一种桥堆芯片的散热结构的制作方法

1.本实用新型涉及电子器件散热技术领域，具体涉及一种桥堆芯片的散热结构。


背景技术：

2.大功率半导体器件的发展，4个快恢复二极管芯片集成一个桥堆芯片，桥堆尺寸相对较小，其优点是散热相对均匀越来越被接受，但随着带载能力的不断提升也带来热量的增加，尤其是尺寸的减小及在高速开关电路中，必须及时的传导排除热量避免舜时大量的热堆积导致芯片瞬间受热损坏。因此为保证芯片能正常的工作，必须通过额外的散热技术迅速的将热量扩散排除。
3.很多产品将桥堆芯片通过具有粘胶的矽胶片或硅脂固定在散热铝块上，在通过螺丝锁定，散热鳍型铝块散热面积有限，为防止电气安全，散热件需要外加外壳或保护盖，且需要额外的风扇进行进行热对流散热；具有粘胶的硅胶片其导热系数较低不适合，阻碍瞬时热量的传导，不适合应用在高速的桥堆电路中，因此使用范围有限不适合高速电路或热量较大的发热芯片，只能选择4个独立的快恢复二极管设计。
4.部分产品安装操作将桥堆的散热面紧贴pcb裸铜区域，通过pcb上的通孔将热传导到背面，使用螺丝固定，为保证紧密接触，在pcb板的背面与散热壳体之间贴敷薄薄的导热硅胶；桥堆发热面与pcb板直接的接触面无法保证是紧密接触的，存在空气填充，因此实际芯片发热面与散热壳体间不止一种热传导介质且热传导因pcb板上过孔的尺寸和密度、板材厚度受限影响很大，因此在实际最终测试散热效果也是很差的。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本实用新型针对现有桥堆芯片带大功率负载产生的热量无法及时传导扩散的结构设计缺陷，提供一种高效低成本的散热设计结构。
6.本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：
7.一种桥堆芯片的散热结构，主要由电路板、桥堆芯片、散热上壳体、散热下壳体、导热硅胶片、导热硅脂组成。
8.所述桥堆芯片包括桥堆发热面和桥堆本体；所述桥堆发热面背向平行电路板，桥堆的丝印台阶面面向电路板，桥堆的台阶丝印面与电路板之间贴敷有导热硅胶片；所述散热上壳体，其外侧设计有鳍型散热槽，其内侧对应桥堆芯片的发热面设计有导热凸台，导热凸台与桥堆芯片的发热面直接接触。
9.所述导热硅脂填充涂在散热上壳体的导热凸台与桥堆发热面之间。
10.所述散热下壳体，其外侧设计有波浪形的凹凸台，其内侧设计有散热下壳体凸台。
11.所述桥堆本体正对电路板区域设计有通孔，桥堆安装在电路板上，焊接时丝印面面向电路板正对裸露的金属通孔。
12.所述电路板在对应桥堆本体的中心位置处设计有密集金属化过孔，电路板在金属化过孔双面均开窗裸铜，通过导热硅胶片将桥堆芯片丝印面上的热传导到电路板的背面，
电路板背面的热再经过导热硅胶片传导到散热下壳体。
13.所述导热硅胶片分别贴敷在桥堆的丝印面与电路板正面之间，以及电路板背面与散热下壳体凸台之间。
14.本实用新型的有益效果是，
15.本实用新型结构中，芯片的发热面与散热体是直接接触，填充导热硅脂以排除所有的空隙间隙使其充分紧密接触，因此本实用新型的散热结构具有突出的设计优势，具体如下：
16.1、传导路径更短，热阻更低，桥堆发热面与散热面直接接触，导热材料种类少，热传导效率高，装配工序简单，装配效率高，总成本低；
17.2、上下散热壳体装配时通过上下凸台与导热硅胶片的挤压缓冲可以省去桥堆穿螺丝柱紧固动作，并具有缓冲应力的效果；桥堆的背面热经过pcb板过孔将一部分热传导到下壳体，利用上下壳体的温度差可以传导更多的热，利用散热下壳体增加散热面积，提升散热效率，缓解热堆积；
18.3、无风扇自然对流冷却，相对安静、可靠稳定。
19.总述，本实用新型的一种桥堆芯片的散热结构是安装操作更优，成本更低，散热效果最好的一种散热结构。
