一種絕緣互聯散熱板及功率模塊的製作方法

2023-09-10 04:49:20 3

一種絕緣互聯散熱板及功率模塊的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種絕緣互聯散熱板及功率模塊，所述絕緣互聯散熱板包括：熱電偶；第一絕緣層，該第一絕緣層的一側與所述熱電偶的冷端接觸，另一側設置有第一金屬層；第二絕緣層，該第二絕緣層的一側與所述熱電偶的熱端接觸。所述絕緣互聯散熱板通過熱電偶進行散熱，當熱電偶連接電源後，會將熱量由冷端傳遞到熱端進而釋放。所以採用所述絕緣互聯散熱板製備功率模塊，當功率晶片工作時，產生的熱量會隨著熱電偶的熱量傳遞而釋放到功率模塊的外部。可見，本發明所述技術方案為主動散熱，通過所述絕緣互聯散熱板，形成一個溫度差，更易於將熱量釋放到功率模塊的外部，所述絕緣互聯散熱板的高散熱效率，有效地保證了功率模塊性能的穩定性以及可靠性。
【專利說明】一種絕緣互聯散熱板及功率模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件製作工藝【技術領域】，更具體地說，涉及一種絕緣互聯散熱板及功率模塊。
【背景技術】
[0002]由於功率模塊工作時會產生大量的熱量，如不對其進行及時有效的散熱，將會導致功率模塊中功率晶片等電子元件工作性能的不穩定，甚至是導致各電子元件的損壞。
[0003]DBC (Direct Bonding Copper,直接覆銅)板由絕緣陶瓷層及設置在該絕緣陶瓷層上下表面的兩層金屬銅層構成，絕緣陶瓷與金屬銅層具有良好的導熱性能，使得DBC板具有良好的散熱功能；且金屬銅層與絕緣陶瓷層具有較高的強度且二者具有較強的附著力，使得DBC板強度高且具有穩定的物理結構，不易損壞；同時，其金屬銅層易於刻蝕電極圖形，能夠實現功率器件的互聯。因此，DBC板成為目前功率器件最為常用的絕緣互聯散熱板。
[0004]參考圖1，圖1為現有的功率|旲塊的結構不意圖，現有的功率|旲塊包括:DBC板I ;設置在所述DBC板I上方的功率晶片2。其中，所述DBC板I包括:兩層銅層3以及位於所述兩層銅層3之間的陶瓷層4。
[0005]功率晶片為功率模塊的熱源，當功率器件工作時，其動靜態損耗會產生大量的熱量，這些熱量會使得工作溫度升高。現有的功率模塊散熱是將功率晶片產生的熱量通過DBC板I散發到模塊外部。然而，上述散熱方式是一種被動的散熱方式，僅依靠DBC板的熱傳導特性將熱量傳遞到功率模塊的外部，散熱效率低，並不能及時、有效的將模塊內部的熱量釋放到外界，從而影響功率模塊性能的穩定性以及可靠性。

【發明內容】

[0006]為解決上述技術問題，本發明提供一種絕緣互聯散熱板及功率模塊，所述絕緣互聯散熱板具有較高的散熱效率，保證了功率模塊性能的穩定性以及可靠性。
[0007]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0008]一種絕緣互聯散熱板，其特徵在於，包括:
[0009]熱電偶；
[0010]第一絕緣層，該第一絕緣層的一側與所述熱電偶的冷端接觸，另一側設置有第一
金屬層；
[0011 ] 第二絕緣層，該第二絕緣層的一側與所述熱電偶的熱端接觸。
[0012]優選的，在上述絕緣互聯散熱板中，所述熱電偶由多個串聯的N型半導體結構及P型半導體結構構成，所述N型半導體結構及P型半導體結構間隔排列，且所述N型半導體結構的個數與所述P型半導體結構的個數相同。
