CN103378050A - 电子组件和制造电子组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本文提供电子组件和制造电子组件的方法。所述电子组件包括散热片、金属层和电绝缘层。所述金属层限定电路的至少一部分。所述电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到所述散热片。

Description

电子组件和制造电子组件的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年4月20日提交的美国临时专利申请No. 61/636,486的权益，上述申请的全部内容在此作为参考引入。
技术领域
本发明总体上涉及电子组件和制造电子组件的方法，并且更具体地涉及包括直接结合到散热片上的电绝缘层的电子组件以及制造这种电子组件的方法。
背景技术
电子组件用于宽范围的各种行业，包括机动车行业、消费产品行业等。结合和连接技术是制造这些电子组件的基本。功率模块是一类电子组件的示例，在该电子组件中，在各种部件之间形成稳固的结合部可能是挑战性的。功率模块通常包括就热量而言具有大功率损失的电子部件，诸如包括功率晶体管、二极管等的半导体芯片。这些模块可以是负责用于控制像马达的电气负载的速度和扭矩的更大电子系统的部分。
通常，功率模块包括热堆栈，其包括结合到大功率基底的多个芯片，例如，半导体芯片，所述大功率基底诸如结合到散热片的直接结合铜（DBC）基底、直接结合铝（DBA）基底或活性金属铜焊（AMB）基底。这些大功率基底相对昂贵，且通常配置为三层结构，包括置于两个金属层之间的陶瓷层。基底与散热片组装通常采用常规结合和连接技术，例如钎焊，以形成将基底结合到散热片的钎焊接头。不幸的是，钎焊接头通常在功率模块正常操作期间实现的相对高的模块温度以及基底、钎焊接头和散热片的各层的热膨胀差异下快速降级。此外，基底还可能由于在正常操作期间的这些热膨胀差异产生的应力而破裂。因而，可影响电子组件的性能和可靠性。而且，包括常规大功率基底的三层结构的电子组件可能需要附加包装空间来适应三层结构的厚度。在包装空间受限（例如，将逆变器集成到马达中）的应用中，电子组件的整体性可能受限和/或需要复杂形状，例如圆形逆变器，从而导致成本不允许的基底。
因此，期望提供成本更少和/或具有改进性能和可靠性的电子组件以及制造这种电子组件的方法。另外，期望提供在包装空间受限的应用中具有更大包装灵活性和整体性的电子组件以及制造这种电子组件的方法。此外，本发明的其它期望的特征和特点将从随后的详细描述和所附权利要求并结合附图和前述技术领域和背景技术变得明显。
发明内容
本文提供一种电子组件。在一个实施例中，所述电子组件包括散热片、金属层和电绝缘层。所述金属层限定电路的至少一部分。所述电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到所述散热片。
在另一个实施例中，所述电子组件包括散热片和金属层，所述金属层限定电路的至少一部分。电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到散热片和金属层。电绝缘层具有至少大约2 kV/mm的介电强度。芯片结合到金属层且电联接到电路。
本文提供一种制造电子组件的方法。在一个实施例中，所述方法包括步骤：形成电绝缘层，所述电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到所述散热片。电路的至少一部分在金属层中限定。
方案1. 一种电子组件，包括：
散热片；
金属层，所述金属层限定电路的至少一部分；和
电绝缘层，所述电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到所述散热片。
方案2. 根据方案1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层具有大约2 kV/mm或更大的介电强度。
方案3. 根据方案1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层具有大约8 kV/mm或更大的介电强度。
方案4. 根据方案1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层具有大约8至大约100 kV/mm的介电强度。
