一种功率半导体模块的封装方法及封装结构
阅读说明：本技术 一种功率半导体模块的封装方法及封装结构 (Packaging method and packaging structure of power semiconductor module ) 是由 间瀬胜好 于 2019-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种功率半导体模块的封装方法,包括：提供形成有电路图形及围绕所述电路图形的虚设图形,且图形之间具有间隙的金属层的步骤一；通过由导热绝缘树脂来构成的树脂层,以低于所述导热绝缘树脂的玻璃转化点的温度将所述金属层与所述树脂层暂时压接在金属底板上的步骤二；在所述图形之间的间隙内灌入可固化材料并使其固化的步骤三；将温度上升至一定温度的同时从所述金属层上方施加一定压力,通过所述金属层和所述固化的可固化材料将所述施加的压力传递至所述树脂层的表面,使得所述金属层和所述树脂层,所述树脂层与所述金属底板固接的步骤四。本发明的功率半导体模块的封装方法,其能够去除导热绝缘树脂中的气泡,提高绝缘耐压的可靠性。(The invention provides a packaging method of a power semiconductor module, which comprises the following steps: providing a metal layer which is formed with circuit patterns and dummy patterns surrounding the circuit patterns and has gaps among the patterns; a second step of temporarily pressing the metal layer and the resin layer against a metal base plate at a temperature lower than a glass transition point of the heat conductive insulating resin through the resin layer made of the heat conductive insulating resin; pouring curable material into the gaps between the patterns and curing the curable material; and a fourth step of applying a certain pressure from above the metal layer while raising the temperature to a certain temperature, and transmitting the applied pressure to the surface of the resin layer through the metal layer and the cured curable material, so that the metal layer, the resin layer, and the resin layer are fixedly connected with the metal base plate. The packaging method of the power semiconductor module can remove air bubbles in the heat-conducting insulating resin and improve the reliability of insulation and voltage resistance.)
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种功率半导体模块的封装方法及封装结构。
背景技术
在电源，电力电子技术领域中，利用了Si，SiC，GaN等的功率半导体器件(IGBT，MOSFET等)被广泛使用，且在功率较大的场合下，一般使用模块的封装形式。
