金属陶瓷管壳封装结构及其制造方法pdf， 傲世皇朝。本发明公开了一种金属陶瓷管壳封装结构及其制造方法，其中封装结构包括金属陶瓷管壳外框和绝缘陶瓷基板，金属陶瓷管壳外框设置于绝缘陶瓷基板的上方，金属陶瓷管壳外框的底部与绝缘陶瓷基板固定连接。采用上述封装结构的功率模块，使高温焊接后金属陶瓷管壳外框的收缩力仅作用在绝缘陶瓷基板上方，改变热膨胀系数不匹配带来的应力分布，可以使用更薄的绝缘陶瓷基板，具有更高的散热效率。

　　(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 114823547 A (43)申请公布日 2022.07.29 (21)申请号 9.3 (22)申请日 2022.04.14 (71)申请人 扬州国扬电子有限公司 地址 225009 江苏省扬州市扬州经济技术 开发区吴州东路188号 (72)发明人 郝凤斌 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 专利代理师 江燕飞 (51)Int.Cl. H01L 23/04 (2006.01) H01L 23/373 (2006.01) H01L 23/00 (2006.01) H01L 21/48 (2006.01) H01L 21/50 (2006.01) 权利要求书1页 说明书4页 附图6页 (54)发明名称 金属陶瓷管壳封装结构及其制造方法 (57)摘要 本发明公开了一种金属陶瓷管壳封装结构 及其制造方法，其中封装结构包括金属陶瓷管壳 外框和绝缘陶瓷基板，金属陶瓷管壳外框设置于 绝缘陶瓷基板的上方，金属陶瓷管壳外框的底部 与绝缘陶瓷基板固定连接。采用上述封装结构的 功率模块，使高温焊接后金属陶瓷管壳外框的收 缩力仅作用在绝缘陶瓷基板上方，改变热膨胀系 数不匹配带来的应力分布，可以使用更薄的绝缘 陶瓷基板，具有更高的散热效率。 A 7 4 5 3 2 8 4 1 1 N C CN 114823547 A 权利要求书 1/1页 1.一种金属陶瓷管壳封装结构，其特征在于，包括金属陶瓷管壳外框和绝缘陶瓷基板， 所述金属陶瓷管壳外框设置于所述绝缘陶瓷基板上，所述金属陶瓷管壳外框的底部与所述 绝缘陶瓷基板固定连接。 2.根据权利要求1所述的金属陶瓷管壳封装结构，其特征在于，所述金属陶瓷管壳外框 的底部设有向内延伸的连接部，所述金属陶瓷管壳外框通过所述连接部与所述绝缘陶瓷基 板连接。 3.根据权利要求1所述的金属陶瓷管壳封装结构，其特征在于，所述绝缘陶瓷基板嵌设 在所述金属陶瓷管壳外框底部。 4.根据权利要求1所述的金属陶瓷管壳封装结构，其特征在于，所述绝缘陶瓷基板底部 设有金属散热层。 5.根据权利要求4所述的金属陶瓷管壳封装结构，其特征在于，所述金属散热层底部设 有调节孔。 6.根据权利要求1所述的金属陶瓷管壳封装结构，其特征在于，所述绝缘陶瓷基板上设 有导电金属层，所述导电金属层用于设置芯片及键合线，所述金属陶瓷管壳外框上设有端 子，所述导电金属层和所述绝缘陶瓷基板之间通过高温焊连接在一起组成散热通道。 7.根据权利要求1所述的金属陶瓷管壳封装结构，其特征在于，所述绝缘陶瓷基板底部 设有散热器，所述绝缘陶瓷基板底部与所述散热器之间设有导热硅脂。 8.一种根据权利要求1至7任一项所述的金属陶瓷管壳封装结构的制造方法，其特征在 于，包括如下步骤： S1：使用TCAD工具对金属陶瓷管壳封装结构的工艺进行仿真，确定可以使绝缘陶瓷基 板翘曲水平或者外凹至设定范围内的金属散热层厚度； S2：根据功能需求进行金属陶瓷管壳外框、导电金属层的加工，以及绝缘陶瓷基板切 割，并根据仿真结果加工一定厚度的金属散热层； S3：对金属陶瓷管壳外框、导电金属层、绝缘陶瓷基板、金属散热层进行清洗； S4：将金属陶瓷管壳外框、导电金属层、绝缘陶瓷基板及金属散热层进行焊接形成金属 陶瓷管壳封装结构； S5：根据镀层要求，对金属陶瓷管壳封装结构进行整体镀覆。 9.根据权利要求8所述的金属陶瓷管壳封装结构的制造方法，其特征在于，所述步骤S4 和步骤S5之间还包括步骤： S4.1：若焊接后的绝缘陶瓷基板的翘曲度不在预设的标准范围内，则根据工艺仿真或 实验结果在金属散热层上设置一定数量和大小的调节孔，改善绝缘陶瓷基板的翘曲度。 10.根据权利要求8所述的金属陶瓷管壳封装结构的制造方法，其特征在于，所述步骤 S4中，金属陶瓷管壳外框、导电金属层、绝缘陶瓷基板和金属散热层之间采用高温钎焊焊 接。 2 2 CN 114823547 A 说明书 1/4页 金属陶瓷管壳封装结构及其制造方法 技术领域 [0001] 本发明涉及半导体领域，特别涉及一种金属陶瓷管壳封装结构及其制造方法。 背景技术 [0002] 电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模 块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动汽车，光伏发电，风力发电，工业变频等行 业。 [0003] 随着功率模块的需求不断增加，对功率模块高温、高压、高功率密度等也提出更高 的要求，但是目前绝大多数半导体功率模块封装以塑封为主，抗盐雾腐蚀能力差、工作温度 范围小，整体质量及可靠性较差，所以金属陶瓷封装正日益成为高可靠领域封装的主流。由 于功率模块功率密度大，且中小功率模块为减少重量，一般采用风冷的形式散热，散热效率 较水冷低，因此功率模块的散热性能显得至关重要。现有的采用金属陶瓷管壳封装的功率 模块，由于金属陶瓷管壳高温焊接后翘曲变形，会导致绝缘陶瓷基板开裂，为了避免绝缘陶 瓷基板开裂，绝缘陶瓷基板较厚，降低了功率模块的散热效率。 发明内容 [0004] 发明目的：本发明的目的是提出一种金属陶瓷管壳封装结构，可以改变由于材料 热膨胀系数不匹配带来的应力分布问题，改善高温焊接后的底面反弧度问题，同时解决大 面积陶瓷开裂问题，降低绝缘陶瓷基板厚度，提高散热效率。 [0005] 本发明的另一目的是提出一种上述金属陶瓷管壳封装结构的制造方法，通过工艺 仿真或实验确定金属散热层的厚度，实现对焊接后的结构底部翘曲弧度的调整，提高制造 的金属陶瓷管壳外框的散热效率。 [0006] 技术方案：本发明所述的金属陶瓷管壳封装结构，包括金属陶瓷管壳外框和绝缘 陶瓷基板，所述金属陶瓷管壳外框设置于所述绝缘陶瓷基板上，所述金属陶瓷管壳外框的 底部与所述绝缘陶瓷基板固定连接。 [0007] 进一步的，所述金属陶瓷管壳外框的底部设有向内延伸的连接部，所述金属陶瓷 管壳外框通过所述连接部与所述绝缘陶瓷基板连接。 [0008] 进一步的，所述绝缘陶瓷基板嵌设在所述金属陶瓷管壳外框底部。 [0009] 进一步的，所述绝缘陶瓷基板底部设有金属散热层。 [0010] 进一步的，所述金属散热层底部设有调节孔。 [0011] 进一步的，所述绝缘陶瓷基板上设有导电金属层，所述导电金属层用于设置芯片 及键合线，所述金属陶瓷管壳外框上设有端子，所述导电金属层和所述绝缘陶瓷基板之间 通过高温焊连接在一起组成散热通道。 [0012] 本发明所述的金属陶瓷管壳封装结构的制造方法，包括如下步骤： [0013] S1：使用TCAD工具对金属陶瓷管壳封装结构的工艺进行仿真，确定可以使绝缘陶 瓷基板翘曲水平或者外凹至设定范围内的金属散热层厚度； 3 3 CN 114823547 A 说明书 2/4页 [0014] S2：根据功能需求进行金属陶瓷管壳外框、导电金属层的加工，以及绝缘陶瓷基板 切割，并根据仿真结果加工一定厚度的金属散热层； [0015] S3：对金属陶瓷管壳外框、导电金属层、绝缘陶瓷基板、金属散热层进行清洗； [0016] S4：将金属陶瓷管壳外框、导电金属层、绝缘陶瓷基板及金属散热层进行焊接形成 金属陶瓷管壳封装结构； [0017] S5：根据镀层要求，对金属陶瓷管壳封装结构进行整体镀覆。 [0018] 进一步的，所述步骤S4和步骤S5之间还包括步骤： [0019] S4.1：若焊接后的绝缘陶瓷基板的翘曲度不在预设的标准范围内，则根据工艺仿 真或实验数据在金属散热层上设置一定数量和大小的调节孔，改善绝缘陶瓷基板的翘曲 度。 [0020] 进一步的，所述步骤S4中，金属陶瓷管壳外框、导电金属层、绝缘陶瓷基板和金属 散热层之间采用高温钎焊焊接。 [0021] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、使高温焊接后金属陶瓷管壳 外框的收缩力仅作用在绝缘陶瓷基板上方，改变热膨胀系数不匹配带来的应力分布，解决 了传统金属陶瓷管壳反弧度问题，降低绝缘陶瓷基板底部与散热器之间的导热硅脂厚度， 提高散热效率。2、可以通过调节金属散热层厚度及调节孔的大小和数量精确控制底部翘曲 度，解决由于热膨胀系数不匹配带来的大面积陶瓷开裂问题，因此可以使用更薄的陶瓷基 板进一步提高散热效率。 附图说明 [0022] 图1为本发明的第一实施例的封装结构的内部立体示意图； [0023] 图2为本发明的第一实施例的封装结构的侧面剖视图； [0024] 图3为图2中A处的放大示意图； [0025] 图4为本发明的第一实施例的封装结构的仰视图； [0026] 图5为传统封装结构的示意图； [0027] 图6为传统封装结构高温焊接后的翘曲度示意图； [0028] 图7为图6中B处的放大示意图； [0029] 图8为本发明实施例的封装结构高温焊接后的翘曲度示意图； [0030] 图9为本发明的第二实施例的封装结构的侧面剖视图； [0031] 图10为本发明的第三实施例的封装结构的侧面剖视图； [0032] 图11为传统功率模块的散热仿线为本发明实施例的功率模块的散热仿真图。 具体实施方式 [0034] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。 [0035] 参照图1，根据本发明实施例的金属陶瓷管壳封装结构，包括金属陶瓷管壳外框 100和绝缘陶瓷基板200，金属管壳外框设置于绝缘陶瓷基板200的上方，并且金属陶瓷管壳 外框100的底部与绝缘陶瓷基板200固定连接。 [0036] 金属陶瓷管壳封装的功率模块主要部件的材料、导热率和热膨胀系数如表1 所 4 4 CN 114823547 A 说明书 3/4页 示。由于绝缘陶瓷基板200的热膨胀系数较小，金属陶瓷管壳外框100的热膨胀系数较大，高 温烧结之后，传统的如图5所示的封装结构，绝缘陶瓷基板200 设置于金属陶瓷管壳封装外 框的底部上方，壳体冷却收缩力作用于陶瓷绝缘基板之下，绝缘陶瓷基板200上层的导电金 属层210较薄，上下应力不一致导致底面翘曲变形，形成一个内凹的反弧度，如图6和图7所 示，易导致绝缘陶瓷基板200 开裂，所以常常采用较厚的绝缘陶瓷基板200防止开裂，增加 了芯片220与散热器300之间的导热介质的厚度，使散热效果变差。而根据上述技术方案的 金属陶瓷管壳封装结构，通过将金属陶瓷管壳外框100设置在绝缘陶瓷基板200的上方，并 且金属陶瓷管壳外框100的底部与绝缘陶瓷基板200仅部分连接，改变了高温焊接后，绝缘 陶瓷基板200的应力分布，降低了作用在绝缘陶瓷基板200上的应力，使得可以使用更薄的 绝缘陶瓷基板200，提高功率模块的散热效率。 [0037] 表1金属陶瓷功率模块散热材料参数表 [0038] [0039] 在一些实施例中，金属陶瓷管壳外框100的底部边沿可以向内延伸一定长度形成 连接部，通过连接部与绝缘陶瓷基板200连接，如图1至3所示。绝缘陶瓷基板200也可以直接 嵌设在金属陶瓷管壳外框100内，如图9和图10所示。 [0040] 实际的功率模块底部会设置散热器300，传统的金属陶瓷管壳封装结构在金属陶 瓷管壳的收缩力作用下会产生如图9所示的翘曲，所以需要在绝缘陶瓷基板200与散热器 300的上表面之间设置导热硅脂400填充绝缘陶瓷基板200内凹的部分，以便于封装结构与 散热器300良好接触，如图7所示。材料的热阻与厚度正相关，内凹部分导热硅脂400较厚，所 以也会增加热阻。为了进一步降低热阻，提高散热效率，绝缘陶瓷基板200的底部设有金属 散热层240，提高传热效率的同时，还可以通过调节金属散热层240的厚度，控制封装结构的 底部翘曲度，如图8所示，可以使封装结构的底部接近水平或者略微向外凸出，从而降低填 平底部的导热硅脂400的用量，进一步降低热阻，提高散热效率。金属散热层240的材料宜选 用热导率高且热膨胀系数较大的金属材料，需要设置的金属散热层240  的厚度可以通过 Silvaco或Synopsys等公司的TCAD软件进行工艺仿真获得。若在金属陶瓷外框的收缩力的 作用下，绝缘陶瓷基板200恰好水平或略微外凹翘曲，绝缘陶瓷基板200的底部也可以不设 置金属散热层240，如图10所示。 [0041] 若在焊接后，封装结构底部的翘曲程度仍然不符合要求，则可以在金属散热层240 上开设调节孔241，通过减小金属散热层240的体积从而减小金属散热层 240产生的应力， 实现对封装结构底部的翘曲程度的进一步微调，调节孔241的大小和数量可以通过工艺仿 线] 采用上述金属陶瓷管壳封装结构的功率模块，绝缘陶瓷基板200上设有导电金属 层210，导电金属层210上设有芯片220和键合线，金属陶瓷管壳外框  100的周测设有端 子110，端子110与金属陶瓷管壳外框100的接触处设有端子绝缘陶瓷111。绝缘陶瓷基板200 5 5 CN 114823547 A 说明书 4/4页 底部设有散热器300，绝缘陶瓷基板200与散热器 300之间设有导热硅脂400。图11和图12分 别是传统金属陶瓷封装结构的功率模块与本发明实施例的封装结构的功率模块的散热仿 真示意图，可以对比看出，在相同的功耗下，传统封装结构的功率模块结温为143.07℃，采 用本发明的封装结构的功率模块结温为137.38℃，结温下降约5.7℃，改善效果显著，且本 实施例的绝缘陶瓷基板200厚度还可以进一步简薄，散热能力仍有提升空间。 [0043] 本发明实施例的金属陶瓷管壳封装结构可以采用如下方法进行制造： [0044] S1：使用TCAD工具对金属陶瓷管壳封装结构的工艺进行仿真，确定可以使绝缘陶 瓷基板翘曲水平或者外凹至设定范围内的金属散热层240厚度； [0045] S2：根据功能需求进行金属陶瓷管壳外框、导电金属层的加工，以及绝缘陶瓷基板 切割，并根据仿真结果加工一定厚度的金属散热层240； [0046] S3：对金属陶瓷管壳外框100、导电金属层210、绝缘陶瓷基板200、金属散热层240 进行清洗；清洗通常采用化学加超声波清洗。 [0047] S4：将金属陶瓷管壳外框100、导电金属层210、绝缘陶瓷基板200及金属散热层240 进行焊接形成金属陶瓷管壳封装结构； [0048] S5：根据镀层要求，对金属陶瓷管壳封装结构进行整体镀覆。 [0049] 在一些实施例中，若焊接后的绝缘陶瓷基板的翘曲度与仿真存在偏差，则可在焊 接后在金属散热层240上按照工艺仿线的大小及数量设置调节 孔241，对焊接后的封装结构的底部翘曲程度进行微调，调整至预期需要的翘曲度。 6 6 CN 114823547 A 说明书附图 1/6页 图1 图2 7 7 CN 114823547 A 说明书附图 2/6页 图3 8 8 CN 114823547 A 说明书附图 3/6页 图4 图5 9 9 CN 114823547 A 说明书附图 4/6页 图6 图7 图8 10 10 CN 114823547 A 说明书附图 5/6页 图9 图10 11 11 CN 114823547 A 说明书附图 6/6页 图11 图12 12 12

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