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CN102569223B - 一种功率器件绝缘散热结构及电路板、电源设备 - Google Patents

一种功率器件绝缘散热结构及电路板、电源设备 Download PDF

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Abstract

一种功率器件绝缘散热结构及电路板、电源设备，该功率器件绝缘散热结构包括功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器；所述功率器件为片状结构，所述绝缘陶瓷片为氧化铝陶瓷片；所述散热器上设置有散热器引脚，所述散热器引脚用于机械连接电路板；所述功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器在横向上依次固定；其中，所述功率器件的发热面与绝缘陶瓷片的一面通过第一绝缘导热胶粘接固定；所述绝缘陶瓷片的另一面与所述散热器的接触散热面通过第二绝缘导热胶粘接固定。该功率器件绝缘散热结构占用空间小，可以显著提升电源产品的功率密度。

Description

一种功率器件绝缘散热结构及电路板、电源设备
技术领域
本发明涉及电源产品领域，尤其涉及一种功率器件绝缘散热结构及电路板、电源设备。
背景技术
电源产品中广泛应用了功率开关管、整流器等功率器件，其中，功率器件的安装不仅需要满足散热的要求，也需要满足绝缘的要求。功率器件的绝缘散热结构的占用空间已成为影响电源设备功率密度的关键因数。
在电源产品中，常见的一种功率器件的绝缘散热结构由螺钉、绝缘粒、功率器件以及散热器组成；其中，功率器件通过该螺钉和绝缘粒固定在散热器的接触散热面上。常见的另一种功率器件的绝缘散热结构由弹性压条、功率器件以及散热器组成；其中，功率器件通过该弹性压条卡接在散热器的接触散热面上。
上述的功率器件的绝缘散热结构中，无论是通过螺钉和绝缘粒将功率器件固定在散热器的接触散热面上，还通过弹性压条将功率器件卡接在散热器的接触散热面上，均使得功率器件的绝缘散热结构的占用空间较大，降低了电源设备的功率密度。
发明内容
本发明实施例提供了一种功率器件绝缘散热结构及电路板、电源设备，该绝缘散热结构占用空间小，可以显著提升电源设备的功率密度。
一种功率器件绝缘散热结构，包括：
功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器；
所述功率器件为片状结构，所述绝缘陶瓷片为氧化铝陶瓷片；所述散热器上设置有散热器引脚，所述散热器引脚用于机械连接电路板；
所述功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器在横向上依次固定；其中，所述功率器件的发热面与绝缘陶瓷片的一面通过第一绝缘导热胶粘接固定；所述绝缘陶瓷片的另一面与所述散热器的接触散热面通过第二绝缘导热胶粘接固定。
一种电路板，包括由功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器组成的功率器件绝缘散热结构；所述功率器件为片状结构，所述绝缘陶瓷片为氧化铝陶瓷片；所述功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器在横向上依次固定；其中，所述功率器件的发热面与绝缘陶瓷片的一面通过第一绝缘导热胶粘接固定；所述绝缘陶瓷片的另一面与所述散热器的接触散热面通过第二绝缘导热胶粘接固定；所述散热器上设置有散热器引脚，所述散热器引脚机械连接所述电路板。
一种电源设备，所述电源设备内部设有上述电路板以及供电板；其中，所述供电板的电源输出引脚与所述电路板的电源输入引脚电连接。
