薄膜电容装置、车用控制器、确定导热颗粒的方法、灌封工艺

技术领域

本发明涉及薄膜电容领域，更具体地说，涉及一种薄膜电容装置、一种车用控制器、一种确定导热颗粒的方法及一种灌封工艺。

背景技术

以前车用电机控制器内温升瓶颈是大功率管IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)，最大允许结温反应到NTC温度传感器上为93℃左右。现在随着SiC(碳化硅)逐步替代IGBT，车用电机控制器的最大允许结温也随之升高。那么SiC车用电机控制器内部温度短板落到薄膜电容上，薄膜电容的最高温度不能超过105℃。

随着新能源市场的发展，对新能源动力系统的要求也越来越高，其中高功率、小型化的车用电机控制器占有重要的地位。车用电机控制器的小型化意味着薄膜电容的小型化，那么薄膜电容的体积要变小，容值增大，同时温度还不能超过105℃。在容芯材料未创新前，为了确保薄膜电容工作在安全温度内，本领域技术人员不惜增加成本给薄膜电容设置冷却装置，但是如此操作增加了车用电机控制器的结构工艺复杂度和生产成本。

发明内容

本发明的目的是提高薄膜电容装置的导热性能。为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种薄膜电容装置，包括电容壳体，所述电容壳体的一侧具有开口；设置在所述电容壳体内的容芯；与所述容芯连接的铜排，所述铜排通过所述开口伸出在所述电容壳体外；其特征在于，所述电容壳体的间隙内填充有导热胶体，所述导热胶体内固封有导热颗粒。

优选地，所述容芯与所述电容壳体的顶板之间的所述导热胶体内、所述容芯与所述电容壳体的底板之间的所述导热胶体内、所述容芯与所述电容壳体的侧板之间的所述导热胶体内、相邻的所述容芯之间的所述导热胶体内均固封有所述导热颗粒。

优选地，所述导热颗粒为陶瓷球。

优选地，所述导热胶体包括胶水和导热填料。

优选地，所述胶水为环氧胶，所述导热填料为氧化铝填料。

优选地，所述电容壳体的底板与控制器壳体的底板之间设置有导热底板，所述控制器的底板背对所述电容壳体的一侧设置有冷却水道，所述冷却水道对着所述导热底板。

优选地，所述电容壳体的顶板与控制器壳体的顶盖之间设置有导热硅胶片。

本发明还提供了一种车用控制器，包括控制器壳体，还包括设置在所述控制器壳体内的薄膜电容装置，所述薄膜电容装置为上述任意一种薄膜电容装置。

本发明还提供了一种确定导热颗粒的方法，其特征在于，包括：

确定导热颗粒的粒径：以能够在电容壳体的间隙内流动为准则确定若干种粒径的模拟颗粒，向同容积的多个杯体中分别填充满不同粒径的模拟颗粒，向各个杯体中倒入导热胶体，比较各个杯体中导热胶体的渗透率，从而获取最优渗透率的杯体，最优渗透率的杯体中模拟颗粒的粒径为最优粒径，该最优粒径为导热颗粒的粒径；

确定导热颗粒的体积占比：向同容积的多个杯体中分别填充不同体积占比的最优粒径的模拟颗粒，综合考虑各个杯体中导热胶体的渗透率和最优粒径的模拟颗粒的填充量，从而获取最优体积占比的杯体，最优体积占比的杯体中最优粒径的模拟颗粒的体积占比为最优体积占比，该最优体积占比为导热颗粒的体积占比。

本发明还提供了一种灌封工艺，用于薄膜电容装置，包括：

S1：将电容壳体的开口朝上放置；

S2：将容芯和铜排放置在保持架上，所述保持架一方面与所述电容壳体连接，另一方面与所述铜排连接，所述保持架使所述容芯与所述电容壳体的顶板、底板以及侧板之间具有预设间隙；

