一种免焊接模块封装结构

摘要

本发明公开了一种免焊接模块封装结构，属于电力电子芯片封装技术领域，包括模块主体和散热器，模块主体包括绝缘压板和复合基板，绝缘压板包括压板部和设有第一微米线的连接部，复合基板包括陶瓷基底，陶瓷基底一侧的板面上设有第二微米线和电连铜层，第一微米线和第二微米线静摩擦连接，压板部和电连铜层之间通过绝缘压块和PCB电路板压紧有芯片组件，芯片组件与PCB电路板和电连铜层电连，陶瓷基底另一侧的板面上设有第三微米线，散热器的导热面上设有用于与第三微米线静摩擦连接的第四微米线。采用微米线互联方式替代传统焊接工艺，能够有效避免焊接过程中的热应力和形变翘曲等负面影响，以及高温对芯片造成损坏，可实现低热阻、高功率循环可靠性。

权利要求

1.一种免焊接模块封装结构，其特征在于，包括模块主体和散热器，所述模块主体包括绝缘压板和设有功率端子的复合基板，所述绝缘压板包括压板部和设有第一微米线的连接部，所述复合基板包括陶瓷基底，所述陶瓷基底一侧的板面上设有第二微米线和电连铜层，所述第一微米线和所述第二微米线静摩擦连接，所述压板部和所述电连铜层之间通过绝缘压块和PCB电路板压紧有芯片组件，所述芯片组件与所述PCB电路板和所述电连铜层电连，所述PCB电路板上设有驱动测试端子，所述陶瓷基底另一侧的板面上设有第三微米线，所述散热器的导热面上设有用于与所述第三微米线静摩擦连接的第四微米线。

2.根据权利要求1所述的一种免焊接模块封装结构，其特征在于，所述绝缘压板为U形压板，所述第一微米线位于所述U形压板的开口端，所述U形压板的闭口端与所述绝缘压块和所述PCB电路板贴合。

3.根据权利要求1所述的一种免焊接模块封装结构，其特征在于，所述PCB电路板上设有与所述压板部贴合的垫块和供所述绝缘压块穿过的压块过孔。

4.根据权利要求3所述的一种免焊接模块封装结构，其特征在于，所述芯片组件包括芯片压板、发射极压片、功率芯片以及绝缘垫板，所述芯片压板包括压紧部和电连部，所述绝缘压块、所述压紧部、所述发射极压片、所述功率芯片以及所述绝缘垫板依次压紧在所述压板部和所述电连铜层之间，所述电连部和所述电连铜层贴合，所述发射极压片上设有与所述PCB电路板贴合的栅极压片。

5.根据权利要求4所述的一种免焊接模块封装结构，其特征在于，所述第一微米线、所述第二微米线、所述第三微米线以及所述第四微米线内均设有石墨烯微米线。

6.根据权利要求5所述的一种免焊接模块封装结构，其特征在于，所述功率端子包括AC侧功率端子和DC侧功率端子，所述DC侧功率端子和所述AC侧功率端子通过超声焊接与所述电连铜层连接。

7.根据权利要求1所述的一种免焊接模块封装结构，其特征在于，所述模块主体通过塑封外壳封装。

8.根据权利要求1所述的一种免焊接模块封装结构，其特征在于，所述散热器上设有供冷却液通过的散热通道。

9.根据权利要求8所述的一种免焊接模块封装结构，其特征在于，所述散热器包括上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体通过榫卯结构连接。

10.根据权利要求9所述的一种免焊接模块封装结构，其特征在于，所述下壳体和所述上壳体上对应设有用于形成散热通道的矩阵插块和矩阵插槽，所述矩阵插块和所述矩阵插槽之间留有微流通道，相邻两个所述散热通道通过所述微流通道连通，所述微流通道内生长有纳米线。

说明书

一种免焊接模块封装结构

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子芯片封装技术领域，特别是涉及一种免焊接模块封装结构。

背景技术

[0002] 在传统电力电子功率模块封装体系中，芯片、覆铜陶瓷基底以及散热器的连接主要通过回流焊接工艺实现，芯片的电连接的主要通过键合工艺实现，如专利号为“202210248897.4”，专利名称为“一种自动温度控制的IGBT模块封装结构”所公开的发明专利即采用了焊接工艺。目前来说，上述两个工艺均存在诸多问题，焊接工艺容易存有残余应力，残余应力容易导致低的功率循环可靠性，焊接层具有质量不易控制，热阻大等缺陷，而且后期焊料层往往是模块失效发生的位置，焊接过程的高温容易对芯片造成损坏，而键合工艺中键合线与芯片表面连接面积小，键合点易老化断裂，同时引入高的杂散电感，无法适用于宽禁带半导体。

发明内容

[0003] 本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种免焊接模块封装结构，绝缘压板、复合基板以及散热器通过微米线互联，芯片组件通过绝缘压板、复合基板压紧互联，替代了传统焊接工艺，实现了免焊接的连接工艺，能够有效避免焊接过程中的热应力和形变翘曲等负面影响，以及焊接过程的高温对芯片造成损坏，可实现低热阻、高功率循环可靠性。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明公开了一种免焊接模块封装结构，其特征在于，包括模块主体和散热器，所述模块主体包括绝缘压板和设有功率端子的复合基板，所述绝缘压板包括压板部和设有第一微米线的连接部，所述复合基板包括陶瓷基底，所述陶瓷基底一侧的板面上设有第二微米线和电连铜层，所述第一微米线和所述第二微米线静摩擦连接，所述压板部和所述电连铜层之间通过绝缘压块和PCB电路板压紧有芯片组件，所述芯片组件与所述PCB电路板和所述电连铜层电连，所述PCB电路板上设有驱动测试端子，所述陶瓷基底另一侧的板面上设有第三微米线，所述散热器的导热面上设有用于与所述第三微米线静摩擦连接的第四微米线。

[0005] 优选地，所述绝缘压板为U形压板，所述第一微米线位于所述U形压板的开口端，所述U形压板的闭口端与所述绝缘压块和所述PCB电路板贴合。

[0006] 优选地，所述PCB电路板上设有与所述压板部贴合的垫块和供所述绝缘压块穿过的压块过孔。

[0007] 优选地，所述芯片组件包括芯片压板、发射极压片、功率芯片以及绝缘垫板，所述芯片压板包括压紧部和电连部，所述绝缘压块、所述压紧部、所述发射极压片、所述功率芯片以及所述绝缘垫板依次压紧在所述压板部和所述电连铜层之间，所述电连部和所述电连铜层贴合，所述发射极压片上设有与所述PCB电路板贴合的栅极压片。

[0008] 优选地，所述第一微米线、所述第二微米线、所述第三微米线以及所述第四微米线内均设有石墨烯微米线。

[0009] 优选地，所述功率端子包括AC侧功率端子和DC侧功率端子，所述DC侧功率端子和所述AC侧功率端子通过超声焊接与所述电连铜层连接。

[0010] 优选地，所述模块主体通过塑封外壳封装。

[0011] 优选地，所述散热器上设有供冷却液通过的散热通道。

[0012] 优选地，所述散热器包括上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体通过榫卯结构连接。

[0013] 优选地，所述下壳体和所述上壳体上对应设有用于形成散热通道的矩阵插块和矩阵插槽，所述矩阵插块和所述矩阵插槽之间留有微流通道，相邻两个所述散热通道通过所述微流通道连通，所述微流通道内生长有纳米线。

[0014] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

[0015] 1.本发明的免焊接模块封装结构具有免焊接、免键合、集成驱动板等特点，可实现低热阻、低寄生电感、高功率循环可靠性，可承受高浪涌电流，适用于宽禁带器件。

[0016] 2.本发明通过绝缘压板、复合基板以及散热器通过微米线互联，替代了传统焊接工艺，实现了免焊接的连接工艺，能够有效避免焊接过程中的热应力和形变翘曲等负面影响，以及焊接过程的高温对芯片造成损坏。

[0017] 3.本发明通过将PCB电路板集成于模块内部，可实现极低的栅极延迟和杂感，保障并联芯片的同步。

[0018] 4.本发明的芯片组件中电连铜层与芯片压板接触，芯片压板被绝缘压块压紧在功率芯片上，实现功率芯片和电连铜层的压电连，发射极压片通过栅极压片与PCB电路板压紧，实现了功率芯片和PCB电路板的电连，通过这种压紧压紧接触电连接方式，替代了键合线电连接方式，实现了免键合电连接工艺，不仅连接面积大，能够承受高浪涌电流，而且具有低寄生电感特性。

[0019] 5.本发明的模块主体通过塑封外壳封装，可提供绝缘、支撑和保护的功能。

[0020] 6.本发明的散热器内设有连通散热通道的微流通道，并在微流通道内生长有纳米线，可增大散热器与冷却液的接触积。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0022] 图1为免焊接模块封装结构的立体结构图；

[0023] 图2为免焊接模块封装结构的爆炸图；

[0024] 图3为免焊接模块封装结构的内部结构图；

[0025] 图4为绝缘压板、复合基板以及散热器的立体连接关系图；

[0026] 图5为绝缘压板、复合基板以及散热器的正视连接关系图；

[0027] 图6为绝缘压块、芯片组件以及复合基板的立体连接关系图；

[0028] 图7为绝缘压块、芯片组件以及复合基板的正视连接关系图；

[0029] 图8为图7的局部放大图；

[0030] 图9为PCB电路板的立体结构图；

[0031] 图10为复合基板的立体结构图；

[0032] 图11为散热器的外部结构图；

[0033] 图12为散热器的内部结构放大图；

[0034] 图13为微米线立体结构图。

[0035] 附图标记说明：1、塑封外壳；2、绝缘压板；3、PCB电路板；4、绝缘压块；5、驱动测试端子；6、芯片压板；7、发射极压片；8、栅极压片；9、功率芯片；10、绝缘垫板；11、电连铜层；12、陶瓷基底；13、上壳体；14、下壳体；15、AC侧功率端子；16、DC侧功率端子；17、第一微米线；18、第二微米线；19、垫块；20、压块过孔；21、散热通道；22、榫卯结构；23、矩阵插块；24、矩阵插槽；25、微米凸起；26、纳米线；27、第三微米线；28、第四微米线。

具体实施方式

[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0037] 本实施例提供了一种免焊接模块封装结构，如图1至图13所示，包括模块主体和散热器。模块主体包括绝缘压板2和复合基板，复合基板上设有功率端子。绝缘压板2包括压板部和连接部，连接部上设有第一微米线17。复合基板包括陶瓷基底12，陶瓷基底12一侧的板面上设有第二微米线18和电连铜层11，陶瓷基底12另一侧的板面上设有第三微米线27，陶瓷基底12上表面通过高温热熔的方式与电连铜层11结合形成复合基板，电连铜层11可根据电路设计刻蚀相应的图案，电连铜层11图案化用于实现预定的电气连接功能，陶瓷基底12用于绝缘。散热器的导热面上设有第四微米线28。绝缘压板2的连接部和陶瓷基底12通过第一微米线17、第二微米线18连接，具体的第一微米线17和第二微米线18接触后，便会相互交错产生摩擦力，实现静摩擦连接。散热器和陶瓷基底12通过第四微米线28和第三微米线27连接，具体的第一微米线17和第二微米线18接触后，便会相互交错产生摩擦力，实现静摩擦连接。第一微米线17、第二微米线18、第三微米线27以及第四微米线28的结构参考图13所示，微米线由若干的微米凸起25组成，微米线的微米凸起25和微米钱的微米凸起25交错插入，利用微米凸起25之间的摩擦力，便会实现机械连接。绝缘压板2的压板部和电连铜层11之间通过PCB电路板3和绝缘压块4压紧有芯片组件，芯片组件与PCB电路板3和电连铜层11电连，PCB电路板3上设有驱动测试端子5，驱动测试端子5通过超声焊接于PCB电路板3指定位置的铜箔上。绝缘压块4材质为绝缘高分子材质，例如聚酰亚胺等，聚酯树脂，醛酚树脂，环氧树脂类材料。绝缘压板2、复合基板以及散热器通过微米线互联，芯片组件通过绝缘压板2、复合基板压紧互联，替代了传统焊接工艺，避免焊接过程中的热应力和形变翘曲等负面影响，以及焊接过程的高温对芯片造成损坏，可实现低热阻、高功率循环可靠性，适用于宽禁带器件。

[0038] 本实施例中，如图1至图13所示，绝缘压板2为U形压板，第一微米线17位于U形压板的开口端，即第一微米线17位于U形压板两个支臂的端头上。U形压板的闭口端则与绝缘压块4和PCB电路板3贴合，以将芯片组件压紧在电连铜层11上。

[0039] 进一步，本实施例中，如图1至图13所示，PCB电路板3上设有垫块19和压块过孔20。垫块19与压板部贴合，即与U形压板的闭口端贴合，用于承受绝缘压板2的压力，并传导给芯片组件，作为优选地垫块19设置在PCB电路板3的四个角上。压块过孔20供绝缘压块4通过，压块过孔20数量与绝缘压块4的数量一致，参考图6设置有八个绝缘压块4，因此便有八个压块过孔20，如图9所示。以上数量参数只是优选方式，其数量可以根据实际需求进行改变。
PCB电路板3上刻蚀有制定图案的铜箔。将PCB电路板3集成于模块内部，可实现极低的栅极延迟和杂感，保障并联芯片的同步。

[0040] 本实施例中，如图1至图13所示，芯片组件包括芯片压板6、发射极压片7、功率芯片9以及绝缘垫板10。芯片压板6包括压紧部和电连部。当绝缘压板2连接在陶瓷基底12上时，绝缘压板2的压板部(U形压板的闭口端)会依次将绝缘压块4、芯片压板6的压紧部、发射极压片7、功率芯片9以及绝缘垫板10压紧在电连铜层11上，与此同时绝缘压板2的电连部和电连铜层11贴合，电连铜层11与芯片压板6接触，芯片压板6与功率芯片9接触，继而实现功率芯片9和电连铜层11的电连。芯片压板6材质为高导电率、高导热率以及高的延展性，例如铜等，采用芯片压板6可降低寄生电感，通过仿真证明，该结构相比传统键合线可降低20%的寄生电感。发射极压片7上设有栅极压片8，绝缘压板2连接在陶瓷基底12上时，绝缘压板2的压板部会依次将PCB电路板3、栅极压片8压紧，PCB电路板3与栅极压片8接触，发射极压片7与功率芯片9接触，继而实现功率芯片9和PCB电路板3的电连。发射极压片7、栅极压片8具有高熔点、高弹性模量、好的高温稳定性、高导热系数、低电阻率和高的延展性，用于承受施加在芯片上的压力，传热，电连接。可选材料包括但不限于钼，钨，铼钼合金等高导热、高延展性高稳定的金属材料。本芯片组件采用了压紧接触电连接方式，替代了键合线电连接方式，不仅连接面积大，可承受高浪涌电流，适用于宽禁带器件。

[0041] 进一步，本实施例中，如图1至图13所示，第一微米线17、第二微米线18、第三微米线27以及第四微米线28均为石墨烯微米线。其中陶瓷基底12用来与散热器连接的一面满布第三微米线27。预制时，先在陶瓷基底12用来与散热器连接的一面预制石墨烯单晶用于辅助生长石墨烯，然后将陶瓷基底12放置于生长腔室中，将陶瓷基底12加热至预设温度，并在生长腔室中引入催化气体，在生长腔室中通入碳源，石墨烯将优先沉积于预制石墨烯单晶周围，且生长速度高于周边，最终形成第三微米线27。在陶瓷基底12另一侧表面的两侧采用同样方法生长石墨烯微米线形成第二微米线18。第一微米线17和第四微米线28生成方式参考上述形成过程即可。

[0042] 本实施例中，如图1至图13所示，功率端子包括AC侧功率端子15和DC侧功率端子16，DC侧功率端子16和AC侧功率端子15通过超声焊接与电连铜层11连接，实现机械与电气连接。作为优选地，DC侧功率端子16和AC侧功率端子15分设在电连铜层11的两端。

[0043] 进一步，本实施例中，如图1至图13所示，功率芯片9包括四组芯片，上、下半桥各包括两组（IGBT芯片+FRD芯片）。当然根据实际需要，可增加或减少功率芯片9组数。

[0044] 本实施例中，如图1至图13所示，模块主体通过塑封外壳1进行封装。塑封外壳1通过模具塑封成型，包裹功率模块主体，提供绝缘、支撑和保护的功能。

[0045] 本实施例中，如图1至图13所示，散热器上设有供冷却液通过的散热通道21。

[0046] 进一步，本实施例中，如图1至图13所示，散热器包括上壳体13和下壳体14，上壳体13和下壳体14通过榫卯结构22(榫头和榫槽)连接。装配时建议下壳体14冷却至0℃，使下壳体14上的榫头和榫槽结构体积缩小，上壳体13更易与下壳体14装配，装配后恢复至室温，可形成更加紧密的配合。

[0047] 进一步，本实施例中，如图1至图13所示，下壳体14和上壳体13上对应设有矩阵插块23和矩阵插槽24，将下壳体14和上壳体13连接后，矩阵插块23会插入矩阵插槽24中，矩阵插块23和矩阵插槽24会组成一道道散热通道21。矩阵插块23短于矩阵插槽24，继而在矩阵插块23插入矩阵插槽24中之后，矩阵插块23和矩阵插槽24之间留有微流通道，相邻两个散热通道21通过微流通道连通，微流道内生长有纳米线26。纳米线26可以增大散热器与冷却液的接触面积，提高散热效果，经过有限元仿真验证，相同功耗条件下，相比传统Pin‑Fin结构散热能力提高25%。下壳体14、上壳体13以及矩阵插块23材料为导电性优良的金属材料，例如银，铜等。

[0048] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。