CN103794580B - 一种绝缘互联散热板及功率模块 - Google Patents

一种绝缘互联散热板及功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种绝缘互联散热板及功率模块，所述绝缘互联散热板包括：热电偶；第一绝缘层，该第一绝缘层的一侧与所述热电偶的冷端接触，另一侧设置有第一金属层；第二绝缘层，该第二绝缘层的一侧与所述热电偶的热端接触。所述绝缘互联散热板通过热电偶进行散热，当热电偶连接电源后，会将热量由冷端传递到热端进而释放。所以采用所述绝缘互联散热板制备功率模块，当功率芯片工作时，产生的热量会随着热电偶的热量传递而释放到功率模块的外部。可见，本申请所述技术方案为主动散热，通过所述绝缘互联散热板，形成一个温度差，更易于将热量释放到功率模块的外部，所述绝缘互联散热板的高散热效率，有效地保证了功率模块性能的稳定性以及可靠性。

Description

一种绝缘互联散热板及功率模块
技术领域
本发明涉及半导体器件制作工艺技术领域，更具体地说，涉及一种绝缘互联散热板及功率模块。
背景技术
由于功率模块工作时会产生大量的热量，如不对其进行及时有效的散热，将会导致功率模块中功率芯片等电子元件工作性能的不稳定，甚至是导致各电子元件的损坏。
DBC（Direct Bonding Copper，直接覆铜）板由绝缘陶瓷层及设置在该绝缘陶瓷层上下表面的两层金属铜层构成，绝缘陶瓷与金属铜层具有良好的导热性能，使得DBC板具有良好的散热功能；且金属铜层与绝缘陶瓷层具有较高的强度且二者具有较强的附着力，使得DBC板强度高且具有稳定的物理结构，不易损坏；同时，其金属铜层易于刻蚀电极图形，能够实现功率器件的互联。因此，DBC板成为目前功率器件最为常用的绝缘互联散热板。
参考图1，图1为现有的功率模块的结构示意图，现有的功率模块包括：DBC板1；设置在所述DBC板1上方的功率芯片2。其中，所述DBC板1包括：两层铜层3以及位于所述两层铜层3之间的陶瓷层4。
功率芯片为功率模块的热源，当功率器件工作时，其动静态损耗会产生大量的热量，这些热量会使得工作温度升高。现有的功率模块散热是将功率芯片产生的热量通过DBC板1散发到模块外部。然而，上述散热方式是一种被动的散热方式，仅依靠DBC板的热传导特性将热量传递到功率模块的外部，散热效率低，并不能及时、有效的将模块内部的热量释放到外界，从而影响功率模块性能的稳定性以及可靠性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种绝缘互联散热板及功率模块，所述绝缘互联散热板具有较高的散热效率，保证了功率模块性能的稳定性以及可靠性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种绝缘互联散热板，其特征在于，包括：
热电偶；
第一绝缘层，该第一绝缘层的一侧与所述热电偶的冷端接触，另一侧设置有第一金属层；
第二绝缘层，该第二绝缘层的一侧与所述热电偶的热端接触。
优选的，在上述绝缘互联散热板中，所述热电偶由多个串联的N型半导体结构及P型半导体结构构成，所述N型半导体结构及P型半导体结构间隔排列，且所述N型半导体结构的个数与所述P型半导体结构的个数相同。
优选的，在上述绝缘互联散热板中，所述第一绝缘层与第二绝缘层均为绝缘陶瓷层。
优选的，在上述绝缘互联散热板中，所述第一绝缘层为三氧化二铝层或是氮化铝层；所述第二绝缘层为三氧化二铝层或是氮化铝层。
优选的，在上述绝缘互联散热板中，所述绝缘互联散热板还包括：
位于所述第二绝缘层另一侧的第二金属层。
优选的，在上述绝缘互联散热板中，所述第一金属层和第二金属层的材料均为铜。
优选的，在上述绝缘互联散热板中，所述N型半导体结构及P型半导体结构采用铜、或铝、或银进行串联。
优选的，在上述绝缘互联散热板中，所述N型半导体结构的材料是三碲化二铋-三硒化二锑。