附图说明
20.下面结合附图对本实用新型进行进一步说明。
21.图1是本实用新型提供的一种桥堆芯片的散热结构图。
22.图2是本实用新型优选实施例中桥堆芯片封装结构图。
23.图3是图2中桥堆芯片内部结构实物解剖图。
具体实施方式
24.为使本实用新型能更清楚的描述所解决的技术问题，技术方案以及有效益，本实施例结合附图进行详细的说明。
25.如图1所示，一种桥堆的散热设计结构，主要包括散热上壳体（201），散热上壳体内侧凸台（202），导热硅脂（203），桥堆芯片（204），桥堆下方的导热硅胶片1（205），pcb电路板（206），pcb电路板正下方的导热硅胶片2（207），贯通孔螺丝柱（208），散热下壳体内侧凸台（209），散热下壳体外侧波浪凸台（210）。
26.所述桥堆芯片的双面均有绝缘材质包裹，桥堆芯片四个直插的针脚，焊接时管脚粗细过渡区向外预弯折90度，插件后桥堆本体平行于pcb电路板，丝印面向下面对pcb板，丝印面与pcb板之间贴敷有导热硅胶片。
27.桥堆的主要发热面向上背向pcb电路板，桥堆的发热面涂抹有一层薄的导热硅脂，与上壳体凸台导热面直接充分接触，排除空气填充间隙。
28.pcb电路板正对桥堆的丝印面设计有裸露的金属过孔和设计保留有与桥堆本体上的贯通孔对应的金属化通孔。利用导热硅胶片微粘型覆盖固定在pcb电路板的裸铜位置，桥堆散热面和丝印面均平行与pcb电路板面。
29.如图1所示，所述散热上壳体（201）的外侧具有鳍型槽结构的散热面，金属导热材
质，金属散热面为均匀的鳍型槽，以增加与散热面积，鳍型槽在外壳体由低向上，逐渐变薄，热量可以逐渐的爬升提升与空气之间的热交换效率。
30.如图1所示，所述散热上壳体内侧凸台（202），散热上壳体内侧的凸台长宽尺寸远大于芯片的发热面尺寸，实心金属凸台面光滑平整，凸台面相较于周围壳体内壁较厚，上壳体内侧的凸台不仅可以缩小与发热面的距离，较大实心的金属平面与发热面充分接触后，可以快速传导桥堆芯片上电瞬间或带重负载瞬间产生的热，扩展到散热上壳体上。散热凸台面为实体实心的金属平面，其凸台面大于桥堆芯片的发热面。
31.如图1所示，所述导热硅脂（203），还可以选择是导热矽胶片或导热硅胶片，优选的本实施例中的是导热硅脂，具有耐高温，耐腐蚀，绝缘的性能，工作温度为-50℃到180℃，膏状，延展型优良。填充挤压后可以极薄，填充接触面的空隙，排挤空隙，可以极大的降低热阻，具有极好的延展性和无须考虑抗撕裂拉伸，导热硅脂的成本低，组装操作简单。
32.散热上壳体内侧凸台与桥堆芯片的发热面接触对接时，导热硅脂涂抹在桥堆芯片发热面上，薄薄的一层。设计时散热上壳体凸台与桥堆芯片的发热面是0mm 的间隙适配的，涂抹导热硅脂后，桥堆芯片与凸台贴合，通过紧固pcb电路板与上壳体上的其他螺丝，促使桥堆芯片和散热上壳体充分紧密的接触，贴合后导热硅脂贴可以填充间隙，排除仅有剩余的空气，降低桥堆芯片与散热上壳体的热阻，提升热传导效率。
33.如图1和图2所示，所述桥堆芯片（204）的桥堆有台阶，台阶较厚为4.6mm，台阶底面为3.6mm，台阶高度为1mm（ 4.6mm 0.2mm和3.6mm 0.2mm，落差1mm），台阶底部中心有贯通孔，为预留的螺丝孔，其直径为3.2mm。芯片的本体均用被绝缘封装包裹，其绝缘耐压可以满足ac-2kv，保持1分钟以上。其发热面和丝印面均可以导热，主要发热面为平整光滑的一面，不存在台阶，其表面距离芯片内部的铜片相对距离较短。桥堆的发热面尺寸为20mm*30mm，台阶面的尺寸为15mm*30mm。
34.如图3所示，为桥堆芯片的内部解剖（de-cap）示意图，集成4个二极管，正面（丝印面）有4个pn结，正反面均有发热，其主要发热面在背面，正面为丝印面。根据芯片规格书中描述常温下，没有安装散热器的情况下其热阻（thermal resistance）rθj-c 为22℃/w，安装有散热器的情况下热阻为rθj-c 为1.5℃/w。
