本實用新型涉及一種功率模塊用底板及功率模塊，尤其是一種用于控制大電流或高電壓的半導體裝置的功率模塊用底板及功率模塊，屬于電力電子器件及模塊技術領域。

背景技術：

現有的功率模塊主要是由不同材料組成的多層結構。對于常見的銅底板功率模塊，其包括底板、覆銅陶瓷基板、半導體芯片、電極端子等主要部件。覆銅陶瓷基板是三明治結構，其包括陶瓷襯底和形成在其表面和背面的銅金屬層。底板通過焊錫被接合在該覆銅陶瓷基板的背面銅金屬層上，半導體芯片通過焊錫被接合在該覆銅陶瓷基板的表面銅金屬層上，半導體芯片的電極與電極端子間一般以鋁線進行布線，整體填充硅凝膠（silicone gel）等密封材料進行密封。另外一種功率模塊沒有覆銅陶瓷基板，它是直接在金屬底板上接合半導體芯片等元件。在上述兩種模塊的結構中，由于各層材料屬性不同，其熱力學行為也不盡相同，當模塊工作溫度發生周期性的變化時，模塊結構中各層材料由于熱膨脹系數（CTE）的差異將產生熱應力，引起模塊焊料層發生熱疲勞。對于銅底板功率模塊，通常，覆銅陶瓷基板和金屬底板（典型的如銅）之間的焊料層更容易發生失效，因為常用的覆銅陶瓷基板的三明治結構的中間層為氧化鋁（Al₂O₃）陶瓷基板、氮化鋁（AlN）陶瓷基板、氮化硅（Si₃N₄）陶瓷基板，其和銅的CTE（Al₂O₃：7 ppm/K，AlN：5.7 ppm/K，Si₃N₄：2.7 ppm/K，Cu 17 ppm/K）存在較大差別。同樣對于上述第二種無覆銅陶瓷基板模塊來說，半導體芯片與底板之間也存在熱失配問題。因此，在高可靠性應用中，迫切需要有一種減小覆銅陶瓷基板或半導體芯片和底板之間焊料層熱應力，緩解熱失配的方法。

技術實現要素：

本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種功率模塊用底板及功率模塊，能夠有效地降低功率模塊工作時由于底板與覆銅陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片之間熱膨脹系統差異產生的熱應力，提高功率模塊的可靠性。

按照本實用新型提供的技術方案，所述功率模塊用底板，包括底板基體，其特征是：在所述底板基體的一面設有用于焊接覆銅陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片的接合層；所述接合層的材質采用熱膨脹系數在覆銅陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片和功率模塊用底板之間的金屬基復合材料或純金屬。

進一步的，所述接合層通過冷噴涂法形成。

進一步的，所述底板基體的厚度在1毫米以上。

進一步的，所述底板基體的材料為銅、銅合金、鋁、鋁合金、鋁碳化硅中的任意一種。

進一步的，所述接合層的材質為鋁碳化硅或銅合金，銅合金中銅的質量百分含量為10%～40%；所述接合層的厚度為0.2～1.5毫米。

進一步的，所述銅合金為鉬銅或鎢銅。

進一步的，所述接合層的材質為鎳、鎢或鉬，接合層的厚度為0.1～1.2毫米。

所述功率模塊，其特征是：包括功率模塊用底板，在功率模塊用底板上方搭載覆銅陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片。

本實用新型具有以下優點：本實用新型利用冷噴涂法在底板上設置一層接合層，能夠有效地降低模塊工作時由于底板與覆銅陶瓷基板或功率元器件及其裸芯片之間熱膨脹系數（CTE）差異產生的熱應力，提高了模塊的可靠性。

附圖說明

圖1為本實用新型所述功率模塊用的剖面圖。

圖2為冷噴涂裝置的示意圖。

圖3為用于形成接合層的掩膜的示意圖。

圖4為本實用新型的功率模塊底板的一種示意圖。

圖5為本實用新型無陶瓷基板功率模塊的剖面圖。

圖6為實施例2的流程圖。

圖中標號：功率模塊用底板1、底板基體11、接合層12、第一焊接材料2、覆銅陶瓷基板3、表面銅層31、中間陶瓷層32、底側銅層33、第二焊接材料4、半導體元件、功率元器件及其裸芯片50、掩膜100、掩膜開口框101、冷噴涂裝置20、送粉器201、氣體加熱器202、噴槍203。

