CN114759007A - 一种降低受热翘曲的dbc基板 - Google Patents

一种降低受热翘曲的dbc基板 Download PDF

Info

Publication number
CN114759007A
CN114759007A CN202210330995.2A CN202210330995A CN114759007A CN 114759007 A CN114759007 A CN 114759007A CN 202210330995 A CN202210330995 A CN 202210330995A CN 114759007 A CN114759007 A CN 114759007A
Authority
CN
China
Prior art keywords
copper layer
dbc substrate
insulation gap
width
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210330995.2A
Other languages
English (en)
Inventor
陈材
张弛
杜梦瑶
康勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202210330995.2A priority Critical patent/CN114759007A/zh
Publication of CN114759007A publication Critical patent/CN114759007A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49838—Geometry or layout
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3731—Ceramic materials or glass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811—Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49861—Lead-frames fixed on or encapsulated in insulating substrates

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种降低受热翘曲的DBC基板，属于功率半导体技术领域。从上到下依次包括：顶部铜层、绝缘陶瓷层及底部铜层；所述顶部铜层上开设有多个并列排布的元器件焊接区域，相邻元器件焊接区域之间设有绝缘间隙；所述底部铜层上设置有减荷槽区域，所述减荷槽区域与所述绝缘间隙的竖直中心线重合，且所述减荷槽区域的宽度不小于所述绝缘间隙的宽度；在所述减荷槽区域内开设有多个呈阵列状分布的减荷槽。本发明通过设置呈阵列状分布的减荷槽，改变底部铜层在该区域内的弯曲程度，能够减小DBC基板受热时由于绝缘陶瓷层与底部铜层的材料热膨胀系数不同引起的翘曲变形；能够将原集中应力进行削弱，提升基板的热循环寿命。

