一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构制造技术

一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构。包括自下而上依次键合的基板、绝缘衬底基板和芯片；所述绝缘衬底基板包括自上而下依次键合的上金属层、绝缘衬底和下金属层；所述绝缘衬底包括若干第一绝缘衬底基片和第二绝缘衬底基片；若干所述第一绝缘衬底基片分别呈矩形结构，均布间隔设置；所述第二绝缘衬底基片嵌于相邻的第一绝缘衬底基片之间，并其侧面贴合。本发明专利技术既提供有效的散热通道，减小器件结温及其对器件特性的影响，又可以有效释放结构应力应变，避免其对绝缘衬底、芯片和焊料层的作用而导致器件的性能劣化和失效。作用而导致器件的性能劣化和失效。作用而导致器件的性能劣化和失效。

【技术实现步骤摘要】
一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构


[0001]本专利技术涉及电力电子器件
，尤其涉及一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构。

技术介绍

[0002]IGBT（绝缘栅双极型晶体管）功率器件在从混合动力汽车的逆变器到风力发电机的功率转换器的广泛领域中得到应用，并随着不断提高的应用需求从常规IGBT功率器件发展为IGBT功率模块或IGBT智能功率模块。为了提高IGBT功率模块的电流处理能力，IGBT功率模块中并联有多个IGBT芯片，并根据应用需求集成有续流二极管，现行技术中功率模块的硅芯片和基板、散热层之间采用绝缘衬底来进行电隔离，根据不同的器件额定功率，IGBT功率模块采用不同的绝缘衬底材料和模块制作技术。
[0003]因键合过程中的温度变化以及应用时的功率循环在封装结构中所产生的应力会导致绝缘衬底中产生应变而使绝缘衬底产生翘曲乃至断裂，并对芯片和芯片焊料层产生作用而导致器件性能的劣化乃至失效。现行技术中包含绝缘衬底的直接结合铜(DBC)绝缘衬底基板可实现的基板尺寸较小，仅适用于小功率的IGBT器件或功率模块。大功率IGBT器件或功率模块所需的大尺寸绝缘衬底基板一般采用绝缘金属衬底(IMS)技术，其绝缘衬底采用聚合物材料，缺点是聚合物材料的热导热低、存在与薄聚合物层相关的电容性串扰问题等。
[0004]现行技术中适合IGBT功率模块的绝缘衬底材料为氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。氧化铝是最常用的绝缘衬底材料，其技术成熟、成本低、且容易进行金属化和机器加工，但对大功率应用来说，氧化铝的热导率太低，且热膨胀系数与硅材料严重失配。氮化铝的热导率比氧化铝高6倍，热膨胀系数与硅材料更加匹配，易于加工，在大功率应用具有优势，但成本上氮化铝比氧化铝贵4倍。氮化硅的热膨胀系数与硅十分匹配且有较高的热导率，易于进行金属化和机械加工，但成本上比氧化铝贵2倍。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对以上问题，提供了一种包含复合绝缘衬底基板的结构，既提供有效的散热通道，减小器件结温及其对器件特性的影响，又可以有效释放结构应力应变，避免其对绝缘衬底、芯片和焊料层的作用而导致器件的性能劣化和失效的一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构和制备方法。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构，包括自下而上依次键合的基板、绝缘衬底基板和芯片；所述绝缘衬底基板包括自上而下依次键合的上金属层、绝缘衬底和下金属层；所述绝缘衬底包括若干第一绝缘衬底基片和第二绝缘衬底基片；若干所述第一绝缘衬底基片分别呈矩形结构，均布间隔设置；所述第二绝缘衬底基片嵌于相邻的第一绝缘衬底基片之间，并其侧面贴合。
[0007]所述第二绝缘衬底基片呈十字形结构。
[0008]所述第二绝缘衬底基片包括若干第一十字形绝缘基片；所述第一十字形绝缘基片包括四个短臂，嵌于绝缘衬底中部，并位于相邻的第一绝缘衬底基片之间。
[0009]还包括若干第二十字形绝缘基片；所述第二十字形绝缘基片包括三个短臂和一个长臂，嵌于绝缘衬底侧部，并位于相邻的第一绝缘衬底基片之间；所述第二十字形绝缘基片的长臂延伸至所述绝缘衬底的外缘。
[0010]还包括四个第三十字形绝缘基片；所述第三十字形绝缘基片包括两个短臂和两个长臂，嵌于绝缘衬底四角的四个第一绝缘衬底基片之间，所述第三十字形绝缘基片的两个长臂延伸至所述绝缘衬底的外缘。
[0011]所述第一绝缘衬底基片的厚度和第二绝缘衬底基片的厚度相同。
[0012]所述第一绝缘衬底基片和第二绝缘衬底基片的顶面和底面分别在同一平面内。
[0013]所述第一十字形绝缘基片的各个短臂的长度等于与其相贴合的第一绝缘衬底基片的各个边的长度的二分之一。
[0014]所述第二十字形绝缘基片的各个短臂的长度等于与其相贴合的第一绝缘衬底基片的各个边的长度的二分之一；所述第二十字形绝缘基片的一个长臂的长度等于与其相贴合的第一绝缘衬底基片的边的长度。
