CN113782504A - 一种集成散热器的功率模块简化封装结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种集成散热器的功率模块简化封装结构及制作方法，适用于功率模块封装设计领域。包括陶瓷散热器，陶瓷散热器上方直接铺设有根据需要设计的铜制导电层，铜制导电层下表面直接键合在陶瓷散热器的上表面，铜制导电层在预设处的上表面通过焊料层焊接有碳化硅芯片，所述铜制导电层外侧设有将碳化硅芯片盖住的外壳，外壳中嵌有外部接口，外部接口贯穿外壳与内部，外壳与陶瓷散热器紧密结合，且外壳与陶瓷散热器形成的内部空间中填充环氧树脂，用于防止发生爬电击穿和辅助散热；所述陶瓷散热器与铜制导电层接触面绝缘不导电。其结构简单，制作方便，有效减小结构层数的同时提高散热效率，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率模块简化封装结构及制作方法，尤其涉及功率模块封装设计领域使用的一种集成散热器的功率模块简化封装结构及制作方法。
技术背景
随着电力电子化在各个领域的推广与发展，尤其是以碳化硅MOSFET为代表的第三代功率半导体得到了更加广泛地应用。相较于传统硅基器件，其拥有着开关速度快，低损耗，高结温的特点。并且，随着不同行业对电力电子设备的要求更加细化(极致散热、最大体积比功率密度、最大重量比功率密度、低损耗等等)，尤其针对高定制性、轻量化、高功率密度的电力电子功率器件，还没有成熟的封装技术方案。
目前已经商用的的功率模块封装大部分还在采用硅基功率模块的封装方式。一般将芯片通过焊接的方式固定在DBC(Direct Bonded Copper Substrates,陶瓷覆铜板)上层铜板上，在通过金属键合线的方式引出芯片正面电极。DBC最下层的导热铜箔将和功率器件的基板(Baseplate)焊接在一起。实际应用中，基板又通过硅脂和金属散热器相连进行散热。这种多层、多接触面的散热形式增加了散热阻力(热阻)，不利于热(功率芯片损耗)的传导。特别是传统模块的基板与金属散热器相连时，很难保证接触面的很好贴合，需要精确的工艺保证接触面的光滑度。而采用施加硅脂或其它接触材料的方式又增加了热阻，影响了散热和带来了复杂的组装和固定过程。并且由于功率芯片的工作温度较高(碳化硅器件可以达到300℃以上，硅基器件工作温度一般在125℃以下)，采用传统器件封装的功率模块往往被限制在较低的工作温度区间内(例如，CREE公司的碳化硅功率模块工作温度建议150℃以下，英飞凌公司生产的硅基功率模块工作温度建议在125℃以下，特殊封装的过载温度能够达到175℃)。与此同时，传统封装中采用的DBC(陶瓷覆铜板)常常会出现由于热疲劳及散热不佳导致的接合面破损问题。这些封装问题严重影响了功率模块的运行稳定性。
此外，在电力电子化的普及过程中，对电力电子设备也呈现出多样化的需求。例如，多电飞机技术，要求在保证可靠性的前提下，尽可能的减小电力电子设备的体积和重量，提高设备的效率。并且，电力电子设备中散热设计也是系统设计的重点和难点，目前采用大部分都是散热器与功率模块分离的方式，将功率固定在散热器上在通过风冷或者液冷进行散热。多层散热介质的叠加，也会影响系统整体的散热效果和电力电子设备体积及重量。因此作为电力电子设备中的核心部件，功率模块以及散热系统的整体可定制化在设计电力电子设备过程中显得尤为重要。
