CN110854103B - 一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法 - Google Patents

一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法，由IGBT功率芯片，二极管芯片，上DBC基板，下DBC基板，中间转接板，介电填充层，焊料层，再布线层，过孔导电金属和功率端子组成。本发明通过焊料层将IGBT功率芯片及二极管芯片和下DBC基板连接。同时在中间转接板上制作矩形框架，并通过填充介电材料，将IGBT功率芯片和二极管芯片嵌入在中间转接板内。芯片和转接板的上表面覆有导电金属层，中间转接板的上下表面分别和上下DBC基板互连，各功率端子分别从上下DBC基板的导电覆铜层引出，得到嵌入式双面互连功率模块。该发明可以实现IGBT功率模块的双面散热，提高了散热效率。而且不使用键合线，减小了模块的寄生电感。

Description

一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法
技术领域
本发明涉及功率电子器件封装技术领域，特别是一种嵌入式双面互连功率模块的封装结构和制作方法。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，功率模块在航空航天，轨道交通，新能源汽车及风力发电，光伏发电等产业得到了越来越广泛的应用。目前市场上主流的功率模块为IGBT功率模块。传统的IGBT功率模块的封装主要是通过无铅焊料将功率芯片的集电极和与之反并联的二极管芯片的阳极焊接在覆铜陶瓷基板(DBC)上，然后利用引线键合的方式实现芯片与芯片之间以及芯片与DBC板的电气互连。在DBC的另一侧连接有铜基板，铜基板通过导热硅脂和散热器连接，实现功率模块的散热。
出于节能和低成本的需求，当前迫切的要求功率模块更加轻型化，小型化，且功率密度更大。然而，这会导致模块的电流密度增加，使得功率模块在服役条件下产生较高的热量。但是传统的功率模块为单面散热，热量只能从IGBT功率芯片的集电极排出，这种散热方式散热效率较差。热量不及时的排出会引起功率芯片结温的升高，较高的结温以及结温差会影响功率模块整体的热机械性能和可靠性。
此外，传统的IGBT功率模块，由于引线键合互连结构的存在，使得模块在工作时会产生较大的寄生电感，寄生电感的存在会使得各芯片之间产生电磁干扰，降低模块开关速率，且模块存在误开关的风险。因此限制了模块在高频工况下的应用。
中国专利201710952767.8公开了一种采用低温烧结纳米银的双面互连硅基IGBT模块及制备方法，由功率段子、上DBC基板，下DBC基板、纳米银焊膏、硅基二极管芯片、硅凝胶和模制树脂组成；分别将硅基IGBT芯片的下表面、硅基二极管芯片的下表面以及缓冲层的下表面与下DBC基板通过纳米银连接，同时在上DBC基板也进行同样的连接，芯片和缓冲层与DBC基板的连接强度可达30MPa以上；下DBC基板的硅基IGBT芯片和硅基二极管芯片以及缓冲层的上表面分别同时与上DBC基板的缓冲层以及硅基IGBT芯片和硅基二极管芯片的上表面通过SnAgCu焊片或SnAg焊片进行连接，得到双面互连硅基IGBT模块。
中国专利201710449886.1公开了一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子、负极功率端子、输出功率端子、底部金属绝缘基板以及顶部金属绝缘基板，底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板叠层设置，底部金属绝缘基板或顶部金属绝缘基板上设有输出局部金属层，输出功率端子通过输出局部金属层连接有芯片连接块，芯片连接块与底部金属绝缘基板上的芯片和顶部金属绝缘基板上的芯片电连接。该技术方案大大降低了回路寄生电感，采用与芯片热膨胀系数匹配的材料做互连，能够降低焊层开裂的风险，提高功率模块的可靠性；减小了功率模块的体积，节约了成本，减轻了重量，尤其适合SiC功率芯片的封装，充分提高了过流能力。
虽然目前关于新型功率模块的封装结构和方法的研究越来越多，然而如何提升功率模块的散热效率以及开关频率是目前研究者和厂家面临的一个重要的问题。
发明内容
