TW201810560A - 功率模組及其製造方法 - Google Patents

功率模組及其製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TW201810560A
TW201810560A TW105142846A TW105142846A TW201810560A TW 201810560 A TW201810560 A TW 201810560A TW 105142846 A TW105142846 A TW 105142846A TW 105142846 A TW105142846 A TW 105142846A TW 201810560 A TW201810560 A TW 201810560A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
substrate
power
heat
filling
Prior art date
Application number
TW105142846A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI603441B (zh
Inventor
陳彥霖
洪守玉
鄒欣
Original Assignee
台達電子企業管理（上海）有限公司
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 台達電子企業管理（上海）有限公司 filed Critical 台達電子企業管理（上海）有限公司
Application granted granted Critical
Publication of TWI603441B publication Critical patent/TWI603441B/zh
Publication of TW201810560A publication Critical patent/TW201810560A/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4871—Bases, plates or heatsinks
    • H01L21/4882—Assembly of heatsink parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/433—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
    • H01L23/4334—Auxiliary members in encapsulations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
    • H01L2224/0601—Structure
    • H01L2224/0603—Bonding areas having different sizes, e.g. different heights or widths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
    • H01L2224/061—Disposition
    • H01L2224/0618—Disposition being disposed on at least two different sides of the body, e.g. dual array
    • H01L2224/06181—On opposite sides of the body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484—Connecting portions
    • H01L2224/4846—Connecting portions with multiple bonds on the same bonding area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181—Encapsulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本案係為一種功率模組及其製造方法。功率模組包括功率基板、導熱介面層、填充層和散熱器。功率基板包括導電層和傳熱層，導電層的上表面設有至少一功率器件。導熱介面層設置於功率基板的傳熱層的下方。填充層與導熱介面層以及熱介質層直接接觸，用於填充和平坦化熱介質層。散熱器設置於導熱介面層的下方，熱介質層為功率基板的傳熱層或散熱器的散熱表面，且熱介質層的硬度大於填充層的硬度。本發明可以降低導熱介面層與其相鄰層的接觸熱阻以及導熱介面層的體積熱阻，從而改善功率模組的散熱性能，且成本較低。

Description

功率模組及其製造方法
本案涉及晶片封裝技術領域，尤其涉及一種功率模組及其製造方法。
