CN106505051B - 一种具有石墨烯的功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有石墨烯的功率器件，包括散热基板和布置在所述散热基板上的IGBT芯片，所述IGBT芯片通过导热绝缘胶固定于所述散热基板的凹槽内，并用散热树脂填充所述凹槽，其特征在于：所述散热基板包括散热陶瓷板，设置于散热陶瓷板上的石墨烯图案和碳化硅材料，所述石墨烯图案包括一系列的不连续的同心散热环、最外圈的石墨烯环和连接筋，所述连接筋垂直于所述同心散热环和所述石墨烯环，所述同心散热环和所述石墨烯环通过连接筋连接形成多个彼此电隔离的枝状结构，并且所述碳化硅材料包围所述石墨烯图案，所述IGBT芯片与所述多个枝状结构电连接以引出端子。

Description

一种具有石墨烯的功率器件
技术领域
本发明涉及半导体新材料的应用领域，具体涉及一种具有石墨烯散热结构的IGBT功率器件。
背景技术
电子产品、机械、电力、通信、化工等诸多领域，在产品的加工、生产的过程中，以及使用的过程中，都会产生数量不同的热量。而且，所产生的热量如果不能得到有效散发的话，则会对产品的加工及使 用，均有可能造成影响。
目前广泛使用有各种各样的散热材料。不同类型的散热材料，会具有不同的性能。比如说，金属材料的导热性能良好，特别是其中的一部分金属材料，如石墨烯、铝、银等，其导热性能尤其良好。比如，石墨烯质的散热器、铝质的散热器，都应用非常普遍。
下面列举一下常用的一些散热材料的热导率性能：
铝：237W/m·K；
石墨烯：401W/m·K；
银：420W/m·K；
金：318W/m·K。
因为价格因素，当前使用的绝大多数散热器，是采用石墨烯质材料或者铝制材料来制造的；但有一些特殊场所，也使用银质或金质材料，来用作散热材料。散热器的形状与结构、尺寸等，根据不同的应用场合互有不同。比如，各种CPU上使用的散热器，以及电路板上使用的散热器，大多是具有波浪形散热沟槽的散热器件。
而在本发明中，会应用到具有高散热性能的膜材料。
其中，利用碳成分所制作的高散热石墨膜，具有很高的散热能力，可以达到：1500～1750W/m·K。
而目前作为研究热点的石墨烯材料，则具有更加强大的散热能力，其热导率约为5000W/m·K；不仅如此，石墨烯还具有优良的导电性能，具有较小的电阻率。
如此高散热率的膜材料，为各种的产品中的散热器材，提供了新的选择。
现有的石墨烯为膜厚度为单原子，厚度极薄，在一定程度上影响 了其导热性能的发挥。
本发明希望为解决该问题提供一种方案。
发明内容
基于解决上述的问题，本发明提供了一种具有石墨烯的功率器件，包括散热基板和布置在所述散热基板上的IGBT芯片，所述IGBT芯片通过导热绝缘胶固定于所述散热基板的凹槽内，并用散热树脂填充所述凹槽，所述散热基板包括散热陶瓷板，设置于散热陶瓷板上的石墨烯图案和碳化硅材料，所述石墨烯图案包括一系列的不连续的同心散热环、最外圈的石墨烯环和连接筋，所述连接筋垂直于所述同心散热环和所述石墨烯环，所述同心散热环和所述石墨烯环通过连接筋连接形成多个彼此电隔离的枝状结构，并且所述碳化硅材料包围所述石墨烯图案，所述IGBT芯片与所述多个枝状结构电连接以引出端子。
根据本发明的实施例，所述凹槽底面和侧面的部分均设有石墨烯图案，所述底面和侧面的石墨烯图案连接为一个整体构成凹形槽。
根据本发明的实施例，所述石墨烯图案呈中心和轴对称图形。
