所述容纳腔内且被所述绝缘材料包覆；
每个所述平板热管具有冷凝部和蒸发部，两个所述平板热管的蒸发部分别设在所述功率芯片的上下表面上，所述功率芯片和每个所述平板热管上均引出有电极，所述电极伸出所述壳体外。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述平板热管包括：
本体部，所述本体部的一侧表面形成为所述蒸发部，所述本体部的与所述蒸发部相对的另一侧表面形成为所述冷凝部，所述蒸发部与所述功率芯片相连；
散热部，所述散热部设在所述冷凝部上。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述散热部形成为多个散热片，每个所述散热片沿垂直于所述冷凝部的方向延伸。
4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括连接在所述两个平板热管中位于上方的平板热管和所述功率芯片之间的第一连接垫，所述第一连接垫的一侧与所述蒸发部焊接相连，另一侧与所述功率芯片焊接相连。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述第一连接垫为导电导热的缓冲件，所述第一连接垫的材料为铜、钼或铜钼复合材料。
6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘材料为绝缘导热冷却液，所述绝缘导热冷却液充设在所述壳体内。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述壳体具有入口和出口，所述入口和出口分别与所述容纳腔连通以被构造成所述绝缘导热冷却液循环的流动通道。
8.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述电极包括门极、发射极和集电极，所述门极从所述功率芯片的上表面引出且与所述第一连接垫间隔开布置，所述发射极和集电极分别从所述功率芯片上方和下方的所述平板热管上引出。
9.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括支撑在两个所述平板热管之间的支撑柱。
10.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的功率模块。
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