CN114334872A - 具有散热结构的电力电子器件igbt模块及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块及制备方法，属于电力电子制造和封测技术领域。所述具有散热结构的电力电子器件IGBT模块包括：键合线、IGBT芯片、FRD芯片、焊料层、DBC基板、导热脂层、散热结构以及微泵；所述散热结构包括两面加工有AlSiC介质层的微流道铜基板。所述AlSiC介质层通过激光冲击强化的制造工艺加工到微流道铜基板的两侧，使得本发明所述散热结构具有较低的热膨胀系数、高强的热传导系数和廉价的成本，可以高效的将模块产生的热量耗散，实现快速降温。本发明解决了现有IGBT模块散热系统重量大、制作成本高且散热性能弱的问题，能够有效缓解散热器散热不均衡问题，从而提升器件可靠性及使用寿命。

Description

具有散热结构的电力电子器件IGBT模块及制备方法
技术领域
本发明涉及电力电子制造和封测技术领域，特别是涉及一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块及制备方法。
背景技术
随着后摩尔时代的到来，电子元器件的封装技术由传统的二维封装向2.5维（2.5D）或更高级别的三维（3D）封装方向发展。3D封装技术虽然提高了电子元器件运行速度、实现了电子设备的小型化和多功能化，但是也导致器件所产生的热量进一步的集中，采用常规的热传导技术已经无法实现热量有效传导。在现代电子元器件中，有相当一部分功率转化为热的形式，耗散产生的热量严重威胁电子设备的运行可靠性。
由于功率器件的高散热性，热管理在功率封装设计中是一个更为关键的方面。“热管理”的问题已经成为阻碍现代电子元器件发展的首要问题之一。电力电子器件的热管理指的是通过高效的散热技术和合理的结构设计实现器件的高散热性能。而随着IGBT模块集成度的不断提高、热流密度的不断增加，如何实现高效的散热制约着大功率IGBT模块广泛的应用。因此，确有必要对现有散热技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块及制备方法，以解决现有技术中IGBT模块散热系统重量大、制作成本高且散热性能弱的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块，包括：键合线、IGBT芯片、FRD芯片、焊料层、DBC基板、导热脂层、散热结构以及微泵；所述散热结构包括两面加工有AlSiC介质层的微流道铜基板；
所述FRD芯片通过所述键合线与所述IGBT芯片相连接；所述FRD芯片以及所述IGBT芯片通过所述焊料层连接到所述DBC基板上表面；所述散热结构通过所述导热脂层直接连接到所述DBC基板下表面；所述微流道铜基板内部预制有微流道，所述微流道通过所述微泵驱动。
可选地，所述焊料层由高导热率材料构成；所述高导热率材料包括SAC305、纳米银、纳米铜或混合型的焊接材料。
可选地，所述DBC基板包括陶瓷层以及设置在所述陶瓷层两面的上铜层和下铜层；所述FRD芯片以及所述IGBT芯片通过所述焊料层连接到所述上铜层；所述散热结构通过所述导热脂层连接到所述下铜层；所述陶瓷层由高导热率材料构成，所述高导热率材料包括Al2O3、AlN、ZTA、SiN。
可选地，所述微流道的形状包括扇形、矩形。
可选地，所述AlSiC介质层的厚度为1毫米。
一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块的制备方法，所述制备方法包括：
准备铜基板；
对所述铜基板进行微纳加工，在所述铜基板中预制好散热微流道，形成微流道铜基板；
通过激光冲击强化工艺在所述微流道铜基板两面加工AlSiC介质层，形成散热结构；
将键合线、IGBT芯片、FRD芯片、焊料层、DBC基板、导热脂层、所述散热结构以及微泵通过封装测试工艺进行封装，使得所述FRD芯片通过所述键合线与所述IGBT芯片相连接，所述FRD芯片以及所述IGBT芯片通过所述焊料层连接到所述DBC基板上表面，所述散热结构通过所述导热脂层直接连接到所述DBC基板下表面，所述微流道通过所述微泵驱动，形成所述具有散热结构的电力电子器件IGBT模块。
可选地，所述微纳加工包括湿法刻蚀、反应离子刻蚀、微铣加工和激光烧蚀技术。
可选地，所述通过激光冲击强化工艺在所述微流道铜基板两面加工AlSiC介质层，形成散热结构，具体包括：
将铝粉和SiC粉放置在所述微流道铜基板两面，通过激光冲击强化工艺在所述微流道铜基板两面加工出AlSiC介质层，形成所述散热结构；所述铝粉和SiC粉的比例为1 ：1。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块及制备方法，所述具有散热结构的电力电子器件IGBT模块包括：键合线、IGBT芯片、FRD芯片、焊料层、DBC基板、导热脂层、散热结构以及微泵；所述散热结构包括两面加工有AlSiC介质层的微流道铜基板。所述AlSiC介质层通过激光冲击强化（Laser Shock Peening，LSP）的制造工艺加工到微流道铜基板的两侧，使得本发明所述散热结构具有较低的热膨胀系数（coefficient ofthermal expansion，CTE）、高强的热传导系数和廉价的成本，可以高效的将模块产生的热量耗散，实现快速降温。本发明解决了现有IGBT模块散热系统重量大、制作成本高且散热性能弱的问题，能够有效缓解散热器散热不均衡问题，从而提升器件可靠性及使用寿命。
