CN105655307A - 一种均热板散热基板功率模块结构 - Google Patents

一种均热板散热基板功率模块结构 Download PDF

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Abstract

一种均热板散热基板功率模块结构，它包括一具备均热散热系统的均热板散热基板，所述的均热板散热系统由均热板散热基板内部具有微细结构的真空腔体以及一定数量与之相连的散热鳍片构成，所述的真空腔体中有一定数量的、用于支撑腔体上下面的支撑块，真空腔体中注入有适量的散热介质；所述的均热板散热基板上通过焊料焊接有覆铜陶瓷衬底，覆铜陶瓷衬底是由绝缘陶瓷层上下两面烧结铜层组成，上面铜层通过焊料焊接有功率器件，功率器件通过导线连接，形成电路结构，覆铜陶瓷衬底下面铜层通过焊料焊接于均热板散热基板上；本发明的功率模块具有散热效率高，结构紧凑，可靠性高等优点。

Description

一种均热板散热基板功率模块结构
技术领域
本发明涉及的是一种设置有均热板散热结构的功率模块结构，属于半导体功率模块的设计和封装技术领域。
技术背景
传统的半导体功率模块是芯片、覆铜陶瓷衬底（DirectBondedCopper，DBC）、散热基板通过钎焊接组装到一起。半导体功率模块在工作时，芯片会产生热量，大部分热量需要通过焊料→DBC→焊料→散热基板→导热脂→散热器的传递散发。
传统的半导体功率模块在安装前先在散热基板表面涂覆一层导热硅脂，再安装在散热器上；导热硅脂的厚度一般在0.08mm~0.15mm之间，而导热硅脂的热阻比铜制的散热基板热阻大。所以要实现高效的热量传递就需要传递热量的介质具有比较小的热阻。
而一般情况下，这种热量传递模式中热阻最高的是导热硅脂，又受散热基板与散热器表面平整度不平的影响，尤其在大功率模块应用中模块需要散发大量的热量，由于短板效应，导热硅脂的导热效率成为了其中的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服现有功率模块在应用中散热效率不高的问题，提供一种结构紧凑，散热效率高，工作稳定性好，能延长功率模块使用寿命的均热板散热基板功率模块结构。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种均热板散热基板功率模块结构，它包括一具备散热系统的均热板散热基板，所述的均热板散热系统由均热板散热基板内部具有微细结构的真空腔体以及一定数量与之相连的散热鳍片构成，所述的真空腔体中有一定数量的、用于支撑腔体上下面的支撑块，真空腔体中注入有适量的散热介质；
所述的均热板散热基板上通过焊料焊接有覆铜陶瓷衬底，覆铜陶瓷衬底是由绝缘陶瓷层上下两面烧结铜层组成，上面铜层通过焊料焊接有功率器件，功率器件通过导线连接，形成电路结构，覆铜陶瓷衬底下面铜层通过焊料焊接于均热板散热基板上。
作为优选：均热板散热基板是用铜合金、铝合金制成的金属平板，其内部真空腔体中的微细结构是用金属粉末烧结或用金属网填充而成，或使用腔体内壁表面沟槽构成；所述均热板散热基板的表面电镀有有良好可焊接活性和抗氧化性的Cu，Ni，Au，Sn金属层；
所述功率器件包括IGBT芯片、二极管芯片、电阻、晶闸管芯片、端子，功率器件间通过导线连接构成电路；导线可以是铝线、铜线、铝箔、铜箔、铜桥；功率端子伸出绝缘外壳并与外部电路连接。
作为进一步优选：所述的绝缘外壳装配在功率模块上方并通过密封胶和紧固件固定在均热板散热基板上形成有效密封，绝缘外壳内的功率器件中注入绝缘胶质并使其固化，功率模块内部电路通过伸出绝缘外壳的端子与功率模块外的电路连接；所述紧固件是卡环、螺丝和铆钉的一种；所述的绝缘胶质是硅胶、硅橡胶和环氧树脂胶中的一种。
本发明主要是利用功率模块工作时产生热量，散热基板中的腔体中靠近热源端的液态散热介质吸收大量热量气化，散热介质蒸汽通过压力差到达散热端，在腔体散热端蒸汽热量散发重新凝结为液态，液态的散热介质通过在腔体微细结构中的毛细力回到腔体的热源端，从而形成一个散热循环。
本发明为了得到更高的导热效率，摒除传统的散热基板以及导热硅脂的应用，使覆铜陶瓷衬底与散热器直接通过焊料连接，使散热器成为模块的散热基板，其散热路径为：焊料→DBC→焊料→均热板散热基板，减短了散热路径，使功率模块具备更高的散热效率。
本发明具有更高效的散热结构，热量可快速传递、发散，从而提高功率模块的可靠性，延长功率模块的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的均热板散热模块断面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍，图1所示，本发明所述的一种均热板散热基板功率模块结构，它包括一具备散热系统的均热板散热基板，所述的均热板散热系统由均热板散热基板内部具有微细结构13的真空腔体11以及一定数量与之相连的散热鳍片17构成，所述的真空腔体中有一定数量的、用于支撑腔体上下面的支撑块14，真空腔体中注入有适量的散热介质12；
所述的均热板散热基板上通过焊料焊接有覆铜陶瓷衬底，覆铜陶瓷衬底是由绝缘陶瓷层31上下两面烧结铜层组成，上面铜层32通过焊料焊接有功率器件，功率器件通过导线24连接，形成电路结构，覆铜陶瓷衬底下面铜层33通过焊料焊接于均热板散热基板上。
图中所示，本发明所述的均热板散热基板是用铜合金、铝合金制成的金属平板，其内部真空腔体中的微细结构是用金属粉末烧结或用金属网填充而成，或使用腔体内壁表面沟槽构成；所述均热板散热基板的表面电镀有有良好可焊接活性和抗氧化性的Cu，Ni，Au，Sn金属层；
所述功率器件包括IGBT芯片、二极管芯片、电阻、晶闸管芯片、端子，功率器件间通过导线连接构成电路；导线可以是铝线、铜线、铝箔、铜箔、铜桥；功率端子伸出绝缘外壳并与外部电路连接。
本发明所述的绝缘外壳4装配在功率模块上方并通过密封胶6和紧固件7固定在均热板散热基板1上形成有效密封，绝缘外壳4内的功率器件中注入绝缘胶质5并使其固化，功率模块内部电路通过伸出绝缘外壳的端子与功率模块外的电路连接；所述紧固件7是卡环、螺丝和铆钉的一种；所述的绝缘胶质是硅胶、硅橡胶和环氧树脂胶中的一种。
功率模块工作时芯片产生大量热量，大部分热量通过焊料→DBC→焊料→散热基板的传导路径传递出去。当热量传递到散热基板超过一定量时，散热基板中的均热板散热结构开始工作。其中的导热介质在热源端通过气化吸收大量热量，汽态导热介质由于压力差运动至下表面的冷却端释放热量并凝结为液态，液态导热介质在腔体中微细结构中的毛细力作用下回到热源端，导热介质在冷却端释放的热量由与之连接的鳍片向模块外界散发。
实施例：图1所示，本发明是在覆铜陶瓷衬底的绝缘陶瓷层31两面烧结有铜层，分为上铜层32和下铜层33。芯片21、端子22等功率器件通过焊料23焊接于覆铜陶瓷衬底的上铜层上32，芯片21、端子22通过导线24和上铜层32构成电路。覆铜陶瓷衬底的下铜层33通过焊料24焊接于均热板散热基板的上表面16。均热板散热基板1中存在一个真空腔11，真空腔中存在着微细结构13和若干支撑柱14，并注入适量散热介质12。均热板散热基板的下表面15有若干数量的散热鳍片17。绝缘外壳4通过密封胶6装配于模块外部，并可通过紧固部件7固定于均热板散热基板上。外壳中注入适量的绝缘胶质5，并使其固化。端子22伸出绝缘外壳4，可与外部电路连接。

