专利名称：基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，属于半导体技术领域。
背景技术：
半导体功率模块主要包括底板、覆金属陶瓷基板、半导体芯片、电极端子和壳体。通常功率模块里有数个功率半导体芯片，如MOSFET或IGBT芯片以及二极管芯片被集成并被焊接于或被粘贴于覆金属陶瓷基板的金属层上，同时电极端子也焊接在覆金属陶瓷基板的金属层上并穿出壳体与外部设备连接，实现功率模块的输入和输出，覆金属陶瓷基板再焊接在铜底板上。在半导体功率模块在工作过程中，半导体芯片所产生的热量能通过铜底板迅速吸收。由于铜底板与铝材相比比热小，热逃逸速度较慢，不能及时将模块内的热量散出，故需将功率模块底部安装在散热器上进行散热。覆金属陶瓷基板是将金属箔在高温下直接键合到氧化铝(AL2Q3)陶瓷基片或氮化铝(ALN)陶瓷基片双面上的特殊工艺板，使覆金属陶瓷基板在保证良好导热性能的同时还提供了相对于功率模块底板的电气绝缘，由于功率电子器件需要在-40°C至125°C的温度循环环境下进行工作，因此目前的功率模块的热量是依靠与其连接的铜底板以及固定在铜底板下部的散热器进行散热。这种散热结构存在以下问题1、由于功率模块安装在散热器上，因此需要有导热硅脂填充铜底板与散热器之间的空隙，增加了热阻，尤其芯片与散热器的距离相对较远，因此降低了散热效果。2、覆金属陶瓷基板上面分别焊接芯片等器件，而其底部与铜底板焊接，多次焊接后，覆金属陶瓷基板往往会出现内凹的现象，而不能与铜底板形成良好、紧密的接触，故会影响功率模块在工作中的散热效果，如果热量长时间积累在功率模块中不能及时散掉，会大大影响功率模块的质量，甚至损坏功率模块中的芯片，导致功率模块损坏。3、当散热器连接在铜底板的底部，而散热器的高度较高，因此会增加功率器件的安装高度，使其体积较大，对于一些狭小的安装空间，则不能适用。
发明内容本实用新型的目的是提供一种结构合理，体积小，散热效率高，能提高功率模块的寿命和可靠性的基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块。本实用新型为达到上述目的的技术方案是一种基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，包括外壳和覆金属陶瓷基板，覆金属陶瓷基板的金属层连接有半导体芯片及电极端子，电极端子穿过外壳并设置在外壳顶部，其特征在于所述的覆金属陶瓷基板包括陶瓷板和复合在陶瓷板至少一面的金属层，陶瓷板内设有至少一根散热管，散热管两侧的连接头位于陶瓷板的外侧，或散热管的两端与设置在陶瓷板上的连接头连接，外壳的底部固定连接在陶瓷板上。所述陶瓷板内固定有平行的三个以上的散热管，或陶瓷板内固定有一个蛇形管或盘管，且散热管的外壁上设有翅片并嵌接在陶瓷板内，陶瓷板的厚度控制在5 25mm。所述的连接头的外周设有由外向内的两个以上的环形锥面。[0009]所述外壳底部设有止口，外壳的止口设置在陶瓷板上部的周边，陶瓷板通过密封胶与外壳固定连接。所述的陶瓷板底部通过缓冲垫设置在底座上，且底座上的四周设置至少两个安装孔。 所述的底座上设有沉台，缓冲垫设置在沉台内。本实用新型采用上述技术方案后具有以下优点1、本实用新型在覆金属陶瓷基板的陶瓷板内设有至少一个根散热管以构成散热机构，因此可通过连接头与外部循环管路连接，向散热管内通入可循环的冷却介质，可将功率模块工作中的热量直接通过覆金属陶瓷基板散出，使覆金属陶瓷基板自身具有散热功能，因此覆金属陶瓷基板在原有功能基础上增加了自身的散热功能，从而可实现与芯片及各器件的互连及散热一体化功能，结构紧凑、合理。2、本实用新型在覆金属陶瓷基板上集成了散热管而具有散热器的功能，可以为功率模块省去下部常规散热器的安装，从而达功率模块到减小整机体积，减轻整机重量，满足了整机对功率模块必须紧凑且重量轻的要求，节省安装工序。