CN114551381B - 一种嵌入式双面散热mosfet模块封装结构 - Google Patents

一种嵌入式双面散热mosfet模块封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，涉及电力电子功率模块封装技术领域，包括DBC组合层和MOSFET芯片，DBC组合层包括有DBC陶瓷层，DBC陶瓷层上表面两侧分别一体化设置有安装间隔，每个安装间隔内部分别开设有方形凹槽，每个方形凹槽内部均通过第一铜片组和第二铜片组安装有MOSFET芯片，通过本发明的封装结构，能够大幅提高模块集成度，降低模块体积40%以上，同时实现了平面互连，使双面散热得以实现，大幅提高了模块的散热能力，从而有效解决了因典型功率模块各组件分立封装，体积大，集成度低，需要对封装结构进行合理设计优化以实现器件的高散热性能和低能耗问题。

Description

一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构
技术领域
本发明涉及电力电子功率模块封装技术领域，具体而言，涉及一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构。
背景技术
大功率MOSFET器件作为能量转换和传输的核心器件之一，广泛应用于航空航天、电动汽车、新能源等、电力传输领域；而随着半导体工业的的进化，碳化硅芯片得以应用，芯片结温升高，对低功耗和高效率的功率模块需求不断提高。电子封装通常由若干个半导体芯片和不同封装材料组成，为器件提供机械支撑，电气互连，绝缘保护，异物、湿气保护，提供散热路径等功能。典型功率模块各组件分立封装，体积大，集成度低，需要对封装结构进行合理设计优化以实现器件的高散热性能和低能耗。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，提高模块集成度，减小体积，提高模块散热能力。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，包括DBC组合层和MOSFET芯片，所述DBC组合层包括有DBC陶瓷层，所述DBC陶瓷层上表面两侧分别一体化设置有安装间隔，每个所述安装间隔内部分别开设有方形凹槽，每个所述方形凹槽内部均通过第一铜片组和第二铜片组安装有MOSFET芯片，所述DBC组合层上下表面分别通过热界面材料层安装有上热沉和下热沉。
作为优选，所述DBC陶瓷层下表面设置有下铜层，所述DBC陶瓷层上表面设置有三个上铜层且三个上铜层与两个安装间隔交错设置。
作为优选，所述第一铜片组包括有U形铜片和I形铜片，所述第二铜片组包括有之型铜片，所述之型铜片底部分别开设有若干用于释放应力的下位沟槽。
作为优选，每个所述之型铜片均安装在对应的方形凹槽内部，每个所述之型铜片底部均通过焊膏与DBC陶瓷层连接，每个所述之型铜片上端通过焊膏与上铜层连接。
作为优选，所述之型铜片上表面一侧设置有连接焊片，所述连接焊片上表面连接设置有MOSFET芯片，所述MOSFET芯片上表面分别设置有表面铜层，每个所述表面铜层上表面一体化设置有若干铜柱。
作为优选，所述MOSFET芯片底部为D极，所述MOSFET芯片上表面两侧分别为S极，所述MOSFET芯片上表面且位于两侧S极之间的为G极，所述MOSFET芯片的D极与之型铜片进行连接。
作为优选，每个所述U形铜片一端通过铜柱与MOSFET芯片上表面的S极连接，每个所述U形铜片另一端通过焊膏与上铜层连接。
作为优选，每个所述I形铜片一端通过铜柱与MOSFET芯片上表面的G极连接，每个所述I形铜片另一端通过焊膏与上铜层连接。
作为优选，所述上热沉和下热沉内部均设置有若干微流道，每个所述安装间隔内部空余部位均由有机硅凝胶填充。
作为优选，每个所述第一铜片组和上铜层均通过热界面材料层与上热沉连接，所述下铜层底部通过热界面材料层与下热沉连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
通过将MOSFET芯片嵌入至DBC组合层中，从而使得MOSFET芯片所占的的体积减少，提高模块整体的集成度，并且利用上热沉和下热沉分别设置在DBC组合层上下表面，实现对内部结构的双面散热处理，其中通过第一铜片组和第二铜片组能够与MOSFET芯片之间进行连接以确保MOSFET芯片设置内部中可进行正常运作使用，通过本发明的封装结构，能够大幅提高模块集成度，降低模块体积40%以上，同时实现了平面互连，使双面散热得以实现，大幅提高了模块的散热能力，从而有效解决了技术问题。
附图说明
图1为本发明一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的整体结构示意图；
图2为本发明一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的正视整体结构示意图；
图3为本发明一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的图2中A-A处剖面结构示意图；
图4为本发明一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的图2中B-B处剖面结构示意图；
图5为本发明一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的DBC组合层结构示意图；
图6为本发明一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的MOSFET芯片安装结构示意图;
图7为本发明一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的侧视MOSFET芯片安装结构示意图;
图8为本发明一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的图7中C-C处剖面结构示意图;
图9为本发明一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的MOSFET芯片连接端位置分布示意图。
图中：1、DBC组合层；101、DBC陶瓷层；102、上铜层；103、方形凹槽；104、安装间隔；105、下铜层；2、上热沉；3、下热沉；4、微流道；5、铜柱；6、热界面材料层；7、连接焊片；8、表面铜层；9、MOSFET芯片；10、第一铜片组；1001、U形铜片；1002、I形铜片；11、第二铜片组；1101、下位沟槽；1102、之型铜片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例
如图1至9所示，一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，包括DBC组合层1和MOSFET芯片9，DBC组合层1包括有DBC陶瓷层101，DBC陶瓷层101上表面两侧分别一体化设置有安装间隔104，每个安装间隔104内部分别开设有方形凹槽103，每个方形凹槽103内部均通过第一铜片组10和第二铜片组11安装有MOSFET芯片9，DBC组合层1上下表面分别通过热界面材料层6安装有上热沉2和下热沉3。通过将MOSFET芯片9嵌入至DBC组合层1中，从而使得MOSFET芯片9所占的的体积减少，提高模块整体的集成度，并且利用上热沉2和下热沉3分别设置在DBC组合层1上下表面，实现对内部结构的双面散热处理，其中通过第一铜片组10和第二铜片组11能够与MOSFET芯片9之间进行连接以确保MOSFET芯片9设置内部中可进行正常运作使用，通过本发明的封装结构，能够大幅提高模块集成度，降低模块体积40%以上，同时实现了平面互连，使双面散热得以实现，大幅提高了模块的散热能力，从而有效解决了技术问题。
在本实施例中，DBC陶瓷层101下表面设置有下铜层105，DBC陶瓷层101上表面设置有三个上铜层102且三个上铜层102与两个安装间隔104交错设置，第一铜片组10包括有U形铜片1001和I形铜片1002，第二铜片组11包括有之型铜片1102，之型铜片1102底部分别开设有若干用于释放应力的下位沟槽1101。通过下铜层105可以分别与第一铜片组10和第二铜片组11之间进行连接实现MOSFET芯片9的运作，其中利用之型铜片1102底部设置有下位沟槽1101，从而在面对应力时可以进行释放，使得本申请内部强度得到提升。
需要说明的是，每个之型铜片1102均安装在对应的方形凹槽103内部，每个之型铜片1102底部均通过焊膏与DBC陶瓷层101连接，每个之型铜片1102上端通过焊膏与上铜层102连接。通过设置有方形凹槽103可以方便整体的封装作业，使得在封装过程中可以进行快速定位加快组合速度。
可以理解，在本申请中，之型铜片1102上表面一侧设置有连接焊片7，连接焊片7上表面连接设置有MOSFET芯片9，MOSFET芯片9上表面分别设置有表面铜层8，每个表面铜层8上表面一体化设置有若干铜柱5。通过MOSFET芯片9上表面通过电镀形成有表面铜层8，从而使得铜柱5能够配合MOSFET芯片9进行连接操作。
在具体设置时，MOSFET芯片9底部为D极，MOSFET芯片9上表面两侧分别为S极，MOSFET芯片9上表面且位于两侧S极之间的为G极，MOSFET芯片9的D极与之型铜片1102进行连接，每个U形铜片1001一端通过铜柱5与MOSFET芯片9上表面的S极连接，每个U形铜片1001另一端通过焊膏与上铜层102连接，每个I形铜片1002一端通过铜柱5与MOSFET芯片9上表面的G极连接，每个I形铜片1002另一端通过焊膏与上铜层102连接。通过U形铜片1001和I形铜片1002可以与MOSFET芯片9中的S、G极进行连接，并配合之型铜片1102与MOSFET芯片9底部的D极进行连接，从而可以有效解决因将MOSFET芯片9放置在DBC陶瓷层101内不方便对外连接的问题。
其中，上热沉2和下热沉3内部均设置有若干微流道4，每个安装间隔104内部空余部位均由有机硅凝胶填充，每个第一铜片组10和上铜层102均通过热界面材料层6与上热沉2连接，下铜层105底部通过热界面材料层6与下热沉3连接。通过上热沉2和下热沉3内部设置有微流道4，配合热界面材料层6可以加强其散热效率。
其中，本发明中焊膏及连接焊片7由高导热率材料构成，例如SAC305、纳米银、纳米铜或混合型的焊接材料，并且DBC陶瓷层101由高导热率材料构成，例如Al2O3、AlN、ZTA、SiN等。
