CN106158790A - 功率模块及其热界面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率模块及其热界面结构，热界面结构包括：基体；及多个填料颗粒，分布在基体内；其中，当填料颗粒受压力时，至少部分填料颗粒发生变形，相邻的至少两个填料颗粒至少部分相互接触，从而形成用于传递热量的导热通路。本发明的热界面结构通过采用具有变形能力的填料颗粒，在压力的作用下可以建立其高导热的填料颗粒之间的充分接触，使得相邻填料颗粒的接触面积增大，由此增加热界面结构的热导率，形成用于利于热量快速有效传递的导热通路，实现了填料颗粒含量与粘度、工艺性之间的平衡。

Description

功率模块及其热界面结构
技术领域
本发明涉及一种热界面结构，特别涉及一种用于功率模块的热界面结构。
背景技术
高效率、高功率密度及高可靠性一直是业界对电源变换器的要求。高效率意味着减少能耗，利于节能减排、保护环境，并减少使用成本。高功率密度则意味着体积小、重量轻，减少运输成本和空间需求，从而减少建设成本。高可靠性意味着更长的使用寿命以及较低的维护成本。
这三个被业界追求的指标都和良好的热管理息息相关。首先，在较低的工作温度下，功率器件如MOSFET、IGBT的通态损耗会降低，如此有利于系统效率的提升。其次，在很多场合下热能的大小直接决定功率密度的高低，因为电源变换器是用于处理功率转换的系统，通常半导体器件是损耗比较多的器件，而半导体器件能够耐受的温度是有一定限制的，超过这一限制器件将丧失工作能力或者性能急剧恶化，因此，一个可以将半导体芯片的温度控制在可接受范围内的高效的散热系统就显得至关重要。再次，半导体器件的寿命和温度息息相关，更低的工作温度可以有效延长器件的使用寿命，在电子领域通常有这样的工程经验，即温度每上升10度其寿命就会降低一半。由上可知，一个良好的热管理对于提高功率器件的转换效率、功率密度以及可靠性均至关重要。
以一个采用DBC(Direct Bonded Copper,直接敷铜陶瓷基板)作为基板的功率半导体器件的散热结构为例，其基本结构如图1所示。该功率器件，例如功率半导体芯片1(chip)通过芯片键合材料(die bonding material)被安装至一DCB基板2的布线层(焊垫)之上，并通过芯片键合材料实现和DCB走线(trace)之间的电性、机械以及热连接。DCB基板2可以包括铜层、陶瓷层及铜层三层结构。功率半导体芯片1的正面电极通过键合引线(wire bonding)等方式实现和基板之间的电连接，和系统相连接的电极通过引脚引出。功率半导体芯片1的正面再通过保护胶进行机械、环境以及电气保护。功率半导体芯片1的背面即DCB部分曝露在器件外的一侧由于是芯片向外传热的较优通道，因此，通常在该面安装一个散热器3。为了保证该面和散热器表面具有良好的热传导路径，在两者之间通常会设置一热界面结构4，如导热硅脂，该导热硅脂可以有效填充半导体器件与散热器之间存在的缝隙，从而实现比空气更好的热传导效果。
以一典型的堆栈结构为例，芯片1的热量传递至散热器3的过程中，主要有两个瓶颈：1.DCB陶瓷，0.63mm厚度、热导率约为20W/m.K的三氧化二铝陶瓷，每平方毫米的热阻为31.5K/W；2.热界面结构，0.1mm厚度、热导率为1W/m.K的导热硅脂，每平方毫米的热阻为100K/W。由此可见，热界面结构(例如导热硅脂)是功率模块散热性能的决定性因數之一，一个性能优良的热界面结构对于改善功率模块的散热起到至关重要的作用。
