CN217239449U - 一种半导体芯片用双面直接水冷模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种半导体芯片用双面直接水冷模块，属于电力电子领域，如下：第一直接水冷针翅基板；第一绝缘基板，设置于所述第一直接水冷针翅基板的下方；第二绝缘基板，与所述第一绝缘基板间隔设定距离平行设置；所述第二绝缘基板的左侧连接一功率端子，右侧连接一控制端子；第二直接水冷针翅基板，设置于所述第二绝缘基板的下方；半导体芯片和导电连接块，设置于所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板之间；环氧塑封体，包覆所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板之间的所有器件。有益效果：提高了模块的散热能力，简化了模块的安装方式，解决了模块安装适配问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是一种半导体芯片用双面直接水冷模块，属于电力电子学领域。
背景技术
随着新能源汽车行业对功率模块的小型化、简易化和高频率化要求不断提升，模块散热条件越来越严峻。
现有市场上的双面散热功率模块，大多由绝缘基板与使用端散热结构通过涂抹散热胶水或焊接等方式连接，配合使用，帮助散热，无法做到直接水冷，并且在现有水冷安装要求下，由于绝缘基板结构中，有容易破碎的陶瓷结构，对模块的抗压能力、平面度、模块的表面抗氧化能力要求极高，导致现有双面散热模块的安装方式十分复杂，为此我们实用新型一种半导体芯片用双面直接水冷模块，来解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型技术方案的实际应用，旨在解决本领域存在的一个现有问题是：研发一种半导体芯片用双面直接水冷模块，以解决现有技术所存在的不足之处。
在本申请的研发内容中，一种半导体芯片用双面直接水冷模块主要如下：
第一直接水冷针翅基板(10A)；
第一绝缘基板(20A)，设置于所述第一直接水冷针翅基板(10A)的下方；
第二绝缘基板(20B)，与所述第一绝缘基板(20A)间隔设定距离平行设置，所述第二绝缘基板(20A)的左侧连接一功率端子(50)，所述第二绝缘基板(20A)的右侧连接一控制端子(60)；
第二直接水冷针翅基板(10B)，设置于所述第二绝缘基板(20B)的下方；
半导体芯片(30)，设置于所述第一绝缘基板(20A)和所述第二绝缘基板(20B)之间；
导电连接块(40)，设置于所述第一绝缘基板(20A)和所述第二绝缘基板(20B)之间，位于所述半导体芯片(30)的侧面；
环氧塑封体(80)，包覆所述第一绝缘基板(20A)和所述第二绝缘基板(20B)之间的所有器件，所述功率端子(50)和所述控制端子(60)的一部分从所述环氧塑封体(80)伸出。
优选地，所述第一直接水冷针翅基板(10A)和所述第二直接水冷针翅基板(10B)采用表面全部电镀或局部电镀的金属板，所述第一直接水冷针翅基板(10A)下底面和第二直接水冷针翅基板(10B)的上底面为平整面，所述第一直接水冷针翅基板(10A)下底面与所述第一绝缘基板(20A)通过连接层(90)连接，所述第二直接水冷针翅基板(10B)的上底面与第二绝缘基板(20B)通过所述连接层(90)连接。
优选地，所述第一直接水冷针翅基板(10A)上底面和第二直接水冷针翅基板(10B)的下底面设有复数个圆柱针翅、椭圆针翅或鳍形针翅组成的针翅结构，所述针翅结构垂直于所述第一直接水冷针翅基板(10A)和所述第二直接水冷针翅基板(10B)构成散热结构。
优选地，所述第一绝缘基板(20A)和所述第二绝缘基板(20B)分别具有位于中间的绝缘层和位于所述绝缘层上下方的金属层，所述绝缘层由氧化铝、氮化硅构成，至少一所述金属层采用带沟槽平面金属层。
优选地，所述半导体芯片(30)为IGBT或碳化硅半导体芯片，所述半导体芯片(30)的上下两面分别通过所述连接层(90)与所述第一绝缘基板(20A)、所述第二绝缘基板(20B)、所述导电连接块(40)进行电气连接，所述半导体芯片(30)通过键合或焊接的方式将所述金属导线(70)与所述第二绝缘基板(20B)的导电层连接。
优选地，所述导电连接块(40)含有A1SiC、A1C、Cu或Cu-Mo，所述导电连接块(40)表面镀有镍、金、银材料之一或合金材料。
优选地，所述功率端子(50)及所述控制端子(60)通过弧焊、激光焊的方式与外部系统连接。
进一步地，所述功率端子(50)与控制端子(60)表面电镀有金、银材料之一，所述功率端子(50)与所述控制端子(60)通过所述连接层(90)连接于所述第二绝缘基板(20B)的导电层上。
进一步地，所述金属导线(70)采用纯铝、纯铜、纯金材料之一或合金材料，外形为线状或带状结构，所述金属导线(70)通过超声波键合方式或通过焊接方式连接于所述半导体芯片(30)和所述第二绝缘基板(20B)的表面。
进一步地，所述连接层(90)为银浆烧结或锡焊焊接连接层，所述连接层(90)烧结采用的银浆为微米级和/或纳米级的至少一种组成的银浆材料。
