CN113838821A - 一种用于SiC平面封装结构的散热件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于SiC平面封装结构的散热件及其制备方法，散热件包括铜针翅、绝缘介质层和金属层，所述铜针翅包括铜板和排布在所述铜板一面上的针翅，所述绝缘介质层和金属层依次设置在所述铜板的另一面上，所述铜针翅、绝缘介质层和金属层一体成型。采用了一体化基板直接水冷散热结构，相较于传统的散热模式，少了一层基板和一层焊接还有涂敷层热阻，再加上高效的水冷方式，冷却效率将会大幅提升。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子器件散热封装，尤其涉及一种用于SiC平面封装结构的散热件及其制备方法。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),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，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。大功率电力电子IGBT模块在国民经济各个领域具有举足轻重的作用，成为目前世界学术界及工业领域研究的热点。随着对IGBT模块的功率密度、应用温度、可靠性等性能要求越来越高，芯片内部发热功率也在急剧增加，器件最大工作温度已接近175℃。为了满足大电流、高功率密度应用需求，芯片结温不能够超过最大可持续操作结温，所以芯片结温必须要控制在一个合理的范围内。
现有的IGBT功率器件芯片基板封装结构一般是DBC+焊锡层+铜板的一个结构，再通过涂敷散热硅脂的方式与外部散热器连接，这种结构产生的热阻比较大，不利于功率器件芯片散热。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种用于SiC平面封装结构的散热件，包括铜针翅、绝缘介质层和金属层，所述铜针翅包括铜板和排布在所述铜板一面上的针翅，所述绝缘介质层和金属层依次设置在所述铜板的另一面上，所述铜针翅、绝缘介质层和金属层一体成型。
将铜针翅中的针翅浸入在水槽中，从而实现散热器件得水冷散热。
优选地，所述绝缘介质层上方为金属层，所述金属层包括分开预设距离设置的第一金属层和第二金属层。
所述金属层材料优选铜或铝金属，并根据焊接或烧结要求进行镀层，如镀镍、银或金等。
一体化基板由金属层+陶瓷层或树脂绝缘层+厚铜针翅层直接利用一体成型工艺制造出来，一体化基板上可以采用焊接或烧结的方式搭载功率器件芯片，然后在功率器件芯片表面采用相同的焊接或烧结方式连接功率端子引线框架，最后在进行密封。
此模块与水冷槽连接，针翅浸入冷却液，冷却液通过入水口进入，流过针翅缝隙，出水口流出，带走热量。
优选地，所述第一金属层长度与所述第二金属层长度的关系根据封装电流等级，芯片尺寸及电路布局确定，在半桥电路结构中，第一金属层与第二金属层承载芯片数目相同，其尺寸也基本相同。
优选地，所述SiC平面封装结构还包括功率器件芯片、第一功率端子引线框架和第二功率端子引线框架，功率器件芯片设置在所述第一功率端子引线框架和所述第一金属层之间，所述第二功率端子引线框架设置在所述第二金属层上。
优选地，所述功率器件芯片与所述第一功率端子引线框架之间，所述功率器件芯片与所述第一金属层之间，所述第二功率端子引线框架与所述第二金属层之间，均通过连接材料相接，所述连接材料选自：焊锡片、锡膏、纳米银材料、纳米铜材料中的一种。
优选地，所述铜板厚度范围为：2mm-5mm，所述针翅高度范围为：3mm-8mm，所述相邻两个针翅之间间距范围为：1mm-3mm。
优选地，所述铜板、所述绝缘介质层、所述金属层、所述功率器件芯片、所述第一功率端子引线框架和所述第二功率端子引线框架由环氧树脂密封。
一种制备上述SiC平面封装结构的散热件的制备方法，包括以下制备步骤：
