TWI586930B - 功率模組及其熱界面結構 - Google Patents

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Description

功率模組及其熱界面結構
本發明涉及一種熱界面結構，特別涉及一種用於功率模組的熱界面結構。
高效率、高功率密度及高可靠性一直是業界對電源變換器的要求。高效率意味著減少能耗，利於節能減排、保護環境，並減少使用成本。高功率密度則意味著體積小、重量輕，減少運輸成本和空間需求，從而減少建設成本。高可靠性意味著更長的使用壽命以及較低的維護成本。
這三個被業界追求的指標都和良好的熱管理息息相關。首先，在較低的工作溫度下，功率器件如MOSFET、IGBT的通態損耗會降低，如此有利於系統效率的提升。其次，在很多場合下熱能的大小直接決定功率密度的高低，因為電源變換器是用於處理功率轉換的系統，通常半導體器件是損耗比較多的器件，而半導體器件能夠耐受的溫度是有一定限制的，超過這一限制器件將喪失工作能力或者性能急劇惡化，因此，一個可以將半導體晶片的溫度控制在可接受範圍內的高效的散熱系統就顯得至關重要。再次，半導體器件的壽命和溫度息息相關，更低的工作溫度可以有效延長器件的使用壽命，在電子領域 通常有這樣的工程經驗，即溫度每上升10度其壽命就會降低一半。由上可知，一個良好的熱管理對於提高功率器件的轉換效率、功率密度以及可靠性均至關重要。
以一個採用DBC(Direct Bonded Copper，直接敷銅陶瓷基板)作為基板的功率半導體器件的散熱結構為例，其基本結構如圖1所示。該功率器件，例如功率半導體晶片1(chip)通過晶片鍵合材料(die bonding material)被安裝至一DCB基板2的佈線層(焊墊)之上，並通過晶片鍵合材料實現和DCB走線(trace)之間的電性、機械以及熱連接。DCB基板2可以包括銅層、陶瓷層及銅層三層結構。功率半導體晶片1的正面電極通過鍵合引線(wire bonding)等方式實現和基板之間的電連接，和系統相連接的電極通過引腳引出。功率半導體晶片1的正面再通過保護膠進行機械、環境以及電氣保護。功率半導體晶片1的背面即DCB部分曝露在器件外的一側由於是晶片向外傳熱的較優通道，因此，通常在該面安裝一個散熱器3。為了保證該面和散熱器表面具有良好的熱傳導路徑，在兩者之間通常會設置一熱界面結構4，如導熱矽脂，該導熱矽脂可以有效填充半導體器件與散熱器之間存在的縫隙，從而實現比空氣更好的熱傳導效果。
以一典型的堆棧結構為例，功率半導體晶片1的熱量傳遞至散熱器3的過程中，主要有兩個瓶頸：1. DCB陶瓷，0.63mm厚度、熱導率約為20W/m.K的三氧化二鋁陶瓷，每平方毫米的熱阻為31.5K/W；2.熱界面結構，0.1mm厚度、熱導率為1W/m.K的導熱矽脂，每平方毫米的熱阻為100K/W。由此可見，熱界面結構(例如導熱矽脂)是功率模組散熱性能的決定性因數之一，一個性能優良的熱界面結構對於改善功率模組的散熱起到至關重要的作用。
圖2示出了通常的熱界面結構的主體結構示意圖。熱界面結構主要包含以下兩個部分，首先為基體部分(Base material)41，其可為有機矽、環氧、丙烯酸等材料，其主要功能如下：1.填充散熱器/功率器件背面的粗糙表面之間的細微空隙；2.成型及便於工藝性；3.填充高熱導率填料之間的縫隙。其次為高導熱填料(Filler)42，該填料為實心的不可變形的顆粒，通常是各類高導熱陶瓷顆粒，其主要作用是增加材料的熱導率。通常，高導熱填料的含量越高，材料的熱導率就會越高，因此，業界普遍採用提高高導熱填料含量的方法提高熱界面結構的熱導率。但是隨著高導熱填料含量的提高，會導致熱界面結構的粘度增加，從而導致工藝性降低，以及填料的表面粗糙度之間的微觀空隙的性能降低。因此，填料的含量與其粘度、工藝性之間始終存在難以調和的矛盾，如何在不影響粘度、工藝性的前提下提高熱界面結構的熱導率，成為業界亟待解決的技術問題。
基於上述問題，本發明提供了一種功率模組及其熱界面結構，以在不影響粘度、工藝性的前提下提高熱界面結構的熱導率。
