[go: up one dir, main page]

CN112349663B - 用于功率半导体模块的双层散热结构 - Google Patents

用于功率半导体模块的双层散热结构 Download PDF

Info

Publication number
CN112349663B
CN112349663B CN202011110769.0A CN202011110769A CN112349663B CN 112349663 B CN112349663 B CN 112349663B CN 202011110769 A CN202011110769 A CN 202011110769A CN 112349663 B CN112349663 B CN 112349663B
Authority
CN
China
Prior art keywords
copper
layer
ceramic substrate
clad ceramic
heat dissipation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011110769.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112349663A (zh
Inventor
唐玉生
郭建文
毛先叶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhenghai Group Co ltd
Original Assignee
Zhenghai Group Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhenghai Group Co ltd filed Critical Zhenghai Group Co ltd
Priority to CN202011110769.0A priority Critical patent/CN112349663B/zh
Publication of CN112349663A publication Critical patent/CN112349663A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112349663B publication Critical patent/CN112349663B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3731—Ceramic materials or glass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于功率半导体模块的双层散热结构，本散热结构包括功率芯片、冷却板、第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板，功率芯片通过第一焊锡层设于第一覆铜陶瓷基板顶层，第二覆铜陶瓷基板底层通过第二焊锡层设于冷却板表面，第一覆铜陶瓷基板与第二覆铜陶瓷基板之间通过第三焊锡层连接，第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板面积小于第二覆铜陶瓷基板面积。本散热结构通过阶梯结构的双层散热，适应热量扩散路径，将热量均匀的传递到散热结构各层，提高载体的传热效率以及热循环疲劳寿命，降低功率模块封装制作成本。