高效率、高功率密度及高可靠性一直是業界對電源轉換器的要求，其中高效率意味著減少能耗，利於節能減排、保護環境，並減少使用成本；高功率密度則意味著體積小、重量輕，減少材料成本、運輸成本和空間需求，從而減少建設成本；高可靠性意味著更長的使用壽命以及較低的維護成本。
半導體器件是決定電源轉換器效率的重要因素之一，為了進一步提升電源性能的要求，很多半導體器件被集成在一起，構成集成功率模組。如圖1所示，目前典型的集成功率模組是將多個功率器件11焊接在功率基板12上，再通過導熱介面層13與散熱器14連接，進行集中散熱。同時，集成功率模組中還可包括用於包覆功率器件11及功率基板12的密封層15、連接功率器件11與功率基板12上導電層的金屬鍵合線16、外殼17以及從功率基板12的導電層上引出到外部的引腳18等。圖2示出另一種典型的集成功率模組，與圖1所示結構不同之處僅在於，圖1中的功率基板12為一雙面基板，而圖2中的功率基板12為一雙面基板和銅基板組合而成的層疊基板，雙面基板12’通過焊料20焊接在一塊銅基板19上，再通過導熱介面層13與散熱器14連接。參見圖1和圖2，功率基板12的底面與導熱介面層13直接接觸，散熱器14的表面與導熱介面層13直接接觸，絕大部分的功率器件熱量均從功率器件11內部傳遞到下方功率基板12上，再經由導熱介面層13傳遞到散熱器14，最後通過空氣或者水與散熱器14的將熱量帶走。
目前使用的典型的功率基板可以是如圖1所示的雙面基板，或如圖2所示的雙面基板和銅基板組合而成的層疊基板，也可以是單面基板(未圖示)或單面基板和銅基板組合而成的層疊基板(未圖示)等。當採用雙面基板或層疊基板時，功率基板底面通常為銅層，當採用單面基板時，功率基板底面通常為陶瓷層；對散熱器而言，其表面則多採用鋁，有時也會鑲銅；上述這些材料的硬度大同小異，而粗糙度則受加工工藝的影響各不相同。
在現有技術中，可通過提高加工精度，以降低功率基板底面的粗糙度或者散熱器表面的粗糙度，從而降低導熱介面層的熱阻，提高功率模組的散熱性能，然而這一方法會大大增加功率基板或散熱器的加工成本。
本案之目的在於提供一種功率模組及其製造方法，以有效地降低導熱介面層與其相鄰層間的接觸熱阻，並降低導熱介面層的體積熱阻，進而改善了功率模組的散熱性能，且成本較低。
為達上述目的，本案提供了一種功率模組，該功率模組包括功率基板、導熱介面層、填充層及散熱器。功率基板包括一導電層及一傳熱層，其中導電層的上表面設有至少一功率器件。導熱介面層設置於功率基板的傳熱層的下方。填充層與導熱介面層以及一熱介質層直接接觸，填充層用於填充和平坦化熱介質層。散熱器設置於導熱介面層的下方，用於將功率器件散發的熱量經由導熱介面層傳導至功率模組的外部。其中熱介質層為功率基板的傳熱層或散熱器的散熱表面，且熱介質層的硬度大於填充層的硬度。
於一實施例中，填充層形成於功率基板鄰近於導熱介面層的表面，熱介質層為功率基板的傳熱層。
於一實施例中，填充層形成於散熱器鄰近於導熱介面層的表面，熱介質層為散熱器的散熱表面。
於一實施例中，填充層形成於功率基板鄰近於導熱介面層的表面以及形成於散熱器鄰近於導熱介面層的表面，熱介質層對應為功率基板的傳熱層與散熱器的散熱表面。
於一實施例中，填充層的厚度介於1µm~100µm之間。
於一實施例中，填充層的厚度小於或等於10µm。
於一實施例中，導熱介面層包括基體和導熱填料，填充層和導熱介面層的基體為同一類別的有機材料，且填充層的固化程度高於導熱介面層。
於一實施例中，填充層更包括導熱填料，且填充層的導熱填料的粒徑小於熱介質層的粗糙度。
於一實施例中，填充層由金屬材質使用電鍍工藝製作而成，金屬材質為金、銀或錫。
於一實施例中，填充層由熱介質層使用熱處理工藝製作而成。
於一實施例中，傳熱層為一陶瓷層或一金屬層。
為達上述目的，本案更提供一種功率模組的製造方法，該製造方法包括步驟：形成一功率基板，其中功率基板包括一導電層和一傳熱層，導電層的上表面設有至少一功率器件；形成一導熱介面層於功率基板的傳熱層的下方；形成一填充層，填充層與導熱介面層及一熱介質層直接接觸；以及形成一散熱器於導熱介面層的下方，用於將功率器件散發的熱量經由導熱介面層傳導至功率模組的外部。其中，熱介質層為功率基板的傳熱層或散熱器的散熱表面，且熱介質層的硬度大於填充層的硬度。
於一實施例中，形成填充層的步驟還包括：浸潤一有機材料至熱介質層；以及對有機材料進行烘乾固化以形成填充層。
於一實施例中，形成填充層的步驟還包括：使用金屬材質對熱介質層鍍膜，以形成填充層，且金屬材質為金、銀或錫。
於一實施例中，形成填充層的步驟還包括：對熱介質層進行熱處理，以形成填充層。
於一實施例中，熱處理為電磁感應退火。
於一實施例中，導熱介面層包括基體和導熱填料，填充層和導熱介面層的基體為同一類別的有機材料，且填充層的固化程度高於導熱介面層。
於一實施例中，填充層還包括導熱填料，填充層的導熱填料的粒徑小於熱介質層的粗糙度。
於一實施例中，填充層的厚度介於1µm~100µm之間。
於一實施例中，填充層的厚度小於或等於10µm。
