一種新型功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種新型功率半導(dǎo)體模塊，包括芯片、DBC板、基板、硅膠保護層，所述芯片焊接在所述DBC板上，所述DBC板焊接在所述基板的上部表面上，所述硅膠保護層覆蓋在所述芯片上，所述基板為復(fù)合板，所述復(fù)合板設(shè)有兩層或兩層以上，所述DBC板焊接在所述復(fù)合板的最上層的表面上。本實用新型實現(xiàn)了功率半導(dǎo)體模塊和散熱器一體化設(shè)計，免去了導(dǎo)熱硅脂；功率半導(dǎo)體模塊的芯片到散熱器的總熱阻降為Rjh=Rchip+Rsolder1+RDBC+Rsolder2+Rcuplate，降低了由于安裝引起的機械應(yīng)力，而且減小了熱應(yīng)力，可靠性提高，安裝使用更加方便；同時其生產(chǎn)與國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備和工藝兼容，生產(chǎn)成本低。
【專利說明】一種新型功率半導(dǎo)體模塊【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種電子器件，具體的涉及一種新型功率半導(dǎo)體模塊。
【背景技術(shù)】[0002]現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體模塊設(shè)計構(gòu)造一般分為五層，如圖1所示，最上面為硅膠保護層，以下依次為芯片，焊料，DBC板(陶瓷覆銅板)，焊料，銅基板(或者鋁碳化硅基板)。在使用過程中一般將模塊的基板底部均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，然后用螺絲將基板鎖在風(fēng)冷鋁散熱器上面，已達到良好的散熱效果；再用螺絲固定基板和風(fēng)冷散熱器的過程中，基板會發(fā)生形變，會導(dǎo)致內(nèi)部芯片承受較高的機械應(yīng)力，因此設(shè)計模炔基板的相對平整是減小應(yīng)力的最佳途徑，如圖2、圖3所示。芯片通過電流的不斷開關(guān)來工作，是模塊最主要的發(fā)熱源，長期而且劇烈的熱循環(huán)導(dǎo)致芯片的壽命和可靠性都會降低，因此提高模塊的散熱效率是目前功率模塊發(fā)展的主題。現(xiàn)有構(gòu)造散熱途徑依次是芯片-焊料-DBC-焊料-基板-導(dǎo)熱硅脂-鋁散熱器。其中每一層材料的熱導(dǎo)率，厚度，面積等并不相同，一般用熱阻來描述，模塊芯片到散熱器的總熱阻可表不為 Rjh=Rchip+Rsolderl+RDBC+Rsolder2+Rcuplate+Rthermalgrease,其中Rjh表示總熱阻，Rchip表示芯片的熱阻，Rsolderl表示第一層焊料的熱阻RDBC表示DBC的熱阻，Rsolder2表示第二層焊料的熱阻,Rcuplate表示基板的熱阻,Rthermalgrease表示導(dǎo)熱硅脂的熱阻，如圖4所示，箭頭的方向即為熱傳導(dǎo)的方向，由此可見，減小熱阻就可以提高導(dǎo)熱的效率，其中銅基板的熱導(dǎo)率很高，一般Rcuplate可忽略考慮。
[0003]對于目前常規(guī)的功率模塊而言，由于模炔基板和散熱器無法做到非常緊密的配合，因此在基板和散熱器之間增加一層導(dǎo)熱硅脂是必不可少的，其中導(dǎo)熱硅脂熱導(dǎo)率一般在1.5之內(nèi)，是導(dǎo)熱最差的材料；導(dǎo)熱娃脂的熱阻Rthermalgrease占整體熱阻Rjh(芯片到散熱器)的10%_50%之間變化,而且Rthermalgrease隨著芯片面積的增大會增大(在芯片面積是6mmX6mm的情況下約為0.17,約占整體熱阻Rjh的22%左右,而在IOmmXlOmm的芯片面積之下Rthermalgrease約為0.1可能占整體熱阻Rjh的45%左右)。其次就常規(guī)功率模塊而言，一般DBC的熱阻RDBC約占整體熱阻Rjh (芯片到散熱器)的30%左右，而且RDBC隨著芯片面積的增大會輕微減小(芯片面積是6mmX6mm時，RDBC約為0.27左右，占整體熱阻Rjh(芯片到散熱器)的35%左右，而在芯片面積是IOmmXlOmm時，RDBC約為0.1，占整體熱阻Rjh(芯片到散熱器)的27%左右)。為了保證芯片和DBC以及BDC和基板之間良好的連接用兩層焊料去焊接是目前常用的方法。第一層焊料和第二層焊料的熱阻之和Rsolderl+Rsolderf約占整體熱阻Rjh (芯片到散熱器)的25%左右。Rsolderl+Rsolder2隨著芯片面積的增大會輕微減小。
