一种IGBT模块及其制造工艺制造技术

本发明专利技术公开一种IGBT模块及其制造工艺，属于电力电子制造和封测技术领域，包括顺次连接的铜热沉、铜基板、BPSG绝缘层、铜层和芯片，铜热沉朝向铜基板的连接面设置有第一铜纳米毛刺，铜基板朝向铜热沉的连接面设置有第二铜纳米毛刺，第一铜纳米毛刺与第二铜纳米毛刺直插连接，铜热沉内设置有竖向分布的第一冷却流道，铜基板内设置有横向分布的第二冷却流道，第一冷却流道和第二冷却流道在铜基板与铜热沉连接后相通，冷却介质在第一冷却流道和第二冷却流道内流通。本发明专利技术利用第一铜纳米毛刺和第二铜纳米毛刺能够提高铜热沉和铜基板的连接紧密度，降低热阻，提高热传递效果，利用第一冷却流道和第二冷却流道能够实现靠近热源的散热，进一步提高散热效果。进一步提高散热效果。进一步提高散热效果。

【技术实现步骤摘要】
一种IGBT模块及其制造工艺


[0001]本专利技术涉及电力电子制造和封测
，特别是涉及一种IGBT模块及其制造工艺。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]授权公告号为CN 114334869 B的中国专利公开了一种自动温度控制的IGBT模块封装结构，包括由下至上依次设置的热沉、TIM、铜基板、焊料层和覆铜陶瓷基板；覆铜陶瓷基板上还设置有二极管和IGBT芯片；热沉、TIM、铜基板、焊料层和覆铜陶瓷基板内贯穿有微通道；覆铜陶瓷基板、铜基板、热沉以及微通道构成固
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液
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气三相散热系统。该方案在热沉与芯片之间设置有多层支撑材料，存在不同程度的热阻，影响散热。
>[0005]再如，授权公告号为CN 114334872 B的中国专利公开了一种具有散热结构的电力电子器件IGBT模块及制备方法，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；散热结构包括两面加工有AlSiC介质层的微流道铜基板。该方案散热结构与芯片之间仍旧存在多层阻隔，存在不同程度的热阻，影响散热。
[0006]因此，为了达到更好的散热效果，有必要对现有散热技术进行改进以解决现有技术之不足。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种IGBT模块及其制造工艺，以解决上述现有技术存在的问题，利用第一铜纳米毛刺和第二铜纳米毛刺的连接实现铜热沉和铜基板的连接，能够提高铜热沉和铜基板的连接紧密度，降低热阻，提高热传递效果，在此基础上，利用第一冷却流道和第二冷却流道连通实现靠近热源的散热，进一步提高散热效果。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0009]本专利技术提供一种IGBT模块，包括顺次连接的铜热沉、铜基板、BPSG绝缘层、铜层和芯片，所述铜热沉朝向所述铜基板的连接面设置有第一铜纳米毛刺，所述铜基板朝向所述铜热沉的连接面设置有第二铜纳米毛刺，所述第一铜纳米毛刺与所述第二铜纳米毛刺直插
连接，所述铜热沉内设置有竖向分布的第一冷却流道，所述铜基板内设置有横向分布的第二冷却流道，所述第一冷却流道和所述第二冷却流道在所述铜基板与所述铜热沉连接后相通，冷却介质在所述第一冷却流道和所述第二冷却流道内流通。
[0010]优选地，所述第一铜纳米毛刺分段间隔设置，占其所设置连接面的面积比例为1:4~1:2，所述第二铜纳米毛刺分段间隔设置，占其所设置连接面的面积比例为1:4~1:2，所述第一铜纳米毛刺与所述第二铜纳米毛刺通过低温直插或者压力直插的方式固定在一起。
[0011]优选地，每段所述第一铜纳米毛刺和所述第二铜纳米毛刺的数量不少于50根，长度不低于所述铜基板厚度的1/2。
[0012]优选地，所述芯片包括IGBT芯片和FRD芯片，所述IGBT芯片与所述FRD芯片通过键合线连接，所述IGBT芯片与所述FRD芯片通过焊料层连接在所述铜层上。
[0013]优选地，所述铜基板上预置有纳米凸点，所述纳米凸点为球体、四面体或六面体。
[0014]优选地，若干所述第一冷却流道的底部连接同一入口通道，所述入口通道由近端向远端逐渐缩口。
[0015]本专利技术还提供一种如前文记载的所述的IGBT模块的制造工艺，包括以下内容：
[0016]步骤1、在铜热沉中预置第一冷却流道，铜基板中预置第二冷却流道，通过对所述铜热沉和所述铜基板进行微纳加工，在所述铜热沉加工第一铜纳米毛刺，在所述铜基板加工第二铜纳米毛刺；
[0017]步骤2、顺次在所述铜基板上设置BPSG绝缘层、铜层和芯片；
[0018]步骤3、将所述第一铜纳米毛刺和所述第二铜纳米毛刺直插连接，所述第一冷却流道和所述第二冷却流道连通，实现整个IGBT模块的集成。
[0019]优选地，步骤2中包括：