S1.一体化基板；
S2.搭载功率器件芯片，及安装第一功率端子引线框架、第二功率端子引线框架，烧结；
第一功率端子引线框架、第二功率端子引线框架统称功率端子引线框架。
功率器件芯片跟功率端子引线框架通过焊接或烧结(银、铜烧结)到一体化基板上。焊接方式：采用无铅焊锡的方式，比如：在功率器件芯片上下方分别放置相应大小的焊锡片，功率器件芯片下方经焊接或低温烧结放置一体化基板上，功率端子引线框架放置功率器件芯片上方的焊锡片上方，再通过氢气一体化真空炉，形成最终器件。
此处的功率端子引线框架与功率器件芯片跟为平面接触，由于接触为平面接触，所以热阻将会减小很多，同时起到散热的作用，相比于传统的引线键合工艺，降低了互连寄生电感，增加了通流能力，使功率元器件芯片表面温度分布均匀，短路过载能力也相应提高；由于不存在键合线因为功率循环引起的失效模式，因此此种方式具有的可靠性更高了。功率端子引线框架材质可为镀锡的铜等材质。芯片栅极通过铝线或铜线键合引出到栅极辅助端子。
S3.通过密封材料密封器件；
通过转模灌封、或外壳+树脂灌封的方式进行密封。该密封结构主要起到绝缘密封，保护内部电路结构，防止氧化的作用。
所述S1包括以下步骤：
S1.1.在铜板上一面制备铜针翅结构；
S1.2.在铜板另一面通过覆铜工艺或活性金属钎焊工艺制备绝缘介质层和金属层。
再通过焊接或银/铜烧结连接，焊接条件：温度200-250℃，焊接时间10-30分钟；烧结条件：温度200℃-300℃，烧结时间10-30分钟，压力辅助15-20MPa，形成器件。
优选地，所述制备铜针翅的工艺为厚铜注模工艺。
优选地，所述密封材料选自：环氧树脂、硅橡胶、聚酰亚胺等中的一种或多种。
本发明设计了一种平面SiC封装结构及方法，由于采用了一体化基板直接水冷散热结构，相较于传统的散热模式，少了一层基板和一层焊接还有涂敷层热阻，再加上高效的水冷方式，冷却效率将会大幅提升，同样面积的封装结构，功率器件芯片的功率密度能够得以提升，再基于一体化基板的高稳定性能，因此，此封装结构将会具有高可靠性、高功率密度的特性，与传统封装散热模式相比，散热效果更加高效，对于同等功率的传统封装模式可以大大减小终端设备的封装体积，节约设备成本，减少能源浪费。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图中：1.一体化基板；2.针翅；3.铜板；4.绝缘介质层；5.第一金属层；6.第二金属层；7.连接材料；8.功率器件芯片；9.第一功率端子引线框架；10.第二功率端子引线框架；11.密封结构；12.水冷槽。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
实施例1
如图1所示，一种用于SiC平面封装结构的散热件，包括铜针翅、绝缘介质层4和金属层，所述铜针翅包括铜板3和排布在所述铜板3一面上的针翅2，所述绝缘介质层4和金属层依次设置在所述铜板3的另一面上，所述铜针翅、绝缘介质层4和金属层一体成型。
在一个优选地实施例中，所述金属层包括分开预设距离设置的第一金属层5和第二金属层6。
在一个优选地实施例中，所述第一金属层5长度是所述第二金属层6的2～4倍。
在一个优选地实施例中，所述SiC平面封装结构还包括第一功率端子引线框架9和第二功率端子引线框架10，功率器件芯片8设置在所述第一功率端子引线框架9和所述第一金属层5之间，所述第二功率端子引线框架10设置在所述第二金属层6上。
在一个优选地实施例中，所述功率器件芯片8与所述第一功率端子引线框架9之间，所述功率器件芯片8与所述第一金属层5之间，所述第二功率端子引线框架10与所述第二金属层6之间，均通过连接材料7相接，所述连接材料7选自：焊锡片、锡膏、纳米银材料、纳米铜材料中的一种。
在一个优选地实施例中，所述铜板3厚度范围为：2mm～5mm；和/或，所述针翅2高度范围为3mm～8mm；和/或，所述相邻两个针翅2之间间距范围为：1mm～3mm。