為達成上述目的，本發明提供一種熱界面結構，包括：基體；及多個填料顆粒，分佈在基體內；其中，當填料顆粒受壓力時，至少部分填料顆粒發生變形，相鄰的至少兩個填料顆粒至少部分相互接觸，從而形成用於傳遞熱量的導熱通路。
本發明還提供一種功率模組，其包括至少一個功率元件、散熱器及上述的熱界面結構，熱界面結構設置於功率元件與散熱器之間並形成導熱通路，功率元件產生的熱量經由導熱通路傳遞至散熱器。
本發明相較于現有技術的有益效果在於：本發明的熱界面結構通過採用具有變形能力的填料顆粒，在壓力的作用下可以建立其高導熱的填料顆粒之間的充分接觸，使得相鄰填料顆粒的接觸面積增大，由此增加熱界面結構的熱導率，形成利於熱量快速有效傳遞的導熱通路。相比于現有的填料顆粒無法變形的熱界面結構，本發明能夠在保證相同高導熱填料含量的前提下提高材料的熱導率，或者在保證相同材料熱導率的情況下，降低高導熱填料的含量以增加工藝性以及提高熱界面結構消除表面粗糙度之間的細微縫隙的能力，因此，本發明打破了現有的必須通過增加填料顆粒含量的方式來降低熱阻的傳統觀念，實現了填料顆粒含量與粘度、工藝性之間的平衡。
1‧‧‧功率半導體晶片
2‧‧‧DCB基板
3‧‧‧散熱器
4‧‧‧熱界面結構
41‧‧‧基體部分
42‧‧‧高導熱填料
10‧‧‧基體
20‧‧‧填料顆粒
21‧‧‧第一填料部
22‧‧‧第二填料部
30‧‧‧輔助填料顆粒
T1、T2‧‧‧傳遞路徑
圖1為現有的功率模組的示意圖。
圖2為現有的功率模組的熱界面結構的示意圖。
圖3a和圖3b為分別示出了具有不同位置關係的熱界面結構的示意圖。
圖4為本發明第一實施例的熱界面結構的示意圖，其中，填料顆粒未發生變形。
圖5為本發明第一實施例的熱界面結構的示意圖，其中，填料顆粒處於變形狀態。
圖6為根據本發明第一實施例的熱界面結構的填料顆粒的示意圖。
圖7為根據本發明第二實施例的熱界面結構的填料顆粒的示意圖。
圖8為本發明第三實施例的熱界面結構的示意圖。
圖9為本發明第四實施例的熱界面結構的示意圖。
圖10為本發明第五實施例的熱界面結構的示意圖。
現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且本發明不應被理解為限於在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本發明更全面和完整，並將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。在圖中，為了清晰，可能誇大了區域和層的厚度。在圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。
此外，所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施例中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本發明的實施例的充分理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以實踐本發明的技術方案而沒有所述特定細節中的一個或更多，或者可以採用其它的方法、組元、材料等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、材料或者操作以避免模糊本發明的主要技術創意。
首先對熱界面結構的導熱通路進行說明。
如上所述，一個典型的熱界面結構主要包含兩類材料，基體材料以及高導熱填料。基體材料的熱導率通常在0.1-1W/m.K之間，高導熱填料的熱導率在5-400W/m.K之間，通常高導熱填料分佈在基體材料中。為了說明高導熱填料的熱導率與傳遞路徑的關係，圖3a、3b分別示出了基體材料以及高導熱 填料處於兩種位置關係的熱界面結構，兩種位置關係為假想結構僅起示意作用。圖中假設基體材料41的熱導率為1W/m.K，高導熱填料42的熱導率為20W/m.K。圖3a中，基體材料41和高導熱填料42為堆疊設置，圖3b中，基體材料41和高導熱填料42為並排設置，圖中箭頭所示方向為傳熱方向。以圖3a所示方式設置的熱界面結構的等效熱導率為1.9W/m.K，以圖3b所示方式設置的熱界面結構的等效熱導率為10.5W/m.K。申請人認為，對於熱界面結構而言，除了增加高導熱填料的含量的做法，建立高導熱填料沿傳熱方向上的接觸通路亦是一個非常有效的方法。
