CN214672589U - 一种功率半导体模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率半导体模块，其中：散热片的第二表面上设置有第一图形结构；基板通过其第一表面设置于散热片的第二表面上，基板的第一表面上设置有第二图形结构，基板的第二表面上设置有第三图形结构，第二图形结构与第一图形结构相互嵌合，以使散热片的第二表面与基板的第一表面紧密贴合；DCB导热结构通过其第一表面设置于基板的第二表面上，DCB导热结构的第一表面上设置有第四图形结构，第四图形结构与第三图形结构相互嵌合，以使DCB导热结构第一表面与基板的第二表面紧密贴合；芯片设置于DCB导热结构的第二表面上。该功率半导体模块能够有效的降低热阻，提高其最大工作电流、最大工作频率，并扩大模块的安全工作区，延长器件的使用寿命。

Description

一种功率半导体模块

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种功率半导体模块。

背景技术

随着封装技术的发展和系统集成度的提高，以大功率发光二极管(LED)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、激光器(LD)为代表的功率半导体器件内部电路结构的复杂化、紧凑化及工作电流增大所带来的耗散功率随之增加，进而使得器件内部的模块所遇到的大发热量的问题更为突出，这对在模块封装过程中起到支撑芯片及电气绝缘作用的基板材料提出了更高的散热性能要求，散热性能不好的基板材料会直接影响器件的使用性能和可靠性。

热阻是功率半导体器件的最重要的参数之一。它不仅体现这功率半导体器件的散热性能，还决定着功率半导体器件的最大功耗、最大工作电流、最大脉冲工作电流、最大工作频率等与电流相关的参数，从而决定着器件的安全工作区；降低器件的热阻，可以增加器件的安全工作区，有效挖掘模块的工作潜力，延长其使用寿命；因而，如何降低整个功率半导体器件的热阻，成为获得高使用性能和高可靠性功率半导体器件亟需解决的问题。

实用新型内容

为了解决背景技术中至少一个技术问题，本实用新型提供一种功率半导体模块，该功率半导体模块能够有效的降低热阻，提高其最大工作电流、最大工作频率，并扩大模块的安全工作区，延长器件的使用寿命。

本实用新型所采用的技术方案具体如下：

本实用新型提供一种功率半导体模块，包括：

散热片，具有相对设置的第一表面和第二表面，散热片的第二表面设置有第一图形结构；

基板，具有相对设置的第一表面和第二表面，基板通过其第一表面设置于散热片的第二表面上，基板的第一表面设置有第二图形结构，基板的第二表面设置有第三图形结构，第二图形结构与第一图形结构相互嵌合，以使散热片的第二表面与基板的第一表面紧密贴合；

DCB导热结构，具有相对设置的第一表面和第二表面，DCB导热结构通过其第一表面设置于基板的第二表面上，DCB导热结构的第一表面设置有第四图形结构，第四图形结构与第三图形结构相互嵌合，以使DCB导热结构第一表面与基板的第二表面紧密贴合；

芯片，设置于DCB导热结构的第二表面上。

可选地，第一图形结构包括形成于散热片的第二表面的第一凹槽及若干个第一凸起，若干个第一凸起均匀分布于第一凹槽的底部表面上，且在垂直于第一凹槽的底部表面的方向上，第一凸起自第一凹槽的底部表面向上延伸；

第二图形结构包括均匀分布于基板的第一表面上的若干个第二凹槽及除第二凹槽之外的第二凸起；

其中，若干个第一凸起嵌合于若干个第二凹槽内，第二凸起嵌合于第一凹槽内。

可选地，第一凹槽的长度大于或等于基板的长度，第一凹槽的宽度大于或等于基板的宽度。

可选地，第二凹槽的深度占基板厚度的20～30％，深宽比为1。

可选地，第一凹槽的深度等于第一凸起的延伸高度。

可选地，第一凹槽的深度等于第二凹槽的深度。

可选地，第三图形结构包括形成于基板的第二表面的第三凹槽及若干个第三凸起；若干个第三凸起均匀分布于第三凹槽的底部表面上，且在垂直于第三凹槽的底部表面的方向上，第三凸起至第三凹槽的底部表面向上延伸；

