CN110620088B - 散热元件及igbt模组 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种散热元件及IGBT模组。该散热元件包括散热底板和覆铜陶瓷基板，散热底板包括铝碳化硅板和散热柱，至少部分第一主表面上覆盖有第一喷铜层，散热柱焊接于第一喷铜层表面，散热柱为含铜散热柱；铝碳化硅板的表面包括位于第一主表面的散热柱焊接区和焊接区以外的非散热柱焊接区，至少非散热柱焊接区上包覆有第一金属镍层，散热柱焊接区上包覆或不包覆有第一金属镍层；覆铜陶瓷基板包括陶瓷绝缘板，陶瓷绝缘板具有相对设置的第一表面和第二表面，陶瓷绝缘板的第一表面和第二表面分别设有厚度不同的第一铜层和第二铜层，第一铜层贴合地焊接于散热底板的第二主表面。该散热元件热导率匹配性好、散热快且封装使用稳定性高。

Description

散热元件及IGBT模组

技术领域

本公开涉及功率模块领域，具体地，涉及一种散热元件及IGBT模组。

背景技术

目前用于大功率IGBT模块封装底板主要为Cu(铜)底板及AlSiC(铝硅碳)底板。相比Cu底板，AlSiC底板的线膨胀系数与陶瓷线路基板及芯片的热匹配更为优异，热应力更小，且AlSiC比强度高，可使模块封装性能更为稳定，提高使用寿命。然而，目前所制备的高导热AlSiC热导率为200W/(m·K)，与铜热导率380W(m·K)相比有一定差距，且AlSiC底板的散热Pin针为Al(铝)材质，导热仅150W/(m·K)更加限制了与冷却液接触散热的效率。同时，现有AlSiC散热底板生产过程中Al Pin针通过模具直接铸造成形，Pin针脱模时模具所受摩擦力大，容易损坏，模具成本较高。

发明内容

本公开的目的是提供一种散热元件，该散热元件导热性好、线膨胀系数与陶瓷线路基板及芯片的匹配性高且散热柱与底板基体间的结合力高。

为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种散热元件，包括散热底板和覆铜陶瓷基板，所述散热底板包括铝碳化硅板和散热柱，至少部分所述第一主表面上覆盖有第一喷铜层，所述散热柱焊接于所述第一喷铜层表面，所述散热柱为含铜散热柱；所述铝碳化硅板的表面包括位于所述第一主表面的散热柱焊接区和所述散热柱焊接区以外的非散热柱焊接区，至少所述非散热柱焊接区上包覆有第一金属镍层，所述散热柱焊接区上包覆或不包覆有所述第一金属镍层；在所述散热柱焊接区上包覆有所述第一金属镍层的情况下，所述第一喷铜层覆盖在所述第一金属镍层上，在所述散热柱焊接区不包覆有所述第一金属镍层的情况下，所述第一喷铜层直接覆盖在所述铝碳化硅板的表面上；所述覆铜陶瓷基板包括陶瓷绝缘板，所述陶瓷绝缘板具有相对设置的第一表面和第二表面，所述陶瓷绝缘板的第一表面和第二表面分别设有厚度不同的第一铜层和第二铜层，所述第一铜层贴合地焊接于所述散热底板的第二主表面。

可选地，所述散热柱为金属铜散热柱或铜合金散热柱。

可选地，所述散热底板包括多个平行间隔设置的所述散热柱。

可选地，所述散热柱的表面包括焊接面和所述焊接面以外的非焊接面，至少所述非焊接面上包覆有第二金属镍层；所述焊接面上包覆或不包覆有所述第二金属镍层，在所述焊接面上包覆有所述第二金属镍层的情况下，所述第一喷铜层与所述散热柱之间还具有所述第二金属镍层，在所述焊接面不包覆有所述第二金属镍层的情况下，所述第一喷铜层直接与所述焊接面焊接连接。

