CN116864465A - 散热器及功率器件 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及一种散热器及功率器件，其中，散热器包括：主体结构，主体结构包括散热面和焊接面，焊接面上具有用于焊接功率模块的焊接区域；散热结构，位于散热面上；围墙结构，位于焊接面上且环绕焊接区域，围墙结构与焊接区域共同围成焊料容纳空间。如此，通过设置围墙结构，降低了焊料受交变应力造成疲劳开裂的风险，边缘焊料无开裂条件，增加了功率器件的可靠性。

Description

散热器及功率器件

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种散热器及功率器件。

背景技术

一般来说，为了使功率模块工作时所产生的热量高效地传导出去，需要将功率模块经由焊料接合到散热器上。

然而，随着应用端需求的不断升级，一些高功率密度、大封装尺寸的功率模块的实际应用逐渐增加。在这种情况下，不仅散热问题依然严峻，而且还有一些新的问题突显出来。尤其是功率模块内部产热形成较大的热应力，使得焊料需要承受长时间的、快速的高低温循环；同时功率模块的封装尺寸大，在热应力的影响下形变量大，导致焊料受到的载荷作用很大。高温时，功率模块呈现中心向下、边缘向上的翘曲，对焊料造成排挤；低温时，功率模块呈现中心向上、边缘向下的翘曲，向上回吸焊料，在这种交变应力的作用下，即使焊料受到的载荷作用没有超过材料的强度极限，也会使得焊料结构被破坏，造成边缘焊料最先发生疲软后脆性断裂。随着功率模块使用时间的增长，裂纹不断延伸，造成散热效果降低，严重时会导致功率模块失效。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种散热器及功率器件。

第一方面，本申请实施例提供了一种散热器，包括：

主体结构，所述主体结构包括散热面和焊接面，所述焊接面上具有用于焊接功率模块的焊接区域；

散热结构，位于所述散热面；

围墙结构，位于所述焊接面且环绕所述焊接区域，所述围墙结构与所述焊接区域共同围成焊料容纳空间。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述围墙结构上设置有排气通道，所述围墙结构包括朝向所述焊料容纳空间的内壁和远离所述焊料容纳空间的外壁，所述排气通道连通所述围墙结构的所述内壁和所述外壁。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述排气通道包括位于所述内壁一侧的内开口和位于所述外壁一侧的外开口；所述内开口的面积大于所述外开口的面积。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，从所述内开口至所述外开口的方向，所述排气通道的下边缘向上倾斜，其中，所述下边缘指所述排气通道的靠近所述主体结构一侧的边缘，所述向上倾斜指向远离所述主体结构的方向倾斜。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述焊接区域的数量为多个，多个所述焊接区域沿第一方向排布，各所述焊接区域在第一方向上的长度小于在第二方向上的长度，其中，所述第二方向为焊接区域所在平面上垂直于第一方向的方向；

所述围墙结构包括沿所述第二方向延伸的侧边，所述排气通道位于所述侧边上。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述排气通道包括贯穿所述围墙结构的通孔；和/或，

所述围墙结构的上端面具有凹部和凸部，所述排气通道包括由所述凹部形成的通道，其中，所述上端面为所述围墙结构的远离所述主体结构一侧的端面。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，还包括：

支撑结构，位于所述焊接面上且位于所述焊料容纳空间内。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述支撑结构的数量为多个，多个所述支撑结构的高度相同。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述焊接面上还具有位于所述围墙结构外部的非焊接区域；

所述焊接区域所处的表面高于所述非焊接区域所处的表面。

结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述围墙结构与所述主体结构一体成型。

第二方面，本申请实施例提供了一种功率器件，包括：

如第一方面中任意一项所述的散热器；

功率模块，焊接在所述散热器的所述焊接区域上；

焊料，填充在所述功率模块与所述散热器之间。

本申请实施例所提供的散热器及功率器件，包括：主体结构，主体结构包括散热面和焊接面，焊接面上具有用于焊接功率模块的焊接区域；散热结构，位于散热面上；围墙结构，位于焊接面上且环绕焊接区域，围墙结构与焊接区域共同围成焊料容纳空间。如此，通过设置围墙结构，降低了焊料受交变应力造成疲劳开裂的风险，边缘焊料无开裂条件，增加了功率器件的可靠性。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为一对比例中功率器件的剖面结构示意图；

