CN103715106A - 一种智能功率模块的制造方法及智能功率模块 - Google Patents
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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的制造方法，包括下述步骤：选取金属基板，在其上设置绝缘层及电路布线，在电路布线上安装电路元件和引脚，使引脚的走向逐渐向上倾斜；将金属基板置于封装模具中，通过第一固定装置将引脚固定于水平面上，使金属基板的表面相对水平面倾斜；配置平行于水平面的金属压块，并将金属压块压于金属基板上，使之平行于水平面；向模具中注入封装材料密封基板。本发明通过金属压块实现金属基板在封装模具中的准确定位，可避免在封装结构中留下孔洞，提高了封装的致密性。完成封装后，可直接采用简单的测量工具测量金属压块在封装结构中的位置得知金属基板在封装模具中的位置，方便后续检查。
Description
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的制造方法及智能功率模块。
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。
中国专利申请CN02125143.6公开了一种现有的IPM结构，如图1、2，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，还设有同电路布线103相连接的若干引脚106，该IPM由密封结构107密封。密封的方法包括使用热塑性树脂的注入模模制和使用热硬性树脂的传递模模制。对于小型的智能功率模块，一般使用传递模的形式进行封装。
由于智能功率模块对热导率的要求较高，所以在封装时对电路基板101的位置控制非常重要。如图3，在进行传递模封装时，通常将用于固定电路基板101的压销110按压的部分设置在电路基板101的外周部上，使压销110按压在电路基板101未设电路布线103和电路元件104的部分。在封装完成后，压销110插入封装结构中的区域会形成一通向电路基板101表面的孔111。工作人员可以通过确认孔111的深度和位置确认电路基板101在封装材料中的位置，对于封装位置不合格的模块给予淘汰处理。
但是采用这种方法进行定位时，由于孔111的存在，必然会影响智能功率模块封装的致密性，在长期使用中，水汽会通过孔111腐蚀电路基板101的露出部分，并通过孔111与电路基板101间被腐蚀后的缝隙进入电路基板101的原密封部分，一旦水汽接触到电路布线103或电路元件104，将破坏电路布线和电路元件，严重时还会发生短路或断路，使智能功率模块失效，从而造成使用智能功率模块的设备损坏。
另外，这种通过孔111观察电路基板101的封装位置的方法，由于孔111直径较小，并且孔的位置在密封树脂中间，不易观察和测量高度，一般需要采用光学检测设备等昂贵的仪器确定，这样又增加了智能功率模块的制造成本及加工难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能功率模块的制作方法，旨在有效定位电路基板的封装位置，并避免封装后在封装结构中留下孔洞，提高智能功率模块的封装致密性，提高智能功率模块的长期可靠性，同时便于检查封装位置。
本发明是这样实现的，一种智能功率模块的制作方法，包括下述步骤：
选取一金属基板，在所述金属基板上依次叠层设置绝缘层及电路布线，在所述电路布线之上安装电路元件，并使所述电路元件与所述电路布线相连接；
在所述电路布线上安装引脚，且使所述引脚的走向相对所述金属基板的表面逐渐向上倾斜；
将所述金属基板放置于封装模具中，通过所述封装模具上的第一固定装置将所述引脚固定于一水平面上，使所述金属基板的表面相对水平面倾斜；
通过所述封装模具上的第二固定装置配置平行于水平面的金属压块，并将所述金属压块压于所述金属基板配置电路布线和电路元件以外的区域，使所述金属基板平行于水平面；
将封装模具合模，向所述封装模具中注入封装材料，将所述金属基板密封；
其中，所述金属压块的硬度大于所述引脚的硬度；
所述第一固定装置的位置根据预设的金属基板在所述封装模具中的水平位置设定；
所述第二固定装置的位置根据预设的金属基板在所述封装模具中的竖直位置设定。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制成的智能功率模块，包括金属基板，在所述金属基板上依次叠层设有绝缘层及电路布线，在所述电路布线上设有与所述电路布线相连接的电路元件，所述电路布线连接有引脚；
在所述金属基板配置电路布线和电路元件以外的区域设有硬度大于所述引脚的金属压块；