该一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构的工作原理：
在封装时，首先将之型铜片1102安置在方形凹槽103中，其中通过焊膏将其与DBC陶瓷层101连接，随后使用连接焊片7将MOSFET芯片9安装至之型铜片1102上表面，从而实现将MOSFET芯片9的D极进行连接，之后再将MOSFET芯片9上表面的铜柱5分别与U形铜片1001和I形铜片1002进行连接，实现对S、G极的初步连接，完成过后分别将之型铜片1102、U形铜片1001和I形铜片1002与上铜层102进行连接，实现对当前MOSFET芯片9的安装，在使用时，MOSFET芯片9通过S、G和D极的连接实现正常运作；
随后统一在之型铜片1102、U形铜片1001、I形铜片1002和上铜层102上表面通过热界面材料层6安装有上热沉2，之后再在DBC陶瓷层101底部通过热界面材料层6安装有下热沉3完成封装；在使用时，通过上热沉2和下热沉3配合微流道4和热界面材料层6实现对中部的DBC组合层1进行快速散热处理。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，包括DBC组合层（1）和MOSFET芯片（9），其特征在于：所述DBC组合层（1）包括有DBC陶瓷层（101），所述DBC陶瓷层（101）上表面两侧分别一体化设置有安装间隔（104），每个所述安装间隔（104）内部分别开设有方形凹槽（103），每个所述方形凹槽（103）内部均通过第一铜片组（10）和第二铜片组（11）安装有MOSFET芯片（9），所述DBC组合层（1）上下表面分别通过热界面材料层（6）安装有上热沉（2）和下热沉（3）。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，其特征在于：所述DBC陶瓷层（101）下表面设置有下铜层（105），所述DBC陶瓷层（101）上表面设置有三个上铜层（102）且三个上铜层（102）与两个安装间隔（104）交错设置。
3.根据权利要求2所述的一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，其特征在于：所述第一铜片组（10）包括有U形铜片（1001）和I形铜片（1002），所述第二铜片组（11）包括有之型铜片（1102），所述之型铜片（1102）底部分别开设有若干用于释放应力的下位沟槽（1101）。
4.根据权利要求3所述的一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，其特征在于：每个所述之型铜片（1102）均安装在对应的方形凹槽（103）内部，每个所述之型铜片（1102）底部均通过焊膏与DBC陶瓷层（101）连接，每个所述之型铜片（1102）上端通过焊膏与上铜层（102）连接。
5.根据权利要求4所述的一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，其特征在于：所述之型铜片（1102）上表面一侧设置有连接焊片（7），所述连接焊片（7）上表面连接设置有MOSFET芯片（9），所述MOSFET芯片（9）上表面分别设置有表面铜层（8），每个所述表面铜层（8）上表面一体化设置有若干铜柱（5）。
6.根据权利要求5所述的一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，其特征在于：所述MOSFET芯片（9）底部为D极，所述MOSFET芯片（9）上表面两侧分别为S极，所述MOSFET芯片（9）上表面且位于两侧S极之间的为G极，所述MOSFET芯片（9）的D极与之型铜片（1102）进行连接。
7.根据权利要求6所述的一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，其特征在于：每个所述U形铜片（1001）一端通过铜柱（5）与MOSFET芯片（9）上表面的S极连接，每个所述U形铜片（1001）另一端通过焊膏与上铜层（102）连接。
8.根据权利要求6所述的一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，其特征在于：每个所述I形铜片（1002）一端通过铜柱（5）与MOSFET芯片（9）上表面的G极连接，每个所述I形铜片（1002）另一端通过焊膏与上铜层（102）连接。
9.根据权利要求1所述的一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，其特征在于：所述上热沉（2）和下热沉（3）内部均设置有若干微流道（4），每个所述安装间隔（104）内部空余部位均由有机硅凝胶填充。
10.根据权利要求5所述的一种嵌入式双面散热MOSFET模块封装结构，其特征在于：每个所述第一铜片组（10）和上铜层（102）均通过热界面材料层（6）与上热沉（2）连接，所述下铜层（105）底部通过热界面材料层（6）与下热沉（3）连接。
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