综上所述，目前传统的硅基器件封装不能够充分发挥目前新型功率器件的优良特性，且不能满足于各种电力电子设备的可定制化需求。因此，需要一种结合新兴技术及工艺的解决方案改善现有封装问题，以适应电力电子多应用背景下的挑战。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种散热效果相较于传统封装更好，能够有效减少键合面破损问题。可定制性强，能够有效减小电力电子设备整体重量的集成散热器的功率模块简化封装结构及制作方法。
为实现以上目的，本发明的一种集成散热器的功率模块简化封装结构，包括陶瓷散热器，陶瓷散热器上方直接铺设有根据需要设计的铜制导电层，铜制导电层下表面直接键合在陶瓷散热器的上表面，铜制导电层在预设处的上表面通过焊料层焊接有碳化硅芯片，所述铜制导电层外侧设有将碳化硅芯片盖住的外壳，外壳中嵌有外部接口，外部接口贯穿外壳与内部，外壳与陶瓷散热器紧密结合，且外壳与陶瓷散热器形成的内部空间中填充环氧树脂，用于防止发生爬电击穿和辅助散热；所述陶瓷散热器与铜制导电层接触面绝缘不导电。
进一步，所述的瓷材料散热器为鳍状散热器、蜂窝状散热器、风冷齿型散热器、风孔型散热器，通常搭配强迫换流装置的结构，或者为包含水道的水冷散热器。
进一步，所述的陶瓷散热器的非与铜制导电层接触面的其它散热部分内的陶瓷内根据需要添加有金属成分，或者直接使用金属与陶瓷片组合的结构构成散热器，其中保证与铜制导电层接触面必须为陶瓷片制成的绝缘面板，其余散热部分使用金属制成。
进一步，所述的陶瓷散热器使用3D打印技术制造，制造过程中陶瓷散热器具备有毛细结构，能够大幅度增加热传导面积，减少单位体积下的散热器重量。
进一步，所述功率器件芯片，内部包括功率芯片裸片、芯片漏极、芯片栅极和芯片源极，外部包裹一层绝缘材料，其中芯片漏极与芯片栅极分别设置在功率芯片裸片上表面，芯片源极设置在芯片源极下表面，芯片漏极、芯片栅极和芯片源极均经过镀银处理，并且负极通过焊料焊接在导电层上表面。
进一步，所述功率芯片裸片可以为碳化硅MOSFET，也可以为硅基IGBT，或其他硅基器件。
进一步，所述外壳为绝缘材质构成，上外部接口将功率器件芯片的芯片漏极、芯片栅极和芯片源极极引出，所述外壳直接密封粘合固定在陶瓷散热器上。
进一步，功率器件芯片上直接键合有金属键合线，金属键合线用于引出功率器件芯片漏极以及功率器件芯片栅极，通过飞线连接至漏极导电层与栅极导电层。
一种集成散热器的功率模块简化封装结构的制作方法，其步骤如下：
a根据需要对功率器件芯片的封装进行整体设计，前期设计方面主要有功率器件的外观大小，功率等级，电流电压等级、散热方式；
b根据前期设计方案，建立陶瓷散热器模型，使用3D打印设备打印风冷或水冷陶瓷散热器，或者采用铸造或者机加工形式制备陶瓷散热器，并对制备完成的陶瓷散热器表面进行热处理；
c根据选取的功率器件大小及电流等级，在陶瓷散热器上对导电层绝缘沟道进行设计，将导电层分割成不同的电平区域；
d在高温下，将铜制导电层键合在陶瓷散热器上表面，并采用化学清洗的方法，清除陶瓷散热器及导电层上的颗粒物质及离子杂质；
e使用超声波清除功率器件芯片的上下表面的杂质，并对其进行镀银处理，使功率器件芯片上下表面形成正、负电极；
f将功率器件芯片负极焊接在导电层提前规划出的负极区域，将功率器件芯片正极与导电层的正极利用键合线合线引出；
g安装外壳，利用环氧树脂进行将外壳与陶瓷散热器之间的空隙充满密封。
有益效果:
本功率模块封装结构中，功率器件芯片直接通过导电层键合在陶瓷散热器上，这种结构方式能在减小结构层数的同时，大幅度减小散热主回路上热阻，能够使得本发明中的封装结构充分发挥功率器件特性，并且本封装结构能够使得模块对热机械疲劳的抵抗力增强，减少由于热疲劳导致的键合面破裂问题。
