CN101689538A - 制造固定功率模块的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造刚性功率模块的方法，包括以下步骤：制造单片引线框；向所述引线框装配半导体元件、可选无源元件，并焊接对应导线；将装配好的引线框插入冲压工具中，以便确保未封装引线框的可达性；通过安装模将所述引线框固定在工具中；将硬塑模压材料注入模具中，从而封装装配好的引线框。所述方法特征在于，在封装工艺期间，空腔保持在功率模块封装中预定位置处。另外，单片引线框的板由冲具切除，从而产生前述单片引线框的引线框材料的电绝缘岛。

Description

制造固定功率模块的方法

技术领域

本发明涉及一种制造刚性功率模块的方法。

背景技术

功率模块的已知实施例包括开放的功率半导体，其焊接或直接胶合到金属引线框。

典型地，单个引线框通过塑料框固定，该塑料框通过将引线框部件插入模具中传递模压形成。在注入框内引线框承载部件，且在框外，引线框部件的接线头提供部件组到其它部件的电连接。

这种功率模块的引线框部件分布在数个水平面上，且必须彼此电绝缘，这迫使它们以几个部分制造。低水平面的内部设置有半导体，且下引线框的相对金属侧面对外部冷却表面。这种模块不包括衬底板(例如陶瓷导体板DCB)乃至用于散热的铜底板。

进一步，必须考虑到，当切换电流时，功率半导体产生功率耗散，这随切换频率和外部温度成比例增大。

因此主要方面是将耗散的功率以可能的最佳方式传递到外部冷却通路(例如风冷或水冷的铝冷却元件)。

然而，与引线框直接电连接的功率模块必须与外部冷却通路充分绝缘。为此目的，引线框表面由塑料膜覆盖，其厚度按照要求的绝缘电压(例如US 2004 0026 778)。对于低压应用，已知一种解决方案(WO2005 017 970)，其中需要特殊的膏以利用颗粒确保最小距离。但是，与陶瓷(～25到160W/mK)相比，这种膏的导热性(～1W/mK)相对差。

如果根据现有技术，在插入绝缘膏的情况下将功率模块固定在冷却部件上，会产生特别的问题。

缺失的衬底板、或者缺失的底板会降低螺钉点之间模块的刚性，因此接触压力太低而不能以薄层将膏分散。

当螺钉安装时，具有开放内腔的引线框模块像带的多接系统一样作用。这引起导热膏在模块热负载中心处枕状成形。由于缺失的刚性，导热膏在中心的厚度通常3-4倍于无衬底的模块的边缘处的厚度。

发明内容

本发明的任务是提出一种制造增强刚性的功率模块的方法，其也可承受多个热循环，且同时满足高的机械性能要求，例如汽车工业中所要求的。

根据本发明，该任务通过独立权利要求中的方法解决。从属权利要求涉及有利的实施例。

具体地，引线框的初始制造，将框架装备半导体元件并进行接合(bond)，随后将该装配好的引线框插入模具中，通过安装模将引线框固定在模具中，并在模压步骤中利用硬塑模压材料封装引线框，产生具有玻璃硬度的功率模块，当模压材料具有与封装结构的主要成分相同的热膨胀系数时。

该封装结构保护半导体及其薄的接合不受到任何热损伤，也防止由热循环产生的单独材料的蠕变。在铜引线框的情况下，主要材料将是铜；然而，如果由铜以外的材料制成，其也可以是导热板材料。

优选的是通过添加低膨胀系数的颗粒、例如80-90％填充量的SiO₂的粉末，来调整模压材料的热膨胀系数。即，如果需要，可以添加少于80％，或者添加一部分一种粉末而一部分另一种粉末。另外，两种粉末均可以是或者包含SiO₂，因而仅在颗粒尺寸上不同。为了调节刚性，可以提供特定颗粒尺寸分布。