體現本發明特徵與優點的典型實施例將在以下的說明中詳細敘述。應理解的是，本發明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖式在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發明。
參見圖1所示，導熱介面層13的主要作用是降低功率基板12到散熱器14的導熱熱阻。圖3為圖1中W部分的放大圖，虛線為熱量流動方向。如圖3所示，實際情況中功率基板12與散熱器14的表面並非是絕對的平面，而是凹凸不平的面。若功率基板12與散熱器14在接觸位置的兩個介面之間不填充任何材料，則因凹凸不平形成的空隙中全是空氣，而空氣的導熱性能非常差，其80℃時的導熱係數約0.0305W/mK，這會嚴重阻礙熱量在兩個介面之間的傳遞。所以業內往往用熱介面材料(Thermal Interface Material，以下簡稱TIM材料)填充在兩個介面之間，以形成導熱介面層13。一般TIM材料的導熱係數在1W/mK〜5W/mK之間，是空氣的幾十甚至上百倍，所以可以有效地改善介面之間的導熱狀況。
在圖1中所示的典型結構中，整個熱流通路由以下幾個熱阻構成：功率器件11自身的熱阻、功率器件焊料的熱阻、功率基板12的熱阻、導熱介面層13的熱阻以及散熱器14的熱阻。其中散熱器14的形式以及流體的流動狀態對影響很大，例如一般的模組會用普通的銅片散熱器和鰭片散熱器並通過一般的空氣強制對流換熱帶走熱量；部分功率較大的模組則會採用冷板（cold plate）或者帶針狀鰭片（pin fin）的冷板通過與水的強制對流換熱帶走熱量；有時為了改善溫度場分佈的均勻性，會在散熱器內部嵌入熱管，提高散熱器的均溫性和鰭片效率。散熱器的熱阻的變化範圍在0K/W-100K/W之間變化，的值越小，導熱介面層13在整個系統中的熱阻占比越大，其對系統的導熱性能的影響也越大。當散熱器14為理想恒溫散熱器，導熱介面層13在如圖1所示的功率模組系統熱阻中的占比（例如採用普通的合金焊料、氧化鋁雙面直接覆銅(DBC)基板以及普通的矽脂TIM材料），其組成和分佈大致如圖4所示。參見圖4，導熱介面層、功率器件、焊料、上層銅、下層銅（分別為雙面DBC基板的上層銅和下層銅）以及陶瓷層（DBC基板的基片）各自所占比例分別為53%、4%、4%、1%、2%以及36%。可見，其中導熱介面層13和陶瓷層的熱阻所占比例非常大，尤其是導熱介面層13的熱阻。因此，減小導熱介面層13的熱阻對於提高整個功率模組的散熱性能可起到非常重要的作用。
常見的導熱介面層的熱阻由導熱介面層的體積熱阻及導熱介面層與其相鄰層的接觸熱阻組成，如公式（1）所示。公式（1） 其中公式（1）中為導熱介面層的熱阻，單位為；為導熱介面層的體積熱阻，單位為；為導熱介面層與其第一相鄰層的接觸熱阻，單位為；為導熱介面層與其第二相鄰層的接觸熱阻，單位為。 體積熱阻可按照公式（2）計算。公式（2） 其中公式（2）中為導熱介面層的厚度，單位為；為導熱介面層的導熱係數，單位為；為導熱介面層與其相鄰層的接觸面積，單位為。 接觸熱阻可按照公式（3）-（5）計算。公式（3）公式（4）公式（5） 其中公式（3）-（5）中為從導熱介面層傳遞引起的熱阻，單位為；為介面平均粗糙度，與和有關，其中為平均粗糙斜率；為第一相鄰層與導熱介面層的接觸介面的平均粗糙度；為第二相鄰層與導熱介面層的接觸介面的平均粗糙度；為導熱介面層的導熱係數，單位為；為接觸壓力，單位為；為相鄰層表面的導熱係數，單位為；為維氏硬度，單位為；為接觸面積，單位為。
從公式（3）-（5）中我們可以發現，接觸熱阻主要與導熱介面層材料的導熱係數，導熱介面層與相鄰層的接觸介面的平均粗糙度、平均粗糙斜率、硬度以及接觸壓力和接觸面積等有關。其中，導熱介面層的相鄰層的硬度和平均粗糙度越低，導熱介面層與其相鄰層間的接觸熱阻就會相應地降低。另外，在同樣的接觸壓力下，硬度越低的相鄰層與導熱介面層的點接觸也會越多，兩接觸介面的平均距離也越小，會進一步減小導熱介面層的體積熱阻。
圖5為本案第一實施例之功率模組的結構示意圖。如圖5所示，功率模組包括功率基板12、導熱介面層13、填充層21和散熱器14。功率基板12為一雙面功率基板，包括一第一金屬層121、一陶瓷層121’及一第二金屬層121’’。其中至少一功率器件11設置於第一金屬層121的上表面，導熱介面層13設置於第二金屬層121’’的下方，散熱器14安裝於導熱介面層13的下方，用於將功率器件11散發的熱量經由導熱介面層13通過水或空氣的對流帶走。定義功率基板12中鄰近於導熱介面層13的最外層為傳熱層，則傳熱層鄰近於導熱介面層13的表面即為功率基板12的底面。如圖5所示，其中，第二金屬層121’’即為傳熱層，該第二金屬層121’’鄰近於導熱介面層13的表面即為功率基板12的底面。於其他實施方式中，功率基板12還可為一單面基板（未圖示），即僅包括一第一金屬層和一陶瓷層，至少一功率器件11設置於第一金屬層的上表面，導熱介面層13設置於陶瓷層的下方，此時該陶瓷層為傳熱層，該陶瓷層鄰近於導熱介面層13的表面為功率基板12的底面。