S3：通过所述电容壳体的开口向所述电容壳体内填充导热颗粒；

S4：对所述容芯和所述铜排进行灌封；

S5：拆除所述保持架；

S6：导热胶体固化。

从上述技术方案可以看出，导热胶体不仅将容芯固封在电容壳体内，而且导热胶体还成为容芯与电容壳体之间的导热桥梁，导热胶体用于将容芯或者铜排产生的热量传递给电容壳体，如此对容芯和铜排进行降温，从而确保薄膜电容装置的稳定工作。

导热胶体中固封的导热颗粒能够显著提高导热胶体的导热系数，从而使导热胶体快速地将容芯产生的热量传递到电容壳体中，对容芯和铜排进行快速降温。另外，导热颗粒，比如氧化铝颗粒的价格要低于导热胶体，填充导热颗粒能够减少导热胶体的用量，从而降低成本。

关于导热颗粒的确定，本发明综合考虑了导热颗粒在电容壳体的间隙中的流动性、导热胶体的渗透率、导热颗粒的填充量，从而确定了导热颗粒的形状、粒径、体积占比以及材质。

在对容芯和铜排灌封的过程中，本发明采用了先填充导热颗粒，之后再灌封的导热胶体的方式，从而确保导热颗粒充分地填充到电容壳体的间隙中，同时确保了导热胶体灌封的密实度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的方案，下面将对实施例中描述所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施例提供的薄膜电容装置的俯视图；

图2为本发明一具体实施例提供的薄膜电容装置的主视图；

图3为本发明一具体实施例提供的电容壳体的俯视图；

图4为本发明一具体实施例提供的容芯的俯视图；

图5为本发明一具体实施例提供的灌封工艺的流程图；

图6为本发明一具体实施例提供的确定导热颗粒的方法流程图。

其中，1为电容壳体、2为容芯、3为导热胶体、4为铜排、5为铜板、11为电容壳体的顶板、12为电容壳体的底板、13为电容壳体侧板。

具体实施方式

本发明公开了一种薄膜电容装置，该薄膜电容装置具有优异的散热能力。本发明还公开了一种车用控制器、一种确定导热颗粒的方法、一种灌封工艺。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考附图1-附图4，本发明公开了一种薄膜电容装置，该薄膜电容装置包括电容壳体1、容芯2、铜排4。电容壳体1的一侧具有开口，通过该开口将容芯2放置到电容壳体1内部。铜排4与容芯2的电极连接，铜排4通过电容壳体1的开口伸出在电容壳体1外，以与外部设备连接。容芯2装设在电容壳体1，通常情况下容芯2不会与电容壳体1紧贴，因此在电容壳体1内会形成间隙，本发明在电容壳体1的间隙内填充了导热胶体3，并且导热胶体3内固封有导热颗粒。

导热胶体3不仅将容芯2固封在电容壳体1内，而且导热胶体3还成为容芯2与电容壳体1之间的导热桥梁，导热胶体3用于将容芯2或者铜排4产生的热量传递给电容壳体1，如此对容芯2和铜排4进行降温，从而确保薄膜电容装置的稳定工作。

导热胶体3中固封的导热颗粒能够显著提高导热胶体3的导热系数，从而使导热胶体3快速地将容芯2产生的热量传递到电容壳体1中，对容芯2和铜排4进行快速降温。另外，导热颗粒，比如氧化铝颗粒的价格要低于导热胶体3，填充导热颗粒能够减少导热胶体3的用量，从而降低成本。

为了避免容芯2与电容壳体1之间发生碰撞，容芯2与电容壳体1的顶板11、底12板以及侧板13之间均具有间隙，这些间隙中均填充有导热胶体3，并且这些间隙的导热胶体3中均填充有导热颗粒。相邻的容芯2之间的间隙中也填充有导热胶体3，该间隙的导热胶体3内同样填充有导热胶体3。

请参考附图3和附图4，附图3为电容壳体1的俯视图。附图4是位于电容壳体1中的容芯2的俯视图。容芯2可以设置为上下两层，每一层容芯2的上侧和下侧均设置有铜板5，铜板5用于将同一层容芯2的所有正极端或者负极端连接起来。铜排4从对应的铜板5引出。

