一種功率模塊的製作方法

2023-10-17 20:03:39 2

本實用新型涉及混合集成電路領域，特別是涉及一種功率模塊。

背景技術：

功率半導體模塊是將多隻半導體晶片按一定的電路結構封裝在一起的器件。在一個IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)模塊裡，IGBT晶片及二極體晶片被集成到一塊共同的底板上，且模塊的功率器件與其安裝表面(即散熱板)相互絕緣。

傳統的功率半導體模塊塑封成型需要開模，成本較高；另外，功率半導體模塊包含起支撐作用的電氣轉接塊，模塊體積較大，集成度小。

技術實現要素：

本實用新型目的在於提供一種功率模塊，旨在解決傳統的功率半導體模塊需要開模，且包含起支撐作用的電氣轉接塊，模塊體積較大的問題。

本實用新型提供了一種功率模塊，包括：

絕緣介質基板，包括圖形化的第一導電層和設於所述第一導電層之上的第一絕緣層，所述第一絕緣層開設有第一導電路徑；

第二絕緣層，設置於所述第一絕緣層之上，所述第二絕緣層開設有第二導電路徑；

圖形化的第二導電層，設置於所述第二絕緣層之上；

至少一個功率半導體晶片，嵌設於所述第一絕緣層和第二絕緣層之間；

其中，所述功率半導體晶片通過所述第一導電路徑與所述第一導電層形成電氣連接，且通過所述第二導電路徑與所述第二導電層形成電氣連接，以構成功率電路。

優選地，所述絕緣介質基板開設有從所述功率半導體晶片一側到達或貫穿所述第一導電層的第一通孔，在所述第一通孔填充導電物質形成所述第一導電路徑；

所述第二絕緣層開設有從所述功率半導體晶片一側到達或貫穿所述第二導電層的第二通孔，在所述第二通孔填充導電物質形成所述第二導電路徑。

優選地，所述功率半導體晶片嵌於所述第一絕緣層與所述第二絕緣層圍合形成空腔內，所述空腔由開設在所述第一絕緣層和/或所述第二絕緣層上的槽孔形成。

優選地，包括至少一對所述功率半導體晶片，所述第二導電層通過所述導電物質和所述第一導電層將每兩對所述功率半導體晶片電路連接構成半橋功率模塊。

優選地，還包括引出端子，所述引出端子的一端與第一導電層、第一絕緣層或第二導電層固定連接，並電氣連接到所述功率半導體晶片相應的極性引腳上，所述引出端子的另一端向外伸出。

優選地，所述引出端子包括控制端子和功率端子，所述控制端子和功率端子分別位於所述半橋功率模塊相對兩側。

優選地，還包括散熱器，所述散熱器設置所述第一導電層的下表面和/或所述第二導電層的上表面。

優選地，所述散熱器為散熱翅片或平板熱管。

優選地，所述絕緣介質基板為PCB板。

優選地，所述絕緣層為半固化片。

上述的功率模塊封裝無需開塑封模，節省了生產成本；將功率半導體晶片埋入在絕緣介質基板的絕緣層，通過在絕緣層上開設導電路徑使功率半導體晶片的上下表面分別與兩個導電層實現電氣連接，取代電氣轉接塊實現電氣連接，並省略了用於焊接晶片的導電層，減小了模塊的體積，有利於模塊小型化。

附圖說明

圖1為本實用新型較佳實施例中功率模塊的結構示意圖；

圖2為本實用新型其中一個實施例中功率模塊的結構示意圖；

圖3是圖2所示功率模塊的整體布局圖示意圖；

圖4半橋驅動電路的電路原理圖；

圖5為本實用新型另一個實施例中功率模塊的結構示意圖；

圖6是圖5所示功率模塊的整體布局圖示意圖；

圖7為本實用新型實施例中散熱平板的結構示意圖；

圖8為本實用新型實施例中散熱平板的結構示意圖；

圖9為本實用新型較佳實施例中功率模塊的製造方法的流程圖。

具體實施方式

為了使本實用新型要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

請參閱圖1，本實用新型較佳實施例中的功率模塊包括絕緣介質基板10、至少一個功率半導體晶片20、第二絕緣層40及第二導電層50。

絕緣介質基板10具有相對設置的上下表面，其中至少一個表面覆金屬，中間層為絕緣介質層(第一絕緣層)11。本實施例中，絕緣介質基板10的下表面覆金屬形成圖形化的第一導電層12，而上表面將覆金屬去除使絕緣介質層11裸露，相當於第一絕緣層11設於所述第一導電層12之上。

在絕緣介質基板10使用PCB(printed circuit board，印刷電路板)時，由於一般PCB板是雙面覆金屬，需先將上表面的覆金屬去除留下樹脂層和下表面的覆金屬；當然也可以直接使用單面覆金屬的PCB。因此，本實施例中，在絕緣介質基板10開設有穿透第一絕緣層11的第一導電路徑14。可以理解的是，不限於使用在使用PCB板作為絕緣介質基板10的情況，或為其他任何表面覆金屬絕緣介質基板的情況。

本實施例中的功率半導體晶片20包括IGBT和FRD(fast recovery diode，快速恢復二極體)，構成驅動電路。功率半導體晶片20其上下表面均具有極性引腳，本實施例中，功率半導體晶片20為IGBT時，上表面具有兩個極性引腳，分別是門極和發射極，下表面具有集電極。功率半導體晶片20為FRD時，上表面具有陽極，下表面具有陰極，或反之。

功率半導體晶片20嵌設於所述第一絕緣層11和第二絕緣層40之間，通過所述第一導電路徑14與所述第一導電層12形成電氣連接。具體地，所述功率半導體晶片20嵌於所述第一絕緣層11與所述第二絕緣層40圍合形成空腔內，所述空腔由開設在所述第一絕緣層11和/或所述第二絕緣層40上的槽孔(圖未示)形成。即第一絕緣層11和第二絕緣層40中兩個相對的表面上至少一個開設有用於收容功率半導體晶片20的槽孔，或者第一絕緣層11和第二絕緣層40中兩個相對的表面同時開設有槽孔圍合形成空腔以收容功率半導體晶片20，本實施例中，槽孔在第一絕緣層11上。第一導電層12上形成電路圖案，其下表面的極性引腳通過第一導電路14與對應的電路圖案形成電路連接以引出。

本實施例中，絕緣介質基板10開設有從所述功率半導體晶片20一側到達或貫穿所述第一導電層12的第一通孔，在第一通孔填充導電物質形成所述第一導電路徑40。第一通孔分別到達功率半導體晶片20的下表面的極性引腳和第一導電層12。

第二絕緣層40覆蓋於所述絕緣介質基板10的第一絕緣層11上，與第一絕緣層11圍合將所述功率半導體晶片20包覆在內，第二絕緣層40通過層壓的方式覆蓋在絕緣介質基板10上。第二絕緣層40開設有第二導電路徑42，功率半導體晶片20通過所述第二導電路徑42與所述第二導電層50形成電氣連接，以構成功率電路。

具體地，第二絕緣層40在預設位置開設有從所述功率半導體晶片20一側到達或貫穿所述第二導電層50的第二通孔，在所述第二通孔填充導電物質形成所述第二導電路徑42。第二通孔貫穿第二絕緣層40上下表面，該多個通孔42貫穿第二絕緣層40分別到達功率半導體晶片20上表面的極性引腳和第二導電層50，優選地，在確保導電路徑14、42與晶片之間結合的可靠性前提下，同一電路連接路徑的通孔儘可能地多設置，以便保證電路的過流能力及提高晶片上部散熱能力。

在製作過程中，本實施例中，第二絕緣層40由半固化片(Pre-pregnant)加熱並固化形成，加熱時同時將第一通孔和第二通孔內的導電物質金屬化；其中，半固化片主要由樹脂和增強材料組成，增強材料可以為玻纖布、紙基、複合材料等，所述半固化片的熱膨脹係數與所述功率半導體晶片20的熱膨脹係數匹配，避免功率器件由於與封裝材料熱膨脹係數不匹配而導致的器件所受的應力過大出現的失效問題。

第二導電層50設置於所述第二絕緣層40之上，具體是通過層壓的方式疊設在第二絕緣層40上。

如此，功率半導體晶片20通過開設在所述第一絕緣層11上的第一導電路徑14與第一導電層12實現電氣連接，通過開設在第二絕緣層40上的第二導電路徑42與第二導電層50實現電氣連接，以構成功率電路，取代電氣轉接塊實現電氣連接，並省略了用於焊接晶片的導電層，減小了模塊的體積，有利於模塊小型化。

本實施例中，第二導電層50為導電金屬片，具體可以是銅片、鋁片或者其他導電金屬材料製作而成。在其他實施方式中，第二導電層50可以由另一絕緣介質基板的下表面覆金屬構成。另一絕緣介質基板具有相對設置的上下表面，其中至少一個表面覆金屬構成第二導電層50。而上表面可以覆金屬形成另一個導電層，也可以設置散熱翅片。

請參閱圖2和圖3，在一個實施例中，功率半導體晶片20至少有一個，每個功率半導體晶片20包括一個IGBT 21和一個FRD 22。功率模塊包括引出端子60(即功率模塊引腳)，引出端子60的一端與所述第一絕緣層11、第一導電層12或所述第二導電層50固定連接，並配合第一導電層12、第一導電路徑14、第二導電路徑42及第二導電層50內的導電物質電氣連接到所述IGBT 21和FRD 22相應的極性引腳上，所述引出端子60的另一端向外伸出。引出端子60用於將IGBT 21和FRD 22以預設電路的形式將電路的端子引出以用作與外部電路連接。引出端子60可以固定在第一絕緣層11上，也可以焊接在第一導電層12或第二導電層50上。引出端子60固定在第一絕緣層11上具體是在第一絕緣層11的端面開設凹槽，將引出端子60的一端鑲嵌在凹槽內，固定方式可以是層壓或貼設或焊接；並通過導電路徑與導電層電氣連接。

本實施例中，以引出端子60固定在第一絕緣層11為例說明。引出端子60包括功率端子61和控制端子62，功率端子61為兩個，IGBT 21的控制極通過第二導電路徑42與第二導電層50中的第一電路圖案51進而與控制端子62連接，集電極通過第一導電路徑14和第一導電層12進而與集電極功率端子61連接，發射極通過第二導電路徑42與第二導電層50進而與發射極功率端子61(圖中與集電極所示功率端子重合)連接。

圖3是本實施例中功率模塊整體布局圖示意圖。圖中填充區域為第一導電層12大致所示圖形化，線框加黑區域為第二導電層50大致所示圖形化。IGBT21和FRD 22埋入放置於第一絕緣層11對應位置，控制端子62及功率端子61也埋入放置於第一絕緣層11對應位置，經由金屬化的導電路徑14、42使得晶片極性與對應端子形成電氣連接。控制端子62及功率端子61分別位於模塊兩側，低壓控制端遠離高壓功率端，減小了高壓端對低壓端的電氣幹擾，提高了控制端的可靠性。

請參閱圖4至圖6，在另一個實施例中，功率半導體晶片20至少有一對，每個功率半導體晶片20構成一個橋臂，實現半橋功率模塊。上橋臂包括上橋IGBT 101和上橋FRD 103，下橋臂包括下橋IGBT 102和下橋FRD 104。以上橋臂的功率半導體晶片20為例，IGBT晶片101其上下表面均具有極性引腳，本實施例中，IGBT晶片101上表面具有兩個極性引腳，分別是門極和發射極，下表面具有集電極。上橋FRD晶片103上表面具有陽極，下表面具有陰極。下橋臂的功率半導體晶片20同之。

本實施例中，以引出端子固定在第一絕緣層11為例說明。引出端子包括控制端子32和功率端子31，本實施例中，控制端子32包括兩個，分別控制上下橋臂的第一控制端子321和第二控制端子322，功率端子31包括正極功率端子311、交流功率端子312及負極功率端子313。上橋正極端「+」經第一導電路徑14與第一導電層12中的第一電路圖案121連接，再經第一導電路徑14與正極功率端子311連接。上橋交流端「～」經第二導電路徑42與第二導電層50的第三電路圖案51連接，再經第二導電路徑42與交流功率端子312連接。下橋交流端「-」經第一導電路徑14與第一導電層12中的第二電路圖案122連接，再經第一導電路徑14與交流功率端子312連接。下橋負極端經第二導電路徑42與第二導電層50的第四電路圖案52連接，再經第二導電路徑42與負極功率端子313連接。控制端子321、322埋入第一絕緣層11引出，並經第二導電路徑42與晶片控制端形成電氣連接。

圖6是本實施例中功率模塊整體布局圖示意圖。圖中填充區域為第一導電層12大致所示圖形化，線框加黑區域為第二導電層50大致所示圖形化。半橋驅動電路的各個器件埋入放置於第一絕緣層11對應位置，控制端子32及功率端子31也埋入放置於第一絕緣層11對應位置，經由導電路徑14、42使得晶片極性與對應端子形成電氣連接。控制端子32及功率端子31分別位於模塊兩側，低壓控制端遠離高壓功率端，減小了高壓端對低壓端的電氣幹擾，提高了控制端的可靠性。

另外，在優選的實施例中，請參閱圖2、5和7，功率模塊還包括散熱器70，所述散熱器70設置所述第一導電層12的下表面和/或所述第二導電層50的上表面。散熱器70可單獨設置在功率模塊上表面或下表面實現單面散熱，也可設置在功率模塊上下表面實現雙面散熱。具體地，第一導電層12的下表面和/或所述第二導電層50的上表面通過絕緣導熱膠80後與散熱器70連接。散熱器70為散熱翅片(如圖7所示)或平板熱管(如圖8所示)。圖8是平板熱管示意圖。功率半導體晶片20產生的熱傳導到熱管蒸發麵71，毛細管中工作液72吸收熱量汽化並充滿蒸汽腔。平板熱管70的冷凝面73採用循環冷卻液進行冷卻。蒸汽90在冷凝面73重新凝結成液體，在毛細芯74的毛吸力作用下，液體重新流回蒸發麵71，重複上述步驟實現循環散熱。

此外，請結合圖2、3、7、8和9，還公開了一種可製造上述功率模塊的製造方法，包括以下步驟：

步驟S110，設置一絕緣介質基板10，所述絕緣介質基板10包括第一導電層12和設於所述第一導電層12之上的第一絕緣層11。

在該步驟中，所提供的絕緣介質基板10應具有相對設置的上下表面，其中至少一個表面覆金屬。本實施例中，本實施例中，絕緣介質基板10的下表面覆金屬形成圖形化的第一導電層12，而上表面將覆金屬去除使絕緣介質層11裸露，相當於第一絕緣層11設於所述第一導電層12之上。

在絕緣介質基板10使用雙面覆金屬的PCB時，將其中一個表面的覆金屬去除留下樹脂層(第一絕緣層11)和另一個表面的覆金屬(第一導電層12)；當然也可以直接使用單面覆金屬的PCB。可以理解的是，不限於使用在使用PCB板作為絕緣介質基板10的情況，或為其他任何表面覆金屬絕緣介質基板的情況。

步驟S120，將至少一個功率半導體晶片20設於所述第一絕緣層11上。

具體地，功率半導體晶片20包括IGBT和/或FRD構成驅動電路。晶片上下表面均具有極性引腳，功率半導體晶片20貼設於所述絕緣介質基板10的上表面上。

步驟S130，在所述第一絕緣介質基板10上設置第二絕緣層40，使所述功率半導體晶片20嵌設於所述第一絕緣層11和第二絕緣層40之間。

具體地，所述功率半導體晶片20嵌於所述第一絕緣層11與所述第二絕緣層40圍合形成空腔內，所述空腔由開設在所述第一絕緣層11和/或所述第二絕緣層40上的槽孔(圖未示)形成。即第一絕緣層11和第二絕緣層40中兩個相對的表面上至少一個或兩個同時開設有圍合形成空腔、用於收容功率半導體晶片20的槽孔本實施例中，在所述第一絕緣層11遠離所述第一導電層12一側表面上的開設槽孔，將所述功率半導體晶片20嵌設於所述槽孔內。

本實施例中，所述第二絕緣層40為半固化片，半固化片是絕緣的，且其熱膨脹係數需儘量與功率半導體晶片20的熱膨脹係數匹配，避免功率器件由於與封裝材料熱膨脹係數不匹配而導致的器件所受的應力過大出現的失效問題。

步驟S140，在所述第二緣層40上設置第二導電層50，第二導電層50優選為導電金屬片。將所述第二導電層50、半固化片和設有所述功率半導體晶片20的絕緣介質基板10依次層疊壓合，使半固化片流膠填充並覆蓋功率半導體晶片20。

步驟S150，在所述絕緣介質基板10上開設使所述第一導電層12和所述功率半導體晶片20電氣連接的第一導電路徑14，在所述第二絕緣層40上開設使所述第二導電層50和所述功率半導體晶片20電氣連接的第二導電路徑42。

具體地，首先對層壓後模塊的第一導電層12及第二導電層50圖形化。然後在絕緣介質基板10上採用雷射技術製作從所述第一導電層12一側貫穿到所述功率半導體晶片20的極性引腳的第一通孔；在第二導電層50和絕緣層40上採用雷射技術製作到達功率半導體晶片20的極性引腳的第二通孔；再在所述第一、第二通孔填充導電物質使通孔金屬化形成所述第一導電路徑14和第二導電路徑42。第一導電層12及第二導電層50在層壓之前或之後需製作電路圖案。

更具體的實施例中，在步驟S120中還包括：還設置控制端子62和功率端子61，使所述控制端子62和功率端子61的一端與所述第一導電層12或第一絕緣層11固定連接，另一端向外伸出的步驟。在其他實施方式中，可以設第二導電層50時，設置控制端子62和功率端子61，將使所述控制端子62和功率端子61的一端與所述第二導電層50固定電氣連接，另一端向外伸出。，所述控制端子32和功率端子31分別位於所述半橋功率模塊相對兩側。低壓控制端遠離高壓功率端，減小了高壓端對低壓端的電氣幹擾，提高了控制端的可靠性。

進一步地，所述方法還包括加熱的步驟，通過加熱使所述半固化片固化實現絕緣。

進一步地，所述方法還包括設置與所述第一導電層12的下表面和/或所述第二導電層的上表面的散熱器的步驟。

可見，上述的製作方法均在製作功率模塊是封裝無需開塑封模，節省了生產成本；晶片通過金屬化的通孔42實現電氣連接，減小了模塊的體積，有利於模塊小型化。

更具體地，功率模塊的製造方法為：將去除雙面覆金屬的PCB板上表面的銅層並將PCB樹脂層挖槽，功率半導體晶片20、控制端子62及功率端子61頂部均埋入放置於PCB樹脂層槽孔中，將相應厚度的半固化片(絕緣層)40、第二導電層50與貼有晶片的絕緣介質基板10進行層壓，使半固化片40的流膠填充並覆蓋晶片，其中，半固化片40是絕緣的，且其熱膨脹係數需儘量與功率器件熱膨脹係數匹配。首先對層壓後模塊的第一導電層12和第二導電層50圖形化，再採用雷射技術製作通孔並金屬化形成導電路徑14和42，使得晶片極性引腳與對應引出端子60形成電氣連接。在確保導電路徑14和42與晶片之間結合的可靠性前提下導電路徑14和42儘可能地多設置，以便保證電路的過流能力及提高晶片上部散熱能力。其中，通過對絕緣介質基板10的下表面和絕緣介質層11採用雷射技術鑽開孔14並填充絕緣高導熱材料以提高晶片下表面的散熱能力，此步驟可以在層壓之後製作通孔42的時候同時進行，也可以在準備絕緣基板10時候進行。模塊(絕緣介質基板10)下表面塗上絕緣導熱膠40與散熱器7連接進行散熱，模塊(第二導電層50)上表面塗上絕緣導熱膠80後與另一個散熱器70連接散熱，以此實現雙面散熱，提高散熱能力。兩個散熱器70不一定需要同時設置，在能夠滿足散熱條件情況下，也可僅由下表面的散熱器70單獨構成單面散熱。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。