CN102569286A - 3d功率模块封装 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种3D功率模块封装，包括：功率转换单元，该功率转换单元被封装以包括热量辐射基底、连接到热量辐射基底的功率装置、以及引线框；控制单元，该控制单元被封装以包括控制单元基底以及被安装在控制单元基底上部的IC和控制装置；以及电连接单元，该电连接单元与被封装的功率转换单元以及被封装的控制单元电连接。

Description

3D功率模块封装
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年12月24日提交的、标题为“3D Power ModulePackage”的韩国专利申请No.10-2010-0134862的权益，其整体通过引用并入本申请中。
技术领域
本发明涉及3D功率模块封装。
背景技术
通过功率半导体装置和封装材料的主要技术(例如：模块化和集成化涉及技术、制造过程技术、特性测试、可靠性评价技术等)来实现的功率模块，用作计算机不间断电源系统(UPS)的逆变器端中的DC校正和AC转换(DC变换)功能以及家用电器中、工业设备(例如，焊料机器、工业马达、机器人设备等)中、应用(例如，运输机器领域(例如，HEV、EV、飞机、汽车、铁路车辆等))中的马达变速驱动器。
功率模块是非常重要的关键组件，因为其消耗了在电驱动系统的功率转换设备(逆变器、转换器)领域中大约50％或60％的材料成本。因此，持续引导发展具有高密度、高效率、重量轻的功率模块。
特别地，在安装在有限空间的组件方面，需要具有尺寸紧凑/重量轻的功率模块。由于功率模块通过集成具有各种功能的组件已发展成多功能模块，所以其已被应用工作在例如高温、震动等恶劣环境中。因此，功率模块具有高可靠性是非常重要的。
根据现有技术，通常通过使用焊料、导电环氧树脂等将功率半导体装置、无源装置、驱动(IC)等安装在引线(lead)框的上表面上，通过引线接合(wire bonding)将配线连接，然后，通过EMC模具制造装置的形状来制造封装。
在某些封装结构中，产生大量热量的功率半导体装置单元和控制该功率半导体装置单元的控制单元被分离地安装并且被实现在单个封装中，从而试图分离热量和功能。此外，为了有效控制从该功率半导体装置单元产生的热量，将散热片安装在模块的上部。然而，由于在封装结构的紧凑化、轻量化、多功能集成期间所需要的引脚数量的增加、因控制单元区域的增加而尺寸增加等等，这种结构造成例如内部引脚绝缘问题的问题。
发明内容
本发明致力于提供一种3D功率模块封装，该3D功率模块封装能够减少由温度造成的性能恶化以及提高模块的使用寿命以及可靠性。
根据本发明的第一优选实施方式，提供了一种3D功率模块封装，该3D功率模块封装包括：功率转换单元，该功率转换单元被封装以包括热量辐射基底、连接到所述热量辐射基底的功率装置、以及引线框；控制单元，该控制单元被封装以包括控制单元基底以及被安装在所述控制单元基底上部的IC和控制装置，以及电连接单元，该电连接单元将被封装的功率转换单元与被封装的控制单元电连接。
所述热量辐射基底可以是阳极氧化铝(anodized aluminum)基底。
所述电连接单元可以是由焊球或导电连接器形成。
所述3D功率模块封装可以进一步包括设置在所述功率转换单元和所述控制单元之间的阻尼器。
所述热量辐射基底可具有比控制单元基底更高的导热性。
根据本发明的第二优选实施方式，提供了一种3D功率模块封装，该3D功率模块封装包括：功率转换单元，该功率转换单元被封装以包括热量辐射基底、连接到所述热量辐射基底的功率装置、以及引线框；控制单元，该控制单元被封装以包括控制单元基底以及被安装在所述控制单元基底上部的IC和控制装置；以及被设置在被封装的功率转换单元中的连接引脚以及被设置在控制单元中的连接插座，其中所述连接引脚和所述连接插座被装配成彼此电连接。
所述热量辐射基底可以是阳极氧化铝基底。
所述连接引脚和所述连接插座可以由铜制成。
所述3D功率模块封装可以进一步包括设置在所述功率转换单元和所述控制单元之间的阻尼器。
所述热量辐射基底可具有比控制单元基底更高的导热性。
附图说明
图1是示出了根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装的图；
图2是示出了根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是功率转换单元的制造过程的流程图；
图3是示出了根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是控制单元的制造过程的流程图；
图4是根据本发明第一优选实施方式的功率转换单元和控制单元的装配图；
图5是示出了根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装的图；
图6是示出了根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是功率转换单元的制造过程的流程图；
图7是示出了根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是控制单元的制造过程的流程图；以及
图8是根据本发明第二优选实施方式的功率转换单元和控制单元的装配图。
