叠加组装式功率模块的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种叠加组装式功率模块，包括至少三个功率模块，各功率模块包括基板和金属层，基板的外周边设有凸起环边，基板的上或/和下端面设有至少两个支承件，基板内设有用于冷却液通过的冷却腔体，两个管接头竖置并固定在凸起环边的两侧，两个管接头与冷却腔体相通，在各功率模块从下至上叠放时，各相邻上部和下部的基板内的一侧的两管接头通过连接管连接相通、另一侧的两管接头不相通，将各相邻上部和下部的基板其冷却腔体连通并形成串联流道，顶部的基板上的一个管接头用于与外部管路连接，最下部的基板的一个管接头也用于与外部管路连接。本实用新型结构合理、简单，通用性好，各功率模块具有独立的散热单元并能叠放，能降低制造成本。
【专利说明】叠加组装式功率模块
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种叠加组装式功率模块，属于功率模块【技术领域】。
【背景技术】
[0002]半导体功率模块主要包括底板、覆金属陶瓷基板、半导体芯片、电极端子和壳体，数个半导体芯片，如MOSFET或IGBT芯片以及二极管芯片被集成并被焊接于或被粘贴于覆金属陶瓷基板的金属层上，同时电极端子也焊接在覆金属陶瓷基板的金属层上并穿出壳体与外部设备连接，实现功率模块的输入和输出，覆金属陶瓷基板再焊接在铜底板上。在半导体功率模块在工作过程中，半导体芯片所产生的热量能通过铜底板迅速吸收。由于铜底板与铝材相比比热小，热逃逸速度较慢，不能及时将模块内的热量散出，故需将功率模块底部安装在散热器上进行散热。
[0003]覆金属陶瓷基板是将金属箔在高温下直接键合到氧化铝(AL2Q3)陶瓷基片或氮化铝(ALN)陶瓷基片双面上的特殊工艺板，使覆金属陶瓷基板在保证良好导热性能的同时还提供了相对于功率模块底板的电气绝缘，由于功率电子器件需要在-40°C至125°C的温度循环环境下进行工作，因此目前覆金属陶瓷基板的热量是依靠与其连接的铜底板以及固定在铜底板下部的散热器进行散热。这种散热结构存在以下问题:1、由于功率模块安装在散热器上，因此需要有导热硅脂填充铜底板与散热器之间的空隙，增加了热阻，尤其半导体芯片与散热器的距离相对较远，因此降低了散热效果。2、覆金属陶瓷基板上面分别焊接半导体芯片，其底部与铜底板焊接，多次焊接后，覆金属陶瓷基板往往会出现内凹的现象，而不能与铜底板形成良好、紧密的接触，故会影响功率模块在工作中的散热效果，如果热量长时间积累在功率模块中不能及时散掉，会大大影响功率模块的质量，甚至损坏功率模块中的芯片，导致功率模块损坏。3、当散热器连接在铜底板的底部，而散热器的高度较高，因此会增加功率器件的安装高度，使其体积较大，对于一些狭小的安装空间，则不能适用。4、随着技术的发展，用户在使用时需要将多个标准的功率模块进行组合，需要设计较大尺寸散热器分别放置各功率模块，由于占用空间大，因此在应用时受到很大的限制。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种结构合理、简单，通用性好，各功率模块具有独立的散热单元并能叠放，能降低制造成本的叠加组装式功率模块。
[0005]本实用新型为达到上述目的的技术方案是:一种叠加组装式功率模块，其特征在于:包括至少三个功率模块，所述各功率模块包括基板，金属层复合在基板上，且基板的外周边设有凸起环边，基板的上端面或/和下端面设有至少两个支承件，至少三个电极端子嵌接在基板的一侧或两侧，电极端子的一端与金属层连接、另一端伸出基板的外侧；所述的基板内设有用于冷却液通过的冷却腔体，两个管接头竖置并固定在凸起环边的两侧，两个管接头与冷却腔体相通，在各功率模块从下至上依次叠放时，各相邻上部和下部的基板内的一侧的两管接头通过连接管连接相通、另一侧的两管接头不相通，将各相邻上部和下部的基板其冷却腔体连通并形成串联流道，顶部的基板上的一个管接头用于与外部管路连接，最下部的基板的一个管接头也用于与外部管路连接。
[0006]本实用新型采用上技术方案后具有以下优点:
[0007]1、本实用新型各功率模块的基板内设有用于冷却液通过的冷却腔体，两个管接头竖置并固定在基板位于凸起环边的两侧，使两个管接头与冷却腔体相通，当各功率模块从上至下依次叠放，各相邻上部和下部的基板其同一侧的管接头通过连接管连接相通另一侧上、下两管接头不相通，各基板上的两管接头与冷却腔体形成横Z字形的流道，将各相邻上部和下部的基板的冷却腔体连通并形成串联流道，通过顶部的基板和最底部的基板上的一个管接头分别与外部管路连接，将冷却液引入，并强制对所有的基板进行冷却，即而对功率模热块工作中所产生的热量进行强制散热，结构合理、简单，本实用新型的基板具有较好的通用性，在不同的应用场合下均无需配备专用散热器，使功率模块的应用更加便捷灵活。
[0008]2、本实用新型各相邻基板通过管接头和连接管，将与各功率模块其基板内的冷却腔体形成串联流道，通过冷却液强制对各基板进行冷却，当多个功率模块叠放后，能省去下部大尺寸的散热器，从而达到多个功率模块组装后体积最小，并减轻重量，满足整机对功率模块必须紧凑且重量轻的要求。
[0009]3、本实用新型将基板与散热器集成在一起，电极端子是嵌接在基板上，无需对电极端子进行热焊接，而且基板外周的凸起环边可使基板直接作为壳体，从而大大简化了功率模块的生产工艺，结构紧凑、合理，降低制造成本。本实用新型将金属层直接与基板连接，而基板内置有冷却腔体，能减小半导体芯片到散热源之间的距离，从而减小了半导体芯片到散热源之间热阻，同时也因省去导热硅脂层，大大降低了功率模块的热阻提高散热效率，提闻了功率1旲块的寿命和可罪性。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的详细描述。
[0011]图1是本实用新型叠加组装式功率模块的结构示意图。
[0012]图2是图1的侧视结构示意图。
[0013]图3是本实用新型叠加组装式功率模块的结构的立体示意图。
[0014]图4是本实用新型叠加组装式功率模块的爆炸结构示意图。
[0015]图5是本实用新型功率模块的结构示意图。
[0016]图6是图5的A-A剖视结构示意图。
[0017]图7是本实用新型一个功率模块的立体结构示意图。
[0018]其中:1 一电极端子，2—基板，2-1—凸起环边，2-2—冷却腔体，3—第一管接头，3-1一上端接口，3-2—下端接口，4一连接管,5—支承件，6一第二管接头，6-1—上端接口，6-2—下端接口，7—金属层，8—半导体芯片。
【具体实施方式】
[0019]见图1?7所示，本实用新型叠加组装式功率模块，包括至少三个功率模块，见图1?6所示，本实用新型各功率模块包括基板2，金属层7复合在基板2上，且基板2的外周边设有凸起环边2-1，使金属层7位于凸起环边2-1内侧，金属层7根据需要刻蚀有各种互连图形，多个半导体芯片8焊接在金属层7上以组成所需的电路，而基板2上的凸起环边2-1可起直接做为壳体，简化制作，降低制作成本，基板2的上端面或/和下端面设有至少两个支承件5，当支承件5设置在上端面时，可设置在凸起环边2-1上，当各功率模块叠置时，通过支承件5支承功率模块，本实用新型支承件5设置在基板2凸起环边2-1的两侧或两对角处。本实用新型支承件5和基板2上设有通孔，螺柱穿过各功率模块上的支承件5与锁紧件连接，将多个功率模块连接。
[0020]见图1?7所示，本实用新型至少三个电极端子I嵌接在基板2的一侧或两侧，电极端子I的一端与金属层7连接、另一端伸出基板2外侧，由于电极端子I嵌接在基板2上，实现电极端子I免焊接，通过电极端子I与外部设备连接，实现功率模块的输入和输出。
[0021]见图1?7所示，本实用新型基板2内设有用于冷却液通过的冷却腔体2-2，两个管接头竖置并固定在凸起环边2-1的两侧，两个管接头与冷却腔体2-2相通，见图7所示，本实用新型的两个管接头可为第一管接头3和第二管接头6，在各功率模块从下至上依次叠放时，各相邻上部和下部的基板2其一侧的两管接头通过连接管连接相通、另一侧两管接头不相通，将各相邻上部和下部的基板2的冷却腔体2-2连通并形成串联流道，最上部的基板2上的一个管接头用于与外部管路连接，最下部的基板2的一个管接头也用于与外部管路连接，当最上部的基板2上的一个管接头及最底部的基板2的一个管接头分别与外部管路连接后，通过外部的冷却液强制通过各基板2上的冷却腔体2-2，及时对各基板2进行冷却，即对各功率模块工作时半导体芯片8所产生的热量强制带出，而达到强制散热的目的。
