智能功率模塊的製作方法
2023-05-29 14:59:26 2
本實用新型涉及集成電路技術，尤其是涉及一種智能功率模塊。
背景技術：
智能功率模塊，即IPM(Intelligent Power Module)，是一種將電力電子技術和集成電路技術結合的功率驅動類產品。智能功率模塊把功率開關器件和高壓驅動電路集成在一起，並內藏有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路。智能功率模塊一方面接收MCU(Microcontroller Unit微控制單元)的控制信號，驅動後續電路工作，另一方面將系統的狀態檢測信號送回MCU。與傳統分立方案相比，智能功率模塊以其高集成度、高可靠性等優勢贏得越來越大的市場，尤其適合於驅動電機的變頻器及各種逆變電源，是變頻調速，冶金機械，電力牽引，伺服驅動，變頻家電的一種理想電力電子器件。
智能功率模塊一般會工作在惡劣的工況中，如變頻空調的室外機，高溫高溼的狀態下，在智能功率模塊集成度越來越高，功率密度越來越大的情況下，需要設計越來越厚的電路基板來進行散熱，這樣做不但增加了智能功率模塊的成本，而且，因為重量的增加，給模塊加工和運輸帶來了困難，增加了取放模塊的機器人的成本和運輸成本。
此外，因為現行的智能功率模塊在製造過程中，因為電路基板被包裹在熱硬性樹脂中，電路基板在模腔中的定位效果不好，注塑時容易引起電路基板在模腔中移位，對引腳產生拉伸應力，所以，現行智能功率模塊在注塑時的參數可調範圍非常窄，如果衝力過大，容易引起電路基板移位，如果衝力過小，容易發生模塊注塑不滿。
技術實現要素：
本實用新型旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本實用新型提出一種智能功率模塊，該智能功率模塊散熱性能更好，且在製造過程中智能功率模塊在注塑模具內的定位更為準確和穩定。
根據本實用新型實施例的智能功率模塊，包括：基板，所述基板的相對的兩側面上分別設有第一凸出部和第二凸出部，所述第一凸出部的下表面和所述第二凸出部的下表面分別與所述基板的下表面平齊，所述基板內設有散熱通道，所述散熱通道的兩端分別貫穿所述第一凸出部和所述第二凸出部；絕緣層，所述絕緣層設在所述基板的上表面；布線層，所述布線層設在所述絕緣層上；多個電子元件，多個所述電子元件設在所述布線層上，多個所述電子元件之間或者所述電子元件與所述絕緣層之間電連接；多個引腳，多個所述引腳設在所述基板的至少一側邊緣處，且所述引腳與所述布線層電連接；密封樹脂層，所述密封樹脂層包裹在設有所述電子元件的所述基板外部，其中所述引腳、所述散熱通道和所述基板的下表面露出。
根據本實用新型實施例的智能功率模塊散熱性能更好，且在製造過程中智能功率模塊在注塑模具內的定位更為準確和穩定。
在一些優選實施例中，所述第一凸出部設在所述基板的左端面上且向左凸出，所述第二凸出部設在所述基板的右端面上且向右凸出。
在一些優選實施例中，所述第一凸出部和所述第二凸出部在上下方向上對齊。
在一些優選實施例中，所述第一凸出部和所述第二凸出部左右對稱分布。
在一些優選實施例中，所述散熱通道沿直線方向延伸，所述散熱通道貫穿所述第一凸出部的左側面，並且所述散熱通道貫穿所述第二凸出部的右側面。
在一些優選實施例中，所述散熱通道貫穿所述第一凸出部的左側面所形成的通孔位於所述第一凸出部的左側面的中部，所述散熱通道貫穿所述第二凸出部的右側面所形成的通孔位於所述第二凸出部的右側面的中部。
在一些優選實施例中，所述第一凸出部的上表面和與所述基板的上表面之間具有第一預定間距，所述第二凸出部的上表面和與所述基板的上表面之間具有第二預定間距。
在一些優選實施例中，所述第一預定間距等於所述第二預定間距。
在一些優選實施例中，所述第一凸出部為多個且間隔開布置，所述第二凸出部為多個且彼此間隔開設置。
在一些優選實施例中，所述散熱通道為多個，每個所述散熱通道分別對應貫穿一個所述第一凸出部和一個所述第二凸出部。
