CN111293093B - 一种智能功率模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能功率模块及其制备方法，该方法包括以下步骤：将功率元件临时固定在所述第一载板上，在所述功率元件的第二表面形成一凹陷腔体，同时在所述凹陷腔体的底部形成多个第一凸起，在所述功率元件的所述第二表面上沉积导热绝缘层，在所述凹陷腔体中设置层叠散热体，并使得所述第一凸起嵌入到所述层叠散热体中，接着将散热器设置于所述功率元件的所述第二表面上，使得多个第二凸起嵌入到所述导热硅胶层中，在所述散热器上固定粘结所述第三载板，并去除所述第一载板，将所述功率元件倒装安装在电路布线图案上，接着去除所述第三载板，接着在所述散热基底上形成模塑层。
Description
技术领域
本发明涉及功率模块技术领域，特别是涉及一种智能功率模块及其制备方法。
背景技术
智能功率模块，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类半导体功率器件封装。智能功率模块在使用过程中会释放大量的热量，进而使得智能功率模块迅速升温，温度升高容易导致智能功率模块损坏。因此，如何对智能功率模块进行快速散热是相关技术人员一直关注的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种智能功率模块及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种智能功率模块的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一第一载板，并提供功率元件，所述功率元件具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面具有功能区域，多个焊垫设置于所述功率元件的所述第一表面上且围绕所述功能区域，将所述功率元件临时固定在所述第一载板上，所述功率元件的所述第一表面朝向所述第一基板；
2)接着在所述功率元件的第二表面形成一凹陷腔体，同时在所述凹陷腔体的底部形成多个第一凸起，所述凹陷腔体在垂直方向上与所述功能核心区域相重叠；
3)接着在所述功率元件的所述第二表面上沉积导热绝缘层，所述导热绝缘层覆盖所述凹陷腔体的底面、所述凹陷腔体的侧壁以及所述功率元件的所述第二表面；
4)接着提供一第二载板，在所述载板上依次形成导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层，以得到层叠散热体，剥离并剪裁该层叠散热体，以备用；
5)接着在所述凹陷腔体中设置剪裁后的层叠散热体，并通过热压合工艺使得所述凹陷腔体底部的多个所述第一凸起嵌入到所述层叠散热体中，且所述层叠散热体的厚度与所述第一凸起的高度的比值为4-6；
6)提供一散热器，所述散热器的底面具有多个第二凸起，接着将所述散热器设置于所述功率元件的所述第二表面上，使得多个所述第二凸起嵌入到所述层叠散热体中，且所述层叠散热体的厚度与所述第二凸起的高度的比值为2-4；
7)提供一第三载板，接着在所述散热器上固定粘结所述第三载板，接着去除所述第一载板；
8)提供一散热基底，接着在所述散热基底上形成绝缘层，接着在所述绝缘层上形成电路布线图案，接着将所述功率元件倒装安装在所述电路布线图案上，接着去除所述第三载板，接着在所述散热基底上形成模塑层，所述模塑层完全包裹所述功率元件，且所述模塑层暴露所述散热器的顶面。
作为优选，在所述步骤1)中，所述功率元件通过粘结层临时固定在所述第一载板上，所述粘结层可以加热软化而易于剥离。
作为优选，在所述步骤2)中，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述凹陷腔体和所述第一凸起。
作为优选，在所述步骤3)中，所述导热绝缘层的材料为氧化铝、氮化铝、碳化硅中的一种，通过ALD法或CVD法形成所述导热绝缘层，所述导热绝缘层的厚度为100-400纳米。
作为优选，在所述步骤4)中，所述层叠散热体的厚度为200-500微米
作为优选，在所述步骤6)中，所述散热器的材料为铜或铝，所述散热器的底面的多个所述第二凸起是通过刻蚀工艺或切割工艺形成的。
作为优选，在所述步骤8)中，通过在所述电路布线图案上设置焊料，进而将所述半导体功率芯片的所述焊垫通过所述焊料与所述电路布线图案电连接，所述模塑层的材料为环氧树脂。
本发明还提出一种智能功率模块，其采用上述方法制备形成的。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
本发明的智能功率模块的制备过程中，通过首先在功率芯片的第二表面形成凹陷腔体，并在所述凹陷腔体中设置层叠散热体，所述层叠散热体包括依次层叠的导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层，与常规的导热硅胶层相比，其具有优异的导热性能。所述凹陷腔体的底部的多个第一凸起嵌入到所述层叠散热体中，且散热器的底面的多个第二凸起也嵌入到所述层叠散热体中，通过优化所述层叠散热体的厚度与所述第一凸起的高度的比值为4-6以及所述层叠散热体的厚度与所述第二凸起的高度的比值为2-4，上述结构的设置，一方面可以使得功率芯片的功能区域在工作过程中散发出的热量可以通过第一凸起、层叠散热体、第二凸起和散热器这个路径将快速传导，大大提高了智能功率模块的散热效率，有效避免了功率模块自身温度过高，进而有效增长了功率模块的使用寿命，另一方面由于层叠散热体的存在，可以避免散热器的凸起直接接触凹腔的底面，具有减震效果，降低在散热器安装过程中或使用过程中造成功率芯片损坏的风险。
附图说明
图1为本发明的智能功率模块的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出的一种智能功率模块的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一第一载板，并提供功率元件，所述功率元件具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面具有功能区域，多个焊垫设置于所述功率元件的所述第一表面上且围绕所述功能区域，将所述功率元件临时固定在所述第一载板上，所述功率元件的所述第一表面朝向所述第一基板，所述功率元件通过粘结层临时固定在所述第一载板上，所述第一载板为透明基板，具体的可以为玻璃或透明塑料板，所述粘结层可以加热软化而易于剥离，以便于后期第一载板的剥离。
2)接着在所述功率元件的第二表面形成一凹陷腔体，同时在所述凹陷腔体的底部形成多个第一凸起，所述凹陷腔体在垂直方向上与所述功能核心区域相重叠，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述凹陷腔体和所述第一凸起。更为具体的，在所述功率元件的第二表面上形成光刻胶，通过曝光显影工艺在所述光刻胶层上形成开口，接着以所述光刻胶层为掩膜对所述功率芯片的第二表面进行刻蚀，刻蚀的具体工艺为湿法刻蚀或激光烧蚀工艺，所述凹陷腔体的底面可以稍大于所述功能区域，所述凹陷腔体的深度为200-500微米，具体的可以为200微米、300微米、400微米或500微米，所述凹陷腔体的底面至所述功能核心区域的厚度为100-200微米，具体的可以为100微米、150微米、200微米，上述厚度的设置可以便于功能核心区域工作时产生的热量快速传递到凹陷腔体，进而通过散热器散发出来，同时上述厚度的设置可以确保在形成凹陷腔体的过程中不会损坏功能核心区域，多个所述第一凸起呈阵列排布，所述第一凸起具体为圆柱形凸起，所述圆柱形凸起的直径为300-800纳米，相邻所述第一凸起的间距为1-2微米，上述尺寸第一凸起的设置可以方便其嵌入到层叠散热体中。
3)接着在所述功率元件的所述第二表面上沉积导热绝缘层，所述导热绝缘层覆盖所述凹陷腔体的底面、所述凹陷腔体的侧壁以及所述功率元件的所述第二表面，所述导热绝缘层的材料为氧化铝、氮化铝、碳化硅中的一种，通过ALD法或CVD法形成所述导热绝缘层，所述导热绝缘层的厚度为100-400纳米，具体为100纳米、200纳米、300纳米或400纳米，绝缘层的存在充分钝化所述功率元件的第二表面，防止杂质离子通过所述功率元件的第二表面入侵所述功能区域，进而防止其性能下降。
4)接着提供一第二载板，在所述载板上依次形成导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层，以得到层叠散热体，剥离并剪裁该层叠散热体，以备用，所述层叠散热体的厚度为200-500微米，具体的可以为200微米、300微米、400微米或500微米，以确保所述层叠散热体完全嵌入到所述凹陷腔体中；其中，通过在所述载板上依次喷涂热硅胶层、CVD法生长石墨烯层或者湿法转移石墨烯层、喷涂导热硅胶层、CVD法生长石墨烯层或者湿法转移石墨烯层、喷涂导热硅胶层，以得到层叠散热体，且所述导热硅胶中具有散热填料，所述散热填料氧化铝颗粒或氮化铝颗粒，通过上述方法形成的层叠散热体具体优异的散热性能。
5)接着在所述凹陷腔体中设置剪裁后的层叠散热体，并通过热压合工艺使得所述凹陷腔体底部的多个所述第一凸起嵌入到所述层叠散热体中，且所述层叠散热体的厚度与所述第一凸起的高度的比值为4-6。
6)提供一散热器，所述散热器的底面具有多个第二凸起，接着将所述散热器设置于所述功率元件的所述第二表面上，使得多个所述第二凸起嵌入到所述层叠散热体中，且所述层叠散热体的厚度与所述第二凸起的高度的比值为2-4，所述散热器的材料为铜或铝，所述散热器的底面的多个所述第二凸起是通过刻蚀工艺或切割工艺形成的，在形成所述第二凸起时，要确保所述第二凸起的高度适宜，所述第二凸起过高，则在安装所述散热器时，所述第二凸起容易碰触所述第一凸起，进而损坏所述第一凸起，还可能损坏功率元件，而所述第二凸起过低，则在使用过程，功率元件的功能区域在工作过程中散发出的热量不易快速传出。
7)提供一第三载板，接着在所述散热器上固定粘结所述第三载板，接着去除所述第一载板，具体工艺为：在所述第三载板上旋涂涂布方法形成粘结层，该粘结层为可剥离式粘结层，接着利用加热所述第一载板表面的粘结层，使得其软化，进而剥离所述第一载板。
8)提供一散热基底，接着在所述散热基底上形成绝缘层，所述绝缘层为氧化铝、氧化硅或氮化硅中的一种或多种，接着在所述绝缘层上形成电路布线图案，具体为：先形成金属层，金属层的材质为铜或铝，通过热蒸镀或电子束蒸发的方式形成所述金属层，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述电路布线图案，接着将所述功率元件倒装安装在所述电路布线图案上，接着去除所述第三载板，接着在所述散热基底上形成模塑层，所述模塑层完全包裹所述功率元件，且所述模塑层暴露所述散热器的顶面，具体的，通过在所述电路布线图案上设置焊料，进而将所述半导体功率芯片的所述焊垫通过所述焊料与所述电路布线图案电连接，接着加热所述第三载板表面的粘结层，使得其软化，进而剥离所述第三载板，接着通过注塑工艺形成所述模塑层，所述模塑层的材料为环氧树脂。
本发明还提出一种半导体功率模块，其采用上述方法制备形成的。如图1所示，所述半导体功率模块包括散热基底1，在所述散热基底1上形成绝缘层2，在所述绝缘层2上形成电路布线图案3，功率元件4倒装安装在所述电路布线图案3上，所述功率元件4具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面具有功能核心区域41，多个焊垫42设置于所述功率元件4的所述第一表面上且围绕所述功能核心区域41，在所述第二表面上具有凹陷腔体43，在所述凹陷腔体43的底部设置有多个第一凸起44，在所述凹陷腔体43中设置层叠散热体5，所述第一凸起44嵌入到所述层叠散热体5中，散热器6设置于所述功率元件4的所述第二表面上，使得所述散热器6的多个第二凸起61嵌入到所述导热硅胶层5中，所述功率元件4的个数可以为一个或多个，利用模塑层7封装保护上述各部件。本发明的智能功率模块中，通过首先在功率芯片的第二表面形成凹陷腔体，并在所述凹陷腔体中设置层叠散热体，所述层叠散热体包括依次层叠的导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层，与常规的导热硅胶层相比，其具有优异的导热性能。所述凹陷腔体的底部的多个第一凸起嵌入到所述层叠散热体中，且散热器的底面的多个第二凸起也嵌入到所述层叠散热体中，通过优化所述层叠散热体的厚度与所述第一凸起的高度的比值为4-6以及所述层叠散热体的厚度与所述第二凸起的高度的比值为2-4，上述结构的设置，一方面可以使得功率芯片的功能区域在工作过程中散发出的热量可以通过第一凸起、层叠散热体、第二凸起和散热器这个路径将快速传导，大大提高了智能功率模块的散热效率，有效避免了功率模块自身温度过高，进而有效增长了功率模块的使用寿命，另一方面由于层叠散热体的存在，可以避免散热器的凸起直接接触凹腔的底面，具有减震效果，降低在散热器安装过程中或使用过程中造成功率芯片损坏的风险。