图2示出了通常的热界面结构的主体结构示意图。热界面结构主要包含以下两个部分，首先为基体部分(Base material)41，其可为有机硅、环氧、丙烯酸等材料，其主要功能如下：1.填充散热器/功率器件背面的粗糙表面之间的细微空隙；2.成型及便于工艺性；3.填充高热导率填料之间的缝隙。其次为高导热填料(Filler)42，该填料为实心的不可变形的颗粒，通常是各类高导热陶瓷颗粒，其主要作用是增加材料的热导率。通常，高导热填料的含量越高，材料的热导率就会越高，因此，业界普遍采用提高高导热填料含量的方法提高热界面结构的热导率。但是随着高导热填料含量的提高，会导致热界面结构的粘度增加，从而导致工艺性降低，以及填料的表面粗糙度之间的微观空隙的性能降低。因此，填料的含量与其粘度、工艺性之间始终存在难以调和的矛盾，如何在不影响粘度、工艺性的前提下提高热界面结构的热导率，成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了一种功率模块及其热界面结构，以在不影响粘度、工艺性的前提下提高热界面结构的热导率。
为达成上述目的，本发明提供一种热界面结构，包括：基体；及多个填料颗粒，分布在基体内；其中，当填料颗粒受压力时，至少部分填料颗粒发生变形，相邻的至少两个填料颗粒至少部分相互接触，从而形成用于传递热量的导热通路。
本发明还提供一种功率模块，其包括至少一个功率元件、散热器及上述的热界面结构，热界面结构设置于功率元件与散热器之间并形成导热通路，功率元件产生的热量经由导热通路传递至散热器。
本发明相较于现有技术的有益效果在于：本发明的热界面结构通过采用具有变形能力的填料颗粒，在压力的作用下可以建立其高导热的填料颗粒之间的充分接触，使得相邻填料颗粒的接触面积增大，由此增加热界面结构的热导率，形成利于热量快速有效传递的导热通路。相比于现有的填料颗粒无法变形的热界面结构，本发明能够在保证相同高导热填料含量的前提下提高材料的热导率，或者在保证相同材料热导率的情况下，降低高导热填料的含量以增加工艺性以及提高热界面结构消除表面粗糙度之间的细微缝隙的能力，因此，本发明打破了现有的必须通过增加填料颗粒含量的方式来降低热阻的传统观念，实现了填料颗粒含量与粘度、工艺性之间的平衡。
附图说明
图1为现有的功率模块的示意图。
图2为现有的功率模块的热界面结构的示意图。
图3a和图3b为分别示出了具有不同位置关系的热界面结构的示意图。
图4为本发明第一实施例的热界面结构的示意图，其中，填料颗粒未发生变形。
图5为本发明第一实施例的热界面结构的示意图，其中，填料颗粒处于变形状态。
图6为根据本发明第一实施例的热界面结构的填料颗粒的示意图。
图7为根据本发明第二实施例的热界面结构的填料颗粒的示意图。
图8为本发明第三实施例的热界面结构的示意图。
图9为本发明第四实施例的热界面结构的示意图。
图10为本发明第五实施例的热界面结构的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且本发明不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。
首先对热界面结构的导热通路进行说明。
如上所述，一个典型的热界面结构主要包含两类材料，基体材料以及高导热填料。基体材料的热导率通常在0.1-1W/m.K之间，高导热填料的热导率在5-400W/m.K之间，通常高导热填料分布在基体材料中。为了说明高导热填料的热导率与传递路径的关系，图3a、3b分别示出了基体材料以及高导热填料处于两种位置关系的热界面结构，两种位置关系为假想结构仅起示意作用。图中假设基体材料41的热导率为1W/m.K，高导热填料42的热导率为20W/m.K。图3a中，基体材料41和高导热填料42为堆叠设置，图3b中，基体材料41和高导热填料42为并排设置，中箭头所示方向为传热方向。以图3a所示方式设置的热界面结构的等效热导率为1.9W/m.K，以图3b所示方式设置的热界面结构的等效热导率为10.5W/m.K。申请人认为，对于热界面结构而言，除了增加高导热填料的含量的做法，建立高导热填料沿传热方向上的接触通路亦是一个非常有效的方法。
