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

本发明专利技术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。具有广泛的实用性。具有广泛的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种集成散热器的功率模块简化封装结构及制作方法


[0001]本专利技术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
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]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。
[0007]为实现以上目的，本专利技术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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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：
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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。
[0023]有益效果:
[0024]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，能够使得本专利技术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。
[0025]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：原熙博，李炎，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：