CN106653712B - 单管igbt的散热结构及加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单管IGBT的散热结构及加工工艺，其结构包括基板、芯片、热沉、石墨烯散热层以及石墨烯基互连材料。其中采用化学气相沉积法制备的单层石墨烯薄膜作为芯片正面的散热层，通过发挥其优异的面内热传导性能，将单管IGBT器件的局部热点热量迅速横向传递到热沉；将氧化还原法或溶剂剥离法制备的少层石墨烯粉末填充到多模态银颗粒导电胶中，增强其导电导热性能，并将其作为芯片与基板、热沉与基板之间的互连材料，提高热量从芯片到基板的纵向传导能力；采用芯片倒装的互连方式缩短热传导路径，增强整体结构的散热性能，实现局部高热流密度热点的有效散热，从而降低单管IGBT器件的最高温度，提升器件使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种单管IGBT的散热结构及加工工艺。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作为能源变换与传输的核心器件，已经成为功率半导体器件的主流，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。随着现代电力电子技术的发展，单管IGBT的电流等级不断提高，PN结温度升高会使元件极易失效，因此IGBT的热管理问题极为重要。
传统的散热方式有风冷、热管等相变冷却和单相液体冷却等，各有优点，也各自存在一定的问题。如风冷时风机中的灰尘堆积不易清洗，噪音较大，运行安全性降低，体积及成本也会相应增加；相变冷却换热效率较高，但多用氟利昂或其他氟绝缘液体作为工质，对环境有一定影响，且结构较复杂，维修不方便；而单相液体冷却易于控制，所用工质环保性较强，但同样存在冷却剂受环境温度的影响以及换热器的结构设计等问题。
近年来以石墨烯为代表的二维材料，由于优异的物理化学性能，以及与半导体器件良好的匹配性，有希望直接作为封装材料对IGBT进行散热，这是一种基于新材料优异特性的热管理方案，对器件的散热附加装置要求不高，既有利于器件向体积小、重量轻的方向发展，又可以降低成本，节能环保，能够满足电力电子器件高速发展的需求。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种单管IGBT的散热结构及加工工艺，将石墨烯材料以散热薄膜形式应用于热流密度较高的IGBT芯片和快速恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)芯片正面，以填充增强导电导热胶的形式应用于芯片与基板、热沉与基板之间，并通过芯片倒装的互连方式，解决大功率单管IGBT的散热问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案。所述的单管IGBT的散热结构包括：
IGBT芯片，其上表面包括IGBT芯片发射极连接区和IGBT芯片栅极连接区，其下表面具有IGBT芯片集电极连接区；
与所述IGBT芯片发射极连接区接触的第一石墨烯薄膜散热层。
所述的单管IGBT散热结构还可包括：
快速恢复二极管芯片，其上表面包括快速恢复二极管芯片发射极连接区，下表面具有快速恢复二极管芯片集电极连接区；
与所述快速恢复二极管芯片发射极连接区接触的第二石墨烯薄膜散热层。
所述的单管IGBT散热结构还可包括：
基板，其上表面包括IGBT芯片和快速恢复二极管芯片的发射极引出端，IGBT芯片的集电极引出端和栅极引出端，快速恢复二极管芯片的集电极引出端；
所述IGBT芯片集电极引出端和IGBT芯片集电极连接区之间有第二金属线连接；
所述快速恢复二极管芯片集电极引出端和快速恢复二极管芯片集电极连接区之间有第一金属线连接；
金属或石墨热沉与所述第一石墨烯薄膜散热层和第二石墨烯薄膜散热层横向相连，所述热沉固定在IGBT芯片和快速恢复二极管芯片中间，热沉的纵向厚度小于IGBT芯片发射极连接区、快速恢复二极管芯片发射极连接区的厚度；
