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CN115116986A - 一种3d双面散热封装结构的功率模块 - Google Patents

一种3d双面散热封装结构的功率模块 Download PDF

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CN115116986A CN202110300528.0A CN202110300528A CN115116986A CN 115116986 A CN115116986 A CN 115116986A CN 202110300528 A CN202110300528 A CN 202110300528A CN 115116986 A CN115116986 A CN 115116986A
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CN
China
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heat dissipation
dbc substrate
double
substrate
power module
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宁平凡
刘婕
牛萍娟
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Tianjin Polytechnic University
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Tianjin Polytechnic University
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种3D双面散热封装结构的功率模块，包括：裸芯片、引线、金属垫片、功率端子、上层直接覆铜陶瓷基板(DBC基板)和下层DBC基板、绝缘密封层；所述裸芯片通过焊料烧结在上、下DBC基板，采用引线实现电气连接；所述功率端子实现外部电路和内部功率回路的电气连接；所述金属垫片通过焊料烧结在上、下DBC基板之间，起支撑及电气互连作用。本发明主要缓解功率半导体模块内多芯片发热产生的热耦合效应问题，提升模块的散热能力，降低芯片结温，提高模块热可靠性。

Description

一种3D双面散热封装结构的功率模块
技术领域
本发明属于半导体封装以及功率模块领域，特别是一种3D双面散热封装结构的功率模块。
背景技术
随着第三代半导体技术的发展，碳化硅(SiC)作为其中重要代表，已在新能源发电、智能电网功率转换、交通电气化等领域得到广泛的应用和发展。特别是在10kV左右的中大功率场合，相较于传统的硅(Si)基绝缘栅双极型晶体管(Insulator Gate BipolarTransistor，IGBT)模块，SiC基功率模块具有优良的高温、高频特性、良好的传热性能以及更小的功率损耗，逐渐成为了Si基器件的潜在替代品。其中全SiC功率模块的研究和开发备受关注，但高功率密度模块伴随的高失效率和低可靠性问题不容忽视。
电子封装对芯片来说是极其重要的，它能够为芯片提供一个相对封闭的环境，减少周围环境对芯片性能的影响，并为其提供电气连接、机械支撑、散热路径，可以说封装影响着器件的性能、使用寿命和成本。传统的Si基功率器件封装技术发展成熟，但将其直接用于SiC功率器件可能会不利于其优势的发挥。SiC器件可以适用于更高的温度场合，传统封装技术和封装材料不能完全匹配，易引起可靠性问题。因此应寻求新的封装材料和封装结构是发挥SiC器件潜力和提高可靠性的重要因素。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种3D双面散热封装结构的功率模块，其旨在解决以SiC器件为主要功率器件的模块内多芯片发热产生的热耦合效应问题，提升模块的散热能力，从而提高模块热可靠性。
为了实现上述技术效果，本发明的技术方案如下：
本发明提供的3D双面散热封装结构的功率模块包括多个裸芯片、引线、金属垫片、功率端子、上层DBC基板、下层DBC基板和绝缘密封层。所述的裸芯片利用焊料烧结在上、下DBC基板的内表面上，上、下DBC基板的外表面与散热器或散热基板互连，金属垫片焊接在上、下DBC基板之间，起支撑及电气互连作用。
进一步地，所述上、下两块DBC基板相互平行。
进一步地，所述上、下两块DBC基板由外部框架固定支撑。
进一步地，所述金属垫片通过焊料焊接固定，其截面形状可以为圆、矩形等。
进一步地，所述烧结在同一块DBC基板上的裸芯片之间的电气互连采用引线结构。
进一步地，所述上、下两块DBC基板设置有功率端子，正极端子、负极端子和输出端子，端子直接焊接到DBC基板对应位置或者设置在外部框架上，设置在外部框架上的功率端子与DBC基板之间互连采用引线结构作电气连接。
进一步地，所述上、下两块DBC基板设置有信号端子连接区域，采用引线结构与外部框架的信号端互连。
进一步地，所述上、下两块DBC基板之间的空间为绝缘密封层，采用硅胶或环氧树脂等填充材料灌封。
进一步地，所述散热器为自然风冷却或强制风冷却或液体冷却散热器。
进一步地，所述散热基板为金属基板或陶瓷基板。
