CN109817591A - 一种高功率密度igbt模块的双面水冷散热结构及加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热封装结构及加工工艺，其结构包括IGBT子单元、二极管子单元、覆铜陶瓷基板、缓冲垫片、焊料层、导热硅脂层、石墨烯散热层以及上下水冷板散热器。所述的石墨烯散热层将转移至指定位置的芯片表面作为快速横向散热层，将芯片的局部热量迅速横向铺开，实现局部热点快速降温。本发明制作简单，灵活性高，可有效缓解水冷散热器散热不均匀，从而提升器件可靠性及使用寿命。

Description

一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构及加工工艺

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构及加工工艺。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是金属-氧化物半导体场效应晶体管和快速二极管组成的复合全控性电压驱动式功率半导体器件，结合了MOSFET与FRD的优点,具备开关速度快，输入阻抗高、反向恢复时间短、热稳定性好、通态压降低、高电压等特点，广泛应用于风能、太阳能、轨道交通、电动汽车、智能电网、家电变频领域等，已成为功率半导体器件的主流。随着新技术、新工艺的不断突破，功率等级的提升，IGBT的应用领域得以迅速扩展。与此同时，随着功率的增大，对IGBT封装模块内部的传热规律进行研究，设计简单高效的散热装置对解决内部的传热问题，提高模块的性能和可靠性有着极大的意义。

传统引线键合模块只能实现单面散热，双面水冷散热封装相较传统的单面散热，芯片上的电极直接与覆铜陶瓷基板相连，使得芯片产生的热量可以同时从芯片上表面和下表面通过上、下基板散失，增加了散热通道，水冷板中冷却液的循环流动也会带走大部分热量，有效提高了模块散热效率。但是由于水冷板中冷却液的流动性能不稳定，很容易引起散热不均匀，导致芯片局部高温失效。而以石墨烯为代表的二维材料，由于高超的电子迁移率和高热导率等，以及与半导体器件良好的匹配性。如果将它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，提供一种新型IGBT模块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芯片解决压接式双面水冷散热不均匀的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热封装结构，其包括：第一覆铜陶瓷基板、第二覆铜陶瓷基板、多个IGBT芯片、多个二极管芯片，其中一部分IGBT芯片正面的发射极表面贴装有石墨烯散热层，所有IGBT芯片背面的集电极通过焊料层连接到缓冲垫片，二极管芯片背面的阴极通过焊料层连接到缓冲垫片，所述缓冲垫片再通过焊料层贴装在第二覆铜陶瓷基板正面的对应位置上；IGBT芯片正面的栅极以及二极管芯片正面的阳极通过焊料层连接到倒置的第一覆铜陶瓷基板正面对应位置，IGBT芯片发射极表面的石墨烯散热层上表面也通过焊料层连接第一覆铜陶瓷基板正面对应位置。

具体的，还包括内部中空的散热器，所述散热器包括内空的上水冷板和下水冷板，水冷板内设有翅柱，上水冷板和下水冷板之间通过密封口连通，下水冷板的进水口和出水口之间设有水泵，水泵推动冷却液体进行循环流动；所述贴装有石墨烯散热层的IGBT芯片贴装在出水口旁；第二覆铜陶瓷基板背面通过焊料层连接到下水冷板内侧表面，并紧密贴合，第一覆铜陶瓷基板背面通过导热硅脂层连接到上水冷板内侧表面，并紧密贴合。

具体的，所述IGBT芯片和二极管芯片数量相同。

上述高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构的加工工艺，包括以下步骤：

步骤1、将石墨烯薄膜转移至指定IGBT芯片的发射极表面，使石墨烯膜与芯片表面直接结合，即芯片表面得到石墨烯散热层；

步骤2、在第二覆铜陶瓷基板正面涂覆第一焊料层，将多个缓冲垫片分别贴装在第二覆铜陶瓷基板正面对应位置上；

步骤3、在缓冲垫片上表面涂覆第二焊料层，并将多个IGBT芯片和多个二极管芯片分别贴装在缓冲垫片上表面，其中IGBT芯片包括步骤1得到的具有石墨烯散热层的和没有石墨烯散热层的，将具有石墨烯散热层的IGBT芯片贴装在对应散热器出水口一端；

