功率变流器中IGBT模块的散热结构及封装工艺的制作方法

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种功率变流器中IGBT模块的散热结构及封装工艺。

背景技术：

随着风力发电、太阳能光伏发电等新型发电技术的发展，分布式发电系统日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的有效途径。发电机与电网之间进行能量转换和储藏的功率变流器容量需求越来越大，这就要求功率器件IGBT模块要具备较高的功率等级，而大容量IGBT模块的故障损坏率不容忽视。

中、高压功率变流器因为IGBT模块失效而导致的故障占90％以上，当IGBT模块重复开通或关断时，在热冲击的反复作用下产生失效或疲劳效应，其工作寿命与可靠性将影响到整个装置或系统的正常运行。IGBT模块中半导体硅芯片负责完成换流而封装结构则提供电气连接、散热、绝缘以及机械强度等辅助功能。IGBT失效主要是绑定引线、绑定点以及焊料层无法承受热应力和形变导致的，因此改进IGBT模块的散热技术和封装结构是解决其失效的对策之一。

近年来以石墨烯为代表的二维材料，由于其独特的物理性能，如超高的电子迁移率、高热导率、高杨氏模量和高比表面积等，在电子和光子领域显示出了广泛的应用前景。其中，高热导率成为其在电子热管理应用中的一个突出优点，有希望直接作为封装材料对IGBT模块进行散热，可以提高模块承受热循环的能力，从而提高器件应用的长期可靠性。

技术实现要素：

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，提供一种功率变流器中IGBT模块的散热结构及封装工艺，将石墨烯材料以散热薄膜形式应用于热流密度较高的IGBT芯片表面，以填充增强导电导热胶的形式应用于芯片与基板、热沉与基板之间，并通过芯片贴装的互连方式，解决功率变流器中IGBT模块的散热问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案。所述功率变流器中IGBT模块的散热结构包括：第一IGBT芯片，其上表面为第一IGBT芯片集电极连接区，其下表面设有第一IGBT芯片发射极连接区和第一IGBT芯片栅极连接区；第一石墨烯薄膜散热层与所述第一IGBT芯片发射极连接区接触。

所述的功率变流器中IGBT模块的散热结构还可包括：第二IGBT芯片，其上表面包括第二IGBT芯片发射极连接区和第二IGBT芯片栅极连接区，其下表面为第二IGBT芯片集电极连接区；第二石墨烯薄膜散热层与所述第二IGBT芯片集电极连接区接触。

所述的功率变流器中IGBT模块的散热结构还可包括：

基板，其上表面包括第一IGBT芯片的栅极引出端、第一IGBT芯片发射极和第二IGBT芯片集电极的共同引出端；

与所述第一石墨烯薄膜散热层和第二石墨烯薄膜散热层横向相连的金属或石墨热沉，热沉固定在第一IGBT芯片和第二IGBT芯片中间，所述热沉的纵向厚度既小于第一IGBT芯片发射极连接区的厚度，又小于第二IGBT芯片集电极连接区的厚度；

与所述第一石墨烯薄膜散热层、第二石墨烯薄膜散热层、热沉、第一IGBT芯片栅极连接区的下表面以及基板上表面接触的有石墨烯填充增强的导电导热胶；

所述基板上方连接有支架，母排由所述支架固定支撑，所述母排上设有：与所述第一IGBT芯片的集电极引出端相连的第一母排端子；与所述第一IGBT芯片的栅极引出端相连的第二母排端子；与所述第一IGBT芯片发射极和第二IGBT芯片集电极的共同引出端相连的第三母排端子；与所述第二IGBT芯片的发射极引出端相连的第四母排端子；与所述第二IGBT芯片的栅极引出端相连的第五母排端子；

所述母排及支架构成的结构与基板之间填充有硅胶。

一种功率变流器中IGBT模块散热结构的封装工艺，包括以下步骤：

(1)在铜箔表面生长单层石墨烯，形成石墨烯/铜箔结构层，在石墨烯/铜箔结构层上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作为薄膜支撑层，得到PMMA/石墨烯/铜箔结构层体系；

