[发明专利]叠加组装式功率模块

说明书

技术领域

本发明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

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。

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℃至125℃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

本发明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。

本发明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。

本发明采用上技术方案后具有以下优点：

1、本发明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，本发明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。

2、本发明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。

3、本发明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。本发明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，提高了功率模块的寿命和可靠性。