智能功率模块及空调器的制作方法

本实用新型涉及电子电路
技术领域：
，特别涉及一种智能功率模块及空调器。
背景技术：
：随着科技进步和社会生产力的发展，资源过度消耗、环境污染、生态破坏、气候变暖等问题日益突出，绿色发展、节能减排成为各企业及工业领域的转变发展方向。为此，空调、冰箱等耗能较大的制冷设备大多采用变频器技术来实现降低能耗，而在变频技术中，智能功率模块成为必不可少的一个核心器件。目前，智能功率模块由于其内部集成了逆变电路、驱动电路，有的甚至集成有控制芯片，使得其在电器设备的电控板中所占体积较大，因此如何缩小智能功率模块的体积，成为研究人员的努力方向。技术实现要素：本实用新型的主要目的是提出一种智能功率模块及空调器，旨在缩短功率开关管与驱动芯片之间焊线和引线的物理连接距离，减少了由焊线和引线引入的寄生电感。为实现上述目的，本实用新型提出一种智能功率模块，所述智能功率模块包括：安装基板，所述安装基板的一侧表面设置有安装位；多个功率开关管，设置于所述安装基板对应的安装位上；多个驱动芯片，每一所述驱动芯片叠设于一所述功率开关管上。可选地，每一所述功率开关管包括受控端焊垫，每一所述驱动芯片包括驱动端焊垫；所述功率开关管的受控端焊垫位于所述功率开关管背离所述安装基板的一侧，所述驱动芯片的驱动端焊垫位于所述驱动芯片背离所述安装基板的一侧，所述驱动芯片的驱动端焊垫与所述功率开关管的受控端焊垫通过金属绑线连接。可选地，所述功率开关管与所述驱动芯片之间通过绝缘粘合剂固定连接。可选地，多个所述功率开关管至少一个为RC-IGBT。可选地，每一所述功率开关管包括受控端焊垫；每一所述驱动芯片包括驱动端焊垫；所述驱动芯片的驱动端焊垫与所述受控端焊垫位置对应且抵接。可选地，所述功率开关管为IGBT；所述智能功率模块还包括快恢复二极管，所述快速恢复二极管的数量及位置与所述IGBT对应；所述快恢复二极管和所述IGBT的反并联连接。可选地，所述智能功率模块还包括封装壳体，所述封装壳体罩设于所述安装基板上，以对所述驱动芯片及所述功率开关管进行封装。可选地，所述智能功率模块还包括散热器，所述散热器设置于所述安装基板背离多个所述功率开关管及多个所述驱动芯片的一侧。可选地，所述安装基板包括：导热基板；电路布线层，设置于所述导热基板的一侧表面，所述电路布线层形成有所述功率开关管安装的安装位；以及，绝缘层，所述绝缘层夹设于所述电路布线层与所述导热基板之间。本实用新型还提出一种空调器，包括如上所述的智能功率模块。本实用新型智能功率模块将多个驱动芯片中的每一驱动芯片叠设于一功率开关管上，如此设置，使得驱动功率开关管与驱动芯片形成堆叠结构而一体设置，安装基板上可以减少驱动芯片的安装位的设置，从而使得安装基板的面积减小，进而缩短功率开关管和驱动芯片之间的空间距离，使得智能功率模块的可以进一步减小尺寸，本实用新型提供了一种小型化的智能功率模块。驱动芯片堆叠于功率开关管上，驱动芯片与功率开关管之间的电路走线较短，使得驱动芯片能够更快更有效的监控功率开关管的工作状态，例如是否发热严重，进而及时动作，以避免智能功率模块被损坏，提高系统的可靠性。本实用新型缩短了功率开关管与驱动芯片之间焊线和引线的物理连接距离，减少了由焊线和引线引入的寄生电感。从而解决了功率开关管和驱动芯片采用平铺布局模式，增加的焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。本实用新型智能功率模块体积较小，抗干扰能力强，适用于驱动电机的变频器及各种逆变电源中，以实现变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动等功能，尤其适用于驱动空调、冰箱等压缩机和风机的电机工作。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本实用新型智能功率模块一实施例的结构示意图；图2为本实用新型智能功率模块另一实施例的结构示意图；图3为本实用新型智能功率模块又一实施例的结构示意图；图4为本实用新型智能功率模块再一实施例的结构示意图。