35.如图1所示，所述pcb电路板（206），所述电路板为fr4基材，2mm厚度，敷铜成品厚度为2盎司的铜厚，敷铜导热系数为386w/m.k，pcb电路板采用osp方式的表面处理工艺。
36.如图1所示，导热硅胶205的一面粘在pcb电路板上，一面贴敷在桥堆芯片的丝印面，所述导热胶片贴敷pcb电路板对应位置设计有金属化裸铜的密集铜孔，pcb电路板的正反面均采用裸铜处理，金属化铜孔钻孔尺寸直径为10mil，钻孔间距为30mil，密集铜孔的面积为小于16mm*30mm ，保证贴敷的导热硅胶片可以完全覆盖，设计尺寸为14*22mm，贴敷导热胶片后的裸铜过孔具有很好的x，y，z方向上的导热效果。
37.如图1所示，所述导热硅胶片1（205）是一种添加了金属氧化物等为辅材，以硅胶为基材的导热介质填充材料，通常的厚度有0.3mm-5.0mm不等，具有耐腐蚀、减震、绝缘、填充缝隙用于发热面与散热件直间的热传递，具有伸长率和抗撕裂的性能，通常可以做到20%到30%的压缩形变量。
38.优选的，导热硅胶片1的厚度为1.5mm，导热系数为1k/m.k，是一种很普通很低成本的导热硅胶片，所选1.5mm厚度的导热硅胶，预留增加的0.5mm厚度用于壳体制作工艺误差
带来的适配间隙，以及桥堆芯片与发热面贴合时挤压适配带来的压缩量。桥堆芯片通过治具在金属管脚粗细过渡区域预弯折90度，较粗金属管脚有助于改善管脚的耐流和散热问题；桥堆芯片在插入电路板前，先将导热硅胶片205贴敷在桥堆芯片的丝印面，导热硅胶片对应桥堆芯片预留也有开孔与其对应。焊接安装时，将含有导热胶片的桥堆芯片插入到pcb电路板上，具有微粘性的导热硅胶片可以将桥堆芯片固定在pcb电路板上，不会浮动或偏移。安装后导热硅胶片可以覆盖pcb电路板上密集裸铜的过孔，导热硅胶片1可以将桥堆芯片丝印面的热量经其传导到pcb电路板的背面。桥堆芯片安装焊接固定后，桥堆芯片的发热面是背向pcb电路板的，丝印面是面向pcb电路板的。在经过导热硅胶片2将热量传导到散热下壳体凸台，经由散热下壳体传导波浪型凸台面向外扩散，导热轨硅胶片1和导热硅胶片2分别在pcb电路板的正反面，完全覆盖pcb电路板裸铜出处的金属化孔，可以避免氧化，贴合装配后可以填充过孔中的间隙。
39.如图1所示，所述导热硅胶片2（207），其在pcb电路板的下方，其导热硅胶片的规格同导热硅胶片1（205）是一致的，其设计尺寸大小为15mm*25mm，导热硅胶片能完全覆盖pcb电路板背面的裸铜区域的过孔，优选的，需要考虑散热下壳体与pcb电路板上金属管脚以及金属裸露电气之间的爬电间距，优选的导热胶块的厚度为4mm，安装压合时有1mm的压缩量。
40.如图1所示，散热下壳体内侧凸台（209），凸台距离电路板背面的距离为3.0mm，凸台面的设计尺寸为15mm*25mm，同导热硅胶块的长宽一致，装配时导热胶块的另一面可以完全覆盖凸台，凸台位置均为实心设计，凸台比下壳体其他区域的壳体要厚。
41.如图1所示，散热下壳体外侧波浪凸台（210），设计有波浪形的凹凸面，以增加散热面积，提升散热效率。下壳体内侧面设计有凸台与pcb电路板裸铜处的过孔对应，下壳体的凸台设计尺寸与设计布局的密集过孔尺寸一致。
42.所述上下壳体均为自主设计模型，一体灌注成型，因此上下壳本体内几乎无空气，沙眼等异常问题。所述上下壳体的表面通常采用钝化处理提升热辐射效率，一般为adc12或a1si12材质等，导热系数为在90 w/m.k到160w/m.k不等，具体可以根据散热需要进行选择设计，本实施例中选择的材质为a1si12。