图4为现有技术中广泛使用的模块封装形式的功率半导体的一种结构示意图。如图所示，功率半导体模块(以下亦简称为“功率模块”)主要由外壳1，具有Pin-Fin结构的底板2，半导体晶片3，绑定线4，DBC(Direct Bonding Copper)基板5，填充用硅胶材料6和焊锡7等组成。
DBC基板5如图5所示，是在由Al2O3等绝缘材料构成的陶瓷层8的上下两个表面直接贴合Cu等金属层来制成。下部铜层9与功率模块的底板2接合，上部铜层10则例如通过化学腐蚀等方法形成有回路，且根据需要形成有间隙11。半导体晶片3产生的热量，主要通过DBC基板5传递至底板2后向模块外部散热出去。
在功率模块中，如图4所示的具有Pin-Fin结构的底板2主要应用于汽车产业，而其结构也可多采用图6，图7所示的结构。其中，图6所示的功率模块结构多用于一般产业，其底面为平面形状，而图7所示的功率模块结构则用于电动汽车的电机驱动等高发热的场合，其底面为平面形状，且内部设有水或冷却液的流路。由此可见，底板2可根据半导体晶片3的发热量来选择使用。
然而在上述功率模块的结构中，在远低于DBC基板与底板之间的金属的导热率的焊锡层部分会产生较高的热阻，从而降低模块的散热效果。另外，由于DBC基板的热膨胀系数与底板的热膨胀系数不同，DBC基板，底板均会发生变形，因此会产生接合点处的热疲劳，从而缩短功率模块的寿命，而当具有水冷结构时还会产生漏水的问题。
针对上述DBC基板中存在的问题，日本专利公开特开2004-165281号文献(专利文献1)中公开了一种采用导热绝缘树脂层来代替DBC基板的技术，该技术能够在减轻焊锡带来的热阻恶化的同时，还可配合底板的热膨胀系数最佳选择匹配导热绝缘树脂的组成材料，从而解决接合部位的变形等问题。
发明内容
但是专利文献1所公开的发明，仍然需要通过在导热绝缘树脂层上通过腐蚀等方式形成上部金属层来搭载半导体晶片，因此在功率模块的制造过程中会发生以下问题。
首先，将上部金属层用化学腐蚀的方法进行图形蚀刻时，主要存在两个问题。
第一个问题，金属层越厚则导线电阻越小，在额定电流较大(如，数十安培-数千安培)的模块上，其厚度尤其重要，且根据额定电流其厚度会达到0.3-3mm。另一方面，在额定电压较大的功率模块中，根据其额定电压，需要在导线之间设置绝缘距离。如将600V的IGBT在300V下工作时，需要确保导线之间作为绝缘距离的1-2mm的沿面距离，而从一个表面进行化学腐蚀时，如图8所示金属层10上方开口部的宽度与导热绝缘树脂层12的表面的宽度自然不同。例如，使用厚度1mm的上部金属层10时，为了确保1mm的绝缘距离(间隙)，则上部开口部的宽度会达到1.8mm，而根据上部金属层10的厚度与模块的额定电压，上部开口部的宽度甚至会达到5.4mm。这样会使得功率模块本身体积变大，无法实现针对半导体应用装置小型化的功率模块开发，使得模块化变得没有意义。
第二个问题，在腐蚀工艺中，对不需要被腐蚀的地方需要采用防腐蚀薄膜13进行保护。对于带有Pin-Fin结构的底板，由于其Pin-Fin结构的存在，使得很难利用现有的蚀刻装置形成同时保护Pin-Fin结构的防腐蚀薄膜13。
其次，针对上述问题，当上部金属层的厚度较厚时，则不是在压接后再进行腐蚀，而是利用预先腐蚀成型，冲压成型或其他方法来形成上部金属层后，对上部金属层，导热绝缘树脂及底板进行压接。尤其是利用冲压成型的上部金属层时，在确保一定的沿面距离的前提下，利用单面腐蚀使得上部开口部的宽度较小。
然而如图9所示，在压机进行压接的时候，由于上部金属层10的回路间隙中没有金属层而无法受到压力，导致导热绝缘树脂层12中的气泡14无法被排出，从而降低了导热绝缘树脂的绝缘耐压，降低了功率模块的可靠性。
本发明目的是克服上述现有技术中的不足，提供一种功率半导体模块的封装方法及封装结构，其能够去除导热绝缘树脂中的气泡，提高绝缘耐压的可靠性。本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下。
(1)一种功率半导体模块的封装方法，其特征在于，包括：
提供形成有电路图形及围绕所述电路图形的虚设图形，且图形之间具有间隙的金属层的步骤一；
通过由导热绝缘树脂来构成的树脂层，以低于所述导热绝缘树脂的玻璃转化点的温度将所述金属层与所述树脂层暂时压接在金属底板上的步骤二；
在所述图形之间的间隙内灌入可固化材料并使其固化的步骤三；
