本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種功率變流器中IGBT模塊的散熱結(jié)構(gòu)及封裝工藝。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等新型發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電系統(tǒng)日漸成為滿足負(fù)荷增長需求、減少環(huán)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(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)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?yàn)镮GBT模塊失效而導(dǎo)致的故障占90％以上，當(dāng)IGBT模塊重復(fù)開通或關(guān)斷時(shí)，在熱沖擊的反復(fù)作用下產(chǎn)生失效或疲勞效應(yīng)，其工作壽命與可靠性將影響到整個(gè)裝置或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。IGBT模塊中半導(dǎo)體硅芯片負(fù)責(zé)完成換流而封裝結(jié)構(gòu)則提供電氣連接、散熱、絕緣以及機(jī)械強(qiáng)度等輔助功能。IGBT失效主要是綁定引線、綁定點(diǎn)以及焊料層無法承受熱應(yīng)力和形變導(dǎo)致的，因此改進(jìn)IGBT模塊的散熱技術(shù)和封裝結(jié)構(gòu)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(dú)特的物理性能，如超高的電子遷移率、高熱導(dǎo)率、高楊氏模量和高比表面積等，在電子和光子領(lǐng)域顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。其中，高熱導(dǎo)率成為其在電子熱管理應(yīng)用中的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，有希望直接作為封裝材料對IGBT模塊進(jìn)行散熱，可以提高模塊承受熱循環(huán)的能力，從而提高器件應(yīng)用的長期可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種功率變流器中IGBT模塊的散熱結(jié)構(gòu)及封裝工藝，將石墨烯材料以散熱薄膜形式應(yīng)用于熱流密度較高的IGBT芯片表面，以填充增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱膠的形式應(yīng)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(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案。所述功率變流器中IGBT模塊的散熱結(jié)構(gòu)包括：第一IGBT芯片，其上表面為第一IGBT芯片集電極連接區(qū)，其下表面設(shè)有第一IGBT芯片發(fā)射極連接區(qū)和第一IGBT芯片柵極連接區(qū)；第一石墨烯薄膜散熱層與所述第一IGBT芯片發(fā)射極連接區(qū)接觸。

所述的功率變流器中IGBT模塊的散熱結(jié)構(gòu)還可包括：第二IGBT芯片，其上表面包括第二IGBT芯片發(fā)射極連接區(qū)和第二IGBT芯片柵極連接區(qū)，其下表面為第二IGBT芯片集電極連接區(qū)；第二石墨烯薄膜散熱層與所述第二IGBT芯片集電極連接區(qū)接觸。

所述的功率變流器中IGBT模塊的散熱結(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)射極連接區(qū)的厚度，又小于第二IGBT芯片集電極連接區(qū)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(qū)的下表面以及基板上表面接觸的有石墨烯填充增強(qiáng)的導(dǎo)電導(dǎo)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(shè)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(fā)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(fā)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(gòu)成的結(jié)構(gòu)與基板之間填充有硅膠。

一種功率變流器中IGBT模塊散熱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)層，在石墨烯/銅箔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)層體系；

(2)使用氫氧化鈉溶液作為電解液，將直流電源負(fù)極連接到PMMA/石墨烯/銅箔結(jié)構(gòu)層體系的銅箔上，同時(shí)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(jié)構(gòu)層；

(3)分別將PMMA/石墨烯結(jié)構(gòu)層轉(zhuǎn)移到第一IGBT芯片發(fā)射極和第二IGBT芯片集電極上，使單層石墨烯與芯片直接結(jié)合，自然風(fēng)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(fā)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(fā)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(wǎng)印刷的方法涂上石墨烯增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱膠，將熱沉通過石墨烯增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)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(fā)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(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱膠與基板形成良好接觸；同時(shí)，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(fā)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(diǎn)的熱量通過單層石墨烯傳遞給熱沉，進(jìn)而傳遞給基板；

(6)階梯升溫使石墨烯增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱膠固化完全，將第一IGBT芯片的發(fā)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(fā)射極與基板上相應(yīng)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(gòu)成的結(jié)構(gòu)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(fā)射極與基板上的第二IGBT芯片的發(fā)射極引出端相連。

具體的，步驟(6)所述母排上有多個(gè)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(fā)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(fā)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。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明以單層石墨烯薄膜作為芯片表面的散熱層，可以發(fā)揮其優(yōu)異的面內(nèi)熱傳導(dǎo)性能，將熱量迅速傳遞到熱沉，進(jìn)而通過基板散發(fā)，對于功率變流器中IGBT模塊的局部高熱流熱點(diǎn)是非常有效的熱管理方案；

