[发明专利]无底板功率模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种无底板功率模块，尤其涉及一种具有热扩散基板的无底板功率模块。 

背景技术

功率模块通常由金属底板、陶瓷覆铜基板和功率芯片等一系列材料组合而成。为了降低功率器件的热阻，提高其热扩散能力，金属底板的材料通常选用具有高热导率的纯铜，以钎焊方式与陶瓷覆铜底板的铜层形成金属键连接。除了对底板材料高热导率的要求，功率模块在实际工作环境中，温度交变是必然的，而由硅材料制作的功率芯片的热膨胀系数较低 （约为3ppm/K），与陶瓷覆铜底板（陶瓷材料通常为氧化铝或氮化铝）的热膨胀系数（约为7ppm/K）以及纯铜底板的热膨胀系数 （约为17ppm/K）之间相差较大。请参照图1(其中各个标号代表的结构分别为：100-功率模块；1-金属底板；2-陶瓷覆铜基板；3-功率芯片；4、5-焊料层)所示的通用型功率模块的结构示意图，在功率模块中形成有两层钎焊材料，一层在芯片和陶瓷覆铜底板之间，另一层在陶瓷覆铜底板与底板之间，在实际工作条件下，由于温度变化和热膨胀系数的差异而产生热应力。由于陶瓷覆铜基板与底板之间的焊料层面积，远超过了芯片下焊料层的面积，因此底板焊料层的热应力是功率模块内部最高的，功率模块的焊料通常选择低熔点的铅基或者锡基合金，实际使用绝对温度与其熔点非常接近，从而导致焊料层疲劳裂纹的产生，扩展，最后使功率模块的热阻急剧升高，造成功率芯片的工作结温过高而发生“热跑”。为提高功率模块的可靠性，拓展功率模块在严苛环境下的使用寿命，模块的底板材料可以采用热膨胀系数与陶瓷覆铜基板匹配的铝/碳化硅复合材料。目前，采用这些底板材料的功率模块，已经在机车牵引，航空和新能源领域，得到了一定规模的应用。 

为了进一步提高功率模块的功率密度，缩小装置/设备的体积，近来无底板功率模块在中、小功率段逐步得到运用。请参照图2(其中各个标号代表的结构分别为：100-功率模块； 2-陶瓷覆铜基板；3-功率芯片；4-焊料层所示，无底板功率模块去掉了金属底板和相应的焊料层，陶瓷覆铜基板的底部铜层直接安装到散热器表面。这样，功率模块的成本降低的同时，一个重要的模块失效机制-焊料层热疲劳，就得到了有效解决。从模块角度来看，虽然从芯片到模块底面的热阻比在模块有底板的情形要低，但由于缺少了导热底板的热扩散效应，在相同工作条件下，无底板模块的芯片结温通常会高于带有导热底板的模块。 

因此，确有必要提出一种新的技术方案以解决现有技术之缺陷。 

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种无底板功率模块，其通过在陶瓷覆铜基板和散热器之间，增加热扩散基板，进而达到降低功率芯片工作结温的目的。 

本发明采用如下技术方案：一种无底板功率模块，其包括有散热器、陶瓷覆铜基板及功率芯片，所述无底板功率模块还包括有设置于所述陶瓷覆铜基板和散热器之间的热扩散基板，所述热扩散基板通过物理压接的方式与所述散热器组合于一起。 

作为本发明的进一步改进，所述热扩散基板为具有高热导率的平面热管型基板。 

作为本发明的进一步改进，所述热扩散基板的材料为铝、铝合金或者铜、铜合金。 

作为本发明的进一步改进，所述热扩散基板的厚度为3毫米至7毫米。 

作为本发明的进一步改进，所述热扩散基板的尺寸与无底板功率模块的陶瓷覆铜基板尺寸相同，热扩散基板面积的为陶瓷覆铜基板面积的1至2倍。 

本发明具有以下有益效果：通过在陶瓷覆铜基板和散热器之间，增加热扩散基板，有效的降低了无底板功率模块的工作结温。 

附图说明

图1为本领域中通用型功率模块的结构示意图。 

图2为本领域中无底板功率模块的结构示意图。 

图3为本发明无底板功率模块的结构示意图。 

图4为图2所示的无底板功率模块安装到散热器表面上后，仿真模拟功率芯片在额定电流条件下的结温分布情况。 

图5为图3所示的无底板功率模块安装到散热器表面上后，仿真模拟功率芯片在额定电流条件下的结温分布情况。 

具体实施方式

请参照图3所示，本发明无底板功率模块100包括有安装于散热器（未标示）上的热扩散基板1、陶瓷覆铜基板2和功率芯片3，其中陶瓷覆铜基板2和功率芯片3之间形成有焊接层4。热扩散基板1的厚度为3毫米至7毫米，且热扩散基板1的尺寸与陶瓷覆铜基板2尺寸相同，热扩散基板1的面积为陶瓷覆铜基板2的面积1至2倍。本发明中无底板功率模块100中通过新增的热扩散基板1的导入，为降低无底板功率模块的工作结温提供了有效途径。