专利名称：一种薄型功率模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率模块器件，更具体地说涉及一种具有工业标准安装 和总线连接功能的薄型功率模块。
背景技术：
功率IGBT (绝缘4册极双极晶体管)和MOSFET (金属氧化物半导体场 效应晶体管)模块被广泛用于各种电机控制变频器中，对于节能、系统性 能和可靠性，这些模块是关键电子元件。这些功率元器件还用于开关电源、 UPS、医疗系统、新能源发电系统(太阳能、风能、燃料电池等)、运输系 统(高速列车、地铁)、商用飞机和国防系统。功率IGBT和MOSFET模块正 向高功率密度、高可靠性和低成本方向发展。
功率模块一般根据模块宽度命名，例如"34mm"IGBT模块，底座宽度为 34mm，安装孔距为80mm。根据设计，此型功率才莫块可以提供50A到200A 的电流，所带电配置有单IGBT或MOSFET, 半桥IGBT或MOSFET，以 及IGBT带上臂或下臂快速恢复二极管(斩波器)。基于其功率输出能力，此 模块非常适用于中等功率输出系统(百千瓦级)，并且在很多逆变系统中有 着广泛的应用。所以，此模块已成为一种工业标准模块，多个功率模块公司 正在生产和销售。
现有的功率模块200在典型情况下，包括塑料外壳20和底板40，其结 构如图l和图2所示。铜质底板40厚约3mm，剖面结构见图4,底板40从 上至下依次设DBC(直接铜键合)层30和铜基底层27， DBC层30通过焊接 层26焊接在铜基底层27上，DBC(直接铜键合)层30包括陶瓷衬底24和其 上下两侧的薄铜层23、 24。在DBC层30上分布有芯片层21，芯片层21通过焊接层22焊接在DBC层30上。如图3所示，DBC层30上还焊接有电 源端子29，铜基底层27的两端部分别设有一个安装孔28。如图l所示，塑 料外壳的顶部设有与电源端子29相对应的电源端子孔，每个电源端子孔下 有一个M5螺母32,焊到底板的DBC层上的电源端子29穿过电源端子孔， M5螺母32连同垫圈用来可靠连接汇流条和母线，M5螺母的毂也是整件 塑料外壳的一部分，塑料外壳还设有铜信号端子。塑料外壳与底板粘接，模 块总高(从电源端子顶面到底板底面)是大约30mm。综上所述，该型模块 具有以下特点
1. 采用高导热的铜底板，使模块具有较低的热阻。
2. 底板自带双安装孔，使模块易于安装到散热器上。
3. 电源端子采用螺丝/螺母压接，使模块能输出较大的电流，同时避 免了钎焊可能带来的疲劳开裂。
在某些新应用中，如复合动力和电力驱动车辆，对于功率和温度循环和 规格的环境要求很高，现有功率模块采用焊接层(图中焊接层b)连接DBC层 和底板，焊接点容易出现焊接疲劳，使温度循环和功率循环容量大大降低。 由于DBC和底板间焊接连接面积大，且铜底板和DBC层的热膨胀系数 (CTE)相差大，温度变化时，此焊接连接承受很大应力，焊接疲劳引起焊 接开裂，导致功率模块热电阻不断增大，由热失控引起模块过早失效。另一 方面，此型模块的电源端子是直接焊接到DBC基板上。由于铜端子与DBC 基板之间CTE的差异，在模块的使用过程中，温度的变化将引发这些焊接 点产生较大的热应力，从而导致焊点的热疲劳开裂，进而使模块过早失效。 虽然针对铜端子底部可进行减緩应力设计(S型底部)，但其作用有限，而 且不利降低模块的杂散电感。所以为了栗好地适应市场的需要，现有的此型 功率模块可靠性有待于进一步提高
发明内容
本发明的目的克服现有技术的缺陷，提供一种成本低且可靠性高，电流
输出超过200A的功率模块。
实现本发明目的的技术方案是 一种薄型大电流功率模块，包括顶盖和 底座，所述底座包括底板和在底板周边模壳；底板的底层为陶资衬底，陶资 衬底的上面(面向模块内部)设有薄金属层，薄金属层和陶资衬底直接结合 形成DBC衬底(金属衬底)，在DBC衬底上分布有芯片，芯片焊接在DBC 衬底上；所述模壳的前后两侧面向上延伸，左右两侧分别在向外和向上两个 方向上延伸；DBC衬底布有芯片一侧与模壳密封粘结；模壳的左右两端分 别设有安装孔，安装孔的金属环与模块壳体一体成型，在模块安装时可限制 模块在散热器表面垂直方向的位移，可以有效防止安装时过度的扭矩对陶资 衬底的损害。所述才莫壳体上还设有电源端子插槽，电源端子插入电源端子插 槽，并与壳体一体注塑成型。电源端子底部为键合所需的金属平面，并通过 键合丝与芯片及陶瓷衬底上的金属层实现电路连接；键合丝通常为高纯度铝 线，并可按模块输出电流的大小来设计键合丝的数量；由于键合丝的高度延 展性，基本上可以消除上述电源端子与DBC基板之间的热应力，从而使模 块电源端子在温度循环条件下的可靠性得到显著提高；所述顶盖上与所述电 源端子插槽相对应的位置上设有带螺母的插口；所述顶盖与底座固定连接。
所述电源端子插槽和电源端子一般为3个，设在模壳同一侧边或三个侧 边，相互之间安装距离相等，可直接替换现有功率模块。
所述DBC村底背面用于安装和散热，也可设有薄金属层。所述薄金属 层一般采用薄铜层。为确保DBC衬底背面的散热效果，DBC基板安装后其 衬底背面会比壳体安装孔地面高出一定距离。这个距离通常控制在0.05mm 至0.2mm之间。
作为本发明的进一步改进，在所述^t壳的底部两端的安装孔之间设有 应力孔或应力槽，具有降低峰值应力的功能，可保证在功率模块在受热和发生机械撞击时，壳体产生一定的形变，限制DBC基板所遭受的峰值应力， 保护DBC衬底完好。
