CN117810182B - 一种基于端子互连的双面散热模块、制作方法及设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于端子互连的双面散热模块、制作方法及设备，该双面散热模块包括：第一基板、与所述第一基板堆叠的第二基板以及设于所述第一基板和所述第二基板之间且位于不同侧的交流端子和直流端子；其中，所述交流端子上设有第一弯折结构，所述直流端子上设置有第二弯折结构；所述第一基板与所述第二基板通过所述第一弯折结构和所述第二弯折结构连接，以形成电流流向相反的电流路径。本申请可有效提高器件的散热能力，降低寄生电感对器件性能的影响。

Description

一种基于端子互连的双面散热模块、制作方法及设备

技术领域

本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种基于端子互连的双面散热模块、制作方法及设备。

背景技术

功率半导体器件作为电力电子变换器中的核心器件，目前已经广泛应用于新能源系统逆变器、电池管理、电驱系统、变频器等领域。这些应用场景对功率半导体器件的性能和可靠性有着极高的要求。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等第三代半导体材料具有优异的物理和电气性能，如高击穿电场强度、高饱和电子速度、高热导率等，这些特点使得基于碳化硅和氮化镓的功率芯片具有更高的开关频率、功率密度，对功率功率芯片的封装结构和封装工艺也提出了更高的要求，以保证其高性能、高可靠性和长寿命。

市面上常见的半导体功率器件芯片之间距离较近导致其工作时产生热量大，器件中换流路径较长，使得寄生电感较大，进而影响器件的可靠性；而增加金属垫片的工艺复杂且成本高。

发明内容

鉴于以上现有技术存在的问题，本申请提出一种基于端子互连的双向散热模块、制作方法及设备，主要解决现有功率器件寄生电感较大且散热性能差，极大地影响器件的可靠性的问题。

为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。

本申请提供一种基于端子互连的双面散热模块，包括：第一基板、与所述第一基板堆叠的第二基板以及设于所述第一基板和所述第二基板之间且位于不同侧的交流端子和直流端子；其中，所述交流端子上设有第一弯折结构，所述直流端子上设置有第二弯折结构；所述第一基板与所述第二基板通过所述第一弯折结构和所述第二弯折结构连接，以形成电流流向相反的电流路径。

在本申请一实施例中，所述直流端子包括直流正端和直流负端，所述直流正端设于所述第一基板上，所述直流负端设于所述第二基板上，且所述直流正端和所述直流负端分别设有所述第二弯折结构。

在本申请一实施例中，还包括设于所述第一基板上的第一组信号端子和设于所述第二基板上的第二组信号端子，其中所述第一组信号端子和所述第二组信号端子与所述交流端子相邻设置。

在本申请一实施例中，所述第一基板和所述第二基板通过所述交流端子电性连接，以形成垂直于所述第一基板和所述第二基板的电流路径，所述第二弯折结构不导电。

在本申请一实施例中，所述第一基板和所述第二基板之间的间距不大于6mm。

在本申请一实施例中，还包括封装体，所述封装体至少包裹所述第一基板和所述第二基板形成的堆叠结构的侧边，使得所述第一基板和所述第二基板之间形成封闭空间。

在本申请一实施例中，所述第一基板与所述第二基板的材质相同，所述第一基板包括陶瓷基板。

在本申请一实施例中，所述第一基板和所述第二基板上分别设置有功率芯片，所述功率芯片通过键合线以及对应基板上的覆铜层与所述第一组信号端子或所述第二组信号端子形成电气连接。

本申请还提供，一种基于端子互连的双面散热模块的制作方法，包括：提供第一基板、第二基板、交流端子和直流端子，其中，所述交流端子上设有第一弯折结构，所述直流端子上设置有第二弯折结构；将所述交流端子和所述直流端子固定在所述第一基板和所述第二基板之间，使得所述第一基板与所述第二基板通过所述第一弯折结构和所述第二弯折结构连接，形成电流流向相反的电流路径。

本申请还提供一种基于端子互连的双面散热设备，包括一个或多个基于端子互连的双面散热模块。

如上所述，本申请提供的一种基于端子互连的双面散热模块、制作方法及设备，具有以下有益效果。

本申请的第一基板和第二基板之间通过端子进行连接以构造流向相反的电流路径，可有效降低寄生电感，同时通过交流端子和直流端子连接两个基板形成散热路径，可实现双面散热，提高器件的整体散热性能。