将温度上升至一定温度的同时从所述金属层上方施加一定压力，通过所述金属层和所述固化的可固化材料将所述施加的压力传递至所述树脂层的表面，使得所述金属层和所述树脂层，所述树脂层与所述金属底板固接的步骤四。
(2)所述间隙具有缺口形状，该缺口的灌入所述可固化材料之前露出所述树脂层一侧的宽度大于灌入所述可固化材料一侧的宽度。
(3)所述间隙的具有较大宽度部分的高度高于具有较小宽度部分的高度。
(4)在所述间隙内，以所述可固化材料不流入所述金属层表面，灌入所述可固化材料至其高度略高于所述金属层的高度，所述功率半导体模块的封装方法还包括，
将所述可固化材料固化后，研磨去除高于所述金属层部分的可固化材料的步骤五。
(5)所述可固化材料为环氧树脂，酚醛树脂或硅胶树脂之一或其组合，所述导热绝缘树脂为环氧树脂，聚酰亚胺树脂，聚酰胺酰亚胺树脂，液晶聚合物之一或其组合。
(6)所述可固化材料的固化条件为，温度100-200度，固化时间0.5-2h。
在所述步骤四中，所述一定温度为150-200度，所述一定压力为2MPa-10MPa，固接的固接时间为1-3h。
(7)所述金属底板，具有Pin-Fin结构或设有液体流路。
(8)所述金属底板的与所述导热绝缘树脂层接触的面上，相对于所述间隙的位置形成有与在该间隙内灌入所述可固化材料之前露出所述树脂层的一侧的宽度相同或略宽的槽，该槽内灌入有可固化材料且被固化。
(9)一种功率半导体模块的封装结构，其特征在于，包括，
金属层，具有电路图形及围绕所述电路图形的虚设图形，且图形之间的间隙内填充有可固化材料；
导热绝缘树脂层，其上表面与所述金属层的底面固接；
金属底板，其与所述导热绝缘树脂层的下表面固接；
所述间隙具有缺口形状，该缺口的位于所述金属层底面的宽度大于位于所述金属层上表面的宽度。
(10)所述金属底板的与所述导热绝缘树脂层接触的面上，相对于所述间隙的位置形成有与该间隙的位于所述金属层底面的宽度相同或略宽的槽，该槽内灌入有可固化材料。
本发明的功率半导体模块的封装方法及封装结构，具有如下有益效果。
金属层图形之间的间隙正下方的导热绝缘树脂中的气泡在封装制造过程中被去除，即使采用Pin-Fin结构的底板也可形成较小的金属层图形之间的间隙，即使金属层比较厚，也可以形成间隙狭窄的电路，热阻小，变形小，能够实现可靠性高的功率模块。
附图说明
图1为本发明实施例一功率半导体模块封装工艺说明图。
图2为本发明实施例二功率半导体模块封装工艺说明图。
图3为本发明实施例三功率半导体模块封装工艺说明图。
图4为现有技术中所使用的模块封装型功率半导体的一种结构示意图。
图5为图4所示DBC基板的结构示意图。
图6为现有技术中所使用的模块封装型功率半导体的另一种结构示意图。
图7为现有技术中所使用的模块封装型功率半导体的另一种结构示意图。
图8为从一个侧面进行化学蚀刻时所产生的问题的说明图。
图9为导热绝缘薄膜中残留气泡的问题的说明图。
图中，1为外壳，2为底板，3为半导体晶片，4为绑定线，5为DBC基板，6为硅胶材料，7为焊锡，8为陶瓷层，9为下部金属层，10为上部金属层，11为间隙，12为导热绝缘树脂层，13为防腐蚀薄膜，14为气泡，100，200，300为功率半导体模块封装，101，201，301为金属层，102，202，302为导热树脂层，103，203，303为金属底板，104，204，304为可固化材料。
具体实施例
下面结合附图，对本发明功率半导体模块封装制造方法及功率半导体模块的
具体实施方式
作进一步说明。
实施例一
图1为本发明实施例一功率半导体模块封装工艺说明图。
封装结构
功率半导体模块封装100，包括金属层101，导热绝缘树脂层102，金属底板103和可固化材料104。
金属层101具有电路图形101a和虚设图形101b。电路图形101a是根据功率半导体模块的功能所形成的必要电路蚀刻图形，与其上焊接的功率半导体晶片电连接。电路图形101a上直接或通过绑定线形成有可从功率半导体外部连接的电极。另一方面，虚设图形101b是围绕电路图形101a所形成的蚀刻图形，对功率半导体模块的功能不做贡献，而是用于可固化材料104的灌入。功率半导体模块工作时，由于虚设图形101b上不施加电压，无需考虑与金属底板103的绝缘距离。如图所示，图形之间形成有间隙，在间隙中灌入可固化材料104并使其固化，从而实现相互绝缘。金属层101，例如可以是厚度为0.3mm-3mm的铜层，图形之间的间隙(即，绝缘距离)可以为1mm-2mm.