於另一些實施方式中，功率基板12還可以為單/雙面基板和銅基板組合而成的層疊基板，此時該銅基板為傳熱層。以雙面基板與銅基板19組合而成的層疊基板為例，如圖6所示，銅基板19通過焊料20焊在雙面基板的第二導電層121’’下方，導熱介面層13設置在銅基板19的下方，銅基板為傳熱層，該銅基板鄰近於導熱介面層13的表面為功率基板12的底面。
如圖5和圖6所示，於本實施例中，填充層21同時設置於功率基板12與導熱介面層13之間以及導熱介面層13與散熱器14之間。其中一填充層21與功率基板12的傳熱層以及導熱介面層13直接接觸，另一填充層21與散熱器14的散熱表面以及導熱介面層13直接接觸，相對應地，功率基板12的傳熱層與散熱器14的散熱表面均作為熱介質層22。於其他實施方式中，填充層21也可僅設置於功率基板12與導熱介面層13之間，並與功率基板12的傳熱層以及導熱介面層13直接接觸，相應地，功率基板12的傳熱層作為熱介質層22；或者，填充層21也可僅設置於散熱器14與導熱介面層13之間，並與散熱器14的散熱表面以及導熱介面層13直接接觸，相應地，散熱器14的散熱表面作為熱介質層22。
由上可知，填充層21與導熱介面層13以及熱介質層22直接接觸，且填充層21的硬度小於熱介質層22的硬度。優選地，填充層21可形成於散熱器14鄰近於導熱介面層13的表面和/或功率基板12鄰近於導熱介面層13的表面，用於填充和平坦化熱介質層22。
因填充層21的硬度小於熱介質層22的硬度，導熱介面層13與其相鄰層間的接觸熱阻可直接得到改善。並且，在相同的安裝壓力下，與熱介質層22相比，填充層21與導熱介面層13的接觸介面可呈現出更低的粗糙度，可進一步減小接觸熱阻；同時，填充層21與導熱介面層13間的點接觸會更多，導熱介面層13與其相鄰層的兩接觸介面的平均距離會更小，從而導熱介面層13的體積熱阻也可得到減小。綜上，通過填充層21的設置，可降低導熱介面層13的熱阻，進而提高功率模組的散熱性能，且成本較低。
需要說明的是，本實施例中填充層21的厚度可介於1µm~100µm之間，為降低功率模組的整體厚度，填充層21的厚度可以既大於或等於1µm，同時又小於或等於10µm。功率基板12可為單面/雙面DBC基板、單面/雙面金屬化陶瓷基板、單面/雙面基板與銅基板結合的層疊基板等，功率基板12的傳熱層可以為陶瓷層或金屬層等，並不限定於此，只要能增加填充層21的結構均可。
在本實施例的一實施方式中，導熱介面層13由TIM材料組成。典型的TIM材料的主體材料包含基體和導熱填料兩個部分。首先為基體材料(Base material)，可為有機矽、矽橡膠、丁腈橡膠、丙烯酸、丁苯橡膠、天然橡膠環氧或其組合。其主要功能為：1）填充散熱器表面/功率器件底面的粗糙表面之間的細微空隙；2）成型及便於工藝性；3）填充導熱填料之間的縫隙。其次為導熱填料，具體可以為高導熱填料(Filler)，通常是各類高導熱陶瓷、金屬顆粒，其主要作用是增加TIM材料的導熱率。有機矽等材料被廣泛用作TIM材料的基體材料是因為其可以通過調整有機矽內大小分子量的組成配比，獲得和導熱填料以及散熱器材料良好的表面浸潤性的同時亦具備良好的成形性、很好的耐溫性。但是由於通常小分子基體材料在增加了表面浸潤性、提高填縫能力的同時，亦存在長期使用揮發的風險。因此，材料系統的設計很難達成最優化。
圖7和圖8分別為對應圖5和圖6的結構圖，如圖7和圖8所示，本實施例主要是在功率基板12的底面添加一層和TIM材料的基體材料屬於同一類別的有機材料作為填充層21，且該有機材料的固化程度高於TIM材料。由於這一層有機材料可以在一個開放空間內成形，因此，更加容易被填充到功率基板12底面的表面縫隙裡。而且在製程中可以通過溶劑稀釋、真空脫泡等方式進一步提高填縫的比例。優選地，該有機材料可以採用和TIM材料的基體材料相近的材料，由此可以更好地增加其與TIM材料的潤濕性，從而進一步減小導熱介面層13與其相鄰層的接觸熱阻。該有機材料內也可填充類似TIM材料的高導熱填料，但是填料的尺寸需小於功率基板12底面的粗糙度。或者還可以在該有機材料內填入一維或者二維導熱填料，如碳納米管以及石墨烯等，以進一步提高該有機材料的導熱率。
以上圖7和圖8中僅示出在功率基板12與導熱介面層13之間設置填充層21，於其他實施方式中，亦可在導熱介面層13與散熱器14之間設置填充層21，用以填充和平坦化散熱器14鄰近於導熱介面層13的表面。如圖9所示，可以按照在功率基板12上形成填充層21相同的結構與方法，在典型散熱器14的散熱表面上添加一層有機材料（即填充層21）。優選地，該有機材料的厚度不需要很厚，只要大於等於散熱器14表面的粗糙度即可，一般小於10µm。
在本案實施例中，填充層21還可以由電鍍工藝製作而成，對功率基板12的傳熱層或散熱器14的散熱表面，可採用硬度更軟的金屬材料對其進行鍍膜，例如金、銀或錫等。
在本案其他實施例中，填充層21還可以由熱處理工藝製作而成，對功率基板12的傳熱層或散熱器14的散熱表面進行熱處理，以使得其與導熱介面層13相接觸的部分較其他部分硬度較低，以形成填充層21。
