CN220753409U - 智能功率模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种智能功率模块，涉及半导体技术领域。本实用新型的智能功率模块包括芯片、陶瓷基板和散热层。其中，芯片和散热层分别设置于陶瓷基板的两侧，散热层与陶瓷基板固定相连，散热层背离陶瓷基板的一面为多个散热结构，相邻两个散热结构之间形成凹槽。本实用新型的智能功率模块将散热层直接固定在陶瓷基板上，结构简单，芯片产生的热量容易传递到散热层上。散热层背离陶瓷基板的一面为多个散热结构，相邻两个散热结构之间形成凹槽，能增加散热层与空气的接触面积，提高散热效果，因而不需要另外再设置散热器，降低了智能功率模块的制造成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，特别地涉及一种智能功率模块。
背景技术
智能功率模块适用于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速、电力牵引、变频家电的一种理想的电子器件。智能功率模块往往为高压大电流的功率器件，其通常的散热方法是安装散热器，利用散热器将热量传递到周围的空气中去。例如现有的一种功率半导体器件的散热器装配工艺，通过设置散热器、导热硅脂和导热基板等对功率半导体器件进行散热，功率半导体器件与导热基板之间还需要设置用以绝缘的陶瓷基片或绝缘膜，结构复杂且需要额外采购散热器并设置散热器的安装工序，不利于控制生产成本。
实用新型内容
本实用新型提供一种智能功率模块，结构简单，其直接在陶瓷基板上固定连接散热层，散热层上形成有多个散热结构，无需再设置散热器，具有生产成本低的优势。
本实用新型提供一种智能功率模块，包括芯片、陶瓷基板和散热层，所述芯片和所述散热层分别设置于所述陶瓷基板的两侧，所述散热层与所述陶瓷基板固定相连，所述散热层背离所述陶瓷基板的一面为多个散热结构，相邻两个所述散热结构之间形成凹槽。
在一个实施方式中，所述凹槽的横截面为三角形、四边形或弓形。
在一个实施方式中，所述凹槽的横截面为三角形，所述散热结构为三棱柱状的散热筋。
在一个实施方式中，所述散热结构的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的顶角角度小于60度。
在一个实施方式中，所述散热结构上设有沿其长度方向开设的散热孔，所述散热孔贯穿所述散热结构。
在一个实施方式中，所述散热孔的横截面形状与所述散热结构的横截面形状相似。
在一个实施方式中，多个所述散热结构之间相互平行或不平行。
在一个实施方式中，所述凹槽包括多个相互平行的第一凹槽和多个相互平行的第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽不平行，所述散热结构为长方体状的散热块。
在一个实施方式中，所述散热层的厚度为3-7mm。
在一个实施方式中，所述凹槽的深度大于所述散热层厚度的一半。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于，散热层直接与陶瓷基板固定相连，结构简单，芯片产生的热量容易传递到散热层上。散热层背离陶瓷基板的一面为多个散热结构，相邻两个散热结构之间形成凹槽，能增加散热层与空气的接触面积，提高散热效果，因而不需要另外再设置散热器，降低了智能功率模块的制造成本。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。
图1是本实用新型的一实施例中智能功率模块的结构示意图；
图2是本实用新型的另一实施例中智能功率模块的立体视图；
图3是本实用新型的一实施例中散热层的立体视图；
图4是本实用新型的另一实施例中散热层的立体视图。
附图标记：
1、芯片；2、陶瓷基板；3、散热层；31、散热结构；4、引线；5、管脚；6、壳体；100、凹槽；1001、第一凹槽；1002、第二凹槽；200、散热孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型一实施例的智能功率模块包括芯片1、陶瓷基板2和散热层3，芯片1和散热层3分别设置于陶瓷基板2的两侧，散热层3与陶瓷基板2固定相连，散热层3背离陶瓷基板2的一面为多个散热结构31，相邻两个散热结构31之间形成凹槽100。
散热层3为金属材料，通过相应的模具成型，散热层3可以选择直接焊接在陶瓷基板2上以实现固定相连，整体结构简单，芯片1产生的热量容易传递到散热层3上，散热层3背离陶瓷基板2的一面为多个散热结构31，相邻两个散热结构31之间形成凹槽100，能增加散热层3与空气的接触面积，提高散热效果，因而不需要另外再设置散热器，降低了智能功率模块的制造成本。
具体的，本实施例中的散热层3为金属铝，散热层3与陶瓷基板2采用的焊接方法为：在钎焊电子浆料中加入少量的活性元素，采用丝网印刷技术印刷到陶瓷基板2上，其上再覆盖散热层3后放到真空炉内进行烧结，实现散热层3与陶瓷基板2间的焊接。活性焊料通过在普通金属焊料中添加Ti、Zr、V、Hf、Nb或Ta等稀土元素制备，由于稀土元素具有高活性，可提高焊料融化后对陶瓷的润湿性，使陶瓷表面无需金属化就可与金属实现焊接，键合温度500℃～600℃，借助模具完成散热层3的键合，进而降低陶瓷基板2的内部应力。而现有的散热方案需要先在1000℃以上的高温条件，在含氧的氮气中加热，使铜箔和陶瓷通过共晶键合的方式牢固结合在一起，制备出覆铜基板，加工条件要求较高，然后再将散热器安装到覆铜基板上，整体工艺较为复杂，成本高。
本实施例的智能功率模块利用含少量活性元素的活性金属焊料实现散热层3与陶瓷基板2间的直接焊接，有效的降低了工艺的难度和成本，具有良好的导热性能及优良的抗热震疲劳性能。铝在受到外力发生塑性形变的时候，其塑性应变速率更平缓，低的机械应力以及无显著的硬化机制这两个特点使其在受到热循环作用时，较低的内应力就使之发生塑性变形以协调铝与陶瓷间的应力，从而具有优异的抗热震疲劳性能。