附图说明

图1为现有的大电流单面散热功率模块的封装结构示意图。

图2为现有双面散热模块结构示意图。

图3为本申请一实施例中基于端子互连的双面散热模块的侧面结构示意图。

图4为本申请一实施例中第一基板的结构示意图。

图5为本申请一实施例中第二基板的结构示意图。

图6为本申请一实施例中交流端子的正面结构示意图。

图7为本申请一实施例中交流端子的背面结构示意图。

图8为本申请一实施例中直流正端的结构示意图。

图9为本申请一实施例中直流负端的结构示意图。

图10为本申请一实施例中第一基板和第二基板组装后的结构示意图。

图11为本申请一实施例中双面散热模块的封装结构示意图。

图12为本申请一实施例中端子互连的双面散热模块的制作方法的流程示意图。

图13为本申请一实施例中设备的结构示意图。

附图标号说明：

01-第一基板；02-第二基板；03-第一弯折结构；04-第二弯折结构；05-齿状连接端；06-封装体；U-交流端子；P-直流正端；N-直流负端；（C1、G1、E1）-第一组信号端子；（C2、G2、E2）-第二组信号端子；130-基于端子互连的双面散热设备；131-双面散热模块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

经发明人研究发现：

市面上常见的一种大电流单面散热功率模块封装如图1所示，该封装方法的外形特点为宽度窄、长度长，导致了模块中换流路径较长，使得寄生电感较大。同时同一桥臂的多颗芯片之间距离较近，在工作时产生的热量较大，而这种单面封装的结构限制了该模块的散热能力，给其长期可靠性带来了挑战。该模块功率回路采用引线键合的方式进行互连，而铝线在长期的功率循环过程中容易失效，是功率模块的薄弱环节。

市面上现有的一种双面散热模块结构如图2所示，采用铜钼合金垫块进行上下桥臂间的互连，实现了双面散热结构，减小了寄生电感，但该模块的制备工艺较为复杂，特别是需要固定多个垫块的位置并保证平整度，同时芯片与陶瓷基板、端子与陶瓷基板、垫块与陶瓷基板以及垫块与芯片之间都需要焊接工艺进行互连，需使用多种不同熔点的焊膏，这些因素提高了工艺难度，导致模块成本较高。此外，垫块的外形尺寸往往需要根据芯片进行定制，增加了额外的成本及生产周期。

基于以上现有技术存在的问题，本申请提供一种基于端子互连的双面散热模块、制作方法及设备。下面结合具体实施例对本申请的技术方案进行详细阐述。

请参阅图3，图3为本申请一实施例中基于端子互连的双面散热模块的侧面结构示意图。本申请提供一种双面散热模块，该模块包括：第一基板01、第二基板02、交流端子U和直流端子。其中交流端子U和直流端子分别设置于第一基板01和第二基板02之间，且位于不同侧。具体地，第一基板01和第二基板02相互分隔开，仅通过交流端子U和直流端子纵向连接在一起，交流端子U和直流端子分别位于第一基板01和第二基板02形成的堆叠结构中相对的两侧。可分别在第一基板01和第二基板02上设置功率芯片，通过两层分离式结构的基板进行芯片布局，可降低芯片的排布密度，使得芯片工作时产生的热量更为分散，有利于热量快速散发出去。功率芯片可设置于第一基板01和第二基板02相互背离的两侧，通过双面布局，达到双面散热的效果。

在一实施例中，请参阅图4和图5。图4为本申请一实施例中第一基板01的结构示意图。图5为本申请一实施例中第二基板02的结构示意图。双面散热模块还包括两组信号端子，第一组信号端子（C1、G1、E1）设置于第一基板01上，第二组信号端子（C2、G2、E2）设置于第二基板02上。第一基板01和第二基板02上分别设置有覆铜层，通过覆铜层引出基板上对应功率芯片的电极。具体地，以第一基板01为例，可将对应功率芯片的电极通过键合线与第一基板01上的覆铜层键合，第一组信号端子（C1、G1、E1）通过焊接工艺焊接到第一基板01的覆铜层上，进而基于覆铜层的走线与对应功率芯片的电极建立电气连接。

