[發明專利]一種功率半導體模塊封裝結構及封裝方法

有效

• 申請號: 201810365916.5
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108493166B
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發明（設計）人: 葛小華
• 申請（專利權）人: 南通市索新功率電子有限公司
• 主分類號: H01L23/31
• 分類號: H01L23/31;H01L21/56
• 代理公司: 32200 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 朱小兵<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明涉及一種功率半導體模塊封裝結構及封裝方法，將樹脂或者其他可固化材料，注入特殊加工后的金屬電路層的間隙中后固化，再將金屬電路層與導熱絕緣樹脂薄膜一起壓接到金屬底板上，利用固化后的材料將金屬電路層間隙中、導熱絕緣樹脂薄膜中的氣泡排除與固化，確保絕緣特性；或者利用塑封工藝中，塑封樹脂的固化過程完成導熱絕緣樹脂薄膜中氣泡排除與固化，確保絕緣特性。如此，即使使用Pinfin的金屬底板、其他有一面為非平面的金屬底板，或者內部帶有水冷流路的金屬底板，也可以在導熱絕緣樹脂薄膜上形成較小間隙和較大厚度的金屬電路層，這樣結構的模塊熱阻低，變形小，可靠性高。

技術領域

本發明涉及一種功率半導體模塊封裝結構及封裝方法，屬于功率半導體模塊封裝、電機驅動器、電力電子變換器技術領域。

背景技術

在電源、電力電子變換器應用中，功率半導體(IGBT，MOSFET，SiC,GaN等)器件因為被廣泛采用，在功率較大的場合下一般使用模塊的封裝形式。功率半導體器件發熱較為嚴重的場合比如電動汽車里邊的電機驅動，一般采用水冷結構的封裝。現在被廣泛使用的封裝形式如圖1所示，功率模塊主要由金屬底板(工業應用中金屬底板的底面一般為平面，汽車應用中多為帶金屬柱的Pinfin形式或其他散熱面為非平面的形式，如圖2所示,也有圖3所示帶可以直接進行水冷帶有水冷流路的金屬底板)，焊接層，DBC(雙面覆銅陶瓷基板)，綁定線，外殼以及硅膠等組成。功率半導體芯片通過焊接固定到DBC上后，再通過回流焊等工藝將DBC焊接到金屬底板上，功率半導體芯片的發出的熱通過DBC，焊接層傳導到金屬底板上，金屬底板再通過風冷或者水冷散熱出去。這一結構帶來一系列的缺點，DBC焊與金屬底板間的焊錫層厚度一般為200um到300um，導熱系數在50W/mK左右，遠低于金屬(銅為400W/mK，鋁為230/mK)，這樣焊接層上形成比較高的熱阻，惡化模塊散熱性能。

另外典型使用Al2O3材料的DBC的熱膨脹系數一般為6.8x10-6/K，而金屬的熱膨脹系數一般比較高(銅為16.9x10-6/K，鋁為23x10-6/K)，如果兩種材料膨脹系數相差很大，會使回流焊接的后的冷卻過程中會引起DBC和金屬底板的變形，如圖4a和圖4b所示，上層代表膨脹系數較小的DBC，下層代表膨脹系數較大的金屬底板，在回流焊的冷卻的過程中，DBC與金屬底板向膨脹系數較小的DBC方向彎曲變形。這個變形給金屬底板底面與外部散熱片間帶來空隙，影響散熱效果，在水冷系統中還會帶來漏水的問題。最后，由于兩材料的熱膨脹系數不同，當由功率芯片發熱引起溫度變化時就會產生材料之間接合點的疲勞，帶來功率模塊的壽命問題。

如果使用化學腐蝕工藝來形成導熱絕緣樹脂薄膜的頂層金屬層電路的話，會產生兩個問題，第一個問題是金屬層厚度，一般金屬層越厚，散熱越好，對于電流比較大的模塊(幾十A到上千A)需要厚度為0.3mm到3mm不等的金屬層，而采用化學腐蝕工藝的話，如圖7所以，由于腐蝕液是從金屬層的最頂層腐蝕到最底層，這樣被腐蝕的部分就會形成上面寬下邊窄的形狀，功率晶片一般工作在300V以上的高壓狀態下，這樣就需要腐蝕出一定底部寬度(1mm到2mm)才能保證一定的絕緣距離。這樣如果使用1mm厚度的金屬層的話，為了保證1mm絕緣距離，頂部金屬層間的間隙寬帶就可能達到1.8mm，如果使用3mm厚度的金屬層的話，為了保證1mm絕緣距離，頂部金屬層間的間隙寬帶就可能達到5.4mm，這樣大的寬帶會使功率模塊體積變大，不利于產品的小型化。第二個問題是，腐蝕工藝中一般要對不需要被腐蝕的地方用防腐蝕薄膜或涂層進行保護，對于底面是平面的比較薄的金屬底(3mm以下)板來說相對容易，但是對于像圖2所示的底面是Pinfin或其他形狀的金屬底板或者像圖3所示的帶有水路的金屬底板，復雜的結構和較大的厚度使得將防腐蝕薄膜或涂層加工上去極為困難。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠防止結構變形，保證器件使用壽命的功率半導體模塊封裝結構。