本发明实施例提供的功率器件绝缘散热结构中，功率器件的发热面与绝缘陶瓷片的一面通过第一绝缘导热胶粘接固定，而绝缘陶瓷片的另一面又与散热器的接触散热面通过第二绝缘导热胶粘接固定，满足了功率器件的散热和绝缘要求，而且通过绝缘导热胶粘接固定方式可以缩小该功率器件的绝缘散热结构用空间，从而可以显著提升电源设备的功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明实施例的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种功率器件的绝缘散热结构的示意图；
图2为图1所示功率器件的绝缘散热结构与电路板的安装示意图；
图3为本发明实施例提供的相邻二个绝缘陶瓷片的布置示意图；
图4为本发明实施例提供的一种组合式绝缘陶瓷片的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种功率器件绝缘散热结构及电路板、电源设备，该绝缘散热结构占用空间小，可以显著提升电源设备的功率密度。以下分别进行详细说明。
实施例一：
请参阅图1，图1为本发明实施例一提供的一种功率器件绝缘散热结构的示意图。如图1所示，该功率器件绝缘散热结构可以包括：
功率器件1、绝缘陶瓷片2以及散热器3；
其中，功率器件1为片状结构，绝缘陶瓷片2为氧化铝陶瓷片；散热器3；
其中，功率器件1、绝缘陶瓷片2以及散热器3在横向上依次固定；功率器件1的发热面与绝缘陶瓷片2的一面通过第一绝缘导热胶粘接固定；而绝缘陶瓷片2的另一面与散热器3的接触散热面通过第二绝缘导热胶粘接固定。
其中，图1所示的功率器件绝缘散热结构可以应用于各种电源设备以及其他的例如变压器模块等具有电源管理功能的模块中。以开关电源为例，开关电源的电路板中需要使用多种不同封装类型的功率开关管、整流桥等功率器件，这些功率器件自身可以带有引脚，其典型的封装类型有TO220，TO247，TO264等。其中，功率器件的内部芯片的热量一般通过芯片底部向外传热。也即是说，上述的功率器件1的发热面可以是功率器件1的内部芯片的芯片底部(热量通过芯片底部向外传热)。
如图1所示的功率器件绝缘散热结构中，功率器件1上可以设置有功率器件引脚11，功率器件引脚11用于电气连接电路板，即实现功率器件1与电路板的电气互连。
如图1所示的功率器件绝缘散热结构中，散热器3上可以设置有散热器引脚31，散热器引脚31用于机械连接电路板，即实现散热器3与电路板的机械连接。一个实施例中，散热器3上可以设置有多个散热器引脚31，而电路板上可以设置相应的焊接过孔，将粘接固定有功率器件1的散热器3插装在电路板上，可以同时实现功率器件引脚11、散热器引脚31的在电路板上的焊接，如图2所示。
其中，图2所示的电路板可以设置在各种电源设备内部，从而可以显著提升电源设备的功率密度。
其中，当图2所示的电路板设置在各种电源设备内部时，各种电源设备内部供电板的电源输出引脚可以与该电路板的电源输入引脚电连接，从而实现为该电路板供电。
本发明实施例提供的功率器件绝缘散热结构中，绝缘陶瓷片2的数量为至少二个，并且相邻二个绝缘陶瓷2片之间的间距大于3mm，3mm是爬电安全间距。每一个绝缘陶瓷片2的一面粘接固定至少一个功率器件1。也即是说，多个功率器件1可同时粘接固定在一个绝缘陶瓷片2上，而一个散热器1上可以同时粘接固定多个绝缘陶瓷片2。
作为一种可选的实施方式，绝缘陶瓷片2可以为导热系数大于20w/mk的氧化铝陶瓷片。根据应用需求，氧化铝陶瓷片(即绝缘陶瓷片2)的厚度通常为0.5mm～2mm。
作为一种可选的实施方式，散热器3可以为金属散热器(如铝或者铜等材质的散热器)。一个实施例中，散热器3也可以为微孔洞化陶瓷散热片。由于微孔洞化结构的关系，微孔洞化陶瓷散热片的表面积相较金属散热器多出约30％的孔隙，因而与对流介质空气有更大的接触面积，能够在同一单位时间内带走更多的热量。
