一种功率模块陶瓷衬板的制作方法

本发明涉及功率半导体器件制造领域，尤其是涉及一种功率模块陶瓷衬板结构。

背景技术：

衬板10是功率半导体模块(如：igbt模块)的基本单元结构，发挥着电气互连、电气绝缘、散热通道等多重作用。传统的igbt模块衬板纵向结构如附图1所示，陶瓷衬板采用3层结构，即1层陶瓷层(陶瓷层12)和2层金属层(正面金属层11和背面金属层13)，通过陶瓷层对金属层进行隔离。陶瓷层的作用是绝缘，防止高压击穿，同时也起到散热作用。正面金属层的作用是实现电路互连，通常第二功率芯片和第一功率芯片放置于衬板10的正面金属层11上，通过引线键合的方式完成芯片间的电气互连。背面金属层13通常与散热板相连接，并匹配因散热板与陶瓷间的线性热膨胀系数不一致而产生的应力。陶瓷层12两面的正面金属层11和背面金属层13通过烧结、活性钎焊、溅射等工艺与陶瓷层12实现紧密连接。

传统的igbt模块通常包含多个衬板10，而衬板10的电流路径全部集中在正面金属层11上，电流的进出路径不可能重叠，导致寄生电感无法相互抵消，进而引起寄生电感较大。寄生电感影响igbt模块在开关过程中的过电压，根据u＝l*di/dt的原理，寄生电感越大则过压就大。寄生电感也会引起衬板10之间芯片的不均流，导致芯片电流路径寄生电感大的芯片分配的电流小，而芯片电流路径寄生电感小的芯片分配的电流大。芯片因电流大小不一致就会产生芯片间的温差，从而影响芯片性能的一致性。

同时，传统的功率半导体模块在进行衬板10的焊接时，需要使用定位工装，将焊片与芯片固定在衬板10上。焊片经过融化和冷却的过程将芯片与正面金属层11连接在一起，然后再去掉焊接工装，因此焊接效率极低。焊层的上部与芯片连接，下部与正面金属层11接触，即芯片焊层凸出于正面金属层11上，由于材料间的线性热膨胀系数不一致，导致焊层周边的应力较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率模块陶瓷衬板，以解决现有功率模块陶瓷衬板电路互连结构杂散电感大，芯片焊接需要使用焊接工装，衬板正面金属层为强电和弱电的结合层，衬板间互连较复杂的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种功率模块陶瓷衬板的技术实现方案，一种功率模块陶瓷衬板，所述衬板包括：从上至下依次布置的第一金属层、第二金属层和第三金属层，所述第一金属层与所述第二金属层之间布置有第一陶瓷层，所述第二金属层与所述第三金属层之间布置有第二陶瓷层。所述第一金属层设置为彼此隔离的发射极区和控制信号端子区，所述第二金属层设置为集电极区。在所述衬板上表面沿厚度方向开设有分别用于安装第一功率芯片和第二功率芯片的凹槽，所述凹槽自所述第一金属层延伸至所述第二金属层。

本发明还具体提供了另一种功率模块陶瓷衬板的技术实现方案，一种功率模块陶瓷衬板，所述衬板包括：从上至下依次布置的第一金属层、第二金属层和第三金属层，所述第一金属层与所述第二金属层之间布置有第一陶瓷层，所述第二金属层与所述第三金属层之间布置有第二陶瓷层。所述第一金属层设置为彼此隔离的发射极区和控制信号端子区。所述第二金属层设置为集电极区，所述第二金属层还通过布置在所述第一陶瓷层中的通孔延伸至所述第一陶瓷层的上表面。在所述衬板上表面沿厚度方向开设有分别用于安装第一功率芯片和第二功率芯片的凹槽，所述凹槽自所述第一金属层延伸至所述第二金属层。

优选的，当安装在所述衬板上的第一功率芯片和第二功率芯片工作时，所述第一金属层与所述第二金属层之间形成电流通路，所述第一金属层中的电流流向与所述第二金属层中的电流流向相反，以通过互感作用抵消所述第一金属层与所述第二金属层中的杂散电感，从而实现所述衬板的低感。

