三相逆变功率模块的嵌入式封装结构及其增材制造工艺
阅读说明：本技术 三相逆变功率模块的嵌入式封装结构及其增材制造工艺 (Embedded packaging structure of three-phase inverter power module and additive manufacturing process thereof ) 是由 鲍婕 张俊武 周斌 胡娟 周云艳 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种三相逆变功率模块的嵌入式封装结构及其增材制造工艺,该结构包括：由IGBT芯片和续流二极管芯片组成的功率单元,由中间开槽的氮化铝陶瓷底板、制作有图形化通孔的氮化铝陶瓷顶盖、上下铜导电层、导电铜柱共同构成的封装辅助单元,以及铜底铝翅片散热器和石墨烯基导热块构成的散热单元。本发明采用增材制造工艺,将功率芯片嵌入陶瓷基板内部,从而增强模块内部水平方向的热传导；同时,在氮化铝陶瓷底板和陶瓷顶盖外围制作石墨烯基导热块,使横向传导出来的热量通过导热块传递给铜底铝翅片散热器,从而增加功率芯片的散热路径。(The invention relates to an embedded packaging structure of a three-phase inverter power module and a material increase manufacturing process thereof, wherein the structure comprises the following components: the power unit comprises an IGBT chip and a freewheeling diode chip, a packaging auxiliary unit and a heat radiation unit, wherein the packaging auxiliary unit comprises an aluminum nitride ceramic bottom plate with a groove in the middle, an aluminum nitride ceramic top cover with a patterned through hole, an upper copper conducting layer, a lower copper conducting layer and a conductive copper column, and the heat radiation unit comprises a copper bottom aluminum fin radiator and a graphene-based heat conduction block. According to the invention, the additive manufacturing process is adopted, and the power chip is embedded into the ceramic substrate, so that the heat conduction in the horizontal direction inside the module is enhanced; meanwhile, the graphene-based heat conducting blocks are manufactured on the peripheries of the aluminum nitride ceramic bottom plate and the ceramic top cover, so that heat conducted transversely is transferred to the copper bottom aluminum fin radiator through the heat conducting blocks, and therefore the heat dissipation path of the power chip is increased.)
