TWM590780U

TWM590780U - 具有不同銅厚之igbt模組散熱結構

Info

Publication number: TWM590780U
Application number: TW108213128U
Authority: TW
Inventors: 汪子暄; 葉子暘; 吳俊龍
Original assignee: 艾姆勒車電股份有限公司
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2020-02-11

Abstract

一種具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，包括：第一晶片層、第二晶片層、第一接合層、第二接合層、第一厚銅層、第二厚銅層、導熱絕緣層、及散熱層。導熱絕緣層設置在散熱層之上，第一厚銅層及第二厚銅層間隔地設置在導熱絕緣層之上，第一接合層及第二接合層各自設置在第一厚銅層及第二厚銅層之上，第一晶片層及第二晶片層各自設置在第一接合層及第二接合層之上，第一晶片層的晶片數量大於第二晶片層的晶片數量，且第一厚銅層的厚度大於第二厚銅層的厚度。

Description

具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構

本創作涉及IGBT模組，具體來說是涉及具有不同銅厚之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模組散熱結構的首選材料。請參考圖1及圖2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、陶瓷層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的IGBT晶片111A產生熱量時，不能及時通過DBC板13A傳遞到散熱層15A，並且DBC板13A與散熱層15A之間必需透過下銲接層14A才能夠形成連接，而一整片的下銲接層14A會極易出現空銲現象，且會增加介面阻抗，從而影響到導熱性能。

有鑑於此，本創作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創作。

本創作之主要目的在於提供一種具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，以解決上述問題。

為了解決上述的技術問題，本創作所採用的一種技術方案是，提供一種具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，包括：第一晶片層、第二晶片層、第一接合層、第二接合層、第一厚銅層、第二厚銅層、導熱絕緣層、及散熱層，所述導熱絕緣層設置在所述散熱層之上，所述第一厚銅層及所述第二厚銅層間隔地設置在所述導熱絕緣層之上，所述第一接合層及所述第二接合層各自設置在所述第一厚銅層及所述第二厚銅層之上，所述第一晶片層及所述第二晶片層各自設置在所述第一接合層及所述第二接合層之上，所述第一晶片層的晶片數量大於所述第二晶片層的晶片數量，且所述第一厚銅層的厚度大於所述第二厚銅層的厚度。

優選地，所述第一厚銅層的厚度大於1000μm。

優選地，所述第二厚銅層的厚度介於200μm~1000μm。

優選地，所述導熱絕緣層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一。

優選地，所述導熱絕緣層包含有填料，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。

優選地，具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，更包括：第三晶片層、第三接合層、第三厚銅層，所述第三厚銅層、所述第一厚銅層、所述第二厚銅層間隔地設置在所述導熱絕緣層之上，所述第三接合層設置在所述第三厚銅層之上，所述第三晶片層設置在所述第三接合層之上，所述第三晶片層的晶片數量大於所述第一晶片層的晶片數量，且所述第三厚銅層的厚度大於所述第一厚銅層的厚度。

是以，本創作提供的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，透過多個厚銅層與散熱層之間設置有導熱絕緣層，以將IGBT晶片的熱量迅速且均勻的經由多個厚銅層及導熱絕緣層而導到整個散熱層的散熱鰭片上，相較於現有的IGBT模組散熱結構的DBC板，本創作可同時具備有厚銅層散熱均勻性和導熱絕緣層的絕緣性及導熱性，並且無需透過銲接層而是直接在散熱層表面上形成導熱絕緣層，不會因銲接層造成有空銲問題及介面阻抗問題而影響到導熱性能，也不會因銲接的噴濺現象導致絕緣失效，使散熱層能發揮最大的吸熱及散熱效能。並且，本創作提供的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，透過不同銅厚的設置，使具有晶片數量較多且發熱量較大的晶片層設置在銅厚較厚的厚銅層之上，而能大幅增加散熱均勻性與整體熱傳導效率，而使具有晶片數量較少且發熱量較小的晶片層設置在銅厚較薄的厚銅層之上，而能大幅減少銅材料的成本。

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

以下是通過特定的具體實施例來說明本創作所公開的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本創作的優點與效果。本創作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，在不悖離本創作的構思下進行各種修改與變更。另外，本創作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創作的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本創作的保護範圍。

