IGBT模组及其制造方法与流程

本发明涉及半导体器件领域，具体地说，是涉及一种散热性能好的igbt散热板及igbt模组的制造方法。

背景技术：

igbt(insulatedgatebipolartransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由一种由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，作为一种常见的电子器件已经广泛应用在各种电子设备上。随着变频器等高电流电子设备的发展，对igbt芯片的性能提出了更高的要求，例如要求igbt芯片承受更高的电流等，但是随着igbt芯片承受的电流的增加，其工作时产生的热量也不断增加，如果不及时将igbt芯片产生的热量散发，将严重影响igbt芯片的工作，甚至影响电路板上其他电子器件的工作，因此，具有高散热能力的igbt模组已经成为业界共同追求的目标。

现有的igbt芯片通常封装在电路板上，通常，电路板一侧设有散热板，为了实现散热板的绝缘，通常在散热板的一侧设置陶瓷片，而igbt芯片的一部分引脚，如门极和发射极通常通过贴片工艺封装在陶瓷片上，而集电极则往往通过金属导线连接至电路板的线路上。由于金属导线截面直径较小，电流导通能力较差，往往不能承受较大的电流，从而限制了igbt模组的电流承受能力。

此外，由于现有的igbt模组中，igbt芯片直接贴装在陶瓷片上，igbt模组的散热能力不足，且igbt模组承受的最大电压、最大电流也受到限制，导致igbt模组的耐压、散热能力不能满足电子设备的要求。

技术问题

本发明的第一目的是提供一种散热性能好且能够承受较大电流的igbt模组。

本发明的第二目的是提供一种上述igbt模组的制造方法。

技术解决手段

为了实现上述的第一目的，本发明提供的igbt模组包括散热基板，散热基板内嵌埋有第一陶瓷散热体，且散热基板的表面上设有第一线路层，igbt芯片的第一侧贴装在第一线路层上；其中，igbt芯片的第二侧设有导热金属板，且第一线路层的一侧设有带第一通孔的第一散热板，igbt芯片及导热金属板位于第一通孔内，第一散热板远离igbt芯片的一侧设有第二线路层，且第二线路层设置在导热金属板的一侧；第二线路层远离igbt的一侧上设有第二陶瓷散热体以及带第二通孔的第二散热板，第二陶瓷散热体位于第二通孔内，第二散热板上还设有第三线路层；第一散热板与散热基板之间、第一散热板与第二散热板之间均填充有有机绝缘介质。

一个优选的方案是，第一线路层的一侧还设有带有散热片的ic芯片，ic芯片及散热片位于第二通孔内，且一个第二通孔内具有一个igbt芯片或者一个ic芯片。

进一步的方案是，导热金属板设置在igbt芯片的集电极上，igbt芯片的门极以及发射极贴装在第一线路层上。

进一步的方案是，第一散热板和/或第二散热板包括玻璃纤维板，玻璃纤维板的两侧均设有第一金属层。

更进一步的方案是，第一陶瓷散热体和/或第二陶瓷散热体包括一个陶瓷体，陶瓷体的两侧均设有第二金属层。

更进一步的方案是，导热金属板的厚度大于第二线路层的厚度，且有机绝缘介质为聚丙烯或者环氧树脂或者硅烷。

为实现上述的第二目的，本发明提供的igbt模组的制造方法包括制造散热基板，散热基板内嵌埋有第一陶瓷散热体，且散热基板的表面上形成有第一线路层；并且，将igbt芯片贴装在导热金属板上，然后将贴装导热金属板的igbt芯片贴装在第一线路层上，使igbt芯片的两个相对的表面分别贴装在导热金属板与第一线路层上；在第一线路层上放置第一半固化片以及带有第一通孔的第一散热板，使igbt芯片及导热金属板位于第一通孔内，将第一散热板、第一半固化片与散热基板压合，并在第一散热板与导热金属板上电镀第一金属层并蚀刻形成第二线路层，形成中间产品；在第二线路层上贴装第二陶瓷散热体，并且在第二线路层上放置第二半固化片以及带有第二通孔的第二散热板，使第二陶瓷散热体位于第二通孔内，将中间产品、第二固化片与第二陶瓷散热体压合，并在第二散热板与第二陶瓷散热体上电镀第二金属层并蚀刻形成第三线路层。

