专利名称：驱动磁控管的电源单元和装配到印刷电路板上的散热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个用于驱动磁控管的电源单元，其中，在高频加热装置比如微波炉的技术领域中，该用于驱动磁控管的电源单元的冷却性能得到了改进，该高频加热装置用磁控管来绝缘加热。此外，本发明涉及装配在印刷电路板上的多个散热器的冷却结构，其中带具有电位差的非绝缘封装的功率半导体器件被安装在上述相应的散热器上。
背景技术：
通常，如图4所示，一个用于驱动磁控管的电源单元的开关电源是这样的半导体开关元件1通过螺钉3连接到一个由铝制成的散热片2上，以便防止该元件受到由半导体开关元件1的开关损耗所引起的温升的损坏，那些由开关损耗产生的热被传送到该散热片上，借此，热量从该散热片2中散发出去。此外，为了有效地把由半导体开关元件1产生的开关损耗传导到散热片2，半导体开关元件1具有一个裸露在其后侧的集电极部分，在其后侧和散热片之间涂敫并填充了一个具有优良导热性的热传导衬垫，并且集电极部分4与散热片2相接触，从而改进了热传导性能。
然而，用于驱动磁控管的电源单元的一个抗高压半导体开关元件要求与高频加热装置的高压输出相一致。由于抗高压半导体开关元件的产量不大并且很昂贵，所以在购买上存在一个问题。因此，对于一个用于驱动磁控管的电源单元而言，已经使用了由两个串联的多用途抗中压半导体开关元件组成的电路，如图5所示。就是说，商业电源5由整流部件6整流成为直流并通过一个由半导体开关元件7和8组成的开关部件9转变成高频。该高频通过一个提升变压器10被提升，并通过一个高压倍压整流电路部件11提供到倍压整流器。然后，该高压提供给磁控管12。
然而，在半导体开关元件被连接到一个传统的散热片上的结构中，虽然两个半导体开关元件7和8被连接到一个散热片2上，但是，在该电路看来，其中一个半导体开关元件7的集电极引线部分13是被连接到另一个半导体开关元件8的发射极引线部分14上的，而且被保持在同样的电位上。另一方面，为了有效地把半导体开关元件7和8的开关损耗热传导到散热片，半导体开关元件7的集电极引线部分13和相同电位上的集电极部分都裸露在该半导体开关元件的后侧，在其上涂敷了一个导热性优良的热传导衬垫，而且这些都与该散热片相接触。然而，在此，这两个在其后侧裸露着集电极部分的半导体开关元件(它们的导热性被改善了)被连接到其中一个肋片上，该集电极部分被制成在相同的电位上，其中图5示出的电路不能构成。
因此，如图6所示，有必要把该散热片分成散热片15和16，其中在其后侧裸露着集电极部分17和18的半导体开关元件19和20分别通过螺钉21和22连接到那里，而且这两个散热片是相互电绝缘的，并且它们没有被保持在相同的电位上。或者如图7所示，为了把两个半导体开关元件24和25连接到一个散热片23上，具有大量开关损耗的半导体开关元件24在其后侧裸露了一个集电极部分26并且通过螺钉27连接到该散热片，而另一个半导体开关元件25通过其后侧的集电极部分上的防护树脂而电绝缘并用螺钉28连接到散热片23。
这样，由于在前者中，需要有两个散热片，并且有必要让这两个散热片相互电绝缘，所以存在一个问题，即，鉴于要构成一个用于驱动磁控管的电源单元，在该散热片的安装平面上带来了不利。
而且，由于其中一个半导体开关元件在其后侧有一个带防护树脂而电绝缘的集电极部分，虽然在后者中该半导体开关元件可以连接到一个散热片上，但是难以把由开关损耗产生的热传导到散热片，出于热传导考虑，为了保证一个充分的冷却效果，有必要把该散热片制造得比较大，或者有必要为了冷却该散热片而制造一个较大的冷却风扇。因此，在这一点上存在另一个问题，即，在构造一个用于驱动磁控管的电源单元的时候，出现了一个因考虑散热片和冷却风扇的安装平面而引起的不利情况。
作为另一种方法，当把在其后侧具有集电极部分的那两个半导体开关元件(其导热性已经得到改进)中的其中一个连接到该散热片上时，在该后侧具有集电极部分的半导体开关元件和散热片7之间插入并连接一个具有绝缘属性和导热性的硅钢片或者云母板。然而，由于该硅钢片和云母板的热传导率在1.0到1.5×10-3cal/cm.sec.K之间，并且其厚度为0.3到1.0mm，所以难以把由半导体开关元件产生的热传导到散热片上，于是产生这样的问题，即有必要把散热片制造得比较大，以便充分地冷却半导体开关元件，而且用于冷却该散热片的冷却风扇也要制造得比较大。
