贴片式大功率元件的散热结构.pdf

本发明提供一种贴片式大功率元件的散热结构，用来传导大功率元件散发出的热量，包括：镶嵌在电路板内且厚度和电路板一样的导热铜块；一面镀有铜焊盘，另一面连接散热外壳的铝基散热板；以及将热量通过自然对流方式散发到空气中的散热外壳。所述大功率元件采用贴片封装的形式。所述大功率元件的安装是通过焊接与电路板上镶嵌的导热铜块的正面连接。所述铝基散热板的安装是通过焊接与电路板上镶嵌的导热铜块的反面连接。本发明采用从大功率元件—导热铜块—铝基散热板—散热外壳—空气散热的通路，有效降低了大功率元件的工作温度，使大功率元件工作温度保持在额定的范围内，满足了车载电子设备的技术要求。具有散热效果好、结构简单，成本低等优点。

1、  贴片式大功率元件的散热结构，用来传导大功率元件(1)散发出的热量，其特征在于，包括：
-电路板(3)，大功率元件(1)的散热面直接与镶嵌在电路板(3)中的导热铜块(7)的正面焊接；
-导热铜块(7)，导热铜块(7)镶嵌在电路板(3)内且厚度和电路板(3)一样，导热铜块(7)具有优良的导热性能；
-散热板(5)，散热板(5)的一面与镶嵌在电路板(3)中导热铜块(7)的反面焊接，另一面连接散热外壳(6)；
-散热外壳(6)，用来将热量散发至空气中。

