CN117153798B - 一种功率模块的封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种功率模块的封装结构，封装结构包括多个芯片、多个铜夹结构、多个信号端子以及衬板；多个芯片交错排列在衬板上，并通过铜夹结构固定在衬板上，其中，一个铜夹结构对应固定一个芯片；多个信号端子设置于衬板上，且信号端子垂直于衬板表面设置。本申请通过使用铜夹将芯片与衬板之间形成互连，增大了互连结构横截面积、减小换流回路的长度，并将信号端子垂直于衬板表面设置，使得封装边界不续约再预留信号端子的位置，解决了现有技术中采用传统的Si芯片的封装结构对SiC芯片进行封装所存在的寄生电感大、尺寸过大且成本过高的技术问题，实现了减小寄生电感、减小封装尺寸以及降低制造成本的技术效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及封装技术领域，尤其涉及一种功率模块的封装结构。
背景技术
第三代半导体即宽禁带半导体是指禁带宽度大于3.0 eV的半导体材料，其中碳化硅（SiC）材料得到了广泛的关注，与第一代半导体材料硅（Si）相比，SiC材料有更大的禁带宽度，更高的击穿场强与更高的热导率。
但是，（1）目前针对SiC MOSFET芯片的封装结构依然普遍参考传统Si芯片的封装结构，难以发挥SiC优越的物理特性。由于SiC MOSFET 芯片具有更小的结电容，能在极短的时间内完成开关过程，造成极高的电流变化率di/dt；但传统封装中的寄生电感较大，在极高的di/dt下会产生严重的电压过冲、振荡、电磁干扰等问题，严重的还会损坏器件造成安全事故。
（2）由于制造技术的发展，在相同功率等级下SiC MOSFET芯片具有更小的芯片面积，并且可以工作在300℃以上，但现有的封装结构难以支持SiC芯片在高温、高功率密度的环境中工作，由此，转模塑封技术成为了首选解决方案。但考虑到信号端子排布等结构限制和转模塑封对塑封体尺寸的限制，存在塑封半桥尺寸过大、集成度降低、散热器成本增加等问题。
（3）功率模块内部的寄生电感是造成电压尖峰与振荡的主要原因，因此在保证功率半导体器件正常运行的情况下应尽可能减小封装引入的寄生电感。目前在塑封的功率模块中，为了兼顾生产效率，驱动端子和功率端子一般采用一体引线框架的形式，引线框架通过焊接、烧结或超声焊接的方式与衬板进行连接，一般焊接在衬板边缘，然后驱动端子与芯片通过键合线的方式进行连接。这样设计结构简单，但是栅极电感较大，且采用引线框架的另一个问题是后续需要对端子进行切筋成型。
发明内容
本发明实施例提供一种功率模块的封装结构，解决了现有技术中采用传统的Si芯片的封装结构对SiC芯片进行封装所存在的寄生电感大、尺寸过大且成本过高的技术问题。
本发明实施例提供了一种功率模块的封装结构，所述功率模块的封装结构包括多个芯片、多个铜夹结构、多个信号端子以及衬板；
多个所述芯片交错排列在所述衬板上，并通过所述铜夹结构固定在所述衬板上，其中，一个所述铜夹结构对应固定一个所述芯片；
多个所述信号端子设置于所述衬板上，且所述信号端子垂直于所述衬板表面设置。
进一步地，所述功率模块的封装结构还包括直流端子和交流端子；
所述直流端子以层叠端子的形式设置于所述衬板的一端；
所述交流端子设置于所述衬板远离所述直流端子的一端。
进一步地，所述功率模块的封装结构还包括散热底板；所述衬板焊接在所述散热底板上；
所述散热底板上设置有多个散热齿。
进一步地，所述功率模块的封装结构还包括塑封体；
所述芯片、所述铜夹结构以及所述衬板均设置于所述塑封体内；所述信号端子穿过所述塑封体的顶部与外部设备相连接。
进一步地，所述衬板包括以下之一：活性金属钎焊陶瓷基板、覆铜陶瓷基板。
本发明实施例还提供了一种功率模块的封装结构的制造方法，上述任意实施例所述的功率模块的封装结构使用所述功率模块的封装结构的制造方法制造得到，所述制造方法包括：
