CN114334861A - 一种电子模组和电子模组制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电子件冷却技术领域的一种电子模组和电子模组制备方法，电子模组结构包括电子模块，散热器和连接层，所述连接层连接电子模块和散热器，连接层包括烧结银层一，多孔铜膜以及烧结银层二，多孔铜膜置于所述烧结银层一和烧结银层二之间，所述烧结银层二连接电子模块。本发明使用的多孔铜膜是基于现有多孔铜膜改造而成的多孔铜‑银低温烧结膜，该多孔铜膜的空隙填充有低温烧结银浆。本技术方案以改造后的多孔铜模作为骨架，提升散热器连接界面的力学性能，保证散热效率的同时显著降低封装成本。
Description
技术领域
本发明涉及计算机电子模组冷却技术，尤其涉及含散热器的电子模组和制备方法。
背景技术
SiC功率模块、IGBT器件、分离器件等电子模块需要通过热界面连接材料和散热器连接散热。作为该类器件的主要散热通道，热界面连接材料的导热率和界面热阻将直接影响其散热效率。目前，例如SiC功率模块与散热器的界面连接材料主要采用传统导热硅脂或软钎焊材料。由于SiC功率模块与散热器之间的连接面积非常大，采用导热硅脂或软钎焊材料在高低温冲击老化时其连接界面将发生热界面的快速失效，传统连接材料已不能满足高可靠性的需求。
为了提高SiC功率模组的散热效率，热界面连接材料一般应具备以下材料和工艺特性：(1)高熔点(至少高于400℃)，以降低连接材料在极端环境下的热机械退化，改善功率模块可靠性；(2)良好的导热、导电特性；(3)低的杨氏模量，以缓解功率器件的热应力；(5)环境友好型无铅化焊料。
低温银烧结技术可有效失效SiC功率模组的可靠高效散热。然而，SiC功率模块与散热器的烧结时散热器翘曲严重，为弥补翘曲变形需要较厚的低温烧结浆料(诸如300微米)来补偿。SiC功率模块与散热器的庞大连接面积将显著增加封装成本，另外，随着烧结银层厚度的增加，在服役过程中烧结银连接层易于发生脆性断裂。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供一种新的连接方式和结构，以多孔铜模作为骨架，提升散热器连接界面的力学性能，保证散热效率的同时显著降低封装成本。
为了解决上述技术问题，提供了一种电子模组，包括电子模块，散热器和连接层，所述连接层连接电子模块和散热器，连接层包括烧结银层一，多孔铜膜以及烧结银层二，多孔铜膜置于所述烧结银层一和烧结银层二之间，所述烧结银层二连接电子模块。
可选的，所述多孔铜膜的空隙填充有低温烧结银浆。
可选的，所述多孔铜膜的空隙大小0.5-100微米，多孔铜膜厚度为20-200微米。
可选的，所述电子模块两侧面均通过所述连接层连接有散热器。
可选的，电子模块包括SiC功率模块、IGBT器件、分离器件或单面模块。
本发明基于上述电子模组还公开一种电子模组的制备方法，包括步骤：
在多孔铜膜两面涂抹低温烧结银浆，并通过超声振动使低温烧结银浆均匀填充至所述多孔铜膜的空隙中，得到多孔铜-银低温烧结银膜；
在散热器的一面预制烧结银层，再涂覆低温烧结银浆，将多孔铜-银低温烧结银膜覆盖在低温烧结银浆上，得到散热器组件；
在电子模块表面涂覆低温烧结银浆，将预制有低温烧结银浆的电子模块与散热器组件拼合，在密闭腔体内加压烧结。
可选的，多孔铜-银低温烧结银膜的制备方法包括：
在多孔铜块状铜膜均匀涂覆低温烧结银浆，在频率25-130kHz、功率为100-1000W超声环境中，超声震动5-10分钟后，在保护气氛、50-180℃温度的密闭腔体，预热5-10分钟，冷却获得多孔铜-银低温烧结银膜。