优选的，在上述绝缘互联散热板中，所述P型半导体结构的材料是三碲化二铋-三碲化二锑。
本发明还提供了一种功率模块，该功率模块包括：
绝缘互联散热板；
功率芯片，所述功率芯片与所述绝缘互联散热板的第一金属层连接；
其中，所述绝缘互联散热板为权利要求1-9任一项所述的绝缘互联散热板。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的绝缘互联散热板包括：热电偶；第一绝缘层，该第一绝缘层的一侧与所述热电偶的冷端接触，另一侧设置有第一金属层；第二绝缘层，该第二绝缘层的一侧与所述热电偶的热端接触。本申请所述绝缘互联散热板通过具有制冷功能的热电偶进行散热，当热电偶连接外接电源后，会将热量由冷端传递到热端进而释放，即所述热电偶将会产生一个较大的温度差。所以，采用所述绝缘互联散热板制备的功率模块，当所述功率模块工作时，功率芯片产生的热量会随着热电偶的热量传递而释放到功率模块的外部。
可见，与现有的被动散热方式不同，本申请所述绝缘互联散热板的散热方式为主动散热，所述绝缘互联散热板具有制冷功能，在其两侧可以形成一个温度差，更易于将位于低温端的功率芯片产生的热量释放到功率模块的外部，散热效率高，有效地保证了功率模块性能的稳定性以及可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中常见的一种功率模块的结构示意图；
图2为半导体制冷的原理示意图；
图3为本发明所提供的一种绝缘互联散热板的结构示意图；
图4为本发明所提供的另一种绝缘互联散热板的结构示意图；
图5为本发明所提供的一种功率模块的结构示意图；
图6为本发明所提供的另一种功率模块的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有功率模块的散热方式是一种被动的散热方式，仅依靠DBC板的热传导特性将热量释放到功率模块的外部，散热效率低，并不能有效的将模块内部的热量释放到外界，从而影响功率模块性能的稳定性以及可靠性。
如果绝缘互联散热板具有简单可控制的制冷功能，能够将一面的热量主动传递到另一面进行散热，那么功率芯片工作时产生的热量可被快速的释放到功率模块外，可大大提高散热效率。
基于上述分析，发明人研究发现，可利用半导体制冷原理制备具有主动散热功能的绝缘互联散热板。
参考图2，图2为半导体制冷的原理示意图，半导体制冷是利用半导体材料的珀尔贴效应，当直流电流I通过半导体材料X与半导体材料Y串联成的热电偶时，接触端A的热量Qc会传递到接触端B，接触端B释放热量Qh，此时，接触端A和接触端B会产生温度差，即接触端A的温度Tc小于接触端B的温度Th。
当然，在电源Vin的连接导线与半导体材料Y两接触点之间也会存在温度差，即T1≠T2，上述温度差比较微弱可忽略。
其中，珀尔贴效应（PELTIER EFFECT）是指当电流流经两个不同导电材料（广义上包括半导体和导体）的接触点时，接触点会产生放热和吸热的现象，放热和吸热的多少取决于电流的大小。
基于上述研究，本发明提供了一种绝缘互联散热板，该绝缘互联散热板包括：
热电偶；
第一绝缘层，该第一绝缘层的一侧与所述热电偶的冷端接触，另一侧设置有第一金属层；
第二绝缘层，该第二绝缘层的一侧与所述热电偶的热端接触。
本申请所述绝缘互联散热板，当其热电偶通入直流电时，由于热电偶具有制冷功能，能够将一端的热量传导到另一端，进而在两端会产生一个较大的温度差。所以，在采用所述绝缘互联散热板制备的功率模块工作时，功率芯片产生的热量会随着热电偶的热量传递而释放到功率模块的外部。可见，与现有的被动散热方式不同，本申请所述绝缘互联散热板的散热方式为主动散热，所述绝缘互联散热板具有制冷功能，可在其两侧形成一个温度差，更易于将位于低温端的功率芯片产生的热量释放到功率模块的外部，因此，所述绝缘互联散热板具有较高的散热效率，有效保证了功率模块的性能的稳定性以及可靠性。