在一实施例中，以功率芯片为绝缘栅双极晶体管为例，第一组信号端子（C1、G1、E1）包括E1、G1和C1三个信号引出端，晶体管的发射极、栅极和集电极分别通过金属键合线与第一基板01上的覆铜层键合，进而由覆铜层连接到对应的信号引出端。不同的绝缘栅双极型晶体管的各电极之间也可通过金属键合线进行键合，具体功率芯片的数量以及选型可根据实际产品需求进行设置和调整，这里不作限制。第二组信号端子（C2、G2、E2）也可采用同样的方式引出第二基板02上各功率芯片的电极。

请参阅图4和图5，直流端子可包括直流正端P和直流负端N，其中直流正端P设置于第一基板01上，直流负端N设置于第二基板02上。其中直流正端P和交流端子U分别设置于第一基板01的同一面上，且位于相对的两侧，示例性地，交流端子U设置于第一基板01的左侧边，直流正端P设置于第一基板01的右侧边。在第一基板01和第二基板02完成组装，形成堆叠结构后，第一基板01上的第一组信号端子（C1、G1、E1）以及第二基板02上的第二组信号端子（C2、G2、E2）与交流端子U相邻设置。示例性地，第一组信号端子（C1、G1、E1）位于交流端子U的左侧，第二组信号端子（C2、G2、E2）位于交流端子U右侧。当然，具体信号端子的位置也可根据实际应用需求进行设置和调整，这里不作限制。

请参阅图6和图7，图6为本申请一实施例中交流端子U的正面结构示意图。图7为本申请一实施例中交流端子U的背面结构示意图。交流端子U可包括第一引出端、齿状连接端05以及第一弯折结构03。第一引出端用于连接外部电路，齿状连接端05用于连接第一基板01上的功率芯片，该齿状连接端05的形状和尺寸可根据功率芯片的形状和尺寸进行调整，这里不作限制。通过齿状连接端05与功率芯片互连，可增大导电面积，能够实现更大的通流能力。交流端子U可通过回流焊的方式与第一基板01焊接，焊接的结构相比于传统的键合线键合的方式能够承担更大的热应力和机械应力，有利于提高模块的长期可靠性。在交流端子U焊接到第一基板01上后，交流端子U上的第一弯折结构03沿垂直于第一基板01的平面向上弯折，在第一基板01和第二基板02完成组装后，第一弯折结构03用于支撑第一基板01和第二基板02，以在第一基板01和第二基板02之间形成间隔区域。第一弯折结构03不仅起到第一基板01和第二基板02之间机械支撑作用，还可建立第一基板01与第二基板02之间的电性连接，以此形成垂直于第一基板01和第二基板02的纵向电流路径。在一实施例中，在进行第一基板01和第二基板02组装时，第一弯折结构03可与第二基板02焊接以形成固定的支撑结构和电性连接结构。在一实施例中，齿状连接端05包括多个齿条，该多个齿条组成齿状结构，每个齿条上可设置多个凸起，每个齿条上的凸起可根据连接功率芯片的尺寸进行设计，通过同一齿条上多个凸起分别与基板上的多个功率芯片进行对位，可同步连接多个功率芯片的电极，同时可适配不同功率芯片的尺寸以增强与功率芯片连接的牢固性。

请参阅图8和图9，图8为本申请一实施例中直流正端P的结构示意图。图9为本申请一实施例中直流负端N的结构示意图。在一实施例中，直流端子包括直流正端P和直流负端N，直流正端P和直流负端N分别设置于第一基板01和第二基板02上。示例性地，直流正端P设置于第一基板01上，直流负端N设置于第二基板02上。直流正端P和直流负端N上可分别设置第二弯折结构04，通过直流正端P上的第二弯折结构04和直流负端N上的第二弯折结构04共同支撑第一基板01和第二基板02，其中第二弯折结构04的高度可设置为与第一弯折结构03高度相等，以便于第一基板01和第二基板02组装后保持平行。示例性地，第一弯折结构03和第二弯折结构04可采用拱形结构，具体形状也可根据实际应用需求进行设置和调整，这里不作限制。第二弯折结构04仅起到支撑作用，不导电。直流负端N也可采用齿状结构通过齿状结构适配连接的功率芯片的尺寸，以增强连接的稳定性。具体齿状结构可根据具体功率芯片的尺寸进行调整，这里不作限制。