[0022]见图1?6所示，本实用新型基板2上的两个管接头均设有上端接口和下端接口并与冷却腔体2-2相通，相邻上部的基板2 —侧管接头的下端接口通过连接管与下部的基板2同一侧的管接头的上端接口连接相通，且上部的基板2 —侧管接头的上端接口及下部的基板2同一侧管接头的下端接口安装有可拆堵头，可拆卸堵头可采用螺纹塞或帽盖等，相邻上部的基板2另一侧管接头的下端接口及下部的基板2同侧管接头的上端接口安装有可拆堵头，使相邻上、下基板2其一侧的上、下管接头通过连接管4连接相通、另一侧上、下两管接头不相通，叠置后使各基板2上的冷却腔体2-2形成串联流道。本实用新型在安装有可拆堵头的管接头处也可安装有连接管，虽然两管接头不通，但整体美观。
[0023]见图1?7所示，本实用新型基板2内的冷却腔体2-2由三个以上首尾连接相通的U形管构成，以增加冷却液流过的行程，达到最佳的冷却效果，本实用新型还可以是在冷却腔体内设有挡流板，同样增加冷却液的行程，冷却腔体2-2的两端分别设置在基板2的两侧或基板2对角处，可使每个基板2上的两个管接头分别设置在基板2相对远端。
[0024]见图3、4和7所示，本实用新型的功率模块叠置时，其顶部基板2上的第一管接头3与其下部的中间基板2上的第一管接头3通过连接管4连接相通，将顶部基板2内的冷却腔体2-2与中间基板2内的冷却腔体2-2串接相通，顶部基板2上第一管接头3的上端接口 3-1安装有可拆堵头，而顶部基板2上第二管接头6的下端接口 6-2安装有可拆堵头、上端接口 6-1与外部的管路连接，分别使顶部基板2与外部管路相通，中间基板2上的第一管接头3的下端接口 3-2安装有可拆堵头，中间基板2的第二管接头6的上端接口 6-1安装有可拆堵头、下端接口 6-2通过连接管4与其下部基板2上的第二管接头6的上端接口6-1连接相通，使中间基板2内冷却腔体2-2与下部基板2内的冷却腔体2-2串接相通，下部基板2第二管接头6的下端接口 6-2安装有可拆堵头，下部基板2的第一管接头3的上端接口 3-1安装有可拆堵头、下端接口 3-2可通过连接管4与其再下部基板上的第一管接头的上端接口连接相通，或下部基板2上的第一管接头3的下端接口 3-2与外部管路连接，从上至下将各基板2内的冷却腔体2-2连通并形成串联流道，以此将各功率模块叠，当顶部基板2上的第二管接头6的上端接口 6-1及下部基板2第一管接头3的下端接口 3-2分别与外路连接管4后，将冷却液对各基板2进行冷却。
【权利要求】
1.一种叠加组装式功率模块，其特征在于:包括至少三个功率模块，所述各功率模块包括基板(2)，金属层(7)复合在基板(2)上，且基板(2)的外周边设有凸起环边(2-1)，基板(2)的上端面或/和下端面设有至少两个支承件(5)，至少三个电极端子(I)嵌接在基板(2)的一侧或两侧，电极端子(I)的一端与金属层(7)连接、另一端伸出基板(2)的外侧；所述的基板(2)内设有用于冷却液通过的冷却腔体(2-2)，两个管接头竖置并固定在凸起环边(2-1)的两侧，两个管接头与冷却腔体(2-2)相通，在各功率模块从下至上依次叠放时，各相邻上部和下部的基板(2)其一侧的两管接头通过连接管(4)连接相通、另一侧的两管接头不相通，将各相邻上部和下部的基板(2)内的冷却腔体(2-2)连通并形成串联流道，顶部的基板(2)上的一个管接头用于与外部管路连接，最下部的基板(2)的一个管接头也用于与外部管路连接。
2.根据权利要求1所述的叠加组装式功率模块，其特征在于:所述基板(2)上的两个管接头均设有上端接口和下端接口，相邻上部的基板(2) 一侧管接头的下端接口通过连接管(4)与下部的基板(2)同一侧管接头的上端接口连接相通，且上部的基板(2) —侧管接头的上端接口及下部的基板(2)同一侧管接头的下端接口安装有可拆堵头；相邻上部的基板(2)另一侧管接头的下端接口及下部的基板(2)同一侧管接头的上端接口安装有可拆堵头。
3.根据权利要求1所述的叠加组装式功率模块，其特征在于:所述基板(2)内的冷却腔体(2-2)由三个以上首尾连接相通的U形管构成，或冷却腔体(2-2)内设有挡流板，且冷却腔体(2-2)的两端分别设置在基板(2)的两侧或基板(2)对角处。
4.根据权利要求1所述的叠加组装式功率模块，其特征在于:所述支承件(5)设置在基板(2)凸起环边(2-1)的两侧或两对角处。
5.根据权利要求1所述的叠加组装式功率模块，其特征在于:所述支承件(5)上设有安装孔，且安装孔穿过基板(2)，螺栓穿过各基板(2)的安装孔及支承件(5)的安装孔与锁紧件连接。
【文档编号】H01L23/473GK203553157SQ201320690174
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】麻长胜, 王晓宝, 赵善麒 申请人:江苏宏微科技股份有限公司