一种提高陶瓷基板利用率的叠层陶瓷基板结构及功率模块的制作方法

本发明涉及功率模块，尤其涉及一种提高陶瓷基板利用率的叠层陶瓷基板结构及功率模块。

背景技术：

1、功率半导体的发展促进了功率模块的迭代，而直接覆铝(direct bondingaluminum，简称dba)基板、直接覆铜(direct bonding copper，简称dbc)基板和活性金属钎焊(active metal brazing，简称amb)基板为高功率电力电子模块的设计和生产提供了方案。dbc具有良好的电气性能，其制作工艺和制备相对简单，但可靠性较差且热阻较高。随着第三代功率半导体的发展，dbc基板似乎很难满足sic芯片高可靠性的要求。amb基板的陶瓷层分别是断裂韧性更高的si3n4，dba基板的陶瓷层是热导性更好的aln，可以在温度冲击(-40℃-125℃)产生的应力下拥有更高的可靠性和更低的热阻，提高功率模块的寿命。当前，sic芯片主要贴装在单层amb基板上，为了不影响amb基板的上金属层实现通流的功能，则需要增加基板的面积，功率模块的封装密度会显著增加，直接导致成本的升高造成不必要的浪费，因此，显著降低了基板的利用率。尽管amb基板的可靠性更高，但制造成本约为dbc基板的3倍，而降本也是半导体行业长期追求的目标。

2、此外，sic的不断迭代对功率模块的封装提出了进一步的要求：随着sic芯片的发展，传统的回流工艺很难在175℃的最高运行结温下长期服役，导致可靠性的降低。然而，采用银烧结工艺可以极大提高芯片的可靠性，银颗粒在高温和压力作用下实现颈连，具有更高的熔点(约900℃)，可在更高的温度下服役。此外，烧结银层的热阻显著低于焊料层，可以更好的散热。当前，陶瓷基板和散热器的连接仍然采用传统的回流工艺，但是这种传统的回流工艺功率已经很难满足可靠性的要求，未来的发展趋势是采用大面积烧结银。大面积烧结银的技术难点的烧结面积过大，会导致局部受压不均、中心区域有机组分难以挥发导致有机物残留和空洞过大等问题。因此，提高陶瓷基板利用率，减少模块的烧结面积，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种提高陶瓷基板利用率的叠层陶瓷基板结构，包括从下到上依次设置的至少两层陶瓷基板，每一层陶瓷基板均包括至少一块陶瓷基板，上层陶瓷基板中的任意一块陶瓷基板均与相邻的下层陶瓷基板中的至少一块陶瓷基板连接；每一块陶瓷基板上均设有至少一个芯片。

2、本发明对每一层陶瓷基板具体包括几块陶瓷基板不做限制，可以是一块，也可以是两块或两块以上。若下层陶瓷基板包括一块陶瓷基板，则下层陶瓷基板上设有至少一块上层陶瓷基板，每一块上层陶瓷基板均设置在下层陶瓷基板上；若下层陶瓷基板包括两块或两块以上陶瓷基板，则下层陶瓷基板中的相邻的两块陶瓷基板之间通过上层陶瓷基板中的至少一块陶瓷基板连接。

3、本发明对每一块陶瓷基板的种类不做限制，可以是amb基板、dba基板或dbc基板，每一块陶瓷基板上均设有芯片。本发明对每一块陶瓷基板上的芯片类型不做限制，即每一块陶瓷基板上均可以设置对散热性要求高的芯片如sic芯片，也可以设置对散热性要求低的芯片如栅极电阻、热敏电阻、igbt和二极管。

4、amb和dba基板是高热导率陶瓷基板，dbc基板是低热导率陶瓷基板。

5、对散热性要求高的芯片来说，如sic芯片，dbc基板很难满足sic芯片的散热要求。由于amb基板采用断裂韧性更高的si3n4材料，dba基板采用热导率更高的aln材料，且amb基板和dba基板均采用活性金属钎焊的方式，散热性和导热性能均高于dbc基板。在sic高频开关作用下，会产生较高结温差，对散热和可靠性均提出很高的要求，所以，将sic芯片贴装在amb或dba基板上。