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种三相逆变功率模块的嵌入式封装结构及增材制造工艺。
背景技术
三相逆变功率模块是应用非常广泛的一类电力电子器件，可以用于军队、通信、工厂和企业的不间断电源系统、分布式系统和微电网系统中。作为大功率变换器的关键部件，三相逆变功率模块趋向高功率、高集成度发展，模块也因其高频传导和开合而不断集中产生大量的热，使其温度快速升高，进而破坏模块的性能。因此，优化其封装结构，增强其在纵向和横向的热传导能力，提高模块在长期工作下的可靠性，从而延长其使用寿命是十分重要的。
市场上主流的封装结构是以引线键合主导的芯片互连工艺为核心，通过铝键合线和铜锡焊膏来实现IGBT芯片和续流二极管芯片与外部的电气连接以及相应的散热通道，一方面键合线和焊接层的存在，使得模块在长期工作后易出现键合线脱落和焊接层老化等失效现象，另一方面单面散热结构难以满足高热流密度IGBT模块的散热需求。压接式IGBT模块虽然可以克服焊接式模块中的互连失效，解决热疲劳稳定性的问题，但双面散热结构在增加散热通道的同时，也限制了外部驱动元件与IGBT模块的短路径连接，影响系统的开关速度。本发明重点加强模块的外部封装热传导，分别通过纵向散热器和横向导热块的设计，提出更为理想的封装结构方案和配套工艺，提高三相逆变功率模块的热可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，设计一种高热可靠性的三相逆变功率模块的嵌入式封装结构及其增材制造工艺。通过将功率单元嵌入在陶瓷基板中间，并在陶瓷基板的外围制作石墨烯基导热块，从而增加横向的有效散热路径。另外，采用冷锻工艺制造的铜底铝翅片散热器和模块底部焊接代替导热硅脂将传统铝散热器和模块底部相连接的纵向散热结构，进而提升模块的散热性能和可靠性。
为达到上述目的，本发明设计了一种三相逆变功率模块的嵌入式封装结构，其包括功率单元、辅助单元和散热单元，所述功率单元包括六个IGBT芯片和六个续流二极管芯片；其特征是，所述辅助单元包括氮化铝陶瓷底板、制作有图形化通孔的氮化铝陶瓷顶盖、图形化制作的上、下铜导电层、导电铜柱、纳米银胶；所述散热单元包括与氮化铝陶瓷底板相连接的散热器，以及在氮化铝陶瓷底板和陶瓷顶盖外围制作的石墨烯基导热块；
所述辅助单元中，氮化铝陶瓷底板中间开槽，与氮化铝陶瓷顶盖之间形成空腔，用于容纳芯片和导电铜柱，槽底制作有图形化的下铜导电层，芯片和导电铜柱通过纳米银胶分别与上、下铜导电层的对应区域相接触，氮化铝陶瓷顶盖中制作有与信号输出端对应的铜填充互连通孔，与上铜导电层的对应区域相连，再通过纳米银胶与导电铜柱上表面相连接；
所述功率单元中，一个IGBT芯片和一个续流二极管芯片为一组，相邻两组中的IGBT芯片和续流二极管芯片交错排列；每组中IGBT芯片的发射极和续流二极管芯片的阳极通过下铜导电层相连接；IGBT芯片的集电极和续流二极管芯片的阴极通过上铜导电层相连接；IGBT芯片的栅极和发射极分别通过下铜导电层布线连接到各自的信号输出端，并通过导电铜柱连接到氮化铝陶瓷顶盖中的对应铜填充互连通孔，引出信号；IGBT芯片的集电极通过上铜导电层引出集电极信号输出端。
具体的，所述氮化铝陶瓷底板下表面铜互连层通过焊膏与铜底铝翅片散热器相连接，在氮化铝陶瓷底板和氮化铝陶瓷顶盖四周制作石墨烯基导热块，构成模块纵向和横向双散热结构。
具体的，所述续流二极管可以是硅基快速恢复二极管，也可以是碳化硅基肖特基势垒二极管。
具体的，所述氮化铝陶瓷底板中开槽的槽深为290μm～340μm。
具体的，所述石墨烯基导热块内侧与氮化铝陶瓷底板和氮化铝陶瓷顶盖紧密接触，石墨烯基导热块下表面与散热器的铜制底板紧密接触，上表面与氮化铝陶瓷顶盖平齐。
