CN201708146U - 一种散热装置及具有该散热装置的半导体模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种散热装置，属于半导体散热领域。所述散热装置包括：具有正表面和背表面的陶瓷基板；结合于所述正表面的正面金属板；结合于所述背表面的背面金属板；及设有散热金属板的散热器，所述散热金属板结合于所述背面金属板；所述背面金属板上设有应力吸收空间；所述背面金属板与散热金属板之间设有多个柱状凸起，所述柱状凸起与散热金属板一体成型。本实用新型还提供了一种将半导体元件搭载在该散热装置上的半导体模块，解决了热应力引起焊接层分层的技术问题。

Description

一种散热装置及具有该散热装置的半导体模块

技术领域

本实用新型属于半导体散热领域，尤其涉及一种散热装置及具有该散热装置的半导体模块。

背景技术

混合动力汽车、风力发电、太阳能发电及标准的工业驱动器等大功率应用领域，对半导体元件的可靠性、散热性及电气坚固性能等提出较高的要求。

如图1所示为现有的具有散热装置的半导体模块，包括：半导体元件11、基板12、焊接层13、底板14、导热硅脂层15、水冷散热器16。半导体元件11搭载在基板12上，基板12通过焊接层13焊接在底板14上，底板14通过导热硅脂层15连接在水冷散热器16上。所述基板12为DBA(陶瓷覆铝板)基板或DBC(陶瓷覆铜板)基板，所述底板14为铜底板或AlSiC(铝碳化硅)底板。半导体元件11进行开关工作所产生的热量依次通过基板12、焊接层13、底板14、导热硅脂层15、最后与水冷散热器16的冷却循环水进行热交换。由于导热硅脂的热导率很小，一般为3～8W/m.k，极大地影响了半导体元件11与水冷散热器16的热交换效率。

底板14为铜底板时，铜底板与基板12之间的焊接层13采用软焊料，此软焊料的熔点小于450℃，通过真空焊接连接时，铜底板14与基板12的CTE(热膨胀系数)热失配，软焊料在经过几百个热循环后容易产生热疲劳，焊接层将会出现大面积的分层现象，导致半导体元件11的热阻增大，影响半导体元件11的工作，从而导致模块失效。

底板14为AlSiC底板时，虽然AlSiC底板与基板12的CTE能够达到很好的热匹配，避免了产生大的热应力，提高了模块的可靠性，但AlSiC材料价格比较高，从而增加了模块的成本。

实用新型内容

本实用新型为解决现有大功率半导体模块由于热应力引起焊接层分层的技术问题，提供一种缓解热应力的散热装置。

一种散热装置，包括：

具有正表面和背表面的绝缘基板；

结合于所述正表面的正面金属板；

结合于所述背表面的背面金属板；

及设有散热金属板的散热器，所述散热金属板结合于所述背面金属板；

所述背面金属板上设有应力吸收空间；

所述背面金属板与散热金属板之间设有多个柱状凸起，所述柱状凸起与散热金属板一体成型。

进一步优选，所述散热金属板上柱状凸起为圆柱体、正方体或横截面为多边形的柱体。

进一步优选，所述散热金属板上柱状凸起高度取值范围为0.5～1.5毫米，柱状凸起截面面积的取值范围为0.8～7.1平方毫米，柱状凸起之间的间距取值范围为1.0～2.5毫米。

进一步优选，所述应力吸收空间为所述背面金属板上形成的孔或沟槽。

进一步优选，所述绝缘基板为陶瓷板。

进一步优选，所述散热器上设有和所述散热金属板大小相对应的槽体，散热金属板位于散热器的槽体内。

进一步优选，所述槽体边缘与散热金属板接触的部分设有第一沟槽、第二沟槽；所述第一沟槽内设有第一密封圈，第二沟槽内设有第二密封圈。

进一步优选，所述散热器槽体边缘设有第一螺丝孔，所述第一螺丝孔位于第一沟槽与第二沟槽之间，所述散热金属板边缘设有和散热器上第一螺丝孔相对应的第二螺丝孔，第一螺丝孔与第二螺丝孔通过螺丝连接。