附图标号说明：标号名称标号名称100安装基板200封装壳体110散热层300引脚120电路布线层Q1～Q6功率开关管130绝缘层U1～U6驱动芯片140第一安装区D1～D6快恢复二极管150第二安装区10、20、30三相功率单元160第三安装区本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。本实用新型提出一种智能功率模块，该功率模块适用于驱动电机的变频器及各种逆变电源中，以实现变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动等功能。尤其适用于驱动空调、冰箱等压缩机的电机工作。空调器一般包括室内机和室外机，室外机和室内机中均设置电机及驱动电机工作的电控板。以室外机的电控板为来说，室外机的电控板上大多设置有驱动压缩机的智能功率模块，驱动风机的智能功率模块。参照图1至图3，在本实用新型一实施例中，该智能功率模块包括：安装基板100，所述安装基板100的一侧表面设置有安装位；多个功率开关管(Q1～Q6)，设置于所述安装基板100对应的安装位上；多个驱动芯片(U1～U6)，每一所述驱动芯片叠设于一所述功率开关管上。本实施例中，安装基板100为功率开关管和驱动芯片的载体，安装基板100可以采用铝或铝质合金、铜或铜质合金等金属材料所制成的基板实现，本实施例优选采用铜基板来实现。安装基板100的形状可以根据功率开关管的具体位置、数量及大小确定，可以为方形，但不限于方形。当然在其他实施例中，安装基板100还可以采用引线框架或者氮化铝陶瓷基板来实现，氮化铝陶瓷基板包括绝缘散热层110及形成于所述绝缘散热层110上的电路布线层120。本实施例中，安装基板100可选为单面布线板。参照图2，安装基板100包括散热层110、电路布线层120及绝缘层130，电路布线层120及绝缘层130可以依次叠设与散热层110上，或者在另一实施例中，散热层110与电路布线层120依次形成于绝缘层130上。电路布线层120可选采用柔性覆铜层，柔性覆铜层上形成有供智能功率模块的电子元件安装的安装位，具体可根据智能功率模块的电路设计，在安装基板100上形成对应的电路走线以及对应供功率组件中的各电子元件安装的安装位，即焊盘。功率开关管对应设置于柔性覆铜层的安装位上，并通过焊锡、金属绑线等导电材料与电路布线层120实现电连接，形成电流回路。绝缘层130可选采用PI膜等绝缘材料制得的绝缘层130来实现。在制作安装基板100时，可以将铜箔铺设在绝缘层130上，并按照预设的电路设计蚀刻所述铜箔，从而形成电路布线层120。在将功率开关管中各电路模块的电子元件集成于散热基板上的电路布线层120后，还可以通过金属绑线实现各电路模块之间的电气连接。或者，可以采用铜或铜质合金直接压延制作成线路及安装位，再通过设备将线路及安装位通过热压工艺压合在PI膜上。在制作散热层110时，可以采用分立的金属基板或者陶瓷基板，并将形成有电路布线层120的绝缘层130通过热压工艺或者采用导热粘合胶、等将金属基板与绝缘层130贴合形成于一体，实现安装基板100的制作。或者，采用铜或者铜质合金在柔性绝缘层130上直接形成该散热层110。功率开关管可以是氮化镓(GaN)功率开关管、Si基功率开关管或SiC基功率开关管，本实施例优选采用氮化镓(GaN)功率开关管。功率开关管以包括四个所述功率开关管，也可以包括六个所述功率开关管，六个功率开关管组成逆变电路，从而应用在逆变电源、变频器、制冷设备、冶金机械设备、电力牵引设备等电器设备中，特别是变频家用电器中。在智能功率模块工作时，驱动芯片输出相应的PWM控制信号，以驱动控制对应的功率开关管导通/截止，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。本实施例可选采用六个功率开关管组成三相逆变桥电路，三相逆变桥电路包括三相上桥臂功率开关管和三相下桥臂功率开关管。