CN223527172U - 散热结构、功率模块及功率变换设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种散热结构、功率模块及功率变换设备，涉及电子技术领域。散热结构包括散热本体，散热本体设有用于与功率模块的芯片单元连接的连接结构；连接结构朝向芯片单元的表面为第一面，连接结构设有焊料收集槽，焊料收集槽在第一面处形成槽的槽口；第一面用于在槽口沿槽的宽度方向两侧的通过焊料与芯片单元连接。这样，在焊接过程中，可以通过焊料收集槽收集多余的焊料，有利于降低焊料堆料导致焊料层厚度不均的可能性，有利于保障焊接后焊料层的厚度均匀性；并且，焊接过程中助焊剂产生的气泡更容易挤压排出。有利于降低焊接的空洞率，提升焊接质量，有利于批量焊接的一致性的管控。

Description

散热结构、功率模块及功率变换设备

技术领域

本公开涉及电子技术领域，具体而言，涉及一种散热结构、功率模块及功率变换设备。

背景技术

在功率模块中，芯片单元通常通过锡膏等焊料与均热板等散热结构焊接连接，具体而言，在均热板上铺设焊料例如锡膏，然后放置芯片单元，将均热板和芯片单元通过夹具压紧后放入焊接装置中进行焊接处理。

但是，一些情况下，在均热板与芯片单元的连接区域内各位置之间可能存在焊接形成的焊料层的厚度不均的问题，进而影响功率模块的使用性能例如导热均匀性等问题。

实用新型内容

本公开旨在一定程度上解决相关技术中如何降低散热结构与芯片单元焊接连接时焊接厚度不均匀的问题。

为至少在一定程度上解决上述问题的至少一个方面，第一方面，本公开提供一种散热结构，包括散热本体，所述散热本体设有用于与功率模块的芯片单元连接的连接结构；所述连接结构朝向所述芯片单元的表面为第一面，所述连接结构设有焊料收集槽，所述焊料收集槽在所述第一面处形成槽的槽口；所述第一面用于在所述槽口沿槽的宽度方向两侧的通过焊料与所述芯片单元连接。

可选地，所述焊料收集槽于槽的延伸方向的至少一端形成有连通口。

可选地，所述焊料收集槽的数量为多个，多个所述焊料收集槽中至少两个相连通。

可选地，所述连接结构远离所述第一面的一端与所述散热本体一体连接或可拆卸连接。

可选地，所述连接结构包括间隔设置的多个子块，任意相邻两个所述子块之间的间隔用于形成所述焊料收集槽。

可选地，多个所述子块呈矩阵分布设置。

可选地，所述芯片单元包括芯片和绝缘模块；所述绝缘模块具备朝向所述芯片的第一金属层及朝向所述第一面的第二金属层，所述第一金属层与所述芯片连接，所述第二金属层通过焊料与所述第一面连接；所述第二金属层的横截面积大于或等于所述第一面的面积，当所述第二金属层与所述第一面连接时，所述第二金属层覆盖所述第一面。

