散热装置及功率模块 【技术领域】
本发明涉及散热装置及功率模块。
背景技术
将说明根据相关技术的功率模块。图6中所示的功率模块500包括接合到绝缘基板14的一面侧的半导体元件12，以及接合到绝缘基板14的另一面侧的散热装置116。根据直接键合铝(DBA)法、直接键合铜法(DBC)等，绝缘基板14的一面或两面上形成有电路。散热装置116包括散热器120和散热板118。散热板118在必要时设置。散热装置116从散热器120放散经由绝缘基板14传递的来自半导体元件12的热。散热器120包括散热片126。
在上述功率模块500中，为了将线膨胀系数通常会不同的绝缘基板14和散热装置116(散热板118)彼此接合，采用在诸如600℃的高温下对所述部件进行钎焊并将其冷却的方法。在这种情况下，绝缘基板14和散热装置116在被钎焊后返回至室温时收缩。绝缘基板14和散热装置116的收缩程度根据两部件的线膨胀系数的不同而不同。即，具有相对大的线膨胀系数(在诸如铝、铝合金、铜、黄铜等具有高导热性的材料的示例(铝)中约为23×10-6/K)的散热装置116比具有相对小的线膨胀系数(在陶瓷绝缘材料的示例(氮化铝)中约为4.5×10-6/K)的绝缘基板14收缩得更多。因此，当绝缘基板14和散热装置116根据诸如冷却冰融化等已知的冷却方法被冷却至室温(例如，25℃)时，如图7所示，包括平面部件122和124的散热器120和散热装置116会发生变形。当散热器120和散热装置116进一步变形时，会导致绝缘基板14与散热装置116之间的接合强度下降，以及功率模块的耐久性恶化。
例如，如日本专利申请特开2008-124187(JP-A-2008-124187)号、日本专利申请特开2006-294699(JP-A-2006-294699)号、日本专利申请特开2006-202884(JP-A-2006-202884)号和日本专利申请特开2006-310486(JP-A-2006-310486)号所公开的，存在用于防止或者抑制绝缘基板和散热装置和/或散热板之间的翘曲程度的多种方法。
JP-A-2008-124187和JP-A-2006-294699公开了一种其上形成有通孔的板材，该板材被夹持于绝缘基板和散热片之间，并被接合到绝缘基板和散热片，以缓和应力。
JP-A-2006-202884公开了预先使散热板向绝缘基板侧凹曲以抑制其在被接合到绝缘基板后发生翘曲。
JP-A-2006-310486公开了一种功率模块，其包括仅在绝缘基板一侧被接合而在与绝缘基板相反的一侧未被接合的波纹翅片。
【发明内容】
本发明提供了一种散热装置及功率模块，其在保持散热性能的同时缓和热应力以防止或抑制散热装置的变形。
根据本发明第一方面的构造如下。
(1)根据本发明第一方面的散热装置设置于绝缘基板的一面侧，所述绝缘基板的另一面侧配设有半导体元件。所述散热装置包括：第一平面部件，所述第一平面部件包括接合到所述绝缘基板的绝缘基板侧接合面和位于所述第一平面部件的与所述绝缘基板侧接合面相反的一侧的第一接合面；第二平面部件，所述第二平面部件包括面对所述第一接合面的第二接合面；以及散热片，所述散热片是波纹状的，且配置在所述第一平面部件和所述第二平面部件之间，其中，所述散热片的顶部接合到所述第一接合面，且所述散热片包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有的振幅方向高度等于所述第一平面部件和所述第二平面部件之间的距离，且所述第一部分包括接合到所述第二接合面的接合顶部，所述第二部分具有比所述第一平面部件和所述第二平面部件之间的距离小的振幅方向高度，且包括与所述第二接合面隔开间隙的非接合顶部。
(2)在上述本发明第一方面中，所述第二平面部件可具有用以固定发热元件的发热元件固定面，所述发热元件固定面位于所述第二平面部件的与所述第二接合面相反的一侧。
(3)此外，所述发热元件可以是电抗器或DC/DC转换器。
(4)根据本发明第二方面的功率模块包括：绝缘基板；半导体元件，所述半导体元件设置于所述绝缘基板的一面；第一平面部件，所述第一平面部件配置于所述绝缘基板的与所述半导体元件相反的面侧，并且包括接合到所述绝缘基板的绝缘基板侧接合面和位于所述第一平面部件的与所述绝缘基板侧接合面相反的一侧的第一接合面；第二平面部件，所述第二平面部件包括面对所述第一接合面的第二接合面；以及散热片，所述散热片是波纹状的，且配置在所述第一平面部件和所述第二平面部件之间，其中，所述散热片的顶部接合到所述第一接合面，且所述散热片包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有地振幅方向高度等于所述第一平面部件和所述第二平面部件之间的距离，且所述第一部分包括接合到所述第二接合面的接合顶部，所述第二部分具有比所述第一平面部件和所述第二平面部件之间的距离小的振幅方向高度，并且包括与所述第二接合面隔开一间隙的非接合顶部。
