CN115360151A - 封装结构及应用该封装结构的功率模块 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开一种封装结构及功率模块，包括至少一功率芯片、焊料层、金属层、陶瓷基板和散热底板；所述焊料层设置在所述至少一功率芯片与所述金属层之间；所述金属层设置在所述陶瓷基板靠近所述至少一功率芯片的一侧表面上；所述陶瓷基板设置在所述散热底板靠近所述至少一功率芯片的一侧表面上；其中，所述陶瓷基板与所述散热底板之间键合连接。采用本申请的实施例，可以降低模块的热阻以及热应力，可以简化模块的封装，可以提升模块散热能力，并且工艺简单。
Description
技术领域
本申请涉及功率模块的封装技术领域，尤其涉及一种封装结构及应用该封装结构的功率模块。
背景技术
随着电子技术的发展，功率模块已经吸引了越来越多的关注。功率模块中内部封装的功率芯片包括绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或者金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)。高压IGBT模块的功率密度的提升将会导致模块内部会产生较高的热量，从而引起结温的升高，因此将会增加损失密度和热应力。
通常可以通过减小结与壳之间的热阻来有效地缓解热应力。然而，现有功率模块的导热路径较长，同时其制造工艺也非常复杂，散热效率较差，将会降低功率模块的可靠性。
发明内容
本申请提供一种封装结构及应用该封装结构的功率模块，可以降低热阻以及热应力。可以简化模块的封装，可以提升模块散热能力，并且工艺简单，可以提升产品的竞争力。
第一方面，本申请的实施例提供一种封装结构，包括至少一功率芯片、焊料层、金属层、陶瓷基板和散热底板；所述焊料层设置在所述至少一功率芯片与所述金属层之间；所述金属层设置在所述陶瓷基板靠近所述至少一功率芯片的一侧表面上；所述陶瓷基板设置在所述散热底板靠近所述至少一功率芯片的一侧表面上；其中，所述陶瓷基板与所述散热底板之间键合连接。
作为一种可选实施方式，所述陶瓷基板与所述散热底板之间设有氧化物，以实现所述陶瓷基板与所述散热底板之间的键合连接。
作为一种可选实施方式，所述陶瓷基板为氮化铝陶瓷基板、氮化硅陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板中的任意一种。
作为一种可选实施方式，所述焊料层由Sn-Sb焊料制成。
作为一种可选实施方式，所述陶瓷基板远离所述至少一功率芯片的一侧表面上设有熔融铝，所述熔融铝与所述陶瓷基板产生金属键合。
作为一种可选实施方式，所述熔融铝的浇筑温度为700-800摄氏度，所述陶瓷基板与所述熔融铝的键合薄利强度为300-350兆帕。
作为一种可选实施方式，所述封装结构包括多个功率芯片，相邻的两个所述功率芯片之间的间距为1.5-8.5毫米。
作为一种可选实施方式，所述散热底板远离所述功率芯片的一侧表面设有多个散热结构。
作为一种可选实施方式，所述散热结构采用针翅结构。
第二方面，本申请的实施例还提供一种功率模块，所述功率模块包括如上述所述的封装结构。所述功率模块还可以包括封装外壳，所述封装外壳上设置有多个端子，所述功率芯片可以电连接于所述多个端子。
采用本申请实施例中的封装结构及功率模块，可以降低热阻以及热应力，简化了模块的封装，可以提升模块散热能力，并且工艺简单，可以提升产品的竞争力。
附图说明
图1是一种封装结构的结构示意图。
图2是本申请实施例提供的一种封装结构的结构示意图。
图3是本申请实施例的一种封装结构的另一结构示意图。
图4是本申请实施例的一种封装结构的另一结构示意图。
图5是本申请实施例的一种封装结构的另一结构示意图。
主要元件符号说明
| 封装结构 | 100、200 |
| 功率芯片 | 101、201、201a、201b、201c |
| 焊料层 | 102、106、202 |
| 金属层 | 103、105、203 |
| 陶瓷基板 | 104、204 |
| 散热底板 | 107、205 |
| 散热结构 | 206 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中设置的元件。当一个元件被认为是“设置在”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中设置的元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
可以理解，功率模块可以是一种将电源的电压、电流、周波数等进行变换的半导体装置，可以是电源电路进行电力变换的核心装置。由于功率模块的内部会产生较高的热量，从而会引起结温的升高。若产生的热量不能及时地排出，较高的结温会影响模块的可靠性。
