具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1和图2所示，本发明的一种集成散热器的功率模块简化封装结构，包括陶瓷散热器1，陶瓷散热器1上方直接铺设有根据需要设计的铜制导电层2，铜制导电层2下表面直接键合在陶瓷散热器1的上表面，铜制导电层2在预设处的上表面通过焊料层5焊接有碳化硅芯片4，所述铜制导电层2外侧设有将碳化硅芯片4盖住的外壳6，外壳6中嵌有外部接口7，外部接口7贯穿外壳6与内部，外壳6与陶瓷散热器1紧密结合，且外壳6与陶瓷散热器1形成的内部空间中填充环氧树脂，用于防止发生爬电击穿和辅助散热；所述陶瓷散热器1与铜制导电层2接触面绝缘不导电。所述功率器件芯片4，内部包括功率芯片裸片4-1、芯片漏极4-3、芯片栅极4-4和芯片源极4-5，外部包裹一层绝缘材料4-2，其中芯片漏极4-3与芯片栅极4-4分别设置在功率芯片裸片4-1上表面，芯片源极4-5设置在芯片源极4-5下表面，芯片漏极4-3、芯片栅极4-4和芯片源极4-5均经过镀银处理，并且负极通过焊料焊接在导电层上表面。功率芯片裸片4-1可以为碳化硅MOSFET，也可以为硅基IGBT，或其他硅基器件。外壳6为绝缘材质构成，上外部接口7将功率器件芯片4的芯片漏极4-3、芯片栅极4-4和芯片源极4-5极引出，所述外壳6直接密封粘合固定在陶瓷散热器1上。功率器件芯片4上直接键合有金属键合线3，金属键合线3用于引出功率器件芯片漏极4-3以及功率器件芯片栅极4-4，通过飞线连接至漏极导电层与栅极导电层。

所述的瓷材料散热器1为鳍状散热器、蜂窝状散热器、风冷齿型散热器、风孔型散热器，通常搭配强迫换流装置的结构，或者为包含水道的水冷散热器。所述的陶瓷散热器1的非与铜制导电层2接触面的其它散热部分内的陶瓷内根据需要添加有金属成分，或者直接使用金属与陶瓷片组合的结构构成散热器，其中保证与铜制导电层2接触面必须为陶瓷片制成的绝缘面板，其余散热部分使用金属制成。所述的陶瓷散热器1使用3D打印技术制造，制造过程中陶瓷散热器1具备有毛细结构，能够大幅度增加热传导面积，减少单位体积下的散热器重量。

一种集成散热器的功率模块简化封装结构的制作方法，其步骤如下：

a根据需要对功率器件芯片4的封装进行整体设计，前期设计方面主要有功率器件的外观大小，功率等级，电流电压等级、散热方式；

b根据前期设计方案，建立陶瓷散热器1模型，使用3D打印设备打印风冷或水冷陶瓷散热器1，或者采用铸造或者机加工形式制备陶瓷散热器1，并对制备完成的陶瓷散热器1表面进行热处理；

c根据选取的功率器件大小及电流等级，在陶瓷散热器1上对导电层绝缘沟道进行设计，将导电层分割成不同的电平区域；

d在高温下，将铜制导电层2键合在陶瓷散热器上表面，并采用化学清洗的方法，清除陶瓷散热器1及导电层2上的颗粒物质及离子杂质；

e使用超声波清除功率器件芯片4的上下表面的杂质，并对其进行镀银处理，使功率器件芯片4上下表面形成正、负电极；

f将功率器件芯片4负极焊接在导电层2提前规划出的负极区域，将功率器件芯片4正极与导电层2的正极利用键合线3合线引出；

g安装外壳6，利用环氧树脂进行将外壳6与陶瓷散热器1之间的空隙充满密封。

实施例：

本发明提供了一种提高散热能力，增加工作稳定性，能够充分发掘碳化硅器件性能的功率器件封装结构，其封装结构图形如图1、图2所示：本发明实施例中的碳化硅功率模块封装结构，包含有陶瓷材料散热器1、导电层2、金属键合线3、功率器件芯片4、焊料5、外壳6、外部接口7。其中，陶瓷材料散热器1上方铺设有铜制导电层2，功率器件芯片4通过焊料5焊接在铜制导电层上。外部接口7嵌入在外壳6之中，并贯穿外壳6与内部。外壳6与陶瓷散热器紧密结合，且外壳与散热器形成的内部空间中填充环氧树脂。

与现有商用碳化硅功率模块相比较，本发明实施例中碳化硅功率模块封装采用绝缘散热器以及简化层叠结构，减少了主要热传导路径上的热阻，使得碳化硅功率模块达到更好的散热效果；与此同时，采用本发明实施例中的碳化硅功率模块封装，能够使的碳化硅功率器件获得更加稳定的性能以及更高的工作温度；并且结合3D增材打印陶瓷散热器能够使得采用本发明实施例中的碳化硅功率模块的电力电子设备获得更好的散热效果，更高的功率密度，更长的使用寿命。