此外，在关于这样一种用于装配在印刷电路板上的散热器的现有技术中，不同电位上的散热器通过螺钉等分别连接到一个印刷电路板上。另一种方法，在其中一个半导体设备上使用一个绝缘片。图11是一个示出了一个根据现有技术的用于装配在印刷电路板上的散热器设备的装配图，其中这些散热器是被分别连接到印刷电路板上的。图12是该印刷电路板的一个线路印刷图。
在图11中，印刷电路板1提供了一个第一散热器103，第一功率半导体器件102通过一个螺钉连接在其上；和(类似地)第二散热器105，通过一个预定的绝缘距离和第一散热器隔离开，第二功率半导体器件104通过一个螺钉连接在其上。
如图12所示，各个散热器都通过一个螺钉连接到该印刷电路板。围绕着各个螺钉106的线路印刷图107通过一个预定的绝缘距离和螺钉106隔离开。
尽管如此，现有技术有一个与设计相关的第一问题，其中，为了绝缘要把散热器103和105隔离成两个截然不同的部件。第二问题是，如果在印刷电路板101上的布置保持不变的话，为了保持隔离和绝缘距离需要减少散热器103和105的表面面积。第三问题是，散热器103和105必须被单独连接到印刷电路板101。这些问题造成的第一个难点是增加了装配工艺的数量，而且因此减少了可操作性。第二个难点是如果印刷电路板101上的布置保持不变的话，那么散热面积的减少将降低散热效率，而且因此使热设计变得困难。第三个难点是，为了保证螺钉106和线路印刷图之间的绝缘距离而限制了该线路印刷图的面积，因而不能用于大电流。为了避免这些问题，有时候不得不将导线添加到电路图案上。
在两个带非绝缘封装的功率半导体器件通过绝缘片装配到一个散热器上的情况下，以上关于部件数目和线路印刷图的面积的问题就被解决了。然而，该绝缘片的耐热性比非绝缘封装的耐热性高出很多，造成了热设计中的一个大难点。
此外，按照惯例，这样一种另一类型的用于高频加热装置的开关电源，例如，在图15和图16中示出的那些，已经被广泛地使用了。商业电源201提供的交流电通过整流器202变为直流电压，响应于此直流电压，反相电路205通过打开和关闭半导体开关装置203和204来产生一个高频电压到高压变压器206的初级线圈上，然后该高压变压器206向次级线圈激发一个高频高电压。此高频高电压通过高压整流电路207整流成为一个高压直流电，并施加到磁控管208。该磁控管208响应这些高压直流而被驱动，然后产生一个2.45GHz的无线电波。
通过上述的操作，整流器202产生一个大约15到25W的损耗，半导体开关装置203和204各自产生一个大约30到50W的损耗。因此，出于冷却的目的，整流器202和半导体开关装置203和204被连接到散热片209上。
然而，在上述的传统结构中，由于半导体开关装置203和204产生一个差不多是整流器202产生的损耗的两倍的损耗，按该损耗的比例，半导体开关装置203和204的各个结点温度自然变得比整流器202的高出许多。
而且，由于整流器202与半导体开关装置203和204连接在同一个散热片209上，所以，半导体开关装置203和204由于热传导从整流器202接收热，使半导体开关装置203和204的各个结点温度进一步提高，有时超过了依据可靠性而容许的温度范围。由于热传导，整流器202还接收来自半导体开关装置203和204的热，并且整流器202的结点温度也升高了，然而，该整流器的损耗最初是很小的，以便该温度低于依据可靠性而容许的温度。因此，为了把半导体开关装置203和204的各个结点温度限制在依据可靠性而容许的温度范围以内，通常使用损耗小但是昂责的半导体开关装置203和204，以及较高冷却性能的散热片209，因此费用是很高的。
为了解决这样的一个问题，如图17所示，建议使用这样一个结构，其中散热片被分成用于整流器202的散热片209a和用于半导体开关装置203和204的散热片209b。这种结构具有优越性，因为半导体开关装置203和204不接收来自整流器202的热并且结点温度因此而不会上升。然而，在这种结构中，该散热片被分成两个，制造一个用于高频加热装置的开关电源的装配工艺数量变成了两倍，制造费涨高，因此费用仍然是很高的。