可选地，所述第二金属镍层的厚度为2～20μm。

可选地，所述散热底板还包括第三金属镍层，所述第三金属镍层包裹所述散热底板的所有表面。

可选地，所述第三金属镍层的厚度为2～20μm。

可选地，所述散热底板包括设置于所述散热柱与所述第一主表面之间的焊料层。

可选地，所述焊料层包括铅基焊料层和/或无铅焊料层。

可选地，所述第一铜层和第二铜层的厚度之比为(0.5～0.9)：1，所述第二铜层的厚度为0.1～0.5mm

本公开第二方面提供一种IGBT模组，该IGBT模组包括IGBT电路板和本公开第一方面所述的散热元件

通过上述技术方案，本公开的散热元件中，散热底板包括铝碳化硅板和焊接于所述铝碳化硅板上的含铜散热柱，使其具有与陶瓷线路基板更匹配的线膨胀系数，能够提高模块封装性能稳定性，延长使用寿命；散热底板中具有的高热导率的含铜散热柱进一步提升了散热性能；同时，含铜散热柱与铝碳化硅板之间的焊接处具有喷铜层，提供了一个熔点和热膨胀系数适宜且机械强度高的接合层，能够进一步提高含铜散热柱与铝碳化硅板之间的结合力。

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是本公开的散热元件的一种具体实施方式的结构示意图。

图2是本公开的散热元件的另一种具体实施方式的结构示意图。

附图标记说明

1 铝碳化硅板 2 第一喷铜层

3 焊料层 4 散热柱

51 第一金属镍层 53 第三金属镍层

6 DBC焊料层 7 覆铜陶瓷基板

71 第二铜层 72 第一铜层

73 陶瓷绝缘板

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。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指装置在正常使用状态下的上和下。“内、外”是针对装置本身的轮廓而言的。

如图1和图2所示，本公开第一方面提供一种散热元件，包括散热底板和覆铜陶瓷基板7，散热底板包括铝碳化硅板1和散热柱4，至少部分第一主表面上覆盖有第一喷铜层2，散热柱4焊接于第一喷铜层2表面，散热柱4为含铜散热柱；铝碳化硅板1的表面包括位于第一主表面的散热柱焊接区和焊接区以外的非散热柱焊接区，至少非散热柱焊接区上包覆有第一金属镍层51，散热柱焊接区上包覆或不包覆有第一金属镍层51；在散热柱焊接区上包覆有第一金属镍层51的情况下，如图1所示，第一喷铜层2覆盖在第一金属镍层51上；在散热柱焊接区不包覆有第一金属镍层51的情况下，如图2所示，第一喷铜层2直接覆盖在铝碳化硅板1的表面上；覆铜陶瓷基板7包括陶瓷绝缘板73，陶瓷绝缘板73具有相对设置的第一表面和第二表面，陶瓷绝缘板73的第一表面和第二表面分别设有厚度不同的第一铜层72和第二铜层71，第一铜层72贴合地焊接于散热底板的第二主表面。

本公开的散热元件中，散热底板包括铝碳化硅板和焊接于所述铝碳化硅板上的含铜散热柱，使其具有与陶瓷线路基板更匹配的线膨胀系数，能够提高模块封装性能稳定性，延长使用寿命；散热底板中具有的高热导率的含铜散热柱进一步提升了散热性能；同时，含铜散热柱与铝碳化硅板之间的焊接处具有喷铜层，提供了一个熔点和热膨胀系数适宜且机械强度高的接合层，能够进一步提高含铜散热柱与铝碳化硅板之间的结合力。

根据本公开，含铜散热柱的含义为本领域技术人员所熟知的，即散热柱的材料中含有金属铜，散热柱中还可以还有无机非金属材料和/或金属材料，例如可以含有金属锌、锰、铝、锡、铅、硅和银中的一种或几种，进一步地，为了提高散热柱的散热效果，散热柱可以为金属铜散热柱或铜合金散热柱，例如为黄铜散热柱、紫铜散热柱、青铜散热柱和白铜散热柱中的至少一种。散热柱中铜的含量可以在较大范围内变化，例如金属铜的重量含量可以为60～100％，优选为90～100％。

