一种高功率环境的双桥臂双面散热IGBT功率模块封装结构

一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构
技术领域
1.本发明涉及芯片封装技术领域，具体为一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构。


背景技术：

2.绝缘栅双极晶体管是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“cpu”。igbt模块是由igbt与fwd(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，封装后的igbt模块直接应用于变频器、ups不间断电源等设备上。
3.大部分的igbt功率半导体模块的失效原因都与热量有关。如果没有有效的散热方式，模块温度将很快达到甚至超过结温(150℃)，严重影响igbt的工作性能、安全性及可靠性，使开关断速度、通态压降、电流拖尾时间、关断电压尖峰和损耗等性能指标变差，温度过高甚至会导致整个器件乃至整个系统模块的损坏，对igbt的安全性和可靠性构成严重威胁。
4.申请号cn202222045047.2，一种双面散热的功率模块，公开了一种双面散热的功率模块封装结构。该功率模块包括上散热件与下散热件，该功率模块采用双面散热结构。上散热件下表面通过导热中间层与第二衬底层相连接，第二衬底层下表面与垫块连接，芯片通过垫块与第一衬底层相连，第一衬底层下表面通过金属中间层与下散热件相连接。整个模块的散热路径可分为两类，往上通过垫块、第二衬底层，之后通过上散热件散失热量；往下通过第一衬底层之后通过下散热件散失热量。该功率模块的上下散热件散热表面积有限，在大功率工作环境下，模块不具备优异的散热性能。由于该模块芯片往上通过与垫块连接，往下通过与第一衬底层连接，只适应单桥臂小功率服役环境，无法在大电流大功率环境下工作。由于第一、二衬底层、垫块材料性能原因，致使功率模块不同区域散热能力相差较大，最终影响功率模块可靠性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构，选用性能更加优异的封装材料，用于改善目前功率模块功率小、散热性能差以及可靠性低的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构，包括：上矩形镂空散热翅片、上散热底板、上底板连接层、上氮化硅陶瓷基板、上桥功率芯片、上桥芯片焊料层、上桥芯片钼柱连接层、上桥芯片钼柱缓冲层、下桥芯片钼柱缓冲层、下桥芯片钼柱连接层、下桥功率芯片、下桥芯片焊料层、下氮化硅陶瓷基板、下底板连接层、下散热底板、下矩形镂空散热翅片所述上矩形镂空散热翅片安装在上散热底板上，所述上散热底板通过上底板连接层与上氮化硅陶瓷基板相连接，所述下散热底板通过下底板连接层与下氮化硅陶瓷基板相连接，所述上桥功率芯片通过上桥芯片焊料层与上氮化硅陶瓷基板相连接，且上桥功率芯片由8组igbt芯片组成；所述上桥芯片钼柱缓
冲层上通过上桥芯片钼柱连接层与上桥功率芯片连接，下通过所述上桥芯片钼柱连接层与下氮化硅陶瓷基板连接，所述下桥功率芯片由8组igbt芯片组成，通过所述下桥芯片焊料层与下氮化硅陶瓷基板连接，所述下桥芯片钼柱缓冲层上通过下桥芯片钼柱连接层与上氮化硅陶瓷基板连接，下通过所述下桥芯片钼柱连接层与下桥功率芯片连接，所述下氮化硅陶瓷基板通过下底板连接层与下散热底板相连接。
7.优选的，所述上矩形镂空散热翅片与所述下矩形镂空散热翅片其材料均采用导热性能优异的铝碳化硅材料，且每组上矩形镂空散热翅片和下矩形镂空散热翅片由21个平行排列矩形镂空结构组成，双桥臂双面散热igbt模块双面散热的设计可以使得模块各个器件散热更加均匀，同时增加了散热面积，有效提升了散热能力。
8.优选的，所述上氮化硅陶瓷基板与下氮化硅陶瓷基板结构共分为三层，上下两层为铜，中间层为氮化硅，具有高热导性、低介电常数、稳定性好、高强度等特点。作为功率模块的基板，可提供良好的支撑和固定；优异的电学性能使得信号传输更加稳定和精确；高强度和抗压性，可以提高元器件对机械冲击、振动等外界因素的抵抗能力。
9.优选的，所述上桥功率芯片与下桥功率芯片，每组由8个igbt芯片构成，且两组芯片单独交替工作，双桥臂交互工作模式，克服了现有结构无法在大电流、大功率环境下工作的缺陷，由此使得本发明的结构可适应各种复杂恶劣的服役环境。
10.优选的，所述上桥芯片焊料层与下桥芯片焊料层均采用熔点高、导电与导热性能优异、稳定性好的烧结纳米银。纳米银焊膏具有熔点高、粘结强度高的特点，在器件服役过程中，可有效降低焊料层裂纹的产生，提升器件的可靠性。