本申请人提出一种热界面结构，其从传递路径的角度对热界面结构进行改进，以降低热界面结构的热阻。
参照图4和图5，本实施例提供一种热界面结构，其可应用于一具有功率元件和散热器的功率模块中，热界面结构设置于功率元件与散热器之间，以使来自功率元件的热量经由热界面结构传递至散热器。
热界面结构包括基体10和多个填料颗粒20，填料颗粒20分布在基体10内。其中，当填料颗粒受压力时，一部分或者全部填料颗粒20发生变形，相邻的至少两个填料颗粒20至少部分相互接触，从而形成用于传递热量的导热通路，使得功率元件产生的热量经由导热通路传递至散热器。这里使填料颗粒20发生变形可通过多种方法实现，例如，在安装时通过外力施加压力于填料颗粒20而使其发生变形；在基体材料本身不能固化时，该压力需要一直保持，在基体材料本身可固化时，该压力仅需在安装时保持，固化后就可以撤销，通过基体本身提供的压力即可使填料颗粒20发生变形。
图4示出了填料颗粒未发生变形的状态，未变形的填料颗粒为圆形，相邻各填料颗粒20接触面积极小。若热界面结构设置于功率元件下表面时，功率元件发出的热量自热界面结构的上表面传递至其下表面，传递路径为T1(需要説明的是，圖示T1爲了描述的方便僅在填料的表面進行表示，實際在填料的内部亦存在傳熱通道)。可见，在该传递路径T1上，填料颗粒的接触面积极小，热界面结构的导热热阻大，不利于热量有效传递。图5示出了填料颗粒处于变形状态，功率元件发出的热量自热界面结构的上表面传递至其下表面，传递路径为T2(需要説明的是，圖示T2爲了描述的方便僅在填料的表面進行表示，實際在填料的内部亦存在傳熱通道)。可见，在该传递路径T2上，受压变形的填料颗粒的接触面积增大，使得热界面结构的导热热阻大幅降低，热量能够有效、充分的传递至外界，例如传递至其下方的散热器，有利于快速排出热量。
因此，本发明的热界面结构通过采用具有变形能力的填料颗粒，在压力的作用下可以建立其高导热的填料颗粒之间的充分接触，使得相邻填料颗粒的接触面积增大，由此增加热界面结构的热导率，形成利于热量快速有效传递的导热通路。相比于现有的填料颗粒无法变形的热界面结构，本发明能够在保证高导热填料含量相同的前提下提高材料的热导率，或者在保证相同材料热导率的情况下，降低高导热填料的含量以增加工艺性以及提高热界面结构消除表面粗糙度之间的细微缝隙的能力，因此，本发明打破了现有的必须通过增加填料颗粒含量的方式来降低热阻的传统观念，实现了填料颗粒含量与粘度、工艺性之间的平衡。
本实施例中，如图6所示，每一填料颗粒20包括第一填料部21和第二填料部22，第一填料部21由可变形材料制成，第二填料部22由导热材料制成，且包覆于第一填料部21。第一填料部21可为弹性模量较低的材料，可为空气或有机材料颗粒，例如，由树脂材料制成。第二填料部22可为弹性模量相对较高的材料，例如由铜、铝、银或合金等金属材料制成。第一填料部21的弹性模量低于第二填料部22的1/5，以保证有充分变形能力，确保相邻两填料颗粒之间形成较大面积的接触路径，亦即导热通路。第二填料部22的热导率可为第一填料部21的热导率的两倍以上。
