CN203118927U - 无底板功率模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种无底板功率模块，其包括有散热器、陶瓷覆铜基板及功率芯片，所述无底板功率模块还包括有设置于所述陶瓷覆铜基板和散热器之间的热扩散基板，所述热扩散基板通过物理压接的方式与所述散热器组合于一起，本实用新型中通过在陶瓷覆铜基板和散热器之间，增加热扩散基板，有效的降低了无底板功率模块的工作结温。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无底板功率模块，尤其涉及一种具有热扩散基板的无底板功率模块。
背景技术
功率模块通常由金属底板、陶瓷覆铜基板和功率芯片等一系列材料组合而成。为了降低功率器件的热阻，提高其热扩散能力，金属底板的材料通常选用具有高热导率的纯铜，以钎焊方式与陶瓷覆铜底板的铜层形成金属键连接。除了对底板材料高热导率的要求，功率模块在实际工作环境中，温度交变是必然的，而由硅材料制作的功率芯片的热膨胀系数较低 （约为3ppm/K），与陶瓷覆铜底板（陶瓷材料通常为氧化铝或氮化铝）的热膨胀系数（约为7ppm/K）以及纯铜底板的热膨胀系数 （约为17ppm/K）之间相差较大。请参照图1(其中各个标号代表的结构分别为：100-功率模块；1-金属底板；2-陶瓷覆铜基板；3-功率芯片；4、5-焊料层)所示的通用型功率模块的结构示意图，在功率模块中形成有两层钎焊材料，一层在芯片和陶瓷覆铜底板之间，另一层在陶瓷覆铜底板与底板之间，在实际工作条件下，由于温度变化和热膨胀系数的差异而产生热应力。由于陶瓷覆铜基板与底板之间的焊料层面积，远超过了芯片下焊料层的面积，因此底板焊料层的热应力是功率模块内部最高的，功率模块的焊料通常选择低熔点的铅基或者锡基合金，实际使用绝对温度与其熔点非常接近，从而导致焊料层疲劳裂纹的产生，扩展，最后使功率模块的热阻急剧升高，造成功率芯片的工作结温过高而发生“热跑”。为提高功率模块的可靠性，拓展功率模块在严苛环境下的使用寿命，模块的底板材料可以采用热膨胀系数与陶瓷覆铜基板匹配的铝/碳化硅复合材料。目前，采用这些底板材料的功率模块，已经在机车牵引，航空和新能源领域，得到了一定规模的应用。
为了进一步提高功率模块的功率密度，缩小装置/设备的体积，近来无底板功率模块在中、小功率段逐步得到运用。请参照图2(其中各个标号代表的结构分别为：100-功率模块； 2-陶瓷覆铜基板；3-功率芯片；4-焊料层所示，无底板功率模块去掉了金属底板和相应的焊料层，陶瓷覆铜基板的底部铜层直接安装到散热器表面。这样，功率模块的成本降低的同时，一个重要的模块失效机制-焊料层热疲劳，就得到了有效解决。从模块角度来看，虽然从芯片到模块底面的热阻比在模块有底板的情形要低，但由于缺少了导热底板的热扩散效应，在相同工作条件下，无底板模块的芯片结温通常会高于带有导热底板的模块。
因此，确有必要提出一种新的技术方案以解决现有技术之缺陷。
发明内容
本实用新型的主要目的在于提供一种无底板功率模块，其通过在陶瓷覆铜基板和散热器之间，增加热扩散基板，进而达到降低功率芯片工作结温的目的。
本实用新型采用如下技术方案：一种无底板功率模块，其包括有散热器、陶瓷覆铜基板及功率芯片，所述无底板功率模块还包括有设置于所述陶瓷覆铜基板和散热器之间的热扩散基板，所述热扩散基板通过物理压接的方式与所述散热器组合于一起。
作为本实用新型的进一步改进，所述热扩散基板为具有高热导率的平面热管型基板。
作为本实用新型的进一步改进，所述热扩散基板的材料为铝、铝合金或者铜、铜合金。
作为本实用新型的进一步改进，所述热扩散基板的厚度为3毫米至7毫米。
作为本实用新型的进一步改进，所述热扩散基板的尺寸与无底板功率模块的陶瓷覆铜基板尺寸相同，热扩散基板面积的为陶瓷覆铜基板面积的1至2倍。
本实用新型具有以下有益效果：通过在陶瓷覆铜基板和散热器之间，增加热扩散基板，有效的降低了无底板功率模块的工作结温。
附图说明
图1为本领域中通用型功率模块的结构示意图。
图2为本领域中无底板功率模块的结构示意图。
图3为本实用新型无底板功率模块的结构示意图。
图4为图2所示的无底板功率模块安装到散热器表面上后，仿真模拟功率芯片在额定电流条件下的结温分布情况。
图5为图3所示的无底板功率模块安装到散热器表面上后，仿真模拟功率芯片在额定电流条件下的结温分布情况。
具体实施方式
请参照图3所示，本实用新型无底板功率模块100包括有安装于散热器（未标示）上的热扩散基板1、陶瓷覆铜基板2和功率芯片3，其中陶瓷覆铜基板2和功率芯片3之间形成有焊接层4。热扩散基板1的厚度为3毫米至7毫米，且热扩散基板1的尺寸与陶瓷覆铜基板2尺寸相同，热扩散基板1的面积为陶瓷覆铜基板2的面积1至2倍。本实用新型中无底板功率模块100中通过新增的热扩散基板1的导入，为降低无底板功率模块的工作结温提供了有效途径。
本实用新型无底板功率模块100的热扩散基板1为具有高热导率的平面热管型基板，且热扩散基板的材料为铝、铝合金或者铜、铜合金。本实用新型无底板功率模块100的热扩散基板1是一个内壁具有微结构的真空腔体，腔体内部填充了液态工质。热量传入时，液态工质受热蒸发，吸收大量热能，并且快速膨胀充满整个腔体，当受热气体接触到远离热源的冷面时，由气态到液态的凝结而释放热量。凝结后的液态工质通过毛细力流回热源，这个过程往复进行，不仅极大地提高了热量扩散速度，而且由于重力对毛细力的影响很小，热扩散基板在各个角度均能有效工作。
