TWI755087B

TWI755087B - Igbt模組封裝結構

Info

Publication number: TWI755087B
Application number: TW109134668A
Authority: TW
Inventors: 葉子暘; 汪子暄; 楊景明
Original assignee: 艾姆勒車電股份有限公司
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2022-02-11
Also published as: TW202215616A

Abstract

一種IGBT模組封裝結構，包括：IGBT晶片層、上接合層、絕緣導熱複合層、以及散熱層。所述絕緣導熱複合層形成在所述散熱層之上，所述上接合層形成在所述絕緣導熱複合層之上，所述IGBT晶片層形成在所述上接合層之上。所述絕緣導熱複合層包含有一絕緣層及一形成在所述絕緣層之上的上銅層。一或多層上封裝材包覆所述IGBT晶片層及所述上接合層並與所述上銅層之上表面接觸。一或多層下封裝材與所述絕緣層之側壁接觸並與所述上銅層之側壁接觸。所述下封裝材的剛性高於所述上封裝材的剛性。

Description

IGBT模組封裝結構

本發明涉及IGBT模組，具體來說是涉及IGBT模組封裝結構。

目前電動汽車/混合動力汽車，所使用的大功率逆變器(Inverter)，多採用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣閘極雙極性電晶體)晶片。因此，大功率逆變器工作時所產生的熱量，將導致IGBT晶片溫度升高，如果沒有適當的散熱措施，就可能使IGBT晶片的溫度超過所允許的溫度，從而導致性能惡化以致損壞。因此，IGBT散熱技術成為相關技術人員急於解決的問題。

目前DBC(Direct Bonding Copper：陶瓷-金屬複合板結構)板已成為IGBT模組的首選材料。請參考圖1所示，為一種現有的IGBT模組，其主要包括有IGBT晶片層11A、上銲接層12A、DBC板13A、下銲接層14A、及散熱層15A。其中，DBC板13A由上到下依次為上銅層131A、陶瓷層132A和下銅層133A。然而，上銅層131A的熱膨脹係數與陶瓷層132A的熱膨脹係數匹配度很低，容易因熱應力造成開裂、接觸不良等現象，從而影響到導熱性能。

有鑑於此，本發明人本於多年從事相關產品之開發與設計，有感上述缺失之可改善，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種IGBT模組封裝結構。

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種IGBT模組封裝結構，包括：IGBT晶片層、上接合層、絕緣導熱複合層、以及散熱層；所述絕緣導熱複合層形成在所述散熱層之上，所述上接合層形成在所述絕緣導熱複合層之上，所述IGBT晶片層形成在所述上接合層之上；其中，所述絕緣導熱複合層包含有一絕緣層及一形成在所述絕緣層之上的上銅層，一或多層上封裝材包覆所述IGBT晶片層及所述上接合層並與所述上銅層之上表面接觸，一或多層下封裝材與所述絕緣層接觸並與所述上銅層之側壁接觸；其中，所述下封裝材的剛性高於所述上封裝材的剛性。

在一優選實施例中，所述下封裝材的硬度高於所述上封裝材的硬度，所述下封裝材的抗拉強度高於所述上封裝材的抗拉強度，所述下封裝材的壓縮性低於所述上封裝材的壓縮性。

在一優選實施例中，所述上封裝材為矽膠材料、或彈性塑料的其中之一。

在一優選實施例中，所述上封裝材的厚度為5至20mm。

在一優選實施例中，所述下封裝材為剛性樹脂、或剛性塑料的其中之一。

在一優選實施例中，所述下封裝材的厚度為1至5mm。

在一優選實施例中，所述絕緣層以陶瓷材料所構成。

在一優選實施例中，所述陶瓷材料選自氧化鋁、氮化鋁、或氮化矽的至少其一。

在一優選實施例中，所述絕緣層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一。

在一優選實施例中，所述絕緣層包含有填料，所述填料選自氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。

在一優選實施例中，所述上銅層的厚度為0.1至4mm。

本發明的有益效果至少在於，本發明提供的IGBT模組封裝結構，其能通過「一或多層上封裝材包覆IGBT晶片層及上接合層，並與上銅層之上表面接觸」、「一或多層下封裝材與絕緣層接觸，並與上銅層之側壁接觸」、「下封裝材的剛性高於上封裝材的剛性」的技術方案，達到防水防潮的保護作用並增加電氣絕緣性的作用，且有效大幅降低因著熱膨脹係數不匹配所造成開裂、接觸不良等現象。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

