金属陶瓷管壳封装结构及其制造方法与流程？ 傲世皇朝登陆。1.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。

　　2.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。

　　3.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。

　　4.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。

　　5.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。

　　6.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。

　　7.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。

　　11.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。

　　13.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；

　　14.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；

　　15.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；

　　16.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；

　　19.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。

　　20.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。

　　21.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。

　　32.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线.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

　　35.参照图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。

　　36.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

　　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。

　　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。

　　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。

　　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

　　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。

　　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；

　　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；

　　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。

　　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；

　　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。

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