[发明专利]散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件封装技术领域，尤其是涉及一种应用于功率电子模块的散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法。

背景技术

在功率电子应用中，绝缘衬板作为模块结构中的关键材料之一，主要用作电路和半导体芯片的支撑结构。从电学上来说，绝缘衬板必须能够绝缘或隔离各种电路结构，而且还要承受在功率端子和外壳之间施加的数千伏的电压。从力学上来说，它为所有有源或无源元件提供机械支撑，因此必须能够承受不同环境压力。更重要的是，绝缘衬板必须具有良好的导热特性，以消除或传递绝缘衬板上功率元件所产生的热量。目前来说，为了提高绝缘衬板的热导率，主要通过使用具有高热导率的材料来实现，比如：选择高热导率的氮化铝陶瓷作为绝缘层，选择金属铜作为表面金属化层，但是这种方法受限于材料的特性。

在现有技术中，与本发明相近的技术方案主要有以下几种：

现有技术1为由浙江大学于2012年05月12日申请，并于2012年09月05日公开，公开号为CN102655710A的发明专利申请《带有散热结构的功率模块DBC板》。该发明申请提供了一种带有散热结构的功率模块DBC（陶瓷-铜键合基板），采用在DBC上铜层周围的陶瓷区域附加DBC板散热结构，附加的DBC板散热结构由铜制成，形成内部中空结构，并且充有冷却液，该冷却液通过管路与外部的泵相连接，DBC 陶瓷层与附加的DBC 板散热结构做在一起作为一个整体。该发明专利与传统结构相比，虽然可以使热量从DBC上表面金属层的向上热传递能力得到一定改善，但是带有中空结构的散热管道在绝缘陶瓷衬板上的焊接问题，以及铜管与陶瓷衬板上表面金属层保持绝缘等问题使得该散热结构变得更加复杂。同时，该发明的实施例二中复杂的铝碳化硅制DBC 板散热结构也势必会增加工艺制作难度。

现有技术2为由本申请人株洲南车时代电气股份有限公司于2013年11月04日，并于2014年02月19日公开，公开号为CN103594458A发明专利申请《一种衬板结构》。该发明申请提出了一种衬板结构，包括：AlN（氮化铝）陶瓷层、正面覆铜层、背面覆铜层以及正面的阻焊层，所述正面覆铜层上的母排焊接区处和/或芯片焊接区的周沿处设置限位件，限位件主要用来在焊接过程中对焊片以及芯片或母排的引脚进行定位。该发明申请中陶瓷衬板的散热主要是利用具有高热导率的AlN材料，未提及通过陶瓷衬板的金属化层结构优化以提高散热性能。

因此，目前，现有技术中的绝缘衬板受限于陶瓷材料的选择，难以及时消除或传递功率元件所产生的热量，导致功率电子模块内部热传递不均，从而增加模块热阻，将对功率电子模块的散热效果及热疲劳失效产生直接的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种散热绝缘衬板，包括该衬板的封装模块及其制作方法，能够解决传统绝缘陶瓷衬板的散热效率低下的技术问题，能够改善模块内部的散热路径、增强模块散热效率、提高功率模块的热稳定性和长期工作的可靠性。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种散热绝缘衬板的技术实现方案，一种散热绝缘衬板，包括：上金属化层、陶瓷层、下金属化层和金属柱阵列。所述上金属化层位于所述陶瓷层的上表面，所述下金属化层位于所述陶瓷层的下表面，所述陶瓷层位于所述上金属化层与所述下金属化层之间，所述金属柱阵列与所述下金属化层相连。

优选的，所述金属柱阵列位于所述下金属化层的下表面，并与所述下金属化层连为一体。

优选的，所述金属柱阵列包括若干按照一定间距成阵列状排布的金属柱，所述金属柱的高度在0.5mm～5mm之间。

优选的，所述金属柱的形状选自于包括圆柱形、圆锥形、方形、菱形、楔形在内的任意一种。

优先的，所述金属柱阵列的材料成分选自于包括金属铜、铝、镍、铜铝合金、铜锌合金、铜镍合金、铜钼合金、铜锡合金、铜银合金、铜钨合金、铜锰合金、铜铅合金、铜磷合金、铜硅合金、铜钛合金在内的任意一种材料或复合材料。

本发明还另外具体提供了一种包括上述散热绝缘衬板的封装模块的技术实现方案，包括：所述散热绝缘衬板、封装外壳和液冷散热器，所述封装外壳位于所述散热绝缘衬板的上部，所述散热绝缘衬板设置在所述液冷散热器的上表面，通过所述封装外壳将所述散热绝缘衬板固定并封装在所述液冷散热器上。