[0004]目前有廠家在DBC和芯片焊接的步驟上采用了納米銀焊接技術(shù)，這樣做優(yōu)點是:提高了芯片和DBC之間的焊接強度，對于芯片面積是6mmX6mm的情況熱阻由原來的0.231減小到0.071。而且熱阻增加可了靠性。缺點是:1，納米銀焊接的設(shè)備昂貴。國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備無法加工。2，對應(yīng)力釋放沒有解決。還有廠家通過使用高導(dǎo)熱率的DBC來減小熱阻，例如采用ALN的DBC會比常規(guī)的AL203的DBC熱導(dǎo)率提高六倍左右。對于芯片面積是6mmX6mm的情況熱阻RDBC由原來的0.269減小到0.077。這樣優(yōu)點是導(dǎo)熱性能提高，缺點是:1，ALN的DBC的是常規(guī)DBC價格的2.5-3.5倍。2，應(yīng)力釋放沒有解決。還有采用壓接技術(shù)，將DBC底部涂抹導(dǎo)熱硅脂，然后直接用機械彈簧的方式壓在平整的水冷散熱器上面。這樣優(yōu)點是:省去了基板的成本；彈簧壓接減小了機械應(yīng)力；而且散熱器采用水冷提高了散熱的效率。缺點是:壓接技術(shù)以及設(shè)備復(fù)雜較難實現(xiàn)；水冷散熱器一般比較貴，因此模塊適合用在高端場合。還有廠家提出一種銅鋁固相復(fù)合材料作為基板，將基板和散熱器集成在一體，減少了導(dǎo)熱硅脂的涂抹和模塊的安裝步驟，如圖5所示，這樣做優(yōu)點是:整體熱阻減小可靠性提高；安裝機械應(yīng)力得到緩減；缺點是:1，由于銅鋁復(fù)合在一起，二者熱膨脹系數(shù)不同(銅是16.5ppm/oC;鋁是25ppm/oC)，引入了新的問題，即在模塊高溫工作的時候，鋁和銅會產(chǎn)生不同的熱應(yīng)變導(dǎo)致模塊內(nèi)部承受較高的應(yīng)力，如圖6所示，2，特別對于需要增加散熱片的模塊，還存在由于散熱器和基板一體化，導(dǎo)致整個模塊的體積和熱容成倍增大，如圖7所示，導(dǎo)致加工效率降低和成本迅速提高，基本不能市場化和規(guī)?；?。
[0005]由此可見，現(xiàn)有技術(shù)中的功率半導(dǎo)體熱阻偏大，應(yīng)力無法釋放，可靠性不高；國外廠家改進后的技術(shù)設(shè)備昂貴，加工步驟復(fù)雜，犧牲成本來提高性能；國內(nèi)廠家改進后技術(shù)對于模塊的熱應(yīng)力無法很好的釋放，特別對于需要安裝散熱片的模塊還存在加工效率迅速降低，模塊成本迅速提高，無法市場化和規(guī)模化的問題。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種新型功率半導(dǎo)體，能有效提高散熱性和有效減緩安裝應(yīng)力和熱應(yīng)力，可靠性提高；安裝使用更加方便。
[0007]本實用新型解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種新型功率半導(dǎo)體模塊，包括芯片、DBC板、基板、硅膠保護層，所述芯片焊接在所述DBC板上，所述DBC板焊接在所述基板的上部表面上，所述硅膠保護層覆蓋在所述芯片上，所述基板為復(fù)合板，所述復(fù)合板設(shè)有兩層或兩層以上，所述DBC板焊接在所述復(fù)合板的最上層的表面上。
[0008]本實用新型的有益效果是:本發(fā)明實現(xiàn)了功率半導(dǎo)體模塊和散熱器一體化設(shè)計，免去了導(dǎo)熱硅脂。功率半導(dǎo)體模塊的芯片到散熱器的總熱阻降為Rjh=Rchip+RS0lderl+RDBC+Rsolderf+Rcuplate，降低了由于安裝引起的機械應(yīng)力，而且減小了熱應(yīng)力，可靠性提高，安裝使用更加方便；同時其生產(chǎn)與國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備和工藝兼容，生產(chǎn)成本低。