本实用新型无底板功率模块100的热扩散基板1成为了无底板功率模块的新的底板，其与散热器之间不再通过焊接层焊接，而是通过物理压接的方式组合于一起。由于没有增加焊接层，焊料的疲劳破坏机制在本结构中也不存在。另一方面，热扩散基板1的热导率远高于传统功率模块的铜质底板。例如，铜底板的热导率可达390 W/mK,而热扩散基板1的有效热导率可达铜底板的50倍以上。因此，无底板功率模块在增加了热扩散基板1以后，虽然从功率芯片3到散热器表面的热阻有所增加，但借助热扩散基板1的超高导热能力，大大增加了在散热器表面的有效散热面积，降低了散热器到空气中的热阻，因此，在相同的功耗和风扇条件下，功率芯片3的结温可以大为降低。作为对半导体器件可靠性的大致判断准则，功率芯片结温每降低10度，器件的工作寿命可以加倍。显而易见，通过导入热扩散基板1，相同工作条件下，因功率芯片3结温的降低而使无底板功率模块的工作寿命成倍增加；或者在同样的功率芯片3工作结温，功率模块的电流输出能力可以显著增加。由于成本的制约，电气装置的散热条件通常有限，所以提升功率器件的电流输出能力有十分重要的意义。电气装置例如变频器在运行时，不可避免会遇到过流和短路等特殊工况，这些特殊工况是对功率模块的严峻考验。通过增加无底板功率模块的散热能力，或者电流输出能力，功率模块在相同条件下运行时，其可靠性可以大大提高。
请参照图4所示，其为本领域中未安装有热扩散基板的无底板功率模块安装于散热器表面上后，通过仿真模拟功率芯片在额定电流条件下的结温分布情况，从中可以发现，功率芯片结温分布差异明显。位于模块周边的功率芯片，由于热扩散面积大，因此功率芯片结温较低，而位于模块中心部位的功率芯片，热扩散面积较低，功率芯片结温高达151℃以上。同一模块内，功率芯片之间的最大温差超过了20℃。
请参照图5所示，其为本领域中安装有热扩散基板的无底板功率模块安装于散热器表面上后，通过仿真模拟功率芯片在额定电流条件下的结温分布情况，从中可以发现，由于热扩散基板的导入，使得无底板模块在底面的散热变得非常均匀，从而使各个功率芯片的结温趋于相同，与其在模块内部的位置不再有明显的关系。而且，显著增加的散热面积降低了散热器的热阻，使功率芯片的结温变得更低。从图六可以看出，功率芯片的结温，与图五的结果相比，最高值降低了20℃以上。
以上，详细说明了本实用新型的优选实施例，但本实用新型要求保护的权利范围并不限于此，利用了本实用新型的基本概念，所属技术领域的技术人员进行的各种变形以及改善，仍属于本实用新型请求的权利范围。
Claims (5)
1.一种无底板功率模块，其包括有散热器、陶瓷覆铜基板及功率芯片，其特征在于：所述无底板功率模块还包括有设置于所述陶瓷覆铜基板和散热器之间的热扩散基板，所述热扩散基板通过物理压接的方式与所述散热器组合于一起。
2.如权利要求1所述的无底板功率模块，其特征在于：所述热扩散基板为具有高热导率的平面热管型基板。
3.如权利要求2所述的无底板功率模块，其特征在于：所述热扩散基板的材料为铝、铝合金、铜或者铜合金。
4.如权利要求3所述的无底板功率模块，其特征在于：所述热扩散基板的厚度为3毫米至7毫米。
5.如权利要求4所述的无底板功率模块，其特征在于：所述热扩散基板的最小尺寸与无底板功率模块的陶瓷覆铜基板尺寸相同，热扩散基板的最大面积的为陶瓷覆铜基板面积的2倍。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201220537607XU CN203118927U (zh) | 2012-10-20 | 2012-10-20 | 无底板功率模块 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201220537607XU CN203118927U (zh) | 2012-10-20 | 2012-10-20 | 无底板功率模块 |
Publications (1)
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| CN203118927U true CN203118927U (zh) | 2013-08-07 |
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Family Applications (1)
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| CN201220537607XU Expired - Lifetime CN203118927U (zh) | 2012-10-20 | 2012-10-20 | 无底板功率模块 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN203118927U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105600739A (zh) * | 2014-11-14 | 2016-05-25 | 英特尔公司 | 从光子器件的热移除 |
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2012
- 2012-10-20 CN CN201220537607XU patent/CN203118927U/zh not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN105600739A (zh) * | 2014-11-14 | 2016-05-25 | 英特尔公司 | 从光子器件的热移除 |
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