CN109309062A - 一种散热元件及其制备方法和igbt模组 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种散热元件及其制备方法和IGBT模组;所述散热元件包括散热本体和散热柱,所述散热柱为铜柱;所述散热本体上通过渗铝一体成型的第一铝层结合有一个或多个铜柱;本公开还提供了上述散热元件的制备方法和含有上述散热元件的IGBT模组。本公开所述的散热元件将铜柱与散热本体通过渗铝层连接,避免了焊接铜柱与散热本体的步骤,渗铝层连接取代该步骤可以节约成本,提高良品率,缩短生产周期;另一方面通过渗铝层连接铜柱与散热本体可以避免空洞的产生从而提高连接强度、延长使用寿命;并且通过渗铝一体成型的第一铝层更薄,能够及时将热量传递给散热柱,可以提高散热元件的导热效率。
Description
技术领域
本公开涉及散热器技术领域,具体地,涉及一种散热元件及其制备方法和IGBT模组。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,广泛应用于各种电子设备上。随着变频器等高电流电子设备的发展,对于IGBT芯片的性能提出了更高的要求,IGBT芯片承受更高的电流,其工作时产生的热量不断增加。现有IGBT芯片直接封装采用真空焊接技术,封装的过程共包括3个工艺:陶瓷覆铝导热体的制备、碳化硅散热本体的处理和陶瓷覆铝导热体与碳化硅散热本体的焊接。真空焊接技术不仅复杂、生产周期长,焊接过程中产生气泡或者焊料层不均匀都会使焊层形成形状大小不同的空洞;焊层中的空洞会引发电流密集效应导致热电击穿、热传导不良等,使其封装良品率下降,并且使用寿命缩短。
因此亟需一种新的散热装置克服现有技术中真空焊接的缺陷,得到热传导效果更好的散热装置。
发明内容
本公开的目的是提供一种散热元件,该散热元件具有良好的热传导效果,结构简单,加工工艺难度低。
为了实现上述目的,本公开提供一种散热元件,该散热元件包括散热本体和散热柱,所述散热柱为铜柱,所述散热本体上通过渗铝一体成型的第一铝层结合有一个或多个铜柱。
通过上述技术方案,本公开所述的散热元件将铜柱与散热本体通过渗铝层连接,避免了焊接铜柱与散热本体的步骤,该步骤工艺复杂,渗铝层连接取代该步骤可以节约成本,提高良品率,缩短生产周期,同时避免了直接接触的铜和散热本体结合面发生反应生成Cu2Si和C而降低散热元件的热传导效率;另一方面焊接铜柱与散热本体时会产生空洞,而通过渗铝层连接铜柱与散热本体可以避免空洞的产生从而提高连接强度、延长使用寿命;并且通过渗铝一体成型的第一铝层更薄,能够及时将热量传递给散热柱,可以提高散热元件的导热效率。
本公开还提供了一种散热元件的制备方法,该方法包括如下步骤:
S1.将散热本体和铜柱装入渗铝模具,并使得所述散热本体与所述铜柱之间具有第一空隙;
S2.在压力铸渗条件下,将熔融铝液加入所述渗铝模具并填充至所述第一空隙并且进行抽真空和加压的操作,然后进行冷却脱模。
通过上述技术方案,本公开所述的散热元件将铜柱与散热本体通过渗铝层连接,避免了焊接铜柱与散热本体的步骤,该步骤工艺复杂,渗铝层连接取代该步骤可以节约成本,提高良品率,缩短生产周期,同时避免了直接接触的铜和散热本体结合面发生反应生成Cu3Si和C而降低散热元件的热传导效率;另一方面焊接铜柱与散热本体时会产生空洞,而通过渗铝层连接铜柱与散热本体可以避免空洞的产生从而提高连接强度、延长使用寿命;并且通过渗铝一体成型的第一铝层更薄,可以提高散热元件的导热效率。
本公开还提供了上述方法制备得到的散热元件。
本公开还提供了一种IGBT模组,该IGBT模组包括IGBT电路板和如上所述的散热元件。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本公开,但并不构成对本公开的限制。在附图中:
图1是无槽散热元件结构剖视图。
图2是有槽散热元件结构剖视图。
图3是渗铝模具内部结构剖视图。
图4是散热元件具有散热柱的表面俯视图。
附图标记说明
1 散热本体 2 铜柱
3 第一铝层 4 第二铝层
5 陶瓷覆金属导热体 6 槽
7 渗铝模具 8 第一空隙
9 第二空隙 10 碳化硅多孔骨架
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开,并不用于限制本公开。
本公开第一方面提供了一种散热元件,该散热元件包括散热本体1和散热柱,所述散热柱为铜柱2,所述散热本体1上通过渗铝一体成型的第一铝层3结合有一个或多个铜柱2。
通过上述技术方案,本公开所述的散热元件将铜柱2与散热本体1通过渗铝层连接,避免了焊接铜柱2与散热本体1的步骤,该步骤工艺复杂,渗铝层连接取代该步骤可以节约成本,提高良品率,缩短生产周期,同时避免了直接接触的铜和散热本体1结合面发生反应生成Cu3Si和C而降低散热元件的热传导效率;另一方面焊接铜柱2与散热本体1时会产生空洞,而通过渗铝层连接铜柱2与散热本体1可以避免空洞的产生从而提高连接强度、延长使用寿命;并且通过渗铝一体成型的第一铝层3更薄,能够及时将热量传递给散热柱,可以提高散热元件的导热效率。
根据本公开第一方面,优选地,所述散热本体1为铝硅碳散热本体,所述铝硅碳散热本体包括碳化硅多孔骨架10和通过渗铝一体成型地结合在所述碳化硅多孔骨架10内的铝,所述碳化硅多孔骨架10可以与渗铝一体化增强所述铝硅碳散热本体的结构强度和其他部件的连接强度。
根据本公开第一方面,优选地,所述铜柱2的一端与散热本体1固定连接,铜柱2的另一端为自由端,所述铜柱2的高度为7.5~6.5mm,所述第一铝层3的高度为0.05~0.2mm;所述自由端可以浸泡在冷却液中以迅速的将热量传导至冷却液,所述第一铝层3较薄以保证热量及时传导至铜柱2,所述高度为7.5~8.0mm的铜柱2不会降低散热元件的连接强度同时保证散热效率。
根据本公开第一方面,优选地,所述铜柱2与所述第一铝层3结合面以外的表面还具有第二铝层4;所述第二铝层4为纯铝层或铝合金层;所述第二铝层的厚度不做限制,所述第二铝层4增强了铜柱2与散热本体1的连接强度,同时铝耐腐蚀可以保护铜柱2不受冷却液冲刷。
根据本公开第一方面,优选地,所述散热元件还设置有一个或多个陶瓷覆金属导热体5;所述陶瓷覆金属导热体5和所述散热柱分别设置在所述散热本体1的相对的两个表面上;所述陶瓷覆金属导热体5上可以直接连接IGBT电路板,与所述散热元件构成IGBT模组。
根据本公开第一方面,优选地,所述陶瓷覆金属导热体5为陶瓷覆铝板、陶瓷覆铜板和陶瓷覆铝铜板中的至少一种;上述材质的陶瓷板具有较低的密度和较高的硬度,有利用延长使用寿命。
根据本公开第一方面,优选地,作为本公开的一种实施方式所述散热本体1与所述陶瓷覆金属导热体5相连接的表面为平整表面;所述陶瓷覆金属导热体5凸起于所述散热本体1的平整表面上。
根据本公开第一方面,优选地,作为本公开的另一种实施方式,所述散热本体1上开设有一个或多个槽6;所述陶瓷覆金属导热体5嵌入所述槽6内;采用上述具有槽6的散热本体1,将所述陶瓷覆金属导热体5通过嵌入所述槽内,避免了蚀刻时贴膜边缘发生破裂影响蚀刻图案,增强了蚀刻的精准性,并提高了散热元件的强度与稳定性。
