CN111584443A - 双面散热功率模块及其双面平行度的控制方法 - Google Patents

双面散热功率模块及其双面平行度的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种双面散热功率模块及其双面平行度的控制方法，功率模块包括：第一基板、第二基板、位于第一基板和第二基板之间的芯片，及连接于第一基板或第二基板的功率端子及控制端子，芯片键合实现电气连接，第一基板及第二基板背离芯片的一面分别贴合设有弹性绝缘导热层，两层弹性绝缘导热层背离芯片的一面相互平行。弹性绝缘导热层在机械压力下可以适当变形，从而弥补加工过程中导致的第一基板及第二基板外表面间的相互不平行，从而避免模块表面残余塑封料，也便于控制模板整体厚度；另外，弹性绝缘导热层还能够有效隔绝电压。

Description

双面散热功率模块及其双面平行度的控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种双面散热功率模块及其双面平行度的控制方法。
背景技术
功率半导体模块是将多个半导体芯片按照一定功能、模式组合再灌封成一体的器件，其主要应用于电力电子系统功率回路。传统的功率半导体模块包括IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、功率MOSFFT（场效应晶体管）、晶闸管以及功率二极管等。
目前，IGBT模块的结构为：在芯片下表面连接在一DBC基板上，再将贴有芯片的DBC基板与散热底板进行连接，连接方式为压接或焊接等，上表面金属化的芯片采用键合线键接的方式实现电气连接。DBC基板即保证了良好导热性能，同时还能够使功率器件与模块底板之间实现电气绝缘。芯片上表面采用硅凝胶覆盖，基本没有散热能力，只有靠芯片下表面的DBC基板和底板进行散热，但底板散热能力有限，使得整个模块散热能力有限，热阻较大，进而影响模块的使用寿命。
授权公告号为CN209592033U的中国实用新型公开了功率半导体模块及车辆，该模块包括功率半导体芯片和分别连接在该功率半导体芯片两侧的第一散热基板和第二散热基板，第一散热基板和第二散热基板分别包括第一铜皮层、第二铜皮层以及位于第一铜皮层和第二铜皮层之间的树脂层。通过在功率半导体芯片的两侧设置第一散热基板和第二散热基板以实现对功率半导体芯片的上面散热。上述技术方案中，第二散热基板和第一散热基板均为覆铜树脂基板，即第一铜皮层、第二铜皮层及树脂层为一整体，即代替了原有的基板，因此，其加工过程中，无法保证其两侧的平整度，很难保证模块上下面平行，导致封塑后模块表面有残余塑封料，同时也不容易控制模块的整体厚度。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的之一提供了一种双面散热功率模块，其在提高散热性能的同时能够很好地提高功率模块双面的平行度和整体厚度。
本发明提供的双面散热功率模块，包括：第一基板、第二基板、位于第一基板和第二基板之间的芯片，及连接于所述第一基板或第二基板的功率端子及控制端子，所述芯片键合实现电气连接，所述第一基板及第二基板背离芯片的一面分别贴合设有弹性绝缘导热层，两层所述弹性绝缘导热层背离芯片的一面相互平行。
通过采用上述技术方案，弹性绝缘导热层在机械压力下可以适当变形，从而弥补加工过程中导致的第一基板及第二基板外表面间的相互不平行，从而避免模块表面残余塑封料，也便于控制模板整体厚度；另外，弹性绝缘导热层还能够有效隔绝电压。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：通过填充材料封装填充，两层所述弹性绝缘导热层背离芯片的一面延伸出所述填充材料的外表面。
通过采用上述技术方案，减小模块厚度，同时提高散热性能。
本发明提供的双面散热功率模块，包括：第一基板、第二基板、位于第一基板和第二基板之间的芯片，及连接于所述第一基板或第二基板的功率端子及控制端子，所述芯片键合实现电气连接，所述第一基板及第二基板背离芯片的一面分别贴合设有弹性绝缘导热层，两层所述弹性绝缘导热层背离芯片的一面分别贴合设有外层导热板，两层所述外层导热板背离芯片的一面相互平行。
通过采用上述技术方案，弹性绝缘导热层在机械压力下可以适当变形，从而弥补加工过程中导致的第一基板及第二基板外表面间的相互不平行，从而避免外层导热板表面残余塑封料，也便于控制模板整体厚度；另外，弹性绝缘导热层能够有效隔绝电压，外层导热板能够提高散热性能。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：通过填充材料封装填充，两层所述外层导热板背离芯片的一面延伸出所述填充材料的外表面。
通过采用上述技术方案，减小模块厚度，同时提高散热性能。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述外层导热板为金属板或陶瓷板。
通过采用上述技术方案，提高了模块整体的散热性能。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述弹性绝缘导热层为环氧树脂绝缘导热层。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一基板设有第一电路层，所述芯片焊接于所述第一电路层对应位置。
通过采用上述技术方案，实现了芯片与第一基板的电气连接。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第二基板设有第二电路层，另外设有金属垫片，所述芯片和/或所述第一电路层通过所述金属垫片与所述第二电路层的相应端口连接。
通过采用上述技术方案，实现了芯片与第二基板、第一基板与第二基板间的电气连接，提高了键合的稳定性。
本发明目的之二在于提供一种双面散热功率模块双面平行度的控制方法，其在提高散热性能的同时能够很好地提高功率模块双面的平行度和整体厚度。
本发明提供的双面散热功率模块双面平行度的控制方法，包括以下步骤：
S1：依次叠合弹性绝缘导热层、第一基板、芯片、第二基板，通过金属垫片连接芯片、第二基板和/或连接第一基板、第二基板，再于第二基板上叠合弹性绝缘导热层；
S2：置于模具并压合上下模，使两层弹性绝缘导热层形变至其背离芯片的一面均贴合模具，且相互平行；
S3：注入填充材料，封装填充。
通过采用上述技术方案，弹性绝缘导热层在机械压力下可以适当变形，从而弥补加工过程中导致的第一基板及第二基板外表面间的相互不平行，从而避免模块表面残余塑封料，也便于控制模板整体厚度；另外，弹性绝缘导热层还能够有效隔绝电压。
本发明提供的双面散热功率模块双面平行度的控制方法，包括以下步骤：
S1：依次叠合外层导热板、弹性绝缘导热层、第一基板、芯片、第二基板，通过金属垫片连接芯片、第二基板和/或连接第一基板、第二基板，再于第二基板上依次叠合弹性绝缘导热层及外层导热板；
S2：置于模具并压合上下模，使两层弹性绝缘导热层形变至外层导热板背离芯片的一面均贴合模具，且使外层导热板背离芯片的一面相互平行；
S3：注入填充材料，封装填充。
通过采用上述技术方案，弹性绝缘导热层在机械压力下可以适当变形，从而弥补加工过程中导致的第一基板及第二基板外表面间的相互不平行，从而避免外层导热板表面残余塑封料，也便于控制模板整体厚度；另外，弹性绝缘导热层能够有效隔绝电压，外层导热板能够提高散热性能。
综上，本发明提供的双面散热功率模块及其双面平行度的控制方法包括以下至少一种有益技术效果：
通过弹性绝缘导热层在机械压力下可以适当变形，从而弥补加工过程中导致的第一基板及第二基板外表面间的相互不平行，从而避免模块表面残余塑封料，也便于控制模板整体厚度。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的双面散热功率模块的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的双面散热功率模块的层结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的双面散热功率模块的结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的双面散热功率模块的层结构示意图。
图中，11、第一基板；12、第二基板；2、芯片；3、金属垫片；4、弹性绝缘导热层；5、外层导热板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1披露的双面散热功率模块如图1和图2所示，包括：
第一基板11，设有第一电路层；
芯片2（功率半导体芯片），通过导电层焊接于第一基板11的第一电路层对应位置；在本发明此实施方式中，芯片2包括IGBT芯片（绝缘栅双极型晶体管）和FRD芯片（快速恢复二极管），通过特定的电路连接在第一电路层和第二电路层之间，以实现特定的功能；
第二基板12，设有第二电路层；
金属垫片3，芯片2和/或第一电路层通过金属垫片3与第二电路层的相应端口连接，从而实现芯片2的电气连接，芯片2和/或第一电路层通过导电层与金属垫片3焊接，金属垫片3通过导电层与第二电路层焊接；第一导电层、第二电路层及金属垫片3作为电气连接部件完成芯片2和其他器件的电连接；
功率端子及控制端子，功率端子包括输入端和输出端，输入端输入直流段，利用该功率半导体模块内的功率半导体芯片的逆变功能进行电流的逆变，并经叔叔端输出交流电，功率端子连接至第一基板11的第一电路层；控制端子可以作为信号输出端用于对功率半导体芯片上的电流或温度等进行检测，以保证功率半导体芯片的正常工作。该控制端子还可以作为门极信号端用于输入电压信号，从而实现对该功率半导体模块的导通或关闭的控制。
发明实施例1披露的双面散热功率模块还包括弹性绝缘导热层4，弹性绝缘导热层4贴合于第一基板11及第二基板12背离芯片2的一面，用于对功率半导体芯片进行散热。在本发明此实施方式中，弹性绝缘导热层4为环氧树脂绝缘导热层或其他绝缘高分子材料，因此，弹性绝缘导热层4在机械压力下可以适当变形，从而弥补加工过程中导致的第一基板11及第二基板12外表面间的相互不平行，另外，在机械压力下，同时也可以使两层弹性绝缘导热层4背离芯片2的一面相互平行。
本发明还披露了上述双面散热功率模块双面平行度的控制方法，包括以下步骤：
S1：依次叠合弹性绝缘导热层4、第一基板11、芯片2、第二基板12，芯片2和/或第一电路层通过导电层与金属垫片3焊接，金属垫片3通过导电层与第二电路层焊接，从而通过金属垫片3连接芯片2、第二基板12和/或连接第一基板11、第二基板12；再于第二基板12上叠合弹性绝缘导热层4；