本實用新型的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。
附圖說明
本實用新型的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是根據本實用新型實施例的智能功率模塊的外形圖；
圖2是根據圖1中沿X-X』線的剖視圖；
圖3是根據本實用新型實施例的智能功率模塊去掉密封樹脂後的俯視圖；
圖4是在基板上設置絕緣層和布線層的工序圖；
圖5是圖4中沿箭頭P的方向的側視圖；
圖6是根據本實用新型實施例的智能功率模塊的引腳的結構示意圖；
圖7是在布線層上焊接電子元件和引腳的工序圖；
圖8是圖7中沿箭頭Q的方向的側視圖；
圖9是在多個電子元件之間或者電子元件和引腳之間邦定金屬線以形成電連接的工序圖；
圖10是對帶有電子元件和引腳的基板進行注塑的工序圖；
圖11是根據本實用新型實施例的智能功率模塊的製造方法的工序流程圖。
附圖標記：
智能功率模塊 100；
基板 1；第一凸出部 11；第二凸出部 12；
絕緣層 2；
布線層 3；焊盤 31；
電子元件 4；散熱通道 5；引腳 6；密封樹脂層 7；金屬線 8；
注塑模具 9；澆口 91；排氣口 92；固定裝置 93；
鋼網 10；載具 101。
具體實施方式
下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。
在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本實用新型的描述中，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
下面參考圖1-圖3描述根據本實用新型實施例的智能功率模塊100。
如圖1-圖3所示，根據本實用新型實施例的智能功率模塊100包括：基板1、絕緣層2、布線層3、多個電子元件4、多個引腳6和密封樹脂層7。
基板1的相對的兩側面上分別設有第一凸出部11和第二凸出部12，其中第一凸出部11的下表面與基板1的下表面平齊，第二凸出部12的下表面與基板1的下表面平齊，也就是說，第一凸出部11的下表面與基板1的下表面在同一個平面上，第二凸出部12的下表面與基板1的下表面在同一個平面上，由此基板1的下表面、第一凸出部11的下表面與第二凸出部12的下表面位於同一個平面上。由此在將基板1放置在注塑模具9內進行密封樹脂的注塑時，可以將基板1放置在注塑模具9的底壁上，從而在從澆口91注入密封樹脂時，基板1的下表面不會被密封樹脂層7包裹住，從而基板1的下表面被露出。
基板1內設有散熱通道5，散熱通道5的兩端分別貫穿第一凸出部11和第二凸出部12。絕緣層2設在基板1的上表面，布線層3設在絕緣層2上。多個電子元件4設在布線層3上，多個電子元件4之間或者電子元件4與絕緣層2之間電連接，多個引腳6設在基板1的至少一側邊緣處，且引腳6與布線層3電連接。
密封樹脂層7包裹在設有電子元件4的基板1外部，其中引腳6和散熱通道5露出，並且由於基板1放置在注塑模具9內時其下表面與注塑模具9的底壁接觸，從而基板的下表面不會被包裹上密封樹脂層7，從而基板1的下表面被露出，這樣可以提高基板1的散熱效果。
如圖1-圖3所示，基板1具有一定的厚度，「基板1的相對的兩側面」可以是基板1的前表面和後表面，也可以是基板1的左端面和右端面。也就是說，第一凸出部11可以設在基板1的前表面，此時第二凸出部12則設置在基板1的後表面上；同理，若第一凸出部11設置在基板1的左端面上，此時第二凸出部12則設置在基板1的右端面上。
基板1內設有散熱通道5，該散熱通道5在基板1內的延伸方向、長度等可以是任意的，該散熱通道5用於後期智能功率模塊100製造完畢且正常工作時，可以利用該散熱通道5對基板1進行風冷、水冷、油冷等方式進行輔助散熱。由此可以提高智能功率模塊100的散熱性能，因此根據本實用新型實施例的智能功率模塊100可以在保證在不增加基板1厚度的情況下仍能獲得良好的散熱性。
此外，通過在基板1的相對的兩個側面上分別設置第一凸出部11和第二凸出部12，是為了在對基板1進行密封樹脂的注塑時，可以利用第一凸出部11和第二凸出部12輔助基板1在注塑模具9內的定位，定位更見準確，而且可以保證注塑過程中基板1不會在模具內移位，從而可以保證引腳6不會受到額外的拉伸應力，進而可以使注塑效果更好，不會產生注塑不滿等問題。
根據本實用新型實施例的智能功率模塊100散熱性能更好，且在製造過程中智能功率模塊100在注塑模具9內的定位更為準確和穩定。
下面將參照圖1-圖3詳細描述根據本實用新型實施例的智能功率模塊100。
在本實用新型的一個實施例中，基板1可以是由1050、5052等材質的鋁構成的矩形板材。在基板1的表面上形成基板1絕緣和布線的方法有兩種：一個方法是對鋁基板1的至少一個表面進行防蝕處理；另一個方法是在基板1的至少一個表面上形成絕緣層2後再在絕緣層2的表面形成電路布線，從而構成布線層3。
在本實用新型的一個優選示例中，絕緣層2覆蓋基板1至少一個表面形成，例如基板1的上表面，並在環氧樹脂等樹脂材料內高濃度填充氧化鋁等填料提高熱導率。
如圖3所示，第一凸出部11設在基板1的左端面上且向左凸出，第二凸出部12設在基板1的右端面上且向右凸出。由此在對智能功率模塊100進行注塑時，第一凸出部11止抵在注塑模具9的左端面上，第二凸出部12止抵在注塑模具9的右端面上，這樣可以保證密封樹脂不會流入到散熱通道5內，而且這樣可以保證基板1在注塑模具9中沿左右方向的定位穩定性。
在本實用新型的一個實施例中，第一凸出部11和第二凸出部12左右對稱分布，即第一凸出部11和第二凸出部12在左右方向上對稱分布，因此可以理解的是，第一凸出部11和第二凸出部12在前後方向上設置在基板1的左端面和右端面的同一位置處，而且第一凸出部11在水平面內的投影形狀和尺寸，與第二凸出部12在水平面內的投影形狀和尺寸是相同的。這樣可以使基板1的形狀更加對稱，在注塑模具9中定位更加穩定。
在本實用新型的另一個實施例中，第一凸出部11和第二凸出部12在上下方向上對齊，也就是說，在上下方向，第一凸出部11在左端面設置的位置與第二凸出部12在右端面上設置的位置相同，第一凸出部11和第二凸出部12位於同一水平面內。由此，第一凸出部11和第二凸出部12在基板1上的形成位置更加對稱，由此可以更進一步地保證基板1在注塑模具9中沿左右方向的定位穩定性。
在本實用新型的一個實施例中，散熱通道5沿直線方向延伸，散熱通道5貫穿第一凸出部11的左側面，並且散熱通道5貫穿第二凸出部12的右側面。也就是說，在基板1的水平投影上，散熱通道5的延伸方向為直線形狀，並且散熱通道5的左端貫穿第一凸出部11的左側面，散熱通道5的右端貫穿第二凸出部12的右側面。由此散熱通道5的左端和右端呈直線貫通結構，由此不論散熱通道5內通入氣體還是液體時，流態更加穩定，而且散熱效果好。此外，在基板1上成型出直線的散熱通道5，成型工藝會更加簡便。
由上所述，由於第一凸出部11和第二凸出部12左右對稱，且在上下方向上對齊，並且散熱通道5呈直線延伸，因此，優選地，散熱通道5貫穿第一凸出部11的左側面所形成的通孔位於第一凸出部11的左側面的中部，散熱通道5貫穿第二凸出部12的右側面所形成的通孔位於第二凸出部12的右側面的中部。由此，可以使第一凸出部11和第二凸出部12的強度更加均勻，而且可以使智能功率模塊100的結構更加合理。
在本實用新型的一個實施例中，如圖2所示，第一凸出部11的上表面和與基板1的上表面之間具有第一預定間距，第二凸出部12的上表面和與基板1的上表面之間具有第二預定間距。也就是說，第一凸出部11與基板1的上表面之間具有間隙，第二凸出部12與基板1的上表面之間具有間隙。由此，在對基板1進行密封樹脂的注塑時，第一凸出部11的上表面和第二凸出部12的上表面會被填充一部分密封樹脂層7，由此可以保證第一凸出部11和第二凸出部12的結構強度。
優選地，第一預定間距等於第二預定間距，也就是說，在上下方向上，第一凸出部11距離基板1上表面的距離等於第二凸出部12距離基板1上表面的距離。由此可以使智能功率模塊100的結構更加合理且對稱。
在本實用新型的實施例中，圖2和圖3所示，第一凸出部11為多個且間隔開布置，第二凸出部12為多個且彼此間隔開設置。具體而言，第一凸出部11為多個且在基板1的左端面間隔開布置，第二凸出部12為多個且在基板1的右端面間隔布置。由此，可以使基板1在注塑模具9中的定位更加穩定。
優選地，散熱通道5為多個，每個散熱通道5分別對應貫穿一個第一凸出部11和一個第二凸出部12。由此可以在基板1內設置多個散熱通道5，從而可以提高後續智能功率模塊100的散熱效果。
下面將參照圖4-圖11描述根據本實用新型實施例的智能功率模塊100的製造方法。
如圖4-圖11所示，智能功率模塊100的製造方法包括如下步驟：
對鋁板進行衝壓形成帶有第一凸出部和第二凸出部的基板；
在基板內設置分別貫穿第一凸出部和第二凸出部的散熱通道；
在基板上設置絕緣層；
在絕緣層的上表面粘貼銅箔且對銅箔進行蝕刻以局部地除去銅箔，形成布線層；
製成多個引腳；
在布線層上焊接電子元件和引腳；
在多個電子元件之間或者電子元件和引腳之間邦定金屬線以形成電連接；
對帶有電子元件和引腳的基板進行注塑，且將引腳以及散熱通道露出，且將所述基板的下表面緊貼在注塑模具的底壁上；
測試以完成智能功率模塊的製造。
可以理解的是，在不違反實際製造邏輯的前提下，上述的步驟順序可以進行合理的組織與排序。例如在對基板1進行成型後，也可以製造引腳6結構。
下面將參考附圖對上述的步驟進行詳細解釋：
如圖4和圖5示出了在基板1上設置絕緣層2和布線層3的工序圖。
在此之前需要將鋁板衝壓形成大小合適的尺寸，以構成基板1，並且在基板1上一體衝壓形成出第一凸出部11和第二凸出部12，由此可以使基板1、第一凸出部11和第二凸出部12為一體成型，結構強度得到了保證，而且製造的工藝簡單方便且迅速。
具體地，可以直接對1m×1m的鋁板進行衝壓，而且在形成的過程中使基板1的左右兩邊具有第一凸出部11和第二凸出部12。並通過銑刀等方式，使第一凸出部11和第二凸出部12的頂部分別與基板1的上下表面之間形成1～4mm的距離。進而通過鑽孔等方式，將相對的第一凸出部11、第二凸出部12以及位於第一凸出部11和第二凸出部12之間的基板1內部進行打通，從而形成散熱通道5。最後通過清洗的方式，將鋁屑清理。
如圖4和圖5所示，根據需要的電路布局設計大小合適的基板1，對於一般的智能功率模塊100，一枚的大小可選取64mm×30mm，為了增加硬度和絕緣性，可考慮對基板1的兩面進行防蝕處理。在本實用新型的一個示例中，在基板1的至少一個表面上設有絕緣層2(例如基板1的上表面)。進而在絕緣層2的表面粘貼有作為電路布線的銅箔，然後將該銅箔進行蝕刻，局部地除去銅箔，從而形成布線層3，布線層3具體可以包括電路布線、焊盤31和焊盤31連線。
如圖6示出了引腳6的結構示意圖。可選地，每個引腳6可以用銅基材，製成長度25mm，寬度為1.5mm，厚度為1mm的長條狀，如圖6所示。在此，為便於裝配，在其中一端壓製出一定的弧度。
然後通過化學鍍的方法形成鎳層：通過鎳鹽和次亞磷酸鈉混合溶液，並添加了適當的絡合劑，在已形成特定形狀的銅材表面形成鎳層，金屬鎳具有很強的鈍化能力，能迅速生成一層極薄的鈍化膜，能抵抗大氣、鹼和某些酸的腐蝕。鍍鎳結晶極細小，鎳層厚度一般為0.1μm。
接著通過酸性硫酸鹽工藝，在室溫下將已形成形狀和鎳層的銅材浸在帶有正錫離子的鍍液中通電，在鎳層表面形成鎳錫合金層，鎳錫合金層厚度一般控制在5μm，鎳錫合金層的形成極大提高了引腳6的安全性和可焊性。到此，引腳6製造完成。
如圖7和圖8示出了在布線層3上焊接電子元件4和引腳6的工序圖。
首先，可以通過錫膏印刷機並利用鋼網10，在基板1的布線層3的特定位置進行錫膏塗裝，鋼網10可使用0.13mm的厚度。
其次，參照圖7和圖8，進行電子元件4和引腳6的安裝，電子元件4可直接放置在布線層3的特定位置，而引腳6則一端要安放在焊盤31上，另一端需要載具101進行定位，載具101可以通過合成石等材料製成。然後，再通過回流焊等方法，使錫膏固化，從而電子元件4和引腳6被固定。
如圖9示出了，在多個電子元件4之間或者電子元件4和引腳6之間邦定金屬線8以形成電連接的工序圖。
在進行邦定前，需要對基板1進行清洗，首先將基板1放入清洗機中進行清洗，將回流焊時殘留的松香等助焊劑及衝壓時殘留的鋁線等異物洗淨，根據電子元件4在電路布線的排布密度，清洗可通過噴淋或超聲或兩者結合的形式進行。清洗時，通過機械臂夾持兩條或多條引腳6，將基板1置於清洗槽中，由此多個引腳6之間彼此獨立，沒有加強筋彼此相連，即使機械臂對每個引腳6的夾持力度不均，清洗過程中的震動也不會在引腳6間產生力傳遞，造成部分引腳6與焊盤31分離。
其次，通過在電子元件4和電子元件4，電子元件4和電路布線的特定位置之間邦定一定直徑的金屬線8，從而形成多個電子元件4之間的電連接，或者形成電子元件4與布線層3之間的電連接。在此，金屬線8的粗細應根據邦定點的大小、所需的同流能力、元器件的可加工性等綜合考慮，一般地，單根金屬線8的直徑不應大於400μm且不應小於15μm，對於功率器件的連接，可考慮使用多根400μm的鋁線並聯邦定，對於功能器件的連接，可考慮使用單根38μm的鋁線進行邦定。
如圖10示出了對帶有電子元件4和引腳6的基板1進行注塑的工序圖。圖10表示，使用注塑模具9，且利用密封樹脂密封基板1的工序的剖面圖。
首先，為了將基板1中可能殘留的水分烘乾，需要在無氧環境中對基板1進行烘烤，烘烤時間不應小於2小時，烘烤溫度和選擇125℃。
將配置好電子元件4和引腳6的基板1搬送到注塑模具9中，通過使引腳6的特定部分與注塑模具9上的固定裝置93接觸，從而對基板1進行初步的定位。
其中，第一凸出部11和第二凸出部12之間的距離正好與模腔的寬度一致，第一凸出部11和第二凸出部12的開孔在模製時不會進膠，而且利用第一凸出部11和第二凸出部12使基板1在模腔中左右固定。
而基板1的底部與模腔的底部完全貼合，如果使用5052的鋁材，因為鋁材較硬不易形變，所以貼合度一般較好；如果使用1050的鋁材，因為鋁材較軟，可以考慮在所述模腔頂部增加定位針，以便增加基板1的底部與模腔的底部貼合度。
合模時，在模腔中放置基板1，然後由澆口91注入密封樹脂。進行密封的方法可採用熱硬性樹脂的傳遞模模製或使用熱硬性樹脂的注入模模製。而且，對應自澆口91注入的密封樹脂模腔內部的氣體通過排氣口92排放到外部。
最後，是進行引腳6成型和模塊功能測試的工序，智能功率模塊100經由此工序作為製品完成。本工序中，根據引腳6的使用的長度和形狀需要，例如將引腳6折彎成一定形狀，便於後續裝配。然後進行常規的電參數測試，一般包括絕緣耐壓、靜態功耗、遲延時間等測試項目，測試合格者為成品。
通過上述工序，完成圖1所示的智能功率模塊100。
根據本實用新型上述的製造方法，可以使現有的流程得到優化，可保證智能功率模塊100在注塑模具9裡的定位更為準確。而且通過本製造方法所製造出的智能功率模塊100，由於下表面沒有被密封樹脂層7包裹，因此智能功率模塊100的散熱效果更好。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示意性實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管已經示出和描述了本實用新型的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的範圍由權利要求及其等同物限定。