專利名稱：貼片式大功率元件的散熱結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電路板上安裝貼片式大功率元件的散熱結構，具體涉及一種貼片式大功率 元件的散熱裝置。
背景技術：
隨著汽車電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，大功率、小型化和輕型化的電機控制單元是發(fā)展方向。 由于現(xiàn)有很多電機驅動芯片是由大功率晶體管進行電流放大來驅動電機的，而單一的大功 率晶體管芯片的散熱片面積和能力有限，必須輔以散熱結構來消除芯片上過多的熱量并迅 速將熱量進行排放，以延長大功率晶體管芯片的使用壽命。因而，在批量生產(chǎn)的汽車電控 產(chǎn)品上，更多的大功率晶體管產(chǎn)品使用了貼片封裝形式，而貼片封裝的大功率元件如何與 非金屬材料的電路板焊接，并將熱量傳導到電路板后面的散熱片上是一個難題。
現(xiàn)有大功率元件散熱結構的類型較多，通常是在電路板上焊接功率管的位置打一些通 孔并金屬化，然后用焊錫填滿，由于這些有焊錫填滿的很多通孔的導熱能力比電路板的絕 緣板基導熱性能好得多，所以能起到將晶體管的熱量導到電路板后面的作用，然后再將電 路板的反面壓在金屬散熱片上進行散熱。 一般這種使用貼片式大功率元件的散熱方法是這 樣安裝的，參見圖l:將電路板3焊接貼片式大功率元件1的需要散熱的位置上設計并加 工出很多金屬化通孔2，在焊接的時候將這些金屬化通孔通過焊錫填滿，在安裝外置散熱
板5的時候還要在電路板3和散熱板5之間加墊一層導熱絕緣材料4以保證電路板和散熱 板之間絕緣，為了讓大功率元件l散熱快，通常還要將電路板3和散熱板5用螺釘夾緊， 或者使用其他辦法將電路板3和散熱板5壓緊，以達到散熱效果，但這些金屬化通孔導熱 面積遠小于大功率元件本身可焊接的散熱面積，不具有瞬間將大功率元件內(nèi)部產(chǎn)生的高熱 量快速導出的能力，因密布在電路板上的金屬化孔2的橫截面積小和加上襯墊在電路板反 面和散熱片之間的導熱絕緣材料4的導熱系數(shù)不是很高，因此這種直接將大功率貼片元件 焊接在電路板上的散熱結構在實際應用中受到了限制。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種不但散熱能力強，而且結構簡單、制造成本較低的貼片式大功率元件的散熱結構。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的貼片式大功率元件的散熱結構，用來傳導大功率元件散
發(fā)出的熱量，其特征在于，包括
一電路板，大功率元件的散熱面直接與鑲嵌在電路板中的導熱銅塊的正面焊接； 一導熱銅塊，導熱銅塊鑲嵌在電路板內(nèi)且厚度和電路板一樣，導熱銅塊具有優(yōu)良的導
熱性能；
一散熱板，散熱板的一面與鑲嵌在電路板中導熱銅塊的反面焊接，另一面連接散熱外
殼；
—散熱外殼，用來將熱量散發(fā)至空氣中。 進一步的特征，所述大功率元件采用貼片封裝的形式。 所述大功率元件的安裝是通過焊接與鑲嵌在電路板上導熱銅塊的正面連接。 在散熱板上鍍有銅焊盤，散熱板通過銅焊盤與鑲嵌在電路板上導熱銅塊的反面焊接。
相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
由于在電路板上鑲嵌(圖2中的)導熱銅塊7，代替現(xiàn)有技術的(圖1中)金屬化孔 2，導熱銅塊7的導熱截面積遠大于圖1中的金屬化孔2，所以大功率元件1的熱量就可快 速傳導到電路板3的反面，再經(jīng)鋁基散熱板5傳遞到散熱外殼6，由散熱外殼6將熱量傳 導至空氣中。本發(fā)明中，導熱銅塊7是用焊接方法通過鋁基散熱板5上面的銅焊盤8直接 焊在鋁基散熱板5上的，而鋁基散熱板5表面有一層氧化氯絕緣層，銅焊盤8是通過特殊 加工緊緊貼附在鋁基散熱板5的氧化絕緣層表面并與鋁基板絕緣，這樣就省掉圖1中的導 熱絕緣材料4，也進一步減少了熱阻，從而達到了將大功率元件1中產(chǎn)生的熱量快速傳導 到散熱鋁基板上的目的，因而解決了大功率元件的快速散熱的問題。而且結構更簡單，制 造成本更低。
本發(fā)明采用從大功率元件一導熱銅塊一附有銅焊盤的鋁基散熱板一散熱片一空氣散 熱的通路，有效降低了大功率元件的工作溫度，使大功率元件工作溫度保持在額定的范圍 內(nèi)下，滿足了車載電子設備的技術要求。
圖1是現(xiàn)有大功率元件散熱部件的結構示意圖2是本發(fā)明貼片式大功率元件的散熱結構的結構示意圖。
具體實施方式
實施例1:參見圖2， 一種貼片式大功率元件的散熱結構，用來傳導大功率元件散發(fā) 出的熱量，包括電路板，大功率元件l的散熱面直接焊接在鑲嵌有導熱銅塊7的電路板
3的正面；導熱銅塊7鑲嵌在電路板3內(nèi)且厚度和電路板3相同，導熱銅塊7具有優(yōu)良的 導熱性能；散熱板5的一面焊接導熱銅塊7，另一面連接散熱外殼6;散熱外殼6，用來將 熱量傳導至空氣中。
本發(fā)明是在電路板3中焊接貼片式大功率元件1的需要散熱的位置上固定一個與電路 板同樣厚度的導熱銅塊7，并在電路板生產(chǎn)的時候將導熱銅塊7與電路板3鑲嵌成一體， 在焊接的時候通過焊錫將大功率元件1和導熱銅塊7焊接在一起，然后將一個體積和面積 比較大的散熱板5焊接在導熱銅塊7的另一面。
所述散熱板5采用鋁基板(或者其他導熱性能好的材料，比如銅、陶瓷等材料)的結
構，鋁基板具有散熱性能好、價格相對較低、制造工藝成熟、取材方便的優(yōu)點，因而被大 量運用到功率電路的散熱結構中。
實施例2:如圖2所示，是在實施例1的基礎上，在鋁基散熱板5上鍍有銅焊盤8， 鋁基散熱板5通過銅焊盤8與導熱銅塊7的反面焊接。
本發(fā)明的原理為貼片式大功率元件l發(fā)出的熱量，直接通過鑲嵌在電路板3中的導 熱銅塊7依次傳遞給鋁基散熱板5，再經(jīng)散熱體鋁基板5傳到整個電路的散熱片6上，貼 片式大功率元件1通過焊接的方式直接與鑲嵌在電路板3中的導熱銅塊7連接，導熱銅塊 7與鋁基散熱板5通過銅焊盤8焊接合為一體，因為鋁基散熱板5的散熱面積遠大于貼片 式大功率元件l，所以將鋁基散熱板5固定在整個電路外殼其熱阻就小得多了，從而就大 大提高了熱量傳遞的效率。以導熱銅塊作為導熱體不但導熱能力強，而且加工方便，制造 成本較低。
導熱能力的比較
導熱率計算時候有兩個重要參數(shù)熱阻和導熱系數(shù)。 導熱系數(shù)是某種材料的導熱特性，在形態(tài)尺寸有要求；
熱阻是針對某一固定系統(tǒng)，有嚴格的尺寸、厚度要求，假若更換任何一部分或者尺寸 改變，整個系統(tǒng)的熱阻都會發(fā)生變化，對應于某種材料來說，如果外形尺寸發(fā)生變化，熱 阻也是不同的。
單一材料熱阻可以通過導熱系數(shù)和形態(tài)尺寸計算出來。 因此， 一種散熱結構的導熱能力要通過系統(tǒng)熱阻的計算才能明確表示。 此二副圖的熱源一致，可以這么認為，系統(tǒng)熱阻最小的散熱方式導熱能力就更好。 圖1的散熱方案Rl為MOSFET的內(nèi)部熱阻。它是一個恒定值，在芯片常封裝制作完畢時候已經(jīng)確定。
約為rc/w。
R2為小孔里灌錫柱(Sn63Pb37)熱阻。焊錫導熱系數(shù)為50 W/m*K,共37個通孔，單 孔截面積0.2mm2,厚度2mm。若填充滿，單個熱阻為8(TC/W，總的等效熱阻為2.16°C/W。
R3為PCB基板熱阻，材料為FR4時，導熱系數(shù)一般為0.2W/n^K，功率芯片下銅塊區(qū)域 除去通孔，環(huán)氧樹脂截面積共42.84mm2。其熱阻最小為233.4'C/W，它是與灌錫柱并聯(lián)的， 因此它對散熱能力影響不大。
R4為導熱膜熱阻，為0.4'C/W。
R5為鋁板熱導，面積為50.24mm2，厚度2mm。導熱系數(shù)為0.18°C/W。 R6為鋁外殼熱阻，假設外殼一致，兩種比較結構的熱阻一致。 圖2的散熱方案
R1為M0SFET的內(nèi)部熱阻。它是一個恒定值，在芯片常封裝制作完畢時候已經(jīng)確定。
