铜片连接结构、模块及连接方法

摘要

本发明涉及功率半导体安装连接技术领域，提供一种铜片连接结构、模块及连接方法，其中，铜片连接结构，包括铜片、芯片以及焊接层；芯片具有供铜片连接的连接面；铜片具有焊接面，焊接面与连接面对应设置；焊接层设置在连接面与焊接面之间，连接面与焊接面通过焊接层焊接连接。铜或者铜合金与铝相比有更低的膨胀系数，且数值远低于传统的铝绑定线，焊接层与连接面以及与焊接面均存在接触界面，如此的设置能够大量减少接触界面之间的膨胀系数差值，确保连接面与焊接面之间的接触界面能够在承受持续的温度变化时，仍然有着较高的剪切强度，大大减少因温度变化而产生的应力变化机械疲劳，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

权利要求

1.一种功率模块，其特征在于，包括铜片、芯片、焊接层以及陶瓷基板；

所述芯片设置在陶瓷基板上，所述芯片具有供所述铜片连接的连接面，所述连接面为所述芯片背离所述陶瓷基板的一面；

所述铜片具有焊接面，所述焊接面与所述连接面对应设置；

所述焊接层设置在所述连接面与所述焊接面之间，所述连接面与所述焊接面通过所述焊接层焊接连接；

所述焊接层具有焊接材料，所述焊接材料包括纯银或银合金；所述功率模块包括两个、三个或者四个所述芯片，所述铜片上的焊接面对应所述芯片设置，两个所述芯片之间通过铜片实现电性连接；

所述功率模块还包括散热板以及外壳，所述散热板贴合式设置在所述陶瓷基板的底部；所述外壳罩设在所述陶瓷基板外，所述外壳与所述散热板贴合形成供所述陶瓷基板收纳安装的密闭空腔；

所述密闭空腔内填充有凝胶；所述铜片镂空设置有至少一个结构特征；

所述结构特征能够让凝胶通过。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述焊接层包括银膜。

3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述铜片的厚度设置为0.1mm‑1.0mm。

4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述结构特征呈腰型孔或圆形孔设置。

5.一种功率模块的连接方法，应用于如权利要求1至4任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块的连接方法包括以下步骤：将所述芯片设置在所述陶瓷基板上；

将所述焊接层放置在所述芯片的所述连接面上，所述连接面为所述芯片背离所述陶瓷基板的一面；

将所述铜片的所述焊接面通过所述焊接层与所述连接面贴合连接，以得到待焊接的铜片连接机构；

将待焊接的所述铜片连接机构移动至焊接工作区，并对所述连接面与所述焊接面进行预压紧；

对所述连接面进行焊接，得到铜片连接结构。

说明书

铜片连接结构、模块及连接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及功率半导体安装连接技术领域，特别是涉及一种铜片连接结构、模块及连接方法。

背景技术

[0002] 在电源、电力电子变换器的应用中，功率半导体器件被广泛采用，在功率较大的场合下，功率半导体器件一般使用模块的封装形式。

[0003] 功率模块主要由金属底板、焊接层、覆铜陶瓷基板、绝缘散热树脂薄膜或其他绝缘散热材料、绑定线、外壳以及硅胶等组成；芯片通过焊接固定到覆铜陶瓷基板的散热材料上
后，通过铝键合线、铝带键合进行电气连接，再通过回流焊或烧结等工艺将覆铜陶瓷基板
者，以及其他它绝缘散热材料焊接到金属底板上，功率半导体芯片的发出的热通过覆铜陶
瓷基板或者其他绝缘散热材料，焊接层传导到金属底板上，通过特殊设计的冷区液将热量
进行散热。

[0004] 其中，键合铝线或者铝带的膨胀系数与硅基芯片或者碳化硅芯片的膨胀系数并不匹配，且整体数值相差较大，高低温度变化时，会产生相互不匹配的热膨胀量，此时，两种材
料之间的接触面将会出现应力变化机械疲劳的问题，将降低功率模块和功率产品的功率循
环寿命。

发明内容

[0005] 基于此，有必要提供一种铜片连接结构、模块及连接方法，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

[0006] 一种铜片连接结构，包括铜片、芯片以及焊接层；

[0007] 所述芯片具有供所述铜片连接的连接面；

[0008] 所述铜片具有焊接面，所述焊接面与所述连接面对应设置；

[0009] 所述焊接层设置在所述连接面与所述焊接面之间，所述连接面与所述焊接面通过所述焊接层焊接连接。

[0010] 与现有技术相对比，铜或者铜合金与铝相比有更低的膨胀系数，且数值远低于传统的铝绑定线，焊接层与连接面以及与焊接面均存在接触界面，如此的设置能够大量减少
接触界面之间的膨胀系数差值，确保连接面与焊接面之间的接触界面能够在承受持续的温
度变化时，仍然有着较高的剪切强度，大大减少因温度变化而产生的应力变化机械疲劳，确
保了芯片与铜片之间的连接可靠性，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

[0011] 在其中一个实施例中，所述焊接层具有焊接材料，所述焊接材料包括纯银或银合金。

[0012] 在其中一个实施例中，所述焊接层包括银膜。

[0013] 在其中一个实施例中，所述铜片的厚度设置为0.1mm‑1.0mm。

[0014] 在其中一个实施例中，所述铜片镂空设置有至少一个结构特征。

[0015] 在其中一个实施例中，所述结构特征呈腰型孔或圆形孔设置。

[0016] 本申请还提供一种功率模块，包括上述方案所述的铜片连接结构。

[0017] 在其中一个实施例中，所述功率模块还包括：

[0018] 陶瓷基板，所述芯片设置在所述陶瓷基板上；

[0019] 散热板，所述散热板贴合式设置在所述陶瓷基板的底部；

[0020] 以及

[0021] 外壳，所述外壳罩设在所述陶瓷基板外，所述外壳与所述散热板贴合形成供所述陶瓷基板收纳安装的密闭空腔。

[0022] 在其中一个实施例中，所述密闭空腔内填充有凝胶。

[0023] 本发明还提供一种铜片连接结构的连接方法，所述铜片连接结构的连接方法包括以下步骤：

[0024] 将焊接层放置在芯片的连接面上；

[0025] 将铜片的焊接面通过所述焊接层与所述连接面贴合连接，以得到待焊接的铜片连接机构；

[0026] 将待焊接的所述铜片连接机构移动至焊接工作区，并对所述连接面与所述焊接面进行预压紧；

[0027] 对所述连接面进行焊接，得到所述铜片连接结构。

[0028] 与现有技术相对比，铜片与芯片的连接，连接面与焊接面形成的焊接面积较大，较大的焊接面积同样能够增强功率循环的寿命。另外，铜片的电导率相比于铝材有一定的提
高，且使用铜片连接时，相比于铝绑定线的载流截面积有明显的提高，两方面都会极大的提
高功率产品的载流能力，降低模块的封装电阻和寄生电感。再者，当连接结构引用于车用功
率器件时，车用功率器件需要更高的功率要求，并且要求车用功率器件在更高的工作节温
下进行工作，铜片相比于铝绑定线能适应更高的工作节温，得益于铜片优异的导热性能，在
同等节温的下，使用铜片连接上的芯片的温度分布得更加均匀，整体具备极高的使用实用
性。

附图说明

[0029] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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
的附图。

[0031] 图1是本发明一实施例中连接结构的具体结构示意图；

[0032] 图2是本发明一实施例中功率模块的具体结构示意图；

[0033] 图3是本发明一实施例中连接结构的焊接原理示意图。

[0034] 附图标记说明：

[0035] 10、铜片；101、焊接面；102、结构特征；20、芯片；201、连接面；30、焊接层；40、散热板；50、外壳；60、密闭空腔；70、夹具治具；80、陶瓷基板。

具体实施方式

[0036] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发
明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0037] 在电源、电力电子变换器的应用中，功率半导体器件被广泛采用，其中，键合铝线或者铝带的膨胀系数与硅基芯片或者碳化硅芯片的膨胀系数并不匹配，且整体数值相差较
大，高低温度变化时，会产生相互不匹配的热膨胀量，此时，两种材料之间的接触面将会出
现应力变化机械疲劳的问题，将降低功率模块和功率产品的功率循环寿命。基于此，本申请
提供一种铜片连接结构、模块及连接方法，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点，其具
体方案如下：

[0038] 参照图1、图2以及图3所示，本申请提供的一种铜片连接结构，包括铜片10、芯片20以及焊接层30。其中，芯片20具有供铜片10连接的连接面201，铜片10具有焊接面101，焊接
面101与连接面201对应设置。焊接层30设置在连接面201与焊接面101之间，连接面201与焊
接面101通过焊接层30焊接连接。

[0039] 与现有技术相对比，铜或者铜合金与铝相比有更低的膨胀系数，且数值远低于传统的铝绑定线，焊接层30与连接面201以及与焊接面101均存在接触界面，如此的设置能够
大量减少接触界面之间的膨胀系数差值，确保连接面201与焊接面101之间的接触界面能够
在承受持续的温度变化时，仍然有着较高的剪切强度，大大减少因温度变化而产生的应力
变化机械疲劳，确保了芯片20与铜片10之间的连接可靠性，具有连接质量高，连接稳定性较
强的优点。

[0040] 进一步的作用效果详述，在该实施例中，铜片10与芯片20的连接，连接面201与焊接面101形成的焊接面101积较大，较大的焊接面101积同样能够增强功率循环的寿命。另
外，铜片10的电导率相比于铝材有一定的提高，且使用铜片10连接时，相比于铝绑定线的载
流截面积有明显的提高，两方面都会极大的提高功率产品的载流能力，降低模块的封装电
阻和寄生电感。再者，当连接结构引用于车用功率器件时，车用功率器件需要更高的功率要
求，并且要求车用功率器件在更高的工作节温下进行工作，铜片10相比于铝绑定线能适应
更高的工作节温，得益于铜片10优异的导热性能，在同等节温的下，使用铜片10连接上的芯
片20的温度分布得更加均匀，整体具备极高的使用实用性。同时，包含杂散电感低，均流性
能高，版图设计更加灵活，耐受短时电流冲击能力强，芯片温度分部均匀等优势。

[0041] 需要说明的是，在该实施例中，连接面201与焊接面101通过焊接层30进行真空回流焊或烧结而焊接。其中，真空回流焊，也可称作真空/可控气氛共晶炉，它热容量大，PCB表
面温差极小，已广泛应用于欧美航空、航天、军工电子等领域。它采用红外辐射加热原理，具
有温度均匀一致、超低温安全焊接、无温差、无过热、工艺参数可靠稳定、无需复杂工艺试
验、环保成本运行低等特点，满足军品多品种、小批量、高可靠焊接需要。另外，烧结是指把
粉状物料转变为致密体，是一个传统的工艺过程。人们很早即利用该工艺进行生产陶瓷、粉
末冶金、耐火材料、超高温材料等。一般，粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多
晶材料，其显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺
寸、气孔尺寸及晶界形状和分布，进而影响材料的性能。在一实施例中，对焊接层30作出进
一步的细化。焊接层30具有焊接材料，焊接材料包括纯银或银合金，具体的是，连接面201与
焊接面101通过烧结而焊接。

[0042] 需要说明的是，采用银或银合金进行烧结时，鉴于烧结银或银合金具有极高的工作温度和高可靠性，铜片10连接的寿命和可靠性均会显著的提高。具体的是，在该实施例
中，焊接材料为银膜，焊接层30整体包括银膜。

[0043] 进一步的扩展，铜片10的厚度可以根据实际的功能需求进行设置，同时，还可以将铜片10的厚度设置为不均匀，具体的是，铜片10的厚度可设置为0.1mm‑1.0mm，而在该实施
例中，铜片10的厚度设置为1mm。

[0044] 更优的是，在该实施例中，铜片10镂空设置有至少一个结构特征102。铜片10镂空设置能够提高铜片10整体的散热效率。另外，在铜片10的一些安装结构中，需要在结构内填
充凝胶，以提高整体结构的内部结构稳定性，应用本连接结构时，镂空的结构特征102能够
让凝胶整体通过，能够提高铜片10与凝胶的整体结合效果，此时，固化后的凝胶能够对铜片
10起到较大的定位锁紧性能，促进连接结构的内部结构稳定性，结构特征102可呈腰型孔或
圆形孔设置。

[0045] 具体的是，在该实施例中，铜片10设置有3个结构特征102，其中一个为圆形孔，另外两个均为腰型孔。

[0046] 参照图1以及图2所示，本申请还提供了一种功率模块，包括上述方案提及的铜片连接结构。功率模块还包括陶瓷基板80、散热板40以及外壳50，其中陶瓷基板80为覆铜陶瓷
基板80，芯片20设置在陶瓷基板80上。散热板40贴合式设置在陶瓷基板80的底部，外壳50罩
设在陶瓷基板80外，外壳50与散热板40贴合形成供陶瓷基板80收纳安装的密闭空腔60。

[0047] 需要说明的是，在该实施例中，芯片20设置有两个，其中铜片10上的焊接面101亦对应设置有两个，两个焊接面101分别与两个芯片20的连接面201对应连接，故两个芯片20
通过铜片10实现电性连接。

[0048] 进一步的扩展，若覆铜的陶瓷基板80上设置有电气结构，铜片10上的焊接面101亦能够通过焊接层30与电气结构进行焊接，实现铜片10与电气结构的电性连接。具体的是，如
图所示，芯片20设置有两个，铜片10设置有三个焊接面101，其中两个焊接面101与芯片20焊
接，另一个焊接面101与陶瓷基板80上的电气结构焊接。

[0049] 与现有技术相对比，铜或者铜合金与铝相比有更低的膨胀系数，且数值远低于传统的铝绑定线，焊接层30与连接面201以及与焊接面101均存在接触界面，如此的设置能够
大量减少接触界面之间的膨胀系数差值，确保连接面201与焊接面101之间的接触界面能够
在承受持续的温度变化时，仍然有着较高的剪切强度，大大减少因温度变化而产生的应力
变化机械疲劳，确保了芯片20与铜片10之间的连接可靠性，具有连接质量高，连接稳定性较
强的优点。

[0050] 在该实施例中，密闭空腔60内填充有凝胶。铜片10镂空设置有多个结构特征102。铜片10镂空设置能够提高铜片10整体的散热效率。在本功率模块的整体结构中，需要在结
构内填充凝胶，其中，凝胶包含凝胶，或树脂等，以提高整体结构的内部结构稳定性，应用本
连接结构时，镂空的结构特征102能够让凝胶整体通过，能够提高铜片10与凝胶的整体结合
效果，此时，固化后的凝胶能够对铜片10起到较大的定位锁紧性能，促进连接结构的内部结
构稳定性。具体的是，在该实施例中，结构特征102呈腰型孔设置。

[0051] 需要说明的是，存在多种结构用于释放应力和解决铜片高温下膨胀变形的设置，包括在铜片中间区域做V形槽等结构。

[0052] 参照图2以及图3所示，本申请还提供了一种铜片连接结构的连接方法，铜片10连接结构的连接方法包括以下步骤：

[0053] 将焊接层30放置在芯片20的连接面201上；

[0054] 将铜片10的焊接面101通过焊接层30与连接面201贴合连接，以得到待焊接的铜片10连接机构；

[0055] 将待焊接的铜片10连接机构移动至焊接工作区，并对连接面201与焊接面101进行预压紧；

[0056] 对连接面201进行焊接，得到铜片连接结构。

[0057] 与现有技术相对比，确保连接面201与焊接面101之间的接触界面能够在承受持续的温度变化时，仍然有着较高的剪切强度，大大减少因温度变化而产生的应力变化机械疲
劳，确保了芯片20与铜片10之间的连接可靠性，具有连接质量高，连接稳定性较强的优点。

[0058] 另外，铜片10与芯片20的连接，连接面201与焊接面101形成的焊接面101积较大，较大的焊接面101积同样叫能够增强功率循环的寿命。另外，铜片10的电导率相比于铝材有
一定的提高，且使用铜片10连接时，相比于铝绑定线的载流截面积有明显的提高，两方面都
会极大的提高功率产品的载流能力，降低模块的封装电阻和寄生电感。再者，当连接结构引
用于车用功率器件时，车用功率器件需要更高的功率要求，并且要求车用功率器件在更高
的工作节温下进行工作，铜片10相比于铝绑定线能适应更高的工作节温，得益于铜片10优
异的导热性能，在同等节温的下，使用铜片10连接上的芯片20的温度分布得更加均匀，整体
具备极高的使用实用性。

[0059] 反观现有技术，铝绑定线在装配过程中为了保证铝线的使用寿命，尽量会避免或者降低铝绑定线不同键合点之间的角度值，避免铝绑定线之间存在过大的角度，而铜片10
连接能够在保证不影响加工的情况下设计得更为自由，整体的适应性、能应变性较强。

[0060] 在一实施例中，对铜片10连接结构的连接方法作出进一步的细化。

[0061] 在将焊接层30放置在芯片20的连接面201上步骤时，采用胶黏剂将焊接层30固定在芯片20的连接面201上。

[0062] 示例性的，对焊接层30进行如此的定位固定，能够确保焊接层30不会移动或者漂移，避免造成焊接失效的情况发生。可扩展地，焊接层30亦可以通过其他限位固定的方式固
定在芯片20的连接面201上，在此不作进一步的限定。

[0063] 在将待焊接的铜片10连接机构移动至焊接工作区，并对连接面201与焊接面101进行预压紧步骤时，可以通过使用夹具治具70，只要能够实现连接面201与焊接面101的预压
紧即可，具体不作限制。

[0064] 进一步地扩展，在一实施例中，对铜片连接结构的结合方式采用Clip‑bonding（斜切式砌合法）。

[0065] 在一实施例中，铜片连接结构的连接方法采用烧结连接，其中，将烧结膏或烧结膜放置于芯片，或者铜片的焊接面，随后采用烧结的方式进行连接。

[0066] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0067] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

[0068] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

[0069] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0070] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0071] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0072] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平
的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施
方式。