一种双面散热结构的IGBT结构及设计方法与流程

本发明属于igbt，具体而言，涉及一种双面散热结构的igbt结构及设计方法。

背景技术：

1、igbt是由mosfet和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为mosfet，输出极为pnp晶体管，目前，常用的焊接式igbt模块，即igbt芯片的集电极和frd芯片的阴极通过焊料焊接在衬板上，每个igbt芯片发射极和frd的阳极通过多根引线键合方式进行互连，衬板通过焊料焊接在基板或散热板上，实现背面冷却。这种结构模块采用的是单面冷却方式，散热能力低，热阻大，且随着芯片的数量增加，模块的尺寸随之增大，同时芯片之间采用键合线联接，单个igbt模块中存在成百上千个键合点，单个键合点脱落，直接影响模块的可靠性。

2、同时，igbt模块主要的散热方式为强制风冷和冷板式液冷散热两种技术。其中，风冷主要为风扇加散热片的强制对流换热，此方式散热效率差，温度控制不稳定，受空间环境及气温影响大，空间占用体积大，空间要求高，必须有足够通风面积。冷板式液冷为冷板与igbt模块散热基板紧密贴合，中间涂导热界面材料降低热阻，但冷却液与芯片之间仍然隔离几层热阻，达到理想的散热量需要加大冷却液流量，造成系统的功耗大，成本高。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种双面散热结构的igbt结构及设计方法，解决了风冷散热效率差，温度控制不稳定，受空间环境及气温影响大，空间占用体积大，冷板式液冷的冷却液与芯片之间仍然隔离几层热阻，达到理想的散热量需要加大冷却液流量，造成系统的功耗大，成本高的问题。

2、鉴于上述问题，本发明提出的技术方案是：

3、本发明提供一种双面散热结构的igbt结构及设计方法，包括igbt芯片、绝缘壳和基板，所述绝缘壳设置在所述igbt芯片的外侧，所述igbt芯片的上方设置有陶瓷覆铜板a，所述igbt芯片的下方设置有陶瓷覆铜板b，所述陶瓷覆铜板b的下方设置有衬板，所述基板设置在所述衬板的下方，所述基板的下方设置有导热硅脂，所述igbt芯片与所述陶瓷覆铜板b之间和所述衬板与所述基板之间均设置有连接层，所述连接层为纳米银膏和高铅锡膏；

4、所述绝缘壳的底部两侧分别设置有进液口和出液口，所述绝缘壳的内部两侧设置有均流板，所述均流板与所述进液口之间设置有进液腔，所述均流板与所述进液口之间通过进液腔连通，所述绝缘壳与所述igbt芯片之间填充有硅胶。

5、作为本发明的一种优选技术方案，所述连接层的连接方式包括使用高铅锡膏作为所述igbt芯片与所述陶瓷覆铜板b的连接材料，所述衬板与所述基板和所述衬板与所述陶瓷覆铜板b之间的连接材料选用纳米银焊膏。

6、作为本发明的一种优选技术方案，所述陶瓷覆铜板a和所述陶瓷覆铜板b的表面均开设有蜘蛛网状微通道，进行散热。

7、作为本发明的一种优选技术方案，所述陶瓷覆铜板a和所述陶瓷覆铜板b表面微通道的种类得出步骤包括：

8、设计三角脉状、横向脉状、雪花状和蜘蛛网状的拓扑结构微通道；

9、设计陶瓷覆铜板的流固耦合传热模型，通过仿真的方法对拓扑结构的微通道进行实验；

10、记录并计算上述各形状拓扑结构微通道流量分配数据。

11、作为本发明的一种优选技术方案，所述各形状拓扑结构微通道流量分配数据的计算优化数学模型包括：

12、

13、

14、jth＝∫ω(1-γ)h*(1-t*)dω

15、∫ωγdω≤vf*volω，

16、

17、

18、式中，ω为设计域，volω为设计域的总体积，j为优化目标，jth为热交换项，jf为流体耗散功项，为进液口流量，γin为进液口边界值，vf为进液腔所占体积分数，w1和w2分别为热交换和流体耗散功权重系数，由于生热率随着h*的增大而增大，为得到更大换热面积，流道拓扑形态也会随着h*的增大而更加复杂，h*取100。

19、作为本发明的一种优选技术方案，所述igbt芯片的电极针脚和栅极针脚焊接或烧结在所述绝缘壳上，所述igbt芯片的电极针脚和栅极针脚表面均采用磁控溅射技术镀上ti+ni+ag镀层，ti层作为附着层与芯片表面接触，ni层是阻挡层，ag层是焊接层。

20、另一方面，一种双面散热结构的igbt结构的设计方法，包括以下步骤：

21、s1，搭建igbt芯片的三维模型，设置不同材质的连接层进行散热结构的测试；

22、s2，通过粘塑性anand模型基于连接层的设计方案，通过不同的材质分布对连接层的疲劳寿命和变化进行计算实验；

23、s3，根据s2中的仿真模型计算实验得出连接层优化的设计方案；

24、s4，基于仿真模型得出的优化设计方案，对一个igbt芯片进行实际的组装，进行实际的测试。

25、作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s1中，步骤s1中，igbt芯片1模型液冷换热系数设定为2500w/m2·k，环境温度设定为25℃，采用不可压缩流体。

