CN104486901B - 散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于功率电子模块的散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法，散热绝缘衬板包括：上金属化层、陶瓷层、下金属化层和金属柱阵列，上金属化层位于所述陶瓷层的上表面，下金属化层位于陶瓷层的下表面，陶瓷层位于上金属化层与下金属化层之间，金属柱阵列与下金属化层相连。封装模块包括散热绝缘衬板、封装外壳、液冷散热器，散热绝缘衬板通过封装外壳安装在液冷散热器表面，金属柱阵列与散热通道内的冷却液直接接触，形成直接液体冷却散热结构。本发明能够解决传统绝缘陶瓷衬板散热效率低下的技术问题，改善了封装模块内部的散热路径、增强了模块的散热效率、提高功率模块的热稳定性和长期工作的可靠性。

Description

散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件封装技术领域，尤其是涉及一种应用于功率电子模块的散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法。

背景技术

在功率电子应用中，绝缘衬板作为模块结构中的关键材料之一，主要用作电路和半导体芯片的支撑结构。从电学上来说，绝缘衬板必须能够绝缘或隔离各种电路结构，而且还要承受在功率端子和外壳之间施加的数千伏的电压。从力学上来说，它为所有有源或无源元件提供机械支撑，因此必须能够承受不同环境压力。更重要的是，绝缘衬板必须具有良好的导热特性，以消除或传递绝缘衬板上功率元件所产生的热量。目前来说，为了提高绝缘衬板的热导率，主要通过使用具有高热导率的材料来实现，比如：选择高热导率的氮化铝陶瓷作为绝缘层，选择金属铜作为表面金属化层，但是这种方法受限于材料的特性。

在现有技术中，与本发明相近的技术方案主要有以下几种：

现有技术1为由浙江大学于2012年05月12日申请，并于2012年09月05日公开，公开号为CN102655710A的发明专利申请《带有散热结构的功率模块DBC板》。该发明申请提供了一种带有散热结构的功率模块DBC（陶瓷-铜键合基板），采用在DBC上铜层周围的陶瓷区域附加DBC板散热结构，附加的DBC板散热结构由铜制成，形成内部中空结构，并且充有冷却液，该冷却液通过管路与外部的泵相连接，DBC陶瓷层与附加的DBC板散热结构做在一起作为一个整体。该发明专利与传统结构相比，虽然可以使热量从DBC上表面金属层的向上热传递能力得到一定改善，但是带有中空结构的散热管道在绝缘陶瓷衬板上的焊接问题，以及铜管与陶瓷衬板上表面金属层保持绝缘等问题使得该散热结构变得更加复杂。同时，该发明的实施例二中复杂的铝碳化硅制DBC板散热结构也势必会增加工艺制作难度。

现有技术2为由本申请人株洲南车时代电气股份有限公司于2013年11月04日，并于2014年02月19日公开，公开号为CN103594458A发明专利申请《一种衬板结构》。该发明申请提出了一种衬板结构，包括：AlN（氮化铝）陶瓷层、正面覆铜层、背面覆铜层以及正面的阻焊层，所述正面覆铜层上的母排焊接区处和/或芯片焊接区的周沿处设置限位件，限位件主要用来在焊接过程中对焊片以及芯片或母排的引脚进行定位。该发明申请中陶瓷衬板的散热主要是利用具有高热导率的AlN材料，未提及通过陶瓷衬板的金属化层结构优化以提高散热性能。

因此，目前，现有技术中的绝缘衬板受限于陶瓷材料的选择，难以及时消除或传递功率元件所产生的热量，导致功率电子模块内部热传递不均，从而增加模块热阻，将对功率电子模块的散热效果及热疲劳失效产生直接的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法，能够解决传统绝缘陶瓷衬板的散热效率低下的技术问题，能够改善模块内部的散热路径、增强模块散热效率、提高功率模块的热稳定性和长期工作的可靠性。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种散热绝缘衬板的技术实现方案，一种散热绝缘衬板，包括：上金属化层、陶瓷层、下金属化层和金属柱阵列。所述上金属化层位于所述陶瓷层的上表面，所述下金属化层位于所述陶瓷层的下表面，所述陶瓷层位于所述上金属化层与所述下金属化层之间，所述金属柱阵列与所述下金属化层相连。

