一种具有高热可靠性的功率模块的制作方法

本发明涉及一种具有高热可靠性的功率模块，尤其涉及功率模块中的焊线。通过对焊线焊接结构的改善，可以更好地抑制功率器件结温过高的问题，同时均匀化温度分布，延缓模块的老化速度，增加器件可循环工作次数，提高使用寿命。

背景技术：

功率器件及其封装技术的迅猛发展，使得电力电子技术领域发生了巨大变化，功率模块以其高可靠性、低损耗、低开发成本的优势正赢得越来越大的市场。

功率模块是将多个分立功率器件组合灌装而成的一个整体，通过焊线实现电性连接。实际工作应用中，功率芯片结温过高将导致器件性能降低，而功率芯片整体温度的分布情况直接影响其使用寿命。功率模块将多个功率芯片集成封装时，焊线通过焊点焊接在功率芯片上。器件工作时，焊点附近的芯片区域电流密度较大，为功率芯片上的主要发热区，主要发热区的温度以及相互之间的热耦合决定了结温和功率芯片的温度分布，主要发热区的温度过高或者相互之间热耦合严重可能会导致功率器件性能退化和模块失效。

传统功率模块中，焊线采用单焊点焊接方式，每条焊线在功率芯片和覆铜陶瓷基板上表面覆铜层上各有一个焊点，焊线当中的全部电流将通过其在功率芯片上的焊点进出功率芯片。当焊线中的电流较大时，焊点周围电流密度较大，功率芯片主要发热区的发热量巨大，另外，传统焊线组件在功率芯片上的焊点被等距地焊接在一条直线上，主要发热区之间的距离较近，热耦合严重，结温被严重抬高。而功率芯片的边角区域与焊点距离较远，电流密度较小，温度较低，功率芯片的整体温差大，工作寿命低。

以往一般通过以下方法降低功率芯片的结温。一、选择热导率较大的覆铜陶瓷基板中间陶瓷材料和焊料：例如将覆铜陶瓷基板中间陶瓷层换成AlN材料，芯片与基板的连接使用银烧结焊接工艺；二、减少接触面的数量：例如除去硅脂层和底板，将覆铜陶瓷基板直接安置在散热器上；三、改变封装形式：例如采用双面散热来减小热阻，或者采用更大功率的热沉增加散热能力。这些方法不但费时费力，而且都只是整体地降低功率芯片的温度，没有考虑功率芯片不同区域电流密度不均匀的问题，对功率芯片整体温度分布不均匀的情况没有改善。

技术实现要素：

本发明提供一种具有高热可靠性的功率模块，具有更低的结温和更为均匀的功率芯片温度。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种具有高热可靠性的功率模块，包括：散热底板，在散热底板上设有覆铜陶瓷基板，所述覆铜陶瓷基板包括陶瓷基板，在陶瓷基板的下表面上设有下表面覆铜，在覆铜陶瓷基板上至少设有2个端子，所述端子连接于位于所述端子下方并设在陶瓷基板的上表面覆铜上，在需要实现连接的两个端子中的一个端子下方的覆铜上连接有功率芯片，所述功率芯片通过焊线组件与所述需要实现连接的两个端子中的另一个端子连接，其特征在于，所述焊线组件由相互平行的焊线构成，焊线上的一个端部焊点焊接于所述功率芯片，焊线上的另一个端部焊点焊接于所述需要实现连接的两个端子中的另一个端子下方的覆铜片，顺序连接与功率芯片焊接的端部焊点所形成的线条是以各个端部焊点为转折点的折线；所述焊线呈波浪线形并形成中部焊点且中部焊点焊接于功率芯片，顺序连接不同焊线上处在同一相对位置的中部焊点所形成的线条是以各中部焊点为转折点的折线；所述焊线组件使用的材质为高电导率金属材料；所述高电导率金属材料为铝Al，铜Cu，银Ag或金Au。

与传统功率模块相比，所述具有高热可靠性的功率模块具有以下优点：

(1)本发明所述的具有高热可靠性的功率模块降低了功率芯片的工作结温。功率芯片与焊线间的电性连接通过焊点实现，焊点周围电流密度较大，是功率芯片的主要发热区域，传统焊线组件在功率芯片上的焊点全部集中分布在同一条直线上，主要发热区之间距离较小，热耦合严重；每条焊线在功率芯片上仅有一个焊点，焊线当中电流较大时，焊点当中通过的电流也较大，功率芯片上焊点周围区域产热较多，因此，传统结构功率模块中芯片结温较高。新型焊线组件中，不同焊线上处在同一相对位置上的焊点之间的距离增加主要发热区之间的距离增大，热耦合变小；另外，多个焊点可以共同分担一条焊线当中的电流，与传统焊线组件流经相同电流时，新型焊线组件中每个焊点所在的主要发热区的发热功耗均小于传统焊线组件中的单个主要发热区，功率芯片的最高温度降低。

(2)本发明所述的具有高热可靠性的功率模块使功率芯片的温度分布更加均匀。传统结构功率模块中，焊点在功率芯片上呈直线型排列，边角区域距离焊点较远，温度与热耦合严重的主要发热区差距较大。具有高热可靠性的功率模块中，新型焊线组件的焊点在功率芯片上呈交错分布，主要发热区从功率芯片的中心向边角区域扩散，功率芯片边角区域与温度最高点的温差缩小，整体温度更加均匀。

(3)本发明所述的具有高热可靠性的功率模块封装体积、成本不变。新型焊线组件仅通过改变焊线的焊接方式，并不改变焊线数目，达到降低结温以及均匀化功率芯片温度的目的，没有增加额外的材料或封装步骤，不增加封装体积或成本。

