CN104795388B - 智能功率模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种智能功率模块及其制造方法，智能功率模块包括电路布线、设置在电路布线预定位置的功率元件和非功率元件，以及作为载体的纸质散热器，所述散热器的一面作为正面覆盖有绝缘层，所述电路布线设置在所述绝缘层上；所述散热器的另一面作为背面，设置有用于散热的皱褶；所述功率元件包括功率器件，功率器件包括IGBT管和与所述IGBT管连接的FRD管，所述FRD管底部设置有承托盘，所述FRD管倒扣在所述IGBT管的预定位置上且所述FRD管的顶部与所述IGBT管接触，所述承托盘通过电路布线与所述IGBT管相连。本发明减小了智能功率模块的体积和重量，降低了成本，并且具有良好的散热效果。

Description

智能功率模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及智能功率模块技术领域，尤其涉及一种小型化和低成本化的智能功率模块以及其制造方法。
背景技术
智能功率模块(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。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。
参照图1(A)、图1(B)、图1(C)、图1(D)和图1(E)，图1(A)是现有的智能功率模块的电路图，图1(B)是现有的智能功率模块的俯视图，图1(C)是图1(B)去除树脂后的示意图，图1(D)是图1(B)的X-X’线的截面图，图1(E)是现有的智能功率模块安装在铝散热器上的示意图。
现行智能功率模块100包括：电路基板206；设于所述电路基板206表面上的绝缘层207上形成的所述电路布线208；被固定在所述电路布线208上的所述IGBT管121～126、所述FRD管111～116、所述HVIC管101等元器件；连接元器件和所述电路布线208的金属线205；与所述电路布线208连接的引脚201；所述电路基板206的至少一面被密封树脂202密封，为了提高密封性，会将电路基板206全部密封，为了提高散热性，会使所述铝基板206的背面露出到外部的状态下进行密封。
从图1(C)可以看出，现行的智能功率模块由1枚HVIC管控制6枚IGBT管，导致走线很长，线路间容易造成干扰，并且，由于从HVIC管到6枚IGBT管的距离不一致，导致6枚IGBT管的信号传输一致性难以控制。
此外，因为基板上的电路布线过多势必增加基板的面积，导致现行智能功率模块的面积加大，增加了智能功率模块的制造成本，另外，由于需要留出电路布线面积，导致元器件间距离较大，通过金属线使元器件间产生连接的邦线较长，影响了邦线的可靠性，并且有在模制过程中有引起冲线的风险。
并且，由于现行智能功率模块的结构造成的分布电感、电容较大，造成开关损耗很高，而且现行智能功率模块实际工作时发热非常严重，所以需要厚重的电路基板206作为散热器帮助所述IGBT管及FRD管散热，对于功率较大的应用场合，如驱动变频空调压缩机的场合，如图1(E)所示，在所述电路基板106上还需外接更大的铝散热器220，增加了智能功率模块的材料成本、运输成本和应用成本，阻碍了智能功率模块的普及。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种体积小、成本低且具有良好散热效果的智能功率模块及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明提出一种智能功率模块，包括电路布线、设置在所述电路布线预定位置的功率元件和非功率元件，以及作为载体的纸质散热器，所述散热器的一面作为正面覆盖有绝缘层，所述电路布线设置在所述绝缘层上远离散热器的一面；所述散热器的另一面作为背面，设置有用于散热的皱褶；所述功率元件包括功率器件，所述功率器件包括IGBT管和与所述IGBT管连接的FRD管，所述FRD管底部设置有承托盘，所述FRD管倒扣在所述IGBT管的预定位置上且所述FRD管的顶部与所述IGBT管接触，所述承托盘通过所述电路布线与所述IGBT管相连。