外壳以及散热器形状能够根据实际设备进行定制，采用3D打印技术对散热器进行定制化生产，能够有效降低机加工、钎焊等对散热能力的损耗，且利用掺杂金属离子的陶瓷材料进行3D打印既能够保证美金属散热器的热导率同时还具有绝缘特性，从而节省了常规芯片与散热器之间的绝缘层结构，提高了热传导的效率；散热器内部结构能够形成传统机加工不能实现的曲率形状，并且通过变换不同的内部结构在不增加体积的情况下，大幅度的增加热交换面积，减小散热系统重量，提升设备散热能力，于现有产品在同等条件下能够大幅度提升设备散热能力，减轻设备重量。能够解决特殊电力电子设备对高功率密度设计的要求。
附图说明
图1为本发明集成散热器的功率模块简化封装结构的剖面示意图。
图2为本发明集成散热器的功率模块简化封装结构内部结构示意图。
图3为本发明集成散热器的功率模块简化封装结构中功率器件芯片结构示意图。
图4为本发明采用3D打印增材技术制造的散热器实施例1示意图；
图5为本发明采用3D打印增材技术制造的散热器实施例2示意图；
图6为本发明采用3D打印增材技术制造的散热器实施例3示意图；
图7为本发明采用3D打印增材技术制造的散热器实施例3剖面图。
图中：1-陶瓷散热器；2-导电层；3-键合线；4-碳化硅芯片；5-焊料层；6-外壳；7-外部接口；8-散热器毛细结构；4-1-碳化硅裸片；4-2-绝缘材料；4-3-芯片漏极；4-4-芯片栅极；4-5-芯片源极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
如图1和图2所示，本发明的一种集成散热器的功率模块简化封装结构，包括陶瓷散热器1，陶瓷散热器1上方直接铺设有根据需要设计的铜制导电层2，铜制导电层2下表面直接键合在陶瓷散热器1的上表面，铜制导电层2在预设处的上表面通过焊料层5焊接有碳化硅芯片4，所述铜制导电层2外侧设有将碳化硅芯片4盖住的外壳6，外壳6中嵌有外部接口7，外部接口7贯穿外壳6与内部，外壳6与陶瓷散热器1紧密结合，且外壳6与陶瓷散热器1形成的内部空间中填充环氧树脂，用于防止发生爬电击穿和辅助散热；所述陶瓷散热器1与铜制导电层2接触面绝缘不导电。所述功率器件芯片4，内部包括功率芯片裸片4-1、芯片漏极4-3、芯片栅极4-4和芯片源极4-5，外部包裹一层绝缘材料4-2，其中芯片漏极4-3与芯片栅极4-4分别设置在功率芯片裸片4-1上表面，芯片源极4-5设置在芯片源极4-5下表面，芯片漏极4-3、芯片栅极4-4和芯片源极4-5均经过镀银处理，并且负极通过焊料焊接在导电层上表面。功率芯片裸片4-1可以为碳化硅MOSFET，也可以为硅基IGBT，或其他硅基器件。外壳6为绝缘材质构成，上外部接口7将功率器件芯片4的芯片漏极4-3、芯片栅极4-4和芯片源极4-5极引出，所述外壳6直接密封粘合固定在陶瓷散热器1上。功率器件芯片4上直接键合有金属键合线3，金属键合线3用于引出功率器件芯片漏极4-3以及功率器件芯片栅极4-4，通过飞线连接至漏极导电层与栅极导电层。
所述的瓷材料散热器1为鳍状散热器、蜂窝状散热器、风冷齿型散热器、风孔型散热器，通常搭配强迫换流装置的结构，或者为包含水道的水冷散热器。所述的陶瓷散热器1的非与铜制导电层2接触面的其它散热部分内的陶瓷内根据需要添加有金属成分，或者直接使用金属与陶瓷片组合的结构构成散热器，其中保证与铜制导电层2接触面必须为陶瓷片制成的绝缘面板，其余散热部分使用金属制成。所述的陶瓷散热器1使用3D打印技术制造，制造过程中陶瓷散热器1具备有毛细结构，能够大幅度增加热传导面积，减少单位体积下的散热器重量。
一种集成散热器的功率模块简化封装结构的制作方法，其步骤如下：