具体实施方式
通过下面结合附图的详细说明，本发明的各种目的、优点和特征将会变得显而易见。
在本说明书和权利要求书中使用的术语和词语不应被解释为局限于典型含义或字典的定义，而应基于发明者能够适当地定义术语的概念来最合适地描述他/她知晓的实施本发明的最好方法的规则被解释为具有与本发明技术领域相关的含义和概念。
通过下面结合附图的详细说明，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将会被更清楚地理解。在说明书中，在向整个附图中的组件添加参考标记时，需要注意的是，相同的参考标记指代相同的组件，即使各组件显示于不同的附图中。此外，当确定对与本发明相关的公知技术的详细说明会模糊本发明的主旨时，这样的详细说明将被省略。
下文中，将参考附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。
图1是示出了根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装的图。图2是示出了根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是功率转换单元的制造过程的流程图。图3是示出了根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是控制单元的制造过程的流程图。图4是根据本发明第一优选实施方式的功率转换单元和控制单元的装配图。
图5是示出了根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装的图。图6是示出了根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是功率转换单元的制造过程的流程图。图7是示出了根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是控制单元的制造过程的流程图。图8是根据本发明第二优选实施方式的功率转换单元和控制单元的装配图。
如图1所示，根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装100被配置为包括：功率转换单元110，该功率转换单元110被配置为具有热量辐射基底111、功率装置112以及引线框113；以及控制单元120，该控制单元120被配置为具有控制单元基底121、集成电路(IC)和控制装置122、电连接单元123以及阻尼器124。
对于热量辐射基底111，可以优选地使用阳极氧化铝基底，代替根据现有技术所使用的引线框或陶瓷基底。
此外，用于功率半导体装置的功率转换单元封装被制造成包括由金属材料制成的具有高导热性的辐射基底111，从而提高功率装置产品中的热量辐射特性。
功率装置112，连接到热量辐射基底111来传送以及接收电信号并进行电连接，该功率装置112包括IC装置、各种用电装置等等。
引线框113，连接到功率装置112，该引线框113用于将从该功率装置112施加的电信号施加到其他组件。
用于控制电路的装置的封装被制造成包括控制单元基底121，该控制单元基底121具有低导热性，从而改善2D封装结构的限制，同时改善由于热量产生装置的温度造成的周围装置的恶化特性并提高模块的使用寿命以及可靠性。
IC和控制装置122，安装在控制单元基底121的上部上，该IC和控制装置122传送以及接收电信号。
电连接单元123，设置在功率转换单元110和控制单元120之间，该电连接单元123将其中封装有控制单元基底121以及IC和控制装置122的控制单元120电连接到其中封装有热量辐射基底111以及功率装置112的功率转换单元110的上部。此时，该电连接单元123被作为焊球或电连接器提供，其中，对于焊球，使用用于连接器的BGA焊球或普通焊球。
热量辐射基底111具有比控制单元基底121高的导热性。
阻尼器124，安装在功率转换单元110和控制单元120之间，在功率转换单元110以及控制单元120装配期间吸收冲击。该阻尼器124由橡胶材料或缓冲材料制成。此外，阻尼器提高了通过装配两个模块而形成的3D模块的结构稳定性，并且实现了具有高稳定性的结构。
图2是示出了根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是功率转换单元的制造过程的流程图。
功率转换单元110的制造过程包括：准备功率转换单元110的热量辐射基底(S10)，将功率装置附着到热量辐射基底的上表面上(S20)，连接引线框到功率装置的下表面以及侧面部分(S30)，形成用于接收热量辐射基底以及引线框的上部上的电信号(S40)，封装功率转换单元110(S50)，以及修整引线框以形成整个结构(S60)。
图3是示出了根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装100的制造过程，特别是控制单元的制造过程的流程图。
控制单元120的制造过程包括：准备控制单元基底(P10)，将IC和控制装置附着到控制单元基底的上部上(P20)，封装控制单元120(P30)，以及在控制单元120的下部上形成焊球以及阻尼器(P40)。
