功率模块及其内部电气连接方法技术

本发明专利技术提供了一种功率模块及其内部电气连接方法，包括主体；所述主体包括基板组件、芯片和铜框架；所述基板组件分别连接芯片和铜框架；所述铜框架包括第一铜带；所述第一铜带和芯片通过第一连接层连接；所述第一铜带上设置有嵌入第一连接层的凸出结构。本发明专利技术铜带上的凸出结构可以有效的防止焊接时候融合的焊锡被较重的铜带和铜板被挤压的问题。被较重的铜带和铜板被挤压的问题。被较重的铜带和铜板被挤压的问题。

Power module and its internal electrical connection method

【技术实现步骤摘要】
功率模块及其内部电气连接方法


[0001]本专利技术涉及功率半导体模块的封装的
，具体地，涉及一种功率模块及其内部电气连接方法。尤其是，优选的涉及功率模块内部电气连接工艺。

技术介绍

[0002]在电源，电力电子变换器应用中，功率半导体(IGBT，MOSFET，SiC，GaN等)器件因为被广泛采用，在功率较大的场合下一般使用模块的封装形式。现在被广泛使用的封装形式如图1所示，功率模块主要由金属底板，焊接层，DBC(双面覆铜陶瓷基板)，AMB(箔钎焊的覆铜陶瓷基板)，绝缘散热树脂薄膜或者其他绝缘散热材料，绑定线，外壳以及硅胶等组成。功率半导体晶片通过焊接固定到绝缘散热材料上后，通过铝绑定线进行电气连接。再通过回流焊或者烧结等工艺将AMB或者其他绝缘散热材料焊接到金属底板上，功率半导体晶片的发出的热通过AMB或者其他绝缘散热材料，焊接层传导到金属底板上，金属底板再通过风冷或者水冷散热出去。IGBT英文全称为Insulated Gate Bipolar Transistor，中文译文为绝缘栅双极型晶体管；MOSFET英文全称为Metal
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Oxide
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Semiconductor Field
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Effect Transistor，中文译文为金属
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氧化层半导体场效晶体管；SiC表示碳化硅；GaN表示氮化镓。
[0003]如图1所示，金属底板主要用于模块工作时的散热；焊接层为锡膏或者锡片焊接，用于底板和绝缘基板以及绝缘基板和芯片之间的连接；绝缘基板实现设计所需电路结构；绑定线实现各部件的电路连接。模块外部结构主要为外壳体和端子，外壳通过点胶工艺和底板相连，端子一般注塑到壳体内部，通过绑定线与内部电路相连或者直接焊接到绝缘基板。模块内部需要灌注硅胶，其作用是防腐防潮保护内部电路，同时又对内部各部件进行高压隔离。
[0004]随着功率半导体芯片的功率密度的提高，尤其是SiC、GaN等的宽带半导体的出现，同等电流输出的情况下，芯片面积越来越小，可以进行绑定线的数量与面积也越来越小。这样使用铝绑定线会带来两个问题，一个是可以使用的铝绑定线减少，这样等效的导电截面积也随之减小，增加电路的电阻，增加功率模块内的损耗，同时电路的寄生电感也会增加。第二个是功率循环寿命也会随着铝绑定线与芯片的接触面积的减少也会相应的减少，因为半导体芯片的热膨胀系数为2x10
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6/K到4x10
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6/K，铝为23x10
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6/K，半导体芯片在高低温变化时产生的热膨胀量的不匹配带来两种材料之间的接触面的机械疲劳，如果接触面积越小则功率循环寿命越少。
[0005]为了解决这个问题也有使用通过超声波焊接，激光，烧结或者焊接方式连接到厚铜板上铜带来代替铝绑定线的方法。超声波焊接，激光方式将铜带和芯片直接连接。烧结或者焊接方式是将锡膏和焊片连接在铜带和芯片之间。如图2和图3所示，可以通过焊接或者烧结的方式，将铜带面与芯片的表面进行连接。铜材料与芯片的接触面在冷热变化时给芯片带来比较大的机械应力，铜带选择100um
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400um较薄的厚度。铜的导电能力强可以减小导通电阻和寄生电感，铜板的厚度在0.8mm到2mm。同时铜带铜框架和芯片的接触面积大，并且热膨胀系数为16.9x10
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6/K，远低于铝，这样可以增强功率循环寿命。
