專利名稱：一種超薄空腔型功率模塊及其封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕緣柵雙極晶體管功率模塊(IGBT模塊)，特別涉及 一種超薄空腔型功率^t塊及封裝方法。發(fā)明背景現(xiàn)有的輸出電流小于50A的小功率IGBT模塊，已經(jīng)可以采用與分立 式功率器件相同的封裝方法，即模塑法進行封裝。這些模塊的單體長度已達 到80mm,遠遠超過了分立器件的尺寸。而它們的體厚度僅在4mm至7mm 之間，與分立功率器件的厚度在同一量級，成為無空腔的超薄型功率模塊。 較低的制造成本，集成化的驅(qū)動、保護電路設(shè)計，使這些超薄型功率模塊在 白色家電等領(lǐng)域取得了較為廣泛的應用。為了提高此類功率模塊的可靠性，必須降低模塑料固化后的內(nèi)部應力。 一旦模塑料的內(nèi)部應力過大就會發(fā)生硅芯片表面的鈍化膜產(chǎn)生裂縫，或在模 壓后及使用中熱應力造成的鍵合線切斷等現(xiàn)象。由于此類功率模塊采用大型 IGBT或MOSFET芯片，并進行薄殼化的封裝，降低內(nèi)部應力顯得更加重要。內(nèi)部應力發(fā)生的原因如下模塑料熱收縮與硅片熱收縮有差異，即二者 線膨脹系數(shù)不同， 一般模塑料比硅片的線膨脹系數(shù)要大一個數(shù)量級，同時加 上模塑料在固化過程中生產(chǎn)的固化收縮，所以在成型加熱到冷卻至室溫過程 中會在硅片上殘留應力。熱應力可以用下式來表示 a -K E a AT 式中cr—熱應力；K-常數(shù)E -彈性模量；△ T -模塑料玻璃化溫度Tg和室溫的差； ct -熱膨脹系數(shù)。從該公式中可以看出降低樹脂的彈性模量(E)和Tg,以及減少樹脂的 固化收縮率是減少熱應力的有效途徑。但降低Tg也降低了模塊的有效工作 溫度區(qū)間，因此，此類模塊底板的工作溫度通常局限在-20。C至+100。C之間。 而且，由于模塑料對水分子沒有封閉作用，在一定的環(huán)境濕度以及溫度下， 水分子可以通過擴散的方式從外界通過模塑料進入封裝器件內(nèi)部，對封裝器 件造成破壞。這種破壞不僅體現(xiàn)在降低界面強度以及在瞬時高溫時形成蒸汽 壓造成器件內(nèi)部分層(爆米花效應)，而且水分子可以作為模塑料中雜質(zhì)離 子的載體，將雜質(zhì)離子帶到芯片表面以及焊盤表面，從而引起不同程度的腐 蝕以及表面電荷的沉積，從而嚴重影響封裝器件的可靠性。采用空腔型功率模塊是消除模塑殘留應力，去除爆米花效應和界面離子 腐蝕的有效方法。此類功率模塊采用高純度的軟硅膠對芯片實行絕緣及環(huán)境 隔離，不僅對鍵合絲的可靠性影響大為降低，而且消除了芯片表面的分層問 題。但是，工業(yè)中此類功率模塊沒有密封處理，軟硅膠不能阻擋水分子在其 中擴散透過，并且它的環(huán)境耐受性能不強。因此，非密封空腔型功率模塊如 果用于嚴酷環(huán)境，其可靠性會受到較大影響。不僅如此，有些特殊裝配工藝 也會給非密封空腔型功率模塊的應用造成困難。例如，如果將此類模塊用于 表面貼裝線生產(chǎn)，在回流焊或者波峰焊之后清洗，會造成此類模塊的腔體積 液，成為污染源，影響模塊的長期工作。有些清洗劑會與軟硅膠發(fā)生反應， 直接影響模塊的使用。目前需要一種帶有密封的空腔型功率模塊來滿足市場需要。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了 一種超薄空腔型功率模塊，該模塊不僅可以直接上表面貼裝線生產(chǎn)，而且環(huán)境耐受性能大為提高，可以長期可靠地在底板溫度-55。C 到+125。C的范圍內(nèi)工作。本發(fā)明同時還提供了一種超薄空腔型功率模塊的 封裝方法，以達到對功率模塊內(nèi)部軟硅膠氣密和密封的效果。