一种单管自定位的3D封装功率模块及其制备工艺的制作方法

本发明涉及功率半导体封装，特别是一种单管自定位的3d封装功率模块及其制备工艺。

背景技术：

1、三相全桥电路是新能源逆变、工业变频、电能变换、轨道交通等领域的核心功率拓扑结构，随着宽禁带半导体器件如碳化硅、氮化镓芯片的普及，功率模块逐步向高频化、高功率密度、小型化方向发展。

2、传统三相全桥功率模块多采用平面2d封装结构，所有功率芯片单层排布，直流母线正负极走线分散、回路面积大。另外，常规平面封装各相桥臂布局不对称，电流路径一致性差，长期运行易出现局部过热、器件老化不均等问题；且基板集成度低，电气互联结构繁琐，整体集成度与结构稳定性不足。

3、针对上述现有技术缺陷，亟需设计一种单管自定位的3d封装功率模块及其制备工艺。

技术实现思路

1、本发明专利的第一个目的在于提供一种单管自定位的3d封装功率模块，解决传统模块中单管定位精度低、批量生产效率低的问题。

2、一种单管自定位的3d封装功率模块，包括中间基板、上基板、下基板、三相全桥单管组件和功率端子；

3、所述中间基板内部设有若干导电柱，若干导电柱实现中间基板的上线路层和下线路层的电性连接；所述中间基板的上表面、下表面均开设有单管限位凹槽；

4、三相全桥单管组件包括若干三相上桥臂单管和若干三相下桥臂单管；所述中间基板的上表面按三相全桥拓扑分区布设所述三相上桥臂单管，所述中间基板的下表面按三相全桥拓扑分区布设所述三相下桥臂单管，并且三相上桥臂单管和三相下桥臂单管均设置在所对应的单管限位凹槽内；

5、所述上基板设置设于中间基板上方，且与所有三相上桥臂单管贴装，实现电性连接；

6、所述下基板设置设于中间基板下方，且与所有三相下桥臂单管贴装，实现电性连接；

7、所述功率端子包括直流母线端子与ac输入端子，所述直流母线端子与ac输入端子设置于中间基板的侧边，并通过导电柱与中间基板的上线路层以及下线路层电性连接。

8、具体地，所述上基板的下表面以及下基板的上表面均设有定位凹槽，所述上基板的下表面上的定位凹槽与中间基板上表面上的单管限位凹槽一一对应，且位于所对应的单管限位凹槽的正上方；所述下基板的上表面上的定位凹槽与中间基板下表面上的单管限位凹槽一一对应，且位于所对应的单管限位凹槽的正下方。

9、具体地，所述中间基板为pcb基板，所述上基板和下基板均为amb陶瓷基板；

10、所述上基板的下表面、下基板的上表面以及中间基板的上下表面均设有适配三相桥臂的分区图形化布线。

11、具体地，所述三相上桥臂单管与所述三相下桥臂单管均采用错位阵列式分区排布，各相电路结构对称设置。

12、具体地，所述直流母线端子与ac输入端子分别布置于模块的两侧，实现分区接线布局。

13、进一步地，所述直流母线端子中的正极端子和负极端子分布在中间基板的同一端，且层叠设置。

14、优选地，还包括双面散热组件，所述双面水冷组件包括上水冷盖板与下水冷盖板，所述上水冷盖板贴合于上基板外侧，所述下水冷盖板贴合于下基板外侧，所述上水冷盖板与下水冷盖板内部分别设有独立冷却流道。

15、具体地，所述导电柱的材质为钼铜合金。

16、具体地，所述三相上桥臂单管和若干三相下桥臂单管的数量均为30个。

17、具体地，所述三相上桥臂单管和三相下桥臂单管采用碳化硅功率芯片、igbt功率芯片、氮化镓功率芯片、mosfet功率芯片、二极管功率芯片、金刚石功率芯片或氧化镓功率芯片中的至少一种。

18、具体地，所述中间基板的上线路层和下线路层均均匀开设有若干组凸起部，所述凸起部包括第一凸起部和第二凸起部；在每组凸起部中，所述第一凸起部和第二凸起部之间区域形成所述单管限位凹槽；

19、所述第一凸起部和单管底部通过烧结银或锡膏连接；

20、所述第二凸起部和所述单管外边缘形状相匹配；所述第二凸起部表面高于单管高度；

21、所述第一凸起部低于第二凸起部表面。

22、本发明的第二个目的在于提供一种单管自定位的3d封装功率模块的制备工艺，用于制备上述的单管自定位的3d封装功率模块，包括以下步骤，

23、步骤s1：中间基板制备；

24、提供中间基板，在中间基板的上下表面分别制作上线路层和下线路层，并按三相全桥拓扑分区设计布线图形；在中间基板的预设位置开设若干通孔，在通孔内填充钼铜合金导电柱，使上线路层和下线路层通过导电柱实现电性连接；在中间基板的上表面和下表面分别制作单管限位凹槽，所述单管限位凹槽的位置与三相全桥拓扑分区中单管的布设位置一一对应；同时，在中间基板的上线路层和下线路层上制作凸起部，每组凸起部包括第一凸起部和第二凸起部，第一凸起部和第二凸起部之间的区域形成单管限位凹槽；

25、步骤s2：上基板和下基板制备；

26、提供上基板和下基板，所述上基板和下基板均为amb陶瓷基板；在上基板的下表面制作适配三相桥臂的分区图形化布线，并在上基板的下表面制作定位凹槽，所述定位凹槽与中间基板上表面的单管限位凹槽一一对应；在下基板的上表面制作适配三相桥臂的分区图形化布线，并在下基板的上表面制作定位凹槽，所述定位凹槽与中间基板下表面的单管限位凹槽一一对应；

27、步骤s3：功率端子制备与安装；

28、制作直流母线端子和ac输入端子，将直流母线端子和ac输入端子设置于中间基板的侧边，并通过导电柱与中间基板的上线路层以及下线路层电性连接；其中，直流母线端子中的正极端子和负极端子分布在中间基板的同一端且层叠设置，ac输入端子布置于中间基板的另一端；

29、步骤s4：三相上桥臂单管贴装；

30、在中间基板上表面的各单管限位凹槽内涂覆连接材料，所述连接材料为烧结银焊膏或锡膏；通过贴片设备将三相上桥臂单管一一对应地放置于中间基板上表面的单管限位凹槽内，利用单管限位凹槽实现单管的物理定位；单管的底部通过第一凸起部与中间基板的上线路层实现电性连接；所述第二凸起部的表面高于单管高度；所述第一凸起部低于第二凸起部表面；

31、步骤s5：三相下桥臂单管贴装；

32、在中间基板下表面的各单管限位凹槽内涂覆连接材料，将中间基板翻转，通过贴片设备将三相下桥臂单管一一对应地放置于中间基板下表面的单管限位凹槽内，利用单管限位凹槽实现单管的物理定位；单管的底部通过第一凸起部与中间基板的下线路层实现电性连接；

33、步骤s6：一次烧结固化；

34、将完成单管贴装的中间基板送入烧结炉中进行一次加热烧结，使三相上桥臂单管和三相下桥臂单管分别与中间基板的上线路层和下线路层形成可靠的电气连接和机械连接；

35、步骤s7：上基板贴装；

36、在上基板下表面的各定位凹槽内以及分区图形化布线的对应位置涂覆连接材料；将上基板置于中间基板的上方，使上基板下表面的定位凹槽与中间基板上表面的单管限位凹槽一一对准，利用定位凹槽与单管限位凹槽的配合实现上基板与中间基板的精确定位；上基板的下表面与所有三相上桥臂单管的顶部贴装，实现电性连接；

37、步骤s8：下基板贴装；在下基板上表面的各定位凹槽内以及分区图形化布线的对应位置涂覆连接材料；将下基板置于中间基板的下方，使下基板上表面的定位凹槽与中间基板下表面的单管限位凹槽一一对准，利用定位凹槽与单管限位凹槽的配合实现下基板与中间基板的精确定位；下基板的上表面与所有三相下桥臂单管的顶部贴装，实现电性连接；

38、步骤s9：二次烧结固化；将完成上基板和下基板贴装的叠层结构送入烧结炉中进行二次加热烧结，使上基板与三相上桥臂单管之间、下基板与三相下桥臂单管之间形成可靠的电气连接和机械连接；

39、步骤s10：双面散热组件安装；

40、提供上水冷盖板和下水冷盖板，所述上水冷盖板与下水冷盖板内部分别设有独立冷却流道；将上水冷盖板贴合于上基板外侧，将下水冷盖板贴合于下基板外侧，通过导热连接材料实现热传导连接；

41、步骤s11：封装保护；

42、对完成上述步骤的叠层结构进行封装保护，形成最终的3d封装功率模块。

43、具体地，步骤s1中所述单管限位凹槽的制作方法为：在中间基板的线路层制作过程中，通过图形化蚀刻或机械加工方式，在中间基板的上下表面形成若干组凸起部，每组凸起部中的第一凸起部和第二凸起部之间的区域构成单管限位凹槽；所述第一凸起部用于与单管底部连接，所述第二凸起部用于对单管进行限位。。

44、本发明的一种单管自定位的3d封装功率模块及其制备工艺跟现有技术相比具有以下优点：

45、（1）3d立体集成架构：采用中间基板+上基板+下基板三层立体封装，上、下桥臂单管上下分层布设，利用单管限位凹槽实现精准限位安装，结构紧凑，空间利用率高，有效缩小模块整体体积，提升功率密度；垂直导电柱实现上下线路层快速导通，简化内部布线结构；

46、（2）层叠母线+对称布局，大幅降低杂散电感：直流母线正、负极端子同端层叠布置，正负电流反向平行传输，磁场相互抵消；三相桥臂采用错位阵列对称排布，各相电流路径长度一致，功率回路环路面积显著减小，有效降低母线杂散电感，抑制高频开关尖峰与电磁干扰，适配宽禁带器件高频工作场景；

47、（3）结构与电气性能优异：中间基板采用pcb基板，布线灵活、集成度高；导电柱采用钼铜合金材质，导电性能优良、热膨胀系数匹配性好，降低热循环应力；各相桥臂完全对称排布，三相电流均衡性好，避免局部过载老化；

48、（4）高效双面散热：设置上下独立水冷盖板，分别对上桥臂、下桥臂单管进行同步散热，打破传统单面散热瓶颈；搭配amb陶瓷基板，导热系数高、绝缘性能优异，快速导出芯片工作热量，降低芯片结温，提升模块连续载流能力与运行稳定性；

49、（5）通用适配性强：可兼容igbt、mosfet、碳化硅、氮化镓、氧化镓等多种主流功率芯片，适用范围广；功率端子分区布设，强弱电、交直流分区隔离，接线规整，整机装配兼容性强；

50、（6）精确定位与自对准。通过单管限位凹槽及具有高度差的第二凸起部，实现单管的物理自定位，降低贴装精度依赖，保证并联均流；防焊料外溢，第二凸起部形成围堰结构，限制熔融焊料外溢，杜绝短路风险，提升良率；芯片机械防护，在双面压合时，第二凸起部作为支撑柱缓冲贴装压力，防止芯片碎裂，保证连接层厚度均匀。