专利名称：钎焊散热件的方法
技术领域：
本发明涉及一种钎焊散热件的方法。
背景技术：
常规地，绝缘栅双极晶体管(IGBT)半导体功率模块使用散热件，该散热件有效地 消散由半导体芯片产生的热，以将半导体芯片维持在预定温度以下。 参照图1描述典型的散热件的一般结构。散热件110由具有合适的导热性的轻质 材料例如铝形成。散热件110包括顶板114和底板118。顶板114热连接到发热元件112。 顶板114和底板118在它们之间形成冷却剂通路116。通过在散热件110的侧壁的中部附 近压接顶板114和底板118，并且钎焊接合被压接部120，将顶板114和底板118接合到一 起。 在通路116中设有散热片122，该散热片122将顶板114连接到底板118。因此， 这样设置的散热片122使得散热件110和流过通路116的冷却剂之间的接触面积增加，从 而提高了散热性能。 顶板114具有流入口 124和流出口 126。冷却剂通过流入口 124流入通路116，并 且通过流出口 126流出通路116。接头128分别配合在流入口 124和流出口 126中。接头 128是将冷却剂所流过的管路130连接到散热件110的连接部件。利用流过通路116的冷 却剂除去发热元件112产生的热。流出散热件110的冷却剂被提供到散热器(未示出)。 散热器将热放散到外部。 日本专利申请公报No. 2006-294699 (JP-A-2006-294699)描述了这样一种散热 件，该散热件包括顶板和底板，其中顶板和底板在它们之间形成冷却剂通路，作为发热元件 的半导体芯片安装在绝缘基板和应力缓和部件上，顶板通过绝缘基板和应力缓和部件热连 接到半导体芯片，并且散热件通过冷却剂消散来自半导体芯片的热。 在散热件110中，流入口 124和流出口 126两者都形成在顶板114上。因此，当冷 却剂从管路130流到通路116时以及当其从通路116流到管路130时，冷却剂的流动方向 急剧改变，导致压力损失增加。特别地，当流出口 126形成在顶板114中时——这要求冷却 剂向上流动，呈现了较高压力损失的趋势。随着压力损失增加，更多的动力被用来驱动使冷 却剂循环的泵。 —种可想到的减少压力损失的方法是将流入口 124和流出口 126设置在散热件 110的侧壁上。通过此设计，当冷却剂从管路130流到通路116时以及当其从通路116流到 管路130时，冷却剂的流动方向仅适度地改变。但是，顶板114和底板118在散热件110的 侧壁的中间位置接合在一起。假设流入口 124和流出口 126设置在除顶板114和底板118 的此接合区域外的位置处，则散热件110的尺寸将变得较大。因此，为了在不增加散热件 110的尺寸的情况下在散热件110的侧壁上设置流入口 124和流出口 126，需要改进将顶板 114和底板118钎焊到一起的方法。
发明内容
本发明提供了一种钎焊散热件的方法，该散热件具有与发热元件热连接的顶板和 与该顶板形成冷却剂通路的底板，其中在确保用于将流入口和流出口设置在散热件的侧壁 上的空间的同时，顶板和底板钎焊接合在一起。 本发明的一个方面涉及一种钎焊散热件的方法，该散热件包括与发热元件热连 接的顶板；和接合到所述顶板的底板，其中在所述顶板和所述底板之间形成冷却剂的通路； 所述散热件将来自所述发热元件的热消散到所述冷却剂；以及所述顶板形成为当在截面中 看时具有在同一方向上突出的相对端部的形状，所述方法包括将所述底板的至少一部分 配合在所述顶板的所述突出的相对端部之间；将夹具固定到所述顶板的外周，以便防止热 膨胀的所述顶板在所述顶板的宽度方向上向外延伸；以及将所述顶板的内侧面钎焊接合到 面对所述顶板的所述内侧面的所述底板的侧面。 在根据本发明的上述方面的钎焊散热件的方法中，可在所述散热件的侧壁上形成 流入口和流出口，所述冷却剂分别通过所述流入口和所述流出口流入和流出所述通路；以 及当所述顶板和所述底板接合在一起时，可将接头分别钎焊接合到所述流入口和所述流出□。 在根据本发明的上述方面的钎焊散热件的方法中，用于所述冷却剂的所述流入口
