散热基板、功率半导体模块和功率转换器的制作方法

实施方式涉及用于散热基板的陶瓷基板、用于功率半导体模块的散热基板、包括散热基板的功率半导体模块、包括功率半导体模块的功率转换器及其制造方法。此外，实施方式涉及用于具有唯一代码的散热基板的陶瓷基板、用于具有唯一代码的功率半导体模块的散热基板、包括具有唯一代码的散热基板的功率半导体模块以及包括具有唯一代码的功率半导体模块的功率转换器。

背景技术：

1、功率转换器模块是执行功率转换(ac→dc、dc→ac)、功率变压(降压、升压)、功率分配或功率控制的装置。并且功率转换器模块是在发送和控制功率过程中提高能量效率并且通过控制电压变化来提供系统稳定性和可靠性的关键组件。并且功率转换器模块被称为功率模块或功率系统。

2、功率转换器模块包括诸如功率半导体器件、散热基板、底板、模制硅、外壳和盖子以及端子的各种组件。

3、近来，基于电或氢的环保车辆已经代替基于化石燃料的内燃机车辆而成为公众关注的焦点，并且在这些环保车辆中使用了许多功率半导体器件。环保车辆包括混合动力车辆(hev)、插电式混合动力车辆(phev)、电动车辆(ev)以及燃料电池车辆(pcev)。

4、另外，除了环保车辆之外，功率半导体还被用于多种电气和电子装置，诸如电动车辆充电器、蓄能装置、供电装置以及铁路。

5、先前，硅(si)功率半导体器件已经被广泛使用，但是随着si功率半导体已经达到它们的物理极限，为了取代它，正在积极地对wbg(宽带隙)功率半导体(诸如碳化硅(sic)或氮化镓(gan))进行研究。

6、wbg功率半导体器件具有比si功率半导体器件的带隙能量高约3倍的带隙能量、比si功率半导体器件的击穿场高约10倍的击穿场以及比si功率半导体器件的热导率高约3倍的热导率。由于这些优异的特性，因此，wbg功率半导体器件可以在高温和高电压环境中运行，并且具有高开关速度和低开关损耗的优点。

7、例如，被用于在常规电动车辆、混合电动车辆等中执行电力转换电动机驱动开关以及控制的基于si的功率半导体模块是在约150℃的温度环境中运行的。响应于近来对提高的开关性能和功率密度的需求，已经积极地对基于宽带隙(wbg)的功率半导体器件(诸如sic或gan)进行了研究，该基于宽带隙的功率半导体器件可以在高于约300℃的工作温度(例如，约300℃～700℃)下运行。

8、此外，由功率半导体产生的热在功率半导体模块的各个部分中产生热机械应力，并且功率半导体器件和接合的寿命可能因该接合的热疲劳而劣化。因此，设计功率半导体模块的可靠性非常重要，以通过散热基板适当地耗散从功率半导体器件产生的热，从而将功率半导体器件的接合温度维持在适当温度以下。

9、此外，用于功率半导体的散热基板不仅具有将在功率半导体器件的运行期间产生的热传递至外部的功能，而且具有通过在散热基板的一侧上形成布线图案来电连接功率半导体器件的重要功能。

10、用于功率半导体的常规散热基板可以根据接合方法而分类为直接接合铜(dbc)方法和活性金属钎焊(amb)方法。dbc方法是一种在铜(cu)层上形成氧化物膜然后将其直接接合至陶瓷的方法。amb方法是一种通过在基底金属与陶瓷之间插入包含具有相对低熔点的金属颗粒的膏作为中间材料来执行钎焊的方法。

11、然而，近来，1200v、200a级高电压/高功率sic功率转换器模块正被用于改善混合动力和电动车辆以及自主车辆的性能。在这些高性能电动车辆的运行期间，要求功率半导体器件的工作温度平均高于300℃。具体地，正面临瞬时最大工作温度超过350℃的超高温使用条件。

12、在这样的超高温、高电压以及高电流运行环境中，现有的接合材料本身可能重新熔化，并且因接合区域中存在的孔隙而可能发生热阱现象(heat trap phenomenon)。结果，功率半导体模块的寿命可能迅速劣化。