(2)使用氢氧化钠溶液作为电解液，将直流电源负极连接到PMMA/石墨烯/铜箔结构层体系的铜箔上，同时将直流电源正极连接到铂电极上，将电流逐渐加大，待铜箔与PMMA和石墨烯分离，得到PMMA/石墨烯结构层；

(3)分别将PMMA/石墨烯结构层转移到第一IGBT芯片发射极和第二IGBT芯片集电极上，使单层石墨烯与芯片直接结合，自然风干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到单层石墨烯薄膜；

(4)提供基板，其上表面按照第一IGBT芯片和第二IGBT芯片的贴装方式制作有电极引出线路，其中包括第一IGBT芯片的栅极引出端，第一IGBT芯片发射极和第二IGBT芯片集电极的共同引出端，第一IGBT芯片的集电极引出端，第二IGBT芯片的发射极引出端，第二IGBT芯片的栅极引出端；在所述基板表面用丝网印刷的方法涂上石墨烯增强导电导热胶，将热沉通过石墨烯增强导电导热胶粘在基板表面；

(5)将第一IGBT芯片和第二IGBT芯片通过贴装的方式，即第一IGBT芯片的发射极和第二IGBT芯片的集电极朝下，使单层石墨烯薄膜通过石墨烯增强导电导热胶与基板形成良好接触；同时，第一IGBT芯片和第二IGBT芯片分别放置在热沉两边，并使单层石墨烯薄膜、第一IGBT芯片的发射极和第二IGBT芯片的集电极都与热沉形成物理接触，使得芯片局部热点的热量通过单层石墨烯传递给热沉，进而传递给基板；

(6)阶梯升温使石墨烯增强导电导热胶固化完全，将第一IGBT芯片的发射极和第一IGBT芯片栅极、第二IGBT芯片集电极与基板，以及热沉与基板之间形成互连；用引线键合的方法通过金属线分别将第一IGBT芯片集电极、第二IGBT芯片栅极、第二IGBT芯片发射极与基板上相应的引出端相连；在基板上方安装母排及支架，于母排及支架构成的结构与基板之间填充硅胶，室温固化。

具体的，上述步骤(6)用引线键合的方法通过第一金属线将第一IGBT芯片集电极与基板上的第一IGBT芯片的集电极引出端相连，通过第二金属线将第二IGBT芯片栅极与基板上的第二IGBT芯片的栅极引出端相连，通过第三金属线将第二IGBT芯片发射极与基板上的第二IGBT芯片的发射极引出端相连。

具体的，步骤(6)所述母排上有多个母排端子，其中第一IGBT芯片的集电极引出端与第一母排端子相连，第一IGBT芯片的栅极引出端与第二母排端子相连，第一IGBT芯片发射极和第二IGBT芯片集电极的共同引出端与第三母排端子相连，第二IGBT芯片的发射极引出端与第四母排端子相连，第二IGBT芯片的栅极引出端与第五母排端子相连。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点：

1、本发明以单层石墨烯薄膜作为芯片表面的散热层，可以发挥其优异的面内热传导性能，将热量迅速传递到热沉，进而通过基板散发，对于功率变流器中IGBT模块的局部高热流热点是非常有效的热管理方案；

2、本发明以少层石墨烯粉末填充增强导电导热胶作为芯片与基板、热沉与基板之间的互连材料，可以提高热量从芯片到基板的纵向传导性能，同时芯片贴装的互连方式可以增强整体结构的可靠性，在高热流密度的大功率IGBT模块中满足散热需求。

附图说明

图1是本发明实施例石墨烯薄膜应用于第一IGBT芯片表面的结构示意图。

图2是本发明实施例石墨烯薄膜应用于第二IGBT芯片表面的结构示意图。

图3是本发明提出的功率变流器中IGBT模块的散热结构示意图。

图4是本发明工艺实施步骤1.1中的PMMA/石墨烯/Cu结构层体系示意图。

图5是本发明工艺实施步骤1.2中的PMMA/石墨烯结构层示意图。

图6是本发明工艺实施步骤2.1中的基板示意图。

图7是本发明工艺实施步骤2.2中热沉贴装示意图。

图8是本发明工艺实施步骤2.2中芯片贴装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出了一种功率变流器中IGBT模块的散热结构，包括基板、芯片、热沉、石墨烯散热层、石墨烯基互连材料以及母排和硅胶。