和所述流出口可形成在每个所述突出的相对端部的中部处的所述顶板的壁上。 在根据本发明的上述方面的钎焊散热件的方法中，所述底板可为平板。 在根据本发明的上述方面的钎焊散热件的方法中，所述顶板的厚度与所述底板的
厚度之比可在大约i:3到i:5之间。 在根据本发明的上述方面的钎焊散热件的方法中，所述底板的所述侧面可为所述 底板的外周面。 在根据本发明的上述方面的钎焊散热件的方法中，所述底板可具有凹槽，以及所 述底板的所述侧面可为所述凹槽的表面，所述凹槽的所述表面相比于所述底板的外周面形 成在内侧。 在根据本发明的上述方面的钎焊散热件的方法中，当进行所述钎焊时，所述顶板 的所述内侧面和面对所述顶板的所述内侧面的所述底板的所述侧面之间的间隙可等于或 小于0. lmm。 根据依照本发明的上述方面的钎焊散热件的方法，该散热件包括与发热元件热连 接的顶板和与该顶板形成冷却剂通路的底板，在确保用于将流入口和流出口设置在散热件 的侧壁上的空间的同时，顶板和底板钎焊接合在一起。
本发明的前述和/或其他目的、特征和优点将在下文参照附图对示例性实施例的 描述中变得明显，其中相同的标号用以表示相同的元件，附图中
图1示出根据相关技术的散热件的整体结构； 图2是根据本发明一个实施例的包括散热件的散热器的整体结构的截面图；
图3是根据本发明该实施例的散热件的整体结构的截面图；
图4A是示出根据本发明该实施例的钎焊散热件的方法的截面 图4B是图4A的顶视图； 图5示出根据本发明的该实施例，顶板的厚度与底板的厚度之比与绝缘基板的应 力之间的关系； 图6是示出根据本发明另一个实施例的钎焊散热件的方法的截面图。
具体实施例方式
以下将参照附图详细描述根据本发明一个实施例的钎焊散热件的方法。作为示 例，对本发明该实施例的描述集中于钎焊在功率模块中使用的散热件的方法。功率模块向 驱动汽车的马达提供电力。本发明的应用并不局限于汽车功率模块中使用的散热件，还可 应用于用以冷却发热元件的任何散热件。 图2是示出散热器12的整体结构的截面图，散热器12包括根据本发明该实施例 的散热件10。散热器12具有散热件10和绝缘基板16。半导体芯片14安装在绝缘基板16 的顶侧上。散热件10通过具有应力吸收空间的应力缓和部件18设置在绝缘基板16的底 侧上。绝缘基板16、应力缓和部件18及散热件10相互钎焊接合。 半导体芯片14可以是用于逆变器或升压转换器的开关元件。半导体芯片14包括 IGBT、功率晶体管、晶闸管等等。开关元件在被致动时发热。 绝缘基板16由相互层叠的第一铝层20、陶瓷层22和第二铝层24形成。
在第一铝层20上形成有电路。半导体芯片14软焊到该电路上并且与该电路电连 接。第一铝层20由具有合适的导电性的铝制成。然而，第一层20可由具有合适的导电性 的任何材料例如铜制成。优选地，第一铝层20由具有高导电性和高延展性(变形能力)并 且适合于软焊到半导体芯片14上的高纯度铝制成。 陶瓷层22由具有高绝缘性能、高导热性和高机械强度的陶瓷制成。氧化铝和氮化 铝是陶瓷的示例。 应力缓和部件18钎焊接合到第二铝层24。第二铝层24由具有合适的导热性的 铝制成。然而，第二层24可由具有合适的导热性的任何材料例如铜制成。优选地，第二铝 层24由具有高导热性和高延展性并且相对于熔融的钎焊材料具有良好的润湿性的高纯度 铝制成。 应力缓和部件18具有应力吸收空间。应力吸收空间是在各层被层叠的方向上贯 通应力缓和部件18的通孔26。通孔26可变形以吸收应力。通孔26为狭缝形，并且以错列 方式(staggered arrangement)配置在应力缓和部件18上。通孔26不必需是狭缝形，而 可以是多边形孔或圆形孔。应力缓和部件18由具有合适的导热性的铝制成。然而，应力缓 和部件18可由具有合适的导热性的任何材料例如铜制成。优选地，应力缓和部件18由具 有高导热性和高延展性并且相对于熔融的钎焊材料具有良好的润湿性的高纯度铝制成。在 对本发明该实施例的描述中，应力吸收空间为在各层被层叠的方向上贯通应力缓和部件18 的通孔26。