CN112259513B - 一种双面散热功率模块及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双面散热功率模块及其封装方法，包括功率芯片、上衬板、下衬板和垫块组件，所述功率芯片的一侧通过第一连接层与所述下衬板相连，所述功率芯片的另一侧通过第二连接层与所述垫块组件的一端相连，所述垫块组件的另一端通过第三连接层与所述上衬板相连，所述垫块组件包括第一垫块和第二垫块，所述第一垫块的一端通过第二连接层与功率芯片相连，所述第一垫块的另一端与所述第二垫块的一端可拆卸连接，所述第二垫块的另一端通过第三连接层与所述上衬板相连。本发明具有降低工艺难度、方便连接、保证导热能力且降低成本等优点。

Description

一种双面散热功率模块及其封装方法
技术领域
本发明主要涉及功率半导体器件技术领域，具体涉及一种双面散热功率模块及其封装方法。
背景技术
一般的双面散热功率模块使用一体成形的铜块作为垫块来完成导热和导电功能，如图1所示。双面散热功率模块一般需要进行三次连接工艺，第一次是将功率芯片3通过第一连接层2连接到下衬板1上；第二次是将垫块10的一端通过第二连接层4连接到功率芯片3上，如图2所示；第三次是将上衬板8通过第三连接层7连接到垫块10的另一端上，如图3所示。此工艺过程中，存在以下问题：
1、因为目前的工艺需要从上衬板和下衬板两侧同时进行加热连接，在进行上衬板8与垫块10连接时，由于下衬板1加热需要经过功率芯片3以及垫块10的传导，传导部件多，从而导致连接的温度不够，从而使得第三次连接的工艺过程实现难度大，易出现连接质量较低的情况。
2、因需要进行三次高温过程，极大的增加了各衬板的翘曲量，增加了转模工艺过程中溢胶的风险。
3、在进行第三次连接过程中，为了克服前两次高温连接过程导致的衬板翘曲以及衬板、功率芯片3和垫块10本身的加工公差，通常采用增加各连接层厚度，以弥补公差，而各连接层厚度增加以后，一方面增加了材料成本，同时也降低了器件的热性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种降低工艺难度、方便连接且降低成本的双面散热功率模块及其封装方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种双面散热功率模块，包括功率芯片、上衬板、下衬板和垫块组件，所述功率芯片的一侧通过第一连接层与所述下衬板相连，所述功率芯片的另一侧通过第二连接层与所述垫块组件的一端相连，所述垫块组件的另一端通过第三连接层与所述上衬板相连，所述垫块组件包括第一垫块和第二垫块，所述第一垫块的一端通过第二连接层与功率芯片相连，所述第一垫块的另一端与所述第二垫块的一端可拆卸连接，所述第二垫块的另一端通过第三连接层与所述上衬板相连。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述第一垫块的另一端与所述第二垫块的一端通过榫卯结构可拆卸连接。
所述第一垫块的另一端设置有凸块，所述第二垫块的另一端设有与所述凸块相匹配的凹槽，所述凸块与所述凹槽形成榫卯结构，所述凸块位于所述凹槽内；或者所述第二垫块的一端设置有凸块，所述第一垫块的另一端设有与所述凸块相匹配的凹槽，所述凸块与所述凹槽形成榫卯结构，所述凸块位于所述凹槽内。
所述凸块的一侧向外延伸形成限位挡块，所述凹槽上设有与所述限位挡块相匹配的限位槽，所述凸块位于所述凹槽内时，所述限位挡块位于所述限位槽内；或者所述凹槽的一侧向外延伸形成限位挡块，所述凸块上设有与所述限位挡块相匹配的限位槽，所述凸块位于所述凹槽内时，所述限位挡块位于所述限位槽内。
所述凸块呈圆台状，所述凹槽与所述凸块相匹配呈圆台状；或者所述凸块呈凸状，所述凹槽与所述凸块相匹配呈凸状。
所述凸块的顶端端面与所述凹槽之间设有填充层。
所述填充层为环氧树脂基注塑料层。
本发明还公开了一种基于如上所述的双面散热功率模块的封装方法，包括步骤：
S01、通过第一连接层将功率芯片连接到下衬板上；
S02、通过第二连接层将第一垫块连接在功率芯片上；通过第三连接层将第二垫块连接到上衬板上；
S03、将所述第一垫块与所述第二垫块可拆卸连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤S03之后，还包括步骤：
S04、将所述下衬板与上衬板往对应两侧相对分开，使第一垫块与第二垫块之间的接触面实现良好的物理接触；
