功率模块及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种功率模块及其制作方法，其中，制作方法是使用上表面和下表面均为平面的金属基板与连接基板进行高温连接，以使在高温冷却到低温的过程中，该金属基板的上表面和下表面朝向连接基板方向弯曲变形以分别形成向连接基板方向凸出的曲面，然后再将形成为曲面的下表面加工成平面。也即是说，本发明专利技术提供的功率模块，其金属基板的上表面为向连接基板方向凸出的曲面，而其下表面为平面。本发明专利技术的功率模块及其制作方法，相比于现有技术而言，位于金属基板的上表面和连接基板的下表面之间的第二焊料层具有更大的平均边缘厚度，从而降低了第二焊料层边缘所承受的热应力大小，继而在功率模块具有良好散热性能的基础上提高了功率模块的可靠性。

Power module and preparation method thereof

The invention provides a power module and a manufacturing method thereof, wherein the manufacturing method is to use a metal substrate with both upper and lower surfaces planar to connect to the connecting substrate at high temperature so that the upper and lower surfaces of the metal substrate bend and deform toward the connecting substrate during high temperature cooling to low temperature, respectively. A curved surface projecting toward the connecting substrate is formed, and then the lower surface formed as the curved surface is machined into a plane. That is to say, the power module provided by the invention has a curved surface projecting toward the connecting substrate on the upper surface of the metal substrate and a plane on the lower surface. Compared with the prior art, the second solder layer between the upper surface of the metal substrate and the lower surface of the connecting substrate has a larger average edge thickness, thereby reducing the thermal stress on the edge of the second solder layer and subsequently having good heat dissipation in the power module. The reliability of the power module is improved based on the performance.