此外，本发明具有散热结构的电力电子器件IGBT模块的焊料层以及DBC基板的陶瓷层均采用高导热率材料，能够进一步提高散热性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的具有散热结构的电力电子器件IGBT模块的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的具有散热结构的电力电子器件IGBT模块的制备方法的示意图；
图3为本发明实施例提供的电力电子器件IGBT模块的散热结构中铜基板预制扇形微流道的结构俯视图；
图4为本发明实施例提供的铜基板预制扇形微流道的仿真效果图；
符号说明：
键合线1、IGBT芯片2、焊料层3、上铜层4、陶瓷层5、导热脂层6、AlSiC介质层7、微流道铜基板8、微流道9、微泵10、FRD芯片11、下铜层12、微流道入口13、微流道出口14。
具体实施方式
下面将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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块及制备方法，以解决现有技术中IGBT模块散热系统重量大、制作成本高且散热性能弱的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的具有散热结构的电力电子器件IGBT模块的结构示意图。参见图1，所述具有散热结构的电力电子器件IGBT模块包括：键合线1、IGBT芯片2、FRD芯片11、焊料层3、DBC基板、导热脂层6、散热结构以及微泵10。其中，所述DBC（Direct BondingCopper）基板包括陶瓷层5以及设置在所述陶瓷层5两面的上铜层4和下铜层12。所述散热结构包括两面加工有AlSiC介质层7的微流道铜基板8。
具体地，所述FRD芯片11通过所述键合线1与所述IGBT芯片2相连接。所述FRD芯片11以及所述IGBT芯片2通过所述焊料层3连接到所述DBC基板上表面，即所述FRD芯片11以及所述IGBT芯片2通过所述焊料层3连接到所述上铜层4。在实际应用中，所述上铜层4表面通过图形化工艺制备有预设图案，IGBT芯片2和FRD芯片11根据预设图案进行布置。
所述焊料层3由高导热率材料构成，例如SAC305（96.5%Sn、3.0%Ag、0.5%Cu）、纳米银、纳米铜或混合型的焊接材料。所述陶瓷层5也由高导热率材料构成，例如Al2O3、AlN、ZTA（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）、SiN。
所述散热结构通过所述导热脂层6直接连接到所述DBC基板下表面，即，所述微流道铜基板8上表面加工的AlSiC介质层7通过所述导热脂层6连接到所述下铜层12。在实际应用中，所述导热脂层6上表面与所述下铜层12下表面的面积相同。
所述微流道铜基板8内部预制有微流道9，所述微流道9通过所述微泵10驱动。在实际应用中，所述微流道9的形状可以为扇形、矩形，但不限于此。
在实际应用中，所述微流道铜基板8两面加工的AlSiC介质层7的厚度可相同也可不同，厚度可为1毫米，但不限于此。
图2为本发明实施例提供的具有散热结构的电力电子器件IGBT模块的制备方法的示意图。参见图2，本发明还提供一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块的制备方法，所述制备方法包括：
步骤1）：准备铜基板。
步骤2）：对所述铜基板进行微纳加工，在所述铜基板中预制好散热微流道，形成微流道铜基板。
设计好微流道9的结构，通过对铜基板进行微纳加工，使得铜基板中预制好散热微流道9。微纳加工可以是湿法刻蚀、反应离子刻蚀、微铣加工和激光烧蚀等技术，但不限于此。微纳加工出的微流道结构可以是扇形、矩形等形状，但不限于此。
在实际应用中，通过计算IGBT模块的功率损耗，以及微流道流体的雷诺数，设计好微流道的尺寸。图3为本发明实施例提供的电力电子器件IGBT模块的散热结构中铜基板预制扇形微流道的结构俯视图。本发明以扇形微流道结构为例，通过对铜基板进行微纳加工，本发明以微铣加工技术为例，首先利用微铣刀具在平面金属板上加工出半圆形的流道作为模板，然后微铣图形通过两次反向模铸工艺转换到铜基板上，最后通过对齐和键合制造出微流道9。微流道9具有微流道入口13和微流道出口14。
图4为本发明实施例提供的铜基板预制扇形微流道的仿真效果图。由图4可以看出，微流道铜基板上加工的扇形微流道具有很好的散热效果。
步骤3）：通过激光冲击强化工艺在所述微流道铜基板两面加工AlSiC介质层，形成散热结构。
将铝粉和SiC粉放置在所述微流道铜基板8两面，通过激光冲击强化（LSP）工艺，利用强激光束产生的等离子冲击波，在微流道铜基板8两面加工出AlSiC（铝碳化硅）材质的AlSiC介质层7，形成所述散热结构。
