TW202137858A - 結合散熱器的碳化矽模組 - Google Patents

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Abstract

一種結合散熱器的碳化矽模組，包含散熱器；以及碳化矽模組，固接該散熱器；其中錫膏配置於散熱器與碳化矽模組之間，透過一焊接製程以熱壓散熱器與碳化矽模組，以將碳化矽模組和散熱器焊接在一起。

Description

結合散熱器的碳化矽模組及其方法
本發明涉及一種碳化矽模組，更詳而言之，係一種結合散熱器的碳化矽模組及其方法，實現了快速降低碳化矽模組溫度之技術。
碳化矽(SiC)元件具有高壓、高頻和高效率的優勢，在縮小體積的同時提高了效率。另一方面，碳化矽(SiC)在擊穿場強、能隙寬度、電子飽和速度、熔點，以及熱導率方面也都具有優勢，因此，成為電子元件之新的材料選項。
另外，電子產品不斷地朝向微型化、輕量化發展，半導體零組件集成化的程度越來越高。然而，高度集成化的半導體零組件需要較高的功率進行運作，其單位體積所產生的熱能亦隨著集成化程度的提高而上升。
一般常見的散熱裝置通常具有多個散熱鰭片，為進一步提高散熱效能，部分散熱裝置更進一步附有風扇、導熱管或水冷系統。然而，若僅以施加壓力的方式使半導體零組件與散熱裝置或機殼接觸，由於接觸表面上的微小缺陷，將導致二者間實際接觸面積遠小於接觸表面的總面積，二者的間隙中充滿具有高度熱阻抗的空氣，使半導體零組件所產生之熱量無法有效率的傳導至散熱裝置或機殼。
為解決上述問題，通常塗一散熱膏於接觸表面之上，以填補接觸表面上的微小缺陷，顯著的提升二者間的有效散熱面積，以降低熱阻抗。市售的散熱膏多以絕緣物質如：環氧樹脂、矽油或石蠟油為載體，添加金屬粉末、金屬氧化物粉末以提升熱傳導性質。然而，使用上述材料所製得之散熱膏在熱傳導係 數及熱阻抗等熱傳導性質上有所限制；亦即，散熱膏的熱傳導係數較低(K=2.5)，熱傳效果不佳，無法滿足現今電子產品高度散熱效率之需求。
因此，基於目前的市場上應用的需求，並改善習知的缺點，本發明提出新的結構與解決辦法。
為解決上述習知技術的缺點，本發明係提供一種利用錫膏以組合碳化矽模組與散熱器之結構與方法，經由該方法所製備之組合結構，可以克服傳統散熱膏熱傳導性質上之限制。
根據本發明之一觀點，結合散熱器的碳化矽模組包含散熱器；以及碳化矽模組，固接散熱器；其中錫膏配置於散熱器與碳化矽模組之間，透過一焊接製程以熱壓散熱器與碳化矽模組，以將碳化矽模組和散熱器焊接在一起。
上述焊接製程的溫度為130℃~140℃。其中散熱器具有銅或銅合金製的基板以及設於基板上的複數個鋁或鋁合金製的散熱片。另一例子中，散熱器係一體成型，包括一基板、一蓋板和固定在基板與蓋板之間的複數個鰭片；錫膏之材料包含焊錫粉末與助焊劑。
根據本發明之另一觀點，一種結合散熱器與碳化矽模組之方法，包含：提供一碳化矽模組；接下來，將錫膏配置於碳化矽模組之上；然後，將一散熱器置放於碳化矽模組之上，使得該散熱器之一表面接觸錫膏，而該錫膏即位於碳化矽模組與該散熱器之該表面之間；之後，透過一焊接製程以熱壓散熱器與碳化矽模組，以使得錫膏固化而將碳化矽模組和散熱器焊接在一起。
上述焊接製程的溫度為130℃~140℃。其中錫膏之材料包含焊錫粉末與助焊劑片。另一例子中，錫膏係採用Sn(錫)Bi(鉍)合金或Sn(錫)Bi(鉍)Ag(銀)合金的焊錫粉末。散熱器具有銅或銅合金製的基板以及設於基板上的複數個鋁或鋁合金製的散熱片。
以上所述係用以說明本發明之目的、技術手段以及其可達成之功效，相關領域內熟悉此技術之人可以經由以下實施例之示範與伴隨之圖式說明及申請專利範圍更清楚明瞭本發明。
100、300:碳化矽模組
102:錫膏
110、302:散熱器
112:第一外表面
114:第二外表面
200:結合散熱器的碳化矽模組
如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。
