CN219937038U - 功率模块的散热结构、封装结构、封装组件、封装集成件、以及功率电子单元 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种功率模块的散热结构、封装结构、封装组件、和封装集成件、以及一种功率电子单元。所述散热结构包括：热源，所述热源包括所述功率模块，和相对的第一表面和第二表面；第一散热器，所述第一散热器的至少一部分与所述第一表面相对；第二散热器，所述第二散热器的至少一部分与所述第二表面相对；第一连接层被施加于所述第一表面和所述第一散热器之间以将所述第一散热器和所述热源结合在一起；第二连接层填充于所述第二表面和所述第二散热器之间。所述散热结构兼顾散热效率和缓冲效果，提升了功率模块的可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体功率器件封装领域，具体说涉及一种功率模块的散热结构、封装结构、封装组件和封装集成件、以及包括上述封装组件或封装集成件的功率电子单元。
背景技术
功率半导体器件是功率电子变换器的核心部件，负责电路的开通和关断，其内含的电子元器件，例如芯片等非常脆弱，属于易损器件，需要对其进行封装以提供机械支撑、良好的电接触、散热作用和环境隔离，避免机械冲击，振动以及热应力等造成的损坏，以保证功率半导体器件正常工作。在实际服役过程中，功率循环聚集的热量需及时散出，过高的温度会危及半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体阻值，造成模块失效。同时，由于功率模块封装是由不同材料组成的多层复杂结构，功率循环产生的热应力会使不同热膨胀系数的材料产生强弱各异的交变应力，促使材料变形、弯曲并形成蠕变疲劳，使芯片与基板、基板与底板之间的焊接层中产生逐渐扩散的裂纹，最终造成分层，导致模块失效。
实用新型内容
本申请涉及的一个方面是提供了一种功率模块的散热结构，其具有改善的热性能。
一种功率模块的散热结构，其包括：
热源，所述热源包括所述功率模块，和相对的第一表面和第二表面；
第一散热器，所述第一散热器的至少一部分与所述第一表面相对；
第二散热器，所述第二散热器的至少一部分与所述第二表面相对；
由焊接材料或烧结材料制成的第一连接层，所述第一连接层被施加于所述第一表面和所述第一散热器之间以将所述第一散热器和所述热源结合在一起；
由有机和/或无机连接剂制成的第二连接层，所述第二连接层填充于所述第二表面和所述第二散热器之间。
在所述功率模块的散热结构的一个实施例中，所述第一散热器和第二所述散热器分别构造为具有多个针柱。
在该散热结构中，热量通过第一连接层和第二连接层传递，第一连接层的散热性能很好，可确保功率模块的散热效率，同时第二连接层能够匹配不同材料之间的热应力差，可确保功率模块的缓冲效果。第一连接层和第二连接层使用不同的连接技术，比起使用相同的连接技术，本申请能够兼顾功率模块的热量的有效传递以及避免应力失效。
本申请涉及的另一个方面是提供了一种功率模块的封装结构，所述封装结构包括至少一个上述实施例中的功率模块的散热结构。
本申请涉及的再一个方面是提供了一种功率模块的封装结构，其包括：
第一热源，所述第一热源包括所述功率模块，和相对的第一热源第一表面和第一热源第二表面；
第二热源，所述第二热源包括另一个所述功率模块，和相对的第二热源第一表面和第二热源第二表面；
第一散热器，所述第一散热器的至少一部分和所述第一热源第一表面相对；
第二散热器，所述第二散热器的至少一部分和所述第二热源第二表面相对；
导热层，所述导热层位于所述第一热源和第二热源之间；
第一热源第一连接层，其由焊接材料或烧结材料制成；
第一热源第二连接层，其由有机和/或无机连接剂制成；
第二热源第一连接层，其由有机和/或无机连接剂制成；
第二热源第二连接层，其由焊接材料或烧结材料制成；
其中所述第一热源第一连接层构造成施加于所述第一散热器和所述第一热源第一表面之间以将所述第一散热器和所述第一热源结合在一起；
