[發(fā)明專利]一種高效散熱絕緣襯板

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010026532.8
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111223838A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設計）人: 吳義伯;時海定;常桂欽;徐凝華;方杰;童顏;王玉麒;彭勇殿;羅海輝
• 申請（專利權(quán)）人: 株洲中車時代半導體有限公司
• 主分類號: H01L23/498
• 分類號: H01L23/498;H01L23/367;H01L23/373;H01L23/473
• 代理公司: 北京聿宏知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;何嬌

本發(fā)明提出了一種高效散熱絕緣襯板，包括依次層疊設置的上金屬層、陶瓷層和下金屬層，所述陶瓷層內(nèi)設置有流道結(jié)構(gòu)，所述流道結(jié)構(gòu)布滿半導體芯片的發(fā)熱區(qū)域。本發(fā)明的絕緣襯板陶瓷層內(nèi)部設置有通道結(jié)構(gòu)，使得高效散熱效果的絕緣襯板設計不再受限于材料特性的選擇，可以實現(xiàn)從半導體芯片到冷卻液之間的直接散熱，改善了模塊內(nèi)部散熱路徑，增強了模塊散熱效率，提高功率模塊的熱穩(wěn)定性及長期可靠性。

技術領域

本發(fā)明涉及電力電子功率電子模塊設計領域，尤其涉及一種功率電子模塊中的高效散熱絕緣襯板。

背景技術

在功率電子應用中，絕緣襯板為模塊結(jié)構(gòu)中的關鍵材料之一，絕緣襯板主要用作電路和半導體芯片的支撐結(jié)構(gòu)。從電學上來說，絕緣襯板必須能夠絕緣或隔離各種電路結(jié)構(gòu)，而且還要承受在功率端子和外殼之間施加的數(shù)千伏的電壓；從力學上來說，它為所有有源或無源元件提供機械支撐，因此必須能夠承受不同環(huán)境壓力；更重要的是，絕緣襯板必須具有良好的導熱特性，以消除或傳遞絕緣襯板上功率元件所產(chǎn)生的熱量。目前來說，為了提高絕緣襯板的熱導率，主要通過使用具有高熱導率的材料來實現(xiàn)，比如選擇高熱導率的氮化鋁陶瓷作為絕緣層，選擇金屬銅作為表面金屬化層，但是這種方法受限于材料的特性。

在現(xiàn)有技術中，與本發(fā)明相近的技術方案主要有以下幾種：

現(xiàn)有技術1為申請?zhí)枮?01210146937.0的發(fā)明專利《帶有散熱結(jié)構(gòu)的功率模塊DBC板》，其中，提供了一種帶有散熱結(jié)構(gòu)的功率模塊DBC板，采用在DBC上銅層周圍的陶瓷區(qū)域附加DBC板散熱結(jié)構(gòu)，附加的DBC板散熱結(jié)構(gòu)由銅制成，形成內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)，并且充有冷卻液，該冷卻液通過管路與外部的泵相連接，DBC陶瓷層與附加的DBC板散熱結(jié)構(gòu)做在一起作為一個整體。該發(fā)明專利與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，雖然可以使熱量從DBC上表面金屬層的向上熱傳遞能力得到一定改善，但是，帶有中空結(jié)構(gòu)的散熱管道在絕緣陶瓷襯板上的焊接問題，以及銅管與陶瓷襯板上表面金屬層保持絕緣等問題使得該散熱結(jié)構(gòu)變得更加復雜，該發(fā)明的實施例二中復雜的鋁碳化硅制DBC板散熱結(jié)構(gòu)也勢必會增加工藝制作難度。

現(xiàn)有技術2為申請?zhí)枮?01310536791.5的發(fā)明專利《一種襯板結(jié)構(gòu)》，提出了一種襯板結(jié)構(gòu)，包括：AlN陶瓷層、正面覆銅層、背面覆銅層以及正面的阻焊層，所述正面覆銅層上的母排焊接區(qū)處和/或芯片焊接區(qū)的周沿處設置限位件，所述限位件主要用來在焊接過程中對焊片以及芯片或母排的引腳進行定位。該發(fā)明專利中陶瓷襯板的散熱主要是利用具有高熱導率的AlN材料，并未提及通過陶瓷襯板的金屬化層結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高散熱性能。

因此，目前絕緣襯板受限于陶瓷材料的選擇，難以及時消除或傳遞功率元件所產(chǎn)生的熱量，導致功率電子模塊內(nèi)部熱傳遞不均，從而增加模塊熱阻，將對功率電子模塊的散熱效果及熱疲勞失效產(chǎn)生直接的影響。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種高效散熱結(jié)構(gòu)的絕緣襯板，在襯板內(nèi)部增加流道結(jié)構(gòu)，采用直接液冷的方式解決傳統(tǒng)絕緣陶瓷襯板的散熱效率低下的問題，改善了模塊內(nèi)部散熱路徑，增強了模塊散熱效率，提高功率模塊的熱穩(wěn)定性及長期可靠性。

本發(fā)明的高效散熱絕緣襯板，包括依次層疊設置的上金屬層、陶瓷層和下金屬層，所述陶瓷層內(nèi)設置有流道結(jié)構(gòu)，所述流道結(jié)構(gòu)布滿半導體芯片的發(fā)熱區(qū)域。

在一個實施方式中，所述下金屬層為散熱密封層，形成散熱通道，并對所述流道結(jié)構(gòu)進行密封。

在一個實施方式中，所述陶瓷層材料為氧化鋁、氧化鋯、氮化鋁、碳化硅中的一種或多種。

在一個實施方式中，所述陶瓷層與其內(nèi)部的所述流道結(jié)構(gòu)為一體成型結(jié)構(gòu)。

在一個實施方式中，所述流道結(jié)構(gòu)為直接液冷流道。

在一個實施方式中，所述直接液冷流道呈“S”型蜿蜒分布。

在一個實施方式中，所述直接液冷流道的橫截面尺寸為0.1mm～3mm之間。