CN110246808A - 具有降低的结温的功率模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有降低的结温的功率模块及其制造方法，所述功率模块的结构包括上DBC层、功率芯片层、下DBC层及散热器，上DBC层自上而下依次包括上铜箔层、上陶瓷层、上线路层，功率芯片层包括功率芯片、键合金属片及引线金属片，下DBC层自上而下依次包括下线路层、下陶瓷层、下铜箔层，散热器直接与下铜箔层接触，功率芯片直接铺设在下线路层上，上线路层与功率芯片接触，功率芯片通过键合金属片和上线路层进行相互之间的连接并且最终通过引线金属片连接到信号端子和功率端子。本发明的结构可以有效降低芯片运行时的结温，适合于硅和化合物半导体功率模块。
Description
技术领域
本发明属于半导体电子器件制造技术领域，具体来说涉及一种具有降低的结温的功率模块及其制造方法。
背景技术
随着电子器件的发展，对功率模块的要求也越来越高。然而随着功率模块的集成度和功率的提高，发热量也随之增加，如果产生的热量不能及时排出，造成运行的功率半导体芯片结温的升高，则对功率模块的运行和寿命产生影响。
发明内容
为解决功率模块中功率半导体芯片工作时结温升高的问题，本发明开发了一种新型的功率模块结构，可以有效地降低芯片的结温。
具体来说，本发明采用了以下技术方案：
一种具有降低的结温的功率模块，其特征在于，所述功率模块的结构包括上DBC层、功率芯片层、下DBC层及散热器，信号端子和功率端子分别从功率芯片层引出，其中上DBC层自上而下依次包括上铜箔层、上陶瓷层、上线路层，功率芯片层包括功率芯片、键合金属片及引线金属片，下DBC层自上而下依次包括下线路层、下陶瓷层、下铜箔层，散热器直接与下铜箔层接触，功率芯片直接铺设在下线路层上，上线路层与功率芯片接触，功率芯片通过键合金属片和上线路层进行相互之间的连接并且最终通过引线金属片连接到信号端子和功率端子。
优选地，上线路层为覆盖在上陶瓷层下表面的覆铜层。
另外优选地，下线路层为内嵌TPG网格的铜箔层。
在优选方案中，模块外周具有壳体，信号端子和功率端子穿过壳体引出。更优选，下陶瓷层的直径比壳体的直径大，壳体支承在下陶瓷层上。
在一个优选方案中，所有信号端子安装在模块的同一侧，而所有功率端子安装在模块的另一侧。
作为优选方案，与下铜箔层接触的散热器具有向下延伸的散热扰流柱或散热片，在下DBC下方安装有冷却流道，在散热器对应的位置具有冷却室，冷却室的两侧分别设置冷却液进口和出口。进一步，在冷却流道与模块接触的表面，在冷却室周围设置有密封结构。
优选地，在上铜箔层的上表面也安装有散热器。
作为优选方案，键合金属片及引线金属片分别为钼片。
本发明还公开了如前所述的具有降低的结温的功率模块的制造方法，其特征在于，所述方法包括：1）在功率芯片的铝金属化层上镀上铜层，以实现芯片表面可焊；2）将功率芯片和键合金属片及引线金属片焊接到下DBC的下线路层上；3）将上DBC以上线路层向下的方式焊接到功率芯片上；4）安装壳体；5）将信号端子和功率端子分别与引线金属片焊接；6）灌封绝缘材料。
优选地，在步骤2）与步骤3）之间还包括栅极键合的步骤，即将功率芯片的栅极与栅极信号铜箔通过键合线连接。
有益效果：本发明采用了新的功率模块结构，铜箔和钼片的截面积加大，发热量小，散热更快，可以有效地降低芯片运行时的结温，适用于硅和化合物半导体功率模块。
附图说明
图1是本发明的功率模块的结构示意图；
图2是本发明的功率模块装配结构示意图。
