CN116913871A - 一种集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块，包括敷铜陶瓷板，以及布置在所述敷铜陶瓷板上下两侧的芯片和散热器，所述散热器包括布置在所述敷铜陶瓷板上、带有微通道结构的微通道层，以及覆盖在所述微通道结构上的歧管层，所述歧管层包括由多个歧管壁和挡板组成的网格栅结构，所述网格栅结构中相邻两个网格与微通道结构构成用于冷却剂上下流通的冷却通道，使用时所述散热器位于芯片上方。本发明还提供了一种功率模块的封装方法。本发明提供的装置可以提高半导体器件的散热效率和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件散热封装领域，尤其涉及一种集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块及封装方法。
背景技术
多年来，功率电子器件的液体冷却已经成为完善的技术。由于功率部件中的传导和开关损耗以及导体轨道中的欧姆损耗，每个电子电路都会产生热量。由于功率电子器件的功率密度不断增加，冷却的效率越来越受关注。
冷却效率是高度相关的，因为每一代新的功率半导体都趋向于比上一代更小并且因为市场始终期望更小且更紧凑的解决方案。因此，功率电子器件的充分冷却至关重要。由于液体的导热系数高，所以液体冷却优于空气冷却。因此，液体冷却已得到越来越多的应用。
传统冷却结构的散热效率较低，主要是由于其流动形式简单且方向固定，这导致散热器热阻较高。这种传统的散热方式通常采用常规针柱状(pin-fin)或S型分流通道进行散热，无法满足高功率密度芯片的散热需求。
传统散热方式中水温将沿着流动方向逐渐上升，多个芯片间结温差距较大，从而导致功率芯片间电流分配不均。这种不均匀的电流分配可能进一步加剧功率芯片之间的热差异，从而影响系统的性能和可靠性。由于传统的散热方式无法适应高功率芯片的散热需求，这种不均匀的电流分配问题在高功率芯片中尤为严重。
传统芯片排布和散热器设计是相互独立的，且散热器结构灵活性较差，难以针对不同芯片排布进行个性化的散热设计，从而限制了散热器的散热性能和整体效率。
专利文献CN114514606A公开了一种包括蛇形通路的冷却系统，该冷却系统包括冷却布置，该冷却布置具有用于循环流体冷却剂的蛇形通路，该蛇形通路被设置在彼此位移的多个壁之间。各自具有近侧部分和远侧部分的一些列挡板被设置在通路内。挡板从这些壁中的一者延伸到通路中。远侧部分的宽度比近侧部分的宽度大。但是该方法存在流体冷却剂在通路的起始位置温度会低于终止位置温度，导致先后的芯片降温效率不同。
专利文献CN112534573A公开了一种用于冷却电气部件的流量分配器，该流量分配器用于将电气部件的输热流体流分配跨过通过流体被冷却和/或加热的表面。该分配器包括被配置为引导该流体流跨过该表面的至少一个流动通道，这些流动通道是在两侧通过壁来界定的以便在这些流动通道内形成用于该流体流的路径，并且包括延伸到该至少一个流动通道中的壁段；并且这些壁段中的至少一个包括至少一个旁路通路以连接由该壁段分离的两个相邻空间，其中该至少一个旁路通路以倾斜取向从该壁段的一侧延伸到另侧，以便为该流体流的一部分建立短路流。该流体分配器的仅针对功率芯片的全局降温，但是针对实际情况仅局部区域存在高温，则该结构容易影响冷却剂的流动效率。
发明内容
本发明的目的是改进传统散热结构，从而提高半导体器件的散热效率和稳定性。
为了实现本发明的目的，提供了一种集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块，包括敷铜陶瓷板，以及布置在敷铜陶瓷板上下两侧的芯片和散热器。所述散热器包括布置在所述敷铜陶瓷板上、带有微通道结构的微通道层，以及覆盖在所述微通道结构上的歧管层，所述歧管层包括由多个歧管壁和挡板组成的网格栅结构，所述网格栅结构中相邻两个网格与微通道结构构成用于冷却剂上下流通的冷却通道，使用时所述散热器位于芯片上方。