Claims (3)

1.一种均热板散热基板功率模块结构，它包括一具备均热散热系统的均热板散热基板，其特征在于所述的均热板散热系统由均热板散热基板内部具有微细结构（13）的真空腔体（11）以及一定数量与之相连的散热鳍片（17）构成，所述的真空腔体（11）中有一定数量的、用于支撑腔体上下面的支撑块（14），真空腔体中注入有适量的散热介质（12）；
所述的均热板散热基板上通过焊料焊接有覆铜陶瓷衬底，覆铜陶瓷衬底是由绝缘陶瓷层（31）上下两面烧结铜层组成，上面铜层（32）通过焊料焊接有功率器件，功率器件通过导线（24）连接并形成电路结构，覆铜陶瓷衬底下面铜层（33）通过焊料焊接于均热板散热基板上。
2.根据权利要求1所述的均热板散热基板功率模块结构，其特征在于均热板散热基板是用铜合金、铝合金制成的金属平板，其内部真空腔体（11）中的微细结构是用金属粉末烧结或用金属网填充而成，或使用腔体内壁表面沟槽构成；所述均热板散热基板的表面电镀有有良好可焊接活性和抗氧化性的Cu，Ni，Au，Sn金属层；
所述功率器件包括IGBT芯片、二极管芯片、电阻、晶闸管芯片、端子，功率器件间通过导线连接构成电路；导线可以是铝线、铜线、铝箔、铜箔、铜桥；功率端子伸出绝缘外壳并与外部电路连接。
3.根据权利要求2所述的均热板散热基板功率模块结构，其特征在于所述的绝缘外壳（4）装配在功率模块上方并通过密封胶（6）和紧固件（7）固定在均热板散热基板（1）上形成有效密封，绝缘外壳（4）内的功率器件中注入绝缘胶质（5）并使其固化，功率模块内部电路通过伸出绝缘外壳的端子与功率模块外的电路连接；所述紧固件（7）是卡环、螺丝和铆钉的一种；所述的绝缘胶质是硅胶、硅橡胶和环氧树脂胶中的一种。
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