CN108022894A - Igbt芯片与相变均热板的集成封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，包括依次固接在一起的端盖、上壳板、底板和IGBT芯片，IGBT芯片焊接于底板的底面，上壳板靠近端盖的一侧设有若干个柱状翅片，端盖和上壳板围成用于热交换的换热空间，若干个柱状翅片位于换热空间内，换热空间设有至少一个冷却液进出口，上壳板靠近底板的一侧设有若干个支撑柱，上壳板和底板围成一个密闭的均热板空腔，若干个支撑柱位于该密闭的均热板空腔内，均热板空腔内填充有工质，且为真空状态。相比在IGBT芯片及底板之间设置导热薄膜或涂导热膏，将IGBT芯片焊接到均热板的底板上，可有效降低接触热阻。将高温工序置于均热板注液抽真空并密封的工序之前，避免均热板受热膨胀损坏。
Description
技术领域
本发明涉及电子元件散热领域，特别是涉及IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构及其制造方法。
背景技术
随着电子信息产业的不断发展，电子产品不断朝着轻薄、小巧、大功率的趋势发展，功率越来越高，体积越来越小，随之而来如何更好的散热成为亟待解决的问题。芯片局部热流密度过高，热量容易在中心聚集，导致局部温度过高，出现热点而降低电子产品的使用寿命，尤其是大功率、高热流密度的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)芯片，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。因此，设计高效率的散热装置是大功率、高热流密度电子产品发挥功能的基础。电子设备冷却的关键在于如何消除芯片局部热流密度过高的问题。
现有常用方式为在芯片表面涂抹导热膏，贴附散热铜块或铝块进行均温，再借助散热块上的柱状翅片进行风冷散热或直接在芯片上设置水冷板散热，采用上述散热方式均无法较好地消除芯片中心的热点现象。
中国专利CN202839589A中公开了一种采用均热板及热沉对芯片进行散热的结构，通过导热薄膜将芯片的热量传递至均热板，再传导至热沉进行散热。存在问题为：在芯片与均热板之间设置导热薄膜或导热膏等方式会使两者之间存在较大的接触热阻。将IGBT芯片焊接于均热板的底板上可有效降低二者之间的热阻。焊接IGBT芯片时，按常规想法直接将IGBT芯片放置于成品均热板上，再通过回流焊将二者焊接为一体似乎可行。但实际存在以下问题：通常回流焊的最高温度可达210-240℃，均热板在该温度下的内部压强非常大，会使均热板的壳板发生鼓起而损坏。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，其能够消除IGBT芯片的热点现象，并解决IGBT芯片与均热板之间接触热阻较大的问题，提高装置的散热效率，且结构布局合理，便于制造。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构的制造方法，使其能够解决IGBT芯片焊接在均热板时使均热板内部的压强过大而出现鼓胀的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，包括依次固接在一起的端盖、上壳板、底板和IGBT芯片，IGBT芯片焊接于底板的底面，上壳板靠近端盖的一侧设有若干个柱状翅片，端盖和上壳板围成用于热交换的换热空间，若干个柱状翅片位于换热空间内，换热空间设有至少一个冷却液进出口，上壳板靠近底板的一侧设有若干个支撑柱，上壳板和底板围成一个密闭的均热板空腔，若干个支撑柱位于该密闭的均热板空腔内，均热板空腔内填充有工质，且为真空状态。
进一步，上壳板设有突出于上表面的若干个柱状翅片，端盖设有容纳若干个柱状翅片的端盖空腔。
进一步，上壳板的下表面设有上壳板空腔，上壳板空腔内设有若干个支撑柱，底板覆盖于上壳板的下表面。
进一步，端盖、上壳板和底板在对应位置均分别设有安装孔。
进一步，柱状翅片的横截面的形状为矩形、菱形或圆形中的任意一种。
进一步，上壳板和底板均为纯铜材质制成。
IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构的制造方法，步骤如下，
a)加工端盖、底板和带有柱状翅片和支撑柱的上壳板；
b)焊接端盖与上壳板，焊接上壳板与底板，将充液管焊接于上壳板，并与均热板空腔连通；
c)退火炉加热至500-600℃对步骤b)得到的产品进行退火，并冷却至室温；
d)通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
e)通过回流焊将IGBT芯片焊接于底板；
f)一次除气：将充液管的封口处打开，从充液管注入适量工质，再次通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
g)二次除气：充液管朝上，对均热板加热至100-140℃，持续时间：10-20s，再对离均热板边缘2-10mm的充液管位置用封口模具进行封口，然后裁断充液管封口位置的上端部分；
h)对与均热板相连的充液管的裁断位置焊接密封。
IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构的制造方法，步骤如下，
a)加工带有柱状翅片、均热板空腔和支撑柱的上壳板和底板，材料为纯铜，加工端盖；
b)采用扩散焊，压力5MPa，温度850℃，时间60min，贴合表面粗糙度Ra＜1.6um或炉内保护气氛钎焊，钎膏：CuP6.2Sn7Ni1.5，涂0.05-0.1mm厚，焊接过程用模具夹紧零件，以1-2℃/s温升速率加热至750-800℃后，以降温速率1-2℃/s冷却至室温，整个过程填充氮气保护，密封焊接均热板的上壳板与均热板的底板的接触位置以及端盖与均热板的上壳板接触位置，并用高频焊，银基钎料感应加热至775-895℃，将充液管与均热板空腔焊接为一体；
c)将以上步骤焊接好的结构放入退火炉，加热至500-600℃，恒温3h后冷却至室温，整个过程炉内通入还原性气体：95％氮气+5％氢气；
d)在不注工质情况下，通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
e)研磨均热板的底板的下表面至粗糙度Ra≤1.6um，涂抹焊料，焊料：63Sn37Pb，涂膜厚度：0.1-0.15mm，并用模具固定夹紧IGBT芯片和均热板，通过回流焊，从室温以升温速率1.2-2℃/s加热至220-240℃，210℃以上时间持续30-90s，降温速率1-3℃/s降至室温，将IGBT芯片焊接至底板的下表面；
f)一次除气：将充液管的封口处裁开，从充液管注入适量工质，再次通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
g)二次除气：充液管朝上，对均热板加热至100-140℃，持续时间：10-20s，再对离均热板边缘2-10mm的充液管位置用封口模具进行封口，然后裁断充液管封口位置的上端部分；
h)对与均热板相连的充液管的裁断位置采用TIG焊接密封。
总的说来，本发明具有如下优点：
IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，相比在IGBT芯片及底板之间设置导热薄膜或涂导热膏，将IGBT芯片焊接到均热板的底板上，可有效降低接触热阻；在均热板的上壳板上直接加工用于散热的柱状翅片，相比现有技术的在均热板上焊接柱状翅片，有助于降低热阻，且更容易组装和生产。均热板采用相变传热原理，其导热系数是铜的数十倍，优于任何金属。可在很短时间内将IGBT芯片产生的热量扩散至均热板整体，均热板的均温性可达任意两点的温差不超过3℃，将IGBT芯片和均热板焊接为一体，大大降低了两者之间的接触热阻，可有效消除IGBT芯片中心的热点。采用本发明结构，IGBT芯片产生的热量被均热板空腔内的工质吸收，工质蒸发并在均热板的上壳板下表面冷凝，同时热量很快传导至均热板的上壳板，上壳板与端盖形成的换热空间内有冷却液，冷却液流过时将热量带走，柱状翅片增大了换热面积，且对冷却液起扰动作用，可有效增强换热效率。与实心铜板相比，均热板提高了整体的均温性及散热面积，同等条件下可传导的热量更多，可有效解决高热流密度、大功率IGBT芯片的热点问题及高功率散热困难问题。
IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构的制造方法，将高温工序置于均热板注液抽真空并密封的工序之前，避免均热板鼓胀损坏。另外，通常IGBT芯片的最高温度不能超过350℃，因此将高于此温度的工序也放置于该工序之前。所以，将工序b)设置于工序e)之前，工序e)设置于工序f)之前。在d)工序前的c)工序作用在于：还原前面工序因在含氧高温环境下均热板空腔产生的氧化铜；在e)工序前设置d)工序的作用在于：若均热板在不抽真空并密封的条件下进行回流焊，210-240℃的温度会造成均热板空腔氧化，由于后续不能在高温环境下退火，若后续工序超过240℃时焊膏熔化，IGBT芯片会脱落，这将影响结构的传热性能。因此，焊IGBT芯片前先进行退火，并在均热板空腔不注液、只抽真空条件下进行回流焊焊接IGBT芯片，这样可有效避免均热板发生鼓胀和腔内氧化，提高结构的传热性能。
附图说明
图1为本发明散热装置的组装图；
图2为本发明散热装置的分解图；
图3为本发明另外一个角度的结构示意图；
图4为图3中A-A处的截面结构示意图。
图中标记如下：
1-端盖、2-上壳板、3-底板、4-IGBT芯片、5-均热板、
11-冷却液进出口、12-端盖空腔、21-柱状翅片、22-上壳板空腔、23-支撑柱、
61-安装孔。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
如图1至图4所示，IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，包括依次固接在一起的端盖1、上壳板2、底板3和IGBT芯片4，IGBT芯片4焊接于底板3的底面，上壳板2靠近端盖1的一侧设有若干个柱状翅片21，端盖1和上壳板2围成用于热交换的换热空间，若干个柱状翅片21位于换热空间内，换热空间设有至少一个冷却液进出口11，上壳板2靠近底板3的一侧设有若干个支撑柱23，上壳板2和底板3围成一个密闭的均热板空腔，若干个支撑柱23位于该密闭的均热板空腔内，均热板空腔内填充有工质，且为真空状态。上壳板2设有突出于上表面的若干个柱状翅片21，端盖1设有容纳若干个柱状翅片21的端盖空腔12。上壳板2的下表面设有上壳板空腔22，上壳板空腔22内设有若干个支撑柱23，底板3覆盖于上壳板2的下表面。端盖1、上壳板2和底板3在对应位置均分别设有安装孔61。柱状翅片21的横截面的形状为矩形、菱形或圆形中的任意一种。
具体的，均热板5包括上壳板2和底板3，IGBT芯片4通过回流焊焊接于均热板5的底板3的底部，均热板5的上壳板2上一体加工有柱状翅片21、上壳板空腔22和支撑柱23，均热板5上设置有端盖1，端盖1具有端盖空腔12，端盖空腔12作为冷却液通道。端盖1、上壳板2、底板3材料为无氧铜，柱状翅片21截面为矩形，均热板5的上壳板2与均热板5的底板3、端盖1与均热板5的上壳板2的接触面均采用炉内保护气氛钎焊密封，上壳板空腔22内填充适量的纯水为工质，抽真空至0-100MPa，其侧边设置一对冷却液进出口11，端盖1、均热板5的上壳板2、均热板5的底板3在对应位置设置4个安装孔61用于固定安装使用。
IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构的制造方法，步骤如下，
a)加工带有柱状翅片21、均热板空腔和支撑柱23的上壳板2和底板3，材料为纯铜，加工端盖1；
b)采用扩散焊，压力5MPa，温度850℃，时间60min，贴合表面粗糙度Ra＜1.6um或炉内保护气氛钎焊，钎膏：CuP6.2Sn7Ni1.5，涂0.05-0.1mm厚，焊接过程用模具夹紧零件，以1-2℃/s温升速率加热至750-800℃后，以降温速率1-2℃/s冷却至室温，整个过程填充氮气保护，密封焊接均热板5的上壳板2与均热板5的底板3的接触位置以及端盖1与均热板5的上壳板2接触位置，并用高频焊，银基钎料感应加热至775-895℃，将充液管与均热板空腔焊接为一体；