其中采用化学气相沉积法制备的单层石墨烯薄膜作为散热层，用于第一IGBT芯片的发射极12表面和第二IGBT芯片的集电极22表面，参见图1和图2。图1中第一IGBT芯片11上表面有第一IGBT芯片的发射极12和栅极13，第一IGBT芯片发射极12的上表面为第一单层石墨烯薄膜10。图2中第二IGBT芯片21上表面有第二IGBT芯片的集电极22，其上表面为第二单层石墨烯薄膜20。

本发明采用氧化还原法或溶剂剥离法制备的少层石墨烯粉末，填充到多模态银颗粒导电胶中增强导电导热性能，然后用作芯片与基板、热沉与基板之间的互连，散热整体结构参见图3。基板31的上表面按照第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21的贴装方式制作有电极引出线路，其中包括第一IGBT芯片11的栅极引出端32，第一IGBT芯片发射极12和第二IGBT芯片集电极22的共同引出端33，第一IGBT芯片11的集电极引出端35，第二IGBT芯片21的发射极引出端41，第二IGBT芯片21的栅极引出端38。热沉42为金属或石墨，热沉42与基板31之间，第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21与基板31之间用石墨烯增强导电导热胶43作为互连材料。第一IGBT芯片11以贴装的方式安装在基板31上，即第一IGBT芯片11的集电极14在上面，下面是第一IGBT芯片11的发射极12和栅极13，其中第一IGBT芯片11的发射极12上贴有第一单层石墨烯薄膜10。第二IGBT芯片21也以贴装的方式安装在基板31上，即第二IGBT芯片21的栅极36和发射极39在上面，集电极22在下面，其中第二IGBT芯片21的集电极22上贴有第二单层石墨烯薄膜20。第一IGBT芯片集电极14与基板31上的第一IGBT芯片集电极引出端35由第一金属线34相连，第二IGBT芯片栅极36与基板31上的第二IGBT芯片栅极引出端38由第二金属线37相连，第二IGBT芯片发射极39与基板31上的第二IGBT芯片发射极引出端41由第三金属线40相连。在基板31上还制作有母排44和支架45，母排44靠连接于基板上方的支架45固定支撑，母排44上设有多个母排端子，母排端子的上端设于母排44和支架45结构的上表面，其中第一IGBT芯片11的集电极引出端35与第一母排端子46相连，第一IGBT芯片11的栅极引出端32与第二母排端子47相连，第一IGBT芯片的发射极12和第二IGBT芯片21的集电极22的引出端33与第三母排端子48相连，第二IGBT芯片21的发射极引出端41与第四母排端子49相连，第二IGBT芯片21的栅极引出端38与第五母排端子50相连。母排44及支架45构成的结构与基板31之间填充硅胶51。

本发明提出了一种功率变流器中IGBT模块散热结构的封装工艺，包括采用化学气相沉积法制备的单层石墨烯薄膜作为IGBT芯片散热层的转移工艺，以及采用氧化还原法或溶剂剥离法制备的少层石墨烯粉末，填充到多模态银颗粒导电胶中增强导电导热性能，用于芯片与基板、热沉与基板之间的互连工艺两个部分。

其中，IGBT模块散热结构中散热层的转移工艺具体步骤为：

步骤1.1、如图4所示，在铜箔60表面用化学气相沉积方法生长单层石墨烯61，形成石墨烯/铜箔结构层，然后在石墨烯/铜箔结构层上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)62作为薄膜支撑层，得到PMMA/石墨烯/Cu结构层体系。

步骤1.2、使用摩尔浓度为0.25～1M的NaOH溶液作为电解液，将直流电源负极连接到PMMA/石墨烯/Cu结构层体系的铜箔60上，同时将直流电源正极连接到铂电极上，将电流逐渐加大(例如从零开始逐渐加大至约1A)，20～30秒后铜箔60会与PMMA/石墨烯分离，得到PMMA/石墨烯结构层，如图5所示。

