一种免焊模块封装结构及其双面散热模块封装结构的制作方法

1.本发明涉及电力电子芯片封装技术领域，特别是涉及一种免焊模块封装结构及其双面散热模块封装结构。


背景技术：

2.功率器件随着宽禁带半导体越来越广泛的使用，功率模块封装面临着散热、电感、可靠性等一系列的问题，传统的功率模块的封装主要是通过焊料将由功率芯片和二极管芯片并联成的集成芯片焊接在覆铜陶瓷板(direct bonded copper，dbc)上，然后利用引线键合的方式实现芯片与芯片之间以及芯片与覆铜陶瓷板之间的电气互连。在覆铜陶瓷板的另一侧的铜层通过焊料焊接上铜基板，铜基板再通过导热硅脂和散热器连接，实现功率模块散热。如专利号为“202210248897.4”，专利名称为“一种自动温度控制的igbt模块封装结构”所公开的发明专利即采用了焊接工艺。对于功率模块来说，失效通常发生在芯片与覆铜陶瓷板、覆铜陶瓷板与散热铜基板之间的互连区，因为传统功率模块互连区材料是焊料，而焊料与覆铜陶瓷板、芯片、散热铜基板的热膨胀系数不匹配，在服役过程中，散热较差，容易失效。而且由于铜基板和散热器之间引入了导热界面材料(导热硅脂)，其占据整个散热回路热阻的30～40％，使得功率模块的散热效率大大降低。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种免焊模块封装结构及其双面散热模块封装结构，散热器、覆铜陶瓷板以及集成芯片之间通过纳米金属柱矩阵相互交叉摩擦互联，免焊接，无焊料层，无导热界面材料，因此具有高可靠性和低热阻性。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明公开了一种免焊模块封装结构，包括散热器、覆铜陶瓷板以及集成芯片；
5.所述散热器上设有第一纳米金属柱矩阵；
6.所述覆铜陶瓷板包括陶瓷基板，所述陶瓷基板的两侧分别设有导热铜层和电连铜层，所述导热铜层上设有第二纳米金属柱矩阵，所述第二纳米金属柱矩阵与所述第一纳米金属柱矩阵交叉互连，所述电连铜层上设有功率端子、信号端子以及第三纳米金属柱矩阵；
7.所述集成芯片包括p极硅衬底，所述p极硅衬底的两侧分别设有第四纳米金属柱矩阵和n极芯片单元，所述第四纳米金属柱矩阵和所述第三纳米金属柱矩阵交叉互连。
8.优选地，所述n极芯片单元包括frd芯片和igbt芯片。
9.优选地，所述功率端子和所述信号端子通过超声波焊接工艺焊接在所述电连铜层上。
10.优选地，所述电连铜层上根据电路设计刻蚀有相应的电路图案。
11.还公开了一种双面散热模块封装结构，包括金属缓冲块，所述金属缓冲块的两侧均设有免焊模块封装结构，所述n极芯片单元上设有第五纳米金属柱矩阵，所述金属缓冲块的两侧均设有用于与所述第五纳米金属柱矩阵交叉互连的第六纳米金属柱矩阵。
12.优选地，所述金属缓冲块采用铜、钼或铜钼合金制作而成。
13.优选地，包括支撑垫块，所述支撑垫块的两侧均设有用于与所述第三纳米金属柱矩阵交叉互连的第七纳米金属柱矩阵。
14.优选地，所述第一纳米金属柱矩阵、所述第二纳米金属柱矩阵、所述第三纳米金属柱矩阵、所述第四纳米金属柱矩阵、第五纳米金属柱矩阵、所述第六纳米金属柱矩阵以及所述第七纳米金属柱的金属柱为楔形、圆柱形或者圆台形。
15.优选地，所述第一纳米金属柱矩阵、所述第二纳米金属柱矩阵、所述第三纳米金属柱矩阵、所述第四纳米金属柱矩阵、第五纳米金属柱矩阵、所述第六纳米金属柱矩阵以及所述第七纳米金属柱的金属柱为铜柱。
16.优选地，通过cvd方法在物体表面沉积一层铜晶种层，在铜晶种层上涂敷光刻胶，利用紫外线照射把图形化转移到光刻胶涂层上，然后在显影溶液中，把未曝光的部分涂抹上光刻胶溶剂，进行刻蚀，去除光刻胶后，物体表面形成纳米铜柱矩阵。
17.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
