一種帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊，屬于半導(dǎo)體功率模塊的封裝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]功率模塊是在功率電子電路上使用的半導(dǎo)體封裝體，比如，封裝了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)芯片，或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)芯片的模塊。一些模塊也封裝有半導(dǎo)體二極管(D1DE)芯片以提供過壓保護。以上功率半導(dǎo)體芯片具有一系列電壓和電流等級，以適應(yīng)不同的場合或行業(yè)應(yīng)用。
[0003]一般地，除芯片之外，功率模塊還包括直接鍵合銅陶瓷襯底(Direct BondedCopper，DBC)，基板，功率端子等部件。這些部件可通過焊接實現(xiàn)連接，焊接方法包括軟釬焊(Soft soldering)、銀楽燒結(jié)(Ag paste sintering)、擴散焊接(diffus1n soldering)、超聲波焊接(Ultrasonic welding)等，如芯片-DBC、DBC-端子、DBC-基板之間的焊接。
[0004]對于功率模塊來說，其散熱能力十分重要，關(guān)系到模塊的可靠性和使用壽命。半導(dǎo)體芯片開關(guān)和工作過程中，有各種損耗，這些損耗轉(zhuǎn)化成熱能，需要通過散熱通道及時有效擴散掉。
[0005]目前的解決方法是印刷一定厚度的導(dǎo)熱硅脂到模塊基板與散熱器之間，充當(dāng)傳熱介質(zhì)。由于導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)約為I W/(m*K)，遠(yuǎn)小于銅的約380 ff/(m*K)或鋁的約220W/(m*K)。所以導(dǎo)熱硅脂是整體熱阻的主要貢獻者，為了盡量減少整體熱阻，工程師們盡量減少導(dǎo)熱硅脂的厚度，極力控制模塊基板和散熱器的平整度。但受制于原材料狀況和工藝條件，最薄的導(dǎo)熱硅脂厚度仍然可達50微米，熱阻高達5X10—5 m2K/ff 一20X10—5 m2K/ff,約占整個模塊熱阻的20%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種結(jié)構(gòu)合理，制作工藝簡單，能夠提高散熱效果，并提高生產(chǎn)效率，減少整機體積，降低成本，提高模塊的可靠性和使用壽命的帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊。
[0007]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的，一種功率模塊，它主要包括:外殼，鍵合引線，半導(dǎo)體芯片，金屬化陶瓷襯底，第一焊接層，第二焊接層，熱管系統(tǒng)，所述的半導(dǎo)體芯片通過所述第一焊接層連接在所述金屬化陶瓷襯底上；所述金屬化陶瓷襯底通過所述第二焊接層連接到熱管系統(tǒng)的基板上面，功率模塊工作時產(chǎn)生的熱能通過基板被所述熱管系統(tǒng)有效吸輸并擴散掉。
[0008]所述的熱管系統(tǒng)由基板，設(shè)置在基板中的熱管，伸出在基板外的熱管上相連的絕熱板和散熱板組成，所述基板通過密封膠并通過設(shè)置的安裝孔用卡環(huán)固定在外殼上。
[0009]所述的金屬化陶瓷襯底上通過鍵合引線鍵合有聯(lián)通半導(dǎo)體芯片、金屬化陶瓷襯底和引出端子的電氣連接線，在所述金屬化陶瓷襯底的上方灌封有保護二極管芯片的硅膠。
[0010]所述的金屬化陶瓷襯底由第一銅表面、陶瓷層和第二銅表面通過金屬化陶瓷工藝制成，其中所述金屬化陶瓷工藝包括活性金屬釬焊(AMB)工藝，直接鍵合銅工藝(DirectBonded Copper, DBC，或稱直接覆銅工藝)，或其它合適的工藝。
[0011]本發(fā)明把功率模塊中的直接鍵合銅陶瓷襯底(DBC)直接焊接到帶有熱管系統(tǒng)的基板上，省去了普通基板、導(dǎo)熱硅脂和散熱器等部件，極大地提高散熱效果，并提高生產(chǎn)效率，減少整機體積，降低成本。焊接到帶有熱管系統(tǒng)的基板，焊料層的熱阻可大幅減少，其熱阻約占整個模塊的5%。