Description

一种降低受热翘曲的DBC基板
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，更具体地，涉及一种降低受热翘曲的DBC基板。
背景技术
功率半导体器件作为核心电力电子器件，已经被广泛运用于电力系统、轨道交通、工业制造装备、家用电器、军事防御等诸多领域，并不断朝着大功率、小型化、集成化和多功能的方向发展，对封装基板性能也提出了更高要求。随着功率密度的增加，功率模块的工作温度显著升高，提高其可靠性和疲劳寿命具有一定的挑战性。
覆铜陶瓷基板(direct bonded copper,以下简称DBC)是一种非常重要的功率电子封装材料，其导热性能优良、金属与陶瓷间附着强度高、电气绝缘性能良好、电流承能力较高，同时耐焊锡性优良，并可刻蚀出各种线路图形，通常用作功率半导体模块的机械支撑和底部散热途径。DBC的疲劳寿命可以决定整个功率模块的寿命，因而其对封装集成的适用性和可靠性至关重要。在高温低温循环工作中DBC基板受热膨胀，即由于陶瓷和铜的热膨胀系数不同，导致铜层和陶瓷层交接面处因膨胀尺寸不匹配而弯曲，局部应力集中不同，从而导致脱层及断裂现象，降低了功率半导体器件的可靠性和寿命。
目前，现有技术中，还没有相应的技术方案解决DBC基板受热后发生翘曲变形的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种降低受热翘曲的DBC基板，其目的在于降低DBC基板受热后发生翘曲变形的程度，提升DBC基板的热循环寿命。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种降低受热翘曲的DBC基板，从上到下依次包括：顶部铜层、绝缘陶瓷层及底部铜层；所述顶部铜层上开设有多个并列排布的元器件焊接区域，相邻元器件焊接区域之间设有绝缘间隙，所述底部铜层上设置有减荷槽区域，所述减荷槽区域与所述绝缘间隙的竖直中心线重合，且所述减荷槽区域的宽度不小于所述绝缘间隙的宽度；在所述减荷槽区域内开设有多个呈阵列状分布的减荷槽。
进一步地，当所述减荷槽区域的宽度大于所述绝缘间隙的宽度时，所述减荷槽的中心位于所述绝缘间隙在底部铜层对应区域的边缘线上。
进一步地，所述减荷槽为球坑。
进一步地，所述元器件焊接区域有两个，且关于顶部铜层的中轴线对称。
进一步地，所述绝缘间隙的宽度D为0.8-1.2mm。
进一步地，所述球坑的直径为0.2mm-D/2mm，相邻所述球坑外圆周之间的最短距离为0.2mm-D mm。
进一步地，所述顶部铜层和底部铜层叠置于所述绝缘陶瓷层表面的中间。
进一步地，所述顶部铜层和底部铜层的表面镀镍。
进一步地，所述绝缘陶瓷层的材料为氮化铝、氧化铝、氮化硅或氧化铍。
进一步地，所述顶部铜层的厚度为0.1mm-0.3mm；所述绝缘陶瓷层的厚度为0.38mm-0.65mm；所述底部铜层的厚度为0.1mm-0.3mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过在底部铜上开设减荷槽区域，在该区域内设置有多个呈阵列状分布的减荷槽，改变底部铜层在该区域内的弯曲程度，使得底部铜层上下表面的反弓程度相近，减小了DBC基板受热时由于绝缘陶瓷层与底部铜层的材料热膨胀系数不同引起的翘曲变形；同时，减荷槽的设置使底部铜层在受热产生形变时留有缓冲的空间，将原集中应力进行削弱，从而提升了基板的热循环寿命。
(2)作为优选，减荷槽的中心位于所述绝缘间隙在底部铜层对应区域的边缘线上，能够保证减荷槽所在的区域对应的顶部铜层不会安放元器件，因而也不会降低DBC基板的散热性能。
(3)作为优选，减荷槽为球坑时，工艺上最易于实现，成本低；同时，通过实验进一步表明，球坑的设置，保证了底层铜层的连贯性，基本不会改变底部铜层作为机械支撑的机械强度，且能够保持结构热阻。
(4)作为优选，顶部铜层和底部铜层表面镀镍，可以增强铜层表面的抗氧化性。
总而言之，本发明能够降低DBC基板受热后发生翘曲变形的程度，提升DBC基板的热循环寿命，同时能够保持结构热阻和机械强度。
附图说明
图1为本发明提供的DBC基板结构示意图。
图2为本发明提供的DBC基板顶部铜层的结构示意图。
图3为本发明提供的DBC基板顶部铜层的正视图。
图4为本发明提供的DBC基板底部铜层的正视图。
图5为传统的DBC基板的应力图。
图6本发明实施例中提供的DBC基板应力图。
图7为传统的DBC基板的曲翘仿真实验图。
图8为本发明实施例中提供的DBC基板的曲翘仿真实验图。
图9为本发明实施例中提供的DBC基板与传统的DBC基板的受力形变曲线图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-顶部铜层，2-元器件焊接区域，3-绝缘间隙，4-绝缘陶瓷层，5-底部铜层，6-球坑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供的DBC基板结构，从上到下依次主要包括：顶部铜层1、绝缘陶瓷层4及底部铜层5，在顶部铜层1上开设有多个并列排布的元器件焊接区域，用于功率模块内部的电气隔离及电路的形成；相邻元器件焊接区域之间设有绝缘间隙3；在底部铜层5上设置有减荷槽区域，减荷槽区域与绝缘间隙3的竖直中心线重合，且减荷槽区域的宽度不小于绝缘间隙的宽度；在减荷槽区域内开设有多个呈阵列状分布的减荷槽。
作为优选，当减荷槽区域的宽度大于绝缘间隙的宽度时，减荷槽的中心位于绝缘间隙在底部铜层对应区域的边缘线上。减荷槽的中心位于绝缘间隙在底部铜层对应的区域的边缘线上。
作为优选，如图2、图3所示，开设在顶部铜层1上的元器件焊接区域有两个，且两个元器件焊接区域2关于顶部铜层1的中轴线对称。
作为优选，减荷槽为凹陷的球坑6，球心位置对应于顶部铜层上的绝缘间隙的边缘线，即球坑的中心位于绝缘间隙在底部铜层对应区域的边缘线上。
作为优选，顶部铜层1和底部铜层5为高导无氧铜箔，铜层表面进行镀镍处理，增强表面的抗氧化性。
具体的，顶部铜层1和底部铜层5叠置于绝缘陶瓷层4表面的中间区域。顶部铜层的厚度根据功率器件电流等级选择，优选厚度取值范围为0.1mm-0.3mm。
优选地，顶部铜层1通过刻蚀的方式形成两个元器件焊接区域，具体的，通过化学或激光蚀刻的方法形成表层电路。两个元器件焊接区域之间的绝缘间隙宽度D为0.8-1.2mm。具体根据顶部铜层上焊接元件的电压差来决定，如两个元器件焊接区域间的电压差在200V以下，推荐D为0.8mm，电压差在200-1000V之间，推荐D为1mm；电压差在1000-1500V之间，推荐D为1.2mm。
