具有新型接合層的電力電子模塊散熱結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有新型接合層的電力電子功率模塊散熱結構。本發(fā)明使用納米級金屬顆粒接合層替代傳統(tǒng)電力電子功率散熱結構中的焊錫層，作為DBC板上金屬層與芯片之間的上接合層以及DBC板下金屬層與散熱基板之間的下接合層。具有新型接合層的電力電子功率模塊散熱結構，通過采用新型納米級金屬顆粒接合層代替焊錫作為上下接合層，有效地解決了傳統(tǒng)焊錫材料與DBC板上下金屬層之間的熱膨脹系數(shù)差別較大的不足，既保證了接合層的導電性能，又明顯降低了整體的熱應力，同時大幅度提升了接合層的可靠工作溫度，有效改善了DBC板與組件的使用壽命。
【專利說明】具有新型接合層的電力電子模塊散熱結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子【技術領域】，尤其涉及大功率電力半導體模塊、功率控制電路、智能功率組件和高頻開關電源等應用場合，具體是涉及一種具有新型接合層的電力電子功率模塊散熱結構及其制作方法。
【背景技術】
[0002]在電力電子功率模塊的發(fā)展中，隨著集成度提高，體積減小，使得單位散熱面積上的功耗增加，散熱成為模塊制造中的一個關鍵問題。在電力電子功率模塊散熱結構中，散熱基板和芯片之間需要設置一層導熱絕緣材料，目前，國內外電力電子行業(yè)所用此種材料一般是陶瓷-金屬復合板結構，簡稱DBC板。
[0003]DBC板的上金屬層和下金屬層一般通過焊錫層分別與芯片和散熱基板相接合。由于DBC板的上下金屬層(一般為銅)通常與其接合材料(焊錫層)的熱膨脹系數(shù)不同，當環(huán)境溫度發(fā)生變化或者組件在使用中發(fā)熱時，會在DBC板和其接合材料的交界面上產(chǎn)生應力，長期承受這樣的應力會使DBC板與其接合材料分離，帶來可靠性問題，進而影響DBC板和組件的壽命。此外，焊錫的可靠工作溫度受到其熔點的限制，無法工作在高于200°C的應用場合中。而新興寬禁帶半導體功率器件的工作溫度可以高達350°C，因此傳統(tǒng)焊錫接合層并不適用。
[0004]鑒于此，本發(fā)明提出一種新的接合材料，可以降低DBC板與其接合材料交界面的應力，增強組件的可靠性，同時大幅度提高其可靠工作溫度，從而延長DBC與組件的壽命。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明針對傳統(tǒng)DBC板與其接合材料之間應力較大的不足，提出一種新型接合材料，并應用于電力電子功率模塊散熱結構。本發(fā)明提出的具有新型接合層的電力電子功率模塊散熱結構與傳統(tǒng)結構相比，可以降低DBC板與其接合材料交界面之間的應力，增強其可靠性，并大幅度提高其可靠工作溫度，使DBC板性能得到進一步改善。
[0006]為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過下述技術方案得以解決:
[0007]使用含有納米級金屬顆粒的接合層替代傳統(tǒng)焊錫層，作為DBC板上金屬層與芯片之間以及DBC板下金屬層與散熱基板之間的接合層，來達到降低應力和耐受高溫的目的。金屬銀顆粒(熱膨脹系數(shù)17.5 X KT6IT1)具有與DBC上下金屬層(通常為銅，熱膨脹系數(shù)
19.5X 10-?-1)相近的熱膨脹系數(shù)，且銀金屬熔點高達962°C，因此銀顆粒是納米級金屬顆粒的最優(yōu)選擇。
[0008]一種具有新型接合層的電力電子功率模塊散熱結構，其特征在于:使用含有納米級金屬顆粒的接合層作為DBC板上金屬層與芯片之間的上接合層以及DBC板下金屬層與散熱基板之間的下接合層。
[0009]作為優(yōu)選，所述的納米金屬顆接合層含有例如銀(Ag)等金屬顆粒。
[0010]作為優(yōu)選,所述的上接合層厚度在0.1mm至Imm之間。[0011]作為優(yōu)選,所述的下接合層厚度在0.5mm至2mm之間。
[0012]本發(fā)明由于采用了以上技術方案，具有以下顯著的技術效果:在傳統(tǒng)電力電子功率模塊散熱結構的基礎上，通過采用新型納米級金屬顆粒接合層代替焊錫作為上下接合層，有效地解決了傳統(tǒng)焊錫材料與DBC板上下金屬層之間的熱膨脹系數(shù)差別較大的不足，既保證了接合層的導電性能，又大幅降低了整體的熱應力，同時大幅度提高了接合層的可靠工作溫度，有效改善了 DBC板與組件的使用壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的具有新型接合層的電力電子功率模塊散熱結構的剖面示意圖。
[0014]其中:101-芯片、102-上接合層、103-DBC上金屬層、104-DBC陶瓷層、105-DBC下金屬層、106-下接合層、107-散熱基板。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0016]本例采用含銀(Ag)顆粒的接合層作為上接合層102與下接合層106。銀金屬顆粒接合層可通過如下步驟制作:
[0017]①將銀粉顆粒均勻摻雜在某種有機溶劑中，銀粉顆粒的半徑尺寸為納米級別，典型值為50nm，摻雜濃度應盡可能高，但應保證有機溶劑仍具有一定的擴散延展性能。
[0018]②將上述含銀有機溶劑均勻覆蓋在需接合的金屬層或芯片上，并達到上接合層或下接合層的厚度要求。
[0019]③高溫烘烤接合后的模塊，使有機溶劑蒸發(fā)，并使銀顆粒發(fā)生燒結作用，達到一定的機械強度。典型烘烤溫度為200°C。
[0020]通過上述實例闡述了本發(fā)明，同時也可以采用其他實例實現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明不局限與上述具體實例，因此本發(fā)明由所附權利要求范圍限定。
【權利要求】
1.一種電力電子功率模塊散熱結構，由上至下依次為芯片、上接合層、DBC上金屬層、DBC陶瓷層、DBC下金屬層、下接合層和基板。
2.根據(jù)權利要求1所述的電力電子功率模塊散熱結構，其特征在于:所述上接合層和所述下接合層均為納米級金屬顆粒接合層。
3.根據(jù)權利要求2所述的納米級金屬接合層，其特征在于:所述的納米級金屬顆粒接合層含有導電金屬顆粒，如銀(Ag)，金屬顆粒的半徑尺寸為納米級別，典型值為50納米。
4.根據(jù)權利要求1所述的電力電子模塊散熱結構，其特征在于:上接合層的厚度在0.1mm至Imm之間。
5.根據(jù)權利要求1所述的電力電子模塊散熱結構，其特征在于:下接合層的厚度在0.5mm至2mm之間。
【文檔編號】H01L23/373GK103887246SQ201210570362
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權日:2012年12月20日
【發(fā)明者】仲雪倩, 盛況, 汪濤, 郭清, 謝剛 申請人:浙江大學