功率开关管可以组成PFC功率开关模块、压缩机智能功率模块及风机智能功率模块中的一种或者多种组合。驱动芯片用于在智能功率模块工作时，驱动芯片输出相应的控制信号，以控制对应的功率开关管导通，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。在驱动功率开关管导通时，给功率开关管提供充电电流，以使功率开关管的栅源极间电圧迅速上升至所需值，保证功率开关管开关能快速导通。并在功率开关管导通期间保证功率开关管的栅源极间电圧维持稳定，以使功率开关管可靠导通。本实施例中，每个驱动芯片分别驱动一个功率开关管，相较于采用一个集成的驱动芯片来同时驱动多个功率开关管，本实施例驱动芯片的算法简单，可以提高功率开关管的响应速度，并且驱动芯片独立驱动一个功率开关管，可以较好的监测该功率开关管的工作状态，从而提高智能功率模块的可靠性。需要说明的是，驱动芯片和功率开关管大多采用独立封装，且驱动芯片和功率开关管之间采用平面型设计，也即平铺布局模式，需要满足的最短安全线距以及各个芯片与功率开关管所占的总面积限制了整体面积的进一步减小。驱动芯片和功率开关管需要通过PCB板上的电路布线层120和焊接材料实现电气连接，这样，PCB板的面积较大，且需要的引线也较长，使得每个封装以及PCB板都会有引入寄生电感的焊线和引线，这些寄生电感会带来开关损耗、振铃和可靠性等问题。为了解决上述问题，本实用新型智能功率模块将多个驱动芯片中的每一驱动芯片叠设于一功率开关管上，如此设置，使得驱动功率开关管与驱动芯片形成堆叠结构而一体设置，安装基板100上可以减少驱动芯片的安装位的设置，从而使得安装基板100的面积减小，进而缩短功率开关管和驱动芯片之间的空间距离，使得智能功率模块的可以进一步减小尺寸，本实用新型提供了一种小型化的智能功率模块。驱动芯片堆叠于功率开关管上，驱动芯片与功率开关管之间的电路走线较短，使得驱动芯片能够更快更有效的监控功率开关管的工作状态，例如是否发热严重，进而及时动作，以避免智能功率模块被损坏，提高系统的可靠性。本实用新型缩短了功率开关管与驱动芯片之间焊线和引线的物理连接距离，减少了由焊线和引线引入的寄生电感。从而解决了功率开关管和驱动芯片采用平铺布局模式，增加的焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。本实用新型智能功率模块体积较小，抗干扰能力强，适用于驱动电机的变频器及各种逆变电源中，以实现变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动等功能，尤其适用于驱动空调、冰箱等压缩机和风机的电机工作。参照图1至图4，在一实施例中，每一所述功率开关管包括受控端焊垫(图未标示)，每一所述驱动芯片包括驱动端焊垫(图未标示)；所述功率开关管的受控端焊垫位于所述功率开关管背离所述安装基板100的一侧，所述驱动芯片的驱动端焊垫位于所述驱动芯片背离所述安装基板100的一侧，所述驱动芯片的驱动端焊垫与所述功率开关管的受控端焊垫通过金属绑线连接。本实施例中，功率开关管的受控端、驱动芯片包括驱动端焊垫在内的所有焊垫均相对安装基板100朝上设置，也即背离安装基板100设置，驱动芯片的驱动端焊垫和功率开关管的受控端焊垫通过金属绑线和焊锡固定连接，其中金属绑线可以是银质、金质金属线，或者为铜线。功率开关管的输入端焊垫和输出端焊垫可以朝上设置，也可以朝下设置，本实施例可选为朝上设置功率开关管和驱动芯片的其他焊垫均通过金属绑线与安装基板100的电路布线层120形成的安装位及焊盘连接。可以理解的是，上述驱动芯片和功率开关管可以采用裸晶圆来实现，也可以采用经过封装后的贴片元件来实现。参照图1至图4，在一实施例中，所述功率开关管与所述驱动芯片之间通过绝缘粘合剂固定连接。本实施例中，绝缘粘合剂可选采用热塑性胶或者热固性胶等材料制成，以实现所述驱动芯片与所述功率开关管之间固定连接且绝缘，当然在其他实施例中，绝缘粘合剂还可以是双面胶或者胶水。参照图1或图4，在一实施例中，多个所述功率开关管至少一个为RC-IGBT。