a根据需要对功率器件芯片4的封装进行整体设计，前期设计方面主要有功率器件的外观大小，功率等级，电流电压等级、散热方式；
b根据前期设计方案，建立陶瓷散热器1模型，使用3D打印设备打印风冷或水冷陶瓷散热器1，或者采用铸造或者机加工形式制备陶瓷散热器1，并对制备完成的陶瓷散热器1表面进行热处理；
c根据选取的功率器件大小及电流等级，在陶瓷散热器1上对导电层绝缘沟道进行设计，将导电层分割成不同的电平区域；
d在高温下，将铜制导电层2键合在陶瓷散热器上表面，并采用化学清洗的方法，清除陶瓷散热器1及导电层2上的颗粒物质及离子杂质；
e使用超声波清除功率器件芯片4的上下表面的杂质，并对其进行镀银处理，使功率器件芯片4上下表面形成正、负电极；
f将功率器件芯片4负极焊接在导电层2提前规划出的负极区域，将功率器件芯片4正极与导电层2的正极利用键合线3合线引出；
g安装外壳6，利用环氧树脂进行将外壳6与陶瓷散热器1之间的空隙充满密封。
实施例：
本发明提供了一种提高散热能力，增加工作稳定性，能够充分发掘碳化硅器件性能的功率器件封装结构，其封装结构图形如图1、图2所示：本发明实施例中的碳化硅功率模块封装结构，包含有陶瓷材料散热器1、导电层2、金属键合线3、功率器件芯片4、焊料5、外壳6、外部接口7。其中，陶瓷材料散热器1上方铺设有铜制导电层2，功率器件芯片4通过焊料5焊接在铜制导电层上。外部接口7嵌入在外壳6之中，并贯穿外壳6与内部。外壳6与陶瓷散热器紧密结合，且外壳与散热器形成的内部空间中填充环氧树脂。
与现有商用碳化硅功率模块相比较，本发明实施例中碳化硅功率模块封装采用绝缘散热器以及简化层叠结构，减少了主要热传导路径上的热阻，使得碳化硅功率模块达到更好的散热效果；与此同时，采用本发明实施例中的碳化硅功率模块封装，能够使的碳化硅功率器件获得更加稳定的性能以及更高的工作温度；并且结合3D增材打印陶瓷散热器能够使得采用本发明实施例中的碳化硅功率模块的电力电子设备获得更好的散热效果，更高的功率密度，更长的使用寿命。
具体的，所述的陶瓷散热器1为陶瓷材质，其可以采用3D打印技术制造，直接通过陶瓷粉末粘结成型，高温固化后形成所需散热结构。并且，陶瓷散热器1不仅仅局限于采用3D打印技术所制作，铸造、机加工等其他形式所制造的适用于本封装结构的陶瓷散热器也受到本发明的保护。其散热器结构不固定，可以根据应用场景，应用需求进行调整。
具体的，在打印、铸造、机加工过程中，可在陶瓷材料中掺杂金属材料以提升散热器热导率。所述的陶瓷散热器1其本身应该具备绝缘特性。
具体的，所述的导电层2材料为铜，中间部分用于放置上下桥臂碳化硅芯片4。所述导电层2下表面在高温下通过技术手段直接键合在陶瓷散热器1的上表面。导电层2的绝缘沟道的排布都经过特殊的设计，将导电层2分割为不同的属性漏极导电层、源极导电层、栅极导电层，配合碳化硅芯片4放置位置能够起到优化内部寄生参数，提高器件运行特性的效果。
具体的，所述的功率器件芯片4结构如图3所示，内部包含有功率器件裸片4-1，并且其裸片上表面还有处理过后的芯片漏极4-3与芯片栅极4-4，下表面芯片源极4-5。其中栅、漏、源极都经过镀银处理，并且负极通过焊料焊接在导电层上表面。所述的功率器件芯片外部还有绝缘材料4-2。所述的功率芯片裸片4-1可以为碳化硅MOSFET，也可以为硅基IGBT，或其他材料器件等。
具体的，所述的金属键合线3材料可以为铝或者是铜，金属键合线直接键合在功率器件芯片正极上，用于引出功率器件芯片漏极4-3以及功率器件芯片栅极4-4，连接至导电层漏极导电层与栅极导电层。
