智能功率模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電子器件制造工藝領(lǐng)域，尤其涉及一種智能功率模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]智能功率模塊(Intelligent Power Module，I PM)是一種將電力電子和集成電路技術(shù)結(jié)合的功率驅(qū)動(dòng)類產(chǎn)品。IPM把功率開(kāi)關(guān)器件和高壓驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，并內(nèi)藏有過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路。IPM—方面接收MCU的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路工作，另一方面將系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)送回MCU。與傳統(tǒng)分立方案相比，IPM以其高集成度、高可靠性等優(yōu)勢(shì)贏得越來(lái)越大的市場(chǎng)，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器及各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動(dòng)，變頻家電的一種理想電力電子器件。
[0003]因?yàn)橹悄芄β誓K一般工作在高溫環(huán)境中，并且智能功率模塊內(nèi)的功率器件在工作時(shí)會(huì)發(fā)出大量的熱，導(dǎo)致功率器件的結(jié)溫很高，雖然電路基板具有散熱作用，但是因?yàn)樗鼋^緣層的存在，導(dǎo)致所述智能功率模塊的整體熱阻較高。
[0004]智能功率模塊長(zhǎng)期工作在高溫下，會(huì)嚴(yán)重降低使用壽命，并且會(huì)影響性能的穩(wěn)定性，在極端情況下，會(huì)導(dǎo)致智能功率模塊在工作過(guò)程中因內(nèi)部器件過(guò)熱而失控爆炸，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
[0005]選用高導(dǎo)熱絕緣層和增加散熱器是解決現(xiàn)行智能功率模塊散熱問(wèn)題的主要方法；但是高導(dǎo)熱絕緣層一方面成本非常高，另一方面由于高導(dǎo)熱絕緣層使用了大量的參雜而導(dǎo)致硬度很大從而增加了智能功率模塊的制造難度；如果在智能功率模塊內(nèi)部散熱器，將功率元件貼裝在散熱器上，一方面會(huì)增加原材料成本，另一方面增加了智能功率模塊的工藝難度；如果在智能功率模塊外部增加散熱器，散熱器貼裝在智能功率模塊背面，一方面增加應(yīng)用成本，另一方面增加了裝配難度，都對(duì)智能功率模塊的應(yīng)用推廣制造了困難，不利于智能功率模塊在民用場(chǎng)合的普及。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高可靠性的智能功率模塊，可在使用普通絕緣層的前提下，使智能功率模塊獲得良好的散熱效果。
[0007]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種智能功率模塊，包括:
[0008]基板，包括第一表面和與該第一表面相對(duì)的第二表面，所述第一表面形成皺褶，所述第二表面覆蓋有絕緣層，所述基板為紙質(zhì)散熱器；
[0009]電路布線層，形成于所述絕緣層的表面；
[0010]電路元件，配設(shè)于所述電路布線層相應(yīng)位置；
[0011]金屬線，連接所述電路布線層和電路元件。
[0012]進(jìn)一步地，所述紙質(zhì)散熱器為可耐受350°C以上溫度的絕緣材料制作而成。
[0013]進(jìn)一步地，所述紙質(zhì)散熱器為濕式碳素復(fù)合材料功能紙制作而成。
[0014]進(jìn)一步地，還包括引腳，所述電路布線層包括靠近所述基板的表面邊緣的引腳焊盤，所述引腳與所述引腳焊盤連接并自所述基板向外延伸。
