CN115579346B - 功率模块的连接结构、封装结构以及制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率模块的连接结构、封装结构以及制作工艺，所述连接结构包括：包括至少一个铜板和金属板；所述铜板包括开设于所述铜板上的第一孔和连接在所述铜板上的铜带；所述铜带的两个相对的边缘分别一体连接于所述第一孔的两个相对的边缘；所述铜带凸起于所述铜板的第一侧；所述金属板固定于所述铜板的第二侧。本发明更有利于加工，并方便焊接工艺的操作，且可以减小导通电阻。

Description

功率模块的连接结构、封装结构以及制作工艺
技术领域
本发明涉及芯片封装领域，具体涉及一种功率模块的连接结构、封装结构以及制作工艺。
背景技术
在电源，电力电子变换器应用中，功率半导体(IGBT，MOSFET，SiC,GaN等)器件因为被广泛采用，在功率较大的场合下一般使用模块的封装形式。图1为现有技术中的功率模块的一种连接结构的示意图。如图1所示，功率模块主要由底板3，底板3上固定有外壳4。在底板3上通过焊接层6固定有基板组件7。芯片8通过焊接层6固定于基板组件7。使用铝绑定线9对芯片8进行电气连接。基板组件7再焊接到底板上，芯片8通过底板3散热。随着功率半导体芯片的功率密度的提高，尤其是SiC、GaN等的宽带半导体的出现，同等电流输出的情况下，芯片面积越来越小，可以进行绑定线的数量与面积也越来越小。这样使用铝绑定线会带来两个问题，一个是可以使用的铝绑定线减少，这样等效的导电截面积也随之减小，增加电路的电阻，增加功率模块内的损耗，同时电路的寄生电感也会增加。第二个是功率循环寿命也会随着铝绑定线与芯片的接触面积的减少也会相应的减少，因为半导体芯片的热膨胀系数为2x10-6/K到4x10-6/K，铝为23x10-6/K，半导体芯片在高低温变化时产生的热膨胀量的不匹配带来两种材料之间的接触面的机械疲劳，如果接触面积越小则功率循环寿命越少。
图2为现有技术中的功率模块的另一种连接结构的示意图。如图2所示，为了解决上述问题也有使用铜绑定线11来代替铝绑定线9的方法。铜的导电能力强可以减小导通电阻和寄生电感，同时铜框架和芯片8的接触面积大，并且铜的热膨胀系数为16.9x10-6/K，远低于铝，这样可以增强功率循环寿命。图2所示结构的缺点是铜绑定线的硬度远大于铝绑定线，需要更大的力量才能实现铜绑定线与半导体芯片的键合。而半导体芯片无法承受较大的键合力，往往引起芯片的龟裂。如图2所示，目前解决这个问题方法主要为在芯片8上连接一层几十微米到200微米的铜箔层10来吸收铜绑定线11与芯片8表面键合时的力量，但是这一方法中，镀铜或者烧结铜箔层到芯片表面的工艺复杂，成本高昂。
另外，无论使用铝绑定线还是铜绑定线，因为其一般直径在500um以下，导电能力有极限。
现有技术中，也有一些方案是使用设置有凸出于铜板的铜带进行芯片的电气连接的，但是，这样的缺点是，如果铜板较薄，则导通电阻大，寄生电感增加，如果铜板较厚，则与铜绑定线的技术类似，工艺加工较为困难。且如果将铜带焊接于铜板，则目前工艺能力只能限制在≤0.2mm厚度铜带，铜带的导电能力欠佳。
发明内容
针对现有技术中功率模块的连接结构加工容易和提高导电能力二者不可兼得的不足，本发明公开了一种功率模块的连接结构、封装结构以及制作工艺。
本发明所采用的技术方案如下：
一种功率模块的连接结构，包括至少一个铜板和金属板；所述铜板包括开设于所述铜板上的第一孔和连接在所述铜板上的铜带；所述铜带的两个相对的边缘分别一体连接于所述第一孔的两个相对的边缘；所述铜带凸起于所述铜板的第一侧；所述金属板固定于所述铜板的第二侧。
其进一步的技术方案为，所述铜板的厚度小于所述金属板的厚度。