请参考附图1和附图3，附图1为薄膜电容装置的俯视图，图3为电容壳体的俯视图。从附图1和附图3可以看出电容壳体在开口处形成有外扩的扩口，其目的是利于容芯2的装入。

另外，薄膜电容装置装在车用控制器的控制器壳体内，为了利于与控制器壳体连接，本发明具体实施例限定电容壳体1的底板12向两侧凸出，从而形成底板凸缘，底板凸缘上设置有用于与控制器壳体连接的连接孔。为了提高电容壳体1的整体结构强度，本发明在电容壳体1的底板凸缘和电容壳体的侧板13之间设置了加强筋，加强筋的一侧边缘连接于电容壳体1的侧板13上，另一侧边缘连接于底板凸缘上。

本发明中的导热胶体3包括胶水和导热填料。胶水起到粘接作用，导热填料用于提高整个导热胶体3的导热性。目前较为常规的胶水选择有环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯等，常用的导热填料有氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅等填料，其中，尤以微米级氧化铝、硅微粉填料为主体。在本发明一具体实施例中，将胶水优选为环氧树脂胶水，将导热填料优选为氧化铝填料。环氧胶的导热系数为0.1-0.21W/m.K，氧化铝填料的导热系数为15-201W/m.K，氧化铝填料的粒径在5μm到50μm左右，环氧胶水和氧化铝填料混合后的导热胶体3的导热系数在1W/m.K左右。本发明将导热颗粒设计为氧化铝陶瓷球。

对比试验：

表1

从表1可以看出：未填充氧化铝陶瓷球时灌封胶的导热系统为0.6W/m.K，填充了氧化铝陶瓷球后的灌封胶的导热系数为4-5W/m.K。填充氧化铝陶瓷球后导热系数能够增加8倍左右。

未填充氧化铝陶瓷球时灌封胶的密度＞1.76g/mL，填充了氧化铝陶瓷球后灌封胶的密度＞2.559g/mL，虽然填充氧化铝陶瓷球后密度变大，即灌封胶的重量变大，但是可以通过减小容芯2和电容壳体1的方式来使薄膜电容的整体重量保持不变。

在未填充氧化铝陶瓷球时，过厚的胶体固化层引入了较大的膨胀系数差距，在热胀冷缩的过程中由于导热胶体3固化层与金属电容壳体1的不同步，导热胶体3与金属电容壳体1的连接面容易出现裂缝。氧化铝、氮化铝的膨胀系数在导热胶体3和金属电容壳体1之间，加入氧化铝、氮化铝颗粒能减少导热胶体3与金属电容壳体1热膨胀系数的差距，或者能够分散导热胶体3在热涨冷缩过程中的应力分布，从而防止导热胶体3开裂。在冷热冲击300次的试验中，未填充氧化铝陶瓷球时灌封胶与壳体之间出现少量开裂，在填充氧化铝陶瓷球后灌封胶与壳体之间未出现结构缺陷。

电机控制器的直流输入电压为540Vdc，电机控制器的输出电流为200Arms，环境箱温度为65℃，水温为55℃，水流量为16L/min，运行3h，薄膜电容温升情况如下：填充了氧化铝陶瓷球后薄膜电容装置内部的焊点、铜排4以及容芯2的温升分别低于未填充氧化铝陶瓷球时焊点、铜排4以及容芯2的温升，充分说明了填充氧化铝陶瓷球后灌封胶的导热能力显著增强。

申请人还注意到氧化铝陶瓷球的加入还有助于薄膜电容在灌胶工艺后形成光滑的胶体固化表面，其原理是氧化铝陶瓷球的加入弱化了胶体在抽真空过程中气泡上升的能量，以及减少了导热胶体3泡沫的产生。传统真空灌胶工艺，由于抽真空过程的存在，气泡会上浮并爆裂从而使胶水溅射到薄膜电容其他部位。

