CN102595859B - 电力电子功率模块散热结构 - Google Patents

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Abstract

一种电力电子功率模块散热结构，由上之下依次为热源、DBC上铜层、DBC陶瓷层和DBC下铜层，其中DBC陶瓷层热导率为ρ1，铜的热导率为ρ2，DBC陶瓷层长度为L3，热源长度为L1，DBC上铜层的厚度为h；DBC上铜层为棱台状，热源下表面与棱台斜面之间的钝角a满足；对于每处热源均可以设计相应的棱台状DBC上铜层，假定需要用以导热的DBC陶瓷层边长为L2，则相应的DBC上铜层下表面的长度为L2，再由需要使用的DBC陶瓷层长度和热源长度计算出DBC上铜层的厚度。

Description

电力电子功率模块散热结构
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及适合应用于大功率电力半导体模块、功率控制电路、智能功率组件和高频开关电源等，具体是涉及一种电力电子功率模块散热结构。
背景技术
双面覆铜板（DBC）是指铜箔在高温下直接键合到陶瓷基片，如氧化铝或氮化铝表面上的工艺方法。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能，高导热特性，优异的软钎焊性和高的附着强度，并可像印刷电路板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的载流能力。因此，双面覆铜板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料。
DBC的热阻主要是由铜板之间的陶瓷构成的，但是由于DBC上表面的热源面积较小，导热路径受到限制，陶瓷面积利用率较低，导致DBC在实际应用中热阻较高。随着对热阻的要求越来越高，这种结构的应用受到了明显的限制。鉴于此，本发明提出一种新的结构，可以提高DBC中陶瓷面积的利用率，降低DBC的电阻，同时又不会增加过多铜的用量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有DBC结构在应用中的不足，提供一种电力电子功率模块散热结构，应用于DBC结构，这种结构可以提高DBC陶瓷面积利用率，和传统结构相比，可以降低DBC的热阻，增加其导热能力，使DBC性能得到进一步的改善。
金属铜的热导率是氧化铝的10-20倍，是氮化铝的2-4倍，并且为了保证绝缘性，DBC中陶瓷厚度要大于金属层，由此可以看出在DBC中陶瓷的热阻占整个DBC热阻的绝大部分，而通常热源的面积远小于DBC的面积，这样热流在传递过程中只通过部分DBC板，不能有效利用DBC进行热量的传递。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案是：
通过增加DBC上表面铜层厚度并削去多余部分来形成棱台状，以此改变热流在DBC上表面铜层的流动路径，使得热流到达陶瓷层时向四周扩散的足够多，与陶瓷有较大的接触面积，提高了陶瓷的导热面积，增加陶瓷面积的利用率，从而减少DBC的整体热阻。并且将多余的铜削去，降低了成本。
一种电力电子功率模块散热结构，由上之下依次为热源、DBC上铜层、DBC陶瓷层和DBC下铜层，其中DBC陶瓷层热导率为ρ1，铜的热导率为ρ2，DBC陶瓷层长度为L3，热源长度为L1，DBC上铜层的厚度为h；DBC上铜层为棱台状，热源下表面与棱台斜面之间的钝角a满足                                                ；对于每处热源均可以设计相应的棱台状DBC上铜层，假定需要用以导热的DBC陶瓷层边长为L2，则相应的DBC上铜层下表面的长度为L2，再由需要使用的DBC陶瓷层长度和热源长度计算出DBC上铜层的厚度。
优选的，DBC上铜层厚度在0.1mm至5mm之间。
本发明由于采用了以上技术方案，具有以下显著的技术效果：
提高DBC陶瓷利用率，整体上减少热阻。
与其他减少热阻的技术方案相比，成本较低，容易实现。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
其中： 1-热源、2-DBC上铜层、3-DBC陶瓷层、4-DBC下铜层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1所示，由上之下依次为热源1、DBC上铜层2、DBC陶瓷层3和DBC下铜层4，其中陶瓷热导率为ρ1，铜的热导率为ρ2，DBC陶瓷层3长度为L2，热源1长度为L1，DBC上铜层2的厚度为h。热流在层状结构中传递时其路径与材料导热系数有关，热流在交界面传递的角度。根据铜的导热系数和使用的陶瓷导热系数可以计算出热流传递时的角度，再由需要使用的陶瓷长度和热源1长度就能够计算出DBC上铜层2的厚度，DBC上铜层2厚度在0.1mm至5mm之间。利用模具可以制作出需要的棱台状铜层，然后压接在陶瓷上，形成DBC，这样可以实现对DBC陶瓷层的100%应用。
实施例2
如图2所示，由上之下依次为热源1、DBC上铜层2、DBC陶瓷层3和DBC下铜层4，其中陶瓷热导率为ρ1，铜的热导率为ρ2，DBC陶瓷层3长度为L3，热源1长度为L1，DBC上铜层2的厚度为h。对于较大的DBC板，上面的热源1一般不是只有一处，对于每处热源1均可以设计相应的棱台状铜层，假定需要用以导热的陶瓷边长为L2，考虑到热流在层状结构中传递时其路径与材料导热系数有关，热流在交界面传递的角度。根据铜的导热系数和使用的陶瓷导热系数可以计算出热流传递时的角度，再由需要使用的陶瓷长度和热源1长度就能够计算出DBC上铜层2的厚度，DBC上铜层2厚度在0.1mm至5mm之间,，这样可以在大的DBC上各个热源1处减小热阻。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子，显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种电力电子功率模块散热结构，由上之下依次为热源、双面覆铜板上铜层、双面覆铜板陶瓷层和双面覆铜板下铜层，其中双面覆铜板陶瓷层热导率为ρ1，铜的热导率为ρ2，双面覆铜板的陶瓷层长度为L3，热源长度为L1，双面覆铜上铜层的厚度为h；其特征在于：双面覆铜板上铜层为棱台状，热源下表面与棱台斜面之间的钝角a满足：对于每处热源均设计相应的棱台状双面覆铜板的上铜层，假定需要用以导热的双面覆铜板陶瓷层边长为L2，则相应的DBC上铜层下表面的长度为L2，再由需要使用的DBC陶瓷层长度和热源长度计算出DBC上铜层的厚度h：
2.根据权利要求1所述的电力电子功率模块散热结构，其特征在于：双面覆铜板的上铜层厚度在0.1mm至5mm之间。
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