具体的，下铜导电层的布线对应六组IGBT芯片和续流二极管芯片，分为六个部分，每个部分的布线中包括两部分：将导电铜柱下表面和IGBT芯片的栅极相连接的部分，以及将IGBT芯片的发射极、续流二极管芯片的阳极和导电铜柱下表面相连接的部分。
上铜导电层的布线分为4个部分，三相逆变功率模块上桥臂的三组IGBT芯片和续流二极管芯片在一个部分，下桥臂的每组IGBT芯片和续流二极管芯片分别为一个部分，每个部分的布线中包括两部分：将IGBT芯片的集电极和续流二极管芯片的阴极相连接的部分，以及将导电铜柱上表面与信号输出端对应的铜填充互连通孔相连接的部分。
本发明还相应的公开了上述三相逆变功率模块的增材制造工艺，包括以下步骤：
步骤1、3D打印中间开槽的氮化铝陶瓷底板，在槽底3D打印制作图形化的下铜导电层，在氮化铝陶瓷底板下表面3D打印铜互连层；
步骤2、3D打印制作带有灌封通孔和互连通孔的氮化铝陶瓷顶盖，在互连通孔中3D打印填充铜，在氮化铝陶瓷顶盖下表面3D打印制作图形化的上铜导电层；
步骤3、在步骤1得到的结构的设定位置上涂覆纳米银胶，将IGBT芯片、续流二极管芯片正面朝下，与导电铜柱一起贴装在下铜导电层上，在IGBT芯片、续流二极管芯片背面以及导电铜柱上表面涂覆纳米银胶；
步骤4、将步骤2得到的结构贴装在步骤3得到的结构对应位置上，并粘合固定；
步骤5、将步骤4得到的结构放入烘箱，阶梯性升温固化；
步骤6、通过步骤2中预留的灌封通孔，向步骤5得到的结构中注入灌封胶，并加热固化；
步骤7、将步骤6得到的结构中氮化铝陶瓷底板的下表面铜互连层上涂覆焊膏，焊接散热器；
步骤8、对步骤7得到的结构，在氮化铝陶瓷底板和氮化铝陶瓷顶盖四周3D打印制作石墨烯基导热块。
具体的，步骤6所述灌封胶可以采用有机硅胶，也可以是石墨烯增强导热胶；步骤7所述散热器是采用铜制底板和铝制翅片冷锻而成。
具体的，步骤8所述石墨烯基导热块横向的厚度范围是5mm～10mm。
本发明具有如下优点：
1、本发明采用嵌入式封装结构，将功率单元嵌入在陶瓷基板中间，增加了模块内部功率芯片的热传导路径，提高模块的散热效率。
2、本发明在陶瓷基板外围3D打印制作石墨烯基导热块，在横向上实现模块的散热优化，进而提升模块的散热性能和可靠性。
3、本发明采用冷锻工艺制造铜底铝翅片散热器，与模块的底部铜层焊接相连，提高了模块纵向的散热能力。
附图说明
图1是本发明的封装结构剖面示意图。
图2是本发明实施例中IGBT芯片和续流二极管芯片的平面布局图。
图3是本发明实施例中石墨烯基导热块和陶瓷底板的平面布局图。
图4是本发明实施例中功率单元的散热路径示意图。
图5是本发明制造工艺步骤1得到的氮化铝陶瓷底板槽底的下铜导电层的布线示意图。
图6是本发明制造工艺步骤2得到的氮化铝陶瓷顶盖下表面的上铜导电层的布线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出了一种三相逆变功率模块的嵌入式封装结构，剖面结构示意图如图1所示，模块总体包括功率单元、辅助单元和散热单元。根据三相逆变功率电路的结构，所述功率单元包括六个IGBT芯片15和六个续流二极管芯片14；所述辅助单元包括中间开槽的氮化铝陶瓷底板22、制作有灌封通孔19和图形化铜填充互连通孔18的氮化铝陶瓷顶盖21、图形化制作的上铜导电层17和下铜导电层11、导电铜柱13、纳米银胶层以及灌封胶20；所述散热单元包括与氮化铝陶瓷底板22下表面铜互连层23通过焊膏层24相连接的铜底板铝翅片散热器，以及在氮化铝陶瓷底板22和陶瓷顶盖21外围制作的石墨烯基导热块27。