另外，本实用新型还提供了一种具有散热装置的半导体模块。

所述半导体模块包括散热装置和搭载在散热装置正面金属板上的半导体元件。

本实用新型在散热装置的背面金属板上设置孔或沟槽及在散热金属板与背面金属板结合的面设置柱状凸起，背面金属板上没有设置孔或沟槽的表面与绝缘基板结合，设置孔或沟槽的表面与散热金属板结合，绝缘基板和散热器的导热性能优异。提高了搭载在正面金属板上半导体元件发出的热量的散热性能。即使绝缘基板和散热金属板的热膨胀系数不同在散热装置中产生热应力的情况下，背面金属板上的孔或沟槽及散热金属板上的柱状凸起发生变形，使热应力缓和，防止绝缘基板和散热金属板发生分层的技术问题。

附图说明

图1是现有技术提供的具有散热装置的半导体模块示意图；

图2是本实用新型提供的散热装置结构示意图；

图3是本实用新型提供的散热金属板上圆柱状凸起俯视图；

图4是本实用新型提供的背面金属板上冲孔示意图；

图5是本实用新型提供的散热器槽体结构示意图；

图6是本实用新型提供的具有散热装置的半导体模块示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了能够提高半导体元件与散热器的热交换效率，减小半导体元件的热阻，提高半导体元件的功率密度，防止由于热应力引起的半导体模块分层现象，提出了一种散热装置及具有该散热装置的半导体模块。

如图2所示，为散热装置结构示意图，包括：绝缘基板21、正面金属板22、背面金属板23、散热金属板24、散热器25。

绝缘基板21具有正表面和背表面，正面金属板22结合于所述绝缘基板21的正表面，背面金属板23结合于所述绝缘基板21的背表面，散热器25上设有散热金属板24，所述散热金属板25结合于所述背面金属板23。

所述背面金属板23上设有应力吸收空间；所述背面金属板23与散热金属板24之间设有多个柱状凸起，所述柱状凸起与散热金属板24一体成型。

所述背面金属板23与散热金属板24间选用硬钎焊料真空钎焊，硬钎焊料为熔点大于450℃的铝硅钎焊料或铝硅镁钎焊料的铝基硬钎焊料。具有高温可靠性、较高的机械性能、较高的抗热疲劳性能。

进一步优选，如图3所述散热金属板24上柱状凸起为圆柱体，也可为正方体或横截面为多边形的柱体。

所述散热金属板24上柱状凸起高度取值范围为0.5～1.5毫米，柱状凸起截面面积的取值范围为0.8～7.1平方毫米，柱状凸起之间的间距取值范围为1.0～2.5毫米。进一步优选，结合背面金属板上的孔或凹槽的面积，柱状凸起高度取1毫米，柱状凸起截面面积为3.1平方毫米，柱状凸起之间的间距取1毫米。取这些数值的原因在于：若柱状凸起的高度过低，而且凸起的横截面直径过大，则由于绝缘基板和散热金属板的热膨胀系数不同产生热应力的情况下，散热金属板上柱状凸起的变形不足，柱状凸起的变形不足以缓和热应力。若凸起过高，凸起的横截面直径小，则导热性能下降，使散热性能降低。

散热金属板24与背面金属板23相结合的面上设有柱状凸起，能够通过形变来缓解散热金属板24与背面金属板23之间的热应力。使散热金属板与背面金属板在真空钎焊时不会因为材料之间的CTE失配而导致翘曲变形。

散热金属板24的背面也有柱状凸起，背面柱状凸起减小了冷却循环水的水流面积，使得循环水与散热金属板的背面凸起及无凸起的面充分接触，这将提高散热金属板与冷却循环水的热交换效率。背面柱状凸起可以为圆柱体、锯齿状、正方体或横截面为多边形的柱体。

进一步优选，所述应力吸收空间为所述背面金属板23上形成的孔或沟槽。如图4所示，背面金属板上形成的孔。冲孔对称的形成在背面金属板的四周，孔的形状不限于圆形，三角形、四边形、其它多边形同样符合要求。

