[发明专利]一种高热可靠性的多单元功率集成模块及其加工工艺

说明书

本发明涉及高热可靠性的多单元功率集成模块(PIM)的结构及其加工工艺，其结构包括硅基IGBT芯片、碳化硅肖特基势垒二极管芯片、硅基二极管芯片、铜/石墨烯纳米片(Cu/GN)异质薄膜、石墨烯基封装树脂、覆铜陶瓷衬板、焊料层、纳米银导电胶、键合引线、铜垫片、塑封外壳、铝碳化硅基板、导热硅脂以及散热器。本发明采用Cu/GN异质薄膜代替局部键合线的方式，将大功率PIM中斩波电路IGBT芯片的局部热量通过上下两条热传导路径散发，降低芯片上的局部热点温度；同时将石墨烯均匀地添加到环氧树脂中作为灌封材料，从而减小大功率PIM从芯片到环境的整体热阻，提升散热效率。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种高热可靠性的多单元功率集成模块结构及其加工工艺。

背景技术

与传统的离散系统相比，功率集成模块PIM(power integrated module)集成度高、外部布线和焊接点少、寄生参数少、频率特性好。同时，集成后的功率模块还具有导通电压低、过载温度高、开关损耗小、短路鲁棒性强等优点。因此广泛应用于工业传动和家用空调领域。然而，紧凑的结构使得PIM在同一功率级具有更高的热流密度。内部散热条件的恶化和内部温度的急剧升高会破坏PIM的性能。因此，优化其封装结构，提高其在由导通损耗和开关损耗引起的高温下的可靠性，从而延长其使用寿命是十分重要的。

由于PIM的紧凑性要求，主电路逆变电路的六组IGBT芯片和碳化硅SBD芯片相对比较集中，因此需要预留较大的散热面积。继而导致斩波电路空间狭窄，IGBT芯片发热严重温度很高。本发明重点研究温度最高点处的斩波IGBT芯片，分别通过局部双面散热和石墨烯材料的应用，给出更为理想的封装结构设计方案和配套工艺，提高PIM的热可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种高热可靠性的多单元功率集成模块及其加工工艺。通过采用铜/石墨烯纳米片异质薄膜(简称Cu/GN薄膜)代替局部键合线将斩波电路中IGBT芯片与电极端子连接，使IGBT芯片产生的热量同时从芯片的上下表面散发，提高模块的散热效率。另外，将高热导率的石墨烯复合材料作为封装材料用于PIM模块的注塑灌封，在纵向上实现石墨烯的散热优化，进而提升模块的散热性能和可靠性。

为达到上述目的，本发明公开了一种高热可靠性的多单元功率集成模块，其模块内部自上而下包括：芯片层、上焊料层、铜布线层、陶瓷层、下铜层、下焊料层、铝碳化硅基板；所述铜布线层、陶瓷层和下铜层组成覆铜陶瓷衬板；所述芯片层包括多个硅基二极管芯片、碳化硅SBD芯片和硅基IGBT芯片，其中，由六个硅基IGBT芯片和六个碳化硅SBD芯片并联组成三相桥式逆变电路，由独立的一个硅基IGBT芯片和一个硅基二极管芯片串联组成斩波电路，由六个硅基二极管芯片组成三相全波整流电路；电路的连接通过铜布线层中的线路以及键合引线实现，在铜布线层中制作有与各芯片电极相连通的芯片电极引出端；所述铝碳化硅基板及其以上的部分封装在外壳中，外壳中填充石墨烯基封装树脂；铝碳化硅基板底部通过导热硅脂贴有散热器。

具体的，所述逆变电路中，一个硅基IGBT芯片和一个碳化硅SBD芯片为一组，共六组，每组芯片中硅基IGBT芯片的发射极和碳化硅SBD芯片的阳极相连接，硅基IGBT芯片的集电极和碳化硅SBD芯片的阴极相连接，硅基IGBT芯片的栅极和发射极、碳化硅SBD芯片的阳极朝上，硅基IGBT芯片的集电极、碳化硅SBD芯片的阴极朝下；上桥臂的三个硅基IGBT芯片背面共集电极，通过上焊料层焊接在覆铜陶瓷衬板的铜布线层第一区域；下桥臂的三个硅基IGBT背面集电极分别通过上焊料层焊接在覆铜陶瓷衬板的铜布线层第二区域、铜布线层第三区域、铜布线层第四区域，并且分别一一对应地与上桥臂的三个硅基IGBT芯片发射极相连，引出三相输出端子，实现电路需求；每个硅基IGBT芯片的栅极通过键合线与铜布线层中的栅极引出端相连接，用于连接外部驱动电路。

具体的，所述斩波电路中，硅基IGBT芯片的集电极和硅基二极管芯片的阳极相连接，硅基IGBT芯片的栅极和发射极、硅基二极管芯片的阳极朝上，硅基IGBT芯片的集电极、硅基二极管芯片的阴极朝下。