双侧冷却功率模块及其制造方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月5日提交的韩国专利申请第10-2018-0155073号的优先权，其内容通过引用并入本文。

本发明涉及一种双侧冷却功率模块及其制造方法，并且更具体地，涉及一种双侧冷却功率模块及其制造方法，该双侧冷却功率模块应用于用于环保型车辆(混合动力电动车辆(hev)、电动车辆(ev)、插电式混合动力车辆(phev)等)的逆变器，并且该双侧冷却功率模块应用了sic元件。

背景技术：

一种应用于用于环保型车辆(hev、ev、phev等)的逆变器的双侧冷却功率模块，当其采用其中多个sic元件形成多芯片的配置时，可以满足电气规格。使用引线接合方法安装多个sic元件。在这种情况下，每个元件芯片具有彼此不同的布线的长度，这引起寄生电感的问题。

在芯片性能保持在200℃或更高的sic元件的结温(tj)的情况下需要模块技术才能发挥优势。常规地，sic元件通过焊接方法接合。然而，在焊接方法的情况下，由于焊料的熔点在从180℃至220℃的范围内，因此当焊料在高温下使用时会发生过早劣化。

另外，由于双侧冷却功率模块是通过焊接制造的，因此由于其中的材料之间的热膨胀系数(cte)的差异而发生翘曲(warpage)，从而导致模块的高故障率。由于施加了sic元件的模块的芯片尺寸较小，因此存在一个问题，即与具有较大芯片尺寸的绝缘栅双极晶体管(igbt)相比，该模块将热量传递到芯片的上基板的面积较小，从而增加了热阻。

技术实现要素：

已经做出本发明以解决包括(including)以上问题的各种问题，并且本发明的目的是提供一种双侧冷却功率模块及其制造方法，在该双侧冷却功率模块中，可以简化模块的内部结构用于高效双侧冷却。然而，以上目的是示例性的，并且本发明的范围不限于此。

根据本发明的一个方面，提供了一种双侧冷却功率模块。该双侧冷却功率模块可以包括：下基板，在其至少一个表面上具有凹陷部；半导体芯片，其形成在凹陷部中；引线框架，形成在下基板的两端；以及上基板，形成在半导体芯片、引线框架的至少一部分以及下基板上。

在双侧冷却功率模块中，可以通过将下基板的上表面的至少一部分处理为阶梯状使得半导体芯片不向下基板的上表面凸出来形成凹陷部。

在双侧冷却功率模块中，凹陷部与半导体芯片之间的内部空间可以填充有底部填充物。

在双侧冷却功率模块中，下基板的两端可以被处理成阶梯状，使得引线框架不向下基板的上表面凸出。

在双侧冷却功率模块中，半导体芯片可以通过使用导电性粘合剂接合到下基板的上表面和上基板的下表面。

在双侧冷却功率模块中，半导体芯片可以包括sicmosfet元件。

在双侧冷却功率模块中，上基板的下表面的两端可以被处理成阶梯状。

在双侧冷却功率模块中，下基板的两端和上基板的两端可以通过在其上施加非导电性粘合剂而彼此接合。

在双侧冷却功率模块中，可以提供形成为围绕下基板、引线框架以及上基板的外周表面的模制部，并且引线框架的至少一部分可以向模制部外部凸出。

根据本发明的另一方面，提供了一种双侧冷却功率模块的制造方法。该双侧冷却功率模块的制造方法可以包括以下处理：在下基板的至少一个表面上形成凹陷部；在凹陷部中形成半导体芯片；在下基板的两端形成引线框架；并且在半导体芯片、引线框架的至少一部分以及下基板上形成上基板。

在双侧冷却功率模块的制造方法中，凹陷部可以被处理成阶梯状，使得半导体芯片不向下基板的上表面凸出，并且形成半导体芯片的处理可以包括以下处理：将导电性粘合剂施加到半导体芯片的下表面，并且然后将半导体芯片接合到凹陷部中；以及用底部填充物填充凹陷部与半导体芯片之间的内部空间。

在双侧冷却功率模块的制造方法中，形成引线框架的处理可以包括以下处理：将下基板的两端处理为阶梯状，使得在引线框架接合到下基板的两端之前，引线框架不向下基板的上表面凸出；以及使用烧结方法或超声波焊接方法将引线框架接合到阶梯状的下基板的两端。

