CN210272327U - 一种新型功率模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种新型功率模块；所述功率模块包括金属散热基板层、高导热绝缘树脂材料层、高热容金属导热电路层、芯片、导热焊接柱、片状金属电极、高导热塑封树脂、细条状电极和金属绑线；所述金属散热基板层、高导热绝缘树脂材料层、高热容金属导热电路层、两个芯片和两个导热焊接柱由下到上，依次固定连接，并共同封装于高导热塑封树脂的内部；所述金属散热基板层固接于高导热塑封树脂的底端；所述片状金属电极和细条状电极一端封装于高导热塑封树脂内部，另一端延伸于高导热塑封树脂外部；所述细条状电极通过金属绑线与芯片连接；本实用新型能够解决现有功率模块封装存在的技术瓶颈，进一步提高功率模块的散热效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子领域，尤其涉及一种新型功率模块。
背景技术
功率模块是功率器件的一种模块化封装形式，根据应用需求，可以将功率器件构成的不同应用电路封装在一个模块壳体之内，如半桥电路、三项全桥电路、斩波电路等。现有技术功率模块往往采用硅凝胶灌封的方式。功率模块结构可以分为如下部分：塑封壳体、芯片及 DBC电路、铜基板、保护性硅凝胶。其中铜基板起到散热作用，保护性硅凝胶起到保持芯片电气隔离、防止尘埃离子污染等作用。
现有技术虽然采用了五花八门的各种解决方案，但基本上都是从散热基板的角度入手加强散热，或者换成散热能力更强的AlSiC基板，或者就直接封装水冷基板，或者直接不封铜基板(easy模块)将散热处理方式留给应用端去解决。这虽然能有效的改善功率模块的散热能力，提高模块的功率密度，但是首先就是带来的新材料、新封装成本的大幅提高；其次，特殊封装的功率模块通用性不强，只能针对特定领域的有限产品型号进行改善，无法适用到绝大部分应用领域；第三，新封装设计对技术和设备的要求往往非常苛刻，国内封装厂面对的技术壁垒很高；从技术解决方案上,现有技术通常忽视非常重要的三点： 1.功率模块中的DBC板也是芯片散热的瓶颈，DBC的三层散热结构中，表面电路铜层很薄无法加厚，因此要想流过更大的电流，必须占用更大的设计面积；2.DBC板中的绝缘导热氧化铝陶瓷层导热系数远低于金属，且厚度较厚，因应力问题不能减薄；3.模块内部硅凝胶灌封，芯片正面被热导率极地的厚硅凝胶层盖住，不能向上散热，只能单向向下散热。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种新型功率模块，以满足现有功率模块的发展趋势。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种新型功率模块；所述功率模块包括金属散热基板层、高导热绝缘树脂材料层、高热容金属导热电路层、芯片、导热焊接柱、片状金属电极、高导热塑封树脂、细条状电极和金属绑线；所述金属散热基板层、高导热绝缘树脂材料层、高热容金属导热电路层、芯片、导热焊接柱和金属绑线封装于所述高导热塑封树脂的内部；所述金属散热基板层固接于所述高导热塑封树脂的底端；所述高导热绝缘树脂材料层固接于所述金属散热基板层的顶端；所述高热容金属导热电路层固接于所述高导热绝缘树脂材料层的顶端；所述两个芯片分别固接于所述高热容金属导热电路层顶端的两侧；所述两个导热焊接柱分别固接于所述两个芯片的顶端；所述片状金属电极的底端与所述两个导热焊接柱的顶端固接，一端封装于所述高导热塑封树脂的内部，另一端延伸于所述高导热塑封树脂的外部；所述细条状电极位于所述片状金属电极正下方，一端封装于所述高导热塑封树脂的内部，另一端延伸于所述高导热塑封树脂的外部；所述细条状电极通过所述金属绑线与所述芯片连接。
优选地，所述金属散热基板层的厚度为0.1-5mm。
优选地，所述高导热绝缘树脂材料层的厚度为10-250um。
