一种复合散热结构及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种复合散热结构，其包括铜基板，所述铜基板包括两部分：上端（202）和下端（204），以及金属管（206）；所述上端（202）和下端（204）构成真空腔体，即形成微热管，在所述腔体的内壁部分（208）烧结一层铜，或者采用细铜丝编织的铜丝网，所述金属管（206）横穿所述真空腔体。由于铜基板内部有真空腔结构，采用蒸发冷凝循环来传递热量，热阻远远小于同类金属板，而且液冷管道的引入也可以提高冷却效率。在提高散热效率的同时，减少其他方式冷却所带来的体积过大问题，而且可以直接外接液冷管道，不需要拆卸之后再安装。本发明适用于大功率IGBT模块，也适用于SiC器件模组等其它领域。
【专利说明】一种复合散热结构及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及散热领域，特别涉及大功率电力电子功率器件的散热以及封装。
【背景技术】
[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT (双极型三极管)和MOS (绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。大功率电力电子IGBT模块在国民经济各个领域中应用越来越广泛，特别是在轨道交通、智能电网、电动汽车、风能、太阳能等领域具有举足轻重的作用，成为目前世界学术界及工业领域研究的热点。随着对IGBT模块的功率密度、应用温度、可靠性等性能要求越来越高，芯片内部发热功率也在急剧增加，器件最大工作温度已接近175°C。为了满足大电流、高功率密度应用需求，芯片结温必须要控制在一个合理的范围内。
[0003]热管是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导的一种结构。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。
[0004]水冷散热也叫液冷，主要是使用液体譬如水等流过管道，带走热量。水冷散热是目前散热效率最高的一种散热方式。
[0005]现有的散热方式均是单一的散热，如单纯的液冷、风冷等，散热效果比较一般，为了满足大电流、高功率密度应用需求，需要提供一种能够高效散热的方式。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对目前大功率IGBT散热的高要求形势下，为了满足大电流、高功率密度应用需求，提供一种能够高效散热的方式。本发明的另一目的是根据目前已有的大功率IGBT封装模块的散热方式及发展方向，提出封装结构方面的改进，尤其是铜基板散热结构部分的改良，实现了功率模块的高散热要求。
[0007]本发明提供一种用于大功率IGBT的冷却方法，使用了两种散热结构的结合，适用于大功率IGBT模块，也适用于SiC器件模组。本发明使用铜基板构成的微热管与液流通道的结合，液流通道通过热管内部，供冷却液体通过。
[0008]本发明采用的技术方案如下:
[0009]一种复合散热结构，其包括铜基板，所述铜基板包括两部分:上端和下端，以及金属管；所述上端和下端构成真空腔体，在所述腔体的内壁部分烧结一层铜，或者采用细铜丝编织的铜丝网，所述金属管横穿所述真空腔体。
[0010]其中，所述铜基板热管内部结构可以采用圆形，方形。
[0011]优选的，在所述真空腔体内部设置几个支撑凸台，以提高腔体的刚度。
[0012]优选的，所述上端和下端在真空环境下进行密闭，或者在密闭之后将内部抽成真空。
[0013]优选的，所述金属管采用不锈钢或者其他金属材料制成。
[0014]本发明还提供一种热管液冷复合散热结构的铜基板的制作工艺，包括以下步骤:首先加工出具有内腔的铜基板，冷凝端及蒸发端的部分烧结出一定厚度的铜层，形成毛细层；在铜基板宽侧打孔，将金属管装配进去，形成液体管道；之后将铜基板密封成真空，构成微热管。
[0015]另外，本发明还提供一种大功率IGBT封装结构，其包括上述复合散热结构，其中所述铜基板封装在塑料外壳之中，所述外壳内部设置有二极管芯片、IGBT芯片，铝丝，最下层为DBC层、电极设置在所述外壳外面。
[0016]由于铜基板结构为内部真空的微热管结构，上部为冷凝端，下部为蒸发端，其中冷凝端及蒸发端部分有烧结成型的毛细结构，有利于蒸汽在冷凝端冷凝成液体，回流到蒸发端。热管的中间部分为多列微型管道，可以使冷却液通过，加速蒸汽在冷凝端的冷却过程。相比传统的普通热管，冷却效率又增加了不少。本发明可以用于大功率IGBT散热以及其他需要散热的电力电子领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1A是本发明的实施例的一个结构示意图；
[0018]图1B是本发明的实施例的剖面示意图；
[0019]图2A是本发明的实施例铜基板基本结构图；
[0020]图2B是本发明的实施例铜基板结构剖视图；
[0021]图2C是本发明的实施例铜基板侧面剖视图；
[0022]图3是本发明的实施例铜基板内部液体流向示意图；
[0023]图4A是本发明的实施例二的铜基板下部示意图；
[0024]图4B是本发明的实施例二的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]实施例一