11.优选的，所述上桥芯片钼柱缓冲层与下桥芯片钼柱缓冲层采用圆柱形结构，且尺寸可作相应调整，钼柱缓冲层可以增强基板和igbt芯片之间的机械刚度，减小igbt工作时的应力，从而防止因热膨胀和压缩而导致的失配问题。此外，在igbt封装过程中，它还可以起到填充材料的作用，帮助消耗封装过程中的应力和压力，有利于减少芯片应力，从而提高器件的可靠性。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13.1.由于本发明采用的是矩形镂空散热翅片，克服了现有结构在单位面积上对流换热系数过小、散热能力低的不足，由此使得本发明结构在单位面积上具有更强的换热能力，提升了模块散热性能，使本发明设计的结构具有更高的可靠性和更长的工作寿命。
14.2.由于本发明采用的双桥臂交互工作模式，克服了现有结构无法在大电流、大功率环境下工作的缺陷，由此使得本发明的结构可适应各种复杂恶劣的服役环境。
15.3.由于本发明采用性能更优的氮化硅陶瓷基板以及具有更高熔点的烧结纳米银作为芯片焊料层，克服了现有技术中热量散失不均以及焊料层较易产生裂纹的缺陷，由此使得本发明的结构和封装材料具有更高的可靠性和更长的工作寿命。
附图说明
16.图1是本发明整体结构主视图结构示意图；
17.图2是本发明整体结构左视图结构示意图；
18.图3是本发明整体结构下桥结构图结构示意图；
19.图4是本发明整体立体结构示意图。
20.图中：1、上矩形镂空散热翅片；2、上散热底板；3、上底板连接层；4、上氮化硅陶瓷基板；5、上桥功率芯片；6、上桥芯片焊料层；7、上桥芯片钼柱连接层；8、上桥芯片钼柱缓冲层；9、下桥芯片钼柱缓冲层；10、下桥芯片钼柱连接层；11、下桥功率芯片；12、下桥芯片焊料层；13、下氮化硅陶瓷基板；14、下底板连接层；15、下散热底板；16、下矩形镂空散热翅片。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构，包括上矩形镂空散热翅片1、上散热底板2、上底板连接层3、上氮化硅陶瓷基板4、上桥功率芯片5、上桥芯片焊料层6、上桥芯片钼柱连接层7、上桥芯片钼柱缓冲层8、下桥芯片钼柱缓冲层9、下桥芯片钼柱连接层10、下桥功率芯片11、下桥芯片焊料层12、下氮化硅陶瓷基板13、下底板连接层14、下散热底板15和下矩形镂空散热翅片16。
23.上矩形镂空散热翅片1，由21个单矩形翅片组成，沿模块长边水平排列。采用铝碳化硅作为矩形镂空散热翅片的材料，采用铝碳化硅作为矩形镂空散热翅片的材料，经过散热底板通过金锗导热脂与上氮化硅陶瓷基板4连接，金锗导热脂具有接触电阻低与散热底板粘附性好等特点，通过上矩形镂空散热翅片1结构增大单位面积上的换热能力，经过上散热底板2通过上底板连接层3与上氮化硅陶瓷基板4连接。下矩形镂空散热翅片16经过下散热底板15通过下底板连接层14与下氮化硅陶瓷基板13连接，下氮化硅陶瓷基板13采用具有接触电阻低与散热底板粘附性好等特点金锗材料，可提升模块的可靠性，氮化硅陶瓷基板共分为三层，上下两层为铜，中间层为氮化硅，称之为碳化硅陶瓷基板。
24.上氮化硅陶瓷基板4与下氮化硅陶瓷基板13，结构共分为三层，上下两层为铜，中间层为氮化硅，具有高热导性、低介电常数、稳定性好、高强度等特点。作为功率模块的基板，可提供良好的支撑和固定；优异的电学性能使得信号传输更加稳定和精确；高强度和抗压性，可以提高元器件对机械冲击、振动等外界因素的抵抗能力。
25.上桥功率芯片5与下桥功率芯片11，每组由8个igbt芯片构成，两组芯片平行排列，且两组芯片单独交替工作，双桥臂结构可以实现电流的双向控制，可支持更大的输出功率，适用于电力电子转换器等高功率应用领域，散热底板通过高热导性、低介电常数、稳定性好、高强度的导热脂与氮化硅陶瓷基板装配连接，提升模块可靠性。
26.上桥芯片焊料层6与下桥芯片焊料层12，采用低温低压工艺，烧结成本低的烧结纳米银焊料，纳米银焊膏体阻特别低，因此具有很高的导电率和导热率，与其他焊膏相比使用寿命明显有所提升；由于银的熔点特别高，可以承受高温，所以纳米银焊膏具有粘接强度高的特点，可有效提升器件的可靠性。
27.上桥芯片钼柱缓冲层8与下桥芯片钼柱缓冲层9，每组8个钼柱，两组钼柱平行排列，钼柱一面通过上桥芯片钼柱连接层7和下桥芯片钼柱连接层10与上桥功率芯片5和下桥功率芯片11连接；一面通过上桥芯片钼柱连接层7和下桥芯片钼柱连接层10与上氮化硅陶瓷基板4和下氮化硅陶瓷基板13连接。可以增强基板和igbt芯片之间的机械刚度，减小igbt
工作时的应力，从而防止因热膨胀和压缩而导致的失配问题。此外，在igbt封装过程中，它还可以起到填充材料的作用，帮助消耗封装过程中的应力和压力，有利于减少芯片应力，从而提高器件的可靠性。