然而，本发明并不局限于此构造。作为贯通应力缓和部件18的替代，通孔26可 在一端封闭。 散热件10由具有合适的导热性的轻质铝制成。散热件10具有顶板28和底板32。 顶板28接合到应力缓和部件18。底板32接合到顶板28。顶板28和底板32之间形成冷 却剂通路30。在通路30中设有散热片34，该散热片34将顶板28连接到底板32。这样设置的散热片34使得散热件10与流过通路30的冷却剂之间的接触面积增加，从而提高了散 热性能。根据本发明实施例的散热件10中的流过通路30的冷却剂是具有防腐蚀和防冻结 性能的长效冷却剂(LLC)。 在散热件10的底板32下面，与底板32相接触地设置电子装置36。 DC/DC转换器 和电抗器是电子装置36的示例。电子装置36包括发热元件。 在散热器12中，发热元件或半导体芯片14热连接到散热件10。此构造使得由半 导体芯片14产生的热可通过绝缘基板16且通过应力缓和部件18有效地消散到流过散热 件10中的通路30的冷却剂。同样，此构造使得电子装置36产生的热可有效地消散到流过 散热件10中的通路30的冷却剂。 下文将参照图3描述散热件10的整体结构。如上所述，散热件10包括顶板28、底 板32和散热片34。当在截面中观察时，顶板28形成为具有在同一方向上突出的相对端部 的形状。底板32被定位成配合在顶板28的突出端部之间。顶板28的突出端部之间被定 义为从突出的相对端部中的一个延伸到另一个的长度范围。底板32形成为平板形状。顶 板28具有内侧面28a。底板32的外周缘32a面对内侧面28a。内侧面28a钎焊接合到外 周缘32a。散热片34钎焊接合到顶板28以及底板32。在图3中，参考标号38指示钎焊区 域。 在散热件10的侧壁10a中形成流入口 40和流出口 42。冷却剂通过流入口 40和 流出口 42流入和流出通路30。冷却剂通过流入口 40流入通路30，并且通过流出口 42流 出通路30。接头44分别配合在流入口 40和流出口 42中。接头44是将供冷却剂流动通 过的管路46连接到散热件10的连接部件。每个接头44具有向外突出的凸缘48。凸缘48 与散热件10的侧壁10a钎焊接合到一起。当在截面中观察时，散热件10的侧壁10a对应 于顶板28的各个突出的相对端部的中部。 现在将参照图4A和4B描述钎焊散热件10的方法，更具体地，将顶板28和底板32 钎焊到一起的方法。 如图4A所示，当在截面中观察时，顶板28形成为具有在同一方向上突出的相对端 部的形状。然后，将底板32配合在顶板28的突出端部之间。同时，底板32被定位成在顶 板28的突出端部之间留有微小的间隙。然后，将夹具50附装到散热件10的侧壁10a的外 侧。更具体地说，如图4A所示，夹具50附装到在顶板28的突出端部之间的方向(在箭头 所示的方向)上的外侧。如图4B所示，包括两个分离部件的夹具50附装到顶板28以固定 顶板28，从而夹具50围绕顶板28的外周。同时，接头44也附装到顶板28。
然后，将环境温度从室温(例如25tO升高到大约60(TC。这使得均由铝制成的 顶板28和底板32两者热膨胀。此时，顶板28在其外周被夹具50固定。夹具50限制顶板 28在向外延伸方向上、即在图4A中的箭头所示的方向上膨胀。但是，夹具50没有限制底 板32的膨胀，从而底板32在向外延伸方向上、即在图4A中的箭头所示的方向上膨胀。底 板32的膨胀使得其侧面32a接触顶板28的内侧面28a。当侧面28a和32a之间的间隙等 于或小于O. lmm时，侧面28a和32a可钎焊接合在一起。然后，将接头44钎焊接合到顶板 28上。 如上所述，顶板28形成为当在截面中看时具有在同一方向上突出的相对端部的 形状。底板32配合在顶板28的突出端部之间。另外，为了防止热膨胀的顶板28在其宽度方向上向外延伸，在执行钎焊之前，将夹具50固定到顶板28的外周。通过利用底板32的膨 胀，顶板28的内侧面28a和底板32的侧面32a可钎焊在一起。