CN216928558U - 散热电路板以及散热模块 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种散热电路板以及散热模块，涉及半导体技术领域。其中，散热模块包括散热电路板和功率芯片，散热电路板与功率芯片之间设置有焊料层，散热电路板包括沿远离功率芯片的方向依次层叠设置的第一散热基板、第二散热基板和第三散热基板，功率芯片通过焊料层与第一散热基板连接；第二散热基板的厚度大于散热电路板总厚度的1/7。本申请通过调整第二散热基板的厚度，提高了散热模块的散热效果，降低了各层材料发生松弛甚至裂纹的几率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术，尤其涉及一种散热电路板以及散热模块。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)模块的热退化是由于模块因受热应力冲击而导致的疲劳损伤。引起模块热退化的因素率包括电、热、机械等各方面，模块在内部的逐步疲劳积累和外加工作条件的共同作用下主要引起模块的热退化，进而诱发电性偏移的电退化和焊料层受应力强度而出现裂痕的机械退化。因此，研究IGBT模块热退化机理具有重要意义。
IGBT模块包括覆铜陶瓷基板(Direct Bonding Copper，简称DBC)，在长时间或高频率的使用下，DBC的散热效果不佳，从而影响IGBT模块的散热效果。
实用新型内容
本申请的目的在于提供了一种散热电路板以及散热模块以解决电路基板以及散热模块散热效果不佳的问题。
为此，第一方面，本申请实施例提供了一种散热模块，包括散热电路板和功率芯片，所述散热电路板与所述功率芯片之间设置有焊料层，所述散热电路板包括沿远离所述功率芯片的方向依次层叠设置的第一散热基板、第二散热基板和第三散热基板，所述功率芯片通过所述焊料层与所述第一散热基板连接；其中，所述第二散热基板的厚度大于所述散热电路板总厚度的1/7。
在一种可能的实现方式中，所述焊料层与所述第一散热基板之间形成有第一热扩散角，所述第一散热基板与所述第二散热基板之间形成第二热扩散角，所述第二散热基板与所述第三散热基板之间形成有第三热扩散角；其中，所述第二热扩散角大于所述第一热扩散角，所述第二热扩散角大于所述第三热扩散角。
在一种可能的实现方式中，所述散热电路板的厚度在1mm-1.5mm之间，所述第二散热基板的厚度为所述散热电路板的厚度的1/3-1/2。
在一种可能的实现方式中，所述第一散热基板、所述第二散热基板以及所述第三散热基板的厚度相等。
在一种可能的实现方式中，所述第一散热基板和所述第三散热基板为铜板件；和/或，所述第二散热基板为陶瓷板件。
在一种可能的实现方式中，还包括冷却板，所述冷却板设置于所述散热电路板远离所述功率芯片的一侧。
第二方面，本申请实施例提供了一种散热电路板，用于与散热模块的功率芯片电连接，所述散热电路板包括沿远离所述功率芯片的方向依次层叠设置的第一散热基板、第二散热基板和第三散热基板，所述功率芯片通过焊料层与所述第一散热基板连接；所述第二散热基板的厚度大于所述散热电路板总厚度的1/7。
在一种可能的实现方式中，所述焊料层与所述第一散热基板之间形成有第一热扩散角，所述第一散热基板与所述第二散热基板之间形成第二热扩散角，所述第二散热基板与所述第三散热基板之间形成有第三热扩散角；其中，所述第二热扩散角大于所述第一热扩散角，所述第二热扩散角大于所述第三热扩散角。
在一种可能的实现方式中，所述散热电路板的厚度在1mm-1.5mm之间，所述第二散热基板的厚度为所述散热电路板的厚度的1/3-1/2。
在一种可能的实现方式中，所述第一散热基板、所述第二散热基板以及所述第三散热基板的厚度相等。
根据本申请实施例提供的散热模块，包括散热电路板和功率芯片，散热电路板与功率芯片之间设置有焊料层，散热电路板包括沿远离功率芯片的方向依次层叠设置的第一散热基板、第二散热基板和第三散热基板，功率芯片通过焊料层与第一散热基板连接；其中，第二散热基板的厚度大于散热电路板总厚度的1/7。本申请通过调整第二散热基板的厚度，增加了第二散热基板的厚度，从而增加了散热电路板的热扩散面积，提高了散热电路板的散热效果，进而提高了散热模块的散热效果，降低了各层材料发生松弛甚至裂纹的几率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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。另外，在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，且附图并未按照实际的比例绘制。
