CN108886031A - 功率模块和制造功率模块的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率模块，该功率模块包括散热器和基板，功率管芯附接在基板上，所述功率模块在基板与散热器之间还包括第一材料和第二材料，第一材料的导热率高于第二材料的导热率，第二材料具有处于功率管芯下方的第一腔体，并且第一材料处于第二材料的第一腔体中。

Description

功率模块和制造功率模块的方法

技术领域

本发明总体上涉及包括散热器和其上附接有功率管芯的基板的功率模块。

背景技术

宽带隙器件的市场渗透趋于促进低电感表面安装器件(SMD)封装，其中，通过印刷电路板(PCB)来实现排热。其还趋于促进将功率半导体管芯嵌入PCB中的新封装技术。这两种趋势不仅允许快速开关单元，而且允许低成本组装。

PCB的热阻可以通过导热孔(thermal via)或厚金属嵌体(inlay)充分降低。目前主要的瓶颈是PCB与散热器之间的热界面，该热界面需要：用于补偿PCB的大的不规则性和因不均匀的压力施加和热机械应变而造成的弯曲效应的高适形性、用于改善冷却效率的高导热率、散热器与PCB之间的出于安全理由的电绝缘，以及最后是低的材料和工艺成本。

现今市售的大多数热界面解决方案展示出低适形性和/或低导热率(举例来说，如FR4预浸料、聚酰胺)，和/或无/低电绝缘(举例来说，如导热油脂、石墨垫)，和/或高成本(举例来说，如隔离垫)。

一个原因是目前的热界面材料被设计成在整个表面上提供均匀且高热传导的界面。如果PCB本质上是多功能的，并且应当在特定位置(更精确地说，仅在功率半导体管芯下方)去除热量，则不再需要此功能。

发明内容

本发明的目的在于在诸如PCB的基板与散热器之间提供高适形的、高导热的、隔离且低成本的界面。

为此，本发明涉及一种功率模块，该功率模块包括：散热器；基板，该基板上附接有功率管芯，其特征在于，所述功率模块在所述基板与所述散热器之间还包括第一材料和第二材料，所述第一材料的导热率高于所述第二材料的导热率，所述第二材料具有处于所述功率管芯下方的第一腔体，并且所述第一材料处于所述第二材料的所述第一腔体中。

因此，所述功率管芯通过包含所述第一材料的高传导性热路径来冷却。

根据特定特征，所述基板包括处于所述功率管芯下方的导热孔。

因此，所述功率管芯通过包含所述第一材料的高传导性热路径来冷却。

根据特定特征，所述功率模块在所述基板与所述第二材料之间还包括第三材料，所述第一材料的导热率高于所述第三材料的导热率，所述第三材料具有处于所述导热孔下方的第二腔体，并且所述第一材料处于所述第三材料的所述第二腔体中，所述第二腔体至少被第三腔体沿至少一个方向延伸。

因此，所述基板与所述散热器之间的距离通过所述第三材料的厚度来调节。

另外，所述第一材料完全填充所述第二材料的所述第一腔体。因此，在所述导热孔与所述散热器之间保证了介质隔离和导热率两者。

根据特定特征，所述第三材料的所述第二腔体由四个腔体沿四个方向延伸。

因此，额外量的所述第一材料可以在制造工序期间从所述腔体排出，并且气体可以在该工序期间或之后流动。

根据特定特征，所述基板还包括四个孔，各个孔被布置在延伸所述第二腔体的一个腔体上。

因此，在制造工序期间，没有空气被阻挡在所述第二材料的所述第一腔体中，从而保证了介质隔离和导热率两者。

根据特定特征，所述第一材料是凝胶，而所述第二材料和所述第三材料是FR4预浸料片。

因此，所述第一材料非常柔软、高适形且易于分配，并且所述第二和第三材料低是成本的、隔离的，并确保所述基板与散热器之间的限定距离。另外，所述第二和第三材料可以利用标准PCB工序组装。如果所述基板是PCB，则所述第二和第三材料可以在与所述基板相同的工序步骤中组装至所述基板。

根据特定特征，所述第二材料和所述第三材料皆具有100μm厚度。

因此，通过所述第二材料(100μm，40V/μm)和第一材料(200μm，16V/μm)两者提供充分隔离。

根据特定特征，所述基板、所述第二材料、所述第三材料以及所述散热器通过螺母和螺栓固定在一起。

本发明还涉及一种制造功率模块的方法，该功率模块包括：散热器；基板，该基板上附接有功率管芯，其特征在于，所述功率模块在所述基板与所述散热器之间还包括第一材料和第二材料，所述第一材料的导热率高于所述第二材料的导热率，所述第二材料具有处于所述功率管芯下方的第一腔体，并且所述第一材料处于所述第二材料的所述第一腔体中，并且该方法包括以下步骤：

