TWM591706U - 一種具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的igbt模組散熱結構 - Google Patents

Abstract

一種具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，包括第一晶片層、第二晶片層、第一接合層、第二接合層、第一銅層、第二銅層、第一高分子複合層、第二高分子複合層、第一陶瓷材料層、第二陶瓷材料層、以及散熱層。其中，所述第一陶瓷材料層局部地形成於所述散熱層之上並與所述第一晶片層的位置及面積相對應，所述第二陶瓷材料層局部地形成於所述散熱層之上並與所述第二晶片層的位置及面積相對應。

Description

一種具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構

本創作涉及IGBT模組，具體來說是涉及一種具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構。

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模組散熱結構的首選材料。然而，DBC板為多層結構且導熱能力有限，當IGBT晶片產生熱量時，不能及時通過DBC板傳遞到金屬散熱層，並且DBC板與金屬散熱層之間必需透過銲接層才能夠形成連接，而一整片的銲接層會極易出現空銲現象，且會增加介面阻抗，從而影響到導熱性能。

因此，本創作發明人曾在金屬散熱層表面上噴塗陶瓷材料形成一整片的陶瓷材料層，以取代銲錫層及DBC板。但是，當一整片的陶瓷材料層受熱時，由於金屬和陶瓷的熱膨脹係數不同會產生應力，並且金屬膨脹通常大於陶瓷，而造成陶瓷材料層容易產生破裂的情形。

有鑑於此，本創作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創作。

本創作之主要目的在於提供一種具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，以解決上述問題。

為了解決上述的技術問題，本創作所採用的一種技術方案是，提供一種具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，包括：第一晶片層、第二晶片層、第一接合層、第二接合層、第一銅層、第二銅層、第一高分子複合層、第二高分子複合層、第一陶瓷材料層、第二陶瓷材料層、以及散熱層，所述第一陶瓷材料層及所述第二陶瓷材料層設置在所述散熱層之上，所述第一高分子複合層及所述第二高分子複合層各自設置在所述第一陶瓷材料層及所述第二陶瓷材料層之上，所述第一銅層及所述第二銅層各自設置在所述第一高分子複合層及所述第二高分子複合層之上，所述第一接合層及所述第二接合層各自設置在所述第一銅層及所述第二銅層之上，所述第一晶片層及所述第二晶片層各自設置在所述第一接合層及所述第二接合層之上；其中，所述第一陶瓷材料層是局部地形成於所述散熱層之上並與所述第一晶片層的位置及面積相對應，所述第二陶瓷材料層是局部地形成於所述散熱層之上並與所述第二晶片層的位置及面積相對應。

優選地，所述第一晶片層的面積至少為所述第一陶瓷材料層60%的面積。

優選地，所述第二晶片層的面積至少為所述第二陶瓷材料層60%的面積。

優選地，所述第一晶片層的任一側邊與所述第一陶瓷材料層相對應的側邊形成的間距為2~10mm。

優選地，所述第二晶片層的任一側邊與所述第二陶瓷材料層相對應的側邊形成的間距為2~10mm。

優選地，所述第一陶瓷材料層的厚度為20μm~500μm。

優選地，所述第二陶瓷材料層的厚度為20μm~500μm。

優選地，所述第一高分子複合層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一，且厚度為20~200μm。

優選地，所述第一高分子複合層包含有填料，所述填料為氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。

優選地，所述第二高分子複合層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一，且厚度為20~200μm。

優選地，所述第二高分子複合層包含有填料，所述填料為氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。

是以，本創作提供的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，透過第一陶瓷材料層是局部地形成於散熱層之上並與第一晶片層的位置及面積相對應，第二陶瓷材料層是局部地形成於散熱層之上並與第二晶片層的位置及面積相對應，相較於先前的IGBT模組散熱結構是在金屬散熱層表面上噴塗陶瓷材料形成一整片的陶瓷材料層而造成一整片的陶瓷材料層受熱時容易因應力產生破裂的情形，本創作是在金屬散熱層表面上小面積且局部地噴塗陶瓷材料形成陶瓷材料層，且噴塗的面積及位置是與晶片的位置及面積相對應，從而能降低陶瓷材料層受熱時容易因應力產生破裂的情形。

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

以下是通過特定的具體實施例來說明本創作所公開的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本創作的優點與效果。本創作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，在不悖離本創作的構思下進行各種修改與變更。另外，本創作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創作的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本創作的保護範圍。

請參考圖1、圖2、及圖3，為本創作提供的一種具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構。如圖所示，根據本創作提供的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其具有第一晶片層11a、第二晶片層11b、第一接合層12a、第二接合層12b、第一銅層13a、第二銅層13b、第一高分子複合層14a、第二高分子複合層14b、第一陶瓷材料層15a、第二陶瓷材料層15b、及散熱層16。

