一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构及加工工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热封装结构及加工工艺，其结构包括IGBT子单元、二极管子单元、覆铜陶瓷基板、缓冲垫片、焊料层、导热硅脂层、石墨烯散热层以及上下水冷板散热器。所述的石墨烯散热层将转移至指定位置的芯片表面作为快速横向散热层，将芯片的局部热量迅速横向铺开，实现局部热点快速降温。本发明专利技术制作简单，灵活性高，可有效缓解水冷散热器散热不均匀，从而提升器件可靠性及使用寿命。

A Double-sided Water-cooled Heat Dissipation Structure and Processing Technology of IGBT Module with High Power Density

The invention relates to a double-sided water-cooled heat dissipation package structure and processing technology of high power density IGBT module, which comprises IGBT sub-unit, diode sub-unit, copper-clad ceramic substrate, cushion gasket, solder layer, thermal conductive silicone grease layer, graphene heat dissipation layer and upper and lower water-cooled plate radiator. The graphene heat sink layer transfers to the chip surface at a designated position as a fast transverse heat sink layer, which rapidly lays out the local heat of the chip transversely and realizes rapid cooling of local hot spots. The invention has the advantages of simple fabrication, high flexibility, and can effectively alleviate the uneven heat dissipation of the water-cooled radiator, thereby improving the reliability and service life of the device.

【技术实现步骤摘要】
一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构及加工工艺
本专利技术属于半导体
，具体涉及一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构及加工工艺。
技术介绍
绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)是金属-氧化物半导体场效应晶体管和快速二极管组成的复合全控性电压驱动式功率半导体器件，结合了MOSFET与FRD的优点,具备开关速度快，输入阻抗高、反向恢复时间短、热稳定性好、通态压降低、高电压等特点，广泛应用于风能、太阳能、轨道交通、电动汽车、智能电网、家电变频领域等，已成为功率半导体器件的主流。随着新技术、新工艺的不断突破，功率等级的提升，IGBT的应用领域得以迅速扩展。与此同时，随着功率的增大，对IGBT封装模块内部的传热规律进行研究，设计简单高效的散热装置对解决内部的传热问题，提高模块的性能和可靠性有着极大的意义。传统引线键合模块只能实现单面散热，双面水冷散热封装相较传统的单面散热，芯片上的电极直接与覆铜陶瓷基板相连，使得芯片产生的热量可以同时从芯片上表面和下表面通过上、下基板散失，增加了散热通道，水冷板中冷却液的循环流动也会带走大部分热量，有效提高了模块散热效率。但是由于水冷板中冷却液的流动性能不稳定，很容易引起散热不均匀，导致芯片局部高温失效。而以石墨烯为代表的二维材料，由于高超的电子迁移率和高热导率等，以及与半导体器件良好的匹配性。