CN116364669A - 一种半导体功率模块及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体功率模块及制造方法，包括：铝基板、固定于所述铝基板正面上的绝缘层、固定于所述绝缘层上的导电层、设置于所述导电层上的焊接层、安装于所述焊接层上的电路元件、多个引脚以及塑封件，所述多个引脚与所述导电层电连接，所述塑封件用于密封所述铝基板、所述绝缘层、所述导电层、所述焊接层及所述电路元件，所述塑封件靠近所述电路元件的一侧设置有插孔，所述插孔内连接热电偶，所述热电偶用于检测所述塑封件、所述铝基板及所述电路元件的温度。本发明的半导体功率模块温度控制效果好，安全性和可靠性高。

Description

一种半导体功率模块及制造方法
技术领域
本发明涉及智能功率模块技术领域，尤其涉及一种半导体功率模块及制造方法。
背景技术
智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块一方面接收MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将***的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种理想电力电子器件。
现有的IPM智能功率模块都是集成了几个功率器件，随着IPM智能功率模块向高功率和高集成度方向发展，在结构和性能上有很大的改进，热产生问题日益突出，对散热的要求越来越高，IGBT芯片是产生热量的核心功能器件，但热量的积累会严重影响器件的工作性能。
然而，功率模块是热发体，在正常使用时会发热，当模块的温度高到一定程度，会对模块生产一定的影响，严重时会***，影响模块正常使用，长期工作在高温下，也会影响其工作受命，可靠性低，安全性差。
发明内容
针对以上相关技术的不足，本发明提出一种温度检测效果好，安全性和可靠性高的半导体功率模块及制造方法。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种半导体功率模块，包括：铝基板、固定于所述铝基板正面上的绝缘层、固定于所述绝缘层上的导电层、设置于所述导电层上的焊接层、安装于所述焊接层上的电路元件、多个引脚以及塑封件，所述多个引脚与所述导电层电连接，所述塑封件用于密封所述铝基板、所述绝缘层、所述导电层、所述焊接层及所述电路元件，所述塑封件靠近所述电路元件的一侧设置有插孔，所述插孔内连接热电偶，所述热电偶用于检测所述塑封件、所述铝基板及所述电路元件的温度。
优选的，所述导电层为电路布线铜皮。
优选的，所述热电偶包括热电偶本体和由所述热电偶本体延伸的连接线，所述连接线***所述插孔内实现电连接。
优选的，所述电路元件为多个芯片，所述多个芯片之间通过导线连接。
优选的，所述多个引脚之间通过多个加强筋固定连接。
优选的，所述铝基板的背面设有凹凸不平的纹理结构。
优选的，所述电路元件包括6通道的HVIC芯片、与所述HVIC芯片连接的多个电容以及与所述HVIC芯片连接的多个桥臂电路，所述HVIC芯片还与所述热电偶电连接。
优选的，所述多个桥臂电路包括多个上桥臂电路和多个下桥臂电路，所述多个上桥臂电路分别与所述多个下桥臂电路电连接。
第二方面，本发明实施例提供一种半导体功率模块的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
S1、铝基板制作：将铝材料制作成适应大小的所述铝基板，并在其背面通过激光蚀刻和打磨的方式形成纹理，在所述铝基板的正表面上设置所述绝缘层且在所述绝缘层上形成铜箔，通过刻蚀使所述铜箔形成电路布线；
S2、安装元器件：在锡膏上放置所述电路元件和所述引脚；
S3、锡膏固化：通过回流焊使锡膏固化，所述电路元件和所述引脚固定在所述电路布线上；
S4、清除助焊剂：通过喷淋和超声的清洗方式，清除残留在所述铝基板上的助焊剂；
S5、电路元件连接安装：通过邦定线使所述电路元件和所述电路布线间形成电连接；
S6、电路布线连接安装：若所述铝基板需要连接地电位，还包括通过转孔将所述绝缘层转穿，通过邦定线在所述电路布线的地电位和所述铝基板之间形成连接的工序；
S7、塑封件成型：通过使用热塑性树脂的注入模模制或使用热硬性树脂的传递模模制方式，将S1-S6的部件密封；
S8、引脚的加强筋制作：将所述引脚的加强筋切除并形成所需的形状；
S9、测试产品：通过测试设备进行必要的测试，测试合格者就成为所述半导体功率模块，在所述半导体功率模块不贴装散热器的一面的特定位置预设有插孔，并***热电偶用于检测该位置温度变化。
与相关技术相比，本发明通过将在铝基板的正面上依次安装绝缘层、导电层、焊接层、电路元件、多个引脚以及塑封件，所述多个引脚与所述导电层电连接，所述塑封件用于密封所述铝基板、所述绝缘层、所述导电层、所述焊接层及所述电路元件，所述塑封件靠近所述电路元件的一侧设置有插孔，所述插孔内连接热电偶，所述热电偶用于检测所述塑封件、所述铝基板及所述电路元件的温度。这样使得半导体功率模块不贴装散热器的一面的特定位置有插孔，可***热电偶，检测模块在不同散热条件，主要发热器件的温度，***根据检测温度做出相应的保护，使其开关断速度、通态压降、电流拖尾时间、关断电压尖峰和损耗等性能在安全可靠工作范围，提高IPM模块工作性能、安全性及可靠性。
附图说明
下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
图1为本发明半导体功率模块的结构示意图；
图2为本发明半导体功率模块的俯视图；
图3为本发明半导体功率模块的截面图；
图4为本发明插孔用插条结构；
图5为本发明热电偶的结构示意图；
图6为本发明电路器件的内部电路原理图；
图7为本发明HVIC芯片的电路图；
图8为本发明半导体功率模块的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
实施例一
如图1-7所示，本发明提供一种半导体功率模块22，包括：铝基板23、固定于所述铝基板23正面上的绝缘层24、固定于所述绝缘层24上的导电层25、设置于所述导电层25上的焊接层39、安装于所述焊接层39上的电路元件27、多个引脚29以及塑封件31，所述多个引脚29与所述导电层25电连接，所述塑封件31用于密封所述铝基板23、所述绝缘层24、所述导电层25、所述焊接层39及所述电路元件27，所述塑封件31靠近所述电路元件27的一侧设置有插孔32，所述插孔32内连接热电偶33，所述热电偶33用于检测所述塑封件31、所述铝基板23及所述电路元件27的温度。
具体的，铝基板23用于安装固定绝缘层24，绝缘层24上设置导电层25用于通过焊接层39焊接电路元件27，以使导电层25和电路元件27导通，导电层25与多个引脚29连接，用以连接外部电源，通过外部电源为电路元件27供电，实现导通的效果。所述塑封件31用于密封所述铝基板23、所述绝缘层24、所述导电层25、所述焊接层39及所述电路元件27，可以起到保护的作用。由于所述塑封件31靠近所述电路元件27的一侧设置有插孔32，所述插孔32内连接热电偶33，所述热电偶33用于检测所述塑封件31、所述铝基板23及所述电路元件27的温度。这样使得半导体功率模块22不贴装散热器的一面的特定位置有插孔32，可***热电偶33，检测模块在不同散热条件，主要发热器件的温度，***根据检测温度做出相应的保护，使其开关断速度、通态压降、电流拖尾时间、关断电压尖峰和损耗等性能在安全可靠工作范围，提高IPM模块工作性能、安全性及可靠性。
可选的，热电偶33可以是热敏NTC，用以检测模块的不同散热调节，主要发热器件的温度，***根据检测温度做出相应的保护，使其开关断速度、通态压降、电流拖尾时间、关断电压尖峰和损耗等性能在安全可靠工作范围。
在本实施例中，所述导电层25为电路布线铜皮。方便连接电路元件27，同时电路布线铜皮导电性好，使用寿命长。
在本实施例中，所述热电偶33包括热电偶本体34和由所述热电偶本体34延伸的连接线35，所述连接线35***所述插孔32内实现电连接。通过将连接线35***插孔32内实现电连接，使得热电偶本体34能够快速检测温度，安全性高。
在本实施例中，所述电路元件27为多个芯片，所述多个芯片之间通过导线28连接。使得多个芯片之间导电效果好，使用方便。
在本实施例中，所述多个引脚29之间通过多个加强筋30固定连接。使得多个引脚29的结构强度高，使用寿命长。
在本实施例中，所述铝基板23的背面设有凹凸不平的纹理26结构。
在本实施例中，所述电路元件27包括6通道的HVIC芯片36、与所述HVIC芯片36连接的多个电容38以及与所述HVIC芯片36连接的多个桥臂电路37，所述HVIC芯片36还与所述热电偶33电连接。多个电容38(C1、C2、C3)的一端连接于HVIC芯片36的VB1-VB3，另一端连接U.VS1-U.VS3上。