请参阅图10，图10为本申请一实施例中第一基板01和第二基板02组装后的结构示意图。电流由直流正端P流入再由直流负端N流出，形成电流回路，第一基板01上的电流方向与第二基板02上的电流方向相反，可抵消电流产生的电感，进而降低整个模块的寄生电感。同时第一弯折结构03和第二弯折结构04共同支撑第一基板01和第二基板02，弯折结构本身可起到一定的缓冲作用，通过两处弯折结构增加了热流路径，可提高散热能力，进一步减缓模块的热应力，可有效降低应力集中问题，提高双面散热模块的可靠性，并进一步提高功率密度。

在一实施例中，可控制第一弯折结构03和第二弯折结构04的高度，使得第一基板01和第二基板02的间距在6mm以内，这样的间距设计可保证第一基板01与第二基板02具有较强的互感作用，在形成反向电流后，可有效降低寄生电感。

在一实施例中，第一基板01和第二基板02均可采用陶瓷基板，具体基板的材质也可根据实际应用需求进行调整。

请参阅图11，图11为本申请一实施例中双面散热模块的封装结构示意图。在一实施例中，本申请实施例的双面散热模块还包括封装体06，通过封装体06包裹第一基板01和第二基板02形成的堆叠结构的侧面，仅露出信号端子、交流端子U以及直流端子的对外连接端。具体封装体06的材质可根据实际应用需求进行设置和调整，这里不作限制。

基于以上本申请实施例的技术方案，通过有限元仿真，本申请提出的双面散热模块结-壳热阻为0.029K/W，而图1所示的单面散热模块热阻为0.046K/W，相比之下热阻降低了37%；本申请的双面散热模块可用于IGBT、SiC-MOSFET以及FRD等模块中，具有较高的设计灵活性。相比传统的单面散热封装结构，本申请实施例在垂直方向构造了流向相反的电流，能有效的降低模块的寄生电感，提升电学性能；用端子替代功率回路的键合线，可提高模块的长期可靠性；双面散热的结构同时也提升了功率模块的散热性能，有利于模块在高温环境下的工作。模块封装体积不到相同电压电流等级的单面散热封装模块的一半，功率密度大幅提升；相比市场上的双面散热封装结构，利用功率端子实现电气连接，减少了金属垫块的使用，有利于减少工艺流程，降低工艺难度；通过端子弯折结构增加了热流路径，提高了散热能力，进一步减缓模块的热应力，可有效降低应力集中问题，提高双面散热模块可靠性，进一步提高功率密度；通过Ansys Q3D仿真P-N之间的寄生电感为13nH，现有的相同电压电流等级的单面散热模块的寄生参数仿真结果为30nH左右，相比之下本设计寄生电感降低了56%。

请参阅图12，图12为本申请一实施例中端子互连的双面散热模块的制作方法的流程示意图。本申请还提供一种基于端子互连的双面散热模块的制作方法，该方法包括以下步骤：

步骤S120，提供第一基板01、第二基板02、交流端子U和直流端子，其中，交流端子U上设有第一弯折结构03，直流端子上设置有第二弯折结构04；

步骤S121，将交流端子U和直流端子固定在第一基板01和第二基板02之间，使得第一基板01与第二基板02通过第一弯折结构03和第二弯折结构04连接，形成电流流向相反的电流路径。

具体地，以第一基板01和第二基板02采用陶瓷基板为例，首先通过丝网印刷和回流焊工艺将功率芯片焊接到两个桥臂的陶瓷基板上；其次通过引线键合工艺完成功率芯片的栅极打线；接着将直流正端P、交流端子U以及信号端子（C1、G1、E1）焊接到上桥臂的陶瓷基板（即第一基板01）上，将直流负端N以及信号端子（C2、G2、E2）焊接到下桥臂的陶瓷基板（即第二基板02）上；然后，通过工装实现功率芯片与陶瓷基板之间以及上桥臂和下桥臂的陶瓷基板之间的电气互连；最后对模块进行塑封，在模块周向上形成塑封体。

