CN103633053A - 一种智能功率模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电子器件技术领域，提供了一种智能功率模块及其制造方法，该模块包括金属基板、覆盖于金属基板一表面的绝缘层、形成于绝缘层上的电路布线、配置在电路布线上预设部位的电路元件，以及与电路布线相连接的引脚，还包括贯穿绝缘层并延伸至金属基板中的凹孔，电路布线与凹孔的底部通过一金属线相连接，凹孔中填充有已固化的导电物质，金属线与凹孔底部相连接的尾部埋于导电物质中，金属基板的至少具有电路元件的一面被密封。本发明中的凹孔填充有导电物质，使金属线与凹孔底部的连接不仅依靠二者的键合力，更通过导电物质的粘合力得以加强，实现了金属线与金属基板的可靠连接，并且促进了模块的小型化，并控制了加工难度和成本的增加。

Description

一种智能功率模块及其制造方法

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，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（Intelligent Power Module，IPM）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。IPM将功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，并内设有过电压、过电流和过热等故障检测电路。IPM一方面接收MCU的控制信号，驱动后续电路工作，另一方面将系统的状态检测信号送回MCU。与传统分立方案相比，IPM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的电力电子器件。

如图1、2所示，现有的IPM具有如下结构，其包括：电路基板101，电路基板101的表面上设有绝缘层102，在绝缘层102上形成有电路布线103，电路布线103上还固定有若干电路元件104，电路元件104和电路布线103之间通过金属线105连接，另外，自电路布线103引出了若干引脚106，该IPM由密封结构107密封。

参考图3，电路基板101具有若干露出部1011，露出部1011与电路布线103之间通常由一根金属线108连接，通过电连接电路基板101和电路布线103可以使两者的电位近似，减少电路噪声对电路元件产生的不良影响。

进一步参考图3，传统的IPM中，露出部1011是金属基板101外露于绝缘层102的部位，一般使用钻孔工具在绝缘层102上钻孔形成，露出部1011的底部在钻孔后为粗糙面，如果直接邦金属线108，会导致金属线108和露出部1011的粘结力较低，即使使用200μm以上的粗线进行邦定，在长期使用过程中，也会因各种材料膨胀系数不同而存在断线的可能。

参考图4，为了确保金属线108和露出部1011稳定粘结，现有技术在邦定金属线前，一般先使用压平设备109将露出部1011的底部压平。但这种做法增加了压平设备，而且对压平的力度、接触的速度、压平位置的精度要求很高，此种设备的设计难度较大、制造成本较高，对操作员的操作要求也较高，使用这种方法对底部进行压平处理，无疑增加了IPM的制造成本和制造难度及合格率。而且这种方法仍然是利用金属线108和金属基板101之间的键合力来实现固定，在比较恶劣的工况下长期使用，仍然有断线的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能功率模块，实现金属基板和电路布线之间的可靠连接，改善智能功率模块的稳定性，同时有效控制制造难度和制造成本的增加。

本发明是这样实现的，一种智能功率模块，包括金属基板、覆盖于所述金属基板一表面的绝缘层、形成于所述绝缘层上的电路布线、配置在所述电路布线上预设部位的电路元件，以及与所述电路布线相连接的引脚，还包括贯穿所述绝缘层并延伸至所述金属基板中的凹孔，所述电路布线与所述凹孔的底部通过一金属线相连接，所述凹孔中填充有已固化的导电物质，所述金属线与所述凹孔底部相连接的尾部埋于所述导电物质中，所述金属基板的至少具有电路元件的一面被密封。

本发明的另一目的在于提供一种智能功率模块的制造方法，包括下述步骤：

取一金属基板，并在其一表面上设置绝缘层；

在所述绝缘层的表面上形成电路布线；

加工贯通所述绝缘层并延伸至所述金属基板中的凹孔；

在所述电路布线的预设部位设置电路元件及引脚；

在所述电路布线和所述凹孔的底部之间绑定金属线；

向已经邦定所述金属线的所述凹孔中注入导电物质，使所述导电物质覆盖所述金属线的绑定线尾；

固化所述导电物质；

将所述金属基板密封。

本发明提供的智能功率模块具有一自绝缘层延伸至金属基板中的凹孔，凹孔中填充有固化的导电物质，将金属线的绑定尾端埋于其中，使金属线与凹孔底部的连接不仅依靠二者的键合力，更通过导电物质固化后的粘合力得以加强；