根据所描述的钎焊散热件 的方法，顶板28和底板32不是在散热件10的侧壁10a的中间位置，而是在散热件10的基 部、具体地是在顶板28的突出的相对端部的边缘处，钎焊在一起。这避免了散热件10的尺 寸增加，并且确保了将流入口和流出口设置在散热件10的侧壁10a上所需的空间。因此， 当从管路46流到通路30时以及当从通路30流到管路46时，冷却剂适度地改变其流动方 向。因而，压力损失减小，从而驱动冷却剂循环泵需要较少的动力。 返回图3，顶板28和底板32相对较薄，足以确保减小的重量和合适的导热性。考 虑到其耐久性，根据本发明该实施例的顶板28具有为0. 8mm的厚度tl。更具体地说，当顶 板28具有小于0. 8mm的厚度tl时，流过通路30的冷却剂腐蚀并损坏顶板28。顶板28的 厚度tl并不局限于0. 8mm，而是可大于0. 8mm。只要顶板28确保减少的重量以及合适的导 热性，则其厚度tl可在0. 8mm到1. 2mm的范围内预先设定。 相反，根据本发明该实施例的底板32具有为4. 0mm的厚度t2。下文将更具体地描 述将厚度t2设定为4. 0mm的原因。 —般来说，在将绝缘基板、应力缓和部件和散热件相互接合的过程中，它们在大约 60(TC的温度下钎焊接合到一起，然后被冷却。这由于绝缘基板和散热件之间不同的热线性 膨胀系数而产生热应力。该热应力比当半导体芯片发热时在绝缘基板和散热件之间产生的 热应力高得多，以至于应力缓和部件无法缓和。因而，热应力可能会损坏绝缘基板。因此， 根据本发明实施例的底板32的厚度t2被预设为用于缓和在将绝缘基板16、应力缓和部件 18及散热件10相互接合到一起的过程中产生的热应力的最优值。 参照图5描述顶板28的厚度与底板32的厚度的比率L和绝缘基板16的应力P 之间的关系。比率L可通过用顶板28的厚度tl除以底板32的厚度t2而得到。应力P是 在将绝缘基板16、应力缓和部件18及散热件10相互接合到一起的过程中在绝缘基板16中 产生的。 在实验中，将分别具有不同比率L的多个散热件10接合到绝缘基板16、应力缓和 部件18及散热件10。如图5所示，试验结果表明应力P趋向于随着比率L减小而减小。应 力P减小意味着在接合过程中产生的热应力被缓和，从而防止了对绝缘基板16的损坏。换 句话说，随着底板32的厚度t2相对于顶板28的厚度tl增大，应力P可减小，从而防止了 绝缘基板16被损坏。 然而，随着底板32的厚度t2增大，其重量也增大。这增加了散热件10的重量。另 外，随着底板32的厚度t2增大，导热性也降低。这抑制了电子装置36产生的热的有效消 散。 因此，考虑到缓和应力P以及确保减小的重量和良好的导热性，底板32的厚度t2 被预设为4. Omm。底板32的厚度t2并不局限于4. Omm。厚度t2可设定在应力P被缓和并 且减小的重量和合适的导热性得以确保的合适范围内。优选地，底板32的厚度t2被预设 为这样的值，即在该值，顶板28的厚度tl与底板32的厚度t2之比落在l : 3到1 : 5的 范围内。 根据本发明的该实施例，散热件10具有这样的简单结构，即顶板28和底板32之 间的厚度比预设在l : 3到1 : 5的范围内。这确保了散热件10具有减小的重量和良好的导热性，同时缓和了在接合过程中发生的热应力。从而，防止了绝缘基板16被损坏。
在所描述的本发明的实施例中，散热件10的顶板28、底板32和散热片34通过真 空钎焊接合到一起。然而，本发明并不局限于这种构造。可选地，散热件10的顶板28、底板 32和散热片34可使用非腐蚀性焊剂而钎焊接合。在这种情况下，顶板28被涂覆非腐蚀性 焊剂，这提高了其对抗冷却剂的耐久性。因此，顶板28的厚度tl可被减小到低于0. 8mm，例 如为0. 4mm。从而，可实现散热件10的重量的进一步减小以及散热件10的导热性的提高。