步骤4、在第一覆铜陶瓷基板正面对应位置涂覆第三焊料层，倒置贴装在步骤3完成结构的对应位置；

步骤5、所述散热器内部中空，包括内空的上水冷板和下水冷板，水冷板内设有翅柱，上水冷板和下水冷板之间通过密封口连通，下水冷板的进水口和出水口之间通过外部的水泵推动空腔内冷却液体进行循环流动；在散热器下水冷板上表面涂敷第四焊料层，将步骤4完成结构的第二覆铜陶瓷基板背面贴装在下水冷板上，放入回流焊机进行焊接；

步骤6、将散热器上水冷板下表面涂敷导热硅脂层，倒置贴装在步骤5完成结构的第一覆铜陶瓷基板背面的对应位置上，固定压紧，使得上水冷板和下水冷板两端通过密封口对接；

步骤7、用塑料外壳将散热器内所有结构封装起来，再采用封装树脂作为封装材料，在塑料外壳中进行注塑灌封，最后将整个结构放在烘箱内加热固化。

具体的，所述石墨烯散热层的厚度为30～40μm。

本发明与现有水冷技术相比较，具有如下优点：

本发明在现有IGBT模块的双面水冷封装结构基础上，将一定厚度的石墨烯散热薄膜用在IGBT芯片发射极表面，并将其贴装在出水口附近位置，发挥其优异的横向快速热传导性能，将热点热量迅速铺开，对高功率密度的IGBT模块的局部高热点的快速降温非常有效，可以解决水冷散热不均匀的问题，一种简单、环保的提高器件可靠性的方法。

附图说明

图1是本发明实施例中隐去了散热器和第一覆铜陶瓷基板的俯视图。

图2是本发明实施例石墨烯薄膜应用于高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构剖视图。

图3是本发明实施例中双面水冷板散热器剖视图。

图4是本发明实施例中第二覆铜陶瓷基板正面芯片的对应位置俯视图。

图5是图4的A-A’剖视图；其中凸起为指定位置一定厚度的焊料层。

图6是本发明工艺实施步骤2中的缓冲垫片/焊料层/敷铜陶瓷基板结构示意图。

图7是本发明工艺实施步骤3中的焊料层/缓冲垫片/焊料层/敷铜陶瓷基板结构示意图。

图8是本发明工艺实施步骤3中的芯片/焊料层/缓冲垫片/焊料层/敷铜陶瓷基板结构示意图。

图9是图8的俯视图。

图10本发明工艺实施步骤4所得结构的示意图。

图11本发明工艺实施步骤5所得结构的示意图。

图12本发明工艺实施步骤6所得结构的示意图。

其中，1—第一IGBT芯片；2—第二IGBT芯片；3—IGBT芯片的栅极；4—栅极绝缘边；5—第二焊料层；6—缓冲垫片；7—第一焊料层；8—第三焊料层；60—导热硅脂层；61—第四焊料层；62—第一覆铜陶瓷基板；63—第二覆铜陶瓷基板；64—塑料外壳；65—封装树脂；66—上水冷板；67—下水冷板；68—进水口；69—出水口；70—翅柱；71—密封口；80—石墨烯散热层。

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。

本发明的主旨是提出一种简单解决双面水冷散热不均匀问题的方案，提高模块的可靠性。

本发明的上、下两个覆铜陶瓷基板中间，可以放置3-4个IGBT模块，即由IGBT子单元和二极管子单元组成的模块，子单元是指一个芯片及其正反面制作的半导体结构的总和。IGBT子单元和二极管子单元可以交错放置，有利于抑制热耦合。将上、下覆铜陶瓷基板及其中间芯片子单元看作一组，上、下水冷板散热器中间可以安置若干组这样的结构(主要取决于芯片的热耗散功率)。石墨烯散热层可以选择贴装在出水口附近的几块IGBT芯片上(这些芯片是最有可能出现最高温度的)。如图1是一个具体排布案例，左边排布了两组没有石墨烯散热层的IGBT子单元和二极管子单元，右边排布了两组带石墨烯散热层的IGBT子单元和二极管子单元，左右两部分芯片是交错排布的，其中右侧设置的芯片是设计参数中最有可能出现最高温度的。图1还示出了IGBT芯片的栅极3和栅极绝缘边4的位置。