优选地，所述承托盘安装所述FRD管的一面设有平坦部，且所述承托盘安装所述FRD管的一面在远离所述平坦部的边缘设有若干用于连接所述电路布线的突起部。
优选地，所述智能功率模块还包括：用于连接所述电路布线、所述功率元件和所述非功率元件以构成相应控制电路的金属线。
优选地，所述智能功率模块还包括配置在所述功率模块边缘、与所述电路布线连接并向外延伸作为输入输出的引脚，所述电路布线、所述功率元件和非功率元件、金属线，以及所述引脚与电路布线的连接部分由树脂封装。
优选地，所述散热器和所述皱褶均为湿式碳素复合材料功能纸，所述散热器的厚度为1.5mm～2.5mm；所述散热器的厚度大于所述皱褶的厚度；所述皱褶距所述散热器的各边缘的距离至少为1.5mm。
优选地，所述功率器件为六个，分别为三个上桥臂功率器件和三个下桥臂功率器件，所述功率元件还包括分别与所述三个上桥臂功率器件对应连接的U相高压驱动集成管、V相高压驱动集成管、W相高压驱动集成管，和分别与所述三个下桥臂功率器件对应连接的U相低压驱动集成管、V相低压驱动集成管、W相低压驱动集成管。
优选地，所述三个上桥臂功率器件分别为第一功率器件、第二功率器件、第三功率器件，所述三个下桥臂功率器件为第四功率器件、第五功率器件、第六功率器件；
所述第一功率器件包括第一IGBT管和第一FRD管，所述第二功率器件包括第二IGBT管和第二FRD管，所述第三功率器件包括第三IGBT管和第三FRD管，所述第四功率器件包括第四IGBT管和第四FRD管，所述第五功率器件包括第五IGBT管和第五FRD管，所述第六功率器件包括第六IGBT管和第六FRD管；
所述U、V、W三相高压驱动集成管包括电源端、输入端、输出端、高压电源正端、高压电源负端和接地端，所述U、V、W三相低压驱动集成管包括电源端、输入端、输出端和接地端，其中：
所述U、V、W三相高压驱动管的输入端分别作为所述智能功率模块的U、V、W三相上桥臂输入端；所述U、V、W三相低压驱动管的输入端分别作为所述智能功率模块的U、V、W三相下桥臂输入端；
所述U、V、W三相高压驱动管和所述U、V、W三相低压驱动集成管的电源端相连并作为所述智能功率模块的低压区供电电源的正端，所述U、V、W三相高压驱动管和所述U、V、W三相低压驱动集成管的接地端相连作为所述智能功率模块的低压区供电电源的负端，所述U、V、W三相高压驱动管的高压电源正端分别作为所述智能功率模块的U、V、W三相高压区供电电源的正端；
所述U相高压驱动集成管的输出端与所述第一IGBT管的栅极相连，所述U相高压驱动集成管的高压电源负端与所述第一IGBT管的射极、所述第一FRD管的阳极、所述第四IGBT管的集电极、所述第四FRD管的阴极相连，并作为所述智能功率模块的U相高压区供电电源的负端；所述V相高压驱动集成管的输出端与所述第二IGBT管的栅极相连，所述V相高压驱动集成管的高压电源负端与所述第二IGBT管的射极、所述第二FRD管的阳极、所述第五IGBT管的集电极、所述第五FRD管的阴极相连，并作为所述智能功率模块的V相高压区供电电源的负端；所述W相高压驱动集成管的输出端与所述第三IGBT管的栅极相连，所述W相高压驱动集成管的高压电源负端与所述第三IGBT管的射极、所述第三FRD管的阳极、所述第六IGBT管的集电极、所述第六FRD管的阴极相连，并作为所述智能功率模块的W相高压区供电电源的负端；
所述第一IGBT管的集电极、所述第一FRD管的阴极、所述第二IGBT管的集电极、所述第二FRD管的阴极、所述第三IGBT管的集电极、所述第三FRD管的阴极相连，并作为所述智能功率模块的高电压输入端；
所述U相低压驱动集成管的输出端与第四IGBT管的栅极相连，所述第四IGBT管的射极与所述第四FRD管的阳极相连，并作为所述智能功率模块的U相低压参考端，所述V相低压驱动集成管的输出端与第五IGBT管的栅极相连，所述第五IGBT管的射极与所述第五FRD管的阳极相连，并作为所述智能功率模块的V相低压参考端，所述W相低压驱动集成管的输出端与第六IGBT管的栅极相连，所述第六IGBT管的射极与所述第六FRD管的阳极相连，并作为所述智能功率模块的W相低压参考端。
本发明还提出一种智能功率模块的制造方法，包括以下步骤：
形成纸质散热器，在所述散热器的正面覆盖绝缘层，在绝缘层表面形成电路布线；