激光冲击工艺后的两侧LSP-AlSiC介质层7的厚度可相同也可不同，厚度可为1毫米，但不限于此。
铝粉和SiC粉的比例可以是1 ：1，但不限于此。
步骤4）：将键合线1、IGBT芯片2、FRD芯片11、焊料层3、DBC基板、导热脂层6、所述散热结构以及微泵10通过封装测试工艺进行封装，使得所述FRD芯片11通过所述键合线1与所述IGBT芯片2相连接，所述FRD芯片11以及所述IGBT芯片2通过所述焊料层3连接到所述DBC基板上表面，所述散热结构通过所述导热脂层6直接连接到所述DBC基板下表面，所述微流道9通过所述微泵10驱动，形成所述具有散热结构的电力电子器件IGBT模块，如图1所示。
在实际应用中，所示封装测试工艺可以包括丝网印刷、贴片、回流焊接、超声清洗、引线键合、塑封、灌胶、固化、加盖以及其他测试工艺。
具体地，在DBC基板（覆铜陶瓷基板）的上铜层4的上表面通过丝网印刷工艺印刷一定的焊膏，之后将芯片（包括IGBT芯片2和FRD芯片11）放置在DBC基板上铜层4上；同步进行回流焊接，实现芯片和DBC基板之间的连接。由于焊膏在回流过程中可能会对表面产生污染，因此采用超声清洗；之后进入超声键合工艺，实现芯片之间、芯片和DBC基板之间以及引线端子之间的连接。
在DBC基板（覆铜陶瓷基板）的下铜层10的下表面通过丝网印刷工艺印刷一定的导热脂层6，之后将散热结构通过导热脂层6贴合DBC基板下铜层10，实现散热结构和DBC基板之间的连接。
之后是塑封工艺，点胶后加装底板，对模块内部灌胶并抽真空，得到具有新型散热结构的电力电子器件IGBT模块成品。
本发明提出了一种具有新型散热结构的电力电子器件IGBT模块及其制造工艺，解决了现有IGBT模块散热系统重量大、制作成本高且散热性能弱的问题。同时，提出的LSP-AlSiC铜基板具有较低的热膨胀系数（CTE）、高强的热传导系数和廉价的成本，可以高效的将模块产生的热量耗散，实现快速降温，能够有效缓解散热器散热不均衡，从而提升器件可靠性及使用寿命。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块，其特征在于，包括：键合线、IGBT芯片、FRD芯片、焊料层、DBC基板、导热脂层、散热结构以及微泵；所述散热结构包括两面加工有AlSiC介质层的微流道铜基板；所述AlSiC介质层通过激光冲击强化工艺在所述微流道铜基板两面加工制得；
所述FRD芯片通过所述键合线与所述IGBT芯片相连接；所述FRD芯片以及所述IGBT芯片通过所述焊料层连接到所述DBC基板上表面；所述散热结构通过所述导热脂层直接连接到所述DBC基板下表面；所述微流道铜基板内部预制有微流道，所述微流道通过所述微泵驱动。
2.根据权利要求1所述的具有散热结构的电力电子器件IGBT模块，其特征在于，所述焊料层由高导热率材料构成；所述高导热率材料包括SAC305、纳米银或纳米铜。
3.根据权利要求1所述的具有散热结构的电力电子器件IGBT模块，其特征在于，所述DBC基板包括陶瓷层以及设置在所述陶瓷层两面的上铜层和下铜层；所述FRD芯片以及所述IGBT芯片通过所述焊料层连接到所述上铜层；所述散热结构通过所述导热脂层连接到所述下铜层；所述陶瓷层由高导热率材料构成，所述高导热率材料包括Al2O3、AlN、ZTA、SiN。
4.根据权利要求1所述的具有散热结构的电力电子器件IGBT模块，其特征在于，所述微流道的形状包括扇形、矩形。
5.根据权利要求1所述的具有散热结构的电力电子器件IGBT模块，其特征在于，所述AlSiC介质层的厚度为1毫米。
6.一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
准备铜基板；
对所述铜基板进行微纳加工，在所述铜基板中预制好散热微流道，形成微流道铜基板；
通过激光冲击强化工艺在所述微流道铜基板两面加工AlSiC介质层，形成散热结构；
将键合线、IGBT芯片、FRD芯片、焊料层、DBC基板、导热脂层、所述散热结构以及微泵通过封装测试工艺进行封装，使得所述FRD芯片通过所述键合线与所述IGBT芯片相连接，所述FRD芯片以及所述IGBT芯片通过所述焊料层连接到所述DBC基板上表面，所述散热结构通过所述导热脂层直接连接到所述DBC基板下表面，所述微流道通过所述微泵驱动，形成所述具有散热结构的电力电子器件IGBT模块。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述微纳加工包括湿法刻蚀、反应离子刻蚀、微铣加工和激光烧蚀技术。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述通过激光冲击强化工艺在所述微流道铜基板两面加工AlSiC介质层，形成散热结构，具体包括：
将铝粉和SiC粉放置在所述微流道铜基板两面，通过激光冲击强化工艺在所述微流道铜基板两面加工出AlSiC介质层，形成所述散热结构；所述铝粉和SiC粉的比例为1 ：1。
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