另外，由于本发明通过导电物质实现了金属线与金属基板的完全可靠连接，故可以将金属线做的很细，自金属线与凹孔底部的连接点到凹孔的侧壁之间的距离也得以减小，这样不仅节约了金属线的成本，也可将凹孔的直径做的更小，进而促进模块的小型化。

同样的，通过本发明提供的制造方法获得的智能功率模块实现了金属线与金属基板的可靠连接，提高了智能功率模块的稳定性，并且不需要压平设备，也不需要严格控制压平力度、速度及接触位置等，有效控制了加工难度和加工成本的增加，适合用于批量生产。

附图说明

图1是现有技术中智能功率模块的立体图；

图2是现有技术中智能功率模块的剖视图；

图3是现有技术中智能功率模块中金属基板与电路布线的一种结构的示意图；

图4是现有技术中智能功率模块中将金属基板露出部压平的示意图；

图5是本发明实施例智能功率模块的立体图；

图6是本发明实施例智能功率模块的剖视图；

图7是本发明实施例智能功率模块去除密封结构的立体图；

图8是本发明实施例智能功率模块中金属基板与电路布线的连接结构的示意图；

图9是本发明实施例智能功率模块的制作流程图；

图10是与图9所示制作流程图中各步骤相对应的结构参考图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

参考附图5~8，该智能功率模块包括金属基板10，在金属基板10的一个表面上覆盖有绝缘层11，在绝缘层11的表面上设有电路布线12，在电路布线12上的若干预设部位设有若干电路元件13，电路元件13与电路布线12之间通过导线14实现电连接。并且，电路布线12的相应部位连接有用于电信号输入和输出的引脚15。其中，电路布线12与金属基板10之间还通过一金属线16相连，使两者的电位近似，减少寄生电容和电路噪声对电路元件产生的不良影响，为了实现电路布线12与金属基板10之间的电连接，本实施例在绝缘层11向金属基板10的方向开设了一个或多个凹孔17，如图6，该凹孔17贯穿绝缘层11并向金属基板10延伸一定距离，金属线16的一端连接电路布线12，另一端则绑定在凹孔17的底部171处，并且，在凹孔17中还填充有已固化的导电物质18，导电物质18将金属线16的绑定尾部埋于其中，以加强固定效果。

一般情况下，智能功率模块的外部需要密封，以对金属基板10及其承载的电路及元件进行保护。

作为一种实现方式，可以在金属基板10设有电路布线12、电路元件13等部件的一面设置密封结构19，仅将金属基板10的背面露出，这样有利于模块散热。

作为另一种实现方式，可以将金属基板10的两面均密封，密封结构19将整个金属基板10及其承载的全部元件完全密封，这样可以避免水汽的进入。在实际制造时，可以根据需要选择合适的密封方式。

本实施例提供的智能功率模块具有一自绝缘层11延伸至金属基板10中的凹孔17，凹孔17中填充有固化的导电物质18，将金属线16的绑定尾端埋于其中，使金属线16与孔洞底部的连接不仅依靠二者的键合力，更通过导电物质18固化后的粘合力得以加强；并且，由于导电物质18具有导电能力，即使金属线16的绑定端与凹孔17的底部绑定不良，也可以通过导电物质18的粘合力保证金属线16与金属基板10之间的可靠连接，进而有效加强了智能功率模块的稳定性。

另外，传统的智能功率模块中，用于连接电路布线和金属基板的导线一端与金属基板露出部的底部连接，未采用任何加固方式，为了加强连接，只能采用较粗的导线，通常要大于200μm，而这样就要增大露出部的直径，自导线与露出部的连接点到露出部的侧边之间的距离要大于3mm。而本实施例通过导电物质18实现了金属线16与金属基板10的完全可靠连接，可以将金属线16做的很细，直径可减小到40μm以下，自金属线16与凹孔底部171的连接点到凹孔17的侧壁之间的距离可小于1mm，这样不仅节约了金属线的成本，也可将凹孔17的直径做的更小，进而促进模块的小型化。

在本实施例中，电路元件13可以采用晶体管或二极管等有源元件、或者电容或电阻等无源元件。另外，也可以通过由铜等材料制成的散热器将发热量大的元件固定在电路布线12上。另外，电路布线12可以在金属基板10的边缘处形成多个并排分布的焊盘121，引脚15则与焊盘121一一连接，用于与外部进行电信号的传输。在本实施例中，金属基板10的至少一边上设有多个焊盘121，即至少一边连接有多条引脚15，引脚15和焊盘121可以通过焊锡等导电性粘结剂粘结，导电性粘结剂还可以选择银胶等。