与现有技术相比，本实用新型会产生的优化效果是：通过本实用新型的应用，不仅提高了模块的散热能力，又简化了双面散热模块的安装方式，提高模块安装适配性，提高模块长时间工作可靠性，提高模块功率循环能力，在现有模块体积的前提下进一步提升电流等级，提高安装适配度，提高了车用模块的集成度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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简单地介绍。显然，以下描述中的附图仅为本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同描述一起用于解释本实用新型的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本实用新型，其中：
图1为本实用新型较优的实施例中，本实用新型所述车用模块侧面截面示意图；
图2和图3为本实用新型较优的实施例中，本实用新型的正面截面示意图；
图4为本实用新型较优的实施例中，本实用新型的引线框架示意图；
图5为本实用新型较优的实施例中，本实用新型的拓扑示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
同时，应当明确，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并非是按照实际的比例关系绘制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所表述的技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。应当指出，以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，当然不会作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。
参照图1、图2、图3，在本实施例中，本实用新型申请所提供的一种半导体芯片用双面直接水冷模块主要如下：
第一直接水冷针翅基板10A；
第一绝缘基板20A，位于第一直接水冷针翅基板10A的下方；
第二直接水冷针翅基板10B；
第二绝缘基板20B，位于第二直接水冷针翅基板10B的上方；第二绝缘基板20A的左右两侧向外延伸，分别引出功率端子50和控制端子60；
半导体芯片30，设置于第一绝缘基板20A和第二绝缘基板20B之间；
导电连接块40，设置于第一绝缘基板20A和所述第二绝缘基板20B之间，位于所述半导体芯片30的侧面；
环氧塑封体80，包覆第一绝缘基板20A和第二绝缘基板20B之间的所有器件，功率端子50和控制端子60的一部分从环氧塑封体80伸出。
作为优选，第一直接水冷针翅基板10A和第二直接水冷针翅基板10B是具有良好散热能力的电镀焊接镀层的金属板，第一直接水冷针翅基板10A的上底面和第二直接水冷针翅基板10B的下底面设有复数个圆柱针翅、椭圆针翅或鳍形针翅组成的针翅结构，不同数量和密度的针翅针及四周平面直接与安装结构连接，构成散热结构，直接通水，实现双面直接水冷散热。
优选地，第一绝缘基板20A和第二绝缘基板20B的双面附有金属层，其形状可根据实际要求进行不同沟槽设计，第一绝缘基板20A与第二绝缘基板20B平行放置，可以相同形状，也可以不同形状，第一绝缘基板20A与第二绝缘基板20B的两侧均为金属层，金属层可以根据连接需求不同，电镀不同性质的电镀层，其一侧金属层为带沟槽平面金属层，金属层表面可用于连接层90或金属导线70的键合，作为导电层；中间层为绝缘层，主要材料为氧化铝、氮化硅等绝缘材料；另一侧为平整金属层。
优选地，半导体芯片30由IGBT、碳化硅SiC等材料制成，表面电镀有金、银等材料之一或其合金材料，通过设计集成温度和电流传感器，正面可连接层90方式与导电连接块40连接，通过键合或焊接金属导线70与绝缘基板20的导电层上进行电气连接。
具体地，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
具体地，碳化硅SiC又称金刚砂，用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。同时，碳化硅又称碳硅石。由于其高热导性、高崩溃电场强度及高最大电流密度，在半导体高功率元件制造方面有着广泛应用。
作为优选，金属导线70采用纯铝、纯铜、纯金等材料之一或其合金材料，外形为线状或带状结构，通过超声波、键合或通过焊接连接于半导体芯片30和第二绝缘基板20B的表面。
作为优选，环氧塑封体80采用高温高压条件，使用环氧料填充整体功率模块两块绝缘基板20之间所有器件的空隙，以此实现电气隔离。
作为优选，连接层90为银浆烧结或锡焊焊接连接层，其烧结采用的银浆为微米级、纳米级或者两者混合体的银浆材料，原材料以银膜或者银膏的形式供应，银浆可在较低温度及高压下可实现烧结，烧结完成后熔化温度可达700℃甚至更高，锡焊焊接，其焊接采用SnPb，SnAg，SnAgCu，PbSnAg等含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100℃到400℃之间，使其具备了良好的烧结和焊接性能，有助于提高模块的应用性能。
参照图4，在本实用新型的具体实施例中，功率端子50与控制端子60在成品前为完整的引线框架41，该引线框架41去料前，带有一定形状的尖角和连筋，可以帮忙使用端用于安装，表面电镀有金、银等材料之一或其合金材料，通过银浆烧结或锡焊焊接方式90连接于绝缘基板20导电层上，完成整体环氧注塑80填充后，功率端子50和控制端子60通过去料和折弯，形成满足使用端安装需求的功率端子和带尖角控制端子，极大程度上提高了模块在使用端的安装适配度。
