CN110707054A - 直接冷却散热基板及其功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无需导热硅脂层与外部散热器接触，实现直接液体冷却的直接冷却散热基板，包括电气回路层、绝缘层和散热层所述散热层包括直接冷却层，所述直接冷却层能够进行风冷或直接接入外部冷却系统，实现直接冷却。本发明还提供了一种由该直接冷却散热基板制备成的功率模块。本发明的直接冷却散热基板及其功率模块，通过在金属层下集成多孔金属泡沫结构，可以接入外部冷却系统，通过外部冷却液体实现直接冷却，减少模块内部材料的热界面数量，降低了模块热阻，提高了功率模块的散热性能和可靠性，实现功率IGBT模块快速高效散热，并达到减小模块重量和体积的目的，具有热阻低、重量轻、可靠性高的优点。

Description

直接冷却散热基板及其功率模块
技术领域
本发明涉及功率模块技术领域，尤其涉及一种可以直接冷却的散热基板及其功率模块。
背景技术
功率半导体模块的散热是设计者和用户最关心的问题之一，高效的散热设计可以使功率器件的升温始终保持在较低的范围，增加器件的可靠性和寿命。随着功率半导体模块的功率密度不断提高，对模块及系统的热管理需求也逐渐增加，尤其对于高功率密度、瞬态功耗较高，以及应用于较高环境温度、较高冷却介质温度的系统，如电动汽车，多电飞机等，有效的散热更显得尤为重要。
传统的功率模块散热结构存在热阻大、效率低、体积重量大的缺点，不能满足目前一些高功率密度系统在热管理、效率、体积重量等方面的需求。
如图1所示，传统功率模块主要通过金属基板将功率器件的热耗散传输到外部金属散热器。为了提高金属基板10与散热器12的接触，增加散热效率，一般要在二者之间涂上一薄层导热硅脂11，在此结构中，施加在金属基板10与散热器12之间的导热硅脂11会大大增加整个系统的热阻，因而不适用于高功率，小尺寸的封装结构。
为了降低系统热阻，有人提出了一种在平面基板底部集成针翅结构的散热基板，可以进行直接液体冷却，使用中无需导热硅脂层，致力于降低系统热阻，提高模块散热效率和可靠性。其中，集成针翅基板是目前电动汽车模块较普遍采用的封装结构，如图2所示。如实用新型专利CN203774285U，公开了一种功率模块封装用的散热基板，在该基板的表面上采用软钎焊接、超声波焊接、整体压入配合、整体铸造或整体锻造中的一种成型方法固定相接有散热针6，带散热针6的基板主要用于风循环冷却，水循环冷，混合液体循环冷却，采用带针散热基板，可以大大改善传统模块散热能力，提高功率模块的使用寿命和可靠性。但是该结构一般采用热导率较高的铜材料，体积和重量较大，不利于对这两方面要求较高的电动汽车和多电飞机等系统。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无需导热硅脂层与外部散热器接触，实现直接冷却的散热基板。
本发明的直接冷却散热基板，包括电气回路层、绝缘层和散热层，所述散热层包括直接冷却层，所述直接冷却层能够进行风冷或直接接入外部冷却系统，实现直接冷却。
在一个实施方式中，所述直接冷却层为多孔金属泡沫结构。
在一个实施方式，所述电气回路层包括上金属层，所述上金属层表面设置有镀层。
优选的，所述镀层为镍或者镍合金材料，通过电镀方式形成在上金属层表面。
更优选的，所述镀层的厚度不大于10μm。
在一个实施方式中，在所述镀层表面设置有用于阻挡回流焊过程中焊料向焊接区域外流动的阻焊层，阻焊层能够阻挡回流焊过程中焊料向焊接区域外的流动，保证焊接完成后衬板在特定位置。
在一个实施方式中，所述散热层还包括下金属层，所述直接冷却层位于所述下金属层下方，所述下金属层与直接冷却层为一体成型。
优选的，在所述多孔金属泡沫结构中，泡沫的直径为0.1-2mm，泡沫与泡沫之间孔的直径为0.1-3mm，所述多孔金属泡沫结构的厚度为5-50mm，多孔金属泡沫结构与下金属层边缘的距离为10-50mm。
优选的，所述多孔金属泡沫结构中的金属泡沫为铜、铜合金、铝或铝合金材料，通过钎焊、超声焊接、铸造或锻造的成型方法集成在下金属层下表面。