作为一种可选的实施方式，上述的第一绝缘导热胶、第二绝缘导热胶可以为导热系数大于0.3w/mk的有机绝缘导热胶。其中，有机绝缘导热胶通常是在有机树脂(比如环氧、有机硅、聚丙烯酸等)中加入一定量的绝缘导热填料(比如氧化铝、二氧化硅、氮化铝、氮化硼、氧化锌等)构成。
特别地，对于粘接固定绝缘陶瓷片2(如氧化铝陶瓷片)与散热器3的第二绝缘导热胶，由于绝缘陶瓷片2(如氧化铝陶瓷片)与散热器3(如铝散热器、铜散热器)的热膨胀系数(Coefficient Of Thermal Expansion，CTE)相差较大，第二绝缘导热胶需要尽可能地使用导热胶模量低的有机绝缘导热胶。实验表明，第二绝缘导热胶为导热系数大于0.3w/mk，并且25℃下固化后的导热胶模量小于5GPa的有机绝缘导热胶的粘接固定效果最佳。
作为一种可选的实施方式，上述的第一绝缘导热胶也可以为导热系数大于0.3w/mk，并且25℃下固化后的导热胶模量小于5GPa的有机绝缘导热胶。
本发明实施例中，将绝缘导热胶分别刷涂在散热器3、绝缘陶瓷片2表面，通过辅助工具，将功率器件1、涂有绝缘导热胶的绝缘陶瓷片2、涂有绝缘导热胶的散热器3依次安装，并放入指定高温烘烤条件下使绝缘导热胶固化，即可实现散热器3、绝缘陶瓷片2、功率器件1的粘接固定。
本发明实施例一中，功率器件1的发热面与绝缘陶瓷片2的一面通过第一绝缘导热胶粘接固定，而绝缘陶瓷片2的另一面又与散热器3的接触散热面通过第二绝缘导热胶粘接固定，满足了功率器件1的散热和绝缘要求，而且通过绝缘导热胶粘接固定方式可以缩小该功率器件1的绝缘散热结构用空间，从而可以显著提升电源设备的功率密度。
实施例二：
本发明实施例二中，假设4个TO247功率开关管使用2个绝缘陶瓷片2粘接固定，相对于4个TO247功率开关管使用一个绝缘陶瓷片1粘接固定，2个绝缘陶瓷片2之间需增加一定的距离以满足所需的爬电安全间距，如图3所示。
本发明实施例中，为了更大程度缩小功率器件的绝缘散热结构的占用空间，在同一绝缘陶瓷片上粘接功率器件的数目越多，节省占用空间越显著。共用绝缘陶瓷片的功率器件数目越多，绝缘陶瓷片尺寸越大。而绝缘陶瓷片尺寸越大，在温度变化造成的热应力越大，可能导致绝缘陶瓷片应力开裂或者陶瓷片与散热器之间出现脱落，导致电源产品失效。本发明实施例二提供了一个组合式绝缘陶瓷片方案，该组合式绝缘陶瓷片不明显增加占用空间，同时不降低绝缘陶瓷片的粘接可靠性。以8个TO247开关功率管共用一个绝缘陶瓷片为例，绝缘陶瓷片尺寸过大，其粘接可靠性风险大。本发明实施例中，可以使用图4所示的组合绝缘陶瓷片来替代单片绝缘陶瓷片。图4所示的组合式绝缘陶瓷片相对于整张绝缘陶瓷片而言，其热应力只有整张绝缘陶瓷片的一半，同时不会增加占用空间。
实施例三：
本发明实施例三中，上述的第一绝缘导热胶、第二绝缘导热胶可以是有机绝缘导热薄膜，这样可避免手工刷涂绝缘导热胶，提升生产效率。其中，有机绝缘导热薄膜的中间部分可以是玻璃纤维布基材，或PI绝缘耐压薄膜，或PEN绝缘耐压薄膜，而双面设有预固化的导热胶。有机绝缘导热薄膜也可以是不带基材，为已经涂布成片材状的导热胶薄膜。有机绝缘导热薄膜经过高温加热，可进行二次固化，实现对功率器件1、绝缘陶瓷片2以及散热器3的粘接固定。
相对于现有功率器件绝缘散热结构，本发明实施例可以降低单个功率器件的绝缘散热结构的占用空间50％左右，显著提升整个电源产品的功率密度。
以上对本发明实施例所提供的功率器件的绝缘散热结构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (15)

1.一种功率器件绝缘散热结构，其特征在于，包括：