图2为本申请实施例一中散热器的俯视示意图；

图3为图2所示散热器沿AA向的剖面结构示意图；

图4为图2所示散热器沿BB向的剖面结构示意图；

图5为在散热器上焊接功率模块后得到的功率器件的剖面结构示意图，且与图3的剖向相对应；

图6为在散热器上焊接功率模块后得到的功率器件的剖面结构示意图，且与图4的剖向相对应；

图7为本申请实施例二中功率器件(包含散热器)的剖面结构示意图，且与图5的剖向相对应；

图8和图9为本申请实施例三中功率器件(包含散热器)的剖面结构示意图，且图8与图5的剖向相对应，图9与图6的剖向相对应；

图10为本申请实施例四中功率器件(包含散热器)的剖面结构示意图，且与图6的剖向相对应；

图11为本申请实施例五中散热器的俯视示意图；

图12为图11所示散热器沿AA向的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本申请的技术方案。本申请的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。

图1为一对比例中功率器件的剖面结构示意图。如图所示，功率器件800包括散热器100、功率模块300以及用于将功率模块300连接在散热器100上的焊料200。功率模块300工作时产生的热量可以通过散热器100散出，但同时，热量也会作用在焊料200上。对于高功率密度、大封装尺寸的功率模块300而言，焊料200需要承受较大的且交变的应力作用，结构极易被破坏，造成边缘部分最先发生疲软后脆性断裂。此外，如图1所示，散热器100的焊接面111平整，在焊接完成后焊料200受重力影响在边缘位置会自然形成与焊接面111呈近45°角的斜坡；相应地，与功率模块300的下表面呈近135°角。这进一步造成边缘部分结构不稳定，容易发生断裂。

基于此，本申请实施例提供了一种散热器100。请参考图2至图4；其中，图2为本申请实施例一中散热器的俯视示意图，图3为图2所示散热器沿AA向的剖面结构示意图，图4为图2所示散热器沿BB向的剖面结构示意图。如图所示，该散热器100包括：主体结构110，主体结构110包括散热面112和焊接面111，焊接面111上具有用于焊接功率模块300的焊接区域113；散热结构120，位于散热面112上；围墙结构130，位于焊接面111上且环绕焊接区域113，围墙结构130与焊接区域113共同围成焊料容纳空间140。

可以理解地，本申请实施例通过设置围墙结构130，降低了焊料200受交变应力造成疲劳开裂的风险，边缘焊料无开裂条件，增加了功率器件800的可靠性。

除此之外，围墙结构130还可以有效阻挡焊料200融化后外溢，保证焊料量满足预设的填充量，进一步保证功率模块300与散热器100的连接牢固度以及保证散热器100对功率模块300的散热效果。

在本实施例中，主体结构110的散热面112和焊接面111彼此相背。但应当理解，本申请并不限于此，散热面112与焊接面111可以具有任意的位置关系，并且散热面112也并不限于主体结构110的外表面。由于焊接面111朝向功率模块300，因此功率模块300工作时产生的热量由焊接面111传导入主体结构110中，而散热面112是按照热量的传导方向界定的，散热面112是指热量从主体结构110中传出或即将传出的界面。

散热结构120例如是翅片或针翅等结构；从而，散热器100可以依靠流体冷却。其中，流体可以是气体，也可以是液体。

作为一种可选的具体实施方式，围墙结构130垂直于焊接面111。如此，避免了焊接完成后，焊料200的边缘位置出现斜坡，从而进一步避免了边缘部分，尤其是边缘的角部，发生开裂的风险。