本发明采用多个网格和微通道结构构成的冷却通道，使得冷却液在散热器中呈现U型流动方式以延长散热路径，同时也能保证每个微通道内的冷却液温度和流量一致，从而有效的吸收芯片的热量。
具体的，根据芯片发热部位的分布情况，对所述歧管层的网格栅结构进行调节：针对芯片局部升温较快的部位，通过增加网格数量以提高冷却剂的流通速度，从而适应性改进了散热效率，从而解决传统匀速对流散热的缺陷。
具体的，通过在相邻两个歧管壁之间设置多个挡板，以构建所述网格栅结构，当隔板越多，则冷却液在该处的流动速度也快。
具体的，所述歧管壁与微通道结构为上下交错布置。
具体的，所述歧管壁与微通道的交错布置角度范围为30～90°。
本发明还提供一种功率模块的封装方法，用于制备上述的集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块，包括：
步骤1、根据敷铜陶瓷板尺寸和芯片排布方式，制备对应尺寸的微通道层和歧管层。
步骤2、对微通道层的微通道结构和歧管层中的网格栅进行打磨处理。
步骤3、采用银膜转移工艺对歧管层与微通道层的微通道结构接触面印刷纳米银膏，并采用压力银烧结设备进行热压处理，以获得散热器。
步骤4、依次采用银烧结工艺实现散热器与敷铜陶瓷板，以及敷铜陶瓷板与芯片的封装，同时所述芯片的输入输出端子采用焊接手段进行连接。
具体的，所述微通道层的微通道结构和所述歧管层的表面水平偏差为1～20微米。
具体的，在步骤4中，所述焊接手段包括回流焊和超声焊。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
相较于传统的pin-fin和s型分流通道，本发明提供的微通道与歧管层构建的U型流道，可以使得每个微通道内的冷却液温度和流量一致，降低了芯片之间的结温差异，从而提高了芯片的散热效率以及可靠性。
附图说明
图1为本实施例提供的功率模块的正面视角示意图；
图2为本实施例提供的功率模块的背面视角示意图；
图3为本实施例提供的散热器的局部放大示意图；
图4为本实施例提供的歧管层的第二种网格栅结构示意图；
图5为本实施例提供的歧管层的第三种网格栅结构示意图；
图6为本实施例提供的封装方法的流程图；
图7为本实施例提供的功率模块与传统功率模块之间的温度对比图；
图8为本实施例提供的功率模块与传统功率模块之间的进水口压强对比图；
图9为本实施例提供的挡板数目与功率模块的温度和进水口压强的关系图；
图中，1、歧管层；2、微通道层；3、芯片；4、敷铜陶瓷板；5、挡板；6、歧管壁；7、微通道。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实例提供的一种功率模块，包括敷铜陶瓷板4，以及布置在敷铜陶瓷板4上下面的芯片3和散热器，该散热器包括带有微通道结构的微通道层2和歧管层1，此外歧管层两侧分别设有进水口和出水口，便于冷却液的流通。
更具体地，如图3所示，该微通道结构由多个并列布置在微通道层2表面的微通道7组成，该歧管层1包括由多个等间距布置的歧管壁6和挡板5相接后构成的网格栅结构，该歧管壁6与下方的微通道7交错布置，其夹角为90°，相邻两个的歧管壁6之间通过多个挡板5划分出多个网格，且相邻两个网格与下方的多个微通道7之间构成U型的冷却通道，而冷却液进入歧管层1后基于歧管壁6和挡板5后，可等分量充满下方多个微通道7，同时更加密集的挡板5布置可以促使对应位置的冷却液流动速度，从而加快相应区域的散热效率，以实现局部散热效率的提高。
如图4和图5所示，为基于本实施例提供的技术方案所拓展的网格栅结构。
图4为等距离布置挡板5，且歧管壁6与微通道7之间的交错夹角为90°，便于批量铸造，适用于普通芯片的散热任务。
图5为歧管壁6与微通道7之间的交错夹角为30°，使得四个头尾依次相连的歧管壁6组成菱形网格，同时采用挡板5将相邻的菱形网格串联，该菱形网格将下方的微通道7分割成不同长度，从而实现不同位置的冷却液流速调节，适用于特定位置局部发热的芯片使用。
此外，本实施例可采用双面的散热器布置方式，对功率芯片进行散热。
本实施例还提供一种封装方法，用于制备上述实施例所提出的功率模块，如图6所示，包括以下步骤：
步骤1、根据敷铜陶瓷板尺寸和芯片排布方式，制备对应尺寸的微通道层和歧管层。
步骤2、对微通道层的微通道结构和歧管层中的网格栅进行打磨处理，保证表面平整度并去除氧化层，微通道层和歧管层的表面水平度偏差小于20微米。
步骤3、采用银膜转移工艺对歧管层与微通道层的微通道结构接触面印刷纳米银膏，采用压力银烧结设备将歧管层与微通道层烧结为一个整体，以获得散热器。
步骤4、依次采用银烧结工艺实现散热器与敷铜陶瓷板，以及敷铜陶瓷板与芯片的封装，同时所述芯片的输入输出端子采用焊接手段进行连接。
此外，散热器也可采用焊接的方式进行装配。
为证明本实施例提供的功率模块的散热效果，如图7所示，在相同功率输出情况下，采用本实施例提供的散热器，可以有效降低芯片的工作温度。
如图8所示，采用本实施例的散热器，其进水口压强要远远小于传统散热器，基于进水口压强较小的情况，可以证明本实施例提供的散热器具有更高的冷却能效。
如图9所示，为不同数量挡板与散热效果和进水口压强的关系，便于后续制备对应的散热器提供指导。
本发明通过微通道-芯片排布的协同设计、更改分流层的引导结构和整体模块的封装方式等创新，实现了模块封装和散热器的设计与制备工艺改进，从而克服包括传统冷却结构散热效率低下、芯片间结温差距大、散热器结构灵活性差等传统功率模块散热问题。
以上应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块，包括敷铜陶瓷板，以及布置在所述敷铜陶瓷板上下两侧的芯片和散热器，其特征在于，所述散热器包括布置在所述敷铜陶瓷板上、带有微流道结构的微流道层，以及覆盖在所述微流道结构上的歧管层，所述歧管层包括由多个歧管壁和挡板组成的网格栅结构，所述网格栅结构中相邻两个网格与微流道结构构成用于冷却剂上下流通的冷却通道。
2.根据权利要求1所述的集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块，其特征在于，根据芯片发热部位的分布情况，对所述歧管层的网格栅结构进行调节：针对芯片局部升温较快的部位，通过增加网格数量以提高冷却剂的流通速度。
3.根据权利要求1所述的集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块，其特征在于，通过在相邻两个歧管壁之间设置多个挡板，以构建所述网格栅结构。
4.根据权利要求1所述的集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块，其特征在于，所述歧管壁与微流道结构为上下交错布置。
5.根据权利要求4所述的集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块，其特征在于，所述歧管壁与微流道的交错布置角度范围为30～90°。
6.一种功率模块的封装方法，其特征在于，用于制备如权利要求1～5所述的集成三维堆叠歧管微通道冷却的功率模块，包括：
步骤1、根据敷铜陶瓷板尺寸和芯片排布方式，制备对应尺寸的微流道层和歧管层；
步骤2、对微流道的微流道结构和歧管层中的网格栅进行打磨处理；
步骤3、采用银膜转移工艺对歧管层与微流道的微流道结构接触面印刷纳米银膏，并采用压力银烧结设备进行热压处理，以获得散热器；
步骤4、依次采用银烧结工艺实现散热器与敷铜陶瓷板，以及敷铜陶瓷板与芯片的封装，同时所述芯片的输入输出端子采用焊接手段进行连接。
7.根据权利要求6所述的功率模块的封装方法，其特征在于，所述微流道层的结构和所述歧管层的表面水平偏差为1～20微米。
8.根据权利要求6所述的功率模块的封装方法，其特征在于，在步骤2中，所述打磨处理包括采用物理打磨工艺，冲洗去除杂质以及氧化层。
9.根据权利要求6所述的功率模块的封装方法，其特征在于，在步骤4中，所述焊接手段包括回流焊和超声焊。
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