CN106997871A - 一种功率模块的封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种功率模块的封装结构。该封装结构包括下层金属直接敷接陶瓷电路板，被封装功率器件芯片，上层金属直接敷接陶瓷电路板，上盖板和绝缘外壳；被封装功率器件芯片的下表面电极通过焊料固定于下层陶瓷电路板；上层陶瓷电路板倒置于所述被封装功率器件芯片上，通过其金属层上凸起触点与所述被封装功率器件芯片的上表面电极接触；上盖板通过压簧对上层陶瓷电路板施加向下压力保证凸起触点与电极的紧密接触。本发明公开的功率模块封装结构避免了传统功率模块封装中的引线键合，提高了电流承载能力，结构简单紧凑易于实现，对功率器件兼容性好，改善了功率模块的散热，有助于提高功率模块的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种功率模块的封装结构。
背景技术
模块的封装是功率模块最基本的组成部分,对功率模块的性能，体积和可靠性至关重要。目前功率模块中对功率器件的互连主要有引线键合和压接式。引线键合方式是在功率器件裸芯片的各电极上,以金线或铝线进行各式打线结合，再牵线至模块脚架的个内脚处续行打线以完成回路。引线键合技术是目前功率模块封装中主要采用的连接技术，对于大功率器件多采用铝丝键合，工艺简单、成本低。但是引线键合存在键合点面积小、寄生电感大、载流量有限、热应力疲劳、高频电流在引线中形成的机械应力易使其焊点撕裂或脱落等诸多问题。压接式功率模块内部中器件电极通过压力直接连接，具有双面散热、更高的工作结温、高可靠性等特点，在应用环境苛刻和可靠性要求高的应用领域很有竞争优势。但是压接式功率模块结构复杂，成本高，对芯片厚度和压力均匀性要求较高，需要对功率芯片做特殊的设计，压接应力很容易造成芯片损伤甚至撕裂。
发明内容
本发明提供了一种功率模块封装结构用以弥补上述技术缺陷，改善功率模块的可靠性，提高散热效率，降低体积。
本发明所述功率模块的封装结构包括：下层金属直接敷接陶瓷电路板，被封装功率器件裸芯片，上层金属直接敷接陶瓷电路版，上盖板和绝缘外壳。
所述下层金属直接敷接陶瓷电路板上下表面都具有直接敷接金属层，放置于所述绝缘外壳底部内伸的托架上；其上表面金属层通过焊料连接一个或多个半导体功率器件裸芯片的底面电极；其上表面金属层通过蚀刻工艺生成底面电极连接电路布线。所述功率器件裸芯片为硅或碳化硅半导体材料的功率开关管和功率二极管裸芯片，包括绝缘栅双极性晶体管，功率金氧半场效应晶体管，肖特基二极管，快恢复二极管等。
所述上层金属直接敷接陶瓷基板通过刻蚀工艺在其金属层上加工出所述半导体功率器件裸芯片上表面电极之间连接的电路布线；在金属直接敷接陶瓷基板金属层表面附着一层绝缘膜，绝缘膜与上述功率裸芯片上表面电极对齐的位置开有通孔，通孔尺寸略小于电极尺寸；在所述绝缘膜的通孔位置，通过电镀或其它金属沉积方式在直接敷接陶瓷基板的金属层上生成凸起金属触点结构，高度略大于绝缘膜厚度，尺寸与所述绝缘膜通孔尺寸一致；当所述上层金属直接敷接陶瓷基板金属层朝下倒置于上述功率器件裸芯片之上，所述凸起触点结构与所述功率器件裸芯片的上表面电极接触实现电路连接。
所述上盖板置于所述上层金属直接敷接陶瓷电路板之上，通过多枚安装螺栓固定于所述封装外壳上表面；所述上盖板下表面焊接有多个压簧，对所述上层金属直接敷接陶瓷电路板施加向下压力。
所述下层金属直接敷接陶瓷电路板和上层金属直接敷接陶瓷电路板的金属层部分延伸至陶瓷基板外构成外接端子。
本发明一种封装结构由以下技术进一步解决上述技术缺陷：
优选的，所述下层金属直接敷接陶瓷电路板和上层金属直接敷接陶瓷电路板采用直接敷铜或直接敷铝技术的氮化铝或氧化铝陶瓷基板，可以承载大电流并具有良好的导热性能。
优选的，所述绝缘膜通过厚膜工艺将绝缘浆料透过丝网直接印刷至单层金属敷接陶瓷基板的金属层表面，再经过高温烧结形成，并由丝网掩模生成通孔。
优选的，通过金属沉积在所述上层金属直接敷接陶瓷电路板的金属层形成所述凸起金属触点后，对触点进行打磨调整触点高度并提高触点平整度。
优选的，所述上盖板为导热性能良好的金属材料如铝等,并可采用集成散热片的金属板。
优选的，所述多个压簧采用略微不同的弹性系数以对各位置的压力进行微调。
优选的，所述上层金属直接敷接陶瓷电路版和上盖板之间灌注导热胶提高以降低热阻。