优选地，所述高热容金属导热电路层由可焊接金属制成，厚度为 0.1-5mm；所述高热容金属导热电路层的表面分为放置芯片的光滑区域，和非芯片区域的纹理区域；所述纹理区域由压刻纹理图案构成，深度为0.05mm-0.5mm。
优选地，所述芯片的上表面以一次焊接形式与所述导热焊接柱和片状金属电极相连；所述芯片的下表面焊接于所述高热容金属导热电路层的上表面。
优选地，所述导热焊接柱由金属材料制成；所述导热焊接柱的数量与所述芯片的电极区域数量相同，下表面面积不超出所述芯片的电极区域。
优选地，所述片状金属电极的厚度为0.6-1.5mm，宽度可根据功率模块面积进行调整。
优选地，所述高导热塑封树脂由环氧树脂材料构成，采用真空压塑成形工艺，上表面高出所述片状金属电极0.3mm-3mm。
本实用新型提供了一种根据所述新型功率模块的工艺制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)放置及夹具固定所述金属散热基板层，夹具可以设计多组固定位置；
2)涂覆或粘贴所述高导热绝缘树脂材料层，所述金属散热基板层与所述高导热绝缘树脂材料层的面积相同；
3)放置所述高热容金属导热电路层，所述高热容金属导热电路层可以为已有成形电路结构的金属层，也可为一块或多块不包含电路结构的金属板层；
4)在所述高热容金属导热电路层上施加均匀压力，将所述金属散热基板层，高导热绝缘树脂材料层，高热容金属导热电路层牢固粘接，将所述高导热绝缘树脂材料层的厚度压缩到预定值；将所述金属散热基板层，高导热绝缘树脂材料层，高热容金属导热电路层的结构进行高温固化；
5)根据设计需求对所述高热容金属导热电路层进行电路刻蚀；
6)在所述高热容金属导热电路层的芯片焊接区域用丝网印刷的方式涂覆焊疗，支持自动化流水线作业；
7)一次焊接，将所述芯片焊接在所述高热容金属导热电路层的上面，该焊接过程通过真空焊接炉完成；
8)超声清洗，将所述芯片表面和所述高热容金属导热电路层上的杂质清洗干净；
9)所述芯片表面的PAD区域涂覆焊料，对所述导热焊接柱的上下表面进行焊料涂覆或蘸取；
10)将所述导热焊接柱放置在所述芯片表面上，将所述片状电极层放置在所述导热焊接柱上，所述片状电极层通过金属夹具固定；
11)二次焊接，使所述芯片，导热焊接柱，片状电极层形成良好的金属焊接相连；
12)功率器件表面其它弱电电极位置与所述细条状电极绑线键合，所述细条状电极采用一体化设计，并有金属筋连接成梳状整体，用夹具固定；所述金属绑线为铝丝或铜丝；
13)对主体结构进行真空压铸，用高导热环氧树脂材料均匀填充，并保压降温，最终一体化功率模块成形；
14)切筋成形，将一体化电极的连接金属裁切掉，使各电极间互相独立；
15)电极压弯整形，将所述细条状电极折弯，以便电极与驱动电路板连接。
同现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：
(1)本实用新型通过一体化模块封装的形式将功率模块的散热路径由1条增加至3条，散热效率大大提高。
(2)本实用新型采用超薄化高导热绝缘树脂材料粘结两层导热金属，不仅实现了高绝缘与高导热能力，同时突破了传统DBC板3层结构的厚度瓶颈(Cu不能加厚，陶瓷不能减薄)，消除了不同材料件的应力失配问题。
(3)本实用新型通过高热容导热金属层的设计，使得功率模块的电流流通能力增加数倍(横截面积增加数倍)，增加了功率密度，减小了功率模块体积。
(4)本实用新型将大面积片状电极直接深入到模块内部与芯片直接连接，直接将芯片产生的热量传导散发出去，形成多散热路径。
(5)本实用新型大面积片状电极直接与芯片表面互联，也可直接与高热容导热金属层互联，形成3维的空间电路拓扑结构，大幅减小了封装体积。
(6)本实用新型将导热结构缩减为5层结构，导热能力提高，模块制备的可靠性提高；同时摒弃了低热导率的硅凝胶的应用，使模块具有向上散热的路径。