附图说明

图1为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块的三维视图。

图2为本发明提供的一种传统结构功率模块(不含绝缘外壳)的三维视图。

图3为本发明提供的一种传统结构功率模块(不含绝缘外壳)的主视图。

图4为本发明提供的一种传统结构功率模块(不含绝缘外壳)的俯视图。

图5为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块(不含绝缘外壳)的三维视图。

图6为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块(不含绝缘外壳)的主视图。

图7为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块(不含绝缘外壳)的俯视图。

图8为本发明提供的一种传统结构功率模块中第一功率芯片的温度分布图。

图9为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块中第一功率芯片的温度分布图。

其中，100、功率模块；1、绝缘外壳；2、端子；3、底板；4、焊料；5、覆铜陶瓷基板，5.1、上表面覆铜，5.2、陶瓷基板，5.3、下表面覆铜；6、功率芯片，6.1、第一功率芯片，6.2、第二功率芯片；7、焊线，7.1、传统焊线组件，7.2、新型焊线组件。

具体实施方式

一种具有高热可靠性的功率模块100，包括：散热底板3，在散热底板3上设有覆铜陶瓷基板5，所述覆铜陶瓷基板5包括陶瓷基板5.2，在陶瓷基板5.2的下表面上设有下表面覆铜5.3，在覆铜陶瓷基板5上至少设有2个端子2，所述端子2连接于位于所述端子2下方并设在陶瓷基板5.2的上表面覆铜5.1上，在需要实现连接的两个端子2中的一个端子下方的覆铜5.1上连接有功率芯片6，所述功率芯片6通过焊线组件7.2与所述需要实现连接的两个端子2中的另一个端子连接，其特征在于，所述焊线组件7.2由相互平行的焊线构成，焊线上的一个端部焊点焊接于所述功率芯片6，焊线上的另一个端部焊点焊接于所述需要实现连接的两个端子2中的另一个端子下方的覆铜片，顺序连接与功率芯片6焊接的端部焊点所形成的线条是以各个端部焊点为转折点的折线；所述焊线呈波浪线形并形成中部焊点且中部焊点焊接于功率芯片6，顺序连接不同焊线上处在同一相对位置的中部焊点所形成的线条是以各中部焊点为转折点的折线；所述焊线组件7.2使用的材质为高电导率金属材料；所述高电导率金属材料为铝Al，铜Cu，银Ag或金Au。

本实施例可以选择三个端子、两块功率芯片所构成的功率模块，即：所述端子2采用3个且分别为第一端子2.1、第二端子2.2和第三端子2.3，功率芯片6采用2个且分别为第一功率芯片6.1和第二功率芯片6.2。

散热底板3与覆铜5.3、功率芯片6与覆铜片5.1可以通过焊料4实现电性连接。本实施例还可以在散热底板3上设绝缘外壳1。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图及一优选实例来对本发明的具体实施方式作进一步说明。

图1为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块的三维视图，图2为本发明提供的一种传统结构功率模块(不含绝缘外壳)的三维视图，图3为本发明提供的一种传统结构功率模块(不含绝缘外壳)的主视图，图4为本发明提供的一种传统结构功率模块(不含绝缘外壳)的俯视图，图5为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块(不含绝缘外壳)的三维视图，图6为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块(不含绝缘外壳)的主视图，图7为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块(不含绝缘外壳)的俯视图，图8为本发明提供的一种传统结构功率模块中第一功率芯片的温度分布图，图9为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块中第一功率芯片的温度分布图。

如图2至图4所示，传统结构功率模块中焊线组件7.1采用单焊点并排的焊接方式，每条焊线在功率芯片6上都只有一个焊点，该焊点将通过所在焊线当中的全部电流，且单个功率芯片上的所有焊点都分布在一条直线上，焊点数量少且分布密集。当焊线中电流较大时，焊点下方的主要发热区发热量高且距离近，热耦合严重，结温被严重抬高。又因为焊点都并排分布在一条直线上，主要发热区分布集中，功率芯片6上远离主要发热区的边角区域温度低，功率芯片6整体温差大，工作寿命低。图8为本发明提供的一种传统结构功率模块中第一功率芯片6.1的温度分布图，可以看出芯片6.1的最高结温为161.92℃，温度最高点与温度最低点相差3.13℃。

图5和图6所示为具有高热可靠性的功率模块的前视图和俯视图，新型焊线组件7.2中每条焊线上的焊点数目增加且不同焊线上处在同一相对位置的焊点交错排列。相同电流情况下，同传统焊线组件7.1相比，新型焊线组件7.2中每条焊线上的电流都由两个焊点共同分担，减小了单个焊点所通过的电流，主要发热区的发热功耗下降，功率芯片6的最高温度下降；另外，交错排列的端部焊点以及中部焊点使主要发热区之间的距离变大，减小了主要发热区之间的热耦合，器件结温进一步下降的同时使焊点的分布更加分散，功率芯片6的温度分布更加均匀。图9为本发明提供的一种具有高热可靠性的功率模块中第一功率芯片6.1在相同电流下的温度分布图，此时芯片6.1的最高结温为113.26℃，温度最高点与温度最低点相差0.93℃。通过图8和图9所示温度分布图的对比可以看出，具有高热可靠性的功率模块中第一功率芯片6.1结温明显下降，并且温度分布更加均匀。

一种具有高热可靠性的功率模块，其所使用的新型焊线组件的具体焊接方法为：利用全自动铝线键合机(OE3600 plus)设置焊点数目、焊点间距，调整焊接时第一类焊线与第二类焊线的位置参数，其余工艺均与传统焊线焊接方式相同。

本发明的应用实例并不局限于图示结构的功率模块，它同样适用于其他封装形式的功率模块以及焊线数量改变的情况。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不限定本发明的保护范围。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。