方案5. 根据方案1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层包含的介电材料包括瓷釉、聚合物或其组合。
方案6. 根据方案5所述的电子组件，其中，所述电绝缘层包含的瓷釉包括氧化硅和金属氧化物。
方案7. 根据方案5所述的电子组件，其中，所述电绝缘层包含的聚合物包括聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚酯、聚乙烯酯、双马来酰亚胺基聚合物、或其组合。
方案8. 根据方案5所述的电子组件，其中，所述介电材料包括填料，所述填料包括氧化铝、氮化硼、氧化镁、碳化硅、硅、氮化铝、氧化铍或其组合。
方案9. 根据方案1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层具有大约0.1至大约0.7 mm的厚度。
方案10. 根据方案1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层具有大约0.3 W/m°K或更大的导热率。
方案11. 根据方案1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层直接结合到金属层。
方案12. 根据方案1所述的电子组件，还包括电联接到所述电路的芯片。
方案13. 根据方案12所述的电子组件，其中，所述芯片用钎料或烧结金属结合到金属层。
方案14. 一种电子组件，包括：
散热片；
金属层，所述金属层限定电路的至少一部分；
电绝缘层，所述电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到散热片和金属层，并具有至少大约2 kV/mm的介电强度；和
芯片，所述芯片结合到金属层且电联接到电路。
方案15. 一种制造电子组件的方法，所述方法包括步骤：
形成电绝缘层，所述电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到所述散热片；以及
在金属层中限定电路的至少一部分。
方案16. 根据方案15所述的方法，其中，形成步骤包括：
将电绝缘体形成材料涂覆到散热片上；以及
干燥、加热和/或固化所述电绝缘体形成材料以形成电绝缘层。
方案17. 根据方案16所述的方法，其中，所述电绝缘体形成材料是瓷釉涂层，且其中，形成步骤包括：
将瓷釉涂层涂覆到散热片上；以及
干燥和/或加热所述瓷釉涂层以形成电绝缘层。
方案18. 根据方案16所述的方法，其中，所述电绝缘体形成材料是未固化聚合材料，且其中，形成步骤包括：
将未固化聚合材料涂覆到散热片上；以及
加热和/或固化所述未固化聚合材料以形成电绝缘层。
方案19. 根据方案18所述的方法，其中，涂覆未固化聚合材料的步骤包括将胶黏片设置在散热片上。
方案20. 根据方案16所述的方法，其中，涂覆电绝缘体形成材料包括：
使用液体分配过程、喷涂过程或层压过程沉积电绝缘体形成材料。
附图说明
在下文中，将结合下列附图描述实施例，其中相似的附图标记表示相似的元件，并且其中：
图1是根据实施例的在制造稍后阶段的电子组件的平面图；
图2是根据实施例的沿图1所示的线2-2的电子组件的截面图；
图3是根据实施例的制造电子组件的方法的流程图；和
图4以截面图示意性地图示根据实施例的在制造中间阶段期间的电子组件。
具体实施方式
下列详细描述在性质上仅仅是示例性的并且不旨在限制本发明或应用以及使用。此外，并不旨在受限于前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中提出的任何理论。
本文设想的各个实施例涉及电子组件和制造电子组件的方法。与现有技术不同，本文所述的实施例提供具有在散热片和金属层之间形成的电绝缘层的电子组件。电绝缘层直接结合到散热片。在一个实施例中，电绝缘层由介电材料（例如，瓷釉或聚合物）形成，其在散热片和金属层两者的表面上直接干燥、加热和/或固化，以将电绝缘层附连到这些表面，而不使用钎料或其它结合或连接材料。
在实施例中，金属层形成图案和蚀刻，以例如限定电路的至少一部分。芯片例如使用钎料、烧结金属等结合到金属层，且电联接到电路。电绝缘层将散热片与金属层中形成的电路电隔离。因而，电绝缘层和金属层作为配置为双层结构的大功率基底有效地一起工作。在一个实施例中，该双层结构比常规大功率基底（例如，DBC基底、DBA基底和AMB基底）的三层结构更便宜。此外，电绝缘层不需要使用钎料或其它结合或连接材料来结合到散热片，因而，消除了否则将用于结合到散热片的任何结合或连接材料（例如，钎焊接头）的降级。此外，在一个实施例中，双层结构具有比常规大功率基底的三层结构更少的带有不同热膨胀的层，因而，在电子组件正常操作期间产生较少应力，从而减少、最小化或消除层之间的破裂。同样，由于双层结构具有比常规大功率基底的三层结构更少的层，电子组件的总体厚度可以减少，从而允许在包装空间受限的应用中更大包装灵活性和整体性。
图1是根据实施例的电子组件10的平面图。图2是沿图1所示的线2-2的电子组件10的截面图。如图所示，电子组件10显示在稍后制造阶段。电子组件的制造的各个步骤是熟知的，从而为了简便，许多常规步骤将仅仅在本文简单提及或者完全省去，而不提供熟知过程细节。电子组件10包括芯片12、金属层14、电绝缘层16和散热片18。要注意到，电子组件10的所示部分仅仅包括单个芯片12，但是本领域技术人员将认识到，实际电子组件可包括多个芯片。
芯片12可以是例如包括功率晶体管、二极管和/或类似物的半导体芯片，或任何其它电子装置。金属层14限定电路20的至少一部分。如图所示，芯片12经由多个线结合部22电联接到电路20，且经由结合接头24结合到金属层14的表面23。结合接头24可以由钎料形成以限定钎焊接头，或者可选地可以由烧结金属或本领域技术人员已知的其它结合或连接材料形成。
在实施例中，如下文更详细所述，电绝缘层16直接结合到散热片18。如图所示，电绝缘层16还直接结合到金属层14。因而，电子组件10形成热堆栈26，用于将热量从芯片12传递到散热片18。散热片18包括多个通道28，冷却剂（例如，空气、水、水和乙二醇化合物等）可以流动通过所述通道28，例如经由自然对流或强制对流。具体地，当电子组件10操作时，通过通道28的冷却剂流降低散热片18的温度，继而降低电绝缘层16、金属层14和芯片12的温度。
电绝缘层16包括介电材料且将散热片18与金属层14中形成的电路20电隔离。电绝缘层16的厚度（由双头箭头30表示）和介电属性被调节，使得电绝缘层16具有相对高的介电强度，用于电隔离。在实施例中，电绝缘层16具有大约2 kV/mm或更大的介电强度，例如大约8 kV/mm或更大，例如大约8至大约100 kV/mm。在一个实施例中，电绝缘层16的厚度30为大约0.1至大约0.7 mm。
在一个实施例中，电绝缘层16的介电材料包括瓷釉和/或聚合物。例如，电绝缘层16的介电材料可以是包括氧化硅和金属氧化物的瓷釉。可选地，电绝缘层16的介电材料可以是聚合物或多种聚合物，例如聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚酯、聚乙烯酯和/或双马来酰亚胺基聚合物（例如聚二甲基硅氧烷）。
在实施例中，电绝缘层16具有相对高的导热率。在一个示例中，电绝缘层16具有大约0.3 W/m°K或更大的导热率，例如大约0.3至大约1000 W/m°K或更大。具有相对高电阻（例如大约102至大约1014（ohms cm）或更大）和相对高导热率（例如大约30至大约300 W/m°K或更大）的填料可以散布或以其他方式包含在介电材料中，以增加电绝缘层16的导热率，同时保持适合于电隔离的介电属性。在一个实施例中，填料包括氧化铝、氮化硼、氧化镁、碳化硅、硅、氮化铝和/或氧化铍。
参考图3和4，根据各个实施例，分别提供制造电子组件10的方法100的流程图和在制造中间阶段期间电子组件10的截面示意图。如图所示，电子组件10通过形成（步骤102）位于散热片18和金属层14之间的电绝缘层16来制造。电绝缘层16直接结合到散热片18。在一个实施例中，电绝缘层16通过将电绝缘体形成材料32涂覆到散热片18上而形成。电绝缘体形成材料32可以是瓷釉涂层或未固化聚合材料，例如，未固化胶黏片或聚合涂层。电绝缘体形成材料32可以使用液体分配过程、喷涂过程或层压过程沉积或设置到散热片18的表面34上。金属层14在将电绝缘体形成材料32沉积或设置到散热片18上之前、期间或之后沿电绝缘体形成材料32设置。电绝缘体形成材料32然后干燥、加热和/或固化以形成电绝缘层16。在一个示例中，电绝缘体形成材料32是使用液体分配过程或喷涂过程沉积到散热片18上的瓷釉涂层，且然后干燥和/或加热以形成电绝缘层16。在另一个示例中，电绝缘体形成材料32是使用液体分配过程或喷涂过程沉积到散热片18上的聚合物涂层，且然后加热和/或固化以形成电绝缘层16。在又一个示例中，电绝缘体形成材料32是使用层压过程设置在散热片18上的未固化胶黏片，且然后加热和/或固化以形成电绝缘层16。