由上可知，為了降低功率基板向散熱器這一主要散熱通路的導熱熱阻，本案提供一種功率模組結構，以增加一填充層與導熱介面層及熱介質層直接接觸，且填充層的硬度低於熱介質層，可有效地降低了導熱介面層與其相鄰層的接觸熱阻及導熱介面層的體積熱阻，進而改善了功率模組的散熱性能，且成本較低。
基於前述實施例，本案更提供一種功率模組的製造方法。圖10係揭示本案較佳實施例之功率模組的製造方法的流程圖。該製造方法包括步驟： 步驟S21：形成一功率基板12，其中功率基板12包括一導電層和一傳熱層，導電層的上表面設有至少一功率器件。 步驟S22：形成一導熱介面層13於功率基板的傳熱層的下方。 步驟S23：形成一填充層21，填充層21與導熱介面層13以及一熱介質層22直接接觸。 步驟S24：形成一散熱器14於導熱介面層13的下方，用於將功率器件散發的熱量經由導熱介面層13傳導至功率模組12的外部。
於本實施例中，步驟S21中的功率基板12可以僅為單面基板或雙面基板，還可以為單面/雙面基板與銅基板結合而成的層疊基板。定義功率基板12中鄰近於導熱介面層13的最外層為傳熱層，則傳熱層鄰近於導熱介面層13的表面即為功率基板12的底面。舉例來說，在步驟S22中，如果功率基板12為一單面基板，則將該單面基板中鄰近於導熱介面層13的最外層陶瓷層作為傳熱層；如果功率基板12為一雙面基板，則將該雙面基板中鄰近於導熱介面層13的最外層金屬層作為傳熱層；如果功率基板12為一層疊基板，則將該層疊基板中鄰近於導熱介面層13的最外層銅基板作為傳熱層。
在本實施例中，更於步驟S23中形成填充層21，該填充層21可以同時設置於功率基板12與導熱介面層13之間以及導熱介面層13與散熱器14之間。相對應地，功率基板12的傳熱層與散熱器14的散熱表面均作為熱介質層22。在其他實施例中，填充層21也可僅設置於功率基板12與導熱介面層13之間。相應地，功率基板12的傳熱層作為熱介質層22。或者，填充層21也可僅設置於散熱器14與導熱介面層13之間。相應地，散熱器14的散熱表面作為熱介質層22。並且，填充層21的硬度小於熱介質層22的硬度。優選地，填充層21可形成於散熱器14鄰近於導熱介面層13的表面和/或功率基板12鄰近於導熱介面層13的表面，用於填充和平坦化熱介質層22。
因填充層21的硬度小於熱介質層22的硬度，可直接改善導熱介面層13與其相鄰層的接觸熱阻。並且，在相同的安裝壓力下，與熱介質層22相比，填充層21與導熱介面層13的接觸介面可呈現出更低的粗糙度，可進一步減小接觸熱阻；同時，填充層21與導熱介面層13間的點接觸會更多，導熱介面層13與相鄰層的兩接觸介面的平均距離會更小，從而導熱介面層13的體積熱阻也可得到減小。綜上，通過填充層21的設置，可降低導熱介面層13的熱阻，進而提高功率模組的散熱性能，且成本較低。
本實施例中以填充層21同時設置於功率基板12與導熱介面層13之間以及導熱介面層13與散熱器14之間為例，得到的功率模組的結構示意圖如圖5和圖6所示。需要說明的是，本實施例提供的製造方法包括上述步驟S21~S24，但是並不限定步驟之間的先後順序，例如，可在功率基板12的導電層上形成功率器件之後，在功率基板12鄰近於導熱介面層13的表面形成填充層21，並繼續形成導熱介面層13，得到第一部件。同時，在散熱器14鄰近於導熱介面層13的表面上形成填充層21，得到第二部件，最後將第一部件與第二部件貼合，得到圖5和圖6所示的功率模組結構。
本實施例中可以通過添加有機材料的方法形成填充層21，具體步驟如圖11所示，包括： 步驟S231：浸潤一有機材料至熱介質層22。 步驟S232：對有機材料進行烘乾固化以形成填充層21。
於本實施例中，可採用噴塗、印刷或者浸泡（dipping）等工藝來添加有機材料，形成填充層21。以噴塗為例，圖12示出該有機材料的噴塗工藝流程。
如圖12所示，步驟S11係對有機材料和熱介質層22進行前處理。其中對有機材料進行前處理，主要是在通過在其內部添加溶劑或者水的方式降低其粘度，便於後續浸潤到熱介質層22的表面；而對熱介質層22進行前處理所常用的方法是用酸堿或者水去除表面的氧化物和污染物並清洗。步驟S12，對熱介質層22進行脫水烘乾冷卻；步驟S13，在潔淨的熱介質層22鄰近於導熱介面層13的表面噴塗有機材料；步驟S14，將噴塗好的有機材料進行固化，以形成填充層21。有機材料的選擇可參照第一實施例，例如，當導熱介面層13為TIM材料時，有機材料和TIM材料的基體材料可為同一類。
於本案另一實施例中，填充層21還可以由電鍍工藝製作而成。具體地，可對功率基板12的傳熱層或散熱器14的散熱表面等使用金屬材質進行鍍膜，且所採用的金屬材質可以為金、銀或錫等硬度比較軟的金屬材料。
