CN120878552B - 一种功率模块散热结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种功率模块散热结构及其制造方法，属于半导体器件领域。首先，通过梯度压延工艺制备纤维增强相变层，再将低热阻界面材料与液冷板主体复合，使用覆膜设备将均温薄膜与低热阻界面材料复合，通过梯度热压工艺得到均温液冷板，然后将纤维增强相变层安装在芯片两侧，再将均温液冷板与芯片层交替堆叠，得到具有n层功率芯片与n+1层均温液冷板的堆叠结构（n≥1，且n为整数），再对装置整体加压并安装紧固结构，最后安装液冷管道并应用。本方法制备的散热结构具有空间利用率高、散热高效的特点。本方法操作简单、生产效率高，适用于工业化生产。

Description

一种功率模块散热结构及其制造方法

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体涉及到一种功率模块散热结构及其制造方法。

背景技术

电子设备集成度越来越高，使得电子元器件及装置的体积功率密度或面积功率密度大幅增大。若内部热量无法有效散发，元器件结温会急剧升高，超出最大允许结温时，元器件性能会降低甚至失效损坏，因此需要高效的散热技术来保证设备的稳定运行。大功率电子元器件传统上采用热管、均热板、散热片等进行散热，通常安装于元器件正上方。但当系统中有多个热源时，会造成散热模块分散，系统风扇数量增多，散热效率低、效果差，存在局部热点、浪费空间，无法满足现代电子设备小型化、高效化的要求。

本发明设计了将多个大功率芯片进行双面集成液冷散热的功率模块结构，相较于传统单面散热结构来说，提高了散热效率、节省了空间。本发明在高相变潜热的导热相变材料内部通过独特的工艺引入导热纤维，提高了导热相变材料的力学性能与抗温度冲击能力、降低了其热阻抗并有效减缓了相变材料的泄露。本发明还通过独特的工艺制备低热阻、可均温的液冷板，发热元件处热量可以被快速均摊并散出。本发明提供的方法还具有工艺简单、成本低、可工业化生产等特点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，采用双面散热结构，实现芯片的高效散热。

一种功率模块散热结构的制造方法，其特征在于，其结构包括：第一均温液冷板...第n均温液冷板、第n＋1均温液冷板、纤维增强相变层、第一功率芯片层...第n-1功率芯片层、第n功率芯片层、紧固结构、液冷管道（n≥1，且n为整数），其制造步骤包括：

S01，纤维增强相变层制备：通过机械搅拌、离心除泡与压延工艺得到垫片状导热相变材料，将导热纤维布水平放置在两垫片状导热相变材料的片层中间，通过梯度压延工艺得到纤维增强相变层；

S02，均温液冷板制备：使用贴装工艺、丝印工艺或点胶工艺将低热阻界面材料与液冷板进行复合，再通过卷对卷覆膜设备将均温薄膜与低热阻界面材料进行连接，将所得结构整体置于压机内进行梯度热压，保压一段时间后得到均温液冷板，热压前所用材料为低热阻界面材料，热压后低热阻界面材料形成低热阻界面层结构，所用薄膜材料的面内热导率大于200W/(m·K)、厚度低于100µm，含金属、碳化硅、金刚石、碳纳米管、石墨烯、石墨纳米片、石墨、碳纤维、陶瓷纤维的一种或多种，低热阻界面层的热阻低于0.1℃·cm²/W（50Psi压力下），低热阻界面材料为导热凝胶、导热相变材料、导热脂、导热垫片的一种或多种；

S03，第一功率芯片层安装：将第一功率芯片层双面贴装S01所得纤维增强相变层，然后将所得结构安装至S02所得第一均温液冷板均温薄膜一侧表面的设计位置；

S04，第二均温液冷板安装：将S02制备的第二均温液冷板安装在S03所得结构中第一功率芯片层上裸露的纤维增强相变层的一面；

S05，逐层堆叠：重复S03步骤与S04步骤，得到具有n层功率芯片与n+1层均温液冷板的堆叠结构；

S06，紧固结构安装：将S05所得结构进行升温并在垂直于芯片表面的方向加压，保持一段时间，在液冷板表面预留位置进行机械紧固后卸掉压力；

S07，流道连接：将液冷管道与S06所得结构中各层液冷板进行连接，通入冷却液并工作。

进一步地，其特征在于，所述S01步骤的垫片状导热相变材料的热导率大于6W/(m·K)、热阻抗低于0.1℃·cm²/W（50Psi压力下）、绝缘强度大于2kV/mm，厚度低于200µm，包括导热填料与相变材料，导热填料为银包铜粉与金刚石粉的级配粉体，银包铜粉的粒径范围为1~12μm，金刚石粉的粒径范围为0.01～2μm，相变材料的相变潜热大于200J/g，包括石蜡、聚乙二醇、硅蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、费托蜡、聚酯蜡、AMS蜡、脂肪酸类的一种或多种，所述S01步骤的导热纤维布由导热纤维制成，其热导率大于20W/(m·K)，纤维直径范围为6～20μm，所述导热纤维布的目数为140~600目、厚度范围为20～40μm，导热纤维含碳纤维、碳纳米管、石墨烯、氧化铝、氮化硼、碳化硅、银、铜、铝的一种或多种。

进一步地，其特征在于，所述S01步骤的梯度压延工艺分为两段、三段或者四段，第一段压延工艺压延间距范围为200～400μm，最后一段压延工艺压延间距范围为60～140μm，中间段压延工艺压延间距位于第一段和最后一段之间，且逐步递减，压延工艺辊温范围均为70～120℃。

进一步地，其特征在于，所述S02步骤的液冷板包括第一液冷板...第n液冷板以及第n+1液冷板，第一液冷板与第n+1液冷板均单面复合均温薄膜，第一液冷板与第n+1液冷板之间的液冷板均双面复合均温薄膜，n≥1，所述液冷板为吹胀式液冷板、冲压式液冷板、装配式液冷板的一种或多种，液冷板的进水口与出水口与液冷板主体的连接方法为焊接、卡扣连接、垫密封圈、螺纹连接、过盈配合、灌密封胶的一种或多种，焊接方式优选搅拌摩擦焊、钎焊，液冷板主体所用材料的热导率大于20W/(m·K)，含铜合金、铝合金、铜基复合材料、铝基复合材料、石墨、导热塑料、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硼陶瓷的一种或多种，其厚度范围为0.1mm～50mm。

进一步地，其特征在于，所述S02步骤的梯度热压工艺分为两段，第一段热压工艺热压压力为10~40Psi，第二段热压工艺热压压力大于50Psi，两段热压温度范围均为70～120℃。

进一步地，其特征在于，所述S03、S04、S05步骤的功率芯片为场效应管、绝缘栅双极型晶体管、三极管、晶闸管、二极管的一种或多种，芯片的热耗散功率大于4W，边长为0.5mm～50mm。

进一步地，其特征在于，所述S06步骤的升温终点温度取决于相变材料熔点与芯片最高耐温，温度范围为60~140℃，所述S06步骤的加压压力为10～110Psi，加压时间为1~20min。

进一步地，其特征在于，所述S07步骤的紧固结构的材料为金属、树脂、陶瓷纤维、复合材料的一种或多种，其抗拉强度大于100MPa，耐温大于150℃。

一种功率模块散热结构，其特征在于，所述散热结构是由上述任一项的方法制备得到的，可满足芯片总热耗散功率大于60W的散热需求，具有对多层芯片堆叠结构同时进行双面液冷散热的功能。与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本方法制备的散热结构可将多层芯片进行堆叠并同时进行双面液冷散热，具有空间利用率高、散热效率高的优点；

（2）本方法制备的散热结构通过独特的梯度压延工艺将导热纤维布引入导热相变材料，提高了导热相变材料热导率与力学性能并有效降低了相变材料厚度、防止了相变材料的泄露；

（3）本方法制备的散热结构将液冷板与均温薄膜通过工业化设备与独特的梯度热压工艺进行复合，在液冷板表面引入均温薄膜的同时降低两者间的界面热阻，所制均温液冷板均温效果好、散热效率高。

附图说明

附图1是本发明的整体制造流程图。

附图2是本发明的三维结构示意图。

附图3是本发明的侧视图，左下角为局部放大图。

附图4是实施例的第一芯片层与第二芯片层各芯片编号示意图。

附图5是对比例的第一芯片层各芯片编号示意图。

附图6是实施例与对比例第一芯片层中结温最高与最低的芯片其温度随时间变化点线图。

具体实施方式

在下面的描述中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

实施例

所述实施例具体阐述了一种功率模块散热结构的制造方法在MOSFET芯片散热中的应用。

当n=2时，所制散热结构具有2层功率芯片与3层均温液冷板，如图2与图3所示，具有功率模块散热结构主要包括如下部分：液冷板101、低热阻界面层102、均温薄膜103、纤维增强相变层104、第一功率芯片层105、第二功率芯片层106、液冷管道107、紧固结构108；液冷板101、低热阻界面层102、均温薄膜103共同构成均温液冷板，自下而上分别为第一均温液冷板、第二均温液冷板与第三均温液冷板。

S01，纤维增强相变层制备：银包铜粉、金刚石粉、相变材料等成分通过机械搅拌、离心除泡与压延工艺得到垫片状导热相变材料，所得垫片状导热相变材料的热导率为14W/(m·K)，热阻抗为0.06℃·cm²/W（50Psi压力下）、厚度为180µm、绝缘强度为2.4kV/mm，银包铜粉的粒径分布为1~12μm，其D50为7μm，金刚石粉的粒径分布为0.01~2μm，其D50为1μm，相变材料为高纯度石蜡，相变潜热为256J/g，将导热纤维布水平放置在两垫片状导热相变材料的片层中间，通过梯度压延工艺得到纤维增强相变层104，导热纤维布中所用导热纤维为纯度99.9%的银丝，其热导率大于400W/(m·K)，纤维直径为10µm，所述纤维网的目数为200目、厚度为20µm，压延工艺分为两段，第一段压延工艺压延前辊间间距为220μm，升温温度为80℃，第二段压延工艺压延前辊间间距为70μm，升温温度为80℃，压延机为双辊压延机；

S02，均温液冷板制备：使用丝印工艺将低热阻界面材料与液冷板101进行复合，再通过卷对卷覆膜设备将均温薄膜与低热阻界面材料进行连接，最后将所得结构整体置于压机内进行梯度热压，静置一段时间后得到均温液冷板，热压前所用材料为低热阻界面材料，热压后低热阻界面材料形成低热阻界面层102，低热阻界面材料为S01步骤所制导热相变材料，低热阻界面层102的热阻抗为0.06℃·cm²/W（50Psi压力下），均温薄膜103为横向热导率为1200W/(m·K)、厚度为50µm的热解石墨膜，此时n=2，第一均温液冷板与第三均温液冷板均单面复合石墨膜，第二均温液冷板双面复合石墨膜，所用液冷板为装配式液冷板，进出水口与液冷板主体通过卡扣连接并用密封圈密封，液冷板所用材料为3003铝合金，热导率为193W/(m·K)，厚度为30mm，梯度热压工艺分为两段，第一段热压工艺热压压力为30Psi，热压温度为90℃，第二段热压工艺热压压力为80Psi，热压温度为90℃；

S03，第一功率芯片层安装：将第一功率芯片层105双面贴装S01所得纤维增强相变层104，然后将所得结构安装至S02所得第一均温液冷板均温薄膜103一侧表面设计位置，第一功率芯片层105为MOSFET功率芯片，每枚芯片的平均热耗散功率为28W，尺寸为20×28mm；

S04，第二均温液冷板安装：将S02所得第二均温液冷板安装在S03所得结构中第一功率芯片层105上裸露的纤维增强相变层104一面，第二功率芯片层106为MOSFET功率芯片，每枚芯片的平均热耗散功率为28W，尺寸为20×28mm，每层6枚芯片；

S05，逐层堆叠；重复S03步骤与S04步骤，得到具有2层功率芯片与3层均温液冷板的芯片层与液冷板的堆叠结构；

S06，紧固结构安装：将S05所得结构进行升温并在垂直于芯片表面的方向加压，保持一段时间，在液冷板表面预留位置进行机械紧固后卸掉压力，升温温度为90℃，加压压力为40Psi，加压时间为3min，紧固结构108为螺栓与螺母紧固，其抗拉强度为110MPa，耐温为160℃；

S07，流道连接：将外部液冷管道107与S06所得结构中各层液冷板进行连接，通入冷却液并工作。

对比例

使用未复合均温薄膜的液冷板，单层芯片通过4W/(m·K)的商用导热垫片与单层液冷板（第一液冷板）连接并散热。

S01，第一功率芯片层安装：将第一功率芯片层105单面贴装热导率为4W/(m·K)的商用导热垫片，然后将所得结构安装至第一液冷板表面设计位置，其中，导热垫片与液冷板主体相连接，第一功率芯片层105为MOSFET功率芯片，每枚芯片的平均热耗散功率为28W，尺寸为20×28mm，所用液冷板为装配式液冷板，进出水口与液冷板主体通过卡扣连接并用密封圈密封，液冷板所用材料为3003铝合金，热导率为193W/(m·K)，厚度为30mm；

S02，紧固结构安装：将S01所得结构进行升温并在垂直于芯片表面的方向加压，保持一段时间，在液冷板表面预留位置进行机械紧固后卸掉压力，升温温度为90℃，加压压力为40Psi，加压时间为3min，紧固结构108为螺栓与螺母紧固，其抗拉强度为110MPa，耐温为160℃；

S03，流道连接：将外部液冷管道107与S02所得结构中液冷板进行连接，通入冷却液并工作。

表1 实施例与对比例中主要参数及测试结果

对上述实施例与对比例进行测试，测试参数和结果如表1所示。当芯片平均热功率耗散为28W时，均使用同类型的液冷板进行液冷散热，冷却液流速为1m/s，实施例中第一功率芯片层与第二功率芯片层中各芯片编号如图4所示，对比例中第一功率芯片层中各芯片编号如图5所示。本实施例制造的功率模块散热结构中第一芯片层中每枚芯片结温相比对比例平均降低了21.0℃。实施例与对比例的第一芯片层中结温最高与结温最低的芯片其温度随时间变化曲线如图6所示。

对实施例和对比例进行对比分析：对比例中，第一功率芯片层105产生的热量仅通过4W/(m·K)的商用导热垫片纵向传递至第一液冷板主体并在局部区域被冷却液带走；实施例中，第一功率芯片层105产生的热量通过低热阻的纤维增强相变层纵向传递至第一均温液冷板与第二均温液冷板主体并被均温薄膜快速均摊，最终被两层液冷板的冷却液带出，此外，实施例还可同时对多层芯片的堆叠结构进行双面液冷散热。显然实施例中散热路径多于对比例，具有更好的散热能力。综上所述，利用本发明提供的制造方法可制备具有高效散热能力的散热结构。

虽然已参照典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种功率模块散热结构的制造方法，其特征在于，其结构包括：第一均温液冷板...第n均温液冷板、第n＋1均温液冷板、纤维增强相变层、第一功率芯片层...第n-1功率芯片层、第n功率芯片层、紧固结构、液冷管道，其中，n≥1，且n为整数，其制造步骤包括：

S01，纤维增强相变层制备：通过机械搅拌、离心除泡与压延工艺得到垫片状导热相变材料，将导热纤维布水平放置在两垫片状导热相变材料的片层中间，通过梯度压延工艺得到纤维增强相变层；

S02，均温液冷板制备：使用贴装工艺、丝印工艺或点胶工艺将低热阻界面材料与液冷板进行复合，再通过卷对卷覆膜设备将均温薄膜与低热阻界面材料进行连接，将所得结构整体置于压机内进行梯度热压，保压一段时间后得到均温液冷板，热压前所用材料为低热阻界面材料，热压后低热阻界面材料形成低热阻界面层结构，所用薄膜材料的面内热导率大于200W/(m·K)、厚度低于100µm，含金属、碳化硅、金刚石、碳纳米管、石墨烯、石墨纳米片、石墨、碳纤维、陶瓷纤维的一种或多种，低热阻界面层的热阻50Psi压力下低于0.1℃·cm²/W，低热阻界面材料为导热凝胶、导热相变材料、导热脂、导热垫片的一种或多种；