导热绝缘树脂层102的上表面固接在金属层101和可固化材料104的底面，如由含有氮化硼(BN)充填物的导热绝缘树脂材料构成的薄膜固化而形成。本发明不限于此，导热绝缘树脂102，可以由氮化铝，氮化硅等填充物的材料来构成。导热绝缘树脂层，在温度150度-200度，压力2MPa-10MPa的条件下，1h-3h的时间内被固化。导热绝缘树脂还可以为环氧树脂，聚酰亚胺树脂，聚酰胺酰亚胺树脂，液晶聚合物之一或其组合。
金属底板103为散热片，主要用于模块工作时的散热，其上表面与导热绝缘树脂层102固接，底面具有便于风冷的Pin-Fin结构。本发明不限于此，底面既可为平面结构，还可为便于水冷的结构。金属底板，例如为除去Pin-Fin部分的厚度为2mm-4mm的铜底板。
可固化材料104例如为环氧树脂，酚醛树脂等材料，在温度100-200度，固化时间0.5-2h的条件下固化。可固化材料为环氧树脂，酚醛树脂或硅胶树脂之一或其组合。
封装方法
图1(a)-(c)为本发明实施例一功率半导体模块封装工艺说明图。
首先，提供通过化学腐蚀工艺，冲压工艺等形成具有电路图形和虚设图形的金属层。然后通过导热绝缘树脂层，以低于导热绝缘树脂的玻璃转化点的温度将金属层与导热绝缘树脂层一并暂时压接在金属底板上。之后，在图形之间的间隙内灌入可固化材料并使其固化。优选的，在灌入可固化材料时，应避免可固化材料流入金属层表面，控制灌入可固化材料的高度略高于金属层的高度，从而使得间隙内部完全被可固化材料填充。可固化材料的固化条件为，温度100-200度，固化时间0.5-2h。为避免导热绝缘树脂也被固化，需要选择可固化材料的玻璃转化点低于导热绝缘树脂的玻璃转化点的材料。图1(a)示出了可固化材料经去除气泡和固化后的功率半导体模块的封装状态。
之后，通过研磨等方法将高于金属层部分的固化物(可固化材料固化而成)去除。图1(b)示出了研磨后功率半导体模块的封装状态。
之后，如图1(c)所示，将温度升高至150-200度的同时，从金属层的上方施加2MPa-10MPa的压力1-3h的时间，使得金属层与树脂层，树脂层与金属底板彼此固接。
如上所述，本发明的功率半导体模块的封装方法，在加压过程中，通过金属层和被固化的可固化材料，施加在金属层侧的压力被传递至导热树脂层上，因此能够去除导热绝缘树脂中的气泡，提高功率半导体的绝缘耐压的可靠性。
实施例二
图2为本发明实施例二功率半导体模块封装工艺说明图。
封装结构
功率半导体模块封装200，包括金属层201，导热绝缘树脂层202，金属底板203和可固化材料204。金属层201具有电路图形201a和虚设图形201b。比较实施例2中的功率半导体模块封装结构与实施例1中的功率半导体模块封装结构，除了金属层201上的间隙的形状不同外，其他结构均相同。以下，仅对金属层201上的间隙的形状不同这一点进行详细说明。
在实施例2中，间隙具有缺口形状，具体为具有正方形的形状，导热绝缘树脂层202侧的间隙宽度大于金属层201上表面侧的间隙宽度。并且，具有较大宽度的间隙部分的高度高于具有较小宽度的间隙部分的高度。实施例二不限于此，缺口形状可以为其他形状，其形状能够满足将施加在金属层201上的机械力传递至被固化的材料即可。
封装方法
图2(a)-(c)为本发明实施例二功率半导体模块封装工艺说明图。
首先，提供通过化学腐蚀工艺，冲压工艺等形成具有电路图形和虚设图形的金属层。然后通过导热绝缘树脂层，以低于导热绝缘树脂的玻璃转化点的温度将金属层与导热绝缘树脂层一并暂时压接在金属底板上。图2(a)示出了暂时压接后的功率半导体模块的封装状态。