3、本实用新型在散热管两侧的连接头位于陶瓷板的外侧，或在陶瓷板上设有与散热管接插的连接头，方便覆金属陶瓷基板与外部的循环管的对接。4、本实用新型与传统功率模块相比省略了底板，可以减少焊接次数，使简化功率模块加工工序，从而降低了模块加工成本，提高了成品率。5、本实用新型将芯片通过一层很薄的金属层直接与陶瓷板内置的散热管相连，减小了芯片到散热器之间的距离，从而减小了芯片到散热器的热阻，同时也因省去了底板，减少了焊接层和导热硅 脂层，大大降低了模块的热阻，彻底解决了覆金属陶瓷基板变形与底板接触不良而造成散热效率不高的问题，提高了功率模块的寿命和可靠性。6、本实用新型在陶瓷板的增加了缓冲垫，通过缓冲热设置在底座上，因此能起到很好的缓冲效果，提高功率模块的抗震动性能，能够满足汽车工业、风能等领域大量的冲击和振动要求，可以广泛应用于大功率电力半导体模块、智能功率组件、汽车电子、太阳能电池板组件。
以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步的详细描述。
图1是本实用新型的基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块的结构示意图。图2是图1的AA剖视结构示意图。图3中本实用新型基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块的爆炸结构示意图。其中1-外壳，11-止口，2-电极端子，3-连接头，4-循环管，5-底座，51-安装孔，52-沉台，6-缓冲垫，7-覆金属陶瓷基板，71-陶瓷板，72-金属层，8-散热管，9-芯片。
具体实施方式
见图1 3所示，本实用新型基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，包括外壳I和覆金属陶瓷基板7，覆金属陶瓷基板7的金属层72连接有半导体芯片9及电极端子2，电极端子2穿过外壳I并设置在外壳I顶部，通过电极端子2与外部设备连接，实现功率模块的输入和输出。见图1 3所示，本实用新型的覆金属陶瓷基板7包括陶瓷板71和复合在陶瓷板71至少一面的金属层72，金属层72是在高温下与陶瓷板71键合在一起，再根据需要刻蚀出各种互连图形实现电连接，本实用新型金属层72可设置在陶瓷板71的一面或上下两面，陶瓷板71可以为氧化铝陶瓷板、氮化铝陶瓷板、氧化铋陶瓷板、氮化硅陶瓷板、碳化硅陶瓷板的其中之一，而金属层72则为金属箔层，或由铜层或铝层或铜铝复合层等。见图1 3所示，本实用新型的陶瓷板71内设有至少一根散热管8，该陶瓷板71内可固定有平行的三个以上的散热管8，或见图1、2所示，陶瓷板71内固定有四个散热管8，散热管8的数量不限，可根据覆金属陶瓷基板7的尺寸设置。本实用新型陶瓷板71内固定有一个蛇形管或盘管，同样达到较好的散热效果。本实用新型为达到最佳的散热效果，散热管8的外壁上设有翅片并嵌接在陶瓷板71内，通过翅片进一步增加散热面积。见图1 3所示，本实用新型散热管8两侧的连接头3位于陶瓷板71的外侧，或散热管8两端与设置在陶瓷板71上的连接头连接，可将外部的循环管4接在连接头3上，将外部的冷却介质通入散热管8内，对覆金属陶瓷基板7进行强制散热。见图1 3所示，本实用新型为使循环管4能方便且快速安装在连接头3上，连接头3由外向内设有两上以上 的环形锥面，也使循环管4连接后不易脱落，使用可靠。本实用新型陶瓷板71的厚度控制在5 25mm,如米用8mm、10mm、15mm、18mm或20mm等,该陶瓷板71的厚度还可更大,如采用30mm、40mm、50mm等,可根据功率模块的大小以及安装空间设定，使覆金属陶瓷基板7既能满足使用强度要求及焊接要求，又能内置散热管。见图1 3所示，本实用新型外壳I的底部固定连接在陶瓷板71上，该外壳I底部设有止口 11，外壳I的止口 11设置在陶瓷板71上部的周边，陶瓷板71通过密封胶与外壳I固定连接。见图1 3所示，本实用新型陶瓷板71底部通过缓冲垫6设置在底座5上，且底座5上的四周设置至少两个安装孔51，见图3所示，底座5上设有沉台52，缓冲垫6设置在沉台52内，缓冲垫6采用弹性好的硅橡胶材质并设置陶瓷板71底部，因此起到了很好的缓冲效果，提高可靠性，能够满足汽车工业、风能等领域大量的冲击和振动要求，本实用新型的底座5采用质量较轻的铝合金材质，通过设置的安装孔51，可将功率模块固定在整机中，由于缓冲垫6嵌入在底座5内，使得整个模块组件更加牢固。