-将所述第二材料设置在所述基板下方或者所述散热器上，所述第二材料具有处于所述导热孔下方的第一腔体，

-将第一材料设置在所述第一腔体中，所述第一材料的导热率高于所述第二材料的导热率，

-组装所述基板、所述第一材料、所述第二材料以及所述散热器，以便形成所述功率模块。

根据特定特征，所述方法还包括在设置所述第一材料之前执行的步骤：

-将第三材料设置在所述第二材料上，所述第一材料的导热率高于所述第三材料的导热率，所述第三材料具有处于所述导热孔下方的第二腔体，并且所述第一材料处于所述第三材料的所述第二腔体中，所述第二腔体至少由第三腔体沿至少一个方向延伸，并且所述第一材料设置在所述第二腔体中。

因此，可以通过简单的低成本和可靠的工序将所述第一材料分配在整个第一腔体中。

附图说明

通过阅读实施方式的示例的下列描述，本发明的特征将更清楚地显现，所述描述结合附图生成。其中：

图1是表示根据本发明的使用热界面组装件的功率模块的一部分的第一示例的图；

图2是表示设置有功率管芯的功率模块的基板的图；

图3表示根据本发明的热组装件的间隔体的形状；

图4表示根据本发明的绝缘体片的形状；

图5表示根据本发明的用于组装热界面的算法；

图6a表示根据本发明的热界面组装的不同阶段之一；

图6b表示根据本发明的热界面组装的不同阶段之一；

图6c表示根据本发明的热界面组装的不同阶段之一。

具体实施方式

图1是表示根据本发明的使用热界面组装件的功率模块的一部分的第一示例的图。

功率模块包括附接(例如，焊接)有功率管芯100的基板110。基板110由两层和导热孔150组成，导热孔150填充有导热材料并加盖，使得焊料不会流过该导热孔。另选地，可以使用铜嵌体。

在变型例中，可以在导热孔的位置将功率管芯100嵌入基板中。

基板110也可以是多层PCB，其中，内部铜平面可以被用于朝着散热器125传播热。基板可以包含一些孔或未填充的过孔140a和140b，以允许气体循环和凝胶干燥/固化。

功率管芯100在诸如DPak或D2Pak的SMD封装中是MOSFET，或IGBT，或二极管。另选地，功率管芯被嵌入PCB中。

图1示出了单个功率管芯，当多个功率管芯焊接在基板110上时，本发明也适用。

根据本发明，在基板110与散热器125之间，设置了至少两种材料类型。第一材料160是高适形性的并且可以吸收几十μm的厚度变化，高导热性(例如，超过1W/(m.K))以及电绝缘(例如，每毫米超过10kV)。第二材料120是电绝缘的(例如，每毫米超过10kV)并且成本低，而且其导热率低于第一材料的导热率(例如，小于0.5W/(m.K))。

第一材料160通常用在其中需要电绝缘和导热率两者的功率管芯100下方，而第二材料120通常用在仅需要电绝缘的位置。

例如，第一材料160是导热液间隙填充材料(所谓的凝胶)，其可固化或不可固化，而第二材料120是厚度为100μm的FR4预浸料片(所谓的绝缘体)。第三材料115设置在第二材料120与基板110之间。

例如，第三种材料是厚度为100μm的FR4预浸料片(所谓的间隔体)。

第三材料片和第二材料片覆盖基板110与散热器125之间的大部分表面。

在功率半导体管芯100下方，导热凝胶160被用于提供高效的热路径。

基板110、第二材料和第三材料以及散热器利用多个螺钉或者螺母和螺栓130a和130b组装在一起。螺钉130a和130b可以穿过基板110、第二材料和第三材料以及散热器，或者可以插入散热器并且仅穿过基板110、第二材料及第三种材料。另选地，可以使用弹簧或另一机械装置。

图2是表示设置有功率管芯的功率模块的基板的图。

如已经公开的，基板110由两层和导热孔150组成，导热孔150填充有导热材料并加盖，使得焊料不会流过该导热孔。功率管芯100被焊接在导热孔150上。基板110具有用于螺钉130的四个孔22a至22d。

根据本发明的特定特征，基板110包括设置在由第三材料115提供的腔体的顶部上的四个孔25a至25d(在组装功率模块时使用)。

图3表示根据本发明的热组装件的间隔体的形状。

第三材料115(或者换句话说，间隔体)例如是100μm的FR4片。第三材料的处于导热孔150下方的部分是腔体32，腔体32被至少另一腔体沿至少一个方向延伸。在图3的示例中，第三材料的处于导热孔150下方的部分是腔体32，腔体32被标记为30a至30d的四个腔体沿四个方向延伸。

在组装功率模块期间，其它腔体30a和30d使能将过量的第一材料通过这些腔体排出。

其它腔体或者分配机构可以根据被优化为防止空气存在于凝胶中的几种模式来实现。一旦将功率模块与散热器125机械组装，基板110和/或散热器中的一些通孔也可以被用于分配凝胶。