[0012]功率模塊的散熱問題影響著模塊的可靠性和使用壽命，隨著模塊的功率密度逐步提高，芯片的結(jié)溫也將逐步提高，所以迫切需要減少模塊的整體熱阻，提高散熱能力。使用帶有熱管系統(tǒng)的基板模塊，可極大地提高散熱效果，提高模塊的可靠性和使用壽命，并提高生產(chǎn)效率，或減少整機體積，降低成本。
[0013]與標(biāo)準(zhǔn)封裝工藝的功率模塊不同，這種新型的帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊的封裝技術(shù)特點在于把直接鍵合銅陶瓷襯底(DBC)焊接到帶有熱管系統(tǒng)的基板上，整合性、緊湊性高，可省掉普通基板、導(dǎo)熱硅脂和散熱器等部件。
[0014]使用帶熱管系統(tǒng)的基板封裝的功率模塊，不使用熱阻較大的導(dǎo)熱硅脂，消除了熱阻的這一個瓶頸，所以能有效降低整個模塊的熱阻，提高了功率模塊的散熱能力。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明所述帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明所述熱管系統(tǒng)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明所述熱管的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4是本發(fā)明所述隱去了熱管系統(tǒng)后的功率模塊的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)的介紹:圖1-4所示，本發(fā)明所述的一種功率模塊100，它主要包括:外殼401，鍵合引線402，半導(dǎo)體芯片404，金屬化陶瓷襯底403，第一焊接層，第二焊接層，熱管系統(tǒng)200，所述的半導(dǎo)體芯片404通過所述第一焊接層連接在所述金屬化陶瓷襯底403上；所述金屬化陶瓷襯底403通過所述第二焊接層連接到熱管系統(tǒng)200的基板201上面，功率模塊100工作時產(chǎn)生的熱能通過基板201被所述熱管系統(tǒng)200有效吸輸并擴散掉。
[0020]所述的熱管系統(tǒng)200由基板201，設(shè)置在基板201中的熱管300，伸出在基板201外的熱管上相連的絕熱板202和散熱板203組成，所述基板201通過密封膠并通過設(shè)置的安裝孔用卡環(huán)固定在外殼401上。
[0021 ] 所述的金屬化陶瓷襯底403上通過鍵合引線402鍵合連通半導(dǎo)體芯片404、金屬化陶瓷襯底403和引出端子的電氣連接線，在所述金屬化陶瓷襯底403的上方灌封有保護半導(dǎo)體芯片404的硅膠。
[0022] 所述的金屬化陶瓷襯底403由第一銅表面、陶瓷層和第二銅表面通過金屬化陶瓷工藝制成，其中所述金屬化陶瓷工藝包括活性金屬釬焊(AMB)工藝，直接鍵合銅工藝(Direct Bonded Copper，DBC，或稱直接覆銅工藝)，或其它合適的工藝。
[0023]實施例:
圖1示出了帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊100的一個實施例的俯視圖。模塊100是一種整合了熱管系統(tǒng)200和功率模塊400的新型功率模塊。
[0024]圖2示出了熱管系統(tǒng)200的俯視圖。熱管系統(tǒng)200包括熱管300，基板201，絕熱板202，散熱板203，基板上的安裝孔204等部件。
[0025]圖3示出了一個熱管300的橫截面視圖。熱管300包括熱管管殼301，蒸汽302，液體303，吸液芯304，蒸汽通道305等部件。
[0026]圖4示出了一個隱去了熱管系統(tǒng)200后的功率模塊400的俯視圖。功率模塊400包括外殼401，鍵合引線402，陶瓷襯底403，半導(dǎo)體芯片404等部件。
[0027]實施例模塊100的工藝可以按如下主要步驟實現(xiàn):
a半導(dǎo)體芯片404可通過釬焊、銀漿燒結(jié)或擴散焊接等方式連接到陶瓷襯底403上。
[0028]b連接了半導(dǎo)體芯片404的陶瓷襯底403可通過第二步釬焊或彈簧壓接等技術(shù)，實現(xiàn)陶瓷襯底403與熱管系統(tǒng)200的有效連接。如果選用釬焊技術(shù)，則需要加熱，熱管內(nèi)可先不充液，以防熱管爆裂。如果選用彈簧壓接等不需要加熱的技術(shù)，熱管內(nèi)可先充液。