其进一步的技术方案为，所述铜板的厚度为0.2mm-0.7mm；所述金属板的厚度为0.8mm-3mm。
其进一步的技术方案为，所述金属板至少覆盖所述第一孔。
其进一步的技术方案为，所述铜板的数量超过一个；多个所述铜板的第二侧均固定于同一个所述金属板的同一侧。
其进一步的技术方案为，所述金属板开设有第二孔；所述第二孔的位置不被所述铜板遮挡。
其进一步的技术方案为，所述金属板为铜制成。
一种功率模块的封装结构，包括如上任一项所述的连接结构；所述封装结构还包括：底板、安装于所述底板的外壳、固定在所述底板上的基板组件和固定于所述基板组件的芯片；在所述底板和所述外壳之间形成有安装空间；所述铜带固定于所述芯片的电气接触点，将所述芯片与功率模块的内部电路或者引线框架连接在一起；在所述安装空间之中填充有胶体，将所述连接结构固定。
其进一步的技术方案为，所述金属板包括第二孔，所述胶体填充入所述第二孔并经过所述第二孔流动至所述铜板的第一侧。
一种功率模块的连接结构的制作工艺，所述制作工艺用于制作如上任一项所述的连接结构，包括：
铜带成型；在所述铜板的第二侧冲压，形成第一孔，并同时在所述铜板的第一侧形成铜带，所述铜带的两个相对的第一组边缘分别一体连接于所述第一孔的两个相对的边缘；所述铜带的两个相对的第二组边缘与所述铜板分离；
固定；将所述金属板固定于所述铜板的第二侧。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的实施例设计了一种两层一体的连接结构，其中一层铜板制作的较薄，更有利于加工，并方便焊接工艺的操作，便于将其固定于芯片的电气接触点，另一层金属板制作的较厚，适合通过大电流，进一步减少导通电阻。本发明的实施例改善了现有技术中便于加工和导通电阻小这两个优点不能兼容的问题。
2、本发明的实施例进一步的还在金属板上设计了第二孔，解决了金属板可能会影响在后期功率模块封装工艺中灌入胶体的流动性的问题，在金属板上开设第二孔，方便胶体流动，且保证胶体可以流动到金属板下方的铜板之处。
3、本发明的实施例相对于使用铝绑定线作为连接结构的技术方案，其热膨胀系数与半导体芯片接近，功率循环寿命大为提高；相对铜绑定线，本发明的实施例在芯片表面不需要连接较厚的铜箔，工艺简单，成本低。另外，本发明的实施例相对于铝绑定线和铜绑定线，与芯片表面的接触面积增加，电路的大部分通过较厚的铜板，大大减少导通电阻，也降低了寄生电感。
4、本发明的实施例相对于现有技术中铜带形成于单层铜板上的技术方案，更适合于使用冲压的方式加工铜带。本发明的实施例设计了铜板和金属板两层结构，使得可以在金属板上固定多个铜板，这样，就可以分别对每个铜板通过多次冲压工艺形成铜带的同时，保证整个连接结构依旧是一个整体，确保较大的电流可以从金属板通过，不影响连接结构本身的导电功能。当需要较为复杂的铜带的结构和布局时，多个铜板的结构也可以不一致，便于通过多次冲压工艺进行加工，达到最终更多芯片和电气连接的复杂结构设计所需要求。
附图说明
图1为现有技术中的功率模块的一种连接结构的示意图。
图2为现有技术中的功率模块的另一种连接结构的示意图。
图3为本发明功率模块的连接结构的一个实施例的立体图。
图4为图3所示结构的侧视图。
图5为图4所示结构沿A线的剖面图。
图6为本发明功率模块的连接结构的另一个实施例的立体图。
图7为图6所示结构另一个方向的示意图。
图8为图6所示结构的侧视图。
图9为图8所示结构沿B线的剖面图。
图10为本发明功率模块的连接结构的第三个实施例的立体图。
图11为图10所示结构中铜板的立体图。
图12为图10所示结构中金属板的立体图。
图13为本发明功率模块的封装结构的一个实施例的示意图。
