CN120356875A - 基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体模块封装技术，旨在提供一种基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构。包括层叠布置的两块片状金属芯复合基板，复合基板具有多块并列布置的金属片层并通过间隙绝缘体连成整体；在金属片层内表面间隔地设有多个凸台结构，在非凸台区域设有用于填平的双层绝缘结构，并嵌入设置驱动线路层；两块复合基板相对布置使凸台结构对应成组并嵌入安装功率芯片；板间空腔中设绝缘填充层，外表面具有同时覆盖各金属片层的外部绝缘层，在外部绝缘层的外侧设置散热器。本发明中金属片层能将芯片产生的热量直接传导到散热器底部，能显著缩短散热路径，减小模块封装厚度，同时大幅提升芯片通流能力、封装可靠性和产品机械性能。

Description

基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构

技术领域

本发明涉及半导体模块封装技术，更具体的，涉及一种基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构。

背景技术

传统硅基功率模块封装主要采用DBC基板以及键合线方式实现芯片、互联层以及模块端子的电气连接，但是随着宽禁带半导体器件在越来越多的领域逐步替代硅器件，键合线引入的寄生电感严重限制了宽禁带半导体器件的高频应用，同时现有双面覆铜陶瓷基板仅能实现线路单层走线，严重限制了线路空间布局。也有文献提出基于PCB基板埋入技术的功率器件封装方案，但是在PCB基板中使用了大量有机复合绝缘材料，这导致功率芯片热量难以高效导出。此外，传统单面散热方式会导致模块温度过高，严重影响宽禁带半导体器件优良性能发挥。

因此，针对大容量功率模块面临的系列技术挑战，亟需开发适用于宽禁带半导体功率器件的模块封装方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有大容量高功率模块封装技术中寄生参数高以及散热的不足，提供基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，包括层叠布置的两块片状金属芯复合基板，以及同层布置在复合基板之间的多个功率芯片；其中，

所述复合基板具有多块并列布置的金属片层，相邻面保持间隙且填充用于粘接的间隙绝缘体；各金属片层通过间隙绝缘体连成整体后，作为复合基板的刚性支撑结构；

在每一块金属片层的内侧表面，间隔地设有多个凸台结构；在非凸台区域设有用于填平的双层绝缘结构，下层为内部绝缘层，上层为绝缘油墨层；两块复合基板相对布置使凸台结构一一对应成组；在每组凸台结构之间嵌入安装一个功率芯片，其两侧表面与凸台结构的表面固定连接；在与功率芯片的接电侧相对的金属片层上，设有嵌入在双层绝缘结构中的驱动线路层；驱动线路层具有连接功率芯片的多个延伸部位，绝缘油墨层在功率芯片的接电区留有窗口，使驱动线路层与功率芯片能够实现电连接；各组凸台结构与功率芯片连接后，在两块复合基板之间形成空腔，在空腔中设有用于粘接的绝缘填充层；

所述复合基板的外表面具有同时覆盖各金属片层的外部绝缘层，在外部绝缘层的外侧设置散热器；各功率芯片产生的热量通过凸台结构及金属片层本体传导至散热器。

作为本发明的优选方案，所述驱动线路层具有多层结构，包括多级层叠布置的驱动线路和用于电气隔离的绝缘层；位于下层的驱动线路与位于上层的驱动线路或功率芯片的接电区之间，通过盲孔或金属连接块实现电连接。

作为本发明的优选方案，根据功率芯片接电侧的所处方向不同，所述驱动线路层位于同一块复合基板上或者分别位于两块复合基板上。

作为本发明的优选方案，所述功率芯片与其两侧的凸台结构之间通过烧结焊料层实现固定连接；功率芯片的接电区与驱动线路层之间通过烧结焊料层实现电连接。

作为本发明的优选方案，在外部绝缘层的表面设置金属连接层，所述散热器的底面通过烧结焊料层与金属连接层相连；或者在金属连接层与散热器底面之间设置硅脂导热层，利用夹具将散热器固定在复合基板上。