可选的，在散热器一面预制0.1-10微米的烧结银层，在该烧结银层涂覆10-100微米的低温烧结银浆，将预制的多孔铜-银低温烧结银膜贴装在已涂覆低温烧结银浆的散热器一面，在保护气氛、50-180℃温度的密闭腔体，预热5-10分钟，冷却获得散热器组件。
可选的，在电子模块表面涂覆10-100微米的低温烧结银浆；
将预制多孔铜-银低温烧结膜的散热器组件和预制有低温烧结银浆的电子模块拼合，在保护气氛、50-180℃温度的密闭腔体内，预热5-10分钟；
施加5-20MPa辅助烧结压力、烧结温度200-260℃，烧结时间3-10分钟，冷却。
可选的，所述多孔铜膜为无氧化层多孔铜膜，其制备方法为：
将多孔铜膜放置在1-5％的稀盐酸溶液中10-60秒，还原掉初始铜的氧化物，然后用去离子水清洗1-5次，取出氮气环境自然干燥。
本发明的有益效果：
本发明提出了将一种新型材料应用到电子产品冷却技术领域，用于增强其连接性能。
其中，本方案制备的多孔铜-银烧结界面具有与当前烧结银界面相当的导热性能，进一步的该多孔铜-银低温烧结界面的剪切强度可达到80MPa，大于纯低温烧结银浆的连接强度。同时，多孔铜-银低温烧结膜可有效降低大面积单面或双面冷却的电子模组的封装成本，相较于传统封装其厚度大幅度降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是SiC功率模组的单面封装示意图；
图2是SiC功率模组的双面封装示意图；
图3是未改造前的多孔铜膜参考示意图。
其中，1-双面冷却SiC功率模块，2-散热器，2-1-上散热器，2-2-下散热器1，3-烧结银层一，4-多孔铜膜(多孔铜-银低温烧结膜)，5-烧结银层二，6-散热器镀层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
本技术方案所述的电子模块包括SiC功率模块、IGBT器件、分离器件、单面模块等需要与散热器的烧结连接的电子模块。
实施例1
本实施例中以SiC功率模块为例，其他电子模块具有等同参考性。本实施例公开一种双面冷却的SiC功率模组，如图1和图2。结构包括SiC功率模块1、散热器2和连接层，所述连接层连接SiC功率模块和散热器，连接层包括烧结银层一3，多孔铜膜4以及烧结银层二5，多孔铜膜4置于所述烧结银层一3和烧结银层二5之间，所述烧结银层二5连接SiC功率模块。
本实施例中使用的多孔铜膜4是基于现有多孔铜膜改造而成的多孔铜-银低温烧结膜，该多孔铜膜的空隙填充有低温烧结银浆。其中多孔铜膜的空隙大小0.5-100微米，多孔铜膜厚度为20-200微米，结构参考图3。
SiC功率模块其中一面通过连接层连接散热器，即单面冷却。进一步的，SiC功率模块两侧面均通过所述连接层连接有散热器(上散热器2-1，下散热器2-2)，即双面冷却的SiC功率模块。
实施例2：
基于实施例1的结构，实施例2提供一种更详细的双面冷却的SiC功率模组，参考图1和图2描述。
本实施例公开一种双面冷却的SiC功率模组。结构包括SiC功率模块1、散热器2和连接层，所述连接层连接SiC功率模块1和散热器2，连接层包括烧结银层一3，多孔铜膜4以及烧结银层二5，多孔铜膜4置于所述烧结银层一3和烧结银层二5之间，所述烧结银层二5连接SiC功率模块。
该多孔铜膜的空隙填充有低温烧结银浆。其中多孔铜膜的空隙大小0.5-100微米，多孔铜膜厚度为20-200微米，结构参考图3。
烧结银层一厚度为10-100微米，多孔铜膜5厚度为20～200微米，烧结银层二厚度为10-100微米，多孔铜膜置于所述烧结银层一和烧结银层二之间，所述烧结银层二连接SiC功率模块的其中一面，SiC功率模块的另一面结构相同。
基于上述方案，有一种实施方式为多孔铜膜的空隙大小100微米，多孔铜膜厚度为200微米，烧结银层一厚度为100微米，多孔铜膜厚度为200微米，烧结银层二厚度为100微米，多孔铜膜置于所述烧结银层一和烧结银层二之间，所述烧结银层二连接SiC功率模块的其中一面，SiC功率模块的另一面结构相同。