优选的，所述金属柱阵列位于所述下金属化层的下表面，并与所述下金属化层连为一体。

优选的，所述金属柱阵列包括若干按照一定间距成阵列状排布的金属柱，所述金属柱的高度在0.5mm～5mm之间。

优选的，所述金属柱的形状选自于包括圆柱形、圆锥形、方形、菱形、楔形在内的任意一种。

优先的，所述金属柱阵列的材料成分选自于包括金属铜、铝、镍、铜铝合金、铜锌合金、铜镍合金、铜钼合金、铜锡合金、铜银合金、铜钨合金、铜锰合金、铜铅合金、铜磷合金、铜硅合金、铜钛合金在内的任意一种材料或复合材料。

本发明还另外具体提供了一种包括上述散热绝缘衬板的封装模块的技术实现方案，包括：所述散热绝缘衬板、封装外壳和液冷散热器，所述封装外壳位于所述散热绝缘衬板的上部，所述散热绝缘衬板设置在所述液冷散热器的上表面，通过所述封装外壳将所述散热绝缘衬板固定并封装在所述液冷散热器上。

优选的，所述封装外壳包括主体框、衬板定位部和外壳安装孔，所述衬板定位部位于所述主体框的底部内侧，用于对所述散热绝缘衬板进行定位。所述衬板定位部同时位于所述散热绝缘衬板四周边缘的上方，并与所述散热绝缘衬板的陶瓷层紧密接触。所述外壳安装孔位于所述主体框的底部边缘，用于实现所述散热绝缘衬板与所述液冷散热器之间的固定。

优选的，所述液冷散热器包括基体、散热通道、冷却液、衬板定位槽、安装孔和管道。所述散热通道设置在所述基体的内部。所述衬板定位槽位于所述散热通道上部边缘的基体上，用于所述散热绝缘衬板的固定安装。所述冷却液从位于所述基体一端的管道流入，经过所述散热通道由位于所述基体另一端的管道流出。所述安装孔设置在所述基体边缘与所述封装外壳上的外壳安装孔相对应的位置，所述液冷散热器通过所述安装孔实现与所述封装外壳的固定。

优选的，所述基体的内部设置有一个或两个以上的散热通道，两个以上的所述散热通道之间相互连通，所述散热通道的内部沿所述冷却液流动方向设置有若干隔板。所述隔板将所述散热通道隔离成S形管道，所述冷却液流经该S形管道，对位于所述散热通道上方的散热绝缘衬板进行冷却。

优选的，所述封装外壳位于所述液冷散热器的表面上方，并通过所述外壳安装孔将所述封装外壳固定在所述液冷散热器的表面上方。

优选的，所述散热绝缘衬板位于所述液冷散热器的衬板定位槽内，并位于所述封装外壳的衬板定位部的下部，所述散热绝缘衬板、封装外壳和液冷散热器相互紧密接触。

优选的，所述金属柱阵列位于所述散热通道的内部，并与所述冷却液直接接触，形成直接液体冷却散热模式。

本发明还另外具体提供了一种上述封装模块制作方法的技术实现方案，包括以下步骤：

S101：将焊接有半导体芯片、且带有金属柱阵列的散热绝缘衬板安置在液冷散热器的衬板定位槽内；

S102：将带有衬板定位部的封装外壳安置在散热绝缘衬板的上方，通过紧固螺栓将所述封装外壳装配至所述液冷散热器上，通过所述封装外壳将所述散热绝缘衬板固定并封装在所述液冷散热器上；

S103：完成具有散热绝缘衬板的封装模块的构建，通过所述散热绝缘衬板上的金属柱阵列实现从焊接在所述散热绝缘衬板上的半导体芯片到所述冷却液之间的直接液冷散热。

通过实施上述本发明提供的散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法的技术方案，具有如下有益效果：

（1）本发明通过在散热绝缘衬板上设置具有高效散热效率的金属柱阵列结构，并直接浸入冷却液，有效地增强了模块的散热效率；

（2）本发明将散热绝缘衬板直接封装在液冷散热器的表面，弃除了传统功率电子模块中常用的散热基板结构，改善了模块内部的散热路径，简化了模块的封装结构；

（3）本发明使得高效散热效果的散热绝缘衬板设计不再受限于材料特性的选择，不同材料特性的散热绝缘衬板同样可以具有较高的散热效率，降低了生产成本。

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的介绍。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实施例。

图1是本发明散热绝缘衬板一种具体实施方式的正面结构示意图；

图2是本发明散热绝缘衬板一种具体实施方式的背面结构示意图；

图3是本发明散热绝缘衬板一种具体实施方式的剖面结构示意图；

图4是本发明封装模块一种具体实施方式中封装外壳的局部剖面结构示意图；

图5是本发明封装模块一种具体实施方式中封装外壳的底部结构示意图；

图6是本发明封装模块一种具体实施方式中液冷散热器的结构示意图；

图7是本发明封装模块一种具体实施方式中液冷散热器的冷却液流向结构示意图；

图8是本发明封装模块一种具体实施方式中散热绝缘衬板与液冷散热器的装配结构示意图；

图9是本发明封装模块一种具体实施方式的局部剖面结构示意图；

图10是本发明封装模块一种具体实施方式的结构示意图；

图中：1-散热绝缘衬板，11-上金属化层，12-陶瓷层，13-下金属化层，14-金属柱阵列，2-封装外壳，21-主体框，22-衬板定位部，23-外壳安装孔，3-液冷散热器，31-基体，32-散热通道，33-冷却液，34-衬板定位槽，35-安装孔，36-管道，37-隔板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

如附图1至10所示，给出了本发明散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本发明具体实施例主要为了解决功率电子模块中散热绝缘衬板1散热效果低下的技术问题。具体实例通过采用优化散热绝缘衬板1表面或背面的金属化层来获得一种高效散热的绝缘衬板结构，以改善功率电子模块中散热绝缘衬板1的散热效果，简化功率电子模块的堆叠结构，有效降低模块的热阻。为了实现上述发明目的，采用在散热绝缘衬板1背面的下金属化层13上设计一系列的金属柱阵列14，具体技术方案如下。

如附图1至附图3所示，一种散热绝缘衬板的具体实施例，包括：上金属化层11、陶瓷层12、下金属化层13和金属柱阵列14。上金属化层11位于陶瓷层12的上表面，下金属化层13位于陶瓷层12的下表面，陶瓷层12位于上金属化层11与下金属化层13之间，金属柱阵列14与下金属化层13相连。金属化层是指散热绝缘衬板1上、下两面的金属化层，这种金属层不是普通整面式的金属层，而是具有一定电路结构的被金属化了的导电层。其中，上金属化层11主要用于焊接半导体芯片，起到实现不同电路连接的目的。而下金属化层13主要用于制作金属柱阵列14，主要起到散热的目的。中间作为绝缘层的陶瓷层12，主要是起到实现隔离上、下两层金属化层的目的。半导体芯片主要是通过丝网印刷焊接到散热绝缘衬板1上。

如附图2所示，金属柱阵列14进一步位于下金属化层13的下表面，并与下金属化层13连为一体。

金属柱阵列14进一步包括若干按照一定间距成阵列状排布的金属柱，金属柱的高度在0.5mm～5mm之间。

金属柱阵列14的材料成分进一步选自于包括金属铜、铝、镍、铜铝合金、铜锌合金、铜镍合金、铜钼合金、铜锡合金、铜银合金、铜钨合金、铜锰合金、铜铅合金、铜磷合金、铜硅合金、铜钛合金在内的任意一种材料或复合材料。

金属柱的形状进一步选自于包括圆柱形、圆锥形、方形、菱形、楔形在内的任意一种。

作为本发明一种典型的具体实施例，如附图3所示，金属柱阵列14包括间距为3mm的10行14列排布的金属柱阵列，金属柱的高度为3.5mm，金属柱的形状为楔形结构。

金属柱阵列14的材料成分为铜铝合金。

实施例2：

该具体实施例将带有金属柱阵列14的散热绝缘衬板1安置到液冷散热器3的衬板定位槽34内，再将带有衬板定位部22的封装外壳2安置到散热绝缘衬板1的上方，并通过紧固螺丝将封装外壳2装配到液冷散热器3上。半导体芯片设置在散热绝缘衬板1的上金属化层11上方，由于散热绝缘衬板1上的金属柱阵列14与液冷散热器3中的冷却液33直接发生接触，半导体芯片所产生的热量将通过散热绝缘衬板1上的金属柱阵列14与外围环境温度直接发生热交换，从而形成了一种带有高效散热绝缘衬板的封装模块。

如附图9所示，为封装模块的四分之三剖面结构示意图。一种上述散热绝缘衬板的封装模块的具体实施例，包括：散热绝缘衬板1、封装外壳2和液冷散热器3。封装外壳2位于散热绝缘衬板1的上部，散热绝缘衬板1设置在液冷散热器3的上表面，通过封装外壳2将散热绝缘衬板1固定并封装在液冷散热器3上。如附图10所示，为封装模块完整的结构示意图。

