CN102354688A

CN102354688A - 一种功率模块

Info

Publication number: CN102354688A
Application number: CN2011103066308A
Authority: CN
Inventors: 冯闯; 张礼振; 刘杰
Original assignee: SHENZHEN WEIYI ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN WEIYI ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明涉及一种功率模块，包括基板，基板包括位于中间的绝缘层以及位于绝缘层两侧的正面导电层和背面导电层，正面导电层上设置有焊料层，焊料层上设置有器件层和引线框架，在焊料层上还设置有用于在功率模块模封过程中顶持顶针的垫片层，功率模块还包括用于将器件层、垫片层、部分引线框架和部分基板密封的塑封料，垫片层上方留有顶针孔。本发明可减少因在模封工艺中使用顶针而引起的基板中的绝缘层损坏的可能性，同时保证了功率模块在模封制程中基板的平整度以及在工艺制程中防止塑封料溢料，从而提高功率模块的绝缘特性、散热特性，进而提高功率模块产品的可靠性、良品率。

Description

一种功率模块

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种功率模块。

背景技术

功率模块在空调、洗衣机等电机驱动、电力电子领域有着广泛的应用。功率模块的工作电流很大，那么工作情况下产生的热量很大，所以要求模块的内部的散热性能要好，而且功率模块在实际应用中，其上表面与散热器紧密抵触，以增强功率模块到环境的散热。在应用中，有安规规定功率模块和散热器之间要有一定的绝缘强度，由于功率模块和散热器紧密抵触，所以功率模块要满足安规绝缘强度的要求，所以要求功率模块的绝缘耐压性能要好。

在现有的电力用功率模块中，功率芯片和IC芯片贴装在引线框架上，芯片和引线框架通过树脂密封。由于功率芯片产生的热量大，为了提高散热特性，需要使密封芯片和引线框架的树脂薄，具体的说，需要使贴装了功率芯片的框架的背面与功率模块的背面之间的树脂薄。但是如果这部分树脂薄，会带来功率模块的绝缘特性下降的缺点。

因此，为了在提高功率模块散热特性的前提下，同时增加功率模块的绝缘特性、电力转换***可靠性等的背景下，一种直接键合铜(Direct BondingCopper，DBC)基板或者绝缘金属基板被广泛的应用在功率模块上。DBC铜基板的制造是通过将两层铜在高温压力下键合到陶瓷绝缘板的正反面，其中正面的铜层用于功率模块中器件(功率芯片、被动器件等)的布线和引线框架的贴装。绝缘金属基板的制造是通过将一层铜和一个铝板压合到一层绝缘聚合物的正反面，其中正面的铜层用于功率模块中器件(功率芯片、被动器件等)的布线和引线框架的贴装。

在现有使用DBC基板的电力用功率模块中，一种是没有使用顶针的，如图1所示，其中一个焊料层110配置在DBC基板100上，一个器件层120和一个引线框架130配置在焊料层110上，一种塑封料140将器件层120和部分引线框架130、部分DBC基板100密封。

另一种是采用顶针直接顶在DBC基板上的，如图2所示，其中一个焊料层110配置在DBC基板100上，一个器件层120和一个引线框架130配置在焊料层110上，一种塑封料140将器件层120和部分引线框架130、部分DBC基板100密封，在模封工艺过程中，保证DBC基板100的平整度以及在工艺制程中防止用于模封的塑封料140溢料，采用顶针直接压在DBC基板100上，在塑封料140上形成一个顶针孔150，在模封工艺结束后，移开顶针。

根据以上所述，一个DBC基板100的制造通过在高温压力下将一个正面铜层102和一个背面铜层106键合到一个陶瓷板104上。由于在模封工艺中会出现150℃-200℃的高温，温度变化范围比较大，而DBC的基板100的正面铜层102、反面铜层106、陶瓷板104、和塑封料140等材料之间CTE(热膨胀系数)不匹配(铜材料的CTE约等于17ppm/℃，陶瓷材料的CTE约等于7ppm/℃，塑封料材料的CTE约等于15ppm/℃)。

在以上两种方案中，前者没有使用顶针，在模封工艺中，温度的大范围变化，会导致DBC基板100的平整度差，出现翘曲，功率模块在实际应用中的散热特性会差。同时由于DBC基板100的平整度问题，在模封工艺中塑封料140会出现溢料，增加工艺的控制复杂性。后者的方案中，虽然使用顶针解决了DBC基板100的平整度和塑封料溢料的问题，但是当顶针压在DBC基板100上，会对DBC基板100产生一个压力，这个压力有时会对DBC基板100中的陶瓷板104造成破坏。

图3是图2中A部分的放大示意图，可以看到，当顶针160直接压在DBC基板100上时，会对DBC基板100产生一个压力，由于陶瓷板104是脆性的，缺少韧性，所以会对DBC基板100中的陶瓷板104造成破坏，这个具体表现为陶瓷板104的微裂，从而使DBC基板100的绝缘特性下降，散热特性下降，进而造成功率模块产品的可靠性降低、良品率降低，从而增加功率模块本身的成本。

虽然将DBC基板中的陶瓷板加厚，例如使用0.63mm厚或者更厚的陶瓷板，可以减少其受损坏的可能性，但是会降低其散热特性，这样只能通过将DBC基板的面积增大或者采用更高导热性能的陶瓷材料(例如氮化铝)这种增加功率模块成本的方式来弥补。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可在模封过程中减少基板绝缘层因顶针而受到损害可能性的功率模块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种功率模块，包括基板，所述基板包括位于中间的绝缘层以及位于所述绝缘层两侧的正面导电层和背面导电层，所述正面导电层上设置有焊料层，所述焊料层上设置有器件层和引线框架，其中，在所述焊料层上还设置有用于在功率模块模封过程中顶持顶针的垫片层，所述功率模块还包括用于将所述器件层、垫片层、部分所述引线框架和部分所述基板密封的塑封料，所述垫片层上方留有顶针孔。

本发明所述的功率模块，其中，所述垫片层为所述引线框架的一部分。

本发明所述的功率模块，其中，所述引线框架包括与所述焊料层相贴的连接部，以及所述连接部弯折延伸形成的引出部，所述垫片层是所述连接部的一部份或者是所述引出部的一部分。

本发明所述的功率模块，其中，所述垫片层为与所述引线框架相分离的单独部分。

本发明所述的功率模块，其中，所述垫片层采用金属制成，所述金属包括铜、铁或铝。

本发明所述的功率模块，其中，所述垫片层为多角形、圆形或椭圆形。

本发明所述的功率模块，其中，所述垫片层厚度为0.1mm～6mm。

本发明所述的功率模块，其中，所述垫片层面积为0.1mm²～1cm²。

本发明所述的功率模块，其中，所述绝缘层为陶瓷板。

本发明所述的功率模块，其中，所述顶针孔内设置有与所述塑封料相同材质的填充物。

本发明的有益效果在于：通过增加用于在功率模块模封过程中顶持顶针的垫片层，减少因在模封工艺中使用顶针而引起的基板中的绝缘层损坏的可能性，同时保证了功率模块在模封制程中基板的平整度以及在工艺制程中防止用于模封的塑封料溢料，从而提高功率模块的绝缘特性、散热特性，进而提高功率模块产品的可靠性、良品率。同时对于DBC基板，可以使基板中的陶瓷板厚度可以减少，基板的面积不用增加或者使用更廉价的陶瓷材料，进而降低整个功率模块的成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中的不使用顶针的功率模块截面图；

图2是现有技术中的使用顶针直接顶在基板上的功率模块截面图；

图3是图2中A部分放大示意图；

图4是本发明较佳实施例的使用顶针顶在独立的垫片层上的功率模块截面图；

图5是本发明较佳实施例的使用顶针顶在引线框架连接部的功率模块截面图；

图6是本发明较佳实施例的使用顶针顶在引线框架折引出部的功率模块截面图。

具体实施方式

本发明较佳实施例的功率模块截面如图4所示，包括基板10和塑封料50，基板10包括位于中间的绝缘层14以及位于绝缘层14两侧的导电层(正面导电层16和背面导电层12)，基板10的正面导电层16上设置有焊料层20，焊料层20上设置有器件层30和引线框架40，在焊料层20上还设置有用于在功率模块模封过程中顶持顶针(未图示)的垫片层70，塑封料50将器件层30、垫片层70、部分引线框架40和部分基板10密封，在垫片层70上方留有顶针孔60。在模封时，将顶针顶持在垫片层70上，避免了与基板10直接接触，垫片层70对顶针所施加的机械压力进行缓冲，因此减少了因使用顶针而损坏基板10绝缘层14的可能性，同时还能保证基板10的平整度以及防止模封工艺中塑封料50的溢料，从而提高功率模块的绝缘特性、散热性，进而提高功率模块产品的可靠性和良品率。

在进一步的实施例中，如图5和图6所示，上述垫片层70是引线框架40的一部分，这样不用增加额外的材料和工艺即可实现。即在模封时，将顶针直接顶持在引线框架40上，引线框架40在基板10与顶针之间起到缓冲的作用，吸收部分来自顶针的机械压力，因此减少了对基板10的压力，从而减少破坏基板10绝缘层14的可能性。

在更进一步的实施例中，如图5和图6所示，引线框架40包括与焊料层20相贴的连接部41，以及连接部41弯折延伸形成的引出部42。其中，如图6所示，垫片层70可以是连接部41的一部分，或者如图5所示，是引出部42的一部分。当垫片层70是连接部41的一部分时，由于连接部41通过焊料层20与基板10之间直接焊接，所能吸收的机械压力相对较小；当垫片层70是引出部42的一部分时，由于引出部42相对基板10处于悬空状态，模封时与塑封料50相接触，因此能吸收来自顶针较大的机械压力，因此能更好的起到保护基板10绝缘层14的目的。

上述实施例中，采用引线框架40局部直接实现垫片层70虽然具有节省原料与工艺的优点，但是在引线框架40外露部分带电时，则需要额外的对模封后所留下的顶针孔60进行填充，以免漏电。一般采用与塑封料50相同的热固型材料对顶针孔60进行填充，例如环氧树脂。如果引线框架40外露部分不带电时，则可以对顶针孔60进行填充也可以不填充。

在本发明另一实施例中，如图4所示，垫片层70为与独引线框架40相分离的单部分，即采用额外的材料和工艺单独制成垫片层70，垫片层70也和器件层30一样通过专业的、自动化的贴片机贴装在基板10上，这样不用对留下的顶针孔60进行填充。独立的垫片层70可以是采用金属制成，其中金属包括铜、铁、铝等。

优选地，独立的垫片层70的数目和位置可以根据实际模封时候的需要设置在基板10上，垫片层70可以是多角形、圆形或椭圆形等。

优选地，独立的垫片层70厚度优选为0.1mm～6mm，太薄了可能会起不到缓冲的作用，太厚了可能会影响功率模块的整体工艺和成本。

优选地，独立的垫片层70面积优选为0.1mm²～1cm²，具体大小可根据功率模块基板10面积来设置。

优选地，上述各实施例中的基板10绝缘层14为陶瓷板，其主要成分可以为三氧化二铝等，例如DBC基板，相较于其他类型的绝缘材料而言，陶瓷板更加易裂开，但采用了上述各实施例中的垫片层之后，即使使用顶针也不容易损坏陶瓷板，因此可以将基板10绝缘层14陶瓷板的厚度减少，或采用其他廉价的绝缘材料，而不用增加整个基板10的面积，从而降低整个功率模块的成本。

上述各实施例中，焊料层20采用钢网将导电、导热性能好的焊料(例如锡膏)以印刷方式配置在基板10的特性区域上，其中特定区域指贴装器件和部分引线框架40的区域；器件层30是通过专用、自动化的贴片机将器件贴装在焊料层20上；引线框架40通过特制的夹具与焊料层20结合；然后器件层30和引线框架40再通过高温焊接(例如回流焊)完成配置；塑封料50则采用转移模塑工艺将器件层30、部分引线框架40、部分基板10和垫片层70密封。

综上所述，本发明通过增加用于在功率模块模封过程中顶持顶针的垫片层70，减少因在模封工艺中使用顶针而引起的基板10中的绝缘板14损坏的可能性，同时保证了功率模块在模封制程中基板10的平整度以及在工艺制程中防止用于模封的塑封料50溢料，从而提高功率模块的绝缘特性、散热特性，进而提高功率模块产品的可靠性、良品率。同时对于DBC基板，可以使基板10中的陶瓷板厚度减少，基板10的面积不用增加或者使用更廉价的陶瓷材料，进而降低整个功率模块的成本。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种功率模块，包括基板（10），所述基板（10）包括位于中间的绝缘层（14）以及位于所述绝缘层（14）两侧的正面导电层（16）和背面导电层（12），所述正面导电层（16）上设置有焊料层（20），所述焊料层（20）上设置有器件层（30）和引线框架（40），其特征在于，在所述焊料层（20）上还设置有用于在功率模块模封过程中顶持顶针的垫片层（70）；

所述功率模块还包括用于将所述器件层（30）、垫片层（70）、部分所述引线框架（40）和部分所述基板（10）密封的塑封料（50），所述垫片层（70）上方留有顶针孔（60）。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述垫片层（70）为所述引线框架（40）的一部分。

3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述引线框架（40）包括与所述焊料层（20）相贴的连接部（41），以及所述连接部（41）弯折延伸形成的引出部（42），所述垫片层（70）是所述连接部（41）的一部份或者是所述引出部（42）的一部分。

4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述垫片层（70）为与所述引线框架（40）相分离的单独部分。

5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述垫片层（70）采用金属制成，所述金属包括铜、铁或铝。

6.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述垫片层（70）为多角形、圆形或椭圆形。

7.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述垫片层（70）厚度为0.1mm～6mm。

8.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述垫片层（70）面积为0.1mm??～1cm??。

9.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘层（14）为陶瓷板。

10.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述顶针孔（60）内设置有与所述塑封料（50）相同材质的填充物。