S05、在上衬板与下衬板之间，以及第一垫块与第二垫块之间的顶端端面间隙内填充环氧树脂基注塑料，以挤压第一垫块与第二垫块，以使第一垫块与第二垫块之间其它面实现良好的物理接触。
通过回流焊或烧结工艺进行各连接层的连接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明将传统的一体式垫块组件分成两块可拆卸连接的第一垫块和第二垫块，上衬板与第二垫块之间进行独立连接，上衬板一侧和第二垫块的另一端同时对第三连接层进行加热，热传导好，降低了上衬板与垫块组件之间的连接工艺难度，也提高了连接的可靠性；上衬板与垫块组件之间可单独进行连接，下衬板只需要功率芯片与下衬板连接、功率芯片与第一垫块连接共两次连接工艺的高温过程，减少了下衬板的翘曲量，也能够降低后续转模工艺过程中的溢胶风险；相对于现有增加连接层的方式，本发明不需要特意增加各连接层的厚度，减少了物料用量，降低了生产成本，同时也能避免连接层厚度增加对器件散热的影响。
本发明的榫卯结构拆装简便且连接可靠；其中在榫卯结构的凸块的顶端端面与凹槽之间填充环氧树脂基注塑料层，通过环氧树脂基注塑料层的挤压，使得第一垫块与第二垫块之间有良好的物理接触，保证充分的导热能力。
附图说明
图1为现有技术中的双面散热功率模块的结构示意图。
图2为图1中A处的局部放大图。
图3为图1中B处的局部放大图。
图4为本发明实施例一中双面散热功率模块在实施例的结构图。
图5为本发明实施例一中第一垫块在实施例的立体结构图。
图6为本发明实施例一中第二垫块在实施例的立体结构图。
图7为本发明实施例一中垫块组件在连接后的结构示意图。
图8为本发明实施例一中垫块组件在转模完成后的结构示意图。
图9为本发明实施例二中双面散热功率模块在实施例的结构图。
图中标号表示：1、下衬板；2、第一连接层；3、功率芯片；4、第二连接层；5、垫块组件；501、第一垫块；502、第二垫块；6、榫卯结构；601、凸块；602、凹槽；603、限位挡块；604、限位槽；7、第三连接层；8、上衬板；9、填充层；10、垫块。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：
如图4所示，本实施例的双面散热功率模块，包括功率芯片3、上衬板8、下衬板1和垫块组件5，功率芯片3的一侧通过第一连接层2与下衬板1相连，功率芯片3的另一侧通过第二连接层4与垫块组件5的一端相连，垫块组件5的另一端通过第三连接层7与上衬板8相连；其中垫块组件5包括第一垫块501和第二垫块502，第一垫块501的一端通过第二连接层4与功率芯片3相连，第一垫块501的另一端与第二垫块502的一端可拆卸连接，第二垫块502的另一端通过第三连接层7与上衬板8相连。本发明的双面散热功率模块，将传统的一体式垫块组件5分成两块可拆卸连接的第一垫块501和第二垫块502，具有如下优点：
(1)上衬板8与第二垫块502之间进行独立连接，上衬板8一侧和第二垫块502的另一端同时对第三连接层7进行加热，热传导好，降低了上衬板8与垫块组件5之间的连接工艺难度，也提高了连接的可靠性；
(2)上衬板8与垫块组件5之间可单独进行连接，下衬板1只需要功率芯片3与下衬板1连接、功率芯片3与第一垫块501连接共两次连接工艺的高温过程，减少了下衬板1的翘曲量，也能够降低后续转模工艺过程中的溢胶风险；
(3)相对于现有增加连接层的方式(具体分析见背景技术第3点)，本发明不需要特意增加各连接层(如回流焊或烧结层所需的焊料)的厚度，减少了物料用量，降低了生产成本，同时也能避免连接层厚度增加对功率芯片等器件散热的影响。
本实施例中，第一垫块501的另一端与第二垫块502的一端通过榫卯结构6可拆卸连接。其中榫卯结构6方便连接且易于实现。具体地，如图5和图6所示，第一垫块501的另一端设置有凸块601，第二垫块502的另一端设有与凸块601相匹配的凹槽602，凸块601与凹槽602形成榫卯结构6，凸块601位于凹槽602内；或者第二垫块502的一端设置有凸块601，第一垫块501的另一端设有与凸块601相匹配的凹槽602，凸块601与凹槽602形成榫卯结构6，凸块601位于凹槽602内。另外，凹槽602的一侧向外延伸形成限位挡块603，凸块601上设有与限位挡块603相匹配的限位槽604，凸块601位于凹槽602内时，限位挡块603位于限位槽604内。其中凸块601呈圆台状(上大下小)，凹槽602与凸块601相匹配呈圆台状，方便连接。在进行连接时，直接将凸块601从凹槽602的一侧滑入，当限位挡块603滑动至限位槽604内时不再滑动，此时则表示滑动到位，保证连接到位。在其它实施例中，凸块601也可以位于第二垫块502上，相对应的凹槽602位于第一垫块501上。限位挡块603也可以位于凸块601上，相对应的限位槽604位于凹槽602内。当然，也可以采用其它方式代替榫卯结构6来进行连接。