26、作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s2中，粘塑性anand模型的内部变量与晶粒粗细和位错密度的影响有关,反映了材料的宏观塑性流动的各向同性平均阻抗，内部变量与等效应力成正比，即：

27、σ＝cs，c＜1

28、式中，c为材料属性参数，在恒定应变速率条件下为常数，即：

29、

30、式中，εp为非弹性应变速率；

31、内部变量的演化方程为：

32、

33、式中，函数g(σ，s，t)定义了应变硬化和回复的动态过程，基于anand可得出扩展形式，即：

34、

35、其中，

36、式中，a表示为指数因子，q表示为热激活能，r表示为气体常数，t表示为绝对温度，表示为材料常数，s表示为变形阻抗率，m和n分别表示为应变率和敏感系数，h0表示为软化或硬化常数，a表示为应变硬化敏感系数，s*表示为内部变量的饱和值，p表示为塑性应变率。

37、相对于现有技术，本发明的有益效果是：

38、(1)本发明采用纳米银焊膏作为连接材料提高模块应用温度，双面封装结构提高模块的散热能力，增加igbt芯片的热耦合效应，减小模块温度梯度，使温度分布更均匀。

39、(2)本发明通过仿真方法可以模拟连接层的使用情况，防止在使用过程中连接层出现老化，igbt芯片与结构之间产生缝隙，提供优化的连接数据，可以较好地模拟igbt芯片在工作时冷却液实际的流动传热情况，为后续igbt芯片组装的准确性提供依据。

40、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

技术特征：

1.一种双面散热结构的igbt结构，其特征在于，包括igbt芯片(1)、绝缘壳(2)和基板(7)，所述绝缘壳(2)设置在所述igbt芯片(1)的外侧，所述igbt芯片(1)的上方设置有陶瓷覆铜板a(3)，所述igbt芯片(1)的下方设置有陶瓷覆铜板b(4)，所述陶瓷覆铜板b(4)的下方设置有衬板(5)，所述基板(7)设置在所述衬板(5)的下方，所述基板(7)的下方设置有导热硅脂(8)，所述igbt芯片(1)与所述陶瓷覆铜板b(4)之间和所述衬板(5)与所述基板(7)之间均设置有连接层(6)，所述连接层(6)为纳米银膏和高铅锡膏；

2.根据权利要求1所述的一种双面散热结构的igbt结构，其特征在于，所述连接层(6)的连接方式包括使用高铅锡膏作为所述igbt芯片(1)与所述陶瓷覆铜板b(4)的连接材料，所述衬板(5)与所述基板(7)和所述衬板(5)与所述陶瓷覆铜板b(4)之间的连接材料选用纳米银焊膏。

3.根据权利要求1所述的一种双面散热结构的igbt结构，其特征在于，所述陶瓷覆铜板a(3)和所述陶瓷覆铜板b(4)的表面均开设有蜘蛛网状微通道，进行散热。

4.根据权利要求3所述的一种双面散热结构的igbt结构，其特征在于，所述陶瓷覆铜板a(3)和所述陶瓷覆铜板b(4)表面微通道的种类得出步骤包括：

5.根据权利要求4所述的一种双面散热结构的igbt结构，其特征在于，所述各形状拓扑结构微通道流量分配数据的计算优化数学模型包括：

6.根据权利要求1所述的一种双面散热结构的igbt结构，其特征在于，所述igbt芯片(1)的电极针脚和栅极针脚焊接或烧结在所述绝缘壳(2)上，所述igbt芯片(1)的电极针脚和栅极针脚表面均采用磁控溅射技术镀上ti+ni+ag镀层，ti层作为附着层与芯片表面接触，ni层是阻挡层，ag层是焊接层。

7.一种双面散热结构的igbt结构的设计方法，应用于权利要求1～6中任一项所述的一种双面散热结构的igbt结构，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种双面散热结构的igbt结构的设计方法，其特征在于，所述步骤s1中，igbt芯片(1)模型液冷换热系数设定为2500w/m2·k，环境温度设定为25℃，采用不可压缩流体。

9.根据权利要求7所述的一种双面散热结构的igbt结构的设计方法，其特征在于，所述步骤s2中，粘塑性anand模型的内部变量与晶粒粗细和位错密度的影响有关,反映了材料的宏观塑性流动的各向同性平均阻抗，内部变量与等效应力成正比，即：

技术总结
本发明提供了一种双面散热结构的IGBT结构及设计方法，属于IGBT技术领域，IGBT芯片、绝缘壳和基板，绝缘壳设置在IGBT芯片的外侧，IGBT芯片的上方设置有陶瓷覆铜板a，IGBT芯片的下方设置有陶瓷覆铜板b，IGBT芯片与陶瓷覆铜板b之间和衬板与基板之间均设置有连接层，连接层为纳米银膏和高铅锡膏，绝缘壳的内部两侧设置有均流板，均流板与进液口之间设置有进液腔。解决了风冷散热效率差，温度控制不稳定，受空间环境及气温影响大，空间占用体积大，冷板式液冷的冷却液与芯片之间仍然隔离几层热阻，达到理想的散热量需要加大冷却液流量，造成系统的功耗大，成本高的问题。

技术研发人员：王丕龙,王新强,杨玉珍
受保护的技术使用者：青岛佳恩半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5