於本案其他實施例中，填充層21還可由熱處理工藝製作而成，對功率基板12的傳熱層或散熱器14的散熱表面進行熱處理，以使得其與導熱介面層13相接觸的部分較其他部分硬度較低，以形成填充層21。本實施例中所採用的熱處理方式為電磁感應退火，在本發明的其他實施例中還可以採用其他熱處理方式，此處不作限定。以對雙面基板進行電磁感應退火為例，如圖13所示，通入變頻電流將雙面基板的傳熱層緩慢加熱到一定溫度（如果是銅，則溫度一般為600℃~700℃），保持足夠時間（例如可以為30分鐘），然後以適宜速度（可以視加熱溫度以及加熱時間而定）冷卻以降低其與導熱介面層13相接觸部分的硬度。類似地，對層疊基板、散熱器等，也可採用電磁感應退火的方法形成填充層21，此處不作贅述。
本實施例中，填充層21無論採用何種工藝方式，均對其厚度有一定的要求，一般填充層的厚度介於1µm~100µm之間。另外，為降低功率模組的整體厚度，填充層的厚度可以既大於或等於1µm，同時又小於或等於10µm。
綜上所述，採用本實施例提供的功率模組的製作方法，增加一填充層與導熱介面層及熱介質層直接接觸，且填充層的硬度低於熱介質層，可有效降低導熱介面層與其相鄰層的接觸熱阻及導熱介面層的體積熱阻，從而改善了功率模組的散熱性能，且成本較低。
本領域技術人員應當意識到在不脫離本發明所附的請求項所公開的本發明的範圍和精神的情況下所作的更動與潤飾，均屬本發明的請求項的保護範圍之內。
11‧‧‧功率器件
12‧‧‧功率基板
12’‧‧‧雙面基板
121‧‧‧第一金屬層
121’‧‧‧陶瓷層
121’’‧‧‧第二金屬層
13‧‧‧導熱介面層
14‧‧‧散熱器
15‧‧‧密封層
16‧‧‧金屬鍵合線
17‧‧‧外殼
18‧‧‧引腳
19‧‧‧銅基板
20‧‧‧焊料
21‧‧‧填充層
22‧‧‧熱介質層
圖1為一典型功率模組的結構示意圖。
圖2為另一典型功率模組的結構示意圖。
圖3為圖1中W部分的放大圖。
圖4為圖1中功率模組的各組成部分的熱阻所占比例分佈圖。
圖5為本案第一實施例之功率模組的結構示意圖。
圖6為本案第二實施例之功率模組的結構示意圖。
圖7為於圖5的功率基板上形成填充層後的結構示意圖。
圖8為於圖6的功率基板上形成填充層後的結構示意圖。
圖9為於散熱器的散熱表面形成填充層後的示意圖。
圖10為本案之較佳實施例之功率模組的製造方法的流程圖。
圖11為本案較佳實施例之製造方法中通過添加有機材料形成填充層的流程圖。
圖12為本案較佳實施例之製造方法中採用噴塗工藝形成填充層的流程圖。
圖13為本案較佳實施例之製造方法中通過電磁感應退火形成填充層的原理示意圖。
11‧‧‧功率器件
12‧‧‧功率基板
121‧‧‧第一金屬層
121’‧‧‧陶瓷層
121”‧‧‧第二金屬層
13‧‧‧導熱介面層
14‧‧‧散熱器
15‧‧‧密封層
16‧‧‧金屬鍵合線
17‧‧‧外殼
18‧‧‧引腳
21‧‧‧填充層
22‧‧‧熱介質層

Claims (20)

  1. 一種功率模組，包括： 一功率基板，包括一導電層以及一傳熱層，其中，該導電層的上表面設有至少一功率器件； 一導熱介面層，設置於該功率基板的該傳熱層的下方； 一填充層，與該導熱介面層以及一熱介質層直接接觸，該填充層用於填充和平坦化該熱介質層；以及 一散熱器，設置於該導熱介面層的下方，用於將該功率器件散發的熱量經由該導熱介面層傳導至該功率模組的外部， 其中，該熱介質層為該功率基板的該傳熱層或該散熱器的散熱表面，且該熱介質層的硬度大於該填充層的硬度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該填充層形成於該功率基板鄰近於該導熱介面層的表面，該熱介質層為該功率基板的該傳熱層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該填充層形成於該散熱器鄰近於該導熱介面層的表面，該熱介質層為該散熱器的散熱表面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該填充層形成於該功率基板鄰近於該導熱介面層的表面以及形成於該散熱器鄰近於該導熱介面層的表面，該熱介質層對應為該功率基板的該傳熱層與該散熱器的散熱表面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該填充層的厚度介於1µm~100µm之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之功率模組，其中該填充層的厚度小於或等於10µm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該導熱介面層包括一基體和一導熱填料，該填充層和該導熱介面層的該基體為同一類別的有機材料，且該填充層的固化程度高於該導熱介面層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之功率模組，其中該填充層還包括一導熱填料，且該填充層的該導熱填料的粒徑小於該熱介質層的粗糙度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該填充層由一金屬材質使用電鍍方式製作而成，該金屬材質為金、銀或錫。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該填充層由該熱介質層使用熱處理方式製作而成。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組，其中該傳熱層為一陶瓷層或一金屬層。
  12. 一種功率模組的製造方法，包括步驟： 形成一功率基板，其中該功率基板包括一導電層和一傳熱層，該導電層的上表面設有至少一功率器件； 形成一導熱介面層於該功率基板的該傳熱層的下方； 形成一填充層，該填充層與該導熱介面層以及一熱介質層直接接觸；以及 形成一散熱器於該導熱介面層的下方，用於將該功率器件散發的熱量經由該導熱介面層傳導至該功率模組的外部， 其中，該熱介質層為該功率基板的該傳熱層或該散熱器的散熱表面，且該熱介質層的硬度大於該填充層的硬度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中形成該填充層的步驟更包括： 浸潤一有機材料至該熱介質層；以及 對該有機材料進行烘乾固化以形成該填充層。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中形成該填充層的步驟更包括： 使用一金屬材質對該熱介質層鍍膜，以形成該填充層，且該金屬材質為金、銀或錫。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中形成該填充層的步驟更包括： 對該熱介質層進行熱處理，以形成該填充層。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之製造方法，其中該熱處理為電磁感應退火。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該導熱介面層包括一基體和一導熱填料，該填充層和該導熱介面層的該基體為同一類別的有機材料，且該填充層的固化程度高於該導熱介面層。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之製造方法，其中該填充層更包括一導熱填料，該填充層的該導熱填料的粒徑小於該熱介質層的粗糙度。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該填充層的厚度介於1µm~100µm之間。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之製造方法，其中該填充層的厚度小於或等於10µm。
TW105142846A 2016-05-12 2016-12-23 功率模組及其製造方法 TWI603441B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610316608.4A CN107369660B (zh) 2016-05-12 2016-05-12 功率模块及其制造方法
??201610316608.4 2016-05-12

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI603441B TWI603441B (zh) 2017-10-21
TW201810560A true TW201810560A (zh) 2018-03-16

Family

ID=60304588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW105142846A TWI603441B (zh) 2016-05-12 2016-12-23 功率模組及其製造方法

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN107369660B (zh)
TW (1) TWI603441B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108321134A (zh) * 2018-04-09 2018-07-24 黄山宝霓二维新材科技有限公司 高功率密度塑封式ipm模块的封装结构及加工工艺
CN108718491A (zh) * 2018-07-24 2018-10-30 甘旭 多层功率器件堆叠结构
CN115209674A (zh) * 2021-04-13 2022-10-18 华为技术有限公司 一种导热件、光模块、散热器和导热件的制备方法
CN117666044A (zh) * 2022-08-31 2024-03-08 华为技术有限公司 光模块壳体及其制作方法、光模块和光通信设备

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7169245B2 (en) * 2004-12-13 2007-01-30 3M Innovative Properties Company Methods of using sonication to couple a heat sink to a heat-generating component