本实施例中，通过连接层与将各部件进行连接的工艺为回流焊或烧结工艺，其中各连接层的厚度不用特意加厚。其中各垫块的加工精度必须小于±25um，此时连接在一起的两个垫块在重力作用下，两个垫块的顶端端面平面之间接触，而两个垫块之间的斜面之间则存在空隙，故在转模工序中，在凸块601的顶端端面与凹槽602之间填充环氧树脂基注塑料层，通过环氧树脂基注塑料层的挤压，使得第一垫块501与第二垫块502之间相互分开，第一垫块501的斜面与第二垫块502的斜面之间有良好的物理接触，保证充分的导热能力。
本发明还公开了一种基于如上所述的双面散热功率模块的封装方法，包括步骤：
S01、通过第一连接层2将功率芯片3连接到下衬板1上；
S02、通过第二连接层4将第一垫块501连接在功率芯片3上；通过第三连接层7将第二垫块502连接到上衬板8上；
S03、将第一垫块501与第二垫块502可拆卸连接。
本发明的封装方法，同样具如上双面散热功率模块所述的优点。
本实施例中，在步骤S03之后，还包括步骤：
S04、将下衬板1与上衬板8往对应两侧相对分开(如将下衬板1通过下模具真空吸附固定，同时通过上模具真空吸附上衬板8向上拉伸；或者将上衬板8通过上模具真空吸附固定，同时通过下模具真空吸附下衬板1向下拉伸；或者将下衬板1通过下模具真空吸附往下拉伸，同时通过上模具真空吸附上衬板8向上拉伸)，使第一垫块501与第二垫块502之间的接触面实现良好的物理接触；
S05、在上衬板8与下衬板1之间，以及第一垫块501与第二垫块502之间的端面间隙内填充有填充层9(如环氧树脂基注塑料)，以挤压第一垫块501与第二垫块502，使第一垫块501与第二垫块502相互分开，以使第一垫块501与第二垫块502之间的斜面实现良好的物理接触，从而保证良好的导热能力；其中上衬板8与下衬板1之间的环氧树脂基注塑料能够保证芯片的绝缘以及防水等性能。
本实施例中，通过回流焊或烧结工艺进行各连接层的连接；功率芯片3为IGBT或MOSFET等。
下面结合一具体的实施例对上述双面散热功率模块的封装方法进行完整说明：
通过第一连接层2将功率芯片3连接到下衬板1上，然后通过第二连接层4在功率芯片3上连接第一垫块501(带凹槽602)；通过第三连接层7将第二垫块502(带凸块601)连接到上衬板8上；上述三个连接工艺流程为回流焊或烧结工艺，以上三个回流焊或烧结过程中的连接层厚度均不需特意加厚；完成三步连接以后，将两部分产品的第一垫块501与第二垫块502通过滑动的方式连接起来，因为各垫块的凸块601与凹槽602相互配合，且有限位挡块603，很容易能够安装到位，这时第一垫块501与第二垫块502之间形成榫卯结构6，如图7所示；
下一步将产品放入转模设备进行转模工序，转模设备中下模通过真空将下衬板1吸住，上模具通过真空将上衬板8吸住，这样就可以使第一垫块501与第二垫块502之间内部斜面能够实现良好的物理接触；然后在上衬板8与下衬板1之间注入环氧树脂基注塑料(EMC)，其中垫块间的其它空间也会被EMC充满，转模完成后，模块间填充的EMC在内部压力的作用下会挤压两个垫块，使其两个斜面相互接触，如图8所示，在保证垫块组件5的整体导热能力的同时，其工艺操作简便。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于凸块601和凹槽602的形状不同。具体地，凸块601呈凸状，凹槽602与凸块601相匹配呈凸状。具体工艺过程为：
通过第一连接层2将功率芯片3连接到下衬板1上，然后通过第二连接层4在功率芯片3上连接第一垫块501(带凸块601)；通过第三连接层7将第二垫块502(带凹槽602)连接到上衬板8上；上述三个连接工艺流程为回流焊或烧结工艺，以上三个回流焊或烧结过程中的连接层厚度均不需特意加厚；完成三步连接以后，将两部分产品的第一垫块501与第二垫块502通过滑动的方式连接起来，因为各垫块的凸块601与凹槽602相互配合，且有限位挡块603，很容易能够安装到位，这时第一垫块501与第二垫块502之间形成榫卯结构6；
