CN117457599A - 功率器件散热装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了功率器件散热装置，包括：基板，形成有与外界连通的第一容纳空间；第一散热件，位于第一容纳空间内并露出基板的第一表面；第二散热件，设置在基板的第一表面，且第二散热件与第一散热件之间形成用于容纳功率器件的第二容纳空间；第三散热件，设置在第二散热件远离第一散热件的一侧，第三散热件的导热系数小于第二散热件的导热系数；第三散热件在投影面上的投影面积大于第二散热件在投影面上的投影面积，且第三散热件的投影面积与第二散热件的投影面积的比例介于1.44~9之间。本申请实现了双面散热，可以及时导出功率器件产生的热量，且可以及时将热量扩散，避免了热量聚集在功率器件的外周，提高了散热装置的散热性能。

Description

功率器件散热装置

技术领域

本申请涉及功率器件散热技术领域，具体涉及功率器件散热装置。

背景技术

随着半导体技术的发展，半导体芯片的性能在不断提升，施加在芯片上的功率也在不断增加，因此带来了芯片热功耗增加的问题，芯片产热如果不能及时散失带走，会导致芯片温度急剧升高，严重影响芯片的性能以及寿命等参数。

目前，芯片的散热方法包括：通过微机械加工制作金属热沉，通过热界面材料把金属热沉粘接在半导体衬底下方。芯片产热通过半导体衬底和热界面材料传导至热沉，热沉再和环境进行热交换，实现芯片产热的散失，达到散热的效果。

上述目前的芯片散热方法，不能很好的将热量通过封装结构向外部散发，尤其是应用在一些大功率芯片时，因大功率芯片会产生大量的热量，尤其当芯片短路时，过载产生的热量会急剧增加，无法及时导出功率芯片产生的热量，会对芯片的性能产生影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本申请提供了功率器件散热装置，具体技术方案如下所示：

功率器件散热装置，其特征在于，包括：

基板，所述基板形成有第一容纳空间，且所述第一容纳空间与外界连通；

第一散热件，所述第一散热件位于所述第一容纳空间内并露出所述基板的第一表面；

第二散热件，所述第二散热件设置在所述基板的第一表面，且所述第二散热件与所述第一散热件之间形成第二容纳空间，所述第二容纳空间用于容纳功率器件；

第三散热件，所述第三散热件设置在所述第二散热件远离所述第一散热件的一侧，所述第三散热件的导热系数小于所述第二散热件的导热系数；以所述基板所在表面为投影面，所述第三散热件在所述投影面上的投影面积大于所述第二散热件在所述投影面上的投影面积，且所述第三散热件的投影面积与所述第二散热件的投影面积的比例介于1.44~9之间。

在一个具体实施例中，还包括第四散热件，所述第四散热件位于所述第一容纳空间内，且介于所述基板和所述第一散热件之间，所述第四散热件形成有一个以上的存储空间，所述存储空间内存储有第一柔性金属，所述第一柔性金属的体积小于所述存储空间的容积。

在一个具体实施例中，所述第一散热件具有第一导电结构，所述第二散热件具有绝缘结构，所述第四散热件具有第二导电结构，所述第一散热件和/或所述第四散热件与所述基板的芯层接触并形成导电通路。

在一个具体实施例中，所述第一散热件上设置有第二柔性金属，所述第一导电结构呈网状，所述第二柔性金属填充在所述第一导电结构中。

在一个具体实施例中，所述第一柔性金属包括第一液态金属；

在一个具体实施例中，所述第二柔性金属包括第二液态金属。

在一个具体实施例中，所述第四散热件绕设在所述第一散热件的外周，所述第四散热件的热膨胀系数介于所述基板的热膨胀系数和所述第一散热件的热膨胀系数之间。

在一个具体实施例中，所述第一柔性金属的体积与所述存储空间的容积的比例介于10%~80%之间。

在一个具体实施例中，所述第二散热件的导热系数大于所述第三散热件的导热系数。

在一个具体实施例中，所述第三散热件形成有第三容纳空间，所述第二散热件嵌入所述第三容纳空间以使所述第三散热件包覆所述第二散热件的外表面，且所述第三散热件的投影覆盖所述基板的第一表面的投影。