发明内容
本发明解决这些传统的及其他的问题。因此，本发明的第一个目的是提供一个用于驱动磁控管的电源单元，其中，半导体开关元件能够连接到一个散热片上，这里，用于驱动磁控管的电源单元由相互串联的半导体开关元件组成，使用了两个带有一个集电极部分的半导体开关元件，该集电极部分裸露在开关元件的后侧，具有优良的对散热片的导热性，其中一个半导体开关元件的集电极部分以简单结构与散热片电绝缘，由该半导体开关元件产生的热通过该散热片以更好的导热性散发出去。
此外，本发明的第二目的是提供一个用于装配到印刷电路板上的散热设备，该设备能够减少装配工艺数量，使功率半导体器件的散热设计变得容易，增加了线路印刷图的面积，并由此改进了设备可靠性。
还有，本发明的第三个目的是提供一个用于高频加热装置的开关电源，通过一个简单且便宜的设备可以把半导体开关装置的结点温度限制在依据可靠性而容许的的温度范围以内。
根据本发明的第一个方面，一个用于驱动磁控管的电源单元包含半导体开关元件、一个散热片、一个垫圈、以及一个热传导衬垫，其中上述的半导体开关元件有一个裸露在其后侧的集电极部分，其中一个半导体开关元件的该裸露的集电极部分通过上述的垫圈涂敷并填充着上述的热传导衬垫，并且连接在上述的散热片，另一个半导体开关元件的该裸露的集电极部分直接涂上上述的热传导衬垫而没有插入垫圈，并且也连接在同一个散热片上，此外，这两个半导体开关元件相互串联，这样一来，由于其中一个半导体开关元件的裸露的集电极部分是通过垫圈与该散热片电绝缘的，并且在该集电极部分上涂敷并填充着一个热传导衬垫，所以，就有可能把由开关损耗产生的热有效地传递到该散热片。此外，由于一个散热片就足以构成该用于驱动磁控管的电源单元，并且由开关损耗产生的热可以有效地被传送到散热片上，所以，冷却风扇可以被制造得比较小。
最好是，该用于驱动磁控管的电源单元这样构成这两个半导体开关元件都有一个裸露在其上的集电极部分，一个从该集电极部分的平面伸出的垫圈在其一个集电极部分的侧面被构成，并且在上述的半导体开关元件的集电极部分和散热片之间的空隙里涂敷并填充了一个热传导衬垫，这样，由于该集电极部分与该散热片通过由该伸出的垫圈所保证的空隙而电绝缘，所以，由开关损耗产生的热可以有效地被传送到散热片。此外，由于这个单个的散热片就足以构成该用于驱动磁控管的电源单元，并且由开关损耗产生的热可以有效地被传送到散热片上，所以，冷却风扇可以被制造得比较小。
此外，最好是，该用于驱动磁控管的电源单元是这样构成的导热性在0.5到1.5×10-3cal/cm.sec.K之间的垫圈具有两个或更多个孔，并且在该垫圈的上述孔中涂敷并填充一层热传导衬垫，这样，由于在该垫圈的孔中固定了一个热传导衬垫并且由开关损耗产生的热可以有效地被传送到散热片上，所以，一个散热片就足以构成该用于驱动磁控管的电源单元，并且由开关损耗产生的热可以有效地被传送到散热片上，其中，冷却风扇可以被制造得比较小。
根据本发明的第二方面，在一个用于装配到印刷电路板上的散热器设备上，安装在印刷电路板上的多个散热器之间通过一个具有导热性的绝缘体而热连接。
由此，这些散热器构成了一个显然的单一结构，并且这些散热器是相互热连接的，这样，散热效率就得到了改进。此外，该线路印刷线路图的面积得到了简化。
安装在印刷电路板上的多个散热器之间通过一个具有导热性的绝缘体而相互热连接。由此，这些散热器构成了一个显然的单个结构，并且这些散热器相互之间通过该具有导热性的绝缘体热连接着。因此，该装配的工作性得到了改进。而且，散热效率也得到了改进。
最好是在用于装配到印刷电路板上的散热器装置上，功率半导体器件和上述的散热器用螺钉等同时和该具有导热性的绝缘体连接起来。因此，这些散热器通过该绝缘体相互可靠地固定住。
最好是在该用于装配在印刷电路板上的散热器设备上，具有导热性的绝缘体是由一个覆盖着一个绝缘体薄膜的金属材料组成。因此，这些散热器之间的热连接得到了彻底地改进。这些使得该散热的设计变得容易。
最好是在用于装配在印刷电路板上的散热器设备上，该散热器构成一个显然的单一的散热器，这样，印刷电路板和散热器设备之间的连接螺钉的数目就减少了。这些简化了该线路印刷图的面积，并由此改进了其可靠性。