然而，模压材料也可以设计成其热膨胀系数在功率模块的两个主要材料的热膨胀系数之间，该两个主要材料的热膨胀系数最好彼此相近，热膨胀系数能够非常精确地调整，例如通过添加低膨胀的氧化硅粉末。通过添加特定颗粒尺寸分布，在模压之前及之后-在结束状态中-模压材料的柔性可以另外地调节。

如果仅添加非常小的颗粒尺寸、例如粉末，模压材料将仍是略微柔性的，而不同粒度或者仅大粒度的添加会引起水泥般硬度。

有利地，传递模制通过以下进行：压力为150-250bar，优选地200-210bar，保持温度在150-220度范围内，优选地175-185范围内，其明显低于引起半导体损坏的温度。

有利地，安装模在对应引导件中固定在模具中，且出于重复使用目的，它们应当在模压材料变冷之前的适当时间收回，使得孔形成在功率模块的涂层中，通过该孔，分离冲具将引线框分成单独的岛，前提是所形成的安装模孔的直径大于待分离引线框的宽度。进一步，必须在按压期间保持功率模块的光滑表面，通过该光滑表面，可以实现半导体到外部环境的热消散。

如果安装模未从部分液态的硬塑模压材料收回以允许注入材料再次封闭通道，产生的孔可以由模制材料填充，因而完成包围的部件，并确保半导体的完成(finishing)。

进一步的实施例例如可以是以下变形：

a.在本发明的特定实施例中，在注模之前，通过已知热喷涂方法，引线框在一侧上提供有陶瓷颗粒薄层，而该侧最后将用于冷却。合适的材料是氧化铝或者氮化铝。合适的层厚度是例如在20到100μm。由于所选方法，该陶瓷层具有良好的导热性(相对于普通导热膏1W/mK，其导热性达到25-160W/mK，例如Dow Corning Thermal Compound340)，该陶瓷层与引线框粘合，且现在可能的高安装压力也允许与外冷却部件的互锁接触。这确保了从半导体经由引线框和陶瓷层到冷却部件的非常良好的导热性。

b.在另一实施例中，具有热喷涂的涂层在封装引线框之后也是可行的。在涂层工艺期间，仅模块部件侧设置有陶瓷，且该侧用于通过未覆盖的引线框表面的冷却。

c.一种推荐的固定半导体的变形是低温压力烧结(low-temperaturepressure sintering)，而不是软焊。低温压力烧结确保硅(热膨胀率3ppm/K)在铜(热膨胀率18ppm/K)上的大大增加的抗剪强度。这种解决方案是尤其节约成本的，因为避免了清洗软焊助熔剂残留物的步骤。

d.另一实施例涉及冲穿开口(用于移除岛的固定支承部)作为安装螺钉的进入开口的使用。为此目的，绝缘套(另外涂布成防湿保护)与螺钉一起插入开口中。理由：岛和需要的冲穿开口优选地位于模块表面的内区域中。该内区域(靠近中心)也是具有最高加热的表面。

利用螺钉的模块的按压安装引起最大压力，并产生螺钉口周围最小涂层厚度的导热膏。因此，靠近中心通过冲孔(始终可获得)的安装提供了模块冷却的额外改进。可以避免用于安装孔的另外的区域(涂层部件中引线框区域以外)。这减小了体积并降低了模压材料的成本。

e.在功率模块的一些应用中，需要利用键合线(bond wire)的外部电接触。铝的厚引线的安全焊接优选地在铝上进行。现有技术是，引线框的这些区域由薄铝层通过辊压接合覆盖。因而，在内外焊接表面区域中，选择的引线框也可设置有优选的条状铝层。

f.像e一样，但是在冲压引线框前，铝层通过合适粘合剂连接到引线框，因而在必须产生键合线(bond connection)的区域中形成层接合(layer bond)。对于相对小的铝表面，相对辊压接合是节约成本的选择(在带中以大长度执行，铝表面的岛在辊压接合技术中是不可能的)。