进一步的，所述上盖板可以采用具有散热片结构的金属盖板，或者在所述上盖板的上表面和所述下层直接敷铜陶瓷电路板的下表面金属层上贴装散热片或其它附加散热装置进一步提高所述功率封装结构的散热效果。
本发明一种功率模块的封装结构与传统功率模块的封装结构相比，具有以下有益效果。
1. 本发明避免常规功率模块封装中的键合互连工艺，减小了键合连接线导致的寄生电感，提高电流承载能力，改善了功率模块的性能及可靠性。
2. 本发明中器件上下表面的导热通路都大为简化，可以实现双面导热，提高散热效果。
3. 本发明中功率模块厚度降低，从而减小功率模块封装体积，提高了功率密度。
4. 与现有压接式封装结构相比，本发明可以兼容常规的功率器件裸芯片，结构简单，易于实现。
附图说明
图1是一种功率模块的封装结构的侧面示意图。
图2是一种功率模块的封装结构的分解结构示意图。
图中下层金属直接敷接陶瓷电路板1，下表面金属层11，中间陶瓷层12，上表面金属层13，集电极外接端子14，焊料15，焊料16，IGBT裸芯片21，栅极电极211，发射极电极212，发射极电极213，IGBT裸芯片22，栅极电极221，发射极电极222，发射极电极223，上层电路板3，陶瓷基板31，金属层32，触点321, 触点322, 触点323, 触点324, 触点325，触点326，绝缘膜33，发射极外接端子34，栅极外接端子35，通孔331，通孔332，通孔333，通孔334，通孔335，通孔336，绝缘外壳4，托架41，外接端子卡槽42，外接端子卡槽43，外接端子卡槽44，螺栓安装孔45，螺栓安装孔46，螺栓安装孔47，螺栓安装孔48，上盖板5，压簧51，压簧52，压簧53，压簧54，压簧55，压簧56，压簧57，压簧58，压簧59，螺栓514，螺栓515，螺栓516，螺栓517，导热胶6。
具体实施方式
下面结合附图，以一个两枚IGBT功率裸芯片并联的功率模块封装为例对本发明的具体实施方式做详细说明。参照图1，本发明为一种功率模块的封装结构，由下层金属直接敷铜陶瓷电路板1，IGBT裸芯片21和22，上层金属直接敷铜陶瓷电路板3，绝缘外壳4和上盖板5组成，在所述上层电路板3与上盖板4之间填充导热胶6以降低热阻。
参照图2，所述下层直接敷铜陶瓷电路板1包括陶瓷基板11，下表面金属层12，和上表面金属层13，其中上表面金属层13为电路层，下表面金属层12为基板保护层； IGBT裸芯片21和22的下表面集电极通过焊料15和16分别固定于金属层13，形成IGBT裸芯片21和22集电极的电路连接；金属层13部分延伸至陶瓷基板外，向上弯折形成集电极外接端子14。下层直接敷铜陶瓷电路板1放置于绝缘外壳4底部内伸的托架41上，集电极外接端子14固定于绝缘外壳4上的外接端子卡槽42中。
所述上层直接敷铜陶瓷电路板3包括陶瓷基板31和金属层32；通过刻蚀工艺在金属层32上加工出IGBT裸芯片 21和22上表面电极之间连接的电路布线；通过厚膜电路工艺在将绝缘浆料透过丝网直接印刷至金属层32表面，再经过高温烧结形成绝缘膜33，并由丝网掩模在于IGBT裸芯片21和22上表面电极相对应位置生成通孔331，332，333，334，335和336，通孔尺寸略小于相应电极尺寸；通过电镀或其它金属沉积方式在金属层32上生成凸起金属触点结构321，322，323，324，325和326，分别穿过通孔331，332，333，334，335和336；触点321，322，323，324，325和326的高度略大于绝缘膜33厚度，尺寸与对应通孔尺寸一致；上层直接敷铜陶瓷电路板3的金属层朝下置于IGBT裸芯片21和22之上，使触点321，322，323分别与IGBT裸芯片21的上表面栅极电极211和两个发射极电极212，213对齐，触点324,325和326分别与IGBT裸芯片22的上表面栅极电极224和两个发射极电极225，226对齐；触点321，322，323，324，325和326成生后进行打磨调整高度并提高表面平整度以实现触点与电极之间的良好接触；金属层32部分延伸至陶瓷基板外，向上弯折形成发射极外接端子34和栅极外接端子35；发射极外接端子34和栅极外接端子35分别固定于绝缘外壳4上的外接端子卡槽43和44中。