参照图5，在本实用新型的具体实施例中，图中所示的是本实用新型的半导体芯片的电路拓扑51，是对半导体芯片电路结构的简化和抽象。
与现有技术相比，本实用新型会产生的优化效果是：通过双面直接水冷结构直接散热模块的应用，不仅提高了模块的散热能力，又简化了双面散热模块的安装方式，提高模块安装适配性、长时间工作可靠性、功率循环能力，在现有模块体积的前提下进一步地提升了电流等级，提高了安装适配度和车用模块的集成度。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或任何其他变体旨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、物品或者装置不仅包括上述要素，而且还包括尚未明确列出的其他要素，或还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在未进行更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，包括：
第一直接水冷针翅基板(10A)；
第一绝缘基板(20A)，设置于所述第一直接水冷针翅基板(10A)的下方；
第二绝缘基板(20B)，与所述第一绝缘基板(20A)间隔设定距离平行设置，所述第二绝缘基板(20B)的左侧连接一功率端子(50)，所述第二绝缘基板(20B)的右侧连接一控制端子(60)；
第二直接水冷针翅基板(10B)，设置于所述第二绝缘基板(20B)的下方；
半导体芯片(30)，设置于所述第一绝缘基板(20A)和所述第二绝缘基板(20B)之间；
导电连接块(40)，设置于所述第一绝缘基板(20A)和所述第二绝缘基板(20B)之间，位于所述半导体芯片(30)的侧面；
环氧塑封体(80)，包覆所述第一绝缘基板(20A)和所述第二绝缘基板(20B)之间的所有器件，所述功率端子(50)和所述控制端子(60)的一部分从所述环氧塑封体(80)伸出。
2.根据权利要求1所述的一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，所述第一直接水冷针翅基板(10A)和所述第二直接水冷针翅基板(10B)采用表面全部电镀或局部电镀的金属板，所述第一直接水冷针翅基板(10A)下底面和第二直接水冷针翅基板(10B)的上底面为平整面，所述第一直接水冷针翅基板(10A)下底面与所述第一绝缘基板(20A)通过连接层(90)连接，所述第二直接水冷针翅基板(10B)的上底面与第二绝缘基板(20B)通过所述连接层(90)连接。
3.根据权利要求2所述的一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，所述第一直接水冷针翅基板(10A)上底面和第二直接水冷针翅基板(10B)的下底面设有复数个圆柱针翅、椭圆针翅或鳍形针翅组成的针翅结构，所述针翅结构垂直于所述第一直接水冷针翅基板(10A)和所述第二直接水冷针翅基板(10B)构成散热结构。
4.根据权利要求1所述的一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，所述第一绝缘基板(20A)和所述第二绝缘基板(20B)分别具有位于中间的绝缘层和位于所述绝缘层上下方的金属层，所述绝缘层由氧化铝、氮化硅构成，至少一所述金属层采用带沟槽平面金属层。
5.根据权利要求2所述的一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，所述半导体芯片(30)为IGBT或碳化硅半导体芯片，所述半导体芯片(30)的上下两面分别通过所述连接层(90)与所述第一绝缘基板(20A)、所述第二绝缘基板(20B)、所述导电连接块(40)进行电气连接，所述半导体芯片(30)通过键合或焊接的方式将金属导线(70)与所述第二绝缘基板(20B)的导电层连接。
6.根据权利要求1或5所述的一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，所述导电连接块(40)含有AlSiC、AlC、Cu或Cu-Mo，所述导电连接块(40)表面镀有镍、金、银材料之一或合金材料。
7.根据权利要求1所述的一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，所述功率端子(50)及所述控制端子(60)通过弧焊、激光焊的方式与外部系统连接。
8.根据权利要求2所述的一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，所述功率端子(50)与所述控制端子(60)表面电镀有金、银材料之一，所述功率端子(50)与所述控制端子(60)通过所述连接层(90)连接于所述第二绝缘基板(20B)的导电层上。
9.根据权利要求5所述的一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，所述金属导线(70)采用纯铝、纯铜、纯金材料之一或合金材料，外形为线状或带状结构，所述金属导线(70)通过超声波键合方式或通过焊接方式连接于所述半导体芯片(30)和所述第二绝缘基板(20B)的表面。
10.根据权利要求2或5或8所述的一种半导体芯片用双面直接水冷模块，其特征在于，所述连接层(90)为银浆烧结或锡焊焊接连接层，所述连接层(90)烧结采用的银浆为微米级和/或纳米级的至少一种组成的银浆材料。
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