CN101789404A - 散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种散热器(10)，该散热器包括：绝缘基板(14)，安装有发热元件或半导体芯片(12)；和散热件(18)，该散热件经由具有应力吸收空间的应力缓和部件(16)设置于所述绝缘基板，其中该散热件消散来自半导体芯片的热。绝缘基板、应力缓和部件及散热件彼此钎焊接合。所述散热件具有：顶板(28)，该顶板接合到所述应力缓和部件；和底板(32)，该底板接合到顶板，且顶板和底板之间形成冷却剂的通路(30)。顶板和底板之间的厚度比落在1∶3至1∶5的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热器。更具体地，本发明涉及一种这样的散热器，该散热器具有：绝缘基板，在该绝缘基板的上侧安装有发热元件或半导体芯片；和散热件，该散热件经由具有应力吸收空间的应力缓和部件设置在绝缘基板的下侧，其中散热件消散来自半导体芯片的热。
背景技术
常规地，绝缘栅双极晶体管(IGBT)半导体功率模块使用散热器，该散热器有效地消散由半导体芯片产生的热，以将半导体芯片维持在预定温度以下。
日本专利申请公报No.2006-294699(JP-A-2006-294699)描述了一种散热器，该散热器具有：绝缘基板，在该绝缘基板的上侧安装有半导体芯片；和散热件，该散热件经由具有应力吸收空间的应力缓和部件设置在绝缘基板的下侧，且该散热件消散来自半导体芯片的热，其中，绝缘基板、应力缓和部件及散热件彼此钎焊接合。例如，应力吸收空间是形成在应力缓和部件上的通孔。
在JP-A-2006-294699中描述的散热器中，绝缘基板、应力缓和部件及散热件通过钎焊彼此接合。这允许由半导体芯片产生的热被有效地传导到散热件。在特定情况下，半导体芯片产生大量的热，导致由于绝缘基板和散热件之间不同的热线性膨胀系数而在散热器中产生热应力。当JP-A-2006-294699中描述的散热器发生这种情况时，应力缓和部件由于应力吸收空间的作用而变形，从而使热应力缓和。这防止了绝缘基板破裂。
在JP-A-2006-294699中描述的散热器中，绝缘基板、应力缓和部件及散热件钎焊接合在一起。一般而言，将绝缘基板、应力缓和部件及散热件接合在一起的过程如下进行。首先，将绝缘基板、应力缓和部件及散热件彼此按层放置，且用夹具约束。然后，向绝缘基板与应力缓和部件之间以及应力缓和部件与散热件之间的各接合面施加适当的载荷。随后，在真空或惰性气体气氛中在加热到约600℃的状态下，绝缘基板、应力缓和部件及散热件被钎焊接合在一起，然后冷却至室温。如上文刚刚所述，当将绝缘基板、应力缓和部件及散热件钎焊接合在一起时，气氛被加热到约600℃，然后在接合过程之后冷却至室温。绝缘基板和散热件具有不同的热线性膨胀系数。因此，在约600℃的温度下，绝缘基板和散热件经由应力缓和部件接合在一起，然后被冷却，这样会由于绝缘基板和散热件之间不同的热线性膨胀系数而引起热应力。此热应力比在半导体芯片发热时在绝缘基板和散热件之间产生的热应力高得多，以至于应力缓和部件无法缓和。从而，该热应力可能会损坏绝缘基板。
发明内容
本发明提供一种散热器，该散热器具有简单结构来缓和在将绝缘基板、应力缓和部件及散热件接合在一起的过程中发生的热应力，从而防止绝缘基板被损坏。
本发明的第一方面涉及一种散热器。该散热器具有：绝缘基板，安装有发热元件或半导体芯片；和散热件，该散热件经由具有应力吸收空间的应力缓和部件设置于所述绝缘基板，其中该散热件消散来自半导体芯片的热。在该散热器中，所述绝缘基板、所述应力缓和部件及所述散热件彼此钎焊接合。该散热件具有：顶板，该顶板接合到所述应力缓和部件；和底板，该底板接合到所述顶板，且所述顶板和所述底板之间形成冷却剂的通路。所述顶板和所述底板之间的厚度比落在1∶3至1∶5的范围内。