在图中：1、上铜箔层；2、上陶瓷层；3、上线路层；4、上DBC层；5、下铜箔层；6、下陶瓷层；7、下线路层；8、下DBC层；9、键合金属片；10、功率芯片；11、引线金属片；12、壳体；13、端子；14、散热器；15、功率端子；16、信号端子；17、冷却流道；18、冷却液进口；19、冷却液出口。
具体实施方式
常规功率模块设计中，芯片正面常采用键合线的方式实现电气连接，由于铝键合线截面积小，功率模块的工作电流很大，在工作中，键合线的发热很可观，会带来芯片温度的上升，限制了模块有效工作电流的。本发明设计了一种新的结构，从结构上采用无金属底板设计，缩短散热通路，在键合器件上采用金属片如钼片和铜箔取代了铝键合线，由于铜箔和钼片的截面积大，发热量小，这种设计可以有效降低芯片的结温，本设计适合于硅和化合物（如碳化硅）半导体功率模块。
参见图1，该图示出了本发明的功率模块的结构示意图。
如图1所示，本发明的具有降低的结温的功率模块的结构可以视为包括上DBC层、功率芯片层、下DBC层、散热器以及壳体几个部分，信号端子和功率端子分别从功率芯片层引出并穿过壳体。在以上几个部分中，上DBC层自上而下依次包括上铜箔层、上陶瓷层、上线路层，功率芯片层包括功率芯片、键合金属片及引线金属片，下DBC层自上而下依次包括下线路层、下陶瓷层、下铜箔层，散热器直接与下铜箔层接触，功率芯片直接铺设在下线路层上，上线路层与功率芯片接触，功率芯片通过键合金属片和上线路层进行相互之间的连接并且最终通过引线金属片连接到信号端子和功率端子，壳体包围在功率模块周边提供保护。
上线路层和下线路层从材质上来说优选也为铜箔层，一般为在陶瓷层表面上制作的覆铜层。在优选实施方案中，下线路层为内嵌TPG网格即高定向热解石墨网格的铜箔层。
在下DBC下方安装了散热器，而在优选的实施方案中，在上DBC上方也可以同样安装散热器。两个散热器可以相同，也可以不同，例如上散热器是风冷，下散热器为液冷。参见图2，在液冷的情况下，与下铜箔层接触的散热器具有向下延伸的散热扰流柱或散热片，在下DBC下方安装有冷却流道，在散热器对应的位置具有冷却室，冷却室的两侧分别设置冷却液进口和出口。进一步，在冷却流道与模块接触的表面，在冷却室周围设置有密封结构。在下DBC与冷却流道上分别具有相应的安装结构，例如安装孔，便于冷却流道与功率模块的安装。
下DBC，具体来说下陶瓷层的直径比壳体的直径大，壳体支承在下陶瓷层上，壳体内灌装封装材料。在一个优选方案中，所有信号端子安装在模块的同一侧，而所有功率端子安装在模块的另一侧。
作为优选方案，键合金属片及引线金属片分别为钼片。
本发明的功率模块结构主要有以下特点：
1、无金属底板设计，在高强度Si3N4陶瓷（或者氧化锆增强型氧化铝陶瓷）上制作安装孔，安装时通过螺栓将模块安装到散热器上。
2、散热扰流柱（散热片）直接铺设在下DBC下铜箔上，与常规带扰流柱功率模块相比，省掉了金属底板，导热硅脂等两层热阻较大的传热路径，降低了模块热阻，提高了模块的工作电流能力，与此同时，模块体积和重量也大大减小。
3、上DBC下铜箔的线路和钼片取代常规模块的铝键合线连接，减小了发射极连接线路的电阻和发热，降低芯片结温。
4、下DBC上铜箔（线路层）内嵌TPG网络，增强芯片散热在水平方向上的热扩散，降低芯片的结温。
5、上DBC上铜箔可以像常规模块一样安装散热器，实现辅助散热。
6、所有信号端子在模块同一侧，所有功率在模块另一侧，方便信号电路与功率电路分开安装。
7、下DBC陶瓷和冷却流道上开有安装孔，冷却流道上开有O型圈槽，以实现冷却流道的密封。