[0027]参见图1A、图1B，图中示出功率封装结构100，其底部具有热管与液冷复合结构的铜基板102，封装在塑料外壳114之中。外壳114内部设置有二极管芯片106、IGBT芯片108，铝丝110，最下层为DBC层104，电极112设置在外壳外面，各个部分的位置关系在图1B中已经清楚示出。DBC层104上铜层按照设计分割成几个区域，一部分与IGBT芯片108下面漏极连接，一部分与二极管芯片106连接DBC层104 二极管芯片106的阴极，连接采用电阻率比较低的电胶，其他几个电极的连接采用铝丝110进行连接。
[0028]IGBT的封装工艺如下:先把DBC基板上铜层印刷出需要的图形，将IGBT芯片、二极管芯片用焊锡贴在DBC上层铜基板上，不同芯片下部的铜层不连在一起；然后将IGBT芯片和二极管芯片其他的电极用铝丝焊好；然后将DBC下铜层与具有热管液冷复合结构的铜基板焊接在一起；后面再将热管内部注入液体密封，需要保持热管内部的真空度。
[0029]图2A为本发明铜基板的基本外形图，图2B为铜基板的剖视图，图2C为铜基板侧面的剖视图。铜基板的主要结构有两部分:上端202和下端204，以及微型管206。上端202和下端204形成铜基板热管，其内部结构可以采用圆形，方形或者其他结构。为了保持铜基板的刚性，可以在内部增加几个支撑凸台。上端202与下端204构成真空腔体，在内壁部分208可以烧结一层铜，也可以采用细铜丝编织的铜丝网，以提高蒸汽冷凝的速度。微型管206采用不锈钢或者其他金属材料制成，利用在下端204的侧面打的孔，用微型管206穿过，采用焊接或其他的方式密闭完全。上端202和下端204密闭的时候需要在真空环境下，或者在密闭之后将内部抽成真空。
[0030]热管液冷复合结构的铜基板的制作工艺如下:首先需要加工出具有内腔的铜基板，为了保持铜基板的支撑能力，可以在IGBT芯片下面增加几个支撑凸台；然后将冷凝端的部分烧结出一定厚度的铜层，形成毛细层；在铜基板宽侧打孔，将微型管装配进去，形成液体管道；之后将铜基板密封成真空。
[0031]图3是铜基板微热管工作的原理图。内部液体为低沸点，易蒸发的流质，可以用水，也可以用丙酮。过程301是热量从热源向下传递，过程303是蒸汽腔内部液体受热蒸发，过程305是蒸汽流转到蒸汽腔其他温度低的地方冷凝成液体，过程307是液体冷凝后回到蒸发端。
[0032]实施例二
[0033]实施例二与实施例一基本相同，所不同的是实施例二中的微型管与铜基板为一体，经过加工模塑成一体。图4A为微热管下端示意图，图4B为微热管截面图。其中包括铜基板下端402 (具体结构请参见图4A)，通孔406，毛细铜层408。具体加工过程为:将铜板加工成基本形状，利用钻孔技术钻出相应的通孔406，然后在烧结炉里面烧结出毛细铜层408，最后再和DBC层404粘合密封。
[0034]由于铜基板结构为内部真空的微热管结构，上部为冷凝端，下部为蒸发端，其中冷凝端部分有烧结成型的毛细结构，有利于蒸汽在冷凝端冷凝成液体，回流到蒸发端。热管的中间部分为多列微型管道，可以使冷却液通过，加速蒸汽在冷凝端的冷却过程。相比传统的普通热管，冷却效率又增加了不少。本发明可以用于大功率IGBT散热以及其他需要散热的电力电子领域。
[0035]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种复合散热结构，其包括铜基板，所述铜基板包括两部分:上端(202)和下端(204)，以及金属管(206);所述上端(202)和下端(204)构成真空腔体，即形成微热管，在所述腔体的内壁部分(208)烧结一层铜，或者采用细铜丝编织的铜丝网，所述金属管(206)横穿所述真空腔体。
2.根据权利要求1所述的散热结构，所述铜基板微热管内部结构采用圆形或方形。
3.根据权利要求1或2所述的散热结构，在所述真空腔体内部设置几个支撑凸台。
4.根据权利要求3所述的散热结构，所述上端(202)和下端(204)在真空环境下进行密闭，或者在密闭之后将内部抽成真空。
5.根据权利要求1或2所述的散热结构，所述金属管(206)采用不锈钢或者其他金属材料制成。
6.一种热管液冷复合散热结构的铜基板的制作工艺，包括以下步骤:首先加工出具有内腔的铜基板，冷凝端及蒸发端部分烧结出一定厚度的铜层，形成毛细层；在铜基板宽侧打孔，将金属管装配进去，形成液体管道；之后将铜基板密封成真空，灌入液体。
7.一种大功率IGBT封装结构，其包括如权利要求1-5任一项所述的复合散热结构，其中所述铜基板(102)封装在塑料外壳(114)之中，所述外壳(114)内部设置有二极管芯片(106)、IGBT芯片(108)，铝丝(110)，最下层为DBC层(104)，电极(112)设置在所述外壳外面。
8.一种散热方法，其利用权利要求1-5中任一项所述的复合散热结构进行散热。
9.权利要求1-5中任一项所述的复合散热结构在大功率IGBT封装中的应用。
10.权利要求1-5中任一项所述的复合散热结构在SiC器件模组中的应用。
【文档编号】H01L23/427GK103579141SQ201310513536
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】梁琳, 常文光 申请人:华中科技大学