所述金属基板至少具有所述电路布线的一面由封装结构进行无孔密封，所述引脚和金属压块延伸至所述封装结构之外。
本发明提供的制造方法通过第一固定装置将金属基板固定在预设的水平位置，并通过金属压块将金属基板固定在预设的竖直位置，实现金属基板在封装模具中的准确定位；该方法可避免在封装结构中留下孔洞，提高了封装的致密性，进而避免水汽沿孔洞渗入而腐蚀金属基板及电路，保证了智能功率模块的长期可靠性，并且由于消除了孔洞，也提高了智能功率模块的可装配性；
另外，完成封装后，可直接采用直尺等简单的测量工具测量金属压块露出部分相对封装结构的上、下及侧面的距离而得知金属基板在封装模具中的位置，方便后续检查。
通过上述方法制成的智能功率模块由于金属压块自封装结构伸出，在装配智能功率模块时，金属压块可与引脚一样被焊接在电路板上，有助于智能功率模块的固定，使智能功率模块和外部电路、散热器等进行更可靠的连接，进一步提高智能功率模块的长期可靠性。
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的封装方法示意图；
图4是本发明实施例智能功率模块的制作流程图；
图5a~5h是与图4所示制作流程图中各步骤相对应的结构参考图；
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的平面结构示意图。
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：
图4示出了本发明实施例提供的智能功率模块的制作方法流程图，图5示出了与该方法中各步骤相对应的结构图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
参考图4、5，该方法包括下述步骤：
在步骤S101中，选取一金属基板11，在金属基板11上依次叠层设置绝缘层12及电路布线13，在电路布线13之上安装电路元件14，并使电路元件14与电路布线13相连接，如图5a~图5c。
优选的，该步骤具体可以通过以下方法实现：
第一步，根据需要的电路布局准备大小合适的金属基板11，对其两面进行防蚀处理。
该金属基板11优选为铝基板，对于常规的智能功率模块可选取64mm×30mm大小的铝基板。在此，大小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，也可通过先在1m×1m的铝材上形成V槽，然后沿V槽剪切形成大小合适的铝基板。
第二步，在金属基板11的至少一个表面上设置绝缘层12，并在绝缘层12的表面粘贴用于制作电路布线13的铜箔，然后对铜箔进行蚀刻，局部地除去铜箔，形成电路布线13。
在本实施例中，绝缘层12可采用环氧树脂等材料制作，并可以在环氧树脂材料内掺杂高浓度的氧化铝等材料，以提高其热导率。
第三步，通过焊锡等焊料将电路元件14安装在电路布线13的规定位置，并在电路元件14和电路布线13之间绑定电连接线15。
在本实施例中，电路布线13可以形成有若干焊盘131，具体可以在金属基板11的一边设置多个并行排列的焊盘131，用于连接并排排列的引脚16。引脚16和焊盘131之间可以通过焊锡等导电粘结剂焊接。
在本实施例中，可以采用金属线（铝线、金线或铜线等）邦定电路元件和电路布线，还可以采用金属线将金属基板11和电路布线13或电路元件14建立电连接关系。
在本实施例中，电路元件14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，也可以通过由铜等制成的散热器将功率元件等发热量大的元件固定在金属基板11上。
在步骤S102中，在电路布线13上安装引脚16，且使引脚16的走向相对金属基板11的表面逐渐向上倾斜，如图5d。
作为该步骤的一种优选的实现方式：
首先，将金属基板11放置在一个发热的平面上，对金属基板11进行预热，发热平面的温度不宜过低，否则起不到预热的效果，也不宜过高，以免将已经焊接好的焊料融化，对于锡膏焊料，可设为95~105℃，优选为100℃。
然后，将引脚16预与电路布线13接触的部分粘上锡膏，为了提高焊接质量，还可以粘上助焊剂，并放置在适当位置。
最后，通过压焊的方式将金属基板11上的电路布线13和引脚16连接在一起。压焊头的焊接温度可设为280~320℃，优选为300℃，保证锡膏充分融化，压焊时间不超过5秒，保证金属基板11是被局部加热。需要注意的是，引脚16需设计为不平行于金属基板11的形式，其走向相对金属基板11的表面向上倾斜。
在步骤S103中，将金属基板11放置于封装模具20中，通过封装模具20上的第一固定装置201将引脚16固定于一水平面上，使金属基板11的表面相对水平面倾斜，如图5e。