c)将以上步骤焊接好的结构放入退火炉，加热至500-600℃，恒温3h后冷却至室温，整个过程炉内通入还原性气体：95％氮气+5％氢气；
d)在不注工质情况下，通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
e)研磨均热板5的底板3的下表面至粗糙度Ra≤1.6um，涂抹焊料，焊料：63Sn37Pb，涂膜厚度：0.1-0.15mm，并用模具固定夹紧IGBT芯片4和均热板5，通过回流焊，从室温以升温速率1.2-2℃/s加热至220-240℃，210℃以上时间持续30-90s，降温速率1-3℃/s降至室温，将IGBT芯片4焊接至底板3的下表面；f)一次除气：将充液管的封口处裁开，从充液管注入适量工质，再次通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
g)二次除气：充液管朝上，对均热板5加热至100-140℃，持续时间：10-20s，再对离均热板5边缘2-10mm的充液管位置用封口模具进行封口，然后裁断充液管封口位置的上端部分；
h)对与均热板5相连的充液管的裁断位置采用TIG焊接密封。
总的说来，本发明具有如下优点：
IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，相比在IGBT芯片4及底板3之间设置导热薄膜或涂导热膏，将IGBT芯片4焊接到均热板5的底板3上，可有效降低接触热阻；在均热板5的上壳板2上直接加工用于散热的柱状翅片21，相比现有技术的在均热板5上焊接柱状翅片21，有助于降低热阻，且更容易组装和生产。均热板5采用相变传热原理，其导热系数是铜的数十倍，优于任何金属。可在很短时间内将IGBT芯片4产生的热量扩散至均热板5整体，均热板5的均温性可达任意两点的温差不超过3℃，将IGBT芯片4和均热板5焊接为一体，大大降低了接触热阻，可有效消除IGBT芯片4中心的热点。采用本发明结构，IGBT芯片4产生的热量被均热板空腔内的工质吸收，工质蒸发并在均热板5的上壳板2下表面冷凝，同时热量很快传导至均热板5的上壳板2，上壳板2与端盖1形成的换热空间内有冷却液，冷却液流过时将热量带走，柱状翅片21增大了换热面积，且对冷却液起扰动作用，可有效增强换热效率。与实心铜板相比，均热板5提高了整体的均温性及散热面积，同等条件下可传导的热量更多，可有效解决高热流密度、大功率IGBT芯片4的热点问题及高功率散热困难问题。
IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构的制造方法，将高温工序置于均热板5注液抽真空并密封的工序之前，避免均热板空腔氧化。另外，通常IGBT芯片4的最高温度不能超过350℃，因此将高于此温度的工序也放置于该工序之前。所以，将工序b)设置于工序e)之前，工序e)设置于工序f)之前。在d)工序前的c)工序作用在于：还原前工序在含氧高温环境下均热板空腔产生的氧化铜；在e)工序前设置d)工序的作用在于：若均热板5在不抽真空密封下进行回流焊，210-240℃的温度会造成均热板空腔氧化，由于后续不能在高温环境下退火，超过240℃时焊膏熔化，IGBT芯片4脱落，这将影响均热板5的传热性能。因此，焊IGBT芯片4前先退火，并在均热板空腔不注液、只抽真空条件下回流焊焊接IGBT芯片4，可有效避免均热板5鼓胀和腔内氧化，提高结构的传热性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，其特征在于：包括依次固接在一起的端盖、上壳板、底板和IGBT芯片，IGBT芯片焊接于底板的底面，上壳板靠近端盖的一侧设有若干个柱状翅片，端盖和上壳板围成用于热交换的换热空间，若干个柱状翅片位于换热空间内，换热空间设有至少一个冷却液进出口，上壳板靠近底板的一侧设有若干个支撑柱，上壳板和底板围成一个密闭的均热板空腔，若干个支撑柱位于该密闭的均热板空腔内，均热板空腔内填充有工质，且为真空状态。
2.按照权利要求1所述的IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，其特征在于：上壳板设有突出于上表面的若干个柱状翅片，端盖设有容纳若干个柱状翅片的端盖空腔。