以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。
基于上述思想，本申请实施例提供了一种绝缘互联散热板，参考图3，所述绝缘互联散热板包括：
热电偶5，所述热电偶5是由多个串联的N型半导体结构及P型半导体结构构成，所述N型半导体结构及P型半导体结构成间隔排列，且所述N型半导体结构的个数与P型半导体结构的个数相同；
第一绝缘层6，所述第一绝缘层6的一侧与所述热电偶5的冷端接触，另一侧设置有第一金属层8；
第二绝缘层7，所述第二绝缘层7的一侧与所述热电偶5的热端接触；
其中，所述第一绝缘层6与第二绝缘层7均为绝缘陶瓷层，所述绝缘陶瓷层的绝缘陶瓷材料可以为三氧化二铝（Al2O3）或氮化铝（AlN）。所述第一绝缘层6与第二绝缘层7可以由同种绝缘陶瓷材料制备或是由不同绝缘陶瓷材料制备，具体的，所述第一绝缘层为三氧化二铝层或是氮化铝层；所述第二绝缘层为三氧化二铝层或是氮化铝层。
所述第一金属层8是在所述第一绝缘层6上高温熔炼的一层铜。采用金属铜制备所述第一金属层8，一方面，可与绝缘陶瓷制备的第一绝缘层6经过高温熔炼扩散形成一种高导热、高绝缘强度的电气复合材料；另一方面，可比较容易的在所述第一金属层8上刻蚀出功率器件串并联时所需的电极图案。
所述绝缘互联散热板通过金属导体层9将所有N型半导体结构以及P型半导体结构进行串接，当最左端的N型半导体结构与最右端的P型半导体结构分别通过所述金属导体层9和导线与直流电源E连通后，根据半导体制冷原理，所述热电偶5将会把其上方（冷端）的热量传递到下方（热端），在上方形成低温区，在下方形成散热的高温区。冷端与热端的区分取决于所述N型半导体结构的材料与P型半导体结构的材料以及热电偶与电源的正负极连接方式。所述金属导体层9可以为铜、或铝、或银等导电性能较强的金属。
所述N型半导体结构的材料是三碲化二铋-三硒化二锑（Bi2Te3-Bi2Se3），所述P型半导体结构的材料是三碲化二铋-三碲化二锑（Bi2Te3-Sb2Te3）。采用上述材料的N型半导体结构以及P型半导体结构，在预设定电压下将会产生较大的温度差。
上述热电偶5的N型半导体结构以及P型半导体结构的形状是长方体，仅为本申请实施例的一种优选实施方式，并不是唯一方式。
图3中所示绝缘互联散热板为单面覆铜的半导体制冷DBC板，当接通电源时，根据半导体制冷原理，会在所述绝缘互联散热板的正面形成低温的冷端，在所述绝缘互联散热板的背面形成高温的热端。
参考图4，本申请技术方案所述绝缘互联散热板还可以为双面覆铜半导体制冷DBC板，即在图3所示的绝缘互联散热板的基础上，在第二绝缘层7的下表面设置第二金属层10，所述第二金属层10采用导热性能良好的铜制备。
通过上述半导体材料制备的绝缘互联散热板，当所述直流电源E的电压为2V-15V，其冷端和热端的温度差最高可达到60℃以上。
需要说明的是，热电偶的冷端是指热电偶的吸热的低温端，热电偶的热端是指放热的高温端。绝缘互联散热板的冷端是指靠近热电偶的冷端的端面，绝缘互联散热板的热端是指靠近热电偶的热端的端面。
采用本申请所述绝缘互联散热板制备的功率模块时，在所述绝缘互联散热板上表面（冷端）形成功率芯片，在其下表面（热端）连接散热片。
参考图5，图5为本申请实施例提供的一种使用单面覆铜半导体制冷DBC板的功率模块的结构示意图，所述功率模块包括：
绝缘互联散热板，所述绝缘互联散热板为图3中所示绝缘互联散热板，为了便于图示，所述绝缘互联散热板的热电偶5的具体结构并未示出，可参见图3所示结构；
功率芯片2，所述功率芯片2与所述绝缘互联散热板的第一金属层8连接，具体的，所述功率芯片2通过第一焊料层11与所述第一金属层8焊接；