[0013]優選的，在上述絕緣互聯散熱板中，所述第一絕緣層與第二絕緣層均為絕緣陶瓷層。[0014]優選的，在上述絕緣互聯散熱板中，所述第一絕緣層為三氧化二鋁層或是氮化鋁層；所述第二絕緣層為三氧化二鋁層或是氮化鋁層。
[0015]優選的，在上述絕緣互聯散熱板中，所述絕緣互聯散熱板還包括:
[0016]位於所述第二絕緣層另一側的第二金屬層。
[0017]優選的，在上述絕緣互聯散熱板中，所述第一金屬層和第二金屬層的材料均為銅。
[0018]優選的，在上述絕緣互聯散熱板中，所述N型半導體結構及P型半導體結構採用銅、或招、或銀進行串聯。
[0019]優選的，在上述絕緣互聯散熱板中，所述N型半導體結構的材料是三碲化二鉍-三
硒化二銻。
[0020]優選的，在上述絕緣互聯散熱板中，所述P型半導體結構的材料是三碲化二鉍-三
碲化二銻。
[0021]本發明還提供了一種功率模塊，該功率模塊包括:
[0022]絕緣互聯散熱板；
[0023]功率晶片，所述功率晶片與所述絕緣互聯散熱板的第一金屬層連接；
[0024]其中，所述絕緣互聯散熱板為權利要求1-9任一項所述的絕緣互聯散熱板。
[0025]從上述技術方案可以看出，本發明所提供的絕緣互聯散熱板包括:熱電偶；第一絕緣層，該第一絕緣層的一側與所述熱電偶的冷端接觸，另一側設置有第一金屬層；第二絕緣層，該第二絕緣層的一側與所述熱電偶的熱端接觸。本申請所述絕緣互聯散熱板通過具有製冷功能的熱電偶進行散熱，當熱電偶連接外接電源後，會將熱量由冷端傳遞到熱端進而釋放，即所述熱電偶將會產生一個較大的溫度差。所以，採用所述絕緣互聯散熱板製備的功率模塊，當所述功率模塊工作時，功率晶片產生的熱量會隨著熱電偶的熱量傳遞而釋放到功率模塊的外部。
[0026]可見，與現有的被動散熱方式不同，本申請所述絕緣互聯散熱板的散熱方式為主動散熱，所述絕緣互聯散熱板具有製冷功能，在其兩側可以形成一個溫度差，更易於將位於低溫端的功率晶片產生的熱量釋放到功率模塊的外部，散熱效率高，有效地保證了功率模塊性能的穩定性以及可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1為現有技術中常見的一種功率模塊的結構示意圖；
[0029]圖2為半導體製冷的原理示意圖；
[0030]圖3為本發明所提供的一種絕緣互聯散熱板的結構示意圖；
[0031]圖4為本發明所提供的另一種絕緣互聯散熱板的結構示意圖；
[0032]圖5為本發明所提供的一種功率模塊的結構示意圖；
[0033]圖6為本發明所提供的另一種功率模塊的結構示意圖。【具體實施方式】
[0034]正如【背景技術】部分所述，現有功率模塊的散熱方式是一種被動的散熱方式，僅依靠DBC板的熱傳導特性將熱量釋放到功率模塊的外部，散熱效率低，並不能有效的將模塊內部的熱量釋放到外界，從而影響功率模塊性能的穩定性以及可靠性。
[0035]如果絕緣互聯散熱板具有簡單可控制的製冷功能，能夠將一面的熱量主動傳遞到另一面進行散熱，那麼功率晶片工作時產生的熱量可被快速的釋放到功率模塊外，可大大提高散熱效率。
[0036]基於上述分析，發明人研究發現，可利用半導體製冷原理製備具有主動散熱功能的絕緣互聯散熱板。