作为一种可选的具体实施方式，围墙结构130与主体结构110一体成型。两个结构之间材料相同，连接紧固。

考虑到焊料填充量的实际需求，焊料容纳空间140的高度，或者围墙结构130的上端面与焊接区域113所处的表面之间的距离，可以为0.08mm～0.12mm之间，具体例如为0.1mm左右。

接下来，请参考图5和图6所示的在散热器上焊接功率模块后得到的功率器件的剖面结构；其中，图5与图3的剖向相对应，图6与图4的剖向相对应。如图所示，功率器件800包括：散热器100，焊接在散热器100的焊接区域113上功率模块300，以及填充在功率模块300与散热器100之间的焊料200。

其中，功率模块300的下表面可以与围墙结构130的上端面相抵接。焊料200具体位于焊料容纳空间140中。

功率模块300的数量可以为一个或多个；相应地，焊接区域113、围墙结构130以及焊料容纳空间140的数量均可以为一个或多个。本实施例以包括三个功率模块300为例示出。三个功率模块300为三个塑封半桥模块，通过焊接到散热器100上实现三相全桥封装。

功率模块300可以包括塑封在内部的功率元件310，电路基板320，以及塑封体330。其中，电路基板320例如为AMB(ActiveMetalBonding，活性钎焊覆铜)基板。塑封体330例如为EMC(EpoxyMoldingCompound，环氧树脂模塑料)。塑封体330受温冲形变比较大。

功率模块300具体可以为全碳化硅功率模块；并且，具体应用于新能源汽车主逆变器中。

功率模块300还可以包括功率端子340，从而为内部的功率元件310提供导电连接路径。

接下来，请参考图7，图7为本申请实施例二中功率器件(包含散热器)的剖面结构示意图，且与图5的剖向相对应。如图所示，焊接面111上还具有位于围墙结构130外部的非焊接区域114；焊接区域113所处的表面高于非焊接区域114所处的表面。如此，一方面通过增加焊接区域113所处的表面的高度，使得散热器100在焊接区域113处的散热能力更强；另一方面，更重要的是，可以为功率模块300的功率端子340与非焊接区域114之间提供更大的绝缘间隙，避免在功率模块300的电压过高时，功率端子340与散热器100的表面形成电弧效应。

接下来，请参考图8至图10。可选地，围墙结构130上设置有排气通道133，围墙结构130包括朝向焊料容纳空间140的内壁131和远离焊料容纳空间140的外壁132，排气通道131连通围墙结构130的内壁131和外壁132。通过设置排气通道133，可以便于释放焊料200中的气体，进一步避免焊料开裂。

排气通道133的具体形式可以为图8和图9所对应的实施例三中的通孔，也可以为图10所对应的实施例四中的凹部，当然，也可以同时包括二者。

首先，请参考图8和图9。在本申请实施例三中，围墙结构130上设置有通孔(参考图中133)，通孔贯穿围墙结构130，从而将焊料容纳空间140与外部连通，形成排气通道。

通孔的开口形状可以为圆形或者椭圆形，当然，本申请也并不限于此。

通孔的数量可以为多个，且多个通孔间距均等，从而有利于焊料更加均匀且充分地释放气体。多个通孔中部分通孔或者全部通孔的高度一致。

接下来，请参考图10。如图所示，在本申请实施例四中，围墙结构130的上端面具有凹部和凸部，排气通道133包括由凹部形成的通道，其中，上端面为围墙结构130的远离主体结构110一侧的端面。

可以理解地，围墙结构130的上端面也即用于与功率模块300相抵接的端面；围墙结构130的凹部与功率模块300的下表面之间围成上述通道。

凹部和凸部的数量可以为多个。各凹部的尺寸可以相同，间距可以均等。

围墙结构130的上端面具有凹部和凸部，具体可以为围墙结构130的上端面呈波浪形。

可以理解地，围墙结构130的上端面具有凹部和凸部，不仅可以利用凹部形成排气通道，而且可以增加焊料与围墙结构130边缘的接触面积。焊料主要需要抵挡图中第三方向(即垂直于焊接面111的方向)上的拉力，而增加焊料与围墙结构130的接触面积，显然有利于提升抵挡拉力的能力。