2、本發(fā)明以少層石墨烯粉末填充增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)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(dǎo)性能，同時(shí)芯片貼裝的互連方式可以增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)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是本發(fā)明實(shí)施例石墨烯薄膜應(yīng)用于第一IGBT芯片表面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例石墨烯薄膜應(yīng)用于第二IGBT芯片表面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明提出的功率變流器中IGBT模塊的散熱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明工藝實(shí)施步驟1.1中的PMMA/石墨烯/Cu結(jié)構(gòu)層體系示意圖。

圖5是本發(fā)明工藝實(shí)施步驟1.2中的PMMA/石墨烯結(jié)構(gòu)層示意圖。

圖6是本發(fā)明工藝實(shí)施步驟2.1中的基板示意圖。

圖7是本發(fā)明工藝實(shí)施步驟2.2中熱沉貼裝示意圖。

圖8是本發(fā)明工藝實(shí)施步驟2.2中芯片貼裝示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提出了一種功率變流器中IGBT模塊的散熱結(jié)構(gòu)，包括基板、芯片、熱沉、石墨烯散熱層、石墨烯基互連材料以及母排和硅膠。

其中采用化學(xué)氣相沉積法制備的單層石墨烯薄膜作為散熱層，用于第一IGBT芯片的發(fā)射極12表面和第二IGBT芯片的集電極22表面，參見圖1和圖2。圖1中第一IGBT芯片11上表面有第一IGBT芯片的發(fā)射極12和柵極13，第一IGBT芯片發(fā)射極12的上表面為第一單層石墨烯薄膜10。圖2中第二IGBT芯片21上表面有第二IGBT芯片的集電極22，其上表面為第二單層石墨烯薄膜20。

本發(fā)明采用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(tài)銀顆粒導(dǎo)電膠中增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，然后用作芯片與基板、熱沉與基板之間的互連，散熱整體結(jié)構(gòu)參見圖3?；?1的上表面按照第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21的貼裝方式制作有電極引出線路，其中包括第一IGBT芯片11的柵極引出端32，第一IGBT芯片發(fā)射極12和第二IGBT芯片集電極22的共同引出端33，第一IGBT芯片11的集電極引出端35，第二IGBT芯片21的發(fā)射極引出端41，第二IGBT芯片21的柵極引出端38。熱沉42為金屬或石墨，熱沉42與基板31之間，第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21與基板31之間用石墨烯增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱膠43作為互連材料。第一IGBT芯片11以貼裝的方式安裝在基板31上，即第一IGBT芯片11的集電極14在上面，下面是第一IGBT芯片11的發(fā)射極12和柵極13，其中第一IGBT芯片11的發(fā)射極12上貼有第一單層石墨烯薄膜10。第二IGBT芯片21也以貼裝的方式安裝在基板31上，即第二IGBT芯片21的柵極36和發(fā)射極39在上面，集電極22在下面，其中第二IGBT芯片21的集電極22上貼有第二單層石墨烯薄膜20。第一IGBT芯片集電極14與基板31上的第一IGBT芯片集電極引出端35由第一金屬線34相連，第二IGBT芯片柵極36與基板31上的第二IGBT芯片柵極引出端38由第二金屬線37相連，第二IGBT芯片發(fā)射極39與基板31上的第二IGBT芯片發(fā)射極引出端41由第三金屬線40相連。在基板31上還制作有母排44和支架45，母排44靠連接于基板上方的支架45固定支撐，母排44上設(shè)有多個(gè)母排端子，母排端子的上端設(shè)于母排44和支架45結(jié)構(gòu)的上表面，其中第一IGBT芯片11的集電極引出端35與第一母排端子46相連，第一IGBT芯片11的柵極引出端32與第二母排端子47相連，第一IGBT芯片的發(fā)射極12和第二IGBT芯片21的集電極22的引出端33與第三母排端子48相連，第二IGBT芯片21的發(fā)射極引出端41與第四母排端子49相連，第二IGBT芯片21的柵極引出端38與第五母排端子50相連。母排44及支架45構(gòu)成的結(jié)構(gòu)與基板31之間填充硅膠51。

本發(fā)明提出了一種功率變流器中IGBT模塊散熱結(jié)構(gòu)的封裝工藝，包括采用化學(xué)氣相沉積法制備的單層石墨烯薄膜作為IGBT芯片散熱層的轉(zhuǎn)移工藝，以及采用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(tài)銀顆粒導(dǎo)電膠中增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，用于芯片與基板、熱沉與基板之間的互連工藝兩個(gè)部分。

其中，IGBT模塊散熱結(jié)構(gòu)中散熱層的轉(zhuǎn)移工藝具體步驟為：

步驟1.1、如圖4所示，在銅箔60表面用化學(xué)氣相沉積方法生長單層石墨烯61，形成石墨烯/銅箔結(jié)構(gòu)層，然后在石墨烯/銅箔結(jié)構(gòu)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/Cu結(jié)構(gòu)層體系。