在所述散热器中，所述半导体芯片可安装在所述绝缘基板的顶面上；且所述散热件可设置在所述绝缘基板的底面上。
在所述散热器中，包括发热元件的电子装置可与所述底板接触。
所述散热件可包括散热片，所述散热片设置在所述冷却剂的通路中，且将所述顶板连接到所述底板。所述散热片可通过真空钎焊接合到所述顶板及所述底板。所述顶板可具有0.8mm的厚度。
所述散热件可包括散热片，所述散热片设置在所述冷却剂的通路中，且将所述顶板连接到所述底板。所述散热片可使用非腐蚀性钎焊材料接合到所述顶板及所述底板。所述顶板可具有0.4mm的厚度。
所述绝缘基板可由第一铝层、陶瓷层和第二铝层以所述的顺序层叠而形成。
所述陶瓷层可由氧化铝或氮化铝制成。
所述绝缘基板可由第一导电层、陶瓷层和第二导电层以所述的顺序相继层叠而形成。所述第一导体层和所述第二导体层可由铜或铝制成。
所述应力缓和部件及所述散热件可由铝制成。
所述应力缓和部件可由铜制成。
所述顶板可具有0.8mm至1.2mm的厚度。
所述底板可具有4.0mm的厚度。
根据本发明第一方面的散热器具有简单的结构来缓和在将绝缘基板、应力缓和部件及散热件接合在一起的过程中产生的热应力，从而防止绝缘基板被损坏。
附图说明
本发明的前述和其他特征及优点将从以下参照附图对优选实施例的描述中变得更加明显，其中相同的标号用以表示相同的元件，附图中：
图1是示出根据本发明一个实施例的散热器的构造的截面图；
图2是示出散热件的构造的细节的截面图；
图3示出顶板厚度与底板厚度之比和绝缘基板应力之间的关系。
具体实施方式
下面参照附图描述根据本发明一实施例的散热器。作为示例，对实施例的描述集中于在功率模块中使用的散热器。该功率模块向驱动汽车的马达提供电力。
图1是示出根据本发明该实施例的散热器10的构造的截面图。散热器10具有绝缘基板14和散热件18。半导体芯片12安装在绝缘基板14的顶面上。散热件18经由具有应力吸收空间的应力缓和部件16设置在绝缘基板14的底面上。绝缘基板14、应力缓和部件16及散热件18彼此钎焊接合。
半导体芯片12可以是用于逆变器或升压转换器的开关元件。半导体芯片12包括IGBT、功率晶体管、晶闸管等。开关元件在被致动时发热。
绝缘基板14由第一铝层20、陶瓷层22和第二铝层24以所述的顺序层叠而形成。
在第一铝层20上形成有电路。半导体芯片12软焊到该电路上并且与该电路电连接。第一铝层20由可导电的铝制成。但是，第一层20可由任何导电材料例如铜制成。优选地，第一铝层20由具有高导电性和高变形能力且适于软焊到半导体芯片12上的高纯度铝制成。
陶瓷层22由具有高绝缘性能、高导热性和高机械强度的陶瓷制成。氧化铝和氮化铝是合适的陶瓷的示例。
应力缓和部件16钎焊接合到第二铝层24。第二铝层24由也可导热的铝制成。然而，第二层24可由具有合适的导热性的任何材料例如铜制成。优选地，第二铝层24由具有高导热性和高变形能力且相对于熔融的钎焊材料具有良好的润湿性的高纯度铝制成。
应力缓和部件16具有应力吸收空间。应力吸收空间是在各层被层叠的方向上贯通应力缓和部件16的通孔26。通孔26可变形以吸收应力。通孔26为狭缝形，并且以错列方式(staggered arrangement)配置在应力缓和部件16上。通孔26不必需是狭缝形，而可以是多边形孔或圆形孔。应力缓和部件16由导热性良好的铝制成。然而，应力缓和部件16可由具有合适的导热性的任何材料例如铜制成。优选地，应力缓和部件16由具有高导热性和高变形能力且相对于熔融的钎焊材料具有合适的润湿性性的高纯度铝制成。在对本发明该实施例的描述中，应力吸收空间为在各层被层叠的方向上贯通应力缓和部件16的通孔26。然而，本发明并不局限于此构造。作为贯通应力缓和部件16的替代，通孔26可在一端封闭。