S03，第一功率芯片层安装：将第一功率芯片层双面贴装S01所得纤维增强相变层，然后将所得结构安装至S02所得第一均温液冷板均温薄膜一侧表面的设计位置；

S04，第二均温液冷板安装：将S02制备的第二均温液冷板安装在S03所得结构中第一功率芯片层上裸露的纤维增强相变层的一面；

S05，逐层堆叠：重复S03步骤与S04步骤，得到具有n层功率芯片与n+1层均温液冷板的堆叠结构；

S06，紧固结构安装：将S05所得结构进行升温并在垂直于芯片表面的方向加压，保持一段时间，在液冷板表面预留位置进行机械紧固后卸掉压力；

S07，流道连接：将液冷管道与S06所得结构中各层液冷板进行连接，通入冷却液并工作，

所述S02步骤的液冷板包括第一液冷板...第n液冷板以及第n+1液冷板，第一液冷板与第n+1液冷板均单面复合均温薄膜，第一液冷板与第n+1液冷板之间的液冷板均双面复合均温薄膜，n≥1，所述液冷板为吹胀式液冷板、冲压式液冷板、装配式液冷板的一种或多种，液冷板的进水口与出水口与液冷板主体的连接方法为焊接、卡扣连接、垫密封圈、螺纹连接、过盈配合、灌密封胶的一种或多种，焊接方式为搅拌摩擦焊或钎焊，液冷板主体所用材料的热导率大于20W/(m·K)，含铜合金、铝合金、铜基复合材料、铝基复合材料、石墨、导热塑料、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硼陶瓷的一种或多种，其厚度范围为0.1mm～50mm。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述S01步骤的垫片状导热相变材料的热导率大于6W/(m·K)、热阻抗50Psi压力下低于0.1℃·cm²/W、绝缘强度大于2kV/mm，厚度低于200µm，包括导热填料与相变材料，导热填料为银包铜粉与金刚石粉的级配粉体，银包铜粉的粒径范围为1~12μm，金刚石粉的粒径范围为0.01～2μm，相变材料的相变潜热大于200J/g，包括石蜡、聚乙二醇、硅蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、费托蜡、聚酯蜡、AMS蜡、脂肪酸类的一种或多种，所述S01步骤的导热纤维布由导热纤维制成，其热导率大于20W/(m·K)，纤维直径范围为6～20μm，所述导热纤维布的目数为140~600目、厚度范围为20～40μm，导热纤维含碳纤维、碳纳米管、石墨烯、氧化铝、氮化硼、碳化硅、银、铜、铝的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述S01步骤的梯度压延工艺分为两段、三段或者四段，第一段压延工艺压延间距范围为200～400μm，最后一段压延工艺压延间距范围为60～140μm，中间段压延工艺压延间距位于第一段和最后一段之间，且逐步递减，压延工艺辊温范围均为70～120℃。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述S02步骤的梯度热压工艺分为两段，第一段热压工艺热压压力为10~40Psi，第二段热压工艺热压压力大于50Psi，两段热压温度范围均为70～120℃。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述S03、S04、S05步骤的功率芯片为场效应管、绝缘栅双极型晶体管、三极管、晶闸管、二极管的一种或多种，芯片的热耗散功率大于4W，边长为0.5mm～50mm。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述S06步骤的升温终点温度取决于相变材料熔点与芯片最高耐温，温度范围为60~140℃，所述S06步骤的加压压力为10～110Psi，加压时间为1~20min。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述S07步骤的紧固结构的材料为金属、树脂、陶瓷纤维、复合材料的一种或多种，其抗拉强度大于100MPa，耐温大于150℃。

8.一种功率模块散热结构，其特征在于，所述散热结构是由权利要求1～7中任一项所述的方法制备得到的，可满足芯片总热耗散功率大于60W的散热需求，具有对多层芯片堆叠结构同时进行双面液冷散热的功能。