请参阅图13，图13为本申请一实施例中设备的结构示意图，本申请实施例还提供一种基于端子互连的双面散热设备130，该基于端子互连的双面散热设备130上可设置一个或多个前述的端子互连的双面散热模块131。示例性的，该基于端子互连的双面散热设备130可包括由IGBT、SiC-MOSFET以及FRD等模块中的一个或多个组成的设备，双面散热模块131应用于IGBT、SiC-MOSFET以及FRD等模块中。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于端子互连的双面散热模块，其特征在于，包括：

第一基板、与所述第一基板堆叠的第二基板以及设于所述第一基板和所述第二基板之间且位于不同侧的交流端子和直流端子；所述交流端子包括第一引出端、齿状连接端以及第一弯折结构；所述第一引出端用于连接外部电路，所述齿状连接端用于连接第一基板上的功率芯片；齿状连接端包括多个齿条，多个所述齿条组成齿状结构，每个所述齿条上设置多个凸起，每个所述齿条上的所述凸起根据连接功率芯片的尺寸进行设计，通过同一所述齿条上多个凸起分别与所述第一基板上的多个功率芯片进行对位；

其中，所述交流端子上设有第一弯折结构，所述直流端子上设置有第二弯折结构；所述第一基板与所述第二基板通过所述第一弯折结构和所述第二弯折结构连接，以形成电流流向相反的电流路径。

2.根据权利要求1所述的基于端子互连的双面散热模块，其特征在于，所述直流端子包括直流正端和直流负端，所述直流正端设于所述第一基板上，所述直流负端设于所述第二基板上，且所述直流正端和所述直流负端分别设有所述第二弯折结构。

3.根据权利要求1所述的基于端子互连的双面散热模块，其特征在于，还包括设于所述第一基板上的第一组信号端子和设于所述第二基板上的第二组信号端子，其中所述第一组信号端子和所述第二组信号端子与所述交流端子相邻设置。

4.根据权利要求2或3所述的基于端子互连的双面散热模块，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板通过所述交流端子电性连接，以形成垂直于所述第一基板和所述第二基板的电流路径，所述第二弯折结构不导电。

5.根据权利要求1-3任一所述的基于端子互连的双面散热模块，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板之间的间距不大于6mm。

6.根据权利要求1-3任一所述的基于端子互连的双面散热模块，其特征在于，还包括封装体，所述封装体至少包裹所述第一基板和所述第二基板形成的堆叠结构的侧边，使得所述第一基板和所述第二基板之间形成封闭空间。

7.根据权利要求1-3任一所述的基于端子互连的双面散热模块，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板的材质相同，所述第一基板包括陶瓷基板。

8.根据权利要求3所述的基于端子互连的双面散热模块，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板上分别设置有功率芯片，所述功率芯片通过键合线以及对应基板上的覆铜层与所述第一组信号端子或所述第二组信号端子形成电气连接。

9.一种基于端子互连的双面散热模块的制作方法，其特征在于，包括：

提供第一基板、第二基板、交流端子和直流端子，其中，所述交流端子上设有第一弯折结构，所述直流端子上设置有第二弯折结构；所述交流端子包括第一引出端、齿状连接端以及第一弯折结构；所述第一引出端用于连接外部电路，所述齿状连接端用于连接第一基板上的功率芯片；齿状连接端包括多个齿条，多个所述齿条组成齿状结构，每个所述齿条上设置多个凸起，每个所述齿条上的所述凸起根据连接功率芯片的尺寸进行设计，通过同一所述齿条上多个凸起分别与所述第一基板上的多个功率芯片进行对位；

将所述交流端子和所述直流端子固定在所述第一基板和所述第二基板之间，使得所述第一基板与所述第二基板通过所述第一弯折结构和所述第二弯折结构连接，形成电流流向相反的电流路径。

10.一种基于端子互连的双面散热设备，其特征在于，包括一个或多个权利要求1-8任一所述的基于端子互连的双面散热模块。