其中，散热器还包括一层散热器镀层6，所述散热器镀层一面连接所述散热器，另一面连接烧结银层一。
以上，特别说明，SiC功率模块指代不含散热器的电子件，SiC功率模组指代连接有散热器的单面冷却或双面冷却的电子件。
实施例3：
一种电子模块散热模组的制备方法，以双面冷却的SiC功率模组为例，包括步骤：
1)在多孔铜膜两面涂抹低温烧结银浆，并通过超声振动使低温烧结银浆均匀填充至所述多孔铜膜的空隙中，得到多孔铜-银低温烧结银膜；
2)在散热器的一面预制烧结银层，再涂覆低温烧结银浆，将多孔铜-银低温烧结银膜覆盖在低温烧结银浆上，得到散热器组件；此处在预制烧结银层和低温烧结银浆烧结冷却后形成实施例1或2所述的烧结银层一3。
3)在电子模块表面涂覆低温烧结银浆，将预制有低温烧结银浆的电子模块与散热器组件拼合，在密闭腔体内加压烧结。
其中，步骤1)多孔铜-银低温烧结银膜的制备方法包括：
在多孔铜块状铜膜均匀涂覆低温烧结银浆，在频率25-130kHz、功率为100-1000W超声环境中，超声震动5-10分钟后，在甲酸保护气氛、50-180℃温度的密闭腔体，预热5-10分钟，冷却获得多孔铜-银低温烧结银膜。
步骤2)散热器组件的制备方法，具体为：
在金属、非金属基或二者异质复合基的上、下散热器的一面预制0.1-10微米的烧结银层，在该烧结银层涂覆10-100微米的低温烧结银浆，将预制的多孔铜-银低温烧结银膜贴装在已涂覆低温烧结银浆的散热器一面，在甲酸保护气氛、50-180℃温度的密闭腔体内，预热5-10分钟，冷却至室温后获得散热器组件。
步骤3)的具体方法包括：
在双面冷却SiC功率模块的陶瓷覆铜基板的两表面涂覆10-100微米的低温烧结银浆，形成预制有低温烧结银浆的双面冷却SiC功率模块；
将预制多孔铜-银低温烧结膜的两散热器组件和预制有低温烧结银浆的双面冷却SiC功率模块拼合，在甲酸保护气氛、50-180℃温度的密闭腔体内，预热5-10分钟；
施加5-20MPa辅助烧结压力、烧结温度200-260℃，烧结时间3-10分钟，冷却至室温，得到双面冷却SiC功率模组。
其中，所述多孔铜膜为无氧化层多孔铜膜，其制备方法为：
将多孔铜膜放置在1-5％的稀盐酸溶液中10-60秒，还原掉初始铜的氧化物，然后用去离子水清洗1-5次，取出氮气环境自然干燥。
实施例4
本实施例是基于实施例3的技术方案上，提供一种更具体的制备方法。
步骤1)，取空隙为100微米、厚度为200微米的多孔铜块状铜膜放置在1％的稀盐酸溶液中60秒，还原掉初始铜的氧化物，然后用去离子水清洗5次，取出氮气环境自然干燥，制备无氧化层的多孔铜块状铜膜；
步骤2)，利用钢网印刷方法，在多孔铜块状铜膜均匀涂覆等厚度的10微米的低温烧结银浆，并将其放置在频率130kHz、功率为100W超声发生器平台，超声震动5分钟，使低温烧结银浆中的银颗粒充分均匀地分散在多孔铜膜空隙中，随后在甲酸保护气氛、50℃温度的密闭腔体，预热5分钟，冷却至室温，获得多孔铜-银低温烧结银膜。
步骤3)，在金属、非金属基或二者异质复合基的上、下散热器的指定表面预制0.1微米的散热器烧结银层，随后在0.1微米的烧结银层上面涂覆100微米的低温烧结银浆，将预制的多孔铜-银低温烧结银膜贴装在已涂覆低温烧结银浆的散热器上，在甲酸保护气氛、180℃温度的密闭腔体，预热10分钟，冷却至室温，获得预制多孔铜-银低温烧结膜的两散热器组件。用于分别安装在SiC功率模块的两面。
步骤4)，在双面冷却SiC功率模块的陶瓷覆铜基板的两表面涂覆100微米的低温烧结银浆4，形成预制有低温烧结银浆的双面冷却SiC功率模块。
