CN115831890B - 一种igbt功率模块散热结构及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种IGBT功率模块散热结构及其加工工艺，该结构包括外散热体、互连层和内散热体三部分。其中，外散热体是带有曲面凹槽结构的散热针翅板；互连层由内环和外环组成，内环是石墨烯/纳米银复合材料组成的第一互连层，外环是少层六方氮化硼作为导热填料复合组成的第二互连层；内散热体是由第一金属层、绝缘层、第二金属层构成的IGBT功率芯片衬板。通过预弯加工，内散热体与外散热体中散热针翅板上表面凹槽底面的弧度一致，并通过互连层使内散热体与外散热体中的凹槽表面紧密贴合。本发明实现了IGBT功率模块散热结构和加工，提升了功率模块的产品可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率半导体模块散热结构的设计和加工工艺，属于集成电路封装技术领域。
背景技术
功率半导体模块一般应用于1200V以上的高电压、10A以上的大电流、中高功率场合，多用于一般工业、电气传动、交通运输、新能源等领域，如重型工业设备的高频电源转换器、新能源电动汽车的电力驱动系统、车载空调系统、充电桩，太阳能光伏逆变器的电源控制系统等。相比于分立功率器件，功率半导体模块的功率等级高、功耗大，导致热流密度大，为保证芯片温度不超过结温、模块性能良好、可靠性高，对功率半导体模块的散热要求较高。散热结构的设计和制造直接影响了其散热效率，进而影响功率半导体模块的可靠性。由于功率模块在封装和使用过程中会出现高低温循环变化，各层材料的热膨胀系数不同，则会引起模块封装基板、芯片衬板产生翘曲，影响封装结构的互连可靠性及散热效率。
专利号为2013202891660的专利“一种功率半导体模块的预弯散热底板”中使用预弯底板的方法弥补模块工作过程中的受热变形量，但该方法较为简单，不适合功率等级越来越高的IGBT功率模块。专利号为2018107122652的专利“用于处理半导体衬底的设备和方法”通过处理半导体衬底使其预弯曲以减小向基板安装时的压力，该方法能够有效调控基板和衬底之间的互连层均匀性，但对散热效率提升有限。
发明内容
本发明的目的在于改善IGBT功率模块功率等级不断提升带来的散热及可靠性问题，提出一种IGBT功率模块散热结构及其加工工艺，本发明制作带有曲面凹槽结构的散热针翅板，将功率芯片衬板预弯至与曲面凹槽一致的弧度嵌入散热底板中，并通过高导热互连材料与凹槽紧密贴合，实现IGBT功率模块的散热效率提升，同时通过弧度缓解互连结构之间的应力，改善各层材料热膨胀系数不同导致的翘曲断裂等问题，进而提高IGBT功率模块的可靠性。
为达到上述目的，本发明提出了一种IGBT功率模块散热结构，包括：散热针翅板、互连层和IGBT功率芯片衬板，所述散热针翅板上表面具有曲面凹槽结构，曲面凹槽结构具有凹槽底面和凹槽侧壁，所述凹槽底面是一个向下弯曲的球面，所述凹槽侧壁是一个向四周弯曲的曲面；IGBT功率芯片衬板底部位于所述曲面凹槽结构中，之间通过互连层连接；所述互连层包括第一互连层和第二互连层，在凹槽底面和IGBT功率芯片衬板底部之间为第一互连层，凹槽侧壁与IGBT功率芯片衬板底部之间为第二互连层。
具体的，所述IGBT功率芯片衬板自下而上包括第一金属层、绝缘层、第二金属层，功率芯片衬板的形状和凹槽底面吻合，功率芯片衬板和凹槽底面展开成平面形状时为矩形。
具体的，所述凹槽底面的球面曲率范围在0.05～0.1m-1之间。曲面凹槽结构的凹槽中心深度为330～350μm。
作为优选方案，所述曲面凹槽结构的凹槽中心深度设计为IGBT功率芯片衬板的第一金属层与第一互连层的厚度之和。
具体的，所述散热针翅板包括一个金属底板和金属针翅柱阵列，所述曲面凹槽结构位于金属底板上表面，金属针翅柱阵列位于金属底板下表面；金属针翅柱的高度一致，或者呈波浪形排布。所述金属针翅柱的横截面可为圆形、方形、菱形、正五边形或者正六边形。
作为优选方案，所述IGBT功率芯片衬板的绝缘层比第一金属层边缘再向外延伸8～10mm。
本发明还提出了上述IGBT功率模块散热结构的加工工艺，包括以下步骤：
步骤1：设计锻压模具，采用冷锻技术制作表面带有所述曲面凹槽结构的散热针翅板；