在双侧冷却功率模块的制造方法中，形成上基板的处理可以包括以下处理：将导电性粘合剂施加到半导体芯片的上表面；将非导电性粘合剂施加到除了半导体芯片的上表面之外的下基板和引线框架；将非导电性粘合剂施加到上基板的下表面的两端；以及将施加了非导电性粘合剂的下基板和上基板设置为彼此面对，并且然后将下基板和上基板接合。

在双侧冷却功率模块的制造方法中，可以在将非导电性粘合剂施加到上基板的下表面的两端的处理之前，提供将上基板的下表面的两端处理为阶梯状的处理。

在双侧冷却功率模块的制造方法中，可以在形成上基板的处理之后，提供形成围绕下基板、引线框架以及上基板的外周表面的模制部的处理，并且引线框架的至少一部分可以向模制部外部凸出。

根据如上所述配置的本发明的一个实施方式，由于电流路径的匹配和电阻组件的减少，对于多芯片的sicmosfet的快速开关可以实现大的减小效果，芯片温度可以在200℃以上使用，从而减少混合动力电动车辆的冷却系统，通过用两个平板压力机压制、加热以及接合，可以最大限度地减小由于模块厚度和材料的热膨胀系数中的差异而引起的热形变(thermaldeformation)，并且热阻可以比常规igbt模块的热阻低，使得芯片内部的热量可以更快地释放，从而减少冷却系统上的负载。

另外，由于具有良好的导热性的烧结接合部，因此可以实现具有除垫片以外的散热路径的双侧冷却功率模块及其制造方法，从而能够实现高效散热。还应当理解，本发明的范围不受以上效果的限制。

附图说明

图1至图13是按其处理顺序(sequence)的次序(order)示意性地示出根据本发明的一个实施方式的双侧冷却功率模块的制造方法的截面图。

图14是示意性地示出根据本发明的比较示例的双侧冷却功率模块的截面图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施方式。然而，应当理解，本发明不限于以下描述的实施方式，并且可以以各种不同的形式来实现，并且提供以下实施方式以使本发明的公开完整并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。另外，为了便于描述，可以夸大或减小图中的组件的尺寸。

在下文中，下面将参考图1至图13描述由双侧冷却功率模块的结构和处理导致的问题及其解决方案。

首先，图14是示意性地示出根据本发明的比较示例的双侧冷却功率模块的截面图。双侧冷却功率模块2000可以包括下基板100、半导体芯片200、引线框架300、垫片400、上基板500以及模制部600。

例如，将有源金属钎焊铜(amc)基板或直接接合铜(dbc)基板用于下基板100和上基板500。首先，通过使用第一焊料预制件802焊接到下基板100上来接合用于驱动混合动力车辆的马达的半导体芯片200。这里，半导体芯片200具有作为发射极的上表面和作为集电极的下表面，并且被操作使得电流从集电极流向发射极。二极管也以类似的方式工作。

此后，引线框架300形成在下基板100上，并且半导体芯片200和引线框架300中的任何一个通过引线接合彼此连接。随后，通过使用第二焊料预制件804焊接在半导体芯片200上来接合垫片400，并且通过使用第三焊料预制件806焊接在垫片400上来接合上基板500，然后第三焊料预制件806被模制部600封装以形成整体结构。

另一方面，例如，可以将诸如铜(cu)的具有良好的导电性的金属用于垫片400，并且垫片400具有按次序保持下基板100与上基板500之间的间隙以便保护电连接半导体芯片200和第一外部引线310的布线900的功能。

上述结构导致以下问题。多个半导体芯片200使用例如sic元件并且使用引线接合方法安装。在这种情况下，每个半导体芯片200具有彼此不同的布线的长度，这引起寄生电感的问题。此外，芯片性能保持在200℃或更高的sic元件的结温tj，这需要模块技术才能发挥其优势。常规地，半导体芯片200通过焊接接合。然而，在焊接方法的情况下，由于焊料的熔点在从180℃至220℃的范围内，因此当焊料在高温下使用时会发生过早劣化。

另外，由于双侧冷却功率模块2000是通过焊接制造的，因此由于其中的材料之间的热膨胀系数(cte)的差异而发生翘曲，从而导致模块的高故障率。由于施加了sic元件的模块具有小的芯片尺寸，因此存在一个问题，即与具有较大芯片尺寸的绝缘栅双极晶体管(igbt)相比，该模块将热量传递到芯片的上基板的面积较小，从而增加热阻。

为了解决该问题，本发明提供了一种双侧冷却功率模块及其制造方法，在该双侧冷却功率模块中，简化了模块的内部结构，由于坚固的结构而提高了模块的性能，提供了其中在模块的两侧可以冷却的结构，将散热表面设计为绝缘，并且提供了接合接触，使得芯片的功率端子和信号端子可以接合到模块的外部控制板，从而提供良好的冷却效率。