总体自上而下包括：氮化铝陶瓷顶盖21、上铜导电层17、第二纳米银胶层16、芯片层13～15、第一纳米银胶层12、下铜导电层11、氮化铝陶瓷底板22、铜互连层23、焊接层24、铜底铝翅片散热器25～26。所述芯片层包括多个IGBT芯片15、续流二极管芯片14和导电铜柱13。其中，由一个IGBT芯片15和一个续流二极管芯片14并联组成一个基本电路单元，相邻两组电路单元中IGBT芯片15和续流二极管芯片14交错排列，芯片平面布局如图2所示。电路的连接通过上铜导电层17和下铜导电层11中的布线以及导电铜柱13实现，在氮化铝陶瓷顶盖21上制作有与各芯片电极相连通的铜填充互连通孔18。
本实施例中六个IGBT芯片15和六个续流二极管芯片14的正面，通过第一纳米银胶层12贴装在下铜导电层11的上表面对应位置，由下铜导电层11的布线，从对应的导电铜柱13将芯片信号引出。六个IGBT芯片15、六个续流二极管芯片14的背面，以及导电铜柱13的上表面通过第二纳米银胶层16贴装在上铜导电层17的下表面对应位置，并由氮化铝陶瓷顶盖21上制作的铜填充互连通孔18将芯片信号引出。将灌封胶20从氮化铝陶瓷顶盖21上制作的灌封通孔注入，将所有芯片元件、上下铜导电层以及导电铜柱13进行封装。氮化铝陶瓷底板22的下表面制作有铜互连层23，通过焊膏层24连接到由铜制底板25和铝制翅片26冷锻制成的散热器上表面。
本发明针对三相逆变功率模块的热管理问题，在氮化铝陶瓷底板22和氮化铝陶瓷顶盖21的四周加装石墨烯基导热块27，平面示意图如图3所示，氮化铝陶瓷底板22中间凹槽由灌封胶20填充，功率单元嵌入凹槽中，工作时产生的热量除了向下通过氮化铝陶瓷底板22的下表面铜互连层23和焊膏层24，传至铜底铝制翅片散热器以外，可以通过上下铜导电层和灌封胶20传给氮化铝陶瓷底板22的凹槽内壁，进而通过外围的石墨烯基导热块27横向扩散再垂直传导，导热路径如图4所示，增大了功率单元的散热通道面积。
本发明还提出了上述三相逆变功率模块的增材制造工艺，具体步骤如下：
步骤1、编写分层打印程序，3D打印氮化铝陶瓷底板22，厚度约0.60～0.65mm，在中间预留容纳图2所示功率单元的面积，四周向上加厚至0.90～0.95mm，形成凹槽，槽深约为290μm～340μm，即图1所示从下铜导电层11到上层导电层17中间所有元件的厚度之和。在氮化铝陶瓷底板22下表面3D打印约18～20μm厚的铜互连层23，然后在形成的凹槽底部3D打印制作约18～20μm厚的下铜导电层11。
下铜导电层11的布线如图5所示，根据图2中的芯片布局，芯片排成四行三列，第一列自上而下为第一IGBT芯片15-1、第一续流二极管芯片14-1、第四IGBT芯片15-4、第四续流二极管芯片14-4，第二列自上而下为第二续流二极管芯片14-2、第二IGBT芯片15-2、第五续流二极管芯片14-5、第五IGBT芯片15-5，第三列自上而下为第三IGBT芯片15-3、第三续流二极管芯片14-3、第六IGBT芯片15-6、第六续流二极管芯片14-6。一个IGBT芯片15和一个续流二极管芯片14竖向构成一个基本单元，上两行芯片为三相逆变功率模块的上桥臂，下两行芯片为三相逆变功率模块的下桥臂，相邻两个单元中的IGBT芯片15和续流二极管芯片14交错排列，一共六个单元，所以布线共六个部分，分别为区域11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6。IGBT芯片15的正面有栅极和发射极，贴装在下铜导电层11上时需要由导电铜柱13将电极信号分别引出，因此区域11-1布线包括两部分：将导电铜柱13-11下表面和第一IGBT芯片15-1的栅极相连接的部分，以及将第一IGBT芯片15-1的发射极、第一续流二极管芯片14-1的阳极和导电铜柱13-12下表面相连接的部分。区域11-2、11-3、11-4、11-5、11-6的布线方式与区域11-1相似，都包括上述两部分，由于导电铜柱较多，无法一一命名，故以附图标记描述。区域11-2布线包括用于分别与导电铜柱13-21、13-22连接的部分，区域11-3布线包括用于分别与导电铜柱13-31、13-32连接的部分，区域11-4布线包括用于分别与导电铜柱13-41、13-42连接的部分，区域11-5布线包括用于分别与导电铜柱13-51、13-52连接的部分，区域11-6布线包括用于分别与导电铜柱13-61、13-62连接的部分。