图中：1、铜板；101、第一孔；102、铜带；103、第三孔；2、金属板；201、第二孔；3、底板；4、外壳；5、胶体；6、焊接层；7、基板组件；8、芯片；9、铝绑定线；10、铜箔层；11、铜绑定线。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
实施例1。
图3为本发明功率模块的连接结构的一个实施例的立体图。图4为图3所示结构的侧视图。图5为图4所示结构沿A线的剖面图。如图3～图5所示，功率模块的连接结构包括铜板1和金属板2。铜板1包括开设于铜板1上的第一孔101和连接在铜板1上的铜带102。铜带102的两个相对的边缘分别一体连接于第一孔101的两个相对的边缘。第一孔101优选为冲压所形成的冲压孔。第一孔101可以有多个，具体数量根据芯片的实际电气连接的需要设置。在进行冲压的时候同时形成铜带102。铜带102凸起于铜板1的第一侧。在本实施例中，铜带102包括平行于铜板1的接触面和连接面。接触面平行于铜板1，以便于在固定至芯片时增大焊接面积。两个连接面将接触面的两个相对的边缘分别一体连接于第一孔101的两个边缘。
金属板2固定于铜板1的第二侧，并覆盖至少所有的第一孔101。在本实施例中金属板2的面积和铜板1的面积相等。具体的，金属板2可以通过焊接、激光或者烧结等形式固定于铜板1，与铜板1形成一体化构件。
进一步的，铜板1的厚度小于金属板2的厚度。具体的，铜板1的厚度优选为0.2mm-0.7mm，金属板2的厚度优选为0.8mm-3mm。金属板2优选为铜制成。
实施例1中，铜板1上制作有铜带102用于芯片的电气连接。对铜板1进行冲压加工形成用于电气接触的铜带102，而金属板2则用于大部分电流的通过，以减小整个连接结构的导通电阻。优选的，铜板1制作的较薄，一方面更有利于加工，另一方面方便焊接工艺的操作，便于将其固定于芯片的电气接触点，金属板2制作的较厚，适合通过大电流，进一步减少整个连接结构的导通电阻。在现有技术中，一般来说仅有一层铜板结构，如果铜板制作的过厚，虽然有利于电流通过，但是不利于加工，如果铜板制作的较薄，虽然利于加工，但是导通电阻过大，实施例1改善了现有技术中便于加工和导通电阻小这两个优点不能兼容的问题。
实施例2。
图6为本发明功率模块的连接结构的另一个实施例的立体图。图7为图6所示结构另一个方向的示意图。图8为图6所示结构的侧视图。图9为图8所示结构沿B线的剖面图。如图6～图9所示，实施例2相对于实施例1，进一步的，在金属板2上开设有第二孔201，在本实施例中，第二孔201的数量与第一孔101的数量相同，当金属板2固定于铜板1的时候，优选第二孔201的位置在芯片8的上方，具体的，可以每个第二孔201的位置与每个第一孔101对应。第二孔201的面积优选与第一孔101相同或者稍大。
实施例1中，由于增加了金属板2，可能会影响在后期功率模块封装工艺中灌入胶体的流动性。实施例2针对此问题，提出了更优选的方案，即在金属板2上开设第二孔201，方便胶体5流动，且保证胶体5可以流动到金属板2下方的铜板1之处。
实施例3。
图10为本发明功率模块的连接结构的第三个实施例的立体图。如图10所示，相对于实施例1而言，在实施例3中，包括有多个铜板1。多个铜板1的第二侧均固定于金属板2的同一侧。
由于铜带102优选使用冲压形成，而冲压受限于其工艺本身，一次性可以冲压形成铜带102的个数是有限的。当所需要进行连接的电气接触点较多时，需要将较多的铜带102形成于一个整体的连接结构上，且同时不影响大电流的导电效果，在工艺上是比较困难的。另外，如果功率模块的封装结构中具有多个芯片，则铜带102的分布形状会较为复杂，难以通过一次冲压工艺加工而成，加工难度加大。