2、  根据权利要求1所述的贴片式大功率元件的散热结构，其特征在于，所述大功率元件(1)采用贴片封装的形式。

3、  根据权利要求1所述的贴片式大功率元件的散热结构，其特征在于，所述大功率元件(1)的安装是通过焊接与导热铜块(7)的正面连接。

4、  根据权利要求1所述的贴片式大功率元件的散热结构，其特征在于，在散热板(5)上镀有铜焊盘(8)，散热板(5)通过铜焊盘(8)与导热铜块(7)的反面焊接。

5、  根据权利要求1所述的贴片式大功率元件的散热结构，其特征在于，所述散热板(5)采用铝基散热板结构。

贴片式大功率元件的散热结构
技术领域
本发明涉及电路板上安装贴片式大功率元件的散热结构，具体涉及一种贴片式大功率元件的散热装置。
背景技术
随着汽车电子产品的不断发展，大功率、小型化和轻型化的电机控制单元是发展方向。由于现有很多电机驱动芯片是由大功率晶体管进行电流放大来驱动电机的，而单一的大功率晶体管芯片的散热片面积和能力有限，必须辅以散热结构来消除芯片上过多的热量并迅速将热量进行排放，以延长大功率晶体管芯片的使用寿命。因而，在批量生产的汽车电控产品上，更多的大功率晶体管产品使用了贴片封装形式，而贴片封装的大功率元件如何与非金属材料的电路板焊接，并将热量传导到电路板后面的散热片上是一个难题。
现有大功率元件散热结构的类型较多，通常是在电路板上焊接功率管的位置打一些通孔并金属化，然后用焊锡填满，由于这些有焊锡填满的很多通孔的导热能力比电路板的绝缘板基导热性能好得多，所以能起到将晶体管的热量导到电路板后面的作用，然后再将电路板的反面压在金属散热片上进行散热。一般这种使用贴片式大功率元件的散热方法是这样安装的，参见图1：将电路板3焊接贴片式大功率元件1的需要散热的位置上设计并加工出很多金属化通孔2，在焊接的时候将这些金属化通孔通过焊锡填满，在安装外置散热板5的时候还要在电路板3和散热板5之间加垫一层导热绝缘材料4以保证电路板和散热板之间绝缘，为了让大功率元件1散热快，通常还要将电路板3和散热板5用螺钉夹紧，或者使用其他办法将电路板3和散热板5压紧，以达到散热效果，但这些金属化通孔导热面积远小于大功率元件本身可焊接的散热面积，不具有瞬间将大功率元件内部产生的高热量快速导出的能力，因密布在电路板上的金属化孔2的横截面积小和加上衬垫在电路板反面和散热片之间的导热绝缘材料4的导热系数不是很高，因此这种直接将大功率贴片元件焊接在电路板上的散热结构在实际应用中受到了限制。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种不但散热能力强，而且结构简单、制造成本较低的贴片式大功率元件的散热结构。
本发明的目的是这样实现的：贴片式大功率元件的散热结构，用来传导大功率元件散发出的热量，其特征在于，包括：
-电路板，大功率元件的散热面直接与镶嵌在电路板中的导热铜块的正面焊接；
-导热铜块，导热铜块镶嵌在电路板内且厚度和电路板一样，导热铜块具有优良的导热性能；
-散热板，散热板的一面与镶嵌在电路板中导热铜块的反面焊接，另一面连接散热外壳；
-散热外壳，用来将热量散发至空气中。
进一步的特征，所述大功率元件采用贴片封装的形式。
所述大功率元件的安装是通过焊接与镶嵌在电路板上导热铜块的正面连接。
在散热板上镀有铜焊盘，散热板通过铜焊盘与镶嵌在电路板上导热铜块的反面焊接。
相比现有技术，本发明具有如下优点：
由于在电路板上镶嵌(图2中的)导热铜块7，代替现有技术的(图1中)金属化孔2，导热铜块7的导热截面积远大于图1中的金属化孔2，所以大功率元件1的热量就可快速传导到电路板3的反面，再经铝基散热板5传递到散热外壳6，由散热外壳6将热量传导至空气中。本发明中，导热铜块7是用焊接方法通过铝基散热板5上面的铜焊盘8直接焊在铝基散热板5上的，而铝基散热板5表面有一层氧化氯绝缘层，铜焊盘8是通过特殊加工紧紧贴附在铝基散热板5的氧化绝缘层表面并与铝基板绝缘，这样就省掉图1中的导热绝缘材料4，也进一步减少了热阻，从而达到了将大功率元件1中产生的热量快速传导到散热铝基板上的目的，因而解决了大功率元件的快速散热的问题。而且结构更简单，制造成本更低。
本发明采用从大功率元件-导热铜块-附有铜焊盘的铝基散热板-散热片-空气散热的通路，有效降低了大功率元件的工作温度，使大功率元件工作温度保持在额定的范围内下，满足了车载电子设备的技术要求。
附图说明
图1是现有大功率元件散热部件的结构示意图；