本申請人提出一種熱界面結構，其從傳遞路徑的角度對熱界面結構進行改進，以降低熱界面結構的熱阻。
參照圖4和圖5，本實施例提供一種熱界面結構，其可應用於一具有功率元件和散熱器的功率模組中，熱界面結構設置於功率元件與散熱器之間，以使來自功率元件的熱量經由熱界面結構傳遞至散熱器。
熱界面結構包括基體10和多個填料顆粒20，填料顆粒20分佈在基體10內。其中，當填料顆粒受壓力時，一部分或者全部填料顆粒20發生變形，相鄰的至少兩個填料顆粒20至少部分相互接觸，從而形成用於傳遞熱量的導熱通路，使得功率元件產生的熱量經由導熱通路傳遞至散熱器。這裡使填料顆粒20發生變形可通過多種方法實現，例如，在安裝時通過外力施加壓力於填料顆粒20而使其發生變形；在基體材料本身不能固化時，該壓力需要一直保持，在基體材料本身可固化時，該壓力僅需在安裝時保持，固化後就可以撤銷，通過基體本身提供的壓力即可使填料顆粒20發生變形。
圖4示出了填料顆粒未發生變形的狀態，未變形的填料顆粒為圓形，相鄰各填料顆粒20接觸面積極小。若熱界面結構設置於功率元件下表面時，功率元件發出的熱量自熱界面結構的上表面傳遞至其下表面，傳遞路徑為T1(需 要說明的是，圖示T1為了描述的方便僅在填料的表面進行表示，實際在填料的內部亦存在傳熱通道)。可見，在該傳遞路徑T1上，填料顆粒的接觸面積極小，熱界面結構的導熱熱阻大，不利於熱量有效傳遞。圖5示出了填料顆粒處於變形狀態，功率元件發出的熱量自熱界面結構的上表面傳遞至其下表面，傳遞路徑為T2(需要說明的是，圖示T2為了描述的方便僅在填料的表面進行表示，實際在填料的內部亦存在傳熱通道)。可見，在該傳遞路徑T2上，受壓變形的填料顆粒的接觸面積增大，使得熱界面結構的導熱熱阻大幅降低，熱量能夠有效、充分的傳遞至外界，例如傳遞至其下方的散熱器，有利於快速排出熱量。
因此，本發明的熱界面結構通過採用具有變形能力的填料顆粒，在壓力的作用下可以建立其高導熱的填料顆粒之間的充分接觸，使得相鄰填料顆粒的接觸面積增大，由此增加熱界面結構的熱導率，形成利於熱量快速有效傳遞的導熱通路。相比于現有的填料顆粒無法變形的熱界面結構，本發明能夠在保證高導熱填料含量相同的前提下提高材料的熱導率，或者在保證相同材料熱導率的情況下，降低高導熱填料的含量以增加工藝性以及提高熱界面結構消除表面粗糙度之間的細微縫隙的能力，因此，本發明打破了現有的必須通過增加填料顆粒含量的方式來降低熱阻的傳統觀念，實現了填料顆粒含量與粘度、工藝性之間的平衡。
本實施例中，如圖6所示，每一填料顆粒20包括第一填料部21和第二填料部22，第一填料部21由可變形材料製成，第二填料部22由導熱材料製成，且包覆於第一填料部21。第一填料部21可為彈性模量較低的材料，可為空氣或有機材料顆粒，例如，由樹脂材料製成。第二填料部22可為彈性模量相對較高的材料，例如由銅、鋁、銀或合金等金屬材料製成。第一填料部21的彈性模量低於第二填料部22的1/5，以保證有充分變形能力，確保相鄰兩填料顆粒之 間形成較大面積的接觸路徑，亦即導熱通路。第二填料部22的熱導率可為第一填料部21的熱導率的兩倍以上。
在一實施例中，可選用熱導率為0.1W/m.K-1W/m.K，直徑為4um-50um的有機材料顆粒作為填料顆粒的核心，並在其上通過化學等方法形成厚度為1-100um的金屬層(如，銅、銀、鎳、金等；亦可為複合層，如鎳/金、銅/銀等)，金屬層的熱導率為有機材料顆粒的熱導率的兩倍以上，例如金屬層的熱導率通常可以在5-400W/m.K之間。由此形成填料顆粒，並將此填料顆粒以重量比70%-95%彌散分佈在基體10中，形成一高熱導率的熱界面結構。
如圖6所示，本實施例中，第二填料部22全部包覆於第一填料部21的外表面。例如，第二填料部22可以發泡方式形成，並全部包覆第一填料部21，第一填料部21為空氣。
需要說明的是，本發明提到的壓力可為熱界面結構在安裝時受到的壓力，亦可為熱界面結構固化成型時受到的壓力。具體為：基體材料不能固化時，熱界面結構成型後，填料顆粒為自由狀態(未受壓力狀態)，如圖4所示。因此，在安裝熱界面結構時，借助外力將其壓設於功率元件與散熱器之間，並保持該壓力，使得第一填料部始終處於變形狀態。基體材料可固化時，在固化過程中，對分佈在基體內的填料顆粒施加壓力，使其變形，固化後可撤銷該壓力，填料顆粒仍處於變形狀態。
本實施例是以內外兩層的填料顆粒為例進行說明，實際上，填料顆粒可具有三層或三層以上結構。例如，填料顆粒還可包括第三填料部(未示出)，其設置於第二填料部的外表面，第三填料部可具有導熱性及絕緣性。在此三層的填料顆粒中，內層可為彈性模量較低的材料，如空氣等；中間層可為鋁，銅，銀等高導熱材料，該層為主要的導熱層；最外層可為氧化鋁、氧化銅等材料，該層的厚度通常為中間層厚度的1/5以下，同時由於該層具有一定的 熱導率，因此對熱傳導的影響比較小。這樣的結構好處在於可以在金屬層的外圍增加一些具有一定絕緣性能的塗層，使得填料顆粒具有一定的絕緣能力。
參閱圖7，圖7中熱界面結構的填料顆粒與圖6的不同之處在於，第二填料部22為部分包覆於第一填料部21的外表面，第二填料部22可為以電鍍方式形成於第一填料部21的外表面的多個金屬顆粒。其它部分與圖6大致相同，這裡不再贅述。
應該理解，填料顆粒的形式及製作工藝不限於此，任何能夠使得填料顆粒變形的結構均包含于本發明的保護範圍內。
參閱圖8，圖8中熱界面結構與圖5的不同之處在於，至少兩個填料顆粒的外徑不同，且外徑較小的填料顆粒填充在外徑較大的填料顆粒之間。
本實施例中的填料粒徑可以進行優化分佈，當採用不同粒徑的填料顆粒時，小粒徑的填料顆粒可以填充較大的填料顆粒之間的縫隙，由此可以起到增加高導熱材料的體積含量，以及增加其接觸通路的作用。其它部分與圖5大致相同，這裡不再贅述。
參閱圖9，圖9中熱界面結構與圖5的不同之處在於，填料顆粒的形狀包括多種，例如可以採用球形、橢球形、橫截面為規則或不規則多邊形的棱柱形、高度及直徑不同的圓柱形以及片狀、錐形等相結合的方式，片狀的填料顆粒位於球形及橢球形的填料顆粒之間，從而增加其接觸通路的面積。其它部分與圖5大致相同，這裡不再贅述。
參閱圖10，圖10中熱界面結構與圖5的不同之處在於，熱界面結構還可包括不可變形的輔助填料顆粒30，輔助填料顆粒30由導熱材料製成，輔助填料顆粒30與填料顆粒20分佈在基體10內。填料顆粒20可以採用前述實施例的任一形式的填料顆粒，輔助填料顆粒30為現有的填料，如實心的金屬顆粒、 實心的陶瓷顆粒等等，從而通過不可變形的輔助填料顆粒和易變形的填料顆粒之間的接觸增加熱界面結構的熱導率。
另外，輔助填料顆粒可為多邊形，填料顆粒包括球形及橢球形，輔助填料顆粒與填料顆粒鄰接，從而增加其接觸通路的面積。其它部分與圖5大致相同，這裡不再贅述。
綜上所述，本發明的熱界面結構通過採用具有變形能力的填料顆粒，在壓力的作用下建立其高導熱的填料顆粒之間的充分接觸，使得相鄰填料顆粒的接觸面積增大，由此增加熱界面結構的熱導率，形成利於熱量快速有效傳遞的導熱通路。相比于現有的填料顆粒無法變形的熱界面結構，本發明能夠在保證高導熱填料含量相同的前提下提高材料的熱導率，或者在保證相同材料熱導率的情況下，降低高導熱填料的含量以增加工藝性以及提高熱界面結構消除表面粗糙度之間的細微縫隙的能力，因此，本發明打破了現有的必須通過增加填料顆粒含量的方式來降低熱阻的傳統觀念，實現了填料顆粒含量與粘度、工藝性之間的平衡。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧基體
20‧‧‧填料顆粒
T2‧‧‧傳遞路徑

Claims (18)

  1. 一種熱界面結構，包括：基體；及多個填料顆粒，分佈在基體內；其中，當填料顆粒受壓力時，至少部分填料顆粒發生變形，相鄰的至少兩個填料顆粒至少部分相互接觸，從而形成用於傳遞熱量的導熱通路；且每一該填料顆粒包括一第一填料部和一第二填料部，該第二填料部包覆該第一填料部，且該第一填料部為空氣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱界面結構，其中該第二填料部由導熱材料製成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之熱界面結構，其中，該第二填料部的熱導率為該第一填料部的熱導率的兩倍以上。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之熱界面結構，其中，該第一填料部的彈性模量低於該第二填料部的彈性模量的五分之一。
  5. 如申請專利範圍第2項至第4項中任意一項所述之熱界面結構，其中該第二填料部由金屬材料製成。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之熱界面結構，其中該第二填料部由銅、鋁、銀或合金製成。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之熱界面結構，其中，該第二填料部以發泡方式形成，並全部包覆該第一填料部。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之熱界面結構，其中，該多個填料顆粒分佈在該基體內，且該基體通過固化成型，使得該第一填料部處於受壓變形狀態。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之熱界面結構，其中，每一該填料顆粒還包括一第三填料部，其設置於該第二填料部的外表面，該第三填料部為導熱絕緣材料。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之熱界面結構，其中，該第三填料部由氧化鋁或氧化銅製成。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之熱界面結構，其中，該第三填料部的厚度小於或等於該第二填料部的厚度的五分之一。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之熱界面結構，其中，至少兩個該填料顆粒的外徑不同，且外徑較小的該填料顆粒填充在外徑較大的該填料顆粒之間。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之熱界面結構，其中，該填料顆粒的形狀包括球形、橢球形、柱形及片狀中的至少一種。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之熱界面結構，其中，該熱界面結構還包括不可變形的輔助填料顆粒，該輔助填料顆粒由導熱材料製成，該輔助填料顆粒與該填料顆粒分佈在該基體內。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之熱界面結構，其中，該輔助填料顆粒為實心的金屬顆粒或實心的陶瓷顆粒。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之熱界面結構，其中，至少部分該輔助填料顆粒與至少部分該填料顆粒相接觸。
  17. 一種功率模組，其包括至少一個功率元件、散熱器及如申請專利範圍第1項至第16項中任一項所述之熱界面結構，該熱界面結構設置於 該功率元件與該散熱器之間並形成一導熱通路，該功率元件產生的熱量經由該導熱通路傳遞至該散熱器。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之功率模組，其中，該熱界面結構壓設於該功率元件與該散熱器之間，使得該第一填料部處於變形狀態。
TW104122663A 2015-04-10 2015-07-13 功率模組及其熱界面結構 TWI586930B (zh)

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