(7)本实用新型采用一次真空注塑成型的模块封装方法，能够实现成本大幅降低；工艺流程简单清晰，所需设备简单，实际操作性好。
附图说明
图1为本实用新型的一种新型功率模块的结构示意图；
图2为本实用新型的一种新型功率模块的俯视透视图。
具体实施方式
为了能够进一步了解本实用新型的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，并非限定本实用新型。
首先，如图1所示，图1是本实用新型的一种新型功率模块的结构示意图；所述新型功率模包括金属散热基板层1、高导热绝缘树脂材料层2、高热容金属导热电路层3、芯片4、导热焊接柱5、片状金属电极6、高导热塑封树脂7、细条状电极8和金属绑线9；所述金属散热基板层1、高导热绝缘树脂材料层2、高热容金属导热电路层 3、两个芯片4和两个导热焊接柱5由下到上，依次固定连接，并共同封装于高导热塑封树脂7的内部；所述金属散热基板层1固接于高导热塑封树脂7的底端；所述片状金属电极6和细条状电极8一端封装于高导热塑封树脂7的内部，另一端延伸于高导热塑封树脂7的外部；所述细条状电极8通过金属绑线9与芯片4连接。
功率器件工作时，芯片4层会产生大量的热量。在本发明中，芯片4产生的热量共有三条散热路径，使得功率模块的散热效率能够获得大幅提高：
1)第一条散热路径：芯片4下表面经由高热容金属导热电路层 3、高导热绝缘树脂材料层2、金属散热基板层1的途径向下散热。
2)第二条散热路径：芯片4上表面经由芯片焊接层、导热焊接柱5、片状电极层6的图形由片状电极散出。
3)第三条散热路径：芯片4上表面经由芯片焊接层、导热焊接柱5、片状电极层6、环氧树脂塑封层7的途径由高导热塑封壳体表面散出。
进一步地，在第一条散热路径的散热效率上，本专利提出一种新型的三层散热结构，包含金属散热基板层1，高导热绝缘树脂材料层 2，高热容金属导热电路层3。
金属散热基板层1作为功率模块的金属散热表面，为一个整块金属板，厚度为0.1-5mm；
高导热绝缘树脂材料层2的厚度为10um-250um，具有绝缘耐压高70kV/mm,热导率高1-5W/(m·K)的特点；同时高导热绝缘树脂材料层2具有非常好的弹性，能够完美适应金属散热基板层1和高热容金属导热电路层3在不同温度循环工作的热膨胀和收缩，同时高导热绝缘树脂材料层2具有很好的粘合性，在高温下能够固化粘结金属散热基板层1和高热容金属导热电路层3；
高热容金属导热电路层3的金属为可焊接金属如铜等，其厚度同样可以灵活设计，范围限定为0.1-5mm；在功率模块封装中，高热容金属导热电路层3的厚度越厚越具优势，较厚的金属层截面积增大，使得最大可流通电流以数倍的能力增加。在相同最大流通电流的情况下，薄层金属因为截面积小会占用更大的面积；而较厚的金属层能够极大的缩减模块设计尺寸，同时能够大幅的降低原材料成本；高热容金属导热电路层3的厚度越厚其热容值越大，能够以最快吸收芯片4 传导过来的热量，在瞬间大功率或者极端工况下也能够迅速吸收瞬时峰值热量，以产生保护芯片的作用。高热容金属导热电路层3表面分为预放置芯片4的光滑区域，和非芯片区域的纹理区域；纹理区域由细小密集的各种规则压刻纹理构成，纹理图案可为各种图案，如方形、圆形、菱形等等，纹理深度为0.05mm-0.5mm；细小密集的纹理图案能够于塑封料形成良好的附着力，增加功率模块的结构坚固性。
此外，请参看图2，图2为本实用新型的一种新型功率模块的俯视透视图；本实用新型中芯片4焊接在高热容金属导热电路层3的上面，芯片4的上表面与片状金属电极6通过导热焊接柱5通过焊接形式相连；芯片4与导热焊接柱5和片状金属电极6的焊接经过一次焊接完成；导热焊接柱5为铜Cu、钼Mo、银Ag、AlCu合金等金属材料；导热焊接柱5的下表面与芯片4表面的电极相连如IGBT/MOS 的源极(source)，Diode的A极(anode)，导热焊接柱5的下表面面积不超出芯片4的电极区域(PAD)；导热焊接柱5的数量与芯片4 的PAD数量相同，以保证每个PAD都有导热焊接柱5与其相连；片状金属电极6采用宽片设计，宽度根据功率模块面积随意调整，片厚 0.6-1.5mm；片状金属电极6能够吸收并导出很大一部分芯片产生的热量，提高功率模块散效率。
