用于功率半导体模块的双层散热结构制造技术

本发明专利技术公开了一种用于功率半导体模块的双层散热结构，本散热结构包括功率芯片、冷却板、第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板，功率芯片通过第一焊锡层设于第一覆铜陶瓷基板顶层，第二覆铜陶瓷基板底层通过第二焊锡层设于冷却板表面，第一覆铜陶瓷基板与第二覆铜陶瓷基板之间通过第三焊锡层连接，第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板面积小于第二覆铜陶瓷基板面积。本散热结构通过阶梯结构的双层散热，适应热量扩散路径，将热量均匀的传递到散热结构各层，提高载体的传热效率以及热循环疲劳寿命，降低功率模块封装制作成本。降低功率模块封装制作成本。降低功率模块封装制作成本。

【技术实现步骤摘要】
用于功率半导体模块的双层散热结构


[0001]本专利技术涉及功率半导体
，尤其涉及一种用于功率半导体模块的双层散热结构。

技术介绍

[0002]功率模块是将功率电子元器件按照一定功能组合封装成的一个整体，具有尺寸小、功率密度高等优点，因此在新能源汽车领域有着广泛的应用。随着新能源汽车向高功率、长续航等方面发展，功率模块的应用环境日益严苛，功率模块的可靠性得到广泛关注。
[0003]热可靠性是功率模块可靠性的重要组成部分，热可靠性要求功率模块拥有良好的散热性能。功率模块中热量主要来源于芯片、铜层和母排端子，其中，芯片和铜层产生的热量主要由载体传递至冷却板，并最终由冷却液将热量传递出去。
[0004]热阻和热量公式如下：
[0005][0006][0007]其中，R为热阻，λ为材料导热系数，S为等温面面积，L为载体各层厚度，
△
T为温差，Q为热量。
[0008]由公式(1)和式(2)可知，热阻越小，传热效果越好。热阻与材料的导热系数成反比。对于叠层结构的载体，总导热系数与各层结构的厚度和材料导热系数有如下关系：
[0009][0010]其中，λ为叠层结构载体的总导热系数，δ
i
为DBC各层结构厚度，λ
i
为各层材料导热系数。
[0011]由公式(3)可知，叠层结构载体的总导热系数与各层的厚度和导热系数有关，因此，选用高导热系数的载体材料是解决功率模块热可靠性的重要措施。
[0012]传统功率模块采用单层的覆铜陶瓷基板结构，虽然单层覆铜陶瓷基板封装结构会拥有良好的散热性能，但是其存在较大的寄生电感。为了降低寄生电感，当前功率模块通常情况下采用多层覆铜陶瓷基板结构。在满足低寄生电感的基础上，多层覆铜陶瓷基板结构通常选用高导热系数的载体材料来解决散热问题。然而，选用高导热系数的载体材料会增加成本。由公式(1)可知，适当降低导热系数，并增加等温面面积，会达到相同的热阻效果。这是因为选用导热系数稍低的材料，导致更多热量聚集在载体层间，使更多热量沿着层间平面传递，层间温度更加均匀，从而增大各层等温面面积，最终达到相同热阻效果。如1所示，给出了两种不同方案对应的等温线和导热面积示意图，图中方案1绝缘层导热系数大于方案2绝缘层导热系数,但在截面1上方案1等温面面积S1小于方案2等温面面积S2，因此，方案1和方案2可以达到相同传热效果。