本实施例中，减荷槽为凹陷的球坑，球坑的尺寸及相邻两球坑的间距根据绝缘间隙宽度D进行调整。优选地，每个球坑直径的取值范围为0.2mm-D/2mm，两个邻球坑外圆周之间最短距离的取值范围为0.2mm-D mm。
优选地，绝缘陶瓷层4采用氮化铝、氧化铝、氮化硅或氧化铍中的一种。在绝缘陶瓷层4的上下表面各覆上一层铜箔，在含氧的氮气气氛中加热至1065℃，形成铜的含氧共晶液，浸润直接接触的铜箔和陶瓷界面，同时化学反应形成的复合氧化物充当共晶钎焊用的焊料，从而实现绝缘陶瓷层和覆铜层(即顶部铜层1和底部铜层5)牢固的粘合。绝缘陶瓷层厚度取值范围为0.38mm-0.65mm，在满足绝缘耐压要求的前提下，陶瓷层选取的越薄越有利于功率器件散热。
通过在底部铜上开设减荷槽区域，在该区域内设置有多个呈阵列状分布的减荷槽，减荷槽区域与绝缘间隙的竖直中心线重合，且减荷槽区域的宽度不小于所述绝缘间隙的宽度，在减荷槽区域内开设有多个呈阵列状分布的减荷槽，改变底部铜层在该区域内的弯曲程度，使得底部铜层上下表面的反弓程度相近，减小了DBC基板受热时，由于绝缘陶瓷层与底部铜层的材料热膨胀系数不同引起的翘曲变形；使底部铜层在受热产生形变时留有一个缓冲的空间，将原集中应力进行削弱，从而提升了基板的热循环寿命。当减荷槽区域的宽度大于绝缘间隙的宽度时，减荷槽的中心位于所述绝缘间隙在底部铜层对应区域的边缘线上以及减荷槽区域的宽度小于绝缘间隙的宽度时，能够保证减荷槽所在的区域对应的顶部铜层不会安放元器件，即不会使减荷槽位于元器件的下方，因而也不会降低DBC基板的散热性能。
如图4所示，底部铜层5厚度取值范围为0.1mm-0.3mm，具体厚度结合材料成本以及结构强度综合考虑。
本实施例中，以两个元器件焊接区域之间的绝缘间隙宽度D取1mm，陶瓷材料采用热导率高的氧化铝，利于散热，陶瓷厚度取0.38mm为例进行实验。
以顶部铜层1上开设有两个元器件焊接区域为例，如图1所示，针对传统的DBC基板，顶部铜层a点处的受热应力大于b点处的受热应力，其中，a点表示两个元器件焊接区域之间的绝缘间隙边缘线上的点；b点表示最外侧的元器件焊接区域的外边缘线上的点，或者说是远离两个元器件焊接区域绝缘间隙的那侧的边缘线上的点。本实施例中，通过球坑的设计，减小了底部铜层可以抑制的弯曲，减轻了整个DBC基板的弯曲程度，从而减小了顶部铜层a点处的正面应力集中。如图5、图6所示的应力分布图可知，在传统的DBC基板上，顶部铜层受力a点处的受热应力范围小于370MPa；通过本发明设计的阵列球坑，顶部铜层a点处的受热应力范围变为小于260MPa，即a点处的受热应力明显减小了。即通过本发明在底部铜层上开设有多个呈阵列状分布的球坑，且球坑的球心位于绝缘间隙在底部铜层对应区域的边缘线上，设计球坑后的DBC基板的最大应力处(即a点)的应力值值与传统DBC基板相比有了显著降低。
如图7、图8所示的翘曲实验的结果表明：本发明提供的DBC基板的翘曲度(Z方向/长度)从1/1000降至0.5/1000，即球坑图案设计减小了翘曲变形的程度。定义垂直与DBC基板表面的方向为Z方向。
同时，通过实验发现，将传统DBC基板作为对照组，在-55°-175°的温度循环实验下，设计了阵列式球坑之后，样品热循环寿命提升大约50％，寿命与无球坑的样品相比从平均100次提升至平均150次。
功率芯片焊接至DBC基板后通过基板底部铜层和散热器连接进行散热，为了减小功率模块和散热器的接触热阻，通常会在散热器和模块的底板之间涂敷导热硅脂。本实施例中，在DBC底部铜层上涂敷1W/K的导热硅脂，并与散热器连接进行散热，与无球坑的样品相比，底部铜层上设计球坑后的热阻降低小于1％。如图9所示，一条是底部铜层无球坑的受力形变曲线，另一条是底部铜层设计球坑的受力形变曲线，通过实验可以看出，有球坑的DBC基板受力形变曲线稍微低一点(小于1％)，两者失效力差不多，即设计球坑基本不会改变底部铜层作为机械支撑的机械强度。即本发明的这种设计能够保持结构热阻，并且保证了底层铜层的连贯性，保证了底层铜层作为机械支撑的机械强度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降低受热翘曲的DBC基板，从上到下依次包括：顶部铜层(1)、绝缘陶瓷层(4)及底部铜层(5)；所述顶部铜层(1)上开设有多个并列排布的元器件焊接区域，相邻元器件焊接区域之间设有绝缘间隙(3)，其特征在于，所述底部铜层(5)上设置有减荷槽区域，所述减荷槽区域与所述绝缘间隙的竖直中心线重合，且所述减荷槽区域的宽度不小于所述绝缘间隙的宽度；在所述减荷槽区域内开设有多个呈阵列状分布的减荷槽。
2.根据权利要求1所述的DBC基板，其特征在于，当所述减荷槽区域的宽度大于所述绝缘间隙的宽度时，所述减荷槽的中心位于所述绝缘间隙在底部铜层对应区域的边缘线上。
3.根据权利要求2所述的DBC基板，其特征在于，所述减荷槽为球坑。
4.根据权利要求3所述的DBC基板，其特征在于，所述元器件焊接区域有两个，且关于顶部铜层的中轴线对称。
5.根据权利要求4所述的DBC基板，其特征在于，所述绝缘间隙的宽度D为0.8-1.2mm。
6.根据权利要求5所述的DBC基板，其特征在于，所述球坑的直径为0.2mm-D/2mm，相邻所述球坑外圆周之间的最短距离为0.2mm-D mm。
7.根据权利要求6所述的DBC基板，其特征在于，所述顶部铜层(1)和底部铜层(5)叠置于所述绝缘陶瓷层(4)表面的中间。
8.根据权利要求7所述的DBC基板，其特征在于，所述顶部铜层(1)和底部铜层(5)的表面镀镍。
9.根据权利要求8所述的DBC基板，其特征在于，所述绝缘陶瓷层的材料为氮化铝、氧化铝、氮化硅或氧化铍。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的DBC基板，其特征在于，所述顶部铜层(1)的厚度为0.1mm-0.3mm；所述绝缘陶瓷层(4)的厚度为0.38mm-0.65mm；所述底部铜层(5)的厚度为0.1mm-0.3mm。
CN202210330995.2A 2022-03-30 2022-03-30 一种降低受热翘曲的dbc基板 Pending CN114759007A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210330995.2A CN114759007A (zh) 2022-03-30 2022-03-30 一种降低受热翘曲的dbc基板