請參考圖2，本發明提供一種IGBT模組封裝結構。如圖所示，根據本發明所提供的IGBT模組封裝結構，從上到下依序為IGBT晶片層11、上接合層12、絕緣導熱複合層13、以及散熱層14。

所述絕緣導熱複合層13形成在所述散熱層14之上。其中，所述散熱層14可以是鋁製散熱器(heat sink)、水冷散熱器，也可是具有散熱作用的金屬基板，然並不侷限於此。

並且，所述絕緣導熱複合層13包含有一絕緣層130及一形成在所述絕緣層130之上的上銅層131。在本實施例中，所述絕緣導熱複合層13還包含有一形成在所述絕緣層130之下的下銅層132及一形成在所述下銅層132之下的下接合層133。在其他實施例中，所述絕緣導熱複合層13可以不包含有所述下銅層132及所述下接合層133。

進一步說，本實施例的所述絕緣層130可以是以陶瓷材料所構成，所述陶瓷材料可選自氧化鋁，但也可以選自氮化鋁、氮化矽、或碳化矽。所述上銅層131與所述散熱層14之間能透過所述絕緣層130形成絕緣，且所述上銅層131能透過所述絕緣層130將熱傳導至所述散熱層14。並且，所述上銅層131可以是由厚銅構成而能有效增加散熱均勻性與整體熱傳導效率。

所述上接合層12形成在所述絕緣導熱複合層13之上，也就是形成在所述絕緣導熱複合層13的上銅層131之上。所述上接合層12可以是錫接合層，但也可以是銀燒結層。所述IGBT晶片層11可以是由至少一IGBT晶片111所構成，且其中一個IGBT晶片111可以置換為二極體晶片。並且，所述IGBT晶片層11是透過所述上接合層12與所述絕緣導熱複合層13的上銅層131形成連接。當所述IGBT晶片111發熱時，可藉由所述上銅層131將熱量傳導至所述散熱層14，以向外散熱。

一或多層上封裝材20包覆所述IGBT晶片層11及所述上接合層12，並與所述上銅層131之上表面接觸。

一或多層下封裝材30與所述絕緣層130之側壁接觸，並與所述上銅層131之側壁接觸。並且，所述下封裝材30的剛性高於所述上封裝材20的剛性。再者，所述下封裝材30的硬度高於所述上封裝材20的硬度，所述下封裝材30的抗拉強度高於所述上封裝材20的抗拉強度，所述下封裝材30的壓縮性低於所述上封裝材20的壓縮性。

進一步說，所述上封裝材20可以是矽膠材料或彈性塑料，且所述上封裝材20的厚度可為5至20mm而能提供防水防潮的保護作用並增加電氣絕緣性。所述下封裝材30可以是剛性樹脂或剛性塑料，且所述下封裝材30的厚度可為1至5mm而能大幅降低所述上銅層131的熱膨脹係數與所述絕緣層130的熱膨脹係數不匹配所造成開裂、接觸不良等現象。

在本實施例中，所述下封裝材30還與所述下銅層132之側壁、所述下接合層133之側壁、及所述散熱層14之上表面接觸而能避免所述下銅層132的熱膨脹係數與所述散熱層14的熱膨脹係數不匹配所造成易開裂的現象。

請參考圖3，本發明另提供一種IGBT模組封裝結構。如圖所示，根據本發明所提供的IGBT模組封裝結構，從上到下依序為IGBT晶片層11、上接合層12、絕緣導熱複合層13、以及散熱層14。

所述絕緣導熱複合層13形成在所述散熱層14之上，所述上接合層12形成在所述絕緣導熱複合層13之上，所述IGBT晶片層11形成在所述上接合層12之上。並且，所述絕緣導熱複合層13包含有一絕緣層130及一形成在所述絕緣層130之上的上銅層131。並且，所述上銅層131的厚度可為0.1至4mm而能大幅增加散熱均勻性與整體熱傳導效率。