图1示出本申请实施例提供的一种散热模块的部分结构示意图。
附图标记说明：
1、散热电路板；11、第一散热基板；12、第二散热基板；13、第三散热基板；2、功率芯片；3、焊料层。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)模块，IGBT模块承载应力时必定会产生损耗，根据IGBT模块的热传分析可知，IGBT模块的每层材料热导能力不同，每层材料都会承载不同程度的热应力，而热应力作用可以加速材料退化。实际上，对于任何材料而言，任何温度都会对材料本身产生一定的热损伤。对于大部分材料而言，温度高时热疲劳积累快，热疲劳状态取决于与温度相关的热损伤强度对时间的积累。不限定时间的话任何温度都是不安全的，所以说任何材料在温度的作用下会不断的疲劳退化。变流工况下，高温热损伤和冲击热损伤持续作用于IGBT模块，使其成为典型的热疲劳器件。实际工况下IGBT模块承载的环境应力是随机变化的，功率强度应力也是循化变化的，因此模块产生的损耗和芯片结温都是变化的。
如图1所示，图1示出本申请实施例提供的一种散热模块的部分结构示意图。本申请实施例提供一种散热模块，散热模块包括散热电路板1和功率芯片2。其中，散热模块可以为IGBT模块，散热电路板1可以为铜陶瓷基板(Direct Bonding Copper，简称DBC)。散热电路板1与功率芯片2电连接。
其中，散热电路板1与功率芯片2之间设置有焊料层3，散热电路板1包括沿远离功率芯片2的方向依次层叠设置的第一散热基板11、第二散热基板12和第三散热基板13，功率芯片2通过焊料层3与第一散热基板11连接；第二散热基板12的厚度大于散热电路板1总厚度的1/7。
可以理解的是，功率芯片2通过焊料层3与散热电路板1电连接，焊料层3通过第一散热基板11与散热电路板1连接。
第二散热基板12的厚度大于散热电路板1总厚度的1/7，第二散热基板12的厚度可以为散热电路板1总厚度的1/6、1/5、1/4或1/3等任意比例。相对于传统的第二散热基板12的厚度为散热电路板1总厚度的1/7来说，散热模块的散热效果更佳，进一步降低了各层材料发生松弛甚至裂纹的几率。
在一个示例中，散热电路板1的厚度大于1mm，第一散热基板11与第三散热基板13的厚度之和为6/7mm。可以理解的是，当散热电路板1的厚度大于1mm，散热电路板1的厚度可以为1.1mm或1.2mm等，第一散热基板11与第三散热基板13的厚度之和为6/7mm，即第二散热基板12的厚度大于1/7mm，第二散热基板12的厚度也大于散热电路板总厚度的1/7。
在一个可选的实施例中，散热电路板1的厚度在1mm-1.5mm之间，第二散热基板12的厚度为散热电路板1的厚度的1/3-1/2。散热电路板1的厚度在1mm-1.5mm，当散热电路板1的厚度大于1.5mm时，散热模块的散热效果较差；当第二散热基板12的厚度为散热电路板1的厚度的1/3-1/2时，散热电路板1的散热效果最佳，即散热模块的效果最好。
进一步的，第一散热基板11、第二散热基板12以及第三散热基板13的厚度相等。即第一散热基板11的厚度、第二散热基板12的厚度以及第三散热基板13的厚度分别占散热电路板1的厚度的1/3。
在一个可选的示例中，焊料层3与第一散热基板11之间形成有第一热扩散角，第一散热基板11与第二散热基板12之间形成第二热扩散角，第二散热基板12与第三散热基板13之间形成有第三热扩散角；其中，第二热扩散角大于第一热扩散角，第二热扩散角大于第三热扩散角。
需要理解的是，影响散热模块的热传导可以垂直传导也可以横向传导。垂直方向的散热能力由热阻决定，热阻由散热结构的表面积和厚度决定，其中，横向热传导通过热扩散角来衡量，主要表现于热扩散面积S。
忽略功率芯片2与焊料层3之间的热扩散角度，散热模块的热扩散面积S＝y1tanα1+dtanα2+y2tanα3，当热扩散面积S越大，横向热传导的效果越佳。其中，y1为第一散热基板11的厚度；d为第二散热基板12的厚度；y2为第三散热基板13的厚度；α1为第一热扩散角；α2为第二热扩散角；α3为第三热扩散角。
当第二热扩散角大于第一热扩散角时，即tanα1大于tanα2；当第二热扩散角大于第三热扩散角时，即tanα2大于tanα3。当第二散热基板12的厚度大于散热电路板1总厚度的1/7时，第二散热基板12相对于传统的散热电路板的厚度增加，散热电路板1的热扩散面积增大，从而提高了本申请散热模块的散热效果，降低了各层材料发生松弛甚至裂纹的几率。