示例地，在一种场景下，如图1所示，一种封装结构100可以包括依次设置的功率芯片101、焊料层102、金属层103、陶瓷基板104、金属层105、焊料层106以及散热底板107。所述功率芯片101设置在封装结构的顶部位置，即所述功率芯片101设置在所述焊料层102的一侧表面上，所述金属层103设置在所述焊料层102与所述陶瓷基板104之间，所述金属层105设置在所述陶瓷基板104与所述焊料层106之间，所述焊料层106设置在所述散热底板107上。可以理解，基于图1所示场景下的封装结构，可以实现对功率芯片的散热，进而可以提升功率模块的可靠性。显然，上述方案中，由于使用了多个封装部件，如此将导致功率芯片的导热路径过长，散热效率较差，并且制造工艺也较为复杂，降低产品的竞争力。
因此，本申请的实施例提供一种封装结构及应用该封装结构的功率模块，该封装结构和功率模块可以缩短热量的传输路径，进而实现更高效的散热。采用本申请的实施例的封装结构和功率模块可以降低热阻以及热应力，可以简化结构并且工艺简单，提升产品的竞争力。
请参阅图2，为本申请的一个实施例提供的一种封装结构200的结构示意图。如图2所示，本实施例中，所述封装结构200可以包括至少一功率芯片201、焊料层202、金属层203、陶瓷基板204以及散热底板205。
本申请的实施例中，所述功率芯片201可以设置在所述焊料层202的一侧表面。具体地，所述功率芯片201可以连接于所述焊料层202，所述焊料层202可以位于所述金属层203与所述功率芯片201之间，所述焊料层202可以连接于所述金属层203与所述至少一功率芯片201之间。
所述陶瓷基板204可以设置在所述散热底板205靠近所述功率芯片201的一侧表面，所述陶瓷基板204可以位于所述金属层203与所述散热底板205之间。所述金属层103可以连接于所述陶瓷基板104，所述陶瓷基板204可以连接于所述散热底板205。可以理解，在具体的实现过程中，所述焊料层202可以焊接于所述至少一功率芯片201与所述金属层103之间其中，所述焊料层202可以采用Sn-Sb焊料制成。可以理解，由于Sn-Sb焊料具有良好的抗热应力可靠性，采用该Sn-Sb焊料的焊料层比传统焊料层薄40％，具有更好的导热性。
在一些实施例中，所述金属层203可以为铝金属层或者铜金属层。
在一些实施例中，所述陶瓷基板204可以由氮化铝、氮化硅、氧化铝中的任意一种材料制成。即本申请实施例中的所述陶瓷基板204可以是一种氮化铝陶瓷基板、氮化硅陶瓷基板或者氧化铝陶瓷基板。
在一种实施例中，所述散热底板205可以为金属散热底板，例如，所述散热底板205可以为铜散热底板。可以理解，所述散热底板205可以直接与外界空气接触进行散热。
在一种可能的实现方式中，所述陶瓷基板204与所述金属层203之间可以采用键合连接。例如，所述陶瓷基板204可以通过化学键连接于所述金属层203。具体地，所述陶瓷基板204与所述金属层203之间可以通过氧化物实现键合连接。例如，所述陶瓷基板204与所述金属层203之间可以设有薄层氧化物，所述氧化物的厚度可以在纳米尺度。
可以理解，在一种可能的实现方式中，所述陶瓷基板204与所述散热底板205之间可以键合连接。例如，所述陶瓷基板204可以通过化学键连接于所述散热底板205。具体地，所述陶瓷基板204与所述散热底板205之间可以通过氧化物实现键合连接。例如，所述陶瓷基板204与所述散热底板205之间可以设有薄层氧化物，所述氧化物的厚度可以在纳米尺度。
本实施例中，所述陶瓷基板204与所述散热底板205之间采用键合连接工艺。与传统的活性金属钎覆铜(Active Metal Brazing，AMB)技术不同在于，本申请实施例采用熔融铝浇筑在所述陶瓷基板204的表面，所述陶瓷基板204的氮化铝可以和熔融铝发生金属键合，进而可以形成统一连接体，由于所述陶瓷基板204的表面的浸润性较好，熔融铝可以很好的在其表面铺展，因此产生的孔洞更小。
可以理解，在上述的键合连接工艺中，该熔融铝的浇筑温度可以为700-800摄氏度。所述陶瓷基板204的氮化铝与熔融铝的键合薄利强度可以为300-350兆帕。
可以理解，相较于图1示出的封装结构100，本实施例中的封装结构200中，所述陶瓷基板204与所述金属层203之间可以采用键合连接，并且所述陶瓷基板204与所述金属层203之间减少了焊料层以及对应焊接工艺设计。基于这样的设计，可以有效地缩短热量传输路径，降低了热阻，进而可以有效提升封装结构及功率模块的散热效率，并且工艺也更为简单。
此外，传统的焊料连接由于需要控制降低焊料层空洞率，封装基板的尺寸大小会受到限制，本申请实施例的封装结构可以避免上述问题，从而设计出大面积尺寸的封装基板结构。
可以理解，本实施例中，由于所述陶瓷基板204与所述散热底板205之间采用键合连接工艺，因此所述散热底板205的平整度更高，并且可以减薄所述散热底板205与热沉之间的导热硅脂厚度。例如，本申请实施例可以通过降低所述散热底板205的接触表面粗糙度，降低接触面的接触热阻，降低接触界面的空气缝隙。
请参阅图3，为本申请的另一个实施例提供的封装结构200的结构示意图。
与图2实施例示出的封装结构的区别在于，如图3所示，本实施例中，所述散热底板205远离所述功率芯片201的一侧表面可以设有多个散热结构206。
具体地，在所述散热底板205远离所述功率芯片201的一侧表面设置有散热结构206，可以提高所述散热底板205的散热性能，从而进一步提高了封装结构以及功率模块的散热性能。
