[发明专利]无金属底板功率模块

说明书

技术领域

本发明涉及功率电子电力器件，具体涉及一种无金属底板功率模块。

背景技术

常见功率电子模块的剖面如图1所示，功率电子芯片1通过第一无铅焊料层2焊接到陶瓷覆铜基板的表面铜层3上。陶瓷覆铜基板10的表面铜层3通常被蚀刻成设计所需的形状，然后以高纯铝线8，通过超声波键合的方式，将芯片1a、1b表面与陶瓷覆铜基板的表面铜层3连接成所需的电路结构。陶瓷覆铜基板由两侧的表面铜层3和底侧铜层5和中间的陶瓷层4组成。陶瓷材料通常为高密度氧化铝或氮化铝，它提供了功率电子模块的电气绝缘，必须能够承受数千伏的电压。同时，陶瓷层4必须具有良好的导热性能，保证模块在工作时，功率电子芯片1的结温在设计允许的范围之内。陶瓷覆铜基板底侧铜层5通过第二无铅焊料层6焊接到模块的底板7。模块底板7是模块安装到散热器表面的唯一途径。它不仅通过底板7上的安装孔位9提供模块的机械固定，而且也是模块的主要散热途径。因此，模块底板7一般选择具有高热导率的纯铜材料。功率电子模块所用材料的特性见表1。

表1：功率模块所用材料特性

由表1可见，功率电子模块中，各种材料的热膨胀系数有着明显的差异。芯片材料单晶硅与纯铜底板之间的热膨胀系数相差五倍以上。而氧化铝陶瓷覆铜基板与纯铜底板之间的热膨胀系数也相差两倍以上。因此，模块在焊料回流温度冷却到室温的过程中，不仅在焊料层会产生显著的热应力，而且热应力会直接导致铜底板的变形内凹。带有内凹底板的功率模块在安装到散热器时，底板与散热器表面就会存在较大的缝隙，严重影响模块的散热，从而导致模块在工作时，芯片的结温过高，引起模块的过早损坏。为了避免此现象，通常模块的底板进行反向预弯，以抵消模块制造过程中热应力的影响。

功率电子模块的焊料层通常采用铅基(有铅焊料)或锡基(无铅焊料)合金。由于这些合金的融点较低，与模块的使用温度差异不大(例如，模块壳温T_C＝353K时，与SAC305无铅合金的融点比值已经达到了72％！)，因此，它们的抗疲劳特性不佳。由于陶瓷覆铜基板底侧铜层5与纯铜底板7之间的第二焊料层6焊接面积大，热应力也大，因而此焊料层最易产生疲劳裂纹，并且在模块的使用过程中，随着模块的温度交变而扩展。扩展的疲劳裂纹不断缩小焊接面积，导致模块传热受阻，芯片结温上升，在超过最高允许结温时，模块发生损坏。由于此失效机理的存在，在寿命和可靠性要求较高的应用中，如航空、轨道交通、新能源汽车等，铜质底板的功率电子模块的使用就会受限。

为了提高模块的使用寿命，一种无底板模块结构已被投入应用，如图2所示。与图1相比，模块去掉了底板7和第二焊料层6，所以彻底去除了上述模块的疲劳损坏机制。模块的底部为陶瓷覆铜基板底侧铜层5，这一层直接安装到散热器的表面。陶瓷覆铜基板表侧铜层3，仍然通过第一焊料层2焊接芯片1，由于芯片1的低热膨胀系数，所以在芯片焊接的冷却过程中，陶瓷覆铜基板仍然会产生内凹现象，如图3所示。此无底板功率模块在芯片焊接后，陶瓷覆铜基板的内凹达到了65微米，所造成的安装缝隙对模块的传热将造成很大的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能消除陶瓷覆铜基板内凹的无金属底板功率模块。

实现本发明目的的技术方案是：无金属底板功率模块，包括功率芯片和陶瓷覆铜基板，陶瓷覆铜基板由两侧的表面铜层、底侧铜层和中间的陶瓷层组成，陶瓷覆铜基板的表面铜层被蚀刻成所需的形状，功率芯片通过第一无铅焊料层焊接到表面铜层上，高纯铝线通过超声波键合的方式，将功率芯片与表面铜层连接成所需的电路结构；所述表面铜层的表面设有防凹陷装置。

所述防凹陷装置可以为是：