CN111696936A - 一种集成散热器的功率模块及其制作方法 - Google Patents

一种集成散热器的功率模块及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种集成散热器的功率模块及其制作方法，集成散热器的功率模块包括：芯片，用于布置芯片的DBC板（覆铜陶瓷基板），上表面设有铜区的散热器，以及将芯片、DBC封装到散热器的封装外壳。所述DBC板（覆铜陶瓷基板）通过焊接或烧结等方式与散热器上表面的铜区形成紧密的金属连接，从而整体形成一个集成散热器的功率模块。本发明能够解决现有功率模块散热效率低，安装难度大，连接可靠性差等技术问题。

Description

一种集成散热器的功率模块及其制作方法
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域，具体涉及一种集成散热器的功率模块及其制作方法。
背景技术
功率模块是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成一个模块，广泛应用于变频器、开关电源、交流电机等领域。一种典型的功率模块封装结构如附图1所示，功率模块100主要由芯片1、DBC板4(包括：正面覆铜层40，陶瓷绝缘层41及背面覆铜层42)、封装外壳5、端子6等几个部分组成。其中芯片1焊接在正面覆铜层40上，通过引线2键合实现芯片1和正面覆铜层40表面金属电路层的电气连接。端子6通过焊接与正面覆铜层40连接，将模块内部的电极引出，为外部电路提供连接接口。封装外壳5安装后，通常在其内部注入硅胶，以实现模块内部的电气绝缘，并保护元件免受外部环境干扰侵蚀。
功率模块通常会在高电流、高电压下进行频繁的开断，伴随会产生成大量的热，若不及时有效进行散热，模块安全性及性能寿命都大打折扣。目前的做法是连接体积较大的散热器进行散热。如附图2和附图3所示，功率模块100在安装时，通常在散热器8或模块DBC板4的背面印刷导热硅脂7，并通过螺钉9将功率模块100紧固在散热器8上。导热硅脂的导热系数一般是0.8-4W/(m·K)，是空气导热率的32-160倍，使用导热硅脂填充功率模块与散热器之间的空隙，一定程度上提高了导热效果。
但是相对于铜铝等基材200-400 W/(m·K)的热导率，导热硅脂仍是热的不良导体。同时为减少功率模块100与散热器8之间的接触热阻，导热硅脂7要尽可能均匀尽可能薄，这对安装印刷工艺提出了很高的要求。并且在实际应用过程中，随着工作时长增加及环境温度影响，导热硅脂7中的油脂会析出，硅脂老化变干，从而导致功率模块100与散热器8的接触界面存在空洞，接触热阻随之大幅度增加，散热性能变差，影响功率模块100正常工作。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成散热器的功率模块及其制作方法，解决现有功率模块散热效率低，安装难度大，与散热器连接可靠性差等技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种集成散热器的功率模块及其制作方法，集成散热器的功率模块包括：芯片，用于布置芯片的DBC板（覆铜陶瓷基板），上表面设有铜区的散热器，以及将芯片、DBC封装到散热器的封装外壳。所述DBC板（覆铜陶瓷基板）通过焊接或烧结等方式与散热器上表面的铜区形成紧密的金属连接，从而整体形成一个集成散热器的功率模块。
优选的所述上表面设有铜区的散热器可通过多种工艺制成，具体可为喷铜、嵌铜、镀铜，从而实现在铝制散热器上形成有一定厚度的铜区。
优选的所述上表面设有铜区的散热器，铜区面积比与之连接DBC背面覆铜层的面积大。
优选的，所述芯片通过焊接或烧结方式连接在所述正面覆铜层上，并通过引线实现所述芯片与所述正面覆铜层的互连。
优选的，所述端子一端连接至所述正面覆铜层上，另一端引出至封装外壳的外部，以提供与外部电路的接口，所述封装外壳固定于所述散热器的上表面。
优选的，所述封装外壳的内部填充有绝缘灌封胶，以实现所述功率模块内部的电气绝缘，并保护所述功率模块免受湿气和污染侵蚀。
本发明还另外具体提供了一种上述一种集成散热器的功率模块制作方法的技术实现方案，一种功率模块制作方法，包括以下步骤：
1)成型一上表面设有铜区的散热器；
2)将芯片及端子连接在DBC板的正面覆铜层；
3)通过引线实现所述芯片与正面覆铜层之间的互连；
4)将所述DBC板的背面覆铜层连接散热器上表面的铜区；
5)将封装外壳安装在所述散热器上；
6)在所述封装外壳的内部填充绝缘灌封胶，以实现所述功率模块内部的灌封保护。
优选的，通过焊接或烧结连接方式将所述芯片连接在所DBC板上。
优选的，通过引线键合方式实现上所述芯片与所述DBC板的正面覆铜层之间的互连。
优选的，通过焊接或烧结连接方式将所述DBC板的背面覆铜层连接在散热器的铜区。
优选的，通过密封胶将封装外壳安装在所述散热器上。
优选的，通过焊料焊接或超声焊接方式将所述端子的引脚端与所述DBC板的正面覆铜层连接。
通过实施上述本发明提供的一种集成散热器的功率模块及其制作方法，具有如下有益效果：
(1)本发明实现了功率模块与散热器的一体化，安装方便快捷，抵抗恶劣环境能力强，产品寿命及可靠性得到提升；
(2) 消除了传统功率模块与散热器之间接触的导热硅脂层，充分结合铜的快速导热与铝制散热器快速散热的特性，极大地降低了功率模块中芯片到散热器间的热阻，显著地提高了功率模块的散热效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
附图是用来提供本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有传统功率模块的结构示意图；
图2是现有传统功率模块的安装结构示意图；
图3是现有传统功率模块的安装结构立体示意图；