在一个实施例中，在金属层14中限定（步骤104）电路20（参见图1）的至少一部分。虽然在金属层14中限定（步骤104）电路20图示在形成（步骤102）电绝缘层16之后发生，但是可以可选地在形成（步骤102）电绝缘层16之前或期间在金属层14中限定（步骤104）电路20。在一个实施例中，使用熟知的平版印刷和蚀刻技术或者可选地使用本领域技术人员已知的其它电路形成技术在金属层14中形成（步骤104）电路20。
过程如上文结合图1和2所述继续，通过使用熟知的结合和连接技术在芯片12和金属层14之间形成结合接头24，例如钎焊接头、烧结金属等。芯片12经由多个线结合部22或本领域技术人员已知的其它互连件电联接到电路20，以形成如图1和2所示的电子组件10。
因而，已经描述电子组件和制造电子组件的方法。与现有技术不同，本文所述的实施例提供具有在散热片和金属层之间形成的电绝缘层的电子组件。在一个实施例中，电绝缘层直接结合到散热片和金属层，而不使用钎料或其它结合或连接材料。金属层限定电路的至少一部分。芯片例如使用钎料、烧结金属等结合到金属层，且电联接到电路。电绝缘层将散热片与金属层中形成的电路电隔离。因而，电绝缘层和金属层可以作为成本有效的双层基底结构有效地一起工作。此外，电绝缘层不需要使用钎料或其它结合或连接材料来结合到散热片，因而，消除了否则将用于结合到散热片的任何结合或连接材料（例如，钎焊接头）的降级。此外，在一个实施例中，双层结构具有比常规大功率基底的三层结构更少的带有不同热膨胀的层，因而，在电子组件正常操作期间产生较少应力，从而减少、最小化或消除层之间的破裂。同样，由于双层结构具有比常规大功率基底的三层结构更少的层，电子组件的总体厚度可以减少，从而允许在包装空间受限的应用中更大包装灵活性和整体性。
虽然已经在上述详细描述中阐述了至少一个实施例，但应当理解，存在大量的变型。还应当理解的是，实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式对本公开的范围、应用或构造构成限制。相反，上述详细描述将向本领域的技术人员提供应用实施例的便捷路径。应当理解，可对元件的功能及设置进行各种改变而不脱离所附权利要求及其合法等价物界定的本公开范围。

Claims (10)

1.一种电子组件，包括：
散热片；
金属层，所述金属层限定电路的至少一部分；和
电绝缘层，所述电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到所述散热片。
2.根据权利要求1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层具有大约2 kV/mm或更大的介电强度。
3.根据权利要求1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层具有大约8 kV/mm或更大的介电强度。
4.根据权利要求1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层具有大约8至大约100 kV/mm的介电强度。
5.根据权利要求1所述的电子组件，其中，所述电绝缘层包含的介电材料包括瓷釉、聚合物或其组合。
6.根据权利要求5所述的电子组件，其中，所述电绝缘层包含的瓷釉包括氧化硅和金属氧化物。
7.根据权利要求5所述的电子组件，其中，所述电绝缘层包含的聚合物包括聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚酯、聚乙烯酯、双马来酰亚胺基聚合物、或其组合。
8.根据权利要求5所述的电子组件，其中，所述介电材料包括填料，所述填料包括氧化铝、氮化硼、氧化镁、碳化硅、硅、氮化铝、氧化铍或其组合。
9.一种电子组件，包括：
散热片；
金属层，所述金属层限定电路的至少一部分；
电绝缘层，所述电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到散热片和金属层，并具有至少大约2 kV/mm的介电强度；和
芯片，所述芯片结合到金属层且电联接到电路。
10.一种制造电子组件的方法，所述方法包括步骤：
形成电绝缘层，所述电绝缘层设置在散热片和金属层之间，且直接结合到所述散热片；以及
在金属层中限定电路的至少一部分。
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