如果将它直接作为封装材料对IGBT进行散热，这是一种基于新材料优异特性的热管理方案，对器件的散热附加装置要求不高，既有利于器件向体积小、重量轻的方向发展，又可以降低成本，节能环保，能够满足电力电子器件高速发展的需求。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种新型IGBT模块的散热结构及加工工艺，将石墨烯材料以散热薄膜形式应用于热流密度较高的IGBT芯片解决压接式双面水冷散热不均匀的问题。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案。一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热封装结构，其包括：第一覆铜陶瓷基板、第二覆铜陶瓷基板、多个IGBT芯片、多个二极管芯片，其中一部分IGBT芯片正面的发射极表面贴装有石墨烯散热层，所有IGBT芯片背面的集电极通过焊料层连接到缓冲垫片，二极管芯片背面的阴极通过焊料层连接到缓冲垫片，所述缓冲垫片再通过焊料层贴装在第二覆铜陶瓷基板正面的对应位置上；IGBT芯片正面的栅极以及二极管芯片正面的阳极通过焊料层连接到倒置的第一覆铜陶瓷基板正面对应位置，IGBT芯片发射极表面的石墨烯散热层上表面也通过焊料层连接第一覆铜陶瓷基板正面对应位置。具体的，还包括内部中空的散热器，所述散热器包括内空的上水冷板和下水冷板，水冷板内设有翅柱，上水冷板和下水冷板之间通过密封口连通，下水冷板的进水口和出水口之间设有水泵，水泵推动冷却液体进行循环流动；所述贴装有石墨烯散热层的IGBT芯片贴装在出水口旁；第二覆铜陶瓷基板背面通过焊料层连接到下水冷板内侧表面，并紧密贴合，第一覆铜陶瓷基板背面通过导热硅脂层连接到上水冷板内侧表面，并紧密贴合。具体的，所述IGBT芯片和二极管芯片数量相同。上述高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构的加工工艺，包括以下步骤：步骤1、将石墨烯薄膜转移至指定IGBT芯片的发射极表面，使石墨烯膜与芯片表面直接结合，即芯片表面得到石墨烯散热层；步骤2、在第二覆铜陶瓷基板正面涂覆第一焊料层，将多个缓冲垫片分别贴装在第二覆铜陶瓷基板正面对应位置上；步骤3、在缓冲垫片上表面涂覆第二焊料层，并将多个IGBT芯片和多个二极管芯片分别贴装在缓冲垫片上表面，其中IGBT芯片包括步骤1得到的具有石墨烯散热层的和没有石墨烯散热层的，将具有石墨烯散热层的IGBT芯片贴装在对应散热器出水口一端；步骤4、在第一覆铜陶瓷基板正面对应位置涂覆第三焊料层，倒置贴装在步骤3完成结构的对应位置；步骤5、所述散热器内部中空，包括内空的上水冷板和下水冷板，水冷板内设有翅柱，上水冷板和下水冷板之间通过密封口连通，下水冷板的进水口和出水口之间通过外部的水泵推动空腔内冷却液体进行循环流动；在散热器下水冷板上表面涂敷第四焊料层，将步骤4完成结构的第二覆铜陶瓷基板背面贴装在下水冷板上，放入回流焊机进行焊接；步骤6、将散热器上水冷板下表面涂敷导热硅脂层，倒置贴装在步骤5完成结构的第一覆铜陶瓷基板背面的对应位置上，固定压紧，使得上水冷板和下水冷板两端通过密封口对接；步骤7、用塑料外壳将散热器内所有结构封装起来，再采用封装树脂作为封装材料，在塑料外壳中进行注塑灌封，最后将整个结构放在烘箱内加热固化。具体的，所述石墨烯散热层的厚度为30～40μm。本专利技术与现有水冷技术相比较，具有如下优点：本专利技术在现有IGBT模块的双面水冷封装结构基础上，将一定厚度的石墨烯散热薄膜用在IGBT芯片发射极表面，并将其贴装在出水口附近位置，发挥其优异的横向快速热传导性能，将热点热量迅速铺开，对高功率密度的IGBT模块的局部高热点的快速降温非常有效，可以解决水冷散热不均匀的问题，一种简单、环保的提高器件可靠性的方法。附图说明图1是本专利技术实施例中隐去了散热器和第一覆铜陶瓷基板的俯视图。图2是本专利技术实施例石墨烯薄膜应用于高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构剖视图。图3是本专利技术实施例中双面水冷板散热器剖视图。图4是本专利技术实施例中第二覆铜陶瓷基板正面芯片的对应位置俯视图。图5是图4的A-A’剖视图；其中凸起为指定位置一定厚度的焊料层。图6是本专利技术工艺实施步骤2中的缓冲垫片/焊料层/敷铜陶瓷基板结构示意图。图7是本专利技术工艺实施步骤3中的焊料层/缓冲垫片/焊料层/敷铜陶瓷基板结构示意图。