[发明专利]一种功率半导体模块封装结构及封装方法

说明书

本发明涉及一种功率半导体模块封装结构及封装方法，将树脂或者其他可固化材料，注入特殊加工后的金属电路层的间隙中后固化，再将金属电路层与导热绝缘树脂薄膜一起压接到金属底板上，利用固化后的材料将金属电路层间隙中、导热绝缘树脂薄膜中的气泡排除与固化，确保绝缘特性；或者利用塑封工艺中，塑封树脂的固化过程完成导热绝缘树脂薄膜中气泡排除与固化，确保绝缘特性。如此，即使使用Pinfin的金属底板、其他有一面为非平面的金属底板，或者内部带有水冷流路的金属底板，也可以在导热绝缘树脂薄膜上形成较小间隙和较大厚度的金属电路层，这样结构的模块热阻低，变形小，可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种功率半导体模块封装结构及封装方法，属于功率半导体模块封装、电机驱动器、电力电子变换器技术领域。

背景技术

在电源、电力电子变换器应用中，功率半导体(IGBT，MOSFET，SiC,GaN等)器件因为被广泛采用，在功率较大的场合下一般使用模块的封装形式。功率半导体器件发热较为严重的场合比如电动汽车里边的电机驱动，一般采用水冷结构的封装。现在被广泛使用的封装形式如图1所示，功率模块主要由金属底板(工业应用中金属底板的底面一般为平面，汽车应用中多为带金属柱的Pinfin形式或其他散热面为非平面的形式，如图2所示,也有图3所示带可以直接进行水冷带有水冷流路的金属底板)，焊接层，DBC(双面覆铜陶瓷基板)，绑定线，外壳以及硅胶等组成。功率半导体芯片通过焊接固定到DBC上后，再通过回流焊等工艺将DBC焊接到金属底板上，功率半导体芯片的发出的热通过DBC，焊接层传导到金属底板上，金属底板再通过风冷或者水冷散热出去。这一结构带来一系列的缺点，DBC焊与金属底板间的焊锡层厚度一般为200um到300um，导热系数在50W/mK左右，远低于金属(铜为400W/mK，铝为230/mK)，这样焊接层上形成比较高的热阻，恶化模块散热性能。

另外典型使用Al2O3材料的DBC的热膨胀系数一般为6.8x10-6/K，而金属的热膨胀系数一般比较高(铜为16.9x10-6/K，铝为23x10-6/K)，如果两种材料膨胀系数相差很大，会使回流焊接的后的冷却过程中会引起DBC和金属底板的变形，如图4a和图4b所示，上层代表膨胀系数较小的DBC，下层代表膨胀系数较大的金属底板，在回流焊的冷却的过程中，DBC与金属底板向膨胀系数较小的DBC方向弯曲变形。这个变形给金属底板底面与外部散热片间带来空隙，影响散热效果，在水冷系统中还会带来漏水的问题。最后，由于两材料的热膨胀系数不同，当由功率芯片发热引起温度变化时就会产生材料之间接合点的疲劳，带来功率模块的寿命问题。

如果使用化学腐蚀工艺来形成导热绝缘树脂薄膜的顶层金属层电路的话，会产生两个问题，第一个问题是金属层厚度，一般金属层越厚，散热越好，对于电流比较大的模块(几十A到上千A)需要厚度为0.3mm到3mm不等的金属层，而采用化学腐蚀工艺的话，如图7所以，由于腐蚀液是从金属层的最顶层腐蚀到最底层，这样被腐蚀的部分就会形成上面宽下边窄的形状，功率晶片一般工作在300V以上的高压状态下，这样就需要腐蚀出一定底部宽度(1mm到2mm)才能保证一定的绝缘距离。这样如果使用1mm厚度的金属层的话，为了保证1mm绝缘距离，顶部金属层间的间隙宽带就可能达到1.8mm，如果使用3mm厚度的金属层的话，为了保证1mm绝缘距离，顶部金属层间的间隙宽带就可能达到5.4mm，这样大的宽带会使功率模块体积变大，不利于产品的小型化。第二个问题是，腐蚀工艺中一般要对不需要被腐蚀的地方用防腐蚀薄膜或涂层进行保护，对于底面是平面的比较薄的金属底(3mm以下)板来说相对容易，但是对于像图2所示的底面是Pinfin或其他形状的金属底板或者像图3所示的带有水路的金属底板，复杂的结构和较大的厚度使得将防腐蚀薄膜或涂层加工上去极为困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够防止结构变形，保证器件使用寿命的功率半导体模块封装结构。