基于石墨烯的IPM混合模块封装结构及加工工艺的制作方法

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的ipm混合模块封装结构及加工工艺。

背景技术：

将igbt功率单元与驱动保护电路板集成为一体的智能功率模块ipm(intelligentpowermodule)，相比igbt功率模块，体积和重量得到了进一步减小，集成度与稳定性不断提高，适应了功率器件的发展方向，越来越多的电力电子设备选择使用功率模块来代替分立元件，ipm模块在驱动电机变频器和各种逆变电源领域得到了广泛的应用。随着模块高效化、小型化和轻量化的发展需求，低功耗、大电流、超高速的碳化硅(siliconcarbide,sic)基肖特基势垒二极管(schottkybarrierdiode,sbd)开始被采用与硅基igbt组合成混合功率模块，能够有效减少模块的开关损耗，提高开关速度，因此大功率ipm模块也开始采用硅基igbt芯片和sic基sbd的混合模块来改善传统全硅模块的功率损耗问题。

然而ipm混合模块体积小、结构紧凑，内部含有多个功率器件，导致其功率密度很大，局部发热现象非常严重。对于ipm封装结构，温度是影响其可靠性的最主要因素，模块产生的热量如果不能及时排除，会导致模块内部温度过高，从而对ipm的电气、机械、腐蚀等各方面造成影响，最终导致模块失效。因此，ipm混合模块的热管理已经成为制约其发展的重要问题，在功率芯片工艺没有大改进的前提下，通过优化大功率ipm混合模块的封装结构，从而提高其散热性能成为ipm混合模块的重点研究方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于石墨烯的ipm混合模块封装结构及加工工艺，采用上下双面散热单元结构，通过功率单元和驱动单元芯片倒装的封装形式，解决传统的键合引线过热失效问题，同时将高热导率的石墨烯薄膜作为散热材料用于ipm混合模块的覆铜陶瓷基板(directbondedcopper,dbc)上，发挥其横向高导热能力，对于大功率ipm混合模块中局部热点的热量有着直接有效的传导和耗散作用，从而提升模块散热性能和工作稳定性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于石墨烯的ipm混合模块封装结构，其包括：外围的一体式散热器和内部的驱动单元芯片、第一石墨烯基覆铜陶瓷基板、第二石墨烯基覆铜陶瓷基板；所述第一石墨烯基覆铜陶瓷基板是在第一覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域贴装氧化还原法制备好的石墨烯基薄膜得到，所述第二石墨烯基覆铜陶瓷基板是在第二覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜得到；

所述第一石墨烯基覆铜陶瓷基板的下铜层朝上通过导热硅脂层与一体式散热器的上水冷板下表面紧密接触，第二石墨烯基覆铜陶瓷基板下铜层朝下通过焊料层紧贴一体式散热器的下水冷板上表面；

所述驱动单元芯片位于第一石墨烯基覆铜陶瓷基板和第二石墨烯基覆铜陶瓷基板之间，驱动单元芯片正面朝下通过第一纳米银互连层连接到第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层上表面；

在第一石墨烯基覆铜陶瓷基板和第二石墨烯基覆铜陶瓷基板之间还包括：多个硅基igbt芯片、多个碳化硅基肖特基势垒二极管芯片以及多个铜互连块，驱动单元芯片、硅基igbt芯片、碳化硅基肖特基势垒二极管芯片的正面以及铜互连块下表面通过第一纳米银互连层以倒装方式连接到第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层上表面，驱动单元芯片、硅基igbt芯片、碳化硅基肖特基势垒二极管芯片的背面以及铜互连块上表面通过第二纳米银互连层连接缓冲垫片；所述缓冲垫片通过第三纳米银互连层连接到第一石墨烯基覆铜陶瓷基板的上铜层上表面。

具体的，在第一石墨烯基覆铜陶瓷基板上的石墨烯基薄膜厚度为50～60μm。

具体的，在第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上是用化学气相沉积法生长单层的石墨烯薄膜。

该结构中，1个硅基igbt芯片和1个碳化硅基肖特基势垒二极管芯片为一组，横行排列的两组芯片为一相，多相排布为多行，组与组之间行列对齐；每组芯片中硅基igbt芯片的发射极和碳化硅基肖特基势垒二极管芯片的阳极相连接，硅基igbt芯片的集电极和碳化硅基肖特基势垒二极管芯片的阴极相连接，硅基igbt芯片的栅极通过第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层制作的线路连接到驱动单元芯片的栅极控制端；

在第一石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层设计的石墨烯应用区域在垂直方向对应硅基igbt芯片和碳化硅基肖特基势垒二极管芯片的背面以及集电极和阴极之间的连接区域；