所述第二热源第二连接层构造成施加于所述第二散热器和所述第二热源第二表面之间以将所述第二散热器和所述第二热源结合在一起；
所述第一热源第二连接层填充于所述第一热源第二表面和所述导热层之间；
所述第二热源第一连接层填充于所述第二热源第一表面和所述导热层之间。
在所述功率模块的封装结构的一个实施例中，所述导热层构造为金属片层。
本申请涉及的再一个方面是提供了一种功率模块的封装组件，其包括多个上述任意一个实施例所述的封装结构，这些封装结构以堆叠的方式组合起来。在一种实施例中，封装组件包括多个以相同连接形式堆叠的封装结构。在另一种实施例中，封装组件包括多个以不同连接形式堆叠的封装结构。
本申请涉及的再一个方面是提供了一种功率模块的封装集成件，其包括：
多个热源，每个所述热源包括一个功率模块的组、相对的第一表面和第二表面；所述功率模块的组包括至少一个所述功率模块，并且各个所述功率模块的组彼此电连接；
第一集成散热器，每个所述热源的第一表面与所述第一集成散热器的至少一部分相对；
第二集成散热器，每个所述热源的第二表面与所述第二集成散热器的至少一部分相对；
多个第一连接层，每个所述第一连接层构造为施加于每个所述热源的第一表面和所述第一集成散热器之间，并且由焊接材料或烧结材料制成，所述第一连接层将对应的所述热源与所述第一集成散热器结合在一起；
多个第二连接层，每个所述第二连接层填充于每个所述热源的第二表面和所述第二集成散热器之间，并且由有机和/或无机连接剂制成。
在这里，功率模块的“组”可以包括多个功率模块的组合或一个功率模块。在一种实施例中，功率模块的组可以是多个相同的功率模块的组合。
所述功率模块的封装结构、封装组件或封装集成件具有前述功率模块的散热结构所具有的优点。由于封装结构、封装组件或封装集成件中的热量和热应力得到及时的释放，因此使用寿命也得到延长。
本申请涉及的再一个方面是提供了一种功率电子单元，其包括前述任意一个实施例所述的封装组件或封装集成件，其中所述功率模块包括IGBT芯片、MOSFET芯片、二极管芯片、和/或HEMT芯片。
本申请涉及的再一个方面是提供了一种功率电子单元，其包括前述任意一个实施例所述的封装组件或封装集成件，其中所述功率模块包括由Si、SiC、Ga2O3、GaN、或金刚石制备的芯片。
在所述功率电子单元的一个实施例中，所述功率电子单元为逆变器、变频器、DCDC转换器、或车载充电器。
本申请涉及的功率电子单元可以使用传统的半导体功率芯片如晶体二极管，当前发展的半导体功率芯片，如IGBT芯片、MOSFET芯片、HEMT芯片。本申请涉及的功率电子单元还可以使用由各种材料，例如Si、SiC、Ga2O3、GaN、或金刚石制备的芯片。
本申请涉及的功率电子单元可广泛应用于轨道交通、新能源汽车、风电、电力电网等功率需求大的技术领域。
通过以下参考附图的详细说明，本申请的其他方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本申请的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，附图仅仅意图概念地说明此处描述的结构和流程，除非另外指出，不必要依比例绘制附图。
附图说明
结合附图参阅以下具体实施方式的详细说明，将更加充分地理解本申请，附图中同样的参考附图标记始终指代视图中同样的元件。其中：
图1示出本申请涉及的散热结构的一种实施例的示意图；
图2示出本申请涉及的封装结构的一种实施例的示意图；
图3示出本申请涉及的封装组件的一种实施例的示意图；
图4-5示出本申请涉及的封装集成件的一种实施例，图4是俯视图，图5是主视图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本申请要求保护的主题，下面结合附图详细描述本申请的具体实施方式。