所述基板与第一石墨烯薄膜散热层、第二石墨烯薄膜散热层、热沉、IGBT芯片栅极连接区之间采用石墨烯填充增强的导电导热胶作为互连材料。
一种单管IGBT散热结构的加工工艺，包括以下步骤：
(1)在铜箔表面生长单层石墨烯，形成石墨烯/铜箔结构层，在石墨烯/铜箔结构层上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作为薄膜支撑层，得到PMMA/石墨烯/铜箔结构层体系；
(2)使用氢氧化钠溶液作为电解液，将直流电源负极连接到PMMA/石墨烯/铜箔结构层体系的铜箔上，同时将直流电源正极连接到铂电极上，将电流逐渐加大，待铜箔与PMMA和石墨烯分离，得到PMMA/石墨烯结构层；
(3)将PMMA/石墨烯结构层转移到IGBT芯片发射极及快速恢复二极管芯片发射极上，使单层石墨烯与芯片直接结合，自然风干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到单层石墨烯薄膜；
(4)提供基板，其上表面按照IGBT芯片和快速恢复二极管芯片的倒装方式制作有电极引出线路，其中包括快速恢复二极管芯片的集电极引出端，IGBT芯片和快速恢复二极管芯片的发射极共同引出端，IGBT芯片的集电极引出端，以及IGBT芯片的栅极引出端，基板上快速恢复二极管芯片的集电极引出端与IGBT芯片的集电极引出端相连；在所述基板表面用丝网印刷的方法涂上石墨烯增强导电导热胶，将热沉通过石墨烯增强导电导热胶粘在基板表面；
(5)将IGBT芯片和快速恢复二极管芯片通过倒装的方式，即发射极朝下，使单层石墨烯薄膜通过石墨烯增强导电导热胶与基板形成良好接触；同时，IGBT芯片和快速恢复二极管芯片分别放置在热沉两边，并使单层石墨烯薄膜、IGBT芯片发射极、快速恢复二极管芯片发射极都与热沉形成物理接触，使得发射极的热量通过单层石墨烯传递给热沉，进而传递给基板；
(6)阶梯升温使石墨烯增强导电导热胶固化完全，将IGBT芯片发射极、IGBT芯片栅极、快速恢复二极管芯片发射极与基板之间，以及热沉与基板之间形成互连，用引线键合的方法通过金属线将IGBT芯片的集电极和快速恢复二极管芯片集电极分别与基板上的集电极引出端相连。
具体的，上述步骤(6)用引线键合的方法通过第一金属线将快速恢复二极管芯片集电极与基板上的快速恢复二极管芯片集电极引出端相连，通过第二金属线将IGBT芯片集电极与基板上的IGBT芯片集电极引出端相连。
本发明与现有技术相比较，具有如下优点：
1、本发明以单层石墨烯薄膜作为芯片表面的散热层，可以发挥其优异的面内热传导性能，将热量迅速传递到热沉，进而通过基板散发，对于单管IGBT器件的局部高热流热点是非常有效的热管理方案；
2、本发明以少层石墨烯粉末填充增强导电导热胶作为芯片与基板、热沉与基板之间的互连材料，可以提高热量从芯片到基板的纵向传导性能，同时芯片倒装的互连方式可以增强整体结构的散热性能，在高热流密度的大功率单管IGBT器件中满足散热需求。
附图说明
图1是本发明实施例石墨烯薄膜应用于IGBT芯片表面的结构示意图。
图2是本发明实施例石墨烯薄膜应用于FRD芯片表面的结构示意图。
图3是本发明提出的单管IGBT的散热结构示意图。
图4是本发明工艺实施步骤1.1中的PMMA/石墨烯/Cu结构层体系示意图。
图5是本发明工艺实施步骤1.2中的PMMA/石墨烯结构层示意图。
图6是本发明工艺实施步骤2.1中的基板示意图。
图7是本发明工艺实施步骤2.2中热沉贴装示意图。
图8是传统的单管IGBT散热结构及热传导路径示意图。
图9是本发明提出的单管IGBT散热结构的热传导路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出了一种单管IGBT的散热结构，总体包括基板、芯片、热沉、石墨烯散热层以及石墨烯基互连材料。其中采用化学气相沉积法制备的单层石墨烯薄膜作为散热层，用于IGBT芯片11及FRD芯片21的正面，参见图1和图2。图1中IGBT芯片11上表面有IGBT芯片发射极12和栅极13，IGBT芯片发射极12的上表面为第一石墨烯薄膜散热层10。图2中FRD芯片21上表面有FRD芯片发射极22，其上表面为第二石墨烯薄膜散热层20。
