一种IGBT高导热封装结构及制备方法技术

一种IGBT高导热封装结构及制备方法。提供了一种提高绝缘衬底的导热率，同时具有低成本优势，可以应用于大功率的IGBT器件或功率模块的一种IGBT高导热封装结构及制备方法。包括自下而上依次叠合的基板、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下而上依次键合的下金属层、绝缘衬底和上金属层；所述绝缘衬底包括第一绝缘衬底基片和若干第二绝缘衬底基片；所述第一绝缘衬底基片上设有若干圆形通孔；若干所述第二绝缘衬底基片呈圆形结构，与所述圆形通孔相适配，嵌于所述圆形通孔内。本发明专利技术既可以提高绝缘衬底的散热能力，同时保持低成本优势，可以应用于需要大尺寸绝缘散热基板的大功率IGBT器件或功率模块。散热基板的大功率IGBT器件或功率模块。散热基板的大功率IGBT器件或功率模块。

【技术实现步骤摘要】
一种IGBT高导热封装结构及制备方法


[0001]本专利技术涉及电力电子器件
，尤其涉及一种IGBT高导热封装结构及制备方法。

技术介绍

[0002]IGBT（绝缘栅双极型晶体管）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，并随着不断提升的应用需求发展为IGBT功率模块或IGBT智能功率模块。根据不同的额定功率要求，IGBT器件或功率模块采用不同的封装技术。IGBT器件或功率模块封装结构中的硅芯片和基板、散热层之间需要电隔离，现行技术中一般采用直接结合铜(DBC)、厚膜和绝缘金属衬底(IMS)等技术，其中DBC和厚膜技术均采用绝缘衬底来进行电隔离。由于IGBT器件或功率模块在封装过程所经历的温度变化以及在应用过程中所经历的功率循环会在封装结构中产生应力，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，因此绝缘衬底材料需要具有与芯片材料相匹配的适当的高导热率、热膨胀系数等特性，并且在大规模应用中需要考虑成本的因素。
[0003]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

