CN217822767U - 一种双面散热的功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双面散热的功率模块，涉及芯片散热技术领域，包括至少一个芯片，与分别连接在各个芯片一侧的垫块；在所述芯片背离所述垫块一侧、所述垫块背离所述芯片一侧分别连接一散热件；所述芯片背离所述垫块一侧与所述散热件之间设有第一衬底层，所述第一衬底层一侧与所述芯片紧密连接，另一侧通过金属中间层与所述散热件焊接，形成主散热路径；所述垫块背离所述芯片一侧与所述散热件之间设有第二衬底层，所述第二衬底层一侧与所述垫块紧密连接，另一侧通过导热中间层与所述散热件紧密连接，形成次散热路径，由所述主散热路径和所述次散热路径集合形成双面散热路径，解决现有功率模块结构设置不合理导致散热效率较差的问题。

Description

一种双面散热的功率模块

技术领域

本实用新型涉及芯片散热技术领域，尤其涉及一种双面散热的功率模块。

背景技术

功率模块在工作过程中会产生大量的热量而导致内部的元器件受损，需要对其进行散热。传统的功率模块一般通过单面进行散热，但是在模块内部热量过高时，单面散热效率过低，所以需要采用双面散热的功率模块来对内部元器件产生的热量进行散热。

但是对于双面散热的功率模块，由于功率模块内各芯片的布局、上下层大小、厚度，散热条件差异等因素，导致模块在生产与装配过程中常出现应力分布不均、产生翘曲等问题，进而影响功率模块与散热组件的连接质量，降低模块可靠性，散热能力无法达到预期。

实用新型内容

为了克服上述技术缺陷，本实用新型的目的在于提供一种双面散热的功率模块，解决现有功率模块结构设置不合理导致散热效率较差的问题。

本实用新型公开了一种双面散热的功率模块，

包括至少一个芯片，与分别连接在各个芯片一侧的垫块；

在所述芯片背离所述垫块一侧、所述垫块背离所述芯片一侧分别连接一散热件；

所述芯片背离所述垫块一侧与所述散热件之间设有第一衬底层，所述第一衬底层一侧与所述芯片紧密连接，另一侧通过金属中间层与所述散热件焊接，形成主散热路径；

所述垫块背离所述芯片一侧与所述散热件之间设有第二衬底层，所述第二衬底层一侧与所述垫块紧密连接，另一侧通过导热中间层与所述散热件紧密连接，形成次散热路径，由所述主散热路径和所述次散热路径集合形成双面散热路径。

优选地，所述第一衬底层和所述第二衬底层采用DBC基板、AMB基板或铜块；

优选地，所述第一衬底层的热导率不低于所述第二衬底层的热导率。

优选地，所述第一衬底层采用AlN陶瓷层的AMB基板；所述第二衬底层采用ZTA 陶瓷层的DBC基板。

优选地，所述第一衬底层和所述第二衬底层沿所述散热件分布并覆盖各个芯片。

优选地，所述第一衬底层与所述散热件钎焊。

优选地，所述导热中间层采用导热界面材料。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本实用新型提供的一种双面散热的功率模块通过设置在芯片两侧的第一衬底层和第二衬底层，距离芯片较近的第一衬底层通过焊接与散热件连接，形成芯片-第一衬底层- 金属中间层-散热件的主散热路径，而距离芯片较远的第二衬底层则是通过导热中间层与散热件连接，形成芯片-垫块-第二衬底层-导热中间层-散热件的次散热路径，增加散热效率，进一步优选设置所述第一衬底层采用热导率较高的材料进一步提高散热效率，而第二衬底采用成本较低的材料，从而在增加散热效果的同时降低成本。

附图说明

图1为本实用新型所述一种双面散热的功率模块的结构示意图。

附图标记：

1-芯片；2-垫块；3-散热件；4-第一衬底层；5-金属中间层；6-第二衬底层；7-导热中间层。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本实用新型的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

实施例：本实施例提供一种双面散热的功率模块，包括至少一个芯片，与分别连接在各个芯片一侧的垫块，可在每一芯片上均设置一垫块；在所述芯片背离所述垫块一侧、所述垫块背离所述芯片一侧分别连接一散热件，使得两个散热件环绕在芯片与垫块两侧，形成双面散热，具体的，上述散热件包括但不限于散热器、散热水道等。

在芯片或垫块与散热件之间设置衬底层实现其中的热传导，具体的，所述芯片背离所述垫块一侧与所述散热件之间设有第一衬底层，所述第一衬底层一侧与所述芯片紧密连接，另一侧通过金属中间层与所述散热件焊接，形成主散热路径(即芯片-第一衬底层 -金属中间层-散热件)；所述垫块背离所述芯片一侧与所述散热件之间设有第二衬底层，所述第二衬底层一侧与所述垫块紧密连接，另一侧通过导热中间层与所述散热件紧密连接，形成次散热路径(即芯片-垫块-第二衬底层-导热中间层-散热件)，由所述主散热路径和所述次散热路径集合形成双面散热路径。

在本实施方式中，设置在芯片两侧的第一衬底层和第二衬底层，距离芯片较近的第一衬底层通过焊接与散热件连接(硬性连接)，而距离芯片较远的第二衬底层则是通过导热中间层(即导热件)与散热件连接(软性连接)，与散热件一面软性连接，一面硬性连接减少模块在生产与装配过程中常出现应力分布不均、产生翘曲等问题，相比于现有双面硬性连接方案(例如双面焊接)，降低了焊接或烧结的工艺难度，相比于现有双面软性连接方案增大了模块的散热能力，且上述焊接过程中附带的定位功能还可降低该功率模块装配过程中模块—散热件(散热水道)的定位难度。