在第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层设计的石墨烯应用区域在垂直方向对应硅基igbt芯片和碳化硅基肖特基势垒二极管芯片的正面以及发射极和阳极之间的连接区域；

同相不同列的两组芯片所对应的第一石墨烯基覆铜陶瓷基板上的石墨烯应用区域和第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上的石墨烯应用区域在垂直方向有交叠，在交叠区域通过铜互连块将分属不同列的同相芯片之间的正面电极和背面电极相连接，再通过第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层制作的线路连接到各相电路的信号输出端；没有在交叠区域相连接的石墨烯应用区域根据具体电路连接形式，分别通过覆铜陶瓷基板上铜层中制作的线路连接到供电电压的正、负极。

在第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层上和第一石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层中均制作有与芯片电极相连通的引出端，所有芯片电极的引出端通过焊料加装在引线框架上。

具体的，所述一体式散热器的上水冷板下表面和下水冷板上表面之间采用塑料外壳将所有元件封装，塑料外壳内部采用封装树脂灌封。

具体的，所述一体式散热器包括内空的上水冷板和下水冷板，水冷板内制作有多根翅柱，外接水泵推动冷却液体在空腔内循环流动。

一种基于石墨烯的ipm混合模块封装结构的加工工艺，包括以下步骤：

步骤1、制作石墨烯基覆铜陶瓷基板结构，包括：

步骤1.1、在第一覆铜陶瓷基板上铜层上表面设计的石墨烯应用区域贴装氧化还原法制备好的石墨烯基薄膜，烘干待用，得到第一石墨烯基覆铜陶瓷基板；

步骤1.2、在第二覆铜陶瓷基板上铜层上表面设计的石墨烯应用区域用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜，得到第二石墨烯基覆铜陶瓷基板；

步骤2、在步骤1.2得到的结构上涂覆第一纳米银互连层，将驱动单元芯片、硅基igbt芯片、碳化硅基肖特基势垒二极管芯片和铜互连块分别贴装在第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层上表面对应位置上，使驱动单元芯片、硅基igbt芯片以及碳化硅基肖特基势垒二极管芯片的正面向下；

步骤3、在驱动单元芯片、硅基igbt芯片和碳化硅基肖特基势垒二极管芯片的背面，以及铜互连块的上表面涂覆第二纳米银互连层；

步骤4、在步骤1.1得到的结构上涂覆第三纳米银互连层，分别贴装缓冲垫片；

步骤5、将步骤4得到的结构倒置贴装在步骤3得到的结构上，使得缓冲垫片和第二纳米银互连层贴合，再放入温箱进行烧结；

步骤6、在一体式散热器的下水冷板上表面涂覆焊料层，将步骤5得到的结构贴装在一体式散热器下水冷板上表面对应位置；在第二石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层上和第一石墨烯基覆铜陶瓷基板上铜层上均制作有芯片电极引出端，将包括驱动单元芯片、硅基igbt芯片和碳化硅基肖特基势垒二极管芯片在内的所有芯片电极的引出端通过焊料加装在引线框架上，放入回流焊机进行焊接；

步骤7、在一体式散热器上水冷板下表面涂覆导热硅脂层，使一体式散热器上水冷板下表面与第一石墨烯基覆铜陶瓷基板的下铜层下表面紧密接触；

步骤8、用塑料外壳将一体式散热器的下水冷板上表面和上水冷板下表面之间所有结构封装起来，采用封装树脂作为封装材料在塑料外壳中进行注塑灌封，再将整个结构放在烘箱内加热固化。

具体的，在步骤1.1贴装的石墨烯基薄膜厚度为50～60μm。步骤1.2在第二覆铜陶瓷基板上铜层上生长单层的石墨烯薄膜。

本发明具有如下优点：

1、本发明以上下双基板且芯片倒装的封装形式，将驱动单元芯片、igbt芯片和sbd芯片的电极通过覆铜陶瓷板连接到引线框架，替换掉键合引线，提升模块可靠性，对于ipm混合模块的高效散热是非常有效的热管理方案。