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种智能功率模块的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)提供一第一载板，并提供功率元件，所述功率元件具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面具有功能区域，多个焊垫设置于所述功率元件的所述第一表面上且围绕所述功能区域，将所述功率元件临时固定在所述第一载板上，所述功率元件的所述第一表面朝向所述第一载板；
2)接着在所述功率元件的第二表面形成一凹陷腔体，同时在所述凹陷腔体的底部形成多个第一凸起，所述凹陷腔体在垂直方向上与所述功能区域相重叠；
3)接着在所述功率元件的所述第二表面上沉积导热绝缘层，所述导热绝缘层覆盖所述凹陷腔体的底面、所述凹陷腔体的侧壁以及所述功率元件的所述第二表面；
4)接着提供一第二载板，在所述载板上依次形成导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层、石墨烯层、导热硅胶层，以得到层叠散热体，剥离并剪裁该层叠散热体，以备用；
5)接着在所述凹陷腔体中设置剪裁后的层叠散热体，并通过热压合工艺使得所述凹陷腔体底部的多个所述第一凸起嵌入到所述层叠散热体中，且所述层叠散热体的厚度与所述第一凸起的高度的比值为4-6；
6)提供一散热器，所述散热器的底面具有多个第二凸起，接着将所述散热器设置于所述功率元件的所述第二表面上，使得多个所述第二凸起嵌入到所述层叠散热体中，且所述层叠散热体的厚度与所述第二凸起的高度的比值为2-4；
7)提供一第三载板，接着在所述散热器上固定粘结所述第三载板，接着去除所述第一载板；
8)提供一散热基底，接着在所述散热基底上形成绝缘层，接着在所述绝缘层上形成电路布线图案，接着将所述功率元件倒装安装在所述电路布线图案上，接着去除所述第三载板，接着在所述散热基底上形成模塑层，所述模塑层完全包裹所述功率元件，且所述模塑层暴露所述散热器的顶面；
其中，所述功率元件的所述功能区域在工作过程中散发出的热量通过第一凸起、层叠散热体、第二凸起和散热器传导。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤1)中，所述功率元件通过粘结层临时固定在所述第一载板上，所述粘结层可以加热软化而易于剥离。
3.根据权利要求1所述的智能功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤2)中，通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成所述凹陷腔体和所述第一凸起。
4.根据权利要求1所述的智能功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤3)中，所述导热绝缘层的材料为氧化铝、氮化铝、碳化硅中的一种，通过ALD法或CVD法形成所述导热绝缘层，所述导热绝缘层的厚度为100-400纳米。
5.根据权利要求1所述的智能功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤4)中，所述层叠散热体的厚度为200-500微米
6.根据权利要求1所述的智能功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤6)中，所述散热器的材料为铜或铝，所述散热器的底面的多个所述第二凸起是通过刻蚀工艺或切割工艺形成的。
7.根据权利要求1所述的智能功率模块的制备方法，其特征在于：在所述步骤8)中，通过在所述电路布线图案上设置焊料，进而将所述功率元件 的所述焊垫通过所述焊料与所述电路布线图案电连接，所述模塑层的材料为环氧树脂。
8.一种智能功率模块，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的。
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