實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)方案是 一種超薄空腔型功率模塊，包括模殼 和模殼內(nèi)的芯片以及硅膠，所述模殼包括底板、殼體和蓋板，所述底板和蓋 板分別與殼體密封粘接，所述蓋板上設(shè)有預留氣孔，預留氣孔內(nèi)填充粘合劑。作為本發(fā)明的進一步改進，所述殼體的正、反面與蓋板、底板的連接處 設(shè)有密封槽，用于填充粘接劑。作為本發(fā)明的進一步改進，所述底板的外表面比殼體安裝底面高出 0.01mm至0.2mm，以保證模塊在散熱器上的正確裝配，既保證最大的熱傳 輸，又確保底板的安全。作為本發(fā)明的進一步改進，所述殼體的四角設(shè)有安裝定位孔，安裝定位 孔預帶內(nèi)螺紋，省去了4只螺母，安裝簡便。作為本發(fā)明的進一步改進，所述預留氣孔為圓錐形，底部直徑優(yōu)選在 0.1mm至3mm,圓錐角度優(yōu)選20度至60度之間。圓錐形預留氣孔增加了 粘合劑與蓋板的接觸面積，保證了預留氣孔的密封。實現(xiàn)本發(fā)明另一發(fā)明目的的技術(shù)方案是 一種超薄空腔型功率模塊的封 裝方法，其特征是，該方法包括下列步驟(1) 將粘合劑擠出到殼體背面的槽中，形成覆蓋，然后安裝底板，送 至治具中高溫固化；(2) 對模塊腔體實行灌膠(硅膠)處理；(3) 硅膠固化前進行真空去泡處理；(4) 將粘合劑擠出到殼體正面的槽中，形成覆蓋，然后安裝蓋板，送至治具中高溫固化；(5)使用粘合劑100%填充蓋板上的預留氣孔，固化粘合劑。作為本發(fā)明的進一步改進，上述步驟(l)，所述安裝底板中，底板的 表面比殼體安裝底面高出0.01mm至0.2mm,以保i正-漠塊在散熱器上的正 確裝配，既保證最大的熱傳輸，又確保底;f反的安全。作為本發(fā)明的進一步改進，上述步驟(5)中，粘合劑在室溫固化，模 塊內(nèi)外氣壓平衡，不會產(chǎn)生氣孔。由于只需極少量粘合劑B，使固化時間大 為縮短，對模塊的工藝流程整體影響不大。為提高可靠性，預留氣孔的密封 可以選擇在對模塊腔體進行真空內(nèi)干燥后進行。作為本發(fā)明的進一步改進，上述步驟(5)中，預留氣孔設(shè)置為圓錐形， 底部直徑優(yōu)選在0.1mm至3mm，圓錐角度優(yōu)選在20度至60度之間。圓錐 形預留氣孔增加了粘合劑B與蓋板的接觸面積，保證了預留氣孔的密封。 而且，當模塊在高溫環(huán)境中使用時，在內(nèi)部氣體的壓力下仍能保證模塊的密 封。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明中底板和蓋板分別與殼體密封粘接，并在蓋板上設(shè)有預留氣孔， 預留氣孔內(nèi)填充粘接劑，所形成的超薄空腔型功率模塊為一密封體，阻擋了 外界空氣和其它污染物進入模殼內(nèi)，保證硅膠的干燥和穩(wěn)定，對芯片起到長 期可靠的保護作用。該模塊不僅可以直接上表面貼裝線生產(chǎn)，而且環(huán)境耐受 性能大為提高，可以長期可靠地在底板溫度-55。C到+125。C的范圍內(nèi)工作。蓋板上的預留氣孔在粘合劑固化時起到平衡模塊內(nèi)外壓力的作用。如無 此氣孔，固化時模塊腔體內(nèi)氣體遇熱膨脹，造成模塊內(nèi)外壓力不平衡，會在 粘合劑的密封路徑上形成一處或多處通透型氣孔，使模塊蓋板失去密封效 果。