根据本公开，散热柱的形状没有特别要求，例如可以为一端焊接于铝碳化硅板、另一端为自由端的柱状体，在本公开的一种具体实施方式中，散热柱可以形成为圆柱体或圆台体，散热柱的轴向可以与铝碳化硅板的第一主表面垂直，以便于焊接操作和提高散热效果，圆柱体或圆台体的其中一个底面可以与铝碳化硅板焊接连接，与之相对的另一端可以为自由端，其中在圆台体散热柱的实施方式中，圆台体散热柱的大端可以与铝碳化硅板焊接连接，小端可以为自由端，以便于拔模并进一步提高散热效果。进一步地，散热柱的直径可以为1～6mm，优选为2.5～4.5mm；轴向高度可以为3～10mm，优选为5～8mm；散热柱的拔模角可以为0°～5°，优选为0°～2°。在本公开的其他实施方式中，散热柱可以为棱柱体如三棱柱、四棱柱和五棱柱中的至少一种。

根据本公开，散热底板中散热柱的个数不限，可以为一个或多个，进一步地，为了提高散热效果，散热底板可以包括多个散热柱，多个散热柱可以平行间隔地焊接于铝碳化硅板上。散热柱的个数和分布形式没有特别限制，可以根据散热面积和产品重量要求进行选择，例如，散热柱的个数可以为150～1500个，优选为300～1100个；多个散热柱中，相邻两个散热柱的距离可以为2.5～15mm，优选为3.5～10mm，其中相邻两个散热柱的距离是指柱心间距，即相邻两个散热柱底面中心的间距。多个散热柱的形状可以相同或不同，优选相同以便制备。

据本公开，铝碳化硅板(AlSiC板)可以本领域技术人员所熟知的，即铝与碳化硅复合形成的复合材料。

根据本公开，第一喷铜层能够分别有效地提高与铝碳化硅板和散热柱的结合强度，其中第一喷铜层的厚度可以在较大范围内变化，例如第一喷铜层的厚度可以为10～300μm，优选为20～250μm，进一步优选为30～150μm。在上述优选的范围内，第一喷铜层的机械强度更适宜，并且对铝碳化硅板及散热柱的结合力更强。

根据本公开，为了提高散热柱与铝碳化硅板之间的焊接强度，在本公开的一种具体实施方式中，散热底板可以包括设置于散热柱与第一主表面之间的焊料层。焊料层的厚度可以在较大范围内变化，例如为20～150μm。焊料层可以含有焊料，焊料种类可以为本领域常规的，优选地，焊料可以包括铅基焊料和/或无铅焊料，优选为无铅焊料以利于环保；铅基焊料可以包括PbSn和/或PbSnAg，无铅焊料可以包括SnAg、SnSb、SnAgCu、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Bi-Cu、Sn-Ag-Bi-Cu-Ge和Sn-Cu-Ni中的至少一种。

根据本公开，第一金属镍层能够保护铝碳化硅板、防止腐蚀。在本公开中，第一金属镍层可以包覆铝碳化硅板的全部表面，即第一金属镍层覆盖散热柱焊接区、覆铜陶瓷基板焊接区和非焊接区；或者第一金属镍层覆盖覆铜陶瓷基板焊接区和非焊接区；或者第一金属镍层覆盖散热柱焊接区和非焊接区；或者第一金属镍层仅覆盖非焊接区。其中当散热柱焊接区未覆盖有第一金属镍层时，第一喷铜层直接覆盖散热柱焊接区，当散热柱焊接区覆盖有第一金属镍层时，第一喷铜层与散热柱焊接区之间有第一金属镍层；

当覆铜陶瓷基板焊接区未覆盖有第一金属镍层时，覆铜陶瓷基板直接与覆铜陶瓷基板焊接区接触焊接，当覆铜陶瓷基板焊接区覆盖有第一金属镍层时，覆铜陶瓷基板与覆铜陶瓷基板焊接区之间有第一金属镍层。