步驟1.2、使用摩爾濃度為0.25～1M的NaOH溶液作為電解液，將直流電源負(fù)極連接到PMMA/石墨烯/Cu結(jié)構(gòu)層體系的銅箔60上，同時(shí)將直流電源正極連接到鉑電極上，將電流逐漸加大(例如從零開始逐漸加大至約1A)，20～30秒后銅箔60會(huì)與PMMA/石墨烯分離，得到PMMA/石墨烯結(jié)構(gòu)層，如圖5所示。

步驟1.3、將PMMA/石墨烯結(jié)構(gòu)層轉(zhuǎn)移到第一IGBT芯片發(fā)射極12上，使單層石墨烯與芯片直接結(jié)合，自然風(fēng)干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到第一單層石墨烯薄膜10，如圖1所示。重復(fù)步驟1.1和步驟1.2，將PMMA/石墨烯結(jié)構(gòu)層轉(zhuǎn)移到第二IGBT芯片集電極22上，使單層石墨烯與芯片直接結(jié)合，自然風(fēng)干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到第二單層石墨烯薄膜20，如圖2所示。

本發(fā)明所述的IGBT模塊散熱結(jié)構(gòu)中互連工藝的具體步驟為：

步驟2.1、按照本發(fā)明提出的第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21的貼裝方式，設(shè)計(jì)制作帶有電極引出線路的基板31，如圖6所示。基板31的上表面按照第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21的貼裝方式制作有電極引出線路，其中包括第一IGBT芯片11的柵極引出端32，第一IGBT芯片發(fā)射極12和第二IGBT芯片集電極22的共同引出端33，第一IGBT芯片11的集電極引出端35，第二IGBT芯片21的發(fā)射極引出端41，第二IGBT芯片21的柵極引出端38。

步驟2.2、在基板31表面用絲網(wǎng)印刷的方法涂上石墨烯增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱膠43，熱沉42通過石墨烯增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱膠43粘在基板31表面，如圖7所示。將第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21通過貼裝的方式，即第一IGBT芯片發(fā)射極12和第二IGBT芯片集電極22朝下，使第一單層石墨烯薄膜10和第二單層石墨烯薄膜20通過石墨烯增強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱膠43與基板31形成良好接觸，如圖8所示。同時(shí)，第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21分別放置在熱沉42的兩邊，并使第一單層石墨烯薄膜10和第二單層石墨烯薄膜20、第一IGBT芯片發(fā)射極12和第二IGBT芯片集電極22都與熱沉42形成物理接觸，這樣可以將第一IGBT芯片發(fā)射極12和第二IGBT芯片集電極22的熱量通過第一單層石墨烯薄膜10和第二單層石墨烯薄膜20的面內(nèi)高熱導(dǎo)率迅速傳遞給熱沉42，進(jìn)而傳遞給基板31。

步驟2.3、階梯升溫，例如在110℃下加熱30分鐘，隨后升溫到140℃，保溫1.5小時(shí)，使石墨烯導(dǎo)電導(dǎo)熱膠43固化完全，將第一IGBT芯片發(fā)射極12和柵極13，第二IGBT芯片集電極22以及熱沉42，與基板31之間形成可靠的互連。用引線鍵合的方法通過第一金屬線34將第一IGBT芯片集電極14與基板31上的第一IGBT芯片的集電極引出端35相連，通過第二金屬線37將第二IGBT芯片柵極36與基板31上的第二IGBT芯片的柵極引出端38相連，通過第三金屬線40將第二IGBT芯片發(fā)射極39與基板31上的第二IGBT芯片的發(fā)射極引出端41相連。安裝母排44和支架45，其中第一IGBT芯片11的集電極引出端35與第一母排端子46相連，第一IGBT芯片11的柵極引出端32與第二母排端子47相連，第一IGBT芯片的發(fā)射極12和第二IGBT芯片21的集電極22的引出端33與第三母排端子48相連，第二IGBT芯片21的發(fā)射極引出端41與第四母排端子49相連，第二IGBT芯片21的柵極引出端38與第五母排端子50相連，如圖3所示。在母排44及支架45和基板31之間填充硅膠45，室溫固化。

本發(fā)明采用化學(xué)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(fā)揮其優(yōu)異的面內(nèi)熱傳導(dǎo)性能，將功率變流器中IGBT模塊的局部熱點(diǎn)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(tài)銀顆粒導(dǎo)電膠中，增強(qiáng)其導(dǎo)電導(dǎo)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(dǎo)能力；采用芯片貼裝的互連方式縮短熱傳導(dǎo)路徑，增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的散熱性能，實(shí)現(xiàn)局部高熱流密度熱點(diǎn)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。

以上所述僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明創(chuàng)造，凡在本發(fā)明創(chuàng)造的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之內(nèi)。