S2：将上述键合后的电器元件置于模具并压合上下模，使两层弹性绝缘导热层4形变至其背离芯片2的一面均贴合模具，且相互平行；
S3：注入填充材料，封装填充，使两层弹性绝缘导热层4背离芯片2的一面延伸出所述填充材料的外表面，在本发明此实施方式中，填充材料可以硅胶和/或环氧树脂等田传给你材料。
实施例2
本发明实施例2披露的双面散热功率模块与实施例1中基本相同，其不同之处在于，如图3和图4所示，还包括外层导热板5，外层导热板5贴合于弹性绝缘导热层4背离芯片2的一面，在本发明此实施方式中，外层导热板5可以是导热能力佳的铜板、铝板等金属板或者陶瓷板，以提高散热性能。
在本发明此实施方式中，弹性绝缘导热层4为环氧树脂绝缘导热层或其他绝缘高分子材料，因此，弹性绝缘导热层4在机械压力下可以适当变形，从而弥补加工过程中导致的第一基板11及第二基板12外表面间的相互不平行，另外，在机械压力下，同时也可以使两层外层导热板5背离芯片2的一面相互平行。
本发明还披露了上述双面散热功率模块双面平行度的控制方法，包括以下步骤：
S1：依次叠合外层导热板5、弹性绝缘导热层4、第一基板11、芯片2、第二基板12，通过金属垫片3连接芯片2、第二基板12和/或连接第一基板11、第二基板12，再于第二基板12上依次叠合弹性绝缘导热层4及外层导热板5；
S2：置于模具并压合上下模，使两层弹性绝缘导热层4形变至外层导热板5背离芯片2的一面均贴合模具，且使外层导热板5背离芯片2的一面相互平行；
S3：注入填充材料，封装填充，使两层外层导热板5背离芯片2的一面延伸出所述填充材料的外表面，在本发明此实施方式中，填充材料可以硅胶和/或环氧树脂等田传给你材料。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.双面散热功率模块，其特征在于，包括：第一基板（11）、第二基板（12）、位于第一基板（11）和第二基板（12）之间的芯片（2），及连接于所述第一基板（11）或第二基板（12）的功率端子及控制端子，所述芯片（2）键合实现电气连接，所述第一基板（11）及第二基板（12）背离芯片（2）的一面分别贴合设有弹性绝缘导热层（4），两层所述弹性绝缘导热层（4）背离芯片（2）的一面相互平行。
2.根据权利要求1所述的双面散热功率模块，其特征在于，通过填充材料封装填充，两层所述弹性绝缘导热层（4）背离芯片（2）的一面延伸出所述填充材料的外表面。
3.双面散热功率模块，其特征在于，包括：第一基板（11）、第二基板（12）、位于第一基板（11）和第二基板（12）之间的芯片（2），及连接于所述第一基板（11）或第二基板（12）的功率端子及控制端子，所述芯片（2）键合实现电气连接，所述第一基板（11）及第二基板（12）背离芯片（2）的一面分别贴合设有弹性绝缘导热层（4），两层所述弹性绝缘导热层（4）背离芯片（2）的一面分别贴合设有外层导热板（5），两层所述外层导热板（5）背离芯片（2）的一面相互平行。
4.根据权利要求3所述的双面散热功率模块，其特征在于，通过填充材料封装填充，两层所述外层导热板（5）背离芯片（2）的一面延伸出所述填充材料的外表面。
5.根据权利3所述的双面散热功率模块，其特征在于，所述外层导热板（5）为金属板或陶瓷板。
6.根据权利1至5中任一所述的双面散热功率模块，其特征在于，所述弹性绝缘导热层（4）为环氧树脂绝缘导热层。
7.根据权利1至5中任一所述的双面散热功率模块，其特征在于，所述第一基板（11）设有第一电路层，所述芯片（2）焊接于所述第一电路层对应位置。
8.根据权利7所述的双面散热功率模块，其特征在于，所述第二基板（12）设有第二电路层，另外设有金属垫片（3），所述芯片（2）和/或所述第一电路层通过所述金属垫片（3）与所述第二电路层的相应端口连接。
9.权利要求2或8所述的双面散热功率模块双面平行度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：依次叠合弹性绝缘导热层（4）、第一基板（11）、芯片（2）、第二基板（12），通过金属垫片（3）连接芯片（2）、第二基板（12）和/或连接第一基板（11）、第二基板（12），再于第二基板（12）上叠合弹性绝缘导热层（4）；
S2：置于模具并压合上下模，使两层弹性绝缘导热层（4）形变至其背离芯片（2）的一面均贴合模具，且相互平行；
S3：注入填充材料，封装填充。
10.权利要求4或8所述的双面散热功率模块双面平行度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：依次叠合外层导热板（5）、弹性绝缘导热层（4）、第一基板（11）、芯片（2）、第二基板（12），通过金属垫片（3）连接芯片（2）、第二基板（12）和/或连接第一基板（11）、第二基板（12），再于第二基板（12）上依次叠合弹性绝缘导热层（4）及外层导热板（5）；
S2：置于模具并压合上下模，使两层弹性绝缘导热层（4）形变至外层导热板（5）背离芯片（2）的一面均贴合模具，且使外层导热板（5）背离芯片（2）的一面相互平行；
S3：注入填充材料，封装填充。
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