[0020]步骤2.1、TEOS、TEB以及 TEPO在 750
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850℃温度下淀积BPSG到预置纳米凸点的铜基板上，形成BPSG绝缘层；
[0021]步骤2.2、激光退火750℃
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950℃，使所述BPSG绝缘层高温软化回流填充淀积工艺形成的空隙。
[0022]优选地，步骤2中包括：
[0023]步骤2.3、在所述BPSG绝缘层表面溅射制备一层铜籽晶层；
[0024]步骤2.4、在所述铜籽晶层上高温淀积所述铜层。
[0025]优选地，步骤2中包括：
[0026]步骤2.5、在所述铜层上采用湿法刻蚀图形化，刻蚀出所需要的layout布局；
[0027]步骤2.6、将所述芯片和焊料层贴装到所述铜层表面，经过高温回流与键合实现电气连接，形成整个封装结构。
[0028]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0029]（1）本专利技术利用第一铜纳米毛刺和第二铜纳米毛刺的连接实现铜热沉和铜基板的连接，能够提高铜热沉和铜基板的连接紧密度，降低热阻，提高热传递效果，在此基础上，能够利用第一冷却流道和第二冷却流道连通实现靠近热源的散热，进一步提高散热效果；
[0030]（2）本专利技术利用BPSG绝缘层进行绝缘，可以增强整个模块的绝缘击穿能力，另外，在制作BPSG绝缘层时，先利用TEOS、TEB以及 TEPO在 750
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850℃温度下淀积BPSG到预置纳米凸点的铜基板上，形成BPSG绝缘层，再进行激光退火750℃
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950℃，使BPSG绝缘层高温软
化回流填充淀积工艺形成的空隙，通过在高温下覆盖铜基板上预置纳米凸点，实现BPSG绝缘层和铜基板两者之间强大的结合力，远超采用焊料层方案的结合力，可以增强整个模块在严苛环境下的可靠性；
[0031]（3）传统IGBT模块在制作工艺上是将芯片贴到印刷有焊料层的DBC上，再将贴好的整体贴到铜基板上，经过回流工艺，实现结合；之后再将结合好的整体通过导热硅脂放到热沉上，传统工艺整体来看是自上而下的结合工艺；本专利技术IGBT模块相比原结构，减少了陶瓷层、下铜层、焊料层以及导热硅脂，以BPSG层取代DBC层和焊料层，在制作工艺上，纵观来看是自下而上的集成工艺，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种IGBT模块，其特征在于：包括顺次连接的铜热沉、铜基板、BPSG绝缘层、铜层和芯片，所述铜热沉朝向所述铜基板的连接面设置有第一铜纳米毛刺，所述铜基板朝向所述铜热沉的连接面设置有第二铜纳米毛刺，所述第一铜纳米毛刺与所述第二铜纳米毛刺直插连接，所述铜热沉内设置有竖向分布的第一冷却流道，所述铜基板内设置有横向分布的第二冷却流道，所述第一冷却流道和所述第二冷却流道在所述铜基板与所述铜热沉连接后相通，冷却介质在所述第一冷却流道和所述第二冷却流道内流通。2.根据权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述第一铜纳米毛刺分段间隔设置，占其所设置连接面的面积比例为1:4~1:2，所述第二铜纳米毛刺分段间隔设置，占其所设置连接面的面积比例为1:4~1:2，所述第一铜纳米毛刺与所述第二铜纳米毛刺通过低温直插或者压力直插的方式固定在一起。3.根据权利要求2所述的IGBT模块，其特征在于：每段所述第一铜纳米毛刺和所述第二铜纳米毛刺的数量不少于50根，长度不低于所述铜基板厚度的1/2。4.根据权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述芯片包括IGBT芯片和FRD芯片，所述IGBT芯片与所述FRD芯片通过键合线连接，所述IGBT芯片与所述FRD芯片通过焊料层连接在所述铜层上。5.根据权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述铜基板上预置有纳米凸点，所述纳米凸点为球体、四面体或六面体。6.根据权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：若干所述第一冷却流道的底部连接同一入口通道，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周洋，袁雄，
申请(专利权)人：合肥阿基米德电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：