專利名稱：半導(dǎo)體功率模塊及其散熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體功率模塊及其散熱方法，屬于半導(dǎo)體模塊制造 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體功率模塊廣泛用于通訊、工業(yè)、醫(yī)療、家用電器、照明、交通 運輸、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備、軍事和航空等領(lǐng)域。主要應(yīng)用產(chǎn)品類別有各種變 頻器、斬波器及各種開關(guān)電源。如厚膜陶瓷片焊接式半導(dǎo)體功率模塊、覆 金屬陶瓷基板焊接式半導(dǎo)體功率模塊、非絕緣式焊接半導(dǎo)體功率模塊、壓 接式半導(dǎo)體功率模塊等，均為標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸和非標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸半導(dǎo)體模塊 產(chǎn)品，這些半導(dǎo)體模塊產(chǎn)品均有一個底板，該底板即可作為固定各半導(dǎo)體 芯片或覆金屬陶瓷基板、電極以及灌注彈性保護(hù)膠和環(huán)氧樹脂等的載體， 而且有時又可作為半導(dǎo)體功率模塊的一個導(dǎo)電體。為便于半導(dǎo)體芯片及電 極的連接，目前半導(dǎo)體模塊的底座均采用銅底板，以利用銅材質(zhì)的可焊性。 眾所周知，銅材質(zhì)與鋁材質(zhì)相比，具有熱熔大、比熱小、吸熱快的特點。 半導(dǎo)體功率模塊在工作過程中，半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱量能通過銅底板迅速 吸收，但銅底板與鋁材相比比熱小，熱逃逸速度較慢，不能及時將模塊內(nèi) 的熱量散出，故需將模塊安裝在散熱器上進(jìn)行散熱。但半導(dǎo)體模塊安裝在 散熱器上需要有導(dǎo)熱硅脂填充模塊與散熱器之間的空隙，不僅增加了熱阻， 而且也降低了散熱能力。因此在同體積的條件下，無法進(jìn)一步增加半導(dǎo)體 模塊的工作容量。另一方面半導(dǎo)體功率模塊的底板厚度是隨半導(dǎo)體模塊底 板面積的增大而增厚，增加底板厚度主要解決焊接過程中熱應(yīng)力變形和安 裝強度要求，因此半導(dǎo)體模塊生產(chǎn)數(shù)量巨大，需要大量的銅材，而銅材價 格不斷上漲，使得半導(dǎo)體模塊成本也不斷增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種吸熱和散熱迅速，且^:積小，能增加半導(dǎo)體 模塊工作容量，降低制造成本的半導(dǎo)體功率模塊及其散熱方法。
本發(fā)明為達(dá)到上述目的的技術(shù)方案是 一種半導(dǎo)體功率模塊，包括底
板、覆金屬陶瓷基板、半導(dǎo)體芯片、導(dǎo)電連接件、電極以及殼體，覆金屬
陶瓷基板連接在底板上，半導(dǎo)體芯片連接在覆金屬陶瓷基板或底板上，導(dǎo) 電連接件連接半導(dǎo)體芯片和覆金屬陶瓷基板，電極與導(dǎo)電連接件或與覆金 屬陶瓷基板連接，殼體連接在底板上，其特征在于所述的底板由銅基層 和固相復(fù)合在銅基層下部的鋁基層構(gòu)成，且鋁基層厚度是銅基層厚度的0. 5 倍以上。
本發(fā)明半導(dǎo)體功率模塊的散熱方法，半導(dǎo)體芯片工作中產(chǎn)生的熱量通 過底板上部的銅基層吸收，再通過固相復(fù)合在銅基層下部的鋁基層散熱。