功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器；
所述功率器件为片状结构，所述绝缘陶瓷片为氧化铝陶瓷片；所述散热器上设置有散热器引脚，所述散热器引脚用于机械连接电路板，所述散热器为微孔洞化陶瓷散热片，所述绝缘陶瓷片为组合式绝缘陶瓷片，所述组合式绝缘陶瓷片为单片绝缘陶瓷片在同一平面上组合得到的；
所述功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器在横向上依次固定；其中，所述功率器件的发热面与绝缘陶瓷片的一面通过第一绝缘导热胶粘接固定；所述绝缘陶瓷片的另一面与所述散热器的接触散热面通过第二绝缘导热胶粘接固定，所述第一绝缘导热胶和所述第二绝缘导热胶均是导热系数大于0.3w/mk，并且25℃下固化后的导热胶模量小于5GPa的有机绝缘导热胶。
2.根据权利要求1所述的绝缘散热结构，其特征在于，所述绝缘陶瓷片的导热系数大于20w/mk，厚度为0.5mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的绝缘散热结构，其特征在于，所述散热器为金属散热器。
4.根据权利要求1所述的绝缘散热结构，其特征在于，所述第一绝缘导热胶是有机绝缘导热薄膜，所述有机绝缘导热薄膜为已经涂布加工为片状的导热胶。
5.根据权利要求1所述的绝缘散热结构，其特征在于，所述第二绝缘导热胶是有机绝缘导热薄膜，所述有机绝缘导热薄膜为已经涂布加工为片状的导热胶。
6.根据权利要求1所述的绝缘散热结构，其特征在于，所述功率器件上设置有功率器件引脚，所述功率器件引脚用于电气连接电路板。
7.根据权利要求1～6任一项所述的绝缘散热结构，其特征在于，所述绝缘陶瓷片的数量为至少二个，并且相邻二个所述绝缘陶瓷片之间的距离满足爬电安全间距的要求。
8.根据权利要求7所述的绝缘散热结构，其特征在于，每一个所述绝缘陶瓷片的一面粘接固定至少一个所述功率器件。
9.一种电路板，其特征在于，包括由功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器组成的功率器件绝缘散热结构；所述功率器件为片状结构，所述绝缘陶瓷片为氧化铝陶瓷片；所述功率器件、绝缘陶瓷片以及散热器在横向上依次固定，所述散热器为微孔洞化陶瓷散热片，所述绝缘陶瓷片为组合式绝缘陶瓷片，所述组合式绝缘陶瓷片为单片绝缘陶瓷片在同一平面上组合得到的；其中，所述功率器件的发热面与绝缘陶瓷片的一面通过第一绝缘导热胶粘接固定；所述绝缘陶瓷片的另一面与所述散热器的接触散热面通过第二绝缘导热胶粘接固定，所述第一绝缘导热胶和所述第二绝缘导热胶均是导热系数大于0.3w/mk，并且25℃下固化后的导热胶模量小于5GPa的有机绝缘导热胶；所述散热器上设置有散热器引脚，所述散热器引脚机械连接所述电路板。
10.根据权利要求9所述的电路板，其特征在于，所述绝缘陶瓷片的导热系数大于20w/mk，厚度为0.5mm～2mm。
11.根据权利要求9所述的电路板，其特征在于，所述散热器为金属散热器。
12.根据权利要求9所述的电路板，其特征在于，所述第一绝缘导热胶是有机绝缘导热薄膜，所述有机绝缘导热薄膜为已经涂布加工为片状的导热胶。
13.根据权利要求9所述的电路板，其特征在于，所述第二绝缘导热胶是有机绝缘导热薄膜，所述有机绝缘导热薄膜为已经涂布加工为片状的导热胶。
14.根据权利要求9～13任一项所述的电路板，其特征在于，所述功率器件上设置有功率器件引脚，所述功率器件引脚电气连接所述电路板。
15.一种电源设备，其特征在于，所述电源设备内部设有权利要求9～14任一项所述的电路板以及供电板；所述供电板的电源输出引脚与所述电路板的电源输入引脚电连接。
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