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210330995.2A CN114759007A (zh) 2022-03-30 2022-03-30 一种降低受热翘曲的dbc基板

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114759007A true CN114759007A (zh) 2022-07-15

Family

ID=82329046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210330995.2A Pending CN114759007A (zh) 2022-03-30 2022-03-30 一种降低受热翘曲的dbc基板

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114759007A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116130469A (zh) * 2023-04-19 2023-05-16 烟台台芯电子科技有限公司 一种功率半导体器件

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116130469A (zh) * 2023-04-19 2023-05-16 烟台台芯电子科技有限公司 一种功率半导体器件

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4524716B2 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板
JP5067187B2 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール
KR101204191B1 (ko) 방열기판
JP2003273289A (ja) セラミックス回路基板およびパワーモジュール
CN106887513B (zh) 承载设备、具有承载设备的电气设备和其制造方法
CN101789404A (zh) 散热器
KR102154369B1 (ko) 파워 모듈
US8050054B2 (en) Electronic device with a base plate
KR102542686B1 (ko) 냉각기 부착 발광 모듈 및 냉각기 부착 발광 모듈의 제조 방법
JP2008235852A (ja) セラミックス基板及びこれを用いた半導体モジュール
CN108417501B (zh) 功率模块及其制备方法
JP2004022973A (ja) セラミック回路基板および半導体モジュール
CN114759007A (zh) 一种降低受热翘曲的dbc基板
US20180025854A1 (en) Power electronic switching device, arrangement herewith and methods for producing the switching device
CN220652012U (zh) 一种基于dbc绝缘散热的to-247-5l封装结构
US8796730B2 (en) Power semiconductor module
US6586783B2 (en) Substrate for an electronic power circuit, and an electronic power module using such a substrate
JP2008124187A (ja) パワーモジュール用ベース
JP2008124187A6 (ja) パワーモジュール用ベース
US11183439B2 (en) Package structure for power device
JP7233407B2 (ja) 端子の脚部の下方の金属化層のディンプルを含むパワー半導体モジュール
WO2019189090A1 (ja) ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法
WO2018164206A1 (ja) 絶縁回路基板用端子および絶縁回路基板複合体および半導体装置複合体
JP4992302B2 (ja) パワー半導体モジュール
JP5303936B2 (ja) パワーモジュール用基板及びパワーモジュール並びにパワーモジュール用基板の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination