Igbt散热基板及其制造方法、igbt模组及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种IGBT散热基板及其制造方法、IGBT模组及其制造方法，该IGBT散热基板包括线路层，线路层包括有焊盘，其中，线路层的一侧设有陶瓷散热体以及金属散热器，金属散热器包括带有通孔的金属散热板以及覆盖金属板，陶瓷散热体位于金属散热板的通孔内，覆盖金属板连接陶瓷散热体及金属散热器的远离线路层的一侧，焊盘将热量传导至陶瓷散热体后再传导至覆盖金属板上，金属散热器与线路层之间设置有机绝缘介质，且有机绝缘介质还设置在陶瓷散热体与金属散热板之间，该IGBT模组还包括贴装在焊盘上的IGBT芯片。本发明还提供制造上述散热基板以及IGBT模组的方法。本发明能够提高IGBT模组的散热能力，并且提高其承受大电流、高电压的能力。
【专利说明】
IGBT散热基板及其制造方法、IGBT模组及其制造方法
技术领域
[0001]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散热基板、具有这种IGBT散热基板的IGBT模组，还涉及IGBT散热板及IGBT模组的制造方法。
【背景技术】
[0002]IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘棚.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。
[0003]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芯片通常通过贴片工艺封装在陶瓷片上，这样，IGBT芯片通过陶瓷片与散热板连接，IGBT芯片产生的热量将通过陶瓷片传导至散热板上，通过散热板将热量散发至空气中。
[0004]然而，由于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。
【发明内容】
[0005]本发明的第一目的是提供一种耐压能力好且散热性能好的IGBT散热基板。
[0006]本发明的第二目的是提供一种上述IGBT散热基板的制造方法。
[0007]本发明的第三目的是提供一种耐压能力好且散热性能好的IGBT模组。
[0008]本发明的第四目的是提供一种上述IGBT模组的制造方法。
[0009]为了实现上述的第一目的，本发明提供的IGBT散热基板包括线路层，线路层包括有焊盘，其中，线路层的一侧设有陶瓷散热体以及金属散热器，金属散热器包括带有通孔的金属散热板以及覆盖金属板，陶瓷散热体位于金属散热板的通孔内，覆盖金属板连接陶瓷散热体及金属散热器的远离线路层的一侧，焊盘将热量传导至陶瓷散热体后再传导至覆盖金属板上，金属散热器与线路层之间设置有机绝缘介质，且有机绝缘介质还设置在陶瓷散热体与金属散热板之间。
[0010]由上述方案可见，散热基板内埋有陶瓷散热体，IGBT芯片并不是直接贴装在陶瓷散热体上，而是贴装在线路层上，通过焊盘将热量传导至陶瓷散热体，再从陶瓷散热体传导至覆盖金属板上，热量传导能力更强，有利于提高IGBT模组的散热性能。并且，由于金属散热器与线路层之间设置有机绝缘介质，这样可以提高散热基板的耐压能力，提高IGBT模组的耐压性能。[0011 ] 一个优选的方案是，陶瓷散热体包括一个陶瓷体，陶瓷体的上表面与下表面均覆盖有铜层。
[0012]由此可见，使用双面覆铜的陶瓷散热体可以提高陶瓷散热体与线路层、覆盖金属板之间的粘结能力，也能够提高IGBT散热基板的散热能力。
[0013]进一步的方案是，有机绝缘介质包括环氧树脂或者娃烧。由于环氧树脂、娃烧等具有较强的流动性，并且在环氧树脂、硅烷固化后具有较高的强度，因此可以有效地提高散热基板的耐压性能。
[0014]为实现上述的第二目的，本发明提供的IGBT散热基板的制造方法包括在金属基板的一个表面下方贴装陶瓷散热体;在金属基板贴装有陶瓷散热体的表面处放置半固化片，并且在放置半固化片的表面上放置带有通孔的金属散热板，使陶瓷散热体位于通孔内，将金属基板与陶瓷散热体、金属散热板、半固化片压合，使半固化片融化形成有机绝缘介质，有机绝缘介质还设置在金属散热板、陶瓷散热体与金属基板之间；在陶瓷散热体及金属散热板的远离金属基板的一侧形成覆盖金属板;在金属基板上蚀刻形成线路层。
[0015]由上述方案可见，应用上述方法制作的IGBT散热基板是在散热金属中埋有陶瓷散热体，由于陶瓷散热体具有良好的绝缘性能，加上填充有有机绝缘介质，可以大大提升IGBT散热基板的散热性能以及耐压性能。
[0016]—个优选的方案是，对金属基板、陶瓷散热体与金属散热板压合后，将溢出在散热金属板与陶瓷散热体表面处的有机绝缘介质磨去。
[0017]由此可见，将溢出在散热金属板与陶瓷散热体表面处的有机绝缘介质磨去可以确保沉淀形成覆盖金属板时覆盖金属板与散热金属板、陶瓷散热体的表面之间没有间隔有有机绝缘介质，从而确保IGBT散热基板的散热性能。
[0018]为实现上述的第三目的，本发明提供的IGBT模组包括散热基板，散热基板包括线路层，线路层包括有焊盘，焊盘上贴装有IGBT芯片，其中，线路层的一侧设有陶瓷散热体以及金属散热器，金属散热器包括带有通孔的金属散热板以及覆盖金属板，陶瓷散热体位于金属散热板的通孔内，覆盖金属板连接陶瓷散热体及金属散热器的远离线路层的一侧，焊盘将热量传导至陶瓷散热体后再传导至覆盖金属板上，金属散热器与线路层之间设置有机绝缘介质，且有机绝缘介质还设置在陶瓷散热体与金属散热板之间。
[0019]由上述方案可见，IGBT芯片并不是直接贴装在陶瓷散热体上，而是贴装在线路层的焊盘上，由于焊盘的下方设置陶瓷散热体，IGBT芯片产生的热量可以通过焊盘、陶瓷散热体传导至覆盖金属板并散发至空气中，这样可以提高IGBT模组的散热性能。并且，由于金属散热器与线路层之间设置有机绝缘介质，可以提高IGBT模组的耐压能力。
[0020]为实现上述的第四目的，本发明提供的IGBT模组制造方法包括在金属基板的一个表面上贴装陶瓷散热体;在金属基板贴装有陶瓷散热体的表面处放置半固化片，并且在放置半固化片的表面上放置带有通孔的金属散热板，使陶瓷散热体位于通孔内，将金属基板与陶瓷散热体、金属散热板、半固化片压合，使半固化片融化形成有机绝缘介质，有机绝缘介质还设置在金属散热板与金属基板之间;在陶瓷散热体及金属散热板的远离金属基板的一侧形成覆盖金属板;在金属基板上蚀刻形成线路层，将IGBT芯片贴装在线路层的焊盘上。[0021 ]由此可见，应用上述方法制作的IGBT模组中，在散热金属中埋有陶瓷散热体，由于陶瓷散热体具有良好的绝缘性能，加上填充有有机绝缘介质，可以大大提升IGBT模组的散热性能以及耐压性能。
【附图说明】
[0022]图1是本发明IGBT模组实施例的剖视图。
[0023]图2是本发明IGBT模组制造方法实施例制作过程中的第一状态的剖视图。
[0024]图3是本发明IGBT模组制造方法实施例制作过程中的第二状态的剖视图。
[0025]图4是本发明IGBT模组制造方法实施例制作过程中的第三状态的剖视图。
[0026]图5是本发明IGBT模组制造方法实施例制作过程中的第四状态的剖视图。
[0027]图6是本发明IGBT模组制造方法实施例制作过程中的第五状态的剖视图。
[0028]以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
【具体实施方式】
[0029]本发明的IGBT模组具有散热基板，在散热基板上贴装有IGBT芯片，如图1所示，散热基板包括有线路层10，线路层10形成线路的图案，例如包括焊盘12，IGBT芯片13通过贴片工艺贴装在焊盘12上，因此，在IGBT芯片13与焊盘12之间存在锡膏14。当然，线路层10除了包括焊盘12，还包括连接其他电子器件的线路。优选地，线路层10由铜板蚀刻而成。需要说明的是，本发明所指的方向“上”、“下”是以图1至图6所示的方向说明，但不应理解为对本发明的限定。
[0030]散热基板除了设置线路层10，还包括陶瓷散热体20以及金属散热器，如图2所示，陶瓷散热体20包括一个陶瓷体21，陶瓷体21为氮化铝陶瓷体，在陶瓷体21的上表面设有覆铜层22，在陶瓷体21的下表面设有覆铜层23，因此，陶瓷散热体20是一个双面覆铜的陶瓷散热体。陶瓷散热体20也是通过贴片工艺贴装在形成线路层10的铜板18的下表面上，因此在线路层10与陶瓷散热体20之间有锡膏24，用于将陶瓷散热体20固定在线路层10的下方。
[0031]如图1所示，散热基板包括多个陶瓷散热体20，并且金属散热器包括金属散热板30，金属散热板30设有多个通孔31，多个陶瓷散热体20分别设置在金属散热板30的多个通孔31内。优选地，多个陶瓷散热体20、金属散热板30的下表面在同一表面上，这样，便于形成位于散热金属板最下方的覆盖金属板40。
[0032]为了实现金属散热板30与陶瓷散热体20、线路层10之间的固定，本实施例中，在金属散热板30与陶瓷散热体20、线路层10之间设置有机绝缘介质35，如绝缘环氧树脂或者硅烷。制造散热基板时，使用半固化片，即PP片放置在铜板18与金属散热板30之间，并且将半固化片、铜板18、金属散热板30以及陶瓷散热体20进行压合，压合过程中，固态的半固化片将融化并形成有机绝缘介质，液态的有机绝缘介质将流入到铜板18、金属散热板30以及陶瓷散热体20之间的间隙处，待有机绝缘介质固化后即形成如图3所示的状态，有机绝缘介质35将铜板18、金属散热板30以及陶瓷散热体20固定。由于有机绝缘介质具有良好的导热性能以及良好的绝缘性能，能够大大提高散热基板以及IGBT模组的散热性能以及耐压性能。
[0033]覆盖金属板40通过化学沉铜、电镀方式形成在陶瓷散热体20以及金属散热板30的下方，也就是覆盖金属板40位于陶瓷散热体20以及金属散热板30远离线路层10的一侧上。优选地，本实施例中，覆盖金属板40以及金属散热板30均为铜层。在陶瓷散热体20以及金属散热板30的下方设置覆盖金属板40可以增加散热基板的厚度，并且避免散热陶瓷体20直接外露在散热基板的外表面上，确保散热基板的散热性能。
[0034]本实施例中，金属散热板30以及覆盖金属板40构成金属散热器，因此，散热基板中，多个陶瓷散热体20是通过有机绝缘介质35嵌埋在金属散热器内，从而提高散热基板的散热能力，并且通过陶瓷散热体20以及有机绝缘介质35来提高散热器的绝缘性能。
[0035]下面结合图2至图6介绍IGBT模组以及散热基板的制造过程。首先，将铜板18平整、清洗干净，获得一块厚度均匀并且表面平整的铜板，优选地，铜板18的厚度在0.3微米以上，甚至在0.5微米以上，从而确保线路层10的厚度。
[0036]将铜板18平整后，通过贴片工艺将陶瓷散热体20贴装在在铜板18的一个表面上，如图2所示的，将多个陶瓷散热体20贴装在铜板18的下表面上，并且每一个陶瓷散热体20均为两面覆铜的陶瓷散热体。本实施例中，陶瓷散热体20上表面处的覆铜层22与铜板18下表面之间有锡膏24，由此将陶瓷散热体20固定在铜板18上。进行贴片工艺时，可以根据实际需要将多个陶瓷散热体20贴装在铜板18上，且多个陶瓷散热体20之间具有一定的间隙。
[0037]接着，如图3所示，在多个陶瓷散热体20之间的间隙处放置半固化片，并且在半固化片的下方放置金属散热板30，半固化片实际上是固态的有机绝缘介质。并且，金属散热板30是带有多个通孔31的金属散热板，且放置金属散热板30时，将通孔31对准一个陶瓷散热体20，以便将陶瓷散热体20位于通孔31内。
[0038]由于半固化片位于铜板18、金属散热板30之间，将铜板18、金属散热板30、半固化片以及陶瓷散热体20进行高温压合后，半固化片将融化形成液态的有机绝缘介质35，由此通过有机绝缘介质35粘结金属散热板30以及陶瓷散热体20。这样，陶瓷散热体20嵌埋在金属散热板30以及铜板18内，使铜板18、陶瓷散热体20以及金属散热板30形成一体化的结构，陶瓷散热体20固定在铜板18与金属散热板30内。
[0039]压合后，部分有机绝缘介质35被溢出陶瓷散热体20以及散热金属板30的下表面，如图3所示，在陶瓷散热体20以及散热金属板30的下表面外具有有机绝缘介质35的溢出部分36，为了不影响后续形成覆盖金属板40，需要将有机绝缘介质35的溢出部分36磨去。例如，使用刀具或者研磨设备等工具将溢出部分36磨去，如图4所示。
[0040]这样，陶瓷散热体20以及散热金属板30的下表面平整，并且由于陶瓷散热体20的下表面设有覆铜层23，因此磨去有机绝缘介质35的溢出部分36后，图4所示的半成品的下表面为铜层或者有机绝缘介质35。
[0041]接着，通过化学沉铜以及电镀的方式在图4的半成品基础上形成覆盖金属板40，SP先在磨去有机绝缘介质35的溢出部分36后的散热金属板30、陶瓷散热体20的下表面上以化学沉铜的方式先形成一层厚度较小的铜层，然后通过电镀的方式在厚度较小的铜层上形成厚度较厚的铜层，两层铜层形成了覆盖金属板40。因此，覆盖金属板40也是有铜制成，因此，陶瓷散热体20的覆铜层23与覆盖金属板40融为一体，如图5所示，大大提高散热基板的散热性能。
[0042]最后，根据预先设置的电路图案，在铜板18上蚀刻形成预设的电路图案由此形成线路层10，线路层10包括多个焊盘12，如图6所示。最后，将IGBT芯片13贴装在线路层10上，具体地，每一个IGBT芯片13均贴装在相应的焊盘12上，形成IGBT模组。
[0043]由于在散热基板内嵌埋有多个陶瓷散热体20，并且通过有机绝缘介质35连接线路层10以及陶瓷散热体20、金属散热板30，可以大大提高IGBT模组的散热性能以及耐压性能，经过测试，使用上述方法制造的IGBT模组能够负载较高的电流，如500安培的电流，并且能够负载40千伏的电压，且导热率可达170瓦/米X度。
[0044]并且，由于本发明将铜板18与陶瓷散热体20、金属散热板30压合，从而形成一体式散热结构，大大降低了 IGBT模组的生产成本，IGBT模组的封装更加简单。
[0045]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、金属散热板以及覆盖金属板不一定使用铜制成，可以使用铝或者其他金属材料制成;或者，制作线路层的铜板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。
[0046]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。
【主权项】
1.1GBT散热基板，包括 线路层，所述线路层包括有焊盘； 其特征在于: 所述线路层的一侧设有陶瓷散热体以及金属散热器，所述金属散热器包括带有通孔的金属散热板、以及覆盖金属板，所述陶瓷散热体位于所述金属散热板的所述通孔内，所述覆盖金属板连接所述陶瓷散热体及所述金属散热器远离所述线路层的一侧，所述焊盘将热量传导至所述陶瓷散热体后再传导至所述覆盖金属板； 所述金属散热器与所述线路层之间设置有有机绝缘介质，且所述有机绝缘介质还设置在所述陶瓷散热体与所述金属散热板之间。2.根据权利要求1所述的IGBT散热基板，其特征在于: 所述陶瓷散热体包括一个陶瓷体，所述陶瓷体的上表面与下表面均覆盖有铜层。3.根据权利要求1或2所述的IGBT散热基板，其特征在于: 所述有机绝缘介质包括环氧树脂或娃烧。4.1GBT模组，包括 散热基板，所述散热基板包括线路层，所述线路层包括有焊盘，所述焊盘上贴装有IGBT芯片； 其特征在于: 所述线路层的一侧设有陶瓷散热体以及金属散热器，所述金属散热器包括带有通孔的金属散热板、以及覆盖金属板，所述陶瓷散热体位于所述金属散热板的所述通孔内，所述覆盖金属板连接所述陶瓷散热体及所述金属散热器远离所述线路层的一侧，所述焊盘将热量传导至所述陶瓷散热体后再传导至所述覆盖金属板上； 所述金属散热器与所述线路层之间填设置有机绝缘介质，且所述有机绝缘介质还设置在所述陶瓷散热体与所述金属散热板之间。5.根据权利要求4所述的IGBT模组，其特征在于: 所述陶瓷散热体包括一个陶瓷体，所述陶瓷体的上表面与下表面均覆盖有铜层。6.1GBT散热基板的制造方法，其特征在于，包括 在金属基板的一个表面贴装陶瓷散热体； 在所述金属基板贴装有所述陶瓷散热体的所述表面处放置半固化片，并且在放置所述半固化片的表面上放置带有通孔的金属散热板，使所述陶瓷散热体位于所述通孔内，将所述金属基板与所述陶瓷散热体、所述金属散热板、所述半固化片压合，使所述半固化片融化形成有机绝缘介质，所述有所述有机绝缘介质设置在所述金属基板与所述陶瓷散热体、所述金属散热板之间； 在所述陶瓷散热体及所述金属散热板的远离所述金属基板的一侧形成覆盖金属板； 在所述金属基板上蚀刻形成线路层。7.根据权利要求6所述的IGBT散热基板的制造方法，其特征在于: 对所述金属基板、所述陶瓷散热体与所述金属散热板压合后，将溢出在所述散热金属板与所述陶瓷散热体表面处的所述有机绝缘介质磨去。8.根据权利要求6或7所述的IGBT散热基板的制造方法，其特征在于: 所述陶瓷散热体包括一个陶瓷体，所述陶瓷体的上表面与下表面均覆盖有铜层； 所述覆盖金属板形成在所述陶瓷体下表面的铜层的一侧。9.1GBT模组的制造方法，其特征在于，包括 在金属基板的一个表面上贴装陶瓷散热体； 在所述金属基板贴装有所述陶瓷散热体的所述表面处放置半固化片，并且在放置所述半固化片的表面上放置带有通孔的金属散热板，使所述陶瓷散热体位于所述通孔内，将所述金属基板与所述陶瓷散热体、所述金属散热板、所述半固化片压合，使所述半固化片融化形成有机绝缘介质，所述有机绝缘介质设置在所述金属散热板与所述陶瓷散热体、所述金属基板之间； 在所述陶瓷散热体及所述金属散热板的远离所述金属基板的一侧形成覆盖金属板； 在所述金属基板上蚀刻形成线路层，将IGBT芯片贴装在所述线路层的焊盘上。10.根据权利要求9所述的IGBT模组的制造方法，其特征在于: 对所述金属基板、所述陶瓷散热体与所述金属散热板压合后，将溢出在所述散热金属板与所述陶瓷散热体表面处的所述有机绝缘介质磨去。
【文档编号】H01L23/367GK106098648SQ201610533663
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】钟山, 胡启钊, 李国庆, 林伟健
【申请人】乐健科技（珠海）有限公司