优选的，所述凹槽的底部为第二金属层，所述凹槽的尺寸在所述第一功率芯片或第二功率芯片尺寸的基础上单边向外延伸0.1～1mm。

优选的，所述控制信号端子区包括彼此隔离的发射极控制端子区和门极控制端子区，所述发射极控制端子区通过引线连接至所述发射极区，所述门极控制端子区通过引线连接至所述第一过渡区。

优选的，所述第一金属层还用于实现多个衬板之间的互连。

优选的，所述第一金属层设置为彼此隔离的发射极区、控制信号端子区和第一过渡区，所述第二功率芯片的门极通过引线连接至所述第一过渡区。

优选的，所述第一金属层设置为彼此隔离的发射极区、控制信号端子区、第一过渡区和第二过渡区，通过所述第二过渡区实现引线在所述第一过渡区与所述门极控制端子区之间的过渡连接。

优选的，所述衬板包括两个控制信号端子区和两个第二过渡区，所述发射极区、集电极区、控制信号端子区、第一过渡区和第二过渡区在所述衬板上呈轴对称结构分布。

优选的，所述第一功率芯片为frd芯片，所述第二功率芯片为igbt芯片。

优选的，所述第一功率芯片为sbd芯片，所述第二功率芯片为mosfet芯片。

优选的，所述衬板上开设有两个以上用于安装所述第一功率芯片的凹槽，以及两个以上与所述第一功率芯片数量对应的用于安装所述第二功率芯片的凹槽。所述凹槽的底部为第二金属层，所述凹槽用于放置实现所述第一功率芯片、第二功率芯片与所述第二金属层焊接的焊片。通过实施上述本发明提供的功率模块陶瓷衬板的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明中陶瓷衬板实现了上下金属层区域的连通，电流路径呈环形结构，集电极与发射极的金属层形成互感，能够极大地降低衬板的杂散电感；

(2)本发明中衬板上具有凹槽结构，用作芯片焊片工艺的焊接定位，有利于批量的智能化操作，且工艺效率高，芯片不会产生漂移，能够适用于不同尺寸大小的芯片焊接；

(3)本发明中衬板厚度的增加，不影响芯片的散热路径，工艺过程中变形量小，有利于工艺的稳定性和产品性能的一致性；

(4)本发明中衬板的控制端子布线灵活，位置可以调整，第一金属层(去除集电极焊接区域)可以作为模块封装中的pcb互连使用，大大提高了组装效率，可靠性进一步提高。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是现有技术中功率半导体模块陶瓷衬板的结构示意图；

图2是本发明功率模块陶瓷衬板一种具体实施例的结构示意图；

图3是图2中a-a向的剖面结构示意图；

图4是本发明功率模块陶瓷衬板一种具体实施例的电路互连结构示意图；

图5是图4中b-b向的结构剖示图；

图6是本发明功率模块陶瓷衬板另一种具体实施例的结构剖示图；

图中：1-第一金属层，2-第二金属层，3-第三金属层，4-第一陶瓷层，5-第二陶瓷层，6-凹槽，7-引线，8-门极，9-焊片，10-衬板，11-正面金属层，12-陶瓷层，13-背面金属层，14-发射极控制端子区，15-门极控制端子区，16-通孔，20-第一功率芯片，30-第二功率芯片，a-发射极区，b-集电极区，c-控制极区，d-第一过渡区，e-第二过渡区。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