具体的，IPM模块热发主在其内部功率元件引起，当功率器件(IGBT)通电时，在电压和电流的作用下，芯片(IGBT)由于存在通态损耗和开关损耗而产生大量的热。散热路径由上到下依次为：芯片→陶瓷覆铜板→基板→散热器，最终由散热器与空气通过对流传热和辐射传热，利用主动散热或被动散热将热量带走，整个传导过程中存在热阻，热阻是影响IGBT功率模块散热的主要因素，要想增强散热效果，减小热阻是最主要的方法。
IPM模块内部的芯片(IGBT)的结温Tj的多少决定了，芯片(IGBT)是否能正常工作最要参数。而IPM模块内部NTC虽然靠近芯片IGBT放置，但芯片(IGBT)到铝基板23之间存在几层物质，如图3所示，有一定热阻，因此，NTC采集到的温度是铝基靠近芯片的温度与芯片温度存在一定的温度差T1。T1＝Tj-Ta Tj是芯片(IGBT)的结温，Ta是NTC采集到的温度是铝基靠近芯片的温度。
IPM应用***正常工件时，温度保护功能的参考温度是NTC采集铝基靠近芯片的温度Ta，而这个温度与芯片(IGBT)的结温Tj存在一定的温度差T1，如果直接用NTC采集铝基靠近芯片的温度Ta保护，可能会由于上述的温度差，温度保护功能不能及时，IPM模块芯片(IGBT)过热导致损坏，甚至会导致整个器件乃至整个***模块损坏。此因，在不同的应用***里，需要非常接近测试到芯片(IGBT)的结温Tj，模块应用***，温度保护的参考温度加入NTC采集到铝基靠近芯片的温度与芯片温度的温度差T1做补偿，进行做温度保护。
芯片(IGBT)的结温Tj的测试方案如图3，在芯片IGBT1和RC-IGBT1，IGBT5和RC-IGBT5的正上方开一个T形的插孔32，芯片(IGBT)与插孔32之间有一层薄薄塑封料，热电偶33的本体***插孔32，然后用塑封料封好，这样热电偶33采集到的温度就非常接近芯片的结温Tj。
IPM模块应用在各种不同的散热条件下，其芯片结温Tj与IPM模块内部NTC采集温度的温度差不尽相同，因此，在每种应用***量产前，都需要先上述方法，测试出芯片(IGBT)的结温Tj与IPM模块内部NTC采集温度的温度差，做温度补偿，设计出合理的温度保护功能。
IPM模块出厂时，模块不贴装散热器的一面的特定位置的插孔32，会用塑封料做一个与插孔32形状大小一样插条如图4，保护插孔32，以免损坏模块的芯片，模块需要测试芯片结温Tj时，取下插条，***热电偶33(图5)就可以测试其结温Tj。
在本实施例中，所述多个桥臂电路37包括多个上桥臂电路和多个下桥臂电路，所述多个上桥臂电路分别与所述多个下桥臂电路电连接。
具体的，多个上桥臂电路包括RC-IGBT1和IGBT1，RC-IGBT2和IGBT2，以及RC-IGBT3和IGBT3。多个下桥臂电路包括RC-IGBT4和IGBT4，RC-IGBT5和IGBT5，以及RC-IGBT6和IGBT6。其中，RC-IGBT1 RC-IGBT(逆导IGBT),其在集电极的p区嵌入一个n型半导体材料,这样就如同增加了反向二极管的功能，增加了反向导通性。相对Si材料的IGBT，不需再反并FRD(续流二极管芯片)。RC-IGBT(逆导IGBT)对比硅材料的IGBT具有的优势：IGBT芯片或FWD芯片主要包含终端区和元胞区，当两个器件合并为一个芯片时终端部分可以实现共用，因此可以减小终端部分的面积。提高了单位面积的功率，改善了并联连接效果。加大了二极管和IGBT的电阻比值Rth(j-c)，减少了芯片的温度脉动，提高了对最佳热敏模块设计的自由度，与硅材料的IGBT相比，RC-IGBT器件同等条件下面积更小、热效应更小、开关速度快、导通压降低、通态电流大、损耗成本低的优势。非常适合于常高成集成功率模组。
具体的，集成6通道驱动HVIC 0103的HO1\HO2\HO3\LO1\LO2\LO3端口分别与RC-IGBT1与IGBT1\RC-IGBT2与TGBT2\CR-IGBT3与IGBT3\RC-IGBT4与IGBT4\RC-IGBT5与IGBT5\RC-IGBT6与IGBT6的G端口连接；RC-IGBT1与IGBT1、RC-IGBT2与TGBT2、CR-IGBT3与IGBT3的C端口连接在一起,引出作为IPM的第1脚P端口。
RC-IGBT1与IGBT1、IGBT1、RC-IGBT2与TGBT2、CR-IGBT3与IGBT3的E端口分别与RC-IGBT4与IGBT4、RC-IGBT5与IGBT5、RC-IGBT6与IGBT6的C极连接。
6通道驱动HVIC 0103的VB1\U,VS1,VB2\V,VS2,VB3\W,VS3分别与自举电容0104连接,VB1、VB2、VB3引出作为IPM的第3、5、7脚VB1、VB2、VB3端口。6通道驱动HVIC的RCIN端口引出作为IPM的第18脚RCIN端口。
C桥上桥臂CR-IGBT3与IGBT3与下桥臂RC-IGBT6与IGBT6的连接点引出作为IPM的第6脚W，VS3端口。B桥上桥臂CR-IGBT2与IGBT2与下桥臂RC-IGBT5与IGB5T6的连接点引出作为IPM的第4脚V，VS2端口；A桥上桥臂CR-IGBT1与IGBT1与下桥臂RC-IGBT4与IGBT4的连接点引出作为IPM的第2脚U，VS1端口。下桥臂RC-IGBT4与IGBT4、RC-IGBT5与IGBT5、RC-IGBT6与IGBT6的E端口引出分别作为IPM的第8脚UN、第9脚VN、第10脚WN端口。
HIN1引出作为IPM的第11脚HIN1端口；HIN2引出作为IPM的第12脚HIN2端口；HIN3引出作为IPM的第13脚HIN3端口；LIN1引出作为IPM的第14脚LIN1端口；LIN2引出作为IPM的第15脚LIN2端口；LIN3引出作为IPM的第16脚LIN3端口。
6通道驱动HVIC 0103的ITRIP+、ITRIP-，并引出作为IPM的第17、18脚ITRIP+,ITRIP-端口。6通道驱动HVIC 0103的FLT/EN与温度采样的温度传感器NTC的一端相连接，并引出作为IPM的第19脚FLT/EN端口，温度采样的温度传感器NTC的另一端与地GND相接；
6通道驱动HVIC 0103的RCIN并引出作为IPM的第20脚RCIN端口；VCC引出作为IPM的第21脚VCC端口；GND引出作为IPM的第22脚GND端口。
本实施例中，HVIC芯片36包括高侧驱动电路3通道，低侧驱动电路3通道。
所述高侧驱动电路内部包含高侧欠压保护电路和自举电路，实现高侧驱动欠压保护功能和自举供电功能。
高侧驱动电路与低侧驱动电路之间连接互锁和死区电路实现互锁和死区功能。
电源电路包括5V LDO电路和1.2V BANDGAP电路，给HVIC内部所有电路和外部电路供给5V电压，给HVIC以及外部电路提供稳定的1.2V电压基准。
电源电路与电源欠压保护电路连接，实现电源欠压保护功能。
HVIC内部还包含使能电路，实现使能功能；过流保护电路实现过流保护功能；过压保护电路实现过压保护功能；温度保护电路实现温度保护功能；报错电路当内部出现欠压、过流、过压、过温等情况时，对外输出报错信号。
实施例二
如图8所示，本发明实施例提供一种半导体功率模块的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
S1、铝基板23制作：将铝材料制作成适应大小的所述铝基板23，并在其背面通过激光蚀刻和打磨的方式形成纹理26，在所述铝基板23的正表面上设置所述绝缘层24且在所述绝缘层24上形成铜箔，通过刻蚀使所述铜箔形成电路布线。
S2、安装元器件：在锡膏上放置所述电路元件27和所述引脚29。
S3、锡膏固化：通过回流焊使锡膏固化，所述电路元件27和所述引脚29固定在所述电路布线上。
S4、清除助焊剂：通过喷淋和超声的清洗方式，清除残留在所述铝基板23上的助焊剂。
S5、电路元件27连接安装：通过邦定线使所述电路元件27和所述电路布线间形成电连接。
S6、电路布线连接安装：若所述铝基板23需要连接地电位，还包括通过转孔将所述绝缘层24转穿，通过邦定线在所述电路布线的地电位和所述铝基板23之间形成连接的工序。
S7、塑封件31成型：通过使用热塑性树脂的注入模模制或使用热硬性树脂的传递模模制方式，将S1-S6的部件密封。
S8、引脚29的加强筋30制作：将所述引脚29的加强筋30切除并形成所需的形状。
S9、测试产品：通过测试设备进行必要的测试，测试合格者就成为所述半导体功率模块22，在所述半导体功率模块22不贴装散热器的一面的特定位置预设有插孔32，并***热电偶33用于检测该位置温度变化。
具体的，将铝材形成适当大小作为所述铝基板23并在其背面通过激光蚀刻、打磨等方式形成所述纹理26，在所述铝基板23表面上设置所述绝缘层24并在所述绝缘层24上形成铜箔，通过刻蚀使铜箔形成所述电路布线；
在所述电路布线的特定位置涂装锡膏；
将铜材形成适当形状，并进行表面镀层处理，作为所述引脚29，如图2所示，为了避免所述电路元件27在后续加工工序中被静电损伤，所述引脚29的特定位置通过加强筋30相连；
在锡膏上放置所述电路元件27和所述引脚29；
通过回流焊使锡膏固化，所述电路元件27和所述引脚29固定在所述电路布线上；
通过喷淋、超声等清洗方式，清除残留在所述铝基板23上的助焊剂；
通过邦定线，使所述电路元件27和所述电路布线间形成连接；
若所述铝基板23需要连接地电位，还包括通过转孔将所述绝缘层24转穿，通过邦定线在所述电路布线的地电位和所述铝基板23之间形成连接的工序；
通过使用热塑性树脂的注入模模制或使用热硬性树脂的传递模模制方式，将上述要素密封；
将所述引脚29的加强筋30切除并形成所需的形状；
通过测试设备进行必要的测试，测试合格者就成为所述一种在模块不贴装散热器的一面的特定位置设计有插孔，可***热电偶，检测该位置温度变化的，以RC-IGBT与普通IGBT并联为半导体功率模块。这样使得半导体功率模块不贴装散热器的一面的特定位置有插孔，可***热电偶，检测模块在不同散热条件，主要发热器件的温度，***根据检测温度做出相应的保护，使其开关断速度、通态压降、电流拖尾时间、关断电压尖峰和损耗等性能在安全可靠工作范围，提高IPM模块工作性能、安全性及可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种半导体功率模块，其特征在于，包括：铝基板、固定于所述铝基板正面上的绝缘层、固定于所述绝缘层上的导电层、设置于所述导电层上的焊接层、安装于所述焊接层上的电路元件、多个引脚以及塑封件，所述多个引脚与所述导电层电连接，所述塑封件用于密封所述铝基板、所述绝缘层、所述导电层、所述焊接层及所述电路元件，所述塑封件靠近所述电路元件的一侧设置有插孔，所述插孔内连接热电偶，所述热电偶用于检测所述塑封件、所述铝基板及所述电路元件的温度。
2.如权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，所述导电层为电路布线铜皮。
3.如权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，所述热电偶包括热电偶本体和由所述热电偶本体延伸的连接线，所述连接线***所述插孔内实现电连接。
4.如权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，所述电路元件为多个芯片，所述多个芯片之间通过导线连接。
5.如权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，所述多个引脚之间通过多个加强筋固定连接。
6.如权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，所述铝基板的背面设有凹凸不平的纹理结构。
7.如权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，所述电路元件包括6通道的HVIC芯片、与所述HVIC芯片连接的多个电容以及与所述HVIC芯片连接的多个桥臂电路，所述HVIC芯片还与所述热电偶电连接。
8.如权利要求7所述的半导体功率模块，其特征在于，所述多个桥臂电路包括多个上桥臂电路和多个下桥臂电路，所述多个上桥臂电路分别与所述多个下桥臂电路电连接。
9.一种如权利要求1-8任一项所述半导体功率模块的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：
S1、铝基板制作：将铝材料制作成适应大小的所述铝基板，并在其背面通过激光蚀刻和打磨的方式形成纹理，在所述铝基板的正表面上设置所述绝缘层且在所述绝缘层上形成铜箔，通过刻蚀使所述铜箔形成电路布线；
S2、安装元器件：在锡膏上放置所述电路元件和所述引脚；
S3、锡膏固化：通过回流焊使锡膏固化，所述电路元件和所述引脚固定在所述电路布线上；
S4、清除助焊剂：通过喷淋和超声的清洗方式，清除残留在所述铝基板上的助焊剂；
S5、电路元件连接安装：通过邦定线使所述电路元件和所述电路布线间形成电连接；
S6、电路布线连接安装：若所述铝基板需要连接地电位，还包括通过转孔将所述绝缘层转穿，通过邦定线在所述电路布线的地电位和所述铝基板之间形成连接的工序；
S7、塑封件成型：通过使用热塑性树脂的注入模模制或使用热硬性树脂的传递模模制方式，将S1-S6的部件密封；
S8、引脚的加强筋制作：将所述引脚的加强筋切除并形成所需的形状；
S9、测试产品：通过测试设备进行必要的测试，测试合格者就成为所述半导体功率模块，在所述半导体功率模块不贴装散热器的一面的特定位置预设有插孔，并***热电偶用于检测该位置温度变化。
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