进一步地，所述引线结构包括铜线、铝线、金线、铝带或铜带。
本发明的优点为：
1、本发明的3D双面散热结构不同于传统“三明治”式双面散热结构，上、下DBC基板均烧结裸芯片且构成电流回路，在保证多芯片运行的时候减小了功率模块的体积，增大了散热面积。
2、本发明的3D双面散热结构缓解了多芯片运行发热产生的热耦合效应，提高了模块的散热能力，降低了芯片结温，提高了功率模块的热可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的结构正视示意图。
图3为本发明的外观示意图。
图中，1为裸芯片；2为引线；3为金属垫片；4为正极功率端子；5为负极功率端子；6为输出功率端子；7为DBC基板；8为绝缘密封层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如说明书附图所示，本实施例提供一种3D双面散热封装结构的功率模块，包括上、下两块DBC基板(7)，所述DBC基板由外部框架和内部金属垫片(3)固定和支撑，所述的上、下两块DBC基板结构对称且平行，两块DBC基板相对的表面为内表面，内表面上利用焊料烧结多个裸芯片(1)，外表面直接与散热器或散热基板互连。所述烧结在同一块DBC基板上的裸芯片之间的电气互连采用引线(2)结构，构成电气回路，同时DBC基板设置有信号端子连接区域，采用引线结构与外部框架的信号端互连和芯片互连，实现芯片的开通和关断。
功率端子控制整个功率模块电流的流入和流出，功率端子包括正极端子(4)、负极端子(5)和输出端子(6)，端子直接焊接到DBC基板对应区域，结合信号端子同时控制上、下两块DBC基板烧结芯片的开通和关断，实现功率模块内电能的转换。
所述上、下两块DBC基板之间的空间及内部组件都被硅胶或环氧树脂等填充材料灌封为绝缘密封层(8)，只将功率端子和信号区域与外部框架互连的引线暴露在外，与外部电路连接。
实施例2
本发明实施例2提供的一种3D双面散热封装结构的功率模块与实施例1中基本相同，其不同之处在于，功率端子设置在外部框架上，设置在外部框架上的功率端子与DBC基板之间互连采用引线结构作电气连接。
此外，DBC基板在必要情况下可内嵌电容，提高功率模块的运行可靠性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”“下”“水平”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明不局限与上述特定实施方式，本领域人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本发明的实施例1和实施例2内的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：包括上、下两块DBC基板(7)，所述DBC基板由外部框架和内部金属垫片(3)固定和支撑，所述的上、下两块DBC基板结构对称，两块DBC基板相对的表面为内表面，内表面上利用焊料烧结多个裸芯片(1)，外表面直接与散热器或散热基板互连。
2.根据权利要求1所述的3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：所述上、下两块DBC基板相互平行。
3.根据权利要求1所述的3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：所述金属垫片(3)通过焊料焊接固定，其截面形状可以为圆、矩形等。
4.根据权利要求1所述的3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：所述烧结在同一块DBC基板上的裸芯片之间的电气互连采用引线(2)结构。
5.根据权利要求1所述的3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：所述上、下两块DBC基板设置有功率端子，正极端子(4)、负极端子(5)和输出端子(6)，端子直接焊接到DBC基板对应位置或者设置在外部框架上，设置在外部框架上的功率端子与DBC基板之间互连采用引线结构作电气连接。
6.根据权利要求1所述的3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：所述上、下两块DBC基板设置有信号端子连接区域，采用引线结构与外部框架的信号端互连。
7.根据权利要求1所述的3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：所述上、下两块DBC基板之间的空间为绝缘密封层(8)，采用硅胶或环氧树脂等填充材料灌封。
8.根据权利要求1所述的3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：所述散热器为自然风冷却或强制风冷却或液体冷却散热器。
9.根据权利要求1所述的3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：所述散热基板为金属基板或陶瓷基板。
10.根据权利要求4至6所述的3D双面散热封装结构的功率模块，其特征在于：所述引线结构包括铜线、铝线、金线、铝带或铜带。
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