CN103346138B - 智能功率模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能功率模块及其制造方法，该智能功率模块包括电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚，其中，电路基板正面的边缘具有披风结构，背面对应披风结构的边缘具有圆角结构；引脚设置在不具有披风结构的一侧的电路布线层上；电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚被封装在密封树脂中，其中，引脚贯穿所述密封树脂并向外延伸。本发明技术方案通过将引脚避开了凸出于电路基板正面的披风结构的设计，避免了引脚与电路基板发生触碰的风险，保证了智能功率模块的稳定性和安全性。另外，电路基板的背面没有激光打标的损伤或喷墨的异物，提高了金属铝基板与树脂材料的结合力，避免了在长期使用过程中发生分层现象。

Description

智能功率模块及其制造方法

技术领域

本发明涉及电子元件制造领域，特别涉及一种智能功率模块及其制造方法。

背景技术

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。智能功率模块一方面可接收MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面可将系统的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种理想电力电子器件。

参照图1,图1为现有技术中智能功率模块的剖面结构示意图。传统的智能功率模块100具有如下结构，其包括：电路基板105，由于电路基板105是经冲压而成，因此在该电路基板105正面的边缘会产生轻微披风109，在该电路基板105背面的边缘会产生光滑的弧度110；设于所述电路基板105正面上的绝缘层106；在该绝缘层106上形成的所述电路布线107；被固定在所述电路布线107上的电路元件103；连接电路元件103和所述电路布线107的金属线104；与所述电路布线107连接的引脚101。除引脚101未与所述电路布线107连接的一端外，所述智能功率模块100的其他部分被密封树脂102密封。

由于智能功率模块100对可靠性的要求非常高，每枚智能功率模块100的加工过程都需要进行跟踪，尤其是涂装锡膏以使电路元件103固定到电路布线107的工序是智能功率模块100的加工过程的要点，锡膏的厚度、形状对所述电路元件103的焊接质量影响很大，焊接质量又直接影响邦线质量，焊接质量和邦线质量对模制的合格率起关键作用。所以对智能功率模块的加工过程跟踪的重点是对涂装锡膏过程的跟踪。因此会通过激光打标或者喷墨等方式，在所述电路基板105的背面的形成所述唯一识别号108。但因为现行的智能功率模块100的制造方法采用先形成外形一致单板后再多板涂装锡膏的方式，无法对涂装锡膏的所述电路基板105进行区分，所以不得不增加形成识别号108的工序。激光打标的方式会对所述电路基板105的背面形成物理损伤，会降低所述电路基板105的背面与树脂材料的结合力，而且生产效率低下；如果采用喷墨的方式，又设备昂贵，喷料的管理和回收也增加了工厂的运营成本，也不利于大批量生产。此外，由于涂装锡膏是通过多块单板同时涂抹的方式进行，为了保证多块单板的高度和方向一致，对载具的精度要求非常高，如果多块单板是自动化上下料的方式放置，对于自动上下料设备的设计要求也非常高，这些都增加了智能功率模块的制造成本。

另外，现行的所述智能功率模块100由于所述电路基板105全部通过冲压形成，所述电路基板105的表面的四个边缘都有所述披风109，所述披风109的高度会因为冲压模具老化等原因变大，在回流焊和模制工序时，所述引脚101有触碰到所述披风109的风险。特别是如果所述引脚101和所述披风109在模制后，距离非常近，通过树脂材料隔绝，在成品测试时一般无法检测到，此种产品在市场长期使用过程中，由于材料间热膨胀系数的差异，所述引脚101和所述披风109有发生触碰的风险，最终导致所述智能功率模块100失效，严重时会发生爆炸。

发明内容

本发明的主要目的旨在解决现有技术的不足，提供一种高可靠性的智能功率模块以及一种工序流程得到简化的制造方法，可在智能功率模块的加工过程得到跟踪的同时，减少制造工序，并获得性能更可靠的智能功率模块产品。