之后，在图形之间的间隙内灌入可固化材料并使其固化。此时，实施例一中采用了以略高于金属层高度灌入可固化材料的方法，而实施例二中仅需以高于缺口的高度灌入可固化材料即可。可固化材料的固化条件为，温度100-200度，固化时间0.5-2h。为避免导热绝缘树脂也被固化，需要选择可固化材料的玻璃转化点低于导热绝缘树脂的玻璃转化点的材料。图2(b)示出了可固化材料经去除气泡和固化后的功率半导体模块的封装状态。
之后，如图2(c)所示，将温度升高至150-200度的同时，从金属层的上方施加2MPa-10MPa的压力1-3h的时间，使得金属层与树脂层，树脂层与金属底板彼此固接。
如上所述，实施例二的功率半导体模块的封装方法，在加压过程中，通过金属层和金属层的缺口，施加在金属层侧的压力被传递至被固化的可固化材料上，进而传递至导热绝缘树脂层上，因此能够去除导热绝缘树脂中的气泡，提高功率半导体的绝缘耐压的可靠性。
实施例二的功率半导体模块封装方法较之实施例一的功率半导体模块封装方法，其不需要将高于金属层部分的可固化材料研磨去除，因此封装方法更为简便。
实施例三
图3为本发明实施例三功率半导体模块封装工艺说明图。
封装结构
比较实施例三的功率半导体模块封装结构和实施例一及实施例二的功率半导体模块封装结构，不同点在于实施例三中的金属底板303的结构不同，不需要在金属层301的图形之间的间隙内灌入可固化材料并进行固化。当然，实施例三不限于此，也可与实施例一及实施例二的功率半导体模块封装相同，在金属层301的图形之间的间隙内灌入可固化材料并进行固化。以下，仅对在金属层301的图形之间的间隙内不灌入可固化材料并进行固化的方法进行详细说明。
金属底板303的与导热绝缘树脂层接触的面上，相对于金属层301的图形之间的间隙的位置形成有与该间隙的位于导热绝缘树脂层侧的宽度相同或略宽的槽，该槽内灌入有可固化材料304并被固化。可固化材料304及其灌入，固化的条件可与实施例一中可固化材料104采用相同的材料以及条件。
封装方法
图3(a)-(c)为本发明实施例三功率半导体模块封装工艺说明图。
首先，提供通过化学腐蚀工艺，冲压工艺等形成有电路图形和虚设图形的金属层。之后提供金属底板，该金属底板上形成有槽，该槽与通过化学腐蚀工艺，冲压工艺所形成的金属层301的图形之间的间隙位置相对向，且与该间隙的导热绝缘树脂层侧的宽度相同或略宽。图3(a)示出了形成槽后的功率半导体模块的封装状态。
之后，在金属底板的槽内灌入可固化材料并使其固化。可固化材料的灌入和固化的条件，可与实施例一中在金属层的间隙之间灌入可固化材料和进行固化的场合相同。即，避免可固化材料流入金属层表面，应控制灌入可固化材料的高度略高于金属底板的高度。之后，通过研磨等方法将高于金属底板部分的固化物去除。图3(b)示出了研磨后功率半导体模块的封装状态。
之后，如图3(c)所示，将温度升高至150-200度的同时，从金属层的上方施加2MPa-10MPa的压力1-3h的时间，使得金属层与树脂层，树脂层与金属底板彼此固接。此时，不同于实施例一和实施例二，金属层301的图形之间的间隙内没有填充可固化材料，因此导热绝缘树脂层中会残留气泡，然而在气泡正下方的金属底板的槽内填充有可固化材料，所以仍可提高功率半导体的绝缘耐压的可靠性。
如上所述，对本发明较佳的实施例进行了详细说明，然而上述说明均为本发明的个别实施例，本发明的保护范围并不限于上述实施例。在不脱离本发明的技术构思的范围内，本领域的技术人员可对上述实施例进行各种变形与改良，当仍属于本发明的保护范围之内。