根据本发明的实施例，所述同心散热环的每一个被平均分为八个环弧。
根据本发明的实施例，连接筋的厚度小于或等于所述同心散热环的厚度。
根据本发明的实施例，所述同心散热环呈发散状，并且从内至外的密度逐渐减小，即中间的环较密，边缘的较疏。
根据本发明的实施例，所述碳化硅材料的厚度大于或等于所述石墨烯图案的厚度。
根据本发明的实施例，所述散热树脂里面均匀分布有碳化硅纳米颗粒。
根据本发明的实施例，所述石墨烯环的外侧可以进行电连接。
本发明还提供了另一种具有石墨烯的功率器件，包括散热基板和布置在所述散热基板上的IGBT芯片，所述IGBT芯片通过导热绝缘胶固定于所述散热基板上，并用散热树脂封装所述IGBT芯片，所述散热基板包括散热陶瓷板，设置于散热陶瓷板上的石墨烯图案和碳化硅材料，所述石墨烯图案包括最内的石墨烯柱、中间的一系列的不连续的同心散热环、最外圈的石墨烯环和连接筋，所述连接筋垂直于所述石墨烯柱、所述同心散热环和所述石墨环，所述石墨烯柱、所述同心散热环和所述石墨烯环通过连接筋连接成一体结构，并且所述碳化硅材料包围所述石墨烯图案。
本发明的优点如下：
（1）利用石墨烯枝状结构的散热图案不仅保证了纵向的散热效果，也提高了横向的散热效果；
（2）利用散热树脂中散布碳化硅纳米颗粒进行上面的散热，保证散热的充分；
（3）利用陶瓷板上的石墨烯图案和碳化硅进行整体散热，提高散热效率；
（4）利用石墨烯分离的枝状结构进行电连接，进一步加大散热速率。
附图说明
图1为本发明一实施例的具有石墨烯的功率器件的剖视图；
图2为图1沿A1-A2线的剖面的俯视图；
图3为本发明另一实施例的具有石墨烯的功率器件的剖视图。
具体实施方式
参见图1-2，本发明首先提供了一种具有石墨烯的功率器件，包括散热基板和布置在所述散热基板上的IGBT芯片4，所述IGBT芯片4通过导热绝缘胶5固定于所述散热基板的凹槽内，所述凹槽呈圆柱状，且其深度方向为厚度方向，其直径方向为宽度方向，所述导热绝缘胶可以是硅胶，并用散热树脂6填充所述凹槽，所述散热基板包括散热陶瓷板1，设置于散热陶瓷板1上的石墨烯图案2和碳化硅材料3，所述石墨烯图案2包括一系列的不连续的同心散热环9、最外圈的石墨烯环7和连接筋8，所述连接筋8垂直于所述同心散热环9和所述石墨烯环7，所述同心散热环9和所述石墨烯环7通过筋8连接成一体结构，并形成彼此电隔离的枝状结构，并且所述碳化硅材料3包围所述石墨烯图案2，所述IGBT芯片4通过导线10与所述枝状结构中的一些进行电连接，所述枝状结构作为其外连端子。其中，所述凹槽底面和侧面的部分均设有石墨烯图案，所述底面和侧面的石墨烯图案连接为一个整体构成凹形槽，连接筋8的厚度小于或等于所述同心散热环9的厚度，最外圈的石墨烯环7的厚度大于或等于所述同心散热环9的厚度。
参见图2，所述石墨烯图案2呈中心和轴对称图形，所述同心散热环9的每一个被平均分为八个环弧。所述同心散热环9呈发散状，并且从内至外的密度逐渐减小，即中间的环较密，边缘的较疏。所述碳化硅材料3的厚度大于或等于所述石墨烯图案2的厚度，当等于石墨烯图案2的厚度时，石墨烯环7和同心散热环9的上端露出（未示出），露出部分可以作为连接端子与其他功能芯片电连接。所述散热树脂6里面均匀分布有碳化硅纳米颗粒。所述石墨烯环7的外侧可以进一步电连接电源、功能模块等。