为实现上述目的，本发明提出一种智能功率模块，包括一电路基板、在该电路基板正面形成的绝缘层、在该绝缘层上形成的电路布线层、固定在该电路布线层上的电路元件和引脚，其中，所述电路基板正面的一侧的边缘或两相对侧的边缘具有凸出于该电路基板正面的披风结构，所述电路基板背面对应所述披风结构的边缘具有圆角结构；所述引脚设置在不具有所述披风结构的一侧的电路布线层上；所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚被封装在密封树脂中，其中，所述引脚贯穿所述密封树脂并向外延伸。

优选地，所述智能功率模块还包括用于在所述电路元件、电路布线层以及引脚之间建立电连接的金属线，该金属线被封装在密封树脂中。

优选地，所述电路元件、引脚和/或金属线与电路布线层焊接。

优选地，所述智能功率模块还包括用于设置在电路元件与电路布线层之间的铜质的散热器，所述散热器与电路元件和电路布线层焊接。

优选地，所述绝缘层采用在中填充有Al₂O₃的环氧树脂材料制成。

优选地，所述绝缘层的导热率为2.0W/m·k。

优选地，所述电路基板采用1100或5052型的铝材制成。

本发明进一步还提出一种智能功率模块的制造方法包括：

将一铝基板划分为3个并排的单元区域，每个单元区域对应一智能功率模块，在所述铝基板正面的每个单元区域内自下而上依次形成智能功率模块的绝缘层和电路布线层，该电路布线层用于设置引脚的一侧位于所述铝基板的边缘；

在所述电路布线层上焊接电路元件和引脚；

根据单元区域的划分，从所述铝基板的背面对该铝基板进行冲切，冲切后每个单元区域的铝基板为智能功率模块的电路基板；

对所述电路基板及设置在该电路基板上的绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行清洗，并通过金属线使所述电路布线层、电路元件和引脚之间建立电连接；

通过密封树脂将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装，其中，所述引脚贯穿密封树脂并向外延伸；

对延伸出所述密封树脂的引脚进行切筋处理，形成3个智能功率模块；

其中，经冲切后的铝基板正面的一侧的边缘或两相对侧的边缘具有凸出于该冲切后的铝基板正面的披风结构，所述引脚设置在不具有所述披风结构的一侧的电路布线层上。

优选地，所述在所述电路布线层上焊接电路元件和引脚的步骤具体包括：

在所述电路布线层上涂装锡膏；

将电路元件和引脚安装在所述电路布线层上；

回流焊使锡膏固化，从而使电路元件和引脚焊接在所述电路布线层上。

优选地，所述通过密封树脂将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装的步骤具体包括：

采用热硬性树脂通过传递模方式将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装，或者，

采用热塑性树脂通过注入模方式将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装。

本发明技术方案通过将引脚避开了凸出于电路基板正面的披风结构的设计，避免了引脚与电路基板发生触碰的风险，保证了智能功率模块的稳定性和安全性。另外，电路基板的背面没有激光打标的损伤或喷墨的异物，提高了金属铝基板与树脂材料的结合力，避免了在长期使用过程中发生分层现象。

附图说明

图1为现有技术中智能功率模块的剖面结构示意图；

图2为本发明智能功率模块的结构示意图；

图3为图2中沿X-X线的剖面结构示意图；

图4为图2中沿Y-Y线一实施例的剖面结构示意图；

图5为图2中沿Y-Y线另一实施例的剖面结构示意图；

图6为本发明智能功率模块的制造方法的流程示意图；

图7为本发明智能功率模块的制造方法中铝基板的结构示意图；

图8为本发明智能功率模块的制造方法中焊接的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例就本发明的技术方案做进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种智能功率模块。

一并参照图2至图5，图2为本发明智能功率模块的结构示意图；图3为图2中沿X-X线的剖面结构示意图；图4为图2中沿Y-Y线一实施例的剖面结构示意图；图5为图2中沿Y-Y线另一实施例的剖面结构示意图。

在本发明实施例中，该智能功率模块10包括一电路基板16、在该电路基板16正面形成的绝缘层17、在该绝缘层17上形成的电路布线层18、固定在该电路布线层18上的电路元件14和引脚11，以及用于封装电路基板16、绝缘层17、电路布线层18、电路元件14和引脚11的密封树脂12，其中，该引脚11贯穿密封树脂12并向外延伸，裸露在密封树脂12外部。由于电路基板16是由铝基板由背面向正面冲切而成，因此在电路基板16正面的一侧的边缘或两相对侧的边缘具有凸出于该电路基板16正面的披风结构13，电路基板16背面对应该披风结构16的边缘具有圆角结构19。该引脚11设置在不具有披风结构13的一侧的电路布线层18上。