可以从实施例3看出，本发明是可以解决现有技术中存在的这一技术问题的，实施例3中，多个铜板1均固定于金属板2的同一侧，使得可以通过多次冲压工艺形成铜带102的同时，保证整个连接结构依旧是一个整体，确保较大的电流可以从金属板2通过，不影响连接结构本身的导电功能。图10中的金属板2上固定有两个结构一致的铜板1，本领域技术人员可以理解，当需要较为复杂的铜带102的结构和布局时，多个铜板1的结构也可以不一致，便于通过多次冲压工艺进行加工，但不影响连接结构的性能。可以采用多块铜板1和金属板2通过激光或者烧结到一起，达到最终更多芯片和电气连接的复杂结构设计所需要求。
图11为图10所示结构中铜板的立体图。图12为图10所示结构中金属板的立体图。参见图10～图12，进一步的，在实施例3中，铜板1还包括第三孔103，第三孔103形成于整个铜板1的中间位置，且第三孔103面积较大，使得第三孔103与多个第一孔101连通。金属板2也在中间位置开设了至少一个第二孔201。而金属板2上的第二孔201与第三孔103是位置对应的，第三孔103的作用也是方便胶体5的流动，且保证胶体5可以流动到金属板2下方的铜板1之处。
只要保证第二孔201的位置不被铜板1遮挡，就可以保证胶体5的有效流通。在实施例2中，多个第二孔201需要分别与每个第一孔101对齐，这增加了对准的工作，如果无法准确对齐，则影响第一孔101和第二孔201之间连通面积的大小。相对实施例2中这一个问题而言，实施例3提出了另一种实施方式，设计了较大面积的第三孔103的结构，可以方便简单的与金属板2上的第二孔201对齐，减少了相应的流程工序中的精准度要求，也降低了产品的不良率。同时也节省了金属板2的用料。
实施例4。
图13为本发明功率模块的封装结构的一个实施例的示意图。如图13所示，功率模块的封装结构包括底板3和外壳4。外壳4通过点胶工艺连接于底板3。基板组件7通过焊接层6固定于底板3。芯片8通过焊接层6固定于基板组件7之上。在本实施例中，基板组件7包括双面覆铜陶瓷基板(DBC，Direct Bonding Copper)结构。
底板3主要用于功率模块工作时的散热。焊接层6为锡膏或者锡片在焊接时形成，用于底板3和基板组件7之间，以及基板组件7和芯片8之间的固定连接。在基板组件7上实现设计所需的电路结构。
在底板3和外壳4之间的安装空间中灌注胶体5，其作用是防腐防潮保护内部电路，同时又对内部各部件进行高压隔离。胶体5可以是硅凝胶或者环氧树脂。
连接结构如实施例1～实施例3任一项所示。在实施例2和实施例3中，金属板上开设有第二孔201，则胶体5填充入第二孔201并流动至铜板1的一侧，对铜板1下方的芯片8的结构进行灌注。连接结构将所述芯片8与功率模块的内部电路或者引线框架连接在一起。
在实施例4中，功率模块使用了实施例1～实施例3任一项所示的连接结构，可以在方便加工的情况下，使得芯片8的大电流从金属板2流过，减小导通电阻和各种寄生元件。
实施例5。
实施例5是功率模块的连接结构的制作工艺，用于制作实施例1～实施例3中任一项的功率模块的连接结构，包括以下步骤：
铜带成型；在铜板1的第二侧冲压，形成第一孔101，并同时由于冲压的作用，在铜板1的第二侧形成铜带102，且铜带102的第一组相对的边缘一体连接于铜板1，且具体是连接在第一孔101的两个相对的边缘上，铜带102的第二组相对的边缘与铜板1分离；
固定；将金属板2固定于铜板1的第二侧。金属板2优选铜材料制成，以进一步增强导电性。优选通过焊接、激光或者烧结的工艺，将铜板1和金属板2固定形成一体化结构件。
在固定步骤之后，进一步的，将铜带102通过焊接或者烧结的方法固定于芯片8的电气接触点，将芯片8与半导体的内部电路或者引线框架连接在一起。
