一种针对高功率电路板和散热器的热管理优化结构的制作方法

本发明涉及新能源汽车，具体涉及一种用于高功率电路板（如嵌入式车载充电机obc或功率控制单元pcu）与散热器之间的热管理优化结构，旨在解决高功率电路板与散热器之间的高效热传导和长期稳定粘接问题。

背景技术：

1、在新能源汽车中，现有功能模块通常采用分布式方案，如obc（嵌入式车载充电机）和pdu（功率控制单元），这些模块往往会采用碳化硅芯片以及陶瓷基板等高端制造工艺，成本高昂。如采用嵌入式设计高功率电路板，将多个功能模块集成于同一块pcb上，则可以显著减少碳化硅芯片和陶瓷基板的使用数量，从而降低成本。然而，传统pcb材料（如fr4基板）的导热系数较低（0.4-0.8 w/m·k），远低于陶瓷基板，因此必须配套使用散热器。在车辆行驶过程中，pcb与散热器需保持紧密连接以确保热管理的可靠性。现有技术中，如何通过中间层实现牢固粘接并提供高效导热性能，仍是亟待解决的难题。

2、刚性覆铜板，以玻纤布和电子树脂制成的玻纤布基板(fr4)是目前pcb制造中用量最大，应用最广。针对新能源汽车的高温使用环境，pcb中的树脂往往采用特种环氧树脂，苯并噁嗪树脂，马来酰亚胺树脂，碳氢树脂及四氟乙烯等。应用于新能源车的刚性覆铜板，常规fr4的cte范围为12-18 ppm/°c ，高导热fr4的cte(热膨胀系数)≤10ppm/°c,；添加氮化硅或三氧化二铝填料后的高导热fr4的导热系数范围为0.4-0.8w/m.k.；而铜层的cte典型值为17ppm/°c，可以通过改变厚度微调cte.两者的cte差别，在高温工作环境下，会导致pcb形变,铜层的导热系数为398w/m.k.。

3、陶瓷基板，amb（活性金属钎焊）或dbc（直接键合铜陶瓷基板），面向新能源汽车领域，相对于传统的刚性覆铜板，amb和dbc可以提供高导热率，高绝缘性，高机械强度以及低热阻系数等性能。其中陶瓷的cte范围是6-8ppm/°c，有助于防止应力损坏芯片。

4、结构粘接胶：应用于新能源汽车领域的结构粘接胶主要包括：

5、环氧树脂体系，cte范围为40-80 ppm/°c，可通过添加填料（如二氧化硅，三氧化二铝或氮化铝）降至20 ppm/°c以内。聚氨酯体系，cte范围为80-150 ppm/°c。丙烯酸酯体系，cte范围为60-100 ppm/°c。有机硅体系，cte范围为150-300 ppm/°c。改性硅烷体系，cte范围为70-120 ppm/°c。

6、导热凝胶：应用于新能源汽车领域的热管理导热凝胶主要包括：

7、聚氨酯体系，cte范围为150-250 ppm/°c。丙烯酸酯体系，cte范围为80-180 ppm/°c。有机硅体系，cte范围为200-350 ppm/°c。环氧树脂体系，cte范围为50-120 ppm/°c。通过导热填料的添加，可以改变导热凝胶的cte，如30%的氮化硼可以有机硅导热凝胶的cte从300ppm/°c降至180 ppm/°c。

8、相关专利分析：

9、cn118665108a，描述了新能源车热管理系统，并不涉及高功率电路板热管理结构

10、cn118617944a，描述了新能源车热管理集成单元，并不涉及高功率电路板热管理结构

技术实现思路

1、本发明提供一种针对新能源汽车高功率电路板和散热器的热管理优化结构，以解决电路板与散热器之间的热量高效传导和粘接的问题。

2、本发明结构包括高功率电路板，散热器，粘接材料部分以及导热材料部分。

3、所述高功率电路板包含fr4材质部分以及覆铜部分，其中，电路板上的芯片通过封装引脚连接电路板上水平和垂直方向的覆铜，将热量向水平和垂直方向传递。

4、所述散热器包括主动散热器以及被动散热器，其中主动散热器连接新能源车整体热管理系统，或连接局部热管理系统，如电驱系统冷媒回路。

5、粘接材料部分采用如下任一胶粘剂体系，环氧树脂，聚氨酯，丙烯酸酯，有机硅以及改性硅烷。

6、粘接材料可以通过添加填料，如二氧化硅，三氧化二铝或氮化铝，改变粘接材料的热膨胀系数。

7、导热材料部分采用如下任一导热凝胶体系，聚氨酯，丙烯酸酯，有机硅以及环氧树脂体系。

8、导热材料可以通过添加填料，如氮化硼，改变导热材料的热膨胀系数。

9、本发明通过针对高功率电路板不同材质区域施加粘接材料以及导热材料，在电路板与散热器之间建立稳定的粘接区域以及热传导通道，使得电路板可以长期在高功率条件下稳定输出，并在长期行驶条件下，电路板和散热器仍保持稳定粘接状态。

10、本发明所述粘接材料，根据电路板与散热器连接一侧的fr4分布区域，以及稳定粘接所需要的位置分布排列方式，通过点胶或喷涂方式施加在所选的fr4区域上。

11、本发明所述导热材料，在电路板与散热器连接一侧，通过点胶或喷涂方式施加，覆盖除粘接材料部分之外所有fr4和覆铜区域。

12、本发明所述粘接材料和导热材料的选择，除了粘接性能和导热性能之外，热膨胀系数为特殊需要考虑的材料特性，并分为两种情况：

13、1）当电路板采用普通fr4时，由于fr4和铜的热膨胀系数相近，则粘接材料和导热材料的热膨胀系数需要相近，且尽量靠近fr4和铜材料的热膨胀系数。

14、2）当电路板采用高导热fr4时，粘接材料和导热材料的热膨胀系数间差距需要接近实测高导热fr4和铜的热膨胀系数间差距。

15、本发明所述的粘接材料和导热材料，可以通过点胶或者喷涂方式控制，施加厚度当需要厚度低于150um的情况，可以采用喷涂的方式。

16、本发明所述的粘接材料和导热材料如果热膨胀系数差距过大，则可以环绕粘接材料外侧采用点胶的方式填充宽度≤1mm的弹性体材料，如聚氨酯体系，来减少cte应力。

1.一种高功率电路板热管理结构，其特征在于，所述结构，包含高功率电路板，散热器，粘接材料部分，和导热材料部分；所述结构，自上而下分别为电路板，粘接材料和导热材料（水平方向共为一层），以及散热器。

2.根据权利要求1所述的热管理结构，所述粘接材料部分，覆盖电路板选定的fr4材质区域，并使电路板同散热器连通并粘接；所述导热材料部分，覆盖电路板其余未选定fr4材质区域和所有覆铜区域，并使电路板连通散热器并传导电路板产生的热量至散热器。

3.根据权利要求1所述的热管理结构，当粘接材料和导热材料的热膨胀系数差距过大时，围绕粘接材料外侧可以采用点胶的方式施加宽度≤1mm的弹性体材料缓解热膨胀应力。

4.一种设计方法，根据高功率电路板fr4与覆铜的热膨胀系数差距，以此差距为目标值，选择热膨胀系数差距相近的粘接材料和导热材料，且粘接材料和导热材料本体的热膨胀系数应靠近铜的热膨胀系数。