[0015]進(jìn)一步地，還包括密封層，所述密封層包覆于所述絕緣層的表面，將所述電路布線層、電路元件以及金屬線覆蓋。
[0016]進(jìn)一步地，還包括防水層，所述防水層覆蓋于所述基板的第一表面。
[0017]上述智能功率模塊的有益效果是:由于智能功率模塊的背面具有散熱皺褶，散熱面積極大增加，絕緣層無(wú)需使用高導(dǎo)熱材料即可滿足功率元件散熱要求；散熱結(jié)構(gòu)為紙質(zhì)材料，重量輕，智能功率模塊總體重量降低，便于長(zhǎng)途運(yùn)輸和工人裝配；因?yàn)槟K本身具備散熱器，所以在應(yīng)用過(guò)程，外部無(wú)需再接散熱器，降低應(yīng)用難度和應(yīng)用成本，提供裝配品質(zhì)。因此，本實(shí)用新型的智能功率模塊在降低成本同時(shí)，提高了可靠性，并且可設(shè)計(jì)成與現(xiàn)行智能功率模塊功能及引腳定義兼容，便于智能功率模塊的推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1 (A)為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的智能功率模塊的俯視圖；
[0019]圖1 (B)是圖1 (A)中沿X-X’線的剖面圖；
[0020]圖2(A) ,2(B)分別是本實(shí)用新型智能功率模塊的制造方法中設(shè)置基板的側(cè)視和俯視工序不意圖；
[0021]圖2(C)為在基板上形成絕緣層21、銅箔層18B的工序示意圖；
[0022]圖2(D)為制作電路布線的工序示意圖；
[0023]圖2 (E)是圖2⑶中沿X-X’線的剖面圖；
[0024]圖2(F)為制作散熱皺褶的工序示意圖；
[0025]圖2(G)為引腳的尺寸標(biāo)示圖；
[0026]圖2(H)為制作引腳的工序不意圖；
[0027]圖3(A)、3(B)分別為在電路布線上裝配電路元件、引腳的側(cè)視和俯視工序示意圖；
[0028]圖4㈧、4⑶分別為裝配金屬線的側(cè)視和俯視工序示意圖；
[0029]圖5為智能功率模塊的密封工序示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了使本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0031]結(jié)合圖1(A)和I (B)，本實(shí)用新型的智能功率模塊10具有引腳11、密封層12、金屬線15、基板17、電路布線(即電路布線層)18、絕緣層21和電路元件，該電路元件包括功率元件19和非功率元件14?；?7為紙質(zhì)散熱器，基板17包括第一表面和與該第一表面相對(duì)的第二表面，基板17的第一表面形成大量散熱皺褶17A，有絕緣層21覆蓋在基板17的第二表面。電路布線18配設(shè)在所述絕緣膠21的表面上，電路布線18包括設(shè)置在靠近所述基板17的表面邊緣的引腳焊盤18A。金屬線15用于根據(jù)電路原理圖，在電路布線層18之間、電路元件之間以及電路布線層18和電路元件之間形成電路連接。密封層12包括熱硬性樹(shù)脂框13以及注入在熱硬性樹(shù)脂框13的范圍內(nèi)的熱塑性樹(shù)脂形成。密封該電路且完全覆蓋所述基板17的第二表面上的所有元素。
[0032]本實(shí)施例中，基板17可耐受350°C以上高溫的絕緣材料制作而成。如濕式碳素復(fù)合材料功能紙，可由粉末狀和纖維狀碳素材料復(fù)合加工成石墨質(zhì)，并可根據(jù)需要折疊成任意形狀，得到散熱皺褶17A。為了提高抗腐蝕性和防水，表面可進(jìn)行防水處理，即于基板17的第一表面覆蓋防水層(圖未示)。本實(shí)施例中，基板17和散熱皺褶17A—體制成，其中基板17形狀平整、所述散熱皺褶17A形狀不規(guī)則；基板17和散熱皺褶17A也可以為采用不同厚度的濕式碳素復(fù)合材料，本實(shí)施例使用了不同厚度的方式。其中，為了增加機(jī)械強(qiáng)度，基板17采用了較厚的濕式碳素復(fù)合材料，厚度可設(shè)計(jì)為1.5_，為了降低成本和增加皺褶的密度，散熱皺褶17A采用了較薄的濕式碳素復(fù)合材料，厚度可設(shè)計(jì)為0.5_。在此，基板17具有散熱皺褶17A的一面稱為基板17的背面(第一表面)，相對(duì)面稱為基板17的表面(第二表面)。