散热件18由导热性良好的轻质铝制成。散热件18具有顶板28和底板32。顶板28接合到应力缓和部件16。底板32接合到顶板28。顶板28和底板32之间形成冷却剂通路30。在通路30中设有散热片34，该散热片34将顶板28连接到底板32。散热片34增加了散热件18与流过通路30的冷却剂之间的接触面积，从而提高了散热性能。流过散热件18中的通路30的冷却剂是具有防腐蚀和防冻结性能的长效冷却剂(LLC)。
电子装置36设置成与散热件18的底板32接触。DC/DC转换器和电抗器是电子装置36的示例。电子装置36包括发热元件。
散热器10将由半导体芯片12产生的热通过绝缘基板14和应力缓和部件16有效地消散到流过散热件18中的通路30的冷却剂。散热器10也将由电子装置36产生的热有效地消散到流过散热件18中的通路30的冷却剂。
在将绝缘基板、应力缓和部件及散热件彼此接合的过程中，它们在约600℃下被钎焊接合在一起，然后被冷却。由于绝缘基板和散热件之间不同的热线性膨胀系数，这会引起热应力。此热应力大大高于由半导体芯片产生的热而引起的绝缘基板和散热件之间的热应力，以至于不能被应力缓和部件缓和。因此，可能会对绝缘基板施加大的载荷。
为了解决这个问题，本发明的散热器10包括散热件18，该散热件的顶板28和底板32之间的厚度比落在1∶3至1∶5的范围内。该散热件18使得在将绝缘基板14、应力缓和部件16及散热件18彼此接合的过程中产生的热应力减小，从而防止绝缘基板14被损坏。下面详细描述散热件18的构造。
图2是示出散热件18的构造的细节的截面图。如上所述，散热件18具有顶板28、底板32和散热片34。这些部件通过真空钎焊接合在一起。在图2中，参考标号38表示钎焊区。如图2所示，顶板28和底板32在它们的平坦的配合面上钎焊在一起。将顶板28和底板32在它们的平坦的配合面上钎焊在一起使得这些板28和32彼此很容易且可靠地接合。
顶板28和底板32足够薄，以便确保减小的重量和良好的导热性。为了确保足够的持久性，根据本发明该实施例的顶板28具有0.8mm的厚度t1。当顶板28的厚度t1小于0.8mm时，顶板28易于被流过通路30的冷却剂腐蚀和损坏。顶板28的厚度t1可大于0.8mm。只要顶板28确保减小的重量和良好的导热性，则其厚度t1可在0.8mm至1.2mm的范围内预先设定。
相反，根据本发明该实施例的底板32具有为4.0mm的厚度t2。下文将更具体地描述将厚度t2预设为4.0mm的原因。
参照图5描述顶板28的厚度与底板32的厚度的比率L和绝缘基板14的应力P之间的关系。比率L是通过用顶板28的厚度t1除以底板32的厚度t2而得到的值。应力P是在将绝缘基板14、应力缓和部件16及散热件18彼此接合的过程中在绝缘基板14中产生的。
在实验中，将分别具有不同比率L的多个散热件18接合到绝缘基板14、应力缓和部件16及散热件18。如图5所示，试验结果表明应力P趋向于随着比率L减小而减小。应力P减小意味着在接合过程中产生的热应力被缓和，从而绝缘基板14被损坏的可能性减小。换句话说，随着底板32的厚度t2相对于顶板28的厚度t1增大，应力P可减小，从而减小了绝缘基板14被损坏的可能性。
然而，随着底板32的厚度t2增大，其重量也增大，从而增加了散热器10的重量。另外，随着底板32的厚度t2增大，导热性也降低。这抑制了电子装置36产生的热的有效消散。
因此，考虑到缓和应力P以及确保减小的重量和良好的导热性，底板32的厚度t2被预设为4.0mm。底板32的厚度t2并不局限于4.0mm。厚度t2可设定在应力P被缓和并且减小的重量和合适的导热性得以确保的合适范围内。优选地，底板32的厚度t2被预设为这样的值，即在该值，顶板28的厚度t1与底板32的厚度t2之比落在1∶3到1∶5的范围内。
根据本发明的该实施例，散热器10具有这样一种散热件18的简单的结构，即顶板28和底板32之间的厚度比预设在1∶3至1∶5的范围内。此结构确保散热件18的减小的重量和良好的导热性，同时缓和了在接合过程中发生的热应力。从而，防止了对绝缘基板14的损坏。