可选地，所述散热本体上设置有凹槽结构，所述连接结构设置于所述凹槽结构的槽底。

可选地，所述第一面上设置有多个凸起，多个所述凸起的高度相一致。

可选地，所述焊料为焊片，所述焊片内置有支撑结构。

第二方面，本公开提供一种功率模块，包括芯片单元和如上第一方面任意一项所述的散热结构，所述芯片单元通过焊料与所述散热结构的第一面焊接连接。

可选地，所述散热结构包括均热板和散热器中的至少一个。

可选地，当所述散热结构包括所述均热板时，所述均热板上设置多个连接孔。

第三方面，本公开提供一种功率变换设备，包括如上第二方面所述的功率模块。

在本公开的散热结构、功率模块及功率变换设备中，散热结构的散热本体设置连接结构，通过连接结构与芯片单元连接，其中连接结构朝向芯片单元的表面为第一面，连接结构设有焊料收集槽，焊料收集槽在第一面处形成槽的槽口；当连接结构的第一面在槽口沿槽的宽度方向两侧的通过焊料与所述芯片单元连接时，也即第一面上位于槽口沿槽的宽度方向的一侧的部分通过焊料与所述芯片单元连接，且第一面上位于槽口沿槽的宽度方向的另一侧的部分通过焊料与所述芯片单元连接，从而芯片单元及散热结构通过焊料连接为整体，确保二者的可靠连接，在焊接过程中，可以通过焊料收集槽收集多余的焊料，有利于降低焊料堆料导致焊料层厚度不均的可能性，有利于保障焊接后焊料层的厚度均匀性，降低焊接内应力；并且，这种情况下，焊接过程中助焊剂产生的气泡更容易挤压排出，有利于降低焊接的空洞率，提升焊接质量，有利于批量焊接的一致性的管控。

附图说明

图1为本公开的第一实施例中散热结构的结构示意图；

图2为图1中的散热结构用于功率模块时功率模块的结构示意图；

图3为本公开的第二实施例散热结构为均热板时的结构示意图；

图4为图3中A处的局部放大图；

图5为图3中的散热结构用于功率模块时功率模块的结构示意图；

图6为本公开的第三实施例中散热本体形成有凹槽结构且散热结构为均热板时散热结构的结构示意图；

图7为图6中B处的局部放大图；

图8为图6中的散热结构用于功率模块时功率模块的结构示意图；

图9为本公开的第四实施例中焊料采用焊片时功率模块的爆炸示意图；

图10为本公开的第五实施例中散热结构包括均热板和散热器时功率模块的结构示意图；

图11为图10中A-A截面处的剖视示意图。

附图标记说明：

1-散热结构；1A-均热板；1B-散热器；11-散热本体；12-连接结构；121-块状结构；1211-子块；122-第一面；123-焊料收集槽；1231-连通口；1232-槽口；13-凸起；14-凹槽结构；15-连接孔；2-芯片单元；21-芯片；22-绝缘模块；221-第一金属层；222-第二金属层；223-绝缘层；23-塑封结构；3-焊料；31-焊片。

具体实施方式

为使本公开的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本公开的具体实施例做详细的说明。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”、“一些实施方式”、“示例性地”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。

术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。这样，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

附图中Z轴表示竖向，也就是上下位置，并且Z轴的正向(也就是Z轴的箭头指向)表示上，Z轴的负向表示下；附图中X轴表示前后位置，并且X轴的正向(也就是X轴的箭头指向)表示前侧，X轴的负向表示后侧；附图中Y轴表示水平方向，并指定为左右位置，并且Y轴的正向(也就是Y轴的箭头指向)表示右侧，Y轴的负向表示左侧；同时需要说明的是，前述Z轴、Y轴及X轴的表示含义仅是为了便于描述本公开和简化描述，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公开的限制。

在功率模块中，芯片单元通常通过锡膏等焊料与均热板等散热结构焊接连接，具体而言，在均热板上铺设焊料例如锡膏，然后放置芯片单元，将均热板和芯片单元通过夹具压紧后放入焊接装置中进行焊接处理。但是，一些情况下，在均热板与芯片单元的连接区域内各位置之间可能存在焊接形成的焊料层的厚度不均的问题。还可能导致以下几个方面的后果。热传导效率降低：在功率模块中，锡膏厚度不均匀可能影响热传导效率，进而影响模块的散热性能。焊接不牢固或焊点缺失：锡膏过薄可能导致焊接不牢固或焊点缺失，影响连接的可靠性。空洞率高：在IGBT模块封装中，锡膏厚度不均匀可能导致空洞率增加，影响模块的电气和热性能。

