电路基板及制备方法及绝缘栅双极型晶体管模块与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，尤其涉及一种电路基板及制备方法及绝缘栅双极型晶体管模块。


背景技术：

2.绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，简称igbt)模块的热退化是由于模块因受热应力冲击而导致的疲劳损伤。引起模块退化的因素率包括电、热、机械等各方面，模块在内部的逐步疲劳积累和外加工作条件的共同作用下主要引起模块的热退化，进而诱发电性偏移的电退化和焊料层受应力强度而出现裂痕的机械退化。因此，研究igbt模块热退化机理具有重要意义。
3.igbt模块包括覆铜陶瓷基板(direct bonding copper，简称dbc)，通常情况下，dbc基板包括一层陶瓷层以及设置于陶瓷层两侧面的铜层，位于陶瓷层两侧的铜层厚度相同，在长时间或高频率的使用下，dbc的散热效果不佳，从而影响igbt模块的散热效果。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供了一种电路基板及制备方法及绝缘栅双极型晶体管模块以解决电路基板以及绝缘栅双极型晶体管模块散热效果不佳的问题。
5.为此，第一方面，包括电路基板和功率芯片，所述电路基板与所述功率芯片之间设置有焊料层，所述电路基板包括沿远离所述功率芯片的方向依次层叠设置的第一导热层、第二导热层和第三导热层，所述功率芯片通过所述焊料层与所述第一导热层连接；所述焊料层与所述第一导热层之间形成有第一热扩散角，所述第二导热层与所述第三导热层之间形成有第二热扩散角；其中，所述第一热扩散角大于所述第二热扩散角，所述第一导热层的厚度大于所述第三导热层的厚度；或所述第一热扩散角小于所述第二热扩散角，所述第一导热层的厚度小于所述第三导热层的厚度。
6.在一种可能的实现方式中，所述第二导热层包括层叠且间隔设置的第一基板和第二基板，所述第三导热层包括层叠且间隔设置的第三基板和第四基板，所述第一基板、所述第三基板、所述第二基板及所述第四基板沿所述第一导热层背离所述功率芯片的方向依次层叠设置；所述第一基板与所述第三基板之间形成所述第二热扩散角，所述第二基板与所述第四基板之间形成所述第二热扩散角。
7.在一种可能的实现方式中，所述第一基板的导热系数等于第二基板的导热系数，所述第三基板的导热系数、所述第四基板的导热系数以及所述第一导热层的导热系数相同，所述焊料层的导热系数大于或小于所述第一基板的导热系数。
8.在一种可能的实现方式中，所述第一热扩散角大于所述第二热扩散角，所述电路基板的厚度之和为0.8mm-1.2mm，所述第一基板和所述第二基板的厚度之和为电路基板的1/7，所述第一导热层、所述第三基板与所述第四基板的厚度之和为电路基板的6/7。
9.在一种可能的实现方式中，所述第一导热层、所述第三基板和所述第四基板的材
质包括铜；和/或，所述第一基板和所述第二基板的材质包括陶瓷；和/或，所述功率芯片的材质包括硅；和/或，所述焊料层的材质包括铅和锡。
10.在一种可能的实现方式中，还包括冷却板，所述冷却板设置于所述电路基板远离所述功率芯片的一侧。
11.第二方面，本技术实施例提供了一种电路基板，用于与绝缘栅双极型晶体管模块的功率芯片电连接，所述电路基板包括沿远离所述功率芯片的方向设置的第一导热层、第二导热层和第三导热层，所述功率芯片通过焊料层与所述第一导热层连接；所述焊料层与所述第一导热层之间形成有第一热扩散角，所述第二导热层与所述第三导热层之间形成有第二热扩散角；其中，所述第一热扩散角大于所述第二热扩散角，所述第一导热层的厚度大于所述第三导热层的厚度；或所述第一热扩散角小于所述第二热扩散角，所述第一导热层的厚度小于所述第三导热层的厚度。
12.在一种可能的实现方式中，所述第二导热层包括层叠且间隔设置的第一基板和第二基板，所述第三导热层包括层叠且间隔设置的第三基板和第四基板，所述第一基板、所述第三基板、所述第二基板及所述第四基板沿所述第一导热层背离所述功率芯片的方向依次层叠设置；所述第一基板与所述第三基板之间形成所述第二热扩散角，所述第二基板与所述第四基板形成有所述第二热扩散角。
