CN103295982A - 一种用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器 - Google Patents

Abstract

一种用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器，其共烧层压陶瓷散热结构（2）通过金属材料将多个单层陶瓷片（2a,…,2e）烧结成单一的烧结体。组成共烧层压陶瓷结构（2）的单层陶瓷片内冲制有构成散热水道的通孔，多层单片陶瓷叠压后形成交错结构，在共烧层压陶瓷结构（2）内形成水道。所述的高温共烧层压陶瓷结构（2）内有至少两片单层陶瓷片不含通孔，两片单层陶瓷片（2a、2e）位于共烧层压陶瓷上表面与下表面，构成水道的外壁。位于共烧层压陶瓷结构（2）上下表面的覆铜层（1）至少有一面用于电子封装模块的电气互联。所述采用共烧层压陶瓷的覆铜陶瓷散热器为电子封装模块提供机械支撑，电气互联和散热结构。

Description

一种用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器

技术领域

本发明涉及一种用于电子封装模块的散热器。

背景技术

电子封装领域中采用覆铜陶瓷衬底为半导体芯片提供机械支撑、电气互联与散热。覆铜陶瓷衬底直接焊接于散热装置或焊接于铜底板，通过与铜底板连接的散热装置进行散热。因此存在传热路径长，模块体积偏大的问题。

共烧层压陶瓷技术前期用于陶瓷双列封装、陶瓷针栅阵列封装等。前期应用中将导电回路共烧于多层结构中，在陶瓷内部形成导电回路。共烧层压陶瓷技术工艺较为成熟，工业基础较好，可以实现多层和大面积的多层共烧。

在高端电子封装模块中，半导体芯片散热功率大，散热条件差，受到封装材料导热性能、传热路径限制等问题的约束。尤其是在功率半导体封装领域，芯片损耗功率大，电气回路简单，商用的功率半导体一般采用覆铜陶瓷衬底的单侧作为电气回路，不存在共烧陶瓷内部嵌入导电回路的需求。

专利200920254664.5“高温共烧陶瓷封装大功率集成LED光源”和201020296110.4“高温共烧陶瓷封装LED集成光源”采用高温共烧陶瓷内嵌导电回路结构，提高LED光源的集成度，由于LED光源的散热功率较功率半导体模块低，因此没有利用高温共烧陶瓷结构进行液冷散热。专利201120286023.5“一种半导体器件的散热板”采用液冷方式进行散热，但是没有将半导体芯片与散热器集成，需要在模块外增加所述散热装置，因此增加了系统体积。专利200910069440.1“混合动力汽车双面冷却平面高温逆变器”通过芯片双面烧结工艺形成芯片的双面冷却，但是仅利用了覆铜陶瓷衬底的单面，对陶瓷衬底的利用较低。

传统的覆铜陶瓷衬底结构中，只含有一片不含通孔单片陶瓷结构，并在不含通孔单片陶瓷结构的上表面和下表面同时采用直接键合工艺进行覆铜。在传统的覆铜陶瓷衬底结构中，所述的不含通孔单片陶瓷结构仅起机械支撑、绝缘与传热作用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术热源需通过高热阻结构传热，以及散热结构和模块本体分离的缺点，提出一种用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器。本发明可提高电力电子模块的集成度和功率密度。

本发明用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器含有一个共烧层压陶瓷散热结构。该散热结构通过高温共烧陶瓷技术，将多个单片陶瓷叠压烧结形成单一的烧结体。所述的单片陶瓷之间采用金属粉末烧结形成单一的烧结体。所述的高温共烧层压陶瓷结构上表面和下表面直接键合覆铜层，位于共烧层压陶瓷散热结构顶部的单片陶瓷的上表面覆铜，位于共烧层压陶瓷散热结构底部的单片陶瓷的下表面覆铜。

组成所述的共烧层压陶瓷散热结构的多个单片陶瓷中，位于共烧层压陶瓷散热结构顶部与底部的两片单片陶瓷不含通孔，除位于共烧层压陶瓷散热结构顶部与底部的两片单片陶瓷外，位于共烧层压陶瓷散热结构内部的多片单片陶瓷均有通孔。相邻两片单片陶瓷的通孔相互交错，多片单片陶瓷的通孔形成流道，冷却液体在通孔形成的流道内流通。冷却液体的流动方向包括通过通孔的层间流通和沿流道方向的流动。冷却液体中湍流明显，散热能力增强。

所述的不含通孔的单片陶瓷起到对冷却液体的密封作用，并起到覆铜层与冷却液体之间的绝缘作用。所述的覆铜层为整片铜箔或由多片铜片组成的金属化图形。

根据电子封装模块内半导体芯片的布局和电气互联关系，所述的覆铜层刻蚀有不同的金属化图形。所述的覆铜层与其表面的半导体芯片采用但不限于焊接、烧结、压接和粘接方式，形成可靠的电气互联关系。所述的半导体芯片包含但不限于二极管芯片、晶闸管芯片、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

由多片单片陶瓷的通孔形成的流道位于所述共烧层压陶瓷散热结构内部。所述的共烧层压陶瓷散热结构上表面和下表面的覆铜层形成导电回路，半导体芯片根据应用与设计需求不同，可以安装任意覆铜层表面。所述的半导体芯片通过高温共烧层压陶瓷内的冷却液进行散热。

本发明用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器具有传统覆铜陶瓷衬底的功能，同时具有较强的散热能力，能够提高电子封装模块的集成度与功率密度。

在复杂结构电子封装模块中，可以采用多个所述的覆铜陶瓷散热器。多个所述覆铜陶瓷散热器之间采用流道并联、流道串联或流道混连方式，可根据需要将单块的覆铜陶瓷散热器的进出水口连接即可。单块的覆铜陶瓷散热器及其所附的半导体芯片已经具备基本的电气连接结构，具备基本的电气功能，因此单块所述的覆铜陶瓷散热器及其所附半导体芯片称为一个电子封装模块的子单元结构，是构成一个完成电子封装模块的基本结构。

本发明所述的电子封装模块用覆铜陶瓷散热器由于采用多层陶瓷构成内部流道，进而缩短了从半导体芯片至冷却液体的散热路径，提高了散热器的散热能力，缩小了散热器的体积，提高了模块的功率密度。采用该散热结构的电子封装模块适用于冷却需求高、体积限制严格的应用。

基于本发明结构，可以实现在两侧覆铜层上同时焊接半导体芯片，充分利用共烧层压陶瓷散热，进一步缩小模块体积。

附图说明

图1本发明所述高温共烧层压陶瓷散热结构与覆铜层形成的覆铜陶瓷散热器示意图；

图2所述高温共烧层压陶瓷散热结构与覆铜层形成的覆铜陶瓷散热器的爆炸图；

图3含有通孔结构的单片陶瓷组成的流道结构；

图4以AA'为剖面线的剖面体；

图5所述高温共烧层压陶瓷散热结构与覆铜层形成的覆铜陶瓷散热器的侧视图；

图6实施例1的结构示意图；

图7实施例1的侧视图；

图8实施例2的结构示意图；

图9实施例3所述两个子单元间串联流道结构；

图10实施例4所述两个子单元间并联流道结构；

图11实施例4中所述两个子单元间并联流道结构的侧视图。

图中:1覆铜层、2高温共烧层压陶瓷结构、3芯片、6覆铜陶瓷衬底结构。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器6含有一个共烧层压陶瓷散热结构2，该共烧层压陶瓷散热结构由多个单片陶瓷相互层压在一起，层间填充金属填料，金属填料包含但不限于钨粉浆料。然后将整个多个单片陶瓷层压结构在1200℃-1700℃的还原气氛下进行烧结，形成单一的烧结体，构成所述的高温共烧层压陶瓷散热结构，如图1至图5所示。所述的共烧层压陶瓷散热结构2的上、下表面覆有覆铜层1。覆铜层1可以由整片铜层1d构成，也可以由多片处于同一平面的铜层1a，……，1c构成。覆铜层1通过高温直接键合工艺覆盖在共烧层压陶瓷散热结构2的上表面和下表面。共烧层压陶瓷散热结构2由多层单片陶瓷2a，……,2e和金属填料采用高温共烧技术制造而成。共烧层压陶瓷散热结构2中除顶部与底部两片单片陶瓷外，其内部的多片单片陶瓷2b,……,2d均有通孔，多片单片陶瓷之间的通孔相互配合形成流道，以供冷却液体流通，如图3所示。相邻两片单片陶瓷的通孔相互交错，多片单片陶瓷的通孔形成流道，多片单片陶瓷之间的通孔之间的布置方式包括但不限于垂直交错排列。位于共烧层压陶瓷散热结构2中顶部的单片陶瓷2a和底部的单片陶瓷2e不含通孔，起到对冷却液体的密封作用，位于共烧层压陶瓷散热结构2顶部的单片陶瓷2a的上表面覆铜，位于共烧层压陶瓷散热结构2底部的单片陶瓷2e的下表面覆铜，两片不含通孔的单片陶瓷2a、2e使覆铜层与冷却液体绝缘。