[0037]參考圖2，圖2為半導體製冷的原理示意圖，半導體製冷是利用半導體材料的珀爾貼效應，當直流電流I通過半導體材料X與半導體材料Y串聯成的熱電偶時，接觸端A的熱量Qc會傳遞到接觸端B，接觸端B釋放熱量Qh，此時，接觸端A和接觸端B會產生溫度差，即接觸端A的溫度Tc小於接觸端B的溫度Th。
[0038]當然，在電源Vin的連接導線與半導體材料Y兩接觸點之間也會存在溫度差，即Tl關T2，上述溫度差比較微弱可忽略。
[0039]其中，珀爾貼效應(PELTIER EFFECT)是指當電流流經兩個不同導電材料(廣義上包括半導體和導體)的接觸點時，接觸點會產生放熱和吸熱的現象，放熱和吸熱的多少取決於電流的大小。
[0040]基於上述研究，本發明提供了一種絕緣互聯散熱板，該絕緣互聯散熱板包括:
[0041]熱電偶；
[0042]第一絕緣層，該第一絕緣層的一側與所述熱電偶的冷端接觸，另一側設置有第一
金屬層；
[0043]第二絕緣層，該第二絕緣層的一側與所述熱電偶的熱端接觸。
[0044]本申請所述絕緣互聯散熱板，當其熱電偶通入直流電時，由於熱電偶具有製冷功能，能夠將一端的熱量傳導到另一端，進而在兩端會產生一個較大的溫度差。所以，在採用所述絕緣互聯散熱板製備的功率模塊工作時，功率晶片產生的熱量會隨著熱電偶的熱量傳遞而釋放到功率模塊的外部。可見，與現有的被動散熱方式不同，本申請所述絕緣互聯散熱板的散熱方式為主動散熱，所述絕緣互聯散熱板具有製冷功能，可在其兩側形成一個溫度差，更易於將位於低溫端的功率晶片產生的熱量釋放到功率模塊的外部，因此，所述絕緣互聯散熱板具有較高的散熱效率，有效保證了功率模塊的性能的穩定性以及可靠性。
[0045]以上是本申請的核心思想，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0046]在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0047]其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示裝置件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及高度的三維空間尺寸。
[0048]基於上述思想，本申請實施例提供了一種絕緣互聯散熱板，參考圖3，所述絕緣互聯散熱板包括:
[0049]熱電偶5，所述熱電偶5是由多個串聯的N型半導體結構及P型半導體結構構成，所述N型半導體結構及P型半導體結構成間隔排列，且所述N型半導體結構的個數與P型半導體結構的個數相同；
[0050]第一絕緣層6，所述第一絕緣層6的一側與所述熱電偶5的冷端接觸，另一側設置
有第一金屬層8 ；
[0051]第二絕緣層7，所述第二絕緣層7的一側與所述熱電偶5的熱端接觸；
[0052]其中，所述第一絕緣層6與第二絕緣層7均為絕緣陶瓷層，所述絕緣陶瓷層的絕緣陶瓷材料可以為三氧化二鋁(Al2O3)或氮化鋁(A1N)。所述第一絕緣層6與第二絕緣層7可以由同種絕緣陶瓷材料製備或是由不同絕緣陶瓷材料製備，具體的，所述第一絕緣層為三氧化二鋁層或是氮化鋁層；所述第二絕緣層為三氧化二鋁層或是氮化鋁層。
[0053]所述第一金屬層8是在所述第一絕緣層6上高溫熔煉的一層銅。採用金屬銅製備所述第一金屬層8，一方面，可與絕緣陶瓷製備的第一絕緣層6經過高溫熔煉擴散形成一種高導熱、高絕緣強度的電氣複合材料；另一方面，可比較容易的在所述第一金屬層8上刻蝕出功率器件串並聯時所需的電極圖案。