在步骤S104中，通过封装模具20上的第二固定装置202配置平行于水平面的金属压块17，并将金属压块17压于金属基板11配置电路布线13和电路元件14以外的区域，使金属基板11平行于水平面，如图5f。
在上述步骤中，引脚16采用铝等较软的金属制成，而金属压块17的材质要比引脚16坚硬，并且在200℃时也不产生明显变形，可使用钢等材料制作。
在本实施例中，第一固定装置201可以设置于模具20的下模上，其具有一水平的夹缝，将引脚16的末端固定于夹缝中即可使引脚固定于一水平面上。第二固定装置202同样可设置于下模上，具体可以包括一竖直的支撑部2021和一水平的固定部2022，呈倒“L”型结构，将金属压块17的一端固定在固定部2022的下表面和下模的端面之间即可将金属压块17固定在水平面上。
进一步的，第一固定装置201的位置是根据预设的金属基板11在封装模具20中的水平位置设定的，此处的“水平位置”是指金属基板11在模腔203中相对于模腔四周的位置。而第二固定装置202的位置是根据预设的金属基板11在封装模具20中的竖直位置设定的，此处的“竖直位置”是指金属基板11在其厚度方向的位置，是在模腔203中相对于模腔上下面的位置，即封装好后金属基板11在封装结构中的上下位置。
因此，在步骤103中，通过第一固定装置201固定好引脚16后，即将金属基板11的水平位置确定。同时，由于引脚16相对金属基板11的表面倾斜，固定好后势必使得金属基板11相对水平面倾斜，使其竖直位置未能固定，此时通过步骤S104，将金属压块17压制于金属基板11表面，由于金属压块17的硬度大于引脚16的硬度，使得引脚16发生弹性变形，使金属基板11顺势趋向水平，进而将其竖直位置确定。
在步骤S 105中，将封装模具20合模，向封装模具20中注入封装材料，将金属基板密封，如图5g。
可以理解，在完成金属基板的密封工序后，可以进行常规的引脚及金属压块的切筋成型工序，如图5h，智能功率模块经由此切筋成型工序后作为制品完成，如图6、7。
在本实施例中，优选在将金属基板11置入模具20中之前先在无氧环境中对金属基板11进行烘烤，烘烤时间不应小于2小时，烘烤温度可选择120~130℃，优选为125℃。通过烘烤，可以去除金属基板11和电路元件14表面附着的水汽，防止水汽腐蚀基板及电路。使用无氧环境可避免在加热条件下，氧气使金属基板11和电路元件14表面氧化，进一步改善智能功率模块的可靠性。
在本实施例中，可以对金属基板11进行单面封装或双面封装，单面封装仅将设有电路结构的面密封，将金属基板11的背面露出，可以改善散热效果。双面封装是将整个金属基板11密封，可以改善其封装的致密性，防止基板受潮，在实际制作时可根据实际需要选择封装方式。
本实施例通过第一固定装置201将倾斜设置的引脚16固定在水平面上，将金属基板11固定在预设的水平位置，通过金属压块17将金属基板11固定在预设的竖直位置，实现金属基板11在封装模具20中的准确定位；通过该方法定位金属基板，可避免在封装结构中留下孔洞，提高了封装的致密性，进而避免水汽沿孔洞渗入而腐蚀金属基板11及电路，保证了智能功率模块的长期可靠性，并且由于消除了孔洞，也提高了智能功率模块的可装配性；
另外，完成封装后，可直接采用直尺等简单的测量工具测量金属压块17露出部分相对封装结构18的上、下及侧面的距离而得知金属基板11在封装模具20中的位置，方便后续检查。
并且，由于金属压块17自封装结构18伸出，在装配智能功率模块时，金属压块17可与引脚16一样被焊接在电路板上，有助于智能功率模块的固定，使智能功率模块和外部电路、散热器等进行更可靠的连接，进一步提高智能功率模块的长期可靠性。
该方法只需在常规的封装模具20上安放金属压块17即可封装，不需要增加特殊的工序和设备就可以实现金属基板11的定位，并且在封装后对金属压块17的处理方法可以与对引脚16的处理方法完全兼容，不需要增加特殊工序，进而可以有效控制成本的增加，适合推广应用。
作为本实施例的进一步改进，可以在金属压块17的表面设置规则或不规则的凸起结构（图中未示），使得密封材料和金属压块之间的结合更加稳固。该凸起可以为方形、圆形、三角形等形状。
进一步的，金属压块17可以分设为两个，在封装时分别压制于金属基板11的相对的两边，呈对称结构，这样有利于对金属基板11的两端施加均衡的压力，提高金属基板11的水平度。
进一步优选的，金属压块17可以同引脚16的走向一致，即金属压块17超出金属基板11的部分与引脚16超出金属基板11的部分位于金属基板11的同侧。这样方便封装后对金属压块17和引脚16进行统一切筋处理，另外可以节约封装后的体积，并且便于智能功率模块的后续装配。
参考附图6、7，本发明进一步提供一种智能功率模块，该智能功率模块通过上述制作方法制成。具体的，该智能功率模块包括金属基板11，在金属基板11上依次叠层设有绝缘层12及电路布线13，在电路布线13上设有电路元件14，与电路布线13通过电连接线15相连接，电路布线13连接有若干引脚16，在金属基板11配置电路布线13和电路元件14以外的区域设有金属压块17，其硬度大于引脚16的硬度，并且，该金属基板11由封装结构18密封，封装结构18至少将金属基板11设有电路布线13的一面密封，而金属压块17和引脚16均延伸至封装结构18之外。
其中，金属压块17即是在封装金属基板11时配置于金属基板11之上的构件，用于对金属基板11进行定位，在封装完成后，金属压块17留在封装结构18其中。该金属压块17不仅用于定位金属基板11，还方便封装完成后的定位检验，通过简单的测量工具即可测量金属压块17在封装结构18中的位置，进而确定金属基板11在封装模具20中的位置，检测方法简单有效。另外，金属压块17也可以同引脚16一起安装于其他电路板上，可加强智能功率模块的安装稳定性。
进一步的，同上述制作方法所述的，金属压块17可分设为两个，且分别靠近金属基板11的两条对边设置。另外，金属压块17的表面可设有凸起结构，用于加强金属压块17和封装结构18之间的结合作用。
并且，引脚16和金属压块17优选自封装结构18的同侧伸出，以便于后续的切筋处理并减小智能功率模块的体积，并提高智能功率模块的可装配性。
可以理解，该智能功率模块还可以具有通过上述制作方法形成的其他结构，此处不再一一赘述，凡通过上述制作方法制成的智能功率模块均在本发明的保护范围内。
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 (10)
1.一种智能功率模块的制作方法，其特征在于，包括下述步骤：
选取一金属基板，在所述金属基板上依次叠层设置绝缘层及电路布线，在所述电路布线之上安装电路元件，并使所述电路元件与所述电路布线相连接；
在所述电路布线上安装引脚，且使所述引脚的走向相对所述金属基板的表面逐渐向上倾斜；
将所述金属基板放置于封装模具中，通过所述封装模具上的第一固定装置将所述引脚固定于一水平面上，使所述金属基板的表面相对水平面倾斜；
通过所述封装模具上的第二固定装置配置平行于水平面的金属压块，并将所述金属压块压于所述金属基板配置电路布线和电路元件以外的区域，使所述金属基板平行于水平面；
将封装模具合模，向所述封装模具中注入封装材料，将所述金属基板密封；
其中，所述金属压块的硬度大于所述引脚的硬度；
所述第一固定装置的位置根据预设的金属基板在所述封装模具中的水平位置设定；
所述第二固定装置的位置根据预设的金属基板在所述封装模具中的竖直位置设定。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述金属压块分设为两个，分别压制于所述金属基板的相对的两边。
3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述金属压块超出所述金属基板的部分与所述引脚超出所述金属基板的部分位于所述金属基板的同侧。
4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述金属压块的表面设有用于加强所述金属压块与封装材料之间的结合力的凸起结构。
5.如权利要求1至4任一项所述的制作方法，其特征在于，在所述电路布线上安装引脚的步骤具体为：
对所述金属基板进行预热，预热温度为95~105℃；
在所述引脚与所述电路布线相接触的区域涂覆焊接材料；
通过压焊的方式将所述引脚固定于所述电路布线上，焊接温度为280~320℃，焊接时间小于或等于5S。
6.如权利要求1至4任一项所述的制作方法，其特征在于，在将所述金属基板放置于所述封装模具中之前，还包括下述步骤：
在无氧环境中对所述金属基板进行烘烤，烘烤时间大于或等于2小时，烘烤温度为120~130℃。
7.一种智能功率模块，其特征在于，包括金属基板，在所述金属基板上依次叠层设有绝缘层及电路布线，在所述电路布线上设有与所述电路布线相连接的电路元件，所述电路布线连接有引脚；
在所述金属基板配置电路布线和电路元件以外的区域设有硬度大于所述引脚的金属压块；
所述金属基板至少具有所述电路布线的一面由封装结构进行无孔密封，所述引脚和金属压块延伸至所述封装结构之外。
8.如权利要求7所述的智能功率模块，其特征在于，所述金属压块分设为两个，且分别靠近所述金属基板的两条对边设置。
9.如权利要求7或8所述的智能功率模块，其特征在于，所述引脚和金属压块自所述封装结构的同侧伸出。
10.如权利要求7或8所述的智能功率模块，其特征在于，所述金属压块的表面设有凸起结构。
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