28.在本实施例中，igbt芯片在服役过程中所产生的热量，往上可通过上桥芯片钼柱缓冲层8传递至上氮化硅陶瓷基板4，芯片通过钼柱缓冲层与陶瓷基板连接，用于增强基板与igbt芯片之间的附着力和可靠性。采用高导电率和导热率的纳米银作为芯片焊料层，可有效提升器件的可靠性。双面散热结构设计可以使得模块各个器件散热更加均匀，同时增加了散热面积，有效提升散热能力，之后经过上散热底板2通过上矩形镂空散热翅片1散失热量；同时热量也可往下通过下氮化硅陶瓷基板13，经过下散热底板15通过下矩形镂空散热翅片16散失热量，达到双面散热的效果。双桥臂双面散热igbt模块双面散热的设计可以使得模块各个器件散热更加均匀，同时增加了散热面积，有效提升了散热能力。
29.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构，包括：上矩形镂空散热翅片(1)、上散热底板(2)、上底板连接层(3)、上氮化硅陶瓷基板(4)、上桥功率芯片(5)、上桥芯片焊料层(6)、上桥芯片钼柱连接层(7)、上桥芯片钼柱缓冲层(8)、下桥芯片钼柱缓冲层(9)、下桥芯片钼柱连接层(10)、下桥功率芯片(11)、下桥芯片焊料层(12)、下氮化硅陶瓷基板(13)、下底板连接层(14)、下散热底板(15)和下矩形镂空散热翅片(16)，其特征在于：所述上矩形镂空散热翅片(1)安装在上散热底板(2)上，所述上散热底板(2)通过上底板连接层(3)与上氮化硅陶瓷基板(4)相连接，所述下散热底板(15)通过下底板连接层(14)与下氮化硅陶瓷基板(13)相连接，所述上桥功率芯片(5)通过上桥芯片焊料层(6)与上氮化硅陶瓷基板(4)相连接，且上桥功率芯片(5)由8组igbt芯片组成；所述上桥芯片钼柱缓冲层(8)上通过上桥芯片钼柱连接层(7)与上桥功率芯片(5)连接，下通过所述上桥芯片钼柱连接层(7)与下氮化硅陶瓷基板(13)连接，所述下桥功率芯片(11)由8组igbt芯片组成，通过所述下桥芯片焊料层(12)与下氮化硅陶瓷基板(13)连接，所述下桥芯片钼柱缓冲层(9)上通过下桥芯片钼柱连接层(10)与上氮化硅陶瓷基板(4)连接，下通过所述下桥芯片钼柱连接层(10)与下桥功率芯片(11)连接，所述下氮化硅陶瓷基板(13)通过下底板连接层(14)与下散热底板(15)相连接。2.根据权利要求1所述的一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构，其特征在于：所述上矩形镂空散热翅片(1)与所述下矩形镂空散热翅片(16)其材料均采用导热性能优异的铝碳化硅材料，且每组上矩形镂空散热翅片(1)和下矩形镂空散热翅片(16)由21个平行排列矩形镂空结构组成。3.根据权利要求1所述的一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构，其特征在于：所述上氮化硅陶瓷基板(4)与下氮化硅陶瓷基板(13)结构共分为三层，上下两层为铜，中间层为氮化硅。4.根据权利要求1所述的一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构，其特征在于：所述上桥功率芯片(5)与下桥功率芯片(11)，每组由8个igbt芯片构成，且两组芯片单独交替工作，双桥臂交互工作模式。5.根据权利要求1所述的一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构，其特征在于：所述上桥芯片焊料层(6)与下桥芯片焊料层(12)均采用熔点高、导电与导热性能优异、稳定性好的烧结纳米银。6.根据权利要求1所述的一种高功率环境的双桥臂双面散热igbt功率模块封装结构，其特征在于：所述上桥芯片钼柱缓冲层(8)与下桥芯片钼柱缓冲层(9)采用圆柱形结构。

技术总结
本发明公开了一种高功率环境的双桥臂双面散热IGBT功率模块封装结构，所述上矩形镂空散热翅片安装在上散热底板上，所述上散热底板通过上底板连接层与上氮化硅陶瓷基板相连接，所述下散热底板通过下底板连接层与下氮化硅陶瓷基板相连接，所述上桥功率芯片通过上桥芯片焊料层与上氮化硅陶瓷基板相连接，且上桥功率芯片由8组IGBT芯片组成。本发明克服了现有结构在单位面积上对流换热系数过小、散热能力低的不足，由此使得本发明结构在单位面积上具有更强的换热能力，提升了模块散热性能，使本发明设计的结构具有更高的可靠性和更长的工作寿命。作寿命。作寿命。


技术研发人员：田文超 王永坤 张国光 肖宝童 张崤君 张义政
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/31