CN110890337A - 一种高功率密度igbt模块的双面混合散热结构 - Google Patents

一种高功率密度igbt模块的双面混合散热结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，包括上层热管、下层热管、上水冷板、下水冷板和功率模块；功率模块的上表面和下表面分别通过与上层热管和下层热管连接，上层热管和下层热管未与功率模块连接的部分通过焊料层相互连接，并且通过焊料层相互连接的部分上层热管的上表面与上水冷板连接，通过焊料层相互连接的部分下层热的下表面与下水冷板连接；功率模块包括IGBT芯片和FWD芯片，双面混合散热结构上下表面位于同一平面。本发明热管和水冷技术相结合的双面混合散热结构，采用上下覆铜基板结构将IGBT的发射极和FWD的阳极通过覆铜基板连接能够为电动汽车和混合动力汽车的动力模块提供一种比目前高功率密度IGBT模块。

Description

一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构
技术领域
本发明涉及一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，属于半导体技术领域以及IGBT设计技术领域。
背景技术
随着发展中国家基础设施活动的增长，对高压机械的需求预计将增长，从而推动市场对大功率IGBT的需求。IGBT在电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)中的应用包括它们在动力传动系和充电器中的应用，用于向电动机输送和控制电力。电动汽车和混合动力汽车应用的快速增长是大功率IGBT技术发展的主要驱动力。评价汽车功率模块的主要标准，如性能、效率、可靠性、成本和体积/重量，通常由功率半导体器件、封装和制造技术决定。
因此为电动汽车和混合动力汽车的动力模块提供一种比目前提出的先进冷却技术更高效的高功率密度IGBT模块是需要解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在为电动汽车和混合动力汽车的动力模块提供一种比目前高功率密度IGBT模块。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
本发明提供一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，其特征在，包括：
上层热管、下层热管、上水冷板、下水冷板和功率模块；所述功率模块的上表面和下表面分别通过与上层热管和下层热管连接，所述上层热管和下层热管未与功率模块连接的部分通过焊料层相互连接，并且通过焊料层相互连接的部分上层热管的上表面与上水冷板连接，通过焊料层相互连接的部分下层热管的下表面与下水冷板连接；所述功率模块包括IGBT芯片和FWD芯片，所述双面混合散热结构上下表面位于同一平面。
进一步地，所述功率模块通过焊料层与上层热管和层热管连接。
进一步地，所述功率模块还包括：第一绝缘基板上铜层、第一绝缘基板、第一绝缘基板下铜层、第二焊料层、第五焊料层、第三覆铜层、第二绝缘基板；下层热管、第一绝缘基板、第四焊料层、第四覆铜层和第三焊料层；
所述IGBT芯片上表面通过第二焊料层与第一绝缘基板下铜层的下表面连接，所述FWD芯片的上表面通过第三焊料层与第一绝缘基板下铜层的下表面连接，所述第一绝缘基板下铜层的上表面与第一绝缘基板的下表面连接，第一绝缘基板的上表面连接第一绝缘基板上铜层的下表面连接，第一绝缘基板上铜层的上表面通过第一焊料层连接上热管；
所述IGBT芯片下表面通过第四焊料层与第二绝缘基板上铜层的上表面连接，所述FWD芯片的下表面通过第五焊料层与第二绝缘基板上铜层的上表面连接，所述第二绝缘基板上铜层的下表面与第二绝缘基板的上表面连接，第二绝缘基板的下表面连接第二绝缘基板下铜层的上表面，第二绝缘基板下铜层的下表面通过第六焊料层与下层热管的上表面连接。