在一个具体实施例中，所述第三散热件包括固态金属。

本申请至少具有以下有益效果：

本申请的功率器件散热装置，包括：基板，基板形成有第一容纳空间，且第一容纳空间与外界连通；第一散热件，第一散热件位于第一容纳空间内并露出基板的第一表面；第二散热件，第二散热件设置在基板的第一表面，且第二散热件与第一散热件之间形成第二容纳空间，第二容纳空间用于容纳功率器件；第三散热件，第三散热件设置在第二散热件远离第一散热件的一侧，第三散热件的导热系数小于第二散热件的导热系数；以基板所在表面为投影面，第三散热件在投影面上的投影面积大于第二散热件在投影面上的投影面积，且第三散热件的投影面积与第二散热件的投影面积的比例介于1.44~9之间。

本申请通过在功率器件的一侧设置第一散热件，以及在功率器件的另一侧设置第二散热件，实现了双面散热，可以及时导出功率器件产生的热量，提高了散热装置的散热性能。

其次，本申请的第二散热件用于与功率器件接触，因功率器件需保持恒定状态，所以第二散热件在投影面的投影面积接近于功率器件的投影面积，以使功率器件嵌入第二容纳空间，以保证功率器件处于恒定状态，本申请采用设置投影面积大于第二散热件的第三散热件进行二次散热，增大了散热空间，提高了散热效果，以快速地将热量传递至远离功率器件处，避免热量聚集在功率器件附近。

同时，本申请的第三散热件的投影面积与第二散热件的投影面积的比例介于1.44~9之间，确保第三散热件的散热功能与功率器件的产热能力相适配，保证第三散热件的投影面积大于第二散热件的投影面积的技术特征具有正向效果。通过设置第三散热件的投影面积与第二散热件的投影面积的比例大于等于1.44，确保第三散热件可以有效地将功率器件处的热量散发，避免出现第三散热件的散热能力不足、出现无效散热、热量依旧聚集在功率器件附近的情况；以及保证第三散热件的投影面积与第二散热件的投影面积的比例小于等于9，确保不会出现第三散热件的散热能力过剩的情况，使第三散热件的各部分均起到散热作用，避免出现第三散热件的散热功能大于功率器件的产热能力，导致功率器件散热装置整体体积过大、生产成本高的情况。

而且，本申请的第三散热件的投影面积大于第二散热件的投影面积，且第三散热件的导热系数小于第二散热件的导热系数；使得第二散热件利用其导热系数大的优势，起快速传递热量的作用，能够快速的将热量传递至第三散热件，第三散热件利用其面积大的作用，起散发热量的作用。同时将设置投影面积小但导热系数大的第二散热件，并设置导热系数小但投影面积大的第三散热件，降低了生产成本，经济效益高。

进一步的，本申请还包括第四散热件，第四散热件位于第一容纳空间内，且介于基板和第一散热件之间，第四散热件形成有一个以上的存储空间，存储空间内存储有第一柔性金属，第一柔性金属的体积小于存储空间的容积。

本申请通过在基板和第一散热件之间设置第四散热件，采用散热件与柔性金属结合的方式，提高了散热性能；同时第一柔性金属的体积小于存储空间的容积，使得存储空间内的剩余空间可在基板和/或第一散热件因温度过高膨胀时为其提供形变空间，使得散热装置具备较佳的抗膨胀性能，进而减少了基板和/或功率器件出现裂纹、翘曲的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的功率器件散热装置的结构示意图一；

图2为本实施例提供的功率器件散热装置的结构示意图二；

图3为本实施例提供的功率器件散热装置的结构示意图三；

图4为本实施例提供的功率器件散热装置的结构示意图四。

附图标记：

1-基板；2-第一散热件；3-第二散热件；4-第三散热件；5-第四散热件；6-第二容纳空间；7-功率器件；11-第一介电层；12-芯层；13-第二介电层；14-第一容纳空间；15-基板的第一表面；21-第一导电结构；22-第二柔性金属；31-绝缘结构；41-第三容纳空间；42-固态金属；51-存储空间；52-第一柔性金属；53-第二导电结构；111-第一介电层的通孔；121-芯层的通孔；131-第二介电层的通孔；221-第二液态金属；521-第一液态金属。

