本发明属于半导体，尤其涉及一种功率半导体模块封装架构、设计及制备方法。
背景技术：
1、功率半导体器件作为现代电力电子系统的核心部件，其热性能和可靠性直接决定了电能转换效率和系统使用寿命。随着以sic、gan为代表的第三代宽禁带半导体材料的产业化应用，功率器件的功率密度呈现指数级增长，这使得热管理问题成为制约行业发展的关键瓶颈。研究表明，器件结温每升高10℃，其工作寿命将缩短约50％，而传统单面冷却封装已难以满足新一代功率模块的散热需求。
2、在双面冷却封装技术领域，金属缓冲垫块作为连接芯片与散热器的关键界面材料，其性能直接影响整体散热效果。目前主流解决方案包括：1)纯铜垫片(热导率390w/mk)，虽具有优异的导热性能，但其热膨胀系数(17ppm/k)与功率半导体芯片存在严重失配；2)纯钼垫片(热膨胀系数5.1ppm/k)，虽解决了热匹配问题，但138w/mk的热导率导致热阻增加35％以上；3)铜钼复合垫片，虽部分兼顾了导热和热匹配需求，但仍存在各向异性导热和密度过高等问题。
3、特别值得关注的是，在高温大电流工况下，现有金属垫片材料还会引发以下连锁问题：1)热循环导致的界面分层；2)电磁干扰增强。这些问题严重限制了双面冷却技术在航空航天、新能源汽车等高端领域的应用。
4、针对上述技术痛点，亟需开发兼具高导热性、匹配热膨胀系数及良好机械强度的新型缓冲垫片材料，并优化其与双面冷却架构的集成方案，以突破当前功率半导体封装的散热与可靠性极限。
5、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6、(1)纯铜垫片(热导率390w/mk)，虽具有优异的导热性能，但其热膨胀系数(17ppm/k)与功率半导体芯片存在严重失配。
7、(2)纯钼垫片(热膨胀系数5.1ppm/k)，虽解决了热匹配问题，但138w/mk的热导率导致热阻增加35％以上。
8、(3)铜钼复合垫片，虽部分兼顾了导热和热匹配需求，但仍存在各向异性导热和密度过高等问题。
9、(4)在高温大电流工况下，现有金属垫片材料还会引发以下连锁问题：热循环导致的界面分层；电磁干扰增强。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种功率半导体模块封装架构。
2、本发明是这样实现的，一种功率半导体模块封装架构自上而下包括：
3、第一散热器底板；
4、第一覆铜陶瓷基板；
5、功率半导体芯片通过焊料层实现上下表面互联；
6、碳增强金属基复合材料垫块通过焊料层与芯片上表面键合；
7、第二覆铜陶瓷基板；
8、第二散热器底板；
9、碳增强金属基复合材料垫块、功率半导体芯片、焊料通过灌封胶进行贴合；
10、其中：碳增强金属基复合材料垫块包括但不限于金刚石/铝垫块、金刚石/银垫块、石墨烯/银和石墨烯/铜垫块；
11、功率半导体芯片包括但不限于si基、sic基和gan基功率半导体芯片。
12、进一步，所述焊料包括但不限于含铅/不含铅焊料、金锡焊料、纳米银膏。
13、进一步，所述双面覆铜陶瓷基板包括但不限于aln、al2o3、zta、si3n4陶瓷材料。
14、进一步，所述散热器底板包括但不限于铜散热器、铝散热器和alsic散热器。
15、本发明的另一目的在于提供一种功率半导体模块封装架构制备方法：
16、1)第一步：加工指定大小的碳增强金属基复合材料垫块，并将加工好的垫块通过化学镀镍和电镀金/银，增强其对焊料/烧结银膏的润湿性；
17、2)第二步：在覆铜陶瓷基板上印刷焊料，将功率半导体芯片与焊料贴合进行焊接，实现功率半导体芯片和覆铜陶瓷基板的电气互联；
18、3)第三步：在功率半导体芯片上表面印刷焊料，将加工好的碳增强金属基复合材料垫块下表面与芯片上表面贴合进行焊接，实现功率半导体芯片和垫块的电气互联；
19、4)第四步：在另一个覆铜陶瓷基板上印刷焊料，将垫块上表面与焊料贴合进行焊接，实现功率半导体芯片上下表面分别与上下两个覆铜陶瓷基板的电气互联。此时功率半导体芯片可通过芯片下表面和上表面同时散热，即双面冷却；
20、4)第五步：在第一和第二覆铜陶瓷基板的外侧铜表面印刷焊料进行散热器底板焊接，实现基板-散热器界面连接。焊接完毕后对器件进行灌封。
21、本发明的另一目的在于提供一种功率半导体模块封装架构的散热路径：
22、一号散热路径为功率半导体芯片-焊料层-覆铜陶瓷基板-焊料层-散热器底板；
23、二号散热路径为功率半导体芯片-焊料层-碳增强金属基复合材料垫块-焊料层-覆铜陶瓷基板-焊料层-散热器底板。
24、结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
25、第一、创新性地采用金刚石/铝、金刚石/银、石墨烯/银和石墨烯/铜等金属基复合材料作为缓冲垫块，这些材料的热导率均可超过500w/mk，最高可达1200w/mk，较传统材料提升30％以上，可显著降低热阻，提升散热性能。
26、金刚石/铝、金刚石/银、石墨烯/银和石墨烯/铜的热膨胀系数与功率半导体芯片更为匹配，因此所提封装架构可将界面热应力降低35％以上，降低发生热循环导致界面分层的可能性，从而大幅提高双面冷却功率半导体器件的可靠性。
27、本发明的创新方案有效解决了传统双面冷却封装中的热-力失配难题，为高功率密度半导体器件提供了可靠的散热解决方案，在新能源汽车、智能电网等领域具有广阔的应用前景。
28、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题。传统功率半导体模块的散热性能和可靠性一直受垫块材料热导率和热膨胀系数的制约。现有技术大多采用铜钼复合垫块代替铜垫块来减小热膨胀系数的不匹配度，但这将热导率从铜垫块的390w/mk大幅降低到了铜钼合金的200w/mk，功率半导体模块的散热性能大打折扣。本发明所提出的基于碳增强金属基复合材料垫块的功率半导体模块在能够优化热膨胀系数匹配问题的同时，还能够大幅提高双面冷却模块的散热性能。与现有技术相比，本发明具有显著的技术进步。
1.一种功率半导体模块封装架构，其特征在于，所述封装架构包括：
2.如权利要求1所述的功率半导体模块封装架构，其特征在于，所述碳增强金属基复合材料垫块为金刚石/铝、金刚石/银、石墨烯/银或石墨烯/铜复合材料制成。
3.如权利要求1所述的功率半导体模块封装架构，其特征在于，所述功率半导体芯片为基于硅(si)、碳化硅(sic)或氮化镓(gan)材料的功率半导体芯片。
4.如权利要求1所述的功率半导体模块封装架构，其特征在于，所述第一焊料层和第二焊料层包括含铅焊料、无铅焊料、金锡焊料或纳米银膏。
5.如权利要求1所述的功率半导体模块封装架构，其特征在于，所述第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板选自氮化铝(aln)、氧化铝(al2o3)、锆增韧氧化铝(zta)或氮化硅(si3n4)材料。
6.如权利要求1所述的功率半导体模块封装架构，其特征在于，所述第一散热器底板和第二散热器底板为铜、铝或铝硅碳化物(alsic)材料制成。
7.一种功率半导体模块封装架构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述焊接步骤采用回流焊或烧结工艺进行。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述灌封采用耐高温、耐湿热性能优异的硅酮类或环氧类灌封材料。
10.一种功率半导体模块的散热路径设计方法，其特征在于，包括：