片状金属电极6与芯片4的连接须通过金属接线柱5焊接连接；金属接线柱5除起到导电导热的作用外，还起到缓冲应力保护芯片的作用。
片状金属电极6与高热容金属导热电路层3可通过金属接线柱5 焊接连接，也可直接将片状金属电极6做向下折弯设计，直接与高热容金属导热电路层3形成电气连接。
环氧树脂塑封7采用具有高导热能力的环氧树脂材料，采用真空压塑成形工艺，实现模块的一体化封装；由于环氧树脂材料热导率较低，导热能力相对较差，环氧树脂层的厚度不宜过厚，表面高出片状金属电极60.3mm-3mm为佳。
另外，本实用新型提供了一种新型功率模块的制备方法；所述制备方法主要包括以下步骤：
1)放置及夹具固定金属散热基板层1，在自动化生产过程中，夹具可以设计多组固定位置，便于批量流水加工；
2)涂覆或粘贴高导热绝缘树脂材料层2，与金属散热基板层1 面积相同；
3)放置高热容金属导热电路层3，高热容金属导热电路层3可以为已有成形电路结构的金属层，也可为一块或多块不包含电路结构的金属板层；
4)在高热容金属导热电路层3上施加均匀压力，将金属散热基板层1，高导热绝缘树脂材料层2，高热容金属导热电路层3牢固粘接，将高导热绝缘树脂材料层2的厚度压缩到预定值。并将金属散热基板层1，高导热绝缘树脂材料层2，高热容金属导热电路层3的结构进行高温固化；
5)可根据设计需求进行高热容金属导热电路层3的电路刻蚀；可采用化学刻蚀或者激光刻蚀的方式；
6)在高热容金属导热电路层3的芯片焊接区域用丝网印刷的方式涂覆焊疗，支持自动化流水线作业；
7)一次焊接，将芯片4焊接在高热容金属导热电路层3的上面，该焊接过程通过真空焊接炉完成；
8)超声清洗，将芯片4表面和高热容金属导热电路层3上的杂质清洗干净；
9)芯片4表面的PAD区域涂覆焊料，或者对导热焊接柱5的上下表面进行焊料涂覆或蘸取；
10)将导热焊接柱5放置在芯片4表面上，将片状电极层6放置在导热焊接柱5上，片状电极层6通过金属夹具固定；
11)二次焊接，使芯片4，导热焊接柱5，片状电极层6形成良好的金属焊接相连，二次焊接可通过真空焊接炉等完成；
12)功率器件表面其它弱电电极位置与细条状电极8绑线键合，细条状电极8采用一体化设计，有金属筋连接成梳状整体，用夹具固定，金属绑线9为铝丝或铜丝；
13)对主体结构进行真空压铸，是高导热环氧树脂材料均匀填充，并保压降温，最终一体化功率模块成形；
14)切筋成形，将一体化电极的连接金属裁切掉，使各电极间互相独立；
15)电极压弯整形，将细条状电极8折弯成需要的方向以便电极与驱动电路板连接，或者进行功率端的输入输出连接。
最后，本实用新型的一种可配置的电源系统及控制方法，其具体的技术特点如下：
(1)本实用新型通过一体化模块封装的形式将功率模块的散热路径由1条增加至3条，散热效率大大提高。
(2)本实用新型采用超薄化高导热绝缘树脂材料粘结两层导热金属，不仅实现了高绝缘与高导热能力，同时突破了传统DBC板3层结构的厚度瓶颈(Cu不能加厚，陶瓷不能减薄)，消除了不同材料件的应力失配问题。
(3)本实用新型通过高热容导热金属层的设计，使得功率模块的电流流通能力增加数倍(横截面积增加数倍)，增加了功率密度，减小了功率模块体积。
(4)本实用新型将大面积片状电极直接深入到模块内部与芯片直接连接，直接将芯片产生的热量传导散发出去，形成多散热路径。
(5)本实用新型大面积片状电极直接与芯片表面互联，也可直接与高热容导热金属层互联，形成3维的空间电路拓扑结构，大幅减小了封装体积。
(6)本实用新型将导热结构缩减为5层结构，导热能力提高，模块制备的可靠性提高；同时摒弃了低热导率的硅凝胶的应用，使模块具有向上散热的路径。