图1至图13是按其处理顺序的顺序示意性地示出根据本发明的一个实施方式的双侧冷却功率模块的制造方法的截面图。

首先，参考图13，根据本发明的实施方式的双侧冷却功率模块1000可以包括在其至少一个表面上具有凹陷部110的下基板100、形成在凹陷部110中的半导体芯片200、形成在下基板100的两端的引线框架300、以及形成在半导体芯片200、引线框架300的至少一部分以及下基板100上的上基板500。

这里，凹陷部110可以通过将下基板100的上表面的至少一部分处理为阶梯状来形成，使得半导体芯片200不向下基板100的上表面凸出。cu布线可以形成在凹陷部110和下基板100的上表面上。在阶梯处理中，半导体芯片200可以形成为不向下基板100的上表面凸出。然而，更优选的是提供其中半导体芯片200的接合部分形成为不在下基板100上凸出的结构。在这种情况下，半导体芯片200的上表面可以根据cu凸块的高度形成为高于下基板100的上表面。

另一方面，例如，半导体芯片200可以包括sicmosfet元件。在半导体芯片200中，可以在栅极和源极电极焊盘210上形成cu凸块220，并且可以在其上层压并接合第一导电性粘合剂810。例如，可以将ag膜或浆料用于第一导电性粘合剂810。

此时，凹陷部110与半导体芯片200之间的内部空间填充有底部填充物120。例如，诸如环氧树脂等的树脂可以用于底部填充物120的材料。

另外，下基板100的两端可以被处理成阶梯状，使得引线框架300不向下基板100的上表面凸出。引线框架300形成在两个阶梯状端部处，以用作功率端子和信号端子。在形成引线框架300之后，可以将非导电性粘合剂施加到需要绝缘的区域(在下基板100的两端)，可以将非导电性粘合剂施加到对应于该区域的上基板500的下表面的两端，并且随后它们可以接合以彼此面对。这里，任选地，上基板500的下表面的两端可以以阶梯形式接合以增加与半导体芯片200的接合，并且将导电性粘合剂施加到半导体芯片200的上表面以将下基板100和上基板500彼此接合。在这种情况下，使用第二导电性粘合剂820将半导体芯片200的上表面直接接合到上基板500的下表面，使得可以省略常规使用的垫片。

另一方面，提供形成为围绕下基板100、引线框架300以及上基板500的外周表面的模制部600，并且引线框架300的至少一部分可以向模制部600外部凸出。

在下文中，将参考图1至图13详细描述根据本发明的一个实施方式的双侧冷却功率模块1000的制造方法。

参考图1和图2，在根据本发明的一个实施方式的双侧冷却功率模块1000的制造方法中，可以在下基板100的至少一个表面上形成凹陷部110。这里，下基板100包括直接接合铜(dbc)基板，并且dbc基板包括在第一金属层102与第二金属层106之间的陶瓷层104。

凹陷部110形成在所准备的下基板100的至少一个表面上，例如，下基板100的上表面上。凹陷部110已被处理成阶梯状，使得稍后将被接合的半导体芯片(图3所示的200)不会向下基板100的上表面凸出。然而，根据下基板100的厚度或第二金属层106的厚度，凹陷部110可以被处理成阶梯状，以具有图3所示的半导体芯片200的接合部分不凸出到其上的高度。

此后，如图3所示，半导体芯片200可以形成在凹陷部110中。半导体芯片200具有其中凸块220形成在焊盘210上，并且通过倒装芯片接合到凹陷部110来接合的结构。在这种情况下，凸块220的接合表面使用导电膏或膜来接合。如图4所示，在完成接合之后，底部填充物120填充在凹陷部110与半导体芯片200之间的内部空间中。

如图5所示，第一阶梯130形成在将形成图6所示的引线框架300的位置处。第一阶梯130可以被处理成在下基板100的两端上为阶梯状，使得图6所示的引线框架300不向下基板100的上表面凸出。此后，如图6所示，可以使用烧结方法或超声波焊接方法将引线框架300接合到第一阶梯130。

参考图7，在接合引线框架300之后，可以将第二导电性粘合剂820施加到半导体芯片200的上表面，并且可以应用第一非导电性粘合剂830以使未应用第二导电性粘合剂820的下基板100的上表面与引线框架300的至少一部分绝缘。