第四图形结构包括均匀分布于DCB导热结构的第一表面的若干个第四凹槽及除第四凹槽之外的第四凸起；

其中，若干个第三凸起嵌合于若干个第四凹槽内，第四凸起嵌合于第三凹槽内。

可选地，第三凹槽的长度大于或等于DCB导热结构的长度，第三凹槽的宽度大于或等于DCB导热结构的宽度。

可选地，第四凹槽的深度占DCB导热结构的10％～20％，深宽比为1。

可选地，第三凹槽的深度等于第三凸起的延伸高度。

可选地，第三凹槽的深度等于第四凹槽的深度。

与现有技术相比，本实用新型所述的功率半导体模块至少具备如下有益效果：

本实用新型的功率半导体模块，包括：散热片，具有相对设置的第一表面和第二表面，散热片的第二表面设置有第一图形结构；基板，具有相对设置的第一表面和第二表面，基板通过其第一表面设置于散热片的第二表面上，基板的第一表面设置有第二图形结构，基板的第二表面设置有第三图形结构，第二图形结构与第一图形结构相互嵌合，以使散热片的第二表面与基板的第一表面紧密贴合；DCB导热结构，具有相对设置的第一表面和第二表面，DCB导热结构通过其第一表面设置于基板的第二表面上，DCB导热结构的第一表面设置有第四图形结构，第四图形结构与第三图形结构相互嵌合，以使DCB导热结构第一表面与基板的第二表面紧密贴合；芯片，设置于DCB导热结构的第二表面上。由此，本实用新型通过对散热片、基板及DCB导热结构接触面的图形化设置，能够增加基板与DCB导热结构的热流通路，进而降低模块的总体热阻，提高其最大工作电流、最大工作频率，并扩大模块的安全工作区，延长器件的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中功率半导体器件的纵向剖视结构示意图；

图2为固体接触面微观形态及热流通路示意图；

图3为IGBT模块热阻值的构成示意图；

图4为本实用新型实施例中功率半导体器件的纵向剖视结构示意图；

图5为本实用新型一实施例中散热片的第二表面的结构示意图；

图6为本实用新型一实施例中基板的第一表面的结构示意图；

图7为本实用新型一实施例中基板的第二表面的结构示意图；

图8为本实用新型一实施例中DCB导热结构的第一表面的结构示意图；

图9为本实用新型一实施例中基板的第二表面的结构示意图；

图10为本实用新型一实施例中DCB导热结构的第一表面的结构示意图。

附图标记列表：

1 散热片

2 基板

3 DCB

4 IGBT芯片

5 键合线

6 FRD芯片

7 螺栓

8 外壳

100 散热片

101 散热片的第一表面

102 散热片的第二表面

1021 第一凹槽

1022 第一凸起

200 基板

201 基板的第一表面

2011 第二凹槽

2012 第二凸起

202 基板的第二表面

2021 第三凹槽

2022 第三凸起

300 DCB导热结构

301 DCB导热结构的第一表面

3011 第四凹槽

3012 第四凸起

302 DCB导热结构的第二表面

400 第一芯片

500 键合线

600 第二芯片

700 螺栓

800 外壳

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1，传统的IGBT模块是由散热片1、基板2、DCB3、IGBT芯片4、键合线5、FRD芯片6、螺栓7及外壳8构成。在工作时，IGBT模块中的IGBT芯片4和FRD芯片5会产生热量，该热量经由芯片、DCB6、基板7传输到基板7的底面，然后由基板7底面传导至外接的散热片8。目前在模块各组件的材料种类、体积、表面平整度等不变的情况下，IGBT模块的热阻基本固定，如何进一步降低模块热阻面临瓶颈。

一般地，功率半导体模块的热阻是R＝R1+R2+R3+R4+R5+R6。其中：R1为芯片热阻；R2为芯片至DCB的界面热阻；R3为DCB热阻；R4为DCB至基板的界面热阻；R5为基板热阻；R6为基板下表面传输到外接散热片的界面热阻。参照图1，现有IGBT模块通常使用平整的DCB和基板，其散热表面平整，接触面积固定。而接触面积能够增加热流通路，降低热阻，如图2所示。同时参照图3，在IGBT模块热阻值的构成中，R4约占R的10％，R6约占R的47％；因此，可以通过改变DCB及基板的接触面积的角度出发，降低R4和R6的热阻值，进而降低模块总的热阻值R。

基于此，本实用新型提供一种功率半导体模块，能够有效的增加DCB、基板及散热片之间的热流通路，降低模块热阻。

参照图4，本实施例提供一种功率半导体模块，包括：散热片100、基板200、DCB导热结构300及第一芯片400和第二芯片600；其中，散热片100具有相对设置的第一表面101和第二表面102，基板200也具有相对设置的第一表面201和第二表面202，基板200通过其第一表面201设置于散热片100的第二表面101上，DCB导热结构300具有相对的第一表面301和第二表面302，DCB导热结构300通过其第一表面301设置于基板200的第二表面202上；第一芯片400和第二芯片600间隔分布于DCB导热结构300的第二表面302上，并通过键合线500连接。

可选地，该功率半导体模块还包括外壳800，该外壳800固定于基板200的第二表面202上，并覆盖DCB导热结构300以及位于DCB导热结构300上的第一芯片400和第二芯片600；该外壳800通过螺栓700固定于基板200的第二表面202上。散热片100为金属材料制作，其材质一般为铝或者铜。基板200为导热基板，可以为金属材料，也可为非金属导热材料；DCB导热结构为绝缘导热材料，例如，覆铜陶瓷基板。可选地，该功率半导体模块可以为IGBT模块、整流模块等其他功率半导体模块，且当功率半导体模块为IGBT模块时，第一芯片400和第二芯片600分别为IGBT芯片和FRD芯片。

为了降低功率半导体模块的散热片100及基板200之间的界面电阻，参照图4、5及6，本实施例在散热片100的第二表面102设置有第一图形结构，基板200的第一表面201设置有第二图形结构，第二图形结构与第一图形结构相互嵌合，以使散热片100的第二表面102与基板200的第一表面201紧密贴合。

具体地，参照图5，第一图形结构包括设置于散热片100的第二表面102的第一凹槽1021及若干个第一凸起1022；若干个第一凸起1022均匀分布于第一凹槽1021的底部表面上，且在垂直于第一凹槽1021的底部表面的方向上，若干个第一凸起1022自第一凹槽1021的底部表面向上延伸；参照图6，第二图形结构包括均匀分布于基板200的第一表面201上的若干个第二凹槽2011及除基板200第一表面201的第二凹槽2011之外的第二凸起2012；其中，若干个第一凸起1022嵌合于若干个第二凹槽2011内，第二凸起2012嵌合于第一凹槽1021内，以使基板200第一表面201与散热片100的第二表面102的紧密贴合。可选地，参照图5和6，第一凹槽1021的长度大于或等于基板200长度，第一凹槽1021的宽度大于或等于基板200的宽度，由此，基板200能够嵌合于散热片100的第一凹槽1021内，并且，基板200嵌入散热片100第一凹槽1021的深度取决于第一凸起1022的高度及第二凹槽2011的深度；当第一凹槽1021的深度等于第一凸起1022的延伸高度；第一凹槽1021的深度等于第二凹槽2011的深度时，散热片100上的第一凸起1022能够与基板200上的第二凹槽2011底部表面相接触，实现完全嵌合，由此，散热片及基板的接触面积大，热流通路多，有助于模块的快速散热。可选地，第二凹槽2011的深度占基板200的20％～30％；第二凹槽2011的深宽比为1，该种设置能够更加有效的增加基板与散热片之间的散热通路，降低界面热阻。可选地，第二凹槽2011或第一凸起1022的形状可以为方形、圆锥形、条形、六角形、圆形，也可以为上述形状的组合，在此不再一一赘述，本实施例以附图5-6中的条形形状为例，方形形状可参照附图9和10中基板第二表面及DCB导热结构第一表面的分布；由此，图形接触面的截面形状可以为锯齿形或波浪状等。可选地，第二凹槽2011及第一凸起1022的排布可以为任意的排布形式，附图5-6、9-10中分别以阵列式排布及间隔排布为例说明。

为了进一步降低功率半导体模块的界面热阻，增加热流通路；参照图4、7-10，本实施例在基板200的第二表面202设置有第三图形结构，在DCB导热结构300的第一表面301上设置有第四图形结构；且第四图形结构与第三图形结构相互嵌合，使DCB导热结构300第一表面301与基板200的第二表面202的紧密贴合。

具体地，参照图7或图9，第三图形结构包括设置于基板200的第二表面的第三凹槽2021及若干个第三凸起2022；若干个第三凸起2022均匀分布于第三凹槽2021的底部表面上，且在垂直于第三凹槽2021的底部表面的方向上，若干个第三凸起2022至第三凹槽2021的底部表面向上延伸；参照图8或图10，第四图形结构包括均匀分布于DCB导热结构300的第一表面的若干个第四凹槽3011及除DCB导热结构300第一表面301的第四凹槽3011之外的第四凸起3012；其中，若干个第三凸起2022嵌合于若干个第四凹槽3011内，第四凸起3012嵌合于第三凹槽2021内，以使DCB导热结构300第一表面301与基板200的第二表面202的紧密贴合。可选地，参照图7-8或图9-10，第三凹槽2021的长度大于或等于DCB导热结构300的长度，第三凹槽2021的宽度大于或等于DCB导热结构300的宽度，由此，DCB导热结构300能够嵌合于基板200的第三凹槽2021内，并且，DCB导热结构300嵌入基板200第三凹槽2021的深度取决于第三凸起2022的高度及第四凹槽3011的深度；当第三凹槽2021的深度等于第三凸起2022的延伸高度，第三凹槽2021的深度等于第四凹槽3011的深度时，基板200上的第三凸起2022能够与DCB导热结构300上的第四凹槽3011的底部表面相接触，实现完全嵌合；可选地，第四凹槽3011的深度占DCB导热结构300的10％～20％；第四凹槽3011的深宽比为1，由此能够形成较多的热流通路，有效降低热阻。可选地，第四凹槽3011或第三凸起2022的形状可以为方形、圆锥形、条形、六角形、圆形，附图7～10以条形及方形为例，由此，获得的图形接触面的截面形状可以为锯齿形或波浪状等。可选地，第四凹槽3011及第三凸起2022的排布可以为任意的排布形式，附图7～10以阵列式排布及间隔排布为例。

