提升大面积焊接可靠性的igbt功率模块散热结构及其方法
阅读说明：本技术 提升大面积焊接可靠性的igbt功率模块散热结构及其方法 (IGBT power module heat dissipation structure and method for improving large-area welding reliability ) 是由 尚敬 罗海辉 康强 常桂钦 董国忠 彭勇殿 曾雄 杨进峰 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种提升大面积焊接可靠性的IGBT功率模块散热结构及其方法,包括由上向下依次连接的：半导体芯片元件、第一覆盖层、衬底、第二覆盖层、第一接合材料层、缓冲材料层、第二接合材料层及散热器底板。缓冲材料层的热膨胀系数介于衬底与散热器底板的热膨胀系数之间。本发明在衬板与散热器底板之间添加一种缓冲材料,并引入第二接合材料,缓冲材料层的热膨胀系数介于衬板衬底材质和散热底板材质热膨胀系数之间,在极限工况热冲击循环时可以缓解液冷散热底板与双面金属包覆衬底之间因热膨胀系数大而对冲的问题,降低材质与材质之间热膨胀系数差距,提高了两者之间抗拉伸和抗挤压的能力,提升IGBT器件大面积焊接的可靠性,从而提升模块性能。(The invention provides an IGBT power module heat radiation structure for improving large-area welding reliability and a method thereof, wherein the IGBT power module heat radiation structure comprises the following components which are connected from top to bottom in sequence: the semiconductor device includes a semiconductor chip element, a first cover layer, a substrate, a second cover layer, a first bonding material layer, a buffer material layer, a second bonding material layer, and a heat spreader base plate. The buffer material layer has a coefficient of thermal expansion between that of the substrate and the heat spreader base plate. According to the invention, a buffer material is added between the lining plate and the bottom plate of the radiator, and a second bonding material is introduced, wherein the thermal expansion coefficient of the buffer material layer is between that of the lining plate substrate and that of the heat dissipation bottom plate, so that the problem of hedging between the liquid cooling heat dissipation bottom plate and the double-sided metal cladding substrate due to large thermal expansion coefficient can be relieved during thermal shock circulation under extreme working conditions, the difference of the thermal expansion coefficients between the materials is reduced, the stretching resistance and extrusion resistance between the materials are improved, the reliability of large-area welding of the IGBT device is improved, and the performance of the module is improved.)
技术领域
本发明涉及IGBT器件制造领域，特别涉及一种提升大面积焊接可靠性的IGBT功率模块散热结构及其方法。
背景技术
