CN201508833U - 一种用于绝缘栅双极型晶体管模块的基板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于绝缘栅双极型晶体管模块的基板，它包括基板和直接敷铜基板，基板具有一定的预变形结构。预变形结构有二种，一种是弧形弯曲的预变形结构，且向直接敷铜基板方向弯曲；另一种是基板的直接敷铜基板焊接面为平面、基板的安装面为曲面的预变形结构。本实用新型通过对基板进行一定的预变形，使得它在通过高温回流焊接后，基板的安装面回复到平面，这不仅可以做到在不改变材料的情况下，达到了减小接触热阻的作用，大大延长模块的使用寿命，而且也是一种比较经济的制造方法。

Description

一种用于绝缘栅双极型晶体管模块的基板

技术领域

本实用新型属于半导体封装以及功率模块领域，具体地说是一种用于绝缘栅双极型晶体管模块的基板。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的结构如图1所示，它主要由基板1、直接敷铜基板(DBC)4、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片2、二极管芯片3和功率端子5等部分组成，其中基板1和直接敷铜基板4通过钎焊结合，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片2和直接敷铜基板4通过钎焊结合。通常绝缘栅双极型晶体管模块应用于大电流和高电压的情况。它在工作的时候，有很大的功耗。但是绝缘栅双极型晶体管模块中各芯片的结温一般不能超过150℃，所以模块工作的时候需要有很好的散热，以尽量来减小模块的热阻。

而热阻、散热和温度之间的关系可用下面的公式1所示。

公式1： $r_{\mathrm{total}}=\frac{T_j-T_a}{P}$

r_total----总热阻

T_j----节点温度

T_a----环境温度

P----模块功耗

一般来说，芯片温度越低，它的寿命越长。

模块的总热阻有三部分组成，可用下面的公式2所示。

公式2：r_total＝r_jcth+r_csth+r_cath

r_jcth----芯片到基板热阻

r_csth----基板到散热器热阻，又叫接触热阻

r_sath----散热器到环境热阻

在模块的生产过程中，直接敷铜基板4(为多层结构，一般由两层铜和中间一层陶瓷材料组成)和铜质基板1一般通过高温回流焊接(温度一般超过200摄氏度)在一起的。但由于直接敷铜基板4的热膨胀系数(8e-6/k)和铜质基板1的热膨胀系数(16e-6/k)失配，造成高温回流焊接后，铜质基板1出现中间突出的情况，如图2以及图3所示。图2为现有普通基板钎焊前的状态，图3为普通基板钎焊后变形的状态。当出现图3所示变形的状态，则模块在安装的时候，安装面和散热器之间会出现较大的间隙。

间隙的增大，会增大接触热阻，进而导致芯片结温的升高，带来的后果是影响芯片寿命甚至直接失效。间隙与接触热阻之间的关系可用如下的公式3和公式4表示。

公式3： $h_c=\frac{1}{L_g}(\frac{A_c}{A}\frac{{2k}_A{k}_B}{k_A+k_B}+k_f\frac{A_v}{A})$

公式4：r_csth＝1/h_cA

上述公式3和公式4中各符号含义如下：

h_c----接触系数

L_g----接触间隙

k_A----直接敷铜基板敷铜导热系数

k_B----基板导热系数

k_f----导热脂或空气导热系数

A----接触区域总面积

A_c----接触有效面积

A_v----导热脂或空气有效面积

根据公式3和公式4可知，当间隙L_g增大的时候，r_csth也随着增加，而且由于空气或者导热脂的导热系数很小，大大增加了接触热阻r_csth。这样根据公式1，芯片的结温就升高了。

现解决这种上述问题的方法：尽量选用直接敷铜基板4和基板1热膨胀系数相匹配的材料，比如基板1使用热膨胀系数是6e-6/k的AlSiC材料，AlSiC材料的热膨胀系数和直接敷铜基板4中间层材料AlN(氮化铝)或Al₂O₃的热膨胀系数很接近，它们之间的回流焊接就不会出现从图2变到图3哪样的变形，这样就能降低模块安装的接触热阻。但是现有这种方法的缺点是使用新材料带来制造成本的上升。