作为本发明的优选方案，外部绝缘层与散热器底面之间通过热压方式连接；或者，在外部绝缘层与散热器底面之间设置硅脂导热层，利用夹具将散热器固定在复合基板上。

作为本发明的优选方案，在复合基板中至少一块金属片层的一端设置延伸部位作为功率端子用于安装连接，在功率端子上设置安装孔。

作为本发明的优选方案，在驱动线路层所处金属片层的端部，设置驱动线路层及底部金属的延伸部位作为信号端子。

本发明进一步提供了前述基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构的制备方法，包括：

采用电镀、刻蚀或沉积工艺，在金属片层的内侧表面形成凸台结构，使两者成为一体式结构；

在模具中并列布置多个金属片层并使相邻面保持间隙，采用热压、烧结、喷涂或沉积工艺在间隙中填充绝缘体，使各金属片层之间形成电气绝缘同时形成刚性整体结构；

采用热压、烧结、喷涂或沉积工艺，在金属片层的外侧表面形成外部绝缘层，用于形成金属片层对外部的电气绝缘；或者进一步采用化镀、电镀、沉积或热压工艺，在外部绝缘层表面形成金属连接层；

采用热压工艺，在金属片层的非凸台区域覆盖内部绝缘层；采用光刻、化镀、沉积或蒸镀工艺，在内部绝缘层表面制作金属线路，形成驱动线路层；

采用喷涂或刷涂工艺，在内部绝缘层和驱动线路层表面覆盖绝缘油墨层；使金属片层的表面，在有驱动线路层的位置为三明治结构，在没有驱动线路层的位置为双层结构；

采用激光、蚀刻或切割工艺，根据功率芯片的安装位置针对绝缘油墨层进行开窗处理形成绝缘层凹槽，露出凸台结构的表面以及驱动线路层上对应功率芯片接电区的焊接位置，用于芯片定位及焊料印刷；

采用印刷工艺在绝缘层凹槽中布置焊料，放置功率芯片；将两块复合基板相对放置压合后，采用焊接或烧结工艺使焊料牢固粘接；

采用注塑或灌封工艺在复合基板间的空腔中绝缘材料，形成牢固粘接两块复合基板的绝缘填充层；

采用热压工艺将散热器安装在外部绝缘层上，或采用焊接工艺将散热器安装在金属连接层上；或者，在复合基板外侧涂覆硅脂导热层，并利用夹具将散热器固定在复合基板上。

作为本发明的优选方案，所述金属片层的材质是铜或铝；所述间隙绝缘体的材质是含有氮化铝、氮化硅或碳化硅导热陶瓷复合绝缘材料；所述外部绝缘层的材质是含有氮化铝、氮化硅或碳化硅导热陶瓷复合绝缘材料；所述内部绝缘层是玻璃纤维复合材料；所述驱动线路层的材质是铜或铝；所述绝缘填充层的材料是含有氮化铝、氮化硅或碳化硅导热陶瓷复合绝缘材料；所述金属连接层的材质是铜或铝；或者，进一步在金属连接层表面设置纳米级金属镍或金材质的防氧化层。

发明原理描述：

现有技术中利用两块基板夹持功率芯片或将功率芯片埋入PCB基板的功率模块的设计方案，分别可以起到双面散热以及封装降低寄生参数的作用。但是，公开文献记载的能够双面散热的功率模块通常都采用传统DBC基板、AMB基板或其他双面覆铜陶瓷基板。由于陶瓷基板与金属热膨胀系数通常存在较大差距，导致采用金属陶瓷基板的功率模块难以做到多层结构，在高温条件下易产生基板翘曲以及分层开裂缺陷。此外，现有PCB基板埋入方案通常会采用有机树脂基板作为封装绝缘材料（如FR4等有机基板）这些基板材料热导率低，会严重限制功率器件的热量导出，所以目前功率模块中的驱动控制板通常仍采用分立结构。

