CN110164826A - 一种功率模块及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种功率模块及电子设备，该功率模块包括基板、设置在基板上的芯片。其中，基板具有相对的第一面及第二面，芯片设置在基板的第一面上。为减小将芯片设置在基板上时基板的变形程度，在基板的第二面设置有槽体，在槽体内填充有填充物，且基板的热膨胀芯片小于填充物的热膨胀系数。在上述的方案中，通过在基板第二面的槽体内填充热膨胀系数较大的填充物，在将芯片设置在基板上时，使基板的翘曲程度降低，从而使基板与散热器之间能够良好的导热连接，提高散热效果。
Description
技术领域
本发明涉及电器技术领域，尤其涉及一种功率模块及电子设备。
背景技术
IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。由IGBT的工作机理可知，当IGBT内部PN结(PNjunction)反向偏压增加时，反向电流引起的热损耗导致结温上升，结温的升高又导致反向电流增大，而IGBT是开关器件，以高频率重复开通与关断这个过程，如果冷却装置不能及时将热量传递出去，结温上升和反向电流的增加将会交替循环下去。长此以往，热量积累,最终PN结发生击穿，这种击穿是由热效应引起的，称为热击穿。现实应用中最常见的失效现象就是热失效，因此IGBT模块的冷却装置显得极其重要。
IGBT模块的铜基板就是一种很好的冷却方式，如图1，模块由下往上分别是用于对IGBT芯片散热的散热器1、导热脂2、铜基板3、DCB衬底4(Direct Copper Bonding，直接铜键合衬底)、芯片5、键合线6、硅胶7、母线端子8。为了更好的散热，铜基板3必须与散热器1有良好的接触，但是在封装过程中的焊接工艺时，因热胀冷缩的机理会造成铜基板3内凹的现象，这样与散热器1安装时就会出现很大的缝隙导致散热不均的现象。为解决此现象，常用的设置方式会制作带有一定弧度的铜基板3，这样在焊接工艺时铜基板3表面由凸变平。但是，由于焊接工艺时的内凹程度不好把控，因此铜基板3的弧度大小也不好估量，因此其工艺复杂，成本高。
发明内容
本发明提供一种功率模块及电子设备，以减小基板的翘曲程度，使散热器与基板之间能够良好的导热连接。
第一方面，本发明提供了一种功率模块，该功率模块包括基板、设置在基板上的芯片。其中，基板具有相对的第一面及第二面，芯片设置在基板的第一面上。为减小将芯片设置在基板上时基板的翘曲程度，在基板的第二面设置有槽体，在槽体内填充有填充物，且基板的热膨胀芯片小于填充物的热膨胀系数。
在上述的方案中，通过在基板第二面的槽体内填充热膨胀系数较大的填充物，在将芯片设置在基板上时，基板的翘曲程度降低，从而使基板与散热器之间能够良好的导热连接，提高散热器的散热效果。
在一个具体的实施方式中，基板具有相对的两个长边、以及分别与两个长边连接且相对的两个短边，以简化基板的结构。
在一个具体的实施方式中，槽体贯通基板上相对的两个长边，使填充物沿与基板的短边平行的方向均匀分布在基板的第二面上，减小基板的翘曲程度。
在一个具体的实施方式中，槽体在长度方向上的轴线与两个短边的对称线共线，从而使填充在槽体内的填充物位于基板的中间位置，从而减小基板的翘曲程度。
在一个具体的实施方式中，槽体的宽度为d3，且槽体的宽度d3与基板的长度d2满足：d3≤1/2d2。其中，基板的长度是指长边的长度，以减小基板的翘曲程度。
在一个具体的实施方式中，槽体的个数为多个，且多个槽体沿与基板的长边垂直的方向间隔排列，以减小基板的翘曲程度。
在一个具体的实施方式中，基板的第一面焊接有衬底，芯片设置在衬底上背离基板的一面。
在一个具体的实施方式中，基板为铜基板，以提高基板的散热性能。
在一个具体的实施方式中，填充物为铝片，以便于设置，且节省成本。
在一个具体的实施方式中，填充物的厚度小于等于基板厚度的一半，以减少基板的翘曲程度。
在一个具体的实施方式中，基板的厚度为3-8um，以便于设置。
在一个具体的实施方式中，基板及填充物的表面镀有镀镍层，以保护基板及填充物。
在一个具体的实施方式中，镀镍层的厚度为3-10um，以便于设置。
第二方面，本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括上述任意一种功率模块、以及与基板的第二面导热连接的散热器。以减小基板的翘曲程度，使基板与散热器之间能够良好的导热连接，从而提高散热效果。