其中,在所述散热本体1上开设一个或多个槽6的操作可通过数控机床(CNC)实现。
根据本公开第一方面,优选地,所述陶瓷覆金属导热体5的上表面与所述散热本体1的所述槽6以外的上表面形成平整表面;形成的平整表面有利用后续蚀刻时贴膜,使贴膜不发生破裂,按照预设进行蚀刻提高蚀刻的精准性;蚀刻可以采用本领域技术人员常规使用的各种方法,参数可以为常规使用的参数,例如蚀刻的操作包括依次进行的贴膜、曝光、显影、腐蚀、去膜和水洗的步骤。
本公开第二方面提供了一种散热元件的制备方法,该方法包括如下步骤:
S1.将散热本体1和铜柱2装入渗铝模具7,并使得所述散热本体1与所述铜柱2之间具有第一空隙8;
S2.在压力铸渗条件下,将熔融铝液加入所述渗铝模具7并填充至所述第一空隙8并且进行抽真空和加压的操作,然后进行冷却脱模。
通过上述技术方案,本公开所述的散热元件将铜柱2与散热本体1通过渗铝层连接,避免了焊接铜柱2与散热本体1的步骤,该步骤工艺复杂,渗铝层连接取代该步骤可以节约成本,提高良品率,缩短生产周期,同时避免了直接接触的铜和散热本体1结合面发生反应生成Cu2Si和C而降低散热元件的热传导效率;另一方面焊接铜柱2与散热本体1时会产生空洞,而通过渗铝层连接铜柱2与散热本体1可以避免空洞的产生从而提高连接强度、延长使用寿命;并且通过渗铝一体成型的第一铝层3更薄,可以提高散热元件的导热效率。
根据本公开第二方面,优选地,所述压力铸渗条件包括:预热的温度为500~700℃;熔融铝液的温度为500~700℃,抽真空的压力为50~100Pa,加压的压力为4~10MPa,所述熔融铝液为纯铝或铝合金;所述条件下进行压力渗铝一体成型可以减少所述铝层中的空洞,提高生产质量与良品率。
根据本公开第二方面,优选地,所述铜柱2与所述渗铝模具7的壁之间还具有第二空隙9,所述第二空隙9用于在铜柱2上形成第二铝层4;所述第二空隙9的厚度不做限制,所述第二铝层4增强了铜柱2与散热本体1的连接强度,同时铝耐腐蚀可以保护铜柱不受冷却液冲刷。
根据本公开第二方面,优选地,所述铜柱2的高度为7.5~6.5mm,所述第一铝层3的高度为0.05~0.2mm;所述第一铝层3较薄以保证热量及时传导至铜柱2,所述高度为7.5~8.0mm的铜柱2不会降低散热元件的连接强度同时保证散热效率。
根据本公开第二方面,优选地,冷却脱模后通过蚀刻去除所述第一空隙8和/或第二空隙9中的部分铝金属,以使得所述第一空隙8中的剩余铝金属形成第一铝层3而第二空隙9中的剩余铝金属形成第二铝层;蚀刻可以采用本领域技术人员常规使用的各种方法,参数可以为常规使用的参数,例如蚀刻的操作包括依次进行的贴膜、曝光、显影、腐蚀、去膜和水洗的步骤。
根据本公开第二方面,优选地,所述散热元件还设置有一个或多个陶瓷覆金属导热体5;所述陶瓷覆金属导热体5和所述散热柱分别设置在所述散热本体1的相对的两个表面上;所述陶瓷覆金属导热体5上可以直接连接IGBT电路板,与所述散热元件构成IGBT模组。
根据本公开第二方面,优选地,所述陶瓷覆金属导热体5为陶瓷覆铝板、陶瓷覆铜板和陶瓷覆铝铜板中的至少一种;上述材质的陶瓷板具有较低的密度和较高的硬度,有利用延长使用寿命。
根据本公开第二方面,优选地,作为本公开的一种实施方式所述散热本体1与所述陶瓷覆金属导热体5相连接的表面为平整表面;所述陶瓷覆金属导热体5凸起于所述散热本体1的平整表面上。
根据本公开第二方面,优选地,作为本公开的另一种实施方式,所述散热本体1上开设有一个或多个槽6;所述陶瓷覆金属导热体5嵌入所述槽6内;采用上述具有槽6的散热本体1,将所述陶瓷覆金属导热体5通过嵌入所述槽内,避免了蚀刻时贴膜边缘发生破裂影响蚀刻图案,增强了蚀刻的精准性,并提高了散热元件的强度与稳定性。
其中,在所述散热本体1上开设一个或多个槽6的操作可通过数控机床(CNC)实现。
根据本公开第二方面,优选地,所述陶瓷覆金属导热体5的上表面与所述散热本体1的所述槽6以外的上表面形成平整表面;形成的平整表面有利用后续蚀刻时贴膜,使贴膜不发生破裂,按照预设进行蚀刻提高蚀刻的精准性。
本公开第三方面提供了上述方法制备得到的散热元件。
本公开第四方面提供了一种IGBT模组,该IGBT模组包括IGBT电路板和如上所述的散热元件。
下面通过实施例进一步说明本公开,但是本公开并不因此受到任何限制。
实施例1
本实施例用于说明所述散热元件的制备方法。
将厚度为4.5mm、长为215mm、宽为110mm碳化硅多孔骨架10和368个所述直径为3mm、高度为7.8mm的铜柱2装入渗铝模具7中,所述铜柱2圆心之间的间隔为5mm;所述碳化硅多孔骨架10与所述铜柱2之间具有0.1mm的第一空隙8。
预热所述渗铝模具7使其温度为600℃,向所述渗铝模具7中加入700℃的熔融铝液,抽真空至渗铝模具7内压力为80Pa,然后加压至压力为7MPa,待所述铝液冷却至室温定型后脱模,所述第一空隙8中的铝金属形成厚度为0.1mm的第一铝层3,所述碳化硅多孔骨架10与结合在其内部的铝形成铝硅碳散热本体。
经上述步骤制备得到本实施例所述的散热元件。
实施例2
将厚度为4.5mm、长为215mm、宽为110mm碳化硅多孔骨架10和368个所述直径为3mm、高度为7.8mm的铜柱2装入渗铝模具7中,所述铜柱2圆心之间的间隔为5mm;所述碳化硅多孔骨架10与所述铜柱2之间具有0.1mm的第一空隙8。
预热所述渗铝模具7使其温度为600℃,向所述渗铝模具7中加入700℃的熔融铝液,抽真空至渗铝模具7内压力为80Pa,然后加压至压力为7MPa,待所述铝液冷却至室温定型后脱模,所述第一空隙8中的铝金属形成厚度为0.1mm的第一铝层3,所述碳化硅多孔骨架10与结合在其内部的铝形成铝硅碳散热本体。
所述铝硅碳散热本体与散热柱连接表面的相对表面还焊接有3个陶瓷覆铜板,所述铝硅碳散热本体与陶瓷覆铜板相连接的表面为平整表面。
经上述步骤制备得到本实施例所述的散热元件。
实施例3
本实施例用于说明所述散热元件的制备方法。
将厚度为4.5mm、长为215mm、宽为110mm碳化硅多孔骨架10和368个所述直径为3mm、高度为7.8mm的铜柱2装入渗铝模具7中,所述铜柱2圆心之间的间隔为5mm;所述碳化硅多孔骨架10与所述铜柱2之间具有0.1mm的第一空隙8,所述铜柱2与所述渗铝模具7的壁之间还具有第二空隙9用于形成第二铝层4。
预热所述渗铝模具7使其温度为600℃,向所述渗铝模具7中加入700℃的熔融铝液,抽真空至渗铝模具7内压力为80Pa,然后加压至压力为7MPa,待所述铝液冷却至室温定型后脱模;所述第一空隙8中的铝金属形成厚度为0.1mm的第一铝层3并且所述第二空隙9中的铝金属形成第二铝层4,所述碳化硅多孔骨架10与结合在其内部的铝形成铝硅碳散热本体。
所述铝硅碳散热本体与散热柱连接表面的相对表面还焊接有3个陶瓷覆铝板,所述铝硅碳散热本体与陶瓷覆铝板相连接的表面为平整表面。
经上述步骤制备得到本实施例所述的散热元件。
实施例4
本实施例用于说明所述散热元件的制备方法。
将厚度为4.5mm、长为215mm、宽为110mm碳化硅多孔骨架10和368个所述直径为3mm、高度为7.8mm的铜柱2装入渗铝模具7中,所述铜柱2圆心之间的间隔为5mm;所述碳化硅多孔骨架10与所述铜柱2之间具有0.1mm的第一空隙8,所述铜柱2与所述渗铝模具7的壁之间还具有第二空隙9用于形成第二铝层4。
预热所述渗铝模具7使其温度为600℃,向所述渗铝模具7中加入700℃的熔融铝液,抽真空至渗铝模具7内压力为80Pa,然后加压至压力为7MPa,待所述铝液冷却至室温定型后脱模;所述第一空隙8中的铝金属形成厚度为0.1mm的第一铝层3而所述第二空隙9中的铝金属形成第二铝层4,所述碳化硅多孔骨架10与结合在其内部的铝形成铝硅碳散热本体。
所述铝硅碳散热本体与散热柱连接表面的相对表面通过数控机床开设有3个凹槽6,3个陶瓷覆铝铜板内嵌于所述槽6内并且所述陶瓷覆铜板的上表面与所述铝硅碳散热本体槽6以外的表面形成平整表面。
经上述步骤制备得到本实施例所述的散热元件。
对比例1
将碳化硅颗粒与铝粉混合后经过冷压成型、热压、退火和保温制备得到铝硅碳散热本体。
将铜柱通过焊接连接在所述铝硅碳散热本体的表面上;所述焊接采用SnPbAg焊料于氢气气氛下185℃预热,265℃将所述铜柱焊接至铝硅碳散热本体上。
经上述步骤制备得到本对比例所述的散热元件。
测试实施例1
对实施例1-4与对比例1中得到的散热元件进行冷热循环试验。
将获得的散热元件放入冰水混合物中,30分钟后将所述散热元件从冰水混合物(持续添加冰块,保持0℃环境)中拿出,在室温下放置10分钟后将所述散热元件放入150℃烘箱中,在150℃中保持30分钟后将所述散热元件从烘箱中取出,在室温下放置10分钟后将所述IGBT用散热底板再次放入冰水混合物(持续添加冰块,保持0℃环境)中,上述过程为一个循环。对每组中的20个散热元件分别进行上述的耐冷耐热抗冲击性能测定,每20个所述循环观察一次待测定样品的铝层情况(外观检测,例如裂纹和脱落情况),当待测定样品铝层出现明显裂纹有脱落倾向时停止对该待测定样品停止试验,记录其之前所经历的上述循环的次数,并且对每组中的20个待测定散热元件在试验中所经历的所述循环的次数求平均数,上述的各组散热元件的测定结果如表1所示。
表1
100次循环后外观 | 耐冷热冲击次数 | |
实施例1 | 良好 | 500 |
实施例2 | 良好 | 500 |
实施例3 | 良好 | 500 |
实施例4 | 良好 | 500 |
对比例1 | 铜柱焊接处出现裂纹 | 100 |
经表1中实施例1-4与对比例1比较可以看出,本公开制备得到的散热元件具有更优越的耐冷热冲击性能,具有更高的连接强度和热传导效率。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式,但是,本公开并不限于上述实施方式中的具体细节,在本公开的技术构思范围内,可以对本公开的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本公开的思想,其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (21)
1.一种散热元件,该散热元件包括散热本体(1)和散热柱,其特征在于,所述散热柱为铜柱(2),所述散热本体(1)上通过渗铝一体成型的第一铝层(3)结合有一个或多个铜柱(2)。
2.根据权利要求1所述的散热元件,其中,所述散热本体(1)为铝硅碳散热本体,所述铝硅碳散热本体包括碳化硅多孔骨架(10)和通过渗铝一体成型地结合所述碳化硅多孔骨架(10)内的铝。
3.根据权利要求1所述的散热元件,其中,所述铜柱(2)的一端与散热本体(1)固定连接,铜柱(2)的另一端为自由端;所述铜柱(2)的高度为7.5~8.0mm,所述第一铝层(3)的高度为0.05~0.2mm。
4.根据权利要求1所述的散热元件,其中,所述铜柱(2)与所述第一铝层(3)结合面以外的表面还具有第二铝层(4);所述第二铝层(4)为纯铝层或铝合金层。
5.根据权利要求1所述散热元件,其中,所述散热元件还设置有一个或多个陶瓷覆金属导热体(5);所述陶瓷覆金属导热体(5)和所述散热柱分别设置在所述散热本体(1)的相对的两个表面上。
6.根据权利要求5所述的散热元件,其中,所述陶瓷覆金属导热体(5)为陶瓷覆铝板、陶瓷覆铜板和陶瓷覆铝铜板中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的散热元件,其中,所述散热本体(1)与所述陶瓷覆金属导热体(5)相连接的表面为平整表面。
8.根据权利要求5所述的散热元件,其中,所述散热本体(1)上开设有一个或多个槽(6);所述陶瓷覆金属导热体(5)嵌入所述槽(6)内。
9.根据权利要求8所述的散热元件,其中,所述陶瓷覆金属导热体(5)的上表面与所述散热本体(1)的所述槽(6)以外的上表面形成平整表面。
10.一种散热元件的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
S1.将散热本体(1)和铜柱(2)装入渗铝模具(7),并使得所述散热本体(1)与所述铜柱(2)之间具有第一空隙(8);
S2.在压力铸渗条件下,将熔融铝液加入所述渗铝模具(7)并填充至所述第一空隙(8)并且进行抽真空和加压的操作,然后进行冷却脱模。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,所述压力铸渗条件包括预热的温度为500~700℃;熔融铝液的温度为500~700℃,抽真空的压力为50~100Pa,加压的压力为4~10MPa;所述熔融铝液为纯铝或铝合金。
12.根据权利要求10所述的方法,其中,所述铜柱(2)与所述渗铝模具(7)的壁之间还具有第二空隙(9),所述第二空隙(9)用于在铜柱(2)上形成第二铝层(4)。
13.根据权利要求10所述的方法,其中,所述铜柱(2)的高度为7.5~8.0mm,所述第一铝层(3)的高度为0.05~0.2mm。
14.根据权利要求10所述的方法,其中,冷却脱模后通过蚀刻去除所述第一空隙(8)和/或第二空隙(9)中的部分铝金属,以使得所述第一空隙(8)中的剩余铝金属形成第一铝层(3)而第二空隙(9)中的剩余铝金属形成第二铝层;所述蚀刻的操作包括依次进行的贴膜、曝光、显影、腐蚀、去膜和水洗的步骤。
15.根据权利要求10所述的方法,其中,所述散热元件还设置有一个或多个陶瓷覆金属导热体(5);所述陶瓷覆金属导热体(5)和所述散热柱分别设置在所述散热本体(1)的相对的两个表面上。
16.根据权利要求15所述的方法,其中,所述陶瓷覆金属导热体(5)为陶瓷覆铝板、陶瓷覆铜板和陶瓷覆铝铜板中的至少一种。
17.根据权利要求15所述的方法,其中,所述散热本体(1)与所述陶瓷覆金属导热体(5)相连接的表面为平整表面。
18.根据权利要求15所述的方法,其中,所述散热本体(1)上开设有一个或多个槽(6);所述陶瓷覆金属导热体(5)嵌入所述槽(6)内。
19.根据权利要求18所述的方法,其中,所述陶瓷覆金属导热体(5)的上表面与所述散热本体(1)的所述槽(6)以外的上表面形成平整表面。
20.权利要求10-19中任意一项所述的方法制备得到的散热元件。
21.一种IGBT模组,其特征在于,该IGBT模组包括IGBT电路板和权利要求1-9和20中任意一项所述的散热元件。
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