本发明创新地提出，利用多块并列布置的金属片层作为复合基板的刚性金属芯结构，在金属片层上构建凸台结构，然后以两块复合基板相对叠合，将功率芯片嵌入在两层金属片层之间；通过该方式利用平面展开的金属片层作为导热中介，将功率芯片工作时产生的热量传导致散热器。同时，本发明摒弃现有技术中嵌套基板用于布置驱动线路的做法，直接在金属片层的非凸台区域布置的双层绝缘结构中布置驱动线路层。该设计不仅简化了产品结构和加工工艺，更可以通过多层设计方式实现更为复杂的驱动控制线路的布局需求，满足越来越高的产品功能实现要求。与传统工艺中在功率芯片外部设置金属块用于接电的技术相比，本发明将驱动线路层嵌入在非凸台区域的双层绝缘结构中，能够实现更加灵活的线路图案布局设计，不会受到芯片布局的限制。同时，金属片层同时作为导电结构、支撑结构和散热中介，其功能和结构都得到充分利用，能够进一步强化整体结构强度和散热效率，也能进一步提升模块载流能力。

另外，本发明提出通过采用含有氮化铝、氮化硅或碳化硅等的高导热陶瓷复合绝缘材料用于各绝缘层的填充。在功率模块产品中，各绝缘部位均具有接近于金属材料的热膨胀系数；可以在保持高导热以及绝缘性能的同时，实现整体结构稳固、强化产品强度的目的。

因此，本发明的实现方案突破了本领域技术人员的固有设计思维，通过在两层金属芯复合基板之间直接嵌入功率模块和驱动线路的做法，实现基板与散热器一体化集成、模块内部不同芯片复杂控制需求以及功率芯片双面直接烧结方案，得到高功率模块高效散热、低杂感以及驱动回路一体化集成效果。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明中采用直接烧结或焊接方式实现功率芯片与两侧凸台结构及驱动线路层的连接，金属片层能将芯片产生的热量直接传导到散热器底部，充分发挥大面积金属片层的散热能力，与传统封装结构相比能够显著缩短散热路径，减小模块封装厚度，同时大幅提升芯片通流能力、封装可靠性和产品机械性能。

2、本发明中完全取消了传统嵌入有机绝缘基板的结构，改为在金属片层的非凸台区域双层绝缘结构内嵌入驱动线路。该做法能够大幅提升基板整体导热性能和通流能力。在大面积的双层绝缘结构内部，可根据驱动/功率线路布局需要灵活调整驱动线路的分布，充分发挥封装三维空间布局能力。通过取消现有技术中功率模块与驱动控制板的分立结构，有利于实现功率模块与驱动控制板集成一体化，进一步提升模块封装集成度以及性能。

3、本发明中在金属片层的内外两侧分别设置高导热陶瓷复合绝缘材料的绝缘层，在简化产品结构、强化热量导出能力、大幅减小功率模块厚度的同时，能够大幅降低封装热阻，降低高温差工况下的基板翘曲风险，提高封装绝缘性能和可靠性。

4、本发明通过对绝缘油墨层进行开窗处理形成绝缘层凹槽，开窗大小与芯片表面焊盘图形一致，用于焊料印刷、芯片定位以及功率模块加工过程中芯片固定，防止烧结或焊接过程中芯片偏移，能够解决芯片表面栅极焊盘高精度焊接问题。

5、本发明使用延长金属片层和驱动线路层的方式，实现功率端子和信号端子直接引出。其中，功率端子与金属片层为一体结构，具有宽走线路径特点，进一步减小传统技术带来的封装寄生参数过高问题，此外，由于无需额外焊接端子，能够进一步简化封装工艺流程以及提升封装可靠性。