第一圖顯示本發明之散熱器與碳化矽模組之架構圖。
第二圖顯示本發明之結合散熱器的碳化矽模組之組合結構圖。
第三圖顯示本發明之結合散熱器的碳化矽模組之組合結構圖。
本發明將以較佳之實施例及觀點加以詳細敘述。下列描述提供本發明特定的施行細節，俾使閱者徹底瞭解這些實施例之實行方式。然該領域之熟習技藝者須瞭解本發明亦可在不具備這些細節之條件下實行。此外，本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。本發明將以較佳實施例及觀點加以敘述，此類敘述係解釋本發明之結構，僅用以說明而非用以限制本發明之申請專利範圍。以下描述中使用之術語將以最廣義的合理方式解釋，即使其與本發明某特定實施例之細節描述一起使用。
本發明之目的在於改善習知的散熱膏或導熱矽膠片作熱傳的物質的熱傳效果不佳缺點，而提出利用錫膏以結合散熱器的碳化矽模組之結構與方法。利用錫膏作為熱傳導材料，並整合散熱器於碳化矽模組之上，以提升整體碳化矽模組的散熱效果。
本發明之發明手段：碳化矽模組在工作時溫度過高須降載，以避免零件燒毀；然而，目前使用散熱膏或導熱矽膠片作熱傳的物質，由於散熱膏的熱傳導係數較低(K=2.5)，熱傳效果不佳。因此，本發明利用低溫焊接技術，在碳化矽(SiC)模組與散熱器之間塗抹低溫(130℃~140℃)即可熔融的錫膏，接著加熱以將錫膏熔解，使SiC模組與散熱器焊接在一起。
本發明之發明效果：碳化矽模組在通電時所產生的高溫，可以經由熱傳導係數較高的金屬焊錫/錫膏(K>40)傳遞到散熱器上，使散熱器能發揮更好的散熱效果，以降低碳化矽模組的溫度。
本發明之碳化矽模組包含碳化矽(SiC)電子零組件，例如SiC功率元件、功率控制單元(Power Control Unit：PCU)、逆變器、車載充電器..等。碳化矽模組包含碳化矽(SiC)基板、碳化矽(SiC)元件或其組合。利用碳化矽(SiC)製作的電子零組件具有三個優勢：降低電能轉換過程中的能量損耗、更容易實現小型化、更耐高溫高壓。通訊5G產品大多具備高功率、高壓、高溫等特性，因此大部分均使用碳化矽(SiC)元件。碳化矽模組整合多個碳化矽(SiC)元件於其上。碳化矽模組例如為碳化矽(SiC)功率模組、碳化矽(SiC)半導體模組、碳化矽(SiC)離散半導體模組..等。
請參閱第一圖，其顯示本發明之散熱器與碳化矽模組之架構圖。在本實施例之中，高導熱碳化矽模組結構包含碳化矽模組100、錫膏102與散熱器110。在本實施例之中，碳化矽模組100為碳化矽(SiC)基板。
散熱器110可導熱，並可具有第一外表面112以及實質上平行於第一外表面112的第二外表面114。散熱器110之第二外表面114可為可焊接式的部分，可焊接於碳化矽模組100部件背側之上。散熱器110的材料選擇為熱傳導性與可焊接性，例如金屬。利用導熱式材料以製成散熱器110。散熱器110之結構係設計為有利於焊接於碳化矽模組100之上，並且用於對碳化矽模組100之上的電子元件散熱。
在一實施例之中，散熱器110具有銅或銅合金製的基板以及設於 基板上的複數個鋁或鋁合金製的棒狀散熱片。
在一實施例之中，散熱器110係一體成型，包括一基板、一蓋板和固定在基板與蓋板之間的複數個針狀、柱狀、片狀或其他形狀的散熱鰭片，該些鰭片從基板上延伸。基板或柱狀鰭片等均由導熱性能良好之材料，例如銅、鋁等金屬所製成。
在另一實施例之中，散熱器110包括一基板和複數個散熱鰭片，鰭片與基板分離製造，以增大鰭片之散熱面積，再將鰭片與基板用焊接或其他方式結合在一起，以完成散熱器的製作。
本發明採用低溫可熔融的錫膏102材料，例如於溫度130℃~140℃，錫膏102即可熔融。在一實施例之中，錫膏102之材料包含焊錫粉末(power)與助焊劑(flux)。在一例子之中，低溫錫膏102係採用Sn(錫)Bi(鉍)合金或Sn(錫)Bi(鉍)Ag(銀)合金的焊錫粉末，其中Sn(錫)Bi(鉍)合金的錫(Sn,42%)、鉍(Bi,58%)，熔點為138℃。在低溫錫膏102含有Bi(鉍)的情況之下，Bi(鉍)的含量較好介於0%~58%之間。Bi(鉍)含量若為該範圍內，則可提高溫度循環特性。本發明之焊錫粉末最好相對於低溫錫膏102總質量的35~95%。
