TWI742887B - 具特殊層厚比例之igbt模組散熱結構 - Google Patents

Abstract

一種具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，包括：IGBT晶片層、上接合層、線路層、絕緣層、及散熱層。所述絕緣層形成在所述散熱層之上，所述線路層形成在所述絕緣層之上，所述上接合層形成在所述線路層之上，所述IGBT晶片層形成在所述上接合層之上。所述絕緣層厚度小於0.2mm，所述線路層厚度為1.5mm~3mm，且所述線路層與所述絕緣層的厚度比例大於或等於7.5:1。

Description

具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構

本發明涉及IGBT模組，具體來說是涉及具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構。

目前電動汽車/混合動力汽車，所使用的大功率逆變器(Inverter)，多採用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣閘極雙極性電晶體)晶片。因此，大功率逆變器工作時所產生的熱量，將導致IGBT晶片溫度升高，如果沒有適當的散熱措施，就可能使IGBT晶片的溫度超過所允許的溫度，從而導致性能惡化以致損壞。因此，IGBT散熱技術成為相關技術人員急於解決的問題。

目前DBC(Direct Bonding Copper：陶瓷-金屬複合板結構)板已成為IGBT模組的首選材料。請參考圖1所示，為一種現有的IGBT模組散熱結構，其主要包括有IGBT晶片層11A、上銲接層12A、DBC板13A、下銲接層14A、及散熱層15A。其中，DBC板13A由上到下依次為上薄銅層131A、絕緣層132A和下薄銅層133A。然而，DBC板13A為多層結構且導熱能力有限，當IGBT晶片層11A產生熱量時，不能及時通過DBC板13A傳遞到散熱層15A，從而影響到導熱性能。

有鑑於此，本發明人本於多年從事相關產品之開發與設計，有感上述缺失之可改善，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構。

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，包括：IGBT晶片層、上接合層、線路層、絕緣層、及散熱層；所述絕緣層形成在所述散熱層之上，所述線路層形成在所述絕緣層之上，所述上接合層形成在所述線路層之上，所述IGBT晶片層形成在所述上接合層之上；其中，所述絕緣層厚度小於0.2mm，所述線路層厚度為1.5mm~3mm，且所述線路層與所述絕緣層的厚度比例大於或等於7.5:1。

在一優選實施例中，所述絕緣層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一。

在一優選實施例中，所述絕緣層包含有填料，所述填料選自氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。

在一優選實施例中，所述絕緣層以陶瓷材料所構成。

在一優選實施例中，所述陶瓷材料選自氧化鋁、氮化鋁、或氮化矽的至少其一。

在一優選實施例中，所述線路層以金屬材料所構成。

在一優選實施例中，所述線路層是填充有導電填料的導電高分子複合材料所構成。

在一優選實施例中，所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，更包括：下接合層，所述下接合層形成於所述線路層及所述絕緣層之間。

在一優選實施例中，所述下接合層是錫接合層、銀燒結層的其中之一。

在一優選實施例中，所述下接合層是高分子複合層。

本發明的有益效果至少在於，本發明提供的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其能通過「絕緣層厚度小於0.2mm，線路層厚度為1.5mm~3mm，且線路層與絕緣層的厚度比例大於或等於7.5:1」的技術方案，達到更有效的使IGBT晶片產生的熱量迅速散出去的作用。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

請參考圖2，本發明提供一種具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構。如圖所示，根據本發明所提供的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，從上到下依序為IGBT晶片層11、上接合層12、線路層13、絕緣層14、以及散熱層15。

所述絕緣層14形成在所述散熱層15之上。其中，所述散熱層14可以是鋁製散熱器(heat sink)、水冷散熱器，也可是具有散熱作用的金屬基板，然並不侷限於此。

在一實施例中，所述絕緣層14可以是以陶瓷材料所構成，所述陶瓷材料可選自氧化鋁，但也可以選自氮化鋁、氮化矽、或碳化矽。

在一實施例中，所述絕緣層14可以是以高分子複合材料(polymer composite)所構成。進一步說，所述絕緣層14可以是環氧樹脂層(epoxy-based composite)。並且，所述絕緣層14可包含有填料(filler)，如氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。在其他實施例中，所述絕緣層14也可以是聚醯亞胺層(polyimide-based composite)、或是聚丙烯層(PP-based composite)。

所述線路層13形成在所述絕緣層14之上，使所述線路層13與所述散熱層15之間能透過所述絕緣層14形成絕緣，且使所述線路層13能透過所述絕緣層14將熱傳導至所述散熱層15。

在一實施例中，所述線路層13可以是以金屬材料所構成，例如銅。進一步說，所述線路層13可以是利用超音速氣流將顆粒化的金屬材料高速撞擊在絕緣層14表面上所形成一具有預定厚度的線路層。所述線路層13也可以是直接由厚銅塊所構成。