在所述电路布线的表面装配IGBT管、高压驱动集成管、低压驱动集成管和预先制成的引脚，在承托盘上安装FRD管；
在所述IGBT管的射极位置安装所述FRD管；
通过金属线将所述IGBT管、所述FRD管、所述高压驱动集成管、所述低压驱动集成管以及所述电路布线连接形成相应的电路；
通过密封树脂将所述散热器的正面密封；
在所述散热器的背面覆盖预先制成的皱褶。
优选地，所述在所述电路布线的表面装配IGBT管、高压驱动集成管、低压驱动集成管和预先制成的引脚，在承托盘上安装FRD管的步骤之前还包括：
制成独立的带镀层的引脚；具体包括：
选取铜基材，对铜基材通过冲压或蚀刻的方式，制成一排引脚，引脚之间通过加强筋连接；
在所述引脚表面依次形成镍层和镍锡合金层，得到带镀层的引脚。
优选地，所述形成纸质散热器，在所述散热器的正面覆盖绝缘层，在绝缘层表面形成电路布线的步骤包括：
根据设定的电路布局选取预定尺寸的湿式碳素复合材料形成纸质散热器；
在散热器的正面，使用绝缘材料和铜材，通过热压的方式，使绝缘材料形成于所述散热器的表面并作为所述绝缘层，使铜材形成于所述绝缘层的表面作为铜箔层；
将所述铜箔层的特定位置腐蚀掉，剩余部分形成电路布线；
所述在所述散热器的背面覆盖预先制成的皱褶的步骤包括：
使用湿式碳素复合材料形成皱褶，通过耐高温胶水粘接于所述散热器的背面。
本发明提出了一种智能功率模块及其制造方法，功率元件中功率器件的FRD管与IGBT管通过承托盘实现立体放置，增加了接触面积，将功率元件间的走线长度降到最低，节省了用于连接的金属线，大幅减小电路布线的面积，使智能功率模块的成本降低。另外，由于本发明的功率模块结构可以采用较小的电感和电容，而分布电感和电容的减小使本发明的智能功率模块的动态功耗大幅降低，而且本发明使用纸质散热器取代电路基板，使用散热皱褶取代铝散热器，使智能功率模块的重量大幅降低，材料成本、运输成本也随之大幅下降。
另外，该智能功率模块的低压区驱动电路可以通过低压驱动集成管实现，高压区驱动电路通过高压驱动集成管实现，低压驱动集成管可以通过低成本的BIPOLAR或COMS等低压工艺实现，高压驱动集成管则通过BCD或SOI等高压工艺实现，前者的工艺成本仅为后者的1/3，大幅降低了智能功率模块的制造成本；并且，本发明的智能功率模块由各自独立的高压驱动集成管或低压驱动集成管配置在对应IGBT管上，从高压驱动集成管或低压驱动集成管到IGBT管栅极的走线可以做到一致，从而可有效保证六枚IGBT管动态特性的一致性，而且可大量节省电路布线的面积，从而使智能功率模块的电路基板的面积大幅减小，使智能功率模块的成本进一步降低。
附图说明
图1(A)是现有的智能功率模块的电路图；
图1(B)是现有的智能功率模块的俯视图；
图1(C)是图1(B)去除树脂后的示意图；
图1(D)是图1(B)的X-X’线的截面图；
图1(E)是现有的智能功率模块安装在铝散热器上的示意图；
图2(A)是本发明智能功能模块较佳实施例的电路图；
图2(B)是本发明智能功能模块较佳实施例的俯视图；
图2(C)是图2(B)的X-X’线的截面图；
图2(D)是本发明实施例智能功能模块去掉密封树脂后的正面俯视图；
图3(A)是本发明实施例第一工序在纸质散热器的正面形成绝缘层和铜箔层的俯视图；
图3(B)是图3(A)的侧视图；
图4(A)是本发明实施例第二工序中在所述电路布线的表面装配IGBT管、高压驱动集成管、低压驱动集成管和预先制成的引脚，在承托盘上安装FRD管的俯视图；
图4(B)是图4(A)的侧视图；
图4(C)是本发明实施例第二工序中的承托盘的仰视图；
图4(D)是本发明实施例第二工序中的承托盘的正视图；
图5(A)是本发明实施例第三工序中在IGBT管的射极安装FRD管的俯视图；
图5(B)是图5(A)的侧视图；
图6(A)是本发明实施例第四工序中，通过金属线将IGBT管、FRD管、高压驱动集成管、低压驱动集成管和电路布线连接形成电路的俯视图；
图6(B)是图6(A)的侧视图；
图7是本发明实施例第五工序中，使用模具由密封树脂密封纸质散热器的剖面图；
图8(A)是本发明实施例第六工序中，引脚切筋成型的示意图；
图8(B)是本发明实施例第六工序中，安装散热皱褶的示意图；
图9是本发明实施例智能功率模块制造方法的流程图。
为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。
具体实施方式
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。
参照图2(A)所示，为本发明智能功能模块较佳实施例的电路图。
本发明提出的智能功能模块中的U相高压驱动集成管41、V相高压驱动集成管42、W相高压驱动集成管43是三枚用于驱动上桥臂IGBT管的单臂HVIC管，他们的构完全相同，作用是将输入端HIN的0～5V的逻辑信号传到输出端HO，其中HO是VS～VS+15V的逻辑信号；由于VS的会在0～300V之间变化，所以所述U相高压驱动集成管41、所述V相高压驱动集成管42、所述W相高压驱动集成管43需要耐高压的流片工艺实现，有时为了降低成本，使用650V的BCD工艺，有时为了降低耐压结构设计难度，使用650V的SOI工艺。
本发明提出的智能功能模块中的U相低压驱动集成管44、V相低压驱动集成管45、W相低压驱动集成管46是三枚驱动下桥臂IGBT管的单臂LVIC管，他们的结构完全相同，作用是将输入端LIN的0～5V的逻辑信号传到输出端LO，其中LO是0～15V的逻辑信号；由于所述U相低压驱动集成管44、所述V相低压驱动集成管45、所述W相低压驱动集成管46不需要耐高压的流片工艺实现，有时为了降低成本，使用20V的Bipolar工艺，有时为了提高一致性，使用20V的BCD工艺。
本发明提出的智能功能模块中的第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管、第四IGBT管、第五IGBT管、第六IGBT管、第一FRD管、第二FRD管、第三FRD管、第四FRD管、第五FRD管、第六FRD管分别对应图中的IGBT管21、IGBT管22、IGBT管23、IGBT管24、IGBT管25、IGBT管26、FRD管11、、FRD管12、FRD管13、FRD管14、FRD管15、FRD管16。
所述U相高压驱动集成管41、所述U相低压驱动集成管44的VCC(即电源端)、所述V相高压驱动集成管42、所述V相低压驱动集成管45的VCC、所述W相高压驱动集成管43、所述W相低压驱动集成管46的VCC相连，并作为所述智能功率模块10的VDD端，VDD是所述智能功率模块10的低压区供电电源，VDD一般为15V。
所述U相高压驱动集成管41的HIN端(即输入端)作为所述智能功率模块10的U相上桥臂输入端UHIN；
所述V相高压驱动集成管42的HIN端作为所述智能功率模块10的V相上桥臂输入端VHIN；
所述W相高压驱动集成管43的HIN端作为所述智能功率模块10的W相上桥臂输入端WHIN；
所述U相低压驱动集成管44的LIN端(即输入端)作为所述智能功率模块10的U相下桥臂输入端ULIN；
所述V相低压驱动集成管45的LIN端作为所述智能功率模块10的V相下桥臂输入端VLIN；
所述W相低压驱动集成管46的LIN端作为所述智能功率模块10的W相下桥臂输入端WLIN；
在此，所述智能功率模块10的U、V、W三相的六路输入接收0～5V的输入信号；
所述U相高压驱动集成管41的GND端(即接地端)、V相高压驱动集成管42的GND端、W相高压驱动集成管43的GND端、所述U相低压驱动集成管44的GND端、所述V相低压驱动集成管45的GND端、所述W相低压驱动集成管46的GND端相连，并作为所述智能功率模块10的COM端，COM为VDD供电电源的负端；
所述U相高压驱动集成管41的VB端(即高压电源正端)作为所述智能功率模块10的U相高压区供电电源正端UVB；
所述V相高压驱动集成管42的VB端作为所述智能功率模块10的V相高压区供电电源正端VVB；
所述W相高压驱动集成管43的VB端作为所述智能功率模块10的W相高压区供电电源正端WVB；
所述U相高压驱动集成管41的HO端(即输入端)与IGBT管21的栅极相连，所述U相高压驱动集成管41的VS端(即高压电源负端)与所述IGBT管21的射极、FRD管11的阳极、IGBT管24的集电极、FRD管14的阴极相连，并作为所述智能功率模块10的U相高压区供电电源负端UVS；
所述V相高压驱动集成管42的HO端与IGBT管22的栅极相连，所述V相高压驱动集成管42的VS端与所述IGBT管22的射极、FRD管12的阳极、IGBT管25的集电极、FRD管15的阴极相连，并作为所述智能功率模块10的V相高压区供电电源负端VVS；
所述W相高压驱动集成管43的HO端与IGBT管23的栅极相连，所述W相高压驱动集成管43的VS端与所述IGBT管23的射极、FRD管13的阳极、IGBT管26的集电极、FRD管16的阴极相连，并作为所述智能功率模块10的W相高压区供电电源负端WVS；
所述IGBT管21的集电极、所述FRD管11的阴极、所述IGBT管22的集电极、所述FRD管12的阴极、所述IGBT管23的集电极、所述FRD管13的阴极相连，并作为所述智能功率模块10的高电压输入端P，P一般接300V；
所述U相低压驱动集成管44的LO端(即输出端)与IGBT管24的栅极相连，所述IGBT管24的射极与FRD管14的阳极相连，并作为所述智能功率模块10的U相低电压参考端UN；
所述V相低压驱动集成管45的LO端与IGBT管25的栅极相连，所述IGBT管25的射极与FRD管15的阳极相连，并作为所述智能功率模块10的V相低电压参考端VN；
所述W相低压驱动集成管46的LO端与IGBT管26的栅极相连，所述IGBT管26的射极与FRD管16的阳极相连，并作为所述智能功率模块10的W相低电压参考端WN。
参照图2(B)、图2(C)、图2(D)，图2(B)是本发明智能功能模块较佳实施例的俯视图，图2(C)是图2(B)的X-X’线的截面图，图2(D)是本发明实施例智能功能模块去掉密封树脂后的正面俯视图。
本发明的智能功率模块10具有在表面上形成有由绝缘层307的纸质散热器306，配置在所述绝缘层307上的电路布线308，配置在所述电路布线308上的所述IGBT管21、所述IGBT管22、所述IGBT管23、所述IGBT管24、所述IGBT管25、所述IGBT管26，和所述HVIC管41、所述HVIC管42、所述HVIC管43、所述LVIC管44、所述LVIC管45、所述LVIC管46，配置在承托盘309上的所述FRD管11、所述FRD管12、所述FRD管13、所述FRD管14、所述FRD管15、所述FRD管16，其中：
所述散热器306的一面作为正面，另一面作为背面。
在散热器306的正面覆盖有绝缘层307，所述电路布线308设置在所述绝缘层307上远离散热器306的一面。
在所述散热器306的背面，设置有用于散热的皱褶320。
其中，所述散热器306和皱褶320均可以采用湿式碳素复合材料功能纸。
所述散热器306与所述皱褶320可以通过高温胶水粘接，或者也可以两者一体制成。
此外，所述智能功率模块10还包括：配置在所述电路布线308的边缘部分的引脚301，用于连使上述各元素间形成电连接的金属线305，和密封该电路且至少完全覆盖纸质散热器306上表面所述所有元素的密封树脂302。
此外，所述智能功率模块10还包括：用于连接所述电路布线308、所述IGBT管21、所述IGBT管22、所述IGBT管23、所述IGBT管24、所述IGBT管25、所述IGBT管26和所述FRD管11、所述FRD管12、所述FRD管13、所述FRD管14、所述FRD管15、所述FRD管16以构成相应电路的金属线305。
此外，所述智能功率模块10还包括：配置在所述功率模块边缘、与所述电路布线308连接并向外延伸作为输入输出的引脚301。
在此，根据智能功率模块10内部电路布局及外围应用需要，所述引脚301可以配置于智能功率模块10的一个边缘、两个边缘、三个边缘或四个边缘。
以下详细阐述本发明实施例智能功率模块10各构成要素：