在图1所示的实施例中，智能功率模块还包括引线4、管脚5和壳体6，引线4连接芯片1和管脚5，管脚5的一部分、引线4、陶瓷基板2和芯片1均设置于壳体6中，管脚5的另一部分伸出壳体6。
凹槽100的横截面可以有多种形状，不同形状的凹槽100对应不同形态的散热结构31。在图1和图2所示的实施例中，凹槽100的横截面均为三角形，相邻两个凹槽100之间形成三棱柱状的散热结构31。各个散热结构31的大小和形状均相同且紧密排列，相邻两个散热结构31的底部之间没有空隙，以充分利用有限的空间来增大散热层3的表面积。
散热结构31的横截面可以为非等腰三角形，例如直角三角形，也可以为等腰三角形，例如在图1和图2所示的实施例中，散热结构31的横截面均为等腰三角形且其顶角角度均小于60度。当此角度较小时，散热结构31整体的厚度较薄，相应的，散热层3整体的表面积也较大，具有较好的散热效果，因而此角度不宜过大。
进一步的，如图2所示，散热结构31上设有沿其长度方向开设的散热孔200，散热孔200贯穿散热结构31。散热孔200使散热结构31与空气的接触面积进一步增大，从而提高散热层3的散热效果，散热孔200贯穿散热结构31，使得散热孔200内部的空气容易流通，更好地带走热量。
更进一步的，散热孔200的横截面形状与散热结构31的横截面形状相似。散热孔200虽然能增强散热结构31的散热效果，但是会降低散热结构31的结构强度，特别是散热结构31本身的尺寸较小，结构强度较低，在外力作用下容易变形。通过使散热孔200的横截面形状与散热结构31的横截面形状相似，并将其开设在散热结构31端面的中部位置，使散热结构31各处的结构强度发生变化的程度较为一致，不会出现明显的薄弱之处，以降低开设散热孔200对散热结构31的结构强度造成的影响。
如图3所示，在另一个实施例中，凹槽100的横截面为矩形，相应的，散热结构31的形状为长方体，散热结构31上开设的散热孔200的横截面形状也相应地变为矩形以与散热结构31的形状匹配。当然，凹槽100的横截面形状还可为其他种类的四边形，并不限于矩形，例如梯形、平行四边形等形状。
凹槽100的横截面也并不局限于三角形和四边形，还可以为弓形或其他形状，同样能提高散热层3的散热效果。
在上述的这些实施例中，散热结构31之间都相互平行，在另一些实施例中，散热结构31之间不平行，凹槽100还可以为曲线槽而非直线槽，同样能提高散热层3的散热效果。
如图4所示，在一个实施例中，散热层3上的凹槽100包括多个相互平行的第一凹槽1001和多个相互平行的第二凹槽1002，第一凹槽1001与第二凹槽1002相互垂直并使散热层3形成多个散热结构31，散热结构31为长方体状的散热块。相互交叉的第一凹槽1001与第二凹槽1002使得散热层3的表面积大大增加，散热结构31之间均相互间隔，散热空间更大，因而能进一步增强散热层3的散热效果。第一凹槽1001与第二凹槽1002并不限定为相互垂直，只要二者不相互平行即可。
在上述的各个实施例中，散热层3的厚度为3-7mm，优选为5mm，占用空间小，相较于额外设置散热器进行散热的方案，智能功率模块的体积大大缩小，布设起来更为方便。
进一步的，凹槽100的深度大于散热层3厚度的一半，以保证散热层3具有足够大的表面积用于散热。但凹槽100的深度应小于散热层3的厚度，使得散热层3与陶瓷基板2结合的一面为一个完整的平面，有利于散热层3与陶瓷基板2的固定连接。
虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (9)
1.一种智能功率模块，其特征在于，包括芯片、陶瓷基板和散热层，所述芯片和所述散热层分别设置于所述陶瓷基板的两侧，所述散热层与所述陶瓷基板固定相连，所述散热层背离所述陶瓷基板的一面为多个散热结构，相邻两个所述散热结构之间形成凹槽，所述散热结构上设有沿其长度方向开设的散热孔，所述散热孔贯穿所述散热结构。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述凹槽的横截面为三角形、四边形或弓形。
3.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述凹槽的横截面为三角形，所述散热结构为三棱柱状的散热筋。
4.根据权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，所述散热结构的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的顶角角度小于60度。
5.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述散热孔的横截面形状与所述散热结构的横截面形状相似。
6.根据权利要求1-5任一项所述的智能功率模块，其特征在于，多个所述散热结构之间相互平行或不平行。
7.根据权利要求6所述的智能功率模块，其特征在于，所述凹槽包括多个相互平行的第一凹槽和多个相互平行的第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽不平行，所述散热结构为长方体状的散热块。
8.根据权利要求1-5任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述散热层的厚度为3-7mm。
9.根据权利要求8所述的智能功率模块，其特征在于，所述凹槽的深度大于所述散热层厚度的一半。
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