6、本发明利用驱动线路层设计多个延伸部位实现与功率芯片互联，避免了键合线的使用，能够减小封装寄生参数。

附图说明

图1为本发明中复合基板的剖面示意图。

图2为集成了散热器的复合基板剖面示意图。

图3为嵌入式双面直接冷却功率模块剖面结构示意图（未安装散热器）。

图4为多层结构的驱动线路层的示意图。

图5为嵌入式双面直接冷却功率模块剖面结构示意图（在外部绝缘层上直接安装散热器）。

图6为复合基板在加工过程不同阶段的示意图。

图7为嵌入式双面直接冷却功率模块结构的立体视图（未安装散热器）。

图8为嵌入式双面直接冷却功率模块结构的立体视图。

附图标记说明：1-1凸台结构；1-2驱动线路层；1-3绝缘层凹槽；1-4内部绝缘层；1-5绝缘油墨层；1-6金属片层；1-7外部绝缘层；1-8金属连接层；1-9间隙绝缘体；2-1散热器；3-1上层复合基板；3-2功率芯片；3-3绝缘填充层；3-4烧结焊料层；3-5下层复合基板；4-1底层驱动路线；4-2金属连接块；4-3中间驱动线路；4-4盲孔；4-5绝缘层；4-6凸台结构的局部；4-7顶层驱动线路；4-8绝缘油墨层的局部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本申请中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

一、产品结构具体说明

如图所示，本发明提出的基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，包括层叠布置的两块片状金属芯复合基板（简称复合基板），以及同层布置在复合基板之间的多个功率芯片3-2；其中，复合基板分为上层复合基板3-1和下层复合基板3-5，两者的结构大致相同。从图1-3和图6中可以看出，复合基板具有多块并列布置的金属片层1-6，相邻面之间保持间隙，且填充用于粘接的间隙绝缘体1-9。各金属片层1-6通过间隙绝缘体1-9连成整体后，作为复合基板的刚性支撑结构。

在每一块金属片层1-6的内侧表面，间隔地设有多个凸台结构1-1；在除凸台结构1-1之外的非凸台区域，设有用于填平的双层绝缘结构，其下层为内部绝缘层1-4，上层为绝缘油墨层1-5。上层复合基板3-1和下层复合基板3-5相对布置，并使各自的凸台结构1-1按一一对应的方式配对成组；在每组凸台结构1-1之间嵌入安装一个功率芯片3-2，功率芯片3-2的两侧表面与凸台结构1-1的表面之间通过烧结焊料层3-4固定连接。在与功率芯片3-2的接电侧相对的金属片层1-6上，设有嵌入在双层绝缘结构中的驱动线路层1-2。根据功率芯片3-2接电侧的所处方向不同，驱动线路层1-2位于同一块复合基板上或者分别位于两块复合基板上。驱动线路层1-2具有连接功率芯片3-2的多个延伸部位，绝缘油墨层1-5在功率芯片3-2的接电区留有窗口，使驱动线路层1-2与功率芯片3-2能够通过烧结焊料层3-4实现电连接。各组凸台结构1-1与功率芯片3-2连接后，在两块复合基板之间形成空腔，在空腔中设有用于粘接的绝缘填充层3-3。

在复合基板的外表面具有同时覆盖各金属片层1-6的外部绝缘层1-7，在外部绝缘层1-7的外侧设置散热器2-1。如图5中所示，外部绝缘层1-7与散热器2-1可以是热压工艺直接连接，也可以通过涂覆硅脂导热层，并利用夹具将散热器固定在复合基板上。各功率芯片3-2产生的热量通过凸台结构1-1及金属片层1-6的本体传导至散热器2-1。如图2中所示，可以在外部绝缘层1-7的表面设置金属连接层1-8，散热器2-1的底面通过烧结焊料层与金属连接层1-8相连。或者，在金属连接层1-8与散热器2-1底面之间涂覆硅脂导热层，利用夹具将散热器2-1固定在复合基板上。热量在传导过程中不会像现有技术那样受到有机板材的阻滞，能够利用全部金属片层的实现高性能导热和快速降温。

为实现功率模块的安装，本发明是在复合基板中至少一块金属片层1-6的一端，设置延伸部位作为功率端子用于安装连接，并在功率端子上设置安装孔。为实现信号连接进行控制，在驱动线路层1-2所处金属片层1-6的端部，设置驱动线路层1-2及底部金属的延伸部位作为信号端子。

如图4所示，为了满足多类型芯片安装和更复杂控制的需求，本发明进一步提出驱动线路层1-2的多层结构设计。该示例中，包括三级层叠布置的驱动线路（底层驱动路线4-1、中间驱动线路4-3和顶层驱动线路4-7），以及多层用于电气隔离的绝缘层4-5；位于下层的驱动线路（如底层驱动路线4-1和中间驱动线路4-3）与位于上层的驱动线路（如中间驱动线路4-3和顶层驱动线路4-7）或功率芯片3-2的接电区之间，通过盲孔4-4或金属连接块4-2实现电连接。

本发明适用的功率芯片3-2包括但不限于硅基、碳化硅基、氮化镓基等功率芯片。

二、产品制备方法的说明

本发明提出了基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构的制备方法，其特征在于，包括：

采用电镀、刻蚀或沉积工艺，在金属片层1-6的内侧表面形成凸台结构1-1，使两者成为一体式结构；

在模具中并列布置多个金属片层1-6并使相邻面保持间隙，采用热压、烧结、喷涂或沉积工艺在间隙中填充绝缘体，使各金属片层1-6之间形成电气绝缘，同时形成刚性整体结构。此时基板内侧表面如图6中（a）所示，左侧为下基板、右侧为上基板（以下同）。

采用热压、烧结、喷涂或沉积工艺，在金属片层1-6的外侧表面形成外部绝缘层1-7，用于形成金属片层1-6对外部的电气绝缘；或者进一步采用化镀、电镀、沉积或热压工艺，在外部绝缘层1-7表面形成金属连接层1-8；

采用热压工艺，在金属片层1-6的非凸台区域覆盖内部绝缘层1-4。此时基板内侧表面如图6中（b）所示，间隙绝缘体1-9已被内部绝缘层1-4覆盖。

采用光刻、化镀、沉积或蒸镀工艺，在内部绝缘层1-4表面制作金属线路，形成驱动线路层1-2。此时基板内侧表面如图6中（c）所示。

采用喷涂或刷涂工艺，在内部绝缘层1-4和驱动线路层1-2表面覆盖绝缘油墨层1-5；使金属片层1-6的表面，在有驱动线路层1-2的位置为三明治结构，在没有驱动线路层的位置为双层结构。

采用激光、蚀刻或切割工艺，根据功率芯片3-2的安装位置针对绝缘油墨层1-5进行开窗处理形成绝缘层凹槽1-3，露出凸台结构的表面以及驱动线路层上对应功率芯片接电区的焊接位置，用于芯片定位及焊料印刷。此时基板内侧表面如图6中（d）所示，驱动线路层1-2已被绝缘油墨层1-5覆盖，功率芯片3-2的接电区也露出。

采用印刷工艺在绝缘层凹槽1-3中布置焊料，放置功率芯片3-2；将两块复合基板相对放置压合后，采用熔炼或烧结工艺使焊料牢固粘接；

采用注塑或灌封工艺在复合基板间的空腔中绝缘材料，形成牢固粘接两块复合基板的绝缘填充层3-3；

采用热压工艺将散热器2-1安装在外部绝缘层1-7上，或采用焊接工艺将散热器2-1安装在金属连接层1-8上。或者，在复合基板外侧涂覆导热硅脂，并利用夹具将散热器2-1固定在复合基板上。

三、更为具体的产品或加工细节

本发明提出的集成散热、驱动线路、金属片层的复合基板结构，可同时实现在基板上实现控制线路三维空间布局、芯片定位、上下基板间互连、模块高效散热、模块与外部散热器间最短路径连接，能够大幅简化双面直接散热功率模块制造工艺，并显著提升功率模块电、热性能和封装可靠性。

上层复合基板3-1与下层复合基板3-5均以金属片层1-6作为核心结构，既能够用于芯片散热，也能在其表面构建绝缘层和驱动线路实现电气互连。在粗材切割的开始阶段，保留从金属片层1-6端部延伸部分结构，分别作为功率模块用于固定安装的功率端子，以及辅助驱动线路形成与外部电路连接的信号端子。对于高功率应用场景，金属片层1-6优选金属铜或铝材质。金属铜或铝具有优异导电以及导热性能，适用于高功率模块大电流应用工况以及高功率芯片散热需求。

凸台结构1-1采用沉积/电镀/刻蚀等制作工艺，生长于金属片层1-6的表面，与金属片层1-6为一体结构。凸台结构1-1能够迅速将功率芯片3-2的热量直接传导到上下两侧的金属片层1-6，充分利用芯片上下表面同时散热，同时避免了现有嵌入式封装工艺流程中互联铜垫片制作以及烧结等工序，简化模块封装工艺流程同时提高了封装可靠性。

通过陶瓷结构材料热压、烧结、喷涂工艺以及半导体基材制造物理/化学气相沉积工艺等工艺，使间隙绝缘体1-9生长于相邻金属片层1-6之间的间隙，用于实现电路图形间电气绝缘以及分立金属基板的高强度连接。对于高压/高功率应用场景，绝缘层优选包含氮化铝、氮化硅、碳化硅等高导热高绝缘性能的陶瓷复合绝缘材质，具体可使用高导热陶瓷粉末掺杂入环氧树脂、聚氨酯等高绝缘性能基体材料。

通过陶瓷结构材料热压、烧结、喷涂工艺以及半导体基材制造物理/化学气相沉积工艺等制作工艺，使外部绝缘层1-7生长于金属片层1-6背面，用于实现金属片层1-6与外部散热器2-1之间的绝缘以及模块高效散热。外部绝缘层1-7优选包含氮化铝、氮化硅、碳化硅等高导热高绝缘性能陶瓷的复合绝缘材质，厚度仅几十微米即可实现数千伏耐压，同时基板背面整面生长高导热陶瓷复合绝缘层可充分利用基板整面散热面积，实现超低热阻的功率模块封装。

通过化镀/电镀/物理气相沉积/化学气相沉积等金属膜工艺，或者金属箔片热压工艺，使金属连接层1-8生长于外部绝缘层1-7表面，用于实现复合基板与散热器2-1的直接连接。金属连接层1-8优选铜、铝等高导热金属材质，同时金属连接层1-8还可以设置一层纳米级金属镍、金防氧化层，用于防止模块加工以及工作过程中金属层氧化。

通过热压等制作工艺，将内部绝缘层1-4覆盖于金属片层1-6表面。对于高压及高功率应用场景，内部绝缘层1-4优选玻璃纤维复合材料材质，玻璃纤维复合材料等具有优异导热性能、绝缘性能以及机械强度。

采用光刻、化镀、沉积或蒸镀工艺，在内部绝缘层1-4表面制作金属线路，形成驱动线路层1-2；绝缘油墨层1-5覆盖于内部绝缘层1-4以及驱动线路层1-2表面。

在涂覆绝缘油墨层1-5后，采用激光/蚀刻/切割等开窗工艺针对其制作绝缘层凹槽1-3，用于露出凸台结构1-1表面以及驱动线路层1-2对应芯片焊盘的焊接位置，用于焊料印刷、芯片定位以及功率模块加工过程中芯片固定，防止烧结/焊接过程中芯片偏移，解决芯片表面栅极焊盘高精度焊接问题。

烧结焊料层3-4优选纳米银或纳米铜材料，纳米银或纳米铜烧结具有低温烧结、高温服役的优点，同时相对于常规锡膏焊料具有更优异的导热、导电性能。特别是针对高功率模块，对芯片散热以及模块通流能力有更高要求的应用场景。纳米银或纳米铜的热膨胀系数与凸台结构1-1以及驱动线路层1-2热膨胀系数接近，因此材料间热应力相对于其他种类焊料更低，进一步提高模块封装可靠性。

板间绝缘填充层3-3用于上、下层复合基板间以及与芯片间电气绝缘，优选具有优良绝缘性能以及耐高温环氧树脂基、聚氨酯、聚酰亚胺、聚对二甲苯和有机硅材料等复合绝缘材料。板间绝缘填充层3-3填充方式优选注塑、灌封、真空灌封等方式，高温真空灌封能够有效填充内部细小间隙，避免模块内部气泡的产生，提高模块绝缘性能。

最后将散热器2-1集成于外部绝缘层1-7或金属连接层1-8的表面。集成散热器2-1的具体操作方式，可选是热压工艺、涂覆硅脂导热层（使用夹具）或改用焊接工艺（针对金属连接层）。

综上，本发明通过采用集成散热、驱动金属芯复合基板实现基板多层线路布局、散热器与基板一体化集成、芯片双面直接烧结工艺、绝缘介质高温真空灌封等工艺，充分发挥了复合基板三维空间多层线路布局潜力以及导热能力，有利于实现功率模块与驱动控制板集成一体化，并极大简化了功率模块封装工艺流程。基板表面使用高导热陶瓷复合热界面接连材料大幅提升了模块绝缘耐压以及显著降低了封装热阻，实现了外部散热器与模块的直接一体化集成。模块功率以及信号端子与集成散热、驱动金属芯复合基板为一体结构，无需额外焊接连接端子，同时宽走线基板框架大幅减小了封装寄生参数。

因此，本发明基于集成散热、驱动金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，实现极低封装热阻以及寄生参数，同时具有体积小、功率密度高、一体化双面直接散热等优点，是功率模块向高频、高功率密度、高性能发展方向一种具有很大发展潜力的解决方案。

Claims (10)

1.一种基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，其特征在于，包括层叠布置的两块片状金属芯复合基板，以及同层布置在复合基板之间的多个功率芯片；其中，

所述复合基板具有多块并列布置的金属片层，相邻面保持间隙且填充用于粘接的间隙绝缘体；各金属片层通过间隙绝缘体连成整体后，作为复合基板的刚性支撑结构；

在每一块金属片层的内侧表面，间隔地设有多个凸台结构；在非凸台区域设有用于填平的双层绝缘结构，下层为内部绝缘层，上层为绝缘油墨层；两块复合基板相对布置使凸台结构一一对应成组；在每组凸台结构之间嵌入安装一个功率芯片，其两侧表面与凸台结构的表面固定连接；在与功率芯片的接电侧相对的金属片层上，设有嵌入在双层绝缘结构中的驱动线路层；驱动线路层具有连接功率芯片的多个延伸部位，绝缘油墨层在功率芯片的接电区留有窗口，使驱动线路层与功率芯片能够实现电连接；各组凸台结构与功率芯片连接后，在两块复合基板之间形成空腔，在空腔中设有用于粘接的绝缘填充层；

所述复合基板的外表面具有同时覆盖各金属片层的外部绝缘层，在外部绝缘层的外侧设置散热器；各功率芯片产生的热量通过凸台结构及金属片层本体传导至散热器。

2.根据权利要求1所述的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，其特征在于，所述驱动线路层具有多层结构，包括多级层叠布置的驱动线路和用于电气隔离的绝缘层；位于下层的驱动线路与位于上层的驱动线路或功率芯片的接电区之间，通过盲孔或金属连接块实现电连接。

3.根据权利要求1所述的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，其特征在于，根据功率芯片接电侧的所处方向不同，所述驱动线路层位于同一块复合基板上或者分别位于两块复合基板上。

4.根据权利要求1所述的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，其特征在于，所述功率芯片与其两侧的凸台结构之间通过烧结焊料层实现固定连接；功率芯片的接电区与驱动线路层之间通过烧结焊料层实现电连接。

5.根据权利要求1所述的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，其特征在于，在外部绝缘层的表面设置金属连接层，所述散热器的底面通过烧结焊料层与金属连接层相连；或者在金属连接层与散热器底面之间设置硅脂导热层，利用夹具将散热器固定在复合基板上。

6.根据权利要求1所述的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，其特征在于，外部绝缘层与散热器底面之间通过热压方式连接；或者，在外部绝缘层与散热器底面之间设置硅脂导热层，利用夹具将散热器固定在复合基板上。

7.根据权利要求1所述的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，其特征在于，在复合基板中至少一块金属片层的一端设置延伸部位作为功率端子用于安装连接，在功率端子上设置安装孔。

8.权利要求1所述的嵌入式双面直接冷却功率模块结构，其特征在于，在驱动线路层所处金属片层的端部，设置驱动线路层及底部金属的延伸部位作为信号端子。

9.权利要求1所述基于金属芯复合基板的嵌入式双面直接冷却功率模块结构的制备方法，其特征在于，包括：

采用电镀、刻蚀或沉积工艺，在金属片层的内侧表面形成凸台结构，使两者成为一体式结构；

在模具中并列布置多个金属片层并使相邻面保持间隙，采用热压、烧结、喷涂或沉积工艺在间隙中填充绝缘体，使各金属片层之间形成电气绝缘同时形成刚性整体结构；

采用热压、烧结、喷涂或沉积工艺，在金属片层的外侧表面形成外部绝缘层，用于形成金属片层对外部的电气绝缘；或者进一步采用化镀、电镀、沉积或热压工艺，在外部绝缘层表面形成金属连接层；

采用热压工艺，在金属片层的非凸台区域覆盖内部绝缘层；采用光刻、化镀、沉积或蒸镀工艺，在内部绝缘层表面制作金属线路，形成驱动线路层；

采用喷涂或刷涂工艺，在内部绝缘层和驱动线路层表面覆盖绝缘油墨层；使金属片层的表面，在有驱动线路层的位置为三明治结构，在没有驱动线路层的位置为双层结构；

采用激光、蚀刻或切割工艺，根据功率芯片的安装位置针对绝缘油墨层进行开窗处理形成绝缘层凹槽，露出凸台结构的表面以及驱动线路层上对应功率芯片接电区的焊接位置，用于芯片定位及焊料印刷；

采用印刷工艺在绝缘层凹槽中布置焊料，放置功率芯片；将两块复合基板相对放置压合后，采用焊接或烧结工艺使焊料牢固粘接；

采用注塑或灌封工艺在复合基板间的空腔中绝缘材料，形成牢固粘接两块复合基板的绝缘填充层；

采用热压工艺将散热器安装在外部绝缘层上，或采用焊接工艺将散热器安装在金属连接层上；或者，在复合基板外侧涂覆硅脂导热层，并利用夹具将散热器固定在复合基板上。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述金属片层的材质是铜或铝；

所述间隙绝缘体的材质是含有氮化铝、氮化硅或碳化硅的导热陶瓷复合绝缘材料；

所述外部绝缘层的材质是含有氮化铝、氮化硅或碳化硅的导热陶瓷复合绝缘材料；

所述内部绝缘层是玻璃纤维复合材料；

所述驱动线路层的材质是铜或铝；

所述绝缘填充层的材料是含有氮化铝、氮化硅或碳化硅导热陶瓷复合绝缘材料；

所述金属连接层的材质是铜或铝；或者，进一步在金属连接层表面设置纳米级金属镍或金材质的防氧化层。