在一个实施方式中，所述金属层上还设置有用于辅助固定外壳的外壳固定孔以及辅助功率模块与外部散热器安装的安装孔。
本发明还提供了一种功率模块，由上述直接冷却散热基板制备而成。所述功率模块包括直接冷却散热基板、芯片、键合线、功率端子、塑封外壳，其制造流程为，将芯片采用回流焊或烧结方式焊接到直接冷却基板的阻焊层区域，芯片表面由键合线互连，功率输出部分由功率端子互连，最后安装塑封外壳。
与现有技术相比，本发明的直接冷却散热基板及其功率模块，具有以下优点：
1.本发明的直接冷却散热基板采用集成多孔金属泡沫结构的金属基板，通过优化尺寸设计，提高散热效率。应用中无需导热硅脂层与外部散热器接触，实现直接液体冷却。
2.直接冷却散热基板采用多孔金属泡沫结构进行直接散热，实现了功率模块重量的大幅减小，以及功率系统体积的减小，对电动汽车以及多电飞机等对体积重量要求很高的应用系统具有重要意义。
3.直接冷却散热基板上金属层表面设置有镀层和阻焊层，通过镀镍层和阻焊层，实现功率模块的绝缘衬板与基板的焊接，焊接中不需夹具与工装，保证衬板焊接位置，镀镍层还起到阻止铜或铜合金金属层被腐蚀的作用。
4.本发明的功率模块取消了传统模块封装中所使用的覆铜陶瓷衬板层DBC和金属底板，减少了模块内部热界面层数量，使得芯片与散热器之间的总体热阻减小了一半左右，热阻的降低可以使散热效率更高，芯片结温降低，可以实现功率半导体模块在工作中的瞬态大电流，过载和短路情况下的高效热量传输，提高了功率模块的电学、热学性能和系统的长期可靠性。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是现有技术中传统功率半导体模块与外部散热器连接的剖面结构示意图；
图2是现有技术中集成针翅结构直接冷却功率半导体模块基板结构图；
图3是本发明的一个实施例直接冷却散热基板的正视图；
图4是图3所示的直接冷却散热基板的三维结构图；
图5是本发明另一实施例的直接冷却散热基板的正视图；
图6是本发明的功率模块正视图。
在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
图中，附图标记为：
1、电气回路层；2、绝缘层；3、散热层；4、外壳固定孔；5、安装孔；7、上金属层；8、镀层；9、阻焊层；31、下金属层；32、直接冷却层；10、金属基板；11、导热硅脂；12、散热器；13、功率模块；14、塑料外壳；15、芯片。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
如图3和图4所示，本发明的本发明的直接冷却散热基板，包括电气回路层1、绝缘层2和散热层3，散热层3包括直接冷却层32，直接冷却层32能够进行风冷或直接接入外部冷却系统，实现直接冷却。
在一个实施例中，直接冷却层32为多孔金属泡沫结构。
在一个实施例中，电气回路层包括上金属层7，上金属层7表面设置有镀层8。
优选的，镀层8为镍或者镍合金材料，通过电镀方式形成在上金属层7表面。
更优选的，镀层8的厚度不大于10μm，镀层1的厚度在2-10μm之间，镀层1通过焊料与上金属层7焊接或烧结在一起，并具有抗腐蚀的作用。
在一个实施例中，在镀层8表面设置有用于阻挡回流焊过程中焊料向焊接区域外流动的阻焊层9，阻焊层9能够阻挡回流焊过程中焊料向焊接区域外的流动，保证焊接完成后衬板在特定位置。
在一个实施例中，阻焊层9为氟氯或溴氯有机材料，通过丝网印刷、汽喷、静电喷涂等工艺过程形成在镀层8的表面。
在一个实施例中，散热层3还包括下金属层31，直接冷却层32位于下金属层31下方。在一个优选的实施例中，下金属层31与直接冷却层32为一体成型。
优选的，直接冷却层32为多孔金属泡沫结构，多孔金属泡沫结构中的泡沫直径为0.1-2mm，泡沫之间孔的直径为0.1-3mm，多孔金属泡沫结构的厚度为5-50mm，多孔金属泡沫结构与下金属层边缘的距离为10-50mm。
更优选的，多孔金属泡沫结构，泡沫的直径，泡沫之间孔的直径，结构厚度和面积等尺寸根据功率模块的电热性能及应用需求，并通过热和流体仿真进行优化设计。