具体实施方式

在下文中，将更全面地描述本申请的各种实施例。本申请可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本申请的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本申请理解为涵盖落入本申请的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。

在下文中，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本申请的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本申请的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本申请的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本申请的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：在本申请中，除非另有明确的规定和定义，“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接、也可以是可拆卸连接、或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也是可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，本领域的普通技术人员需要理解的是，文中指示方位或者位置关系的术语为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本申请的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。

如图1至图4所示，本实施例提供了功率器件散热装置，包括：

基板1，基板1形成有第一容纳空间14，且第一容纳空间14与外界连通；

第一散热件2，第一散热件2位于第一容纳空间14内并露出基板的第一表面15；

第二散热件3，第二散热件3设置在基板的第一表面15，且第二散热件3与第一散热件2之间形成第二容纳空间6，第二容纳空间6用于容纳功率器件7；

第三散热件4，第三散热件4设置在第二散热件3远离第一散热件2的一侧，第三散热件4的导热系数小于第二散热件3的导热系数；以基板1所在表面为投影面，第三散热件4在投影面上的投影面积大于第二散热件3在投影面上的投影面积，且第三散热件4的投影面积与第二散热件3的投影面积的比例介于1.44~9之间。

本实施例通过在功率器件7的一侧设置第一散热件2，以及在功率器件7的另一侧设置第二散热件3，实现了双面散热，可以及时导出功率器件7产生的热量，提高了散热装置的散热性能。

其次，本实施例的第二散热件3用于与功率器件7接触，因功率器件7需保持恒定状态，所以第二散热件3在投影面的投影面积接近于功率器件7的投影面积，以使功率器件7嵌入第二容纳空间6，以保证功率器件7处于恒定状态，本实施例采用设置投影面积大于第二散热件3的第三散热件4进行二次散热，增大了散热空间，提高了散热效果，以快速地将热量传递至远离功率器件7处，避免热量聚集在功率器件7附近。

同时，本实施例的第三散热件4的投影面积与第二散热件3的投影面积的比例介于1.44~9之间，确保第三散热件4的散热功能与功率器件7的产热能力相适配，保证第三散热件4的投影面积大于第二散热件3的投影面积的技术特征具有正向效果。具体地，通过设置第三散热件4的投影面积与第二散热件3的投影面积的比例大于等于1.44，确保第三散热件4可以有效地将功率器件7处的热量散发，避免出现第三散热件4的散热能力不足、出现无效散热、热量依旧聚集在功率器件7附近的情况；以及保证第三散热件4的投影面积与第二散热件3的投影面积的比例小于等于9，确保不会出现第三散热件4的散热能力过剩的情况，使第三散热件4的各部分均起到散热作用，避免出现第三散热件4的散热功能大于功率器件7的产热能力，导致功率器件7散热装置整体体积过大、生产成本高的情况。

而且，本实施例的第三散热件4的投影面积大于第二散热件3的投影面积，且第三散热件4的导热系数小于第二散热件3的导热系数；使得第二散热件3利用其导热系数大的优势，起快速传递热量的作用，能够快速的将热量传递至第三散热件4，第三散热件4利用其面积大的作用，起散发热量的作用。同时将设置投影面积小但导热系数大的第二散热件3，并设置导热系数小但投影面积大的第三散热件4，降低了生产成本，经济效益高。

具体地，第一散热件2露出基板的第一表面15指第一散热件2的其中一表面通过第一容纳空间14露出基板1。具体地，第一散热件2的其中一表面与基板的第一表面15处于同一水平面。

具体地，第二散热件3的导热系数介于在180～240W/M.K之间。

具体地，第三散热件4的投影面积与第二散热件3的投影面积的比例介于2.25~6.25之间。

如图1和图2所示，在一个实施例中，基板1包括依次层叠的第一介电层11、芯层12和第二介电层13，第一介电层11、芯层12和第二介电层13的同一位置上均设置有通孔，三个通孔（即第一介电层的通孔111、芯层的通孔121和第二介电层的通孔131）连通形成第一容纳空间14。

在一个实施例中，第一介电层的通孔111、芯层的通孔121和第二介电层的通孔131的中心均位于同一条直线上，且该直线垂直于第一介电层11、芯层12和第二介电层13所在平面。

如图1和图2所示，在一个实施例中，第三散热件4形成有第三容纳空间41，第二散热件3嵌入第三容纳空间41以使第三散热件4包覆第二散热件3的外表面，且第三散热件4的投影覆盖基板的第一表面15的投影。

本实施例通过使第三散热件4包覆第二散热件3的外表面，增大了第三散热件4与第二散热件3的接触面积，进一步提高了热传导效率，缩短了热传导时间，进一步避免了热量聚集在功率器件7的外周。

如图2所示，在一个实施例中，第三散热件4包括固态金属42。本实施例通过在功率器件7远离基板1的一侧设置包括固态金属42的第三散热件4，因固态金属42具备一定的硬度，使得第三散热件4在进行散热的同时，还可对功率器件7形成保护，避免功率器件7因受外力而损坏。

具体地，固态金属42为钛，但不局限于此。

如图1和图3所示，在一个实施例中，功率器件散热装置还包括第四散热件5，第四散热件5位于第一容纳空间14内，且介于基板1和第一散热件2之间，第四散热件5形成有一个以上的存储空间51，存储空间51内存储有第一柔性金属52，第一柔性金属52的体积小于存储空间51的容积。

本实施例通过在基板1和第一散热件2之间设置第四散热件5，采用散热件与柔性金属结合的方式，提高了散热性能；同时第一柔性金属52的体积小于存储空间51的容积，使得存储空间51内的剩余空间可在基板1和/或第一散热件2因温度过高膨胀时为其提供形变空间，使得散热装置具备较佳的抗膨胀性能，进而减少了基板1和/或功率器件7出现裂纹、翘曲的情况。

如图1和图4所示，在一个实施例中，第一柔性金属52包括第一液态金属521。

本实施例通过在存储空间51内设置第一液态金属521，有助于在因基板1和/或第一散热件2因温度过高膨胀而导致的存储空间51的容积减小时，第一液态金属521可以利用其便于流动的特性，基于存储空间51的实际形态及时变换。

可选地，第一液态金属521包括镓基液体金属合金、铋基液态金属合金、铟基液态金属合金或锡基液态金属合金中的一种。

如图1和图4所示，在一个实施例中，第一柔性金属521的体积与存储空间51的容积的比例介于10%~80%之间。本实施例通过限定第一柔性金属521的体积与存储空间51的容积的比例，以使基板具有较好的散热性能，同时具备较佳的抗膨胀性能。

如图1和图4所示，在一个实施例中，第一散热件2具有第一导电结构21，第二散热件3具有绝缘结构31，第四散热件5具有第二导电结构53，第一散热件2和/或第四散热件5与基板的芯层12接触并形成导电通路。

本实施例使第一散热件2和第四散热件5均具备散热功能和导电功能，通过第一散热件2与功率器件7接触，以及通过第一散热件2和/或第四散热件5与芯层12接触，使得功率器件7不仅可以通过第一散热件2和第四散热件5进行热量传递，还通过第一散热件2和第四散热件5实现功率器件7与芯层12的电性连接，丰富了功率器件散热装置的功能，同时节省了其他的用于实现电子元件与芯层12的电性连接的连接件，有利于实现散热装置的小型化。

在一个实施例中，第一散热件2由含镍的材料构成，或以镍为主要成分的合金构成。

在一个实施例中，第二散热件3 由陶瓷绝缘体氮化铝（Aluminiumnitride，AIN）构成。

在一个实施例中，第四散热件5由Cu、MoCu、CMC、CPC、SCMC或AIN中的至少一种构成，并通过前述材料形成第二导电结构53。

如图1和图4所示，在一个实施例中，第一散热件2上设置有第二柔性金属22，第一导电结构21呈网状，第二柔性金属22填充在第一导电结构21中。

本实施例通过使第一散热件2直接与功率器件7接触，因第二柔性金属22填充在网状结构中，因此，第一散热件2与功率器件7之间不存在间隙或存在细微间隙，无需在第一散热件2与功率器件7之间放置导热材料进行导热，使得第一散热件2同时兼顾散热功能和导热功能，降低了热阻，且减少了部件数量，有利于散热装置的小型化。同时采用第一散热件2和第二柔性金属22结合的方式进行散热，提高了散热性能。