进一步地，通过第二焊料层、第三焊料层、第五焊料层和第四焊料层形成芯片和FWD芯片键合至铜表面的烧结接合部。
进一步地，第二焊料层、第三焊料层、第五焊料层和第四焊料层采用Ag基材料烧结或Cu基材料烧结。
进一步地，第一绝缘基板和第二绝缘基板采用用直流反应溅射沉积AlN－Si3N4膜。
进一步地，所述上水冷板设置有上冷水板针式水冷翅柱，所述上冷水板针式水冷翅柱均连接上冷水板针翅基座；所述下水冷板设置有下冷水板针式水冷翅柱，所述下冷水板针式水冷翅柱均连接下冷水板针翅基座。
进一步地，所述上水冷板两侧分别设置上冷水板进水口和上冷水板出水口；所述下水冷板两侧分别设置下冷水板进水口和下冷水板出水口。
有益技术效果：
本发明热管和水冷技术相结合的双面混合散热结构，采用上下覆铜基板结构将IGBT的发射极和FWD的阳极通过覆铜基板连接，减少键合引线，从而实现双面热管冷却的IGBT封装结构，提升模块的可靠性；该发明芯片与覆铜基板之间的优选焊料层及形成方式有助于发挥材料的高温特性，同时提高热量从芯片到基板的纵向热传导能力，从而降低模块的最高温度，提升模块的使用寿命；能够为电动汽车和混合动力汽车的动力模块提供一种比目前高功率密度IGBT模块。
现有技术连接方法是焊接，但这种焊接方法有严重的缺点。它的熔化温度和加工温度都相对较低，在高温条件下低温性能导致可靠性差。本发明采用烧结铜键合具有无压力、高导热、高可靠性的特点；烧结银键合需要在烧结过程中采用加压工艺；
本发明结合热管和水冷技术，替代现有的单纯水冷技术，将热管冷却方法应用于IGBT功率模块。本发明的双面混合散热结构可以实现体积更小、重量更轻、导热系数更高、免维护的冷却单元。
附图说明
图1是本发明具体实施例的结构示意图；
图2是本发明具体实施例功率模块剖面结构示意图；
图3是本发明具体实施例上下冷水板与上下热管剖面连接结构示意图；
图中标记：1:上层热管；2：第一焊料层；3：第一绝缘基板上铜层；4：第一绝缘基板下铜层；5：FWD芯片；6：第五焊料层；7：第二绝缘基板上铜层；8：第二绝缘基板；9：下层热管；10：第一绝缘基板；11：第二焊料层；12：IGBT芯片；13：第四焊料层；14：第二绝缘基板下铜层；15：第六焊料层；16：第三焊料层；17：上冷水板针式水冷翅柱；18：上水冷板；19：下水冷板；20：上冷水板进水口；21：上冷水板出水口；22：下冷水板进水口；23：下冷水板出水口；24：第七焊料层；25：第八焊料层；26：第九焊料层。27：上冷水板针翅基座；28：下冷水板针式水冷翅柱；29：下冷水板针翅基座；30：功率模块。
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。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
图1是本发明具体实施例的结构示意图；如图1所示，本实施例提供了一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，包括：上层热管(1)、下层热管(9)、上水冷板(18)、下水冷板(19)(下水冷板(19)图中未示出)和功率模块(30)；所述功率模块(30)的上表面和下表面分别通过与上层热管(1)和下层热管(9)连接，所述上层热管(1)和下层热管(9)未与功率模块(30)连接的部分通过焊料层相互连接，并且通过焊料层相互连接的部分上层热管(1)的上表面与上水冷板(18)连接，通过焊料层相互连接的部分下层热管(9)的下表面与下水冷板(19)连接；所述功率模块(30)包括IGBT芯片(12)和FWD芯片(5)，所述双面混合散热结构上下表面位于同一平面。
在以上实施例的基础上，所述功率模块通过焊料层与上层热管(1)和层热管(9)连接。
在以上实施例的基础上，图2是本发明具体实施例功率模块结构示意图；如图2所示所述功率模块(30)还包括：第一绝缘基板上铜层(3)、第一绝缘基板(10)、第一绝缘基板下铜层(4)、第二焊料层(11)、第五焊料层(6)、第三覆铜层(7)、第二绝缘基板(8)；下层热管(9)、第一绝缘基板(10)、第四焊料层(13)、第四覆铜层(14)和第三焊料层(16)；