根据本发明的第三方面，一个用于高频加热装置的开关电源包括一个用于整流商业电源的整流器，至少一个用于切换由该整流器整流的整流输出的半导体开关装置，以及一个用于冷却该整流器和半导体开关装置的散热片，并且其结构是这样整流器连接到散热片的位置被设置成整流器封装的外型轮廓从散热片的外型轮廓上突出来。
因而，整流器和散热片之间的接触面积就减少了，并且从整流器传导到半导体开关装置的热量也减少了。因此，不用使用昂贵的低损耗半导体开关装置，不用使用大量的散热片，只要使用一个散热片就可以提供一个便宜的用于高频加热装置的开关电源，该电源可以把半导体开关装置的结点温度抑制在依据可靠性而容许的的温度范围以内。
图1是一个显示按照本发明第一实施例的用于驱动磁控管的电源单元的主要部件的透视图；图2是一个显示用于驱动磁控管的同一个电源单元的主要部件的剖视图；图3是一个显示按照本发明第一实施例改进的用于驱动磁控管的电源单元的主要部件的透视图；图4是一个示出了根据现有技术的用于驱动磁控管的电源单元的主要部件的透视图；图5是一个根据现有技术的用于驱动磁控管的电源单元的电路图；图6是一个示出了根据现有技术的用于驱动磁控管的电源单元的主要部件的透视图；图7是一个示出了根据现有技术的用于驱动磁控管的电源单元的主要部件的透视图；图8A是一个按照本发明第二实施例的装配在印刷电路板上的散热器装置的横剖面视图。
图8B是一个按照本发明第二实施例的装配在印刷电路板上的散热器装置的装配图；图9是一个装在散热器设备上的绝缘体的结构示意图，该设备用于按照本发明的第二实施例的改型而装配在印刷电路板上。
图10是一个印刷电路板的印刷电路图案的示意图，该印刷电路板在用于按照本发明第二实施例的另一个改型而装配在印刷电路板上的散热器设备上；图11是一个按照现有技术的装配在印刷电路板上的散热器设备的装配图；图12是一个根据现有技术装配在印刷电路板上的散热器设备上的印刷电路板的线路印刷图的示意图；图13是一个根据本发明第三实施例的示出整流器和半导体开关装置连接到散热片的状况的框图，该连接由一个用于高频加热装置的开关电源供电；图14是另一个示出了整流器与半导体开关装置连接到散热片的状况的框图，该连接由同一个用于高频加热装置的开关电源供电；图15是一个根据本发明的第三实施例与传统实例的用于高频加热装置的开关电源的电路图；图16是一个示出了整流器和半导体开关装置连接到散热片的状况的框图，该连接由一个用于高频加热装置的传统的开关电源供电；图17是另一个示出了整流器与半导体开关装置连接到散热片的状况的框图，该连接由传统的用于高频加热装置的开关电源供电。
具体实施例方式
下面，将参照附图对本发明的实施例进行描述。
图1是显示用于驱动按照本发明第一实施例的磁控管的电源单元的主要部件的透视图。图2是显示用于驱动磁控管的同一个电源单元的主要部件的剖视图。图1中，在半导体开关元件29的后侧，围绕着要插入螺钉30的孔31设置了一个垫圈33，该垫圈离裸露的集电极部分32的平面高1mm或者稍少一些，它是由构成该半导体开关元件29的防护的绝缘合成树脂构成的。同样地，在同一个后侧的防护的中下部的两侧也装了垫圈34和35，它们离该裸露的集电极部分32的平面高1mm或者稍少一些，也是由构成该半导体开关元件29的防护绝缘合成树脂构成。集电极部分37暴露在另一个半导体开关元件36的后侧，围绕着要插入螺钉38的孔39设置了一个绝缘面40，该绝缘面和该裸露的集电极部分37同高，由构成该半导体开关元件29的防护绝缘合成树脂构成。在半导体开关元件29的后侧涂敷填充了一个热传导衬垫41，一个散热片42通过螺钉30连接，在裸露在另一个半导体开关元件36的后侧的集电极部分37上涂着一层热传导衬垫41，该集电极部分37用螺钉38连接在同一个散热片42上。此外，这两个半导体开关元件彼此串联。
下面给出关于对该用于驱动磁控管的电源单元的操作和运转的描述。
首先，即使其中一个半导体开关元件29的裸露的集电极部分32通过螺钉30和散热片42相连，但是，该集电极部分32与该散热片42却通过垫圈33，34和35而绝缘。因为热传导衬垫是出于导热性考虑而涂上的，所以由开关损耗产生的热可以被有效地传送到散热片42上。同样地，一个热传导衬垫涂敷填充在裸露于另一个半导体开关元件36的后侧的集电极部分41上，并且该集电极部分37通过螺钉38连接到同一个散热片42上。因此，由开关损耗产生的热可以有效地被传送到该散热片42。