下一步将产品放入转模设备进行转模工序，转模设备中下模通过真空将下衬板1吸住，上模具通过真空将上衬板8吸住，这样就可以使第一垫块501与第二垫块502之间内部中间端面能够实现良好的物理接触；然后在上衬板8与下衬板1之间注入环氧树脂基注塑料(EMC)，其中两垫块间的其它空间会被EMC充满，转模完成后，模块间填充的EMC在内部压力的作用下会挤压两个垫块，使其两个垫块的端面c处相互接触，在保证垫块组件5的整体导热能力的同时，其工艺操作简便。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于双面散热功率模块的封装方法，其特征在于，双面散热功率模块包括功率芯片（3）、上衬板（8）、下衬板（1）和垫块组件（5），所述功率芯片（3）的一侧通过第一连接层（2）与所述下衬板（1）相连，所述功率芯片（3）的另一侧通过第二连接层（4）与所述垫块组件（5）的一端相连，所述垫块组件（5）的另一端通过第三连接层（7）与所述上衬板（8）相连，其特征在于，所述垫块组件（5）包括第一垫块（501）和第二垫块（502），所述第一垫块（501）的一端通过第二连接层（4）与功率芯片（3）相连，所述第一垫块（501）的另一端与所述第二垫块（502）的一端可拆卸连接，所述第二垫块（502）的另一端通过第三连接层（7）与所述上衬板（8）相连；
封装方法包括步骤：
S01、通过第一连接层（2）将功率芯片（3）连接到下衬板（1）上；
S02、通过第二连接层（4）将第一垫块（501）连接在功率芯片（3）上；通过第三连接层（7）将第二垫块（502）连接到上衬板（8）上；
S03、将所述第一垫块（501）与所述第二垫块（502）可拆卸连接；
在步骤S03之后，还包括步骤：
S04、将所述下衬板(1)与上衬板（8）往对应两侧相对分开，使第一垫块（501）与第二垫块（502）之间的接触面实现良好的物理接触；
S05、在上衬板（8）与下衬板（1）之间，以及第一垫块（501）与第二垫块（502）之间的顶端端面间隙内填充环氧树脂基注塑料，以挤压第一垫块（501）与第二垫块（502），以使第一垫块（501）与第二垫块（502）之间其它面实现良好的物理接触。
2.根据权利要求1所述的双面散热功率模块的封装方法，其特征在于，通过回流焊或烧结工艺进行各连接层的连接。
3.根据权利要求2所述的双面散热功率模块的封装方法，其特征在于，所述第一垫块（501）的另一端与所述第二垫块（502）的一端通过榫卯结构（6）可拆卸连接。
4.根据权利要求3所述的双面散热功率模块的封装方法，其特征在于，所述第一垫块（501）的另一端设置有凸块（601），所述第二垫块（502）的另一端设有与所述凸块（601）相匹配的凹槽（602），所述凸块（601）与所述凹槽（602）形成榫卯结构（6），所述凸块（601）位于所述凹槽（602）内；或者所述第二垫块（502）的一端设置有凸块（601），所述第一垫块（501）的另一端设有与所述凸块（601）相匹配的凹槽（602），所述凸块（601）与所述凹槽（602）形成榫卯结构（6），所述凸块（601）位于所述凹槽（602）内。
5.根据权利要求4所述的双面散热功率模块的封装方法，其特征在于，所述凸块（601）的一侧向外延伸形成限位挡块（603），所述凹槽（602）上设有与所述限位挡块（603）相匹配的限位槽（604），所述凸块（601）位于所述凹槽（602）内时，所述限位挡块（603）位于所述限位槽（604）内；或者所述凹槽（602）的一侧向外延伸形成限位挡块（603），所述凸块（601）上设有与所述限位挡块（603）相匹配的限位槽（604），所述凸块（601）位于所述凹槽（602）内时，所述限位挡块（603）位于所述限位槽（604）内。
6.根据权利要求4或5所述的双面散热功率模块的封装方法，其特征在于，所述凸块（601）呈圆台状，所述凹槽（602）与所述凸块（601）相匹配呈圆台状；或者所述凸块（601）呈凸状，所述凹槽（602）与所述凸块（601）相匹配呈凸状。
7.根据权利要求6所述的双面散热功率模块的封装方法，其特征在于，所述凸块（601）的顶端端面与所述凹槽（602）之间设有填充层（9）。
8.根据权利要求7所述的双面散热功率模块的封装方法，其特征在于，所述填充层（9）为环氧树脂基注塑料层。
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