在本實施例中，所述絕緣層130是以高分子複合材料(polymer composite)所構成。進一步說，所述絕緣層130可以是環氧樹脂層(epoxy-based composite)。並且，所述絕緣層130可包含有填料(filler)，如氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。在其他實施例中，所述絕緣層130也可以是聚醯亞胺層(polyimide-based composite)、或是聚丙烯層(PP-based composite)。

一或多層下封裝材30與所述絕緣層130之側壁接觸、與所述上銅層131之側壁接觸、及與所述散熱層14之上表面接觸。在本實施例中，所述下封裝材30的剛性高於所述上封裝材20的剛性。再者，所述下封裝材30的硬度高於所述上封裝材20的硬度，所述下封裝材30的抗拉強度高於所述上封裝材20的抗拉強度，所述下封裝材30的壓縮性低於所述上封裝材20的壓縮性。

在本實施例中，所述上封裝材20亦可以是矽膠材料或彈性塑料，且所述上封裝材20的厚度可為5至20mm而能提供防水防潮的保護作用並增加電氣絕緣性。所述下封裝材30亦可以是剛性樹脂或剛性塑料，且所述下封裝材30的厚度可為1至5mm而能大幅降低所述上銅層131的熱膨脹係數、所述絕緣層130的熱膨脹係數、及所述散熱層14的熱膨脹係數不匹配所造成開裂、接觸不良等現象。

綜合以上所述，本發明提供的IGBT模組封裝結構，其能通過「一或多層上封裝材包覆IGBT晶片層及上接合層，並與上銅層之上表面接觸」、「一或多層下封裝材與絕緣層接觸，並與上銅層之側壁接觸」、「下封裝材的剛性高於上封裝材的剛性」的技術方案，達到防水防潮的保護作用並增加電氣絕緣性的作用，且有效大幅降低因著熱膨脹係數不匹配所造成開裂、接觸不良等現象。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

[現有技術] 11A:IGBT晶片層 12A:上銲接層 13A:DBC板 131A:上銅層 132A:陶瓷層 133A:下銅層 14A:下銲接層 15A:散熱層 [本發明] 11:IGBT晶片層 111:IGBT晶片 12:上接合層 13:絕緣導熱複合層 130:絕緣層 131:上銅層 132:下銅層 133:下接合層 14:散熱層 20:上封裝材 30:下封裝材

圖1為現有技術的一IGBT模組側視示意圖。

圖2為本發明的一IGBT模組封裝結構側視示意圖。

圖3為本發明的另一IGBT模組封裝結構側視示意圖。

11:IGBT晶片層

111:IGBT晶片

12:上接合層

13:絕緣導熱複合層

130:絕緣層

131:上銅層

132:下銅層

133:下接合層

14:散熱層

20:上封裝材

30:下封裝材

Claims

一種IGBT模組封裝結構，包括：IGBT晶片層、上接合層、絕緣導熱複合層、以及散熱層；所述絕緣導熱複合層形成在所述散熱層之上，所述上接合層形成在所述絕緣導熱複合層之上，所述IGBT晶片層形成在所述上接合層之上；其中，所述絕緣導熱複合層包含有一絕緣層及一形成在所述絕緣層之上的上銅層，一或多層上封裝材包覆所述IGBT晶片層及所述上接合層並與所述上銅層之上表面接觸，一或多層下封裝材與所述絕緣層接觸並與所述上銅層之側壁接觸；其中，所述下封裝材的剛性高於所述上封裝材的剛性。
如請求項1所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述下封裝材的硬度高於所述上封裝材的硬度，所述下封裝材的抗拉強度高於所述上封裝材的抗拉強度，所述下封裝材的壓縮性低於所述上封裝材的壓縮性。
如請求項1所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述上封裝材為矽膠材料、或彈性塑料的其中之一。
如請求項3所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述上封裝材的厚度為5至20mm。
如請求項3所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述下封裝材為剛性樹脂、或剛性塑料的其中之一。
如請求項5所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述下封裝材的厚度為1至5mm。
如請求項1所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述絕緣層以陶瓷材料所構成。
如請求項7所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述陶瓷材料選自氧化鋁、氮化鋁、或氮化矽的至少其一。
如請求項1所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述絕緣層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一。
如請求項9所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述絕緣層包含有填料，所述填料選自氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。
如請求項1所述的IGBT模組封裝結構，其中，所述上銅層的厚度為0.1至4mm。