附图说明

结合附图，根据优选实施例的描述来说明本发明的进一步特征和优点：

图1显示了装配之前整体的单层引线框；

图2显示了用于B6晶体管桥接电路的电路图的实例；

图3显示了通过焊接固定功率半导体和任意其它无源元件的引线框；

图4显示了传递模制未变化但已装配的引线框之后的引线框；

图5显示了涂层部件中的功率模块，具有用于电连接的外部的、切出的接触表面；

图6具有两个漆孔(lacquer hole)的引线框(无涂层地显示)，该两个漆孔由冲头状冲孔工具在对支承部进行冲压后制成；

图7是立体图，显示了通孔的使用(用于岛状部固定支撑的移除)，该开口作为用于安装螺钉的入口，其也显示有绝缘套；和

图8间隔层(spacer)的截面图。

附图标记表

10引线框中的冲孔

12间隔部件

14压缩模制材料的晶体管模块部件

16单块引线框

具体实施方式

尽管引言部分中所述技术状态下的制造步骤要求双重封装技术(下表中的步骤2和4)，根据本发明的晶体管模块在一个步骤中封装，引线框和半导体部件在硬质塑料模压材料的封装中。

在现有技术中，必须执行以下步骤：

1.将半导体焊接到引线框；

2.围绕引线框浇铸框，以产生用于半导体的内部线路的内部空间；

3.在模块内部制造所有需要的键合线(bonding connection)；

4.以始终柔软的硅块(软质凝胶)填充模块内部空间，以实现电绝缘和振动阻尼。

对于软质凝胶，其缺点已在背景技术中讨论过，现在产生整体非常刚性的部件，通过对应添加具有小膨胀系数和预定粒度分布的材料，该部件的热膨胀系数适合于功率模块的主要部分。

根据本发明能够容易地实现制造功率模块的方法，该方法包括以下步骤：制造引线框，在引线框上安装半导体元件、可选择的无源元件，并粘合对应导线，将安装好的引线框插入冲压工具，通过安装模具将引线框固定在工具中，并注入硬质塑料模压材料，从而封装安装好的引线框。

安装模具(mounting die)可以在模压材料的硬化之前收回，然而，尤其要在模压材料粘附到它们之前。

通过安装模具作用在导线支承部上将引线框固定在工具中，冲压的宽度大于导线支承部的宽度，且在利用安装模具固定期间，冷却表面应当被按压向工具的一侧，以便其不会被模压材料在(部分)封装期间覆盖。

通过收回安装模具时在模制材料中产生的孔-在最后注塑之前-冲压最终将安装好的引线框分成模块部件中的数个电分离的装置，因而解决现有技术的另一问题，当在引线框的印制导体过程中设计印刷导体岛时。引线框是用于半导体与其它元件的、永久相互连接的印刷导体通路和表面的结构。目前为止，岛结构是不可能的，因为没有固定，引线框的四周切出的导体表面会是不稳定的。这迫使具有上述缺点的不同水平面中的解决方案。

建议结合使用数个措施：

1.利用硬质塑料的、坚硬的、玻璃状聚合材料(例如Henkel LoctiteHysol)的传递模制(transfer molding)，完全填充模块部件的体积，可以实现模块的刚性。结果已知为封装。为此目的，制造步骤必须如下重构(见如下所列)。相对于现有技术，这减少了制造步骤，因为在引线粘合之后仅有一个通过传递模制进行体积填充(volume filling)的工艺。

2.引线框包括仅一个整体的导体材料、例如铜的层。通过到引线框蓁部分的至少一个连接，随后要求的岛被保持在合适位置。典型地，通过两个或三个支承部固定岛。一个支承部固定在随后的岛的解决方案也是可以的。当制造期间、单个引线框由模制材料封装时，导体通路岛由硬化的模制材料进一步固定，并不再改变其位置。待在导体通路引导中从引线框分离的岛(且然后也是电绝缘的)直到利用传递模制填充之后才产生。为此目的，填充的涂层部件容纳开口，其在填充阶段期间由可移除的冲压工具(圆形或带角的)形成。冲压工具是模制工具的部分并可轴向位移。产生的开口从模块部件的上侧延伸通过模块的内侧到引线框的内部。

