功率變流器中IGBT模塊的散熱結構及封裝工藝制造技術

本發明專利技術涉及一種功率變流器中IGBT模塊的散熱結構及封裝工藝，其結構包括基板、芯片、熱沉、石墨烯散熱層、石墨烯基互連材料、母排和硅膠；采用化學氣相沉積法制備的單層石墨烯薄膜作為芯片表面的散熱層，通過發揮其優異的面內熱傳導性能，將功率變流器中IGBT模塊的局部熱點熱量迅速橫向傳遞到熱沉；將氧化還原法或溶劑剝離法制備的少層石墨烯粉末填充到多模態銀顆粒導電膠中，增強其導電導熱性能，并將其作為芯片與基板、熱沉與基板之間的互連材料，提高熱量從芯片到基板的縱向傳導能力；采用芯片貼裝的互連方式縮短熱傳導路徑，增強整體結構的散熱性能，實現局部高熱流密度熱點的有效散熱，從而降低功率變流器中IGBT模塊的最高溫度，提升器件使用壽命。

【技術實現步驟摘要】
功率變流器中IGBT模塊的散熱結構及封裝工藝
本專利技術屬于半導體
，具體涉及一種功率變流器中IGBT模塊的散熱結構及封裝工藝。
技術介紹
隨著風力發電、太陽能光伏發電等新型發電技術的發展，分布式發電系統日漸成為滿足負荷增長需求、減少環境污染、提高能源綜合利用效率和供電可靠性的有效途徑。發電機與電網之間進行能量轉換和儲藏的功率變流器容量需求越來越大，這就要求功率器件IGBT模塊要具備較高的功率等級，而大容量IGBT模塊的故障損壞率不容忽視。中、高壓功率變流器因為IGBT模塊失效而導致的故障占90％以上，當IGBT模塊重復開通或關斷時，在熱沖擊的反復作用下產生失效或疲勞效應，其工作壽命與可靠性將影響到整個裝置或系統的正常運行。IGBT模塊中半導體硅芯片負責完成換流而封裝結構則提供電氣連接、散熱、絕緣以及機械強度等輔助功能。IGBT失效主要是綁定引線、綁定點以及焊料層無法承受熱應力和形變導致的，因此改進IGBT模塊的散熱技術和封裝結構是解決其失效的對策之一。近年來以石墨烯為代表的二維材料，由于其獨特的物理性能，如超高的電子遷移率、高熱導率、高楊氏模量和高比表面積等，在電子和光子領域顯示出了廣泛的應用前景。其中，高熱導率成為其在電子熱管理應用中的一個突出優點，有希望直接作為封裝材料對IGBT模塊進行散熱，可以提高模塊承受熱循環的能力，從而提高器件應用的長期可靠性。
技術實現思路
為了解決現有技術問題，本專利技術的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種功率變流器中IGBT模塊的散熱結構及封裝工藝，將石墨烯材料以散熱薄膜形式應用于熱流密度較高的IGBT芯片表面，以填充增強導電導熱膠的形式應用于芯片與基板、熱沉與基板之間，并通過芯片貼裝的互連方式，解決功率變流器中IGBT模塊的散熱問題。為達到上述目的，本專利技術采用下述技術方案。所述功率變流器中IGBT模塊的散熱結構包括：第一IGBT芯片，其上表面為第一IGBT芯片集電極連接區，其下表面設有第一IGBT芯片發射極連接區和第一IGBT芯片柵極連接區；第一石墨烯薄膜散熱層與所述第一IGBT芯片發射極連接區接觸。所述的功率變流器中IGBT模塊的散熱結構還可包括：第二IGBT芯片，其上表面包括第二IGBT芯片發射極連接區和第二IGBT芯片柵極連接區，其下表面為第二IGBT芯片集電極連接區；第二石墨烯薄膜散熱層與所述第二IGBT芯片集電極連接區接觸。所述的功率變流器中IGBT模塊的散熱結構還可包括：基板，其上表面包括第一IGBT芯片的柵極引出端、第一IGBT芯片發射極和第二IGBT芯片集電極的共同引出端；與所述第一石墨烯薄膜散熱層和第二石墨烯薄膜散熱層橫向相連的金屬或石墨熱沉，熱沉固定在第一IGBT芯片和第二IGBT芯片中間，所述熱沉的縱向厚度既小于第一IGBT芯片發射極連接區的厚度，又小于第二IGBT芯片集電極連接區的厚度；與所述第一石墨烯薄膜散熱層、第二石墨烯薄膜散熱層、熱沉、第一IGBT芯片柵極連接區的下表面以及基板上表面接觸的有石墨烯填充增強的導電導熱膠；所述基板上方連接有支架，母排由所述支架固定支撐，所述母排上設有：與所述第一IGBT芯片的集電極引出端相連的第一母排端子；與所述第一IGBT芯片的柵極引出端相連的第二母排端子；與所述第一IGBT芯片發射極和第二IGBT芯片集電極的共同引出端相連的第三母排端子；與所述第二IGBT芯片的發射極引出端相連的第四母排端子；與所述第二IGBT芯片的柵極引出端相連的第五母排端子；所述母排及支架構成的結構與基板之間填充有硅膠。