可选的，第一散热基板11和第三散热基板13为铜板件；和/或第二散热基板12为陶瓷板件。即当第一散热基板11和第二散热基板13为铜板件时，第二散热基板12可不同时为陶瓷基板；当第一散热基板11和第二散热基板13为铜板件时，第二散热基板12也可同时为陶瓷基板。
在一个示例中，第一散热基板11和第二散热基板13为铜板件，即第一散热基板11和第三散热基板13的热膨胀系数为17.5*10-6m/K，此时，第二散热几百板12为陶瓷基板，即第二散热基板12的热膨胀系数为7*10-6m/K。
进一步的，功率芯片2的材质可选择单晶硅、石英或石墨等材质，当功率芯片2为硅板时，功率芯片2的热膨胀系数为3*10-6m/K。焊料层3的材质可为铅和锡任意比例的混合物，焊料层3的热膨胀系数为28*10-6m/K。
热扩散角α的计算公式所示：α＝arctan(k1/k2)(0<α<90)，k1和k2分别表示上一层热传导层的热膨胀系数和当前材料层的热膨胀系数，例如：第一热扩散角α1＝arctan(焊料层3的热膨胀系数/第一散热基板11的热膨胀系数)，第二热扩散角α2＝arctan(第一散热基板11的热膨胀系数/第二散热基板12的热膨胀系数)，第三热扩散角α3＝arctan(第二散热基板12的热膨胀系数/第三散热基板13的热膨胀系数)。
根据热扩散角公式计算，第一热扩散角α1为58度，第二热扩散角α2为68度以及第三热扩散角α3为22度，即第二热扩散角α2大于第一热扩散角α1，第二热扩撒角α2大于第三热扩散角α3。当第二散热基板12的厚度大于散热电路板1的1/7时，相较于传统的散热模块来说，本申请的散热模块的散热效果提高，进一步降低了各层材料发生松弛甚至裂纹的几率。
在一个可选的实施例中，散热模块还包括冷却板，冷却板设置于散热电路板1远离功率芯片2的一侧。即冷却版设置于第三散热基板13背离第二散热基板12的一面，冷却板的设置进一步提高了散热电路板1的散热效果，同时也提高了散热模块的散热效果。
如图1所示，图1示出本申请实施例提供的一种散热模块的部分结构示意图。散热电路板1的制备方法包括采用碱性溶液清洗第一散热基板11和第三散热基板13表面的油性成分，采用酸性溶液清洗第一散热基板11和第三散热基板13表面的氧化层。采用碱性溶液清洗第二散热基板12的表面；将清洗后的第一散热基板11、第二散热基板12以及第三散热基板13依次层叠贴合为基板组件；然后将基板组件放置于承烧板上进行烧结处理。
需要理解的是，在制备散热电路板1的过程中，可对第一散热基板11和第三散热基板13同时进行清洁处理。
清洁第一散热基板11和第三散热基板13时，包括两个步骤，第一步，先将采用碱性溶液对第一散热基板11和第三散热基板13进行处理，可将第一散热基板11和第三散热基板13放入碱性溶液浸洗或者通过搽试的方式，对第一散热基板11和第三散热基板13表面油脂进行清洗，常用的碱性溶液可采用如氢氧化钠溶液或其他碱性溶液。第二步，对第一散热基板11和第三散热基板13表面油脂清洗完成后，再采用酸性溶液对第一散热基板11和第三散热基板13表面进行清洁处理，可将第一散热基板11和第三散热基板13放入酸性溶液浸洗或者通过搽试的方式，对第一散热基板11和第三散热基板13表面氧化层进行清洗，常用的酸性溶液可采用如盐酸溶液或其他酸性溶液。
清洗第二散热基板12时，可将第二散热基板12放入酸性溶液浸洗或者通过搽试的方式对第二散热基板12表面进行清洗。
当第一散热基板11、第二散热基板12及第三散热基板13清洗完成后进行叠放形成基板组件，然后再将基板组件放置在承烧板上进行烧结处理。
烧结后形成散热电路板1，第一散热基板11、第二散热基板12及第三散热基板13之间具有足够的附着强度，连接较好的散热电路板1中第一散热基板11、第二散热基板12及第三散热基板13的附着强度接近于厚膜金属化程度。
需要理解的是，在制备散热模块时时，将功率芯片2通过焊料层3焊接于第一散热基板11远离第二散热基板12的一面。冷却板设置于第三散热基板13背离第二散热基板12的一面。
应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。
应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在……上”、“在……以上”和“在……之上”，以使得“在……上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括“在某物上”且其间具有中间特征或层的含义，并且“在……以上”或者“在……之上”不仅包括“在某物以上”或“之上”的含义，还可以包括“在某物以上”或“之上”且其间没有中间特征或层(即，直接处于某物上)的含义。