权利要求1.一种基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，包括外壳(I)和覆金属陶瓷基板(7)，覆金属陶瓷基板(7)的金属层(72)连接有半导体芯片(9)及电极端子(2)，电极端子(2)穿过外壳(I)并设置在外壳(I)顶部，其特征在于所述的覆金属陶瓷基板(7)包括陶瓷板 (71)和复合在陶瓷板(71)至少一面的金属层(72)，所述陶瓷板(71)内设有至少一根散热管(8)，散热管(8)两侧的连接头(3)位于陶瓷板(71)的外侧，或散热管(8)的两端与设置在陶瓷板(71)上的连接头(3 )连接，外壳(I)的底部固定连接在陶瓷板(71)上。
2.根据权利要求1所述的基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，其特征在于所述陶瓷板(71)内固定有平行的三个以上的散热管(8)，或陶瓷板(71)内固定有一个蛇形管或盘管。
3.根据权利要求1或2所述的基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，其特征在于所述散热管(8)的外壁上设有翅片并嵌接在陶瓷板(71)内。
4.根据权利要求1或2所述的基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，其特征在于所述陶瓷板(71)的厚度控制在5 25mm。
5.根据权利要求1所述的基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，其特征在于所述的连接头(3)的外周设有由外向内的两个以上的环形锥面。
6.根据权利要求1所述的基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，其特征在于所述外壳(I)底部设有止口(11)，外壳(I)的止口(11)设置在陶瓷板(71)上部的周边，陶瓷板 (71)通过密封胶与外壳(I)固定连接。
7.根据权利要求1所述的基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，其特征在于所述的陶瓷板(71)底部通过缓冲垫(6 )设置在底座(5 )上，且底座(5 )上的四周设置至少两个安装孔(51)。
8.根据权利要求7所述的基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，其特征在于所述的底座(5 )上设有沉台(52 )，缓冲垫(6 )设置在沉台(52 )内。
专利摘要本实用新型涉及一种基于新型覆金属陶瓷基板的功率模块，包括外壳和覆金属陶瓷基板，覆金属陶瓷基板的金属层连接有半导体芯片及电极端子，电极端子穿过外壳并设置在外壳顶部，覆金属陶瓷基板包括陶瓷板和复合在陶瓷板至少一面的金属层，陶瓷板内设有至少一根散热管，散热管两侧的连接头位于陶瓷板的外侧，或散热管的两端与设置在陶瓷板上的连接头连接，外壳的底部固定连接在陶瓷板上。本实用新型结构合理，体积小，散热效率高，能提高功率模块的寿命和可靠性，可广泛应用于大功率电力半导体模块、智能功率组件、汽车电子、太阳能电池板组件。
文档编号H01L23/15GK202888152SQ20122051173
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者麻长胜, 姚玉双, 张敏, 聂世义, 王晓宝 申请人:江苏宏微科技股份有限公司