本实施例中，三相上桥臂功率开关管和三相下桥臂功率开关管可以全部或者部分采用MOS管来实现，也可以是全部或者部分采用IGBT来实现，还可以是全部或者部分采用HEMT来实现。本实施例可选为RC-IGBT(内部耦合反向二极管)，在采用RC-IGBT来实现时，由于无需反并联二极管，可以简化智能功率模块的结构，进而缩小智能功率模块的体积，并且可以减少元件的使用，使得元件的贴片、封装更加简便。参照图1或图4，在一实施例中，每一所述功率开关管包括受控端焊垫；每一所述驱动芯片包括驱动端焊垫；所述驱动芯片的驱动端焊垫与所述受控端焊垫位置对应且抵接。本实施例中，功率开关管的受控端焊垫与驱动芯片的驱动端焊垫位置对应且抵接，如此设置，使得功率开关管与驱动芯片集成于一体，且功率开关管的栅极焊垫与驱动芯片的驱动端焊垫抵接，从而缩短了功率开关管和驱动芯片之间的空间距离，无需焊线、引线及PCB板物理连接，进而减少了由焊线和引线引入的寄生电感，甚至可以将栅极电感减少至1nH以下。本实用新型解决了过长的焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。功率开关管和驱动芯片之间还包括导电层，导电层可选采用导电银胶或焊锡膏等材料制成，以实现所述驱动芯片的驱动端焊垫与所述功率开关管的受控端焊垫之间的固定且电气连接。参照图2和图3，在一实施例中，所述功率开关管为IGBT；所述智能功率模块还包括快恢复二极管，所述快速恢复二极管的数量及位置与所述IGBT对应；所述快恢复二极管和所述IGBT的反并联连接。本实施例中，快速恢复二极管的数量和位置与每一功率开关管的对应，本实施例中，快速恢复二极管的数量可选为六个，六个快速恢复二极管分别标记为D1、D2、D3、D4、D5、D6。本实施例中，快速恢复二极管为高功率反并联二极管，用于实现功率开关管的快速关断。其中，在基于功率开关管设置为SiCMOSFET或者SiCIGBT，或者GaNHEMT器件时，将智能功率模块的开关损耗减小到较低，进而有利于节约电能、降低模块发热的情况下，快速恢复二极管可选采用Si材料制成的快速恢复二极管或者肖特基二极管来实现，可以保证智能功率模块的自身的功耗较低的同时，降低智能功率模块的生产成本。参照图2，在一实施例中，所述智能功率模块还包括封装壳体200，所述封装壳体200罩设于所述安装基板100上，以对所述驱动芯片及所述功率开关管进行封装。本实施例中，封装壳体200可以采用环氧树脂、氧化铝、导热填充材料等材料制成，其中，导热填充材料可以是氮化硼、氮化铝材质，氮化铝和氮化硼的绝缘性较好，且导热率较高，耐热性及热传导性较佳，使得氮化铝和氮化硼有较高的传热能力。在制作封装壳体200时，可以将环氧树脂、氧化铝、氮化硼或者氮化铝等材料进行混料，然后将混合好的封装材料进行加热；待冷却后，粉碎所述封装材料，再以锭粒成型工艺将封装壳体200材料进行轧制成形，以形成封装壳体200后将驱动芯片和功率开关管封装在封装壳体200内。或者通过注塑工艺将驱动芯片和功率开关管封装在封装壳体200内，将所述封装壳体200罩设于所述安装基板100及所述功率组件20上。使得铝基板的下表面裸露在封装件外，而加速功率元件的散热。参照图1至图4，在一实施例中，所述智能功率模块还包括散热器，所述散热器设置于所述安装基板100背离多个所述功率开关管及多个所述驱动芯片的一侧。本实施例中，散热器通过导热硅脂或者导热硅胶与封装壳体200固定连接。从而使得功率组件中的电子元件产生的热量通过金属散热基板及石墨烯散热层110传导至散热器上，进一步增大智能功率模块产生的热量与空气的接触面积，提高散热速率。参照图2，在一实施例中，绝缘层130夹设于所述电路布线层120与所述散热层110之间。本实施例中，智能功率模块还可以设置绝缘层130，在散热层110采用铝材或者铜材等具有导电性能的材质来实现时，绝缘层130可选采用热塑性胶或者热固性胶等材料制成，以实现散热基板与电路布线层120之间的固定连接且绝缘。