其中，所述绝缘互联散热板的第一金属层8根据所述功率芯片2的互联需求刻蚀成互联图形，所述互联图形与驱动电路连接。在具体连接时，所述绝缘互联散热板的电极（热电偶5的两端的引出电极）从侧面引出，通过导线12（也可通过通孔）连接到已经刻蚀出互联图形的第一金属层8，利用功率模块的驱动电路来给所述绝缘互联散热板的热电偶提供直流电，电压范围优选为2V-15V。所述导线12一般为导电能力较好，价格便宜的铝线。
为了加快散热，在所述绝缘互联散热板下方设置有散热片13，所述散热片13通过导热硅脂14与绝缘互联散热板的第二绝缘层7粘结。所述散热片13一般位于强制冷风中，进一步加快热量的散发。
参考图6，图6为本申请实施例提供的一种使用双面覆铜半导体制冷DBC板的功率模块的结构示意图，与图5中不同之处在于：所述功率模块的绝缘互联散热板是图4中所示绝缘互联散热板，设置有第二绝缘层10；且为了提高散热速率，在所述绝缘互联散热板与散热片13之间增加了具有较好导热性能的基板16，所述基板16通过第二焊料层15与第二金属层10焊接，通过导热硅脂14与所述散热片13粘结。
本申请所述功率模块，其散热片为导热性能良好、价格较为便宜的铝制散热片；图6中基板16为铝碳化硅或是金属铜制备的基板，机械强度高，不易损坏，且不易高温变形，导热性能强于一般金属材料。
所述热电偶5的具体结构可参见图3或图4中所示结构。
通过上述描述可知，本申请所述绝缘互联散热板采用半导体制冷原理，能够将一端的热量主动传送到另一端，形成低温冷端，即具有制冷功能，位于绝缘互联散热板冷端的功率芯片工作时，其产生的热量可通过所述绝缘互联散热板快速的传递到对面的热端并释放，相比于传统的DBC板仅依靠热传导的被动式散热，本申请技术方案所述绝缘互联散热板具有主动的散热功能，散热效率较高，保证了功率模块性能的稳定性以及可靠性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种绝缘互联散热板，其特征在于，包括：
热电偶；
第一绝缘层，该第一绝缘层的一侧与所述热电偶的冷端接触，另一侧设置有第一金属层；
第二绝缘层，该第二绝缘层的一侧与所述热电偶的热端接触；
其中，所述第一绝缘层与第二绝缘层均为绝缘陶瓷层；所述第一金属层是在所述第一绝缘层上高温熔炼的一层铜；
所述绝缘互联散热板用于功率模块；所述功率模块包括与所述第一金属层连接的功率芯片；所述第一金属层根据所述功率芯片的互联需求刻蚀成互联图形，所述互联图形与驱动电路连接；所述热电偶的两端引出电极从侧面引出，通过导线或是通孔连接到所述第一金属层，利用所述功率模块的驱动电路为所述热电偶提供直流电。
2.根据权利要求1所述的绝缘互联散热板，其特征在于，所述热电偶由多个串联的N型半导体结构及P型半导体结构构成，所述N型半导体结构及P型半导体结构间隔排列，且所述N型半导体结构的个数与所述P型半导体结构的个数相同。
3.根据权利要求2所述的绝缘互联散热板，其特征在于，所述第一绝缘层为三氧化二铝层或是氮化铝层；所述第二绝缘层为三氧化二铝层或是氮化铝层。
4.根据权利要求2所述的绝缘互联散热板，其特征在于，所述绝缘互联散热板还包括：
位于所述第二绝缘层另一侧的第二金属层。
5.根据权利要求4所述的绝缘互联散热板，其特征在于，所述第二金属层的材料为铜。
6.根据权利要求2所述的绝缘互联散热板，其特征在于，所述N型半导体结构及P型半导体结构采用铜、或铝、或银进行串联。
7.根据权利要求2所述的绝缘互联散热板，其特征在于，所述N型半导体结构的材料是三碲化二铋-三硒化二锑。
8.根据权利要求2所述的绝缘互联散热板，其特征在于，所述P型半导体结构的材料是三碲化二铋-三碲化二锑。
9.一种功率模块，其特征在于，包括：
绝缘互联散热板；
功率芯片，所述功率芯片与所述绝缘互联散热板的第一金属层连接；
其中，所述绝缘互联散热板为权利要求1-8任一项所述的绝缘互联散热板。
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