本發(fā)明半導(dǎo)體功率模塊的底板采用銅基層和固相復(fù)合在銅基層下部的 鋁基層構(gòu)成的銅鋁復(fù)合板，能集銅材和鋁材在換熱方面的優(yōu)點，由于銅的 導(dǎo)熱系數(shù)為1386KJ/(M.H.K),比熱為93卡/(丁-克X °C)，而鋁的導(dǎo)熱系數(shù) 為735KJ/(M. H. K)，比熱為217卡/(下克X °C)，本發(fā)明不僅可利用銅基層 的可焊性作為與半導(dǎo)體芯片和覆金屬陶瓷基板的焊接載體，而且銅的導(dǎo)熱 系數(shù)是鋁的1.9倍，故底板上部的銅基層能瞬間吸收半導(dǎo)體芯片的熱量， 銅基層通過兩金屬原子間結(jié)合的銅鋁層將熱量傳遞給下部的鋁基層，且熱 量的傳遞過程中銅鋁界面沒有熱阻增加，而鋁的比熱是銅的2.3倍，鋁基 層能迅速將銅基層所吸收的熱量散發(fā)，起到快速散熱作用，有效地降低了 半導(dǎo)體芯片在長期工作中的熱應(yīng)力，提高了半導(dǎo)體芯片工作可靠性。本發(fā) 明采用銅鋁固相復(fù)合底板，因半導(dǎo)體芯片與散熱器之間的熱阻更小，散熱 效率大大提高，故在相同半導(dǎo)體模塊工作容量，能減小半導(dǎo)體模塊體積。 而且同樣體積的銅其重量是鋁的3倍，也大大減少模塊的重量，降低成本。 可廣泛地應(yīng)用于厚膜陶瓷片焊接式半導(dǎo)體功率模塊、DBC基板焊接式半導(dǎo)體 功率模塊、非絕緣式焊接半導(dǎo)體功率模塊、壓接式半導(dǎo)體功率模塊等。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。 圖1是具有二極管芯片的半導(dǎo)體功率模塊結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是具有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的半導(dǎo)體功率模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2去掉殼體的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是焊接式晶閘管芯片的半導(dǎo)體功率模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是具有快恢復(fù)二極管(FRD)芯片的半導(dǎo)體功率模塊示意圖。
圖6是圖5的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
其中l(wèi)一底板、2—殼體，3—半導(dǎo)體芯片，4一導(dǎo)電連接件，5—覆金 屬陶瓷基板，6—電極。
具體實施例方式
見圖P6所示，本發(fā)明的半導(dǎo)體功率模塊包括底板1、覆金屬陶瓷基板 5、半導(dǎo)體芯片3、導(dǎo)電連接件4、電極6以及殼體2，覆金屬陶瓷基板5連 接在底板1上，半導(dǎo)體芯片3連接在覆金屬陶瓷基板5或底板1上，如圖2、 3所示電極6可通過導(dǎo)電連接件4與半導(dǎo)體芯片3連接?？扇鐖D5、 6所示， 電極6通過導(dǎo)電連接件4與覆金屬陶瓷基板5連接，殼體2連接在底板1 上，殼體2可粘接在底板1上，或殼體2直接卡接在底板1上，該底板1 由銅基層11和固相復(fù)合在銅基層11下部的鋁基層12構(gòu)成，本發(fā)明的銅基 層11和鋁基層12是在一定加熱溫度以及加熱速度下壓制，銅、鋁金屬在 加熱條件下使得原子活化并擴散，并在外力作用下，固態(tài)金屬的晶格錯位 而轉(zhuǎn)移產(chǎn)生塑性變形，使兩金屬接合界面緊密接觸接合，實現(xiàn)銅鋁兩金屬 固相復(fù)合，因此在傳熱過程中銅鋁接合界面沒有熱阻的增加，達(dá)到快速吸 熱和迅速散熱的目的。在相同體積的半導(dǎo)體功率模塊下，能提高半導(dǎo)體功 率模塊的工作容量。本發(fā)明鋁基層厚度是銅基層厚度的0.5倍以上， 一般 該鋁基層厚度是銅基層厚度的1 100倍，最好鋁基層厚度是銅基層厚度的 5 15倍，該底板1上的鋁基層12可以是固相復(fù)合在銅基層11下部的板狀 層，或鋁基層12是由固相復(fù)合在銅基層11下部的板狀層和沿板狀層向下 延伸、且相互之間具有空隙的三個以上翅片構(gòu)成；還可以是鋁基層12固相 復(fù)合在銅基層11下部并向下延伸的三個以上翅片構(gòu)成。本發(fā)明的半導(dǎo)體功 率模塊通過底部的底板1的銅基層11快速吸收，再通過固相復(fù)合在銅基層 11下部的鋁基層12迅速散熱，來提高散熱效率。