具体的，所述的焊料5通常为锡片或者锡膏。用于连接固定导电层与功率器件芯片。同样能够采用烧结银技术直接将功率器件芯片烧结在导电层。
具体的，所述的外壳6为绝缘材质，上面嵌有外部接口7，外部接口将功率模块的栅、源、漏极引出。外壳直接密封粘合固定在陶瓷散热器上，内部充有环氧树脂，用于防止发生爬电击穿和辅助散热。
本发明实施例中，除去整体结构所带来的热稳定提升，以及使用寿命的提升1-2倍，陶瓷散热器1作为一个重要部件，其外部结构设计会对采用本发明的碳化硅功率模块的散热效果、重量等产生巨大的影响。并且根据成本预算，可以采用不同加工技术对陶瓷散热器进行生产。使用机加工等机械加工手段生产的陶瓷散热器成本相较于3D打印技术生产的陶瓷散热器成本能够减少90％以上，但3D打印增材技术所带来的热交换面积的增加、整体重量的减少，也是机加工陶瓷散热器所不能比拟的。
图4-7中分别为陶瓷散热器1三种不同的实施例。其中图4所示的陶瓷散热器实施例1中的齿式散热器，以及图5所示的陶瓷散热器实施例2中的风孔散热器，能够使用机加工手段或者3D增材技术进行加工。图6-7所示的陶瓷散热器实施例3中的水冷式散热器，由于陶瓷材料的特殊性，仅仅只能使用3D增材技术进行加工，并且其具有的毛细结构8，能够大大增加水道内部的热交换面积，增强散热能力。
本功率模块封装结构中，功率器件芯片直接通过导电层键合在陶瓷散热器上，这种结构方式能在减小结构层数的同时，大幅度减小散热主回路上热阻。例如采用本发明中的封装结构能够直接减少传统封装散热主回路上的DBC铜制底面(热导率为397W/m·K)、焊料层(66W/m·K)、金属底板以及热导率最低的导热硅脂层(2.0W/m·K)，能够使得本发明中的封装结构充分发挥功率器件特性(更高的开关频率，更快的开关速度，更高的的工作结温)，并且这种封装结构能够使得模块对热机械疲劳的抵抗力增强，减少由于热疲劳导致的键合面破裂问题。例如，本发明中功率模块的允许工作温度提高20-30℃，使用寿命增加1-2倍。
本发明中功率模块封装结构中其外壳以及散热器形状能够根据实际设备进行定制，采用3D打印技术对散热器进行定制化生产，能够有效降低机加工、钎焊等对散热能力的损耗，虽然散热器必须具备绝缘特性，但是能够进行3D打印的掺杂金属离子的陶瓷材料能够媲美金属散热器的热导率。例如氮化铝(AIN)陶瓷材质热导率能够达到320W/m·K，远大于铝制散热器热导率，同等条件下为铝制散热器的散热传导效率1.5倍左右。并且采用3D打印增材技术生成的散热器部件，其内部结构可以设计的更加复杂，能够形成传统机加工不能实现的曲率形状，例如水道的毛细设计，以及风道的多孔镂空设计。并且通过这种结构设计，能够在不增加体积的情况下，能够大幅度的增加热交换面积，减小散热系统重量，提升设备散热能力，例如，散热器热交换面积增加50％以上，散热系统重量减小30％以上，散热能力提升40％以上。本发明中的封装结构适用于现阶段电力电子设备，同等条件下能够大幅度提升设备散热能力，减轻设备重量。能够解决特殊电力电子设备对高功率密度设计的要求。
Claims (9)
1.一种集成散热器的功率模块简化封装结构，其特征在于：它包括陶瓷散热器(1)，陶瓷散热器(1)上方直接铺设有根据需要设计的铜制导电层(2)，铜制导电层(2)下表面直接键合在陶瓷散热器(1)的上表面，铜制导电层(2)在预设处的上表面通过焊料层(5)焊接有碳化硅芯片(4)，所述铜制导电层(2)外侧设有将碳化硅芯片(4)盖住的外壳(6)，外壳(6)中嵌有外部接口(7)，外部接口(7)贯穿外壳(6)与内部，外壳(6)与陶瓷散热器(1)紧密结合，且外壳(6)与陶瓷散热器(1)形成的内部空间中填充环氧树脂，用于防止发生爬电击穿和辅助散热；所述陶瓷散热器(1)与铜制导电层(2)接触面绝缘不导电。