13、例如，图1a是使用常规amb接合方法的散热基板的sem图像。参照图1a，由于在散热基板的陶瓷基板与铜(cu)片之间的界面处造成的缺陷而出现了裂纹。在这种散热基板中引起的裂纹会造成热失控，从而导致功率半导体器件的损坏。

14、例如，如果散热性能因散热基板中的裂纹而劣化，那么功率半导体模块外壳和周围的温度可能升高。此时，如果热产生因快速升温而超过散热性能(热状态>散热性能)，则无法维持根据热设计(热状态<散热性能)的热平衡，并且热产生继续增加。结果，漏电流继续增大，最终导致功率半导体模块本身的损坏。

15、具体地，在超高工作温度环境中可能发生功率半导体模块的劣化问题。由被安装在车辆上的功率半导体模块的故障而造成的功率半导体器件的损坏可能对驾驶员的安全具有严重的影响。

16、此外，在当前散热基板领域中，所供应的包括陶瓷基板的基板的厚度不是恒定的，并且所供应的金属板(诸如铜板)的厚度也不是恒定的。在这种情形下，最终的散热基板必须符合散热基板交付(delivery)标准的严格规范，但是在生产能够满足严格厚度规范的散热基板方面存在许多困难。

17、此外，图1b是根据现有技术的amb散热基板被接合至底板(bp)之后发生翘曲(wp)的照片。

18、用于散热基板的绝缘基板、铜板以及sic的热膨胀系数(cte)各有显著差异。例如，aln绝缘基板ss的热膨胀系数为4.5×10-6/℃，铜(t-cu、b-cu)的热膨胀系数为16.0×10-6/℃，并且sic的热膨胀系数为4.0×10-6/℃。

19、如果在300℃或更高的极高工作温度环境中由于构成功率半导体模块的组件的热膨胀系数的差异而发生翘曲(wp)，则可能发生功率半导体模块的故障。

20、在现有技术中，使用诸如设计散热片或控制冷却剂温度的方法来防止因热膨胀系数的差异而发生翘曲。

21、在内部技术中，对构成散热基板的绝缘基板和金属板的材料选择进行了研究。然而，没有研究或没有想到考虑构成散热基板的绝缘基板、上金属板以及下金属板的厚度比。

22、此外，根据内部研究，已经研究了电路图案之间的距离随着散热基板上的金属板变厚而增大的问题。例如，当cu板的厚度为约0.2mm时，电路图案之间的分隔距离为约0.4mm。然而，当cu板的厚度为约0.4mm时，存在电路图案之间的分隔距离为约0.6mm的问题。

23、在内部技术中，被接合至散热基板的顶部和底部的金属板的厚度被管理在特定厚度范围内，并且当蚀刻金属板时，执行蚀刻以确保平均分隔距离。

24、此外，为了实现高性能功率半导体器件，随着将多个sic功率半导体安装在散热基板上，需要复杂的电路图案。另外，如果电路图案之间的分隔距离比所需的更宽，则难以实现高密度功率半导体模块。

25、另外，根据内部研究，当执行瞬态液相接合(tlp)时，可以用尽散热基板的金属板材料，以形成imc(金属间化合物)。因此，研究了未适当形成imc接合层从而导致较低接合强度或孔隙的问题。

26、然而，在运行于极高温度下的功率半导体模块中，功率半导体器件与散热基板之间的降低的粘附性或接合界面处存在孔隙可能对功率半导体模块的性能劣化和可靠性具有显著影响。

27、另外，在常规散热基板工业中，针对各个“单独的散热基板”，无法准确地匹配和管理所有生产和质量信息以及历史(诸如包括陶瓷基板的绝缘基板的厚度信息、检查信息、铜板厚度信息、表面信息以及接合工艺之后的界面信息)。

28、此外，具体地，当在绝缘基板上溅射金属然后执行铜板和热压(hot press)工艺时，即使在绝缘基板上标记了预定代码，该代码也因溅射工艺和热压工艺而被遮蔽，因此无法尝试针对各个“单独的散热基板”标记单独的代码。