在利用模制材料填充期间，冲压工具压向仍未分开的引线框，并且与下模具底部平齐地固定其，因而确保模制材料与外部可见的引线框的连续过渡。

以此方式，渗出现象(非常薄层的模压材料跑到底金属表面)被可靠地避免，并且可以避免随后从热接触表面的移除。在拔出冲压工具之后，留下需要的孔。在随后的冲压步骤中，冲压工具完全穿透预制孔，并在开口处分离引线框。支承部被分离，且现在岛按要求地电绝缘(图4和6)。详细的制造步骤如下：

■在整体、单层、部分冲压的引线框的预定位置处焊接半导体及其它元件(电阻、电容、分流器)(图3)

■在模块内、引线框上制造所有需要的焊接导线(bond connection)(图3)

■将安装好的引线框插入模具中，并封闭上下模具

■将安装模具下降到引线框的预定位置(即，岛的导线通路，该通路必须随后被分开)

■利用模压材料封装引线框、焊接导线(bond wire)和半导体，该模压材料的热膨胀系数适于引线框的材料

■将安装模具拔出定位的封装

■孔保留直到引线框的内表面(图4)

■需要形成冷却通路的引线框的表面是清洁的，并靠在封装的一侧上

■在冲压步骤中，形状适合的冲压工具在准备开口的位置处穿透封装，因而将岛的固定支承部与其余导体通路分开

■如果需要，孔被填有自黏性胶水，以提供防止湿气另外的保护。

在装配期间，可购得的具有电绝缘纤维、颗粒或栅格的导热膏可用于形成最小距离。

图2显示了用于B6晶体管桥接电路的电路图的实例。图1显示了用于这种B6晶体管桥的单块、单层引线框。所有要求的表面仍通过一个或多个联接彼此相连。

在图3中，焊接功率半导体和其它无源元件(热敏电阻、电阻、电容、分流器)的加工步骤已完成。随后，在未变化的引线框上执行用于完全电接触的要求的引线接合。图4显示了传递模制未变化但装配好的引线框的涂层的加工步骤。由于模具的结构，涂层部保持其外部尺寸，且以此方式保持用于螺钉安装的两个孔。在模具中的上述轴向冲压产生两个通过涂层部到引线框表面的盲孔(内小孔)。

图5显示了涂层部中的功率模块，具有外部、冲出的接触表面，用于电连接，图6显示了利用冲头状冲压工具冲压后在盲孔情况下的引线框。然而，这在封装内部发生，因此不可见(除非封装塑料被化学溶解从而保留引线框)。可以看出，冲穿的两个孔产生总共4个岛。

图7显示了使用冲孔(用于移除岛的固定支承部)的另一实施例，该冲孔作为安装螺钉的入口。为此，绝缘套(另外地粘合以作为湿度保护)与螺钉一起插入孔。

冲压出装配好的、单块引线框也可不通过腔进行，而是通过固定间隔部件(“牺牲固定板”)，其预先插在预定位置。这些固定间隔部件可以由实心材料制成，或者部分中空的材料，且必须满足以下要求，即可以由冲压工具穿透或位移(弹性的)。

图8以横截面显示了模制材料的晶体管模块部件。所示的是单块引线框和用于将引线框固定在工具中的间隔部件。在装配元件期间间隔部件已位于引线框上，并覆盖岛的连接通路，其后来又通过冲压电绝缘。当封闭半模时，间隔部件夹在模具壁和引线框之间，并且引线框因而固定在模具中。当注入模压材料时，间隔部件保留在模具中，并由模压材料部分地包围并固定在其中。因而，不需要前述模具引导的冲压工具。

用于冲压前述单块引线框的工具穿透并位移间隔部件的材料直到冲压工具到达引线框并分开其。为此，如果间隔部件由耐温弹性材料制成是有利的，这首先允许模具中的夹挤功能(jamming function)，其次允许冲压工具的穿透和位移。优选地，可以使用弹性体，例如硅树脂。

