非絕緣型功率模塊的製作方法

2023-10-17 16:48:59

專利名稱：非絕緣型功率模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體，尤其涉及非絕緣型功率模塊及其封裝技術。
背景技術：
功率模塊，按照其晶片與基板之間是電氣絕緣的結構還是非絕緣的結構，分為絕緣型功率模塊，和非絕緣型功率模塊。功率模塊通常其基板用作公共電極，而且其具有正向壓降低、浪湧電流大等特點，主要用於各類焊接機和開關電源。但是，正是由於功率模塊通常工作在高電壓、大電流條件下，因此，功率模塊的散熱就是通常必須考慮的一個問題。

實用新型內容本實用新型的目的之一是提供一種非絕緣型功率模塊。這種非絕緣型功率模塊能夠降低模塊的熱阻，從而提高功率模塊的可靠性。本實用新型的另一個目的是簡化非絕緣型功率模塊的結構，從而降低製造成本。按照本實用新型提供的非絕緣型功率模塊200包含:銅基板210 ;位於銅基板210指定位置處的功率模塊晶片220 ;從功率模塊晶片220引出的門極電極230 ;以及外殼280，用於罩蓋銅基板210、門極電極230和功率模塊晶片220 ;其中，功率模塊晶片220直接焊接在銅基板210上，電極230焊接在功率模塊晶片220上。按照本實用新型提供的非絕緣型功率模塊200，其中，功率模塊晶片220、門極電極230、銅基板210以及外殼280採用矽凝膠270密封，在矽凝膠270上採用環氧樹脂290固化封裝，以形成密封結構。門極電極230最好從環氧樹脂290中引出。在按照本實用新型的非絕緣型功率模塊200中，門極電極230最好被打彎成型。在按照本實用新型的非絕緣型功率模塊200中，在非絕緣型功率模塊200中的晶片220和晶片220之間，最好採用鋁絲鍵合在起來。在按照本實用新型的非絕緣型功率模塊200中，銅基板的厚度最好為3毫米。
圖1中示出現有技術中的絕緣型功率模塊在封裝時所採用的工藝步驟；圖2示出的是現有技術中絕緣型功率模塊的內部結構示意圖；圖3中示出的是本實用新型的非絕緣型功率模塊在封裝時所採用的工藝步驟；以及圖4示出的是採用本實用新型的封裝工藝所形成的非絕緣型功率模塊的內部結構示意圖。
具體實施方式
下面參照附圖，說明本實用新型實施例的非絕緣型功率模塊及其封裝工藝。[0020]本領域中的普通技術人員能夠理解，本實用新型中所採用的術語「功率模塊」是一種泛指，它可以是晶閘管、二極體模塊、IGBT模塊或MOSFET模塊等。但為了描述方便起見，說明書的描述中，僅以「功率模塊」來代表晶閘管、二極體模塊、IGBT模塊或MOSFET模塊等。功率模塊由於通常工作在大電流下，其本身的熱阻會受很多因素的影響。例如，模塊的散熱條件、器件工作時的功率、焊接層的厚度以及焊接層的熱膨脹係數等都會影響器件的熱阻。功率模塊的熱阻由下式給出:R= Δ T/P式(I)其中，R是熱阻；Δ T是器件兩端形成的溫差；P是器件由於所加電流和電壓所引起的功率。從式⑴可以看出，器件兩端形成的溫差越小，則熱阻越小。因此，設法減小焊接層的厚度，可以減小器件兩端的溫差，從而大大減小功率器件的熱阻。圖1示出的是現有技術的絕緣型功率模塊封裝工藝，而圖2示出的是採用圖1所示工藝所製成的現有技術的絕緣型功率模塊的內部結構示意圖。如圖2所示，現有技 術的絕緣型功率模塊100包括銅基板110，其設置於功率模塊100的底部。銅基板110上設置有直接鍵合銅Direct Bonding Copper，DBC基板120。一個或多個晶片140被貼裝在DBC基板120的預定位置上，經封裝後形成絕緣型功率模塊100。晶片140通過鋁絲連接橋150在模塊內部進行引線連接。彎折電極130由彎折銅片形成。銅片的一端彎折地接觸於DBC基板120的表面上的晶片上，其另一端在功率模塊的上表面彎折形成彎折電極130。另外，功率模塊100還包括包覆銅基板110等的外殼180。外殼180的內部填充有矽凝膠170，功率模塊100還包括外殼蓋板190。圖1示出圖2所示現有技術的功率模塊至少需要通過以下工藝步驟來形成:將晶片140安裝到DBC基板120的指定位置處；將DBC基板120焊接至銅基板110的預定位置上；通過鋁絲鍵合，將一個晶片與另一晶片連接起來；給銅基板110等加上外殼180 ；給加了外殼180的功率模塊灌膠、密封；加上外殼蓋板190，並進一步密封封裝；在外殼蓋板上將彎折電極130打彎成型。從圖1和圖2可以看出，現有技術的絕緣型功率模塊在工作時，由於先將晶片140焊接在DBC基板120上，然後再將DBC基板120焊接在銅基板110之上，因而其熱阻較大，散熱問題難以解決。另外，由於上述工藝步驟中，在灌膠密封時，需要加上外殼蓋板190，因而結構複雜、成本較高。為了解決這一問題，本實用新型中採用將晶片與銅基板直接焊接，來代替原有的將晶片焊接在DBC上而後再將DBC焊接在銅基板上的工藝步驟，並且採用環氧樹脂對功率模塊進行塑封，來代替原有的灌膠工藝。[0043]本實用新型的封裝工藝如圖3所示。如圖3所示，本實用新型的非絕緣型功率模塊封裝工藝包括下述步驟:步驟(I)，即元器件定位步驟:將功率模塊晶片220安裝到銅基板210的指定位置處；步驟(2)，即第一焊接步驟:將功率模塊晶片220與銅基板210焊接在一起；步驟(3)，即密封步驟:將焊接有功率模塊晶片220的銅基板210與一外殼280安裝在一起，並採用密封膠270進行密封；步驟(4)，即固化步驟:採用環氧樹脂290，封裝銅基板210並使環氧樹脂固化。在本實用新型的上述工藝中，將功率模塊晶片220與銅基板210焊接在一起是在真空狀態下進行的。在完成將功率模塊晶片220與銅基板210焊接在一起以後，還可以包括一個第二焊接步驟:在所述功率模塊晶片220上，將門極電極230焊接到功率模塊晶片220上，並且使門極電極230從環氧樹脂290中裸露出來。另外，在上述完成固化步驟以後，還可以包含一個外觀處理步驟，S卩，將外殼280上的裸露電極打彎成型。通過如圖3所示的工藝步驟，就可以形成本實用新型的非絕緣型功率模塊。圖4中示出採用本實用新型的非絕緣型功率模塊封裝工藝所形成的本實用新型的非絕緣型功率模塊的內部結構示意圖。將圖4與圖2比較後可以看出，本實用新型的非絕緣型功率模塊的內部結構與圖2所示現有技術的絕緣型功率模塊的內部結構的不同點在於，現有技術中的絕緣型功率模塊中是帶有DBC基板的，而圖4所示的本實用新型的非絕緣型功率模塊中，是不帶有DBC基板，即晶片是直接焊接在銅基板上的。如圖4所示，本實用新型的非絕緣型功率模塊包含:銅基板210;位於銅基板210指定位置處的功率模塊晶片220 ；以及從功率模塊晶片引出的門極電極230，外殼280，用於罩蓋住銅基板、門極電極和功率模塊晶片，並且門極電極230從外殼引出；其中，功率模塊晶片220和門極電極230是直接焊接在銅基板210上的，並且其中，先用矽凝膠270密封功率模塊晶片220、銅基板210以及與功率模塊晶片220相耦聯的門極電極230 —端以形成一個密封結構，然後在矽凝膠270上用環氧樹脂290固化封裝整個密封結構，從而形成非絕緣型功率模塊200。因此環氧樹脂290置於矽凝膠270之上，形成固化密封模塊，其與外殼280共同保護非絕緣型功率模塊200的內部結構。另外，在圖2所示的現有技術的絕緣型功率模塊100的內部結構中，功率模塊晶片140與另一功率模塊晶片140之間是可以採用鋁絲150鍵合在一起。與圖2相比，圖4所示的本實用新型的非絕緣型功率模塊200的內部結構中，並沒有示出這種採用鋁絲鍵合的模塊結構。但是，本領域中的普通技術人員可以理解，在具體的電路結構中，本實用新型的非絕緣型功率模塊200中也可以採用鋁絲將某一晶片與另一晶片按電路要求鍵合起來的。[0064]從上述本實用新型的工藝步驟中可以看出，由於非絕緣型功率模塊的特殊結構(即非絕緣型)使其壓降很低，而且焊接層厚度主要因為沒有使用DBC而比絕緣型模塊要薄很多，這樣更有利於模塊的散熱，從而使得其熱阻大大降低。在一優選實施例中，還可以減薄銅基板210的厚度以進一步降低熱阻，例如，將銅基板210的厚度設置在3毫米左右。此外，採用環氧樹脂290代替圖2所示的外殼蓋板190，結構簡單，並且工藝簡單，易於實現，而且使用環氧樹脂膠密封可有效地減小模塊的機械應力和熱應力，從而能提高非絕緣型功率模塊工作時的可靠性。上文中，參照附圖描述了本實用新型的具體實施例。但是，本領域中的普通技術人員能夠理解，在不偏離本實用新型的原理和精神的情況下，還可以對本實用新型的上述實施例作某些修改和變更。實施例的描述僅僅是為了使本領域中的普通技術人員能夠理解、實施本實用新型，不應當將本實用新型理解為僅僅限於所描述的實施例。本實用新型的保護範圍由權利要求書所限定。
權利要求1.一種非絕緣型功率模塊(200)，它包含: 銅基板(210)； 位於所述銅基板(210)指定位置處的功率模塊晶片(220)； 從所述功率模塊晶片(220)引出的門極電極(230);以及 外殼(280)，用於罩蓋所述銅基板(210)、門極電極(230)和所述功率模塊晶片(220)；其中，所述功率模塊晶片(220)直接焊接在所述銅基板(210)上，所述門極電極(230)焊接在所述功率模塊晶片(220)上。
2.如權利要求1所述的非絕緣型功率模塊(200)，其特徵在於， 其中，所述功率模塊晶片(220)、所述門極電極(230)、所述銅基板(210)以及所述外殼(280)採用矽凝膠(270)密封，在所述矽凝膠(270)上採用環氧樹脂(290)固化封裝，以形成密封結構。
3.如權利要求2所述的非絕緣型功率模塊(200)，其特徵在於，所述門極電極(230)從所述環氧樹脂(290)中引出。
4.如權利要求3所述的非絕緣型功率模塊(200)，其特徵在於，所述門極電極(230)被打彎成型。
5.如權利要求1至4中任一權利要求所述的非絕緣型功率模塊(200)，其特徵在於，在所述非絕緣型功率模塊(200)中的晶片(220)和晶片(220)之間，採用鋁絲鍵合起來。
6.如權利要求1所述的非絕緣型功率模塊(200)，其特徵在於，所述銅基板的厚度為3毫米。
7.如權利要求1所述的非絕緣型功率模塊，其特徵在於，所述功率模塊是晶閘管模塊、二極體模塊、IGBT模塊或MOSFET模塊。
專利摘要本實用新型提供了一種非絕緣型功率模塊，它包含銅基板；位於銅基板指定位置處的功率模塊晶片；從功率模塊晶片引出的門極電極；以及外殼，用於罩蓋住所述銅基板、門極電極和所述功率模塊晶片，並且所述門極電極從所述外殼引出；其中，功率晶片直接焊接在銅基板上，電極焊接在所述功率模塊晶片上。本實用新型的非絕緣型功率模塊結構簡單、封裝工藝簡單，易於實現，可以有效地減小模塊的機械應力和熱應力，從而提高非絕緣型功率模塊的可靠性。
文檔編號H01L23/34GK202948921SQ20122007520
公開日2013年5月22日 申請日期2012年2月22日 優先權日2012年2月22日
發明者鄭軍, 周錦源, 賀東曉, 王濤 申請人:江蘇宏微科技有限公司