(7)本实用新型采用一次真空注塑成型的模块封装方法，能够实现成本大幅降低；工艺流程简单清晰，所需设备简单，实际操作性好。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本实用新型所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本实用新型保护范围的限定。本领域技术人员在本实用新型的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本实用新型的保护范围以所附权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种新型功率模块，其特征在于，所述功率模块包括金属散热基板层(1)、高导热绝缘树脂材料层(2)、高热容金属导热电路层(3)、芯片(4)、导热焊接柱(5)、片状金属电极(6)、高导热塑封树脂(7)、细条状电极(8)和金属绑线(9)；其中，金属散热基板层(1)、高导热绝缘树脂材料层(2)、高热容金属导热电路层(3)、芯片(4)、导热焊接柱(5)和金属绑线(9)封装于高导热塑封树脂(7)内部；金属散热基板层(1)固接于高导热塑封树脂(7)底端；高导热绝缘树脂材料层(2)固接于金属散热基板层(1)顶端；高热容金属导热电路层(3)固接于高导热绝缘树脂材料层(2)顶端；两个芯片(4)分别固接于高热容金属导热电路层(3)顶端的两侧；两个导热焊接柱(5)分别固接于两个芯片(4)的顶端；片状金属电极(6)底端与两个导热焊接柱(5)的顶端固接，一端封装于高导热塑封树脂(7)内部，另一端延伸于高导热塑封树脂(7)外部；细条状电极(8)位于片状金属电极(6)正下方，一端封装于高导热塑封树脂(7)内部，另一端延伸于高导热塑封树脂(7)外部；细条状电极(8)通过金属绑线(9)与芯片(4)连接。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述金属散热基板层(1)的厚度为0.1-5mm。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述高导热绝缘树脂材料层(2)厚度为10-250um。
4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述高热容金属导热电路层(3)由可焊接金属制成，厚度为0.1-5mm；所述高热容金属导热电路层(3)的表面分为放置芯片的光滑区域，和非芯片区域的纹理区域；所述纹理区域由压刻纹理图案构成，深度为0.05mm-0.5mm。
5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述芯片(4)的上表面以一次焊接形式与所述导热焊接柱(5)和片状金属电极(6)相连；所述芯片(4)的下表面焊接于所述高热容金属导热电路层(3)的上表面。
6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述导热焊接柱(5)由金属材料制成；所述导热焊接柱(5)的数量与所述芯片(4)的电极区域数量相同，下表面面积不超出所述芯片(4)的电极区域。
7.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述片状金属电极(6)的厚度为0.6-1.5mm，宽度可根据功率模块面积进行调整。
8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述高导热塑封树脂(7)由环氧树脂材料构成，采用真空压塑成形工艺，上表面高出所述片状金属电极(6)0.3mm-3mm。
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