图6、图7为本发明具体实施例1。如图6、图7所示，所述的共烧层压陶清楚瓷散热结构2与覆铜层1形成覆铜陶瓷散热器。半导体芯片3a，……，3d位于所述共烧层压陶瓷散热结构2的一侧。半导体芯片3a，……，3d通过焊接、烧结或粘接与覆铜层1连接，形成可靠的电气互联。冷却液通过共烧层压陶瓷散热结构2中的进口流入共烧层压陶瓷散热结构2，并从出口流出共烧层压陶瓷散热结构2。冷却液体的进口与出口位置，以及共烧层压陶瓷散热结构2内部流道根据散热目的和热源位置确定。

图8为本发明具体实施例2的示意图。该实施例的显著特征是半导体芯片3a，……，3f位于共烧层压陶瓷散热结构2的上表面和下表面。半导体芯片3a，……，3f通过焊接、烧结或粘接方式与覆铜层1连接，形成可靠的电气互联。冷却液流入、流出共烧层压陶瓷散热结构2的方式与具体实施例1相同。共烧层压陶瓷散热结构2上下表面的覆铜层1按照半导体芯片3的布局结构和电路结构进行设计。在该实施例中，上下两侧的半导体芯片3产生的热能均通过共烧层压陶瓷散热结构2中的冷却液体散热。

图9为本发明具体实施例3的示意图。该实施例的显著特征是两个共烧层压陶瓷散热结构2通过水路的连接管道4形成串联流道结构。可采用2个或2个以上共烧层压陶瓷散热结构2通过导管4形成串联流道。在该实施例中，半导体芯片3可以位于高温共烧层压陶瓷结构的单侧或双侧。

图10、图11为本发明具体实施例4的示意图。该实施例的显著特征是两个共烧层压陶瓷散热结构2通过水路的连接管道5形成并联流道结构。可采用2个或2个以上共烧层压陶瓷散热结构2通过连接管道5形成并联流道。在该实施例中，半导体芯片3可以位于高温共烧层压陶瓷结构的单侧或双侧。

Claims (5)

1.一种用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器，其特征在于，所述的覆铜陶瓷散热器包括一个共烧层压陶瓷散热结构（2）；所述的共烧层压陶瓷散热结构（2）由多个单片陶瓷叠压烧结形成单一的烧结体；所述的共烧层压陶瓷散热结构上下表面键合覆铜层（1）。 

2.根据权利要求1所述的用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器，其特征在于，所述的多个单片陶瓷中，位于共烧层压陶瓷散热结构（2）顶部与底部的两片单片陶瓷不含通孔，位于共烧层压陶瓷散热结构内部的多片单片陶瓷均有通孔；相邻两片单片陶瓷的通孔相互交错，多片单片陶瓷的通孔形成流道，冷却液体在通孔形成的流道内流通。 

3.根据权利要求1所述的用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器，其特征在于，位于所述的共烧层压陶瓷散热结构顶部的单片陶瓷的上表面覆铜，位于所述共烧层压陶瓷散热结构底部的单片陶瓷的下表面覆铜，所述的覆铜层为整片铜箔或由多片铜片组成的金属化图形，半导体芯片（3a，……，3d）通过焊接、烧结或粘接与覆铜层（1）连接，形成电气互联。 

4.根据权利要求3所述的用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器，其特征在于，半导体芯片位于所述共烧层压陶瓷散热结构（2）的一侧，或位于共烧层压陶瓷散热结构（2）的上表面和下表面。 

5.根据权利要求1所述的用于电子封装模块的覆铜陶瓷散热器，其特征在于两个共烧层压陶瓷散热结构（2）通过管道（4）形成串联流道结构；或通过连接管道（5）形成并联流道结构。 

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