一種功率變流器中IGBT模塊散熱結構的封裝工藝，包括以下步驟：(1)在銅箔表面生長單層石墨烯，形成石墨烯/銅箔結構層，在石墨烯/銅箔結構層上旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作為薄膜支撐層，得到PMMA/石墨烯/銅箔結構層體系；(2)使用氫氧化鈉溶液作為電解液，將直流電源負極連接到PMMA/石墨烯/銅箔結構層體系的銅箔上，同時將直流電源正極連接到鉑電極上，將電流逐漸加大，待銅箔與PMMA和石墨烯分離，得到PMMA/石墨烯結構層；(3)分別將PMMA/石墨烯結構層轉移到第一IGBT芯片發射極和第二IGBT芯片集電極上，使單層石墨烯與芯片直接結合，自然風干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到單層石墨烯薄膜；(4)提供基板，其上表面按照第一IGBT芯片和第二IGBT芯片的貼裝方式制作有電極引出線路，其中包括第一IGBT芯片的柵極引出端，第一IGBT芯片發射極和第二IGBT芯片集電極的共同引出端，第一IGBT芯片的集電極引出端，第二IGBT芯片的發射極引出端，第二IGBT芯片的柵極引出端；在所述基板表面用絲網印刷的方法涂上石墨烯增強導電導熱膠，將熱沉通過石墨烯增強導電導熱膠粘在基板表面；(5)將第一IGBT芯片和第二IGBT芯片通過貼裝的方式，即第一IGBT芯片的發射極和第二IGBT芯片的集電極朝下，使單層石墨烯薄膜通過石墨烯增強導電導熱膠與基板形成良好接觸；同時，第一IGBT芯片和第二IGBT芯片分別放置在熱沉兩邊，并使單層石墨烯薄膜、第一IGBT芯片的發射極和第二IGBT芯片的集電極都與熱沉形成物理接觸，使得芯片局部熱點的熱量通過單層石墨烯傳遞給熱沉，進而傳遞給基板；(6)階梯升溫使石墨烯增強導電導熱膠固化完全，將第一IGBT芯片的發射極和第一IGBT芯片柵極、第二IGBT芯片集電極與基板，以及熱沉與基板之間形成互連；用引線鍵合的方法通過金屬線分別將第一IGBT芯片集電極、第二IGBT芯片柵極、第二IGBT芯片發射極與基板上相應的引出端相連；在基板上方安裝母排及支架，于母排及支架構成的結構與基板之間填充硅膠，室溫固化。具體的，上述步驟(6)用引線鍵合的方法通過第一金屬線將第一IGBT芯片集電極與基板上的第一IGBT芯片的集電極引出端相連，通過第二金屬線將第二IGBT芯片柵極與基板上的第二IGBT芯片的柵極引出端相連，通過第三金屬線將第二IGBT芯片發射極與基板上的第二IGBT芯片的發射極引出端相連。具體的，步驟(6)所述母排上有多個母排端子，其中第一IGBT芯片的集電極引出端與第一母排端子相連，第一IGBT芯片的柵極引出端與第二母排端子相連，第一IGBT芯片發射極和第二IGBT芯片集電極的共同引出端與第三母排端子相連，第二IGBT芯片的發射極引出端與第四母排端子相連，第二IGBT芯片的柵極引出端與第五母排端子相連。本專利技術與現有技術相比較，具有如下優點：1、本專利技術以單層石墨烯薄膜作為芯片表面的散熱層，可以發揮其優異的面內熱傳導性能，將熱量迅速傳遞到熱沉，進而通過基板散發，對于功率變流器中IGBT模塊的局部高熱流熱點是非常有效的熱管理方案；2、本專利技術以少層石墨烯粉末填充增強導電導熱膠作為芯片與基板、熱沉與基板之間的互連材料，可以提高熱量從芯片到基板的縱向傳導性能，同時芯片貼裝的互連方式可以增強整體結構的可靠性，在高熱流密度的大功率IGBT模塊中滿足散熱需求。附圖說明圖1是本專利技術實施例石墨烯薄膜應用于第一IGBT芯片表面的結構示意圖。圖2是本專利技術實施例石墨烯薄膜應用于第二IGBT芯片表面的結構示意圖。圖3是本專利技術提出的功率變流器中IGBT模塊的散熱結構示意圖。圖4是本專利技術工藝實施步驟1.1中的PMMA/石墨烯/C本文檔來自技高網...