通常，制造功率模块的方法如下：制造引线框，将引线框装配有半导体元件、任意无源元件，和焊接对应导线，将装配好的引线框插入冲压工具中，通过安装模具将引线框固定在模具中，且将硬质模压材料注入模具中，以封装装配好的引线框。

建议，引线框是单块的，且在封装期间，空腔保持在预定位置，从而确保未封装引线框的可接触性，并且通过插入空腔中的冲压模具实现单块引线框的支承部的随后的分离，因此产生前述单块引线框的引线框材料的电绝缘岛。为制造空腔，冲压工具在模压材料硬化之前被收回。

特别地，在压缩模制材料与冲压工具紧密连接之前，收回冲压工具。通过作用在连接支撑件上的冲压工具，引线框固定在模具中，该冲压工具的宽度大于连接支撑件的宽度。

冲压工具可以插入收回安装模具时模压材料中产生的孔内，以将装配好的引线框分为数个电隔离的分框，用于产生模块部件中的数个电隔离装置。

选择性地，装配好的、单块的引线框的冲压并不通过空腔进行，而是通过事先插入预定位置的固定间隔部件进行，因此产生晶体管模块，同时引线框和半导体元件在硬质塑料模压材料的涂层中，通过对应地添加低膨胀且预定粒度分布的材料，该硬质塑料模压材料的热膨胀系数适合于功率模块的主要构成。

晶体管模块是优选的，冷却表面由冲压工具或固定间隔部件通过以下方式在固定期间按压向模具侧：其在部分封装期间不被模压材料封装，因而形成晶体管模块的外表面的一部分。

进一步，在先前单块引线框冲压期间产生的晶体管模块部件中的开口用于容纳通过螺钉或铆钉将晶体管模块固定在冷却部件上的元件。另一实施例包括套，该套插入前述单块引线框冲压期间产生的晶体管模块部件中的开口，并电绝缘金属螺钉或铆钉。

Claims (9)

1.一种制造刚性功率模块的方法，包括以下步骤：

制造单块引线框(16)；

向所述引线框(16)装配半导体元件、任意无源元件及对应引线的焊接；

将装配好的引线框(16)插入模具中，以便确保未封装引线框的可达性；

通过安装模将所述引线框(16)固定在模具中；

将硬塑模压材料注入模具中，从而封装装配好的引线框(16)

其特征在于，

在封装期间，空腔保持在封装中预定位置处，且

在前述单块引线框(16)的引线框材料的电绝缘岛的形成下，通过插入空腔中的冲压工具产生支承部与单块引线框(16)随后的分离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了制造空腔，必须在模压材料硬化之前收回冲压工具。

3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，在模压材料形成与冲压工具的紧密连接之前，收回所述冲压工具。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，通过作用在导线支承部上的冲压工具产生引线框(16)在模具中的固定，冲压工具的宽度大于导线支承部的宽度。

5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，当收回安装模时产生在模压材料中的孔(10)允许利用冲压将装配好的引线框(16)分成数个电隔离的分框架，以在模块部件中形成数个电隔离结构。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将布置在预定位置的插入并固定的间隔部件(12)移除下，进行随后的单块引线框(16)的支承部的移除。

7.根据权利要求1-6中的一项所述的方法制造的晶体管模块，其特征在于，在通过冲压工具或固定间隔部件(12)固定期间，冷却表面被按压向模具侧，从而其在(部分)封装期间不被模压材料包裹，因而形成晶体管模块的外表面的一部分。

8.根据权利要求7所述的晶体管模块，其特征在于，前述单块引线框(16)的冲压期间所产生在晶体管部件(14)中的开口用于容纳通过螺钉或铆钉将晶体管模块固定在冷却部件上的元件，因此冷却部件和晶体管模块以形状配合的方式彼此连接，以实现最佳热传递。

9.根据权利要求7所述的晶体管模块，其特征在于，在前述单块引线框的冲压期间所产生在晶体管模块部件中的开口和金属螺钉或铆钉通过电绝缘插入套彼此分离。

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