請參考圖3、圖4、及圖5，為本創作提供的一種具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構。如圖所示，根據本創作提供的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，其具有第一晶片層11a、第二晶片層11b、第一接合層12a、第二接合層12b、第一厚銅層13a、第二厚銅層13b、導熱絕緣層14、及散熱層15。

導熱絕緣層14(thermally-conductive and electrically-insulating layer)設置在散熱層15上。散熱層15可以是鋁製散熱器(heat sink)，也可是具散熱作用的金屬板，並不限制。並且，導熱絕緣層14是由高分子複合材(polymer composite)所構成，而能達到絕緣、導熱、以及接合的目的。因此，相較於現有的IGBT模組散熱結構的DBC板與散熱層之間必需透過銲接層才能夠形成連接，本創作無需透過銲接層而是直接在散熱層15表面上形成導熱絕緣層14，不會因銲接層造成有空銲問題及介面阻抗問題而影響到導熱性能，也不會因銲接的噴濺現象導致絕緣失效。

詳細來說，導熱絕緣層14可以是環氧樹脂層(epoxy-based composite)。並且，導熱絕緣層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。在其它實施例中，導熱絕緣層14也可以是聚醯亞胺層(polyimide-based composite)、或是聚丙烯層(PP-based composite)。再者，導熱絕緣層14能以網印或熱壓方式接合於散熱層15之上。

在本實施例中，導熱絕緣層14的厚度可為20~200μm(微米)，較佳為100μm，能達到較佳的絕緣和導熱作用。

第一厚銅層13a及第二厚銅層13b間隔地設置在導熱絕緣層14之上，第一厚銅層13a及第二厚銅層13b與散熱層15之間可透過導熱絕緣層14形成絕緣，且第一厚銅層13a及第二厚銅層13b可透過導熱絕緣層14將熱傳導至散熱層15。

第一厚銅層13a及第二厚銅層13b可以是厚銅塊，以熱壓合方式接合於導熱絕緣層14，使第一厚銅層13a及第二厚銅層13b可以達到較厚的厚度。

第一接合層12a及第二接合層12b各自設置在第一厚銅層13a及第二厚銅層13b之上。並且，第一晶片層11a及第二晶片層11b各自設置在第一接合層12a及第二接合層12b之上。第一接合層12a及第二接合層12b可以是錫接合層，但也可以是銀燒結層，並不限制。

在本實施例中，第一晶片層11a示例為可包含二個IGBT晶片111a，第二晶片層11b示例為可包含一個IGBT晶片111b。也就是說，第一晶片層11a的晶片數量大於第二晶片層11b的晶片數量，使得第一晶片層11a的發熱量大於第二晶片層11b的發熱量。因此，第一厚銅層13a的厚度設置為大於第二厚銅層13b的厚度。並且，第一厚銅層13a的厚度可大於1000μm而能大幅增加散熱均勻性與整體熱傳導效率，而第二厚銅層13b的厚度可介於200μm~1000μm，除了能增加散熱均勻性並能大幅減少銅材料的成本。

為了不同的設計需求，第二晶片層11b的IGBT晶片111b可置換為發熱量較小的二極體晶片(diode chip)。另外，第一晶片層11a的其中一個IGBT晶片111a也可置換為發熱量較小的二極體晶片。

並且，第一厚銅層13a的寬度大於第二厚銅層13b的寬度，且第一厚銅層13a及第二厚銅層13b的寬度可隨著晶片數量的增加而增加。

請參考圖5，為本創作提供的另一具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構。如圖所示，根據本創作提供的另一具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，其具有多個不同銅厚的厚銅層。具體來說，在本實施例中，具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，更具有第三晶片層11c、第三接合層12c、及第三厚銅層13c。

並且，第三厚銅層13c、第一厚銅層13a、第二厚銅層13b間隔地設置在導熱絕緣層14之上，第三接合層12c設置在第三厚銅層13c之上，第三晶片層11c設置在第三接合層12c之上。

在本實施例中，第三晶片層11c的晶片數量大於第一晶片層11a的數量，第一晶片層11a的晶片數量大於第二晶片層11b的晶片數量，使得第三晶片層的發熱量大於第一晶片層11a，第一晶片層11a的發熱量大於第二晶片層11b的發熱量。因此，第三厚銅層13c的厚度設置為大於第一厚銅層13a的厚度，第一厚銅層11a的厚度設置為大於第二厚銅層13b的厚度。