具體實施方式

下面結合具體附圖對本實用新型作進一步說明。

以下，參照附圖對本實用新型的實施方式進行詳細說明。另外，本實用新型不限于以下的實施方式，在以下的說明中所參照的各圖是為了能夠對本實用新型的內容進行理解而概括性地對形狀、大小以及位置關系進行表示。即，本實用新型不限于各圖所舉例所示的形狀、大小以及位置關系。

實施例1：

如圖1所示，本實用新型所述功率模塊包括功率模塊用底板1，功率模塊用底板1包括底板基體11和設置在底板基體11上的接合層12，在功率模塊用底板1的接合層12上經第一焊接材料2接合覆銅陶瓷基板3，在覆銅陶瓷基板3上經第二焊接材料4接合半導體元件5。所述覆銅陶瓷基板包括由上至下依次設置的表面銅層31、中間陶瓷層32和底側銅層33，底側銅層33由第一焊接材料2與功率模塊用底板1的接合層12接合，表面銅層31由第二焊接材料4與半導體元件5接合。

所述功率模塊用底板1的底板基體11起到散熱和機械支撐的作用，因此需要具有良好的導熱性和機械強度，優選的材料為銅、銅合金、鋁、鋁合金、鋁碳化硅的任意一種。所述底板基體11厚度在1毫米以上。

所述功率模塊用底板1上的接合層12是通過冷噴涂法所形成的，由鋁碳化硅、鉬銅、鎢銅、銅合金、鎳、鎢、鉬等具有良好的導熱性和合適的熱膨脹系數的金屬基復合材料或純金屬形成。

所述的冷噴涂法是基于空氣動力學與高速碰撞動力學原理的噴涂技術，其利用高壓氣體（如H₂、He、N₂）導入拉瓦爾噴嘴，高壓氣體流過拉瓦爾噴嘴喉部后將產生超音速流動，得到高速氣流（300～1200 m/s），粉末顆粒（5～100微米直徑）沿軸向送入氣流中，經氣流加速后以高速撞擊基體，通過產生較大的塑性變形而沉積于基體表面形成涂層。在這一過程中，高壓氣體可以預熱，以提高氣流速度，從而增加粒子速度；另一方面增加粉末顆粒的碰撞溫度，從而提高粒子的變形能力。由于冷噴涂工藝的粉末顆粒在整個沉積過程中溫度低于其熔點，屬于低溫沉積、對基體的熱影響小、分布均勻、涂層基本無氧化、涂層深層空隙率低、結合力好、無內應力。

冷噴涂層需要選擇合適的材料，因為經第一焊接材料2接合于功率模塊用底板1的一面的覆銅陶瓷基板3是由包括表面銅層31、中間陶瓷層32和底側銅層33組成的三層結構，其具有絕緣性，作為絕緣性材料；例如，中間陶瓷層32能夠使用高純度氧化鋁、氮化鋁、氮化硅陶瓷等，由于高純度氧化鋁、氮化鋁或氮化硅覆銅陶瓷基板的綜合熱膨脹系數在2.8～7ppm/k 之間，功率模塊用底板1的底板基體11的熱膨脹系數，如銅為17ppm/K，鋁為23ppm/k，鋁碳化硅為6.5～9.23ppm/k，因此冷噴涂法形成的接合層12材料的熱膨脹系數應選擇在覆銅陶瓷基板3和功率模塊用底板1之間。另外，半導體元件5工作時，其散發的熱量必須通過元件底部，傳導至覆銅陶瓷基板3，再傳導到功率模塊用底板1，最后由散熱器將熱量帶走。這就要求冷噴涂法形成的接合層12又要具有良好的導熱性能。能同時滿足以上條件的有兩類材料。第一類是金屬基復合材料，如鋁碳化硅、鉬銅、鎢銅等銅合金。在這類材料中，銅的質量百分含量需要控制在10%～40%，這樣，在兼顧導熱的同時，金屬鎢和鉬等元素的含量可以有效控制接合層的熱膨脹系數，從而達到延長焊料層疲勞壽命的目的。根據覆銅陶瓷基板3的尺寸和厚度，接合層12的厚度可以控制在0.2～1.5毫米。第二類是純金屬，如鎳、鎢、鉬，這類冷噴接合層的厚度可以控制在0.1～1.2毫米。

如圖2所示，為本實用新型制備功率模塊用底板上的接合層所使用的冷噴涂裝置20，主要由送粉器201、氣體加熱器202、以及將提供的材料粉末噴射到底板基體11的噴槍203等組成。

當通過冷噴涂裝置20形成接合層12時，在底板基體11上配置有掩膜100。掩膜100形成有與覆銅陶瓷基板3底側銅層33大小一致的掩膜開口框101，掩膜開口框101的位置與覆銅陶瓷基板3在底板1上配合的位置一致。一方面，被提供給送粉器201的壓縮氣體，將送粉器201內的平均粒徑為5～100μm的粉末顆粒以規定的噴出量供應至噴槍203，另一方面，壓縮氣體通過氣體加熱器202被加熱后，被提供給噴槍203。壓縮氣體可選氮氣、氦氣或其混合氣體等。壓縮氣體加熱溫度在50～300℃。

通過噴槍203，使被加熱的壓縮氣體成為超音速氣流，此時壓縮氣體的氣壓優選為1～5MPa。這是因為，通過將壓縮氣體的壓力調整到這一程度，能夠提高所噴涂的接合層與底板基體的附著強度。被提供給噴槍的粉末顆粒通過該壓縮氣體的超音速氣流被加速到超音速狀態，并在固相狀態下高速撞擊底板基體11上的掩膜開口框101區域并堆積，噴射粉末顆粒的噴槍33沿著開口框區域反復進行水平移動，由此在底板基體11上形成預定厚度的接合層12。

實施例2：功率模塊的制造方法，如圖6所示，包括以下步驟：

首先，將經過機械沖壓和預彎處理的底板基體11通過冷噴涂方法在固定覆銅陶瓷基板3的那面（圖中為上表面）形成一層接合層12，冷噴涂接合層12根據覆銅陶瓷基板3在功率模塊用底板上1的位置和數目對應設置位置和數目。具體參考實施例1的冷噴涂工藝，此處不再贅述。

接著，在功率模塊用底板1表面形成鎳電鍍層。在該鎳電鍍中，能夠使用電解電鍍或無電解電鍍中的任一種方法。

然后，在電鍍后的功率模塊用底板1的接合層12上設置第一焊接材料2，并在第一焊接材料2上放置覆銅陶瓷基板3，接著在覆銅陶瓷基板3上設置第二焊接材料4并在第二焊接材料4上再放置半導體元件5，最后在焊接爐內進行焊接接合。也可分兩步焊接，即：第一步，預先在覆銅陶瓷基板3上放置高溫的第二焊接材料4和半導體元件5并在焊接爐內進行焊接接合；第二步，通過較低熔點的第一焊接材料2將覆銅陶瓷基板3（其上已經焊好半導體元件5）和功率模塊用底板1焊接。焊接材料主要是錫基、鉛基等的軟釬焊料，焊料設置在接合層12和覆銅陶瓷基板3表面上的方法，使用現有常規的各種方法。例如，可以將包含有助焊劑的膏狀焊料通過絲網印刷法涂覆在接合層12和覆銅陶瓷基板3上。另外，也可以將片狀的固體焊料置于接合層12和覆銅陶瓷基板3上。半導體元件5由IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應晶體管）、二極管等半導體元件實現。半導體元件5可以根據使用目的不同在覆銅陶瓷基板3上設置一個或多個。

實施例3：

如圖5所示，為無覆銅陶瓷基板功率模塊，該功率模塊主要包括功率模塊用底板1，功率模塊用底板1包括底板基體11和設置在底板基體11上的接合層12；在接合層12上經第一焊接材料2接合功率元器件及其裸芯片50。該功率模塊用底板1的制造方法參見實施例1，在此不再贅述。

實施例4：

實施例3所述功率模塊的制造過程如下：

首先，在底板基體11上冷噴涂接合層12，然后在底板1上做鎳電鍍，這里可以需要根據需要做底板1的局部電鍍或整體電鍍，例如對于絕緣金屬基板來說，可做局部電鍍，即只在接合層上做鎳電鍍。

鎳電鍍完成后，在接合層上放置第一焊接材料2和功率元器件及其裸芯片50，最后在焊接爐內進行焊接接合。

本實用新型已經圖解并描述了本實用新型的特定實施例，但本實用新型要求保護的權利范圍并不限于此，利用了本實用新型的基本概念，所屬技術領域的技術人員進行的各種變形以及改善，仍屬于本實用新型請求的權利范圍。