[0033]實(shí)際應(yīng)用中，散熱皺褶17A不能完全覆蓋基板17的背面，在基板17的背面的邊緣需要流出至少2_的平整位置，并且在基板17的矩形短邊有直徑至少1_的通孔16。
[0034]絕緣層21采用常規(guī)的絕緣材料為基礎(chǔ)，可以加入二氧化硅、氮化硅、碳化硅等摻雜以提高導(dǎo)熱性，在此，摻雜可以是球形或角形，通過(guò)熱壓方式，壓合在基板17的表面，并且使在基板17的通孔16位置露出。
[0035]電路布線18由銅等金屬構(gòu)成，形成于絕緣層21上的相應(yīng)位置(該位置根據(jù)電路原理圖設(shè)計(jì))，根據(jù)功率需要，可設(shè)計(jì)成0.035mm或0.07mm等的厚度，對(duì)于一般的智能功率模塊，優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)成0.07mm，本實(shí)施例中采用0.07mm的厚度。另外，在絕緣層21的邊緣，形成有由電路布線18構(gòu)成的引腳焊盤18A。在此，在絕緣層21的一邊附近設(shè)置多個(gè)對(duì)準(zhǔn)排列的引腳焊盤18A，根據(jù)功能需要，也可在絕緣層21的多個(gè)邊附近設(shè)置多個(gè)對(duì)準(zhǔn)排列的引腳焊盤18A。
[0036]功率元件19和非功率元件14被固定在電路布線18上構(gòu)成規(guī)定的電路。在此，功率元件19采用IGBT管、高壓MOSFET管、高壓FRD管等元件，功率元件19通過(guò)金屬線15與電路布線18等連接；非功率元件14采用集成電路、晶體管或二極管等有源元件、或者電容或電阻等無(wú)源元件，面朝上安裝的有源元件等通過(guò)金屬線15與電路布線18連接。
[0037]金屬線15可以是鋁線、金線或銅線，通過(guò)邦定使各功率元件19之間、各非功率元件14之間、各電路布線18之間建立電連接關(guān)系，有時(shí)還用于使引腳11和電路布線18或功率元件19、非功率元件14之間建立電連接關(guān)系。
[0038]引腳11被固定在設(shè)于電路基板17其中一個(gè)或多個(gè)邊緣的焊盤18A上，其具有例如與外部進(jìn)行輸入、輸出的作用。在此，設(shè)計(jì)成一邊上設(shè)有多條引腳11，引腳11和引腳焊盤18A通過(guò)焊錫等導(dǎo)電電性粘結(jié)劑焊接，使得引腳11與所述引腳焊盤18A連接并自基板17向外延伸。引腳11 一般采用銅等金屬制成，銅表面通過(guò)化學(xué)鍍和電鍍形成一層鎳錫合金層，合金層的厚度一般為5 μ m，鍍層可保護(hù)銅不被腐蝕氧化，并可提高可焊接性。
[0039]熱硬性樹(shù)脂框13通過(guò)傳遞模方式模制形成，熱硬性樹(shù)脂框13外邊緣大小與基板17 一致或比基板17略小。應(yīng)用中，熱硬性樹(shù)脂框13內(nèi)邊緣與外邊緣的距離不小于1.5mm，并且在熱硬性樹(shù)脂框13矩形短邊處，有直徑與基板17的通孔位置、直徑一致的通孔。
[0040]密封層12通過(guò)熱塑性樹(shù)脂注入模方式模制。在此，密封層12完全位于熱硬性樹(shù)脂框13內(nèi)并密封基板17上表面上的所有元素。包覆于絕緣層21的表面，將電路布線層18、電路元件以及金屬線15覆蓋。
[0041]由于智能功率模塊10的背面具有散熱皺褶17A，散熱面積極大增加，絕緣層21無(wú)需使用高導(dǎo)熱材料即可滿足功率元件散熱要求；散熱結(jié)構(gòu)為紙質(zhì)材料，重量輕，智能功率模塊10總體重量降低，便于長(zhǎng)途運(yùn)輸和工人裝配；因?yàn)槟K本身具備散熱器，所以在應(yīng)用過(guò)程，外部無(wú)需再接散熱器，降低應(yīng)用難度和應(yīng)用成本，提供裝配品質(zhì)。因此，本實(shí)用新型的智能功率模塊10在降低成本同時(shí)，提高了可靠性，并且可設(shè)計(jì)成與現(xiàn)行智能功率模塊功能及引腳定義兼容，便于智能功率模塊的推廣應(yīng)用。
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