CN211879371U - 一种功率半导体组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及功率半导体器件技术领域，特别是涉及一种功率半导体组件。本实用新型实施例提供了一种功率半导体组件，该功率半导体组件包括通过螺钉连接的半导体焊接器件和散热器，其中半导体焊接器件包括焊接在一起的功率半导体器件和陶瓷金属复合基片。通过将功率半导体器件和陶瓷金属复合基片焊接在一起便于功率半导体组件中各部件的逐层对位安装。另外，第一金属层和第二金属层的设置可以使陶瓷基片在厚度较薄的条件下仍不易碎裂。因此，可以通过减小陶瓷基片的厚度来降低陶瓷基片的热阻，从而提升功率半导体器件的散热效率。

Description

一种功率半导体组件

技术领域

本实用新型涉及功率半导体器件技术领域，特别是涉及一种功率半导体组件。

背景技术

功率半导体器件又称为电力电子器件，主要用于电力电子电路的电能变换。功率半导体器件在工作时会因功率损耗引起器件发热升温，而温度过高会导致功率半导体器件使用寿命缩短，甚至烧毁。

为了确保功率半导体器件所产生的热量能够被有效地疏散，通常直接将功率半导体器件锁固在散热器上。由于功率半导体器件底部的铜框架带电，在其与散热器连接时，也必须满足绝缘要求。例如，可以在功率半导体器件和散热器之间添加绝缘的陶瓷基片，并在陶瓷基片的两侧涂覆导热硅脂，然后通过螺钉压条锁固或弹片压紧等方式将功率半导体器件固定在散热器上。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中，由于陶瓷基片材质较脆，通常需要具有较大的厚度以确保其在将功率半导体锁固在散热器上的过程中不易碎裂。然而，陶瓷基片的厚度越大，其本身的热阻就越大，不利于散热。

实用新型内容

为了克服功率陶瓷基片由厚度较大引起的热阻大的问题，本实用新型实施例提供一种功率半导体组件，在陶瓷基片的两侧设置金属层，使陶瓷基片在厚度较薄时仍不容易碎裂，从而可以通过降低陶瓷基片的厚度以降低其热阻。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供以下技术方案：

本实用新型实施例提供一种功率半导体组件，所述功率半导体组件包括通过螺钉连接的半导体焊接器件和散热器；其中，

所述半导体焊接器件包括功率半导体器件和与所述功率半导体器件焊接的陶瓷金属复合基片；

所述陶瓷金属复合基片包括陶瓷基片和分别设置于所述陶瓷基片两侧表面的第一金属层和第二金属层；

所述第一金属层位于所述功率半导体器件和所述陶瓷基片之间，所述第二金属层位于所述陶瓷基片和所述散热器之间。

可选的，所述第二金属层和所述散热器之间设置导热硅脂层。

可选的，所述功率半导体器件和所述第一金属层之间设置焊接层；

所述功率半导体器件通过所述焊接层与所述第一金属层焊接。

可选的，所述焊接层包括印刷锡膏层或预成型焊片层。

可选的，所述第一金属层和所述第二金属层的边沿位于所述陶瓷基片的边沿内侧。

可选的，所述第一金属层和所述第二金属层为铜层。

可选的，所述功率半导体器件上开设第一通孔，所述陶瓷金属复合基片上开设第二通孔，所述螺钉依次通过所述第一通孔和所述第二通孔与所述散热器连接。

可选的，所述第二通孔包括第三通孔、第四通孔和第五通孔；其中，

所述第一金属层上开设所述第三通孔，所述陶瓷基片上开设所述第四通孔，所述第二金属层上开设所述第五通孔，所述第四通孔的孔径小于所述第三通孔孔径和所述第五通孔的孔径。

可选的，所述陶瓷基片的厚度为小于或等于0.3mm，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度均为0.1mm-1.0mm。

可选的，所述第一金属层、所述陶瓷基片层和所述第二金属层的总厚度小于或等于2.0mm。

本实用新型实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例提供了一种功率半导体组件，该功率半导体组件包括通过螺钉连接的半导体器件和散热器，其中半导体器件包括焊接在一起的功率半导体器件和陶瓷金属复合基片。通过将功率半导体器件和陶瓷金属复合基片焊接在一起便于功率半导体组件中各部件的逐层对位安装。另外，第一金属层和第二金属层的设置可以使陶瓷基片在厚度较薄的条件下仍不易碎裂。因此，可以通过减小陶瓷基片的厚度来降低陶瓷基片的热阻，从而提升功率半导体器件的散热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的一种功率半导体组件的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种陶瓷金属复合基片的剖视示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种陶瓷金属复合基片的俯视示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种陶瓷金属复合基片的仰视示意图；

图5是本实用新型实施例提供的一种功率半导体组件的装配工艺流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互组合，均在本实用新型的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块的划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置示意图中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

功率半导体器件是电子产品的基础元器件之一，在电力电子行业有着非常广泛的应用。为了使功率半导体器件达到良好的散热、绝缘效果，通常需要在功率半导体器件和散热器之间设置散热绝缘介质，然后通过螺钉将功率半导体器件固定在散热器上。

作为功率半导体器件和散热器之间的散热绝缘介质之一，陶瓷基片存在耐高温、电绝缘性能好以及导热系数较高等优点。但由于陶瓷基片的本身脆性较大，对散热器和陶瓷基片本身的平整度、装配时的扭力的大小的具有较高的要求。而且，陶瓷基片即使出现裂纹也很难被发现，在应用时存在较大弊端。因此，本实用新型提供一种功率半导体组件，采用双面覆铜的陶瓷基片作为散热绝缘介质，可以在大幅度减薄陶瓷基片的同时，提升陶瓷基片的整体强度，有效避免陶瓷基片在螺钉锁固的过程中出现破碎、开裂的情况。为了便于理解本实用新型，下面结合具体的实施例来说明。

请参阅图1，图1是本实用新型实施例提供的一种功率半导体组件的结构示意图，如图1所示，功率半导体组件10依次包括螺钉11和通过螺钉11连接的功率半导体器件12、陶瓷基片13和散热器14；其中，陶瓷基片13的两侧表面分别设置互相绝缘的第一金属层15和第二金属层16，功率半导体器件12与第一金属层15固定连接，散热器14与第二金属层16连接。

本实用新型实施例中的功率半导体器件12可以是功率半导体分立器件，例如，功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管和二极管等。陶瓷基片13可以是氧化铝陶瓷基片或氮化铝陶瓷基片。氧化铝陶瓷和氮化铝陶瓷具有较高的导热系数，其中，氧化铝陶瓷片的导热系数为 20-28W/mk，氮化铝陶瓷片的导热系数为100-260W/mk。陶瓷基片13、第一金属层15和第二金属层16共同构成陶瓷金属复合基片。陶瓷复合金属基板起到导热和绝缘的作用。构成第一金属层15和第二金属层16 的材料可以是任意合适的、导热性能良好的金属，例如，金属铜。当第一金属层15和第二金属层16的材料为金属铜时，陶瓷金属复合基片也称为双面覆铜陶瓷基片。

在一些实施例中，功率半导体器件12和第一金属层15的固定连接方式为焊接。陶瓷复合金属基板通过钎焊工艺焊接在功率半导体器件的相应位置。可选的，在本实用新型的某些实施例中，功率半导体器件12 通过焊接层17与第一金属层15连接。可选的，焊接层17可以是印刷锡膏层或预成型焊片层。本实用新型实施例中的焊接方式包括回流焊接。本实用新型实施例中的焊料可以是融点为138℃～400℃钎焊合金。通常，焊接材料的导热系数远远大于导热硅脂，因此，相对于使用导热硅脂粘接的方式，焊接的方式可以大大提高功率半导体组件10的散热效率。

现有技术中，功率半导体组件中的陶瓷基片通常需要双面涂覆导热硅脂，然后通过螺钉压条锁固或弹片压紧等方式固定在功率半导体器件和散热器之间。需要将陶瓷基片与功率半导体器件逐层对位安装，对各部件的定位及工装夹具的设计加工有较高要求。而本实用新型实施例中，将功率半导体器件12与陶瓷金属复合基片通过焊接的方式形成一个组件(即，半导体焊接器件)，安装功率半导体组件10时，直接将半导体焊接器件通过螺钉安装在散热器14上，而不需要将陶瓷基片14与功率半导体器件12逐层对位安装，从而降低对安装操作的要求。

本实用新型实施例中的陶瓷基片13、第一金属层15和第二金属层 16需要在特定的条件下才能紧密结合在一起。在一些实施例中，第一金属层15和第二金属层16通过键合的方式与陶瓷基片13的两侧表面结合。例如，将陶瓷基片13的双面覆盖上铜金属后，经由高温1065-1085℃的环境加热，使铜金属因高温氧化、扩散与氧化铝或氮化铝产生共晶熔体，使铜金属与陶瓷基片键合，形成陶瓷金属复合基片。以键合的方式形成的陶瓷金属复合基片的第一金属层15和第二金属层16与陶瓷基片 13之间的结合更加牢固。

在一些实施例中，功率半导体器件12上开设第一通孔(图未示)，陶瓷金属复合基片上开设第二通孔，螺钉11依次通过第一通孔和第二通孔与散热器14连接。在另一些实施例中，在散热器14上预埋有螺钉绝缘件(图未示)，用于对螺钉11和散热器进行绝缘。本实用新型实施例中的螺钉11可以是组合机牙螺钉或自攻螺钉。

请同时参阅图2、图3和图4，图2、图3和图4是本实用新型实施例提供的一种陶瓷金属复合基片的剖视、俯视和仰视示意图。如图2、图3和图4所示，在一些实施例中，第二通孔还包括开设与第一金属层 15上的第三通孔151，开设在于陶瓷基片13上的第四通孔131，以及开设于第二金属层上的第五通孔161，且第三通孔151、第四通孔131和第五通孔161的中心位于同一轴线上。可选的，在本实用新型的某些实施例中，且第三通孔151、第四通孔131和第五通孔161均为圆柱形通孔。

在一些实施例中，为了确保第一金属层15和第二金属层16之间为绝缘状态，第四通孔131的孔径小于第三通孔151和第五通孔161的孔径；另外，第一金属层15的面积小于陶瓷基片13上表面的面积，且第二金属层16的面积小于陶瓷基片13下表面的面积；而且，第一金属层 15和所述第二金属层16的边沿位于陶瓷基片13的边沿内侧。

本实用新型实施例中陶瓷金属复合基片总厚度小于或等于2.0mm。其中，陶瓷基片13层的厚度0.1mm-1.0mm，第一金属层15和第二金属层16的厚度均为0.1mm-1.0mm。传统设计陶瓷基片厚度一般为0.6mm 以上且在锁固螺钉时极易断裂，本实用新型因使用陶瓷金属复合基片代替传统的陶瓷基片可将陶瓷基片的厚度至少减少一半。而且，较传统的陶瓷基片而言，本实用新型实施例中的陶瓷金属复合基片的整体强度大幅度提升。故在使用螺钉锁固时，陶瓷基片13不易发生碎裂。同时，由于陶瓷基片13厚度的减小，进一步降低了陶瓷基片13的热阻。

为了填充第二金属层16和散热器14之间的空气缝隙，以获得更大的导热率，在一些实施例中，第二金属层16和散热器14之间设置导热硅脂层18。导热硅脂层18的作用是向散热器14传导功率半导体器件 12散发出来的热量。在散热与导热应用中，即使表面非常光洁的两个表面在相互接触时也会有空隙出现。由于这些空隙中的空气是热的不良导体，因此会阻碍热量向散热器14的传导；而导热硅脂可以填充这些空隙，使热量的传导更加顺畅和迅速。

导热硅脂是以有机硅酮为主要原料，添加耐热且导热性能优异的材料制成的导热型有机硅脂状复合物。导热硅脂既具有优异的电绝缘性，又具有优异的导热性能；同时，还具备较宽的温度使用范围，并且对接触的金属无腐蚀作用。使用时，只要将导热硅脂涂抹于第二金属层16 或散热器14的接触面，便可消除接触面之间的空气间隙。

尽管导热硅脂可以填充第二金属层16和散热器14之间的空气缝隙，获得更大的导热率，但其导热率始终比金属散热器14要低，如果涂的太厚不仅起不到提高导热的作用，反而不利于热量的疏散，但是涂得太薄则不能有效填充散热器和发热配件之间的空气缝隙，提高导热率的作用不够明显。在一些实施例中，为了获得较好的导热效果，导热硅脂的厚度可以为0.08mm-0.12mm。

本实用新型实施例中散热器的散热方式包括自然冷却、强制风冷和水冷。在一些实施例中，散热器14可以是散热基板。散热基板可以根据需求采用导热性能优异的金属基板，其材质包括但不限于铜基、铝基等材料。在另一些实施例中，散热器的一端为开设安装孔的安装平台，另一端为散热齿片结构；散热齿片由多片平行排列的具有一定间距的片状散热结构构成。散热器通过散热基板吸收热量，并通过散热齿片将热量散发到空气中。

在另一些实施例中，散热器14包括平面基板和至少一个风扇，可以将功率半导体器件12和陶瓷金属复合基片放置在平面基板上，利用平面基板上部或下部的多个风扇吸空气或吹空气，带走功率半导体器件产生的热量。可选的，散热器14还可以包括包含内室的冷却板，可以将功率半导体器件12和陶瓷金属复合基片放置在冷却板上，冷却水经由冷却水路入口被泵吸入冷却板的内室，吸收功率半导体器件产生的热量。

请参阅图5，图5是本实用新型实施例提供的一种功率半导体组件的装配工艺流程图。如图5所示，本实施例中，功率半导体组件的装配工艺具体包括以下步骤：

S11、将功率半导体器件12与陶瓷金属复合基片焊接形成半导体焊接器件；

本实施例中，在功率半导体器件12的底部铜框架与陶瓷金属复合基片的第一金属层15之间填充焊料层，然后将功率半导体器件12与陶瓷金属复合基片通过夹具对齐。采用回流焊接工艺将功率半导体器件和陶瓷金属复合基片焊接成半导体焊接器件。

S12、在半导体焊接器件与散热器14之间填充导热硅脂，通过螺钉 11将半导体焊接器件和散热器14固定。

在第二金属层12与散热器14之间填充导热硅脂后，将半导体焊接器件与散热器14贴合，使用螺钉穿过第一通孔和第二通孔将半导体焊接器件与散热器锁紧组装，得到功率半导体组件10。

本实用新型实施例提供了一种功率半导体组件，该器件包括通过螺钉连接的功率半导体器件、陶瓷基片和散热器；其中，陶瓷基片的两侧均设置金属层。两侧金属层的设置可以使陶瓷基片在厚度较薄的条件下仍不易碎裂。因此，可以通过减小陶瓷基片的厚度来降低陶瓷基片的热阻，从而提升功率半导体器件的散热效率。传统设计陶瓷基片厚度一般为0.6mm以上且在锁固螺钉时极易断裂，本实用新型因使用陶瓷金属复合基片取代传统的陶瓷基片，可将陶瓷基片的厚度降低一半，且整体强度大幅度提升，锁固螺钉时不易发生陶瓷断裂，同时由于陶瓷层厚度的减少，而进一步降低陶瓷基片的热阻。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种功率半导体组件，其特征在于，所述功率半导体组件包括螺钉和通过所述螺钉连接的半导体焊接器件和散热器；其中，

所述半导体焊接器件包括功率半导体器件和与所述功率半导体器件焊接的陶瓷金属复合基片；

所述陶瓷金属复合基片包括陶瓷基片和分别设置于所述陶瓷基片两侧表面的第一金属层和第二金属层；

所述第一金属层位于所述功率半导体器件和所述陶瓷基片之间，所述第二金属层位于所述陶瓷基片和所述散热器之间。

2.根据权利要求1所述的功率半导体组件，其特征在于，所述第二金属层和所述散热器之间设置导热硅脂层。

3.根据权利要求1所述的功率半导体组件，其特征在于，所述功率半导体器件和所述第一金属层之间设置焊接层；

所述功率半导体器件通过所述焊接层与所述第一金属层焊接。

4.根据权利要求3所述的功率半导体组件，其特征在于，所述焊接层包括印刷锡膏层或预成型焊片层。

5.根据权利要求1-4任一项所述的功率半导体组件，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层的边沿位于所述陶瓷基片的边沿内侧。

6.根据权利要求5所述的功率半导体组件，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层为铜层。

7.根据权利要求5所述的功率半导体组件，其特征在于，所述功率半导体器件上开设第一通孔，所述陶瓷金属复合基片上开设第二通孔，所述螺钉依次通过所述第一通孔和所述第二通孔与所述散热器连接。

8.根据权利要求7所述的功率半导体组件，其特征在于，所述第二通孔包括第三通孔、第四通孔和第五通孔；其中，

所述第一金属层上开设所述第三通孔，所述陶瓷基片上开设所述第四通孔，所述第二金属层上开设所述第五通孔，所述第四通孔的孔径小于所述第三通孔孔径和所述第五通孔的孔径。

9.根据权利要求8所述的功率半导体组件，其特征在于，所述陶瓷基片的厚度为0.1mm-1.0mm，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度均为0.1mm-1.0mm。

10.根据权利要求9所述的功率半导体组件，其特征在于，所述陶瓷金属复合基片的厚度小于或等于2.0mm。

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