【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于液态金属的功率模块封装结构。
技术介绍
1、现有技术的功率电子封装结构普遍面临着由于材料热膨胀系数(cte)不匹配导致的热机械应力问题。这一问题在应用于硅碳化物(sic)功率模块的封装时尤为严重，特别是在高功率、高温度工作环境下，因为sic材料与传统封装材料(如铜、铝、陶瓷等)在材料热膨胀系数上的差异较大，且碳化硅材料具有很高的杨氏模量。尤其在高温操作环境下，现有封装结构中的热机械应力显著增加。这种应力可导致封装界面的剥离或裂纹，降低了器件的可靠性和寿命。传统的解决方法包括使用软性材料作为缓冲层或者改变封装设计来适应热膨胀，但这些方法往往会影响封装的电气和热性能。
2、现有技术中的封装方法通常依赖于刚性焊接材料来连接芯片和基板，这些焊接材料在热循环的影响下容易发生疲劳和蠕变，从而减少了模块的可靠性和寿命。除此之外，刚性连接也可能导致芯片的机械损伤，尤其是在遇到机械冲击或者温度急剧变化的情况下，特别是对于较薄或大面积的芯片，这种风险更加明显。此外，由于硅碳化功率模块对封装的热性能要求很高，现有技术中的缓冲材料可能无法同时满足低热阻和高机械柔性的需求。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种减轻热机械应力，提高器件可靠性的基于液态金属的功率模块封装结构。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于液态金属的功率模块封装结构，包括上印刷电路板或上陶瓷金属基板、功率半导体芯片、下陶瓷金属基板，上印刷电路板
3、上印刷电路板上在功率半导体芯片的四周设有绝缘密封环以防止液态金属进入到功率半导体芯片和上印刷电路板之间造成短路；液态金属通过表面张力将下陶瓷金属基板与上印刷电路板吸附在一起；
4、上印刷电路板下表面的铜层的栅极和源极通过焊层和功率半导体芯片的栅极与源极相连接，功率半导体芯片下表面的漏极铜层通过液态金属与陶瓷金属基板的上表面铜层相连接；上印刷电路板下表面铜层通过过孔连接到柔性上表面的对应铜层，以实现上下表面之间铜层的电气连接；上印刷电路板上表面铜层作为该封装结构的功率端子。
5、作为一种优选的方案，所述绝缘密封环为环氧树脂或硅橡胶或聚酰胺或聚酰亚胺或树脂材质的绝缘密封环。
6、作为一种优选的方案，所述功率半导体芯片为碳化硅功率半导体芯片或氮化镓功率半导体芯片或硅功率半导体芯片或氧化镓功率半导体芯片或金刚石功率半导体芯片。
7、作为一种优选的方案，所述液态金属为镓铟银合金或镓铟锡合金。
8、作为一种优选的方案，所述下陶瓷金属基板为铜-陶瓷-铜的三层结构。
9、作为一种优选的方案，所述上印刷电路板为普通印刷电路板或柔性印刷电路板。
10、本专利技术的有益效果是：
11、1.大幅降低整体热机械应力：该技术通过液态金属实现封装内部的电气连接，利用液态金属的流体特性，解耦在工作时，芯片、pcb和陶瓷金属基板之间的热应变的差异，实现了整体封装结构热应力的大幅降低。
12、2.显著减少界面的剪切应力：将传统的刚性的界面连接方式(焊接/烧结)封装改为基于液态金属的柔性连接，从而显著降低了两种不同材料界面上，由于热膨胀系数不匹配引起的剪切应力，减少了上印刷电路板发生剥离的可能性。
13、3.提高模块可靠性：本技术通过采用液态金属代替刚性连接(如焊接和纳米银烧结)，消除了连接层的热机械应力。这种设计不仅维持了优异的热和电性能，而且还显著降低了硅碳化物功率模块的热应力，从而提高了模块的长期运行的可靠性。
14、4.保证了电气和热导性能：本结构中基于液态金属的封装结构可以提供与传统焊接相似的导电和导热性能，并且由于在芯片四周采用了绝缘密封保护层，也不会影响器件的耐压能力。
15、5.简化模块制作的工艺流程：液态金属的高热导率和电导率，在功率电子应用中，该技术提供了在室温下实现流体式互连的可能，同时避免了传统焊接或烧结过程中的高温和高压环境，对于半导体器件本身的影响较小。
16、6.成本低廉，便于维修以及材料的回收利用：基于液态金属的封装结构采用的液态金属成本显著低于烧结银膏，并且无需使用回流焊机或者烧结炉。同时，由于采用液态金属作为互联材料，封装结构各个部件之间可以实现无损分离，便于维修替换以及材料的回收利用。
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1.一种基于液态金属的功率模块封装结构，包括上印刷电路板或上陶瓷金属基板、功率半导体芯片、下陶瓷金属基板，上印刷电路板的下表面铜层上通过焊层与功率半导体芯片相连接，其特征在于：所述下陶瓷金属基板上部铜层上通过刻蚀形成凹槽，下陶瓷金属基板上部铜层表面采用镀银处理，凹槽内部填充液态金属，且功率半导体芯片嵌入到凹槽内的液态金属中，以实现下陶瓷金属基板上表面与功率半导体芯片下表面以之间的电气连接；
2.如权利要求1所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：所述绝缘密封环为环氧树脂或硅橡胶或聚酰胺或聚酰亚胺或树脂材质的绝缘密封环。
3.如权利要求1所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：所述功率半导体芯片为碳化硅功率半导体芯片或氮化镓功率半导体芯片或硅功率半导体芯片或氧化镓功率半导体芯片或金刚石功率半导体芯片。
4.如权利要求1所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：所述液态金属为镓铟银合金或镓铟锡合金。
5.如权利要求1所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：所述下陶瓷金属基板为铜-陶瓷
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：上印刷电路板为普通印刷电路板或柔性印刷电路板。
...【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属的功率模块封装结构，包括上印刷电路板或上陶瓷金属基板、功率半导体芯片、下陶瓷金属基板，上印刷电路板的下表面铜层上通过焊层与功率半导体芯片相连接，其特征在于：所述下陶瓷金属基板上部铜层上通过刻蚀形成凹槽，下陶瓷金属基板上部铜层表面采用镀银处理，凹槽内部填充液态金属，且功率半导体芯片嵌入到凹槽内的液态金属中，以实现下陶瓷金属基板上表面与功率半导体芯片下表面以之间的电气连接；
2.如权利要求1所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：所述绝缘密封环为环氧树脂或硅橡胶或聚酰胺或聚酰亚胺或树脂材质的绝缘密封环。
3.如权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：慕伟，龙腾，阿默·侯赛因·阿卜杜·詹那比，
申请(专利权)人：龙腾，
类型：发明
国别省市：
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