在本发明的上述实施例中，散热件18的顶板28、底板32和散热片34通过真空钎焊接合在一起。然而，本发明并不局限于这种构造。可选地，散热件18的顶板28、底板32和散热片34可使用非腐蚀性焊剂而钎焊接合。在这种情况下，顶板28被涂覆非腐蚀性焊剂，这提高了其对抗冷却剂的耐久性。这使得顶板28的厚度t1能被预设为小于0.8mm，例如为0.4mm。从而，可实现散热件18的重量的进一步减小以及散热件18的导热性的提高。
尽管已经参照本发明的示例性实施例描述了本发明，但是应理解，本发明并不限于所描述的实施例或构造。本发明意图涵盖各种变型和等同布置。另外，尽管在各种组合和构造中示出了所公开的本发明的各种要素，但是包括更多、更少或仅单个要素的其他组合和构造也在本发明的精神和范围内。
Claims (14)
1.一种散热器(10)，包括：
绝缘基板(14)，安装有发热元件或半导体芯片(12)；和
散热件(18)，所述散热件经由具有应力吸收空间的应力缓和部件(16)设置于所述绝缘基板，所述散热件消散来自所述半导体芯片的热，
其中，所述绝缘基板、所述应力缓和部件及所述散热件彼此钎焊接合，
所述散热件具有：顶板(28)，所述顶板接合到所述应力缓和部件；和底板(32)，所述底板接合到所述顶板，所述顶板和所述底板之间形成冷却剂的通路(30)，以及
所述顶板和所述底板之间的厚度比落在1∶3至1∶5的范围内。
2.根据权利要求1所述的散热器，其中，
所述半导体芯片安装在所述绝缘基板的顶面上；以及
所述散热件设置在所述绝缘基板的底面上。
3.根据权利要求1所述的散热器，其中，包括发热元件的电子装置(36)与所述底板接触。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，其中，所述散热件包括散热片(34)，所述散热片设置在所述冷却剂的通路中，且将所述顶板连接到所述底板，以及
所述散热片通过真空钎焊接合到所述顶板及所述底板。
5.根据权利要求4所述的散热器，其中，所述顶板具有0.8mm的厚度。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，其中，所述散热件包括散热片，所述散热片设置在所述冷却剂的通路中，且将所述顶板连接到所述底板，以及
所述散热片使用非腐蚀性钎焊材料接合到所述顶板及所述底板。
7.根据权利要求6所述的散热器，其中，所述顶板具有0.4mm的厚度。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，其中，所述绝缘基板由第一铝层(20)、陶瓷层(22)和第二铝层(24)以所述的顺序层叠而形成。
9.根据权利要求8所述的散热器，其中，所述陶瓷层由氧化铝或氮化铝制成。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，其中，所述绝缘基板由第一导电层、陶瓷层和第二导电层以所述的顺序相继层叠而形成，以及
所述第一导电层及所述第二导电层由铜或铝制成。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，其中，所述应力缓和部件及所述散热件由铝制成。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，其中，所述应力缓和部件由铜制成。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，其中，所述顶板具有0.8mm至1.2mm的厚度。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的散热器，其中，所述底板具有4.0mm的厚度。
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