可选地，所述散热结构206可以采用针翅结构，本申请实施例通过在所述散热底板205远离所述功率芯片201的一侧表面设置高密度的针翅结构，大大增加了所述散热底板205与空气的接触面积，从而提高了散热底板205的散热性能。
基于这样的设计，本申请实施例不仅可以实现散热器与封装基板的一体化，还可以提升封装结构以及功率模块的散热性能。此外，本申请实施例中，将散热器与封装基板集成一体化，可以减少常规封装工艺中封装基板与散热器回流焊接工艺，简化了封装工艺。
如图4所示，在一种实施例中，所述封装结构200可以包括多个功率芯片(图4仅以三个功率芯片201a、201b、201c为例进行说明，可以多于三个或者少于三个)。所述功率芯片201a、201b、201c间隔设置在所述焊料层202上。可以理解，本实施例中，所述功率芯片201a与所述功率芯片201b之间的间距可以为第一长度D1，所述功率芯片201b与所述功率芯片201c之间的间距可以为D1。基于这样的设计，可以提升功率芯片的散热效率。
图5示出了所述封装结构200可以包括两个功率芯片201a、201b。图5示出的实施例中，所述功率芯片201a和所述功率芯片201b间隔地设置在所述焊料层202上。可以理解，本实施例中，所述功率芯片201a与所述功率芯片201b之间的间距可以为第二长度D2。其中所述第二长度D2大于所述第一长度D1。
可以看出，本申请的实施例可以增加每一功率芯片之间的间隔距离，由此可以大大降低功率芯片之间热耦合。可选地，每相邻的两个功率芯片201之间的距离可以为1.5-8.5毫米。
在相同工作条件下，功率芯片的结温可以得到降低。由于热耦合情况的降低，功率芯片的平均温度可以由136.5摄氏度降低为127.4摄氏度。显而易见，功率芯片的结温每降低10度，器件的工作寿命可以加倍。因此，本申请的实施例可提升功率模块的使用寿命。
可以理解，本申请的实施例的散热底板205将所述功率芯片201寸安装空间扩大了25％，因此每相邻两个功率芯片之间的距离可以从1.5毫米扩大到8.5毫米，进而也可以降低功率芯片之间热耦合。
本申请的实施例还提供一种功率模块，所述功率模块可以包括上述实施例中的封装结构。可以理解，所述功率模块还可以包括封装外壳，所述封装外壳上设置有多个端子，所述功率芯片可以电连接于所述多个端子。
因此，采用本申请实施例中的封装结构和功率模块，可以降低热阻以及热应力。并且该封装结构及功率模块结构简单，可以提升模块散热能力，并且工艺简单，可以提升产品的竞争力。
以上所述，仅是本申请的较佳实施方式而已，并非对本申请任何形式上的限制，虽然本申请已是较佳实施方式揭露如上，并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本申请技术方案内容，依据本申请的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种封装结构，其特征在于，包括至少一功率芯片、焊料层、金属层、陶瓷基板和散热底板；
所述焊料层设置在所述至少一功率芯片与所述金属层之间；
所述金属层设置在所述陶瓷基板靠近所述至少一功率芯片的一侧表面上；
所述陶瓷基板设置在所述散热底板靠近所述至少一功率芯片的一侧表面上；其中，所述陶瓷基板与所述散热底板之间键合连接。
2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，
所述陶瓷基板与所述散热底板之间设有氧化物，以实现所述陶瓷基板与所述散热底板之间的键合连接。
3.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，
所述陶瓷基板为氮化铝陶瓷基板、氮化硅陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板中的任意一种。
4.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，
所述焊料层由Sn-Sb焊料制成。
5.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，
所述陶瓷基板远离所述至少一功率芯片的一侧表面上设有熔融铝，所述熔融铝与所述陶瓷基板产生金属键合。
6.如权利要求5所述的封装结构，其特征在于，
所述熔融铝的浇筑温度为700-800摄氏度，所述陶瓷基板与所述熔融铝的键合薄利强度为300-350兆帕。
7.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，
所述封装结构包括多个功率芯片，相邻的两个所述功率芯片之间的间距为1.5-8.5毫米。
8.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，
所述散热底板远离所述功率芯片的一侧表面设有多个散热结构。
9.如权利要求8所述的封装结构，其特征在于，
所述散热结构采用针翅结构。
10.一种功率模块，其特征在于，所述功率模块包括如权利要求1-9任意一项所述的封装结构。
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