上述实施例中所述的图形结构均可以通过激光精细加工等技术形成，DCB导热结构表面的图形结构还可通过深刻蚀等工艺实现。

综上，本实用新型所述的功率半导体模块至少具备如下有益效果：

本实用新型的功率半导体模块，包括：散热片，具有相对设置的第一表面和第二表面，散热片的第二表面设置有第一图形结构；基板，具有相对设置的第一表面和第二表面，基板通过其第一表面设置于散热片的第二表面上，基板的第一表面设置有第二图形结构，第二图形结构与第一图形结构相互嵌合，以使散热片的第二表面与基板的第一表面紧密贴合；基板的第二表面设置有第三图形结构；DCB导热结构，具有相对设置的第一表面和第二表面，DCB导热结构通过其第一表面设置于基板的第二表面上，DCB导热结构的第一表面设置有第四图形结构，第四图形结构与第三图形结构相互嵌合，以使DCB导热结构第一表面与基板的第二表面紧密贴合；芯片，设置于所述DCB导热结构的第二表面上。由此，本实用新型通过对散热片、基板及DCB导热结构接触面的图形化设置，能够增加基板与DCB导热结构的热流通路，进而降低模块的总体热阻，提高其最大工作电流、最大工作频率，并扩大模块的安全工作区，延长器件的使用寿命。

本具体的实施例仅仅是对本实用新型的解释，而并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (11)

1.一种功率半导体模块，其特征在于，包括：

散热片，具有相对设置的第一表面和第二表面，所述散热片的第二表面设置有第一图形结构；

基板，具有相对设置的第一表面和第二表面，所述基板通过其第一表面设置于所述散热片的第二表面上，所述基板的第一表面设置有第二图形结构，所述基板的第二表面设置有第三图形结构，所述第二图形结构与所述第一图形结构相互嵌合，以使所述散热片的第二表面与所述基板的第一表面紧密贴合；

DCB导热结构，具有相对设置的第一表面和第二表面，所述DCB导热结构通过其第一表面设置于所述基板的第二表面上，所述DCB导热结构的第一表面设置有第四图形结构，所述第四图形结构与所述第三图形结构相互嵌合，以使所述DCB导热结构第一表面与所述基板的第二表面紧密贴合；

芯片，设置于所述DCB导热结构的第二表面上。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，

所述第一图形结构包括形成于所述散热片的第二表面的第一凹槽及若干个第一凸起，所述若干个第一凸起均匀分布于所述第一凹槽的底部表面上，且在垂直于所述第一凹槽的底部表面的方向上，所述第一凸起自所述第一凹槽的底部表面向上延伸；

所述第二图形结构包括均匀分布于所述基板的第一表面的若干个第二凹槽及除所述第二凹槽之外的第二凸起；

其中，所述若干个第一凸起嵌合于所述若干个第二凹槽内，所述第二凸起嵌合于所述第一凹槽内。

3.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一凹槽的长度大于或等于所述基板的长度，所述第一凹槽的宽度大于或等于所述基板的宽度。

4.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第二凹槽的深度占所述基板厚度的20～30％，深宽比为1。

5.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一凹槽的深度等于所述第一凸起的延伸高度。

6.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一凹槽的深度等于所述第二凹槽的深度。

7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，

所述第三图形结构包括形成于所述基板的第二表面的第三凹槽及若干个第三凸起；所述若干个第三凸起均匀分布于所述第三凹槽的底部表面上，且在垂直于所述第三凹槽的底部表面的方向上，所述第三凸起至所述第三凹槽的底部表面向上延伸；

所述第四图形结构包括均匀分布于所述DCB导热结构的第一表面的若干个第四凹槽及除所述第四凹槽之外的第四凸起；

其中，所述若干个第三凸起嵌合于所述若干个第四凹槽内，所述第四凸起嵌合于所述第三凹槽内。

8.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第三凹槽的长度大于或等于所述DCB导热结构的长度，所述第三凹槽的宽度大于或等于所述DCB导热结构的宽度。

9.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第四凹槽的深度占所述DCB导热结构的10％～20％，深宽比为1。

10.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第三凹槽的深度等于所述第三凸起的延伸高度。

11.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第三凹槽的深度等于所述第四凹槽的深度。

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