在生产时，可以按照智能功率模块10的大小将用于制作电路基板16的铝基板划分为单行并列的3个区域，每个区域对应一智能功率模块10，在每个区域内自下而上依次形成绝缘层17和电路布线层18，在电路布线层18上设置电路元件14和引脚11，该引脚11设置在不具有披风结构13的一侧的电路布线层18上。然后表面朝上，沿每相邻两区域的边界进行冲切，冲切后形成左、中、右3个智能功率模块10，其中左侧的智能功率模块10在引脚11右侧的边缘具有凸出于该电路基板16正面的披风结构13，电路基板16背面对应该披风结构16的边缘具有圆角结构19，其余的三侧边缘成直角；中间的智能功率模块10在引脚11两侧的边缘都具有凸出于该电路基板16正面的披风结构13，电路基板16背面对应该披风结构16的边缘具有圆角结构19，其余的两侧边缘成直角；右侧的智能功率模块10在引脚11左侧的边缘具有凸出于该电路基板16正面的披风结构13，电路基板16背面对应该披风结构16的边缘具有圆角结构19，其余的三侧边缘成直角。这样就可以通过披风结构16的形貌就可以判断智能功率模块10在锡膏印刷工序的位置，使得电路基板16的背面没有激光打标的损伤或喷墨的异物，提高了金属铝基板与树脂材料的结合力，避免了在长期使用过程中发生分层现象。另外本发明技术方案由于引脚11避开了凸出于电路基板16正面的披风结构13，避免了引脚11与电路基板16发生触碰的风险，保证了智能功率模块10的稳定性和安全性。

基于上述实施例，该智能功率模块10还包括金属线15，该金属线15用于在电路元件14、电路布线层18以及引脚11之间建立电连接。该金属线15同样也被封装在密封树脂12中。该金属线15优选为铝线、金线或铜线。

在上述实施例中，该智能功率模块10的电路元件14、引脚11和/或金属线15与电路布线层18焊接。可在电路布线层18涂装锡膏，然后将电路元件14、引脚11和/或金属线15安装在电路布线层18上，最后通过回流焊使锡膏固化，从而使电路元件14、引脚11和/或金属线15焊接在电路布线层18上。电路元件14、引脚11和/或金属线15与电路布线层18的焊接保证了其间具有良好的导电性和导热性。

在上述实施例中，该绝缘层17采用在环氧树脂等树脂材料中高浓度填充Al₂O₃而制成，由于填充了Al₂O₃可有效的提高绝缘层17的热导率，可提高智能功率模块的散热能力。绝缘层17的热导率优选为2.0W/m·k，以保证绝缘层17的膨胀系数与密封树脂12相匹配，防止了绝缘层17因受热而脱落。

在上述实施例中，该铝基板优选采用1100或5052型的铝材制成。该电路布线层18优选采用铜制成。

本发明进一步还提出一种智能功率模块的制造方法。

一并参照图6和图7，图6为本发明智能功率模块的制造方法的流程示意图；图7为本发明智能功率模块的制造方法中铝基板的结构示意图。

在本发明的实施例中，该智能功率模块的制造方法包括：

步骤S10，将一铝基板20划分为3并排的单元区域，如图7所示分别为第一单元区域21，第二单元区域22和第三单元区域23。每个单元区域对应一智能功率模块，在所述铝基板20正面的每个单元区域内自下而上依次形成智能功率模块的绝缘层和电路布线层，该电路布线层用于设置引脚的一侧位于所述铝基板20的边缘。

根据需要的电路布局设计大小合适的电路基板，对于一般的智能功率模块，一个的大小可选取64mm×30mm，三个的短边相连的大小为64mm×90mm，形成一个由三个智能功率模块金属电路基板组成的三联单元区域(第一单元区域21，第二单元区域22和第三单元区域23)，对铝基板20的两面进行防蚀处理。首先在铝基板20正面形成绝缘层。然后在绝缘层的表面粘贴有作为电路布线层的铜箔。再将该铜箔进行蚀刻，局部地除去铜箔，形成所述电路布线层及用于连接引脚的焊盘。该电路布线层用于设置引脚的一侧(即焊盘)位于铝基板20的边缘。