本发明提出高功率密度IGBT模块双面水冷散热结构包括：数量相同的IGBT芯片和二极管芯片，上、下覆铜陶瓷基板，石墨烯散热层，缓冲垫片，带进出水孔并内空的上、下水冷板散热器以及用于互连的多层焊料层和导热硅脂层。如图2和图3所示，其中采用石墨烯薄膜作为散热层，转移至第一IGBT芯片1和第二IGBT芯片2正面的发射极表面。所有IGBT芯片背面的集电极通过第二焊料层5连接到缓冲垫片6，再通过第一焊料层7贴装在第二覆铜陶瓷基板63正面的对应位置上，参见图4。注意有石墨烯散热层的第一IGBT芯片1和第二IGBT芯片2贴装至出水口69附近。二极管芯片背面的阴极通过第二焊料层5连接到缓冲垫片6，再通过第一焊料层7贴装在第二覆铜陶瓷基板63正面的对应位置上，参见图8和图9。IGBT芯片正面的发射极和栅极以及二极管芯片的阳极通过第三焊料层8连接到倒置的第一覆铜陶瓷基板62正面的对应位置，参见图10。

上述实施例中，第二覆铜陶瓷基板63背面通过第四焊料层61连接到下水冷板67内侧表面，可靠连接，参见图11，保证下水冷板67内侧表面和第二覆铜陶瓷基板63背面之间的无缝隙连接，从而进行可靠传热。第一覆铜陶瓷基板62背面通过导热硅脂层60连接到上水冷板66内侧表面，同样可靠连接，参见图12，保证上水冷板66内侧表面和第一覆铜陶瓷基板62背面之间的无缝隙连接，进行可靠传热。

如图3所示，本实施例中双面水冷散热器内部中空，包括内空的上水冷板66和下水冷板67，水冷板内空有翅柱70，扩大与冷却液的接触面积，帮助散热，上水冷板66和下水冷板67通过密封口71连通，下水冷板67的进水口68出水口69之间通过外部的水泵推动空腔内冷却液体进行循环流动，通过热传导和液体循环流动带走IGBT模块的热量。由于出口附近的液体温度会高于进口附近液体温度，导致散热不均匀，将一定厚度石墨烯薄膜转移至IGBT芯片发射极表面，并将芯片贴装至出水口69附近对应位置，可发挥石墨烯膜横向快速散热的特点，将芯片表面局部集中热量迅速铺开，缓解水冷散热的不均匀问题，此结构简单，加工工艺简便，不增加体积重量，提高了模块的可靠性。

本发明还提出上述高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构的加工工艺，其中包括：

步骤1、在第一IGBT芯片1和第二IGBT芯片2的发射极表面贴装30-40μm厚的氧化还原法制备的石墨烯薄膜，使石墨烯薄膜与芯片表面直接结合，即芯片表面得到石墨烯散热层80。

步骤2、如图4，在第二覆铜陶瓷基板63上铜层中制作连接线路以及为每个IGBT芯片和二极管芯片设计贴装区域；在第二覆铜陶瓷基板63上铜层设计的贴装区域上涂覆100±5μm厚的第一焊料层7，如图5所示；将缓冲垫片6分别贴装在第二覆铜陶瓷基板63正面对应位置上，如图6所示。这里使用的缓冲垫片6可以是1mm±0.05mm厚钼垫片或钼/银复合垫片等热膨胀系数较小的热应力缓冲材料。这里使用的覆铜陶瓷基板的陶瓷层可以是AlN或者Al₃O₂材料。

步骤3、在缓冲垫片6上表面涂覆100±5μm厚的第二焊料层5，如图7所示；并将IGBT芯片的集电极和二极管芯片的阴极分别贴装在缓冲垫片6上表面的对应位置上，特别注意将步骤1转移过石墨烯薄膜的第一IGBT芯片1和第一IGBT芯片2贴装在散热器出水口69一端的缓冲垫片上，如图8和图9所示。

步骤4、在第一覆铜陶瓷基板62正面对应位置涂覆不同厚度的第三焊料层8，具体的，在对应贴装第一IGBT芯片1和第二IGBT芯片2的位置处涂覆100±5μm厚度的焊料层，其他芯片对应位置涂覆140±5μm厚度的焊料层，然后将它们倒置贴装在步骤3完成结构的对应位置上，如图10所示。

步骤5、在散热器下水冷板67上表面涂敷100±5μm厚的第四焊料层61，将步骤4完成结构的第二覆铜陶瓷基板63背面贴装在散热器下水冷板67上表面对应位置上，如图11所示，并将其放入回流焊机照预设的温度曲线进行焊接。焊接温度条件可以根据实际效果设计。

