CN115050708A - 一种功率模块热扩散结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率模块热扩散结构，包括散热基板，设置在散热基板上的衬板，所述衬板上设有芯片，所述芯片上通过互连线连接导电层，还包括导热结构，所述导热结构采用金属管或者复合块，所述金属管的一端焊接在芯片表面，另一端焊接在衬板的低温区，所述复合块包括至少三个焊接端，其中一端焊接在所述芯片表面，其他端焊接在所述衬板的低温区，所述复合块的内部设有腔体，所述腔体填埋有高导热材料，本发明能有效降低芯片的温度，将其热量进行扩散，提升芯片运行的可靠性；其导热结构采用金属材质，与电流传导结构进行功能复用，电流传导部分代替键合线，降低了电感。

Description

一种功率模块热扩散结构

技术领域

本发明涉及半导体功率模块技术领域，具体涉及一种功率模块热扩散结构。

背景技术

功率模块要保证稳定可靠性的运行，对于IGBT和SiC Mosfet模块来说，目前厂家承诺的最高工作结温是175℃。而实际应用工况中，为了应对结温波动和保持鲁棒性，一般会要求其结温不超过150℃。

功率器件的可靠性与功率器件的结温息息相关，据数据统计，功率器件结温每降低10℃，其可靠性会增加1倍。在相同功率条件下，功率器件的结温越低，其可靠性越高。同样的在相同的结温要求下，其热管理做的越好，其功率器件的功率可以更大。因此功率器件的热管理是功率模块的关键指标之一。

目前提高功率热管理的方法有几种，一种方法是采用PINFIN散热进行直接冷却单面散热，如文件号CN108987359B提供的一种散热器和散热器组件,此方法易于工程化，散热效率相对于间接散热提升较大，但是面临着散热效率不高的问题。

另一种是采用双面散热结构，此结构能够提高散热效率约30%，其产业化面临的问题是模块制造工艺比较复杂，同时要求模块的平整度要求非常高，另外在应用的过程中，散热器工艺复杂，总之，在没有完全解决上述问题前，双面散热结构没有得到大量应用。

因此现有芯片的热集中现象是很严重的，而芯片周围的区域是温度较低，散热面积没有得到较大的应用。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种可以克服上述缺陷，使功率模块热量得以有效扩散的功率模块热扩散结构，其具体方法是在芯片表面进行焊接导热结构，同时导热结构也能将电流进行传递。

本发明的技术解决方案是：一种功率模块热扩散结构，包括散热基板，设置在散热基板上的衬板，所述衬板上设有芯片，所述芯片上通过互连线连接导电层，还包括导热结构，所述导热结构采用金属管或者复合块，所述金属管的一端焊接在芯片表面，另一端焊接在衬板的低温区，所述复合块包括至少三个焊接端，其中一端焊接在所述芯片表面，其他端焊接在所述衬板的低温区，所述复合块的内部设有腔体，所述腔体填埋有高导热材料。

本发明的进一步改进在于：所述金属管采用热管，管壁厚度大于0.1mm，整体为弧形，两端呈扁平状，且其两端采用锡膏包裹后进行包裹式焊接。

本发明的进一步改进在于：所述复合块采用倒“E”状结构，其中间端焊接或者烧结在芯片表面，另两端焊接或者烧结在所述衬板的低温区。

本发明的进一步改进在于：所述“E”状结构的两个外端面下方设有用于调节高度的连接面。

本发明的进一步改进在于：所述外端面采用锡膏焊接、烧结、超声焊接或者激光焊接的方式连接在所述衬板上，使得形成的焊接面或者烧结面的厚度不小于0.1mm。

本发明的进一步改进在于：所述“E”状结构的复合块其中部设置“V”型的切块，其两端设置三角状的切角。

本发明的进一步改进在于：所述复合块采用金属材料或者复合材料制成，所述复合材料表面电镀有金属电镀层。

本发明的进一步改进在于：所述复合材料采用CuMo或者AlSiC，所述金属电镀层采用Ag或者Au材料，镀层厚度大于1um。

本发明的进一步改进在于：所述高导热材料为热解石墨或者热解石墨片或者退火热溶石墨。

本发明提供的一种功率模块热扩散结构，功率半导体的芯片是热量产生的根源，从芯片到散热器的热传递、热扩散呈现出一个梯形结构，在功率模块其他部分区域，温度是较低的，为了充分利用模块的散热面积，在芯片表面进行焊接导热结构，将热量从功率模块的上表面通过导热结构进行导出到热量相对较低的区域进行散热，热传递采用金属材料，而金属材料具有导电性，因此此结构可以进行功能复用，将金属结构进行传递热量的同时，也可以进行电流的传导。

本发明的有益效果是：1. 本发明能有效降低芯片的温度，将其热量进行扩散，提升芯片运行的可靠性；2. 其导热结构采用金属材质，与电流传导结构进行功能复用，电流传导部分代替键合线，降低了电感。

附图说明

图1是本发明中导热结构为金属管示意图；

图2是本发明中导热结构为“E”状复合块示意图；

图3是本发明中“E”状复合块缺角示意图；

图4是本发明中“E”状复合块截面示意图；

图5是本发明其他复合块结构示意图；

其中： 1-散热基板，2-衬板，3-芯片，4-导电层，5-金属管，6-复合块，7-连接面，8-腔体，9- V”型的切块，10 -三角状的切角。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例1：