步骤S20，在所述电路布线层上焊接电路元件和引脚。

将电路元件和引脚焊接在电路布线层。

步骤S30，根据单元区域的划分，从所述铝基板20的背面对该铝基板20进行冲切，冲切后每个单元区域的铝基板20为智能功率模块的电路基板。

将铝基板20背面朝上倒扣放置，通过冲切模具，将铝基板20冲切成三块独立的电路基板，使用倒扣的方式是为了使冲切时形成的铝屑尽量少地附着在电路基板的表面。由于铝基板20受力而在冲切的位置发生形变，在铝基板20正面的冲切位置会形成披风结构，对应的在铝基板20背面形成圆角结构。冲切后，铝基板20分割为3块，冲切后每个单元区域的铝基板20为智能功率模块的电路基板。

步骤S40，对所述电路基板及设置在该电路基板上的绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行清洗，并通过金属线使所述电路布线层、电路元件和引脚之间建立电连接。

首先，将电路基板放入清洗机中进行清洗，将回流焊时残留的松香等助焊剂及冲切时残留的铝线等异物洗净，根据电路元件在电路布线的排布密度，清洗可通过喷淋或超声或两者结合的形式进行。其次，通过在电路元件和电路布线的特定位置邦定一定直径的金属线形成电连接，在此，金属线的粗细应根据邦定点的大小、所需的同流能力、元器件的可加工性等综合考虑，一般地，单根金属线的直径不应大于400μm，不应小于15μm，对于功率器件的连接，可考虑使用多根400μm的铝线并联邦定，对于功能器件的连接，可考虑使用单根38μm的铝线进行邦定，

步骤S50，通过密封树脂将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装，其中，所述引脚贯穿密封树脂并向外延伸；

首先，在无氧环境中对电路基板进行烘烤，烘烤时间不应小于2小时，烘烤温度和选择125℃。然后，将配置好引脚的电路基板搬送到模型。通过使引脚的特定部分与固定装置接触，进行电路基板的定位，从而完成密封树脂对电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚的封装。

步骤S60，对延伸出所述密封树脂的引脚进行切筋处理，形成3个智能功率模块。

根据使用的长度需要，对延伸出所述密封树脂的引脚进行切筋处理，最终形成3个智能功率模块。

本发明技术方案通过冲切金属铝基板20，形成左、中、右3个铝基板21、22、23，其中左侧的铝基板21在引脚11右侧的边缘具有凸出于该电路基板16正面的披风结构13，电路基板16背面对应该披风结构16的边缘具有圆角结构19，其余的三侧边缘成直角；中间的铝基板22在引脚11两侧的边缘都具有凸出于该电路基板16正面的披风结构13，电路基板16背面对应该披风结构16的边缘具有圆角结构19，其余的两侧边缘成直角；右侧的铝基板23在引脚11左侧的边缘具有凸出于该电路基板16正面的披风结构13，电路基板16背面对应该披风结构16的边缘具有圆角结构19，其余的三侧边缘成直角。通过查看金属铝基板20的形貌，就能判定智能功率模块在锡膏印刷工序中所处的位置，在对制造过程进行质量跟踪排查时，无需增加特殊工序，节省了设备成本和人力成本，提高了工作效率；因为锡膏印刷的工序是三个相连铝基板(21、22和23)同时进行，这样一方面提高了锡膏印刷的效率，另一方面，由于是三个相连，智能功率模块铝基板的平整度得到保证，无须精度准确的载具就能保证锡膏印刷的质量，大幅降低了生产载具的成本，提高了智能功率模块的制造合格率。

