CN103887246A - 具有新型接合层的电力电子模块散热结构 - Google Patents

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汪涛
郭清
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Abstract

本发明涉及一种具有新型接合层的电力电子功率模块散热结构。本发明使用纳米级金属颗粒接合层替代传统电力电子功率散热结构中的焊锡层，作为DBC板上金属层与芯片之间的上接合层以及DBC板下金属层与散热基板之间的下接合层。具有新型接合层的电力电子功率模块散热结构，通过采用新型纳米级金属颗粒接合层代替焊锡作为上下接合层，有效地解决了传统焊锡材料与DBC板上下金属层之间的热膨胀系数差别较大的不足，既保证了接合层的导电性能，又明显降低了整体的热应力，同时大幅度提升了接合层的可靠工作温度，有效改善了DBC板与组件的使用寿命。

Description

具有新型接合层的电力电子模块散热结构
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应用场合，具体是涉及一种具有新型接合层的电力电子功率模块散热结构及其制作方法。
背景技术
在电力电子功率模块的发展中，随着集成度提高，体积减小，使得单位散热面积上的功耗增加，散热成为模块制造中的一个关键问题。在电力电子功率模块散热结构中，散热基板和芯片之间需要设置一层导热绝缘材料，目前，国内外电力电子行业所用此种材料一般是陶瓷-金属复合板结构，简称DBC板。
DBC板的上金属层和下金属层一般通过焊锡层分别与芯片和散热基板相接合。由于DBC板的上下金属层(一般为铜)通常与其接合材料(焊锡层)的热膨胀系数不同，当环境温度发生变化或者组件在使用中发热时，会在DBC板和其接合材料的交界面上产生应力，长期承受这样的应力会使DBC板与其接合材料分离，带来可靠性问题，进而影响DBC板和组件的寿命。此外，焊锡的可靠工作温度受到其熔点的限制，无法工作在高于200℃的应用场合中。而新兴宽禁带半导体功率器件的工作温度可以高达350℃，因此传统焊锡接合层并不适用。
鉴于此，本发明提出一种新的接合材料，可以降低DBC板与其接合材料交界面的应力，增强组件的可靠性，同时大幅度提高其可靠工作温度，从而延长DBC与组件的寿命。
发明内容
本发明针对传统DBC板与其接合材料之间应力较大的不足，提出一种新型接合材料，并应用于电力电子功率模块散热结构。本发明提出的具有新型接合层的电力电子功率模块散热结构与传统结构相比，可以降低DBC板与其接合材料交界面之间的应力，增强其可靠性，并大幅度提高其可靠工作温度，使DBC板性能得到进一步改善。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
使用含有纳米级金属颗粒的接合层替代传统焊锡层，作为DBC板上金属层与芯片之间以及DBC板下金属层与散热基板之间的接合层，来达到降低应力和耐受高温的目的。金属银颗粒(热膨胀系数17.5×10-6K-1)具有与DBC上下金属层(通常为铜，热膨胀系数19.5×10-6K-1)相近的热膨胀系数，且银金属熔点高达962℃，因此银颗粒是纳米级金属颗粒的最优选择。
一种具有新型接合层的电力电子功率模块散热结构，其特征在于：使用含有纳米级金属颗粒的接合层作为DBC板上金属层与芯片之间的上接合层以及DBC板下金属层与散热基板之间的下接合层。
作为优选，所述的纳米金属颗接合层含有例如银(Ag)等金属颗粒。
作为优选，所述的上接合层厚度在0.1mm至1mm之间。
作为优选，所述的下接合层厚度在0.5mm至2mm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：在传统电力电子功率模块散热结构的基础上，通过采用新型纳米级金属颗粒接合层代替焊锡作为上下接合层，有效地解决了传统焊锡材料与DBC板上下金属层之间的热膨胀系数差别较大的不足，既保证了接合层的导电性能，又大幅降低了整体的热应力，同时大幅度提高了接合层的可靠工作温度，有效改善了DBC板与组件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的具有新型接合层的电力电子功率模块散热结构的剖面示意图。
其中：101-芯片、102-上接合层、103-DBC上金属层、104-DBC陶瓷层、105-DBC下金属层、106-下接合层、107-散热基板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本例采用含银(Ag)颗粒的接合层作为上接合层102与下接合层106。银金属颗粒接合层可通过如下步骤制作：
①将银粉颗粒均匀掺杂在某种有机溶剂中，银粉颗粒的半径尺寸为纳米级别，典型值为50nm，掺杂浓度应尽可能高，但应保证有机溶剂仍具有一定的扩散延展性能。
②将上述含银有机溶剂均匀覆盖在需接合的金属层或芯片上，并达到上接合层或下接合层的厚度要求。
③高温烘烤接合后的模块，使有机溶剂蒸发，并使银颗粒发生烧结作用，达到一定的机械强度。典型烘烤温度为200℃。
通过上述实例阐述了本发明，同时也可以采用其他实例实现本发明，本发明不局限与上述具体实例，因此本发明由所附权利要求范围限定。

Claims (5)

1.一种电力电子功率模块散热结构，由上至下依次为芯片、上接合层、DBC上金属层、DBC陶瓷层、DBC下金属层、下接合层和基板。
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：所述上接合层和所述下接合层均为纳米级金属颗粒接合层。
3.根据权利要求2所述的纳米级金属接合层，其特征在于：所述的纳米级金属颗粒接合层含有导电金属颗粒，如银(Ag)，金属颗粒的半径尺寸为纳米级别，典型值为50纳米。
4.根据权利要求1所述的电力电子模块散热结构，其特征在于：上接合层的厚度在0.1mm至1mm之间。
5.根据权利要求1所述的电力电子模块散热结构，其特征在于：下接合层的厚度在0.5mm至2mm之间。
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