13.第三方面，本技术实施例提供了一种电路基板的制备方法，包括采用碱性溶液清洗第一导热层和第三导热层表面的油性成分，采用酸性溶液清洗所述第一导热层和第三导热层表面的氧化层；采用碱性溶液清洗第二导热层的表面；将所述第一导热层、所述第二导热层及所述第三导热层依次层叠贴合为基板组件；将所述基板组件放置于承烧板上进行烧结处理。
14.在一种可能的实现方式中，所述第二导热层包括层叠且间隔设置的第一基板和第二基板，所述第三导热层包括层叠且间隔设置的第三基板和第四基板，所述第一基板、所述第三基板、所述第二基板及所述第四基板沿所述第一导热层背离所述功率芯片的方向依次层叠设置，将所述第一导热层、所述第一基板、所述第三基板、所述第二基板及所述第四基板依次层叠贴合为基板组件。
15.根据本技术实施例提供的绝缘栅双极型晶体管模块，绝缘栅双极型晶体管模块包括电路基板和功率芯片，电路基板与功率芯片之间设置有焊料层，电路基板包括沿远离功率芯片的方向依次层叠设置的第一导热层、第二导热层和第三导热层，功率芯片通过焊料层与第一导热层连接；焊料层与第一导热层之间形成有第一热扩散角，第二导热层与第三导热层之间形成有第二热扩散角；第一热扩散角大于第二热扩散角，第一导热层的厚度大于第三导热层的厚度；或第一热扩散角小于第二热扩散角，第一导热层的厚度小于第三导热层的厚度。本技术通过第一热扩散角与第二热扩散角的设置，调整第一导热层的厚度和第三导热层的厚度，相对于现有技术中的绝缘栅双极型晶体管模块设置来说，本技术的设置提高了绝缘栅双极型晶体管模块的散热效果，降低了各层材料发生松弛甚至裂纹的几率。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。另外，在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，且附图并未按照实际的比例绘制。
17.图1示出实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管模块的部分结构示意图。
18.附图标记说明：
19.1、电路基板；11、第一导热层；12、第二导热层；121、第一基板；122、第二基板；13、第三导热层；131、第三基板；132、第四基板；2、功率芯片；3、焊料层。
具体实施方式
20.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.如图1，图1示出实施例提供的一种绝缘栅双极型晶体管模块的部分结构示意图。本技术实施例提供一种绝缘栅双极型晶体管模块，绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，简称igbt)模块。
22.igbt模块承载应力时必定会产生损耗，根据igbt模块的热传分析可知，igbt模块的每层材料热导能力不同，每层材料都会承载不同程度的热应力，而热应力作用可以加速材料退化。实际上，对于任何材料而言，任何温度都会对材料本身产生一定的热损伤。对于大部分材料而言，温度高时热疲劳积累快，热疲劳状态取决于与温度相关的热损伤强度对时间的积累。不限定时间的话任何温度都是不安全的，所以说任何材料在温度的作用下会不断的疲劳退化。变流工况下，高温热损伤和冲击热损伤持续作用于igbt模块，使其成为典型的热疲劳器件。实际工况下igbt模块承载的环境应力是随机变化的，功率强度应力也是循化变化的，因此模块产生的损耗和芯片结温都是变化的。
23.igbt模块包括电路基板1和功率芯片2，电路基板1与功率芯片2之间设置有焊料层3。
24.电路基板1，电路基板1可以为铜陶瓷基板(direct bonding copper，简称dbc)，电路基板1包括沿远离功率芯片2的方向依次层叠设置的第一导热层11、第二导热层12和第三导热层13，功率芯片2通过焊料层3与第一导热层11连接；焊料层3与第一导热层11之间形成有第一热扩散角，第二导热层12与第三导热层13之间形成有第二热扩散角；其中，第一热扩散角大于第二热扩散角，第一导热层11的厚度大于第三导热层13的厚度；或者第一热扩散角小于第二热扩散角，第一导热层11的厚度小于第三导热层13的厚度。
25.需要理解的是，影响igbt模块的热传导可以垂直传导也可以横向传导。垂直方向的散热能力由热阻决定，热阻由散热结构的表面积和厚度决定，本技术相对现有技术的igbt模块来说，本技术的igbt模块表面积和厚度几乎不做改变，因此本技术不在垂直方向改变igbt模块的热传导效果；横向热传导通过热扩散角来衡量，主要表现于热扩散面积s。
26.忽略功率芯片2与焊料层3之间的热扩散角度，igbt模块的热扩散面积s＝y1tanα1 dtanα2 y2tanα3，当热扩散面积s越大，横向热传导的效果越佳。其中，y1为第一导热层11的
厚度；d为第二导热层12的厚度；y2为第三导热层13的厚度；α为热扩散角。热扩散角α的计算公式所示：α＝arctan(k1/k2)(0《α《90)，k1和k2分别表示上一层热传导层的热膨胀系数和当前材料层的热膨胀系数，例如：第一热扩散角α1＝arctan(焊料层3的热膨胀系数/第一导热层11的热膨胀系数)，第二热扩散角α2＝arctan(第二导热层12的热膨胀系数/第三导热层13的热膨胀系数)，第三热扩散角α3＝arctan(第一导热层11的热膨胀系数/第二导热层12的热膨胀系数)。
27.第一热扩散角α1大于第二热扩散角α2；在应用时，功率芯片2与焊料层3之间进行热传导，焊料层3与第一导热层11之间进行热传导，第一导热层11与第二导热层12进行热传导，第二导热层12与第三导热层13进行热传导。当第一导热层11、第二导热层12以及第三导热层13的厚度保持不变时，第一热扩散角α1大于第二热扩散角α2，相较于第一热扩散角α1小于或等于第二热扩散角α2，功率芯片2传导到第一导热层11的传热更佳，从而提高功率芯片2传导到电路基板1热量速率，提高igbt模块的散热效果，降低了本技术各层材料发生松弛甚至裂纹的几率。
28.进一步的，第一热扩散角α1大于第二热扩散角α2，第一导热层11的厚度大于第三导热层13的厚度，根据igbt模块的热扩散面积s计算公式来说，相较于第一导热层11的厚度小于或等于第三导热层13的厚度来说，本技术提高了功率芯片2、焊料层3与电路基板1的散热效果，即提高了提高igbt模块的散热效果。
29.进一步的，第一热扩散角α1小于第二热扩散角α2，第一导热层11的厚度小于第三导热层13的厚度，根据igbt模块的热扩散面积s计算公式来说，相较于第一导热层11的厚度大于或等于第三导热层13的厚度来说，本技术提高了功率芯片2、焊料层3与电路基板1的散热效果，即提高了提高igbt模块的散热效果。
30.在一个实施例中，在一个可选的示例中，第二导热层12包括层叠且间隔设置的第一基板121和第二基板122，第三导热层13包括层叠且间隔设置的第三基板131和第四基板132，第一基板121、第三基板131、第二基板122及第四基板132沿第一导热层11背离功率芯片2的方向依次层叠设置；第一基板121与第三基板131之间形成所述第二热扩散角，第二基板122与第四基板132之间形成第二热扩散角。
31.第二导热层12的厚度之和等于第一基板121与第二基板122的厚度之和，第三导热层13的厚度之和等于第三基板131和第四基板132的厚度之和。第一基板121和第二基板122间隔设置，第三基板131和第四基板132间隔设置，即第一基板121和第二基板122之间设置有第三基板131，第三基板131和第四基板132之间设置有第二基板122。由于第二导热层12与第三导热层13之间形成有第二热扩散角，因此，第一基板121与第三基板131之间形成的扩散角是第二热扩散角，第二基板122与第四基板132之间形成的扩散角也为第二热扩散角。
32.在一个实施例中，第一基板121的导热系数等于第二基板122的导热系数，第三基板131的导热系数、第四基板132的导热系数以及第一导热层11的导热系数相同，焊料层3的导热系数大于或小于第一基板121的导热系数。
33.根据热扩散角α的计算公式所示：α＝arctan(k1/k2)(0《α《90)，k1和k2分别表示上一层热传导层的热膨胀系数和当前材料层的热膨胀系数，计算第一热扩散角α1、第二热扩散角α2以及第三扩散角α3，第一热扩散角α1大于第二热扩散角α2。当焊料层3的导热系数大
于第一基板121的导热系数时，第一热扩散角α1大于第二热扩散角，当焊料层3的导热系数小于第一基板121的导热系数时，第一热扩散角α1小于第二热扩散角α2。
34.在一个实施例中，第一热扩散角大于第二热扩散角时，电路基板1的厚度之和为0.8mm-1.2mm，第一基板121和第二基板122的厚度为电路基板1的1/7，第一导热层11、第三基板131与第四基板132的厚度之和电路基板1的6/7。本技术的电路基板1的总厚度与现有技术中的电路基板1的总厚度相同；因此，第一导热层11、第二导热层12以及第三导热层13的总厚度之和与现有技术中的电路基板1的总厚度相同。当电路基板1的厚度之和为1mm时，第一基板121和第二基板122的厚度为1/7mm，第一导热层11、第三基板131与第四基板132的厚度之和为6/7mm。
35.在一个实施例中，第一导热层11和第三基板131和第四基板132的材质包括铜；和/或，第一基板121和第二基板122的材质包括陶瓷；和/或，功率芯片2的材质包括硅；和/或，焊料层3的材质包括铅和锡。
36.需要理解的是，第一导热层11、第三基板131和第四基板132为导电层，第一导热层11用于供外部零件连接，例如功率芯片、引脚等；第一导热层11可以选择导电金属材质，例如铜、铜锰合金、铜锌合金、铜铝合金、铜镁合金、铜锆合金或铜镍镁合金等材质。第一基板121和第二基板122为绝缘层，可以选择陶瓷材质，例如氧化铝、氮化铝、氧化铍或碳化硅等材质。功率芯片2的材质可选择单晶硅、石英或石墨等材质。焊料层3的材质可为铅和锡任意比例的混合物。
37.在一个示例中，第一导热层11和第三导热层13的材质选择铜，铜材质具有极高的载流能力，可减小截流介质的尺寸，并且提高功率容量。第二导热层12的材质通常选择陶瓷，且选择陶瓷中的氮化铝，氮化铝材料无毒，介电常数适中，热导率远远高于氧化铝和氧化铍接近，热膨胀系数和硅接近，各类硅芯片和大功率器件可以直接附在氮化铝基板上而不用使用其他的过渡层，虽然成本较高，但是目前在电路基板1技术中应用前景较好。
38.第一导热层11、第三基板131和第四基板132的材质选择铜，即第一导热层11、第三基板131和第四基板132的热膨胀系数为17.5*10-6
m/k；第一基板121和第二基板122的材质为陶瓷且热膨胀系数为7*10-6
m/k；功率芯片2为硅板且热膨胀系数为3*10-6
m/k，焊料3为铅和锡的混合物且热膨胀系数为28*10-6
m/k。通过热扩散角的计算公式计算得出第一热扩散角α1为58度，第二热扩散角α2为22度以及第三扩散角α3为68度，即第一热扩散角α1大于第二热扩散角α2。
39.在一个示例中，第一基板121和第二基板122的厚度相等均为1/14mm，第一基板121与第二基板122的厚度之和为1/7mm，第三基板131和第四基板132厚度均为1/7mm，第三基板131和第四基板132厚度之和为2/7mm，第一导热层11的厚度为4/7mm，经过计算得出，本技术的热扩散面积s＝y1tanα1 dtanα2 y2tanα3，等于64.418，相对于现有技术中热扩散面积为23.927来说，本技术的igbt模块拥有更大的横向热扩散面积，散热效率更高。
40.第一导热层11和第三导热层13的面积均小于第二导热层12的面积，即第一导热层11、第三基板131以及第四基板132的面积均小于第一基板121的面积或第二基板122的面积，当第一基板121、第三基板131、第二基板122及第四基板132沿第一导热层11背离功率芯片2的方向依次层叠设置时，即第一导热层11和第三导热层13交叉设置，相对第一导热层11、第三导热层13和第二导热层12的面积相同的情况来说，本技术进一步提高igbt模块的
散热效果。
41.在一个可选的示例中，igbt模块还包括冷却板，冷却板设置于电路基板1远离功率芯片2的一侧。冷却板可以采用绝缘材质，从而将电路基板1的热量进行传递，提高电路基板1的散热效果。
42.如图1，在一个可选的示例中，一种电路基板1的制备方法包括采用碱性溶液清洗第一导热层11和第三导热层13表面的油性成分，采用酸性溶液清洗第一导热层11和第三导热层13表面的氧化层；采用碱性溶液清洗第二导热层12的表面；将第一导热层11、第二导热层12及第三导热层13依次层叠贴合为基板组件；将基板组件放置于承烧板上进行烧结处理。
43.需要理解的是，在制备的过程中，可对第一导热层11和第三导热层13同时进行清洁处理。
44.清洁第一导热层11和第三导热层13时，包括两个步骤，第一步，先将采用碱性溶液对第一导热层11和第三导热层13进行处理，可将第一导热层11和第三导热层13放入碱性溶液浸洗或者通过搽试的方式，对第一导热层11和第三导热层13表面油脂进行清洗，常用的碱性溶液可采用如氢氧化钠溶液或其他碱性溶液。第二步，对第一导热层11和第三导热层13表面油脂清洗完成后，再采用酸性溶液对第一导热层11和第三导热层13表面进行清洁处理，可将第一导热层11和第三导热层13放入酸性溶液浸洗或者通过搽试的方式，对第一导热层11和第三导热层13表面氧化层进行清洗，常用的酸性溶液可采用如盐酸溶液或其他酸性溶液。
45.清洗第二导热层12时，可将第二导热层12放入酸性溶液浸洗或者通过搽试的方式对第二导热层12表面进行清洗。
46.当第一导热层11、第二导热层12及第三导热层13清洗完成后进行叠放想成基板组件，然后再将基板组件放置在承烧板上进行烧结处理。
47.烧结后形成电路基板1，第一导热层11、第二导热层12及第三导热层13之间具有足够的附着强度，连接较好的电路基板1中第一导热层11、第二导热层12及第三导热层13的附着强度接近于厚膜金属化程度。
48.在一个可选的示例中，第二导热层12包括层叠且间隔设置的第一基板121和第二基板122，第三导热层13包括层叠且间隔设置的第三基板131和第四基板132，第一基板121、第三基板131、第二基板122及第四基板132沿第一导热层11背离功率芯片2的方向依次层叠设置，将第一基板121、第三基板131、第二基板122及第四基板132依次层叠贴合为基板组件。
49.需要理解的是，在组合基板组件时，需将第二导热层12中的第一基板121和第二基板122间隔设置，需将第三导热层13中的第三基板131和第四基板132间隔设置，即叠放顺序为第一导热层11、第二导热层12及第三导热层13依次层叠。在制备igbt模块时，将功率芯片2通过焊料层3焊接于第一导热层11远离第二导热层12的一面。
50.应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处
于本领域技术人员的知识范围之内。
51.应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在
……
上”、“在
……
以上”和“在
……
之上”，以使得“在
……
上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括“在某物上”且其间具有中间特征或层的含义，并且“在
……
以上”或者“在
……
之上”不仅包括“在某物以上”或“之上”的含义，还可以包括“在某物以上”或“之上”且其间没有中间特征或层(即，直接处于某物上)的含义。
52.此外，文中为了便于说明可以使用空间相对术语，例如，“下面”、“以下”、“下方”、“以上”、“上方”等，以描述一个元件或特征相对于其他元件或特征的如图所示的关系。空间相对术语意在包含除了附图所示的取向之外的处于使用或操作中的器件的不同取向。装置可以具有其他取向(旋转90度或者处于其他取向上)，并且文中使用的空间相对描述词可以同样被相应地解释。
53.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
54.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。