如图1和图2所示，图1为本公开的第一实施例中散热结构的结构示意图；图2为图中的散热结构用于功率模块时功率模块的结构示意图。第一方面，本公开实施例提供一种散热结构1，包括散热本体11，所述散热本体11设有用于与功率模块的芯片单元2连接的连接结构12；所述连接结构12朝向所述芯片单元2的表面为第一面122，所述连接结构12设有焊料收集槽123，所述焊料收集槽123在所述第一面122处形成槽的槽口1232；所述第一面122用于在所述槽口1232沿槽的宽度方向两侧的通过焊料3与所述芯片单元2连接。

具体地，参考图1所示，连接结构12的朝向所述芯片单元2的表面为第一面122，也就是说，连接结构12的上表面为第一面122，连接结构12在第一面122处凹陷形成有焊料收集槽123，焊料收集槽123在第一面122处通过槽口1232与外部连通。

应理解的是，焊料收集槽123的数量可以是一个或多个。针对其中任选的焊料收集槽123而言，其具有长度方向和宽度方向，长度方向即焊料收集槽123的延伸方向，宽度方向也就是垂直于长度方向且垂直于槽的深度的方向，如图1所示，其仅示出了具备一个焊料收集槽123，且焊料收集槽123的宽度方向为左右方向的情况。

应当理解，针对其中任选的焊料收集槽123而言，第一面122用于在所述槽口1232沿槽的宽度方向两侧的位置通过焊料3与所述芯片单元2连接，也就是说，当连接结构12与芯片单元2通过焊料3焊接时，芯片单元2在第一面122的投影，部分位于槽口1232对应的区域内，且部分位于槽口1232对应的区域的两侧。以图1和图2所示方案为例，芯片单元2在第一面122的投影，部分位于槽口1232对应的区域内，且部分位于槽口1232对应的区域的左侧，且部分位于槽口1232对应的区域的右侧。应当理解是，这种情况下，焊料收集槽123沿其长度方向例如前后方向的尺寸可以大于芯片单元2的尺寸，也可以小于或等于芯片单元2的尺寸，其不作为限制。

应理解，散热本体11的具体结构不作为限制，其根据散热结构1的具体类型确定。示例性地，参考图3-5所示，散热结构1可以是均热板1A，参考图10至11所示，散热结构1还可以是翅片散热器1B，其不作为限制。

应当理解，连接结构12和散热本体11可以一体成型，也可以单独通过焊接、粘结工艺进行连接，其不作为限制。

本实施例中，散热结构1的散热本体11设置连接结构12，通过连接结构12与芯片单元2连接，其中连接结构12朝向芯片单元2的表面为第一面122，连接结构12设有焊料收集槽123，焊料收集槽123在第一面122处形成槽的槽口1232；当连接结构12的第一面122在槽口1232沿槽的宽度方向两侧的通过焊料3与所述芯片单元2连接时，也即第一面122上位于槽口1232沿槽的宽度方向的一侧的部分通过焊料3与所述芯片单元2连接，且第一面122上位于槽口1232沿槽的宽度方向的另一侧的部分通过焊料3与所述芯片单元2连接，从而芯片单元2及散热结构1通过焊料3连接为整体，确保二者的可靠连接，在焊接过程中，可以通过焊料收集槽123收集多余的焊料3，有利于降低焊料3堆料导致焊料层厚度不均的可能性，有利于保障焊接后焊料层的厚度均匀性，降低焊接内应力；并且，这种情况下，焊接过程中助焊剂产生的气泡更容易挤压排出，有利于降低焊接的空洞率，提升焊接质量，有利于批量焊接的一致性的管控。

在连接结构12的可选方案中，参考图4，所述焊料收集槽123于槽的延伸方向的至少一端形成有连通口1231。

也就是说，焊料收集槽123于其延伸方向贯穿连接结构12从而形成连通口1231。

如此，在芯片单元2与散热结构1通过焊料3焊接连接的工序中，可通过焊料收集槽123及其连通口1231排出废气等，例如可以排出助焊剂产生的气泡，且有利于实现焊料收集槽123与外部环境的热交换和气流交换，有助于降低芯片单元2与散热结构1在焊料收集槽123处产生热量集中的可能性，有助于提升功率模块的散热性能。

进一步地，所述焊料收集槽123的数量为多个，多个所述焊料收集槽123中至少两个相连通。示例性地，各焊料收集槽123均连通。

如此，将焊料收集槽123设置为相连通，有利于焊接工序中，熔融的焊料3在焊料收集槽123之间流动，提升多个焊料收集槽123对熔融焊料3的收集性能。

在连接结构12的可选方案中，连接结构12具备远离第一面122的一端，且连接结构12具备远离第一面122的一端与散热本体11一体连接或可拆卸连接。

如图1所示，示例性地，所述连接结构12呈块状结构121。所述块状结构121与所述散热本体11一体连接。这时，块状结构121可由散热本体11的表面凸出而形成。

示例性地，块状结构121与散热本体11可拆卸连接，例如通过紧固件连接，此方案图中未示出。

如此，连接结构12呈块状结构121，利用块状结构121的上表面形成该第一面122，便于在第一面122进行焊料3的布置，便于进行散热结构1与芯片单元2的连接。

在块状结构121的可选方案中，所述块状结构121包括间隔设置的多个子块1211，任意相邻两个所述子块1211之间的间隔用于形成所述焊料收集槽123。

如图3所示，图3为本公开的第二实施例散热结构为均热板时的结构示意图。示例性地，块状结构121具备八个子块1211，八个子块1211阵列分布，从而形成多个焊料收集槽123。

如图3所示，其示出了焊料收集槽123的槽深可以与块状结构121的厚度相一致的情况，但应当理解，其不局限于此，例如，焊料收集槽123的槽深可以大于块状结构121的厚度，焊料收集槽123的槽深也可以小于块状结构121的厚度。

如此，任意相邻两个子块1211之间均形成有焊料收集槽123，第一面122在子块1211对应的部分(即子块1211的上表面)的边缘与焊料收集槽123相邻或者对应于块状结构121的周向外边缘，从而有利于在焊接过程中，第一面122在子块1211对应的部分(即子块1211的上表面)上多余的熔融焊料3的流出，从而有利于保障第一面122在子块1211对应的部分焊接后所形成的焊料层的厚度均匀性。

如图3所示，进一步的可选地方案中，各子块1211的横截面积相一致。

具体地，多个焊料收集槽123起到将第一面122均匀划分为多个子块1211的上表面的作用。从而有各子块1211处的导热性能趋近一致，有利于提升功率模块在第一面122各处的导热均匀性。

如图3所示，进一步地可选地方案中，多个所述子块1211呈矩阵分布设置。

如此，焊料收集槽123的设置有利于提升功率模块在垂直于焊料收集槽123延伸方向的方向上的抗变形性能，多个焊料收集槽123中既具备沿左右方向延伸的焊料收集槽123，还具备沿前后方向延伸的焊料收集槽123，从而有利于提升功率模块的抗变形性能，提升功率模块的结构可靠性。

上述实施例中，应理解的是，子块1211的长度、宽度及高度可根据具体试验确定，示例性地，子块1211的长度、宽度及高度分别为20mm、15mm、0.2mm。其中，其高度方向与焊料收集槽123的深度方向一致。

上述实施例中，可选地，所述芯片单元2包括芯片21和绝缘模块22；所述绝缘模块22具备朝向所述芯片21的第一金属层221及朝向所述第一面122的第二金属层222，所述第一金属层221与所述芯片21连接，所述第二金属层222通过焊料3与所述第一面122连接；所述第二金属层222的横截面积大于或等于所述第一面122的面积，当所述第二金属层222与所述第一面122连接时，所述第二金属层222覆盖所述第一面122。

应理解，本实施例中，以绝缘模块22为DBC绝缘模块，且从上至下包括第一金属层221、绝缘层223及第二金属层222为例来说明本公开的技术方案，但其不局限于此，绝缘模块22的层数可以根据需要设置得更多，其不作为限制。芯片单元2通常还包括塑封结构23，以对芯片21进行塑封，此处不再详细说明。

第一金属层221与芯片21的连接方式不作为限制，例如，第一金属层221可以通过焊料3与芯片21焊接连接，实现芯片21在绝缘模块22的固定。

所述第二金属层222的横截面积大于或等于所述第一面122的面积，当所述第二金属层222与所述第一面122连接时，所述第二金属层222可以覆盖所述第一面122，示例性地，第二金属层222的周向边缘与第一面122的周向边缘之间的最小距离大于或等于0.2mm。这样，在芯片单元2与散热结构1的焊接工序中，上述周向边缘处多余的熔融焊料3可以从该边缘流出，并从第一面122的周向边缘向下流动，降低多余的熔融焊料3堆积至绝缘层223的可能性。

上述实施例中，可选地，所述散热本体11上设置有凹槽结构14，所述块状结构121设置于所述凹槽结构14的槽底。

如图6至8所示，图6为本公开的第三实施例中散热本体形成有凹槽结构且散热结构为均热板时散热结构的结构示意图；图7为图6中B处的局部放大图；图8为图6中的散热结构用于功率模块时功率模块的结构示意图。应当理解的是，凹槽结构14的深度与块状结构121的厚度不作为限制。

如此，可以利用凹槽结构14来布置块状结构121，避免散热结构1因布置块状结构121而在厚度方向的尺寸过大；并且，在芯片单元2与散热结构1的焊接工序中，还可以利用凹槽结构14来容置有可能从块状结构121流出的多余的熔融焊料3，结构简单，实用性强。

上述实施例中，可选地，所述第一面122上设置有多个凸起13，多个所述凸起13的高度相一致。

参考图1、图4和图7所示，示例性地，各子块1211分别对应设置有多个凸起13，例如子块1211的上表面呈矩形，在矩形的四角处分别对应设置凸起13，凸起13的横截面形状可以是圆形，凸起13于上下方向的厚度通常应小于或等于焊料层的设计厚度(设计厚度也即其焊接后所需要的焊料层的厚度)。

如此，在芯片单元2与散热结构1的焊接工序中，焊料3可以采用膏状混合物，便于进行焊料3的涂覆，在焊料3处于熔融状态时，可通过凸起13对芯片单元2进行支撑，降低焊接后各位置处焊料层厚度不均的可能性。

应理解，这种情况下，在涂覆焊料3时，往往不会主观在焊料收集槽123对应的区域涂覆焊料3，而是仅在第一面122上，焊料收集槽123之外的区域涂覆焊料3。当然，为了确保焊料3的量足够，在涂覆焊料3时，可能会有部分焊料3溢出至焊料收集槽123。

如图9所示，区别于上述第一面122上设置有多个凸起13的方式，可选地，所述焊料3为焊片31，所述焊片31内置有支撑结构。

支撑结构的具体结构形式不作为限制，例如其可以是网状或其他结构形式，在芯片单元2与散热结构1的焊接工序中，支撑结构的作用在于，当焊片31中的焊料3融化时，通过支撑结构可保持第一面122对芯片单元2支撑，无需另外设置上述凸起13，其结构简单，实用性强。

应理解，这种情况下，在布置焊片31时，焊片31的面积通常小于或等于子块1211的上表面的面积，从而降低焊料3进入焊料收集槽123的可能，当然，焊片31的面积也可以略大于子块1211的上表面的面积，此处不再详细说明。

第二方面，本公开提供一种功率模块，包括芯片单元2和如上实施例所述的散热结构1，所述芯片单元2通过焊料3与所述散热结构1的第一面122焊接连接。

有关功率模块的部分结构在前文已经描述，功率模块具备功率模块所具备的所有有益效果，此处不再详细说明。

如图2、5、8所示，在功率模块的可选方案中，所述散热结构1包括均热板1A。芯片单元2与均热板1A连接。

均热板1A的结构形式不作为限制，其可以是固体均热板1A，还可以是液态两相流均热板1A。

在功率模块的可选方案中，所述散热结构1包括散热器1B。散热器1B可以采用翅片散热。芯片单元2与散热器1B连接。

如图9所示，在功率模块的可选方案中，所述散热结构1包括均热板1A和散热器1B。芯片单元2与均热板1A连接，均热板1A再与散热器1B连接，二者连接方式不作为限制。

上述实施例中，可选地，当所述散热结构1包括所述均热板1A时，所述均热板1A上设置多个连接孔15。

示例性地，在进行散热结构1与均热板1A的焊接连接时，连接孔15可以作为与芯片单元2连接的定位孔；还可以作为压紧工装进行芯片单元2与均热板1A压紧时的与压紧板定位连接的定位孔使用；还可以用于焊接后均热板1A与外部部件例如与散热器1B连接的结构(参考图10)，一孔多用，结构简单，实用性强。

第三方面，本公开提供一种功率变换设备，其包括上述实施例的功率模块。该功率变换设备具有该功率模块所具有的所有有益效果，此处不再赘述。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变动与修改，这些变动与修改均将落入本公开的保护范围。

Claims (14)

1.一种散热结构，其特征在于，包括散热本体(11)，所述散热本体(11)设有用于与功率模块的芯片单元(2)连接的连接结构(12)；所述连接结构(12)朝向所述芯片单元(2)的表面为第一面(122)，所述连接结构(12)设有焊料收集槽(123)，所述焊料收集槽(123)在所述第一面(122)处形成槽的槽口(1232)；所述第一面(122)用于在所述槽口(1232)沿槽的宽度方向两侧的通过焊料(3)与所述芯片单元(2)连接。

2.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述焊料收集槽(123)于槽的延伸方向的至少一端形成有连通口(1231)。

3.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述焊料收集槽(123)的数量为多个，多个所述焊料收集槽(123)中至少两个相连通。

4.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述连接结构(12)远离所述第一面(122)的一端与所述散热本体(11)一体连接或可拆卸连接。

5.如权利要求4所述的散热结构，其特征在于，所述连接结构(12)包括间隔设置的多个子块(1211)，任意相邻两个所述子块(1211)之间的间隔用于形成所述焊料收集槽(123)。

6.如权利要求5所述的散热结构，其特征在于，多个所述子块(1211)呈矩阵分布设置。

7.如权利要求4所述的散热结构，其特征在于，所述芯片单元(2)包括芯片(21)和绝缘模块(22)；所述绝缘模块(22)具备朝向所述芯片(21)的第一金属层(221)及朝向所述第一面(122)的第二金属层(222)，所述第一金属层(221)与所述芯片(21)连接，所述第二金属层(222)通过焊料(3)与所述第一面(122)连接；所述第二金属层(222)的横截面积大于或等于所述第一面(122)的面积，当所述第二金属层(222)与所述第一面(122)连接时，所述第二金属层(222)覆盖所述第一面(122)。

8.如权利要求4至7任意一项所述的散热结构，其特征在于，所述散热本体(11)上设置有凹槽结构(14)，所述连接结构(12)设置于所述凹槽结构(14)的槽底。

9.如权利要求1至7任意一项所述的散热结构，其特征在于，所述第一面(122)上设置有多个凸起(13)，多个所述凸起(13)的高度相一致。

10.如权利要求1至7任意一项所述的散热结构，其特征在于，所述焊料(3)为焊片(31)，所述焊片(31)内置有支撑结构。

11.一种功率模块，其特征在于，包括芯片单元(2)和如权利要求1至10任意一项所述的散热结构，所述芯片单元(2)通过焊料(3)与所述散热结构的第一面(122)焊接连接。

12.如权利要求11所述的功率模块，其特征在于，所述散热结构包括均热板(1A)和散热器(1B)中的至少一个。

13.如权利要求12所述的功率模块，其特征在于，当所述散热结构包括所述均热板(1A)时，所述均热板(1A)上设置多个连接孔(15)。

14.一种功率变换设备，其特征在于，包括如权利要求11-13任意一项所述的功率模块。