技术实现思路

[0013]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于功率半导体模块的双层散热结构，本结构通过阶梯结构的双层散热，适应热量扩散路径，将热量均匀的传递到散热结构各层，提高载体的传热效率以及热循环疲劳寿命，降低功率模块封装制作成本。
[0014]为解决上述技术问题，本专利技术用于功率半导体模块的双层散热结构包括功率芯片、冷却板、第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板，所述功率芯片通过第一焊锡层设于所述第一覆铜陶瓷基板顶层，所述第二覆铜陶瓷基板底层通过第二焊锡层设于所述冷却板表面，所述第一覆铜陶瓷基板与第二覆铜陶瓷基板之间通过第三焊锡层连接，所述第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板面积小于第二覆铜陶瓷基板面积。
[0015]进一步，所述第一覆铜陶瓷基板为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第一金属层、第一绝缘层和第二金属层；所述第二覆铜陶瓷基板为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第三金属层、第二绝缘层和第四金属层。
[0016]进一步，所述第二金属层、第三焊锡层和第三金属层的厚度之和分别大于第一金属层厚度和第四金属层厚度。
[0017]进一步，所述第一绝缘层和第二绝缘层为两种导热性能不同的绝缘材料，并且所述第一绝缘层的导热性能优于第二绝缘层的导热性能。
[0018]进一步，所述功率芯片为功率半导体元器件。
[0019]由于本专利技术用于功率半导体模块的双层散热结构采用了上述技术方案，即本散热结构包括功率芯片、冷却板、第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板，功率芯片通过第一焊锡层设于第一覆铜陶瓷基板顶层，第二覆铜陶瓷基板底层通过第二焊锡层设于冷却板表面，第一覆铜陶瓷基板与第二覆铜陶瓷基板之间通过第三焊锡层连接，第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板面积小于第二覆铜陶瓷基板面积。本散热结构通过阶梯结构的双层散热，适应热量扩散路径，将热量均匀的传递到散热结构各层，提高载体的传热效率以及热循环疲劳寿命，降低功率模块封装制作成本。
附图说明
[0020]下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一步的详细说明：
[0021]图1为两种方案对应的等温线和导热面积示意图；
[0022]图2为本专利技术用于功率半导体模块的双层散热结构示意图；
[0023]图3为本散热结构的传热示意图。
具体实施方式
[0024]实施例如图2所示，本专利技术用于功率半导体模块的双层散热结构包括功率芯片1、冷却板2、第一覆铜陶瓷基板3和第二覆铜陶瓷基板4，所述功率芯片1通过第一焊锡层5设于所述第一覆铜陶瓷基板3顶层，所述第二覆铜陶瓷基板4底层通过第二焊锡层6设于所述冷却板2表面，所述第一覆铜陶瓷基板3与第二覆铜陶瓷基板4之间通过第三焊锡层7连接，所述第一覆铜陶瓷基板3和第二覆铜陶瓷基板4构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板3面积小于第二覆铜陶瓷基板4面积。
[0025]优选的，所述第一覆铜陶瓷基板3为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第一金属层31、第一绝缘层32和第二金属层33；所述第二覆铜陶瓷基板4为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第三金属层41、第二绝缘层42和第四金属层43。
[0026]进一步，所述第二金属层33、第三焊锡层7和第三金属层41的厚度之和分别大于第一金属层31厚度和第四金属层43厚度。
[0027]优选的，所述第一绝缘层32和第二绝缘层42为两种导热性能不同的绝缘材料，并且所述第一绝缘层32的导热性能优于第二绝缘层42的导热性能。
[0028]优选的，所述功率芯片1为功率半导体元器件。本散热结构中，功率芯片可以是IGBT等功率器件，为了能够使功率芯片的热量及时传递到第一覆铜陶瓷基板上，降低功率芯片温度，第一覆铜陶瓷基板中的第一绝缘层材料选用导热性能较好的材料。
[0029]为了提高第二覆铜陶瓷基板边缘位置的传热效率，使更多热量沿着第二覆铜陶瓷基板平面传递至边缘位置，需要使更多热量沿着第三金属层平面传递至第二覆铜陶瓷基板边缘位置，这就需要与第三金属层连接的第二绝缘层的导热性能稍差一些。由公式(1)可知，适当的减小导热系数λ，通过提高散热面积S，可以达到同等的热阻效果。因此，第二覆铜陶瓷基板中的第二绝缘层选用导热性能稍差的材料。
[0030]如图3所示，功率芯片1热量在第一覆铜陶瓷基板3沿着等温线温度降低方向逐层向外扩散。为了适应热量扩散路径及提高本散热结构的传热效率，将本散热结构的第一覆铜陶瓷基板3和第二覆铜陶瓷基板4设置成层叠的阶梯状结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于功率半导体模块的双层散热结构，包括功率芯片和冷却板，其特征在于：还包括第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板，所述功率芯片通过第一焊锡层设于所述第一覆铜陶瓷基板顶层，所述第二覆铜陶瓷基板底层通过第二焊锡层设于所述冷却板表面，所述第一覆铜陶瓷基板与第二覆铜陶瓷基板之间通过第三焊锡层连接，所述第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板面积小于第二覆铜陶瓷基板面积。2.根据权利要求1所述的用于功率半导体模块的双层散热结构，其特征在于：所述第一覆铜陶瓷基板为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第一金属层、第一绝缘层和第二金...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐玉生，郭建文，毛先叶，
申请(专利权)人：上海大郡动力控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：