步骤1.3、将PMMA/石墨烯结构层转移到第一IGBT芯片发射极12上，使单层石墨烯与芯片直接结合，自然风干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到第一单层石墨烯薄膜10，如图1所示。重复步骤1.1和步骤1.2，将PMMA/石墨烯结构层转移到第二IGBT芯片集电极22上，使单层石墨烯与芯片直接结合，自然风干后用丙酮去除PMMA，即芯片表面得到第二单层石墨烯薄膜20，如图2所示。

本发明所述的IGBT模块散热结构中互连工艺的具体步骤为：

步骤2.1、按照本发明提出的第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21的贴装方式，设计制作带有电极引出线路的基板31，如图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的贴装方式制作有电极引出线路，其中包括第一IGBT芯片11的栅极引出端32，第一IGBT芯片发射极12和第二IGBT芯片集电极22的共同引出端33，第一IGBT芯片11的集电极引出端35，第二IGBT芯片21的发射极引出端41，第二IGBT芯片21的栅极引出端38。

步骤2.2、在基板31表面用丝网印刷的方法涂上石墨烯增强导电导热胶43，热沉42通过石墨烯增强导电导热胶43粘在基板31表面，如图7所示。将第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21通过贴装的方式，即第一IGBT芯片发射极12和第二IGBT芯片集电极22朝下，使第一单层石墨烯薄膜10和第二单层石墨烯薄膜20通过石墨烯增强导电导热胶43与基板31形成良好接触，如图8所示。同时，第一IGBT芯片11和第二IGBT芯片21分别放置在热沉42的两边，并使第一单层石墨烯薄膜10和第二单层石墨烯薄膜20、第一IGBT芯片发射极12和第二IGBT芯片集电极22都与热沉42形成物理接触，这样可以将第一IGBT芯片发射极12和第二IGBT芯片集电极22的热量通过第一单层石墨烯薄膜10和第二单层石墨烯薄膜20的面内高热导率迅速传递给热沉42，进而传递给基板31。

步骤2.3、阶梯升温，例如在110℃下加热30分钟，随后升温到140℃，保温1.5小时，使石墨烯导电导热胶43固化完全，将第一IGBT芯片发射极12和栅极13，第二IGBT芯片集电极22以及热沉42，与基板31之间形成可靠的互连。用引线键合的方法通过第一金属线34将第一IGBT芯片集电极14与基板31上的第一IGBT芯片的集电极引出端35相连，通过第二金属线37将第二IGBT芯片栅极36与基板31上的第二IGBT芯片的栅极引出端38相连，通过第三金属线40将第二IGBT芯片发射极39与基板31上的第二IGBT芯片的发射极引出端41相连。安装母排44和支架45，其中第一IGBT芯片11的集电极引出端35与第一母排端子46相连，第一IGBT芯片11的栅极引出端32与第二母排端子47相连，第一IGBT芯片的发射极12和第二IGBT芯片21的集电极22的引出端33与第三母排端子48相连，第二IGBT芯片21的发射极引出端41与第四母排端子49相连，第二IGBT芯片21的栅极引出端38与第五母排端子50相连，如图3所示。在母排44及支架45和基板31之间填充硅胶45，室温固化。

本发明采用化学气相沉积法制备的单层石墨烯薄膜作为芯片表面的散热层，通过发挥其优异的面内热传导性能，将功率变流器中IGBT模块的局部热点热量迅速横向传递到热沉；将氧化还原法或溶剂剥离法制备的少层石墨烯粉末填充到多模态银颗粒导电胶中，增强其导电导热性能，并将其作为芯片与基板、热沉与基板之间的互连材料，提高热量从芯片到基板的纵向传导能力；采用芯片贴装的互连方式缩短热传导路径，增强整体结构的散热性能，实现局部高热流密度热点的有效散热，从而降低功率变流器中IGBT模块的最高温度，提升器件使用寿命。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。