一个优选的方案是，在第一线路层上放置第一半固化片前，在散热片上贴装ic芯片；在第一线路层上放置第一半固化片以及带有第一通孔的第一散热板后，使ic芯片位于第一通孔内。

进一步的方案是，将igbt芯片贴装在导热金属板上包括：将二个以上的igbt芯片贴装在一块导热金属板上，并且将导热金属板切割，使切割后的一块导热金属板上贴装有一个igbt模组。

更进一步的方案是，将igbt芯片贴装在导热金属板时，将igbt芯片的集电极贴装在导热金属板上；将igbt芯片贴装在第一线路层时，将igbt芯片的门极以及发射极贴装在第一线路层上。

更进一步的方案是，将第一散热板、第一半固化片与散热基板压合后，将压合后的板面进行打磨处理后，再在第一散热板与导热金属板上电镀第一金属层。

更进一步的方案是，将中间产品、第二固化片与第二陶瓷散热体压合后，将压合后的板面进行打磨处理后，再在第二散热板与第二陶瓷散热体上电镀第二金属层。

有益效果

由于本发明提供的igbt模组中，igbt芯片的一个表面贴装在第一线路层上，而另一个表面是贴装在一块导热金属板上，且导热金属板上形成有第二线路层，这样igbt芯片的管脚不需要通过金属导线连接至线路层上，由于导热金属板的电流承受能力比金属导线的电流承受能力大很多，因此这种设计方案能够大大提高igbt模组的电流承受能力。

并且，由于igbt芯片是嵌埋在散热基板与第一散热板之间，并且由于散热基板与第一散热板之间还填充有有机绝缘介质，这样igbt芯片的四周将被有机绝缘介质包围，且有机绝缘介质的耐压能力很高，使得igbt模组能够承受高达40kv的高压，大大提高了igbt模组的耐压能力。

此外，由于igbt芯片的一个表面分别经过第一线路层连接到散热基板，而另一个表面则直接贴装到导热金属板上，igbt芯片产生的热量能够及时通过散热基板以及导热金属板散热，避免igbt芯片上积聚大量的热量，提高igbt模组的散热性能。

并且，igbt芯片的集电极贴装在导热金属板上，而门极以及发射极贴装在第一线路层上，由于在贴装时门极与发射极较容易定位，这样可以降低将igbt芯片贴装在第一线路层上的难度，降低igbt模组的制造难度。此外，由于集电极上的电流通常较大，本发明可以通过增加第二线路层的金属层厚度的方法来增加流经igbt芯片的电流，从而提高igbt模组的导电能力。

另外，在igbt模组内还可以设置ic芯片，且ic芯片可以设置在第一散热板的第一通孔内，这样可以根据不同型号的igbt模组的生产要求需要，设计包含ic芯片的igbt模组。

此外，由于在第一散热板、第一半固化片与散热基板压合后将压合后的板面进行打磨处理后，可以将压合时第一半固化片所形成的流出板面的有机绝缘介质磨去，避免有机绝缘介质留在板面上而影响后续的工序。并且，由于将导热金属片的厚度设计得比较后，如大于或者等于0.6毫米的厚度，这样可以避免在打磨时将导热金属板磨得过薄而影响igbt芯片的散热。

附图说明

图1是本发明igbt模组第一实施例的剖视图。

图2是本发明igbt模组制造方法第一实施例制造过程中的第一状态的剖视图。

图3是本发明igbt模组制造方法第一实施例制造过程中的第二状态的剖视图。

图4是本发明igbt模组制造方法第一实施例制造过程中的第三状态的剖视图。

图5是本发明igbt模组制造方法第一实施例制造过程中的第四状态的剖视图。

图6是本发明igbt模组制造方法第一实施例制造过程中的第五状态的剖视图。

图7是本发明igbt模组制造方法第一实施例制造过程中的第六状态的剖视图。

图8是本发明igbt模组第二实施例的剖视图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施方式

第一实施例：

本发明的igbt模组具有一块散热基板，在散热基板上贴装有igbt芯片，且igbt模组还设有两块散热板，igbt芯片嵌埋在散热基板与一块散热板之间，且igbt模组外还填充有有机绝缘介质，以提高igbt芯片的绝缘性能。

如图1所示，散热基板10包括有位于最下端的线路层11，线路层11上形成线路的图案，优选地，线路层11由铜箔蚀刻而成。需要说明的是，本发明所指的方向“上”、“下”是以图1至图8所示的方向说明，但不应理解为对本发明的限定。

如图2所示，散热基板10除了设置线路层11，还包括多个陶瓷散热体16以及两层散热板12，其中两层散热板12分别位于散热基板10的上下两侧，每一层散热板12上均设有多个通孔，陶瓷散热体16位于两层散热板12的通孔内。并且，两层散热板12并不相邻，两层散热板12之间填充有有机绝缘介质19，优选的，有机绝缘介质为聚丙烯材料。需要说明的是，图1至图8中，没有填充剖面线的地方为有机绝缘介质。

每一个陶瓷散热体16包括一个陶瓷体17，陶瓷体17为氮化铝陶瓷体或者氧化铝陶瓷体，在陶瓷体17的上下表面均设有覆铜层18，因此，陶瓷散热体16是一个双面覆铜的陶瓷散热体。当然，陶瓷体17的上下表面也可以形成其他金属构成的金属层，如由铝等金属构成的金属层。

在散热基板10的一侧设有线路层20，本实施例中，线路层20设置在与线路层11相对的表面上。优选的，线路层20可以是通过覆铜并且蚀刻形成线路图案，从而形成线路层20。此外，在线路层20上形成多个焊盘，以便于igbt芯片30贴装在线路层20上。

本实施例中，线路层20上贴装有多个igbt芯片30，每一个igbt芯片30包括一个集电极31、门极32以及发射极33，图1中，集电极31位于igbt芯片30的上方，且igbt芯片30的上方设有导热金属板28，因此集电极31通过一块锡膏26贴装在导热金属板28上方，而门极32以及发射极33则通过锡膏27贴装在线路层20的焊盘上。优选的，贴在集电极31与导热金属板30之间的锡膏26是一块高温锡膏，而贴在门极32与线路层20之间的锡膏、贴在发射极33与线路层20之间的锡膏27是低温锡膏。并且，本实施例中，导热金属板28的面积大于igbt芯片30的面积。当然，实际制造时，也可以将igbt芯片反过来放置，即igbt芯片的集电极贴装在线路层20上，而门极与发射极贴装在导热金属板上。

在线路层20的上方还设有散热板36，散热板36包括一块玻璃纤维板37，并且玻璃纤维板37的上下表面均设有金属层38，如覆铜层。此外，散热板36上开设有多个通孔35，且每一个通孔的横截面积需要大于导热金属板28的面积，以便于igbt芯片30以及导热金属板28能够套设在通孔35内。在散热板36与线路层20之间填充有有机绝缘介质19，如聚丙烯。这样，igbt芯片30的四周将被有机绝缘介质19包围，由于有机绝缘介质19具有很强的耐高压能力，使得igbt模组能够承受高达40kv的高压。

从图1可见，散热板36的上表面与导热金属板28的上表面平齐，并且散热板36与导热金属板28的上方设有线路层40，线路层40是在散热板36与导热金属板28的上方经过电镀一层铜箔后蚀刻形成的线路图案。优选的，导热金属板28的厚度较大，如导热金属板28的厚度为0.6毫米。从图1可见，导热金属板28的厚度远大于线路层40的厚度。

在线路层40上设有多个陶瓷散热体45，每一个陶瓷散热体45均具有一个陶瓷体46，在陶瓷体46的上下表面设置有金属层47，如覆铜层，且陶瓷散热体46通过一块锡膏48贴装在线路层40上，优选的，锡膏48是一块高温锡膏。在线路层40远离igbt芯片30的一侧，即线路层40的上方还设有散热板50，散热板50的结构与散热板36的结构相同，即散热板50也具有玻璃纤维板51，在玻璃纤维板51的上下表面具有金属层52，如覆铜层，并且在散热板50上设置多个通孔53，每一个通孔的横截面积需要大于陶瓷散热体45的面积，以便于陶瓷散热体45位于通孔53内。

并且，散热板50与线路层40之间具有间隙，且在散热板50与线路层40之间填充有有机绝缘介质19，如聚丙烯。这样，多个陶瓷绝缘体45之间也填充有有机绝缘介质19，从而提高igbt模组的绝缘性能。

优选的，散热板50的上表面与陶瓷散热体45的上表面平齐，以便于在散热板50的上表面与陶瓷散热体45的上表面上镀铜并且蚀刻形成线路层55。可见，igbt模组一共设有四层线路层，分别是线路层11、线路层20、线路层40以及线路层50，其中线路层20与线路层40之间可以通过igbt芯片30实现电连接。

下面结合图2至图7介绍igbt模组的制造流程。首先，制造一块散热基板，散热基板的结构如图2所示。制造散热基板10时，首先在两块散热板12上开设通孔，在两块散热板12之间放置带有通孔的半固化片，然后将陶瓷散热体16放置到通孔内，将两块散热板12以及陶瓷散热体16高温压合，使半固化片熔化并且形成有机绝缘介质19。有机绝缘介质19可以是聚丙烯，也可以是硅烷或者环氧树脂等。最后在压合后的板材上下两个表面镀铜并且蚀刻分别形成线路层11和线路层20，优选的，线路层20上设有多个焊盘。

制造散热基板10的同时，还需要制造带有导热金属板的igbt芯片。如图3所示，将多个igbt芯片30通过smt贴片工艺贴装在一块导热金属板25上，优选的，导热金属板25是一块厚度较大的铜片，优选的，导热金属板25的厚度大于0.6毫米。

将多个igbt芯片30贴装在导热金属板25后，将导热金属板25进行切割，如图4所示，使得切割以后的导热金属板28上仅贴装有一个igbt芯片30，并且，igbt芯片30的集电极31通过一块锡膏26贴装在导热金属板28上。优选的，贴装在igbt芯片30上的导热金属板28的面积大于igbt芯片30上表面的面积。

然后，如图5所示，将带有导热金属板28的igbt芯片30贴装在散热板10的线路层20上，优选的，线路层20上设置有多个焊盘，igbt芯片30的门极32以及发射极33通过锡膏27贴装在线路层20的焊盘上。

接着，如图6所示，将带有通孔的半固化片放置在线路层20上，然后将带有通孔35的散热板36放置在半固化片上，并且使igbt芯片30位于通孔内，且一个igbt芯片30位于一个通孔内。然后，将散热基板10、半固化片以及散热板36进行高温压合，从而使得半固化片熔化并且形成有机绝缘介质19，这样igbt芯片30的四周被有机绝缘介质19所包围。

由于高温压合过程中，半固化片熔化形成有机绝缘介质19时会导致散热板36、导热金属板28的上表面粘有少量的有机绝缘介质，因此，需要对散热板36、导热金属板28的上表面进行打磨处理，以磨去粘在散热板36、导热金属板28的上表面的有机绝缘介质19，并且使得散热板36、导热金属板28的上表面平整。然后，在散热板36、导热金属板28的上表面电镀一层铜箔并且对铜箔进行蚀刻形成线路层40，形成中间产品。

接着，将多个陶瓷散热体45贴装在中间产品上，即贴装在线路层40上，如图7所示，每一个陶瓷散热体45通过锡膏48贴装在线路层40上。然后，将带有通孔的半固化片放置在线路层40上，再将带有通孔53的散热板50放置在半固化片上，使陶瓷散热体45位于通孔内。将中间产品、半固化片以及散热板50进行高温压合，使半固化片熔化形成有机绝缘介质19。

最后，对散热板50以及陶瓷散热体45的上表面进行打磨处理，以磨去散热板50以及陶瓷散热体45的上表面残留的有机绝缘介质19，并且使散热板50以及陶瓷散热体45的上表面平整。然后在散热板50以及陶瓷散热体45的上表面电镀铜箔并且对铜箔进行蚀刻形成线路层55，完成igbt模组的制造。

由于igbt芯片30的集电极31通过导热金属板28与线路层40连接，而门极32、发射极33贴装在线路层20上，因此igbt芯片30的封装不需要通过金属导线与线路层进行连接，如集电极31可以通过导热金属板28与线路层40进行电连接。由于导热金属板28承受较大的电流，其电流承受能力远远大于金属导线的电流承受能力，因此本实施例可以大大提高igbt模组承受电流的能力。且相比起需要在igbt芯片30上焊接金属导线的igbt模组，本实施例的igbt模组的制造工艺更加简单，制造成本更低。

此外，由于igbt芯片30的四周被有机绝缘介质19所包围，且有机绝缘介质19能够承受较高的电压，使得igbt模组能够承受高达40kv的电压。且igbt芯片30的上下两端分别设有散热基板10以及散热板36，且散热基板10内设有陶瓷散热体16，而散热板36上方也设有陶瓷散热体46，可以快速的将igbt芯片30所产生的热量散发，提高igbt模组的散热性能。

上述实施例中，igbt模组内仅嵌埋有igbt芯片，实际应用时，igbt模组还可以嵌埋有ic芯片。

第二实施例：

参见图8，本实施例的igbt模组具有散热基板60，散热基板60包括两块散热板62，每一块散热板62上均设有通孔，陶瓷散热体63设置在通孔内。且两块散热板62之间填充有有机绝缘介质65。并且，散热基板60的下表面形成有线路层61，上表面形成有线路层64，优选的，线路层64上设有多个焊盘。

在线路层64上贴装有至少一个igbt芯片68，还贴装有至少一个ic芯片75，优选的，igbt芯片68的门极以及发射极通过锡膏贴装在线路层64的焊盘上，并且igbt芯片68的集电极通过锡膏贴装在一块导热金属板69上，因此，图8中导热金属板69位于igbt芯片68的上方。

ic芯片75的部分引脚通过锡膏贴装在线路层40的焊盘上，另一部分引脚则贴装在一块散热片76上，优选的，散热片76可以是一块rf4片材，其包括玻璃纤维板以及位于玻璃纤维板上下表面的金属层，且ic芯片75通过一块锡膏贴装在散热片76上。

在线路层64的上方设有散热板70，并且散热板70上设有多个通孔71，一个通孔71内套设有一个igbt芯片68或者一个ic芯片75，即不会出现igbt芯片68与ic芯片75位于同一个通孔内的情况。并且，散热板70与线路层64之间填充有有机绝缘介质65，如聚丙烯、环氧树脂或者硅烷等。这样，igbt芯片68以及ic芯片75的四周被有机绝缘介质65所包围，从而提高igbt模组的耐压性能。

此外，散热板70、导热金属板69以及散热片76的上表面平整，且在散热板70、导热金属板69以及散热片76的上表面上电镀形成铜箔并且蚀刻形成线路层72。

在线路层72上贴装有多个陶瓷散热体80，并且还设有带有通孔86的散热板85，散热板85的中间层为玻璃纤维板，玻璃纤维板的上下表面均设有金属层。陶瓷散热体80位于通孔86内，并且散热板85与线路层72之间填充有有机绝缘介质65，使得多个填充散热体80的四周被有机绝缘介质65所包围。并且，散热板85、陶瓷散热体80的上表面平整，并且电镀铜箔并且蚀刻形成线路层87。

为了满足igbt模组承受大电流的要求，线路层72的铜箔厚度应该较厚，使得较大的电流经过线路层72也不会造成线路层72的线路被烧毁。当然，导热金属板69的厚度应该大于线路层72的厚度。

本实施例的igbt模组的制造方法与第一实施例的igbt模组的制造方法基本相同，区别在于：将igbt芯片68贴装在线路层64时，还需要将ic芯片75也贴装在线路层64上。当然，需要预先制造带有散热片76的ic芯片75，制造带有散热片76的ic芯片75时，可以将多个ic芯片75贴装在一块面积较大的散热片上，然后将贴装有多个ic芯片75的散热片进行切割，使切割后的散热片76上只贴装有一个ic芯片75。

本实施例的igbt模组也具有耐高压、能够承受大电流的优点，并且igbt芯片以及ic芯片的封装不需要使用金属导线与线路进行连接，制造工艺简单，降低igbt模组的生产成本。

当然，上述实施例仅是本发明优选的实施方案，实际应用时还可有更多的改变，例如，线路层、陶瓷散热体两个表面上的金属层不一定使用铜制成，可以使用铝或者其他金属材料制成；或者，制造线路层的电镀铜箔的厚度可以根据实际情况选择其他的尺寸，这样的改变并不会影响本发明的实施。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如陶瓷散热体具体的材料的改变、有机绝缘介质的材料改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

工业应用性

本发明的igbt模组可以应用于制造各种电子器件的线路板材，例如用于在led灯具上，尤其是应用在高频led灯具上，其中igbt模组的igbt芯片看作为软开关器件使用。或者，igbt模组可以应用在电机控制器的线路板材。由于igbt模组上可以形成多层的线路层，因此可以根据实际使用需要在线路层上形成各种线路并且贴片或者焊接各种其他电子器件，已形成不同的印刷电路板，igbt模组的应用非常广泛。