图4是根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装100的功率转换单元110和控制单元120的装配图。
图5是示出了根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装200的图。根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装200的组件和特性与根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装的组件和特性相同，根据本发明第一优选实施方式的3D功率模块封装包括热量辐射基底111、功率装置112、引线框113、控制单元基底121、IC和控制装置122以及阻尼器124。因此，上述组件的详细描述将被省略。
如图5所示，在根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装200中，用于连接电信号的连接引脚214被提供给功率转换单元210，连接插座224被提供给控制单元220，以及连接引脚214和连接插座224被装配成彼此电连接。
同时，连接引脚214和连接插座224由金属(例如，铜)制成，该金属能够传送以及接收电信号。
图6是示出了根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装的制造过程，特别是功率转换单元210的制造过程的流程图。
功率转换单元210的制造过程包括：准备功率转换单元210的热量辐射基底(S110)，将功率装置附着到热量辐射基底上(S120)，连接引线框到功率装置(S130)，在热量辐射基底以及引线框的上部上形成用于接收电信号的连接引脚214(S140)，整体地封装功率转换单元110(S150)，以及修整引线框以形成整个结构(S160)。
图7是示出了根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装200的制造过程，特别是控制单元220的制造过程的流程图。
控制单元220的制造过程包括：准备控制单元基底(P110)，将IC和控制装置附着到控制单元基底的上部上(P120)，封装控制单元220(P130)，以及在控制单元220的下部上形成用于电连接的连接插座224以及阻尼器(P140)。
图8是根据本发明第二优选实施方式的3D功率模块封装200的功率转换单元210和控制单元220的装配图。
在具有上述的结构的根据本发明优选实施方式的3D功率模块封装100和200中，具有安装在其中的生成大量热量的功率元件的功率转换单元模块以及控制功率转换单元模块且易受热量损害的的控制单元被分离装配在三维方案并集成在单个模块中，从而能够达到具有高可靠性的集成结构。
因而，通过3D高集成模块化，可减小模块的尺寸来增加基底的安装密度，并可以去除控制引脚的限制因素以及可以自由实施控制单元。此外，通过热量辐射单元以及控制单元的独立结构，可保护易受热量损害的IC等的使用寿命和功能，可提高模块温度的额定功率并减少成本。
尽管出于说明目的公开了本发明的优选实施方式，其用于具体地解释本发明，并且从而根据本发明的3D功率模块封装不限于此，但是本领域技术人员应当理解，在不背离如所附权利要求书公开的本发明的精神和范围的情况下，能够进行各种修改、增加以及替代。
因此，这样的修改、增加以及替代也应被理解为落入本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种3D功率模块封装，该3D功率模块封装包括：
功率转换单元，该功率转换单元被封装以包括热量辐射基底、连接到所述热量辐射基底的功率装置、以及引线框；
控制单元，该控制单元被封装以包括控制单元基底以及安装在所述控制单元基底的上部的IC和控制装置；以及
电连接单元，该电连接单元将被封装的功率转换单元与被封装的控制单元电连接。
2.根据权利要求1所述的3D功率模块封装，其中所述热量辐射基底是阳极氧化铝基底。
3.根据权利要求1所述的3D功率模块封装，其中所述电连接单元由焊球或导电连接器形成。
4.根据权利要求1所述的3D功率模块封装，该3D功率模块封装进一步包括设置在所述功率转换单元和所述控制单元之间的阻尼器。
5.根据权利要求1所述的3D功率模块封装，其中所述热量辐射基底具有比所述控制单元基底更高的导热性。
6.一种3D功率模块封装，该3D功率模块封装包括：
功率转换单元，该功率转换单元被封装以包括热量辐射基底、连接到所述热量辐射基底的功率装置、以及引线框；
控制单元，该控制单元被封装以包括控制单元基底以及安装在所述控制单元基底的上部的IC和控制装置；以及
被设置在被封装的功率转换单元中的连接引脚以及被设置在所述控制单元中的连接插座；
其中所述连接引脚和所述连接插座被装配成彼此电连接。
7.根据权利要求6所述的3D功率模块封装，其中所述热量辐射基底是阳极氧化铝基底。
8.根据权利要求6所述的3D功率模块封装，其中所述连接引脚和所述连接插座由铜制成。
9.根据权利要求6所述的3D功率模块封装，该3D功率模块封装进一步包括设置在所述功率转换单元和所述控制单元之间的阻尼器。
10.根据权利要求6所述的3D功率模块封装，其中所述热量辐射基底具有比所述控制单元基底更高的导热性。
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