US20080026181A1 (en) * 2006-07-25 2008-01-31 Ravi Rastogi Synergistically-modified surfaces and surface profiles for use with thermal interconnect and interface materials, methods of production and uses thereof
US7535099B2 (en) * 2006-09-26 2009-05-19 Intel Corporation Sintered metallic thermal interface materials for microelectronic cooling assemblies
US20090152713A1 (en) * 2007-12-18 2009-06-18 Ioan Sauciuc Integrated circuit assembly including thermal interface material comprised of oil or wax
JP2011035308A (ja) * 2009-08-05 2011-02-17 Mitsubishi Materials Corp 放熱板、半導体装置及び放熱板の製造方法
JP5407881B2 (ja) * 2010-01-13 2014-02-05 トヨタ自動車株式会社 パワーモジュール製造方法およびその方法により製造したパワーモジュール
JP2012222327A (ja) * 2011-04-14 2012-11-12 Aisin Aw Co Ltd 半導体装置及びその製造方法
TW201313112A (zh) * 2011-09-13 2013-03-16 Gbg Technology Co Ltd 一種複合熱介面材料
US10269688B2 (en) * 2013-03-14 2019-04-23 General Electric Company Power overlay structure and method of making same

Also Published As

Publication number Publication date
TWI603441B (zh) 2017-10-21
CN107369660B (zh) 2019-11-05
CN107369660A (zh) 2017-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI657547B (zh) 功率模組及其製造方法
CN205082059U (zh) 散热电路板
TW201810560A (zh) 功率模組及其製造方法
JP2011508456A5 (zh)
JP4765101B2 (ja) 半導体装置
JP5889488B2 (ja) 電子回路装置
CN105655307A (zh) 一种均热板散热基板功率模块结构
EP3740968B1 (en) Power electronics module and a method of producing a power electronics module
CN209729888U (zh) 可靠性高散热模组
WO2012130063A1 (zh) 电源模块以及应用该电源模块的电子设备
TWI702887B (zh) 軟性線路板結構
CN215834516U (zh) 电子元件的导热装置
CN206686497U (zh) 一种基于金属相变导热导电的散热装置
TWM624077U (zh) 一種具表面圖案化鍍層的車用散熱裝置
CN208315541U (zh) 导热绝缘板及变流装置
CN107645827B (zh) 一种高散热层次递进金属层结构
CN207752994U (zh) 一种半导体功率管的散热装置
CN203398102U (zh) 一种主动式散热基板
TWM621428U (zh) 電子元件的導熱裝置
TWI246878B (en) Phase change thermal conductive plate and heat dissipating device having same
CN107333386A (zh) Pcb板的散热结构及方法
Kadium et al. Analysis of Materials Applied In Cooling Systems Of Led Lighting
CN103066036A (zh) 一种主动式散热基板
KR100934171B1 (ko) 방열 구조체 및 이의 제조 방법
TW200837985A (en) LED device with high heat dissipation