CN205789941U - 一种集成散热器的功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集成散热器的功率模块，包括绝缘基板，所述绝缘基板上设有芯片集合，其特征在于，所述绝缘基板下方设有散热器基座，所述散热器基座包括散热介质入口和散热介质出口，散热介质从散热介质入口进入散热器基座内部并与绝缘基板的底部接触，再通过散热介质出口流出。本实用新型通过将功率模块与散热器集成一体化，省掉了导热硅脂层；减少了传热路径，散热介质可以直接与绝缘基板下方的金属层进行换热，省去了传统安装结构中的二次焊接层、底板层、导热硅脂层及散热器，不仅简化了结构，还减小了功率模块的热阻，提高了功率模块的可靠性。

Description

一种集成散热器的功率模块

技术领域

本发明涉及功率半导体模块，尤其是一种集成散热器的功率模块。

背景技术

节能减排、低碳发展是世界性的问题，各国都已意识到发展要与环境相协调。随着绿色环保在国际上的确立与推进，功率半导体的发展应用前景更加广阔，既符合我国的能源紧张的产业现状也是构建和谐社会及可持续发展的要求。当前半导体功率单元行业迅猛发展，功率密度不断提高，功率模块的性能及可靠性往往与散热密切相关。传统的功率模块结构主要包括外壳、绝缘基板、底板等，使用时在功率模块底板的下表面涂导热硅脂，然后将功率模块安装在散热器上。

然而，导热硅脂虽然较薄，但其热导率低、热阻大，而且导热硅脂随着服役时间的增加会逐渐变干，性能进一步降低。传统功率模块结构及安装方式使得芯片到散热器的热阻较大、效率较低，无法满足功率模块小型化及高可靠度的要求。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种能够减小热阻的集成散热器的功率模块。

技术方案：一种集成散热器的功率模块，包括绝缘基板，所述绝缘基板上设有芯片集合，所述绝缘基板下方设有散热器基座，所述散热器基座包括散热介质入口和散热介质出口，散热介质从散热介质入口进入散热器基座内部并与绝缘基板的底部接触，再通过散热介质出口流出。

进一步的，所述绝缘基板的底部连接有焊接层，焊接层与散热器基座之间设有分流板，所述分流板在散热介质入口和散热介质出口连线的对应位置处设有分流梁，分流板底部设有分流栅组，分流栅组将分流板分隔成多个分流区。

进一步的，所述分流区的个数与绝缘基板的个数相同，每个绝缘基板的下方都对应一个分流区。

进一步的，所述分流栅组包括多列分流栅，多列分流栅与分流梁交叉后将每个分流区分隔成两个散热区，所述分流栅包括多个分流齿。。

进一步的，所述焊接层在散热区的对应位置处设有焊接散热孔，焊接散热孔的面积不小于散热区的面积。

进一步的，所述散热器基座在散热介质入口和散热介质出口处均设有导流槽。

进一步的，所述分流板底部设有与导流槽相应的凹槽，导流槽与凹槽配合形成导流道。

进一步的，所述导流槽末端连接有与导流槽垂直设置的散热介质缓冲槽。

进一步的，所述散热器基座与分流板之间设有密封条。

进一步的，所述散热器基座内部设有凸台，凸台置于散热区内，凸台的高度不超过分流板的厚度。

有益效果：本发明通过将功率模块与散热器集成一体化，省掉了导热硅脂层；减少了传热路径，散热介质可以直接与绝缘基板下方的金属层进行换热，省去了传热路径中安装的二次焊接层、底板层、导热硅脂层及散热器，不仅简化了结构，还减小了功率模块的热阻，提高了功率模块的可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的爆炸图；