如上所述，在本实施例中，其中一个半导体开关元件29的裸露的集电极部分32是通过在垫圈33，34和35之间涂敷填充一层热传导衬垫41来连接到散热片42上的，而另一个半导体开关元件36的裸露的集电极部分37是在没有任何垫圈的情况下通过涂敷填充一层热传导衬垫41直接连接到散热片42上的。而且，这两个半导体开关元件彼此串联。因此，分别由半导体开关元件29和36产生的热可以有效地被传送到该散热片42，其中，该散热片42是单单为了构成该用于驱动磁控管的电源单元而制造的，并且因为由开关损耗产生的热可以有效地被传送到该散热片，所以冷却风扇可以做得小一些。
而且，在该实施例中，在图5的电路图中，其中，两个半导体开关元件是互相串联在一起的，虽然这两个半导体开关元件的任何一个都具有一个垫圈，并且这两个半导体开关元件都通过螺钉连接到一个散热片上，在其中一个半导体开关元件(例如，该元件安装了垫圈)的垫圈之间产生的电压变成了该半导体开关元件的集电极和其中的发射极之间的电压。相反地，虽然在半导体开关元件8上装有垫圈并且这两个半导体开关元件都通过螺钉连接到一个散热片上，但是，在该半导体开关元件的垫圈之间产生的电压变成了同一个半导体开关元件的集电极和其发射极之间的电压。
因此，可以说虽然在任何一个半导体开关元件上都装有垫圈，但是垫圈之间的高度，即，裸露在后侧的集电极部分和散热片之间的高度，可能是相同的，从而经受得住该半导体开关元件8的集电极和其中的发射极之间的电压。
而且，虽然，在该实施例中，在半导体开关元件29的后侧，在用于插入螺钉30的孔31的周围围绕着一个垫圈33，而且在同一个后侧的防护层的下面的两侧也装了垫圈34和35，但是，因为很显然把垫圈安装在一个产生较少热的半导体开关元件上是有益的，所以关于把垫圈安装在这两个半导体开关元件中的哪一个上要依赖于由开关损耗产生的热量的程度。
此外，在本实施例中，这两个半导体开关元件的任何一个都在三个地方安装了一个垫圈。
然而，这些垫圈的数量和形状显然是不受限制的，只要裸露在后侧的集电极部分的安装平面和散热片在用螺钉把半导体开关元件连接到散热片时能保持在一个几乎一致的高度就可以。
图3是一个显示一个用于驱动按照本发明实施例改进的磁控管的电源单元的主要部件的透视图。在图3中，标号47表示一个垫圈，标号48表示一个连接孔，标号49表示一个孔。与第一实施例的差别在于垫圈与半导体开关元件分开安装，该垫圈的导热性在0.5到1.5*10-3cal/cm.Sec.K之间。而且，那些与第一实施例中的部件的参考标号相同的部件具有同样的结构，对它的描述在此省略。
首先，集电极部分37和45分别裸露在两个半导体开关元件40和43上。而且，该垫圈由导热性在0.5到1.5*10-3cal/cm.sec.K.之间的材料组成。垫圈47有一个孔48，该孔对应于孔44，半导体开关元件43的螺钉30通过孔44插入。在孔48的周边是多个孔49，在这些孔中填充了一个热传导衬垫41。
当用一个螺钉把半导体开关元件43连接到散热片42时，插入垫圈47并在该半导体开关元件和散热片之间涂敷填充一个热传导衬垫41，这样该半导体开关元件就被连接到了该散热片。半导体开关元件36和第一实施例有着同样的连接结构，在此省去对它的描述。这样，虽然其中一半导体开关元件43的裸露的集电极部分45通过螺钉30被连接到了散热片42，但是该集电极部分45却通过该垫圈和散热片42绝缘，因为在该垫圈中涂敷并填充了一个热传导衬垫41，从导热性考虑，由开关损耗产生的热可以有效地被传送到散热片42。此外，因为在裸露于另一个半导体开关元件36的后侧的集电极部分37上涂着一个热传导衬垫41，而且该集电极部分37通过螺钉38连接到同样的散热片上，所以由开关损耗产生的热可以被有效地传送到散热片42。