如图1，本实施例提供的一种功率模块热扩散结构，包括散热基板1，设置在散热基板1上的衬板2，所述衬板2上设有芯片3，芯片3通过焊接或烧结在衬板2上，然后衬板2进行焊接或烧结到散热基板1上，所述芯片3上通过互连线连接导电层4形成电气互连，芯片产生的热量95%以上从芯片下方传递到散热基板进行散热。为了提高芯片上表面的扩散效率，还设置导热结构，所述导热结构采用金属管5的形式，所述金属管5的一端焊接在芯片3表面，另一端焊接在衬板2的低温区（芯片所在的区域散发热量为高温区，衬板远离芯片的区域即低温区），所述金属管5采用热管，管壁厚度大于0.1mm，整体为弧形，两端呈扁平状，且其两端采用锡膏包裹后进行包裹式焊接。

本实施例提供的一种功率模块热扩散结构，热管为铜管，将热管与芯片上表面进行焊接在一起，其中热管由于是金属材料因此也起到了电流传导的作用。热管的两端便于焊接需要将进行扁平化处理，同时不影响热管的作用。热管端面面积与芯片有源区面积进行匹配，同时为了增加导电流效果，热管管壁的厚度至少在0.1mm以上。为了充分利用热管表面的铜层进行电流传导，热管在封装工艺中，热管两端，需要用锡膏进行包裹式焊接。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同在于导热结构的形式不同。

如图2，所述导热结构采用复合块的形式，所述复合块6采用倒“E”状结构，包括三个焊接端，其中间端焊接或者烧结在芯片表面，另两端焊接或者烧结在所述衬板的低温区。所述“E”状结构的两个外端面下方设有用于调节高度的柔性的连接面7，然后采用锡膏焊接的方式连接在所述衬板上，且形成的焊接面的厚度不小于0.1mm。所述复合块采用复合材料CuMo制成，且其表面电镀有金属电镀层，所述金属电镀层采用Ag，镀层厚度大于1um。

如图3，图4所示，为进一步改善E字结构向两边传热的效率，在所述复合块6的内部设有腔体8，所述腔体8填埋有热解石墨。以匹配芯片热扩散的需要，同时也减去不需要的结构，所述“E”状结构的复合块可在其中部设置“V”型的切块9，其两端设置三角状的切角10。

本实施例提供的一种功率模块热扩散结构，其采用E字形金属块进行热量传递，E字形结构既要导电又能导热，为了匹配芯片与E字形结构间的CTE，降低应力，E字形结构的材料采用金属材料或者复合材料如CuMo、AlSiC等，复合材料相对于金属材料来说，导电性会差点，为了提升导电性，在复合材料表面电镀Ag、Au等，镀层厚度尽量在1um以上，此电镀层同时具有改善焊接性或者可烧结性的作用。由于E字结构关键点是保证E字结构的三个面的有效焊接与烧结，而由于E字结构本身制造公差的原因，同时芯片高度的误差，纯刚性的E字结构很难做到3个端面进行有效的焊接或烧结，为了改善这点，以芯片上的面作为基准，两个外端面增加柔性的连接面，与衬板的焊接可以采用锡膏焊接、烧结、超声焊接或者激光焊接，得到至少0.1mm以上高度差。

实施例3：

本实施例与实施例2的不同仅在于导热结构的形状不同。

如图5所示，其采用复合块的结构，包括“E”状复合块和 “L”状复合块，复合形成整体，以此形成四个焊接面，其中 “E”状复合块的中间端焊接在芯片上，其他端则焊接在衬板的低温区。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和发明书中描述的只是发明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种功率模块热扩散结构，包括散热基板，设置在散热基板上的衬板，所述衬板上设有芯片，所述芯片上通过互连线连接导电层，其特征在于：还包括导热结构，所述导热结构采用金属管或者复合块，所述金属管的一端焊接在芯片表面，另一端焊接在衬板的低温区，所述复合块包括至少三个焊接端，其中一端焊接在所述芯片表面，其他端焊接在所述衬板的低温区，所述复合块的内部设有腔体，所述腔体填埋有高导热材料。

2.根据权利要求1所述的一种功率模块热扩散结构，其特征在于：所述金属管采用热管，管壁厚度大于0.1mm，整体为弧形，两端呈扁平状，且其两端采用锡膏包裹后进行包裹式焊接。

3.根据权利要求1所述的一种功率模块热扩散结构，其特征在于：所述复合块采用倒“E”状结构，其中间端焊接或者烧结在芯片表面，另两端焊接或者烧结在所述衬板的低温区。

4.根据权利要求1所述的一种功率模块热扩散结构，其特征在于：所述“E”状结构的两个外端面下方设有用于调节高度的连接面。

5.根据权利要求4所述的一种功率模块热扩散结构，其特征在于：所述外端面采用锡膏焊接、烧结、超声焊接或者激光焊接的方式连接在所述衬板上，使得形成的焊接面或者烧结面的厚度不小于0.1mm。

6.根据权利要求3所述的一种解决芯片散热问题的功率模块，其特征在于：所述“E”状结构的复合块其中部设置“V”型的切块，其两端设置三角状的切角。

7.根据权利要求1所述的一种功率模块热扩散结构，其特征在于：所述复合块采用金属材料或者复合材料制成，所述复合材料表面电镀有金属电镀层。

8.根据权利要求7所述的一种功率模块热扩散结构，其特征在于：所述复合材料采用CuMo或者AlSiC，所述金属电镀层采用Ag或者Au材料，镀层厚度大于1um。

9.根据权利要求1所述的一种解决芯片散热问题的功率模块，其特征在于：所述高导热材料为热解石墨或者热解石墨片或者退火热溶石墨。

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