其中，第一金属镍层内分布有数量和孔径适宜的微孔，在第一喷铜层覆盖在第一金属镍层上的实施方式中，第一喷铜层中的铜可以进入第一金属镍层表面的微孔中，从而进一步提高了第一喷铜层与铝碳化硅板的结合力以及对散热铜柱的可焊性。

进一步地，第一金属镍层的厚度可以为4～20μm，优选为5～12μm。具有上述优选的厚度范围的保护层既能够对铝碳化硅板有效保护防腐，又具有适宜的机械性能和焊接性能。

进一步地，为了保护散热柱、防止腐蚀，在本公开的一种具体实施方式中，散热柱的表面可以包括焊接面和焊接面以外的非焊接面，至少非焊接面上可以包覆有第二金属镍层；焊接面上可以包覆或不包覆有第二金属镍层，在焊接面上包覆有第二金属镍层的情况下，第一喷铜层与散热柱之间还可以具有第二金属镍层，在焊接面不包覆有第二金属镍层的情况下，第一喷铜层可以直接与焊接面焊接连接。换言之，第二金属镍层可以包裹散热柱的所有表面，此时散热柱与第一喷铜层之间具有第二金属镍层；另一种情况下，散热柱的表面除焊接面以外的非焊接面覆盖有第二金属镍层，散热柱的焊接面裸露，焊接后该裸露的焊接面直接与第一喷铜层焊接，在本公开的散热底板具有焊料层的实施方式中，该裸露的焊接面可以直接与焊料接触并焊接，由于含铜材料与焊料的润湿性更好，焊接结合更好，能够进一步提高散热柱与铝碳化硅板的结合力。其中，散热柱的焊接面是指散热柱与铝碳化硅板焊接时焊接接触的表面。

其中，第二金属镍层的厚度可以为2～20μm，优选为5～12μm。具有上述优选的厚度范围的第二金属镍层既能够对散热柱有效保护防腐，又具有适宜的机械性能和焊接性能。

在本公开的另一种具体实施方式中，散热底板还可以包括第三金属镍层，第三金属镍层可以包裹散热底板的部分或所有表面，优选地，第三金属镍层包裹散热底板的未被第一金属镍层覆盖的表面，以使散热底板的所有表面被第一金属镍层和/或第三金属镍层包裹；进一步优选地，第三金属镍层可以包裹散热底板的所有表面。此时散热柱可以覆盖或不覆盖有第二金属镍层，优选散热柱不覆盖有第二金属镍层，这种实施方式中，铝碳化硅板焊接散热柱之后的整个散热底板包覆有第三金属镍层，更便于镀镍操作。

其中，第三金属镍层的厚度可以为2～20μm，优选为5～12μm。具有上述优选的厚度范围的第三金属镍层既能够对整个散热底板有效保护防腐，又不影响散热底板的整体性能。

根据本公开，覆铜陶瓷基板的含义为本领域技术人员所熟知的，即使用DBC(Direct Bond Copper)技术将铜箔直接烧结在陶瓷表面而制成的一种电子基础材料。

根据本公开，第一铜层和第二铜层的厚度可以在较大范围内变化，优选地，第一铜层和第二铜层的厚度之比为(0.5～0.9)：1，第二铜层的厚度可以为0.1～0.5mm。

根据本公开，陶瓷绝缘板可以为本领域常规种类，优选为氧化铝板、氮化铝板和氮化硅板中的至少一种。

根据本公开，覆铜陶瓷基板可以通过本领域常规方法与散热底板焊接，例如可以通过焊料焊接，即覆铜陶瓷基板7与散热底板间可以具有如图1所示的DBC焊料层6。

为了进一步提高覆铜陶瓷基板与散热底板的焊接强度，在本公开的一种具体实施方式中，覆铜陶瓷基板焊接区可以覆盖有第二喷铜层，覆铜陶瓷基板可以焊接于该第二喷铜层的表面。在这种实施方式中，覆铜陶瓷基板焊接区上可以包覆或不包覆有第一金属镍层。在覆铜陶瓷基板焊接区上包覆有第一金属镍层的情况下，第二喷铜层可以覆盖在覆铜陶瓷基板焊接区的第一金属镍层上，在覆铜陶瓷基板焊接区不包覆有第一金属镍层的情况下，第二喷铜层可以直接覆盖在覆铜陶瓷基板焊接区的表面上。