在上述实施方式中，所述第一衬底层和所述第二衬底层采用包括但不限于DBC基板、AMB基板或铜块等，DBC陶瓷覆铜基板是采用陶瓷粉体如氧化铝，氮化铝，或者掺杂氧化锆，经过流延，烧结制成陶瓷基板，然后进行金属化，制备成陶瓷覆铜板；AMB 是利用钎料中含有的少量活性元素Ti、Zr与陶瓷反应生成能被液态钎料润湿的反应层，从而实现陶瓷与金属接合的一种方法，AMB基板是靠陶瓷与活性金属焊膏在高温下进行化学反应来实现结合，相对于DBC基板强度更高，可靠性更佳，成本也更高，第一衬底层或第二衬底层可以选择上述任意一种，可以选择相同或者不相同，需要说明的是，当第一衬底层和第二衬底层选择相同的材料，由于连接工艺的不同，两侧热阻不同，主散热路径中的散热效率仍然优于次散热路径。

为了进一步增加散热效率，设置所述第一衬底层的热导率不低于所述第二衬底层的热导率，即，使得主散热路径中的热导率进一步增加，从而增加其散热效率，使得芯片上的热量较多的通过主散热路径转移，而剩余的则通过次散热路径，保持整体散热的均匀性。具体的，所述第一衬底层采用AlN陶瓷层的AMB基板；所述第二衬底层采用ZTA 陶瓷层的DBC基板，如上所述AMB基板相对于DBC基板热传递效果更佳，成本更高，由此增加主散热路径的散热效率，同时采用成本较低的DBC基板设置在次散热路径中，降低成本。

在上述实施方式中，通过硬性连接散热性能更好的第一衬底层，达到降低第一衬底层与散热件之间的热阻，进而提高芯片经过第一衬底层至散热件的散热效率，在距离芯片较远一侧选择软性连接，同时采用散热性能低于第一衬底层的第二衬底层，形成次散热路径，降低成本，通过主散热路径和次散热路径的配合，使得在实现较佳的散热效率的同时降低成本。区别于现有技术中在芯片两侧采用相同的连接方式和材料，而散热效率不佳的情况。

进一步作为优选地，还可设置第一衬底层与第二衬底层的厚度，如根据第一衬底层与第二衬底层的热导率比例设置第一衬底层与第二衬底层厚度，降低主散热路径与次散热路径的散热效率的差距，增加散热均匀性；也可根据垫块厚度设置第一衬底层厚度略高于第二衬底层厚度，由此使得芯片两侧在焊接与注塑过程中受力均匀，从而降低应力，减少模块在生产与装配过程中常出现应力分布不均、产生翘曲等问题。除此之外，还可在第一衬底层或第二衬底层上与芯片或垫块非直接接触的区域进一步设置散热片，或者增加热导涂层，以进一步增加散热效率。

在一个较佳的实施方式中，所述第一衬底层与所述散热件钎焊，钎焊是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法，即上述金属中间层为钎焊后形成的钎料层，通过金属焊料焊接，以增加热导率。进一步的，所述导热中间层采用导热界面材料(TIM材料)，TIM材料由聚合物树脂及高导热的填料组成，多数TIM材料都是有机硅体系，具有优异的热稳定性。

在一个较佳的实施方式中，所述第一衬底层和所述第二衬底层沿所述散热件分布并覆盖各个芯片，即第一衬底层和第二衬底层为覆盖各个芯片的层状整体，而非单独与各个芯片或垫块连接的形式，一方面增加第一衬底层与第二衬底层的面积，增加强度，另一方面可以在增加热量传递至散热件过程中均匀性。

应当注意的是，本实用新型的实施例有较佳的实施性，且并非对本实用新型作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种双面散热的功率模块，其特征在于：

包括至少一个芯片，与分别连接在各个芯片一侧的垫块；

在所述芯片背离所述垫块一侧、所述垫块背离所述芯片一侧分别连接一散热件；

所述芯片背离所述垫块一侧与所述散热件之间设有第一衬底层，所述第一衬底层一侧与所述芯片紧密连接，另一侧通过金属中间层与所述散热件焊接，形成主散热路径；所述垫块背离所述芯片一侧与所述散热件之间设有第二衬底层，所述第二衬底层一侧与所述垫块紧密连接，另一侧通过导热中间层与所述散热件紧密连接，形成次散热路径，由所述主散热路径和所述次散热路径集合形成双面散热路径。

2.根据权利要求1所述的散热模块，其特征在于：

所述第一衬底层和所述第二衬底层采用DBC基板、AMB基板或铜块。

3.根据权利要求2所述的散热模块，其特征在于：

所述第一衬底层的热导率不低于所述第二衬底层的热导率。

4.根据权利要求3所述的散热模块，其特征在于：

所述第一衬底层采用AlN陶瓷层的AMB基板；所述第二衬底层采用ZTA陶瓷层的DBC基板。

5.根据权利要求1所述的散热模块，其特征在于：

所述第一衬底层和所述第二衬底层沿所述散热件分布并覆盖各个芯片。

6.根据权利要求1所述的散热模块，其特征在于：

所述第一衬底层与所述散热件钎焊。

7.根据权利要求1所述的散热模块，其特征在于：

所述导热中间层采用导热界面材料。

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