参照图8，图8为本发明智能功率模块的制造方法中焊接的流程示意图。

在上述实施例中，步骤S20具体包括：

步骤S21，在所述电路布线层上涂装锡膏。

首先，通过锡膏印刷机，使用钢网，在电路布线层的特定位置进行锡膏涂装，可直接通过铝基板20的边缘进行铝基板20在印刷机中的定位，而无须制造特殊的载具，并且铝基板20的平整度由铝材的加工精度保证，对锡膏印刷机和钢网无特殊精度要求，钢网可使用0.13mm的厚度。

步骤S22，将电路元件和引脚安装在所述电路布线层上。

进行电路元件和引脚的安装，电路元件可直接放置在所述电路布线的特定位置，而引脚则一端要安放在所述焊盘上，另一端需要载具进行固定，所述载具通过合成石等材料制成。

步骤S23，回流焊使锡膏固化，从而使电路元件和引脚焊接在所述电路布线层上。

放于载具上的铝基板20通过回流焊，锡膏固化，从而使电路元件和引脚焊接在所述电路布线层上。

在上述实施例中，可采用热硬性树脂通过传递模方式将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装，或者，采用热塑性树脂通过注入模方式将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装。合模时，在形成于模具内部的模腔中放置电路基板，然后由浇口注入密封树脂。进行密封的方法可采用使用热硬性树脂的传递模模制或使用热硬性树脂的注入模模制。而且，对应自浇口注入的密封树脂模腔内部的气体通过排气口排放到外部。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能功率模块，其特征在于，包括一电路基板、在该电路基板正面形成的绝缘层、在该绝缘层上形成的电路布线层、固定在该电路布线层上的电路元件和引脚，其中，所述电路基板正面的一侧的边缘或两相对侧的边缘具有凸出于该电路基板正面的披风结构，所述电路基板背面对应所述披风结构的边缘具有圆角结构；所述引脚设置在不具有所述披风结构的一侧的电路布线层上；所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚被封装在密封树脂中，其中，所述引脚贯穿所述密封树脂并向外延伸。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，还包括用于在所述电路元件、电路布线层以及引脚之间建立电连接的金属线，该金属线被封装在密封树脂中。

3.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述电路元件、引脚和/或金属线与电路布线层焊接。

4.如权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，还包括用于设置在电路元件与电路布线层之间的铜质的散热器，所述散热器与电路元件和电路布线层焊接。

5.如权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，所述绝缘层采用在中填充有Al₂O₃的环氧树脂材料制成。

6.如权利要求5所述的智能功率模块，其特征在于，所述绝缘层的导热率为2.0W/m·k。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述电路基板采用1100或5052型的铝材制成。

8.一种智能功率模块的制造方法，其特征在于，包括：

将一铝基板划分为3个并排的单元区域，每个单元区域对应一智能功率模块，在所述铝基板正面的每个单元区域内自下而上依次形成智能功率模块的绝缘层和电路布线层，该电路布线层用于设置引脚的一侧位于所述铝基板的边缘；

在所述电路布线层上焊接电路元件和引脚；

根据单元区域的划分，从所述铝基板的背面对该铝基板进行冲切，冲切后每个单元区域的铝基板为智能功率模块的电路基板；

对所述电路基板及设置在该电路基板上的绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行清洗，并通过金属线使所述电路布线层、电路元件和引脚之间建立电连接；

通过密封树脂将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装，其中，所述引脚贯穿密封树脂并向外延伸；

对延伸出所述密封树脂的引脚进行切筋处理，形成3个智能功率模块；

其中，经冲切后的铝基板正面的一侧的边缘或两相对侧的边缘具有凸出于该冲切后的铝基板正面的披风结构，所述引脚设置在不具有所述披风结构的一侧的电路布线层上。

9.如权利要求8所述的智能功率模块的制造方法，其特征在于，所述在所述电路布线层上焊接电路元件和引脚的步骤具体包括：

在所述电路布线层上涂装锡膏；

将电路元件和引脚安装在所述电路布线层上；

回流焊使锡膏固化，从而使电路元件和引脚焊接在所述电路布线层上。

10.如权利要求8或9所述的智能功率模块的制造方法，其特征在于，所述通过密封树脂将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装的步骤具体包括：

采用热硬性树脂通过传递模方式将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装，或者，

采用热塑性树脂通过注入模方式将所述电路基板、绝缘层、电路布线层、电路元件和引脚进行封装。