助焊劑內含溶劑可以將所有錫膏102的組成材料混合在一起成為膏狀。另外，助焊劑亦可以去除金屬表面的氧化物及雜質，而且可以在金屬的表面形成薄膜以隔絕空氣，讓錫膏不易氧化。助焊劑含量相對於低溫錫膏102總質量較好為5~60%。
在一實施例之中，低溫錫膏102包含助焊劑組成物。助焊劑組成物可為有機酸、胺、胺鹵化氫酸鹽、有機鹵素化合物、觸變劑、松香、溶劑、界面活性劑、基劑、高分子化合物、矽烷偶合劑、著色劑之任一者，或2種以上之組合。有機酸，包含但不限於：丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、二聚酸、丙酸、2,2-雙羥基甲基丙酸、酒石酸、蘋果酸、乙醇酸、二乙醇酸、硫代乙醇酸、二硫代乙醇酸、硬脂酸、12-羥基硬脂酸、棕櫚酸、油酸等。胺鹵化氫酸鹽係胺與鹵化氫反應後之化合物，其中胺例如為乙胺、乙二胺、 三乙胺、甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑等，而鹵化氫例如為氯、溴、碘之氫化物。有機鹵素化合物，包含但不限於：1-溴-2-丁醇、1-溴-2-丙醇、3-溴-1-丙醇、3-溴-1,2-丙二醇、1,4-二溴-2-丁醇、1,3-二溴-2-丙醇、2,3-二溴-1-丙醇、2,3-二溴-1,4-丁二醇、2,3-二溴-2-丁烯-1,4-二醇等。觸變劑例如為蠟系觸變劑、醯胺系觸變劑。松香例如為橡膠松香、木松香及妥爾油松香等之原料松香以及自該原料松香所得之衍生物。溶劑例如為水、醇系溶劑、二醇醚系溶劑、萜品醇類等。界面活性劑例如為聚氧伸烷基乙炔醇類、聚氧伸烷基甘油醚、聚氧伸烷基烷基醚、聚氧伸烷基酯、聚氧伸烷基烷基胺、聚氧伸烷基烷基醯胺等。
在另一實施例之中，助焊劑包括下列四種成份：(1)樹脂松香：包含天然樹脂(Rosin)或是人工合成的松香(Resin)，通常有鉛錫膏使用天然樹脂，而無鉛錫膏採用人工合成的松香，松香可以在被焊金屬的表面形成保護層以隔絕空氣，以防止氧化；(2)活性劑(activator)：包含為有機酸、鹵素，具有強力清潔金屬表面的能力，可溶解金屬表面的氧化物，提高焊接效果；(3)溶劑(solvent)：包含乙醇、水等成份，可以幫助溶解並混合助焊劑中的不同化學物質，讓助焊劑的塗佈可以更均勻，提昇助焊劑的效果，並用來控制錫膏的黏度及流動性，溶劑在錫膏的預熱過程中就蒸發掉了，不會影響整個錫膏的焊錫性；(4)增稠劑(rheology modifier)：提供觸變性(thixotropy)，以控制錫膏的黏度，增強錫膏的抗坍塌性，讓錫膏印刷於碳化矽(SiC)模組之後仍能保持原有的形狀不至於坍塌而影響導熱。
在一實施例之中，錫膏102先以膏狀配置於碳化矽(SiC)模組100之上。例如，透過一錫膏印刷機，以將錫膏102加在碳化矽(SiC)模組100之上。然後，再將散熱器110置放於碳化矽(SiC)模組100之上，讓散熱器110之第二外表面114直接接觸錫膏102，使得錫膏102配置於碳化矽(SiC)模組100與散熱器110之間。錫膏102之膏狀可以用來黏住碳化矽(SiC)模組100的表面(非電子零件面)，並且黏住放置於碳化矽(SiC)模組100之上的散熱器110之第二外表面114，讓散熱器110和碳化矽(SiC)模組100既使在些微的振動下也不至於移動位置。錫膏102的塗抹量、位置與面積可以視情況而定，以達最佳的錫膏102的黏度與導熱效果。