2、本发明按照覆铜陶瓷基板上的芯片布局设计，以高导热石墨烯材料辅助基板散热，有助于解决ipm混合模块中局部温度过高导致模块失效的问题，从而提升模块使用寿命。

附图说明

图1是本发明提出的ipm混合模块的封装结构示意图。

图2是本发明提出的石墨烯基dbc衬板上功率芯片平面布局设计图。

图3是本发明石墨烯在下dbc衬板上铜层的应用区域示意图。

图4是本发明石墨烯在上dbc衬板上铜层的应用区域示意图。

图5是本发明加工工艺步骤4中的缓冲垫片/纳米银互连层/石墨烯基dbc衬板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出了一种基于石墨烯的ipm混合模块的封装结构，实施例中总体包括：等数量的硅基igbt芯片和sic基sbd芯片(碳化硅基肖特基势垒二极管芯片)、一块驱动单元芯片、两块石墨烯基dbc衬板(即石墨烯基覆铜陶瓷基板)、纳米银互连层、缓冲垫片、焊料层、塑封外壳、封装树脂、导热硅脂以及一体式散热器。其中，第一石墨烯基dbc衬板是在第一覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域贴装氧化还原法制备好的石墨烯基薄膜得到，第二石墨烯基dbc衬板是在第二覆铜陶瓷基板的上铜层表面设计的石墨烯应用区域用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜得到。

本发明采用一体式散热器27进行双面散热，参见图1，一体式散热器27包括内空的上水冷板和下水冷板，水冷板内制作有多根翅柱，外接水泵推动冷却液体在空腔内循环流动。以结构中包含六组硅基igbt芯片14加sic基sbd芯片15组合结构为例，图1中驱动单元芯片13、六块硅基igbt芯片14和六块sic基sbd芯片15的正面和三块铜互连块22的下表面，通过第一纳米银互连层19，贴装在第二石墨烯基dbc衬板12的上铜层上表面对应位置，由上铜层中制作的芯片电极引出端引出。

石墨烯基dbc衬板上功率芯片的平面布局如图2所示，一块硅基igbt芯片14和一块sic基sbd芯片15为一组，共分为六组，分别布局在图中所示的121、122、123、124、125和126区域，形成三行两列，u、v、w三相电路每相排列在一行，包括两组芯片。其中硅基igbt芯片14和sic基sbd芯片15的正面电极朝下，每组分别贴装在图3所示的第二石墨烯基dbc衬板12上设计的石墨烯应用区域121、122、123、124、125和126的对应位置。硅基igbt芯片14和sic基sbd芯片15的背面电极朝上，通过缓冲垫片16与图4所示的第一石墨烯基dbc衬板11上设计的石墨烯应用区域111、112、113、114相接触。同时如图2所示，第一列芯片的正面电极与第二列芯片的背面电极通过铜互连块22在上、下两块石墨烯基dbc衬板之间，垂直方向石墨烯交叠的部分相连接，实现电路需求。驱动单元芯片13、六块硅基igbt芯片14和六块sic基sbd芯片15的背面以及三块铜互连块22的上表面，通过第二纳米银互连层20与缓冲垫片16相连接，再通过第三纳米银互连层21贴装在第一石墨烯基dbc衬板11的上铜层上表面对应位置，由芯片电极引出端引出。

这些芯片电极引出端都是dbc衬板上铜层的一部分，是上铜层上预先刻蚀好的图形，芯片电极引出端通过刻蚀好的铜层分别与芯片电极相连，后期涂上焊料，跟引线框架对应的位置焊在一起。

第一石墨烯基dbc衬板11的下铜层下表面通过导热硅脂层26连接到一体式散热器27的上水冷板下表面24，第二石墨烯基dbc衬板12的下铜层下表面通过焊料层25连接到一体式散热器27的下水冷板上表面23。一体式散热器27的上水冷板下表面24和下水冷板上表面23之间采用塑料外壳17将所有元件封装，塑料外壳17内部采用封装树脂18灌封。

本发明还提出了上述基于石墨烯的ipm混合模块封装结构的加工工艺，以结构中包含六组硅基igbt芯片加sic基sbd芯片组合结构为例，具体实施步骤为：

步骤1在第一dbc衬板的上铜层上表面设计有石墨烯应用区域111、112、113、114，如图4所示。由于第一石墨烯基dbc衬板是与功率芯片的背面相连接，且中间隔有缓冲垫片16，石墨烯材料在此处应用时热容量相比热传导系数更为重要，因此选择氧化还原法制备的50～60μm厚的石墨烯基薄膜贴装在图4所示区域111、112、113、114，烘干待用，得到第一石墨烯基dbc衬板11。

在第二dbc衬板上铜层上表面设计有石墨烯应用区域121、122、123、124、125、126，如图3所示。由于第二石墨烯基dbc衬板是与功率芯片和驱动单元芯片的正面相连接，石墨烯材料在此处应用时需要较高的横向热传导系数，使基板上局部热点的热量迅速横向传开，因此选用化学气相沉积法在石墨烯应用区域生长单层的石墨烯薄膜，得到第二石墨烯基dbc衬板12。