在本实施例中，导电物质18的厚度可以为凹孔17深度的1/3~2/3，保证将金属线16的绑定尾部完全覆盖，并且避免导电材料浪费，也方便在制造过程中控制用量，为导电材料的相变提供一定的空间。

在本实施例中，绝缘层11的材料可选择环氧树脂，并均匀掺杂较高浓度的氧化铝，以提高绝缘层11的热导率，改善智能功率模块的散热效果。

进一步的，金属线16与金属基板10可选择相同的材料，具体可以采用铝材，采用相同材料既可以方便制造，又可以避免不同材料的电导率不同而影响电路布线12和金属基板10之间的电连接。

为了详细说明该智能功率模块的制造过程，本发明进一步提供一种智能功率模块的制造方法，结合附图9及图10中的（A）~（F），该制造方法包括下述步骤：

参考图10中的图（A）：

在步骤S101中，取一金属基板10，并在其一表面上设置绝缘层11；

在此步骤中，根据需要的电路布局选取大小合适的金属基板10，具体可以是铝基板但不限于此，对于一般的智能功率模块，可选取64mm×30mm大小的铝基板，尺寸合适的铝基板可以通过直接对1m×1m的铝材进行冲切等方式形成，也可通过先将1m×1m的铝材形成V槽，然后剪切形成。

选取好金属基板10后，对基板的两面进行防蚀处理，然后在金属基板10的至少一个表面上设置绝缘层11。绝缘层11的材料可选择环氧树脂，并均匀掺杂较高浓度的氧化铝，以提高绝缘层的热导率，改善智能功率模块的散热效果。

在步骤S102中，在绝缘层11的表面上形成电路布线12；

在此步骤中，可以在绝缘层11的表面粘贴用于形成导电图案的铜箔，然后对铜箔进行蚀刻，局部除去铜箔，形成具有预设图案的电路布线12及焊盘121。

参考图10中的图（B）：

在步骤S103中，加工贯通绝缘层11并延伸至金属基板10中的凹孔17；

在此步骤中，可以通过钻孔工具20（优选前端平坦的铣刀）自绝缘层11向金属基板10高速向下旋转而形成凹孔17。若采用铝基板，由于铝是具有粘性的金属，故形成的凹孔17的底部171为粗糙面。通过钻孔，使绝缘层11被贯通，同时该凹孔17向下延伸至金属基板10中一定距离。

在本实施例中，当绝缘层11中含有氧化铝等无机填料时，会使得绝缘层11十分坚固。因此，对铣刀的磨损非常快，钻头的直径越小，磨损越显著。因此，在考虑批量生产时，最好使用直径较粗的铣刀。同时，当考虑铝基板的小型化时，最好将铣刀的直径减小，以减小凹孔的直径。综合上述因素，最好使用直径为1.5mm左右的铣刀来加工凹孔。该直径可在某种程度减小凹孔占有的面积，同时可大幅减小铣刀的磨损，从而提高可生产性。

以上参考图10中的图（C）：

在步骤S104中，在电路布线12的预设部位设置电路元件13及引脚15；

在此步骤中，可以通过焊锡等焊料将电路元件13和引脚15安装在电路布线12的规定位置。

在本实施例中，步骤S103和S104的先后顺序不必严格限制，但考虑到若先进行步骤S104，将电路元件13及引脚15设置好之后再进行步骤S103—加工凹孔17，不方便加工，还可能会在加工过程中对电路元件13和引脚15造成伤害，因此本实施例优选先进行步骤S103。

参考图10中的图（D）：

在步骤S105中，在电路布线12和凹孔17的底部171之间绑定金属线16；

在此步骤中，可以采用接线设备将金属线16的两端分别连接于电路布线12上和凹孔17的底部。另外优选的，在进行电路布线12和凹孔17底部之间的绑线操作时，最好同时进行电路布线12和电路元件13之间的引线结合，采用导线14将电路布线12和电路元件13连接。

在本工序中，可以采用相同设备使用相同的金属线连接凹孔底部171和电路布线12以及电路布线12和电路元件13，这样可以大幅提高生产率。另外，金属线16和导线14的材料可采用和金属基板10相同的材料，如铝材。

当然，以上仅为本实施例的一种优选的实现方式，在电路布线12和凹孔17的底部171之间绑定金属线16的步骤和在电路布线12和电路元件13之间绑定导线14的步骤可以不同时进行。