步骤2：将IGBT功率芯片衬板放置在预弯模具中，所述预弯模具包括上模和下模，上模和下模的加压面具有与所需要曲面凹槽结构的凹槽底面相吻合的形状，通过加压，使IGBT功率芯片衬板与散热针翅板上的曲面凹槽结构的凹槽底面形状相一致；
步骤3：通过丝网印刷法在散热针翅板的凹槽底面均匀涂覆石墨烯/纳米银复合材料，形成第一互连层；
步骤4：将IGBT功率芯片衬板嵌入所述曲面凹槽结构中，使IGBT功率芯片衬板底部第一金属层通过第一互连层与凹槽底面紧密贴合；
步骤5：将少层六方氮化硼作为导热填料与导热胶制备的复合材料从曲面凹槽结构边缘注入，形成第二互连层，使IGBT功率芯片衬板底部第一金属层的外侧边缘与凹槽侧壁紧密贴合；
步骤6：将步骤5得到的整体结构放入真空烧结炉，低温烧结、固化。
具体的，所述第一互连层是将氧化还原法得到的高导热石墨烯粉末按比例添加到纳米银导热材料中，均匀混合制备成的石墨烯/纳米银复合材料，其厚度范围在30～35μm；所述第二互连层是将导热系数在280～300W/m·K的少层六方氮化硼按比例添加到导热胶中复合制备而成。
本发明具有如下优点：
1、本发明将IGBT功率芯片衬板预弯并部分嵌入散热针翅板的曲面凹槽结构中，提高功率模块的散热效率，同时改善高低温循环下模块封装结构的翘曲断裂问题。
2、本发明在散热针翅板的凹槽底面和侧壁通过不同高导热互连材料与IGBT功率芯片衬板紧密贴合，进一步增加功率模块的散热路径，从而提升散热效率。
附图说明
图1是本发明的IGBT功率模块散热结构的剖面示意图。
图2是本发明实施例中散热针翅板的平面结构示意图。
图3是本发明实施例中散热针翅板的剖面结构示意图。
图4是本发明实施例中互连层的制作位置示意图。
图5是本发明实施例中IGBT功率芯片衬板预弯前的剖面结构图。
图6是本发明采用预弯模具对IGBT功率芯片衬板进行预弯的示意图。
图7是本发明实施例中进过预弯后的IGBT功率芯片衬板的剖面结构图。
图8是本发明实施例中步骤4得到结构的剖面示意图。
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。
本发明提出了一种IGBT功率模块散热结构，包括外散热体、互连层和内散热体三部分，其剖面结构如图1所示。其中外散热体是带有曲面凹槽结构12的散热针翅板100，其中曲面凹槽结构12由凹槽底面121和凹槽侧壁122组成；互连层200由内环和外环组成，内环是石墨烯/纳米银复合材料组成的第一互连层21，外环是少层六方氮化硼作为导热填料复合组成的第二互连层22；内散热体是由第一金属层30、绝缘层31、第二金属层32构成的IGBT功率芯片衬板300。IGBT功率芯片衬板300底部位于所述曲面凹槽结构12中，之间通过互连层200连接。在凹槽底面121和IGBT功率芯片衬板300底部之间为第一互连层21，凹槽侧壁122与IGBT功率芯片衬板300底部之间为第二互连层22。
结合图2和图3，所述散热针翅板100包括一个金属底板10，金属底板10下表面具有金属针翅柱11阵列，金属底板10上表面具有曲面凹槽结构12。所述曲面凹槽结构12分为凹槽底面121和凹槽侧壁122，凹槽底面121是一个向下弯曲的球面，凹槽侧壁122是一个向四周弯曲的曲面。凹槽侧壁122整体是向外倾斜，与凹槽底面121形成平滑连接，使得整个曲面凹槽结构12呈一个碟子(浅盘)的形状。
散热针翅板100的金属针翅柱11的横截面形状可为圆形、方形、菱形、正五边形或者正六边形。金属针翅柱11的高度可全部一致，或者从金属底板10一条边朝它的对边方向针翅柱高度呈波浪状分布。金属针翅柱11的阵列间距可全部一致，或者从金属底板10中心向边缘方向的针翅柱阵列间距从小到大，或者从金属底板10一条边朝它的对边方向的针翅柱阵列间距从大到小。本发明实施例中，散热针翅板100的金属针翅柱11的横截面为圆形，高度及阵列间距一致。
根据所要封装的IGBT功率芯片衬板300尺寸及功率模块工作温度范围，设置曲面凹槽结构12的具体加工尺寸。功率芯片衬板300的形状和凹槽底面121吻合，功率芯片衬板300和凹槽底面121展开成平面形状时为矩形。凹槽底面121的曲率范围为0.05～0.1m-1。