此外，文中为了便于说明可以使用空间相对术语，例如，“下面”、“以下”、“下方”、“以上”、“上方”等，以描述一个元件或特征相对于其他元件或特征的如图所示的关系。空间相对术语意在包含除了附图所示的取向之外的处于使用或操作中的器件的不同取向。装置可以具有其他取向(旋转90度或者处于其他取向上)，并且文中使用的空间相对描述词可以同样被相应地解释。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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申请各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种散热模块，其特征在于，包括散热电路板和功率芯片，所述散热电路板与所述功率芯片之间设置有焊料层，所述散热电路板包括沿远离所述功率芯片的方向依次层叠设置的第一散热基板、第二散热基板和第三散热基板，所述功率芯片通过所述焊料层与所述第一散热基板连接；
其中，所述第二散热基板的厚度大于所述散热电路板总厚度的1/7。
2.根据权利要求1所述的散热模块，其特征在于，所述焊料层与所述第一散热基板之间形成有第一热扩散角，所述第一散热基板与所述第二散热基板之间形成第二热扩散角，所述第二散热基板与所述第三散热基板之间形成有第三热扩散角；
其中，所述第二热扩散角大于所述第一热扩散角，所述第二热扩散角大于所述第三热扩散角。
3.根据权利要求1所述的散热模块，其特征在于，所述散热电路板的厚度在1mm-1.5mm之间，所述第二散热基板的厚度为所述散热电路板的厚度的1/3-1/2。
4.根据权利要求3所述的散热模块，其特征在于，所述第一散热基板、所述第二散热基板以及所述第三散热基板的厚度相等。
5.根据权利要求2所述的散热模块，其特征在于，所述第一散热基板和所述第三散热基板为铜板件；和/或，
所述第二散热基板为陶瓷板件。
6.根据权利要求1所述的散热模块，其特征在于，还包括冷却板，所述冷却板设置于所述散热电路板远离所述功率芯片的一侧。
7.一种散热电路板，用于与散热模块的功率芯片电连接，其特征在于，所述散热电路板包括沿远离所述功率芯片的方向依次层叠设置的第一散热基板、第二散热基板和第三散热基板，所述功率芯片通过焊料层与所述第一散热基板连接；
所述第二散热基板的厚度大于所述散热电路板总厚度的1/7。
8.根据权利要求7所述的散热电路板，其特征在于，所述焊料层与所述第一散热基板之间形成有第一热扩散角，所述第一散热基板与所述第二散热基板之间形成第二热扩散角，所述第二散热基板与所述第三散热基板之间形成有第三热扩散角；
其中，所述第二热扩散角大于所述第一热扩散角，所述第二热扩散角大于所述第三热扩散角。
9.根据权利要求7所述的散热电路板，其特征在于，所述散热电路板的厚度在1mm-1.5mm之间，所述第二散热基板的厚度为所述散热电路板的厚度的1/3-1/2。
10.根据权利要求9所述的散热电路板，其特征在于，所述第一散热基板、所述第二散热基板以及所述第三散热基板的厚度相等。
Priority Applications (1)
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| CN202220257944.7U CN216928558U (zh) | 2022-02-08 | 2022-02-08 | 散热电路板以及散热模块 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202220257944.7U CN216928558U (zh) | 2022-02-08 | 2022-02-08 | 散热电路板以及散热模块 |
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202220257944.7U Active CN216928558U (zh) | 2022-02-08 | 2022-02-08 | 散热电路板以及散热模块 |
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2022
- 2022-02-08 CN CN202220257944.7U patent/CN216928558U/zh active Active
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