发明内容

本实用新型要解决的是现有绝缘栅双极型晶体管模块基板使用时间短和因使用新材料而带来的制造成本高的问题。

本实用新型的技术实施方案是：它包括基板和直接敷铜基板，基板具有一定的预变形结构。预变形结构有二种，一种是弧形弯曲的预变形结构，且向直接敷铜基板方向弯曲；另一种是基板的直接敷铜基板焊接面为平面、基板的安装面为曲面的预变形结构。

本实用新型的优点是：通过对基板进行一定的预变形，使得它在通过高温回流焊接后，基板的安装面回复到平面。这不仅可以做到在不改变材料的情况下，达到了减小接触热阻的作用，大大延长模块的使用寿命，而且也是一种比较经济的制造方法。

附图说明

图1表示绝缘栅双极型晶体管模块的结构示意图。

图2表示原普通平面基板钎焊前的结构示意图。

图3表示原普通平面基板钎焊后变形的结构示意图。

图4表示本实用新型实施例一基板钎焊前的结构示意图。

图5表示本实用新型实施例一基板钎焊后的结构示意图

图6表示本实用新型实施例二基板钎焊前的结构示意图。

图7表示本实用新型实施例二基板钎焊后的结构示意图。

具体实施方式：

现结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例一  如图4和图5所示，本实用新型包括基板1和直接敷铜基板4，直接敷铜基板4和基板1之间是钎焊焊接。基板1具有一定的预变形结构。该基板1的预变形结构是弧形弯曲的预变形结构，且向直接敷铜基板5方向弧形弯曲。如用两面都是平整的平面普通基板进行弯曲，弯曲的时候，按要求控制弧形弯曲预变形基板的弯曲度。弯曲度控制的原则是：弧形弯曲预变形基板应在高温回流焊接后正好变平。确定具体弯曲度的方法是通过实验或有限元方法计算获得。对长度为100mm的弧形弯曲预变形基板，弯曲程度控制在弧顶高出边端d＝0.1mm-0.25mm之间。

实施例二  如图6和图7所示，本实用新型包括基板1和直接敷铜基板4，直接敷铜基板4和基板1之间是钎焊焊接。基板1具有一定的预变形结构，该基板的预变形结构是基板1的直接敷铜基板4焊接面呈平面、基板1的安装面6呈曲面的预变形结构。这种基板1在进行加工的时候，对基板1的钎焊面加工成平面，安装面6加工成一定曲率的曲面。曲面的曲率按要求确定。曲率的确定通过实验或有限元方法计算获得。对于100mm的基板，安装面6的曲面顶部控制在高于边端a＝0.1mm-0.3mm之间。

本实用新型中的绝缘栅双极型晶体管英文全称是insulted gatebipolar transistor，缩写为IGBT。直接敷铜基板英文全称是directbonded copper缩写为DBC。

Claims (4)

1.一种用于绝缘栅双极型晶体管模块的基板，包括基板和直接敷铜基板，其特征在于基板具有预变形结构，基板的预变形结构是弧形弯曲的预变形结构，且向直接敷铜基板方向弯曲，基板的直接敷铜基板焊接面呈平面、基板的安装面呈曲面的预变形结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于绝缘栅双极型晶体管模块的基板，其特征在于弧形弯曲预变形基板的弯曲度按要求确定，对于长度为100mm的弧形弯曲预变形基板，弯曲程度控制在弧顶高出边端d＝0.1mm-0.25mm之间。

3.根据权利要求4所述的一种用于绝缘栅双极型晶体管模块的基板，其特征在于曲面的曲率按要求确定，对于100mm的基板，安装面的曲面顶部控制在高于边端a＝0.1mm-0.3mm之间。

4.根据权利要求1所述的一种用于绝缘栅双极型晶体管模块的基板，其特征在于直接敷铜基板和基板之间是钎焊焊接的。

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