第三材料115具有用于螺钉130的四个孔35a至35d。

第三材料115与第二材料120一起提供200μm的凝胶厚度，以确保在凝胶与绝缘体之间的边界处足够绝缘，并且吸收额外的凝胶。

图4表示根据本发明的绝缘体片的形状。

第二材料(或者换句话说，绝缘体片120)例如是100μm的FR4片。第二材料的处于导热孔150下方的部分是腔体40。

第二材料120具有用于螺钉130的四个孔45a至45d。

例如，绝缘体120的厚度被定义成至少承受所需的绝缘电压，举例来说，3kV。在FR4材料的情况下，选择100μm的厚度。

图5表示根据本发明的用于组装热界面的算法。

在步骤S50，将第三材料115设置在基板110上。

在步骤S51，将第二材料设置在第三材料上，如图6a所示。

图6a示出了第三材料和第二材料在基板上的设置。

在步骤S52，将精确量的第一材料160放置在由第二材料120和第三材料115形成的腔体中。

将凝胶的厚度限定成至少承受所需的绝缘电压。例如，在市售的凝胶“BergquistGF1500”(16kV/mm)的情况下，需要187.5μm的厚度。选择200μm的厚度。

计算凝胶的量以确保在腔体中执行绝缘，并且考虑基板110弯曲和可发生的各种不确定性。因此，由于第三材料115的其它腔体35a至35d的缘故，通常分配比所需更多的凝胶而不劣化功率模块的表现。可以使用自动分配器。

第一材料完全可以是如上所述地固化的凝胶，或者随时间推移保持粘稠的凝胶，或者粘度随着所施加的温度变化的凝胶，或者是具有高柔软性的垫，或者是提供高适形性、电绝缘且导热的材料的具有不同性质的材料组合。

图6b示出了第一材料在由第二材料120和第三材料115形成的腔体中的设置。

在步骤S53，将散热器设置于在步骤S52获得的组装件上。

在步骤S54，以预定扭矩按压组装螺钉130，举例来说，如0.2N/m。应注意，在该步骤期间，凝胶在腔体中扩散并确保散热器125与基板110之间的良好适形性。

在步骤S54，凝胶可以在环境温度下或者在较高的固化温度下干燥。这里必须注意的是，步骤S54是可选的。

这里必须注意的是，第二材料和第三材料完全可以是预先组装至基板110或散热器125的粘合材料。第二材料和第三材料例如可以是FR4或聚酰亚胺。

自然地，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述本发明的实施方式进行许多修改。

Claims (10)

1.一种功率模块，所述功率模块包括散热器和基板，功率管芯附接在所述基板上，其特征在于，所述功率模块在所述基板与所述散热器之间还包括第一材料和第二材料，所述第一材料的导热率高于所述第二材料的导热率，所述第二材料具有处于所述功率管芯下方的第一腔体，并且所述第一材料处于所述第二材料的所述第一腔体中。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述基板包括处于所述功率管芯下方的导热孔。

3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块在所述基板与所述第二材料之间还包括第三材料，所述第一材料的导热率高于所述第三材料的导热率，所述第三材料具有处于所述导热孔下方的第二腔体，并且所述第一材料处于所述第三材料的所述第二腔体中，所述第二腔体至少由第三腔体沿至少一个方向延伸。

4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述第三材料的所述第二腔体由四个腔体沿四个方向延伸。

5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述基板还包括四个孔，每个孔被布置在延伸所述第二腔体的一个腔体上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述第一材料是凝胶，并且所述第二材料和所述第三材料是FR4预浸料片。

7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述第二材料和所述第三材料皆具有100μm厚度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述基板、所述第二材料、所述第三材料以及所述散热器通过螺母和螺栓固定在一起。

9.一种制造功率模块的方法，所述功率模块包括散热器和包括导热孔的基板，功率管芯附接在所述基板上，其特征在于，所述功率模块在所述基板与所述散热器之间还包括第一材料和第二材料，所述第一材料的导热率高于所述第二材料的导热率，所述第二材料具有处于所述导热孔下方的第一腔体，并且所述第一材料处于所述第二材料的所述第一腔体中，并且所述方法包括以下步骤：

-将所述第二材料设置在所述基板下方或者所述散热器上，所述第二材料具有处于所述导热孔下方的第一腔体，

-将第一材料设置在所述第一腔体中，所述第一材料的导热率高于所述第二材料的导热率，

-组装所述基板、所述第一材料、所述第二材料以及所述散热器，以便形成所述功率模块。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在设置所述第一材料之前执行的步骤：

-将第三材料设置在所述第二材料上，所述第一材料的导热率高于所述第三材料的导热率，所述第三材料具有处于所述导热孔下方的第二腔体，并且所述第一材料处于所述第三材料的所述第二腔体中，所述第二腔体至少由第三腔体沿至少一个方向延伸，并且将所述第一材料设置在所述第二腔体中。