另一方面，参考图8至图10，上基板500可以使用与下基板100相同类型的基板，并且可以在第一金属层502与第二金属层506之间设置有陶瓷层504。可以将第二非导电性粘合剂840施加到所准备的上基板500的下表面(即，第一金属层502的两端)，使得第二非导电性粘合剂840可以对应于在相同区域中应用于下基板100的两端的第一非导电性粘合剂830。这里，第一非导电性粘合剂830和第二非导电性粘合剂840可以相同。

任选地，在将第二非导电性粘合剂840施加到上基板500的下表面的两端之前，第二阶梯530可以形成在上基板500的第一金属层502的两端上。不一定形成第二阶梯530，但是可以理解，执行用于形成阶梯的部分处理以增强接合到半导体芯片200的部分的接合特性。

接下来，参考图11和图12，可以将施加了第一非导电性粘合剂830的下基板100和施加了第二非导电性粘合剂840的上基板500设置为彼此面对，并且随后可以将下基板100和上基板500彼此接合。在这种情况下，加热器框700设置在下基板100的第一金属层102的下表面和上基板500的第二金属层506的上表面上，并且然后通过在箭头方向应用力而被热压缩，上基板500可以被热压缩并接合到半导体芯片200、引线框架300的至少一部分以及下基板100。

这里，半导体芯片200通过经由第二导电性粘合剂820烧结而接合，并且粘合剂的固化反应发生在施加了第一非导电性粘合剂830和第二非导电性粘合剂840的绝缘区域中，由此半导体芯片200的上表面经由第二导电性粘合剂820直接接合到上基板500的下表面，使得可以省略常规使用的垫片。

如图13所示，在接合上基板500之后，模制部600形成为围绕下基板100、引线框架300以及上基板500的外周表面，使得引线框架300的至少一部分向模制部600外部凸出，由此可以制造具有简化的内部结构的双侧冷却功率模块1000，以适用于用于环保型车辆的逆变器。

这里，例如，诸如环氧模塑化合物(emc)或聚酰亚胺基材料的具有良好的绝缘和保护性能的聚合物材料可以用于模制部600。模制部600可以封装除了引线框架300暴露的区域、下基板100的下表面以及上基板500的上表面之外的所有区域。由于以上结构不使用垫片，因此可以容易地绝缘和固定模块的边缘与功率端子和信号端子之间的区域，而无需用模制部600填充在下基板100与上基板500之间形成的间隙。

尽管未在图中示出，但是最后，在形成模制部600之后，可以修剪引线框架300的至少一部分。在修剪引线框架300的不必要部分之后，模块可以具有其中仅信号端子和功率端子向模制部600外部凸出的形式。

如上所述，在根据本发明的实施方式的双侧冷却功率模块中，可以通过使用ag凸块和cu图案(而不是al引线)接合的倒装芯片接合sic元件来省略垫片，并且可以减小或消除下dbc基板和上dbc基板之间的模制部，从而提供良好的散热特性。

另外，可以减小由于引线接合引起的电阻-电容(rc)延迟，即使在200℃或更高的高温下也能保持芯片性能，并且可以控制模制处理期间基板的翘曲。由于模块内部全部填充有材料，因此即使从上方和下方对模块应用热压力，温度和压力分布也均匀地影响整个区域，而无需集中在芯片上，并且因此可以平稳地执行模制处理。

此外，常规地，模块通过与设置在其中的垫片金属焊接而接合。因此，向其应用具有大的热阻的焊料层，这导致减小其厚度的限制。然而，根据本发明，由于可以在减小厚度的同时形成比igbt模块中的cu层相对更厚的cu层，因此可以通过增加芯片的横向上的热量的扩散速率来实现高效冷却。

尽管已参考图中所示的实施方式描述了本发明，但是应当理解，这些实施方式仅仅是示例性的，并且本领域技术人员可以基于以上进行各种修改和等同的其他实施方式。因此，本发明的真实技术范围应由所附权利要求的技术精神来限定。

参考文献的说明

100下基板

110凹陷部

120底部填充物

130第一阶梯

102、502第一金属层

104、504陶瓷层

106、506第二金属层

200半导体芯片

210焊盘

220cu凸块

300引线框架

400垫片

500上基板

530第二阶梯

600模制部

700加热器框

802第一焊料预制件

804第二焊料预制件

806第三焊料预制件

810第一导电性粘合剂

820第二导电性粘合剂

830第一非导电性粘合剂

840第二非导电性粘合剂

900布线

1000、2000双侧冷却功率模块。