(5)在上述本发明第二方面中，所述功率模块可以还包括发热元件，所述发热元件固定于所述第二平面部件的与所述第二接合面相反的面。
(6)此外，可以在所述第二平面部件和所述发热元件之间涂布导热脂。
(7)此外，所述发热元件可以是电抗器或DC/DC转换器。
(8)在根据上述本发明第二方面的功率模块中，所述散热片的与所述第一平面部件的与所述绝缘基板接合到所述第一平面部件的一侧相反的一侧相接合的部分包括所述接合顶部和所述非接合顶部；并且所述散热片的与所述第一平面部件的与所述绝缘基板未接合到所述第一平面部件的一侧相反的一侧相接合的部分仅包括所述接合顶部。
根据本发明的上述方面，能够在保持散热性能的同时，防止或抑制散热装置变形。
【附图说明】
在以下参照附图对本发明示例性实施例的详细说明中将说明本发明的特征、优点和技术及工业重要性，其中相同的标号表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明第一实施例的功率模块的概略结构的断面图；
图2是示出图1中的部分A的放大视图；
图3是自图2中所示的顶板22侧看去的散热片26的顶视图；
图4是示出根据本发明第二实施例的功率模块的概略结构的断面图；
图5是示出根据本发明第三实施例的功率模块的概略结构的断面图；
图6是举例说明根据相关技术的功率模块的概略结构的断面图；
图7是举例说明在图6所示功率模块中散热装置如何变形的截面图；
图8是举例说明在图7所示散热器的底板侧设置有发热元件的功率模块的概略结构的断面图。
【具体实施方式】
以下利用附图说明本发明的实施例。在各附图中，相同的部件用相同的参考标记表示，并且不再重复说明。
图1是示出根据本发明一个实施例的功率模块的概略结构的断面图。图1中所示的功率模块100与图6中所示的功率模块500基本上相同，不同之处在于功率模块100配设有散热装置16取代了散热装置116。散热装置16包括散热器20，如果必要的话，还可以包括在构造上与图6中所示的散热板118基本上相同的散热板18。
图2是示出图1中的区域A的放大视图，特别地进一步说明了图1中所示的散热装置16的结构。在图2中，散热器20包括位于散热片26的两相反侧的彼此大致平行的顶板22(也称为第一平面部件)和底板24(也称为第二平面部件)。顶板22和底板24是相比之下在构造上基本相同的平板部件。
在图2中，顶板22包括与绝缘基板14侧的部件(在本发明的此实施例中为散热板18)接合的绝缘基板侧接合面22a，以及与散热片26接合的散热片接合面(也称为第一散热片接合面)22b。另一方面，底板24包括至少部分地与散热片26接合的散热片接合面(也称为第二散热片接合面)24b。
另外，散热片26是由板材形成的且成形为期望的波纹形状的所谓的波纹翅片，并且包括与顶板22的第一散热片接合面22b接合的顶板侧顶部23、与底板24的第二散热片接合面24b接合的底板侧接合顶部25a和25b以及与第二散热片接合面24b间隔开的底板侧非接合顶部27a和27b。
图3是从图2中所示的顶板22侧看去，本发明实施例的散热片26的顶视图。为了提高散热性能，图3中所示的散热片26可采用具有波纹部分28a、28b、28c和28d以及间隙10的所谓的错列翅片配置。在此配置中，各对波纹部分28a和28b、波纹部分28b和28c以及波纹部分28c和28d隔着间隙10中的相应的一个相互邻接，且彼此相位不同。间隙10具有例如约0.3mm到3.0mm的宽度。此外，为了提高作业性和最终产品的成形精度，分别隔着间隙10彼此相邻配置的波纹部分28a、28b、28c和28d可以通过至少将波纹部分28a、28b、28c和28d的在一侧的端部29或者波纹部分28a、28b、28c和28d的在两侧的某些端部连接在一起而一体地成形。应指出，图3中所示的散热片26仅仅是示例性的而非限制性的。即间隙10可以根据需要而配置。此外，波纹部分28a、28b、28c和28d可以彼此相位相同。波纹部分28a、28b、28c和28d还可以分别形成并适当地配置。
如图2所示，如上所述构造的散热片26包括底板侧接合顶部25a和25b。散热片26的与底板24接合的这些部分26a和26d(第一部分)具有的振幅方向高度(h1)与顶板22和底板24之间的距离基本上相等。根据诸如钎焊等方法将顶板22和底板24接合到散热片26的靠接顶部。然而，散热片26的未与底板24接合的部分26b和26c(第二部分)具有比顶板22和底板24之间的距离小的振幅方向高度(h2)。部分26b和26c面对第二散热片接合面24b，并与第二散热片接合面24b隔开预定的距离d。