frd：fastrecoverydiode，快恢复二极管的简称；

igbt：insulatedgatebipolartransistor，一种全控型功率开关半导体器件，绝缘栅双极性晶体管的简称；

sbd：schottkybarrierdiode，肖特基势垒二极管的简称；

mosfet：metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管的简称；

pcb：printedcircuitboard，印刷线路板的简称；

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图2至附图6所示，给出了本发明功率模块陶瓷衬板的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如附图3所示，一种功率模块陶瓷衬板的具体实施例，衬板10采用三层金属层和两层陶瓷层间隔布置的多层堆叠型结构，并具体包括：从上至下依次布置的第一金属层1、第二金属层2和第三金属层3。第一金属层1与第二金属层2之间布置有第一陶瓷层4，第二金属层2与第三金属层3之间布置有第二陶瓷层5。其中，金属层采用铜、铝、金、钼等材料，陶瓷层采用aln、al2o3、si3n4等材料。如附图2所示，第一金属层1设置为彼此隔离的发射极区a(发射极区a还焊接有发射极母排)和控制信号端子区c。第二金属层2设置为集电极区b(集电极区b还焊接有集电极母排)，第二金属层2还通过布置在第一陶瓷层4中的通孔16延伸至第一陶瓷层4的上表面。在衬板10上表面沿厚度方向开设有分别用于安装第一功率芯片20和第二功率芯片30的凹槽6，凹槽6自第一金属层1延伸至第二金属层2。在附图3中，凹槽6自第一金属层1穿过第一陶瓷层4，并延伸至第二金属层2的上表面，以实现第一功率芯片20、第二功率芯片30与第二金属层2的电连接。作为本发明一种典型的具体实施例，第一功率芯片20为frd芯片，第二功率芯片30为igbt芯片。需要特别说明的是，第一功率芯片20还可以为sbd芯片等类型，第二功率芯片30还可以为mosfet芯片等类型。

如附图4所示，第一金属层1进一步设置为彼此隔离的发射极区a、控制信号端子区c、第一过渡区d和第二过渡区e。控制信号端子区c进一步包括彼此隔离的发射极控制端子区14和门极控制端子区15，发射极控制端子区14通过引线7连接至发射极区a，门极控制端子区15通过引线7连接至第一过渡区d。第二功率芯片30的门极8通过引线7连接至第一过渡区d，通过第二过渡区e实现引线7在第一过渡区d与门极控制端子区15之间的过渡连接。控制信号端子区c主要用于接入芯片控制信号，控制信号包括门极和发射极控制信号，主要作用是控制衬板10上第二功率芯片30的开关。

作为本发明一种典型的具体实施例，衬板10进一步包括两个控制信号端子区c和两个第二过渡区e，发射极区a、集电极区b、控制信号端子区c、第一过渡区d和第二过渡区e在衬板10上呈轴对称结构分布。衬板10上开设有两个以上用于安装第一功率芯片20的凹槽6，以及两个以上与第一功率芯片20数量对应的用于安装第二功率芯片30的凹槽6(如附图2所示的实施例中，衬板10上开设有三个用于安装第一功率芯片20的凹槽6，以及三个用于安装第二功率芯片30的凹槽6)。凹槽6的底部为第二金属层2，凹槽6用于放置实现第一功率芯片20、第二功率芯片30与第二金属层2焊接的焊片9。焊片9融化后会形成焊层并填充凹槽6的底部，焊层与第一陶瓷层4及第二金属层2相连，能够有效降低芯片焊层四角的应力，提升焊层长期工作的可靠性。衬板10包含两层陶瓷层(陶瓷层主要起到绝缘与散热的作用)和三层金属层。第一金属层1为发射极和门极信号层，第二金属层2为集电极层，第三金属层3为最底层，主要作用是与承载衬板的基板焊接和缓冲基板与衬板陶瓷层之间的材料热失配。

衬板10的正面根据需要分布一定数量的凹槽6，凹槽6发挥固定芯片(第一功率芯片20和第二功率芯片30)和焊片9的作用。在芯片焊接过程中不需要额外装卸焊接工装，简化了igbt模块的封装工艺步骤，提高了生产效率。芯片的焊层位于第二金属层2上，周边分布有第一陶瓷层4，减小了焊层周边的应力。去除集电极母排的焊接区域，衬板10的第一金属层1为发射极和门极信号层，第一金属层1还用于实现多个衬板10之间的互连，相当于pcb板直接放置在衬板10上(现有igbt模块需要通过外部的专用pcb板实现多个衬板10之间的互连)。实施例1描述的衬板10通过将第一功率芯片20和第二功率芯片30放置于凹槽6的位置并形成电路互连结构。在焊接工艺过程中，凹槽6内的区域放置焊片9，第一功率芯片20和第二功率芯片30分别放置于焊片9上，焊片9经历融化和冷却过程，将芯片与第二金属层2紧密连接在一起。凹槽6的尺寸抑制了芯片的漂移，仅需调整凹槽6的尺寸即可适应不同尺寸的芯片安装。衬板10上的凹槽6不但起到了焊接工装的作用，而且工艺实现也较为容易，十分利于智能化制造过程。