18.1.本发明的免焊模块封装结构中，散热器、覆铜陶瓷板以及集成芯片之间通过纳米金属柱矩阵互连，免焊接，无焊料层，连接可靠，且覆铜陶瓷板的导热铜层和散热器之间无导热界面材料，热阻大幅降低，散热效率大大提高。
19.2.本发明的双面散热模块封装结构中，金属缓冲块的两侧均连接有免焊模块封装结构，继而实现了芯片对芯片的双面散热结构，该结构能最大限度的降低双向开关的电流传输路径，降低寄生参数，有利于双向开关功率模块的高频应用，同时由于芯片在厚度方向上的尺寸远小于其余两个方向，因此芯片对芯片的双面散热结构还能最大程度的降低双面散热双向开关功率模块的体积，增加功率模块的功率密度，而且双面散热模块封装结构中互连区采用纳米金属柱矩阵结构实现了互连，避免了焊料的使用，增强了可靠性，降低了热阻。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为双面散热模块封装结构的正视结构示意图；
22.图2为图1的局部放大图；
23.图3为双面散热模块封装结构(无散热器)的立体结构示意图；
24.图4为双面散热模块封装结构(无散热器)的爆炸图；
25.图5为散热器的立体结构示意图；
26.图6为第一种纳米金属柱矩阵的结构示意图；
27.图7为第二种纳米金属柱矩阵的结构示意图。
28.附图标记说明：1、散热器；2、导热铜层；3、陶瓷基板；4、电连铜层；5、p极硅衬底；6、frd芯片；7、igbt芯片；8、金属缓冲块；9、功率端子；10、信号端子；11、支撑垫块；12、第一纳米金属柱矩阵；13、第二纳米金属柱矩阵；14、第三纳米金属柱矩阵；15、第四纳米金属柱矩
阵；16、第五纳米金属柱矩阵；17、第六纳米金属柱矩阵；18、第七纳米金属柱矩阵；19、金属柱。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1
31.本实施例提供了一种免焊模块封装结构，如图1至图7所示，包括散热器1、覆铜陶瓷板以及集成芯片。其中：
32.散热器1上设有第一纳米金属柱矩阵12；
33.覆铜陶瓷板包括陶瓷基板3，陶瓷基板3主要起绝缘作用。陶瓷基板3的一侧设有导热铜层2，陶瓷基板3的另一侧设有电连铜层4。导热铜层2上设有第二纳米金属柱矩阵13，第二纳米金属柱矩阵13与第一纳米金属柱矩阵12接触后，第二纳米金属柱矩阵13与第一纳米金属柱矩阵12上的金属柱19便会相互交叉，依靠金属柱19和金属柱19之间的摩擦力实现互连，继而实现了散热器1和导热铜层2的固定连接。电连铜层4上设有功率端子9、信号端子10以及第三纳米金属柱矩阵14。
34.集成芯片包括p极硅衬底5，p极硅衬底5的一侧设有第四纳米金属柱矩阵15，p极硅衬底5的另一侧设有n极芯片单元。第四纳米金属柱矩阵15和第三纳米金属柱矩阵14接触交叉互连后，便实现了p极硅衬底5和电连铜层4的互连，并同时实现了电气连接。集成芯片数量根据需要进行设置。
35.本免焊模块封装结构，散热器1、覆铜陶瓷板以及集成芯片之间全部通过纳米金属柱矩阵互连，免焊接，无焊料层，连接可靠，且覆铜陶瓷板的导热铜层2和散热器1之间无导热界面材料，热阻大幅降低，散热效率大大提高。
36.具体的，纳米金属柱矩阵形成过程如下，以第四纳米金属柱矩阵15为例：
37.首先，在p极硅衬底5背向n极芯片单元的一面上通过cvd方法沉积一层金属晶种层(优选铜晶种层)，在金属晶种层上涂敷光刻胶，在金属晶种层上涂敷光刻胶，然后利用紫外线照射把图形化转移到光刻胶涂层上，然后在显影溶液中，把未曝光的部分涂抹上光刻胶溶剂，进行刻蚀之后，去除光刻胶，就在p极硅衬底5的表面形成了金属柱19(铜柱)样式的纳米结构。其他结构上的纳米金属柱矩阵，参考上述方法制作即可。金属柱19的形状，根据需要设计成不同的形状，如楔形结构(参考图6)、圆柱形(参考图7)或圆台形(未画出)等等。
38.本实施例中，如图1至图7所示，n极芯片单元包括frd芯片6和igbt芯片7。根据芯片布局，通过掺杂工艺在p极硅衬底5背向第四纳米金属柱矩阵15的一面上，形成frd芯片6和igbt芯片7。frd芯片6和igbt芯片7数量和大小，根据实际需求进行设计。
