Силовой модуль

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. Основание модуля выполнено по алюмооксидной технологии и включает слой алюминия и слой оксида алюминия с металлическими проводниками, образующими печатную плату. Корпус выполнен из металла, допускающего пайку или покрыт материалом, допускающим пайку, полупроводниковые и другие элементы электрической схемы прикреплены пайкой к металлическим проводникам платы, и соединены с образованием электрической схемы силового модуля, причем на поверхность основания, соединяемую с корпусом, также нанесен металлический проводник, корпус соединен с основанием пайкой, а выводы изолированы от металлических частей конструкции втулками. Предусмотрено, что выводы могут быть выведены как через фронтальную поверхность корпуса, так и через его основание.

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.

Увеличение энергетической плотности силовых электронных устройств в модульном исполнении связано с повышением эффективности отвода тепла от тепловыделяющих элементов (ТВЭ) электрической схемы и обеспечивается применением материалов с улучшенными теплоотводящими свойствами.

Известно техническое решение изготовления многокристальных модулей для применения в изделиях силовой электроники по технологии Direct Bond Copper (DBC), основанное на формировании медных проводников на керамической подложке, позволяющее обеспечивать высокую теплоотдачу от ТВЭ на основание модуля или непосредственно на внешний радиатор. (Юрген Шульц-Хардер, Медно-керамические подложки DBC: новые возможности, перспективы и проблемы создания нового поколения изделий силовой электроники., журнал « Компоненты и технологии», 2005 3, стр.72-75.)

Недостатком указанного технического решения является низкая механическая прочность керамической подложки, что снижает устойчивость мог дуля 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, «Коммутационная плата», изготовления плат с высокой теплопроводностью для монтажа электронных компонентов на основе указанной технологии (Патент на полезную модель RU 123620 с приоритетом от 06.06.2012, опубл. 27.12.2012).

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 недостаточная механическая прочность неметаллического корпуса модуля и невозможность обеспечения герметичности конструкции, а также неэффективность отвода тепла от полупроводниковых элементов из-за дополнительных тепловых сопротивлений металлокерамических плат между полупроводниковыми тепловыделяющими элементами и основанием.

Задачей, на решение которой направлено создание описываемого технического решения, является повышение механической прочности модуля, а также улучшение отвода тепла от тепловыделяющих элементов электрической схемы, в т.ч. полупроводниковых, непосредственно на алюминиевое основание силового модуля, металлический корпус и далее во внешний радиатор и (или) окружающую среду.

Указанная цель достигается тем, что в силовом модуле, содержащем основание, выводы, корпус, плату с закрепленным на ней полупроводниковым элементом, основание модуля выполнено по алюмооксидной технологии и включает слой алюминия и слой оксида алюминия с металлическими проводниками, образующими печатную плату, при этом корпус выполнен из металла, допускающего пайку или покрыт материалом, допускающим пайку, полупроводниковые и другие элементы электрической схемы прикреплены пайкой к металлическим проводникам платы и соединены с образованием электрической схемы силового модуля, причем на поверхность основания, соединяемую с корпусом, также нанесен металлический проводник, корпус соединен с основанием пайкой, а выводы изолированы от металлических частей конструкции втулками.

Предусмотрено, что выводы могут быть выведены как через фронтальную поверхность корпуса, так и через его основание.

Полезная модель проиллюстрирована чертежами, где на фиг. 1 представлен эскиз вида сбоку силового модуля в разрезе, на фиг. 2 показан вариант выведения выводов через основание.

Силовой модуль содержит плату 1 с металлическими проводниками 2, элементы электрической схемы 3, выводы 4, корпус 5, теплопроводящий компаунд 6, изолирующие втулки 7, слой оксида алюминия 8.

Печатная плата 1 изготовлена по электрохимической алюмооксидной технологии на алюминиевом основании методом анодного окисления (анодирования) алюминия. Электрическая изоляция выводов 4 от металлического корпуса 5 обеспечивается втулками 7 из изоляционного материала.

Электрические контакты между электрорадиоизделиями 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 3 силового модуля, передается через металлические проводники 2 непосредственно на алюминиевое основание 1, имеющее высокую теплопроводность, и рассеивается конвекцией, излучением или передается на внешний теплоотвод (радиатор).

Металлический корпус 5, соединенный с основанием модуля 1 пайкой, увеличивает площадь теплоотводящей поверхности модуля за счет передачи тепла от основания 1 на металлический корпус 5 и далее конвекцией и(или) излучением в окружающую среду.

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.

Технический результат заявляемого устройства состоит в повышении механической прочности силового модуля и его герметичности, обусловленном выполнением корпуса из металла. Соединение металлического корпуса и основания модуля, выполненное с помощью пайки, увеличивает площадь теплоотводящей поверхности модуля за счет передачи тепла от основания на металлический корпус и далее конвекцией и(или) излучением в окружающую среду, обеспечивает механическую прочность конструкции и герметичность модуля. Для обеспечения электрической изоляции выводы изолированы от металлических частей конструкции втулками.

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

1. Силовой модуль, содержащий основание, выводы, корпус, плату с закрепленным на ней полупроводниковым элементом, отличающийся тем, что основание модуля выполнено по алюмооксидной технологии и включает слой алюминия и слой оксида алюминия с металлическими проводниками, образующими печатную плату, при этом корпус выполнен из металла, допускающего пайку, или покрыт материалом, допускающим пайку, полупроводниковые и другие элементы электрической схемы прикреплены пайкой к металлическим проводникам платы, и соединены с образованием электрической схемы силового модуля, причем на поверхность основания, соединяемую с корпусом, также нанесен металлический проводник, корпус соединен с основанием пайкой, а выводы изолированы от металлических частей конструкции втулками.

2. Силовой модуль по п. 1, отличающийся тем, что выводы выведены через фронтальную поверхность корпуса.

3. Силовой модуль по п. 1, отличающийся тем, что выводы выведены через основание корпуса.