为了提升IGBT功率模块的功率密度，提高散热效率，减小模块的寄生参数，本发明提出了一种嵌入式双面互连功率模块的封装结构和制作方法。本发明将IGBT功率芯片和二极管芯片均嵌入于一中间转接板内，并在转接板两侧键合覆铜陶瓷基板实现电气互连。与传统的采用铝键合线的互连方式相比，采用双面互连方式大大降低了模块的换流回路面积，从而有效的降低了模块的换流回路电感，使得模块在高频工作条件下具有更小的关断电压脉冲。同时，嵌入式封装和平面互连方式大大减小了模块的体积，使得模块具有更高的功率密度。此外，在模块上下DBC两侧均可以连接散热器，相较于传统的单面连接散热器的方式，该技术的散热效率更高。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种嵌入式双面互连功率模块的封装结构，
由IGBT功率芯片、二极管芯片、中间转接板、焊料层、上DBC基板、下DBC基板、介电填充层、再布线层、正极端子、负极端子栅极端子和公共端子组成。所述IGBT功率芯片的正面有发射极和栅极，背面为集电极。所述二极管芯片的正面为阴极，背面为阳极。所述IGBT功率芯片的集电极和所述二极管芯片的阳极通过所述焊料层和所述下DBC基板的上铜层连接，所述中间转接板也和所述下DBC基板的上铜层连接,所述下DBC基板的上铜层连接有模块的正极端子。所述中间转接板含有矩形框架和圆柱形通孔，所述功率芯片和所述二极管芯片嵌入在所述矩形框架内。所述IGBT功率芯片，二极管芯片的上表面以及所述中间转接板的上表面有再布线层和中间介电层，所述再布线层和所述中间介电层与上DBC基板的下铜层连接，所述再布线层与所述功率模块的正极，负极端子以及公共端子连接。
作为本发明的进一步改进，所述的嵌入式双面互连功率模块的封装结构，其特征在于，所述IGBT功率芯片和所述框架之间，所述二极管芯片和所述框架之间存在间隙。所述间隙内填充有介电填充层，所述圆柱形通孔内填充有导电金属。
作为本发明的进一步改进，所述的嵌入式双面互连功率模块的封装结构，其特征在于，所述中间转接板的材料是硅、玻璃、陶瓷或者环氧树脂中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述的嵌入式双面互连功率模块的封装结构，其特征在于，所述的IGBT功率芯片也能够是硅基或碳化硅基的MOSFET芯片。
一种嵌入式双面互连功率模块的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，提供一中间转接板，在中间转接板上制作矩形框架和圆柱形通孔。
步骤2，于所述中间转接板的圆柱形通孔内填充导电金属。
步骤3，提供一下DBC基板，通过钢网印刷的方式将焊料层印刷在下DBC基板上侧的铜层，并将IGBT功率芯片和二极管贴装在焊料层表面。
步骤4，于下DBC基板的上铜层焊接模块的正极端子。
步骤5，将所述中间转接板粘结在所述下DBC板上侧的铜层，且每个IGBT功率芯片和二极管芯片均嵌入在所述中间转接板上相应的矩形框架内，每个芯片和框架之间均留有间隙。
步骤6，于所述间隙内及所述中间转接板，所述IGBT功率芯片和二极管芯片的上表面制作介电填充层。
步骤7，于所述中间转接板及所述IGBT功率芯片和二极管芯片的上表面制作再布线层，所述再布线层嵌入在所述介电填充层内。
步骤8，于所述再布线层的上表面焊接模块的栅极端子，负极端子和公共端子。
步骤9，将所述再布线层的上表面与上DBC基板的下铜层连接。
作为本发明的进一步改进，所述的嵌入式双面互连功率模块的制作方法，其特征在于，每一个IGBT功率芯片对应一个二极管芯片，每个桥臂的芯片均并联在上下DBC基板上，上下桥臂之间串联，形成双面互连的半桥功率模块封装。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
(1)本发明通过将IGBT功率芯片和二极管芯片嵌入于中间转接板内，并通过双面互连的方式实现和上下DBC基板的电气互连。该技术不仅降低了功率模块的封装体积，提升了模块的功率密度，而且大大减小了模块换流回路面积，有效地减小了模块的换流回路电感。
(2)双DBC基板的结构使得模块可以在上下面同时连接散热器，实现双面散热，提升了模块的散热效率。
(3)结合优点(1)和(2)，该技术适合功率模块在大功率密度，高频和高温工作环境下的应用。
附图说明
图1为根据本发明实施例绘制的嵌入式双面互连功率模块封装结构示意图。
图2为IGBT功率模块和二极管芯片结构示意图。
图3为步骤1完成后的封装结构示意图。
图4为步骤3完成后的封装结构示意图。