3.按照权利要求2所述的IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，其特征在于：上壳板的下表面设有上壳板空腔，上壳板空腔内设有若干个支撑柱，底板覆盖于上壳板的下表面。
4.按照权利要求1所述的IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，其特征在于：端盖、上壳板和底板在对应位置均分别设有安装孔。
5.按照权利要求1所述的IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，其特征在于：柱状翅片的横截面的形状为矩形、菱形或圆形中的任意一种。
6.按照权利要求1所述的IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构，其特征在于：上壳板和底板均为纯铜材质制成。
7.权利要求1至6任意一项所述的IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构的制造方法，其特征在于：步骤如下，
a)加工端盖、底板和带有柱状翅片和支撑柱的上壳板；
b)焊接端盖与上壳板，焊接上壳板与底板，将充液管焊接于上壳板，并与均热板空腔连通；
c)退火炉加热至500-600℃对步骤b)得到的产品进行退火，并冷却至室温；
d)通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
e)通过回流焊将IGBT芯片焊接于底板；
f)一次除气：将充液管的封口处打开，从充液管注入适量工质，再次通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
g)二次除气：充液管朝上，对均热板加热至100-140℃，持续时间：10-20s，再对离均热板边缘2-10mm的充液管位置用封口模具进行封口，然后裁断充液管封口位置的上端部分；
h)对与均热板相连的充液管的裁断位置焊接密封。
8.按照权利要求7所述的IGBT芯片与相变均热板的集成封装结构的制造方法，其特征在于：步骤如下，
a)加工带有柱状翅片、均热板空腔和支撑柱的上壳板和底板，材料为纯铜，加工端盖；
b)采用扩散焊，压力5MPa，温度850℃，时间60min，贴合表面粗糙度Ra＜1.6um或炉内保护气氛钎焊，钎膏：CuP6.2Sn7Ni1.5，涂0.05-0.1mm厚，焊接过程用模具夹紧零件，以1-2℃/s温升速率加热至750-800℃后，以降温速率1-2℃/s冷却至室温，整个过程填充氮气保护，密封焊接均热板的上壳板与均热板的底板的接触位置以及端盖与均热板的上壳板接触位置，并用高频焊，银基钎料感应加热至775-895℃，将充液管与均热板空腔焊接为一体；
c)将以上步骤焊接好的结构放入退火炉，加热至500-600℃，恒温3h后冷却至室温，整个过程炉内通入还原性气体：95％氮气+5％氢气；
d)在不注工质情况下，通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
e)研磨均热板的底板的下表面至粗糙度Ra≤1.6um，涂抹焊料，焊料：63Sn37Pb，涂膜厚度：0.1-0.15mm，并用模具固定夹紧IGBT芯片和均热板，通过回流焊，从室温以升温速率1.2-2℃/s加热至220-240℃，210℃以上时间持续30-90s，降温速率1-3℃/s降至室温，将IGBT芯片焊接至底板的下表面；
f)一次除气：将充液管的封口处裁开，从充液管注入适量工质，再次通过充液管对均热板空腔抽真空至0-100Pa后用封口模具对充液管进行封口密封；
g)二次除气：充液管朝上，对均热板加热至100-140℃，持续时间：10-20s，再对离均热板边缘2-10mm的充液管位置用封口模具进行封口，然后裁断充液管封口位置的上端部分；
h)对与均热板相连的充液管的裁断位置采用TIG焊接密封。
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