[0054]所述絕緣互聯散熱板通過金屬導體層9將所有N型半導體結構以及P型半導體結構進行串接，當最左端的N型半導體結構與最右端的P型半導體結構分別通過所述金屬導體層9和導線與直流電源E連通後，根據半導體製冷原理，所述熱電偶5將會把其上方(冷端)的熱量傳遞到下方(熱端)，在上方形成低溫區，在下方形成散熱的高溫區。冷端與熱端的區分取決於所述N型半導體結構的材料與P型半導體結構的材料以及熱電偶與電源的正負極連接方式。所述金屬導體層9可以為銅、或鋁、或銀等導電性能較強的金屬。
[0055]所述N型半導體結構的材料是三碲化二鉍-三硒化二銻(Bi2Te3-Bi2Se3)，所述P型半導體結構的材料是三碲化二鉍-三碲化二銻(Bi2Te3-Sb2Te3X採用上述材料的N型半導體結構以及P型半導體結構，在預設定電壓下將會產生較大的溫度差。
[0056]上述熱電偶5的N型半導體結構以及P型半導體結構的形狀是長方體，僅為本申請實施例的一種優選實施方式，並不是唯一方式。
[0057]圖3中所示絕緣互聯散熱板為單面覆銅的半導體製冷DBC板，當接通電源時，根據半導體製冷原理，會在所述絕緣互聯散熱板的正面形成低溫的冷端，在所述絕緣互聯散熱板的背面形成高溫的熱端。
[0058]參考圖4，本申請技術方案所述絕緣互聯散熱板還可以為雙面覆銅半導體製冷DBC板，即在圖3所示的絕緣互聯散熱板的基礎上，在第二絕緣層7的下表面設置第二金屬層10，所述第二金屬層10採用導熱性能良好的銅製備。
[0059]通過上述半導體材料製備的絕緣互聯散熱板，當所述直流電源E的電壓為2V-15V，其冷端和熱端的溫度差最高可達到60°C以上。
[0060]需要說明的是，熱電偶的冷端是指熱電偶的吸熱的低溫端，熱電偶的熱端是指放熱的高溫端。絕緣互聯散熱板的冷端是指靠近熱電偶的冷端的端面，絕緣互聯散熱板的熱端是指靠近熱電偶的熱端的端面。[0061]採用本申請所述絕緣互聯散熱板製備的功率模塊時，在所述絕緣互聯散熱板上表面(冷端)形成功率晶片，在其下表面(熱端)連接散熱片。
[0062]參考圖5，圖5為本申請實施例提供的一種使用單面覆銅半導體製冷DBC板的功率模塊的結構示意圖，所述功率模塊包括:
[0063]絕緣互聯散熱板，所述絕緣互聯散熱板為圖3中所示絕緣互聯散熱板，為了便於圖示，所述絕緣互聯散熱板的熱電偶5的具體結構並未示出，可參見圖3所示結構；
[0064]功率晶片2，所述功率晶片2與所述絕緣互聯散熱板的第一金屬層8連接，具體的，所述功率晶片2通過第一焊料層11與所述第一金屬層8焊接；
[0065]其中，所述絕緣互聯散熱板的第一金屬層8根據所述功率晶片2的互聯需求刻蝕成互聯圖形，所述互聯圖形與驅動電路連接。在具體連接時，所述絕緣互聯散熱板的電極(熱電偶5的兩端的引出電極)從側面引出，通過導線12 (也可通過通孔)連接到已經刻蝕出互聯圖形的第一金屬層8，利用功率模塊的驅動電路來給所述絕緣互聯散熱板的熱電偶提供直流電，電壓範圍優選為2V-15V。所述導線12 —般為導電能力較好，價格便宜的鋁線。
[0066]為了加快散熱，在所述絕緣互聯散熱板下方設置有散熱片13，所述散熱片13通過導熱矽脂14與絕緣互聯散熱板的第二絕緣層7粘結。所述散熱片13 —般位於強制冷風中，進一步加快熱量的散發。