图1示出了本申请涉及的功率模块的散热结构10，包括热源12、第一散热器18和第二散热器19。热源12包括功率模块13、第一表面14和第二表面15。第一表面14和第二表面15相对。热源12还可以包括用于功率模块13或布置在功率模块13周围的器件，在这里为了清楚示意，图中仅示出了具有功率模块的热源。在一种实施例中，第一表面14和第二表面15分别为平面，并且在图中示出为热源12的上表面和下表面。可知的是，第一表面14和第二表面15可上下互置。散热结构10还包括第一散热器18和第二散热器19。第一散热器18的至少一部分面对第一表面14，第二散热器19的至少一部分面对第二表面15。在一种实施例中，第一散热器18和第二散热器19相同。在第一散热器18和第一表面14之间还设置有第一连接层21，在第二散热器19和第二表面15之间还设置有第二连接层23。第一连接层21由焊接材料或者烧结材料制成，通过焊接工艺或烧结工艺施加到第一散热器18和第一表面14之间，以将第一散热器18和热源12结合在一起。第二连接层23由有机连接剂和/或无机连接剂制成，其填充在第二散热器19和第二表面15之间。由此热源12的两个表面以不同的方式和第一散热器18和第二散热器19连接。第一连接层21和第二连接层23可以将热量从热源12向各自的散热器传递。热源12的各自表面与对应散热器因为热膨胀系数产生的热应力可以在热源12的第二表面侧、即通过第二连接层23释放。该散热结构10兼顾了传热效率和应力释放，提升可靠性。
第一散热器18和第二散热器19分别构造为具有多个针柱25，所述针柱可以具有本领域技术人员熟知的截面形状，包括但不限于圆形、椭圆形、四边形等。各个针柱之间的间隙为散热流体提供其通过的空间。可替代地，第一散热器18和第二散热器19也可分别构造为具有翅片。
本申请涉及的封装结构可包括如上所述的一个或多个散热结构。
图2示出了本申请涉及的封装结构的一种实施例的示意图。该封装结构30的构思与上述散热结构构思基本相同，其包括第一热源32和第二热源35，第一热源32包括一个功率模块13、和相对的第一热源第一表面33和第一热源第二表面34。第二热源35包括另一个功率模块13、和相对的第二热源第一表面36和第二热源第二表面37。该封装结构30进一步包括第一散热器18、第二散热器19、和导热层26。第一散热器18的至少一部分面对第一热源第一表面33，第二散热器19的至少一部分面对第二热源第二表面37。导热层26位于第一热源32和第二热源35之间。该封装结构30还包括第一热源第一连接层41、第一热源第二连接层42、第二热源第一连接层43、和第二热源第二连接层44。第一热源第一连接层41由焊接材料或烧结材料制成；第二热源第二连接层44由焊接材料或烧结材料制成；第一热源第二连接层42由有机连接剂和/或无机连接剂制成；第二热源第一连接层43由有机连接剂和/或无机连接剂制成。第一热源第一连接层41和第二热源第二连接层44通过焊接工艺或烧结工艺各自施加到第一散热器18和第一热源第一表面33之间以及第二散热器19和第二热源第二表面37之间，以将对应的散热器和对应的热源结合在一起；第一热源第二连接层42和第二热源第一连接层43分别填充于第一热源第二表面34和导热层26之间、以及第二热源第一表面36和导热层26之间。
导热层26构造为金属片层。
第一热源32和第二热源35的热量通过第一热源第一连接层41、第一热源第二连接层42、第二热源第一连接层43、和第二热源第二连接层44传递。其中第一热源第一连接层41和第二热源第二连接层44由于邻近第一散热器18和第二散热器19具有更有效的传热路径，而第一热源32和第二热源35与各自散热器之间的热应力差通过第一热源第二连接层42和第二热源第一连接层43释放。
本申请涉及的功率模块的封装组件包括上述的封装结构的组合。在一种实施例中，一个或多个如图1示出的散热结构10堆叠构成封装结构，多个这样的封装结构进一步堆叠构成一个封装组件。如图3所示，多个散热结构10堆叠构成了封装组件50。在另一种实施例中，多个图2示出的封装结构30进一步堆叠构成封装组件。在上述两种实施例中，封装组件分别以相同的连接方式进行组合。相较于多个图1示出的散热结构直接堆叠出的封装结构，在与图1的实施例相同功率的情况下，图2示出的封装结构用导热层替代散热器，具有减少的厚度尺寸，因此具有更大的功率密度。可以想到的是，可以将上述两种实施例进行组合，例如使用一个或两个图1的散热结构和一个图2的封装结构以不同的堆叠方式构成封装组件。