第一陶瓷材料層15a及第二陶瓷材料層15b各自局部地形成於所散熱層16之上。散熱層16可以是鋁製散熱器(heat sink)，也可是具有散熱作用的金屬板，並不限制。並且，第一陶瓷材料層15a及第二陶瓷材料層15b是利用電漿熔射方法(plasma spraying process)，以電漿火炬產生之高熱將陶瓷粉末由常溫升至攝氏兩千五百度以上高溫，將陶瓷粉末由固態轉化為熔融液態，再靠電漿的高速氣體推動熔融的陶瓷，使之霧化並噴塗在散熱層16表面上，各自形成具有預定厚度的噴塗層，本實施例使用之電漿氣體為氬氣，同時亦可能使用氮氣、氫氣及其他氣體。

進一步來說，第一陶瓷材料層15a及第二陶瓷材料層15b的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。並且，第一陶瓷材料層15a及第二陶瓷材料層15b的厚度各自依據噴塗在散熱層16的表面上的噴塗時間而預先設定。在本實施例中，第一陶瓷材料層15a及第二陶瓷材料層15b的厚度各自為20μm~300μm(微米)。

第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b各自設置在第一陶瓷材料層15a及第二陶瓷材料層15b之上。並且，第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b是由高分子複合材(polymer composite)所構成，而能達到導熱及接合的目的。因此，相較於現有的IGBT模組散熱結構的DBC板與散熱層之間必需透過銲接層才能夠形成連接，本創作無需透過銲接層而是直接在散熱層16表面上形成有第一陶瓷材料層15a及第二陶瓷材料層15b作為導熱絕緣之用，並形成有第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b作為導熱接合之用。

詳細來說，第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b可以是環氧樹脂層(epoxy-based composite)。並且，第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b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。在其它實施例中，第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b也可以是聚醯亞胺層(polyimide-based composite)、或是聚丙烯層(PP-based composite)。再者，第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b能以網印或熱壓方式各自形成於第一陶瓷材料層15a及第二陶瓷材料層15b之上。在本實施例中，第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b的厚度各自為20~200μm。

第一銅層13a及第二銅層13b各自設置在第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b之上，使第一銅層13a及第二銅層13b各自與第一陶瓷材料層15a及第二陶瓷材料層15b之間能透過第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b形成良好接合。

第一銅層13a及第二銅層13b可以是薄銅塊，但也可以是厚銅塊，以熱壓合方式各自形成於第一高分子複合層14a及第二高分子複合層14b之上。

第一接合層12a及第二接合層12b各自設置在第一銅層13a及第二銅層13b之上。並且，第一晶片層11a及第二晶片層11b各自設置在第一接合層12a及第二接合層12b之上。第一接合層12a及第二接合層12b可以是錫接合層，但也可以是銀燒結層，並不限制。

在本實施例中，第一晶片層11a為IGBT晶片層示例為可包含一個IGBT晶片111a，並且第一陶瓷材料層15a局部地形成於散熱層16之上並與第一晶片層11a的晶片位置及面積相對應，也可以說是與IGBT晶片111a的位置及面積相對應。由於第一陶瓷材料層15a是小面積且局部地形成於散熱層之上，並與IGBT晶片111a的位置及面積相對應，因而能降低第一陶瓷材料層15a受熱時容易因應力產生破裂(crack)的情形。

在本實施例中，第二晶片層11b為IGBT晶片層示例為可包含一個IGBT晶片111b，並且第二陶瓷材料層15b局部地形成於散熱層16之上並與第二晶片層11b的晶片位置及面積相對應，也可以說是與IGBT晶片111b的位置及面積相對應。由於第二陶瓷材料層15b是小面積且局部地形成於散熱層16之上，並與IGBT晶片111b的位置及面積相對應，因而能降低第二陶瓷材料層15b受熱時容易因應力產生破裂的情形。

因此，相較於先前的IGBT模組散熱結構是在金屬散熱層表面上噴塗陶瓷材料形成一整片的陶瓷材料層而造成一整片的陶瓷材料層受熱時容易因應力產生破裂的情形，本創作是在金屬散熱層表面上小面積且局部地噴塗陶瓷材料形成陶瓷材料層，且噴塗的面積及位置是與晶片的位置及面積相對應，從而能降低陶瓷材料層受熱時容易因應力產生破裂的情形。

進一步來說，第一晶片層11a的面積至少可為第一陶瓷材料層15a的60%面積，較佳為第一陶瓷材料層15a的90%面積。另外，第二晶片層11b的面積至少可為第二陶瓷材料層15b的60%面積，較佳為第二陶瓷材料層15b的90%面積。

再者，如圖3所示，第一晶片層11a的任一側邊與第一陶瓷材料層15a相對應的側邊形成的間距G可為2~10mm。另外，第二晶片層11b的任一側邊與第二陶瓷材料層15b相對應的側邊形成的間距G可為2~10mm。