步骤5)，将预制多孔铜-银低温烧结膜的两散热器组件和预制有低温烧结银浆的双面冷却SiC功率模块拼合，在甲酸保护气氛、180℃温度的密闭腔体，预热10分钟，随后施加20MPa辅助烧结压力、烧结温度260℃，烧结时间10分钟，冷却至室温，即制得多孔铜-银膜低温烧结的双面冷却SiC功率模组。
以上所述，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，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，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所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电子模组，其特征在于，包括电子模块，散热器和连接层，所述连接层连接电子模块和散热器，连接层包括烧结银层一，多孔铜膜以及烧结银层二，多孔铜膜置于所述烧结银层一和烧结银层二之间，所述烧结银层二连接电子模块。
2.根据权利要求1所述电子模组，其特征在于，所述多孔铜膜的空隙填充有低温烧结银浆。
3.根据权利要求1或2所述电子模组，其特征在于，所述多孔铜膜的空隙大小0.5-100微米，多孔铜膜厚度为20-200微米。
4.根据权利要求1或2所述电子模组，其特征在于，所述电子模块两侧面均通过所述连接层连接有散热器。
5.根据权利要求1所述电子模组，其特征在于，电子模块包括SiC功率模块、IGBT器件、分离器件或单面模块。
6.一种电子模组的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在多孔铜膜两面涂抹低温烧结银浆，并通过超声振动使低温烧结银浆均匀填充至所述多孔铜膜的空隙中，得到多孔铜-银低温烧结银膜；
在散热器的一面预制烧结银层，再涂覆低温烧结银浆，将多孔铜-银低温烧结银膜覆盖在低温烧结银浆上，得到散热器组件；
在电子模块表面涂覆低温烧结银浆，将预制有低温烧结银浆的电子模块与散热器组件拼合，在密闭腔体内加压烧结。
7.根据权利要求6所述的电子模组的制备方法，其特征在于，多孔铜-银低温烧结银膜的制备方法包括：
在多孔铜块状铜膜均匀涂覆低温烧结银浆，在频率25-130kHz、功率为100-1000W超声环境中，超声震动5-10分钟后，在保护气氛、50-180℃温度的密闭腔体，预热5-10分钟，冷却获得多孔铜-银低温烧结银膜。
8.根据权利要求6所述的电子模组的制备方法，其特征在于，
在散热器一面预制0.1-10微米的烧结银层，在烧结银层涂覆10-100微米的低温烧结银浆，将预制的多孔铜-银低温烧结银膜贴装在已涂覆低温烧结银浆的散热器一面，在保护气氛、50-180℃温度的密闭腔体，预热5-10分钟，冷却获得散热器组件。
9.根据权利要求7或8所述的电子模组的制备方法，其特征在于，
在电子模块表面涂覆10-100微米的低温烧结银浆；
将预制多孔铜-银低温烧结膜的散热器组件和预制有低温烧结银浆的电子模块拼合，在保护气氛、50-180℃温度的密闭腔体内，预热5-10分钟；
施加5-20MPa辅助烧结压力、烧结温度200-260℃，烧结时间3-10分钟，冷却。
10.根据权利要求6所述的电子模组的制备方法，其特征在于，所述多孔铜膜为无氧化层多孔铜膜，其制备方法为：
将多孔铜膜放置在1-5％的稀盐酸溶液中10-60秒，还原掉初始铜的氧化物，然后用去离子水清洗1-5次，取出氮气环境自然干燥。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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