29、此外，内部技术依赖于金属板层叠工艺和绝缘基板的手工作业。此外，当手工执行层叠工艺时，难以考虑匹配各个绝缘基板和金属板的厚度，并且甚至不容易控制将金属板放置在陶瓷基板的上侧和下侧。

30、具体地，在内部技术中，散热基板的层叠组包括绝缘基板以及设置在顶部和底部上的金属板，并且在实现几十到接近100组的高层叠度方面，作为困难技术挑战，研究了绝缘基板和金属板的对准。

技术实现思路

1、实施方式的技术目的之一是解决在技术挑战绝缘基板的厚度不恒定并且技术挑战金属板的厚度也不恒定的情形下难以满足最终散热基板的严格厚度规范的问题。

2、另外，实施方式的技术目的之一是解决因构成散热基板的绝缘基板、上金属板以及下金属板的热膨胀系数的差异而造成的散热基板翘曲的问题。

3、另外，为了实现高性能功率半导体器件，随着将多个sic功率半导体安装在散热基板上，需要复杂的电路图案。因此，实施方式的技术目的之一是解决当电路图案之间的分隔距离比所需更宽时难以实现高密度功率半导体模块的问题。

4、另外，在瞬态液相接合(tlp)期间，可能用尽散热基板的金属板材料以形成金属间化合物(imc)。因此，实施方式的技术目的之一是解决由于未适当形成imc接合层而降低接合强度或产生孔隙的问题。

5、另外，实施方式的技术目的之一是通过单独地收集所有生产和质量信息以及历史(诸如绝缘基板(诸如陶瓷基板)的厚度信息、检查信息、铜板的厚度信息、表面信息以及接合工艺之后的连结界面信息(joint interface information))来解决难于准确地匹配各个散热基板的问题。

6、另外，实施方式的技术目的之一是使层叠绝缘基板(诸如陶瓷基板和金属基板)的工艺自动化，而同时实现几十到100组层叠组的高层叠度，并且解决绝缘基板(诸如陶瓷基板)与金属板之间难以对准的问题。

7、另外，实施方式的技术目的之一是解决散热基板的接合界面处出现的裂纹问题。

8、实施方式的技术目的不限于本节中描述的那些技术目的，而是包括可以通过本发明的描述而理解的那些技术目的。

9、根据实施方式的用于解决技术问题的技术方案如下。根据实施方式的用于功率半导体模块的散热基板可以包括：第一金属板、接合至第一金属板的绝缘基板以及接合至绝缘基板的第二金属板，并且第一金属板的第一厚度可以不同于第二金属板的第二厚度。第一金属板或第二金属板可以包括经标记的唯一代码。

10、第一金属板的第一厚度可以比第二金属板的第二厚度薄。

11、第一金属板可以包括电连接至预定功率半导体器件的电路图案，并且第二金属板可以包括经标记的唯一代码。

12、另外，根据实施方式的用于功率半导体模块的散热基板可以包括：第二金属板、接合至第二金属板的绝缘基板以及接合至绝缘基板的第三金属板。第三板的第三厚度可以比第二金属板的第二厚度厚。

13、第三金属板或第四金属板可以包括经标记的唯一代码。

14、第三金属板可以包括电连接至预定功率半导体器件的电路图案，并且第二金属板可以包括经标记的唯一代码。

15、唯一代码可以包括数字矩阵码(dmc)、qr码或条形码中的一者或更多者。

16、唯一代码可以包括绝缘基板或第一金属板和第二金属板中的至少一者的厚度信息。

17、该实施方式还可以包括被标记在第一金属板或第二金属板上的唯一id。

18、根据实施方式的功率半导体模块可以包括：第一散热基板、设置在第一散热基板上的功率半导体器件以及设置在功率半导体器件上的第二散热基板，第一散热基板或第二散热基板可以包括用于功率半导体模块的散热基板中的任一者。