【技术实现步骤摘要】
功率模块及其制备方法
本专利技术涉及一种功率模块及其制备方法，属于电子器件封装

技术介绍
功率模块是功率转换电路中较为常见的模块，用于实现直流/直流或交流/直流之间的转换等。功率模块中通常包括一个或者多个功率开关器件芯片(也称为开关管)，在功率模块内部或者外部还集成有用于控制该功率开关器件芯片的开通与关断来实现电源转换的控制器。请参照图1，其提供了一种现有的功率模块的剖面示意图。功率模块包括：功率芯片1、连接基板5、以及金属基板9，其中，连接基板5可选地包括有绝缘主体部52、位于绝缘主体部52上表面的上连接部51和位于绝缘主体部52下表面的下连接部53。具体来说，功率芯片1的下表面和连接基板5的上连接部51通过第一焊料层3连接，连接基板5的下连接部53和金属基板9的上表面通过第二焊料层7连接。在模块制作过程中，将功率芯片1、第一焊料3、连接基板5、第二焊料7、金属基板9依次叠置在一起；然后将叠置好的模块加热到180摄氏度以上、以使第一焊料3和第二焊料7熔融，从而将功率芯片1、连接基板5和金属基板9连接在一起；最后将焊接好的功率模块冷却到室温即可得到成品。然而，在将温度由高温冷却到室温的过程中，由于连接基板5的热膨胀系数(CTE)通常小于10ppm/K，而常用的金属基板9(如铜板)的CTE在17ppm/K左右，在热膨胀系数不一致的影响下，功率模块的背面会发生翘曲，金属基板9的下平面会向连接基板5方向凸起，从而会对功率模块的散热产生不利影响。因此，业界往往会对金属基板9进行如图1所示的反变形，亦即事先将金属基板9朝向散热器(图中未示出，位于金属基板9的下方)一侧的表面制作成为微凸状态，以期望使金属基板9的上表面在由高温冷却到室温的过程中能够变形为如图1所示的平面或者微向散热器方向凸起的状态，以提高功率模块的散热效果。上述功率模块，由于金属基板9采用了反变形技术，即初始态为向散热器侧凸出，而连接基板5却为一近似平面，因此，二者之间的第二焊料7的厚度分布由金属基板9的初始曲面以及连接基板5的平面所限定，也即，现有技术中，第二焊料7会出现中间厚，边缘薄的状态，虽然金属基板9在从高温冷却到低温的过程中会发生一定的弯曲变形，但是这种弯曲变形的程度从工艺上难以控制，使得焊接完成的功率模块的金属基板9和连接基板5之间的第二焊料层受限于反变形技术的加工工艺，依然存在中间厚，边缘薄的现象。由于模块在温度循环时，焊料边沿承受热应力比较大，往往是容易最早发生裂痕的位置。考虑到焊料发生裂痕时对芯片传热路径的影响，一般会将功率芯片1设置在连接基板5偏中间的位置，而连接基板5中间位置的对应的焊料厚度又比较大，这会增加芯片至模块表面的传热热阻，影响芯片散热性能。由此可见，现有技术中焊料呈现的“中间厚，边缘薄”的状态，难以同时兼顾温度循环可靠性以及芯片散热的要求。而且，这种提前对金属基板9进行预弯的方式，无法准确控制功率模块在从高温冷却到室温的过程中的变形量，会导致如图2中金属基板9下表面凹凸不平的现象。因此，现有技术中，往往都会增加金属基板9和散热器之间的导热硅脂厚度以填充凹凸不平的表面，从而增大二者之间的热阻，影响散热效果。
技术实现思路
本专利技术提供一种功率模块及其制备方法，以解决上述或者其他潜在问题。根据本专利技术一实施例，提供一种功率模块的制作方法，包括：提供功率芯片、第一焊料、连接基板、第二焊料、以及金属基板，其中，所述金属基板的上表面和下表面为平面；将所述功率芯片、所述第一焊料、所述连接基板、所述第二焊料和所述金属基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，其中，所述第二焊料与所述金属基板的上表面接触；冷却至-10～40℃，以使所述第一焊料和所述第二焊料分别形成第一焊料层和第二焊料层，所述连接基板的热膨胀系数小于所述金属基板的热膨胀系数且所述金属基板的上表面和下表面在冷却过程中朝向所述连接基板的方向弯曲变形分别形成向所述连接基板方向凸出的曲面；将所述金属基板形成曲面的下表面加工成平面。根据本专利技术一实施例，提供一种功率模块的制作方法，包括：提供功率芯片、第一焊料、连接基板、第二焊料、以及金属基板，其中，所述金属基板的上表面和下表面为平面；将所述功率芯片、所述第一焊料和所述连接基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，以得到焊接有功率芯片的连接基板；然后将所述焊接有功率芯片的连接基板、所述第二焊料和所述金属基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，其中，所述第二焊料与所述金属基板的上表面接触；冷却至-10～40℃，以使所述第一焊料和第二焊料分别形成第一焊料层和第二焊料层，所述连接基板的热膨胀系数小于所述金属基板的热膨胀系数且所述金属基板的上表面和下表面在冷却过程中朝向所述连接基板的方向弯曲变形分别形成向所述连接基板方向凸出的曲面；将所述金属基板形成曲面的下表面加工成平面。根据本专利技术一实施例，提供一种功率模块的制作方法，包括：提供功率芯片、第一焊料、连接基板、第二焊料、以及金属基板，其中，所述金属基板的上表面和下表面为平面；将所述连接基板、所述第二焊料和所述金属基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，以得到焊接有金属基板的连接基板，其中，所述第二焊料与所述金属基板的上表面接触；然后将功率芯片、所述第一焊料和所述焊接有金属基板的连接基板依次叠置在一起并加热到180～350℃；冷却至-10～40℃，以使所述第一焊料和第二焊料分别形成第一焊料层和第二焊料层，所述连接基板的热膨胀系数小于所述金属基板的热膨胀系数且所述金属基板的上表面和下表面在冷却过程中朝向所述连接基板的方向弯曲变形分别形成向所述连接基板方向凸出的曲面；将所述金属基板形成曲面的下表面加工成平面。根据本专利技术一实施例，提供一种功率模块的制作方法，包括：提供功率芯片、第一焊料、连接基板、第二焊料、以及金属基板，其中，所述金属基板的上表面和下表面为平面；将所述连接基板、所述第二焊料和所述金属基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，以得到焊接有金属基板的连接基板，其中，所述第二焊料与所述金属基板的上表面接触；冷却至-10～40℃，以使所述第二焊料形成第二焊料层，所述连接基板的热膨胀系数小于所述金属基板的热膨胀系数且使所述金属基板的上表面和下表面在冷却过程中朝向所述连接基板的方向弯曲变形分别形成向所述连接基板方向凸出的曲面；将所述金属基板形成曲面的下表面加工成平面；然后将功率芯片、所述第一焊料和所述焊接有金属基板的连接基板依次叠置在一起并加热到180～350℃；冷却至-10～40℃，以使所述第一焊料形成第一焊料层。如上所述的制作方法，其中，冷却至-10～40℃后，所述第二焊料层的平均边缘厚度大于或者等于所述第二焊料层的中心厚度的0.8倍。如上所述的制作方法，其中，冷却至-10～40℃后，所述第二焊料层的平均边缘厚度大于或者等于所述第二焊料层的中心厚度。如上所述的制作方法，其中，提供的所述连接基板包括：绝缘主体部，以及位于所述绝缘主体部上表面的上连接部和位于所述绝缘主体部下表面的下连接部。如上所述的制作方法，其中，提供的所述连接基板的下连接部的下表面为平面或为向所述金属基板方向凸出的曲面。如上所述的制作方法，其中，提供的所述连接基板的下连接部的边缘还被部分去除，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率模块的制备方法，其特征在于，包括：提供功率芯片、第一焊料、连接基板、第二焊料、以及金属基板，其中，所述金属基板的上表面和下表面为平面；将所述功率芯片、所述第一焊料、所述连接基板、所述第二焊料和所述金属基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，其中，所述第二焊料与所述金属基板的上表面接触；冷却至‑10～40℃，以使所述第一焊料和所述第二焊料分别形成第一焊料层和第二焊料层，所述连接基板的热膨胀系数小于所述金属基板的热膨胀系数且所述金属基板的上表面和下表面在冷却过程中朝向所述连接基板的方向弯曲变形分别形成向所述连接基板方向凸出的曲面；将所述金属基板形成曲面的下表面加工成平面。

【技术特征摘要】
1.一种功率模块的制备方法，其特征在于，包括：提供功率芯片、第一焊料、连接基板、第二焊料、以及金属基板，其中，所述金属基板的上表面和下表面为平面；将所述功率芯片、所述第一焊料、所述连接基板、所述第二焊料和所述金属基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，其中，所述第二焊料与所述金属基板的上表面接触；冷却至-10～40℃，以使所述第一焊料和所述第二焊料分别形成第一焊料层和第二焊料层，所述连接基板的热膨胀系数小于所述金属基板的热膨胀系数且所述金属基板的上表面和下表面在冷却过程中朝向所述连接基板的方向弯曲变形分别形成向所述连接基板方向凸出的曲面；将所述金属基板形成曲面的下表面加工成平面。2.一种功率模块的制备方法，其特征在于，包括：提供功率芯片、第一焊料、连接基板、第二焊料、以及金属基板，其中，所述金属基板的上表面和下表面为平面；将所述功率芯片、所述第一焊料和所述连接基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，以得到焊接有功率芯片的连接基板；然后将所述焊接有功率芯片的连接基板、所述第二焊料和所述金属基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，其中，所述第二焊料与所述金属基板的上表面接触；冷却至-10～40℃，以使所述第一焊料和第二焊料分别形成第一焊料层和第二焊料层，所述连接基板的热膨胀系数小于所述金属基板的热膨胀系数且所述金属基板的上表面和下表面在冷却过程中朝向所述连接基板的方向弯曲变形分别形成向所述连接基板方向凸出的曲面；将所述金属基板形成曲面的下表面加工成平面。3.一种功率模块的制备方法，其特征在于，包括：提供功率芯片、第一焊料、连接基板、第二焊料、以及金属基板，其中，所述金属基板的上表面和下表面为平面；将所述连接基板、所述第二焊料和所述金属基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，以得到焊接有金属基板的连接基板，其中，所述第二焊料与所述金属基板的上表面接触；然后将功率芯片、所述第一焊料和所述焊接有金属基板的连接基板依次叠置在一起并加热到180～350℃；冷却至-10～40℃，以使所述第一焊料和第二焊料分别形成第一焊料层和第二焊料层，所述连接基板的热膨胀系数小于所述金属基板的热膨胀系数且所述金属基板的上表面和下表面在冷却过程中朝向所述连接基板的方向弯曲变形分别形成向所述连接基板方向凸出的曲面；将所述金属基板形成曲面的下表面加工成平面。4.一种功率模块的制备方法，其特征在于，包括：提供功率芯片、第一焊料、连接基板、第二焊料、以及金属基板，其中，所述金属基板的上表面和下表面为平面；将所述连接基板、所述第二焊料和所述金属基板依次叠置在一起并加热到180～350℃，以得到焊接有金属基板的连接基板，其中，所述第二焊料与所述金属基板的上表面接触；冷却至-10～40℃，以使所述第二焊料形成第二焊料层，所述连接基板的热膨胀系数小于所述金属基板的热膨胀系数且使所述金属基板的上表面和下表面在冷却过程中朝向所述连接基板的方向弯曲变形分别形成向所述连接基板方向凸出的曲面；将所述金属基板形成曲面的下表面加工成平面；然后将功率芯片、所述第一焊料和所述焊接有金属基板的连接基板依次叠置在一起并加热到180～350℃；冷却至-10～40℃，以使所述第一焊料形成第一焊料层。5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，冷却至-10～40℃后，所述第二焊料层的平均边缘厚度大于或者等于所述第二焊料层的中心厚度的0.8倍。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，冷却至-10～40℃后，所述第二焊料层的平均边缘厚度大于或者等于所述第二焊料层的中心厚度。7.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，提供的所述连接基板包括：绝缘主体部，以及位于所述绝缘主体部上表面的上连接部和位于所述绝缘主体部下表面的下连接部。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，提供的所述连接基板的下连接部的下表面为平面或为向所...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪守玉，程伟，周甘宇，邹欣，赵振清，
申请(专利权)人：台达电子企业管理上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31