功率模块用底板及功率模块的制作方法

本实用新型涉及一种功率模块用底板及功率模块，尤其是一种用于控制大电流或高电压的半导体装置的功率模块用底板及功率模块，属于电力电子器件及模块技术领域。

背景技术：

现有的功率模块主要是由不同材料组成的多层结构。对于常见的铜底板功率模块，其包括底板、覆铜陶瓷基板、半导体芯片、电极端子等主要部件。覆铜陶瓷基板是三明治结构，其包括陶瓷衬底和形成在其表面和背面的铜金属层。底板通过焊锡被接合在该覆铜陶瓷基板的背面铜金属层上，半导体芯片通过焊锡被接合在该覆铜陶瓷基板的表面铜金属层上，半导体芯片的电极与电极端子间一般以铝线进行布线，整体填充硅凝胶（silicone gel）等密封材料进行密封。另外一种功率模块没有覆铜陶瓷基板，它是直接在金属底板上接合半导体芯片等元件。在上述两种模块的结构中，由于各层材料属性不同，其热力学行为也不尽相同，当模块工作温度发生周期性的变化时，模块结构中各层材料由于热膨胀系数（CTE）的差异将产生热应力，引起模块焊料层发生热疲劳。对于铜底板功率模块，通常，覆铜陶瓷基板和金属底板（典型的如铜）之间的焊料层更容易发生失效，因为常用的覆铜陶瓷基板的三明治结构的中间层为氧化铝（Al₂O₃）陶瓷基板、氮化铝（AlN）陶瓷基板、氮化硅（Si₃N₄）陶瓷基板，其和铜的CTE（Al₂O₃：7 ppm/K，AlN：5.7 ppm/K，Si₃N₄：2.7 ppm/K，Cu 17 ppm/K）存在较大差别。同样对于上述第二种无覆铜陶瓷基板模块来说，半导体芯片与底板之间也存在热失配问题。因此，在高可靠性应用中，迫切需要有一种减小覆铜陶瓷基板或半导体芯片和底板之间焊料层热应力，缓解热失配的方法。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种功率模块用底板及功率模块，能够有效地降低功率模块工作时由于底板与覆铜陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片之间热膨胀系统差异产生的热应力，提高功率模块的可靠性。

按照本实用新型提供的技术方案，所述功率模块用底板，包括底板基体，其特征是：在所述底板基体的一面设有用于焊接覆铜陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片的接合层；所述接合层的材质采用热膨胀系数在覆铜陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片和功率模块用底板之间的金属基复合材料或纯金属。

进一步的，所述接合层通过冷喷涂法形成。

进一步的，所述底板基体的厚度在1毫米以上。

进一步的，所述底板基体的材料为铜、铜合金、铝、铝合金、铝碳化硅中的任意一种。

进一步的，所述接合层的材质为铝碳化硅或铜合金，铜合金中铜的质量百分含量为10%～40%；所述接合层的厚度为0.2～1.5毫米。

进一步的，所述铜合金为钼铜或钨铜。

进一步的，所述接合层的材质为镍、钨或钼，接合层的厚度为0.1～1.2毫米。

所述功率模块，其特征是：包括功率模块用底板，在功率模块用底板上方搭载覆铜陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片。

本实用新型具有以下优点：本实用新型利用冷喷涂法在底板上设置一层接合层，能够有效地降低模块工作时由于底板与覆铜陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片之间热膨胀系数（CTE）差异产生的热应力，提高了模块的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型所述功率模块用的剖面图。

图2为冷喷涂装置的示意图。

图3为用于形成接合层的掩膜的示意图。

图4为本实用新型的功率模块底板的一种示意图。

图5为本实用新型无陶瓷基板功率模块的剖面图。

图6为实施例2的流程图。

图中标号：功率模块用底板1、底板基体11、接合层12、第一焊接材料2、覆铜陶瓷基板3、表面铜层31、中间陶瓷层32、底侧铜层33、第二焊接材料4、半导体元件、功率元器件及其裸芯片50、掩膜100、掩膜开口框101、冷喷涂装置20、送粉器201、气体加热器202、喷枪203。

具体实施方式

下面结合具体附图对本实用新型作进一步说明。

以下，参照附图对本实用新型的实施方式进行详细说明。另外，本实用新型不限于以下的实施方式，在以下的说明中所参照的各图是为了能够对本实用新型的内容进行理解而概括性地对形状、大小以及位置关系进行表示。即，本实用新型不限于各图所举例所示的形状、大小以及位置关系。

实施例1：

如图1所示，本实用新型所述功率模块包括功率模块用底板1，功率模块用底板1包括底板基体11和设置在底板基体11上的接合层12，在功率模块用底板1的接合层12上经第一焊接材料2接合覆铜陶瓷基板3，在覆铜陶瓷基板3上经第二焊接材料4接合半导体元件5。所述覆铜陶瓷基板包括由上至下依次设置的表面铜层31、中间陶瓷层32和底侧铜层33，底侧铜层33由第一焊接材料2与功率模块用底板1的接合层12接合，表面铜层31由第二焊接材料4与半导体元件5接合。

所述功率模块用底板1的底板基体11起到散热和机械支撑的作用，因此需要具有良好的导热性和机械强度，优选的材料为铜、铜合金、铝、铝合金、铝碳化硅的任意一种。所述底板基体11厚度在1毫米以上。

所述功率模块用底板1上的接合层12是通过冷喷涂法所形成的，由铝碳化硅、钼铜、钨铜、铜合金、镍、钨、钼等具有良好的导热性和合适的热膨胀系数的金属基复合材料或纯金属形成。

所述的冷喷涂法是基于空气动力学与高速碰撞动力学原理的喷涂技术，其利用高压气体（如H₂、He、N₂）导入拉瓦尔喷嘴，高压气体流过拉瓦尔喷嘴喉部后将产生超音速流动，得到高速气流（300～1200 m/s），粉末颗粒（5～100微米直径）沿轴向送入气流中，经气流加速后以高速撞击基体，通过产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。在这一过程中，高压气体可以预热，以提高气流速度，从而增加粒子速度；另一方面增加粉末颗粒的碰撞温度，从而提高粒子的变形能力。由于冷喷涂工艺的粉末颗粒在整个沉积过程中温度低于其熔点，属于低温沉积、对基体的热影响小、分布均匀、涂层基本无氧化、涂层深层空隙率低、结合力好、无内应力。

冷喷涂层需要选择合适的材料，因为经第一焊接材料2接合于功率模块用底板1的一面的覆铜陶瓷基板3是由包括表面铜层31、中间陶瓷层32和底侧铜层33组成的三层结构，其具有绝缘性，作为绝缘性材料；例如，中间陶瓷层32能够使用高纯度氧化铝、氮化铝、氮化硅陶瓷等，由于高纯度氧化铝、氮化铝或氮化硅覆铜陶瓷基板的综合热膨胀系数在2.8～7ppm/k 之间，功率模块用底板1的底板基体11的热膨胀系数，如铜为17ppm/K，铝为23ppm/k，铝碳化硅为6.5～9.23ppm/k，因此冷喷涂法形成的接合层12材料的热膨胀系数应选择在覆铜陶瓷基板3和功率模块用底板1之间。另外，半导体元件5工作时，其散发的热量必须通过元件底部，传导至覆铜陶瓷基板3，再传导到功率模块用底板1，最后由散热器将热量带走。这就要求冷喷涂法形成的接合层12又要具有良好的导热性能。能同时满足以上条件的有两类材料。第一类是金属基复合材料，如铝碳化硅、钼铜、钨铜等铜合金。在这类材料中，铜的质量百分含量需要控制在10%～40%，这样，在兼顾导热的同时，金属钨和钼等元素的含量可以有效控制接合层的热膨胀系数，从而达到延长焊料层疲劳寿命的目的。根据覆铜陶瓷基板3的尺寸和厚度，接合层12的厚度可以控制在0.2～1.5毫米。第二类是纯金属，如镍、钨、钼，这类冷喷接合层的厚度可以控制在0.1～1.2毫米。

如图2所示，为本实用新型制备功率模块用底板上的接合层所使用的冷喷涂装置20，主要由送粉器201、气体加热器202、以及将提供的材料粉末喷射到底板基体11的喷枪203等组成。

当通过冷喷涂装置20形成接合层12时，在底板基体11上配置有掩膜100。掩膜100形成有与覆铜陶瓷基板3底侧铜层33大小一致的掩膜开口框101，掩膜开口框101的位置与覆铜陶瓷基板3在底板1上配合的位置一致。一方面，被提供给送粉器201的压缩气体，将送粉器201内的平均粒径为5～100μm的粉末颗粒以规定的喷出量供应至喷枪203，另一方面，压缩气体通过气体加热器202被加热后，被提供给喷枪203。压缩气体可选氮气、氦气或其混合气体等。压缩气体加热温度在50～300℃。

通过喷枪203，使被加热的压缩气体成为超音速气流，此时压缩气体的气压优选为1～5MPa。这是因为，通过将压缩气体的压力调整到这一程度，能够提高所喷涂的接合层与底板基体的附着强度。被提供给喷枪的粉末颗粒通过该压缩气体的超音速气流被加速到超音速状态，并在固相状态下高速撞击底板基体11上的掩膜开口框101区域并堆积，喷射粉末颗粒的喷枪33沿着开口框区域反复进行水平移动，由此在底板基体11上形成预定厚度的接合层12。

实施例2：功率模块的制造方法，如图6所示，包括以下步骤：

首先，将经过机械冲压和预弯处理的底板基体11通过冷喷涂方法在固定覆铜陶瓷基板3的那面（图中为上表面）形成一层接合层12，冷喷涂接合层12根据覆铜陶瓷基板3在功率模块用底板上1的位置和数目对应设置位置和数目。具体参考实施例1的冷喷涂工艺，此处不再赘述。

接着，在功率模块用底板1表面形成镍电镀层。在该镍电镀中，能够使用电解电镀或无电解电镀中的任一种方法。

然后，在电镀后的功率模块用底板1的接合层12上设置第一焊接材料2，并在第一焊接材料2上放置覆铜陶瓷基板3，接着在覆铜陶瓷基板3上设置第二焊接材料4并在第二焊接材料4上再放置半导体元件5，最后在焊接炉内进行焊接接合。也可分两步焊接，即：第一步，预先在覆铜陶瓷基板3上放置高温的第二焊接材料4和半导体元件5并在焊接炉内进行焊接接合；第二步，通过较低熔点的第一焊接材料2将覆铜陶瓷基板3（其上已经焊好半导体元件5）和功率模块用底板1焊接。焊接材料主要是锡基、铅基等的软钎焊料，焊料设置在接合层12和覆铜陶瓷基板3表面上的方法，使用现有常规的各种方法。例如，可以将包含有助焊剂的膏状焊料通过丝网印刷法涂覆在接合层12和覆铜陶瓷基板3上。另外，也可以将片状的固体焊料置于接合层12和覆铜陶瓷基板3上。半导体元件5由IGBT（绝缘栅双极晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）、二极管等半导体元件实现。半导体元件5可以根据使用目的不同在覆铜陶瓷基板3上设置一个或多个。

实施例3：

如图5所示，为无覆铜陶瓷基板功率模块，该功率模块主要包括功率模块用底板1，功率模块用底板1包括底板基体11和设置在底板基体11上的接合层12；在接合层12上经第一焊接材料2接合功率元器件及其裸芯片50。该功率模块用底板1的制造方法参见实施例1，在此不再赘述。

实施例4：

实施例3所述功率模块的制造过程如下：

首先，在底板基体11上冷喷涂接合层12，然后在底板1上做镍电镀，这里可以需要根据需要做底板1的局部电镀或整体电镀，例如对于绝缘金属基板来说，可做局部电镀，即只在接合层上做镍电镀。

镍电镀完成后，在接合层上放置第一焊接材料2和功率元器件及其裸芯片50，最后在焊接炉内进行焊接接合。

本实用新型已经图解并描述了本实用新型的特定实施例，但本实用新型要求保护的权利范围并不限于此，利用了本实用新型的基本概念，所属技术领域的技术人员进行的各种变形以及改善，仍属于本实用新型请求的权利范围。