图8是本专利技术工艺实施步骤3中的芯片/焊料层/缓冲垫片/焊料层/敷铜陶瓷基板结构示意图。图9是图8的俯视图。图10本专利技术工艺实施步骤4所得结构的示意图。图11本专利技术工艺实施步骤5所得结构的示意图。图12本专利技术工艺实施步骤6所得结构的示意图。其中，1—第一IGBT芯片；2—第二IGBT芯片；3—IGBT芯片的栅极；4—栅极绝缘边；5—第二焊料层；6—缓冲垫片；7—第一焊料层；8—第三焊料层；60—导热硅脂层；61—第四焊料层；62—第一覆铜陶瓷基板；63—第二覆铜陶瓷基板；64—塑料外壳；65—封装树脂；66—上水冷板；67—下水冷板；68—进水口；69—出水口；70—翅柱；71—密封口；80—石墨烯散热层。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术的主旨是提出一种简单解决双面水冷散热不均匀问题的方案，提高模块的可靠性。本专利技术的上、下两个覆铜陶瓷基板中间，可以放置3-4个IGBT模块，即由IGBT子单元和二极管子单元组成的模块，子单元是指一个芯片及其正反面制作的半导体结构的总和。IGBT子单元和二极管子单元可以交错放置，有利于抑制热耦合。将上、下覆铜陶瓷基板及其中间芯片子单元看作一组，上、下水冷板散热器中间可以安置若干组这样的结构(主要取决于芯片的热耗散功率)。石墨烯散热层可以选择贴装在出水口附近的几块IGBT芯片上(这些芯片是最有可能出现最高温度的)。如图1是一个具体排布案例，左边排布了两组没有石墨烯散热层的IGBT子单元和二极管子单元，右边本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热封装结构，其特征在于，包括：第一覆铜陶瓷基板(62)、第二覆铜陶瓷基板(63)、多个IGBT芯片、多个二极管芯片，其中一部分IGBT芯片正面的发射极表面贴装有石墨烯散热层，所有IGBT芯片背面的集电极通过焊料层连接到缓冲垫片，二极管芯片背面的阴极通过焊料层连接到缓冲垫片，所述缓冲垫片再通过焊料层贴装在第二覆铜陶瓷基板(63)正面的对应位置上；IGBT芯片正面的栅极以及二极管芯片正面的阳极通过焊料层连接到倒置的第一覆铜陶瓷基板(62)正面对应位置，IGBT芯片发射极表面的石墨烯散热层上表面也通过焊料层连接第一覆铜陶瓷基板(62)正面对应位置。

【技术特征摘要】
1.一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热封装结构，其特征在于，包括：第一覆铜陶瓷基板(62)、第二覆铜陶瓷基板(63)、多个IGBT芯片、多个二极管芯片，其中一部分IGBT芯片正面的发射极表面贴装有石墨烯散热层，所有IGBT芯片背面的集电极通过焊料层连接到缓冲垫片，二极管芯片背面的阴极通过焊料层连接到缓冲垫片，所述缓冲垫片再通过焊料层贴装在第二覆铜陶瓷基板(63)正面的对应位置上；IGBT芯片正面的栅极以及二极管芯片正面的阳极通过焊料层连接到倒置的第一覆铜陶瓷基板(62)正面对应位置，IGBT芯片发射极表面的石墨烯散热层上表面也通过焊料层连接第一覆铜陶瓷基板(62)正面对应位置。2.根据权利要求1所述的IGBT模块的双面水冷散热封装结构，其特征在于，还包括内部中空的散热器，所述散热器包括内空的上水冷板(66)和下水冷板(67)，水冷板内设有翅柱(70)，上水冷板(66)和下水冷板(67)之间通过密封口(71)连通，下水冷板(67)的进水口(68)和出水口(69)之间设有水泵，水泵推动冷却液体进行循环流动；所述贴装有石墨烯散热层的IGBT芯片贴装在出水口(69)旁；第二覆铜陶瓷基板(63)背面通过焊料层连接到下水冷板(67)内侧表面，并紧密贴合，第一覆铜陶瓷基板(62)背面通过导热硅脂层(60)连接到上水冷板(66)内侧表面，并紧密贴合。3.根据权利要求1所述的IGBT模块的双面水冷散热封装结构，其特征在于，所述IGBT芯片和二极管芯片数量相同。4.高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将石墨烯薄膜转移至指定IGBT芯片的发射极表面，使石墨烯膜与芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：许媛，张燕飞，鲍婕，宁仁霞，陈珍海，周斌，张俊武，
申请(专利权)人：黄山学院，黄山谷捷散热科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34