图4是本发明一种集成散热器的功率模块的结构示意图；
图5是本发明一种集成散热器的功率模块的制造方法流程图；
图6是本发明一种集成散热器的功率模块散热器示意图：
其中，附图标记为：1-芯片；2-引线；3-芯片焊层；4-DBC板（覆铜陶瓷基板）；5-封装外壳；6-端子；7-导热硅脂；8-散热器；9-螺钉；10-DBC板焊层；40-正面覆铜层；41-陶瓷绝缘层；42-背面覆铜层；80-铜区；100-功率模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如附图4、图6所示，一种集成散热器的功率模块的具体实施例，包括：芯片1，用于布置芯片的DBC板4（覆铜陶瓷基板），上表面设有铜区80的散热器8，以及将芯片1、DBC板4封装到散热器8的封装外壳5。所述DBC板4（覆铜陶瓷基板）包含正面覆铜层40、陶瓷绝缘层41和背面覆铜层42。芯片1与正面覆铜层40之间设置有芯片焊层3，芯片1进一步通过焊接或烧结方式连接在正面覆铜层40上，并通过引线2实现芯片1与正面覆铜层40的互连。背面覆铜层42与铜区80之间设置有DBC板焊层10，背面覆铜层42进一步通过焊接或烧结方式连接在铜区80上，形成紧密的金属连接，从而形成一个集成散热器的功率模块。与传统功率模块的结构相比，本发明通过成型一设有铜区的散热器，实现功率模块与散热器的一体化，导热性能及可靠性都大幅度提升。
端子6一端连接至正面覆铜层40上，另一端引出至封装外壳5的外部，以提供与外部电路的接口。封装外壳5的内部填充有绝缘灌封胶，以实现功率模块100内部的电气绝缘，并保护功率模块100免受湿气和污染侵蚀。
如附图5所示，本发明提供一种集成散热器的功率模块的制作方法，包括步骤：
1)通过可为喷铜，嵌铜、镀铜等工艺成型一上表面设有铜区80的散热器8；
2)通过焊接或烧结连接方式将芯片1及端子6连接在DBC板4的正面覆铜层40；
3)通过引线2键合方式实现所述芯片1与正面覆铜40之间的互连；
4)将所述DBC板4的背面覆铜42通过焊接或烧结的方式连接散热器8上表面的铜区80；
5)将封装外壳5安装在所述散热器8上；
6)在所述封装外壳5的内部填充绝缘灌封胶，以实现所述功率模块内部的灌封保护。
以上仅表达了本发明专利的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变更和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种集成散热器的功率模块包括：芯片（1），用于布置芯片（1）的DBC板（4）（覆铜陶瓷基板），上表面设有铜区（80）的散热器（8），以及将芯片（1）、DBC板（4）封装到散热器（8）的封装外壳（5）；所述DBC板（4）（覆铜陶瓷基板）通过焊接或烧结等方式与散热器（8）上表面的铜区（80）形成紧密的金属连接，从而整体形成一个集成散热器的功率模块。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：所述上表面设有铜区（80）的散热器（8）可通过多种工艺制成，具体可为喷铜，嵌铜、镀铜，从而实现在铝制散热器（8）上形成有一定厚度的铜区（80）。
3.根据权利要求1所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于：所述上表面设有铜区（80）的散热器（8），铜区（80）面积比与之连接DBC板（4）的背面覆铜层（42）的面积大，从而实现较大的接触面积。
4.根据权利要求1所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于：所述芯片（1）通过焊接或烧结方式连接在所述正面覆铜层（40）上，并通过引线（2）实现所述芯片（1）与所述正面覆铜（40）的互连。
5.根据权利要求1所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于：所述端子（6）一端连接至所述正面覆铜层（40）上，另一端引出至封装外壳（5）的外部，以提供与外部电路的接口，所述封装外壳（5）固定于所述散热器（8）的上表面。
6.根据权利要求1所述的一种集成散热器的功率模块，其特征在于：所述封装外壳（5）的内部填充有绝缘灌封胶，以实现所述功率模块内部的电气绝缘，并保护所述功率模块（100）免受湿气和污染侵蚀。
7.一种集成散热器的功率模块制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)成型一上表面设有铜区（80）的散热器8；
2)将芯片（1）及端子（6）连接在DBC板（4）的正面覆铜层（40）；
3)通过引线（2）实现所述芯片（1）与正面覆铜层（40）之间的互连；
4)将所述DBC板（4）的背面覆铜层（42）连接散热器（8）上表面的铜区（80）；
5)将封装外壳（5）安装在所述散热器（8）上；
6)在所述封装外壳的（5）内部填充绝缘灌封胶，以实现所述功率模块（100）内部的灌封保护。
8.根据权利要求7所述的一种集成散热器的功率模块制作方法，其特征在于：通过焊接或烧结连接方式将所述DBC板（4）的背面覆铜层（42）连接在散热（8）器的铜区（80）。
9.根据权利要求7所述的一种集成散热器的功率模块制作方法，其特征在于：通过焊接或烧结连接方式将所述芯片（1）连接在所述DBC板（4）上。
10.根据权利要求7所述的一种集成散热器的功率模块制作方法，其特征在于：通过引线（2）键合方式实现上所述芯片（1）与所述DBC板（4）的正面覆铜层（40）之间的互连。
11.根据权利要求7所述的一种集成散热器的功率模块制作方法，其特征在于：通过焊料焊接或超声焊接方式将所述端子（6）的引脚端与所述DBC板（4）的正面覆铜层（40）连接。
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