基于实施例1～实施例3任一项的连接结构，实施例4的制作工艺，步骤工艺简单，便于加工，很容易就可以形成铜带102，且相对于现有技术的焊接之类的固定方式而言，可以保证铜带102与铜板1的牢固连接，成品率高，制作效率高。通过更换冲压模具，还可以方便的制作不同形状的铜带102，如实施例1和实施例3中分别所示出的。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种功率模块的封装结构，其特征在于，包括连接结构，连接结构包括至少一个铜板（1）和金属板（2）；所述铜板（1）包括开设于所述铜板（1）上的第一孔（101）和连接在所述铜板（1）上的铜带（102）；所述铜带（102）的两个相对的边缘分别一体连接于所述第一孔（101）的两个相对的边缘；所述铜带（102）凸起于所述铜板（1）的第一侧；所述金属板（2）固定于所述铜板（1）的第二侧；
铜带（102）包括平行于铜板（1）的接触面和连接面；接触面平行于铜板（1），以便于在固定至芯片时增大焊接面积；两个连接面将接触面的两个相对的边缘分别一体连接于第一孔（101）的两个边缘；
铜带（102）的第一组相对的边缘一体连接于铜板（1），且连接在第一孔（101）的两个相对的边缘上，铜带（102）的第二组相对的边缘与铜板（1）分离；
铜板（1）还包括第三孔（103），第三孔（103）形成于整个铜板（1）的中间位置，且第三孔（103）与多个第一孔（101）连通；金属板（2）在中间位置开设了至少一个第二孔（201）；而金属板（2）上的第二孔（201）与第三孔（103）是位置对应的，第二孔（201）和第三孔（103）的作用是方便胶体（5）的流动，且保证胶体（5）可以流动到金属板（2）下方的铜板（1）之处；
所述铜板（1）的厚度为0.2mm-0.7mm；所述金属板（2）的厚度为0.8mm-3mm；
封装结构包括：底板（3）、安装于所述底板（3）的外壳（4）、固定在所述底板（3）上的基板组件（7）和固定于所述基板组件（7）的芯片（8）；在所述底板（3）和所述外壳（4）之间形成有安装空间；所述铜带（102）固定于所述芯片（8）的电气接触点，将所述芯片（8）与功率模块的内部电路或者引线框架连接在一起；在所述安装空间之中填充有胶体（5），将所述连接结构固定；
所述金属板（2）包括第二孔（201），所述胶体（5）填充入所述第二孔（201）并经过所述第二孔（201）流动至所述铜板（1）的第一侧。
2.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述铜板（1）的厚度小于所述金属板（2）的厚度。
3.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述金属板（2）至少覆盖所述第一孔（101）。
4.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述铜板（1）的数量超过一个；多个所述铜板（1）的第二侧均固定于同一个所述金属板（2）的同一侧。
5.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述金属板（2）开设有第二孔（201）；所述第二孔（201）的位置不被所述铜板（1）遮挡。
6.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于：所述金属板（2）为铜制成。
7.一种功率模块的封装结构的制作工艺，其特征在于，所述制作工艺用于制作权利要求1~6任一项所述的封装结构，包括：
铜带成型；在所述铜板（1）的第二侧冲压，形成第一孔（101），并同时在所述铜板（1）的第一侧形成铜带（102），所述铜带（102）的两个相对的第一组边缘分别一体连接于所述第一孔（101）的两个相对的边缘；所述铜带（102）的两个相对的第二组边缘与所述铜板（1）分离；
固定；将所述金属板（2）固定于所述铜板（1）的第二侧。
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