之後，利用一加熱焊接裝置以執行低溫焊接技術，例如操作溫度為130℃~140℃，以加熱塗抹、配置於碳化矽(SiC)模組100與散熱器110之間的錫膏102；加熱期間，碳化矽(SiC)模組100和散熱器110被熱壓，以使得錫膏102完全固化並將碳化矽(SiC)模組100和散熱器110連接在一起，以完成整合散熱器於碳化矽(SiC)模組200之上的製作，如第二圖所示。錫膏102於溫度130℃~140℃即可熔融，因此可以使得熔融的錫膏102焊接於碳化矽(SiC)模組100與散熱器110二者之間；並且熔融的錫膏102均勻分布於碳化矽(SiC)模組100與散熱器110之間，可以達到均勻導熱、散熱的目的。
另外，在另一實施例之中，如第三圖所示，散熱器302係整合於碳化矽模組300之封裝結構之上。在一實施例之中，散熱器302包含基板304、散熱鰭片306與熱管(heat pipe)308。舉例而言，熱管308之一端連接散熱鋁鰭片306，使熱管308所吸收之熱可以傳遞至散熱鋁鰭片306以進行散熱。熱管308例如為銅或鋁等高導熱性能之材質，熱管308內可以灌注一工作液體，工作液體可以為水、酒精或其他低沸點之液體，藉此使工作液體可以從液態吸收熱量而蒸發成氣態。熱管308之內璧可以為金屬絲篩網、微型溝槽等毛細結構，以幫助工作液體進行回流。散熱鰭片306與熱管308的數量可以視不同的情況或結構而決定。在本實施例之中，基板304為銅底板，而散熱鰭片306為鋁鰭片；散熱鋁鰭片306內插有2隻熱管308連接到銅底板304。碳化矽模組300之封裝結構包含利用碳化矽(SiC)基板材料所製作的電子元件，例如碳化矽(SiC)功率元件、功率控制單元(PCU)、逆變器、車載充電器..等。將這些碳化矽電子元件封裝於碳化矽模組300之上表面之上，再利用上述的低溫焊接技術，加熱塗抹、配置於碳化矽(SiC)模組300與散熱器302之間的錫膏，將散熱器302焊接於封裝的碳化矽模組300之背側面，以完成高散熱效果的碳化矽模組封裝結構。
以上敘述係為本發明之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。
100:碳化矽模組
102:錫膏
110:散熱器
112:第一外表面
114:第二外表面

Claims (10)

  1. 一種結合散熱器的碳化矽模組，包含：
    散熱器；以及
    碳化矽模組，固接該散熱器；
    其中錫膏配置於該散熱器與該碳化矽模組之間，透過一焊接製程以熱壓該 散熱器與該碳化矽模組，以將該碳化矽模組和該散熱器焊接在一起。
  2. 如請求項1所述之結合散熱器的碳化矽模組，其中該焊接製程的溫度為130℃~140℃。
  3. 如請求項1所述之結合散熱器的碳化矽模組，其中該散熱器具有銅或銅合金製的基板以及設於基板上的複數個鋁或鋁合金製的散熱片。
  4. 如請求項1所述之結合散熱器的碳化矽模組，其中該散熱器係一體成型，包括一基板、一蓋板和固定在該基板與該蓋板之間的複數個鰭片。
  5. 如請求項1所述之結合散熱器的碳化矽模組，其中該散熱器包含基板、散熱鰭片與熱管。
  6. 一種結合散熱器與碳化矽模組之方法，包含：
    提供一碳化矽模組；
    將錫膏配置於該碳化矽模組之上；
    將一散熱器置放於該碳化矽模組之上，使得該散熱器之一表面接觸該錫膏，而該錫膏即位於該碳化矽模組與該散熱器之該表面之間；以及
    透過一焊接製程以熱壓該散熱器與該碳化矽模組，以使得該錫膏固化而將該碳化矽模組和該散熱器焊接在一起。
  7. 如請求項6所述之結合散熱器與碳化矽模組之方法，其中該焊接製程的溫度為130℃~140℃。
  8. 如請求項6所述之結合散熱器與碳化矽模組之方法，其中該錫膏之材料包含焊錫粉末與助焊劑片。
  9. 如請求項6所述之結合散熱器與碳化矽模組之方法，其中該散熱器包含基板、散熱鰭片與熱管。
  10. 如請求項6所述之結合散熱器與碳化矽模組之方法，該散熱器具有銅或銅合金製的基板以及設於基板上的複數個鋁或鋁合金製的散熱片。
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