图5为步骤4完成后的封装结构示意图。
图6为步骤5完成后的封装结构示意图。
图7为步骤6完成后的封装结构示意图。
图8为步骤8完成后的封装结构示意图。
图9为步骤9完成后的封装结构示意图。
结合附图，做以下说明：
1-IGBT功率芯片 101-IGBT功率芯片发射极
102-IGBT功率芯片栅极 103-IGBT功率芯片集电极
2-二极管芯片 201-二极管芯片阴极
202-二极管芯片阳极 3-上DBC基板
301-上DBC基板下铜层 4-下DBC基板
401-下DBC基板上铜层 5-中间转接板
501-矩形框架 502-圆柱形通孔
503-间隙 6-介电填充层
7-焊料层 8-再布线层
9-通孔导电金属 10(a)-正极端子
10(b)-栅极端子 10(c)-公共端子
10(d)-负极端子
具体实施方式
为使本发明能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。为方便说明，实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。
如图1所示，本发明公开了一种嵌入式双面互连功率模块的封装结构，由IGBT功率芯片(1)、二极管芯片(2)、上DBC基板(3)、下DBC基板(4)、中间转接板(5)、介电填充层(6)、焊料层(7)、再布线层(8)、通孔导电金属(9)、正极端子(10a)、负极端子(10d)、栅极端子(10b)和公共端子(10c)组成。所述IGBT功率芯片(1)的正面有发射极(101)和栅极(102)，背面有集电极(103)。所述二极管芯片(2)的正面有阴极(201)，背面有阳极(202)。所述IGBT功率芯片(1)的集电极(103)和所述二极管芯片(2)的阳极(202)通过所述焊料层(7)和所述下DBC基板(4)的上铜层(401)连接，所述中间转接板(5)也和所述下DBC基板(4)的上铜层(401)连接，所述下DBC基板(4)的上铜层(401)连接有模块的正极端子10(a)。所述中间转接板(5)含有矩形框架(501)和圆柱形通孔(502)，所述IGBT功率芯片(1)和所述二极管芯片(2)嵌入在所述矩形框架(501)内。所述IGBT功率芯片(1)，二极管芯片(2)的上表面以及所述中间转接板(5)的上表面有再布线层(8)和介电填充层(6)，所述再布线层(8)和所述介电填充层(6)与上DBC基板(3)的下铜层(301)连接，所述再布线层(8)与所述功率模块的栅极端子(10b)，公共端子(10c)以及负极端子(10d)连接。
优选地，所述IGBT功率芯片(1)和所述框架(501)之间，所述二极管芯片(2)和所述框架(501)之间存在间隙(503)。所述间隙(503)内填充有介电填充层(6)，所述圆柱形通孔(502)内填充有导电金属(9)。
可选地，所述中间转接板(5)的材料是硅，玻璃，陶瓷，高分子聚合物的一种。
可选地，所述的嵌入式双面互连功率模块的封装结构，其特征在于，所述的IGBT功率芯片(1)也可以是硅基或碳化硅基的MOSFET芯片。
以下结合图3-9分别对所述嵌入式双面互连功率模块制作方法进行介绍。
步骤1，如图3所示，提供一中间转接板(5)，在中间转接板上制作矩形框架(501)和圆柱形通孔(502)。
步骤2，于所述中间转接板(5)的圆柱形通孔(502)内填充导电金属(9)。
步骤3，如图4所示，提供一下DBC基板(4)，通过钢网印刷的方式将焊料层(7)印刷在下DBC基板上侧的铜层(401)，并将IGBT功率芯片(1)和二极管芯片(2)贴装在焊料层(7)表面。
步骤4，如图5所示，于下DBC基板(4)的上铜层(401)焊接模块的正极端子(10a)。
步骤5，如图6所示，将所述中间转接板(5)粘结在所述下DBC板(4)上侧的铜层(401)，且每个IGBT功率芯片(1)和二极管芯片(2)均嵌入在所述中间转接板(5)上相应的矩形框架(501)内，每个芯片和框架之间均留有间隙(503)。
步骤6，如图7所示，于所述间隙(503)内及所述中间转接板(5)，所述IGBT功率芯片(1)和二极管芯片(2)的上表面制作介电填充层(6)。
步骤7，于所述中间转接板(5)及所述IGBT功率芯片(1)和二极管芯片(2)的上表面制作再布线层(8)，所述再布线层(8)嵌入在所述介电填充层(6)内。
步骤8，于所述再布线层(8)的上表面焊接模块的栅极端子(10b)，公共端子(10c)和负极端子(10d)，如图8所示。
步骤9，将所述再布线层(8)的上表面与上DBC基板(3)的下铜层(301)连接。完成嵌入式双面互连功率模块的封装，最终结构如图9所示。
优选地，所述的嵌入式双面互连功率模块的制作方法，其特征在于，每一个IGBT功率芯片(1)对应一个二极管芯片(2)，每个桥臂的芯片均并联在上下DBC基板上，上下桥臂之间串联，形成双面互连的半桥功率模块封装。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种嵌入式双面互连功率模块的封装结构，其特征在于：由IGBT功率芯片（1）、二极管芯片（2）、上DBC基板（3）、下DBC基板（4）、中间转接板（5）、介电填充层（6）、焊料层（7）、再布线层（8）、通孔导电金属（9）、正极端子（10a）、负极端子（10d）、栅极端子（10b）和公共端子（10c）组成；所述IGBT功率芯片（1）的正面有发射极（101）和栅极（102），背面有集电极（103）；所述二极管芯片（2）的正面有阴极（201），背面有阳极（202）；所述IGBT功率芯片（1）的集电极（103）和所述二极管芯片（2）的阳极（202）通过所述焊料层（7）和所述下DBC基板（4）的上铜层（401）连接，所述中间转接板（5）也和所述下DBC基板（4）的上铜层（401）连接，所述下DBC基板（4）的上铜层（401）连接有模块的正极端子（10a）；所述中间转接板（5）含有矩形框架（501）和圆柱形通孔（502），所述IGBT功率芯片（1）和所述二极管芯片（2）嵌入在所述矩形框架（501）内；所述IGBT功率芯片（1），二极管芯片（2）的上表面以及所述中间转接板（5）的上表面有再布线层（8）和介电填充层（6），所述再布线层（8）和所述介电填充层（6）与上DBC基板（3）的下铜层（301）连接，所述再布线层（8）与所述功率模块的栅极端子（10b）、公共端子（10c）以及负极端子（10d）连接。
2.根据权利要求1所述的嵌入式双面互连功率模块的封装结构，其特征在于，所述IGBT功率芯片（1）和所述框架（501）之间，所述二极管芯片（2）和所述框架（501）之间存在间隙（503）；所述间隙（503）内填充有介电填充层（6），所述圆柱形通孔（502）内填充有导电金属（9）。
3.根据权利要求1所述的嵌入式双面互连功率模块的封装结构，其特征在于，所述中间转接板（5）的材料是硅、玻璃、陶瓷或环氧树脂中的一种。
4.根据权利要求1所述的嵌入式双面互连功率模块的封装结构，其特征在于：所述的IGBT功率芯片是硅基或碳化硅基的MOSFET芯片。
5.一种嵌入式双面互连功率模块的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，提供一中间转接板（5），在中间转接板上制作矩形框架（501）和圆柱形通孔（502）；
步骤2，于所述中间转接板（5）的圆柱形通孔（502）内填充导电金属（9）；
步骤3，提供一下DBC基板（4），通过钢网印刷的方式将焊料层（7）印刷在下DBC基板上侧的上铜层（401），并将IGBT功率芯片（1）和二极管芯片（2）贴装在焊料层（7）表面；
步骤4，于下DBC基板（4）的上铜层（401）焊接模块的正极端子（10a）；
步骤5，将所述中间转接板（5）粘结在下DBC基板（4）上侧的上铜层（401），且每个IGBT功率芯片（1）和二极管芯片（2）均嵌入在所述中间转接板（5）上相应的矩形框架（501）内，每个芯片和框架之间均留有间隙（503）；
步骤6，于所述间隙（503）内及所述中间转接板（5），所述IGBT功率芯片（1）和二极管芯片（2）的上表面制作介电填充层（6）；
步骤7，于所述中间转接板（5）及所述IGBT功率芯片（1）和二极管芯片（2）的上表面制作再布线层（8），所述再布线层（8）嵌入在所述介电填充层（6）内；
步骤8，于所述再布线层（8）的上表面焊接模块的栅极端子（10b）、公共端子（10c）和负极端子（10d）；
步骤9，将所述再布线层（8）的上表面与上DBC基板（3）的下铜层（301）连接；完成嵌入式双面互连功率模块的封装。
6.根据权利要求5所述的嵌入式双面互连功率模块的制作方法，其特征在于，每一个IGBT功率芯片（1）对应一个二极管芯片（2），每个桥臂的芯片均并联在上下DBC基板上，上下桥臂之间串联，形成双面互连的半桥功率模块封装。
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