[發(fā)明專利]一種液冷的IGBT變流裝置和制造方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210202755.0
• 申請日: 2012-06-18
• 公開（公告）號: CN102710102A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 莊偉東
• 申請（專利權(quán)）人: 南京銀茂微電子制造有限公司
• 主分類號: H02M1/00
• 分類號: H02M1/00;H01L25/07
• 代理公司: 江蘇致邦律師事務所 32230
• 代理人: 樊文紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功率器件，特別涉及一種液冷的IGBT變流裝置和制造方法。

背景技術(shù)

以絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）為基礎(chǔ)的功率器件是大功率變流裝置的核心。通常大功率IGBT器件由金屬底板、陶瓷覆銅基板和功率芯片通過多層焊料焊接到一起。金屬底板常用純銅底板，它不僅是功率器件散熱的主要途徑，而且是機械固定此大功率器件的基礎(chǔ)。由于熱量最終必須從散熱器表面帶走，因此在底板與散熱器安裝面之間必須涂覆導熱硅脂以降低熱阻。當IGBT器件的輸出電流增加，其耗散的熱量也隨之上升，為了保持芯片的結(jié)溫而使IGBT在安全工作區(qū)內(nèi)工作，大功率IGBT器件的底板面積必須設(shè)計得足夠大。如此，整個IGBT變流裝置的體積和重量也變得相當大，對進一步提高功率裝置的密度，降低尺寸造成了不小的挑戰(zhàn)。

如果采用具備液態(tài)冷卻的底板，那么大功率IGBT器件的散熱條件可以大幅度改善。這是由于液體，例如水的熱傳導系數(shù)要比空氣的熱傳導系數(shù)要高出幾個數(shù)量級。功率芯片所產(chǎn)生的熱量可以通過液體循環(huán)迅速帶走。這種情況下，散熱器可以成為底板的一部分，省略了導熱硅脂層。而且，散熱器尺寸可以比空氣散熱器大為縮小，這為整個IGBT變流裝置減小體積創(chuàng)造了條件。但是，由于大功率IGBT器件的底板加散熱器仍必須使用純銅材料，裝置的重量降低有限。

為了提高電流輸出能力，大功率IGBT器件的引線端子與陶瓷覆銅基板表面線路的連接，通常必須以釬焊的方式直接將引線端子焊接到陶瓷覆銅基板的銅層表面。為了降低不同材料之間的熱應力，提高引線端子的實際使用壽命，這些引線端子必須設(shè)計出較為復雜的形狀以降低焊接層的應力。因此，大功率IGBT器件的制造，必須首先焊接功率芯片，并對功率芯片進行電路連接，然后再進行引線端子的焊接。這樣，整個制造工藝就變得相當復雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種新的大功率IGBT變流裝置，與傳統(tǒng)的大功率IGBT變流裝置相比，本發(fā)明IGBT變流裝置具體型小、重量輕，有更大的電流輸出能力的優(yōu)點。本發(fā)明的另一發(fā)明目的是提出一種IGBT變流裝置的制造方法，該方法工藝簡單，成本低。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：一種液冷的IGBT變流裝置，包括氮化硅陶瓷基板、芯片和絕緣支架，所述氮化硅陶瓷基板包括第二銅層、氮化硅陶瓷板和第一銅層，所述第一銅層焊接在氮化硅陶瓷板的正面，所述第二銅層焊接在氮化硅陶瓷板的背面；在絕緣支架上端設(shè)有控制和驅(qū)動板，氮化硅陶瓷基板、絕緣支架和控制和驅(qū)動板共同形成密封腔；所述氮化硅陶瓷基板背面設(shè)有散熱器。

本發(fā)明去除了傳統(tǒng)IGBT器件的銅質(zhì)底板，采用氮化硅（Si₃N₄）陶瓷板作為基板，基板厚度優(yōu)選在1毫米至3毫米之間。氮化硅陶瓷是一種高韌性材料，其斷裂韌性是氧化鋁陶瓷的1.5倍以上，見表1所示。氧化鋁陶瓷是制造陶瓷覆銅基板的常用材料，但其熱導率是最低的。氮化硅的熱導率雖然僅為氮化鋁的一半左右，但其斷裂韌性幾乎是氮化鋁的一倍，因此，在作為底板應用時，它抵抗熱應力導致的失效的能力更高。與氧化鋁陶瓷覆銅基板（DBC）相比，氮化硅陶瓷基板可以允許更厚的銅層，進而大幅度提高IGBT變流裝置的電流輸出能力。

表1：導熱材料特性

作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一銅層厚度在1毫米至2毫米之間，比現(xiàn)有的陶瓷基板的銅層厚，使基板的強度和導熱性能增強。所述第二銅層厚度同樣在1毫米至2毫米之間。作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一銅層通過第一合金層在高溫下與氮化硅發(fā)生反應，焊接在氮化硅陶瓷板的正面，第二銅層通過第二合金層在高溫下與氮化硅發(fā)生反應，焊接在氮化硅陶瓷板的背面。所述的第一合金層和第二合金層為Ag-Cu-Ti或Ag-Ni-Ti合金，在銅層與氮化硅之間通過Ag-Cu-Ti或Ag-Ni-Ti合金在高溫下與氮化硅反應，形成致密的反應層，使得銅層與氮化硅陶瓷板達到高強度連接。因此，在本發(fā)明中，氮化硅陶瓷基板既是銅層電路的支撐，使IGBT、FWD芯片組成所需電路，同時，它是導熱層和高電壓絕緣層；由于其優(yōu)異的機械性能，它還是液冷密封腔的表面層。