[发明专利]一种功率模块及其制作方法

说明书

本发明公开了一种功率模块及其制作方法，功率模块包括：芯片，用于布置芯片的衬板，以及用于将芯片、衬板封装在液冷散热器上的封装外壳。衬板包括：陶瓷层、正面金属化层、背面金属化层和针翅状阵列。正面金属化层布置于陶瓷层的上表面，背面金属化层布置于陶瓷层的下表面。针翅状阵列位于陶瓷层的下表面，且针翅状阵列与陶瓷层为一体式结构。衬板通过焊接或烧结等方式设置在液冷散热器的上表面。本发明能够解决现有功率模块基板拱度控制难度大，模块散热效率低，密封不可靠而易引发漏液的技术问题。

技术领域

本发明涉及功率半导体器件领域，尤其是涉及一种集成液冷散热器的功率模块结构及其制作方法。

背景技术

传统的功率模块，如一种典型的IGBT模块封装结构如附图1所示，功率模块100主要由芯片1、衬板4(包括：正面覆铜层26，背面覆铜层27及陶瓷层5)、基板24、封装外壳10等几个部分组成。其中，封装外壳10进一步包括管壳11和母排端子12，包括IGBT和FRD在内的芯片1焊接在双面覆有金属化层的陶瓷结构的衬板4上，通过引线2键合实现芯片1和衬板表面金属电路层的电气连接。衬板4则通过基板焊层25与基板24连接，并通过母排焊接将模块内部的电极引出，作为提供外部电路连接的接口。封装外壳10安装后，通常在其内部注入硅胶，实现模块内部的电气绝缘，并保护元件免受湿气和污染侵蚀。

如附图2所示，功率模块100在应用时，通常在液冷散热器13或基板24的背面印刷导热硅脂21，并通过螺钉16将功率模块100紧固在液冷散热器13上。然而，这种安装方式，一方面要求基板24的背面需存在一定的拱度，确保安装过程中基板24与液冷散热器13之间实现良好的接触。另一方面，要求导热硅脂21的厚度尽可能薄，以降低功率模块100与液冷散热器13的接触电阻。这对功率模块100的基板24拱度控制及导热硅脂21的印刷工艺过程控制提出了很高的要求。然而，在实际应用过程中，由于温度周期性变化及应用环境的湿度影响，导热硅脂21中的油脂析出，硅脂很容易变干，从而导致功率模块100与液冷散热器13的接触界面存在空洞，进而影响功率模块100的散热。

为了解决上述功率模块100与散热器13安装存在的问题，目前提出的一些方案中，通常采用针翅状的铜基板23替换传统的平板型基板，如附图3所示。在应用安装时，直接将功率模块100安装在开有水槽的液冷散热器13上，并通过密封圈22实现冷却水的密封，如附图4所示。该种安装方式，消除了导热硅脂21引入的接触热阻及导热硅脂21干涸引发的散热问题。可以极大地改善功率模块100的散热效率，提高功率模块100的长期可靠性。然而，在实际工作过程中，由于密封圈22的老化，易引发漏水问题。另一方面，对铜基板23背面与液冷散热器13安装区域的拱度也提出了很高的要求，以实现功率模块100和液冷散热器13的良好匹配安装，避免冷却水泄露。

综上所述，不论是平板型基板，还是针翅状基板结构的模块，均存在以下技术缺陷：

(1)平板型基板结构的功率模块100，要求基板24的背面需存在一定的拱度，确保安装过程中基板24与液冷散热器13实现良好的接触，这对功率模块100的基板24的拱度控制提出了很高的要求，过程控制难度较大；另一方面，平板型基板结构的功率模块100需通过导热填充其与液冷散热器13安装的界面，导热硅脂21的存在引入了较大的接触热阻，影响了功率模块100的散热效率；此外，导热硅脂21在长期使用过程中，易干涸而导致功率模块100与液冷散热器13的接触界面产生空洞，严重影响功率模块100的散热；

(2)针翅状基板结构的功率模块100在安装液冷散热器13的过程中，对铜基板23的背面与液冷散热器13安装区域的拱度提出了很高的要求，过程控制难度大，且在长期使用过程中密封圈22易发生老化，而引发漏水问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率模块及其制作方法，解决现有功率模块基板拱度控制难度大，模块散热效率低，密封不可靠而易引发漏液的技术问题。