[0009]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實用新型還可以做如下改進。
[0010]進一步，所述復(fù)合板的底部設(shè)有凹槽。
[0011 ] 進一步，所述凹槽中安插有散熱片。
[0012]采用上述進一步方案的有益效果是:本實用新型可選的在復(fù)合基板底部增加散熱片，進一步使得功率半導(dǎo)體模塊和散熱器一體化。
[0013]進一步，所述基板為復(fù)合板，所述復(fù)合板由兩層或兩層以上的材料構(gòu)成。
[0014]進一步，所述基板為銅鋁銅三層復(fù)合板，所述復(fù)合板的上層為銅層，中層為鋁層，下層為銅層。
[0015]進一步，所述復(fù)合板的底部設(shè)有預(yù)設(shè)的圖形。
[0016]采用上述進一步方案的有益效果是:本實用新型可以選擇在其復(fù)合基板底部，力口工任意圖形以備后續(xù)應(yīng)用，提高其拓展性?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中功率半導(dǎo)體與散熱器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為圖2中功率半導(dǎo)體與散熱器相結(jié)合的狀態(tài)圖；
[0020]圖4為現(xiàn)有技術(shù)中功率半導(dǎo)體與散熱器相結(jié)合后熱傳導(dǎo)方向示意圖；
[0021]圖5為現(xiàn)有技術(shù)中將基板和散熱器集成在一體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖6為圖5中基板和散熱器集成在一體時散熱后形成的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖7為圖5中基板和散熱器集成在一體時整個模塊的體積和熱容倍增的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖8為本實用新型一種新型功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖9為圖8中一種新型功率半導(dǎo)體模塊的基板底部開槽的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖10為圖9中一種新型功率半導(dǎo)體模塊與散熱片想結(jié)合的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下:
[0028]1、硅膠保護層，2、芯片，3、第一層焊料基板，4、DBC板，5、第二層焊料，1.1、銅基板，1.2、定位螺絲孔，2.1、導(dǎo)熱硅脂，2.2、螺絲，2.3、散熱板，5.1、銅鋁復(fù)合板，5.2、鋁面插槽，
6、銅鋁銅復(fù)合板，6.1上層銅層，6.2、中部鋁層，6.3、下層銅層，6.4、凹槽，7、散熱片。
【具體實施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。
[0030]圖1至4為與現(xiàn)有技術(shù)中的功率半導(dǎo)體模塊相關(guān)的視圖，芯片2通過第一層焊料3焊接在DBC板4上，DBC板4通過第二層焊料5焊接在銅基板1.1上，硅膠保護層I覆蓋在所述芯片2上，銅基板1.1上設(shè)有定位螺絲孔1.2，作用為螺絲2.2將銅基板1.1鎖在散熱板2.3上面，其中銅基板1.1與散熱板2.3之間設(shè)有一層導(dǎo)熱硅脂2.1。
[0031]圖5至7為現(xiàn)有技術(shù)中的另一種功率半導(dǎo)體模塊相關(guān)的視圖，芯片2通過第一層焊料3焊接在DBC板4上，DBC板4通過第二層焊料5焊接在鋁復(fù)合板5.1上，硅膠保護層I覆蓋在所述芯片2上，在銅鋁復(fù)合板5.1的底部由鋁面插槽5.2，以便將銅鋁復(fù)合板5.1與散熱器集成為一體。