其中，第二喷铜层的厚度可以在较大范围内变化，例如第二喷铜层的厚度可以为10～300μm，优选为20～250μm，进一步优选为30～150μm。在上述优选的范围内，第二喷铜层的机械强度更适宜，并且对覆铜陶瓷基板及铝碳化硅板的结合力更强。

本公开的散热元件可以通过如下方法制备，该方法包括如下步骤：S1，在铝碳化硅板的表面进行第一镀镍以得到包裹有第一金属镍层的铝碳化硅板；S2，在包裹有第一金属镍层的铝碳化硅板的第一主表面进行喷铜以形成第一喷铜层；S3，将散热柱焊接于第一喷铜层表面；S4，将覆铜陶瓷基板焊接于包裹有第一金属镍层的铝碳化硅板的第二主表面。

根据本公开，进行焊接的方法可以为本领域常规的，例如可以通过焊料将散热柱焊接至铝碳化硅板的第一主表面。具体地，在本公开的一种实施方式中，焊接的方法可以包括：将散热柱装入导向板并使其焊接面朝上，然后依次装叠焊料、铝碳化硅板(第一主表面朝向焊料)，最后盖上压块送入焊接炉内升温进行焊接。进行焊接的条件也可以为本领域常规的，例如可以包括预热温度为150～270℃，焊接温度为270～450℃，可以在还原气氛或惰性气氛下进行焊接。焊料的用量可以为使得焊料层的厚度为20～150μm。焊料种类可以为本领域常规的，优选地，焊料可以包括铅基焊料和/或无铅焊料，优选为无铅焊料以利于环保；铅基焊料可以包括PbSn和/或PbSnAg，无铅焊料可以包括SnAg、SnSb、SnAgCu、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Bi-Cu、Sn-Ag-Bi-Cu-Ge和Sn-Cu-Ni中的至少一种。

根据本公开，进一步地，在进步骤2之前还可以在包裹有第一金属镍层的铝碳化硅板的至少部分第一主表面上进行或不进行喷砂预处理，即在进行喷铜前，该方法还可以可选地包括对铝碳化硅板表面包裹的第一金属镍层的位于第一主表面的至少部分区域进行喷砂预处理，在进行喷砂预处理的实施方式中，可以除去至少部分位于第一主表面的第一金属镍层，从而在至少部分第一主表面上得到裸露的铝碳化硅板表面，可以在该裸露的铝碳化硅板表面直接进行喷铜并形成第一喷铜层。其中，进行喷砂预处理的含义可以为本领域技术人员所熟知的，即利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程。

其中，进行第一镀镍的方法和操作条件可以分别为本领域技术人员所熟知的，例如进行镀镍的方法可以为电镀或化学镀，进行第一镀镍时金属镍的用量可以为使得第一金属镍层的厚度为4～20μm，优选为5～12μm。

根据本公开，为了提高焊接效果，散热柱在焊接前可以先经过表面清洗处理，表面清洗处理的方法可以包括本领域常规的，例如超声清洗法，具体地，可以包括采用洗油粉溶液超声清洗后再清水超声清洗、烘干的步骤。

在本公开的一种具体实施方式中，为了保护散热柱、防止腐蚀，该方法可以包括：在步骤S2之前，在散热柱的表面进行第二镀镍以形成第二金属镍层，第二金属镍层可以全部或部分包裹热柱。