进一步优选，所述绝缘基板21为陶瓷板，正面金属板22、背面金属板23、散热金属板24为铝板。

进一步优选，如图5所示，所述散热器上设有和所述散热金属板大小相对应的槽体51，散热金属板位于散热器的槽体内。所述槽体51边缘与散热金属板接触的部分内设有第一沟槽52、第二沟槽53。所述第一沟槽52内设有第一密封圈，第二沟槽53内设有第二密封圈。第一密封圈、第二密封圈双重阻止散热器中的水渗透到散热金属板上部。更进一步的，在两密封圈之间涂上防水密封胶，散热金属板安装到散热器上，保证模块的整体气密性，更能有效防止水的渗透。

所述第一密封圈、第二密封圈能耐防冻液腐蚀、且有优异的抗老化性能。

进一步优选，所述散热器槽体边缘设有第一螺丝孔27，所述第一螺丝孔27位于第一沟槽与第二沟槽之间，所述散热金属板24边缘设有和散热器上第一螺丝孔相对应的第二螺丝孔26，第一螺丝孔27与第二螺丝孔26通过螺丝连接。散热金属板和散热器用螺丝连接，便于拆卸。

另外，本实用新型还提供了一种具有散热装置的半导体模块。如图6所示，

所述半导体模块包括散热装置62和搭载在散热装置正面金属板上的半导体元件61。

散热装置62上的正面金属板及背面金属板都通过镀镍处理，便于半导体元件61、及散热金属板的焊接。

本半导体模块首先将搭载半导体元件的正面金属板同绝缘基板、背面金属板、散热金属板焊接完成，然后将散热金属板通过螺丝同散热器连接。后续工序造成半导体元件损坏，可直接将其从散热器上卸下。不会造成整体半导体模块报废的问题，提高组装良率。

本实用新型在散热装置的背面金属板上设置孔或沟槽及在散热金属板与背面金属板结合的面设置柱状凸起，背面金属板上没有设置孔或沟槽的表面与绝缘基板结合，设置孔或沟槽的表面与散热金属板结合，绝缘基板和散热器的导热性能优异。提高了搭载在正面金属板上半导体元件发出的热量的散热性能。即使绝缘基板和散热金属板的热膨胀系数不同在散热装置中产生热应力的情况下，背面金属板上的孔或沟槽及散热金属板上的柱状凸起发生变形，使热应力缓和，防止绝缘基板和散热金属板发生分层的技术问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种散热装置，包括：

具有正表面和背表面的绝缘基板；

结合于所述正表面的正面金属板；

结合于所述背表面的背面金属板；

及设有散热金属板的散热器，所述散热金属板结合于所述背面金属板；其特征在于：

所述背面金属板上设有应力吸收空间；

所述背面金属板与散热金属板之间设有多个柱状凸起，所述柱状凸起与散热金属板一体成型。

2.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述散热金属板上柱状凸起为圆柱体、正方体或横截面为多边形的柱体。

3.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述散热金属板上柱状凸起高度取值范围为0.5～1.5毫米，柱状凸起截面面积的取值范围为0.8～7.1平方毫米，柱状凸起之间的间距取值范围为1～2.5毫米。

4.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述应力吸收空间为所述背面金属板上形成的孔或沟槽。

5.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述绝缘基板为陶瓷板。

6.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述散热器上设有和所述散热金属板大小相对应的槽体，散热金属板位于散热器的槽体内。

7.如权利要求6所述的散热装置，其特征在于：所述槽体边缘与散热金属板接触的部分设有第一沟槽、第二沟槽；所述第一沟槽内设有第一密封圈，第二沟槽内设有第二密封圈。

8.如权利要求7所述的散热装置，其特征在于：所述散热器槽体边缘设有第一螺丝孔，所述第一螺丝孔位于第一沟槽与第二沟槽之间；所述散热金属板边缘设有和散热器上第一螺丝孔相对应的第二螺丝孔，第一螺丝孔与第二螺丝孔通过螺丝连接。

9.一种具有散热装置的半导体模块，其特征在于：具有权利要求1～8中任何一项所述的散热装置和搭载在散热装置正面金属板上的半导体元件。

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