[0032]如圖8所示，一種新型功率半導(dǎo)體模塊，包括芯片2、DBC板4、銅鋁銅復(fù)合板6、硅膠保護層1，所述芯片2通過第一層焊料3焊接在所述DBC板4上，所述DBC板4通過第二層焊料5焊接在所述銅鋁銅復(fù)合板6上，所述硅膠保護層I覆蓋在所述芯片2上，所述銅鋁銅復(fù)合板6設(shè)有三層，其中第一層為上層銅層6.1，第二層為中部鋁層6.2，第三層為下層銅層6.3，所述DBC板4通過第二層焊料5焊接在所述銅鋁銅復(fù)合板6的上層銅層6.1上。
[0033]所述銅鋁銅復(fù)合板6作為本實用新型一種功率半導(dǎo)體模塊的基板，其雙面為銅，中間夾層為鋁，銅鋁的厚度可根據(jù)不同的應(yīng)用需求搭配。根據(jù)現(xiàn)場加工的條件，可以選擇在下層銅層6.3的底部表面設(shè)有凹槽6.4，或者加工任意圖形以備后續(xù)應(yīng)用，如圖9所示；所述銅鋁銅復(fù)合板6配設(shè)有散熱片7，所述散熱片7安插在所述銅鋁銅復(fù)合板6的凹槽6.4中，如圖10所示。[0034]在本實施例中，與銅鋁銅復(fù)合板6相類似的其他可以作為基板的復(fù)合材料，也可作為本實用新型一種新型功率半導(dǎo)體模塊的基板，使得功率半導(dǎo)體模塊和散熱器一體化，另外也可以使用全銅材料或其他可作為基板的單一材料也可作為本實用新型一種新型功率半導(dǎo)體模塊的基板，使得功率半導(dǎo)體模塊和散熱器一體化。類似于銅鋁銅三層復(fù)合材料的基板的其他三層以上的復(fù)合材料也可用于本實用新型一種功率半導(dǎo)體模塊上。
[0035]本實用新型實現(xiàn)了功率半導(dǎo)體模塊與散熱器一體化設(shè)計，免去了導(dǎo)熱硅脂。模塊芯片到散熱器的總熱阻降為Rjh=Rchip+Rsolderl+RDBC+Rsolder2+Rcuplate。降低了由于安裝引起的機械應(yīng)力，而且減小了熱應(yīng)力。其主要工藝流程為:1)、DBC上焊接芯片；2)、在銅鋁銅基板的上銅面焊接DBC ;3)、鍵合或者其他連接；4)、灌封硅膠；5)、成品。
[0036]本實用新型功率半導(dǎo)體模塊使用安裝方式如下:1)、線路板或者busbar連接電極端子；2)、調(diào)試模塊。
[0037]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種新型功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于:包括芯片、DBC板、基板、硅膠保護層，所述芯片焊接在所述DBC板上，所述DBC板焊接在所述基板的上部表面上，所述硅膠保護層覆蓋在所述芯片上，所述基板為復(fù)合板，所述復(fù)合板設(shè)有兩層或兩層以上，所述DBC板焊接在所述復(fù)合板的最上層的表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于:所述復(fù)合板的底部設(shè)有凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于:所述凹槽中安插有散熱片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的一種新型功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于:所述基板為復(fù)合板，所述復(fù)合板由兩層或兩層以上的材料構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的一種新型功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于:所述基板為銅鋁銅三層復(fù)合板，所述復(fù)合板的上層為銅層，中層為鋁層，下層為銅層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的一種新型功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于:所述復(fù)合板的底部設(shè)有預(yù)設(shè)的圖形。
【文檔編號】H01L23/373GK203760465SQ201420040658
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】賀東曉, 尹建維 申請人:揚州虹揚科技發(fā)展有限公司