[0029]c連接了陶瓷襯底403后，在熱管基板201上點密封膠，并通過安裝孔204用卡環(huán)405把外殼401固定在熱管系統(tǒng)200上。
[0030]d使用超聲波鍵合的技術(shù)，把鍵合引線402鍵合到功率模塊400內(nèi)部，實現(xiàn)半導(dǎo)體芯片404、陶瓷襯底403和引出端子等的電氣連通。
[0031]e超聲波鍵合后，在功率模塊400的內(nèi)部灌充硅膠并固化，以保護芯片，提高介電強度。然后蓋上蓋，打標(biāo)或貼標(biāo)簽。
[0032]f如步驟b使用釬焊技術(shù)，則模塊100整體需要先抽真空，再充工作液體303，然后加熱熱焊密封。
[0033]g測試成品，入庫或發(fā)貨。
[0034]模塊100的發(fā)熱部分是功率模塊400，功率模塊400工作時有各種損耗，這些損耗最終都轉(zhuǎn)變熱，通過熱傳輸把熱量Q傳到熱管300的蒸發(fā)段，使工作液體303變成蒸汽302。
[0035]蒸汽302通過腔體的蒸汽通道305流動。經(jīng)過熱管300的絕熱段，到達熱管300的冷凝段。
[0036]由于熱管系統(tǒng)200設(shè)置有絕熱板202和散熱板203，絕熱板可阻止熱量傳到熱管300的冷凝段，而散熱板203設(shè)置在熱管300的冷凝段，所以蒸汽302到達冷凝段后會冷凝成液體303。
[0037]冷凝成液體后，在重力或毛細(xì)管的作用下，液體303通過吸液芯304回流到熱管300的蒸發(fā)段。如此，周而復(fù)始，源源不斷地把熱量有效地傳出去，確保模塊100工作時溫度較低。
【主權(quán)項】
1.一種帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊，它主要包括:外殼，鍵合引線，半導(dǎo)體芯片，金屬化陶瓷襯底，第一焊接層，第二焊接層，熱管系統(tǒng)，其特征在于所述的半導(dǎo)體芯片通過所述第一焊接層連接在所述金屬化陶瓷襯底上；所述金屬化陶瓷襯底通過所述第二焊接層連接到熱管系統(tǒng)的基板上面，功率模塊工作時產(chǎn)生的熱能通過基板被所述熱管系統(tǒng)有效吸輸并擴散掉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊，其特征在于所述的熱管系統(tǒng)由基板，設(shè)置在基板中的熱管，伸出在基板外的熱管上相連的絕熱板和散熱板組成，所述基板通過密封膠并通過設(shè)置的安裝孔用卡環(huán)固定在外殼上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊，其特征在于所述的金屬化陶瓷襯底上通過鍵合引線鍵合有聯(lián)通半導(dǎo)體芯片、金屬化陶瓷襯底和引出端子的電氣連接線，在所述金屬化陶瓷襯底的上方灌封有保護二極管芯片的硅膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊，其特征在于所述的金屬化陶瓷襯底由第一銅表面、陶瓷層和第二銅表面通過金屬化陶瓷工藝制成，其中所述金屬化陶瓷工藝包括活性金屬釬焊(AMB)工藝，直接鍵合銅工藝(Direct Bonded Copper, DBC，或稱直接覆銅工藝)，或其它合適的工藝。
【專利摘要】一種帶有熱管系統(tǒng)的功率模塊，它主要包括：外殼，鍵合引線，半導(dǎo)體芯片，金屬化陶瓷襯底，第一焊接層，第二焊接層，熱管系統(tǒng)，所述的半導(dǎo)體芯片通過所述第一焊接層連接在所述金屬化陶瓷襯底上；所述金屬化陶瓷襯底通過所述第二焊接層連接到熱管系統(tǒng)的基板上面，功率模塊工作時產(chǎn)生的熱能通過基板被所述熱管系統(tǒng)有效吸輸并擴散掉；所述的熱管系統(tǒng)由基板，設(shè)置在基板中的熱管，伸出在基板外的熱管上相連的絕熱板和散熱板組成，所述基板通過密封膠并通過設(shè)置的安裝孔用卡環(huán)固定在外殼上；它具有結(jié)構(gòu)合理，制作工藝簡單，能夠提高散熱效果，并提高生產(chǎn)效率，減少整機體積，降低成本，提高模塊的可靠性和使用壽命等特點。
【IPC分類】H01L23-427, H01L23-373, H01L23-15
【公開號】CN104867889
【申請?zhí)枴緾N201510226009
【發(fā)明人】胡少華, 金曉行
【申請人】嘉興斯達微電子有限公司
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月6日