转膜：将银膜转移并固定在芯片背面；
贴片：将背面固定有银膜的所述芯片贴装在衬板的相应位置；
一次加压烧结：对所述芯片完成银膜的烧结；
一次装配与回流焊接：通过回流焊接的方式将预组装组件焊接在所述衬板上，其中，所述预组装组件至少包括：门极电阻、热敏电阻、引线框架、铜夹、信号端子、直流端子以及交流端子；
引线键合：利用超声键合机通过引线实现功率模块的电气连接；
二次装配与回流焊接：将完成所述引线键合的所述衬板焊接在散热底板上；
塑封：基于塑封机将塑粉材料注入封装模具中，将完成所述二次装配与回流焊接的器件塑封在塑封体中。
进一步地，所述转膜过程中，转印温度为150~180℃，转印压力为 2~5MPa，转印时间为 0.2~1s。
进一步地，所述贴片过程中，吸嘴温度为130~150℃，基板温度为130~150℃，转印压力为3~5MPa，转印时间为0.2~1s。
进一步地，所述一次加压烧结过程中，烧结温度为230℃，烧结压力为10~15MPa，烧结时间为5~10min；
所述一次装配与回流焊接过程中，焊料的液相线温度为40~60℃，预热温度为200℃、预热时间为3~5min、焊接时间为3~5min，高温区真空时间为30~60s；
所述塑封过程中，模温为160~200℃，转进压力为30~100kgf/cm2，合模压力为80~160kgf/cm2，转进时间为20~40s，固化时间为100~200s，后固化温度为175℃，后固化时间为4~8h。
本发明实施例还提供了一种驾驶设备，所述驾驶设备包括上述任意实施例所述的功率模块的封装结构。
本发明实施例公开了一种功率模块的封装结构，封装结构包括多个芯片、多个铜夹结构、多个信号端子以及衬板；多个芯片交错排列在衬板上，并通过铜夹结构固定在衬板上，其中，一个铜夹结构对应固定一个芯片；多个信号端子设置于衬板上，且信号端子垂直于衬板表面设置。本申请通过使用铜夹将芯片与衬板之间形成互连，增大了互连结构横截面积、减小换流回路的长度，并将信号端子垂直于衬板表面设置，使得封装边界不续约再预留信号端子的位置，解决了现有技术中采用传统的Si芯片的封装结构对SiC芯片进行封装所存在的寄生电感大、尺寸过大且成本过高的技术问题，实现了减小寄生电感、减小封装尺寸以及降低制造成本的技术效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的结构图；
图2是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的外观结构图；
图3是本发明实施例提供的一种铜夹结构的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种信号端子的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种衬板的示意图；
图6是本发明实施例提供的一种散热底板的示意图；
图7是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。本发明下述各个实施例可以单独执行，各个实施例之间也可以相互结合执行，本发明实施例对此不作具体限制。
图1是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的结构图。图2是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的外观结构图。图3是本发明实施例提供的一种铜夹结构的示意图。图4是本发明实施例提供的一种信号端子的示意图。图5是本发明实施例提供的一种衬板的示意图。
如图1-图5所示，该功率模块的封装结构包括多个芯片10、多个铜夹结构20、多个信号端子30以及衬板40；多个芯片10交错排列在衬板40上，并通过铜夹结构20固定在衬板40上，其中，一个铜夹结构20对应固定一个芯片10（图1和图2中示例性地给出了8个芯片10以及8个铜夹结构20的示意图）；多个信号端子30设置于衬板40上，且信号端子30垂直于衬板40表面设置。
