[发明专利]一种高热流密度散热片式散热器的制造方法及其散热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种散热器的加工制作方法及产品，尤其是指一种用于功率半导体器件散热的散热片式散热器的制作方法及其散热器，主要用于200A以上大功率晶闸管、25A以上晶闸管及整流模块、50A以上大功率IGBT。

背景技术

大功率半导体器件在运行过程中会产生大量的热，为了不至于烧坏功率器件，现在都必须通过散热器来帮助其散热；其中，散热片式散热器是一种常用的散热器，散热片式散热器主要承载功率器件的传热和散热功能。

目前的散热片式散热器基本都是由两个单元结合，散热片和基板，散热片主要起散热功能，基板起传热功能。一般散热片式散热器在加工制作时，都是先分别制作好基板和散热片，再将散热片插入到基板上，然后通过焊接将散热片与基板焊接起来，组成散热片式散热器，这种散热器具有散热功率较大，性能稳定可靠的特点，因此得到广泛应用。然而，随着功率器件的功率密度越来越大，散热器的热流密度也越来越高，要求的散热器的散热能力越来越强。为提高单位体积的散热能力，只有通过提高散热面积和材料的热导率来实现。现有提高散热器面积的主要方法主要是采用多孔散热片或波纹片提高散热面积，但除存在流阻大、进风口先后的功率器件散热器温度差大等缺陷外，还存在如下两个缺陷：一随着散热片高度的增高，散热片的效率低；二散热器无法用整体型材成型，只能采用嵌片或镶齿的工艺；但如果为了增加散热面积，将散热片间距的减少，嵌片和镶齿工艺实现困难将增加，导致质量不稳定，因此现有的型材、嵌（镶）片散热器的散热片的最小间距2.5mm以上，散热能力有限，当功率密度更大时，只有采用其它方式的散热器。提高散热器面积的方法还有在功率器件下面增加热管，利用热管将功率器件的热量传导到底板的其它部位，通过降低热流密度降低温升。而为了提高材料热导率目前主要采用两种做法：

1、一种方法是在散热器的基板中增加多根热管，通过热管促进基板传热效果，快速将基板内的热量带到散热片处，通过散热片将热散出。该种方法主要存在以下一些不足：

1）因为功率器件和散热器基板的结合面要求平面度和粗糙度要求高，热管填充入基板后，必须进行加工才能保证平面度和粗糙度。这就要求：一、热管和基板压平后要求热管整体的平面度必需小；二、在加工基板和热管的平面时，必须严格控制加工量。如果控制不好会出现热管的壁厚薄，热管的泄漏率增高，影响热管的寿命，严重时直接将热管壁加工穿透，导致热管内部真空破坏而失效。因为上述原因导致热管散热器的加工过程中不合格率升高，质量成本高；热管壁厚变薄后，厚度和真空泄漏率很难检测，导致部分热管散热器因为该种原因寿命降低而又很难通过检测的方法挑选，导致质量风险高。

2）目前的热管外壳材料多为T2紫铜，而基板材料多为铝合金，通常采用低温锡钎焊或胶结填充热管和基板成形之后的缝隙。低温锡铅焊的缺点为：一、在焊前必须对散热器进行整体的镀镍或镀铜等表面处理，焊接和表面处理导致成本高。二、锡焊很难保证热管和铝合金基板平面填充饱满，会出现局部空隙，而因热管在功率器件下方，热流密度大，空隙会导致功率器件出现局部温升高，而导致器件损耗。采用胶结的方案填充热管和基板之间的缝隙缺点为：一、功率器件散热器通常寿命要求在20年以上或更高，而胶的寿命通常在5~10年左右，很难保证散热器的寿命要求。二、胶的热导率低，通常低于1W·m-1·K-1，采用胶填充会增加散热器的热阻，降低散热器的性能。

3）采用该种热管散热器并不能提高单位体积的散热器散热能力，只是将功率器件的热量导出，热管散热器的体积会增加，会使电力电子装置的体积增加，从而导致成本增加。

2、另一种方法是基板部分采用铜底板，以提高基板的热导率，降低散热器的温升。该种方法也存在一些不足。

1）紫铜的热导率虽然会比铝合金高，但因为在功率器件散热器中基板的传导热阻占整个散热器的比例低，通过采用铜底板来降低传导热阻的能力有限。主要是通过铜底板扩展器件周边的散热能力，但因为铜的传导系数能达到380~400W·m-1·K-1之间，但相比热管等材料来说，会低很多，因此采用部分铜底板的方案对散热器的性能提高有限。