散热元件及IGBT模组的制作方法

本公开涉及功率模块领域，具体地，涉及一种散热元件及IGBT模组。

背景技术：

目前用于大功率IGBT模块封装底板主要为Cu(铜)底板及AlSiC(铝硅碳)底板。相比Cu底板，AlSiC底板的线膨胀系数与陶瓷线路基板及芯片的热匹配更为优异，热应力更小，且AlSiC比强度高，可使模块封装性能更为稳定，提高使用寿命。然而，目前所制备的高导热AlSiC热导率为200W/(m·K)，与铜热导率380W/(m·K)相比有一定差距，且AlSiC底板的散热Pin针为Al(铝)材质，导热仅150W/(m·K)更加限制了与冷却液接触散热的效率。同时，现有AlSiC散热底板生产过程中Al Pin针通过模具直接铸造成形，Pin针脱模时模具所受摩擦力大，容易损坏，模具成本较高。

技术实现要素：

本公开的目的是提供一种散热元件，该散热元件导热性好且其线膨胀系数与陶瓷线路基板及芯片的匹配性高。

为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种散热元件，该散热元件包括散热底板和覆铜陶瓷基板；所述散热底板包括铝碳化硅板和散热柱，所述铝碳化硅板具有相对设置的第一主表面和第二主表面，所述散热柱焊接于所述第一主表面；所述散热柱为含铜散热柱；所述覆铜陶瓷基板贴合地焊接于所述第二主表面。

可选地，所述散热柱为金属铜散热柱或铜合金散热柱。

可选地，所述散热柱形成为圆柱体或圆台体，所述散热柱的轴向与所述底板基体的第一主表面垂直，且所述散热柱的一端与所述第一主表面焊接、另一端为自由端。

可选地，所述散热柱的直径为1～6mm、轴向高度为3～10mm，所述散热柱的拔模角为0°～5°。

可选地，该散热底板包括多个所述散热柱，多个所述散热柱平行间隔地焊接于所述第一主表面。

可选地，相邻两个所述散热柱的距离为2.5～15mm。

可选地，所述散热底板包括设置于所述散热柱与所述第一主表面之间的焊料层。

可选地，所述焊料层包括铅基焊料层和/或无铅焊料层。

可选地，所述覆铜陶瓷基板包括陶瓷绝缘板，所述陶瓷绝缘板具有相对设置的第一表面和第二表面，所述陶瓷绝缘板的第一表面和第二表面分别设有厚度不同的第一铜层和第二铜层，所述第一铜层贴合地焊接于所述第二主表面。

本公开第二方面提供一种IGBT模组，该IGBT模组包括IGBT电路板和本公开第一方面所述的散热元件。

通过上述技术方案，本公开的散热元件包括由铝碳化硅板和含铜散热柱焊接形成的散热底板，使得散热底板具有与陶瓷线路基板更匹配的线膨胀系数，能够提高模块封装性能稳定性，延长使用寿命；散热底板中具有的高热导率的含铜散热柱进一步提升了散热性能；此外，本公开的散热元件采用覆铜陶瓷基板DBC，比传统的DBA载流能力更好，与铝碳化硅板和含铜散热柱的散热匹配也更好。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开的散热元件的一种具体实施方式的结构分解示意图。

图2是本公开的散热元件的另一种具体实施方式的结构示意图。

附图标记说明

1 铝碳化硅板 3 焊料层

4 散热柱 51 第一金属镍层

6 DBC焊料层 7 覆铜陶瓷基板

71 第二铜层 72 第一铜层

73 陶瓷绝缘板

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指装置在正常使用状态下的上和下。“内、外”是针对装置本身的轮廓而言的。

如图1和图2所示，本公开第一方面提供一种散热元件，该散热元件包括散热底板和覆铜陶瓷基板7；散热底板包括铝碳化硅板1和散热柱4，铝碳化硅板1具有相对设置的第一主表面和第二主表面，散热柱4焊接于第一主表面；散热柱4为含铜散热柱；覆铜陶瓷基板7贴合地焊接于第二主表面。

本公开的散热底板包括铝碳化硅板和焊接于所述铝碳化硅板上的含铜散热柱，使得散热底板具有与陶瓷线路基板更匹配的线膨胀系数，能够提高模块封装性能稳定性，延长使用寿命；散热底板中具有的高热导率的含铜散热柱进一步提升了散热性能。