[0004]本专利技术针对以上问题，提供了一种提高绝缘衬底的导热率，同时具有低成本优势，可以应用于大功率的IGBT器件或功率模块的一种IGBT高导热封装结构及制备方法。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种IGBT高导热封装结构，包括自下而上依次叠合的基板、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下而上依次键合的下金属层、绝缘衬底和上金属层；所述绝缘衬底包括第一绝缘衬底基片和若干第二绝缘衬底基片；所述第一绝缘衬底基片上设有若干圆形通孔；若干所述第二绝缘衬底基片呈圆形结构，与所述圆形通孔相适配，嵌于所述圆形通孔内。
[0006]所述第一绝缘衬底基片呈正方形、长方形或圆形。
[0007]所述圆形通孔包括设置在第一绝缘衬底基片中部的圆形通孔一和若干围绕在所述正中圆形通孔四周的圆形通孔二。
[0008]若干所述圆形通孔二呈矩形结构围绕在所述圆形通孔一四周。
[0009]所述第二绝缘衬底基片的直径与圆形通孔的直径相等。
[0010]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等。
[0011]所述第一绝缘衬底基片与第二绝缘衬底基片的顶面和底面分别在同一平面内。
[0012]所述绝缘衬底基板通过绝缘衬底基板焊料层与基板键合，所述芯片通过芯片焊料层与绝缘衬底基板键合。
[0013]所述上金属层的形状和下金属层的形状分别与第一绝缘衬底基片的形状相同。
[0014]一种IGBT高导热封装结构的制备方法，包括以下步骤：1）制备截面为正方形、长方形或圆形结构的第一绝缘衬底基片，并在第一绝缘衬底基片上刻蚀若干圆形通孔；2）制备若干个与第一绝缘衬底基片的圆形通孔适配的第二绝缘衬底基片；3）将若干第二绝缘衬底基片分别嵌入第一绝缘衬底基片的相应圆形通孔中，并使每个第二绝缘衬底基片与第一绝缘衬底基片在同一平面内；4）在上金属层的下底面和下金属层的上顶面分别生成薄氧化膜；5）将上金属层的下底面和下金属层的顶面分别与绝缘衬底的相应面紧密接触，并使上金属层、第一绝缘衬底基片、与下金属层的外缘对齐；6）上述结构置于反应炉内，升温至1066～1078℃，保温45～60min，逐渐冷却至室温，完成绝缘衬底基板的制备；7）将背面金属化的芯片通过芯片焊料层键合在绝缘衬底基板的顶面；8）将基板通过绝缘衬底基板焊料层键合在绝缘衬底基板的底面，完成所述封装结构的制备。
[0015]本专利技术包括自下而上依次叠合的基板、绝缘衬底基板和芯片，绝缘衬底基板通过绝缘衬底基板焊料层与基板键合，芯片通过芯片焊料层与绝缘衬底基板键合，其中的绝缘衬底是一种由两种绝缘衬底基片组成的复合结构，第一绝缘衬底基片上均匀分布有穿通的圆形通孔，第二绝缘衬底基片嵌入于第一绝缘衬底基片的各个圆形通孔中，各个第二绝缘衬底基片的外侧面与所嵌入的第一绝缘衬底基片的圆形通孔的内侧面贴合，并分别与上金属层和下金属层键合，构成绝缘衬底基板。
[0016]本专利技术中的第二绝缘衬底基片采用呈圆形结构的基片，嵌入第一绝缘衬底基片的各个圆形通孔中，圆形通孔以及圆形基片均为最简单的几何结构，易于制备。所述各个圆形通孔以及嵌入其中的各个圆形基片环绕位于基板中心呈对称分布，形成均布的散热通道，提高绝缘衬底基板的散热能力。
[0017]本专利技术中的第一绝缘衬底基片采用常规热导率但价格成本较低的绝缘陶瓷材料如氧化铝，第二绝缘衬底基片采用高热导率但价格成本较高的绝缘陶瓷材料如氮化铝或者氮化硅，形成一种具有均布的高导热通道的复合绝缘衬底结构，并与上金属层和下金属层键合组合成绝缘衬底基板，提高绝缘衬底基板的散热效果，减小器件结温及其对器件特性的影响。高导热率的第二绝缘衬底基片虽然成本较高，但由于其面积占比较小，对总体成本影响有限，因而既可以提高绝缘衬底的散热能力，同时保持低成本优势，可以应用于需要大尺寸绝缘散热基板的大功率IGBT器件或功率模块。
附图说明
[0018]图1是本专利技术的封装结构的总体结构示意图，图2是本专利技术绝缘衬底呈矩形的结构示意图，图3是呈矩形的绝缘衬底和上金属层组合状态结构示意图，图4是绝缘衬底基板呈矩形结构的示意图，图5是绝缘衬底呈圆形的结构示意图，图6是呈圆形的绝缘衬底和上金属层组合状态结构示意图，图7是绝缘衬底基板呈圆形结构的示意图；图2、4、5、7中的虚线是用来表示圆形通孔的分布方式，起辅助作用；图中1是基板，2是绝缘衬底基板，21是上金属层，22是第一绝缘衬底基片，23是第二绝缘衬底基片，24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
[0019]本专利技术如图1
‑
7所示，一种IGBT高导热封装结构，包括自下而上依次叠合的基板1、绝缘衬底基板2和芯片5，所述绝缘衬底基板2包括自下而上依次连接的下金属层24、绝缘衬底和上金属层21；上金属层21和下金属层24分别与绝缘衬底的上顶面和下底面键合，即所述绝缘衬底的各第一绝缘衬底基片22的上顶面和各个第二绝缘衬底基片23的上顶面分别与上金属层21的下底面键合，绝缘衬底的各第一绝缘衬底基片22的下底面和各个第二绝缘衬底基片23的下底面分别与下金属层24的上顶面键合；所述绝缘衬底包括第一绝缘衬底基片22和若干第二绝缘衬底基片23；所述第一绝缘衬底基片22上设有若干均布设置的圆形通孔；若干所述第二绝缘衬底基片23呈圆形结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种IGBT高导热封装结构，包括自下而上依次叠合的基板、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下而上依次键合的下金属层、绝缘衬底和上金属层；所述绝缘衬底包括第一绝缘衬底基片和若干第二绝缘衬底基片；所述第一绝缘衬底基片上设有若干圆形通孔；若干所述第二绝缘衬底基片呈圆形结构，与所述圆形通孔相适配，嵌于所述圆形通孔内。2.根据权利要求1所述的一种IGBT高导热封装结构，其特征在于，所述第一绝缘衬底基片呈正方形、长方形或圆形。3.根据权利要求1或2所述的一种IGBT高导热封装结构，其特征在于，所述圆形通孔包括设置在第一绝缘衬底基片中部的圆形通孔一和若干围绕在所述正中圆形通孔四周的圆形通孔二。4.根据权利要求3所述的一种IGBT高导热封装结构，其特征在于，若干所述圆形通孔二呈矩形结构围绕在所述圆形通孔一四周。5.根据权利要求1所述的一种IGBT高导热封装结构，其特征在于，所述第二绝缘衬底基片的直径与圆形通孔的直径相等。6.根据权利要求1所述的一种IGBT高导热封装结构，其特征在于，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等。7.根据权利要求1、5或6所述的一种IGBT高导热封装结构，其特征在于，所述第一绝缘衬底基片与第二绝缘衬底基片的顶面和底面分别在同一平面内。8.根据权利要求1...

【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：