具体的，所述的陶瓷散热器1为陶瓷材质，其可以采用3D打印技术制造，直接通过陶瓷粉末粘结成型，高温固化后形成所需散热结构。并且，陶瓷散热器1不仅仅局限于采用3D打印技术所制作，铸造、机加工等其他形式所制造的适用于本封装结构的陶瓷散热器也受到本发明的保护。其散热器结构不固定，可以根据应用场景，应用需求进行调整。

具体的，在打印、铸造、机加工过程中，可在陶瓷材料中掺杂金属材料以提升散热器热导率。所述的陶瓷散热器1其本身应该具备绝缘特性。

具体的，所述的导电层2材料为铜，中间部分用于放置上下桥臂碳化硅芯片4。所述导电层2下表面在高温下通过技术手段直接键合在陶瓷散热器1的上表面。导电层2的绝缘沟道的排布都经过特殊的设计，将导电层2分割为不同的属性漏极导电层、源极导电层、栅极导电层，配合碳化硅芯片4放置位置能够起到优化内部寄生参数，提高器件运行特性的效果。

具体的，所述的功率器件芯片4结构如图3所示，内部包含有功率器件裸片4-1，并且其裸片上表面还有处理过后的芯片漏极4-3与芯片栅极4-4，下表面芯片源极4-5。其中栅、漏、源极都经过镀银处理，并且负极通过焊料焊接在导电层上表面。所述的功率器件芯片外部还有绝缘材料4-2。所述的功率芯片裸片4-1可以为碳化硅MOSFET，也可以为硅基IGBT，或其他材料器件等。

具体的，所述的金属键合线3材料可以为铝或者是铜，金属键合线直接键合在功率器件芯片正极上，用于引出功率器件芯片漏极4-3以及功率器件芯片栅极4-4，连接至导电层漏极导电层与栅极导电层。

具体的，所述的焊料5通常为锡片或者锡膏。用于连接固定导电层与功率器件芯片。同样能够采用烧结银技术直接将功率器件芯片烧结在导电层。

具体的，所述的外壳6为绝缘材质，上面嵌有外部接口7，外部接口将功率模块的栅、源、漏极引出。外壳直接密封粘合固定在陶瓷散热器上，内部充有环氧树脂，用于防止发生爬电击穿和辅助散热。

本发明实施例中，除去整体结构所带来的热稳定提升，以及使用寿命的提升1-2倍，陶瓷散热器1作为一个重要部件，其外部结构设计会对采用本发明的碳化硅功率模块的散热效果、重量等产生巨大的影响。并且根据成本预算，可以采用不同加工技术对陶瓷散热器进行生产。使用机加工等机械加工手段生产的陶瓷散热器成本相较于3D打印技术生产的陶瓷散热器成本能够减少90％以上，但3D打印增材技术所带来的热交换面积的增加、整体重量的减少，也是机加工陶瓷散热器所不能比拟的。

图4-7中分别为陶瓷散热器1三种不同的实施例。其中图4所示的陶瓷散热器实施例1中的齿式散热器，以及图5所示的陶瓷散热器实施例2中的风孔散热器，能够使用机加工手段或者3D增材技术进行加工。图6-7所示的陶瓷散热器实施例3中的水冷式散热器，由于陶瓷材料的特殊性，仅仅只能使用3D增材技术进行加工，并且其具有的毛细结构8，能够大大增加水道内部的热交换面积，增强散热能力。

本功率模块封装结构中，功率器件芯片直接通过导电层键合在陶瓷散热器上，这种结构方式能在减小结构层数的同时，大幅度减小散热主回路上热阻。例如采用本发明中的封装结构能够直接减少传统封装散热主回路上的DBC铜制底面(热导率为397W/m·K)、焊料层(66W/m·K)、金属底板以及热导率最低的导热硅脂层(2.0W/m·K)，能够使得本发明中的封装结构充分发挥功率器件特性(更高的开关频率，更快的开关速度，更高的的工作结温)，并且这种封装结构能够使得模块对热机械疲劳的抵抗力增强，减少由于热疲劳导致的键合面破裂问题。例如，本发明中功率模块的允许工作温度提高20-30℃，使用寿命增加1-2倍。

本发明中功率模块封装结构中其外壳以及散热器形状能够根据实际设备进行定制，采用3D打印技术对散热器进行定制化生产，能够有效降低机加工、钎焊等对散热能力的损耗，虽然散热器必须具备绝缘特性，但是能够进行3D打印的掺杂金属离子的陶瓷材料能够媲美金属散热器的热导率。例如氮化铝(AIN)陶瓷材质热导率能够达到320W/m·K，远大于铝制散热器热导率，同等条件下为铝制散热器的散热传导效率1.5倍左右。并且采用3D打印增材技术生成的散热器部件，其内部结构可以设计的更加复杂，能够形成传统机加工不能实现的曲率形状，例如水道的毛细设计，以及风道的多孔镂空设计。并且通过这种结构设计，能够在不增加体积的情况下，能够大幅度的增加热交换面积，减小散热系统重量，提升设备散热能力，例如，散热器热交换面积增加50％以上，散热系统重量减小30％以上，散热能力提升40％以上。本发明中的封装结构适用于现阶段电力电子设备，同等条件下能够大幅度提升设备散热能力，减轻设备重量。能够解决特殊电力电子设备对高功率密度设计的要求。