如上所述，在目前实施例中，其中一个半导体开关元件43的裸露的集电极部分45是通过带有涂敷并填充了热传导衬垫41的垫圈47来连接到散热片42上的，而另一个半导体开关元件36的裸露的集电极部分37是在其垫圈没有任何直接涂敫了热传导衬垫41的情况下连接到同一个散热片42上的。而且，这两个半导体开关元件彼此串联。因此，分别由半导体开关元件43和36的开关损耗产生的热可以有效地被传送到散热片42，其中散热片42的数目可以单单为构成一个用于驱动磁控管的电源单元而被制造。由于由开关损耗产生的热可以被有效地传送到散热片，所以冷却风扇可以被制造成小一些。
而且，在本实施例中，该垫圈由导热性在0.5到1.5*10-3cal/cm.Sec.K之间的材料组成。此外，该垫圈与半导体开关元件分开安装，其中因为可以把合成树脂或者云母作为材料，所以树脂铸模、出模以及诸如凿孔预加工的机械作业等等就变得容易了。
以下参照附图对本发明的第二实施例进行描述图8是一个按照本发明第二实施例的装配在印刷电路板上的散热器装置的结构示意图。以与现有技术中同样的标号表示同样的部件，因此省略对其的详细说明。
在图8B中，数字103表示一个用硬模的挤压模塑法制造的第一散热器。该第一散热器103有一个导向段109，用于暂时保留具有导热性的绝缘体108。该绝缘体108具有导热性，沿着导向段109被暂时地保留，它由螺钉110同时连接到第一功率半导体器件102和第一散热器103。数字105表示一个用同样的硬模通过挤压模塑法制造的第二散热器。第二散热器105与第一散热器103隔开一段预定的绝缘距离。具有导热性的绝缘体108同样被同时连接到第二功率半导体器件104和第二散热器105。
这里，如图8A所示，在散热器103或105和螺钉110之间存在着一个绝缘空间。
下面描述对装配在具有上述结构的印刷电路板上的散热器装置的操作和执行。
第一功率半导体器件102的功率损失通过第一功率半导体器件102的接口和散热器表面之间的热电阻释放到第一散热器103。同时，该功率损失通过散热器和绝缘体之间的热电阻从第一散热器103释放到绝缘体108。
同样，第二功率半导体器件104的功率损失释放到第二散热器5和绝缘体108。第一和第二散热器103和105通过具有导热性的绝缘体108热耦合在一起。
同时，第一和第二散热器103和105通过具有导热性的绝缘体也实际连接在一起。
照这样，在目前实例中，具有导热性的绝缘体8由螺钉110同时被连接到第一和第二功率半导体器件102、104和散热器103、105。因此，第一和第二功率半导体器件102、104和散热器103、105之间物理地连接在一起并且有热传导。部件数目的减少改进了该装配的可操作性。此外，热连接改进了热辐射效率。
当前实例已经说明了第一和第二散热器103和105是按照同样的硬模制造的情况。然而，即使在第一和第二散热器形式不同的情况下，也能获得类似的操作和效果。
此外，当前实例已经对具有导热性的绝缘体108由螺钉110同时连接到第一和第二功率半导体器件102、104和散热器103、105的情况进行了描述。
然而，第一和第二功率半导体器件102、104和散热器103、105可能由螺钉同时连接，而且，绝缘体108可能由螺钉或者机械接合连接到第一和第二散热器103和105。而且在这种情况下，也可以获得类似的操作和效果。
(改型)图9是一个具有导热性的绝缘体109的结构示意图，该绝缘体装在一个散热器装置上，该装置按照本发明的第二实施例的改型而装配在印刷电路板上。在图9中，数字111表示绝缘体108上的一个金属剖面。数字112表示绝缘体108上的一个绝缘体薄膜。在当前实例中，该绝缘体薄膜由聚酰亚胺薄膜组成。与上述第二实施例中的标号相同的标号表示相同的部件，在此省略对它的描述。
照这样，在目前实例中，绝缘体108具有一个由金属剖面111和绝缘体薄膜112组成的双层结构。这些改进了绝缘体108的热传导率，并因此通过热连接改进了热辐射效率。接着，这些又减少了绝缘体108的面积。
在目前实例中，已经使用了一个聚酰亚胺薄膜。然而，还可以使用云母薄膜或者绝缘纸。而且在这种情况下，也可以取得类似的操作和执行。
(另一个改型)图10是一个印刷电路板的印刷电路图案的示意图，该印刷电路板位于一个散热部件上，该部件装配在按照本发明第二实施例的另一个改型的印刷电路板上。
数字113表示用于把散热器连接到印刷电路板的螺钉。数字114表示印刷电路图案。
