[实用新型]一种新型功率半导体模块

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种电子器件，具体的涉及一种新型功率半导体模块。

背景技术

现有的功率半导体模块设计构造一般分为五层，如图1所示，最上面为硅胶保护层，以下依次为芯片，焊料，DBC板（陶瓷覆铜板），焊料，铜基板（或者铝碳化硅基板）。在使用过程中一般将模块的基板底部均匀涂抹导热硅脂，然后用螺丝将基板锁在风冷铝散热器上面，已达到良好的散热效果；再用螺丝固定基板和风冷散热器的过程中，基板会发生形变，会导致内部芯片承受较高的机械应力，因此设计模块基板的相对平整是减小应力的最佳途径，如图2、图3所示。芯片通过电流的不断开关来工作，是模块最主要的发热源，长期而且剧烈的热循环导致芯片的寿命和可靠性都会降低，因此提高模块的散热效率是目前功率模块发展的主题。现有构造散热途径依次是芯片-焊料-DBC-焊料-基板-导热硅脂-铝散热器。其中每一层材料的热导率，厚度，面积等并不相同，一般用热阻来描述，模块芯片到散热器的总热阻可表示为Rjh=Rchip+Rsolder1+RDBC+Rsolder2+Rcuplate+Rthermalgrease，其中Rjh表示总热阻，Rchip表示芯片的热阻，Rsolder1表示第一层焊料的热阻RDBC表示DBC的热阻，Rsolder2表示第二层焊料的热阻，Rcuplate表示基板的热阻，Rthermalgrease表示导热硅脂的热阻，如图4所示，箭头的方向即为热传导的方向，由此可见，减小热阻就可以提高导热的效率，其中铜基板的热导率很高，一般Rcuplate可忽略考虑。

对于目前常规的功率模块而言，由于模块基板和散热器无法做到非常紧密的配合，因此在基板和散热器之间增加一层导热硅脂是必不可少的，其中导热硅脂热导率一般在1.5之内，是导热最差的材料；导热硅脂的热阻Rthermalgrease占整体热阻Rjh（芯片到散热器）的10%-50%之间变化，而且Rthermalgrease随着芯片面积的增大会增大（在芯片面积是6mmX6mm的情况下约为0.17，约占整体热阻Rjh的22%左右，而在10mmX10mm的芯片面积之下Rthermalgrease约为0.1可能占整体热阻Rjh的45%左右）。其次就常规功率模块而言，一般DBC的热阻RDBC约占整体热阻Rjh（芯片到散热器）的30%左右，而且RDBC随着芯片面积的增大会轻微减小（芯片面积是6mmX6mm时，RDBC约为0.27左右，占整体热阻Rjh（芯片到散热器）的35%左右，而在芯片面积是10mmX10mm时，RDBC约为0.1，占整体热阻Rjh（芯片到散热器）的27%左右）。为了保证芯片和DBC以及BDC和基板之间良好的连接用两层焊料去焊接是目前常用的方法。第一层焊料和第二层焊料的热阻之和Rsolder1+Rsolder2约占整体热阻Rjh（芯片到散热器）的25%左右。Rsolder1+Rsolder2随着芯片面积的增大会轻微减小。

目前有厂家在DBC和芯片焊接的步骤上采用了纳米银焊接技术，这样做优点是：提高了芯片和DBC之间的焊接强度，对于芯片面积是6mmX6mm的情况热阻由原来的0.231减小到0.071。而且热阻增加可了靠性。缺点是:1，纳米银焊接的设备昂贵。国内现有的设备无法加工。2，对应力释放没有解决。还有厂家通过使用高导热率的DBC来减小热阻，例如采用ALN的DBC会比常规的AL2O3的DBC热导率提高六倍左右。对于芯片面积是6mmX6mm的情况热阻RDBC由原来的0.269减小到0.077。这样优点是导热性能提高，缺点是：1，ALN的DBC的是常规DBC价格的2.5-3.5倍。2，应力释放没有解决。还有采用压接技术，将DBC底部涂抹导热硅脂，然后直接用机械弹簧的方式压在平整的水冷散热器上面。这样优点是：省去了基板的成本；弹簧压接减小了机械应力；而且散热器采用水冷提高了散热的效率。缺点是：压接技术以及设备复杂较难实现；水冷散热器一般比较贵，因此模块适合用在高端场合。还有厂家提出一种铜铝固相复合材料作为基板，将基板和散热器集成在一体，减少了导热硅脂的涂抹和模块的安装步骤，如图5所示，这样做优点是：整体热阻减小可靠性提高；安装机械应力得到缓减；缺点是：1，由于铜铝复合在一起，二者热膨胀系数不同（铜是16.5ppm/oC；铝是25ppm/oC），引入了新的问题，即在模块高温工作的时候，铝和铜会产生不同的热应变导致模块内部承受较高的应力，如图6所示，2，特别对于需要增加散热片的模块，还存在由于散热器和基板一体化，导致整个模块的体积和热容成倍增大，如图7所示，导致加工效率降低和成本迅速提高，基本不能市场化和规模化。