圖1是本發(fā)明實施例1的殼體反面結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明實施例1的功率模塊的反面結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是本發(fā)明實施例1的殼體及底板的正面結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是本發(fā)明實施例1的蓋板正面結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是本發(fā)明實施例1的功率模塊的正面結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
下面結(jié)合實施例做進一 步說明。 實施例1如圖5和圖4所示， 一種超薄空腔型功率模塊100，包括模殼和模殼內(nèi) 的芯片6以及硅膠。如圖1、圖2和圖3所示，模殼包括底板l、殼體2和蓋板3。參考圖1。 殼體2的反面與底板1的連接處設(shè)有密封槽4用于填充粘接劑。參考圖2, 殼體2與底板1密封連接，底板1的外表面比殼體2底面高出0.01mm至 0.2mm，以保證模塊在散熱器上的正確裝配，既保證最大的熱傳輸，又確保 底板的安全。參考圖3和圖5，蓋板3上設(shè)有預留氣孔5，預留氣孔5為33 度錐角的圓錐體，底部直徑0.86mm,夕卜表面直徑3.2mm，預留氣孔5內(nèi)填 充有粘合劑。參考圖4，殼體2的正面與蓋板3的連接處設(shè)有密封槽4，用于填充粘 接劑。參考圖5,殼體2的正面與蓋板3密封粘接。殼體2的四角設(shè)有安裝定 位孔7，安裝定位孔7帶有內(nèi)螺紋，省去了4只螺母，安裝簡便。模塊高度 6mm(引腳除外)，與模塑型模塊的厚度在同一量級，但功率端子的設(shè)計使模塊的最大輸出電流提高到50A;模塊殼體優(yōu)選使用低透水率的工程塑料， 如LCP (液晶聚合物)等。實施例2一種超薄空腔型功率模塊的封裝方法，該方法包括下列步驟(1) 將粘合劑A擠出到殼體背面的槽中，形成覆蓋，然后安裝底板， 送至治具中高溫固化。底板可以是覆銅陶瓷基板，也可以是絕緣金屬基板(IMS)。粘合劑A自流動形成100°/。覆蓋。用膠量控制模塊腔體內(nèi)部交 角處形成100%圓弧包裹,但膠體不得流到模塊底部表面(底板及殼體底面) 經(jīng)過第一道密封粘結(jié)后，陶瓷底板的表面比殼體安裝底面高出0.01mm至 0.2mm，以保證模塊在散熱器上的正確裝配既保i正最大的熱傳輸，又確保 底板的安全。優(yōu)選使用的粘合劑A特性含有界面增強劑，少量的可揮發(fā) 物(VOC),無溶劑，快速高溫固化，無腐蝕性，中粘度，半流動，固化后 具有高彈性、高強度。(2) 對模塊腔體實行灌膠(硅膠)處理。(3) 硅膠固化前進行真空去泡處理。(4) 將粘合劑A擠出到殼體正面的槽中，形成覆蓋，然后安裝蓋板， 送至治具中高溫固化。粘合劑A自流動形成100%覆蓋。用膠量控制模塊 蓋板預留槽形成100%填充，但膠體不得流到模塊表面(蓋板及殼體表面)。(5) 使用粘合劑B 100%填充蓋板上的預留氣孔，固化粘合劑。優(yōu)選使 用的粘合劑B特性含有界面增強劑，少量的可揮發(fā)物(VOC)，無溶劑， 快速室溫固化，無腐蝕性，高粘度，固化后具有高彈性、高強度。蓋板上的 預留氣孔在粘合劑A固化時起到平衡模塊內(nèi)外壓力的作用。如無此氣孔， 固化時模塊腔體內(nèi)氣體遇熱膨脹，造成模塊內(nèi)外壓力不平衡，會在粘合劑A的密封路徑上形成一處或多處通透型氣孔，使模塊蓋板失去密封效果。預留氣孔為圓錐形，底部直徑優(yōu)選在0.1mm至3mm,圓錐角度優(yōu)選在20度至 60度之間。本例中采用33度錐角的預留氣孔，底部直徑0.86mm,外表面直 徑3.2mm。粘合劑B在室溫固化，模塊內(nèi)外氣壓平衡，不會產(chǎn)生氣孔。由 于只需極少量粘合劑B，使固化時間大為縮短，對模塊的工藝流程整體影響 不大。預留氣孔密封優(yōu)選在腔體內(nèi)氣體干燥后進行。
權(quán)利要求
1、一種超薄空腔型功率模塊，包括模殼和模殼內(nèi)的芯片以及硅膠，其特征是，所述模殼包括底板、殼體和蓋板，所述底板和蓋板分別與殼體密封粘接，所述蓋板上設(shè)有預留氣孔，預留氣孔內(nèi)填充粘合劑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是，所述殼體的正、反面 與蓋板、底板的連接處設(shè)有密封槽，用于填充粘接劑。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是，所述底板的外表面比 殼體安裝底面高出0.01 mm至0.2mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是，所述殼體的四角設(shè)有 安裝定位孔，安裝定位孔帶有內(nèi)螺紋。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是，所述預留氣孔為圓錐 形，底部直徑在0.1mm至3mm之間，圓錐角度在2 0度至60度之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征是，所述殼體使用低透水 率的工程塑料。
7、 一種超薄空腔型功率模塊的封裝方法，其特征是，該方法包括下列 步驟(1) 將粘合劑擠出到殼體背面的槽中，形成覆蓋，然后安裝底板，送 至治具中高溫固化；(2) 對模塊腔體實行灌膠(硅膠)處理；(3) 硅膠固化前進行真空去泡處理；(4) 將粘合劑擠出到殼體正面的槽中，形成覆蓋，然后安裝蓋板，送 至治具中高溫固化；(5)使用粘合劑100%填充蓋板上的預留氣孔，固化粘合劑。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的封裝方法，其特征是，所述步驟(l)中，使 用的粘合劑的特性為含有界面增強劑，少量的可揮發(fā)物，無溶劑，快速高 溫固化，無腐蝕性，中粘度，半流動，固化后具有高彈性、高強度。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的封裝方法，其特征是，所述步驟(5)中，使 用的粘合劑的特性為含有界面增強劑，少量的可揮發(fā)物，無溶劑，快速室 溫固化，無腐蝕性，高粘度，固化后具有高彈性、高強度。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的封裝方法，其特征是，所述步驟(5)中， 所述預留氣孔密封在腔體內(nèi)氣體干燥后進行。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超薄空腔型功率模塊，該模塊不僅可以直接上表面貼裝線生產(chǎn)，而且環(huán)境耐受性能大為提高，可以長期可靠地在底板溫度-55℃到+125℃的范圍內(nèi)工作。本發(fā)明同時還提供了一種超薄空腔型功率模塊的封裝方法，以達到對功率模塊內(nèi)部軟硅膠氣密和密封的效果。實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種超薄空腔型功率模塊，包括模殼和模殼內(nèi)的芯片以及硅膠，其特征是，所述模殼包括底板、殼體和蓋板，所述底板和蓋板分別與殼體密封粘接，所述蓋板上設(shè)有預留氣孔，預留氣孔內(nèi)填充粘合劑。
文檔編號H01L23/04GK101325183SQ20081002289
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者莊偉東 申請人:南京銀茂微電子制造有限公司