图3是散热器基座的结构示意图；

图4是装配有凸台的散热器基座结构示意图；

图5是分流板与散热器基座的装配示意图；

图6(a)、图6(b)是散热介质流向示意图；

图7是功率模块及散热装置底面示意图；

图8是安装有分流板的功率模块底面示意图。

具体实施方式

下面通过一个最佳实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明：

如图1、图2所示，一种集成散热器的功率模块，包括绝缘基板1，由于本发明功率模块中集成了散热装置，在使用时功率模块绝缘基板1下方由于散热介质压力的存在，容易造成绝缘基板1变形及焊层疲劳。为了避免绝缘基板1变形及焊接层3的过早疲劳失效，绝缘基板1中的绝缘陶瓷层优先选用厚度为0.63mm以上的Al₂O₃，或者AlN，或者Si₃N₄，并且对于较大面积的绝缘基板1，建议将绝缘基板1分区域焊接，即分流板4多设置分流梁41；所述绝缘基板1上设有芯片集合，芯片集合可以是Si基IGBT芯片、Si基FRD芯片，也可以是宽带隙SiC-MOSFET芯片、SiC二极管芯片，或者是上述芯片的混合组合。绝缘基板1的底部焊接有焊接层3，芯片集合、绝缘基板1和焊接层3均安装在外壳内，所述绝缘基板1下方设有散热器基座2，散热器基座如图3所示，为了减轻重量，散热器基座2可以采用铝合金材料；散热器基座2与外壳相扣合，所述散热器基座2包括散热介质入口21和散热介质出口22，图中标注的散热介质入口21和散热介质出口22是可以互换的，两边是相同的两个孔，并不限制具体哪个是散热介质入口21哪个是散热介质出口22，具体以散热介质的流向而定；散热介质入口21的外侧和散热介质出口22的外侧均安装有导管7，用于接入和接出散热介质，散热器基座2与外壳之间设有密封条5，散热介质从散热介质入口21进入散热器基座2内部并与绝缘基板1的底部接触，再通过散热介质出口22流出，散热介质可以直接与绝缘基板1下表面的金属层进行换热，本实施例中的绝缘基板1为绝缘覆铜基板，其金属层即为铜层。

焊接层3与散热器基座2之间设有分流板4，分流板4与绝缘基板1通过焊接层3连接，为了便于绝缘基板1与分流板4的焊接，分流板4采用纯铜或者采用铝表面镀镍或者采用AlSiC表面镀镍；如图8所示，分流板4在散热介质入口21和散热介质出口22连线的对应位置处设有分流梁41，分流板4底部设有分流栅42组，分流栅42组将分流板4分隔成多个分流区，分流区的个数与绝缘基板1的个数相同，每个绝缘基板1的下方都对应一个分流区，分流栅42组包括多列分流栅42，多列分流栅42与分流梁41交叉后将每个分流区分隔成两个散热区，所述分流栅42包括多个分流齿。本实施例中有三个绝缘基板1，为了增强散热效果，每个绝缘基板1对应一个分流区和两个散热区。

绝缘基板1、分流板4与散热器基座2相配合，共同组成液冷散热器的流道。绝缘基板1下方的部分金属层通过焊接层3与分流板4连接，分流板4的分流栅42和分流梁41对散热介质进行分流，可以将芯片集合产生的热量通过绝缘基板1、分流板4及时带出。

分流栅42组包括多列分流栅42，所述分流栅42包括多个分流齿，每列分流栅42被分流梁41分割成上下两部分，上下两部分分流齿的个数可以相同，也可以根据其对应的绝缘基板1局部热度来调节上下部分的分流齿个数。

每列所述分流栅42包括4～12个分流齿，本实施例中分流齿为长方体，也可以采用截面为倒梯形或者三角形的分流齿，或者是将分流齿之间的间隙设置呈圆弧形状。

焊接层3在散热区的对应位置处设有焊接散热孔31，焊接散热孔31的面积不小于散热区的面积，焊接层3在本实施例中的作用是焊接绝缘基板1和分流板4，焊接区域大小及形状可根据绝缘基板1的大小进行设计，本实施例从图中可知，焊接散热孔31为三个日字型孔，实际操作中也可以根据绝缘基板1或者分流板4的形状调整焊接层3的形状，焊接层3还可以起到密封的作用；为了保证较好的焊接密封效果，以及减少芯片至分流板4的热阻，建议采用锡膏真空工艺进行焊接。。

散热器基座2在散热介质入口21和散热介质出口22处均设有导流槽23。

分流板4底部设有与导流槽23相应的凹槽43，导流槽23与凹槽43配合形成导流道，所述散热介质入口21和散热介质出口22均为圆形孔，因此为了与圆形孔相适配，导流槽23与凹槽43均为半圆柱形状，导流槽23与凹槽43拼合形成圆柱形的导流道，若散热介质入口21和散热介质出口22不是圆形孔，导流槽23与凹槽43也可以根据散热介质入口21和散热介质出口22设置为其他形状如长方体或底面为椭圆的柱体。

导流槽23末端，即导流槽23不连接散热介质入口21或散热介质出口22的一端，连接有与导流槽23垂直设置的散热介质缓冲槽24，本实施例中散热介质缓冲槽24为长方体形状，也可以是半圆柱或截面为椭圆形的柱体等其他形状，分流梁41的长度不超过散热介质入口21处的散热介质缓冲槽24到散热介质出口22处的散热介质缓冲槽24之间的距离。

上述导流槽23、凹槽43和分流槽均具有缓冲作用，可防止散热介质短路，即散热介质从最短路径流出，在流道内的不均匀流动影响了散热均匀性；同时分流板4两端的分流梁41也可以避免入口散热介质直接进入流道，有利于流场的均匀性，从而保证具有良好的散热效果。

散热器基座2与分流板4之间设有密封条5，散热器基座2的上边缘内侧设有倒角，本实施例中的倒角为四分之一圆周形状，分流板4与散热器基座2相扣合的缝隙处也设有四分之一圆周形状的倒角，散热器基座2的倒角与分流板4的倒角之间设有密封条5，该密封条5可以是密封圈也可以是注入的密封粘结胶，密封条5被外壳压住，将分流板4与散热器基座2扣合的缝隙密封，确保散热器内部无散热介质外溢；焊接层3将分流板4与绝缘基板1焊接在一起，有效阻止散热介质流入芯片集合内。

如图4所示，所述散热器基座2内部设有凸台6，凸台6置于散热区内，凸台6的高度不超过分流板4的厚度，靠近散热介质缓冲槽24的凸台6其靠近散热介质缓冲槽24的侧面是竖直设置的，其他的凸台6为棱台形状，为便于加工及安装，将凸台6的底部的四个角切割掉一小块三角形；

凸台6的主要作用：一、防止散热介质短路，即散热介质从最近的路径直接流出；二、使散热介质可以较好地与绝缘基板1下方的金属层进行接触，增加局部流速、减少流动边界层厚度，从而实现较好的换热效果。因此，凸台6的高度决定散热介质的局部流速，可以用来减少散热介质的流动边界层厚度、增加局部对流换热系数，凸台6的高度大于分流板4分流栅42组的厚度，此时可有效避免散热介质的层流状态。凸台6的个数与散热区的个数相同，都是由绝缘基板1的个数决定的；凸台6与散热器基座2为一体结构；或在凸台6内设置螺孔，可以通过螺栓将凸台6固定在散热器基座2内部；或者将凸台6通过粘结的方式固定在散热器基座2内部。

本发明的安装方法：

首先，将凸台6通过螺丝或粘结等方式固定在所述散热器基座2内部，使用螺丝固定时，所述散热器基座2内部的螺纹孔为盲孔；然后将绝缘基板1及通过焊接层3焊接在绝缘基板1下方的分流板4一并装在散热器基座2上。此时，分流板4、绝缘基板1、散热器基座2、凸台6组成完整的流道结构。

散热器基座2上边缘内侧设有倒角，并且分流板4与散热器基座2相扣合的缝隙处也设有倒角，扣合时其结合处形成槽，如图5所示，在槽内注入密封粘结胶或放置密封条5，密封后安装外壳，利用螺丝将所述散热器基座2、分流板4、外壳锁紧在一起。最后，在散热介质入口21的外侧和散热介质出口22的外侧安装导管，用于接入和接出散热介质，如图6(a)、6(b)所示，功率模块整体的背面如图8所示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“水平”、“竖直”、“上”、“下”、“宽度”、“正面”、“背面”、“底部”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设备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。

本发明省去了传统安装结构的二次焊接层、底板层、导热硅脂层及散热器，不仅简化了结构，还减小了功率模块的热阻，提高了功率模块的可靠性。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集成散热器的功率模块，包括绝缘基板(1)，所述绝缘基板(1)上设有芯片集合，其特征在于，所述绝缘基板(1)下方设有散热器基座(2)，所述散热器基座(2)包括散热介质入口(21)和散热介质出口(22)，散热介质从散热介质入口(21)进入散热器基座(2)内部并与绝缘基板(1)的底部接触，再通过散热介质出口(22)流出。

2.根据权利要求1所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于，所述绝缘基板(1)的底部连接有焊接层(3)，焊接层(3)与散热器基座(2)之间设有分流板(4)，所述分流板(4)在散热介质入口(21)和散热介质出口(22)连线的对应位置处设有分流梁(41)，分流板(4)底部设有分流栅(42)组，分流栅(42)组将分流板(4)分隔成多个分流区。

3.根据权利要求2所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于，所述分流区的个数与绝缘基板(1)的个数相同，每个绝缘基板(1)的下方都对应一个分流区。

4.根据权利要求2所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于，所述分流栅(42)组包括多列分流栅(42)，多列分流栅(42)与分流梁(41)交叉后将每个分流区分隔成两个散热区，所述分流栅(42)包括多个分流齿。

5.根据权利要求2所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于，所述焊接层(3)在散热区的对应位置处设有焊接散热孔(31)，焊接散热孔(31)的面积不小于散热区的面积。

6.根据权利要求2所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于，所述散热器基座(2)在散热介质入口(21)和散热介质出口(22)处均设有导流槽(23)。

7.根据权利要求6所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于，所述分流板(4)底部设有与导流槽(23)相应的凹槽(43)，导流槽(23)与凹槽(43)配合形成导流道。

8.根据权利要求6所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于，所述导流槽(23)末端连接有与导流槽(23)垂直设置的散热介质缓冲槽(24)。

9.根据权利要求2所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于，所述散热器基座(2)与分流板(4)之间设有密封条(5)。

10.根据权利要求2所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于，所述散热器基座(2)内部设有凸台(6)，凸台(6)置于散热区内，凸台(6)的高度不超过分流板(4)的厚度。