[0015]所述第三十字形绝缘基片的各个短臂的长度等于与其相贴合的第一绝缘衬底基片的各个边的长度的二分之一，所述第三十字形绝缘基片的各个长臂的长度等于与其相贴合的第一绝缘衬底基片的各个边的长度。
[0016]本专利技术采用若干第一绝缘衬底基片和第二绝缘衬底基片相互嵌入贴合构成大尺寸绝缘衬底基片，并与上金属层和下金属层键合构成绝缘衬底基板，其中各个绝缘衬底基片的侧面之间仅仅相互紧密贴合而不是相互固接，且第一绝缘衬底基片采用常规热导率、低成本的绝缘材料而第二绝缘衬底基片采用高热导率的绝缘材料。当应用于承受较大热负载和功率负载的IGBT功率模块时，较之单片大尺寸绝缘衬底基板，本专利技术的复合绝缘衬底基板可以有效释放因热负载和功率负载在绝缘基板中产生的应力，避免因热应力产生的基片翘曲或断裂，并避免其对焊接层和芯片的作用而导致器件性能的劣化乃至失效，同时提供有效的散热通道，减小器件结温及其对器件特性的影响，可应用于大尺寸、大功率的IGBT器件或功率模块。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的封装结构的总体结构示意图，图2是本专利技术的正方形绝缘衬底结构示意图，图3是本专利技术的正方形绝缘衬底基板结构俯视图，图4是本专利技术的正方形绝缘衬底基板结构侧视图，图5是本专利技术的长方形绝缘衬底结构示意图，图6是本专利技术的长方形绝缘衬底基板结构俯视图，
图7是本专利技术的长方形绝缘衬底基板结构侧视图；图中1是基板，2是绝缘衬底基板，21是上金属层，221是第一绝缘衬底基片，222是第二绝缘衬底基片，2221是第一十字形绝缘基片，2222是第二十字形绝缘基片，2223是第三十字形绝缘基片，23是下金属层，3是绝缘衬底基板焊料层，4是芯片焊料层，5是芯片。
具体实施方式
[0018]本专利技术如图1
‑
7所示，一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构，包括自下而上依次键合的基板1、绝缘衬底基板2和芯片5；上金属层21和下金属层23分别与绝缘衬底的上顶面和下底面键合，即绝缘衬底的各个第一绝缘衬底基片221的上顶面和各个第二绝缘衬底基片222的上顶面分别与上金属层21的下底面键合，绝缘衬底的各个第一绝缘衬底基片221的下底面和各个第二绝缘衬底基片222的下底面分别与下金属层23的上顶面键合；所述绝缘衬底基板2包括自上而下依次键合的上金属层21、绝缘衬底和下金属层23；所述绝缘衬底包括若干第一绝缘衬底基片221和第二绝缘衬底基片222；若干所述第一绝缘衬底基片221呈矩形结构，在同一平面内沿横向和纵向均布间隔设置（各个第一绝缘衬底基片221之间设有等宽的间隙）；利用一定数目的第一绝缘衬底基片221，嵌以一定数目的三种基本构型的第二绝缘衬底基片222构成大尺寸的绝缘衬底；第一绝缘衬底基片221采用形状最简单、制作最方便的矩形（正方形或者长方形）构型的基片，若干第一绝缘衬底基片221在同一平面内沿横向和纵向均布设置，各个第一绝缘衬底基片221设有等宽的间隙；呈长方形或正方形的第一绝缘衬底基片221，此种结构简单易于制备，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构，包括自下而上依次键合的基板、绝缘衬底基板和芯片；其特征在于，所述绝缘衬底基板包括自上而下依次键合的上金属层、绝缘衬底和下金属层；所述绝缘衬底包括若干第一绝缘衬底基片和第二绝缘衬底基片；若干所述第一绝缘衬底基片分别呈矩形结构，均布间隔设置；所述第二绝缘衬底基片嵌于相邻的第一绝缘衬底基片之间，并其侧面贴合。2.根据权利要求1所述的一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构，其特征在于，所述第二绝缘衬底基片呈十字形结构。3.根据权利要求1或2所述的一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构，其特征在于，所述第二绝缘衬底基片包括若干第一十字形绝缘基片；所述第一十字形绝缘基片包括四个短臂，嵌于绝缘衬底中部，并位于相邻的第一绝缘衬底基片之间。4.根据权利要求3所述的一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构，其特征在于，还包括若干第二十字形绝缘基片；所述第二十字形绝缘基片包括三个短臂和一个长臂，嵌于绝缘衬底侧部，并位于相邻的第一绝缘衬底基片之间；所述第二十字形绝缘基片的长臂延伸至所述绝缘衬底的外缘。5.根据权利要求3所述的一种低应力高导热的IGBT功率模块封装结构，其特征在于，还包括四个第三十字形绝缘基片；所述第三十字形绝缘基片包括两个短臂和两个长...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵成，王毅，
申请(专利权)人：扬州扬杰电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：