步骤2、编写分层打印程序，3D打印氮化铝陶瓷顶盖21，厚度约0.60～0.65mm，并在对应位置上留有直径约2mm的灌封通孔19和直径约1mm的互连通孔18，随后在互连通孔18中3D打印填充铜。在氮化铝陶瓷顶盖21下表面3D打印制作约18～20μm厚的上铜导电层17。
步骤2结构自上而下看，上铜导电层17的布线如图6所示，共4个部分，分别为区域17-1、17-2、17-3、17-4。根据电路连接方式，三相逆变功率模块的上桥臂三组芯片(IGBT芯片15-1、15-2、15-3和续流二极管芯片14-1、14-2、14-3)在区域17-1，下桥臂每组IGBT芯片15和续流二极管芯片14分别在区域17-2、17-3、17-4。区域17-1的布线包括两部分：将IGBT芯片15-1、15-2、15-3的集电极分别和续流二极管芯片14-1、14-2、14-3的阴极相连接的部分，以及将导电铜柱13-11、13-12、13-21、13-22、13-31、13-32上表面与信号输出端对应的铜填充互连通孔18相连接的部分。区域17-2的布线也包括两部分：将IGBT芯片15-4的集电极和续流二极管芯片14-4的阴极相连接的部分，以及将导电铜柱13-41、13-42上表面与信号输出端对应的铜填充互连通孔18相连接的部分。区域17-3的布线包括：将IGBT芯片15-5的集电极和续流二极管芯片14-5的阴极相连接的部分，以及将导电铜柱13-51、13-52上表面与信号输出端对应的铜填充互连通孔18相连接的部分。区域17-4的布线包括：将IGBT芯片15-6的集电极和续流二极管芯片14-6的阴极相连接的部分，以及将导电铜柱13-61、13-62上表面与信号输出端对应的铜填充互连通孔18相连接的部分。
步骤3、在步骤1结构中的对应位置上涂覆第一纳米银胶层12，厚度约75～80μm，将IGBT芯片15、续流二极管芯片14正面朝下，与导电铜柱13一起贴装在下铜导电层11上，在IGBT芯片15、续流二极管芯片14背面以及导电铜柱13上表面涂覆第二纳米银胶层16，厚度约75～80μm。
步骤4、将步骤2得到的结构贴装在步骤3得到的结构对应位置上，并粘合固定。
步骤5、将步骤4得到的结构放入烘箱，采用5℃/min的升温速率加热至270℃，在270℃下保温20分钟，随后自然冷却到室温。
步骤6、通过步骤2中预留的灌封通孔19，向步骤5得到的结构中注入灌封胶。灌封胶可以是有机硅胶，也可以是石墨烯增强导热胶。将整个结构放在烘箱内以3℃/min的升温速度，从常温升至80℃，保温30分钟，再升温至120℃，保温1小时进行固化，固化条件可根据实际效果调整。
步骤7、将步骤6得到的结构中氮化铝陶瓷底板22的下表面铜互连层23上涂覆焊膏24，厚度约95～100μm，焊接在由铜制底板25和铝制翅片26冷锻制成的散热器上表面。
步骤8、编写打印程序，在步骤7得到的结构中氮化铝陶瓷底板22和氮化铝陶瓷顶盖21的四周，3D打印制作石墨烯基导热块27，其下表面与铝制翅片散热器的铜制底板25上表面相接触，竖向的厚度为自氮化铝陶瓷顶盖21上表面至铝翅片26散热器的铜制底板25上表面之间所有结构的厚度之和，横向剖面的厚度范围可以是5mm～10mm。
综上可以看出，本发明提出的三相逆变功率模块嵌入式封装结构，将功率单元嵌入在陶瓷基板中间，增加了模块内部功率芯片的热传导路径，提高模块的散热效率，进一步还在陶瓷基板外围通过制作石墨烯基导热块，增强模块在横向上的散热优化，进而提升模块的散热性能和可靠性。并且，采用冷锻工艺制造铜底铝翅片散热器，与模块的底部铜层焊接相连，提高了模块纵向的散热能力。
本发明所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
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