圖1是具有二極管半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體功率模塊的結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體芯片3 采用二極管芯片，可用釬悍料將帶有上下鉬片的半導(dǎo)體芯片3焊接到底板1 的固定位置上，再與電極6和導(dǎo)電連接件4焊接，而導(dǎo)電連接件4采用連 接橋，通過連接橋?qū)雽?dǎo)體芯片3與電極6連接，其底板1由銅基層11和 固相復(fù)合在銅基層11下部的鋁基層12構(gòu)成，，銅基層厚度在0, 4mm，鋁基 層厚度在2.8mm;或銅基層厚度在0. 4mm，鋁基層厚度在40mm;還可以是銅 基層厚度在10mm，而鋁基層厚度在5mm，可以根據(jù)要求設(shè)定厚度，殼體2 連接在底板1上，底板1與殼體2之間用硅橡膠密封，灌注軟彈性膠進(jìn)行
保護(hù)半導(dǎo)體芯片。該結(jié)構(gòu)同樣也可用于晶閘管芯片焊接在底板1上的半導(dǎo) 體功率模塊。
圖2、 3是具有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的半導(dǎo)體功率模塊的結(jié)構(gòu)， 半導(dǎo)體芯片3采用絕緣柵雙極型晶體管芯片，半導(dǎo)體芯片3焊接在覆金屬 陶瓷基板5上，該覆金屬陶瓷基板5采用DBC覆金屬陶瓷基板，如 Cu-A1203(AlN)-Cu直接鍵合的覆金屬陶瓷基板，導(dǎo)電連接件4為粗鋁絲， 通過粗鋁絲鍵合技術(shù)將半導(dǎo)體芯片3的上表面與DBC覆金屬陶瓷基板表面 電極區(qū)連接，而電極6通過導(dǎo)電連接件4即粗鋁絲與DBC覆金屬陶瓷基板 連接，DBC覆金屬陶瓷基板與底板1上的銅基層11焊接，銅基層11的下部 具有固相復(fù)合的鋁基層12，銅基層厚度在lmm，鋁基層厚度在10mm，或銅 基層厚度與鋁基層厚度相同，均為lOinm，殼體2連接在底板1上，底板1 與殼體2之間用硅橡膠密封，灌注軟彈性膠進(jìn)行保護(hù)半導(dǎo)體芯片3，半導(dǎo)體 芯片3工作中所產(chǎn)生的熱量通過底板1上銅基層11導(dǎo)出，而通過鋁基層12 迅速散出。此類半導(dǎo)體功率模塊還有如MOSFET芯片等組成的半導(dǎo)體功率模 塊。
見圖4所示，是焊接式晶閘管半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體功率模塊結(jié)構(gòu)，半 導(dǎo)體芯片3采用晶閘管芯片，半導(dǎo)體芯片3焊接在覆金屬陶瓷基板5上， 導(dǎo)電連接件4采用連接橋，連接橋的一端通過上鉬片與半導(dǎo)體芯片3悍接， 連接橋另一端與覆金屬陶瓷基板5焊接，將半導(dǎo)體芯片3的上表面與覆金 屬陶瓷基板5表面電極區(qū)連接，電極6則與覆金屬陶瓷基板5的電極區(qū)連 接，覆金屬陶瓷基板5焊接在底板1的銅基層11上，而銅基層11固相復(fù) 合有鋁基層12，銅基層厚度在5mm,鋁基層厚度在15mm，或銅基層厚度在 5mm，而鋁基層厚度在25mm,殼體2固定在底板1上，底板1與殼體2之間 用硅橡膠密封，灌注軟彈性膠進(jìn)行保護(hù)半導(dǎo)體芯片3。同樣也適用于二極管 半導(dǎo)體芯片直接焊接在覆金屬陶瓷基板5的結(jié)構(gòu)。
圖5、 6所示，是快恢復(fù)二極管(FRD)芯片的半導(dǎo)體功率模塊結(jié)構(gòu)， 半導(dǎo)體芯片3采用快恢復(fù)二極管(FRD)芯片，半導(dǎo)體芯片3焊接在覆金屬 陶瓷基板上，該覆金屬陶瓷基板5也采用DBC覆金屬陶瓷基板，導(dǎo)電連接 件4為鋁絲，通過鋁絲鍵合技術(shù)將半導(dǎo)體芯片3的上表面與覆金屬陶瓷基 板5表面電極區(qū)連接，而電極6通過導(dǎo)電連接件4即鋁絲與覆金屬陶瓷基 板5焊接，覆金屬陶瓷基板5與底板1上的銅基層U焊接，銅基層11的下部具有固相復(fù)合的鋁基層12，銅基層厚度在lmm，而鋁基層厚度在15mm， 當(dāng)鋁基層12采用翅片結(jié)構(gòu)時，鋁基層厚度在50im，當(dāng)鋁基層厚度在100mm， 可達(dá)到最佳的散熱效果，殼體2連接在底板1上，底板1與殼體2之間用 硅橡膠密封，灌注軟彈性膠進(jìn)行保護(hù)半導(dǎo)體芯片3，半導(dǎo)體芯片3工作中所 產(chǎn)生的熱量通過底板1上銅基層11快速吸入，而通過鋁基層12迅速散出。 