19、第一散热基板或第二散热基板可以包括用于所述功率半导体模块之一的散热基板，并且该实施方式还可以包括接合至第一金属板的电路图案的功率半导体器件。

20、另外，该实施方式可以包括接合层，该接合层通过烧结接合、焊接接合或超声接合中的任一者而接合在第一金属板的电路图案与功率半导体器件之间。

21、第一散热基板或第二散热基板可以包括用于所述功率半导体模块之一的散热基板，并且该实施方式还可以包括接合至第三金属板的电路图案的功率半导体器件。

22、另外，该实施方式可以包括接合层，该接合层使用相变接合方法而接合在第三金属板的电路图案与功率半导体器件之间。

23、另外，根据实施方式的功率转换器可以包括上述功率半导体模块中的任一者。

24、另外，根据实施方式的用于散热基板的绝缘基板可以包括：绝缘基板的有效区域(aa)、绝缘基板的设置在有效区域(aa)外部的虚设区域(da)，并且绝缘基板的虚设区域(da)可以包括被标记在虚设区域上的唯一代码uc。

25、唯一代码可以包括数字矩阵码(dmc)、qr码或条形码中的一者或更多者。

26、该实施方式还可以包括被标记在绝缘基板的虚设区域(da)上的唯一id。

27、唯一id可以包括数字的组合、字母的组合或者数字和字母的组合。

28、唯一代码uc可以包括矩形或正方形。

29、唯一代码的顶点和有效区域的顶点可以被布置成面向彼此。

30、唯一代码与绝缘基板的有效区域(aa)之间的最小距离可以对应于唯一代码的顶点与有效区域的顶点之间的距离。

31、唯一代码uc的角可以被布置成面向有源区域(active area)的最靠近唯一代码的顶点。

32、根据实施方式的散热基板可以包括：第一金属板、接合至第一金属板的绝缘基板以及接合至绝缘基板的第二金属板。

33、可以包括被标记在第一金属板或第二金属板上的唯一代码。

34、第二金属板可以电连接至预定功率半导体器件。

35、唯一代码可以设置在第一金属板上。

36、第一金属板的厚度和第二金属板的厚度可以彼此不同。

37、另外，根据实施方式的功率半导体模块可以包括：第一散热基板、设置在第一散热基板上的功率半导体器件以及设置在功率半导体器件上的第二散热基板。

38、第一散热基板或第二散热基板可以包括用于功率半导体模块的散热基板中的一者。

39、第二金属板电连接至功率半导体器件，并且唯一代码可以设置在第一金属板上。

40、第一金属板的厚度和第二金属板的厚度可以彼此不同。

41、另外，根据实施方式的功率转换器可以包括上述功率半导体模块中的任一者。

42、根据实施方式的技术效果如下。

43、根据实施方式，存在通过控制构成散热基板的绝缘基板、上金属板以及下金属板的相应厚度比来防止散热基板翘曲的技术效果。

44、另外，根据第二实施方式的第一散热基板410b，接合在绝缘基板ss的面向功率半导体器件100的第一侧的第一金属板mp1的第一厚度t1可以被控制为小于或等于接合在绝缘基板的第二表面的第二金属板mp2的第二厚度t2。

45、根据第二实施方式，由于接合至功率半导体器件100的第一金属板mp1的第一厚度t1可以被控制为薄的，因此存在通过确保第一金属板mp1的第一电路图案cp1之间的紧凑分隔距离pd来提供高密度功率半导体模块的技术效果。

46、另外，根据第三实施方式，接合至功率半导体器件100的第三金属板mp3的第三厚度t3可以被控制为厚的。因此，由于第三金属板mp3的第三电路图案cp3的第三厚度t3可以被控制为等于或大于第二金属板mp2的第二厚度t2，因此当在功率半导体器件100与第三金属板mp3之间进行相变接合(瞬态液相接合)时，可以防止在imc形成工艺期间散热基板的金属板材料耗尽的问题。因此，第三实施方式在提高接合强度和解决在接合界面处出现孔隙的问题方面具有特殊技术效果。

47、另外，存在如下技术效果：通过针对各个“单独的散热基板”准确地匹配和更新所有生产和质量信息以及历史(诸如绝缘基板(诸如陶瓷基板)的厚度信息、检查信息、铜板的厚度信息、表面信息、接合工艺之后的接合界面信息等)来管理散热基板。

