Силовой модуль

Авторы патента:

H01L25 - Блоки, состоящие из нескольких отдельных полупроводниковых или других приборов на твердом теле (приборы, состоящие из нескольких элементов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее H01L 27/00; блоки фотоэлектрических элементов H01L 31/042; генераторы с использованием солнечных элементов или солнечных батарей H02N 6/00; детали сложных блоков устройств, рассматриваемых в других подклассах, например детали блоков телевизионных приемников, см. соответствующие подклассы, например H04N; детали блоков из электрических элементов вообще H05K)

Силовой модуль относится к электротехнике и может быть использован для изготовления электронной, электротехнической и радиотехнической аппаратуры в качестве модуля электропитания. Силовой модуль, содержит основание, выводы, корпус, плату с закрепленным на ней полупроводниковым элементом. Полупроводниковые и другие элементы электрической схемы прикреплены пайкой к металлическим проводникам платы, выполненной на алюминиевом основании по алюмооксидной технологии, и соединены с образованием электрической схемы силового модуля, при этом указанная плата является основанием силового модуля (1 н.п.ф.,1 илл.).

Силовой модуль относится к электротехнике и может быть использован для изготовления электронной, электротехнической и радиотехнической аппаратуры в качестве комплектующего изделия, в т.ч. модуля электропитания.

Известен «Монолитный DC-DC модуль (МДМ)», содержащий металлическое основание, печатную плату, теплопроводную изоляционную прокладку, тепловыделяющие элементы (ТВЭ), штыри крепления и выводы, при этом ТВЭ прижимаются печатной платой к металлическому основанию через теплопроводную изоляционную прокладку, печатная плата с помощью четырех угловых штырей крепится к металлическому основанию, а выводы, представляющие собой жесткие электропроводные штырьки, выводят из печатной платы в сторону, противоположную металлическому основанию. Модуль также содержит затвердевшие герметик-демпфер и заливочный компаунд, причем герметик-демпфер размещен между печатной платой и каждым ТВЭ, а заливочный компаунд заполняет все свободные места между элементами модуля внутри корпуса.(Патент на полезную модель RU 53835, с приоритетом 10.11.2005, опубл. 27.05.2006)

Недостатками известного модуля являются неэффективность отвода тепла от ТВЭ и низкая прочность электрической изоляции между элементами электрической схемы и корпусом модуля, что обусловлено применением в конструкции теплопроводной изоляционной прокладки, создающей дополнительное тепловое сопротивление между ТВЭ и корпусом, а также имеющей невысокое электрическое сопротивление.

Кроме того, демпфер-герметик и теплопроводная изоляционная прокладка, применяемые для обеспечения прижима ТВЭ к корпусу, имеют низкую механическую прочность и долговечность, что снижает устойчивость модуля к внешним воздействующим факторам, его надежность и ресурс.

Известна также электрохимическая алюмооксидная технология изготовления печатных плат на алюминиевом основании, основанная на сочетании процесса анодного окисления (анодирования) алюминия с базовыми операциями микроэлектроники (вакуумного нанесения металлов и фотолитографии), предназначенная для использования в электротехнической, электронной и полупроводниковой промышленности.

Основу технологии составляет процесс селективного ступенчатого оксидирования алюминия, заключающегося в получении диэлектрика на поверхности металла и в его глубине [http://rusalox.ru].

Известно техническое решение на основе указанной технологии «Коммутационная плата» (Патент на полезную модель RU 123620 с приоритетом 06.06.2012, опубл. 27.12.2012) по изготовлению плат с высокой теплопроводностью для монтажа электронных компонентов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому силовому модулю является «Силовой беспотенциальный модуль с повышенным напряжением изоляции» (Патент на изобретение RU 2274928 с приоритетом от 09.01.2004, опубл. 20.04.2006), состоящий из основания, выводов, корпуса, металлокерамической платы с закрепленным на ней полупроводниковым элементом.

Недостатком известного модуля также является неэффективность отвода тепла от полупроводниковых элементов из-за дополнительных тепловых сопротивлений металлокерамических плат между полупроводниковыми тепловыделяющими элементами и основанием модуля.

Задачей, на решение которой направлено создание заявляемого технического решения, является улучшение отвода тепла от тепловыделяющих элементов (ТВЭ) электрической схемы, в т.ч. полупроводниковых, путем отвода тепла на алюминиевое основание силового модуля.

Поставленная задача решается тем, что силовой модуль, содержащий основание, выводы, корпус, плату с закрепленным на ней полупроводниковым элементом, выполнен так, что в нем полупроводниковые и другие элементы электрической схемы прикреплены пайкой к металлическим проводникам платы, выполненной на алюминиевом основании по алюмооксидной технологии, и соединены с образованием электрической схемы силового модуля, при этом указанная плата является основанием силового модуля.

Технический результат заявляемого устройства состоит в улучшении теплопередачи от ТВЭ, в т.ч. полупроводниковых элементов, к основанию за счет исключения теплового сопротивления теплопроводящей изолирующей прокладки, монтажа указанных элементов пайкой непосредственно на металлические проводники алюминиевой платы, являющейся одновременно основанием силового модуля, и, следовательно, в повышении устойчивости модуля к тепловым нагрузкам и повышении его надежности.

На фиг. представлен эскиз вида сбоку силового модуля в разрезе. Силовой модуль содержит плату 1 с металлическими проводниками 2, элементы электрической схемы 3, выводы 4, корпус 5, теплопроводящий компаунд 6, слой оксида алюминия 7.

Основным элементом конструкции силового модуля является металлизированная алюминиевая печатная плата 1, изготовленная по электрохимической алюмооксидной технологии на алюминиевом основании методом анодного окисления (анодирования) алюминия.

На печатной плате 1 расположены элементы электрической схемы 3, в т.ч. полупроводниковые и другие тепловыделяющие элементы. Электрические контакты между элементами электрической схемы 3 осуществляются пайкой выводных контактов указанных элементов 3 к металлическим проводникам 2, выполненным методом фотолитографии с вакуумным нанесением металла на поверхность печатной платы 1 и образующим топологический рисунок, соответствующий электрической схеме.

Тепло, выделяемое тепловыделяющими элементами электрической схемы 3 силового модуля, передается через металлические проводники 2 и слой оксида алюминия 7 непосредственно на алюминиевое основание 1, имеющее высокую теплопроводность, и рассеивается конвекцией, излучением или передается на внешний теплоотвод (радиатор).

При этом, электрическая изоляция металлических проводников 2 топологического рисунка электрической схемы между собой и относительно алюминиевого основания 1 обеспечивается за счет слоя оксида алюминия 7, обладающего высокими диэлектрическими свойствами.

Испытания макетных образцов модулей электропитания, изготовленных в ЗАО «Орбита» на основе предлагаемого технического решения, показали высокую эффективность отвода тепла от ТВЭ одновременно с обеспечением прочности изоляции токоведущих частей конструкции относительно корпуса силового модуля.

Силовой модуль, содержащий основание, выводы, корпус, плату с закрепленным на ней полупроводниковым элементом, отличающийся тем, что полупроводниковые и другие элементы электрической схемы прикреплены пайкой к металлическим проводникам платы, выполненной на алюминиевом основании по алюмооксидной технологии, и соединены с образованием электрической схемы силового модуля, при этом указанная плата является основанием силового модуля.