以上介绍了导热胶体3将容芯2和铜排4产生的热量快速地传递到电容壳体1上的过程，那么电容壳体1吸收热量后如何快速地将热量散播出去。为此，本发明作出了如下设计：

整个薄膜电容装置装设在车用控制器的控制器壳体内，本发明在电容壳体1的底板与控制器壳体的底板12之间设置了导热底板，该导热底板12的材质为金属。电容壳体1压在导热底板的上表面，导热底板的下表面压在控制器壳体的底板上。在控制器壳体的底板的外侧，或者说在控制器壳体的底板背对薄膜电容装置的一侧设置了冷却水道，且该冷却水道正对导热底板。电容壳体1的底板上的热量通过导热底板散播到控制器底板上，控制器底板上的热量被冷却水道中的冷却水带走。

本发明还在电容壳体1的顶板11与控制器壳体的顶盖之间设置了导热硅胶片，电容壳体1的顶板的热量通过导热硅胶片快速地散播到控制器壳体的顶盖上。

本发明还公开了一种车用控制器，包括控制器壳体，该控制器壳体内设置有薄膜电容装置，特别地，该薄膜电容装置为上述任意一种薄膜电容装置，上述薄膜电容装置具有上述效果，具有上述薄膜电容装置的车用控制器同样具有上述效果，故本文不再赘述。

关于导热颗粒，需要确定其形状、粒径、体积占比以及材质。接下来进行详细介绍：

确定导热颗粒的形状和材质：如果将导热颗粒加入到导热胶体3内进行混合搅拌，之后再将导热胶体3灌封到电容壳体1内，那么搅拌导热颗粒的流动性将被限制，导热颗粒无法充分地进入电容壳体1的间隙中，使导热颗粒的填充工作变得困难。因此本发明限定先填充导热颗粒，待导热颗粒均匀地填充在电容壳体1的间隙中后再灌封导热胶体3。而为了利于导热颗粒的顺利填充，本发明将导热颗粒设计为球状，另外考虑到陶瓷材料具有良好的导热性和绝缘性，本发明将导热颗粒设计为陶瓷球，进一步地，设计为氧化铝陶瓷球，氧化铝陶瓷球具有耐磨、重量轻等优点。

确定导热颗粒的粒径：首先以能够在电容壳体1的间隙内流动为准则确定若干种粒径的模拟颗粒，之后向同容积的多个杯体中分别填充满不同粒径的模拟颗粒，向各个杯体中倒入导热胶体3，比较各个杯体中导热胶体3的渗透率，从而获取最优渗透率的杯体，最优渗透率的杯体中模拟颗粒的粒径为最优粒径，该最优粒径为导热颗粒的粒径，至此确定了导热颗粒的粒径。需要说明的是渗透率与渗透速度和渗透的充分度有关，渗透越充分，导热胶体3对模拟颗粒之间的间隙填充的越密实，那么散热效果越显著。

确定导热颗粒的体积占比：向同容积的多个杯体中分别填充不同体积占比的最优粒径的模拟颗粒，综合考虑各个杯体中导热胶体3的渗透率和最优粒径的模拟颗粒的填充量，从而获取最优体积占比的杯体，最优体积占比的杯体中最优粒径的模拟颗粒的体积占比为最优体积占比，该最优体积占比为导热颗粒的体积占比，至此确定了导热颗粒的体积占比。

本发明还公开了一种灌封工艺，用于薄膜电容装置，包括：

S1：将电容壳体1的开口朝上放置，电容壳体1的开口为灌封口。

S2：将容芯2和铜排4放置在保持架上，保持架一方面与电容壳体1连接，另一方面与铜排4连接，保持架使容芯2与电容壳体1的顶板、底板以及侧板之间具有预设间隙，该预设间隙即为安全间隙，以防止容芯2撞击电容壳体1。保持架可以通过螺栓与铜排4之间进行暂时性地连接，在灌封结束后再旋拧下螺栓，拆除保持架。

S3：通过电容壳体1的开口向电容壳体1内填充导热颗粒。根据预先确定的导热颗粒，将最优用量的导热颗粒填充到电容壳体1的间隙中。

S4：对容芯2和铜排4进行灌封，在灌封时，可以将电容壳体1、容芯2、铜排4以及保持架整体整体运送到真空室，进行真空灌封。

S5：拆除保持架。

S6：灌封胶固化。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。