Description

用于功率半导体模块的双层散热结构
技术领域
本发明涉及功率半导体技术领域，尤其涉及一种用于功率半导体模块的双层散热结构。
背景技术
功率模块是将功率电子元器件按照一定功能组合封装成的一个整体，具有尺寸小、功率密度高等优点，因此在新能源汽车领域有着广泛的应用。随着新能源汽车向高功率、长续航等方面发展，功率模块的应用环境日益严苛，功率模块的可靠性得到广泛关注。
热可靠性是功率模块可靠性的重要组成部分，热可靠性要求功率模块拥有良好的散热性能。功率模块中热量主要来源于芯片、铜层和母排端子，其中，芯片和铜层产生的热量主要由载体传递至冷却板，并最终由冷却液将热量传递出去。
热阻和热量公式如下：
Figure BDA0002728514840000011
Figure BDA0002728514840000012
其中，R为热阻，λ为材料导热系数，S为等温面面积，L为载体各层厚度，△T为温差，Q为热量。
由公式(1)和式(2)可知，热阻越小，传热效果越好。热阻与材料的导热系数成反比。对于叠层结构的载体，总导热系数与各层结构的厚度和材料导热系数有如下关系：
Figure BDA0002728514840000013
其中，λ为叠层结构载体的总导热系数，δi为DBC各层结构厚度，λi为各层材料导热系数。
由公式(3)可知，叠层结构载体的总导热系数与各层的厚度和导热系数有关，因此，选用高导热系数的载体材料是解决功率模块热可靠性的重要措施。
传统功率模块采用单层的覆铜陶瓷基板结构，虽然单层覆铜陶瓷基板封装结构会拥有良好的散热性能，但是其存在较大的寄生电感。为了降低寄生电感，当前功率模块通常情况下采用多层覆铜陶瓷基板结构。在满足低寄生电感的基础上，多层覆铜陶瓷基板结构通常选用高导热系数的载体材料来解决散热问题。然而，选用高导热系数的载体材料会增加成本。由公式(1)可知，适当降低导热系数，并增加等温面面积，会达到相同的热阻效果。这是因为选用导热系数稍低的材料，导致更多热量聚集在载体层间，使更多热量沿着层间平面传递，层间温度更加均匀，从而增大各层等温面面积，最终达到相同热阻效果。如1所示，给出了两种不同方案对应的等温线和导热面积示意图，图中方案1绝缘层导热系数大于方案2绝缘层导热系数,但在截面1上方案1等温面面积S1小于方案2等温面面积S2，因此，方案1和方案2可以达到相同传热效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于功率半导体模块的双层散热结构，本结构通过阶梯结构的双层散热，适应热量扩散路径，将热量均匀的传递到散热结构各层，提高载体的传热效率以及热循环疲劳寿命，降低功率模块封装制作成本。
为解决上述技术问题，本发明用于功率半导体模块的双层散热结构包括功率芯片、冷却板、第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板，所述功率芯片通过第一焊锡层设于所述第一覆铜陶瓷基板顶层，所述第二覆铜陶瓷基板底层通过第二焊锡层设于所述冷却板表面，所述第一覆铜陶瓷基板与第二覆铜陶瓷基板之间通过第三焊锡层连接，所述第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板面积小于第二覆铜陶瓷基板面积。
进一步，所述第一覆铜陶瓷基板为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第一金属层、第一绝缘层和第二金属层；所述第二覆铜陶瓷基板为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第三金属层、第二绝缘层和第四金属层。
进一步，所述第二金属层、第三焊锡层和第三金属层的厚度之和分别大于第一金属层厚度和第四金属层厚度。
进一步，所述第一绝缘层和第二绝缘层为两种导热性能不同的绝缘材料，并且所述第一绝缘层的导热性能优于第二绝缘层的导热性能。
进一步，所述功率芯片为功率半导体元器件。
由于本发明用于功率半导体模块的双层散热结构采用了上述技术方案，即本散热结构包括功率芯片、冷却板、第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板，功率芯片通过第一焊锡层设于第一覆铜陶瓷基板顶层，第二覆铜陶瓷基板底层通过第二焊锡层设于冷却板表面，第一覆铜陶瓷基板与第二覆铜陶瓷基板之间通过第三焊锡层连接，第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板面积小于第二覆铜陶瓷基板面积。本散热结构通过阶梯结构的双层散热，适应热量扩散路径，将热量均匀的传递到散热结构各层，提高载体的传热效率以及热循环疲劳寿命，降低功率模块封装制作成本。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为两种方案对应的等温线和导热面积示意图；
图2为本发明用于功率半导体模块的双层散热结构示意图；
图3为本散热结构的传热示意图。
具体实施方式
实施例如图2所示，本发明用于功率半导体模块的双层散热结构包括功率芯片1、冷却板2、第一覆铜陶瓷基板3和第二覆铜陶瓷基板4，所述功率芯片1通过第一焊锡层5设于所述第一覆铜陶瓷基板3顶层，所述第二覆铜陶瓷基板4底层通过第二焊锡层6设于所述冷却板2表面，所述第一覆铜陶瓷基板3与第二覆铜陶瓷基板4之间通过第三焊锡层7连接，所述第一覆铜陶瓷基板3和第二覆铜陶瓷基板4构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板3面积小于第二覆铜陶瓷基板4面积。
优选的，所述第一覆铜陶瓷基板3为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第一金属层31、第一绝缘层32和第二金属层33；所述第二覆铜陶瓷基板4为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第三金属层41、第二绝缘层42和第四金属层43。
进一步，所述第二金属层33、第三焊锡层7和第三金属层41的厚度之和分别大于第一金属层31厚度和第四金属层43厚度。
优选的，所述第一绝缘层32和第二绝缘层42为两种导热性能不同的绝缘材料，并且所述第一绝缘层32的导热性能优于第二绝缘层42的导热性能。
优选的，所述功率芯片1为功率半导体元器件。本散热结构中，功率芯片可以是IGBT等功率器件，为了能够使功率芯片的热量及时传递到第一覆铜陶瓷基板上，降低功率芯片温度，第一覆铜陶瓷基板中的第一绝缘层材料选用导热性能较好的材料。
为了提高第二覆铜陶瓷基板边缘位置的传热效率，使更多热量沿着第二覆铜陶瓷基板平面传递至边缘位置，需要使更多热量沿着第三金属层平面传递至第二覆铜陶瓷基板边缘位置，这就需要与第三金属层连接的第二绝缘层的导热性能稍差一些。由公式(1)可知，适当的减小导热系数λ，通过提高散热面积S，可以达到同等的热阻效果。因此，第二覆铜陶瓷基板中的第二绝缘层选用导热性能稍差的材料。
如图3所示，功率芯片1热量在第一覆铜陶瓷基板3沿着等温线温度降低方向逐层向外扩散。为了适应热量扩散路径及提高本散热结构的传热效率，将本散热结构的第一覆铜陶瓷基板3和第二覆铜陶瓷基板4设置成层叠的阶梯状结构，第二覆铜陶瓷基板4面积大于第一覆铜陶瓷基板3面积。
此外，为了保证热量能够扩散到整个第二覆铜陶瓷基板4，应该设置合适的覆铜陶瓷基板各层厚度，且应满足第二金属层、第一焊锡层和第三金属层的总厚度L2分别大于第一金属层厚度L1和第四金属层厚度L3。
本散热结构采用双层的层叠阶梯形状的覆铜陶瓷基板构成，能够适应热量扩散路径，将热量均匀的传递冷却板上，提高散热结构的传热效率；能够快速的将功率芯片热量传递到覆铜陶瓷基板，降低功率芯片焊锡层的应力，提高焊锡层的热循环疲劳寿命；同样第二覆铜陶瓷基板采用导热性能稍差的绝缘层材料，虽然降低了材料的导热系数，但是通过提高散热面积，达到相同的散热效果。不仅降低了成本，而且第二金属层、第三金属层及其中间的焊锡层受热更加均匀，降低了第二金属层和第三金属层中间焊锡层的应力，提高了热循环疲劳寿命。

Claims (3)