图3示出了本发明的另一实施例，包括散热基板和布置在所述散热基板上的IGBT芯片4，所述IGBT芯片4通过导热绝缘胶5固定于所述散热基板上，并用散热树脂6封装所述半导体发光元件，其特征在于：所述散热基板包括散热陶瓷板1，设置于散热陶瓷板1上的石墨烯图案2和碳化硅材料3，所述石墨烯散热图案2包括最内的石墨烯柱、中间的一系列的不连续的同心散热环9、最外圈的石墨烯环7和连接石墨烯筋8，所述连接石墨烯筋垂8直于所述石墨烯柱、所述同心散热环9和所述石墨烯环7，所述石墨烯柱、所述同心散热环9和所述石墨烯环7通过石墨烯筋8连接成一体结构，并且所述碳化硅材料3包围所述石墨烯散热图案2。其中，石墨烯筋8的厚度小于或等于所述同心散热环9的厚度。所述石墨烯散热图案2呈中心和轴对称图形，所述同心散热环9的每一个被平均分为八个环弧。所述同心散热环9呈发散状，并且从内至外的密度逐渐减小，即中间的环较密，边缘的较疏。所述碳化硅材料3的厚度大于或等于所述石墨烯散热图案2的厚度。所述荧光胶脂6里面均匀分布有碳化硅纳米颗粒。所述石墨烯环7的外侧可以进一步进一步电连接电源、功能模块等。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种具有石墨烯的功率器件，包括散热基板和布置在所述散热基板上的IGBT芯片，所述IGBT芯片通过导热绝缘胶固定于所述散热基板的凹槽内，并用散热树脂填充所述凹槽，其特征在于：所述散热基板包括散热陶瓷板，设置于散热陶瓷板上的石墨烯图案和碳化硅材料，所述石墨烯图案包括一系列的不连续的同心散热环、最外圈的石墨烯环和连接筋，所述连接筋垂直于所述同心散热环和所述石墨烯环，所述同心散热环和所述石墨烯环通过连接筋连接形成多个彼此电隔离的枝状结构，并且所述碳化硅材料包围所述石墨烯图案，所述IGBT芯片与所述多个枝状结构电连接以引出端子。
2.根据权利要求1所述的具有石墨烯的功率器件，其特征在于：所述凹槽底面和侧面的部分均设有石墨烯图案，所述底面和侧面的石墨烯图案连接为一个整体构成凹形槽。
3.根据权利要求1所述的具有石墨烯的功率器件，其特征在于：所述石墨烯图案呈中心和轴对称图形。
4.根据权利要求3所述的具有石墨烯的功率器件，其特征在于：所述同心散热环的每一个被平均分为八个环弧。
5.根据权利要求1所述的具有石墨烯的功率器件，其特征在于：连接筋的厚度小于或等于所述同心散热环的厚度。
6.根据权利要求1所述的具有石墨烯的功率器件，其特征在于：所述同心散热环呈发散状，并且从内至外的密度逐渐减小，即中间的环较密，边缘的较疏。
7.根据权利要求1所述的具有石墨烯的功率器件，其特征在于：所述碳化硅材料的厚度大于或等于所述石墨烯图案的厚度。
8.根据权利要求1所述的具有石墨烯的功率器件，其特征在于：所述散热树脂里面均匀分布有碳化硅纳米颗粒。
9.根据权利要求1所述的具有石墨烯的功率器件，其特征在于：所述石墨烯环的外侧进行外部电连接。
10.一种具有石墨烯的功率器件，包括散热基板和布置在所述散热基板上的IGBT芯片，所述IGBT芯片通过导热绝缘胶固定于所述散热基板上，并用散热树脂封装所述IGBT芯片，其特征在于：所述散热基板包括散热陶瓷板，设置于散热陶瓷板上的石墨烯图案和碳化硅材料，所述石墨烯图案包括最内的石墨烯柱、中间的一系列的不连续的同心散热环、最外圈的石墨烯环和连接筋，所述连接筋垂直于所述石墨烯柱、所述同心散热环和所述石墨烯环，所述石墨烯柱、所述同心散热环和所述石墨烯环通过连接筋连接成一体结构，并且所述碳化硅材料包围所述石墨烯图案。
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