作为一种可选的具体实施方式，排气通道133包括位于内壁131一侧的内开口1331和位于外壁132一侧的外开口1332；内开口1331的面积大于外开口1332的面积。从而避免焊料进入内开口1331后过早地将内开口1331堵住，更有利于焊料容纳空间140内的气体排出。

进一步地，从内开口1331至外开口1332的方向，排气通道133的下边缘1334向上倾斜，其中，下边缘1334指排气通道133的靠近主体结构110一侧的边缘；向上倾斜指向远离主体结构110的方向倾斜(即向图中第三方向正向倾斜)。

相应地，内开口1331的底端相比于外开口1332的底端更靠近主体结构110，底端指靠近主体结构110的一端。内开口1331的顶端与外开口1332的顶端可以具有基本相同的高度，从而排气通道133的上边缘1333基本水平。

可以理解地，在将焊料填充至焊料容纳空间140后，焊料内部可能存在气泡，气泡排出的过程中，焊料流动并且优先填充在内开口1331的底端，而后沿排气通道133的下边缘1334向外开口1332的底端填充。在从内开口1331至外开口1332的方向，排气通道133的下边缘1334向上倾斜的情况下，焊料可以沿着排气通道133的底壁逐渐向上填充，进一步由于内开口1331的面积大于外开口1332的面积，可以使得排气通道133的上部始终保留着排气功能，不会被堵住。而焊料与排气通道133的底壁之间的斜面接触，也有利于增加接触力，从而提升抵挡拉力的能力。

进一步可以理解地，无论是采用实施例三中的通孔的形式，还是采用实施例四中的凹部的形式，均可以将其设置成具有上述倾斜的下边缘的结构。

可选地，在垂直于内壁131的方向上，外开口1332的投影可以落入内开口1331的投影的范围内。并且，外开口1332的投影可以更靠近内开口1331的投影的上方。

图8中圆形虚线框内示出了排气通道133在垂直于内壁131的方向上的纵剖面，图9中圆形虚线框内示出了排气通道133在平行于内壁131的方向上的纵剖面。如图所示，在本实施例中，排气通道133在垂直于内壁131的方向上的纵剖面呈梯形，并且具体可以呈直角梯形；外开口1332对应于梯形的上底，内开口1331对应于梯形的下底，上边缘1333和下边缘1334对应于梯形的两个腰；并且上边缘1333具体可以对应于梯形的垂直于底的腰。图9虽然示出了内开口1331和外开口1332均呈圆形的情况，但是应当理解，本申请并不限于此，内开口1331和外开口1332也可以呈椭圆形或者其他合适的形状。

对应于焊接区域113的数量为多个的情况，请继续参考图2，多个焊接区域沿第一方向排布，各焊接区域113在第一方向上的长度小于在第二方向上的长度，其中，第二方向为焊接区域所在平面上垂直于第一方向的方向。结合图8至图10，围墙结构130包括沿第二方向延伸的侧边，排气通道133位于侧边上。

围墙结构130的沿第二方向延伸的侧边可以理解为围墙结构130的长边，在围墙结构130的长边上设置排气通道133，更有利于解决焊料内部气体排除的问题。

接下来，请参考图11和图12。在本申请实施例五中，还包括支撑结构150，支撑结构150位于焊接面111上且位于焊料容纳空间140内。

可以理解地，在填充了焊料200后，支撑结构150嵌于焊料200中，可以协助焊料200起到支撑的作用。

支撑结构150的高度可以与围墙结构130的高度一致，或略低于围墙结构130的高度。

支撑结构150可以与主体结构110一体成型。

支撑结构150的数量可以为多个，多个支撑结构150的高度相同。

由于高功率密度、大封装尺寸的功率模块300的重量一般较重，功率模块300对焊料200造成挤压，导致焊料200的厚度难以控制，而通过设置支撑结构150，可以协助焊料200支撑功率模块300，提高了结构的强度。通过多个高度相同的支撑结构150，进一步保证焊料200厚度的一致性，使得焊料200在散热器100和功率模块300之间的填充更加均匀。

