專利名稱：一種散熱裝置及具有該散熱裝置的半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于半導(dǎo)體散熱領(lǐng)域，尤其涉及一種散熱裝置及具有該散熱裝置的半 導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)：
混合動(dòng)力汽車、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電及標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)驅(qū)動(dòng)器等大功率應(yīng)用領(lǐng)域，對 半導(dǎo)體元件的可靠性、散熱性及電氣堅(jiān)固性能等提出較高的要求。如圖1所示為現(xiàn)有的具有散熱裝置的半導(dǎo)體模塊，包括半導(dǎo)體元件11、基板12、 焊接層13、底板14、導(dǎo)熱硅脂層15、水冷散熱器16。半導(dǎo)體元件11搭載在基板12上，基板 12通過焊接層13焊接在底板14上，底板14通過導(dǎo)熱硅脂層15連接在水冷散熱器16上。 所述基板12為DBA (陶瓷覆鋁板)基板或DBC (陶瓷覆銅板)基板，所述底板14為銅底板 或AlSiC (鋁碳化硅)底板。半導(dǎo)體元件11進(jìn)行開關(guān)工作所產(chǎn)生的熱量依次通過基板12、 焊接層13、底板14、導(dǎo)熱硅脂層15、最后與水冷散熱器16的冷卻循環(huán)水進(jìn)行熱交換。由于 導(dǎo)熱硅脂的熱導(dǎo)率很小，一般為3 8W/m. k，極大地影響了半導(dǎo)體元件11與水冷散熱器16 的熱交換效率。底板14為銅底板時(shí)，銅底板與基板12之間的焊接層13采用軟焊料，此軟焊料的 熔點(diǎn)小于450°C，通過真空焊接連接時(shí)，銅底板14與基板12的CTE (熱膨脹系數(shù))熱失配， 軟焊料在經(jīng)過幾百個(gè)熱循環(huán)后容易產(chǎn)生熱疲勞，焊接層將會(huì)出現(xiàn)大面積的分層現(xiàn)象，導(dǎo)致 半導(dǎo)體元件11的熱阻增大，影響半導(dǎo)體元件11的工作，從而導(dǎo)致模塊失效。底板14為AlSiC底板時(shí)，雖然AlSiC底板與基板12的CTE能夠達(dá)到很好的熱匹 配，避免了產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，提高了模塊的可靠性，但AlSiC材料價(jià)格比較高，從而增加了 模塊的成本。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為解決現(xiàn)有大功率半導(dǎo)體模塊由于熱應(yīng)力引起焊接層分層的技術(shù)問 題，提供一種緩解熱應(yīng)力的散熱裝置。一種散熱裝置，包括具有正表面和背表面的絕緣基板；結(jié)合于所述正表面的正面金屬板；結(jié)合于所述背表面的背面金屬板；及設(shè)有散熱金屬板的散熱器，所述散熱金屬板結(jié)合于所述背面金屬板；所述背面金屬板上設(shè)有應(yīng)力吸收空間；所述背面金屬板與散熱金屬板之間設(shè)有多個(gè)柱狀凸起，所述柱狀凸起與散熱金屬 板一體成型。進(jìn)一步優(yōu)選，所述散熱金屬板上柱狀凸起為圓柱體、正方體或橫截面為多邊形的 柱體。[0015]進(jìn)一步優(yōu)選，所述散熱金屬板上柱狀凸起高度取值范圍為0. 5 1. 5毫米，柱狀凸 起截面面積的取值范圍為0. 8 7. 1平方毫米，柱狀凸起之間的間距取值范圍為1. 0 2. 5毫米。進(jìn)一步優(yōu)選，所述應(yīng)力吸收空間為所述背面金屬板上形成的孔或溝槽。進(jìn)一步優(yōu)選，所述絕緣基板為陶瓷板。進(jìn)一步優(yōu)選，所述散熱器上設(shè)有和所述散熱金屬板大小相對應(yīng)的槽體，散熱金屬 板位于散熱器的槽體內(nèi)。進(jìn)一步優(yōu)選，所述槽體邊緣與散熱金屬板接觸的部分設(shè)有第一溝槽、第二溝槽；所 述第一溝槽內(nèi)設(shè)有第一密封圈，第二溝槽內(nèi)設(shè)有第二密封圈。進(jìn)一步優(yōu)選，所述散熱器槽體邊緣設(shè)有第一螺絲孔，所述第一螺絲孔位于第一溝 槽與第二溝槽之間，所述散熱金屬板邊緣設(shè)有和散熱器上第一螺絲孔相對應(yīng)的第二螺絲 孔，第一螺絲孔與第二螺絲孔通過螺絲連接。另外，本實(shí)用新型還提供了一種具有散熱裝置的半導(dǎo)體模塊。所述半導(dǎo)體模塊包括散熱裝置和搭載在散熱裝置正面金屬板上的半導(dǎo)體元件。本實(shí)用新型在散熱裝置的背面金屬板上設(shè)置孔或溝槽及在散熱金屬板與背面金 屬板結(jié)合的面設(shè)置柱狀凸起，背面金屬板上沒有設(shè)置孔或溝槽的表面與絕緣基板結(jié)合，設(shè) 置孔或溝槽的表面與散熱金屬板結(jié)合，絕緣基板和散熱器的導(dǎo)熱性能優(yōu)異。提高了搭載在 正面金屬板上半導(dǎo)體元件發(fā)出的熱量的散熱性能。即使絕緣基板和散熱金屬板的熱膨脹系 數(shù)不同在散熱裝置中產(chǎn)生熱應(yīng)力的情況下，背面金屬板上的孔或溝槽及散熱金屬板上的柱 狀凸起發(fā)生變形，使熱應(yīng)力緩和，防止絕緣基板和散熱金屬板發(fā)生分層的技術(shù)問題。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)提供的具有散熱裝置的半導(dǎo)體模塊示意圖；圖2是本實(shí)用新型提供的散熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型提供的散熱金屬板上圓柱狀凸起俯視圖；圖4是本實(shí)用新型提供的背面金屬板上沖孔示意圖；圖5是本實(shí)用新型提供的散熱器槽體結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型提供的具有散熱裝置的半導(dǎo)體模塊示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下 結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施 例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。為了能夠提高半導(dǎo)體元件與散熱器的熱交換效率，減小半導(dǎo)體元件的熱阻，提高 半導(dǎo)體元件的功率密度，防止由于熱應(yīng)力引起的半導(dǎo)體模塊分層現(xiàn)象，提出了一種散熱裝 置及具有該散熱裝置的半導(dǎo)體模塊。如圖2所示，為散熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括絕緣基板21、正面金屬板22、背面金屬 板23、散熱金屬板24、散熱器25。絕緣基板21具有正表面和背表面，正面金屬板22結(jié)合于所述絕緣基板21的正表面，背面金屬板23結(jié)合于所述絕緣基板21的背表面，散熱器25上設(shè)有散熱金屬板24，所述 散熱金屬板25結(jié)合于所述背面金屬板23。所述背面金屬板23上設(shè)有應(yīng)力吸收空間；所述背面金屬板23與散熱金屬板24之 間設(shè)有多個(gè)柱狀凸起，所述柱狀凸起與散熱金屬板24 —體成型。所述背面金屬板23與散熱金屬板24間選用硬釬焊料真空釬焊，硬釬焊料為熔點(diǎn) 大于450°C的鋁硅釬焊料或鋁硅鎂釬焊料的鋁基硬釬焊料。具有高溫可靠性、較高的機(jī)械性 能、較高的抗熱疲勞性能。進(jìn)一步優(yōu)選，如圖3所述散熱金屬板24上柱狀凸起為圓柱體，也可為正方體或橫 截面為多邊形的柱體。所述散熱金屬板24上柱狀凸起高度取值范圍為0. 5 1. 5毫米，柱狀凸起截面面 積的取值范圍為0. 8 7. 1平方毫米，柱狀凸起之間的間距取值范圍為1. 0 2. 5毫米。進(jìn) 一步優(yōu)選，結(jié)合背面金屬板上的孔或凹槽的面積，柱狀凸起高度取1毫米，柱狀凸起截面面 積為3. 1平方毫米，柱狀凸起之間的間距取1毫米。取這些數(shù)值的原因在于若柱狀凸起的 高度過低，而且凸起的橫截面直徑過大，則由于絕緣基板和散熱金屬板的熱膨脹系數(shù)不同 產(chǎn)生熱應(yīng)力的情況下，散熱金屬板上柱狀凸起的變形不足，柱狀凸起的變形不足以緩和熱 應(yīng)力。若凸起過高，凸起的橫截面直徑小，則導(dǎo)熱性能下降，使散熱性能降低。散熱金屬板24與背面金屬板23相結(jié)合的面上設(shè)有柱狀凸起，能夠通過形變來緩 解散熱金屬板24與背面金屬板23之間的熱應(yīng)力。使散熱金屬板與背面金屬板在真空釬焊 時(shí)不會(huì)因?yàn)椴牧现g的CTE失配而導(dǎo)致翹曲變形。散熱金屬板24的背面也有柱狀凸起，背面柱狀凸起減小了冷卻循環(huán)水的水流面 積，使得循環(huán)水與散熱金屬板的背面凸起及無凸起的面充分接觸，這將提高散熱金屬板與 冷卻循環(huán)水的熱交換效率。背面柱狀凸起可以為圓柱體、鋸齒狀、正方體或橫截面為多邊形 的柱體。進(jìn)一步優(yōu)選，所述應(yīng)力吸收空間為所述背面金屬板23上形成的孔或溝槽。如圖4 所示，背面金屬板上形成的孔。沖孔對稱的形成在背面金屬板的四周，孔的形狀不限于圓 形，三角形、四邊形、其它多邊形同樣符合要求。進(jìn)一步優(yōu)選，所述絕緣基板21為陶瓷板，正面金屬板22、背面金屬板23、散熱金屬 板24為鋁板。進(jìn)一步優(yōu)選，如圖5所示，所述散熱器上設(shè)有和所述散熱金屬板大小相對應(yīng)的槽 體51，散熱金屬板位于散熱器的槽體內(nèi)。所述槽體51邊緣與散熱金屬板接觸的部分內(nèi)設(shè)有 第一溝槽52、第二溝槽53。所述第一溝槽52內(nèi)設(shè)有第一密封圈，第二溝槽53內(nèi)設(shè)有第二 密封圈。第一密封圈、第二密封圈雙重阻止散熱器中的水滲透到散熱金屬板上部。更進(jìn)一 步的，在兩密封圈之間涂上防水密封膠，散熱金屬板安裝到散熱器上，保證模塊的整體氣密 性，更能有效防止水的滲透。所述第一密封圈、第二密封圈能耐防凍液腐蝕、且有優(yōu)異的抗老化性能。進(jìn)一步優(yōu)選，所述散熱器槽體邊緣設(shè)有第一螺絲孔27，所述第一螺絲孔27位于第 一溝槽與第二溝槽之間，所述散熱金屬板24邊緣設(shè)有和散熱器上第一螺絲孔相對應(yīng)的第 二螺絲孔26，第一螺絲孔27與第二螺絲孔26通過螺絲連接。散熱金屬板和散熱器用螺絲 連接，便于拆卸。[0045]另外，本實(shí)用新型還提供了一種具有散熱裝置的半導(dǎo)體模塊。如圖6所示，所述半導(dǎo)體模塊包括散熱裝置62和搭載在散熱裝置正面金屬板上的半導(dǎo)體元件 61。散熱裝置62上的正面金屬板及背面金屬板都通過鍍鎳處理，便于半導(dǎo)體元件61、 及散熱金屬板的焊接。本半導(dǎo)體模塊首先將搭載半導(dǎo)體元件的正面金屬板同絕緣基板、背面金屬板、散 熱金屬板焊接完成，然后將散熱金屬板通過螺絲同散熱器連接。后續(xù)工序造成半導(dǎo)體元件 損壞，可直接將其從散熱器上卸下。不會(huì)造成整體半導(dǎo)體模塊報(bào)廢的問題，提高組裝良率。本實(shí)用新型在散熱裝置的背面金屬板上設(shè)置孔或溝槽及在散熱金屬板與背面金 屬板結(jié)合的面設(shè)置柱狀凸起，背面金屬板上沒有設(shè)置孔或溝槽的表面與絕緣基板結(jié)合，設(shè) 置孔或溝槽的表面與散熱金屬板結(jié)合，絕緣基板和散熱器的導(dǎo)熱性能優(yōu)異。提高了搭載在 正面金屬板上半導(dǎo)體元件發(fā)出的熱量的散熱性能。即使絕緣基板和散熱金屬板的熱膨脹系 數(shù)不同在散熱裝置中產(chǎn)生熱應(yīng)力的情況下，背面金屬板上的孔或溝槽及散熱金屬板上的柱 狀凸起發(fā)生變形，使熱應(yīng)力緩和，防止絕緣基板和散熱金屬板發(fā)生分層的技術(shù)問題。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本 實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種散熱裝置，包括具有正表面和背表面的絕緣基板；結(jié)合于所述正表面的正面金屬板；結(jié)合于所述背表面的背面金屬板；及設(shè)有散熱金屬板的散熱器，所述散熱金屬板結(jié)合于所述背面金屬板；其特征在于所述背面金屬板上設(shè)有應(yīng)力吸收空間；所述背面金屬板與散熱金屬板之間設(shè)有多個(gè)柱狀凸起，所述柱狀凸起與散熱金屬板一體成型。
2.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于所述散熱金屬板上柱狀凸起為圓柱體、 正方體或橫截面為多邊形的柱體。
3.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于所述散熱金屬板上柱狀凸起高度取值 范圍為0. 5 1. 5毫米，柱狀凸起截面面積的取值范圍為0. 8 7. 1平方毫米，柱狀凸起之 間的間距取值范圍為1 2. 5毫米。
4.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于所述應(yīng)力吸收空間為所述背面金屬板 上形成的孔或溝槽。
5.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于所述絕緣基板為陶瓷板。
6.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于所述散熱器上設(shè)有和所述散熱金屬板 大小相對應(yīng)的槽體，散熱金屬板位于散熱器的槽體內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的散熱裝置，其特征在于所述槽體邊緣與散熱金屬板接觸的部 分設(shè)有第一溝槽、第二溝槽；所述第一溝槽內(nèi)設(shè)有第一密封圈，第二溝槽內(nèi)設(shè)有第二密封 圈。
8.如權(quán)利要求7所述的散熱裝置，其特征在于所述散熱器槽體邊緣設(shè)有第一螺絲孔， 所述第一螺絲孔位于第一溝槽與第二溝槽之間；所述散熱金屬板邊緣設(shè)有和散熱器上第一 螺絲孔相對應(yīng)的第二螺絲孔，第一螺絲孔與第二螺絲孔通過螺絲連接。
9.一種具有散熱裝置的半導(dǎo)體模塊，其特征在于具有權(quán)利要求1 8中任何一項(xiàng)所 述的散熱裝置和搭載在散熱裝置正面金屬板上的半導(dǎo)體元件。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種散熱裝置，屬于半導(dǎo)體散熱領(lǐng)域。所述散熱裝置包括具有正表面和背表面的陶瓷基板；結(jié)合于所述正表面的正面金屬板；結(jié)合于所述背表面的背面金屬板；及設(shè)有散熱金屬板的散熱器，所述散熱金屬板結(jié)合于所述背面金屬板；所述背面金屬板上設(shè)有應(yīng)力吸收空間；所述背面金屬板與散熱金屬板之間設(shè)有多個(gè)柱狀凸起，所述柱狀凸起與散熱金屬板一體成型。本實(shí)用新型還提供了一種將半導(dǎo)體元件搭載在該散熱裝置上的半導(dǎo)體模塊，解決了熱應(yīng)力引起焊接層分層的技術(shù)問題。
文檔編號H01L23/367GK201708146SQ201020212219
公開日2011年1月12日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者馮衛(wèi), 張杰夫, 羅淑斌 申請人:比亞迪股份有限公司