在一个具体的实施方式中，基板的第二面与散热器之间通过导热硅脂导热连接，以提高基板与散热器之间导热连接的稳定性、从而提高散热效果。
附图说明
图1为现有技术中的一种功率模块的剖视图；
图2为本发明实施例提供的一种功率模块的剖视图；
图3为图2示出的功率模块中的基板的正视图；
图4为图2示出的功率模块中的基板的俯视图。
附图标记：
11-基板 111-第一面 112-第二面
113-长边 113 114-短边 12-衬底 121-绝缘层
122-铜布线层13-芯片 14-引脚
15-封装层 16-键合线 20-槽体 21-槽口
22-槽壁 23-槽底 30-填充物
40-散热器 41-导热硅脂
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
为了方便理解本发明实施例提供的功率模块，首先说明一下其应用场景。该功率模块具体可以为IGBT模块。下面结合附图对本发明实施例提供的功率模块进行详细的描述。
参考图2，本发明实施例提供的功率模块包括一个基板11，该基板11具体可以为铜基板、铝基板、碳化硅铝基板等。在设置基板11时，基板11为一个板体结构。参考图3，该基板11具有相对的第一面111及第二面112。如图3及图4所示，基板11具有相对的两个长边113、以及与两个长边113分别连接且相对的两个短边114，使基板11为一个长条形的板结构，从而简化结构，便于设置。其中，基板11的宽度d1是指基板11的两个长边113之间的垂直距离，即基板11的短边114的长度；基板11的长度d2是指基板11的两个短边114之间的垂直距离，即基板11的长边113的长度。其中，d1＜d2。应当理解的是，上述仅仅示出了基板11的几种方式，除此之外，基板11还可以为其他的设置方式。
如图2所示，基板11的第一面111上设置有芯片13。芯片13具体可以为IGBT芯片、FWD芯片等。且芯片13的个数可以为1个、2个、4个、6个、8个、12个、14个等。如图2所示，基板11的第一面111上设置有两个芯片13。应当理解的是，芯片13的个数并不限于上述示出的两个芯片13的设置方式。
在将芯片13设置在基板11上时，芯片13可以采用焊接、粘接等方式直接焊接在基板11的第一面111上，还可以在基板11上设置一层衬底12，将芯片13设置在衬底12上。参考图2，在基板11的第一面111上设置有一层衬底12，芯片13设置在衬底12上。其中，衬底12可以为诸如但不限于DCB衬底。参考图2，衬底12包括一层用于与基板11的第一面111连接的绝缘层121，该绝缘层121的材料具有可以为陶瓷，以实现芯片13与基板11之间的电气绝缘。继续参考图2，衬底12还包括设置在绝缘层121上背离基板11一面的铜布线层122，铜布线层122用于芯片13之间的电路桥接。在将衬底12设置在基板11的第一面111时，衬底12通过焊接方式焊接在基板11的第一面111上，具体的，参考图2，在衬底12与基板11之间具有一层用于连接衬底12与基板11的焊层，以实现衬底12与基板11的连接。在将芯片13设置在衬底12上时，芯片13可以通过粘接方式设置在衬底12上，也可以通过焊接方式设置在衬底12上。参考图2，在芯片13与衬底12之间具有一层用于连接芯片13与衬底12的焊层，以实现芯片13与衬底12之间的电连接，且使芯片13之间通过衬底12上的铜布线层122进行电连接。参考图2，每个芯片13还可以通过键合线16与衬底12上的铜布线层122电连接，实现芯片13与铜布线层122之间的电连接。其中，键合线16具体可以为铜线、铝线、银线、金线等。
参考图2，在每个芯片13上还设置有用于与外部电连接的引脚14。其中，引脚14为现有技术中常规用于使芯片13与外部电连接的引脚14。每个引脚14可以通过螺钉紧固的方式固定在功率模块的外壳上。
继续参考图2，在基板11的第一面111上设置有一层用于封装芯片13、键合线16、铜布线层122的封装层15，以保护芯片13及内部电连接的电路，使键合线16及铜布线层122与外部绝缘。继续参考图2，每个引脚14部分外露于封装层15外，实现芯片13与外部的电连接。其中，封装层15的材料具有可以为硅胶、树脂等，还可以为现有技术中用于封装的材料。