39.进一步，本实施例中，如图1至图7所示，功率端子9和信号端子10通过超声波焊接工艺焊接在电连铜层4上。作为优选地，功率端子9和信号端子10分设在电连铜层4的两端。
40.进一步，本实施例中，如图1至图7所示，电连铜层4上根据电路设计刻蚀有相应的电路图案。
41.实施例2
42.本实施例提供了一种双面散热模块封装结构，如图1至图7所示，包括金属缓冲块8，金属缓冲块8的两侧分别设有第六纳米金属柱矩阵17。金属缓冲块8的两侧分别设有如实施例1中的免焊模块封装结构，集成芯片上的n极芯片单元上设有第五纳米金属柱矩阵16，第五纳米金属柱矩阵16和第六纳米金属柱矩阵17交叉互连，继而实现免焊模块封装结构和金属缓冲块8的互连。金属缓冲块8的数量根据需要进行设置，金属缓冲块8主要起到支撑、连接和消除热应力的作用。免焊模块封装结构的数量也根据实际进行设置。
43.金属缓冲块8的两侧均连接有免焊模块封装结构，实现了芯片对芯片的双面散热结构，该结构能最大限度的降低双向开关的电流传输路径，降低寄生参数，有利于双向开关功率模块的高频应用。同时由于芯片在厚度方向上的尺寸远小于其余两个方向，因此芯片对芯片的双面散热结构还能最大程度的降低双面散热双向开关功率模块的体积，增加功率模块的功率密度。而且双面散热模块封装结构中互连区采用纳米金属柱矩阵结构实现了互连，避免了焊料的使用，增强了可靠性，降低了热阻。
44.参考图1至图4所示，为设有两个金属缓冲块8、两个免焊模块封装结构的双面散热模块封装结构，即具有两个散热器1、两个集成芯片、两个覆铜陶瓷板。由上至下顺序来看的话，依次为散热器1、第一纳米金属柱矩阵12、第二纳米金属柱矩阵13、导热铜层2、陶瓷基板3、电连铜层4、第三纳米金属柱矩阵14、第四纳米金属柱矩阵15、p极硅衬底5、n极芯片单元、第五纳米金属柱矩阵16、第六纳米金属柱矩阵17、金属缓冲块8、第六纳米金属柱矩阵17、第五纳米金属柱矩阵16、n极芯片单元、p极硅衬底5、第四纳米金属柱矩阵15、第三纳米金属柱矩阵14、电连铜层4、陶瓷基板3、导热铜层、第二纳米金属柱矩阵13、第一纳米金属柱矩阵12、散热器1。作为优选地，一个免焊模块封装结构上设置有两个信号端子10、一个功率端子9，另一个免焊模块封装结构上设置有一个信号端子10、一个功率端子9，当然上述并不代表两个免焊模块封装结构只能采用该数量的信号端子10和功率端子9，也不代表两个免焊模块封装结构的信号端子10和功率端子9数量不能相同。进一步，作为优选地，上述所有纳米金属柱矩阵，均采用纳米铜柱矩阵，实验表明如此设置的双面散热模块封装结构，能够有效降低近25%的热阻。
45.进一步，本实施例中，如图1至图7所示，金属缓冲块8采用铜、钼或铜钼合金制作而成，可有效消除热应力。
46.进一步，本实施例中，如图1至图7所示，包括支撑垫块11，支撑垫块11的两侧均设有第七纳米金属柱矩阵18，第七纳米金属柱矩阵18与电连铜层4上的第三纳米金属柱矩阵14交叉互连。与第七纳米金属柱矩阵18互联的第三纳米金属柱矩阵14和用来与第四纳米金属柱矩阵15互联的第三纳米金属柱矩阵14分设在电连铜层4上不同的区域。支撑垫块11设置，是为了保证两个免焊模块封装结构连接稳定性，分担金属缓冲块8的支撑力，避免应力集中在金属缓冲块8处造成芯片的损坏。支撑垫块11同样可采用金属材质，如铜、钼或铜钼合金制作而成。
47.进一步，本实施例中，如图1至图7所示，第一纳米金属柱矩阵12、第二纳米金属柱矩阵13、第三纳米金属柱矩阵14、第四纳米金属柱矩阵15、第五纳米金属柱矩阵16、第六纳米金属柱矩阵17以及第七纳米金属柱矩阵18的金属柱19为楔形、圆柱形或者圆台形。
48.进一步，本实施例中，如图1至图7所示，第一纳米金属柱矩阵12、第二纳米金属柱
矩阵13、第三纳米金属柱矩阵14、第四纳米金属柱矩阵15、第五纳米金属柱矩阵16、第六纳米金属柱矩阵17以及第七纳米金属柱矩阵18的金属柱19为铜柱。