参考图10中的图（E）：

在步骤S106中，向已经邦定金属线16的凹孔17中注入导电物质18，使导电物质18覆盖金属线16的绑定线尾；

在此步骤中，可以通过注入量受控的装置21，如带有刻度的注胶头，其出胶口径小于凹孔17的直径，对准凹孔17注入导电物质18，具体是一种导电性粘结剂，可选银胶。注胶深度应超过金属线16的邦定线尾，但低于孔洞的深度，优选为孔洞深度的1/3~2/3。由于导电性粘结剂具有一定的流动性，因此从本工序开始直到导电性粘结剂被固化的工序结束，需保持金属基板10开有凹孔17的面朝上。

在步骤S107中，固化导电物质18；

在此步骤中，优选在无氧环境中对金属基板10进行烘烤，烘烤时间不应小于2小时，烘烤温度可选择125℃。在此，烘烤的目的是去除金属基板10、电路布线12和电路元件13等表面附着的水汽，并且使注入凹孔17中的导电物质18固化。采用无氧环境是为了避免在加热条件下金属基板10和电路元件13的表面被氧气氧化。

参考图10中的图（F）：

在步骤S 108中，将金属基板10密封。

在经过烘烤固化步骤后，要将金属基板10密封，使金属基板10表面的所有元件密封。具体的，选取一合适的模具22，在下模上放置金属基板10，闭合模具22，使金属基板10处于模具22内部的模腔222中，然后由模具22的浇口221注入密封材料，如环氧树脂。具体可通过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，模腔222内部的气体可通过排气口排放到外部。

在本实施例中，对金属基板10的密封可以采用全密封方式，将整个金属基板10及其承载的全部元件密封，以改善防潮性；也可以采用半密封方式，仅密封金属基板10设有电路布线13的一面，而将另一面露出，以改善导热性。

经过上述的工序后，密封好的金属基板10再经过切脚成型等工序最终形成完整的制品。

通过上述方法获得的智能功率模块中，金属线16与金属基板10之间的连接更为牢固，实现了金属基板10与电路布线12的可靠连接，提高了智能功率模块的稳定性。并且，该方法不需要采用压平设备，加工难度和成本均得到有效的控制，适合批量生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种智能功率模块，包括金属基板、覆盖于所述金属基板一表面的绝缘层、形成于所述绝缘层上的电路布线、配置在所述电路布线上预设部位的电路元件，以及与所述电路布线相连接的引脚，其特征在于，

还包括贯穿所述绝缘层并延伸至所述金属基板中的凹孔，所述电路布线与所述凹孔的底部通过一金属线相连接，所述凹孔中填充有已固化的导电物质，所述金属线与所述凹孔底部相连接的尾部埋于所述导电物质中，所述金属基板的至少具有电路元件的一面被密封。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，还包括将所述金属基板设有所述电路布线的一面密封的密封结构。

3.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，还包括将所述金属基板整体密封的密封结构。

4.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述导电物质的厚度为所述凹孔的深度的1/3~2/3。

5.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述绝缘层的材料为环氧树脂，并均匀掺杂有氧化铝。

6.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述金属线与所述金属基板的材料相同。

7.如权利要求1至6任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述金属线的直径小于40μm，所述金属线与所述凹孔底部的连接位至所述凹孔的侧壁的距离小于1mm。

8.一种智能功率模块的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

取一金属基板，并在其一表面上设置绝缘层；

在所述绝缘层的表面上形成电路布线；

加工贯通所述绝缘层并延伸至所述金属基板中的凹孔；

在所述电路布线的预设部位设置电路元件及引脚；

在所述电路布线和所述凹孔的底部之间绑定金属线；

向已经邦定所述金属线的所述凹孔中注入导电物质，使所述导电物质覆盖所述金属线的绑定线尾；

固化所述导电物质；

将所述金属基板密封。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在进行所述的在所述电路布线和所述凹孔的底部之间绑定金属线的步骤时，同时进行下述步骤：

采用绑定所述金属线的设备在所述电路布线和所述电路元件之间绑定电连接线。

10.如权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于，所述加工贯通所述绝缘层并延伸至所述金属基板中的凹孔的步骤具体为：

采用前端平坦的铣刀自所述绝缘层向所述金属基板钻孔，所述钻孔的深度大于所述绝缘层的厚度。

11.如权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于，所述固化所述导电物质的步骤具体为：

在无氧环境中对所述金属基板进行烘烤，使所述导电物质固化，同时去除所述金属基板、电路布线及电路元件表面的水汽。

12.如权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于，所述将所述金属基板密封的步骤具体为：

将所述金属基板设有电路布线的表面密封，使未设有所述电路布线的表面外露。

13.如权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于，所述将所述金属基板密封的步骤具体为：

将所述金属基板整体密封。

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