【技術保護點】
功率變流器中IGBT模塊的散熱結構，其特征在于，包括：第一IGBT芯片(11)，其上表面為第一IGBT芯片集電極(14)連接區，其下表面設有第一IGBT芯片發射極(12)連接區和第一IGBT芯片柵極(13)連接區；第一石墨烯薄膜散熱層(10)與所述第一IGBT芯片發射極(12)連接區接觸。

【技術特征摘要】
1.功率變流器中IGBT模塊的散熱結構，其特征在于，包括：第一IGBT芯片(11)，其上表面為第一IGBT芯片集電極(14)連接區，其下表面設有第一IGBT芯片發射極(12)連接區和第一IGBT芯片柵極(13)連接區；第一石墨烯薄膜散熱層(10)與所述第一IGBT芯片發射極(12)連接區接觸。2.根據權利要求1所述的功率變流器中IGBT模塊的散熱結構，其特征在于，還包括：第二IGBT芯片(21)，其上表面包括第二IGBT芯片發射極(39)連接區和第二IGBT芯片柵極(36)連接區，其下表面為第二IGBT芯片集電極(22)連接區；第二石墨烯薄膜散熱層(20)與所述第二IGBT芯片集電極(22)連接區接觸。3.根據權利要求2所述的功率變流器中IGBT模塊的散熱結構，其特征在于，還包括：基板(31)，其上表面包括第一IGBT芯片的柵極引出端(32)、第一IGBT芯片發射極(12)和第二IGBT芯片集電極(22)的共同引出端(33)；與所述第一石墨烯薄膜散熱層(10)和第二石墨烯薄膜散熱層(20)橫向相連的金屬或石墨熱沉(42)，熱沉(42)固定在第一IGBT芯片(11)和第二IGBT芯片(21)中間，所述熱沉(42)的縱向厚度既小于第一IGBT芯片發射極(12)連接區的厚度，又小于第二IGBT芯片集電極(22)連接區的厚度；與所述第一石墨烯薄膜散熱層(10)、第二石墨烯薄膜散熱層(20)、熱沉(42)、第一IGBT芯片柵極(13)連接區的下表面以及基板(31)上表面接觸的有石墨烯填充增強的導電導熱膠(43)；所述基板(31)上方連接有支架(45)，母排(44)由所述支架(45)固定支撐，所述母排(44)上設有：與所述第一IGBT芯片的集電極引出端(35)相連的第一母排端子(46)；與所述第一IGBT芯片的柵極引出端(32)相連的第二母排端子(47)；與所述第一IGBT芯片發射極和第二IGBT芯片集電極的共同引出端(33)相連的第三母排端子(48)；與所述第二IGBT芯片的發射極引出端(41)相連的第四母排端子(49)；與所述第二IGBT芯片的柵極引出端(38)相連的第五母排端子(50)；所述母排(44)及支架(45)構成的結構與基板(31)之間填充有硅膠(51)。4.功率變流器中IGBT模塊散熱結構的封裝工藝，其特征在于，包括以下步驟：(1)在銅箔(60)表面生長單層石墨烯(61)，形成石墨烯/銅箔結構層，在石墨烯/銅箔結構層上旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯PMMA(62)作為薄膜支撐層，得到PMMA/石墨烯/銅箔結構層體系；(2)使用氫氧化鈉溶液作為電解液，將直流電源負極連接到PMMA/石墨烯/銅箔結構層體系的銅箔(60)上，同時將直流電源正極連接到鉑電極上，將電流逐漸加大，待銅箔(60)與PMMA和石墨烯分離，得到PMMA/石墨烯結構層；(3)分別將PMMA/石墨烯結構層轉移到第一IGBT芯片發射極(12)和第二IGBT芯片集電極(22)上，使單層石墨烯與芯片直接結合，自然風干后用丙酮去...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鮑婕，寧仁霞，陳珍海，何聚，侯麗，王政留，
申請(專利權)人：黃山學院，
類型：發明
國別省市：安徽,34