[发明专利]一种高功率密度IGBT模块的双面水冷散热结构及加工工艺

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，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。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,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。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明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，本发明采用以下技术方案。

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；