在一实施例中，可选用热导率为0.1W/m.K-1W/m.K，直径为4um-50um的有机材料颗粒作为填料颗粒的核心，并在其上通过化学等方法形成厚度为1-100um的金属层(如，铜、银、镍、金等；亦可为复合层，如镍/金、铜/银等)，金属层的热导率为有机材料颗粒的热导率的两倍以上，例如金属层的热导率通常可以在5-400W/m.K之间。由此形成填料颗粒，并将此填料颗粒以重量比70％-95％弥散分布在基体10中，形成一高热导率的热界面结构。
如图6所示，本实施例中，第二填料部22全部包覆于第一填料部21的外表面。例如，第二填料部22可以发泡方式形成，并全部包覆第一填料部21，第一填料部21为空气。
需要说明的是，本发明提到的压力可为热界面结构在安装时受到的压力，亦可为热界面结构固化成型时受到的压力。具体为：基体材料不能固化时，热界面结构成型后，填料颗粒为自由状态(未受压力状态)，如图4所示。因此，在安装热界面结构时，借助外力将其压设于功率元件与散热器之间，并保持该压力，使得第一填料部始终处于变形状态。基体材料可固化时，在固化过程中，对分布在基体内的填料颗粒施加压力，使其变形，固化后可撤销该压力，填料颗粒仍处于变形状态。
本实施例是以内外两层的填料颗粒为例进行说明，实际上，填料颗粒可具有三层或三层以上结构。例如，填料颗粒还可包括第三填料部(未示出)，其设置于第二填料部的外表面，第三填料部可具有导热性及绝缘性。在此三层的填料颗粒中，内层可为弹性模量较低的材料，如空气等；中间层可为铝，铜，银等高导热材料，该层为主要的导热层；最外层可为氧化铝、氧化铜等材料，该层的厚度通常为中间层厚度的1/5以下，同时由于该层具有一定的热导率，因此对热传导的影响比较小。这样的结构好处在于可以在金属层的外围增加一些具有一定绝缘性能的涂层，使得填料颗粒具有一定的绝缘能力。
参阅图7，图7中热界面结构的填料颗粒与图6的不同之处在于，第二填料部22为部分包覆于第一填料部21的外表面，第二填料部22可为以电镀方式形成于第一填料部21的外表面的多个金属颗粒。其它部分与图6大致相同，这里不再赘述。
应该理解，填料颗粒的形式及制作工艺不限于此，任何能够使得填料颗粒变形的结构均包含于本发明的保护范围内。
参阅图8，图8中热界面结构与图5的不同之处在于，至少两个填料颗粒的外径不同，且外径较小的填料颗粒填充在外径较大的填料颗粒之间。
本实施例中的填料粒径可以进行优化分布，当采用不同粒径的填料颗粒时，小粒径的填料颗粒可以填充较大的填料颗粒之间的缝隙，由此可以起到增加高导热材料的体积含量，以及增加其接触通路的作用。其它部分与图5大致相同，这里不再赘述。
参阅图9，图9中热界面结构与图5的不同之处在于，填料颗粒的形状包括多种，例如可以采用球形、椭球形、横截面为规则或不规则多边形的棱柱形、高度及直径不同的圆柱形以及片状、锥形等相结合的方式，片状的填料颗粒位于球形及椭球形的填料颗粒之间，从而增加其接触通路的面积。其它部分与图5大致相同，这里不再赘述。
参阅图10，图10中热界面结构与图5的不同之处在于，热界面结构还可包括不可变形的辅助填料颗粒30，辅助填料颗粒30由导热材料制成，辅助填料颗粒30与填料颗粒20分布在基体10内。填料颗粒20可以采用前述实施例的任一形式的填料颗粒，辅助填料颗粒30为现有的填料，如实心的金属颗粒、实心的陶瓷颗粒等等，从而通过不可变形的辅助填料颗粒和易变形的填料颗粒之间的接触增加热界面结构的热导率。
另外，辅助填料颗粒可为多边形，填料颗粒包括球形及椭球形，辅助填料颗粒与填料颗粒邻接，从而增加其接触通路的面积。其它部分与图5大致相同，这里不再赘述。
综上所述，本发明的热界面结构通过采用具有变形能力的填料颗粒，在压力的作用下建立其高导热的填料颗粒之间的充分接触，使得相邻填料颗粒的接触面积增大，由此增加热界面结构的热导率，形成利于热量快速有效传递的导热通路。相比于现有的填料颗粒无法变形的热界面结构，本发明能够在保证高导热填料含量相同的前提下提高材料的热导率，或者在保证相同材料热导率的情况下，降低高导热填料的含量以增加工艺性以及提高热界面结构消除表面粗糙度之间的细微缝隙的能力，因此，本发明打破了现有的必须通过增加填料颗粒含量的方式来降低热阻的传统观念，实现了填料颗粒含量与粘度、工艺性之间的平衡。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (22)

1.一种热界面结构，包括：
基体；及
多个填料颗粒，分布在基体内；
其中，当填料颗粒受压力时，至少部分填料颗粒发生变形，相邻的至少两个填料颗粒至少部分相互接触，从而形成用于传递热量的导热通路。
2.如权利要求1所述的热界面结构，其中，每一填料颗粒包括第一填料部和第二填料部，第一填料部由可变形材料制成，第二填料部由导热材料制成，且包覆第一填料部。
3.如权利要求2所述的热界面结构，其中，第二填料部部分或全部包覆于第一填料部的外表面。
4.如权利要求2所述的热界面结构，其中，第二填料部的热导率为第一填料部的热导率的两倍以上。
5.如权利要求2所述的热界面结构，其中，第一填料部的弹性模量低于第二填料部的弹性模量的1/5。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的热界面结构，其中，第一填料部的材料为空气或有机材料，第二填料部由金属材料制成。
7.如权利要求6所述的热界面结构，其中，第一填料部由树脂材料制成，第二填料部由铜、铝、银或合金制成。
8.如权利要求6所述的热界面结构，其中，第二填料部以发泡方式形成，并全部包覆第一填料部，第一填料部为空气。
9.如权利要求1-5中任意一项所述的热界面结构，其中，第一填料部为有机材料颗粒，第二填料部为金属层，且第二填料部包覆第一填料部。
10.如权利要求9所述的热界面结构，其中，填料颗粒以重量比70％-95％弥散分布在基体中。
11.如权利要求9所述的热界面结构，其中，第二填料部为以电镀方式形成于第一填料部的外表面的多个金属颗粒。
12.如权利要求1所述的热界面结构，其中，多个填料颗粒分布在基体内，且基体通过固化成型，使得第一填料部处于受压变形状态。
13.如权利要求2所述的热界面结构，其中，每一填料颗粒还包括第三填料部，其设置于第二填料部的外表面，第三填料部为导热绝缘材料。
14.如权利要求13所述的热界面结构，其中，第三填料部由氧化铝或氧化铜制成。
15.如权利要求13所述的热界面结构，其中，第三填料部的厚度小于或等于第二填料部的厚度的1/5。
16.如权利要求1所述的热界面结构，其中，至少两个填料颗粒的外径不同，且外径较小的填料颗粒填充在外径较大的填料颗粒之间。
17.如权利要求1所述的热界面结构，其中，填料颗粒的形状包括球形、椭球形、柱形及片状中的至少一种。
18.如权利要求1所述的热界面结构，其中，热界面结构还包括不可变形的辅助填料颗粒，辅助填料颗粒由导热材料制成，辅助填料颗粒与填料颗粒分布在基体内。
19.如权利要求18所述的热界面结构，其中，辅助填料颗粒为实心的金属颗粒或实心的陶瓷颗粒。
20.如权利要求19所述的热界面结构，其中，至少部分辅助填料颗粒与至少部分填料颗粒相接触。
21.一种功率模块，其包括至少一个功率元件、散热器及如权利要求1至20中任一项所述的热界面结构，热界面结构设置于功率元件与散热器之间并形成导热通路，功率元件产生的热量经由导热通路传递至散热器。
22.如权利要求21所述的功率模块，其中，热界面结构压设于功率元件与散热器之间，使得第一填料部处于变形状态。
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