曲面凹槽结构12的中心最大深度h为金属底板10上表面到凹槽底面121中心位置的垂直距离，实施例中设置为IGBT功率芯片衬板300的第一金属层30与第一互连层21的厚度之和，范围在330～350μm之间。曲面凹槽结构12的凹槽侧壁122是向外倾斜的曲面，与曲面凹槽结构12的凹槽底面121形成平滑连接，这种设计可以缓解功率芯片衬板300与散热针翅板100互连工艺的结构残余应力。
IGBT功率芯片衬板300有三层结构，如图5所示，自下而上分别为第一金属层30、绝缘层31和第二金属层32。其中，第一金属层30与散热针翅板100的曲面凹槽结构12的凹槽底面121展平之后的形状和尺寸一致，绝缘层31比第一金属层30边缘再向四周延伸8～10mm，第二金属层32的图形由IGBT功率模块中功率芯片的布局决定。
将氧化还原法得到的高导热石墨烯粉末按比例添加到纳米银导热材料中，均匀混合制备第一互连层21，用于功率芯片衬板300的第一金属层30下表面与散热针翅板100的曲面凹槽结构12的凹槽底面121的互连，其厚度范围在30～35μm。将导热系数在280～300W/m·K的少层六方氮化硼按比例添加到导热胶中复合制备第二互连层22，用于功率芯片衬板300的第一金属层30外侧边缘与散热针翅板100的曲面凹槽结构12的凹槽侧壁122的互连，如图4所示。
本发明还提出了一种IGBT功率模块散热结构的加工工艺，包括以下主要流程：
步骤1：设计锻压模具，采用冷锻技术制作散热针翅板100。在金属毛坯上制作出厚度为3±0.1mm的金属底板10和形状、尺寸及间距排列满足设计要求的金属针翅柱11。
锻压系统中用机械手替代人工，将金属毛坯表面涂油，放入锻压机的模芯位置，锻压工艺得到的金属针翅柱11高度落差较大，需要经过整形系统进行冲针工序。再采用机加工系统的数控加工设备，粗铣金属针翅柱11的背面、精铣金属针翅柱11的高度及金属底板10的厚度。
在散热针翅板100的金属底板10上表面锻压出曲面凹槽结构12，其平面结构如图2所示，剖面结构如图3所示，凹槽底面121为球面，凹槽侧壁122为向外倾斜的曲面，二者平滑连接呈浅盘形状。
步骤2：由于IGBT功率半导体模块在使用中会产生大量的热，使自身及周围环境温度升高，散热结构高温下变形会极大地影响其冷却效果，因此为了提高IGBT功率模块散热结构的热可靠性，本发明对IGBT功率芯片衬板300做预弯处理。
如图6所示，预弯模具由弯曲上模41和弯曲下模42两部分组成，其中弯曲下模42上表面具有和所要制作的曲面凹槽结构12的凹槽底面121相同的弧度，弯曲上模41下表面与弯曲下模42上表面形状互补吻合。将IGBT功率芯片衬板300放置在预弯模具的弯曲上模41和弯曲下模42之间，施加适当压力完成预弯处理，使内散热体IGBT功率芯片衬板300与外散热体散热针翅板100上表面曲面凹槽结构12的凹槽底面121的曲面弧度一致，如图7所示。
步骤3：将氧化还原法得到的高导热石墨烯粉末按比例添加到纳米银导热材料中，均匀混合制备第一互连层21，通过丝网印刷法在散热针翅板100的曲面凹槽结构12的凹槽底面121上表面均匀涂覆第一互连层21，厚度为30～35μm。
步骤4：将步骤2中预弯加工过的内散热体IGBT功率芯片衬板300嵌入散热针翅板100的曲面凹槽结构12中，使第一金属层30的下表面通过第一互连层21与曲面凹槽结构12的凹槽底面121上表面紧密贴合，如图8所示。
步骤5：将导热系数在280～300W/m·K的少层六方氮化硼按比例添加到导热胶中复合制备第二互连层22，从散热针翅板100的曲面凹槽结构12边缘注入。将IGBT功率芯片衬板300的第一金属层30外侧边缘与曲面凹槽结构12之间的缝隙填充，使内散热体IGBT功率芯片衬板300的第一金属层30的外侧边缘与散热针翅板100的凹槽侧壁122紧密贴合。整体结构即如图1所示。
步骤6：将步骤5得到的IGBT功率模块散热结构整体结构放入真空烧结炉，加热到175～180℃，实现第一互连层21的固相烧结和第二互连层22的固化。使IGBT功率芯片衬板300在第一金属层30底部和四周都与散热针翅板100的金属底板10形成可靠连接，构造出功率模块的多路径散热结构。
综上所述，本发明将IGBT功率芯片衬板300预弯并部分嵌入散热针翅板100表面的曲面凹槽结构12中，同时在散热针翅板100的曲面凹槽结构12的凹槽底面121和凹槽侧壁122通过不同高导热互连材料与IGBT功率芯片衬板300紧密贴合，一方面进一步增加功率模块的散热路径，提升功率模块的散热效率，另一方面可以改善高低温循环下模块封装结构的翘曲断裂问题，提高功率模块的可靠性。