更优选的，多孔金属泡沫结构中的金属泡沫为铜、铜合金、铝或铝合金材料，在一个实施例中，多孔金属泡沫结构通过钎焊、超声焊接、铸造或锻造的成型方法集成在下金属层31的下表面。
优选的，金属层的厚度在1-10mm之间，面积在0.5m2以下，金属层的厚度和面积根据模块热管理需求进行设计优化，金属层采用铜、铜合金、铝或铝合金材料。
在一个实施例中，金属层上还设置有用于辅助固定外壳的外壳固定孔4以及辅助功率模块与外部散热器安装的安装孔5，外壳固定孔4和安装孔5的尺寸不小于上金属层7和下金属层31之间的距离。
优选的，外壳固定孔4的尺寸在M3-M6之间，用于辅助将塑料外壳固定在基板之上，安装孔5的尺寸在M3-M8之间，通过螺丝将功率模块与外部散热器连接。
如图5所示，直接冷却散热基板的散热层3可以包括多层，多层散热层层叠设置，直接冷却层32位于相邻的下金属层31之间，多层散热层的设置可以加快散热速度，使散热效率更高。
本发明的直接冷却用散热基板，通过在金属层下集成多孔金属泡沫结构，可以接入外部冷却系统，通过外部冷却液体，实现直接冷却，提高了功率模块的电热性能和可靠性，实现在高功率密度和瞬态过载等情形下对功率IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)模块进行快速高效散热，并达到减小模块重量和体积的目的。
如图6所示，本发明还提供了一种功率模块13，由上述直接冷却散热基板制备而成。功率模块13包括直接冷却基板、芯片15、键合线、功率端子、塑封外壳14等结构。
功率模块13的制造流程为，将芯片15采用回流焊或烧结方式焊接到直接冷却基板的阻焊层9区域，芯片表面由键合线互连，功率输出部分由功率端子互连，最后安装塑封外壳14对芯片15进行保护。
该模块的优点是将标准模块内部的热界面层由传统的7层减少为3层，取消了传统的覆铜陶瓷衬板DBC和金属底板，极大降低了模块内部热阻，提高了功率模块散热能力和长期可靠性。
本发明的功率模块，具有热阻低、重量轻、可靠性高的优点，非常适合于对功率密度、重量体积、散热、可靠性等要求较高的功率电子系统，对电动汽车、多电飞机等对电热机械性能要求很高的功率系统具有很大意义。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种直接冷却散热基板，包括电气回路层、绝缘层和散热层，其特征在于，所述散热层包括直接冷却层，所述直接冷却层能够进行风冷或直接接入外部冷却系统，实现直接冷却。
2.根据权利要求1所述的直接冷却散热基板，其特征在于，所述直接冷却层为多孔金属泡沫结构。
3.根据权利要求2所述的直接冷却散热基板，其特征在于，所述电气回路层包括上金属层，所述上金属层表面设置有镀层。
4.根据权利要求3所述的直接冷却散热基板，其特征在于，所述镀层为镍或者镍合金材料，所述镀层通过电镀方式形成在上金属层表面。
5.根据权利要求4所述的直接冷却散热基板，其特征在于，在所述镀层表面设置有用于阻挡回流焊过程中焊料向焊接区域外流动的阻焊层。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的直接冷却散热基板，其特征在于，所述散热层还包括下金属层，所述直接冷却层位于所述下金属层下方，所述下金属层与直接冷却层为一体成型。
7.根据权利要求6所述的直接冷却散热基板，其特征在于，所述镀层的厚度不大于10μm。
8.根据权利要求2至5任一权利要求所述的直接冷却散热基板，其特征在于，在所述多孔金属泡沫结构中，泡沫的直径为0.1-2mm，泡沫与泡沫之间孔的直径为0.1-3mm，所述多孔金属泡沫结构的厚度为5-50mm，多孔金属泡沫结构与金属层边缘的距离为10-50mm。
9.根据权利要求6所述的直接冷却散热基板，其特征在于，金属层上还设置有用于辅助固定外壳的外壳固定孔以及辅助功率模块与外部散热器安装的安装孔。
10.一种功率模块，其特征在于，包括权利要求1至9任一权利要求所述的直接冷却散热基板。
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