在一个优选地实施例中，所述铜板3、所述绝缘介质层4、所述金属层、所述功率器件芯片8、所述第一功率端子引线框架9和所述第二功率端子引线框架10由环氧树脂密封。
一种制备SiC平面封装结构的散热件的制备方法，包括以下制备步骤：
S1.制备一体化基板1；
S2.搭载功率器件芯片8，及安装功率端子引线框架，烧结；
S3.通过密封材料密封器件；
所述S1包括以下步骤：
S1.1.在铜板3上一面制备针翅2结构；
S1.2.在铜板3另一面通过覆铜工艺或活性金属钎焊工艺制备陶瓷层和金属层。
在一个优选地实施例中，所述制备铜针翅的工艺为厚铜注模工艺。
在一个优选地实施例中，所述密封材料选自：环氧树脂、硅橡胶、聚酰亚胺等中的一种。
将上述密封后得器件放在水冷槽12上，针翅2浸入冷却液，冷却液通过入水口进入，流过针翅2缝隙，出水口流出，带走热量，一体化基板1直接水冷散热结构，少了一层基板和一层焊接还有涂敷层热阻，再加上高效的水冷方式，冷却效率将会大幅提升，同样面积的封装结构，功率器件芯片8的功率密大幅度提升。
实施例2
第一步：制备一体化基板1。一体化基板1自上而下使用材料：铜+陶瓷层+铜板3+针翅2。铜板3厚度为3mm，针翅2高度为5mm，相邻两个针翅2之间得间距为2mm；形成一体化基板1的方案为直接覆铜陶瓷基板的底部厚针翅2结构，这种一体化基板1结构采用高温氧化衬板工艺跟注模针翅2工艺形成。一体化基板1的制造过程如下：
步骤一：通过厚铜注模工艺形成铜针翅结构
步骤二：通过DBC高温氧化衬板工艺形成一体化基板1结构：铜+陶瓷层+铜板3+针翅2。
第二步：搭载功率器件芯片8跟安装功率端子引线框架。功率器件芯片8跟功率端子引线框架焊接到一体化基板1上。焊接方式：采用无铅焊锡的方式，在功率器件芯片8上下方分别放置相应大小的焊片，功率器件芯片8下方经焊接层放置一体化基板1上，功率端子引线框架放置功率器件芯片8上方的焊锡片上方，再通过焊接，焊接条件：温度200-250℃，焊接时间20分钟，形成器件。
第三步：密封，通过转模灌封方式用环氧树脂进行密封。
最后形成的散热结构为：一体化基板1包括：铜板3、针翅2、陶瓷层、铜层；铜板3一面与针翅2连接，铜板3另一面放置陶瓷层，陶瓷层上方为第一金属层5和第二金属层6。第一金属层5一面通过焊接与功率器件芯片8连接，功率器件芯片8另一面通过焊接与第一功率端子引线框架9连接，第二功率端子引线框架10通过焊接连接第二金属层6；铜板3厚度为：3mm；所述针翅2高度为：5mm，所述相邻两个针翅2之间间距为：2mm。环氧树脂将一体化基板1中的陶瓷层、铜层以及功率元器件和功率端子引线框架密封在密封结构11内部。
将上述密封后的器件放在水冷槽12上，针翅2浸入冷却液，冷却液通过入水口进入，流过针翅2缝隙，出水口流出，带走热量。
实施例3
第一步：制备一体化基板1。一体化基板1自上而下使用材料：铜+树脂+铜板3+针翅2。铜板3厚度为2mm，针翅2高度为3mm，相邻两个针翅2之间得间距为2mm；形成一体化基板1的方案为直接覆铜陶瓷基板的底部厚铜针翅结构，这种一体化基板1结构采用高温氧化衬板工艺跟注模针翅2工艺形成。一体化基板1的制造过程如下：
步骤一：通过厚铜注模工艺形成铜针翅结构
步骤二：通过DBC高温氧化衬板工艺形成一体化基板1结构：铜+树脂+铜板3+针翅2。
第二步：搭载功率器件芯片8跟安装功率端子引线框架。功率器件芯片8跟功率端子引线框架通过烧结到一体化基板1上。烧结的方式：在功率器件芯片8上下方分别涂抹纳米银/铜膏，功率器件芯片8下方放置一体化基板1上，功率端子引线框架放置功率器件芯片8上方的纳米铜膏上方，再通过真空烧结炉进行键合，烧结条件：温度250℃，烧结时间10分钟，压力辅助15-20MPa，形成器件。。
第三步：密封，通过转模灌封方式用环氧树脂进行密封。