在一實施例中，所述線路層13可以是填充有導電填料(如金屬)的導電高分子複合材料所構成。

所述上接合層12形成在所述線路層13之上。所述上接合層12可以是錫接合層，但也可以是銀燒結層。所述IGBT晶片層11可以是由至少一IGBT晶片111所構成，且其中一個IGBT晶片111可以置換為二極體晶片。並且，所述IGBT晶片層11是透過所述上接合層12與所述線路層13形成連接。當所述IGBT晶片111發熱時，可藉由所述線路層13及所述絕緣層14將熱量傳導至所述散熱層15，以向外散熱。

並且，為了使IGBT晶片111產生的熱量更迅速散出去，本發明的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構的所述絕緣層14厚度小於0.2mm，所述線路層13厚度為1.5mm~3mm，且所述線路層13與所述絕緣層14的厚度比例大於或等於7.5:1。

根據溫度實測結果，當所述絕緣層14厚度為0.1mm，所述線路層13厚度為0.1mm，所述IGBT晶片111實測溫度為184.03度。當所述絕緣層14厚度為0.1mm，所述線路層13厚度為0.5mm，所述IGBT晶片111實測溫度為168.27度。當所述絕緣層14厚度為0.1mm，所述線路層13厚度為1mm，所述IGBT晶片111實測溫度為159.77度。當所述絕緣層14厚度為0.1mm，所述線路層13厚度為2mm，所述IGBT晶片111實測溫度為150.93度。當所述絕緣層14厚度為0.1mm，所述線路層13厚度為3mm，所述IGBT晶片111實測溫度為146.69度。

因此實測結果很明顯的說明了當所述絕緣層14厚度小於0.2mm，所述線路層13厚度為1.5mm~3mm，以使所述線路層13與所述絕緣層14的厚度比例大於或等於7.5:1，能更有效的使所述IGBT晶片111產生的熱量迅速散出去。

請參考圖3，本發明另提供一種具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構。如圖所示，根據本發明所提供的IGBT模組封裝結構，從上到下依序為IGBT晶片層11、上接合層12、線路層13、下接合層16、絕緣層14、以及散熱層15。

在本實施例中，具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構更包括有所述下接合層16。並且，所述下接合層16形成於所述線路層13及所述絕緣層14之間，用於使所述線路層13與所述絕緣層14能更好的接合。

在一實施例中，所述下接合層16可以是錫接合層，但也可以是銀燒結層。

在一實施例中，所述下接合層16也可以是高分子複合層，例如環氧樹脂層、聚醯亞胺層、或聚丙烯層。

綜合以上所述，本發明提供的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其能通過「絕緣層14厚度小於0.2mm，線路層13厚度為1.5mm~3mm，且線路層13與絕緣層14的厚度比例大於或等於7.5:1」的技術方案，達到更有效的使IGBT晶片111產生的熱量迅速散出去的作用。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

[現有技術]

11A:IGBT晶片層

12A:上銲接層

13A:DBC板

131A:上薄銅層

132A:絕緣層

133A:下薄銅層

14A:下銲接層

15A:散熱層

[本發明]

11:IGBT晶片層

111:IGBT晶片

12:上接合層

13:線路層

14:絕緣層

15:散熱層

16:下接合層

圖1為現有技術的一IGBT模組散熱結構側視示意圖。

圖2為本發明的一具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構側視示意圖。

圖3為本發明的另一具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構側視示意圖。

11:IGBT晶片層

111:IGBT晶片

12:上接合層

13:線路層

14:絕緣層

15:散熱層

Claims (10)

1. 一種具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，包括：IGBT晶片層、上接合層、線路層、絕緣層、及散熱層；所述絕緣層形成在所述散熱層之上，所述線路層形成在所述絕緣層之上，所述上接合層形成在所述線路層之上，所述IGBT晶片層形成在所述上接合層之上；其中，所述絕緣層厚度為0.1mm，所述線路層厚度為2~3mm，且所述線路層厚度除以所述絕緣層厚度的比例而得的數值為20倍以上且30倍以下。
2. 如請求項1所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其中，所述絕緣層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一。
3. 如請求項2所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其中，所述絕緣層包含有填料，所述填料選自氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化硼的至少其一。
4. 如請求項1所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其中，所述絕緣層以陶瓷材料所構成。
5. 如請求項4所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其中，所述陶瓷材料選自氧化鋁、氮化鋁、或氮化矽的至少其一。
6. 如請求項1所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其中，所述線路層以金屬材料所構成。
7. 如請求項1所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其中，所述線路層是填充有導電填料的導電高分子複合材料所構成。
8. 如請求項1所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，更包括：下接合層，所述下接合層形成於所述線路層及所述絕緣層之間。
9. 如請求項8所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其中，所述下接合層是錫接合層、銀燒結層的其中之一。
10. 如請求項8所述的具特殊層厚比例之IGBT模組散熱結構，其中，所述下接合層是高分子複合層。

Images