如附图4所示，为封装外壳2的四分之三剖面结构示意图。封装外壳2进一步包括主体框21、衬板定位部22和外壳安装孔23，衬板定位部22位于主体框21的底部内侧，用于对散热绝缘衬板1进行定位。衬板定位部22同时位于散热绝缘衬板1四周边缘的上方，并与散热绝缘衬板1中的陶瓷层12紧密接触，形成对散热绝缘衬板1的固定或定位。外壳安装孔23位于主体框21的底部四周边缘，用于实现散热绝缘衬板1与液冷散热器3之间的固定。

如附图6所示，液冷散热器3进一步包括基体31、散热通道32、冷却液33、衬板定位槽34、安装孔35和管道36。其中，散热通道32设置在基体31的内部，衬板定位槽34位于散热通道32上部边缘的基体31上，用于散热绝缘衬板1的固定安装，其尺寸大小与散热绝缘衬板1的几何外观保持一致。冷却液33从位于基体31一端的管道36流入，经过散热通道32由位于基体31另一端的管道36流出。安装孔35设置在基体31四周边缘与封装外壳2上的外壳安装孔23相对应的位置，液冷散热器3通过安装孔35实现与封装外壳2的固定。

作为本发明一种典型的具体实施例，基体31的内部进一步设置有14个的散热通道32，其中，相邻两个的散热通道32之间相互连通，散热通道32的内部沿冷却液33流动方向设置有若干隔板37。隔板37将散热通道32隔离成S形管道，冷却液33从位于基体31一端的管道36流入，流经该S形管道后，由位于基体31另一端的管道36流出，对位于散热通道32上方的散热绝缘衬板1进行冷却。在如附图7所示的具体实施例中，基体31的内部设置有两个散热通道32，用于安装两块散热绝缘衬板1，两个散热通道32之间相互连通。

如附图8所示，封装外壳2进一步位于液冷散热器3的表面上方，并通过外壳安装孔23将封装外壳2固定在液冷散热器3的表面上方。散热绝缘衬板1位于液冷散热器3的衬板定位槽34内，并位于封装外壳2的衬板定位部22的下部，散热绝缘衬板1、封装外壳2和液冷散热器3相互紧密接触。金属柱阵列14进一步位于散热通道32的内部，并与冷却液33直接接触。

实施例3：

一种上述封装模块制作方法的具体实施例，包括以下步骤：

S101：将焊接有半导体芯片、且带有金属柱阵列14的散热绝缘衬板1安置在液冷散热器3的衬板定位槽34内；

S102：将带有衬板定位部22的封装外壳2安置在散热绝缘衬板1的上方，通过紧固螺栓将封装外壳2装配至液冷散热器3上，通过封装外壳2将散热绝缘衬板1固定并封装在液冷散热器3上；

S103：完成具有散热绝缘衬板1的封装模块的构建，通过散热绝缘衬板1上的金属柱阵列14实现从焊接在散热绝缘衬板1上的半导体芯片到冷却液33之间的直接液冷散热，形成直接液体冷却散热模式。

本发明具体实施例描述的上述技术方案摒弃了传统功率电子模块中常用的散热基板，改善了模块内部的散热路径，增强了模块的散热效率，提高了功率模块的热稳定性及长期工作的可靠性。

通过实施本发明具体实施例描述的散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法，能够达到以下技术效果：

（1）本发明具体实施例描述的散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法通过在绝缘衬板设置具有高效散热效率的金属柱阵列结构，并直接浸入冷却液，有效增强了模块散热效率；

（2）本发明具体实施例描述的散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法将绝缘衬板直接封装在液冷散热器表面上，弃除了传统功率电子模块中常用的散热基板结构，改善了模块内部散热路径，简化了模块封装结构；

（3）本发明具体实施例描述的散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法使得高效散热效果的绝缘衬板设计不再受限于材料特性的选择，同样可以具有较高的散热效率，降低了生产成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种封装模块，其特征在于，包括：散热绝缘衬板（1）、封装外壳（2）和液冷散热器（3），所述封装外壳（2）位于所述散热绝缘衬板（1）的上部，所述散热绝缘衬板（1）设置在所述液冷散热器（3）的上表面，通过所述封装外壳（2）将所述散热绝缘衬板（1）固定并封装在所述液冷散热器（3）上；所述散热绝缘衬板（1）包括上金属化层（11）、陶瓷层（12）、下金属化层（13）和金属柱阵列（14），所述上金属化层（11）位于所述陶瓷层（12）的上表面，所述下金属化层（13）位于所述陶瓷层（12）的下表面，所述陶瓷层（12）位于所述上金属化层（11）与所述下金属化层（13）之间，所述金属柱阵列（14）与所述下金属化层（13）相连；所述封装外壳（2）包括主体框（21）、衬板定位部（22）和外壳安装孔（23），所述衬板定位部（22）位于所述主体框（21）的底部内侧，用于对所述散热绝缘衬板（1）进行定位；所述衬板定位部（22）同时位于所述散热绝缘衬板（1）四周边缘的上方，并与所述散热绝缘衬板（1）的陶瓷层（12）紧密接触；所述外壳安装孔（23）位于所述主体框（21）的底部边缘，用于实现所述散热绝缘衬板（1）与所述液冷散热器（3）之间的固定。