所述IGBT芯片(12)上表面通过第二焊料层(11)与第一绝缘基板下铜层(4)的下表面连接，所述FWD芯片(5)的上表面通过第三焊料层(16)与第一绝缘基板下铜层(4)的下表面连接，所述第一绝缘基板下铜层(4)的上表面与第一绝缘基板(10)的下表面连接，第一绝缘基板(10)的上表面连接第一绝缘基板上铜层(3)的下表面连接，第一绝缘基板上铜层(3)的上表面通过第一焊料层(2)连接上热管(3)；
所述IGBT芯片(12)下表面通过第四焊料层(13)与第二绝缘基板上铜层(7)的上表面连接，所述FWD芯片(5)的下表面通过第五焊料层(6)与第二绝缘基板上铜层(7)的上表面连接，所述第二绝缘基板上铜层(7)的下表面与第二绝缘基板(8)的上表面连接，第二绝缘基板(8)的下表面连接第二绝缘基板下铜层(14)的上表面，第二绝缘基板下铜层(14)的下表面通过第六焊料层(15)与下层热管(9)的上表面连接。
作为本发明的具体实施例的变形，在上热管和下热管之间的两个绝缘基本之间，可以放置多个功率模块，所述功率模块由IGBT芯片以及FWD芯片组成。IGIGBT芯片以及FWD芯片交错放置，利于抑制热耦合。上下水冷板中间取决于芯片的热耗散热功率可以设置多个热管散热单元，所述热管散热单元包括上热管和下热管以及上热管和下热管之间两个绝缘基本之间设置的功率模块。
为了显著提高模具与绝缘基板之间的热导率，具体实施中可采用AlN-DBC(直接键合Cu)、AlN-DBAg(直接键合Ag)或Si3N4-DBC、Si3N4-DBAg。更高的导热绝缘体和DBC或DBAg能够应用烧结连接技术或钎焊技术而无需焊接接头。
本发明通过将绝缘基板下铜层和下铜层通过焊料层连接在热管表面，去除了基板与散热片之间热阻较高的热脂。因此，大大提高了热传导和高温运行的可靠性。
进一步地，通过第二焊料层(11)、第三焊料层(16)、第五焊料层(6)和第四焊料层(13)形成芯片(11)和FWD芯片(12)键合至铜表面的烧结接合部。
在以上实施例的基础上，优选地，第二焊料层(11)、第三焊料层(16)、第五焊料层(6)和第四焊料层(13)采用Ag基材料烧结或Cu基材料烧结。
在以上实施例的基础上，优选地，第一绝缘基板(7)和第二绝缘基板(16)采用直流反应溅射沉积AlN－Si3N4膜。在其他实施例中也可采用Al-Ni-Ag溅射作为顶电极形成技术。
图3是本发明具体实施例上下冷水板与上下热管连接结构示意图；图3示出了上层热管(1)和下层热管(9)未与功率模块(30)连接的部分通过第八焊料层(25)相互连接，并且相互连接的部分上层热管(1)的上表面通过第七焊料层(24)与上水冷板(18)连接，相互连接的部分下层热管(9)的下表面第九焊料层(26)与下水冷板(19)连接；冷凝器部分(散热)采用小型水冷装置，使冷却系统迅速由气体变为液体，然后液体通过灯芯进入蒸发部分(散热)。图3显示了冷凝器部分的详细结构。如图3所示上水冷板(18)设置有上冷水板针式水冷翅柱(17)，上冷水板针式水冷翅柱(17)均连接上冷水板针翅基座(27)；下水冷板(19)设置有下冷水板针式水冷翅柱(28)，下冷水板针式水冷翅柱(28)均连接下冷水板针翅基座(29)。上水冷板(18)两侧分别设置上冷水板进水口(20)和上冷水板出水口(21)；下水冷板(19)两侧分别设置下冷水板进水口(22)和下冷水板出水口(23)。
本发明用特殊焊料层代替芯片与基板之间的普通焊料层，有助于发挥材料的高温特性，同时提高热量从芯片到基板的纵向热传导能力，从而降低模块的最高温度，提升模块的使用寿命；为了显著提高模具与绝缘基板之间的热导率，采用烧结连接技术或钎焊技术而无需焊接接头，实基板与散热片单元的连接，现了更高效的大功率IGBT模块。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，其特征在，包括：