图4-5示出了本申请涉及的功率模块的封装集成件的一种实施例的示意图。图4为俯视图，并且为了清楚示意，仅示出热源和第二散热器。图5为主视图。所述封装集成件60包括多个热源12、第一集成散热器62和第二集成散热器64。在图示实施例中，热源12共有六个。每个热源12具有一个功率模块的组、以及相对的第一表面14和第二表面15。各个功率模块的组彼此电连接，其拓补电路可以是单管也可以是半桥。在一种实施例中，一个功率模块的组包括一个功率模块。在另一种实施例中，一个功率模块的组包括多个功率模块，所述多个功率模块之间可以通过前述的散热结构进行连接或者以其他的方式连接。
每个热源12的第一表面14面对第一集成散热器62的至少一部分，每个热源12的第二表面15面对第二集成散热器64的至少一部分。
封装集成件60还包括多个第一连接层21和多个第二连接层23，每个第一连接层21由焊接材料或烧结材料制成，通过焊接工艺或烧结工艺被施加到对应热源的第一表面14和第一集成散热器62之间以将该对应热源与第一集成散热器62结合在一起。每个第二连接层23由有机连接剂和/或无机连接剂制成，其被填充于对应热源的第二表面15和第二集成散热器64之间。在本实施例中，多个热源12的第一表面14通过相同的连接方式与同一个第一集成散热器62连接，同样，多个热源12的第二表面15通过相同的连接方式与同一个第二集成散热器64连接。
本申请涉及的功率电子单元包括上述实施例中提到的封装组件或封装集成件。其中功率模块包括但不限于IGBT芯片、MOSFET芯片、二极管芯片、HEMT芯片等，其中功率模块包括但不限于由Si、SiC、Ga2O3、GaN、金刚石等制备的芯片。
本申请涉及的功率电子单元可以是逆变器、变频器、DCDC转换器、或车载充电器。
下面介绍第一连接层21施加到热源和对应散热器的连接过程。如使用焊接工艺，1)热源的待焊接表面和散热器的待焊接表面预先摩擦，破坏表面氧化层；2)在散热器的待焊接表面上印刷焊膏，并贴合热源；3)以设定的升温速率阶梯式加热，熔化焊料完成热源和散热器的良好钎合；4)以设定的降温速率降温冷却，使焊料凝固，形成焊接接头。
如使用烧结工艺，1)热源的待烧结表面和散热器的待烧结表面预先摩擦，破坏表面氧化层；2)在散热器的待烧结表面上印刷烧结材料，并贴合热源；3)以设定的升温速率进行加热，熔化烧结材料；4)在热源的相对的另一个表面上施加压力，并且保压设定时间，确保热源和散热器的良好结合；5)以设定的降温速率降温冷却，使烧结材料凝固，形成接头。
下面介绍第二连接层23填充到热源和对应散热器的连接过程，1)用注射器将连接剂施加到热源的待连接表面，贴合散热器的待连接表面；2)以设定的升温速率进行加热，并且保温设定时间，使连接剂固化，形成牢固的键合。
其中焊接材料包括但不限于锡银合金、锡银铜合金、锡银铋合金、锡金合金、可烧结铜材料、可烧结银材料等。
其中连接剂包括但不限于以碳，金属，金属氧化物，有机颗粒作为填料的导电胶，以二氧化硅，氧化铝，氮化硅为填料的非导电胶，石墨，相变材料等。
虽然已详细地示出并描述了本申请的具体实施例以说明本申请的原理，但应理解的是，本申请可以其它方式实施而不脱离这样的原理。
Claims (10)
1.一种功率模块的散热结构，其特征是包括：
热源(12)，所述热源(12)包括所述功率模块(13)，和相对的第一表面(14)和第二表面(15)；
第一散热器(18)，所述第一散热器(18)的至少一部分与所述第一表面(14)相对；
第二散热器(19)，所述第二散热器(19)的至少一部分与所述第二表面(15)相对；
由焊接材料或烧结材料制成的第一连接层(21)，所述第一连接层(21)被施加于所述第一表面(14)和所述第一散热器(18)之间以将所述第一散热器(18)和所述热源(12)结合在一起；
由有机和/或无机连接剂制成的第二连接层(23)，所述第二连接层(23)填充于所述第二表面(15)和所述第二散热器(19)之间。