采用氧化还原法或溶剂剥离法制备的少层石墨烯粉末，填充到多模态银颗粒导电胶中增强导电导热性能，然后用作芯片与基板、热沉与基板之间的互连。本发明的散热整体结构参见图3。基板31的上表面按照IGBT芯片11和FRD芯片21的倒装方式制作有电极引出线路，其中包括FRD芯片的集电极引出端32，IGBT芯片和FRD芯片的发射极共同引出端33，IGBT芯片的集电极引出端34，以及IGBT芯片的栅极引出端35，基板31上FRD芯片的集电极引出端32与IGBT芯片的集电极引出端34相连。FRD芯片的集电极40与基板31上的FRD芯片集电极引出端32之间有第一金属线36相连，IGBT芯片的集电极41与基板31上的IGBT芯片集电极引出端34之间有第二金属线37相连。所述基板31与第一石墨烯薄膜散热层10、第二石墨烯薄膜散热层20、热沉39、IGBT芯片栅极13连接区之间采用石墨烯增强导电导热胶38作为互连材料。IGBT芯片11以倒装的方式安装在基板31上，即IGBT芯片集电极41在上面，下面是IGBT芯片发射极12和栅极13，其中IGBT芯片发射极12上贴有第一单层石墨烯薄膜10。FRD芯片21也以倒装的方式安装在基板31上，即FRD芯片集电极40在上面，下面是贴有第二单层石墨烯薄膜20的FRD芯片发射极22。
本发明还提出了一种单管IGBT散热结构的加工工艺，包括采用化学气相沉积法制备的单层石墨烯薄膜作为IGBT芯片及快速恢复二极管芯片散热层的转移工艺，以及采用氧化还原法或溶剂剥离法制备的少层石墨烯粉末，填充到多模态银颗粒导电胶中增强导电导热性能，用于芯片与基板、热沉与基板之间的互连工艺两部分。
其中，单管IGBT散热结构中散热层的转移工艺具体步骤为：
步骤1.1如图4所示，在铜箔70表面用化学气相沉积方法生长单层石墨烯71，形成石墨烯/铜箔结构层，然后在石墨烯/铜箔结构层上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)72作为薄膜支撑层，得到PMMA/石墨烯/Cu结构层体系。
步骤1.2使用摩尔浓度为0.25～1M的NaOH溶液作为电解液，将直流电源负极连接到PMMA/石墨烯/Cu结构层体系的铜箔70上，同时将直流电源正极连接到铂电极上，将电流逐渐加大(例如从零开始逐渐加大至约1A)，20～30秒后铜箔70会与PMMA/石墨烯分离，得到PMMA/石墨烯结构层，如图5所示。
步骤1.3将PMMA/石墨烯结构层转移到IGBT芯片发射极12上，使单层石墨烯与芯片直接结合，自然风干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到第一单层石墨烯薄膜10。重复步骤1.1和步骤1.2，将PMMA/石墨烯结构层转移到FRD芯片发射极22上，使单层石墨烯与芯片直接结合，自然风干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到第二单层石墨烯薄膜20。
本发明提出的单管IGBT散热结构中互连工艺的具体步骤为：
步骤2.1按照本发明提出的IGBT芯片11和FRD芯片21的倒装方式，设计制作带有电极引出线路的基板31，如图6所示。基板31的上表面按照IGBT芯片11和FRD芯片21的倒装方式制作有电极引出线路，其中包括FRD芯片的集电极引出端32，IGBT芯片和FRD芯片的发射极共同引出端33，IGBT芯片的集电极引出端34，以及IGBT芯片的栅极引出端35，基板31上FRD芯片的集电极引出端32与IGBT芯片的集电极引出端34相连。
步骤2.2在基板31表面用丝网印刷的方法涂上石墨烯增强导电导热胶38，热沉39通过石墨烯增强导电导热胶38粘在基板31表面，如图7所示。将IGBT芯片11和FRD芯片21通过倒装的方式，即IGBT芯片发射极12和FRD芯片发射极22朝下，使第一单层石墨烯薄膜10和第二单层石墨烯薄膜20通过石墨烯增强导电导热胶38与基板31形成良好接触。同时，IGBT芯片11和FRD芯片21分别放置在热沉39的两边，热沉39的纵向厚度小于IGBT芯片11和FRD芯片21的发射极连接区厚度，并使第一单层石墨烯薄膜10和第二单层石墨烯薄膜20、IGBT芯片发射极12和FRD芯片发射极22都与热沉39形成物理接触，这样可以将IGBT芯片发射极12和FRD芯片发射极22的热量通过第一单层石墨烯薄膜10和第二单层石墨烯薄膜20的面内高热导率迅速传递给热沉39，进而传递给基板31。
步骤2.3阶梯升温，例如在110℃下加热30分钟，随后升温到140℃，保温1.5小时，使石墨烯导电导热胶38固化完全，将IGBT芯片发射极12和栅极13、FRD芯片发射极22以及热沉39，与基板31之间形成可靠的互连。用引线键合的方法通过第一金属线36将FRD芯片集电极40与基板31上的FRD芯片集电极引出端32相连，通过第二金属线37将IGBT芯片集电极41与基板31上的IGBT芯片集电极引出端34相连，如图3所示。
传统的单管IGBT散热结构如图8所示。IGBT芯片11和FRD芯片21的正面朝上，即IGBT芯片发射极12和栅极13在上面，集电极41在下面。FRD芯片发射极22在上面，集电极40在下面。IGBT芯片栅极13通过金属线55与衬板46上的栅极引出端50相连，发射极12通过金属线54与衬板46上的发射极引出端49相连，集电极41通过第一焊料层52与衬板上表面的金属连接直至集电极引出端48。FRD芯片21的发射极22通过金属线53与衬板46上的发射极引出端49相连，集电极40通过第二焊料层51与衬板上表面的金属连接直至集电极引出端47。衬板46下方是单一金属层45，通过第三焊料层44与基板43相连，基板43通过第四焊料层42与散热器41相连。在IGBT芯片11的正面出现局部热点61，FRD芯片21的正面出现局部热点60时，热量从高热流密度热点处向芯片背面传导，再通过互连材料逐层传递到衬板、基板和散热器。这样的热传导路径及结构非常复杂，衬板以及大体积散热器的附加装置带来较高成本，且难以满足大功率单管IGBT的发展需求。
本发明提出的单管IGBT散热结构，热传导路径如图9所示。在IGBT芯片11的正面出现局部热点61，FRD芯片21的正面出现局部热点60时，由于芯片采用倒装的互连方式，热量从高热流密度热点直接向散热装置传导，缩短了热传导路径。由于第一单层石墨烯薄膜10和第二单层石墨烯薄膜20具有非常高的面内热导率，使热量在横向迅速传播至小体积热沉39，并通过石墨烯填充增强的导电导热胶38形成良好的纵向传输路径，在较短时间内将热量传递到基板31，实现局部热点的有效散热，从而降低单管IGBT器件的最高温度，提升器件使用寿命。
本发明采用化学气相沉积法制备的单层石墨烯薄膜作为芯片正面的散热层，通过发挥其优异的面内热传导性能，将单管IGBT器件的局部热点热量迅速横向传递到热沉；将氧化还原法或溶剂剥离法制备的少层石墨烯粉末填充到多模态银颗粒导电胶中，增强其导电导热性能，并将其作为芯片与基板、热沉与基板之间的互连材料，提高热量从芯片到基板的纵向传导能力；采用芯片倒装的互连方式缩短热传导路径，增强整体结构的散热性能，实现局部高热流密度热点的有效散热，从而降低单管IGBT器件的最高温度，提升器件使用寿命。
本发明所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (4)
1.单管IGBT的散热结构，其特征在于，包括：
IGBT芯片(11)，其上表面包括IGBT芯片发射极(12)连接区和IGBT芯片栅极(13)连接区，其下表面具有IGBT芯片集电极(41)连接区；
与所述IGBT芯片发射极(12)连接区接触的第一石墨烯薄膜散热层(10)；
还包括：快速恢复二极管芯片(21)，其上表面包括快速恢复二极管芯片发射极(22)连接区，下表面具有快速恢复二极管芯片集电极(40)连接区；
与所述快速恢复二极管芯片发射极(22)连接区接触的第二石墨烯薄膜散热层(20)。
2.根据权利要求1所述的单管IGBT散热结构，其特征在于，还包括：
基板(31)，其上表面包括IGBT芯片和快速恢复二极管芯片的发射极引出端(33)，IGBT芯片的集电极引出端(34)和栅极引出端(35)，快速恢复二极管芯片的集电极引出端(32)；
所述IGBT芯片集电极引出端(34)和IGBT芯片集电极(41)连接区之间有第二金属线(37)连接；
所述快速恢复二极管芯片集电极引出端(32)和快速恢复二极管芯片集电极(40)连接区之间有第一金属线(36)连接；
金属或石墨热沉(39)与所述第一石墨烯薄膜散热层(10)和第二石墨烯薄膜散热层(20)横向相连，所述热沉(39)固定在IGBT芯片(11)和快速恢复二极管芯片(21)中间，热沉(39)的纵向厚度小于IGBT芯片发射极(12)连接区、快速恢复二极管芯片发射极(22)连接区的厚度；
所述基板(31)与第一石墨烯薄膜散热层(10)、第二石墨烯薄膜散热层(20)、热沉(39)、IGBT芯片栅极(13)连接区之间采用石墨烯填充增强的导电导热胶(38)作为互连材料。
3.单管IGBT散热结构的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在铜箔(70)表面生长单层石墨烯(71)，形成石墨烯/铜箔结构层，在石墨烯/铜箔结构层上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA(72)作为薄膜支撑层，得到PMMA/石墨烯/铜箔结构层体系；
(2)使用氢氧化钠溶液作为电解液，将直流电源负极连接到PMMA/石墨烯/铜箔结构层体系的铜箔(70)上，同时将直流电源正极连接到铂电极上，将电流逐渐加大，待铜箔(70)与PMMA和石墨烯分离，得到PMMA/石墨烯结构层；
(3)将PMMA/石墨烯结构层转移到IGBT芯片发射极(12)及快速恢复二极管芯片发射极(22)上，使单层石墨烯与芯片直接结合，自然风干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到单层石墨烯薄膜；
(4)提供基板(31)，其上表面按照IGBT芯片(11)和快速恢复二极管芯片(21)的倒装方式制作有电极引出线路，其中包括快速恢复二极管芯片的集电极引出端(32)，IGBT芯片和快速恢复二极管芯片的发射极共同引出端(33)，IGBT芯片的集电极引出端(34)，以及IGBT芯片的栅极引出端(35)，基板(31)上快速恢复二极管芯片的集电极引出端(32)与IGBT芯片的集电极引出端(34)相连；在所述基板(31)表面用丝网印刷的方法涂上石墨烯增强导电导热胶(38)，将热沉(39)通过石墨烯增强导电导热胶(38)粘在基板(31)表面；
(5)将IGBT芯片(11)和快速恢复二极管芯片(21)通过倒装的方式，即发射极朝下，使单层石墨烯薄膜通过石墨烯增强导电导热胶(38)与基板(31)形成良好接触；同时，IGBT芯片(11)和快速恢复二极管芯片(21)分别放置在热沉(39)两边，并使单层石墨烯薄膜、IGBT芯片发射极(12)、快速恢复二极管芯片发射极(22)都与热沉(39)形成物理接触，使得发射极的热量通过单层石墨烯传递给热沉(39)，进而传递给基板(31)；
(6)阶梯升温使石墨烯增强导电导热胶(38)固化完全，将IGBT芯片发射极(12)、IGBT芯片栅极(13)、快速恢复二极管芯片发射极(22)与基板(31)之间，以及热沉(39)与基板(31)之间形成互连，用引线键合的方法通过金属线将IGBT芯片的集电极(41)和快速恢复二极管芯片集电极(40)分别与基板(31)上的集电极引出端相连。
4.如权利要求3所述的单管IGBT散热结构的加工工艺，其特征在于，步骤(6)用引线键合的方法通过第一金属线(36)将快速恢复二极管芯片集电极(40)与基板(31)上的快速恢复二极管芯片集电极引出端(32)相连，通过第二金属线(37)将IGBT芯片集电极(41)与基板(31)上的IGBT芯片集电极引出端(34)相连。
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