[0006]这种方式也有一系列的缺点，因为铜板的厚度比较厚，导致重量较大，在通过焊接连接到芯片，尤其是多芯片互联时候，焊锡熔化后受到压力，其自身的张力无法支撑铜带和铜板的重量时，焊锡被挤出铜带和芯片的接触面，如图4所示。这样导致铜带和焊接层的厚度太小，过薄的焊层往往会导致焊接产生空隙、导致粘合不足或虚焊，影响连接品质可靠性。另外被挤出的焊锡也会流到芯片边缘的，甚至DBC表面，此方式的工艺窗口没法弥补工艺环境正常波动，引起芯片的电气短路发生的概率很高，也不容易在过程中检测到，没法批量实施作业。
[0007]公开号为CN113937009A的中国专利技术专利文献公开了表贴式双面散热半导体功率器件的封装方法，包括如下步骤：提供引线框架及芯片；焊锡膏上芯，通过焊锡膏将芯片焊接在各自对应的基岛上；键合，将芯片与管脚部通过铜片相连并压焊；清洗，对焊接有芯片和铜片的引线框架进行清洗；塑封，采用塑封料将压焊后的引线框架进行封装，形成塑封体，且仅露出管脚；研磨，将塑封体上表面进行研磨，露出顶部铜片作为散热片；上锡，对塑封体外部的管脚以及外露的铜片上锡；切筋、测试及印字、包装出货。
[0008]针对上述中的相关技术，专利技术人认为使用连接到铜板上的铜带进行芯片表面连接时，铜材料的重量容易引起焊锡层过薄或者电气短路。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种功率模块及其内部电气连接方法。
[0010]根据本专利技术提供的一种功率模块，包括主体；所述主体包括基板组件、芯片和铜框架；
[0011]所述基板组件分别连接芯片和铜框架；
[0012]所述铜框架包括第一铜带；
[0013]所述第一铜带和芯片通过第一连接层连接；
[0014]所述第一铜带上设置有嵌入第一连接层的凸出结构。
[0015]优选的，所述凸出结构嵌入第一连接层的高度为50um到200um。
[0016]优选的，所述凸出结构为拱形或者包形。
[0017]优选的，所述凸出结构在第一铜带上设置为多个。
[0018]优选的，所述基板组件包括绝缘基板、第一导电层、第二导电层和绝缘基板；
[0019]所述第一导电层和第二导电层设置在绝缘基板上；
[0020]所述芯片设置在第一导电层上；
[0021]所述铜框架还包括第二铜带和铜板；
[0022]所述第一铜带和第二铜带通过铜板连接；
[0023]所述第二铜带和第二导电层通过第二连接层连接。
[0024]优选的，该功率模块还包括用于散热的底板；
[0025]所述底板设置在绝缘基板背离第一导电层的一面。
[0026]根据本专利技术提供的一种功率模块内部电气连接方法，包括如下步骤：
[0027]步骤S1：在第一铜带上形成凸出结构；
[0028]步骤S2：使凸出结构嵌入第一连接层。
[0029]优选的，在所述步骤S1中，使用冲压的方法在铜带上形成拱形的凸出结构。
[0030]优选的，在所述步骤S1中，使用冲压的方法在铜带上形成包形的凸出结构。
[0031]优选的，在所述步骤S1中，使用激光在第一铜带上进行照射，第一铜带上融化的铜聚集形成包形的凸出结构。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0033]1、本专利技术铜带上的凸出结构可以有效的防止焊接时候融合的焊锡被较重的铜带和铜板被挤压的问题；
[0034]2、本专利技术使用冲压的方法在铜带上形成一个或者多个包形的凸出结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率模块，其特征在于，包括主体；所述主体包括基板组件、芯片和铜框架；所述基板组件分别连接芯片和铜框架；所述铜框架包括第一铜带；所述第一铜带和芯片通过第一连接层连接；所述第一铜带上设置有嵌入第一连接层的凸出结构。2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述凸出结构嵌入第一连接层的高度为50um到200um。3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述凸出结构为拱形或者包形。4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述凸出结构在第一铜带上设置为多个。5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述基板组件包括绝缘基板、第一导电层、第二导电层和绝缘基板；所述第一导电层和第二导电层设置在绝缘基板上；所述芯片设置在第一导电层上；所述铜框架还包括第二铜带和铜板；所述第一铜带和第二铜带通过铜板连接；所述第二铜带和第二导电层通...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁小广，丁烜明，洪旭，朱荣，
申请(专利权)人：无锡利普思半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：