对于功率模块而言，带有双面金属包覆的衬底，即“衬板”(下面均称为“衬板”)，衬板一般是通过接合材料与底板相连，最常见的连接方式是焊接或烧结，焊接或烧结后的模块通过导热硅脂与散热器相连，共同组成功率半导体组件。
在导热硅脂层面，导热硅脂相比于金属件，其导热率较低，导热硅脂在长时间的使用后，部分分子间的距离被拉远，相互间的作用力减弱，界面的长期可靠性存在问题。
在模块层面，衬板的衬底材质与模块底板材质热膨胀系数相差不大。若衬板衬底材质与模块底板材质相差较大，同样采用焊接或烧结的方式通过接合材料连接在一起，在极限工况的热冲击循环应用下，衬板下的接合材料退化加快，导致功率模块的热阻增大，芯片的结温提高，功率模块的可靠性也会下降。
如图1所示，其为现有的IGBT功率模块散热结构。半导体芯片元件1通过第三接合材料层2以焊接或烧结的方式连接在双面金属包覆衬底的第一覆盖层3上。所述第一覆盖层3的下侧依次连接有衬底4和第二覆盖层5，而且第一覆盖层3、衬底4和第二覆盖层5是一体。所述第二覆盖层5的下侧通过第一接合材料层6与散热器底板7以焊接或者烧结的方式连接。衬底4的材质和散热器底板7的材质的热膨胀系数相当，在半导体芯片元件1产生大量热量时通过第三接合材料层2传递给覆盖层3。第一覆盖层3将热量传递至衬底4和第二覆盖层5，第二覆盖层5将热量传递给第一接合材料层6和散热器底板7，散热器底板7将热量传递出去。
如果热量在传递的过程中相连或相邻层材质热膨胀系数相当，杨氏模量也相差不大，因此相邻层或相连层同收缩或同膨胀，功率模块整套散热体系维持在一个平衡状态。如果相邻层或相连层热膨胀系数相差很大，杨氏模量相差很大，这种结构就无法再平衡下去，功率模块的可靠性会大大下降。
有鉴于此，本发明的发明人提供一种提升大面积焊接可靠性的IGBT功率模块散热结构及其方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于解决当功率模块的衬板衬底材质与底部散热器底板的热膨胀系数相差较大时，在极限工况热冲击循环时功率模块可靠性低下的难题。
为达上述目的，本发明提供一种提升大面积焊接可靠性的IGBT功率模块散热结构，其包括由上向下依次连接的：半导体芯片元件、第一覆盖层、衬底、第二覆盖层、第一接合材料层、缓冲材料层、第二接合材料层以及散热器底板。
所述的IGBT功率模块散热结构，其中，所述缓冲材料层的热膨胀系数介于衬底的热膨胀系数与散热器底板的热膨胀系数之间。
所述的IGBT功率模块散热结构，其中，所述第一接合材料层的热膨胀系数介于衬底的热膨胀系数和缓冲材料层的热膨胀系数之间。
所述的IGBT功率模块散热结构，其中，所述第二接合材料层的热膨胀系数介于缓冲材料层的热膨胀系数和散热器底板的热膨胀系数之间。
所述的IGBT功率模块散热结构，其中，所述散热器底板是采用液冷、风冷或热管的散热方式的底板，并采用具有导热性能的材质。
所述的IGBT功率模块散热结构，其中，所述衬底采用具有绝缘性能的材质。
所述的IGBT功率模块散热结构，其中，所述缓冲材料层选取热膨胀系数介于所述散热器底板的材质和所述衬底的材质之间的金属或复合材料。
本发明还提供一种提升上述的IGBT功率模块散热结构大面积焊接可靠性的方法，其包括以下步骤：
(1)将半导体芯片元件连接在第一覆盖层上；
(2)将所述第一覆盖层的下侧依次连接衬底和第二覆盖层；
(3)将所述第二覆盖层的下侧通过第一接合材料层与缓冲材料层的上侧连接；
(4)将所述缓冲材料层的下侧通过第二接合材料层与散热器底板连接。
所述的方法，其中，所述缓冲材料层的热膨胀系数介于衬底的热膨胀系数与散热器底板的热膨胀系数之间。
所述的方法，其中，所述第一接合材料层的热膨胀系数介于衬底的热膨胀系数和缓冲材料层的热膨胀系数之间；所述第二接合材料层的热膨胀系数介于缓冲材料层的热膨胀系数和散热器底板的热膨胀系数之间。
本发明的有益效果在于：在衬板与散热器底板之间添加一种缓冲材料，并引入第二接合材料，缓冲材料层的热膨胀系数介于衬板衬底材质和散热底板材质热膨胀系数之间，在极限工况热冲击循环时可以缓解液冷散热底板与双面金属包覆衬底之间因热膨胀系数大而对冲的问题，降低材质与材质之间热膨胀系数差距，提高了两者之间抗拉伸和抗挤压的能力，此种结构生成的集成一体的模块，接合层面具有出流能力强，界面可靠性高等特点，提升IGBT器件大面积焊接的可靠性，从而提升模块性能。本发明缓冲材料选材简单，介于相邻两层热膨胀系数中间；成本较低；组装简单，加工难度低，只需将缓冲材质与接合材料用焊接或烧结的方式粘接在一起即可。
附图说明
图1为现有的IGBT功率模块散热结构的示意图；
图2为根据本发明的IGBT功率模块散热结构的示意图；
图3为采用本发明的IGBT功率模块散热结构的实施例的立体示意图。
具体实施方式