最后形成的散热结构为：一体化基板1包括：铜板3、针翅2、树脂、铜层；铜板3一面与针翅2连接，铜板3另一面放置树脂，树脂上方为第一金属层5和第二金属层6。第一金属层5一面通过纳米铜膏与功率器件芯片8连接，功率器件芯片8另一面通过纳米铜膏与第一功率端子引线框架9连接，第二功率端子引线框架10通过纳米铜膏连接第二金属层6；铜板3厚度为：2mm；所述针翅2长度为：3mm，所述相邻两个针翅2之间间距为：2mm。环氧树脂将一体化基板1中的陶瓷层、铜层以及功率元器件和功率端子引线框架密封在密封结构11内部。
将上述密封后的器件放在水冷槽12上，针翅2浸入冷却液，冷却液通过入水口进入，流过针翅2缝隙，出水口流出，带走热量。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种用于SiC平面封装结构的散热件，其特征在于，包括铜针翅、绝缘介质层和金属层，所述铜针翅包括铜板和排布在所述铜板一面上的针翅，所述绝缘介质层和金属层依次设置在所述铜板的另一面上，所述铜针翅、绝缘介质层和金属层一体成型。
2.如权利要求1所述的一种用于SiC平面封装结构的散热件，其特征在于，所述绝缘介质层上方为金属层，所述金属层包括分开预设距离设置的第一金属层和第二金属层。
3.一种用于SiC平面封装结构的散热件，其特征在于，包括权利要求1至2任一所述散热件，所述SiC平面封装结构还包括功率器件芯片、第一功率端子引线框架和第二功率端子引线框架，所述功率器件芯片设置在所述第一功率端子引线框架和所述第一金属层之间，所述第二功率端子引线框架设置在所述第二金属层上。
4.如权利要求3所述的SiC平面封装结构的散热件，其特征在于，所述功率器件芯片与所述第一功率端子引线框架之间，所述功率器件芯片与所述第一金属层之间，所述第二功率端子引线框架与所述第二金属层之间，均通过连接材料相接，所述连接材料选自：焊锡片、锡膏、纳米银材料、纳米铜材料中的一种。
5.如权利要求1所述的SiC平面封装结构的散热件，其特征在于，所述铜板厚度范围为：2mm～5mm，所述针翅高度范围为：3mm～8mm，所述相邻两个针翅之间间距范围为：1mm～3mm。
6.如权利要求1所述的SiC平面封装结构的散热件，其特征在于，所述铜板、所述绝缘介质层、所述金属层、所述功率器件芯片、所述第一功率端子引线框架和所述第二功率端子引线框架由环氧树脂密封。
7.一种制备如权利要求1-6任一所述的SiC平面封装结构的散热件的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
S1.一体化基板；
S2.搭载功率器件芯片，及安装第一功率端子引线框架、第二功率端子引线框架，烧结；
S3.通过密封材料密封器件；
所述S1包括以下步骤：
S1.1.在铜板上一面制备铜针翅结构；
S1.2.在铜板另一面通过覆铜工艺或活性金属钎焊工艺制备绝缘介质层和金属层。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备铜针翅的工艺为厚铜注模工艺。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述密封材料选自：环氧树脂、硅橡胶、聚酰亚胺中的一种。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN116230666A (zh) * | 2023-05-05 | 2023-06-06 | 烟台台芯电子科技有限公司 | 一种dbc双面微通道制冷igbt模块及其制造方法 |
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2020
- 2020-06-24 CN CN202010591179.8A patent/CN113838821A/zh active Pending
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