另外，在所描述的本发明的实施例中，如图4A所示，在将顶板28和底板32钎焊接 合到一起之前，将底板32配合在顶板28的突出端部之间。然而，本发明并不局限于此构造。 底板32的至少一部分可被配合在顶板28的突出端部之间，从而将顶板28和底板32钎焊 接合到一起。更具体地，如图6所示，在底板32上形成凹槽，并且顶板28的各突出端部插 入该凹槽。这使得底板32的至少一部分可配合在顶板28的突出端部之间。然后，为了防 止热膨胀的顶板28在其宽度方向上向外延伸，利用夹具50在顶板28的外周固定顶板28， 然后进行钎焊。利用底板32的热膨胀，顶板28的内侧面28a和底板32的侧面32a接合到 一起。底板32的侧面32a被限定为相比于底板32的最外周面形成于内侧的表面。
尽管已经参照本发明的示例性实施例描述了本发明，但是应理解，本发明并不限 于所描述的实施例或构造。相反，本发明意图涵盖各种变型和等同布置。另外，尽管在各种 组合和构造中示出了示例性实施例的各种要素，但是包括更多、更少或仅单个要素的其他 组合和构造也在本发明的精神和范围内。
8
权利要求
一种钎焊散热件(10)的方法，所述散热件(10)包括与发热元件(14)热连接的顶板(28)；和接合到所述顶板(28)的底板(32)，其中在所述顶板(28)和所述底板(32)之间形成冷却剂的通路(30)；所述散热件将来自所述发热元件(14)的热消散到所述冷却剂；以及所述顶板(28)形成为当在截面中看时具有在同一方向上突出的相对端部的形状，所述方法的特征在于包括将所述底板(32)的至少一部分配合在所述顶板(28)的所述突出的相对端部之间；将夹具(50)固定到所述顶板(28)的外周，以便防止热膨胀的所述顶板(28)在所述顶板(28)的宽度方向上向外延伸；以及将所述顶板(28)的内侧面(28a)钎焊接合到面对所述顶板(28)的所述内侧面(28a)的所述底板(32)的侧面(32a)。
2. 根据权利要求l所述的钎焊散热件(10)的方法，其中，在所述散热件(10)的侧壁上形成流入口 (40)和流出口 (42)，所述冷却剂分别通过所述流入口 (40)和所述流出口 (42)流入和流出所述通路(30);以及当所述顶板(28)和所述底板(32)接合在一起时，将接头(44)分别钎焊接合到所述流入口 (40)和所述流出口 (42)。
3. 根据权利要求2所述的钎焊散热件(10)的方法，其中，用于所述冷却剂的所述流入口 (40)和所述流出口 (42)形成在每个所述突出的相对端部的中部处的所述顶板(28)的壁上。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的钎焊散热件(10)的方法，其中，所述底板(32)是平板。
5. 根据权利要求1至3中任一项所述的钎焊散热件(10)的方法，其中，所述顶板(28)的厚度与所述底板(32)的厚度之比在大约l : 3至ljl : 5之间。
6. 根据权利要求1至3中任一项所述的钎焊散热件(10)的方法，其中，所述底板(32)的所述侧面(32a)是所述底板(32)的外周面。
7. 根据权利要求1至3中任一项所述的钎焊散热件(10)的方法，其中所述底板(32)具有凹槽，以及所述底板(32)的所述侧面(32a)是所述凹槽的表面，所述凹槽的所述表面相比于所述底板(32)的外周面形成在内侧。
8. 根据权利要求1至3中任一项所述的钎焊散热件(10)的方法，其中，当进行所述钎焊时，所述顶板(28)的所述内侧面(28a)和面对所述顶板(28)的所述内侧面(28a)的所述底板(32)的所述侧面(32a)之间的间隙等于或小于O. lmm。
全文摘要
本发明涉及一种钎焊散热件的方法，该方法包括将底板(32)的至少一部分配合在顶板(28)的突出的相对端部之间；将夹具(50)固定到顶板(28)的外周，以便防止热膨胀的顶板(28)在顶板(28)的宽度方向上向外延伸；以及将顶板(28)的内侧面(28a)钎焊接合到面对该顶板(28)的该内侧面(28a)的所述底板(32)的侧面(32a)。
文档编号H01L21/48GK101794714SQ20101000477
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者中岛優, 大塚健司, 富田芳樹 申请人:丰田自动车株式会社