具体地，通过采用单体铜夹结构（clip）20使得芯片10和衬板40之间互连，相比于传统铝线的连接方式增大了互连结构横截面积、减小换流回路的长度，从而使得寄生电感减小。同时采用了腹部出针方式设置信号端子，即将信号端子30垂直衬板40设置，使得封装边界不再需要预留信号端子30的位置，在满足转模塑封工艺可行性的前提下，实现了半桥的一体式塑封，有效缩小尺寸，同时由于采用了一体式封装，省去了分体塑封后装配焊接流程，有效降低制造成本。
此外，传统采用一体化封装形式，其芯片的设置采用对称布局，通过对称式衬板，完成多芯片的并联，因此只能兼并偶数个芯片，对于特定使用场景如3芯片并联、5芯片并联等，传统封装无法均布芯片，因此不能灵活适配。本申请中的封装使用分体式衬板，可以适配任何数目芯片的并联需求，由此，提高了功率模块的兼容性，有效拓宽了产品的使用场景。
本申请通过使用铜夹将芯片与衬板之间形成互连，增大了互连结构横截面积、减小换流回路的长度，并将信号端子垂直于衬板表面设置，使得封装边界不续约再预留信号端子的位置，解决了现有技术中采用传统的Si芯片的封装结构对SiC芯片进行封装所存在的寄生电感大、尺寸过大且成本过高的技术问题，实现了减小寄生电感、减小封装尺寸以及降低制造成本的技术效果。
可选地，如图1、图2和图5所示，功率模块的封装结构还包括直流端子50和交流端子60；直流端子50以层叠端子的形式设置于衬板40的一端；交流端子60设置于衬板40远离直流端子50的一端。
具体地，直流端子50通过母排与电容相连接，直流端子50作为功率端子，其以层叠端子的形式设置于长方形衬板40的一侧短边处，由于本发明采用叠层端子，因此只需考虑两端子间的电极间隙，有效降低了模块的横向尺寸。交流端子60通过母排与电机相连接，交流端子60作为负载端子，设置于长方形衬板40的另一侧短边处，即设置于远离直流端子50的一端。
在本发明实施例中，通过将直流端子50以层叠端子的形式设置在衬板40一端，具有下述优点：减小了电源端（即上述直流端子50）和负载端（即上述交流端子60）之间的距离，降低了电感元件的长度，有效降低了杂感；电源端和负载端排列在相近位置上，缩短了电流回路的长度，减少了电感元件对电流变化的响应时间，从而降低了杂感；通过合理规划布局，将电流方向相反的导体路径邻近放置，实现回路互感对消；叠层将功率模块的电源端和负载端集成在较小的空间内，对比传统多端子解决方案，叠层端子与电容组装后显著降低杂感，提高了系统功率密度，使系统紧凑、高效。
图6是本发明实施例提供的一种散热底板的示意图。
可选地，如图1、图2和图6所示，功率模块的封装结构还包括散热底板70；衬板40焊接在散热底板70上；散热底板70上设置有多个散热齿71。
可选地，如图1和图2所示，功率模块的封装结构还包括塑封体80；芯片10、铜夹结构20以及衬板40均设置于塑封体内；信号端子30穿过塑封体80的顶部与外部设备相连接。
具体地，由于信号端子30采用了腹部出针方式，使得封装边界不再需要预留信号端子30位置，在满足转模塑封工艺可行性的前提下，实现了半桥的一体式塑封，有效缩小尺寸。
可选地，衬板40包括以下之一：活性金属钎焊陶瓷基板、覆铜陶瓷基板。
具体地，活性金属钎焊陶瓷基板（AMB）是在钎焊电子浆料中加入少量的活性元素，采用丝印技术印刷到陶瓷基板上，其上覆盖无氧铜后放到真空钎焊炉内进行烧结，然后刻蚀出图形制作电路，最后再对表面图形进行化学镀。覆铜陶瓷基板（Direct Copper Bond，DBC）具有极好的热循环性、形状稳定、刚性好、导热率高、可靠性高，覆铜面可以刻蚀出各种图形的特点。需要说明的是，衬板40的选择不限于上述两种基板，还可以是其他导热性较好的基板，在此不在具体限制。