在一个实施例中，第一散热件2由金属材料编织形成的网状物构成，以形成网状的第一导电结构21。

如图1和图4所示，在一个实施例中，第二柔性金属22包括第二液态金属221。本实施例进一步减小了第一散热件2功率器件7之间的间隙，进一步降低了热阻。

可选地，第二液态金属221包括镓基液体金属合金、铋基液态金属合金、铟基液态金属合金或锡基液态金属合金中的一种。

如图4所示，在一个实施例中，第四散热件5绕设在第一散热件2的外周，第四散热件5的热膨胀系数介于基板1的热膨胀系数和第一散热件2的热膨胀系数之间。

具体地，第四散热件5将在第一散热件2的外周包围。

本实施例通过对第一散热件2、第四散热件5和基板1的热膨胀系数进行限定，使得第四散热件5不仅具有散热功能，还具备平衡第一散热件2和基板1之间不同的膨胀/收缩速率的功能，以减小因不同的膨胀速率/收缩速率在功率器件7、第一散热件2、第四散热件5和基板1的连接处产生的应力，进而减少了基板1和/或功率器件7出现裂纹、翘曲的情况。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本申请序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.功率器件散热装置，其特征在于，包括：

基板，所述基板形成有第一容纳空间，且所述第一容纳空间与外界连通；

第一散热件，所述第一散热件位于所述第一容纳空间内并露出所述基板的第一表面；

第二散热件，所述第二散热件设置在所述基板的第一表面，且所述第二散热件与所述第一散热件之间形成第二容纳空间，所述第二容纳空间用于容纳功率器件；

第三散热件，所述第三散热件设置在所述第二散热件远离所述第一散热件的一侧，所述第三散热件的导热系数小于所述第二散热件的导热系数；以所述基板所在表面为投影面，所述第三散热件在所述投影面上的投影面积大于所述第二散热件在所述投影面上的投影面积，且所述第三散热件的投影面积与所述第二散热件的投影面积的比例介于1.44~9之间。

2.根据权利要求1所述的功率器件散热装置，其特征在于，还包括第四散热件，所述第四散热件位于所述第一容纳空间内，且介于所述基板和所述第一散热件之间，所述第四散热件形成有一个以上的存储空间，所述存储空间内存储有第一柔性金属，所述第一柔性金属的体积小于所述存储空间的容积。

3.根据权利要求2所述的功率器件散热装置，其特征在于，所述第一散热件具有第一导电结构，所述第二散热件具有绝缘结构，所述第四散热件具有第二导电结构，所述第一散热件和/或所述第四散热件与所述基板的芯层接触并形成导电通路。

4.根据权利要求3所述的功率器件散热装置，其特征在于，所述第一散热件上设置有第二柔性金属，所述第一导电结构呈网状，所述第二柔性金属填充在所述第一导电结构中。

5.根据权利要求2所述的功率器件散热装置，其特征在于，所述第一柔性金属包括第一液态金属。

6.根据权利要求4所述的功率器件散热装置，其特征在于，所述第二柔性金属包括第二液态金属。

7.根据权利要求2所述的功率器件散热装置，其特征在于，所述第四散热件绕设在所述第一散热件的外周，所述第四散热件的热膨胀系数介于所述基板的热膨胀系数和所述第一散热件的热膨胀系数之间。

8.根据权利要求2所述的功率器件散热装置，其特征在于，所述第一柔性金属的体积与所述存储空间的容积的比例介于10%~80%之间。

9.根据权利要求1所述的功率器件散热装置，其特征在于，所述第三散热件形成有第三容纳空间，所述第二散热件嵌入所述第三容纳空间以使所述第三散热件包覆所述第二散热件的外表面，且所述第三散热件的投影覆盖所述基板的第一表面的投影。

10.根据权利要求1所述的功率器件散热装置，其特征在于，所述第三散热件包括固态金属。