上层热管(1)、下层热管(9)、上水冷板(18)、下水冷板(19)和功率模块(30)；所述功率模块(30)的上表面和下表面分别通过与上层热管(1)和下层热管(9)连接，所述上层热管(1)和下层热管(9)未与功率模块(30)连接的部分通过焊料层相互连接，并且通过焊料层相互连接的部分上层热管(1)的上表面与上水冷板(18)连接，通过焊料层相互连接的部分下层热管(9)的下表面与下水冷板(19)连接；所述功率模块(30)包括IGBT芯片(12)和FWD芯片(5)，所述双面混合散热结构上下表面位于同一平面。
2.根据权利要求1所述的一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，其特征在，所述功率模块通过焊料层与上层热管(1)和层热管(9)连接。
3.根据权利要求1所述的一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，其特征在，所述功率模块(30)还包括：第一绝缘基板上铜层(3)、第一绝缘基板(10)、第一绝缘基板下铜层(4)、第二焊料层(11)、第五焊料层(6)、第三覆铜层(7)、第二绝缘基板(8)；下层热管(9)、第一绝缘基板(10)、第四焊料层(13)、第四覆铜层(14)和第三焊料层(16)；
所述IGBT芯片(12)上表面通过第二焊料层(11)与第一绝缘基板下铜层(4)的下表面连接，所述FWD芯片(5)的上表面通过第三焊料层(16)与第一绝缘基板下铜层(4)的下表面连接，所述第一绝缘基板下铜层(4)的上表面与第一绝缘基板(10)的下表面连接，第一绝缘基板(10)的上表面连接第一绝缘基板上铜层(3)的下表面连接，第一绝缘基板上铜层(3)的上表面通过第一焊料层(2)连接上热管(3)；
所述IGBT芯片(12)下表面通过第四焊料层(13)与第二绝缘基板上铜层(7)的上表面连接，所述FWD芯片(5)的下表面通过第五焊料层(6)与第二绝缘基板上铜层(7)的上表面连接，所述第二绝缘基板上铜层(7)的下表面与第二绝缘基板(8)的上表面连接，第二绝缘基板(8)的下表面连接第二绝缘基板下铜层(14)的上表面，第二绝缘基板下铜层(14)的下表面通过第六焊料层(15)与下层热管(9)的上表面连接。
4.根据权利要求3所述的一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，其特征在，通过第二焊料层(11)、第三焊料层(16)、第五焊料层(6)和第四焊料层(13)形成芯片(11)和FWD芯片(12)键合至铜表面的烧结接合部。
5.根据权利要求4所述的一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，其特征在，第二焊料层(11)、第三焊料层(16)、第五焊料层(6)和第四焊料层(13)采用Ag基材料烧结或Cu基材料烧结。
6.根据权利要求1所述的一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，其特征在，第一绝缘基板(7)和第二绝缘基板(16)采用用直流反应溅射沉积AlN－Si3N4膜。
7.根据权利要求1所述的一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，其特征在，所述上水冷板(18)设置有上冷水板针式水冷翅柱(17)，所述上冷水板针式水冷翅柱(17)均连接上冷水板针翅基座(27)；所述下水冷板(19)设置有下冷水板针式水冷翅柱(28)，所述下冷水板针式水冷翅柱(28)均连接下冷水板针翅基座(29)。
8.根据权利要求1所述的一种高功率密度IGBT模块的双面混合散热结构，其特征在，所述上水冷板(18)两侧分别设置上冷水板进水口(20)和上冷水板出水口(21)；所述下水冷板(19)两侧分别设置下冷水板进水口(22)和下冷水板出水口(23)。
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