图7是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的制造方法的流程图。上述任意实施例中的功率模块的封装结构使用功率模块的封装结构的制造方法制造得到，如图7所示，该功率模块的封装结构的制造方法具体包括如下步骤：
S701，转膜：将银膜转移并固定在芯片背面。
具体地，转膜是基于具备加热、加压功能的贴片机，将芯片贴装在纳米银膜上，通过吸头对芯片加热并施加压力，使得银膜具备一定粘性，从而固定在芯片背面。
可选地，转膜过程中，转印温度为150~180℃，转印压力为 2~5MPa，转印时间为0.2~1s。
S702，贴片：将背面固定有银膜的芯片贴装在衬板的相应位置。
具体地，贴片是基于具备加热、加压功能的贴片机，将背面预固定银膜的芯片贴装在设计位置，通过吸头对芯片加热并施加压力，使得银膜具备一定粘性，从而使芯片位置固定。
可选地，贴片过程中，吸嘴温度为130~150℃，基板温度为130~150℃，转印压力为3~5MPa，转印时间为0.2~1s。
S703，一次加压烧结：对芯片完成银膜的烧结。
具体地，一次加压烧结是通过加热加压使银膜中的有机物彻底挥发，银粒子相互连接形成致密连接层的过程。具体来说，是基于具备加压功能的烧结炉，对芯片施加一定压力，通过加压加热完成烧结，其中，提供压力的压头为定制模具。
可选地，一次加压烧结过程中，烧结温度为230℃，烧结压力为10~15MPa，烧结时间为5~10min。
S704，一次装配与回流焊接：通过回流焊接的方式将预组装组件焊接在衬板上，其中，预组装组件至少包括：门极电阻、热敏电阻、引线框架、铜夹、信号端子、直流端子以及交流端子。
可选地，一次装配与回流焊接过程中，焊料的液相线温度为40~60℃，预热温度为200℃、预热时间为3~5min、焊接时间为3~5min，高温区真空时间为30~60s。
S705，引线键合：利用超声键合机通过引线实现功率模块的电气连接。
具体地，引线键合是基于超声键合机，对键合线施加压力的同时，通过超声使得键合线在被焊接区的金属化表面迅速摩擦，使得键合线和金属化层表面产生塑性变形，从而形成焊接。
S706，二次装配与回流焊接：将完成引线键合的衬板焊接在散热底板上。
具体地，二次装配与回流焊接是将半成品基板焊接在散热底板上的过程。
S707，塑封：基于塑封机将塑粉材料注入封装模具中，将完成二次装配与回流焊接的器件塑封在塑封体中。
具体地，塑粉材料可以使用环氧树脂，利用环氧树脂将经过贴装、互连的芯片与引线框架、底板封装成具有一定外形的特征产品。基于塑封压机将塑封料注塑进入特定的封装模具中（专用模具，根据封装外形设计），在一定的温度、压力、时间条件下完成成型。
可选地，塑封过程中，模温为160~200℃，转进压力为30~100kgf/cm2，合模压力为80~160kgf/cm2，转进时间为20~40s，固化时间为100~200s，后固化温度为175℃，后固化时间为4~8h。
总之，在本发明实施例中，（1）芯片与衬板之间的连接采用了银烧结工艺，具有导电性能好，热阻低，可靠性高；（2）铜夹结果，衬板，叠层端子，散热底板之间采用回流焊接工艺，通过调节焊接范围，有效控制空洞率（低于3%），提高了功率模块的使用寿命；（3）封装采用先进的环氧树脂转模塑封工艺，有如下优势：a.提高抗环境能力，塑封封装可以提高功率模块的抗水、抗尘和抗腐蚀能力，使其适应各种恶劣的环境条件，如车内的高温、湿度和震动等。b.提高绝缘性能，塑封封装材料往往具有良好的绝缘性能，有效地防止模块的元件和电路板之间的短路和漏电现象。c.降低成本，塑封封装是一种相对简单、快速和经济的封装工艺，降低制造成本。d.内互联方式采用单体式铜夹结构连接，显著降低杂感的同时，铜夹结构还具有连接稳定性高的特性，提高了功率模块的可靠性。
本发明实施例提供的功率模块的封装结构的制造方法能够制造得到上述实施例中的功率模块的封装结构，因此本发明实施例提供的功率模块的封装结构的制造方法也具备上述实施例中所描述的有益效果，此处不再赘述。
本发明实施例还提供了一种驾驶设备，该驾驶设备包括上述任意实施例中的功率模块的封装结构。
本发明实施例提供的驾驶设备包括上述实施例中的功率模块的封装结构，因此本发明实施例提供的驾驶设备也具备上述实施例中所描述的有益效果，此处不再赘述。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (8)
1.一种功率模块的封装结构，其特征在于，所述功率模块的封装结构包括多个芯片、多个铜夹结构、多个信号端子以及衬板；
多个所述芯片交错排列在所述衬板上，并通过所述铜夹结构固定在所述衬板上，其中，一个所述铜夹结构对应固定一个所述芯片；
多个所述信号端子设置于所述衬板上，且所述信号端子垂直于所述衬板表面设置；
所述功率模块的封装结构还包括直流端子和交流端子；
所述直流端子以层叠端子的形式设置于所述衬板的一端；
所述交流端子设置于所述衬板远离所述直流端子的一端；
所述功率模块的封装结构的制造方法包括：
转膜：将银膜转移并固定在芯片背面；
贴片：将背面固定有银膜的所述芯片贴装在衬板的相应位置；
一次加压烧结：对所述芯片完成银膜的烧结；
一次装配与回流焊接：通过回流焊接的方式将预组装组件焊接在所述衬板上，其中，所述预组装组件至少包括：门极电阻、热敏电阻、引线框架、铜夹、信号端子、直流端子以及交流端子；
引线键合：利用超声键合机通过引线实现功率模块的电气连接；
二次装配与回流焊接：将完成所述引线键合的所述衬板焊接在散热底板上；
塑封：基于塑封机将塑粉材料注入封装模具中，将完成所述二次装配与回流焊接的器件塑封在塑封体中。
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，所述功率模块的封装结构还包括散热底板；所述衬板焊接在所述散热底板上；
所述散热底板上设置有多个散热齿。
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，所述功率模块的封装结构还包括塑封体；
所述芯片、所述铜夹结构以及所述衬板均设置于所述塑封体内；所述信号端子穿过所述塑封体的顶部与外部设备相连接。
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，所述衬板包括以下之一：活性金属钎焊陶瓷基板、覆铜陶瓷基板。
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，所述转膜过程中，转印温度为150~180℃，转印压力为 2~5MPa，转印时间为 0.2~1s。
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，所述贴片过程中，吸嘴温度为130~150℃，基板温度为130~150℃，转印压力为3~5MPa，转印时间为0.2~1s。
7.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述一次加压烧结过程中，烧结温度为230℃，烧结压力为10~15MPa，烧结时间为5~10min；
所述一次装配与回流焊接过程中，焊料的液相线温度为40~60℃，预热温度为200℃、预热时间为3~5min、焊接时间为3~5min，高温区真空时间为30~60s；
塑封过程中，模温为160~200℃，转进压力为30~100kgf/cm2，合模压力为80~160kgf/cm2，转进时间为20~40s，固化时间为100~200s，后固化温度为175℃，后固化时间为4~8h。
8.一种驾驶设备，其特征在于，所述驾驶设备包括上述权利要求1至7中任一项所述的功率模块的封装结构。
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