其中，为了进一步提高散热柱与铝碳化硅板的焊接强度，在本公开优选的一种具体实施方式中，该方法还可以包括：在步骤S2之前，去除第二金属镍层位于散热柱的焊接面表面的部分，以使散热柱的焊接面裸露，该裸露的焊接面直接与第一主表面焊接，由于含铜材料与焊料的润湿性更好，焊接结合更强，因此能够进一步提高散热柱与铝碳化硅板的焊接结合力。去除第二金属镍层的方法可以为本领域技术人员所熟知的，例如打磨或切削。

例如，在本公开优选的一种实施方式中，可以先将铝碳化硅板进行第一镀镍，得到覆有第一金属镍层的铝碳化硅板，在该覆有第一金属镍层的铝碳化硅板的第一主表面喷铜形成第一喷铜层；在散热柱表面进行第二镀镍以形成第二金属镍层，然后去除散热柱的焊接面表面覆盖的第二金属镍层以露出焊接面，然后将该裸露的焊接面焊接于第一喷铜层，得到散热底板。其中，在喷铜前也可以先通过喷砂除去第一主表面的部分第一金属镍层，然后在裸露的铝碳化硅板表面进行喷铜。

其中，形成第二金属镍层的方法可以为本领域常规的，例如包括电镀或化学镀，进行第二镀镍时金属镍的用量可以为使得第二金属镍层的厚度为2～20μm，优选为5～12μm。

在本公开的另一种具体实施方式中，为了进一步保护整体散热底板、防止腐蚀，该方法可包括：在步骤S4之后，将散热底板进行第三镀镍以形成第三金属镍层。例如，在一种优选的实施方式中，可以先将铝碳化硅板进行第一镀镍，得到覆有第一金属镍层的铝碳化硅板，在该覆有第一金属镍层的铝碳化硅板的第一主表面喷铜形成第一喷铜层；然后将含铜散热柱焊接于该第一喷铜层表面，得到散热底板，最后将该散热底板整体进行第三镀镍，得到表面具有第三金属镍层的散热底板。其中，在覆有保护层的铝碳化硅板表面喷铜形成第一喷铜层之前也可以先通过喷砂除去第一主表面的部分第一金属镍层。

根据本公开，铝碳化硅板可以本领域技术人员所熟知的，即铝与碳化硅复合形成的复合材料，具有密度低、导热率高和热膨胀系数可调的性质。本公开的铝碳化硅板可以商购或自制。在本公开的一种具体实施方式中，该方法还可以包括通过气压渗铝的方法制备铝碳化硅板的步骤，具体步骤例如包括，将碳化硅基体置于模具中预热500～700℃，然后在模具中浇入熔融铝液，经抽真空去除气体、氮气加压至4～10MPa使铝液均匀填充模具，冷却后脱模得到铝碳化硅板。

根据本公开，覆铜陶瓷基板与散热底板的焊接方法可以为本领域常规的，例如可以通过焊料焊接。进一步地，为了提高覆铜陶瓷基板与散热底板的焊接强度，在焊接覆铜陶瓷基板之前，还可以在第二主表面进行第二喷铜以形成第二喷铜层，然后将覆铜陶瓷基板焊接于第二喷铜层表面。其中，在覆有保护层的铝碳化硅板表面喷铜形成第二喷铜层之前也可以先通过喷砂除去第二主表面的部分第一金属镍层。进行第二喷铜的方法和操作条件可以与第一喷铜层相同或不同，优选相同。

以下通过实施例进一步描述本公开，但本公开并不因此而受到特别限制。在本公开的下述实施例中，膜层厚度采用膜厚仪(德国Fischer MPOR)进行测试，厚度测试结果为在膜层中取4个测试位置的厚度值的平均值。

实施例1

本实施例用于说明本公开的散热元件及其制备方法，散热元件结构如图1所示，其制备方法包括如下步骤：

1、气压铸渗成形AlSiC板：采用气压浸渗仓体设备，将SiC基体装模预热至500～700℃，依次经浇铝、抽真空(去除气体，防止产品产生气孔)、充入氮气加压(4～10MPa，促进铝液均匀填充模具)和冷却后得到AlSiC板；

