[發(fā)明專利]用于功率半導(dǎo)體模塊的雙層散熱結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011110769.0
• 申請日: 2020-10-16
• 公開（公告）號: CN112349663B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐玉生;郭建文;毛先葉
• 申請（專利權(quán)）人: 正海集團(tuán)有限公司
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L23/373
• 代理公司: 上海天協(xié)和誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 31216
• 代理人: 沈國良

本發(fā)明公開了一種用于功率半導(dǎo)體模塊的雙層散熱結(jié)構(gòu)，本散熱結(jié)構(gòu)包括功率芯片、冷卻板、第一覆銅陶瓷基板和第二覆銅陶瓷基板，功率芯片通過第一焊錫層設(shè)于第一覆銅陶瓷基板頂層，第二覆銅陶瓷基板底層通過第二焊錫層設(shè)于冷卻板表面，第一覆銅陶瓷基板與第二覆銅陶瓷基板之間通過第三焊錫層連接，第一覆銅陶瓷基板和第二覆銅陶瓷基板構(gòu)成疊層階梯結(jié)構(gòu)，并且第一覆銅陶瓷基板面積小于第二覆銅陶瓷基板面積。本散熱結(jié)構(gòu)通過階梯結(jié)構(gòu)的雙層散熱，適應(yīng)熱量擴(kuò)散路徑，將熱量均勻的傳遞到散熱結(jié)構(gòu)各層，提高載體的傳熱效率以及熱循環(huán)疲勞壽命，降低功率模塊封裝制作成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于功率半導(dǎo)體模塊的雙層散熱結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

功率模塊是將功率電子元器件按照一定功能組合封裝成的一個整體，具有尺寸小、功率密度高等優(yōu)點，因此在新能源汽車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著新能源汽車向高功率、長續(xù)航等方面發(fā)展，功率模塊的應(yīng)用環(huán)境日益嚴(yán)苛，功率模塊的可靠性得到廣泛關(guān)注。

熱可靠性是功率模塊可靠性的重要組成部分，熱可靠性要求功率模塊擁有良好的散熱性能。功率模塊中熱量主要來源于芯片、銅層和母排端子，其中，芯片和銅層產(chǎn)生的熱量主要由載體傳遞至冷卻板，并最終由冷卻液將熱量傳遞出去。

熱阻和熱量公式如下：

其中，R為熱阻，λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，S為等溫面面積，L為載體各層厚度，△T為溫差，Q為熱量。

由公式(1)和式(2)可知，熱阻越小，傳熱效果越好。熱阻與材料的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。對于疊層結(jié)構(gòu)的載體，總導(dǎo)熱系數(shù)與各層結(jié)構(gòu)的厚度和材料導(dǎo)熱系數(shù)有如下關(guān)系：

其中，λ為疊層結(jié)構(gòu)載體的總導(dǎo)熱系數(shù)，δ_i為DBC各層結(jié)構(gòu)厚度，λ_i為各層材料導(dǎo)熱系數(shù)。

由公式(3)可知，疊層結(jié)構(gòu)載體的總導(dǎo)熱系數(shù)與各層的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，因此，選用高導(dǎo)熱系數(shù)的載體材料是解決功率模塊熱可靠性的重要措施。

傳統(tǒng)功率模塊采用單層的覆銅陶瓷基板結(jié)構(gòu)，雖然單層覆銅陶瓷基板封裝結(jié)構(gòu)會擁有良好的散熱性能，但是其存在較大的寄生電感。為了降低寄生電感，當(dāng)前功率模塊通常情況下采用多層覆銅陶瓷基板結(jié)構(gòu)。在滿足低寄生電感的基礎(chǔ)上，多層覆銅陶瓷基板結(jié)構(gòu)通常選用高導(dǎo)熱系數(shù)的載體材料來解決散熱問題。然而，選用高導(dǎo)熱系數(shù)的載體材料會增加成本。由公式(1)可知，適當(dāng)降低導(dǎo)熱系數(shù)，并增加等溫面面積，會達(dá)到相同的熱阻效果。這是因為選用導(dǎo)熱系數(shù)稍低的材料，導(dǎo)致更多熱量聚集在載體層間，使更多熱量沿著層間平面?zhèn)鬟f，層間溫度更加均勻，從而增大各層等溫面面積，最終達(dá)到相同熱阻效果。如1所示，給出了兩種不同方案對應(yīng)的等溫線和導(dǎo)熱面積示意圖，圖中方案1絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)大于方案2絕緣層導(dǎo)熱系數(shù),但在截面1上方案1等溫面面積S₁小于方案2等溫面面積S₂，因此，方案1和方案2可以達(dá)到相同傳熱效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于功率半導(dǎo)體模塊的雙層散熱結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)通過階梯結(jié)構(gòu)的雙層散熱，適應(yīng)熱量擴(kuò)散路徑，將熱量均勻的傳遞到散熱結(jié)構(gòu)各層，提高載體的傳熱效率以及熱循環(huán)疲勞壽命，降低功率模塊封裝制作成本。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明用于功率半導(dǎo)體模塊的雙層散熱結(jié)構(gòu)包括功率芯片、冷卻板、第一覆銅陶瓷基板和第二覆銅陶瓷基板，所述功率芯片通過第一焊錫層設(shè)于所述第一覆銅陶瓷基板頂層，所述第二覆銅陶瓷基板底層通過第二焊錫層設(shè)于所述冷卻板表面，所述第一覆銅陶瓷基板與第二覆銅陶瓷基板之間通過第三焊錫層連接，所述第一覆銅陶瓷基板和第二覆銅陶瓷基板構(gòu)成疊層階梯結(jié)構(gòu)，并且第一覆銅陶瓷基板面積小于第二覆銅陶瓷基板面積。