所述上盖板5为铝等导热良好的金属材质，九个压簧51，52，53，54，55，56，57，58，59通过精密点焊固定于所述上盖5的下表面，上盖板四角具有安装通孔510，511，512，513，螺栓514，515，516，517分别穿过所述通孔510，511，512，513将所述上盖板5固定在所述绝缘外壳4的安装孔44，45，46和47上；上盖板5通过压簧51至59对上层电路板3施加向下压力。通过分别独立调整所述压簧51至59的弹性系数对施加在在所述上层金属直接敷铜陶瓷电路板3的压力进行调整以使上层金属直接敷铜陶瓷电路板各位置的压力均匀分布，使所述触点321，322，323，324，325和326与所述电极221，222，223，224，225和226紧密接触形成电路连接，但不会因压力过大对所述IGBT裸芯片21和22造成损伤；同时绝缘膜33保证电极之间不会产生短路。
所述上盖板5可以采用具有散热片结构的金属盖板，或者在所述上盖板5的上表面和所述下层直接敷铜陶瓷电路板1的下表面金属层12上贴装散热片或其它附加散热装置进一步提高所述功率封装结构的散热效果。
以上给出了本实例具体的实施方案，但本发明即一种新型的高温功率模块的封装结构不局限于上述的实例说明。根据本发明所述技术方案可以做出具有体积小、可靠性高、散热性能好的功率模块封装结构，对于本发明所属技术领域的普通技术人员在不脱离本发明构思前提下做出的性能与用途相当的同等替代或变形，都应视为本发明所提交权利要求书中确定的保护范围。
Claims (8)
1.一种功率模块的封装结构，其特征在于：该封装结构包括下层金属直接敷接陶瓷电路板，被封装功率器件芯片，上层金属直接敷接陶瓷电路版，上盖板和绝缘外壳；所述下层金属直接敷接陶瓷电路板放置于所述绝缘外壳底部内伸的托架上；所述被封装功率器件芯片的下表面电极通过焊料固定于所述下层金属直接敷接陶瓷电路板的金属层；所述上层金属直接敷接陶瓷电路版倒置于所述被封装功率器件芯片上，通过其金属层上凸起触点与所述被封装功率器件芯片的上表面电极接触；所述上盖板置于所述上层金属直接敷接陶瓷电路板之上，通过多枚安装螺栓固定于所述封装外壳上表面；所述上盖板下表面焊接有多个压簧，对所述上层金属直接敷接陶瓷电路板施加向下压力，所述下层金属直接敷接陶瓷电路板和上层金属直接敷接陶瓷电路板的金属层部分延伸至陶瓷基板外构成外接端子。
2.根据权利要求1所述一种功率模块的封装结构，其特征在于：所述下层金属直接敷接陶瓷电路板和上层金属直接敷接陶瓷电路板采用导电和导热性能良好的陶瓷基材电路板，包括以氮化铝（AlN）或氧化铝（Al2O3）为基板的直接敷铜（Direct Bonded Copper）或直接敷铝（Direct Bonded Aluminum）陶瓷电路板。
3.根据权利要求1所述一种功率模块的封装结构，其特征在于：所述芯片为硅或碳化硅半导体材料的功率开关管和功率二极管裸芯片，包括绝缘栅双极性晶体管（IGBT），功率金氧半场效应晶体管（MOSFET），肖特基二极管（SBD），快恢复二极管（FRD）等芯片。
4.根据权利要求1所述一种功率模块的封装结构，其特征在于：所述下层金属直接敷接陶瓷电路板附着有一层具有通孔结构的绝缘膜，通孔位置与所述被封装功率器件芯片上表面电极位置对齐，通孔尺寸略小于电极尺寸。
5.根据权利要求1和权利要求4所述一种功率模块的封装结构，其特征在于：所述金属直接敷接陶瓷电路板通过金属沉积方式在下表面金属层上生成凸起触点结构；所述凸起触点结构穿过所述绝缘膜的通孔，其高度略高于所述绝缘膜的厚度，尺寸与所述通孔尺寸一致。
6.根据权利要求1所述功率模块封装结构，其特征在于：所述上盖板为导热性能良好的金属材料如铝等，表面可集成散热片
根据权利要求1所述一种功率模块的封装结构，其特征在于：所述多个压簧弹性具有略微不同的弹性系数。
7.根据权利要求1所述一种功率模块的封装结构，其特征在于：所述上层金属直接敷接陶瓷电路版和所述上盖板之间灌注导热胶。
8.根据权利要求1和权利要求4所述一种功率模块的封装结构，其特征在于：所述绝缘膜采用厚膜绝缘材料通过厚膜印刷工艺将绝缘浆料透过丝网直接印刷至所述上层金属直接敷接陶瓷基板的金属层表面，再经过高温烧结形成；所述绝缘膜上的通孔由丝网掩模生成。
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