参考图2、图3及图4，在基板11的第二面112上设置有槽体20，在槽体20内填充有填充物30，且填充物30的热膨胀系数大于基板11的热膨胀系数。在将芯片13焊接在基板11的第一面111时，基板11的第一面111的温度升高，由于热胀冷缩原理，基板11的第一面111膨胀。同时由于基板11的导热性能较好，基板11第一面111会向第二面112进行热传导，从而使基板11的第二面112的温度升高，使基板11的第二面112也开始膨胀。但由于基板11的第一面111距离焊层的距离较近，从而使基板11的第一面111的温度比基板11的第二面112的温度高。使基板11第一面111的膨胀程度较第二面112的膨胀程度高，从而使基板11具有向下翘曲的趋势。而由于填充物30的热膨胀系数大于基板11的热膨胀系数，从而使填充物30的膨胀量比基板11的膨胀量大，提高基板11的第二面112的膨胀程度，使基板11的第一面111及第二面112的膨胀差缩小，从而使基板11的翘曲程度减小。
在具体设置槽体20时，槽体20具有相对的两个槽口21，两个槽口21分别位于两个基板11的长边113上，即槽体20贯通基板11上相对的两个长边113。具体的，参考图3及图4，两个槽口21分别位于基板11上相对的两个长边113上，从而使填充在槽体20内的填充物30的长度(填充物30沿与短边114平行方向上的长度)与基板11的宽度相等。由于基板11的形状为长条形状，在发生翘曲时，基板11的宽度方向上的翘曲趋势较为一致，即基板11在宽度方向上的中间部分和边缘部分同步翘曲。通过使填充物30的长度与基板11的宽度相等，以填充物30沿与基板11的短边114平行的方式均匀分布在基板11的第二面上，防止在基板11及填充物30膨胀后，基板11的中间部分与边缘部分不平齐现象，从而减小基板11的翘曲程度。
如图4所示，槽体20具有相对的两个槽壁22，且每个槽壁22与基板11的长边113垂直，使槽体20的长度方向与基板11的长边113垂直，使填充在槽体20内的填充物30沿基板11的宽度方向延伸，从而防止基板11在宽度方向上翘曲程度不一致的情况。应当理解的是，槽体20的两个槽壁22中的每个槽壁22并不限于与长边113垂直的设置方式，还可以采用其他的设置方式。例如可以设置槽体20的每个槽壁22与长边113近似垂直。
继续参考图2，槽体20在长度方向上的轴线与两个短边114的对称线共线。具体的，两个槽壁22中的一个槽壁22距离两个短边114中的一个短边114的垂直距离与另一个槽壁22距离另一个短边114的垂直距离相等，即填充在槽体20内的填充物30位于基板11的两个短边114之间的中间位置。由于基板11在发生翘曲时，翘曲最大的位置会出现在基板11的中间部分，通过将填充物30设置在基板11的第二面112的中间位置，从而减小基板11的翘曲程度。应当理解的是，槽体20的设置位置并不限于上述示出的设置在基板11的中间位置的设置方式，除此之外，还可以采用其他的设置方式。
参考图4，槽体20的宽度(槽体20的两个相对的槽壁22之间的垂直距离)为d3，且槽体20的宽度d3与基板11的长度d2满足：d3≤1/2d2。具体的，可以设置槽体20的宽度d3等于1/2d2、1/3d2、1/4d2等小于等于1/2d2的任意值。由于基板11在发生翘曲时，翘曲最大的位置会出现在基板11的中间部分，即在基板11的长度方向上，越靠近基板11的边缘，基板11的翘曲程度越小，从而防止因填充物30过宽而导致基板11的第二面112的膨胀程度超过第一面111的膨胀程度，从而出现反向翘曲现象。
参考如图2及图3，填充物30的厚度小于等于基板11的厚度的一半，具体的，可以设置填充物30的厚度等于基板11的厚度的一半、填充物30的厚度等于基板11的厚度的三分之一、填充物30的厚度等于基板11的厚度的四分之一等小于等于基板11厚度的一半的任意值。在具体设置时，可设置槽体20的深度(槽体20的槽底23距离基板11的第二面112的垂直距离)小于等于基板11的厚度的一半，从而使填充在槽体20内的填充物30的厚度小于等于基板11的厚度的一半。在设置时，可以设置基板11的厚度为3-8um，具体的，基板11的厚度可以为3um、4um、5um、6um、7um、8um等介于3-8um之间的任意值。
在具体设置填充物30时，填充物30可以为铝片、铜片等金属片。填充物30的形状可以为立方体，例如可以为长方体。在将填充物30设置在槽体20内时，可以将填充物30粘接在槽体20内，还可以通过过盈装配的方式将填充物30挤压到槽体20内。应当理解的是，填充物30的材料并不限于为铝片，只要符合填充物30的热膨胀系数大于基板11的热膨胀系数的设置方式，都在本发明实施例的保护范围之内。