2、将AlSiC板表面镀镍，镍层厚度12μm；

3、在表面镀镍的AlSiC板的第一主表面焊散热柱区域进行冷喷涂铜形成第一喷铜层，厚度100μm；

4、散热柱表面清洗：采用金属铜散热柱，经洗油粉溶液超声清洗，再清水超声清洗，烘干；金属铜散热柱形状为圆柱体，直径4.18mm，高度8mm；相邻两个散热柱的距离为5.8mm；

5、焊接：将装入铜散热柱的导向板、焊料、AlSiC板(第一主表面朝向焊料)依次装叠，最后盖上压块，放入惰性气氛下的焊接炉，预热至150～270℃，在270～450℃下焊接，得到本实施例的散热底板(368柱)。

6、将覆铜陶瓷基板(Al₂O₃DBC)的第一铜层焊接于散热底板的第二主表面，得到本实施例的散热元件，第二铜层(陶瓷上表面铜层)厚度为0.3mm，第一铜层(陶瓷下表面铜层)厚度为0.4mm。

实施例2～5

采用实施例1的方法和材料，所不同的是，Al₂O₃DBC两面铜层的厚度与实施例1不同，具体见表2。

实施例6

采用实施例1的方法和材料，所不同的是，在步骤1之后，将AlSiC板表面镀镍，镍层厚度12μm，然后经喷砂预处理方法将位于第一主表面的镀镍层去除，露出AlSiC板表面，在该裸露的AlSiC板表面上进行喷铜，得到第一喷铜层，厚度为100μm，散热元件的结构如图2所示。

实施例7

采用实施例2的方法和材料，所不同的是，在步骤3之后，将散热柱表面镀镍，镍层厚度8μm，表面镀镍的散热柱用于步骤4和步骤5的焊接，得到本实施例的散热底板和散热元件。

实施例8

采用实施例4的方法和材料，所不同的是，在步骤3之后，将散热柱表面镀镍，镍层厚度8μm，然后经磨削除去散热柱焊接面覆盖的镍层，将该焊接面裸露非焊接面镀镍的散热柱用于步骤4和步骤5的焊接，得到本实施例的散热底板和散热元件。

实施例9

采用实施例2的方法和材料，所不同的是，在步骤4之后，将焊有散热柱的散热底板进行整体镀镍，镍层厚度12μm，得到本实施例的整体镀镍后的散热底板，将该散热底板用于步骤5的焊接，得到本实施例的散热元件。

对比例1

采用实施例1的方法和材料，所不同的是，散热柱换为Al散热柱。

对比例2

采用实施例1的方法和材料，所不同的是，不包括步骤2的第一喷铜处理。

对比例3

采用实施例1的方法和材料，所不同的是，不包括步骤2的镀镍处理。

测试实施例1

封装散热性能测试：

分别将实施例1、实施例6～9和对比例1～3的散热元件制成封装IGBT模组，在TiX500Fluke红外热像仪/无功台架上测试其封装散热性能。温升测试条件：VDC母线电压750V；载波频率8kHz；输出频率100Hz；冷却液流量8L/min；冷却液温度55℃。

散热柱焊接结合力测试：采用微焊点强度测试仪分别测试实施例1、实施例6～9和对比例1～3的30根散热柱与铝碳化硅板的结合力。

测试结果列于表1。

表1

表1数据结果表明与对比例3的Al散热柱+AlSiC板+Si₃N₄AMB相比，实施例1的Cu散热柱+AlSiC板+Al₂O₃DBC封装在散热效率在150A以下时可以相当；

与Al散热柱+AlSiC板+AlN DBC相比，Cu散热柱+AlSiC板+Al₂O₃DBC封装在散热效率上有一定优势，200A时后者封装芯片温度可低2℃，即采用本公开的AlSiC-Cu散热板可以将价格较高的AlN DBC切换为价格较低的Al₂O₃DBC，从而降低封装成本；

