一种功率模块及其制作方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种功率模块及其制作方法。


背景技术：

2.电机驱动或相位转换的功率模块应用范围甚广，除了转换效率与尺寸等参数外，使用寿命也是功率模块的重要参数之一。
3.目前的功率模块中，由于模块内部包含不同材质的零件，不同材质势必具有不同的热膨胀系数，而使用过程中，温度的上升与下降都会使不同材料接口因热膨胀系数不同产生应力。这些应力造成的影响累积起来，便导致模块受损故障，缩短了功率模块的使用寿命。
4.综上，现有技术中存在功率模块受应力影响导致使用寿命较低的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种功率模块及其制作方法，以解决现有技术中存在的功率模块受应力影响导致使用寿命较低的问题。
6.为了实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
7.一方面，本技术实施例提供了一种功率模块，所述功率模块包括：
8.散热底板；
9.位于所述散热底板一侧的图形化接触层；其中，所述接触层的热膨胀系数小于所述散热底板的热膨胀系数，且所述图形化接触层的面积小于所述散热底板面积；
10.位于所述接触层的远离所述散热底板一侧的绝缘基板；
11.位于所述绝缘基板的远离散热底板一侧的芯片。
12.可选地，所述图形化接触层的面积为所述散热底板面积的30％～80％。
13.可选地，所述图形化接触层的热膨胀系数与所述散热底板的热膨胀系数之间的差异大于30％。
14.可选地，所述图形化接触层的热膨胀系数为2～8ppm/k，所述散热底板的热膨胀系数为11～30ppm/k。
15.可选地，制作所述图形化接触层的材料包括钼或碳化硅，制作所述散热底板的材料包括铜或铝。
16.可选地，所述功率模块还包括连接金属层，所述连接金属层位于所述图形化接触层与所述绝缘基板之间。
17.可选地，所述连接金属层的面积与所述散热底板的面积之比大于90％。
18.可选地，所述绝缘基板包括第一金属图形层、陶瓷芯以及第二金属图形层，所述第一金属图形层、所述陶瓷芯以及所述第二金属图形层逐层连接，且所述第一金属图形层与所述图形化接触层互连，所述第二金属图形层与所述芯片互连。
19.可选地，所述图形化接触层在所述散热底板表面的图形包括菱形、x形或多个间隔
的长方形。
20.另一方面，本技术实施例还提供了一种功率模块制作方法，用于制作上述的功率模块，所述功率模块制作方法包括：
21.提供一散热底板；
22.基于所述散热底板的一侧制作图形化接触层；其中，所述接触层的热膨胀系数小于所述散热底板的热膨胀系数，且所述图形化接触层的面积小于所述散热底板面积；
23.基于所述接触层的远离所述散热底板一侧制作绝缘基板；
24.基于所述绝缘基板的远离散热底板一侧制作芯片。
25.相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：
26.本技术提供了一种功率模块及其制作方法，该功率模块包括散热底板，位于散热底板一侧的图形化接触层；其中，接触层的热膨胀系数小于散热底板的热膨胀系数，且图形化接触层的面积小于散热底板面积位于接触层的远离散热底板一侧的绝缘基板以及位于绝缘基板的远离散热底板一侧的芯片。由于本技术在散热底板的基础上还设置有图形化接触层，且图形化接触层的热膨胀系数小于所述散热底板的热膨胀系数，因此图形化接触层能够抑制背板膨胀程度；同时，由于图形化接触层的面积小于散热底板面积，因此在图形化接触层上留下了部分区域对绝缘基板的应力进行释放，进而能够提升整个功率模块的使用寿命。
27.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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它相关的附图。
29.图1为现有技术中提供的功率模块的结构示意图。
30.图2为本技术实施例提供的功率模块的结构示意图。
31.图3为本技术实施例提供的第一种图形化接触层的俯视图。
32.图4为本技术实施例提供的第二种图形化接触层的俯视图。
33.图5为本技术实施例提供的第三种图形化接触层的俯视图。
34.图6为本技术实施例提供的另一种功率模块的结构示意图。
35.图7为本技术实施例提供的功率模块制作方法的示例性流程图。
36.图中：
37.100-功率模块；101-散热底板；102-图形化接触层；103-绝缘基板；1031-第一金属图形层；1032-陶瓷芯；1033-第二金属图形层；104-芯片；105-焊锡；106-连接金属层。
具体实施方式
38.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，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他实施例，都属于本技术保护的范围。
40.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
42.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
43.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
44.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
45.正如背景技术中所述，目前的功率模块中，由于模块内部包含不同材质的零件，因此在不同材料接口因热膨胀系数不同产生应力，缩短功率模块的使用寿命。
46.例如，请参阅图1，图1示出了现有技术中常见的功率模块的结构示意图，该功率模块包括硅质芯片、具有陶瓷芯的基板、铜材质的底板等三大主要部件，并经由锡料将三者接合在一起。由于陶瓷与硅质芯片的热膨胀系数远低于铜背板，温度变化时膨胀变形的程度不一，铜底板对于陶瓷与硅的拉扯将导致后者损伤，因此大部分的状况都只能透过期间的锡料做缓冲。然而，随使用时间增加，锡料也会因拉扯导致损伤，进而导致功率模块故障，缩短了功率模块的使用寿命。
47.有鉴于此，本技术实施例提供了功率模块，通过设置图形化接触层的方式，抑制散热底板的膨胀程度，同时为绝缘基板的应力释放提供条件。
48.下面对本技术提供的功率模块进行示例性说明：
49.作为一种可选的实现方式，请参阅图2，该功率模块100包括散热底板101、位于散
热底板101一侧的图形化接触层102；其中，接触层的热膨胀系数小于散热底板101的热膨胀系数，且图形化接触层102的面积小于散热底板101面积、位于接触层的远离散热底板101一侧的绝缘基板103以及位于绝缘基板103的远离散热底板101一侧的芯片104。
50.其中，散热底板101用于为整个功率模块100提供散热路径，一般地，散热底板101采用金属材料制作而成，同时，考虑成本因素，因此散热底板101一般采用铜或铝制作而成。
51.绝缘基板103用于承载芯片104，并且，本技术并不对绝缘基板103上的芯片104数量进行限定，只需保证功率模块100中的芯片104数量大于或等于1即可。例如，如图2中，绝缘基板103上承载了2颗芯片104，当然在其它的一些示例中，芯片104的数量可能更多，例如，芯片104的数量可以为4颗或者其它数值。并且，如图2中所示，芯片104在绝缘基板103上间隔设置。
52.其中，芯片104用于连接其它负载模块，以实现其控制功能，例如，在用于电机驱动的功率芯片104中，芯片104可以连接不同的电机，以实现电机的功率驱动。
53.由于在满足散热条件的基础上，散热底板101的热膨胀系数可能较大，若直接将散热底板101与绝缘基板103之间通过焊锡105相连，则散热底板101的热膨胀明显，对芯片104与绝缘基板103产生较大的应力。
54.因此，为了实现应力的释放，本技术在散热底板101与绝缘基板103之间设置了图形化接触层102，一方面，图形化接触层102的热膨胀系数小于所述散热底板101的热膨胀系数，因此图形化接触层102能够抑制背板膨胀程度；另一方面，由于图形化接触层102的面积小于散热底板101面积，因此在图形化接触层102上留下了部分区域对绝缘基板103的应力进行释放，进而能够提升整个功率模块100的使用寿命。
55.需要说明的是，本技术所述的图形化接触层102，指接触层按照一定规则的图形进行设置，一般而言，为了实现应力释放的均匀性，接触层一般设置为对称形式的图形。
56.例如，作为第一种实现方式，请参阅图3，图形化接触层102在散热底板101表面的图形为菱形，即图形化接触层102的俯视图为一菱形，且图形化接触层102分布于散热底板101的中间位置，绝缘基板103与该菱形区域连接，而在除菱形以外的区域，绝缘基板103实际与散热底板101之间间隔设置，因此为绝缘基板103留下了四周区域进行应力释放。并且，可以劣迹地，通过该设置方式，使得散热底板101在热膨胀时，虽然中间菱形区域对散热底板101有抑制作用，但散热底板101的应力可以通过四周释放，进而调整了散热底板101的受热弯曲的行为，而并非抑制整个散热底板101的伸长量，保证了散热底部不易损坏。
57.作为第二种实现方式，请参阅图4，图形化接触层102在散热底板101表面的图形为x形，即图形化接触层102的俯视图为“x”形，同理地，图形化接触层102分布于散热底板101的中间位置，绝缘基板103与该区域连接，进而在四周提供的应力释放区域，在此不做赘述。
58.作为第三种实现方式，请参阅图5，图形化接触层102在散热底板101表面的图形为多个长方形，即图形化接触层102的俯视图为多个长方形，如图5所示的三个长方形，通过设置该图形，不仅可以在四周实现应力释放，同时在相邻两个长方形之间也可以实现应力释放。
59.当然地，图形化接触层102还可以设置为其它形状，例如，设置为多个间隔设置的圆形等，在此不做赘述。并且，本技术提供的图形化接触层102可以与绝缘基板103的形貌与位置相匹配，即在确定图形化接触层102的具体图形时，可以根据绝缘基板103的形状及其
位置进行确定，以实现更好的应力释放。
60.在此，需要说明的是，为了保证应力释放时效果更佳，同时保证对散热基板的热膨胀抑制效果，经发明人验证，图形化接触层102的面积为散热底板101面积的30％～80％，其中，图形化接触层102的面积与散热底板101的面积之比小于30％，则图形化接触层102与散热底板101之间的接触面积较小，对于散热底板101的热膨胀抑制效果并不明显；而当图形化接触层102的面积与散热底板101的面积之比大于80％，则图形化接触层102与散热底板101之间的接触面积过大，应力释放效果并不明显。
61.并且，为了保证图形化接触层102对散热底板101的热膨胀抑制效果明显，二者的热膨胀系数之间也许存在较为明显的差异，作为一种实现方式，图形化接触层102的热膨胀系数与散热底板101的热膨胀系数之间的差异大于30％。例如，当散热底板101的热膨胀系数为10ppm/k时，则图形化接触层102的热膨胀系数应当小于7ppm/k。
62.在一种实现方式中，图形化接触层102的热膨胀系数为2～8ppm/k，散热底板101的热膨胀系数为11～30ppm/k，并且，散热底板101的电阻率在9～70nωm之间。
63.此外，图形化接触层102的导热系数介于120～300w/mk之间，散热底板101导热系数介于200～450w/mk之间。
64.在满足上述条件的基础上，本技术提供的制作图形化接触层102的材料包括钼或碳化硅，制作散热底板101的材料包括铜或铝。
65.并且，在一种实现方式中，请参阅图2，绝缘基板103包括第一金属图形层1031、陶瓷芯1032以及第二金属图形层1033，第一金属图形层1031、陶瓷芯1032以及第二金属图形层1033逐层连接，且第一金属图形层1031与图形化接触层102互连，第二金属图形层1033与芯片104互连。如图2所述，当芯片104的数量包括多个时，则只需将第二金属图形层1033设置为相应数量即可，并将第二金属图形层1033间隔设置，进而在绝缘基板103中，共用同一第一金属图形层1031与陶瓷芯1032。其中，本技术提供的第一金属图形层1031与第二金属图形层1033均可以由铜质材料制作而成。
66.此外，在一种实现方式中，请参阅图6，功率模块100还包括连接金属层106，连接金属层106位于图形化接触层102与绝缘基板103之间。可选地，连接金属层106的面积与散热底板101的面积之比大于90％。
67.其中，设置连接金属层106可以实现绝缘基板103与图形化接触层102之间更好的连接，并且，连接金属层106用于起到连接作用，需选用亲锡性或是用于烧结银接合需求的贵金属材质。并且由于连接金属层106的面积相对较大，因此提升了绝缘基板103焊接的稳定性。
68.基于上述实现方式，请参阅图7，本技术实施例还提供了一种功率模块制作方法，用于制作上述的功率模块，该功率模块制作方法包括：
69.s102，提供一散热底板；
70.s104，基于散热底板的一侧制作图形化接触层；其中，接触层的热膨胀系数小于散热底板的热膨胀系数，且图形化接触层的面积小于散热底板面积；
71.s106，基于接触层的远离散热底板一侧制作绝缘基板；
72.s108，基于绝缘基板的远离散热底板一侧制作芯片。
73.其中，术语“在a的一侧制作b”，表示可以将b与a的一侧进行焊接。当然地，当功率
模块包括连接金属层时，则在s的步骤之后的，该方法还包括：
74.s105，基于图形化接触层的远离散热底板一侧制作连接金属层。
75.综上所述，本技术提供了一种功率模块及其制作方法，该功率模块包括散热底板，位于散热底板一侧的图形化接触层；其中，接触层的热膨胀系数小于散热底板的热膨胀系数，且图形化接触层的面积小于散热底板面积位于接触层的远离散热底板一侧的绝缘基板以及位于绝缘基板的远离散热底板一侧的芯片。由于本技术在散热底板的基础上还设置有图形化接触层，且图形化接触层的热膨胀系数小于所述散热底板的热膨胀系数，因此图形化接触层能够抑制背板膨胀程度；同时，由于图形化接触层的面积小于散热底板面积，因此在图形化接触层上留下了部分区域对绝缘基板的应力进行释放，进而能够提升整个功率模块的使用寿命。
76.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
77.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。