2.根据权利要求1所述的集成散热器的功率模块简化封装结构，其特征在于：所述的瓷材料散热器(1)为鳍状散热器、蜂窝状散热器、风冷齿型散热器、风孔型散热器，通常搭配强迫换流装置的结构，或者为包含水道的水冷散热器。
3.根据权利要去1所述的集成散热器的功率模块简化封装结构，其特征在于：所述的陶瓷散热器(1)的非与铜制导电层(2)接触面的其它散热部分内的陶瓷内根据需要添加有金属成分，或者直接使用金属与陶瓷片组合的结构构成散热器，其中保证与铜制导电层(2)接触面必须为陶瓷片制成的绝缘面板，其余散热部分使用金属制成。
4.根据权利要去2所述的集成散热器的功率模块简化封装结构，其特征在于：所述的陶瓷散热器(1)使用3D打印技术制造，制造过程中陶瓷散热器(1)具备有毛细结构，能够大幅度增加热传导面积，减少单位体积下的散热器重量。
5.根据权利要去1所述的集成散热器的功率模块简化封装结构，其特征在于：所述功率器件芯片(4)，内部包括功率芯片裸片(4-1)、芯片漏极(4-3)、芯片栅极(4-4)和芯片源极(4-5)，外部包裹一层绝缘材料(4-2)，其中芯片漏极(4-3)与芯片栅极(4-4)分别设置在功率芯片裸片(4-1)上表面，芯片源极(4-5)设置在芯片源极(4-5)下表面，芯片漏极(4-3)、芯片栅极(4-4)和芯片源极(4-5)均经过镀银处理，并且负极通过焊料焊接在导电层上表面。
6.根据权利要去5所述的集成散热器的功率模块简化封装结构，其特征在于：所述功率芯片裸片(4-1)可以为碳化硅MOSFET，也可以为硅基IGBT，或其他硅基器件。
7.根据权利要去5所述的集成散热器的功率模块简化封装结构，其特征在于：所述外壳(6)为绝缘材质构成，上外部接口(7)将功率器件芯片(4)的芯片漏极(4-3)、芯片栅极(4-4)和芯片源极(4-5)极引出，所述外壳(6)直接密封粘合固定在陶瓷散热器(1)上。
8.根据权利要去1所述的集成散热器的功率模块简化封装结构，其特征在于：功率器件芯片(4)上直接键合有金属键合线(3)，金属键合线(3)用于引出功率器件芯片漏极(4-3)以及功率器件芯片栅极(4-4)，通过飞线连接至漏极导电层与栅极导电层。
9.一种根据上述任一权利要求所述集成散热器的功率模块简化封装结构的制作方法，其特征在于步骤如下：
a根据需要对功率器件芯片(4)的封装进行整体设计，前期设计方面主要有功率器件的外观大小，功率等级，电流电压等级、散热方式；
b根据前期设计方案，建立陶瓷散热器(1)模型，使用3D打印设备打印风冷或水冷陶瓷散热器(1)，或者采用铸造或者机加工形式制备陶瓷散热器(1)，并对制备完成的陶瓷散热器(1)表面进行热处理；
c根据选取的功率器件大小及电流等级，在陶瓷散热器(1)上对导电层绝缘沟道进行设计，将导电层分割成不同的电平区域；
d在高温下，将铜制导电层(2)键合在陶瓷散热器上表面，并采用化学清洗的方法，清除陶瓷散热器(1)及导电层(2)上的颗粒物质及离子杂质；
e使用超声波清除功率器件芯片(4)的上下表面的杂质，并对其进行镀银处理，使功率器件芯片(4)上下表面形成正、负电极；
f将功率器件芯片(4)负极焊接在导电层(2)提前规划出的负极区域，将功率器件芯片(4)正极与导电层(2)的正极利用键合线(3)合线引出；
g安装外壳(6)，利用环氧树脂进行将外壳(6)与陶瓷散热器(1)之间的空隙充满密封。
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