为清楚说明本发明的发明内容，下面结合实施例对本发明进行说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”、“竖直”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图2所示，本发明提供一种提升大面积焊接可靠性的IGBT功率模块散热结构，其包括由上向下依次连接的：半导体芯片元件1、第三接合材料层2、第一覆盖层3、衬底4、第二覆盖层5、第一接合材料层6、缓冲材料层8、第二接合材料层9以及散热器底板7。
其中，所述半导体芯片元件1通过第三接合材料层2以焊接或烧结的方式连接在双面金属包覆衬底的第一覆盖层3上。
所述第一覆盖层3的下侧依次连接有衬底4和第二覆盖层5，而且第一覆盖层3、衬底4和第二覆盖层5是一体的。
所述第二覆盖层5的下侧通过第一接合材料层6与缓冲材料层8以焊接或者烧结的方式连接，所述缓冲材料层8通过第二接合材料层9而与散热器底板7以焊接或者烧结的方式连接。
为了实现较大热膨胀系数差异的散热器底板与衬板之间的高可靠性，保证功率模块在极限工况高温度冲击循环的条件下能有较高的可靠性，本发明的改进主要在于在第一接合材料层6与散热器底板7之间插入缓冲材料层8，用于应力缓冲，同时为了保证缓冲材料8与散热器底板7之间的连接性，二者之间通过第二接合材料层9进行连接。所述第二接合材料层9的作用是用于粘接散热器底板7与缓冲材料层8。
优选地，所述缓冲材料层8的热膨胀系数介于上下两层(衬底4和散热器底板7)的热膨胀系数，对于上下两层热膨胀系数差异化的材料热应力进行缓冲的结构。
此外，所述第一接合材料层6的热膨胀系数介于衬底4的热膨胀系数和缓冲材料层8的热膨胀系数。而且，所述第二接合材料层9的热膨胀系数介于缓冲材料层8和散热器底板7的热膨胀系数。
在衬底4的材料在发生热膨胀时，产生的热应力，通过第一接合材料层6传递给缓冲材料层8，因为缓冲材料层8与衬底4的材料热膨胀系数差异不大，缓冲材料8的热变形量较小，使第一接合材料层6受挤压或拉扯的力小，降低退化速度。
同样缓冲材料层8发生热膨胀，产生的热应力，通过第二接合材料层9传递给散热器底板7，因为缓冲材料层8与散热器底板9材质的热膨胀系数差异不大，散热器底板7的热变形量较小，使第二接合材料层9受挤压或拉扯的力小，降低了第二接合材料9的退化速度，提高了可靠性。
如图3所示，其为采用本发明的IGBT功率模块散热结构的实施例的立体示意图。所述散热器底板是采用液冷、风冷或热管等散热方式的底板，并采用具有导热性能的材质。所述衬底采用具有绝缘性能的非金属材质，例如氮化铝、氮化硅、氧化铝、陶瓷等。在本实施例中，散热器底板7是液冷流道散热器底板，材质使用铝材质，铝材质的热膨胀系数23左右，衬底4是氮化铝材质，氮化铝的热膨胀系数4.5左右，相差较大。
如果直接按目前通用的焊接方式，将双面金属包覆的衬底4用焊接的方式焊接在散热器底板7上，受热时产生巨大的热应力，将促进第一接合材料层6快速退化。
然而，在本实施例中，缓冲材料层选取热膨胀系数介于铝和氮化铝之间的金属或复合材料，例如铜钼合金，铜钼合金随铜、钼含量不一样，热膨胀系数在一定范围内可调整。缓冲材料层8作为散热器底板7和双面金属包覆的衬底4的调和剂，防止热应力突变，有效的减缓接合材料的退化，提高了功率模块的可靠性。此外，缓冲材料层8的作用是用于连接散热器底板7与双面金属包覆的衬底4材料，在热应力的传递过程中，承上启下起关键作用。
本发明还提供一种提升IGBT功率模块散热结构大面积焊接可靠性的方法，主要包括以下步骤：
(1)将半导体芯片元件1通过第三接合材料层2以焊接或烧结的方式连接在双面金属包覆衬底的第一覆盖层3上；
(2)将所述第一覆盖层3的下侧依次连接衬底4和第二覆盖层5；
(3)将所述第二覆盖层5的下侧通过第一接合材料层6与缓冲材料层8的上侧以焊接或者烧结的方式连接；
(4)将所述缓冲材料层8的下侧通过第二接合材料层9而与散热器底板7以焊接或者烧结的方式连接。
优选地，所述缓冲材料层8的热膨胀系数介于上下两层(衬底4和散热器底板7)的热膨胀系数，对于上下两层热膨胀系数差异化的材料热应力进行缓冲的结构。
此外，所述第一接合材料层6的热膨胀系数介于衬底4的热膨胀系数和缓冲材料层8的热膨胀系数之间。而且，所述第二接合材料层9的热膨胀系数介于缓冲材料层8的热膨胀系数和散热器底板7的热膨胀系数之间。
综上所述，本发明的有益效果在于：在衬板与散热器底板之间添加一种缓冲材料，并引入第二接合材料，缓冲材料层的热膨胀系数介于衬板衬底材质和散热底板材质热膨胀系数之间，在极限工况热冲击循环时可以缓解液冷散热底板与双面金属包覆衬底之间因热膨胀系数大而对冲的问题，降低材质与材质之间热膨胀系数差距，提高了两者之间抗拉伸和抗挤压的能力，此种结构生成的集成一体的模块，接合层面具有出流能力强，界面可靠性高等特点，提升IGBT器件大面积焊接的可靠性，从而提升模块性能。本发明缓冲材料选材简单，介于相邻两层热膨胀系数中间；成本较低；组装简单，加工难度低，只需将缓冲材质与接合材料用焊接或烧结的方式粘接在一起即可。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
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