根据本公开，含铜散热柱的含义为本领域技术人员所熟知的，即散热柱的材料中含有金属铜，散热柱中还可以还有无机非金属材料和/或金属材料，例如可以含有金属锌、锰、铝、锡、铅、硅和银中的一种或几种，进一步地，为了提高散热柱的散热效果，散热柱可以为金属铜散热柱或铜合金散热柱，例如为黄铜散热柱、紫铜散热柱、青铜散热柱和白铜散热柱中的至少一种。散热柱中铜的含量可以在较大范围内变化，例如金属铜的重量含量可以为60～100％，优选为90～100％。

根据本公开，散热柱的形状没有特别要求，例如可以为一端焊接于铝碳化硅板、另一端为自由端的柱状体，在本公开的一种具体实施方式中，散热柱可以形成为圆柱体或圆台体，散热柱的轴向可以与铝碳化硅板的第一主表面垂直，以便于焊接操作和提高散热效果，圆柱体或圆台体的其中一个底面可以与铝碳化硅板焊接连接，与之相对的另一端可以为自由端，其中在圆台体散热柱的实施方式中，圆台体散热柱的大端可以与铝碳化硅板焊接连接，小端可以为自由端，以便于拔模并进一步提高散热效果。进一步地，散热柱的直径可以为1～6mm，优选为2.5～4.5mm；轴向高度可以为3～10mm，优选为5～8mm；散热柱的拔模角可以为0°～5°，优选为0°～2°。在本公开的其他实施方式中，散热柱可以为棱柱体如三棱柱、四棱柱和五棱柱中的至少一种。

根据本公开，散热底板中散热柱的个数不限，可以为一个或多个，进一步地，为了提高散热效果，散热底板可以包括多个散热柱，多个散热柱可以平行间隔地焊接于铝碳化硅板上。散热柱的个数和分布形式没有特别限制，可以根据散热面积和产品重量要求进行选择，例如，散热柱的个数可以为150～1500个，优选为300～1100个；多个散热柱中，相邻两个散热柱的距离可以为2.5～15mm，优选为3.5～10mm，其中相邻两个散热柱的距离是指柱心间距，即相邻两个散热柱底面中心的间距。多个散热柱的形状可以相同或不同，优选相同以便制备。

据本公开，铝碳化硅板(AlSiC板)可以本领域技术人员所熟知的，即铝与碳化硅复合形成的复合材料。

根据本公开，为了提高散热柱与铝碳化硅板之间的焊接强度，在本公开的一种具体实施方式中，散热底板可以包括设置于散热柱与第一主表面之间的焊料层。焊料层的厚度可以在较大范围内变化，例如为20～150μm。焊料层可以含有焊料，焊料种类可以为本领域常规的，优选地，焊料可以包括铅基焊料和/或无铅焊料，优选为无铅焊料以利于环保；铅基焊料可以包括PbSn和/或PbSnAg，无铅焊料可以包括SnAg、SnSb、SnAgCu、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Bi-Cu、Sn-Ag-Bi-Cu-Ge和Sn-Cu-Ni中的至少一种。

根据本公开，为了保护散热底板、防止腐蚀，本公开中至少部分铝碳化硅板的表面可以覆盖有保护层，优选地，铝碳化硅板的表面可以包括位于第一主表面的散热柱焊接区和焊接区以外的非散热柱焊接区，至少非散热柱焊接区上可以包覆有保护层，散热柱焊接区上可以包覆或不包覆有保护层；其中，在散热柱焊接区上包覆有保护层的情况下，如图2所示，散热柱4可以焊接于散热柱焊接区的保护层上；在散热柱焊接区不包覆有保护层的情况下，散热柱直接焊接于第一主表面上。其中，保护层可以为第一金属镍层51，第一金属镍层可以为镀镍层。

进一步地，第一金属镍层的厚度可以为4～20μm，优选为5～15μm。具有上述优选的厚度范围的保护层既能够对铝碳化硅板有效保护防腐，又具有适宜的机械性能和焊接性能。