图2是本发明贴片式大功率元件的散热结构的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：参见图2，一种贴片式大功率元件的散热结构，用来传导大功率元件散发出的热量，包括：电路板，大功率元件1的散热面直接焊接在镶嵌有导热铜块7的电路板3的正面；导热铜块7镶嵌在电路板3内且厚度和电路板3相同，导热铜块7具有优良的导热性能；散热板5的一面焊接导热铜块7，另一面连接散热外壳6；散热外壳6，用来将热量传导至空气中。
本发明是在电路板3中焊接贴片式大功率元件1的需要散热的位置上固定一个与电路板同样厚度的导热铜块7，并在电路板生产的时候将导热铜块7与电路板3镶嵌成一体，在焊接的时候通过焊锡将大功率元件1和导热铜块7焊接在一起，然后将一个体积和面积比较大的散热板5焊接在导热铜块7的另一面。
所述散热板5采用铝基板(或者其他导热性能好的材料，比如铜、陶瓷等材料)的结构，铝基板具有散热性能好、价格相对较低、制造工艺成熟、取材方便的优点，因而被大量运用到功率电路的散热结构中。
实施例2：如图2所示，是在实施例1的基础上，在铝基散热板5上镀有铜焊盘8，铝基散热板5通过铜焊盘8与导热铜块7的反面焊接。
本发明的原理为：贴片式大功率元件1发出的热量，直接通过镶嵌在电路板3中的导热铜块7依次传递给铝基散热板5，再经散热体铝基板5传到整个电路的散热片6上，贴片式大功率元件1通过焊接的方式直接与镶嵌在电路板3中的导热铜块7连接，导热铜块7与铝基散热板5通过铜焊盘8焊接合为一体，因为铝基散热板5的散热面积远大于贴片式大功率元件1，所以将铝基散热板5固定在整个电路外壳其热阻就小得多了，从而就大大提高了热量传递的效率。以导热铜块作为导热体不但导热能力强，而且加工方便，制造成本较低。
导热能力的比较：
导热率计算时候有两个重要参数：热阻和导热系数。
导热系数是某种材料的导热特性，在形态尺寸有要求；
热阻是针对某一固定系统，有严格的尺寸、厚度要求，假若更换任何一部分或者尺寸改变，整个系统的热阻都会发生变化，对应于某种材料来说，如果外形尺寸发生变化，热阻也是不同的。
单一材料热阻可以通过导热系数和形态尺寸计算出来。
因此，一种散热结构的导热能力要通过系统热阻的计算才能明确表示。
此二副图的热源一致，可以这么认为，系统热阻最小的散热方式导热能力就更好。
图1的散热方案：
R1为MOSFET的内部热阻。它是一个恒定值，在芯片常封装制作完毕时候已经确定。约为1℃/W。
R2为小孔里灌锡柱(Sn63Pb37)热阻。焊锡导热系数为50W/m*K，共37个通孔，单孔截面积0.2mm²，厚度2mm。若填充满，单个热阻为80℃/W，总的等效热阻为2.16℃/W。
R3为PCB基板热阻，材料为FR4时，导热系数一般为0.2W/m*K，功率芯片下铜块区域除去通孔，环氧树脂截面积共42.84mm²。其热阻最小为233.4℃/W，它是与灌锡柱并联的，因此它对散热能力影响不大。
R4为导热膜热阻，为0.4℃/W。
R5为铝板热导，面积为50.24mm²，厚度2mm。导热系数为0.18℃/W。
R6为铝外壳热阻，假设外壳一致，两种比较结构的热阻一致。
图2的散热方案：
R1为MOSFET的内部热阻。它是一个恒定值，在芯片常封装制作完毕时候已经确定。约为1℃/W。
R7为铜块热阻，截面积50.24mm²，导热系数407W/m*K，热阻大小为0.01℃/W。
R8为铝基板焊盘热阻，焊盘上有一层铜箔以及一层镀锡，镀锡以及焊接处暂时不算，铜箔厚度一般为35μm，热阻大小为0.000165℃/W，可忽略不计。
R5和R8之间有一层结缘层Al₂O₃。96％的氧化铝导热系数是30W/m*K，99％的氧化铝导热系数是35W/m*K，这里以较低的96％的氧化铝计算，同R8计算相同，因为厚度在75μm到155μm间，最大为0.1℃/W。
R5为铝基板，面积为50.24mm²，厚度2mm。导热系数为0.18℃/W。
R6为铝外壳热阻，假设外壳一致，两种比较结构的热阻一致。
除开铝外壳和芯片内热阻，和散热方案1的等效热阻为2.74℃/W，散热方案2的等效热阻为0.29℃/W。两者相差9.45倍。以常用的功率芯片一般耗散功率10W来计算，经过改进的方案2的温升低25℃。
二者相同的焊接部分是(1)和(2)，(1)和(7)之间，假设焊接工艺相同，热阻一致。本发明由于没有使用绝缘膜，铝基板也是靠焊接与导热铜块贴合，属于表面分子融合，接触面间隙非常少，与现有技术(图1)采用的绝缘膜压紧方式(局限在压紧，还是不同材料的表面接触)相比，接触热阻更低；再者，由于现有技术使用密集通孔，由于表面张力影响，全部的孔要充分填满实际操作中是比较困难的。实际中功率芯片耗散功率为10W时，改进后的本发明温度比现有技术(图1)至少低10℃。