[0067]參考圖6，圖6為本申請實施例提供的一種使用雙面覆銅半導體製冷DBC板的功率模塊的結構示意圖，與圖5中不同之處在於:所述功率模塊的絕緣互聯散熱板是圖4中所示絕緣互聯散熱板，設置有第二絕緣層10 ;且為了提高散熱速率，在所述絕緣互聯散熱板與散熱片13之間增加了具有較好導熱性能的基板16，所述基板16通過第二焊料層15與第二金屬層10焊接，通過導熱矽脂14與所述散熱片13粘結。
[0068]本申請所述功率模塊，其散熱片為導熱性能良好、價格較為便宜的鋁製散熱片；圖6中基板16為鋁碳化矽或是金屬銅製備的基板，機械強度高，不易損壞，且不易高溫變形，導熱性能強於一般金屬材料。
[0069]所述熱電偶5的具體結構可參見圖3或圖4中所示結構。
[0070]通過上述描述可知，本申請所述絕緣互聯散熱板採用半導體製冷原理，能夠將一端的熱量主動傳送到另一端，形成低溫冷端，即具有製冷功能，位於絕緣互聯散熱板冷端的功率晶片工作時，其產生的熱量可通過所述絕緣互聯散熱板快速的傳遞到對面的熱端並釋放，相比於傳統的DBC板僅依靠熱傳導的被動式散熱，本申請技術方案所述絕緣互聯散熱板具有主動的散熱功能，散熱效率較高，保證了功率模塊性能的穩定性以及可靠性。
[0071]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
【權利要求】
1.一種絕緣互聯散熱板，其特徵在於，包括: 熱電偶； 第一絕緣層，該第一絕緣層的一側與所述熱電偶的冷端接觸，另一側設置有第一金屬層； 第二絕緣層，該第二絕緣層的一側與所述熱電偶的熱端接觸。
2.根據權利要求1所述的絕緣互聯散熱板，其特徵在於，所述熱電偶由多個串聯的N型半導體結構及P型半導體結構構成，所述N型半導體結構及P型半導體結構間隔排列，且所述N型半導體結構的個數與所述P型半導體結構的個數相同。
3.根據權利要求2所述的絕緣互聯散熱板，其特徵在於，所述第一絕緣層與第二絕緣層均為絕緣陶瓷層。
4.根據權利要求3所述的絕緣互聯散熱板，其特徵在於，所述第一絕緣層為三氧化二鋁層或是氮化鋁層；所述第二絕緣層為三氧化二鋁層或是氮化鋁層。
5.根據權利要求3所述的絕緣互聯散熱板，其特徵在於，所述絕緣互聯散熱板還包括: 位於所述第二絕緣層另一側的第二金屬層。
6.根據權利要求5所述的絕緣互聯散熱板，其特徵在於，所述第一金屬層和第二金屬層的材料均為銅。
7.根據權利要求2所述的絕緣互聯散熱板，其特徵在於，所述N型半導體結構及P型半導體結構採用銅、或鋁、或銀進行串聯。
8.根據權利要求2所述的絕緣互聯散熱板，其特徵在於，所述N型半導體結構的材料是三碲化二鉍-三硒化二銻。
9.根據權利要求2所述的絕緣互聯散熱板，其特徵在於，所述P型半導體結構的材料是三碲化二鉍-三碲化二銻。
10.一種功率模塊，其特徵在於，包括: 絕緣互聯散熱板； 功率晶片，所述功率晶片與所述絕緣互聯散熱板的第一金屬層連接； 其中，所述絕緣互聯散熱板為權利要求1-9任一項所述的絕緣互聯散熱板。
【文檔編號】H01L23/38GK103794580SQ201210418921
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月26日 優先權日:2012年10月26日
【發明者】王波, 朱陽軍, 陸江, 談景飛, 褚為利, 張文亮 申請人:上海聯星電子有限公司, 中國科學院微電子研究所, 江蘇中科君芯科技有限公司