1.一种用于功率半导体模块的双层散热结构，包括功率芯片和冷却板，其特征在于：还包括第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板，所述功率芯片通过第一焊锡层设于所述第一覆铜陶瓷基板顶层，所述第二覆铜陶瓷基板底层通过第二焊锡层设于所述冷却板表面，所述第一覆铜陶瓷基板与第二覆铜陶瓷基板之间通过第三焊锡层连接，所述第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板构成叠层阶梯结构，并且第一覆铜陶瓷基板面积小于第二覆铜陶瓷基板面积；
所述第一覆铜陶瓷基板为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第一金属层、第一绝缘层和第二金属层；所述第二覆铜陶瓷基板为叠层结构，并且从顶层至底层依次为第三金属层、第二绝缘层和第四金属层；
所述第一绝缘层和第二绝缘层为两种导热性能不同的绝缘材料，并且所述第一绝缘层的导热性能优于第二绝缘层的导热性能。
2.根据权利要求1所述的用于功率半导体模块的双层散热结构，其特征在于：所述第二金属层、第三焊锡层和第三金属层的厚度之和分别大于第一金属层厚度和第四金属层厚度。
3.根据权利要求1或2所述的用于功率半导体模块的双层散热结构，其特征在于：所述功率芯片为功率半导体元器件。
CN202011110769.0A 2020-10-16 2020-10-16 用于功率半导体模块的双层散热结构 Active CN112349663B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011110769.0A CN112349663B (zh) 2020-10-16 2020-10-16 用于功率半导体模块的双层散热结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011110769.0A CN112349663B (zh) 2020-10-16 2020-10-16 用于功率半导体模块的双层散热结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112349663A CN112349663A (zh) 2021-02-09
CN112349663B true CN112349663B (zh) 2022-09-16

Family

ID=74361851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011110769.0A Active CN112349663B (zh) 2020-10-16 2020-10-16 用于功率半导体模块的双层散热结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112349663B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113745190A (zh) * 2021-08-16 2021-12-03 西安中车永电电气有限公司 一种高绝缘电压igbt模块
CN117038585A (zh) * 2023-10-08 2023-11-10 烟台台芯电子科技有限公司 一种覆铜陶瓷基板结构

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105140193A (zh) * 2015-05-04 2015-12-09 嘉兴斯达半导体股份有限公司 一种覆铜陶瓷散热基板的功率模块焊接结构

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4206915B2 (ja) * 2002-12-27 2009-01-14 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板
JP6681660B2 (ja) * 2015-03-09 2020-04-15 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
CN110797318A (zh) * 2019-11-29 2020-02-14 上海睿驱微电子科技有限公司 一种双面热管冷却的igbt封装结构

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105140193A (zh) * 2015-05-04 2015-12-09 嘉兴斯达半导体股份有限公司 一种覆铜陶瓷散热基板的功率模块焊接结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN112349663A (zh) 2021-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11139278B2 (en) Low parasitic inductance power module and double-faced heat-dissipation low parasitic inductance power module
US9226430B2 (en) Power semiconductor module
CN112349663B (zh) 用于功率半导体模块的双层散热结构
CN110707057B (zh) 一种SiC功率器件的封装结构
WO2024114220A1 (zh) 一种金属基板散热结构和光伏功率优化器
CN105103286B (zh) 半导体模块
JP5904006B2 (ja) 半導体装置
US11778793B2 (en) Systems including an integrated power module with vias and methods of forming the same
CN108346628B (zh) 一种功率模块及其制造方法
CN110098178A (zh) 半导体器件
WO2018018961A1 (zh) Pcb板、pcb板的制造方法及移动终端
CN113838821A (zh) 一种用于SiC平面封装结构的散热件及其制备方法
CN102130078A (zh) 导热绝缘复合膜层及芯片堆叠结构
TWI693684B (zh) Ｉｇｂｔ模組散熱結構改良
TWM590780U (zh) 具有不同銅厚之igbt模組散熱結構
CN217822755U (zh) 采用石墨铜垫块的双面散热模块的封装结构和电动汽车
Kim et al. A direct bond fabrication process for compact GaN intelligent power modules on liquid coolers for EV applications
CN114709178B (zh) 功率模块及其内部定位方法
CN211265455U (zh) 智能功率模块及空调器
CN108417545B (zh) 一种功率器件及其制备方法
CN117790462B (zh) 一种提高陶瓷基板利用率的叠层陶瓷基板结构及功率模块
CN222106691U (zh) 用于电力电子设备的功率模块和电力电子设备
CN219696445U (zh) 功率模块及具有其的电机控制器
CN217691147U (zh) 一种SiC MOSFET半桥封装结构
CN222261034U (zh) 一种功率模块的散热结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20210727

Address after: 264006 33rd floor, Zhenghai building, 66 Zhujiang Road, Yantai Development Zone, Yantai area, China (Shandong) pilot Free Trade Zone, Yantai City, Shandong Province

Applicant after: Zhenghai Group Co.,Ltd.

Address before: 201114, C105, building 189, building 188, building 2, No. 1, Chun Chun Road, Shanghai, Minhang District

Applicant before: SHANGHAI DAJUN TECHNOLOGIES, Inc.

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant