CN117174661A - 功率模块及半导体器件 - Google Patents
功率模块及半导体器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117174661A CN117174661A CN202211382449.XA CN202211382449A CN117174661A CN 117174661 A CN117174661 A CN 117174661A CN 202211382449 A CN202211382449 A CN 202211382449A CN 117174661 A CN117174661 A CN 117174661A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- power module
- copper
- nickel
- metal
- 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
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 10
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 113
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims abstract description 86
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 73
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 73
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 73
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 56
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910018100 Ni-Sn Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910018532 Ni—Sn Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- PQIJHIWFHSVPMH-UHFFFAOYSA-N [Cu].[Ag].[Sn] Chemical group [Cu].[Ag].[Sn] PQIJHIWFHSVPMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GVFOJDIFWSDNOY-UHFFFAOYSA-N antimony tin Chemical compound [Sn].[Sb] GVFOJDIFWSDNOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000969 tin-silver-copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005336 cracking Methods 0.000 abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 7
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 6
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 Al 2 O 3 -AMB Chemical compound 0.000 description 1
- 229910017755 Cu-Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017927 Cu—Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
Abstract
本发明涉及一种功率模块及半导体器件，属于半导体技术领域。其中，功率模块包括：覆金属层基板，包括基板本体、及分别设置在基板本体的相对设置的两表面上的金属层；导热件，通过热扩散或焊料层与其中一个金属层连接固定；以及镍镀层，设置于其中一个金属层和焊料层之间；其中，金属层为铜镀层，镍镀层涂覆于其中一个铜镀层上，且沿其中一个铜镀层的周长以至少覆盖其中一个铜镀层的外围区域。通过在铜镀层和焊料层之间设置有镍镀层，以使镍镀层和焊料层之间在反应条件下生成Ni‑Sn金属间化合物层，该Ni‑Sn金属间化合物层的致密且强度高，可避免覆金属层基板在服役过程中因热失配而导致焊料层和覆金属层基板之间分层或开裂，提高功率模块的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率模块及半导体器件，属于功率半导体技术领域。
背景技术
功率模块，是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成一个模块；由于功率模块在工作时通常会在高电流、高电压下进行频繁的开断，伴随会产生成大量的热，功率模块若不及时有效进行散热，较高的温度会影响功率模块的正常工作，影响芯片的性能。因此，为功率模块设计高效的散热方案十分重要。
目前市面上的功率模块一般会在覆金属层基板的一面上焊接一块铜底板，从而对功率模块整体进行散热。然而，由于焊接面积较大，且功率模块在服役过程中的热失配，容易导致焊料层和基板产生分层或裂纹，该分层或裂纹通常由焊接界面的四角向中间扩展，从而对功率模块整体的可靠性造成影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率模块及半导体器件，其能够提高功率模块整体的可靠性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种功率模块，包括：
覆金属层基板，包括基板本体、及分别设置在基板本体的相对设置的两表面上的金属层；
导热件，通过焊料层与其中一个所述金属层连接固定；以及
镍镀层，设置于其中一个所述金属层和所述焊料层之间；
其中，所述金属层为铜镀层，所述镍镀层涂覆于所述其中一个所述铜镀层上，且沿其中一个所述铜镀层的周长以至少覆盖其中一个所述铜镀层的外围区域。
在其中一个实施例中，所述镍镀层不完全覆盖所述铜镀层；
所述镍镀层呈中空环形结构，以使所述镍镀层具有空白区，所述空白区的长度小于等于所述铜镀层的长度的一半；所述空白区的宽度小于等于所述铜镀层的宽度的一半。
在其中一个实施例中，所述镍镀层的面积等于所述铜镀层的面积，以使所述镍镀层完全覆盖所述铜镀层。
在其中一个实施例中，所述镍镀层的厚度不小于0.1微米。
在其中一个实施例中，所述镍镀层的厚度为2微米-4微米。
在其中一个实施例中，所述焊料层的材料为锡银铜或锡锑。
在其中一个实施例中，所述焊料层和所述镍镀层之间还具有Ni-Sn金属间化合物层。
在其中一个实施例中，所述导热件包括导热本体及敷设在所述导热本体外表面上的镍层。
在其中一个实施例中，所述焊料层和所述镍层之间具有Ni-Sn金属间化合物层。
本发明还提供一种半导体器件，包括如上所述的功率模块及电路板，所述电路板与所述功率模块电连接。
本发明的有益效果在于：通过使用焊料层在覆金属层基板的一面金属层上导热件以对覆金属层基板进行散热，从而保证功率模块整体能够正常工作；同时该覆金属层基板的金属层为铜镀层，通过在铜镀层和焊料层之间再设置镍镀层，镍镀层和铜镀层之间可反应以生成Ni-Sn金属间化合物层，该Ni-Sn金属间化合物层的致密且强度高，避免覆金属层基板在服役过程中因热失配而导致焊料层和铜镀层之间分层或开裂，从而提高功率模块整体的可靠性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一实施例所示的功率模块的结构示意图。
图2为本发明一实施例所示的覆金属层基板的结构示意图。
图3为本发明一实施例所示的覆金属层基板与镍镀层的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参见图1至图3，本发明的一较佳实施例中的功率模块，其包括覆金属层基板10、及通过焊料层20与该覆金属层基板10连接固定的导热件30，其中，覆金属层基板10包括基板本体101、及分别设置在基板本体101的相对设置的两表面上的金属层102。在本实施例中，该基板本体101的相对设置的两表面具体指：基板本体101的厚度方向上(即图纸中箭头a指向)。
其中，导热件30可以通过焊料层20与覆金属层基板10进行连接固定，亦或者通过热扩散的方式与覆金属层基板10进行连接固定皆可。本发明中，以导热件30可以通过焊料层20与覆金属层基板10进行连接固定为主要说明。
该覆金属层基板10可以为覆铜陶瓷基板(Direct Bond Copper，DBC)、活性金属焊接基板(Active metal brazed copper，AMB，例如Al2O3-AMB、Si3N4-AMB或AlN-AMB)等，在此不作限定。在本实施例中，该覆金属层基板10为覆铜陶瓷基板，即该基板本体101为陶瓷，且基板本体101的两表面上的金属层102皆为铜镀层102。
导热件30包括导热本体301及敷设在导热本体301外表面上的镍层302，其中，导热本体301的材料可以为导热金属，该导热金属为铜、银、金等。而为了降低生产成本及保证功率模块整体的装配度，在本实施例中，该导热金属为铜。即，该导热本体301为铜底板。而在铜底板的外表面上敷设有镍层302，可保护铜底板不被氧化，且因为铜底板的硬度较小容易变形，敷设有镍层302可提高铜底板的强度。
并且，焊料层20和该镍层302之间还具有Ni-Sn金属间化合物，该Ni-Sn金属间化合物可增加了焊料层20和铜底板之间的结合稳定性，避免两者之间分层。值得注意的是，在本实施例中，该Ni-Sn金属间化合物层40由镍层302和铜底板之间反应以形成。其中，关于镍层302的厚度，在此不做具体限定，根据实际需要进行设置即可。
呈上述，为了增加功率模块整体的散热性能，同时也提高功率模块的装配效率，通常会在其中一面的铜镀层102连接固定有导热件30，该导热件30通过焊料层20与铜镀层102实现固定，从而对功率模块在运行过程中产生的热量进行导热以进行散热。然而，焊料层20的材料一般为锡银铜或锡锑，以使得焊料层20与覆金属层基板10中的铜镀层102(上述已说明该金属层102为铜镀层102)中的铜反应以生成Cu-Sn金属间化合物层。但是，Cu-Sn金属间化合物层致密性差，起伏不均匀，且由于焊接面积较大，相应功率模块在服役过程中的热失配，容易导致焊料和DBC下铜层产生分层或裂纹，从而降低铜板对DBC板的散热效果。且该分层或裂纹通常由焊接界面的四角向中间扩展。
值得注意的是，上述的焊锡层的材料也可为其他含有锡的材料，关于焊接层的材料的选择不仅限于此，在此不一一列举。
为了解决上述技术问题，请参见图1及图3，本发明提供的功率模块还包括：镍镀层50，该镍镀层50设置于其中一个铜镀层102和焊料层20之间。在本实施例中，该镍镀层50涂覆于其中一个铜镀层102上，且沿该铜镀层102的周长以至少覆盖该铜镀层102的外围区域。呈上述，由于功率模块在服役过程中的热失配而产生的分层和裂纹，是从焊接界面的四角向中间扩展，因此，本发明的功率模块通过沿铜镀层102的周长以至少覆盖铜镀层102的外围区域，可减小焊接界面与铜镀层102自四角向中间分层和裂纹的可能性，从而使得功率模块在运行时，能够发挥良好的散热效果。
由前述可知，镍镀层50设置在焊料层20和铜镀层102之间，且镍镀层50涂覆在铜镀层102上，从而将焊料层20与铜镀层102之间进行隔离，避免两者直接接触而反应生成Cu-Sn金属间化合物层，从而引起热失配。并且，进一步的，焊料层20和镍镀层50之间还具有Ni-Sn金属间化合物层40，该Ni-Sn金属间化合物层40致密且强度高，能够有效避免功率模块整体在服役过程中因热失配而导致焊料层20和覆金属层基板10之间分层或开裂，提高相应功率模块的可靠性。值得注意的是，在本实施例中，该Ni-Sn金属间化合物层40由镍镀层50和铜镀层102反应以形成。
请具体参见图3，在其中一个实施例中，镍镀层50不完全覆盖铜镀层102。具体的，镍镀层50为中空环形结构，其中心具有空白区，空白区的长度小于等于铜镀层102的长度的一半；空白区的宽度小于等于铜镀层102的宽度的一半。此时，铜镀层102外围区域可形成Ni-Sn金属间化合物层40，而空白区形成Cu-Sn金属间化合物层。因Ni-Sn金属间化合物层40比Cu-Sn金属间化合物层更加致密且强度高，该设置既能增加焊料层20和铜镀层102的四角和四周连接强度，保证焊料层20和铜镀层102之间不会因热失配而产生分层的问题，避免焊料层20和铜镀层102的四角或四周发生开裂，同时减少金属镍的使用量，节省资源且无需在整个铜镀层102上镀镍，也缩短了制备时长。
在另一个实施例中，镍镀层50可完全覆盖铜镀层102。即，在该实施例中，镍镀层50的面积等于铜镀层102的面积。此时，也能达到上述实施例中所描述的技术效果。
在上述两个实施例中，镍镀层50的厚度不小于0.1微米，从而保证镍镀层50和铜镀层102之间可反应生成Ni-Sn金属间化合物层40，进而避免因热失配产生分层的问题。更进一步的，镍镀层50的厚度为2微米-4微米，以保证Ni-Sn金属间化合物层40的生产量，从而保证焊料层20和铜镀层102之间的连接强度，且能够减小生产成本。
本发明还提供一种半导体器件，该半导体器件包括如上所述的功率模块和电路板，电路板与功率模块之间电连接。
综上所述：通过使用焊料层20在覆金属层基板10的一面金属层102上导热件30以对覆金属层基板10进行散热，从而保证功率模块整体能够正常工作；同时该覆金属层基板10的金属层102为铜镀层102，通过在铜镀层102和焊料层20之间再设置镍镀层50，镍镀层50和铜镀层102之间可反应以生成Ni-Sn金属间化合物层40，该Ni-Sn金属间化合物层40的致密且强度高，避免覆金属层基板10在服役过程中因热失配而导致焊料层20和铜镀层102之间分层或开裂，从而提高功率模块整体的可靠性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种功率模块，其特征在于，包括：
覆金属层基板，包括基板本体、及分别设置在基板本体的相对设置的两表面上的金属层；
导热件，通过焊料层与其中一个所述金属层连接固定；以及
镍镀层，设置于其中一个所述金属层和所述焊料层之间；
其中，所述金属层为铜镀层，所述镍镀层涂覆于所述其中一个所述铜镀层上，且沿其中一个所述铜镀层的周长以至少覆盖其中一个所述铜镀层的外围区域。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述镍镀层不完全覆盖所述铜镀层；
所述镍镀层呈中空环形结构，以使所述镍镀层具有空白区，所述空白区的长度小于等于所述铜镀层长度的一半；所述空白区的宽度小于等于所述铜镀层的宽度的一半。
3.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述镍镀层的面积等于所述铜镀层的面积，以使所述镍镀层完全覆盖所述铜镀层。
4.如权利要求1至3中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述镍镀层的厚度不小于0.1微米。
5.如权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述镍镀层的厚度为2微米-4微米。
6.如权利要求1至3中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述焊料层的材料成分为锡银铜或锡锑。
7.如权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述焊料层和所述镍镀层之间还具有Ni-Sn金属间化合物层。
8.如权利要求1至3中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述导热件包括导热本体及敷设在所述导热本体外表面上的镍层。
9.如权利要求8所述的功率模块，其特征在于，所述焊料层和所述镍层之间具有Ni-Sn金属间化合物层。
10.一种半导体器件，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的功率模块及电路板，所述电路板与所述功率模块电连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211382449.XA CN117174661A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 功率模块及半导体器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211382449.XA CN117174661A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 功率模块及半导体器件 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117174661A true CN117174661A (zh) | 2023-12-05 |
Family
ID=88941837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211382449.XA Pending CN117174661A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 功率模块及半导体器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117174661A (zh) |
-
2022
- 2022-11-07 CN CN202211382449.XA patent/CN117174661A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6300673B1 (en) | Edge connectable metal package | |
| KR20080083533A (ko) | 플립-칩 방식의 적층형 파워 모듈 및 그 파워 모듈의제조방법 | |
| US20100148328A1 (en) | Power quad flat no-lead semiconductor die packages with isolated heat sink for high-voltage, high-power applications, systems using the same, and methods of making the same | |
| JP2012099794A (ja) | 焼結金属接合、好ましくは焼結銀接合を有するパワー半導体モジュールおよびその製造方法 | |
| JP2007059860A (ja) | 半導体パッケージ及び半導体モジュール | |
| US20030132531A1 (en) | Surface mounted package with die bottom spaced from support board | |
| JPH0936186A (ja) | パワー半導体モジュール及びその実装方法 | |
| KR102564459B1 (ko) | 양면 냉각 파워모듈의 스페이서 구조 및 그 제조 방법 | |
| JPH08148839A (ja) | 混成集積回路装置 | |
| JP2014175454A (ja) | 電力用半導体装置および電力用半導体装置の製造方法 | |
| JP4344560B2 (ja) | 半導体チップおよびこれを用いた半導体装置 | |
| CN117174661A (zh) | 功率模块及半导体器件 | |
| JP2007096252A (ja) | 液冷式回路基板および液冷式電子装置 | |
| US10002817B2 (en) | Semiconductor device | |
| JP2020053580A (ja) | パワーモジュール用基板およびパワーモジュール | |
| JP2019106422A (ja) | パワーモジュール用基板およびパワーモジュール | |
| JP2008098285A (ja) | 半導体装置 | |
| JP5418654B2 (ja) | 半導体装置 | |
| CN218632004U (zh) | 陶瓷线路板 | |
| WO2023189930A1 (ja) | 半導体素子および半導体装置 | |
| JP2735920B2 (ja) | インバータ装置 | |
| CN114023709B (zh) | 一种适用于大功率裸芯片散热的复合式衬底结构 | |
| US11761108B2 (en) | Method for producing insulated circuit board using a mask and partial plating method using the mask | |
| JP2000195888A (ja) | 半導体装置 | |
| WO2023106151A1 (ja) | 半導体装置 |
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 |