在如上所述构造的散热器20中，散热片26的第二部分26b和26c不与底板24接合。因此，由于构成绝缘基板14和散热装置16的各部件之间的线膨胀系数的不同而产生的热应力不太可能被传递至底板24。结果，抑制了包括底板24的翘曲等在内的散热装置16的变形。另一方面，散热片26的第一部分26a和26d与底板24接合。因此，也能够确保散热性能。
在本发明的此实施例中，图2中所示的散热片26的其中底板侧顶部与底板24接合的第一部分以及散热片26的其中底板侧顶部不与底板24接合的第二部分并非绝对要求与在图1和图2中所示的散热器20的情况具有相同的比率或顺序。例如，可以根据各种条件，例如图1中所示的半导体元件12的发热特性、绝缘基板14和散热装置16之间的线膨胀系数的差异程度以及散热器20的物理强度等，来适当地设定第一部分和第二部分的比率和顺序。然而，为了均匀地防止或抑制散热装置16变形，优选地至少第一部分(图2中的部分26a和26d)被等间距地配置。
在本发明的此实施例中，散热片26具有总体为U形或S形的波纹状横截面。然而，本发明不应当限于该横截面形状。例如，散热片26的横截面形状可以适当地设定为三角波形、正弦波形、矩形波形或类似的任何合适的波形。
此外，在本发明的此实施例中，图2中所示的距离d可以假定为任意值，而不特别限定，只要该值不允许散热片26与底板24接合就可以。然而，根据例如散热片26的成形精度和钎焊的接合精度等，距离d可以被设定为例如约0.2mm至1mm。如果距离d超过了1mm，则根据底板24的组成和厚度，散热性能会变差。
图4是示出根据本发明第二实施例的功率模块的概略结构的断面图。图4中所示的功率模块200与图1中所示的功率模块100基本上相同，不同之处在于功率模块200包括位于底板24的外侧面24a上的发热元件30。发热元件30位于散热片接合面24b的相反侧。
如图7所示，在底板124变形的功率模块的情况下，当发热元件30进一步配置在底板124的外侧时，如图8所示，需要通过夹持在发热元件30和底板124之间的间隙内的导热脂132将发热元件30固定于底板124。在有些情况下，会发生发热元件30散热不充分。然而，在本发明的实施例中，如图4所示，在发热元件30和底板24之间几乎没有任何间隙。因此，可以通过涂布少量的导热脂32使发热元件30和底板24彼此紧密接触并彼此固定。结果，可以确保发热元件30的散热性能。根据本发明的实施例，与发热元件被配置于顶板22侧的情况相比，散热性能略有下降。然而，如果将例如电抗器、DC/DC转换器等作为发热元件30而配置，并涂布诸如硅脂等具有高导热性的材料作为导热脂32，则能够确保充分的散热性能，并且能够为功率模块的小型化和散热装置16的高效率化作出贡献。
图5是示出根据本发明第三实施例的功率模块的概略结构的断面图。图5中所示的功率模块300与图1中所示的功率模块100在构造上基本相同，不同之处在于其被构造为从多个半导体元件12a和12b散热。
在图5中所示的功率模块300中，在包括散热板18a和18b以及散热器50的散热装置46与绝缘基板14a和14b接合处的接合区域40a和40b中的散热片56的形状与散热装置46与绝缘基板14a和14b未接合处的非接合区域42中的散热片56的形状不同。即，在接合区域20a，与图2中所示的散热片26一样，散热片56具有散热片56与底板54接合的部分(56c和56f)以及散热片56不与底板54接合的部分(56a、56b、56d、56e和56g)。同样，在接合区域40b，散热片56具有与在接合区域40a中基本上相同的形状。另一方面，在非接合区域42，可能构成散热装置变形的一个因素的绝缘基板未与散热装置接合。因此，对于接合区域40a的一部分(56c和56f)，散热片56的所有顶部都与顶板52或底板54接合。根据本发明的此实施例，在与绝缘基板14a和14b接合的接合区域40a和40b，能够确保一定程度的散热性能，并能够防止或最小化散热装置的变形。在非接合区域42中采用具有高散热性能的构造。因此，能够在保持整个功率模块300的散热性能的同时，防止或抑制散热装置变形。
在图5中所示的本发明的实施例中，与图4中所示的构造一样，可以在底板54的与散热片56相反侧的外侧面54a上设置发热元件(未图示)。在这种情况下，发热元件(未图示)可以设置在接合区域40a和40b，或者设置在非接合区域42。此外，发热元件还可以被配置成跨过接合区域40a和40b中的至少一者和非接合区域42。根据本发明的此实施例，散热器50可以被有效利用。因此，能够为功率模块的小型化作出贡献。
本发明可以被用于诸如安装在混合动力车辆上的混合动力(HV)逆变器等各种功率模块。