绝缘层130可以采用环氧树脂、氧化铝、高导热填充材料一种或多种材质混合实现的高导热绝缘层130来实现。该绝缘层130用于实现电路布线层120与金属散热基板之间的电气隔离以及电磁屏蔽，以及对外部电磁干扰进行反射，从而避免外部电磁辐射干扰PFC功率开关模块及各IPM模块正常工作，降低周围环境中的电磁辐射对智能功率模块中的电子元件的干扰影响。在一些实施例中，绝缘层130还可以采用陶瓷来实现，散热层110与绝缘层130可以一体压合设置，通过陶瓷的高绝缘性及高导热性以加速智能功率模块的散热能力。参照图4，在一实施例中，所述智能功率模块还包括引脚300，所述引脚300设置于所述电路布线层120上，且通过金属线与所述功率组件10及电路布线层120电连接。本实施例中，引脚300可以采用鸥翼型引脚300或者直插型引脚300来实现，本实施例优选为直插型引脚300，引脚300焊接在低导热绝缘基板上，电路布线层120对应的安装位上的焊盘位置，并通过金属线60与功率组件10实现电气连接。在另一实施例中，各个引脚300的一端固定于所述安装基板100上，引脚300的另一端朝远离所述安装基板100的方向延伸，引脚300的延伸方向与所述安装基板100所在的平面平行。相较于鸥翼型的引脚300，本实施例引脚300与安装基板100平行设置，也即引脚300呈平铺结构，如此设置，使得在安装基板100的散热层110嵌设于空调器中的电控板中，安装基板100的绝缘层130与电控板贴合时。智能功率模块的引脚300通过焊锡、导电胶固定于电控板上，引脚300的延伸段与电控板贴合，进而可以防止电控板在跌落时，导致引脚300断裂。并且安装基板100部分嵌设于电控板内，使得智能功率模块安装于电控板上，智能功率模块与电控板的紧固性更好，进而防止智能功率模块与电控板在搬运或者跌落的过程中，智能功率模块与电控板发生相对运动而使电控板不能正常工作，或者导致智能功率模块断裂而损坏智能功率模块。参照图3和图4，在一实施例中，安装基板100具有相对的第一端A和第二端B，所述安装基板100自所述第一端A至第二端B依次包括第一安装区140、第二安装区150和第三安装区160；多个功率开关管的数量为六个，六个功率开关管和各自对应的驱动芯片形成三相功率单元(10、20、30)，三相功率单元(10、20、30)分别设置于所述第一安装区140、第二安装区150和第三安装区160内；每一相功率单元具有对应的功率引脚300，每一相功率单元的功率引脚300设置于每一相功率单元的安装区的边缘。本实施例中，三相功率单元各自安装在对应的安装区内，各相功率单元的功率引脚300也对应安装在各个安装区的边缘，使得引脚300的安装区与各相功率单元的安装区对应，且三相功率单元和引脚300排列分明且有序，可以优化智能功率模块中各构件的布局，有利于智能功率模块的电路布线层120的布线简洁，减小三相功率单元之间，以及三相功率单元对应的功率引脚300之间的电磁干扰，从而提高模块的稳定性和寿命。三相功率单元的器件和引脚300在不影响散热的前提下，各个元件的排布更加紧凑，且规律性更强，有利于电路布线以及引脚300的安装便利。使得智能功率模块中的各个功率器件的排布更紧凑，集成度更高，空间利用率更高，减小智能功率模块的占用面积，更容易统一把控上述功率器件的可靠性，成本更低。此外，功率引脚300与三相功率单元中驱动芯片和功率开关管的走线距离较短，三相功率单元独立控制，可以简化驱动芯片的控制算法，提高功率开关管的响应速度。本实用新型还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块。该智能功率模块的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本实用新型空调器中使用了上述智能功率模块，因此，本实用新型空调器的实施例包括上述智能功率模块全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的
技术领域：
均包括在本实用新型的专利保护范围内。当前第1页1 2 3