本发明取消了现有功率模块中的铜底板和将底板连接到DBC衬底上的 焊接层，这消除了焊接疲劳，并大大提高了对于温度循环的可靠性。由于取 消了铜底板，并设计了新壳体，使功率模块的高度减小，成为薄型功率模块。
图1是本发明背景技术的结构示意图
图2是本发明背景技术中底板结构示意图
图3是本发明背景技术中底板剖面结构示意图
图4是本发明背景技术中塑料外壳结构示意图
图5是本发明实施例的薄型功率模块结构示意图
图6是本发明实施例的薄型功率模块外形结构示意图
图7是本发明实施例中底座背面结构示意图
图8是本发明实施例中底板剖面结构示意图
图9是本发明另一种实施例中底板剖面结构示意图
具体实施例方式
下面结合实施例做进一步说明。
如图5所示， 一种薄型功率模块100，包括顶盖2和底座1,底座1包 括底板3和在底板周边模壳9，模壳9与底板3粘接，在DBC衬底3上分 布有芯片4，芯片4焊接在DBC村底15上。模壳4的前后两侧面向上延伸， 在前侧边设有3个电源端子插槽5，相邻两个电源端子插槽5等距离设置， 电源端子插槽5内分别设有电源端子6，电源端子6与DBC衬底15通过键 合丝在键合表面7形成电路连接。顶盖2上与所述电源端子插槽相对应的位 置上设有带螺母插口 8。
模壳4左右两侧分别在向外和向上两个方向上延伸，模壳4的左右两端 分别设有安装孔10，在其中一端还设有信号端子11。信号端子11与模壳4一体注塑成型，并与DBC衬底15通过键合丝连接。
顶盖2用锁定螺丝与底座1固定连接，安装完成后的薄型功率模块100 外形结构如图6所示，最佳的长、宽、高尺寸为94mmx34mmxl7mm,其 高度比现有电源模块的30mm减小40%，所以在相同电流额定值下，本发明 的功率密度更高。
如图7所示，在模壳9的左右两端还分别设有应力孔12， 一端做成梯 形状，以降低DBC衬底15的受力。
如图8所示，底板3的底层为陶瓷衬底13，陶瓷衬底13的材料是A1203， AlN或SbN4，陶瓷衬底13的上面设有薄铜层14，薄铜层14和陶资衬底13 直接结合形成DBC衬底(铜衬底)15, DBC衬底15背面用于安装和散热。
芯片4通过焊接层16与薄铜层14连接。即设有芯片4部位的底板从上 至下依次设有芯片4、焊接层16、薄铜层14和陶瓷村底13。
如图9所示，图9是底板3的另一种实施例，陶瓷衬底13背面还设有 薄铜层17，陶瓷衬底13和其上下的薄铜层14及其下的薄铜层17直接结合 形成DBC衬底(铜衬底)15。即设有芯片4部位的底板从上至下依次设有 芯片4、焊接层16、薄铜层14、陶瓷衬底13和薄铜层17。
权利要求
1、一种薄型功率模块，包括顶盖和底座，其特征在于，所述底座包括底板和在底板周边模壳，模壳与底板粘接，底板的底层为陶瓷衬底，陶瓷衬底的上面设有薄金属层，薄金属层和陶瓷衬底直接结合形成DBC衬底，在DBC衬底上分布有芯片，芯片焊接在DBC衬底上；所述模壳的前后两侧面向上延伸，左右两侧分别在向外和向上两个方向上延伸，模壳的的左右两端分别设有安装孔，安装孔的金属环与模块壳体一体成型，所述模壳上还设有电源端子插槽，电源端子插入电源端子插槽，并与壳体一体注塑成型；所述顶盖上与所述电源端子插槽相对应的位置上设有带螺母的插口；所述顶盖与底座固定连接。
2. 根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，所述电源端子插槽为 3个，设在模壳一侧边，相互之间安装距离相等。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，在所述模壳的两端设 有应力孔或应力槽。
4. 根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，所述DBC衬底背面设 有薄金属层。
5. 根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，所述薄金属层为薄铜层。
6. 根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，在所述模壳的的左右 端中的一端设有信号端子。
7. 根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，所述电源的一端部呈 梯形。
8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征是，所述电源的长、宽、 高尺寸为94mmx34mmx 17mm。
全文摘要
一种薄型功率模块，包括顶盖和底座，所述底座包括底板和在底板周边模壳，模壳与底板粘接，底板的底层为陶瓷衬底，陶瓷衬底的上面设有薄金属层，薄金属层和陶瓷衬底直接结合形成DBC衬底，在DBC衬底上分布有芯片，芯片焊接在DBC衬底上；所述模壳的前后两侧面向上延伸，左右两侧分别在向外和向上两个方向上延伸，模壳的的左右两端分别设有安装孔，安装孔的金属环与模块壳体一体成型，所述模壳上还设有电源端子插槽，电源端子插入电源端子插槽，并与壳体一体注塑成型；所述顶盖上与所述电源端子插槽相对应的位置上设有带螺母的插口；所述顶盖与底座固定连接。本发明消除了焊接疲劳，并大大提高了对于温度循环的可靠性。
文档编号H01L23/04GK101304010SQ20081012291
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者庄伟东 申请人:南京银茂微电子制造有限公司