如附图4所示，给出了采用键合引线连接方式的功率模块陶瓷衬板结构。第二金属层2延伸至衬板1的上表面，衬板10的正面设置有多个凹槽6。凹槽6的底部为第二金属层2，凹槽6的尺寸在第一功率芯片20或第二功率芯片30尺寸的基础上单边向外延伸距离l，l一般为0.1～1mm。第一金属层1为弱电层，电路的刻蚀宽度可以减小，多个衬板10时可以作为pcb板使用，用来连接各个衬板10间的控制信号(通常封装成大电流的igbt模块时，需要多个衬板并联，但控制信号根据模块电路形式有1组或多组，早期模块多采用pcb板完成衬板间的控制信号互连，pcb一般不过大电流，且为低电端；在本实施例中的第一金属层1除去引线键合部分外，其余区域均可实现衬板10间的互连)。去除集电极焊接区域的第一金属层1为发射极和门极信号层，第一金属层1可以灵活地布置发射极和门极信号的走向，相当于省去了pcb板，igbt模块的组装效率得到大幅提升。

如附图5所示，实施例1描述的衬板10包括三层金属层，两层陶瓷层，当安装在衬板10上的第一功率芯片20和第二功率芯片30工作时，第一金属层1与第二金属层2之间形成电流通路。如附图5中箭头方向所示为衬板10内的电流路径，通过箭头走向可知，通过第一金属层1和第二金属层2之间的连通，使得第一金属层1中的电流流向与第二金属层2中的电流流向相反，以通过互感作用抵消第一金属层1与第二金属层2中的杂散电感，从而实现衬板10的低感，进而可以实现整个功率半导体模块(igbt模块)的低感，从而大大提升igbt模块的性能。

实施例2

如附图6所示，一种功率模块陶瓷衬板的具体实施例，衬板10包括：从上至下依次布置的第一金属层1、第二金属层2和第三金属层3。第一金属层1与第二金属层2之间布置有第一陶瓷层4，第二金属层2与第三金属层3之间布置有第二陶瓷层5。第一金属层1设置为彼此隔离的发射极区a和控制信号端子区c，第二金属层2设置为集电极区b。在衬板10上表面沿厚度方向开设有分别用于安装第一功率芯片20和第二功率芯片30的凹槽6，凹槽6自第一金属层1延伸至第二金属层2。凹槽6可以自第一金属层1穿过第一陶瓷层4，并延伸至第二金属层2的上表面，以实现第一功率芯片20、第二功率芯片30与第二金属层2的电连接。

在实施例2中，集电极母排直接焊接于第二层金属层上，而第一层金属层(即衬板10表面的金属层)不含集电极母排的焊接区域，第一层金属层全部为弱电区域，也能实现衬板10的第一金属层1与第二金属层2之间的互感。其余部分更加详细的技术方案可以具体参照实施例1中的相应描述，在此不再赘述。

通过实施本发明具体实施例描述的功率模块陶瓷衬板的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的功率模块陶瓷衬板实现了上下金属层区域的连通，电流路径呈环形结构，集电极与发射极的金属层形成互感，能够极大地降低衬板的杂散电感；

(2)本发明具体实施例描述的功率模块陶瓷衬板上具有凹槽结构，用作芯片焊片工艺的焊接定位，提出了含有多个凹槽的多层陶瓷层和金属层堆叠型的衬板结构，凹槽的尺寸比芯片大0.1～1mm，焊层和芯片均位于凹槽的内部，省去了衬板焊接放置和去除焊接工装的时间，有利于批量的智能化操作，提升了工艺效率，芯片不会产生漂移，能够适用于不同尺寸大小的芯片焊接；焊层位于凹槽的内部，焊料与第一陶瓷层和第二金属层连接，减小了焊层应力，提升了芯片工作的可靠性；

(3)本发明具体实施例描述的功率模块陶瓷衬板厚度的增加，不影响芯片的散热路径，工艺过程中变形量小，有利于工艺的稳定性和产品性能的一致性；

(4)本发明具体实施例描述的功率模块陶瓷衬板的控制端子布线灵活，位置可以调整，第一金属层(去除集电极焊接区域)可以作为模块封装中的pcb互连使用，大大提高了组装效率，可靠性进一步提高。同时，第一金属层作为弱电层(去除集电极焊接区域)，不需要考虑绝缘问题，便于衬板之间的互连。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，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，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。