約為rc/w。
R7為銅塊熱阻，截面積50.24mm2，導熱系數(shù)407 W/m*K，熱阻大小為0.01°C/W。
R8為鋁基板焊盤熱阻，焊盤上有一層銅箔以及一層鍍錫，鍍錫以及焊接處暫時不算， 銅箔厚度一般為35pm，熱阻大小為0.000165°C/W,可忽略不計。
R5和R8之間有一層結緣層A1203。 96%的氧化鋁導熱系數(shù)是30 W/m*K， 99%的氧化 鋁導熱系數(shù)是35 W /m*K，這里以較低的96%的氧化鋁計算，同R8計算相同，因為厚度在 75(im到155pm間，最大為0.1°C/W。
R5為鋁基板，面積為50.24mm2，厚度2mm。導熱系數(shù)為0.18。C/W。
R6為鋁外殼熱阻，假設外殼一致，兩種比較結構的熱阻一致。
除開鋁外殼和芯片內(nèi)熱阻，和散熱方案1的等效熱阻為2.74°C/W，散熱方案2的等效 熱阻為0.29^~。兩者相差9.45倍。以常用的功率芯片一般耗散功率10W來計算，經(jīng)過 改進的方案2的溫升低25t:。
二者相同的焊接部分是(1)和(2)， (1)和(7)之間，假設焊接工藝相同，熱阻一 致。本發(fā)明由于沒有使用絕緣膜，鋁基板也是靠焊接與導熱銅塊貼合，屬于表面分子融合， 接觸面間隙非常少，與現(xiàn)有技術(圖1)采用的絕緣膜壓緊方式(局限在壓緊，還是不同 材料的表面接觸)相比，接觸熱阻更低；再者，由于現(xiàn)有技術使用密集通孔，由于表面張 力影響，全部的孔要充分填滿實際操作中是比較困難的。實際中功率芯片耗散功率為10W 時，改進后的本發(fā)明溫度比現(xiàn)有技術(圖l)至少低10。C。
權利要求
1、貼片式大功率元件的散熱結構，用來傳導大功率元件(1)散發(fā)出的熱量，其特征在于，包括-電路板(3)，大功率元件(1)的散熱面直接與鑲嵌在電路板(3)中的導熱銅塊(7)的正面焊接；-導熱銅塊(7)，導熱銅塊(7)鑲嵌在電路板(3)內(nèi)且厚度和電路板(3)一樣，導熱銅塊(7)具有優(yōu)良的導熱性能；-散熱板(5)，散熱板(5)的一面與鑲嵌在電路板(3)中導熱銅塊(7)的反面焊接，另一面連接散熱外殼(6)；-散熱外殼(6)，用來將熱量散發(fā)至空氣中。
2、 根據(jù)權利要求1所述的貼片式大功率元件的散熱結構，其特征在于，所述大功率 元件(1)采用貼片封裝的形式。
3、 根據(jù)權利要求1所述的貼片式大功率元件的散熱結構，其特征在于，所述大功率 元件(1)的安裝是通過焊接與導熱銅塊(7)的正面連接。
4、 根據(jù)權利要求1所述的貼片式大功率元件的散熱結構，其特征在于，在散熱板(5) 上鍍有銅焊盤(8)，散熱板(5)通過銅焊盤(8)與導熱銅塊(7)的反面焊接。
5、 根據(jù)權利要求1所述的貼片式大功率元件的散熱結構，其特征在于，所述散熱板 (5)采用鋁基散熱板結構。
全文摘要
本發(fā)明提供一種貼片式大功率元件的散熱結構，用來傳導大功率元件散發(fā)出的熱量，包括鑲嵌在電路板內(nèi)且厚度和電路板一樣的導熱銅塊；一面鍍有銅焊盤，另一面連接散熱外殼的鋁基散熱板；以及將熱量通過自然對流方式散發(fā)到空氣中的散熱外殼。所述大功率元件采用貼片封裝的形式。所述大功率元件的安裝是通過焊接與電路板上鑲嵌的導熱銅塊的正面連接。所述鋁基散熱板的安裝是通過焊接與電路板上鑲嵌的導熱銅塊的反面連接。本發(fā)明采用從大功率元件—導熱銅塊—鋁基散熱板—散熱外殼—空氣散熱的通路，有效降低了大功率元件的工作溫度，使大功率元件工作溫度保持在額定的范圍內(nèi)，滿足了車載電子設備的技術要求。具有散熱效果好、結構簡單，成本低等優(yōu)點。
文檔編號H01L23/12GK101556941SQ200910103838
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權日2009年5月13日
發(fā)明者文 朱, 瑜 王 申請人:重慶三祥汽車電控系統(tǒng)有限公司