[发明专利]一种IGBT功率模块散热结构及其加工工艺

说明书

本发明公开一种IGBT功率模块散热结构及其加工工艺，该结构包括外散热体、互连层和内散热体三部分。其中，外散热体是带有曲面凹槽结构的散热针翅板；互连层由内环和外环组成，内环是石墨烯/纳米银复合材料组成的第一互连层，外环是少层六方氮化硼作为导热填料复合组成的第二互连层；内散热体是由第一金属层、绝缘层、第二金属层构成的IGBT功率芯片衬板。通过预弯加工，内散热体与外散热体中散热针翅板上表面凹槽底面的弧度一致，并通过互连层使内散热体与外散热体中的凹槽表面紧密贴合。本发明实现了IGBT功率模块散热结构和加工，提升了功率模块的产品可靠性。

技术领域

本发明涉及一种功率半导体模块散热结构的设计和加工工艺，属于集成电路封装技术领域。

背景技术

功率半导体模块一般应用于1200V以上的高电压、10A以上的大电流、中高功率场合，多用于一般工业、电气传动、交通运输、新能源等领域，如重型工业设备的高频电源转换器、新能源电动汽车的电力驱动系统、车载空调系统、充电桩，太阳能光伏逆变器的电源控制系统等。相比于分立功率器件，功率半导体模块的功率等级高、功耗大，导致热流密度大，为保证芯片温度不超过结温、模块性能良好、可靠性高，对功率半导体模块的散热要求较高。散热结构的设计和制造直接影响了其散热效率，进而影响功率半导体模块的可靠性。由于功率模块在封装和使用过程中会出现高低温循环变化，各层材料的热膨胀系数不同，则会引起模块封装基板、芯片衬板产生翘曲，影响封装结构的互连可靠性及散热效率。

专利号为2013202891660的专利“一种功率半导体模块的预弯散热底板”中使用预弯底板的方法弥补模块工作过程中的受热变形量，但该方法较为简单，不适合功率等级越来越高的IGBT功率模块。专利号为2018107122652的专利“用于处理半导体衬底的设备和方法”通过处理半导体衬底使其预弯曲以减小向基板安装时的压力，该方法能够有效调控基板和衬底之间的互连层均匀性，但对散热效率提升有限。

发明内容

本发明的目的在于改善IGBT功率模块功率等级不断提升带来的散热及可靠性问题，提出一种IGBT功率模块散热结构及其加工工艺，本发明制作带有曲面凹槽结构的散热针翅板，将功率芯片衬板预弯至与曲面凹槽一致的弧度嵌入散热底板中，并通过高导热互连材料与凹槽紧密贴合，实现IGBT功率模块的散热效率提升，同时通过弧度缓解互连结构之间的应力，改善各层材料热膨胀系数不同导致的翘曲断裂等问题，进而提高IGBT功率模块的可靠性。

为达到上述目的，本发明提出了一种IGBT功率模块散热结构，包括：散热针翅板、互连层和IGBT功率芯片衬板，所述散热针翅板上表面具有曲面凹槽结构，曲面凹槽结构具有凹槽底面和凹槽侧壁，所述凹槽底面是一个向下弯曲的球面，所述凹槽侧壁是一个向四周弯曲的曲面；IGBT功率芯片衬板底部位于所述曲面凹槽结构中，之间通过互连层连接；所述互连层包括第一互连层和第二互连层，在凹槽底面和IGBT功率芯片衬板底部之间为第一互连层，凹槽侧壁与IGBT功率芯片衬板底部之间为第二互连层。

具体的，所述IGBT功率芯片衬板自下而上包括第一金属层、绝缘层、第二金属层，功率芯片衬板的形状和凹槽底面吻合，功率芯片衬板和凹槽底面展开成平面形状时为矩形。

具体的，所述凹槽底面的球面曲率范围在0.05～0.1m^-1之间。曲面凹槽结构的凹槽中心深度为330～350μm。

作为优选方案，所述曲面凹槽结构的凹槽中心深度设计为IGBT功率芯片衬板的第一金属层与第一互连层的厚度之和。

具体的，所述散热针翅板包括一个金属底板和金属针翅柱阵列，所述曲面凹槽结构位于金属底板上表面，金属针翅柱阵列位于金属底板下表面；金属针翅柱的高度一致，或者呈波浪形排布。所述金属针翅柱的横截面可为圆形、方形、菱形、正五边形或者正六边形。

作为优选方案，所述IGBT功率芯片衬板的绝缘层比第一金属层边缘再向外延伸8～10mm。