在比较图10和显示现有技术的图12中，一个功率半导体器件102或者104(诸如IGBT等)的集电极(本图中的C)通常在散热器的电位上。因此，螺钉106或者113需要和该门(图中的G)的电位以及该发射极(图中的E)的电位(而不是该集电极的电位)隔离开一段预定的绝缘距离。在现有技术中，至少需要两个螺钉106。相反，在本发明中，一个螺钉113就足够了，因为这两个散热器103和105是通过绝缘体108实际连接在一起的。这样就不必使用其中的一个螺钉106而且也不需要其中的绝缘距离了，从而在该印刷电路板101上空出足够的面积。
此外，本发明还避免了使用一段充当电流容量添加物的导线114，该添加物被引进来是为了解决由螺钉6和其中的绝缘距离所引起的线路印刷图宽度不足的问题。这样，只要该线路印刷图本身就足够了。因而，印刷电路板内的线路印刷图就容易有一个可靠的区域。
在带有绝缘包装的装置，诸如整流二极管桥等，被附加安装到该散热器的情况下，装备到印刷电路板的机械强度增加了，因而提高了本发明的操作效果。
本发明的第三实施例将参照图13、图14和图15进行阐明。
阐明现有实例的图15也是一个示出了一个用于本发明实例中的高频加热装置的开关电源的电路图。商业电源201提供的交流电通过整流器202转变为直流电压，响应于此直流电压，反相电路205通过打开和关闭半导体开关装置203和204来产生一个高频电压传送到高压变压器206的初级线圈上，接着该高压变压器206向次级线圈激发一个高频高电压。此高频高电压通过高电压整流电路207整流成为一个高压直流，并被施加到磁控管208。该磁控管208由此高压直流驱动并产生一个2.45GHz的无线电波。
图13是显示整流器202与半导体开关装置203和204连接到散热片209的状况的框图。通过上述的操作，整流器202产生一个大约15到25W的损耗，半导体开关装置203和204各自产生一个大约30到50W的损耗。因此，虽然整流器202与半导体开关装置203和204被连接到用于冷却的散热片209上，但是，与传统的实例不同，该连接是为了让整流器202的封装外型轮廓从散热片209的外型轮廓中突出来。
对用于这种结构的高频加热装置的开关电源的操作和运转的阐明如下首先，半导体开关装置203和204产生一个几乎是整流器202的损耗的两倍的损耗，因此按该损耗的比例，半导体开关装置203和204的各自的结点温度自然要比整流器202的高。而且，由于整流器202与半导体开关装置203和204连接在同一个散热片209上，所以，半导体开关装置203和204由于热传导从整流器202接收热，半导体开关装置203和204的各自的结点温度进一步提高。然而，由于连接到散热片209的整流器202的封装外型轮廓从散热片202的外型轮廓上突出来，所以，整流器202和散热片209之间的接触面积减少，按此比例，传导到半导体开关装置203和204的热量也减少。因此，半导体开关装置203和204的各自的结点温度可以限制在一个依据可靠性而容许的温度范围内。另一方面，由于整流器202和散热片209之间的接触面积的减少，整流器202的散热效果降低了，这样整流器202的结点温度就提高了。无论如何，该损耗最初是很小的，因此温度可以限制在一个依据可靠性而容许的温度范围内。
图14也是一个显示整流器202与半导体开关装置203和204连接到散热片209的状况的框图。如此图所示，通过改变整流器202连接到散热片209的位置，整流器202从散热片209的外型轮廓突出的封装外型轮廓的尺寸可以被改变，这样整流器202和散热片209之间的接触面积就可以得到改变。由此，例如，当整流器202的结点温度高出依据可靠性而容许的温度范围，并且半导体开关装置203和204的各自的结点温度变成落在依据可靠性而容许的温度范围内的时候，连接位置发生这样的改变，使整流器202和散热片209之间的接触面积增加，通过这样，整流器202与半导体开关装置203和204的各自的结点温度就可以抑制在依据可靠性而容许的温度范围以内。这样，通过优化整流器202和散热片209之间的接触面积，整流器202与半导体开关装置203和204的各自的结点温度就可以抑制在依据可靠性而容许的温度范围以内。