本发明还公开了如前所述的具有降低的结温的功率模块的制造方法，所述方法包括：1、在芯片铝金属化层上镀上铜层（如电子束蒸镀等工艺），实现芯片表面可焊化；2、将芯片和钼片（包括芯片上钼片和引线钼片）焊接到下DBC上，焊料可以采用纳米银焊料或者锡银铜无铅焊料；3、栅极键合（适用于栅极面积过小的芯片，如果芯片栅极面积足够，则无需此步骤），将芯片栅极与栅极信号铜箔通过键合线连接；4、将上DBC焊接到上述组件上；5、安装壳体；6、将信号端子、功率端子与引线钼片焊接；7、灌封绝缘材料。
本发明的结构采用TPG复合基板，散热扰流柱（散热片）直接铺设在下DBC下铜箔上，仅采用少量键合线进行信号连接，功率连接通过铜箔和钼片进行焊接，因此具有良好的散热效果，显著降低了芯片结温。
本发明适用于硅或化合物功率芯片。在一个实施例中，采用化合物如氮化硅芯片，氮化硅陶瓷厚度0.80mm~1.50mm，上铜层厚度0.30mm~1.0mm，下铜层厚度0.30mm~1.0m。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (12)
1.一种具有降低的结温的功率模块，其特征在于，所述功率模块的结构包括上DBC层、功率芯片层、下DBC层及散热器，信号端子和功率端子分别从功率芯片层引出，其中上DBC层自上而下依次包括上铜箔层、上陶瓷层、上线路层，功率芯片层包括功率芯片、键合金属片及引线金属片，下DBC层自上而下依次包括下线路层、下陶瓷层、下铜箔层，散热器直接与下铜箔层接触，功率芯片直接铺设在下线路层上，上线路层与功率芯片接触，功率芯片通过键合金属片和上线路层进行相互之间的连接并且最终通过引线金属片连接到信号端子和功率端子。
2.如权利要求1所述的具有降低的结温的功率模块，其特征在于，上线路层为覆盖在上陶瓷层下表面的覆铜层。
3.如权利要求1所述的具有降低的结温的功率模块，其特征在于，下线路层为内嵌TPG网格的铜箔层。
4.如权利要求1所述的具有降低的结温的功率模块，其特征在于，模块外周具有壳体，信号端子和功率端子穿过壳体引出。
5.如权利要求4所述的具有降低的结温的功率模块，其特征在于，下陶瓷层的直径比壳体的直径大，壳体支承在下陶瓷层上。
6.如权利要求1所述的具有降低的结温的功率模块，其特征在于，所有信号端子安装在模块的同一侧，而所有功率端子安装在模块的另一侧。
7.如权利要求1所述的具有降低的结温的功率模块，其特征在于，与下铜箔层接触的散热器具有向下延伸的散热扰流柱或散热片，在下DBC下方安装有冷却流道，在散热器对应的位置具有冷却室，冷却室的两侧分别设置冷却液进口和出口。
8.如权利要求7所述的具有降低的结温的功率模块，其特征在于，在冷却流道与模块接触的表面，在冷却室周围设置有密封结构。
9.如权利要求1所述的具有降低的结温的功率模块，其特征在于，在上铜箔层的上表面也安装有散热器。
10.如权利要求1所述的具有降低的结温的功率模块，其特征在于，键合金属片及引线金属片分别为钼片。
11.一种如前述权利要求中任一项所述的具有降低的结温的功率模块的制造方法，其特征在于，所述方法包括：1）在功率芯片的铝金属化层上镀上铜层，以实现芯片表面可焊；2）将功率芯片和键合金属片及引线金属片焊接到下DBC的下线路层上；3）将上DBC以上线路层向下的方式焊接到功率芯片上；4）安装壳体；5）将信号端子和功率端子分别与引线金属片焊接；6）灌封绝缘材料。
12.如权利要求11所述的具有降低的结温的功率模块的制造方法，其特征在于，在步骤2）与步骤3）之间还包括栅极键合的步骤，即将功率芯片的栅极与栅极信号铜箔通过键合线连接。
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