2.根据权利要求1所述的封装模块，其特征在于：所述金属柱阵列（14）位于所述下金属化层（13）的下表面，并与所述下金属化层（13）连为一体。

3.根据权利要求1或2所述的封装模块，其特征在于：所述金属柱阵列（14）包括若干按照一定间距成阵列状排布的金属柱，所述金属柱的高度在0.5mm～5mm之间。

4.根据权利要求1或2所述的封装模块，其特征在于：所述金属柱阵列（14）的材料成分选自于包括金属铜、铝、镍、铜铝合金、铜锌合金、铜镍合金、铜钼合金、铜锡合金、铜银合金、铜钨合金、铜锰合金、铜铅合金、铜磷合金、铜硅合金、铜钛合金在内的任意一种材料或复合材料。

5.根据权利要求3所述的封装模块，其特征在于：所述金属柱的形状选自于包括圆柱形、圆锥形、方形、菱形、楔形在内的任意一种。

6.根据权利要求1、2或5中任一项所述的封装模块，其特征在于：所述液冷散热器（3）包括基体（31）、散热通道（32）、冷却液（33）、衬板定位槽（34）、安装孔（35）和管道（36），所述散热通道（32）设置在所述基体（31）的内部；所述衬板定位槽（34）位于所述散热通道（32）上部边缘的基体（31）上，用于所述散热绝缘衬板（1）的固定安装；所述冷却液（33）从位于所述基体（31）一端的管道（36）流入，经过所述散热通道（32）由位于所述基体（31）另一端的管道（36）流出；所述安装孔（35）设置在所述基体（31）边缘与所述封装外壳（2）上的外壳安装孔（23）相对应的位置，所述液冷散热器（3）通过所述安装孔（35）实现与所述封装外壳（2）的固定。

7.根据权利要求6所述的封装模块，其特征在于：所述金属柱阵列（14）位于所述散热通道（32）的内部，并与所述冷却液（33）直接接触。

8.根据权利要求7所述的封装模块，其特征在于：所述基体（31）的内部设置有一个或两个以上的散热通道（32），两个以上的所述散热通道（32）之间相互连通，所述散热通道（32）的内部沿所述冷却液（33）流动方向设置有若干隔板（37）；所述隔板（37）将所述散热通道（32）隔离成S形管道，所述冷却液（33）流经该S形管道，对位于所述散热通道（32）上方的散热绝缘衬板（1）进行冷却。

9.根据权利要求7或8所述的封装模块，其特征在于：所述散热绝缘衬板（1）位于所述液冷散热器（3）的衬板定位槽（34）内，并位于所述封装外壳（2）的衬板定位部（22）的下部，所述散热绝缘衬板（1）、封装外壳（2）和液冷散热器（3）相互紧密接触。

10.根据权利要求1、2、5、7或8中任一项所述的封装模块，其特征在于：所述封装外壳（2）位于所述液冷散热器（3）的表面上方，并通过所述外壳安装孔（23）将所述封装外壳（2）固定在所述液冷散热器（3）的表面上方。

11.一种权利要求6至10中任一项所述封装模块的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101：将焊接有半导体芯片、且带有金属柱阵列（14）的散热绝缘衬板（1）安置在液冷散热器（3）的衬板定位槽（34）内；

S102：将带有衬板定位部（22）的封装外壳（2）安置在散热绝缘衬板（1）的上方，将所述封装外壳（2）装配至所述液冷散热器（3）上，通过所述封装外壳（2）将所述散热绝缘衬板（1）固定并封装在所述液冷散热器（3）上；

S103：完成具有散热绝缘衬板（1）的封装模块的构建，通过所述散热绝缘衬板（1）上的金属柱阵列（14）实现从焊接在所述散热绝缘衬板（1）上的半导体芯片到所述冷却液（33）之间的直接液冷散热。