49.进一步，本实施例中，如图1至图7所示，上述纳米铜柱矩阵的制作方法如下：通过cvd方法在物体表面沉积一层铜晶种层，在铜晶种层上涂敷光刻胶，利用紫外线照射把图形化转移到光刻胶涂层上，然后在显影溶液中，把未曝光的部分涂抹上光刻胶溶剂，进行刻蚀，去除光刻胶后，物体表面形成纳米铜柱矩阵。
50.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种免焊模块封装结构，其特征在于，包括散热器、覆铜陶瓷板以及集成芯片；所述散热器上设有第一纳米金属柱矩阵；所述覆铜陶瓷板包括陶瓷基板，所述陶瓷基板的两侧分别设有导热铜层和电连铜层，所述导热铜层上设有第二纳米金属柱矩阵，所述第二纳米金属柱矩阵与所述第一纳米金属柱矩阵交叉互连，所述电连铜层上设有功率端子、信号端子以及第三纳米金属柱矩阵；所述集成芯片包括p极硅衬底，所述p极硅衬底的两侧分别设有第四纳米金属柱矩阵和n极芯片单元，所述第四纳米金属柱矩阵和所述第三纳米金属柱矩阵交叉互连。2.根据权利要求1所述的一种免焊模块封装结构，其特征在于，所述n极芯片单元包括frd芯片和igbt芯片。3.根据权利要求2所述的一种免焊模块封装结构，其特征在于，所述功率端子和所述信号端子通过超声波焊接工艺焊接在所述电连铜层上。4.根据权利要求1所述的一种免焊模块封装结构，其特征在于，所述电连铜层上根据电路设计刻蚀有相应的电路图案。5.一种双面散热模块封装结构，其特征在于，包括金属缓冲块，所述金属缓冲块的两侧均设有如权利要求1至4任意一项所述的免焊模块封装结构，所述n极芯片单元上设有第五纳米金属柱矩阵，所述金属缓冲块的两侧均设有用于与所述第五纳米金属柱矩阵交叉互连的第六纳米金属柱矩阵。6.根据权利要求5所述的一种双面散热模块封装结构，其特征在于，所述金属缓冲块采用铜、钼或铜钼合金制作而成。7.根据权利要求6所述的一种双面散热模块封装结构，其特征在于，包括支撑垫块，所述支撑垫块的两侧均设有用于与所述第三纳米金属柱矩阵交叉互连的第七纳米金属柱矩阵。8.根据权利要求7所述的一种双面散热模块封装结构，其特征在于，所述第一纳米金属柱矩阵、所述第二纳米金属柱矩阵、所述第三纳米金属柱矩阵、所述第四纳米金属柱矩阵、第五纳米金属柱矩阵、所述第六纳米金属柱矩阵以及所述第七纳米金属柱的金属柱为楔形、圆柱形或者圆台形。9.根据权利要求8所述的一种双面散热模块封装结构，其特征在于，所述第一纳米金属柱矩阵、所述第二纳米金属柱矩阵、所述第三纳米金属柱矩阵、所述第四纳米金属柱矩阵、第五纳米金属柱矩阵、所述第六纳米金属柱矩阵以及所述第七纳米金属柱的金属柱为铜柱。10.根据权利要求9所述的一种双面散热模块封装结构，其特征在于，通过cvd方法在物体表面沉积一层铜晶种层，在铜晶种层上涂敷光刻胶，利用紫外线照射把图形化转移到光刻胶涂层上，然后在显影溶液中，把未曝光的部分涂抹上光刻胶溶剂，进行刻蚀，去除光刻胶后，物体表面形成纳米铜柱矩阵。

技术总结
本发明公开了一种免焊模块封装结构及其双面散热模块封装结构，属于电力电子芯片封装技术领域，包括散热器、覆铜陶瓷板和集成芯片；散热器上设有第一纳米金属柱矩阵；覆铜陶瓷板的导热铜层上设有与第一纳米金属柱矩阵交叉互连的第二纳米金属柱矩阵，覆铜陶瓷板的电连铜层上设有功率端子、信号端子和第三纳米金属柱矩阵；集成芯片包括P极硅衬底，P极硅衬底的两侧分别设有N极芯片单元和与第三纳米金属柱矩阵交叉互连的第四纳米金属柱矩阵。包括金属缓冲块和两侧的免焊模块封装结构，N极芯片单元上设有第五纳米金属柱矩阵，金属缓冲块的两侧设有与第五纳米金属柱矩阵交叉互连的第六纳米金属柱矩阵。免焊接，无导热材料，具有高可靠性和低热阻性。靠性和低热阻性。靠性和低热阻性。


技术研发人员：周洋 袁雄
受保护的技术使用者：合肥阿基米德电子科技有限公司
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/9/9