請參考圖4，為本創作提供的另一具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構。如圖所示，本實施例提供的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其更具有第三晶片層11c、第四晶片層11d、第三陶瓷材料層15c、及第四陶瓷材料層15d。

在本實施例中，第三晶片層11c示例為可包含一個IGBT晶片111c，並且第三陶瓷材料層15c局部地形成於散熱層16之上並與第三晶片層11c的晶片位置及面積相對應。第三晶片層11c的任一側邊與第三陶瓷材料層15c相對應的側邊形成的間距G可為2~10mm。

在本實施例中，第四晶片層11d示例為可包含一個IGBT晶片111d，並且第四陶瓷材料層15d局部地形成於散熱層16之上並與第四晶片層11d的晶片位置及面積相對應。第四晶片層11d的任一側邊與第三陶瓷材料層15c相對應的側邊形成的間距G可為2~10mm。

綜合以上所述，本創作提供的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，透過第一陶瓷材料層是局部地形成於散熱層之上並與第一晶片層的位置及面積相對應，第二陶瓷材料層是局部地形成於散熱層之上並與第二晶片層的位置及面積相對應，相較於先前的IGBT模組散熱結構是在金屬散熱層表面上噴塗陶瓷材料形成一整片的陶瓷材料層而造成一整片的陶瓷材料層受熱時容易因應力產生破裂的情形，本創作是在金屬散熱層表面上小面積且局部地噴塗陶瓷材料形成陶瓷材料層，且噴塗的面積及位置是與晶片的位置及面積相對應，從而能降低陶瓷材料層受熱時容易因應力產生破裂的情形。

以上所述僅為本創作之較佳可行實施例，其並非用以侷限本創作之專利範圍，凡依本創作申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本創作之涵蓋範圍。

11a:第一晶片層 11b:第二晶片層 11c:第三晶片層 11d:第四晶片層 12a:第一接合層 12b:第二接合層 13a:第一銅層 13b:第二銅層 14a:第一高分子複合層 14b:第二高分子複合層 15a:第一陶瓷材料層 15b:第二陶瓷材料層 15c:第三陶瓷材料層 15d:第四陶瓷材料層 16:散熱層 111a,111b,111c,111d:IGBT晶片 G:間距

圖1為本創作的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構的側視示意圖。

圖2為本創作的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構的立體示意圖。

圖3為本創作的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構的俯視示意圖。

圖4為本創作的另一具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構的俯視示意圖。

11a:第一晶片層

11b:第二晶片層

12a:第一接合層

12b:第二接合層

13a:第一銅層

13b:第二銅層

14a:第一高分子複合層

14b:第二高分子複合層

15a:第一陶瓷材料層

15b:第二陶瓷材料層

16:散熱層

Claims (11)

1. 一種具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，包括：第一晶片層、第二晶片層、第一接合層、第二接合層、第一銅層、第二銅層、第一高分子複合層、第二高分子複合層、第一陶瓷材料層、第二陶瓷材料層、以及散熱層，所述第一陶瓷材料層及所述第二陶瓷材料層設置在所述散熱層之上，所述第一高分子複合層及所述第二高分子複合層各自設置在所述第一陶瓷材料層及所述第二陶瓷材料層之上，所述第一銅層及所述第二銅層各自設置在所述第一高分子複合層及所述第二高分子複合層之上，所述第一接合層及所述第二接合層各自設置在所述第一銅層及所述第二銅層之上，所述第一晶片層及所述第二晶片層各自設置在所述第一接合層及所述第二接合層之上；其中，所述第一陶瓷材料層是局部地形成於所述散熱層之上並與所述第一晶片層的位置及面積相對應，所述第二陶瓷材料層是局部地形成於所述散熱層之上並與所述第二晶片層的位置及面積相對應。
2. 如申請專利範圍第1項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第一晶片層的面積至少為所述第一陶瓷材料層60%的面積。
3. 如申請專利範圍第2項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第二晶片層的面積至少為所述第二陶瓷材料層60%的面積。
4. 如申請專利範圍第1項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第一晶片層的任一側邊與所述第一陶瓷材料層相對應的側邊形成的間距為2~10mm。
5. 如申請專利範圍第4項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第二晶片層的任一側邊與所述第二陶瓷材料層相對應的側邊形成的間距為2~10mm。
6. 如申請專利範圍第1項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第一陶瓷材料層的厚度為20μm~500μm。
7. 如申請專利範圍第6項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第二陶瓷材料層的厚度為20μm~500μm。
8. 如申請專利範圍第1項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第一高分子複合層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一，且厚度為20~200μm。
9. 如申請專利範圍第8項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第一高分子複合層包含有填料，所述填料為氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。
10. 如申請專利範圍第8項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第二高分子複合層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一，且厚度為20~200μm。
11. 如申請專利範圍第10項所述的具有對應晶片位置及面積之陶瓷材料層的IGBT模組散熱結構，其中所述第二高分子複合層包含有填料，所述填料為氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。

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