本发明所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种IGBT功率模块散热结构，包括散热针翅板（100）、互连层（200）和IGBT功率芯片衬板（300），其特征是，所述散热针翅板（100）上表面具有曲面凹槽结构（12），曲面凹槽结构（12）具有凹槽底面（121）和凹槽侧壁（122），所述凹槽底面（121）是一个向下弯曲的球面，所述凹槽侧壁（122）是一个向四周弯曲的曲面；IGBT功率芯片衬板（300）底部位于所述曲面凹槽结构（12）中，之间通过互连层（200）连接；所述互连层（200）包括第一互连层（21）和第二互连层（22），在凹槽底面（121）和IGBT功率芯片衬板（300）底部之间为第一互连层（21），凹槽侧壁（122）与IGBT功率芯片衬板（300）底部之间为第二互连层（22）；
所述IGBT功率芯片衬板（300）自下而上包括第一金属层（30）、绝缘层（31）、第二金属层（32），功率芯片衬板（300）的形状和凹槽底面（121）吻合，功率芯片衬板（300）和凹槽底面（121）展开成平面形状时为矩形；
所述凹槽底面（121）的曲率范围在0.05 ~ 0.1 m-1之间；所述曲面凹槽结构（12）的凹槽中心深度为330 ~ 350 μm。
2.根据权利要求1所述的IGBT功率模块散热结构，其特征在于，所述曲面凹槽结构（12）的凹槽中心深度为IGBT功率芯片衬板（300）的第一金属层（30）与第一互连层（21）的厚度之和。
3.根据权利要求1所述的IGBT功率模块散热结构，其特征在于，所述散热针翅板（100）包括一个金属底板（10）和金属针翅柱（11）阵列，所述曲面凹槽结构（12）位于金属底板（10）上表面，金属针翅柱（11）阵列位于金属底板（10）下表面；金属针翅柱（11）的高度一致，或者呈波浪形排布。
4.根据权利要求3所述的IGBT功率模块散热结构，其特征在于，所述金属针翅柱（11）的横截面为圆形、方形、菱形、正五边形或者正六边形。
5.根据权利要求1所述的IGBT功率模块散热结构，其特征在于，所述IGBT功率芯片衬板（300）的绝缘层（31）比第一金属层（30）边缘再向外延伸8 ~ 10 mm。
6.如权利要求1所述的IGBT功率模块散热结构的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计锻压模具，采用冷锻技术制作表面带有所述曲面凹槽结构（12）的散热针翅板（100）；
步骤2：将IGBT功率芯片衬板（300）放置在预弯模具中，所述预弯模具包括上模和下模，上模和下模的加压面具有与所需要曲面凹槽结构（12）的凹槽底面（121）相吻合的形状，通过加压，使IGBT功率芯片衬板（300）与散热针翅板（100）上的曲面凹槽结构（12）的凹槽底面（121）形状相一致；
步骤3：通过丝网印刷法在散热针翅板（100）的凹槽底面（121）均匀涂覆石墨烯/纳米银复合材料，形成第一互连层（21）；
步骤4：将IGBT功率芯片衬板（300）嵌入所述曲面凹槽结构（12）中，使IGBT功率芯片衬板（300）底部第一金属层（30）通过第一互连层（21）与凹槽底面（121）紧密贴合；
步骤5：将少层六方氮化硼作为导热填料与导热胶制备的复合材料从曲面凹槽结构（12）边缘注入，形成第二互连层（22），使IGBT功率芯片衬板（300）底部第一金属层（30）的外侧边缘与凹槽侧壁（122）紧密贴合；
步骤6：将步骤5得到的整体结构放入真空烧结炉，低温烧结、固化。
7.根据权利要求6所述的IGBT功率模块散热结构的加工工艺，其特征在于，所述第一互连层（21）是将氧化还原法得到的高导热石墨烯粉末按比例添加到纳米银导热材料中，均匀混合制备成的石墨烯/纳米银复合材料，其厚度范围在30 ~ 35 μm；所述第二互连层（22）是将导热系数在280 ~ 300W/m∙K的少层六方氮化硼按比例添加到导热胶中复合制备而成。
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