步骤2在第二石墨烯基dbc衬板12的上铜层上表面涂覆30～35μm第一纳米银互连层19，将驱动单元芯片13、六块硅基igbt芯片14、六块sic基sbd芯片15和铜互连块22分别贴装在第二石墨烯基dbc衬板的上铜层上表面对应位置上。平面布局如图2所示，1块硅基igbt芯片14和1块sic基sbd芯片为1组，该实施例中芯片共分为6组，2组芯片横行排列组成1相，共3相分别为u、v、w，排列为3行2列，行列对齐。驱动单元芯片13、六块硅基igbt芯片14和六块sic基sbd芯片15均正面向下。

由于硅基igbt芯片14是主要发热源，因此相邻两组芯片中硅基igbt芯片14与sic基sbd芯片15的位置交错排列，而且为了避免过于集中的发热影响驱动单元电路的工作特性，将左边第一列的3组芯片中布局为只有1组芯片的硅基igbt芯片14排布在左侧，即邻近驱动单元芯片13的位置；同时将左边第一列的3组芯片背面通过缓冲垫片16连接到第一石墨烯基dbc衬板11的111区域，即3相电路的供电电压正极连接端，这样布局使得邻近驱动单元芯片13的第一石墨烯基dbc衬板11上有面积较大的石墨烯应用区域111，可以将第一列的3块硅基igbt芯片14工作产生的热量尽快散发，减小对驱动单元电路特性的影响。

第二石墨烯基dbc衬板12上的石墨烯应用区域121、123和125，在制作时相较于第一列每组芯片正面的连接区域向右侧做了一定扩展，同时第一石墨烯基dbc衬板11上的石墨烯应用区域112、113、114，在制作时相较于第二列每组芯片背面的连接区域向左侧做了一定扩展，使121与112、123与113、125与114在垂直方向上有交叠的部分，将3个铜互连块22分别贴装在3个交叠的位置，一方面满足同相的即同一行第一列每组芯片正面与第二列每组芯片背面相连接作为每相电路信号输出端的电路连接需求，另一方面这样的布局方式可以发挥石墨烯材料横向高热传导的特性，将第二石墨烯基dbc衬板12上的热量迅速通过铜互连块22传导到缓冲垫片16上，进而通过第一石墨烯基dbc衬板11向一体式散热器27的上水冷板传导，提升热传导效率。

除此以外，每组芯片中硅基igbt芯片14的栅极摆放方向是按照六组芯片与驱动单元电路连接时，第二石墨烯基dbc衬板12上的线路排布尽量对称为依据设计的。

步骤3在驱动单元芯片13、硅基igbt芯片14和sic基sbd芯片15的背面，以及铜互连块22的上表面涂覆30～35μm第二纳米银互连层20；

步骤4在第一石墨烯基dbc衬板11的上铜层上表面涂覆30～35μm第三纳米银互连层21，分别贴装缓冲垫片16，如图5所示。本发明使用的缓冲垫片16可以是0.8±0.05mm厚钼垫片或钼/银复合垫片等热膨胀系数较小的热应力缓冲材料。

步骤5将步骤4得到的结构倒置贴装在步骤3得到的结构上，使得缓冲垫片16和第二纳米银互连层20在对应位置上贴合，放入温箱，以5℃/min的升温速度，从常规室温升到200℃，保温20分钟进行烧结。烧结条件可根据实际效果调整。

步骤6在一体式散热器27的下水冷板上表面23涂覆100～110μm焊料层，将步骤5得到的结构贴装在一体式散热器27的下水冷板上表面23对应位置；在第二石墨烯基dbc衬板12的上铜层上表面和第一石墨烯基dbc衬板11的上铜层上表面均制作有芯片电极引出端(图中未画出)，将包括驱动单元芯片13、硅基igbt芯片14和sic基sbd芯片15在内的所有芯片电极引出端通过100～110μm厚焊料加装在引线框架上，放入回流焊机按照预设的温度曲线进行焊接。焊接温度条件可以根据实际效果设计。

步骤7在一体式散热器27的上水冷板下表面24涂覆45～50μm厚的导热硅脂层26，填充空气空隙，使一体式散热器27的上水冷板下表面24与第一石墨烯基dbc衬板11的下铜层下表面紧密接触；

步骤8用塑料外壳17将一体式散热器27的下水冷板上表面23和上水冷板下表面24之间所有结构封装起来，采用封装树脂18作为封装材料，在塑料外壳17中进行注塑灌封，最后将图1所示整个结构放在烘箱内以3℃/min的升温速度，从常规室温升到80℃，保温30分钟，再升温到120℃下保温1小时进行固化。固化条件可根据实际效果调整。

本发明所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。