此類半導(dǎo)體功率模塊還有如MOSFET半導(dǎo)體芯片等組成的半導(dǎo)體功率模塊， POWER IC、 CPU、數(shù)字集成電路組成的半導(dǎo)體模塊。
本發(fā)明的半導(dǎo)體功率模塊由于將銅鋁復(fù)合一體化，能達(dá)到了高效、節(jié) 材、體積小、重量輕、成本低、具有極高推廣價值。
權(quán)利要求
1、一種半導(dǎo)體功率模塊，包括底板(1)、覆金屬陶瓷基板(5)、半導(dǎo)體芯片(3)、導(dǎo)電連接件(4)、電極(6)以及殼體(2)，覆金屬陶瓷基板(5)連接在底板(1)上，半導(dǎo)體芯片(3)連接在覆金屬陶瓷基板(5)或底板(1)上，導(dǎo)電連接件(4)連接半導(dǎo)體芯片(3)和覆金屬陶瓷基板(5)，電極(6)與導(dǎo)電連接件(4)或與覆金屬陶瓷基板(5)連接，殼體(2)連接在底板(1)上，其特征在于所述的底板(1)由銅基層(11)和固相復(fù)合在銅基層(11)下部的鋁基層(12)構(gòu)成，且鋁基層厚度是銅基層厚度的0.5倍以上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體功率模塊其特征在于所述的鋁基 層厚度是銅基層厚度的1 100倍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體功率模塊其特征在于所述的鋁基 層厚度是銅基層厚度的5 15倍。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述的鋁基層(12)是固相復(fù)合在銅基層(11)下部的板狀層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述的鋁基層(12)是由固相復(fù)合在銅基層(11)下部的板狀層和沿板狀層向下延伸、且相互之間具有空隙的三個以上翅片構(gòu)成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體功率模塊，其特征在于所述的鋁基 層(12)是間隔固相復(fù)合在銅基層(11)下部并向下延伸的三個以上翅片構(gòu)成。
7、 一種半導(dǎo)體功率模塊的散熱方法，其特征在于半導(dǎo)體芯片工作中的熱量通過底板上部的銅基層吸收，再通過固相復(fù)合在銅基層下部的鋁基 層散熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體功率模塊及其散熱方法，屬于半導(dǎo)體模塊制造領(lǐng)域。包括底板、覆金屬陶瓷基板、半導(dǎo)體芯片、導(dǎo)電連接件、電極以及殼體，覆金屬陶瓷基板連接在底板上，半導(dǎo)體芯片連接在覆金屬陶瓷基板或底板上，導(dǎo)電連接件連接半導(dǎo)體芯片和覆金屬陶瓷基板，電極與導(dǎo)電連接件或與覆金屬陶瓷基板連接，殼體連接在底板上，底板由銅基層和固相復(fù)合在銅基層下部的鋁基層構(gòu)成，且鋁基層厚度是銅基層厚度的0.5倍以上，在半導(dǎo)體芯片工作中的熱量通過底板上部的銅基層快速吸收，再通過固相復(fù)合在銅基層下部的鋁基層迅速散熱。本發(fā)明的底板為銅鋁復(fù)合一體化，能提高半導(dǎo)體模塊工作容量，具有節(jié)材、體積小、重量輕、成本低的特點，具有極高推廣價值。
文檔編號H01L23/36GK101179055SQ20071019164
公開日2008年5月14日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者劉利峰, 王曉寶, 趙善麒 申請人:江蘇宏微科技有限公司