图11示出了包括6个支撑结构150的情况，6个支撑结构150对称且均匀地分布在焊接区域113的各个位置处。

本申请各实施例充分考虑到高功率密度、大封装尺寸的功率模块的特点，通过对散热器结构进行改进，不仅降低了焊料开裂的风险，而且改善了焊料在散热器和功率模块之间的接合效果；不仅围绕着散热问题进行改进，而且兼顾了电性风险。从而提供了一种更适合为高功率密度、大封装尺寸的功率模块进行散热的散热器。

在此基础上，本申请实施例还提供了一种功率器件800，其包括上述任一实施例中的散热器100；还包括：功率模块300，焊接在散热器100的焊接区域113上；焊料200，填充在功率模块300与散热器100之间。

需要说明的是，本申请各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

应当理解，以上实施例均为示例性的，不用于包含权利要求所包含的所有可能的实施方式。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在以上实施例的基础上做出各种变形和改变。同样的，也可以对以上实施例的各个技术特征进行任意组合，以形成可能没有被明确描述的本申请的另外的实施例。因此，上述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，不对本申请专利的保护范围进行限制。

Claims (11)

1.一种散热器，其特征在于，包括：

主体结构，所述主体结构包括散热面和焊接面，所述焊接面上具有用于焊接功率模块的焊接区域；

散热结构，位于所述散热面；

围墙结构，位于所述焊接面且环绕所述焊接区域，所述围墙结构与所述焊接区域共同围成焊料容纳空间。

2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述围墙结构上设置有排气通道，所述围墙结构包括朝向所述焊料容纳空间的内壁和远离所述焊料容纳空间的外壁，所述排气通道连通所述围墙结构的所述内壁和所述外壁。

3.根据权利要求2所述的散热器，其特征在于，所述排气通道包括位于所述内壁一侧的内开口和位于所述外壁一侧的外开口；所述内开口的面积大于所述外开口的面积。

4.根据权利要求3所述的散热器，其特征在于，从所述内开口至所述外开口的方向，所述排气通道的下边缘向上倾斜，其中，所述下边缘指所述排气通道的靠近所述主体结构一侧的边缘，所述向上倾斜指向远离所述主体结构的方向倾斜。

5.根据权利要求2所述的散热器，其特征在于，所述焊接区域的数量为多个，多个所述焊接区域沿第一方向排布，各所述焊接区域在第一方向上的长度小于在第二方向上的长度，其中，所述第二方向为焊接区域所在平面上垂直于第一方向的方向；

所述围墙结构包括沿所述第二方向延伸的侧边，所述排气通道位于所述侧边上。

6.根据权利要求2至5中任意一项所述的散热器，其特征在于，

所述排气通道包括贯穿所述围墙结构的通孔；和/或，

所述围墙结构的上端面具有凹部和凸部，所述排气通道包括由所述凹部形成的通道，其中，所述上端面为所述围墙结构的远离所述主体结构一侧的端面。

7.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，还包括：

支撑结构，位于所述焊接面上且位于所述焊料容纳空间内。

8.根据权利要求7所述的散热器，其特征在于，所述支撑结构的数量为多个，多个所述支撑结构的高度相同。

9.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述焊接面上还具有位于所述围墙结构外部的非焊接区域；

所述焊接区域所处的表面高于所述非焊接区域所处的表面。

10.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述围墙结构与所述主体结构一体成型。

11.一种功率器件，其特征在于，包括：

如权利要求1至10中任意一项所述的散热器；

功率模块，焊接在所述散热器的所述焊接区域上；

焊料，填充在所述功率模块与所述散热器之间。