应当注意的是，槽体20的个数并不限于上述示出的一个，槽体20的个数还可以为2个、3个、4个、5个等多个。在槽体20的个数为多个时，多个槽体20沿与基板11的长边113垂直的方向间隔排列。在槽体20的个数为3个或3个以上时，3个或3个以上的槽体20可以均匀的排列在基板11的第二面上；也可以非均匀的排列在基板11的第二面上，例如，3个或3个以上的槽体20在越靠近基板11的中间位置的排列越紧密，越远离基板11的中间位置的槽体20排列的越稀疏。
另外，可以在基板11及填充物30表面镀一层镀镍层，以防止基板11及填充物30的氧化腐蚀，从而保护基板11及填充物30。在具体设置时，镀镍层的厚度可设置为3-10um，具体的，镀镍层的厚度可以为3um、4um、5um、6um、7um、8um、9um、10um等介于3-10um之间的任意值。
通过在基板11第二面112的槽体20内填充热膨胀系数较大的填充物30，在将芯片13设置在基板11上时，使基板11的翘曲程度降低，从而使基板11与散热器40之间能够良好的导热连接，提高散热器40的散热效果。
另外，本发明实施例还提供了一种电子设备，参考图2，该电子设备包括上述任意一种功率模块、以及与基板11的第二面112导热连接的散热器40，以减小基板11的翘曲程度，使基板11与散热器40之间能够良好的导热连接，从而提高散热效果。其中，散热器40为现有技术中常规的用于对芯片13散热的散热器。
在将散热器40固定在基板11上时，参考图2，散热器40通过螺钉紧固的方式固定在基板11的第二面112上。应当理解的是，散热器40固定在基板11上的方式并不限于螺钉紧固的方式，除此之外，还可以采用其他的设置方式。
参考图2，基板11的第二面112与散热器40之间通过导热硅脂41导热连接。具体设置时，首先在基板11的第二面112涂覆一层导热硅脂41，之后将散热器40固定在基板11的第二面112。通过设置的导热硅脂41，以提高基板11与散热器40之间导热连接的稳定性、从而提高散热效果。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种功率模块，其特征在于，包括：
具有相对的第一面及第二面的基板；
设置在所述基板的第一面上的芯片；
其中，所述基板的第二面设置有槽体，所述槽体内填充有填充物；且所述基板的热膨胀系数小于所述填充物的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述基板具有相对的两个长边、以及分别与所述两个长边连接且相对的两个短边。
3.如权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述槽体贯通所述基板上相对的两个长边。
4.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述槽体在长度方向上的轴线与所述两个短边的对称线共线。
5.如权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述槽体的宽度为d3；且所述槽体的宽度d3与所述基板的长度d2满足：d3≤1/2d2；其中，所述基板的长度是指所述长边的长度。
6.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述槽体的个数为多个，且所述多个槽体沿与所述基板的长边垂直的方向间隔排列。
7.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述填充物的厚度小于等于所述基板厚度的一半。
8.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述基板的第一面上焊接有衬底，所述芯片设置在所述衬底上背离所述基板的一面。
9.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述基板为铜基板，所述填充物为铝片。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的功率模块、以及与所述基板的第二面导热连接的散热器。
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