2.根据权利要求1所述的散热结构，其特征是：所述第一散热器(18)和第二所述散热器(19)分别构造为具有多个针柱(25)。
3.一种功率模块的封装结构，其特征是包括至少一个根据权利要求1-2中任一项中所述的散热结构。
4.一种功率模块的封装结构，其特征是包括：
第一热源(32)，所述第一热源(32)包括所述功率模块(13)，和相对的第一热源第一表面(33)和第一热源第二表面(34)；
第二热源(35)，所述第二热源(35)包括另一个所述功率模块(13)，和相对的第二热源第一表面(36)和第二热源第二表面(37)；
第一散热器(18)，所述第一散热器(18)的至少一部分和所述第一热源第一表面(33)相对；
第二散热器(19)，所述第二散热器(19)的至少一部分和所述第二热源第二表面(37)相对；
导热层(26)，所述导热层(26)位于所述第一热源(32)和第二热源(35)之间；
第一热源第一连接层(41)，其由焊接材料或烧结材料制成；
第一热源第二连接层(42)，其由有机和/或无机连接剂制成；
第二热源第一连接层(43)，其由有机和/或无机连接剂制成；
第二热源第二连接层(44)，其由焊接材料或烧结材料制成；
其中所述第一热源第一连接层(41)构造成施加于所述第一热源第一表面(33)和所述第一散热器(18)之间以将所述第一热源(32)和所述第一散热器(18)结合在一起；
所述第二热源第二连接层(44)构造成施加于所述第二热源第二表面(37)和所述第二散热器(19)之间以将所述第二热源(35)和所述第二散热器(19)结合在一起；
所述第一热源第二连接层(42)填充于所述第一热源第二表面(34)和所述导热层(26)之间；
所述第二热源第一连接层(43)填充于所述第二热源第一表面(36)和所述导热层(26)之间。
5.根据权利要求4所述的封装结构，其特征是：所述导热层(26)构造为金属片层。
6.一种功率模块的封装组件，其特征是包括至少两个彼此堆叠的根据权利要求3所述的封装结构，或者包括至少两个彼此堆叠的根据权利要求4-5中任一项所述的封装结构，或者包括至少一个根据权利要求3所述的封装结构和至少一个根据权利要求4-5中任一项所述的封装结构的堆叠组合。
7.一种功率模块的封装集成件，其特征是包括：
多个热源(12)，每个所述热源(12)包括一个功率模块的组、相对的第一表面(14)和第二表面(15)；所述功率模块的组包括至少一个所述功率模块，并且各个所述功率模块的组彼此电连接；
第一集成散热器(62)，每个所述热源(12)的第一表面(14)与所述
第一集成散热器(62)的至少一部分相对；
第二集成散热器(64)，每个所述热源(12)的第二表面(15)与所述第二集成散热器(64)的至少一部分相对；
多个第一连接层(21)，每一个所述第一连接层(21)构造为施加于每个所述热源(12)的第一表面(14)和所述第一集成散热器(62)之间，并且由焊接材料或烧结材料制成，所述第一连接层(21)将对应的所述热源(12)与所述第一集成散热器(62)结合在一起；
多个第二连接层(23)，每一个所述第二连接层(23)填充于每个所述热源(12)的第二表面(15)和所述第二集成散热器(64)之间，并且由有机和/或无机连接剂制成。
8.一种功率电子单元，其特征是包括根据权利要求6所述的功率模块的封装组件或根据权利要求7所述的功率模块的封装集成件，其中所述功率模块包括IGBT芯片、MOSFET芯片、二极管芯片、和/或HEMT芯片。
9.一种功率电子单元，其特征是包括根据权利要求6所述的功率模块的封装组件或根据权利要求7所述的功率模块的封装集成件，其中所述功率模块包括由Si、SiC、Ga2O3、GaN、或金刚石制备的芯片。
10.根据权利要求8或9所述的功率电子单元，其特征是所述功率电子单元为逆变器、变频器、DCDC转换器、或车载充电器。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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