如上所述，根据本发明，整流器202连接到散热片209的位置被设置成这样整流器202的封装外型轮廓从散热片209的外型轮廓突出来，这样整流器202和散热片209之间的接触面积被减少，而且由整流器202传导到半导体开关装置203和204的热量也减少。因此，不用使用昂贵的低损耗半导体开关装置，不用使用大量的散热片，只要使用一个散热片209就可以提供一个便宜的用于高频加热装置的开关电源，该电源可以把半导体开关装置203和204的各自的结点温度抑制在依据可靠性而容许的的温度范围以内。
如上所述，根据本发明的第一个方面，由于一个半导体开关元件的裸露的集电极部分通过一个垫圈实现与散热片的电绝缘，在该垫圈中出于导热性考虑涂敷并填充着一个传导衬垫，所以，由开关损耗产生的热可以有效地被传送到散热片，其中，散热片的数量是单单为了构成一个用于驱动磁控管的电源单元而被制造的。因此，由于由开关损耗产生的热可以有效地被传送到散热片，所以冷却风扇可以被制造成很小。
此外，根据本发明的第二方面，在本发明中提供了一个用于装配到能够减少装配工艺数量的印刷电路板上的散热装置，使得功率半导体器件的散热设计变得容易，简化了线路印刷图的面积，并由此改进了设备可靠性。
还有，根据本发明的第三方面，可以提供一个用于高频加热装置的开关电源，该电源用一个简单且便宜的设备就可以把半导体开关装置的温度限制在依据可靠性而容许的的温度范围以内。
权利要求
1.一种用于驱动磁控管的电源单元，包括半导体开关元件；一个散热片；垫圈；和热传导衬垫，其中，上述的半导体开关元件具有一个裸露在其后侧的集电极部分，其中一个半导体开关元件的裸露的集电极部分借助于上述的垫圈涂敫并填充上述的热传导衬垫并且被连接到上述的散热片，另一个半导体开关元件的裸露的集电极部分被直接涂上上述的热传导衬垫而没有插入垫圈，并且被连接到同一个散热片上，此外这两个半导体开关元件相互串联。
2.根据权利要求1的用于驱动磁控管的电源单元，其中，这两个半导体开关元件具有一个裸露在其上的集电极部分，一个从该集电极部分的平面伸出的垫圈形成在集电极部分的一个侧面上，并且在上述的半导体开关元件的该集电极部分和散热片之间的空气间隙上涂敷并填充了一个热传导衬垫。
3.根据权利要求1的用于驱动磁控管的电源单元，其中，在导热性为0.5到1.5*10-3cal/cm.Sec.K的垫圈的内部具有两个或更多的孔，在该垫圈的上述的孔中涂敷并填充着一个热传导衬垫。
4.用于装配在印刷电路板上的散热装置，包括一个印刷电路板；安装在上述的印刷电路板上的多个散热器；带非绝缘封装的功率半导体器件，装配在上述散热器上；和一个用于连接上述各个散热器的具有导热性的绝缘体。
5.根据权利要求4的用于装配在印刷电路板上的散热器装置，其中，上述的功率半导体器件和上述的散热器通过螺钉同时和上述的具有导热性的绝缘体连接。
6.根据权利要求4的用于装配在印刷电路板上的散热器，其中，上述的具有导热性的绝缘体由覆盖着一层绝缘体薄膜的金属材料组成。
7.根据权利要求4的用于装配在印刷电路板上的散热器装置，其中，上述的散热器只有一个是通过螺钉等被固定到印刷电路板上。
8.一个用于高频加热装置的开关电源，包括一个用于整流商业电源的整流器；至少一个用于切换由该整流器整流的整流输出的半导体开关装置；和一个用于冷却该半导体开关装置的散热片，其中，该整流器连接到该散热片的位置被设置成这样整流器的外型轮廓从散热片的外型轮廓中突出来。
全文摘要
由于其中一个半导体开关元件的裸露的集电极部分是通过在垫圈之间涂敷填充一层热传导衬垫来连接到散热片上的，而另一个半导体开关元件的裸露的集电极部分是在没有任何垫圈的情况下通过涂敷填充一层热传导衬垫直接连接到散热片上的，所以由开关损耗产生的热可以被有效地传送到散热片并从那里散发出去。为了在即使两个半导体开关元件串联连接着的情况下，也能有效地把由开关损耗产生的热传送到散热片并散发出去，在开关元件的后侧裸露了一个集电极部分，并且把这两个半导体开关元件连接到一个散热片上。
文档编号H01L23/42GK1396790SQ0212184
公开日2003年2月12日 申请日期2002年3月12日 优先权日2001年3月12日
发明者松仓丰继, 酒井伸一, 森川久 申请人:松下电器产业株式会社