48、例如，根据实施方式，可以在散热基板制造工艺期间在初始绝缘基板的虚设区域上标记唯一信息，并且可以在中央服务器上存储和管理该唯一信息以存储所有生产，以使得存在能够关于“单独的绝缘基板”、“单独的金属板”以及“单独的散热基板”来在散热基板制造工艺中准确地匹配和更新所有生产和质量信息以及历史的特殊技术效果。

49、另外，根据实施方式，即使绝缘基板的位置或布置在制造工艺期间因操作者的失误而改变，也可以通过实施方式的应用来在所有工艺中检查单独的绝缘基板的唯一信息。并且通过验证绝缘基板的唯一信息，存在能够完全更新和管理包括单独的绝缘基板的初始接收、清洁阶段以及热压的所有工艺的历史的技术效果。

50、另外，根据实施方式，可以确认与从产品的初始仓储阶段开始的所有工艺的历史有关的信息的唯一信息可以与最终产品完美地匹配并且被交付给客户，并且客户还可以通过该唯一信息来准确地理解并使用产品质量和生产历史，或者在必要时快速且准确地请求售后服务。

51、此外，在最终产品的散热基板上简单地标记产品信息不能完美地匹配和管理膜形成信息，诸如构成产品的绝缘基板的厚度信息、金属板的厚度信息以及接合界面信息。

52、另外，根据实施方式，存在通过将单独的绝缘基板和金属板按厚度进行分类并且按厚度等级匹配它们来最小化厚度分布的技术效果。

53、例如，根据实施方式，可以根据厚度将绝缘基板分类并装载到第一基板盒至第三基板盒cm1、cm2以及cm3中，并且可以在上层服务器上存储和管理针对“单独的绝缘基板”和“单独的基板盒”的厚度和分类装载信息。另外，各个绝缘基板ss的唯一信息uc可以利用关于该绝缘基板被装载到哪个基板盒的信息来进行精确更新和管理。

54、因此，在溅射工艺之后进行的层叠工艺中，通过读取第一基板盒至第三基板盒cm1、cm2以及cm3的唯一id，存在通过使针对各个厚度的层叠工艺和接合工艺与金属板进行匹配来优化散热基板的厚度质量的技术效果。

55、另外，实施方式精密地测量和管理以各种厚度交付的绝缘基板和铜板的厚度，以完美地管理该厚度信息，以使其可以通过唯一信息与各个产品匹配，并且存在可以基于该唯一信息来最小化厚度分布的技术效果。

56、例如，根据实施方式，可以精密地测量和管理以各种厚度交付的绝缘基板和金属板的厚度。因此，可以通过唯一信息uc来完全更新和管理各个厚度信息，以匹配各个客户所需的各个产品的规范。另外，基于该唯一信息uc，可以计算绝缘基板和金属板的最优层叠组组合，并且可以在层叠之后执行热压固定。因此，在提供可以完美地满足严格的厚度规范的散热基板、配备有该散热基板的功率半导体模块以及绝缘基板和铜基板的层叠系统方面存在特殊技术效果。

57、另外，实施方式具有提供一种能够自动层叠和自动对准绝缘基板和金属板的自动对准层叠装置的技术效果。

58、例如，根据实施方式的“自动对准层叠系统800”，能够进行几十组到超过一百组的自动层叠和热压接合工艺。

59、具体地，根据实施方式，层叠单元850的底部具有倾斜结构，从而产生能够使依次层叠的间隔件、金属板以及绝缘基板的边缘精确地自动对准的特殊技术效果。例如，根据实施方式，存在可以通过倾斜层叠利用重力来创新地提高竖直对准准确度的特殊技术效果。

60、因此，随着自动层叠几十组到超过100组，可以进行精确的自动对准。另外，即使在超过几十吨的热压连结工艺期间，也准确地维持对准，并且层叠组没有变形。因此，存在能够实现高质量散热基板的特殊技术效果。

61、另外，根据实施方式，存在解决在散热基板的接合界面处出现裂纹的问题的技术效果。例如，根据实施方式，可以防止出现在散热基板的绝缘基板与铜片之间的界面处造成的裂纹，从而提高功率半导体器件的可靠性。

62、实施方式的技术效果不限于在本部分中描述的那些技术效果，并且包括可以通过本发明的描述而理解的那些技术效果。