43.如图1所示，本实施例中，在安装过程中，可以选择反向装配，即桥堆芯片安装在pcb电路板上后，上壳体平放在流水线组装台面上，鳍型槽向下，桥堆芯片的发热面涂抹导热硅脂后，将pcb电路板反过来，安装进上壳体上，装配pcb电路板上的固定孔，将电路板与桥堆一起紧固在上壳体上。同时也可以将pcb电路板上桥堆芯片对应的贯通孔安装螺丝将此处的桥堆芯片紧固在上壳体上。然后将导热硅胶块贴敷在桥堆芯片对应区域的密集裸铜过孔位置，最后安装下壳体，保持下壳体内的凸台正对导热硅胶块，压合锁定上下壳之间的螺丝，完成装配。
44.如图1所示，在安装过程中，还可以正向装配，即首先将导热硅胶快先安装贴敷在下壳体内侧的凸台上，将pcb电路板通过安装螺丝锁定在下壳体上；其次将pcb电路板上的桥堆芯片发热面涂抹上导热硅脂，在此将上壳体同下壳体安装一起，锁定上下壳体之间的螺丝，通过上下壳体的压合实现上壳体凸台与桥堆芯片发热面的紧密接触。
45.优选的，无论正装还是反装，需要在制作设计上下壳体时进行评估，选择适合整机的装配方式。
46.优选的，在实施例中，我们选择反装，选择反装时即可以不安装桥堆芯片上的贯通
螺丝，也可以考虑安装桥堆芯片上的贯通螺丝。实际根据产品的安装固定位置，底壳耐温环境，可以考虑pcb电路板开孔，通过螺丝孔直接将桥堆芯片锁定在上壳体凸台的发热面上，不按装下壳体导热硅胶，实现热量仅向上传导散热。
47.优选的，在不需要贯通螺丝紧固桥堆芯片时，充分利用下壳体上的凸台通过导热胶给予的支撑，改善装配时上壳体内的凸台对桥堆芯片和pcb电路板的挤压，起到有力的支撑和导热效果。桥堆下面的导热胶片和pcb板下面的导热胶块均具有释放应力，热胀冷缩的缓冲效果，配合缓冲支撑芯片pcb电路板a以及下壳体与电路板的压合，传导散热，改善散热效率。
48.通过贯通孔锁螺丝将电路板、桥堆芯片，上壳体连成一体固定，可以有助于改善桥堆芯片与散热凸台的贴合紧密性。
49.在本实施例中，我们进行了实验对比，安装固定桥堆芯片的贯通螺丝与不安装贯通螺丝，相同负载下过温时（系统设置85℃）上壳体鳍型槽底部正对桥堆对台的位置测试温度是一致的均为82℃，此对比实验基本说明了桥堆芯片的发热面与上壳体凸台散热面是充分紧密接触的，也说明设计尺寸配合的完整与准确性。
50.因此为了提升组装效率，可以直接省去桥堆芯片上贯通螺丝，利用下壳体上的导热胶片，实现上下壳体的疏导散热。
51.在本实施例中，在实际产品中，我们在实验测试对比中，相同负载下，安装下壳体凸台上的导热胶块后，过温保护时下壳体的外侧表面温度相对未加导热胶块的底壳温度上升了3℃，也充分说明利用pcb电路板与下方的导热胶块配合下壳体凸台上的导热胶块具有传导pcb电路板上的热与下壳体散热平衡的效果，具有疏导电路板局部热堆积和改善传导散热的效果。实施例中如果不利用下壳体散热，桥堆芯片底部的pcb电路板存在热量堆积，无导热胶块，空气的热辐射热交换对流是较慢的，局部热逐渐累计也会影响周围元器件的稳定性和寿命。
52.因此在实施例中，导热硅胶片2具有疏导桥堆芯片散热的效果，降低热阻。
53.综上，本实用新型设计的一种桥堆的散热结构，具有热传导距离小，传导效率高，选材成本低具有很强实用性和推广应用，无风扇自然对流冷却可靠稳定，设计中根本未使用石墨烯、铜块等虽然导热系数高，但是成本也很高，，实施例中充分说明了本实用新型设计结构的优势，具有导热效率快，安装简单，宜量产加工，因此本实用新型创新源于设计创新，而并非采用高导热，高成本材料的叠加堆砌，也带来组装的繁琐，本实施例充分说明了创新源于原始设计，原始创新更具有推广应用性。
54.本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改型和改变。因此，本实用新型覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。