步骤6、将散热器上水冷板66下表面对应位置涂敷30±5μm厚的导热硅脂层60，倒置贴装在步骤5完成结构的第一覆铜陶瓷基板62背面的对应位置上，固定压紧，使得上水冷板66和下水冷板67两端通过密封口71对接，如图12所示。

步骤7、用塑料外壳64将上面的IGBT子单元、二极管子单元及上下覆铜陶瓷基板封装起来，采用封装树脂65作为封装材料，在塑料外壳64中进行注塑灌封，将整个结构放在烘箱内以3℃/min的升温速度，从室温升到80℃，保温30分钟，再升温到120℃下保温1小时进行固化。固化条件可根据实际效果调整。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热封装结构，其特征在于，包括：第一覆铜陶瓷基板(62)、第二覆铜陶瓷基板(63)、多个IGBT芯片、多个二极管芯片，其中一部分IGBT芯片正面的发射极表面贴装有石墨烯散热层，所有IGBT芯片背面的集电极通过焊料层连接到缓冲垫片，二极管芯片背面的阴极通过焊料层连接到缓冲垫片，所述缓冲垫片再通过焊料层贴装在第二覆铜陶瓷基板(63)正面的对应位置上；IGBT芯片正面的栅极以及二极管芯片正面的阳极通过焊料层连接到倒置的第一覆铜陶瓷基板(62)正面对应位置，IGBT芯片发射极表面的石墨烯散热层上表面也通过焊料层连接第一覆铜陶瓷基板(62)正面对应位置。

2.根据权利要求1所述的IGBT模块的双面水冷散热封装结构，其特征在于，还包括内部中空的散热器，所述散热器包括内空的上水冷板(66)和下水冷板(67)，水冷板内设有翅柱(70)，上水冷板(66)和下水冷板(67)之间通过密封口(71)连通，下水冷板(67)的进水口(68)和出水口(69)之间设有水泵，水泵推动冷却液体进行循环流动；所述贴装有石墨烯散热层的IGBT芯片贴装在出水口(69)旁；第二覆铜陶瓷基板(63)背面通过焊料层连接到下水冷板(67)内侧表面，并紧密贴合，第一覆铜陶瓷基板(62)背面通过导热硅脂层(60)连接到上水冷板(66)内侧表面，并紧密贴合。

3.根据权利要求1所述的IGBT模块的双面水冷散热封装结构，其特征在于，所述IGBT芯片和二极管芯片数量相同。

4.高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将石墨烯薄膜转移至指定IGBT芯片的发射极表面，使石墨烯膜与芯片表面直接结合，即芯片表面得到石墨烯散热层；

步骤2、在第二覆铜陶瓷基板(63)正面涂覆第一焊料层(7)，将多个缓冲垫片(6)分别贴装在第二覆铜陶瓷基板(63)正面对应位置上；

步骤3、在缓冲垫片(6)上表面涂覆第二焊料层(5)，并将多个IGBT芯片和多个二极管芯片分别贴装在缓冲垫片上表面，其中IGBT芯片包括步骤1得到的具有石墨烯散热层的和没有石墨烯散热层的，将具有石墨烯散热层的IGBT芯片贴装在对应散热器出水口一端；

步骤4、在第一覆铜陶瓷基板(62)正面对应位置涂覆第三焊料层(8)，倒置贴装在步骤3完成结构的对应位置；

步骤5、所述散热器内部中空，包括内空的上水冷板(66)和下水冷板(67)，水冷板内设有翅柱(70)，上水冷板(66)和下水冷板(67)之间通过密封口(71)连通，下水冷板(67)的进水口(68)和出水口(69)之间通过外部的水泵推动空腔内冷却液体进行循环流动；在散热器下水冷板(67)上表面涂敷第四焊料层(61)，将步骤4完成结构的第二覆铜陶瓷基板(63)背面贴装在下水冷板(67)上，放入回流焊机进行焊接；

步骤6、将散热器上水冷板(66)下表面涂敷导热硅脂层(60)，倒置贴装在步骤5完成结构的第一覆铜陶瓷基板(62)背面的对应位置上，固定压紧，使得上水冷板(66)和下水冷板(67)两端通过密封口(71)对接；

步骤7、用塑料外壳(64)将散热器内所有结构封装起来，再采用封装树脂(65)作为封装材料，在塑料外壳(64)中进行注塑灌封，最后将整个结构放在烘箱内加热固化。

5.如权利要求4所述的高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构的加工工艺，其特征在于，所述石墨烯散热层的厚度为30～40μm。