6、对散热性要求低的芯片来说，如栅极电阻(positive temperature coefficient，简称ptc)、热敏电阻(gate resistance，简称gr)、igbt、二极管，由于gr、ptc、igbt、二极管等芯片在运行中发热程度较低，对散热性能和可靠性要求不高，如果将gr、ptc、igbt、二极管等贴装在amb基板和dba基板上，会造成不必要的浪费，因此，将gr、ptc、igbt、二极管等散热性要求低的芯片设置在dbc基板上。

7、较佳地，任意一块陶瓷基板的种类均根据其上芯片的类型决定，若所述芯片为对散热性要求高的芯片，则该芯片所在的陶瓷基板为amb基板或dba基板；

8、若所述芯片为对散热性要求低的芯片，则该芯片所在的陶瓷基板为dbc基板。

9、较佳地，所述的对散热性要求高的芯片为sic芯片；

10、所述的对散热性要求低的芯片为栅极电阻、热敏电阻、igbt或二极管。

11、较佳地，所述上层陶瓷基板的全部或部分位于所述下层陶瓷基板上。

12、较佳地，所述上层陶瓷基板的下金属层全部或部分位于所述下层陶瓷基板的上金属层上。

13、较佳地，所述上层陶瓷基板的面积总和小于所述下层陶瓷基板的面积总和。

14、较佳地，所述上层陶瓷基板和所述下层陶瓷基板的叠加方式采用扩散焊、钎焊或烧结。

15、较佳地，若选用sic芯片，则与散热器相连的陶瓷基板为amb基板或/和dba基板。

16、较佳地，所述叠层陶瓷基板结构包括从下到上依次设置的两层陶瓷基板，下层陶瓷基板包括amb基板或dba基板，所述amb基板或dba基板上设有至少一个sic芯片；

17、上层陶瓷基板包括至少一块dbc基板，所述dbc设置在所述amb基板或所述dba基板上，所述dbc基板上设有栅极电阻、热敏电阻、igbt或二极管中的其中至少一种。

18、较佳地，所述叠层陶瓷基板结构包括从下到上依次设置的三层陶瓷基板，最底层陶瓷基板包括amb基板或dba基板，所述amb基板或dba基板上设有至少一个sic芯片；

19、中间层陶瓷基板包括至少一块中间层dbc基板，中间层dbc基板设置在所述amb基板或所述dba基板上，该中间层dbc基板上设有栅极电阻、热敏电阻、igbt或二极管中的其中至少一种；

20、最上层陶瓷基板包括至少一块最上层dbc基板，最上层dbc基板设置在中间层dbc基板上，该最上层dbc基板上设有栅极电阻、热敏电阻、igbt或二极管中的其中至少一种。

21、较佳地，所述叠层陶瓷基板结构包括从下到上依次设置的两层陶瓷基板，下层陶瓷基板包括两块间隔设置的陶瓷基板，这两块陶瓷基板为两块amb基板、两块dba基板、两块dbc基板、一块amb基板和一块dba、一块amb基板和一块dbc基板、一块dbc基板和一块dba基板；

22、上层陶瓷基板包括至少一块dbc基板，至少一块dbc基板与下层的两块陶瓷基板连接。

23、本发明还提供一种提高陶瓷基板利用率的功率模块，包括上述的叠层陶瓷基板结构。

24、较佳地，所述叠层陶瓷基板结构的最底层的陶瓷基板通过烧结或钎焊设置在散热器上。

25、与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

26、本发明采用将不同种类或相同种类的陶瓷基板进行叠层布局，可以在保证高可靠性和低热阻的前提下，提高模块的封装密度，降低成本，而且还通过提升陶瓷基板利用率的方式可以显著降低底层陶瓷基板的面积，直接降低陶瓷基板和散热器的烧结面积，为未来的大面积烧结工艺提供了新型优化设计方案。