进一步地，为了保护散热柱、防止腐蚀，在本公开的一种具体实施方式中，散热柱的表面可以包括焊接面和焊接面以外的非焊接面，至少非焊接面上可以包覆有第二金属镍层；焊接面上可以包覆或不包覆有第二金属镍层，在焊接面上包覆有第二金属镍层的情况下，散热柱焊接区与散热柱的焊接面之间还可以具有第二金属镍层，在焊接面不包覆有第二金属镍层的情况下，散热柱焊接区可以直接与焊接面焊接连接。换言之，第二金属镍层可以包裹散热柱的所有表面，此时散热柱与散热柱焊接区之间具有第二金属镍层；另一种情况下，散热柱的表面除焊接面以外的非焊接面覆盖有第二金属镍层，散热柱的焊接面裸露，焊接后该裸露的焊接面直接与散热柱焊接区焊接，在本公开的散热底板具有焊料层的实施方式中，该裸露的焊接面可以直接与焊料接触并焊接，由于含铜材料与焊料的润湿性更好，焊接结合更好，能够进一步提高散热柱与铝碳化硅板的结合力。其中，散热柱的焊接面是指散热柱与铝碳化硅板焊接时焊接接触的表面。

其中，第二金属镍层的厚度可以为2～20μm，优选为5～15μm。具有上述优选的厚度范围的第二金属镍层既能够对散热柱有效保护防腐，又具有适宜的机械性能和焊接性能。

在本公开的另一种具体实施方式中，散热底板还可以包括第三金属镍层，第三金属镍层可以包裹散热底板的所有表面。此时散热柱可以覆盖或不覆盖有第二金属镍层，优选散热柱不覆盖有第二金属镍层，这种实施方式中，铝碳化硅板焊接散热柱之后的整个散热底板包覆有第三金属镍层，更便于镀镍操作。

其中，第三金属镍层的厚度可以为2～20μm，优选为5～15μm。具有上述优选的厚度范围的第三金属镍层既能够对整个散热底板有效保护防腐，又不影响散热底板的整体性能。

根据本公开，覆铜陶瓷基板的含义为本领域技术人员所熟知的，即使用DBC(Direct Bond Copper)技术将铜箔直接烧结在陶瓷表面而制成的一种电子基础材料。DBC比传统的DBA载流能力更好，与铝碳化硅板和含铜散热柱的散热匹配也更好，且DBC蚀刻线路比一体成型DBA更加精确；传统的一体成型DBA受热冲击可能造成陶瓷绝缘板损伤，影响性能，而本公开的散热元件采用DBC可以避免陶瓷绝缘板损伤，提高了元件的稳定性。

进一步地，覆铜陶瓷基板可以包括陶瓷绝缘板，陶瓷绝缘板可以具有相对设置的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面上可以分别设有第一铜层和第二铜层，该第一铜层可以焊接于铝碳化硅板的第二主表面。

根据本公开，第一铜层和第二铜层的厚度可以在较大范围内变化，第一铜层和第二铜层的厚度可以相等或不等，优选不等，优选地，第一铜层和第二铜层的厚度之比可以为(0.3～1.2)：1，优选为(0.5～0.9)：1，第二铜层的厚度可以为0.1～0.5mm。

根据本公开，陶瓷绝缘板可以为本领域常规种类，优选为氧化铝板、氮化铝板和氮化硅板中的至少一种。

本公开的散热元件可以通过包括如下步骤的方法制备：

1、气压铸渗成形AlSiC板：采用气压浸渗仓体设备，将SiC基体装模预热至500～700℃，依次经浇铝、抽真空(去除气体，防止产品产生气孔)、充入氮气加压(4～10MPa，促进铝液均匀填充模具)和冷却后得到AlSiC板；

2、将AlSiC板表面镀镍；

3、散热柱表面清洗：采用金属铜散热柱，经洗油粉溶液超声清洗，再清水超声清洗，烘干；

4、焊接：将装入铜散热柱的导向板、焊料、AlSiC板(第一主表面朝向焊料)依次装叠，最后盖上压块，放入惰性气氛下的焊接炉，预热至150～270℃，在270～450℃下焊接。

5、将覆铜陶瓷基板(Al2O3DBC)焊接于散热底板的第二主表面，得到散热元件。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。