与对比例2的AlSiC板表面镀镍后直接焊接Cu散热柱相比，实施例1的AlSiC板表面焊接散热柱的区域冷喷覆铜后再焊接Cu散热柱，散热柱与底板的结合力明显提高。

测试实施例2

将实施例1～5的散热元件制成封装IGBT模组，分别进行仿真分析，仿真过程为：建立模型-划分网格-参数设置-运行计算-结果报告；

该模拟所用参数为：环境温度为85℃，此次分析不考虑模块与外界85℃空气之间的自然对流。流体为水，流体初始温度65℃，进口流速0.735m/s。功率加载在芯片的上表面，系统总的损耗为2kW，两种芯片损耗分配比例IGBT:FRD＝3:1，计算芯片结温，测试结果列于表2。

表2

由表2数据可知，覆铜陶瓷基板(Al₂O₃DBC)上表面铜层厚度0.3mm，下表面铜层厚度0.25mm时效果较好，覆铜陶瓷基板的铜层薄更有利于结温降低，优选的第一铜层和第二铜层的厚度之比为(0.5～0.9)：1更有利于结温降低。

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 (11)

1.一种散热元件，包括散热底板和覆铜陶瓷基板，其特征在于，所述散热底板包括铝碳化硅板和散热柱，至少部分第一主表面上覆盖有第一喷铜层，所述散热柱焊接于所述第一喷铜层表面，所述散热柱为含铜散热柱；

所述铝碳化硅板的表面包括位于所述第一主表面的散热柱焊接区和所述散热柱焊接区以外的非散热柱焊接区，至少所述非散热柱焊接区上包覆有第一金属镍层，所述散热柱焊接区上包覆或不包覆有所述第一金属镍层；在所述散热柱焊接区上包覆有所述第一金属镍层的情况下，所述第一喷铜层覆盖在所述第一金属镍层上，在所述散热柱焊接区不包覆有所述第一金属镍层的情况下，所述第一喷铜层直接覆盖在所述铝碳化硅板的表面上；

所述覆铜陶瓷基板包括陶瓷绝缘板，所述陶瓷绝缘板具有相对设置的第一表面和第二表面，所述陶瓷绝缘板的第一表面和第二表面分别设有厚度不同的第一铜层和第二铜层，所述第一铜层贴合地焊接于所述散热底板的第二主表面。

2.根据权利要求1所述的散热元件，其中，所述散热柱为金属铜散热柱或铜合金散热柱。

3.根据权利要求1所述的散热元件，其中，所述散热底板包括多个平行间隔设置的所述散热柱。

4.根据权利要求1所述的散热元件，其中，所述散热柱的表面包括焊接面和所述焊接面以外的非焊接面，至少所述非焊接面上包覆有第二金属镍层；所述焊接面上包覆或不包覆有所述第二金属镍层，在所述焊接面上包覆有所述第二金属镍层的情况下，所述第一喷铜层与所述散热柱之间还具有所述第二金属镍层，在所述焊接面不包覆有所述第二金属镍层的情况下，所述第一喷铜层直接与所述焊接面焊接连接。

5.根据权利要求4所述的散热元件，其中，所述第二金属镍层的厚度为2~20μm。

6.根据权利要求1所述的散热元件，其中，所述散热底板还包括第三金属镍层，所述第三金属镍层包裹所述散热底板的所有表面。

7.根据权利要求6所述的散热元件，其中，所述第三金属镍层的厚度为2~20μm。

8.根据权利要求1所述的散热元件，其中，所述散热底板包括设置于所述散热柱与所述第一主表面之间的焊料层。

9.根据权利要求8所述的散热元件，其中，所述焊料层包括铅基焊料层和/或无铅焊料层。

10.根据权利要求1所述的散热元件，其中，所述第一铜层和第二铜层的厚度之比为（0.5~0.9）：1，所述第二铜层的厚度为0.1~0.5mm。

11.一种IGBT模组，其特征在于，该IGBT模组包括IGBT电路板和权利要求1~10中任意一项所述的散热元件。

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