綜合以上所述，本創作提供的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，透過多個厚銅層與散熱層15之間設置有導熱絕緣層14，以將IGBT晶片的熱量迅速且均勻的經由多個厚銅層及導熱絕緣層14而導到整個散熱層15的散熱鰭片上，相較於現有的IGBT模組散熱結構的DBC板，本創作可同時具備有厚銅層散熱均勻性和導熱絕緣層的絕緣性及導熱性，並且無需透過銲接層而是直接在散熱層15表面上形成導熱絕緣層14，不會因銲接層造成有空銲問題及介面阻抗問題而影響到導熱性能，也不會因銲接的噴濺現象導致絕緣失效，使散熱層15能發揮最大的吸熱及散熱效能。並且，本創作提供的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，透過不同銅厚的設置，使具有晶片數量較多且發熱量較大的晶片層設置在銅厚較厚的厚銅層之上，而能大幅增加散熱均勻性與整體熱傳導效率，而使具有晶片數量較少且發熱量較小的晶片層設置在銅厚較薄的厚銅層之上，而能大幅減少銅材料的成本。

以上所述僅為本創作之較佳可行實施例，其並非用以侷限本創作之專利範圍，凡依本創作申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本創作之涵蓋範圍。

[現有技術] 11A‧‧‧IGBT晶片層 12A‧‧‧上銲接層 13A‧‧‧DBC板 131A‧‧‧上薄銅層 132A‧‧‧陶瓷層 133A‧‧‧下薄銅層 14A‧‧‧下銲接層 15A‧‧‧散熱層 [本創作] 11a‧‧‧第一晶片層 11b‧‧‧第二晶片層 11c‧‧‧第三晶片層 12a‧‧‧第一接合層 12b‧‧‧第二接合層 12c‧‧‧第三接合層 13a‧‧‧第一厚銅層 13b‧‧‧第二厚銅層 13c‧‧‧第三厚銅層 111a,111b,111c‧‧‧IGBT晶片 14‧‧‧導熱絕緣層 15‧‧‧散熱層

圖1為現有技術的IGBT模組散熱結構的側視分解示意圖。

圖2為現有技術的IGBT模組散熱結構的側視示意圖。

圖3為本創作的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構的側視分解示意圖。

圖4為本創作的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構的側視示意圖。

圖5為本創作的另一具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構的側視示意圖。

11a‧‧‧第一晶片層

11b‧‧‧第二晶片層

12a‧‧‧第一接合層

12b‧‧‧第二接合層

13a‧‧‧第一厚銅層

13b‧‧‧第二厚銅層

111a,111b‧‧‧IGBT晶片

14‧‧‧導熱絕緣層

15‧‧‧散熱層

Claims

一種具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，包括：第一晶片層、第二晶片層、第一接合層、第二接合層、第一厚銅層、第二厚銅層、導熱絕緣層、及散熱層，所述導熱絕緣層設置在所述散熱層之上，所述第一厚銅層及所述第二厚銅層間隔地設置在所述導熱絕緣層之上，所述第一接合層及所述第二接合層各自設置在所述第一厚銅層及所述第二厚銅層之上，所述第一晶片層及所述第二晶片層各自設置在所述第一接合層及所述第二接合層之上，所述第一晶片層的晶片數量大於所述第二晶片層的晶片數量，且所述第一厚銅層的厚度大於所述第二厚銅層的厚度。
如申請專利範圍第1項所述的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，其中所述第一厚銅層的厚度大於1000μm。
如申請專利範圍第2項所述的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，其中所述第二厚銅層的厚度介於200μm~1000μm。
如申請專利範圍第1項所述的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，其中所述導熱絕緣層為環氧樹脂層、聚醯亞胺層、聚丙烯層的其中之一。
如申請專利範圍第4項所述的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，其中所述導熱絕緣層包含有填料，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。
如申請專利範圍第1項所述的具有不同銅厚之IGBT模組散熱結構，更包括：第三晶片層、第三接合層、第三厚銅層，所述第三厚銅層、所述第一厚銅層、所述第二厚銅層間隔地設置在所述導熱絕緣層之上，所述第三接合層設置在所述第三厚銅層之上，所述第三晶片層設置在所述第三接合層之上，所述第三晶片層的晶片數量大於所述第一晶片層的晶片數量，且所述第三厚銅層的厚度大於所述第一厚銅層的厚度。