纸质散热器306为湿式碳素复合材料功能纸，可由粉末和纤维状碳素材料复合加工成石墨质，材料可耐受350℃以上的高温并可根据需要折叠成任意形状，得到所述散热皱褶320。为了提高抗腐蚀性和防水，表面可进行防水处理；所述纸质散热器306和与所述散热皱褶320一体制成，其中所述纸质散热器306形状平整、所述散热皱褶320形状不规则；所述纸质散热器306和与所述散热皱褶320也可以为采用不同厚度的湿式碳素复合材料，本实施例使用了不同厚度的方式，其中，为了增加机械强度，所述纸质散热器306采用了较厚的湿式碳素复合材料，厚度可设计为1.5mm，为了降低成本和增加皱褶的密度，所述散热皱褶320采用了较薄的湿式碳素复合材料，厚度可设计为0.5mm。在此，所述纸质散热器306的具有所述散热皱褶320的一面称为所述纸质散热器306的背面，相对面称为所述纸质散热器306的表面。在此，所述散热皱褶320不能完全覆盖所述纸质散热17的背面，在所述纸质散热器306的背面的边缘需要留出至少1.5mm的平整位置。
所述绝缘层307覆盖所述纸质散热器306一个表面，称为所述纸质散热器306的正面，形成，并在环氧树脂等树脂材料内高浓度填充氧化铝等填料提高热导率，也可以加入二氧化硅、氮化硅、碳化硅等掺杂以达到更高的导热性，在此，掺杂可以是球形或角形，通过热压方式，压合在所述纸质散热器306的表面。
所述电路布线308由铜等金属构成，形成于所述纸质散热器306上的特定位置，根据功率需要，可设计成0.035mm或0.07mm等的厚度，对于一般的智能功率模块，优先考虑设计成0.07mm，本实施例中采用0.07mm的厚度。特别地，在所述纸质散热器306的边缘，形成有用于配置所述引脚301的所述电路布线308。在此，在所述纸质散热器306的两边附近设置多个用于配置所述引脚301的所述电路布线308，根据功能需要，也可在所述纸质散热器306的一边、两边、三边、四边附近设置多个用于配置所述引脚301的所述电路布线308。
所述IGBT管21～26和FRD管11～16被固定在所述电路布线308上构成规定的电路。在此，所述6枚IGBT管的具有射极和栅极的面朝上、具有集电极的面朝下安装，所述FRD管的具有阳极的面朝上、具有阴极的面朝下安装。
所述承托盘309厚度设计为1mm，为了提高散热性，对于30A电流能力以上的智能功率模块，也可以设计为1.5～2mm，为了节省成本并进一步缩小体积，对于15A电流能力以下的智能功率模块，也可以设计为0.2～0.5mm；承托盘安309装FRD管的一面设有平坦部，承托盘309安装FRD管的一面在远离平坦部的边缘设有若干突起部突起部310，突起部310的高度为所述FRD管厚度及所述IGBT管的厚度的和±1μm，为了提高通流能力，所述突起部310的数量可以为5个，为了简化工艺，所述突起部310的数量可以为2个，本实施例中设计为3个。
所述FRD管11～16的阴极被固定在所述承托盘309的正面的平坦部上，所述FRD管11～16具有阳极的面朝上；
所述FRD管11～16的阳极通过导电焊料，如银胶、锡膏等，分别与所述IGBT管21～26的射极连接，所述突起部310通过导电焊料，如银胶、锡膏等，分别与所述IGBT管21～26的集电极相连的电路布线308连接；在此，FRD管的电流能力一般设计为对应IGBT管的一半以下，因此，FRD管的面积一般远小于IGBT管的面积，因此，FRD管的阳极完全与IGBT管的射极接触后，IGBT管的部分阳极及栅极会露出。
所述HVIC管41～46分别被固定在与所述IGBT管21～26非常接近的所述电路布线308上。
所述金属线305可以是铝线、金线或铜线，通过邦定使各电路元件和电路布线308之间建立电连接关系，有时还用于使所述引脚301和所述电路布线308建立电连接关系。
所述引脚301被固定在设于所述纸质散热器306边缘的所述电路布线308上，其具有例如与外部进行输入、输出的作用。在此，设计成相对两边上设有多条引脚301，引脚301和电路布线308通过焊锡等导电电性粘结剂焊接。所述引脚301一般采用铜等金属制成，铜表面通过化学镀和电镀形成一层镍锡合金层，合金层的厚度一般为5μm，镀层可保护铜不被腐蚀氧化，并可提高可焊接性。
所述树脂302可通过传递模方式使用热硬性树脂模制也可使用注入模方式使用热塑性树脂模制。
相比现有技术，本发明实施例的智能功率模块10具有如下有益效果：
1、FRD管与IGBT管立体放置，增加接触面积，将功率元件间的走线长度降到最低，并节省了用于连接的金属线，还进一步大幅减小面积，再次使智能功率模块的成本降低。
2、智能功率模块的低压区驱动电路通过LVIC管实现，高压区驱动电路通过HVIC管实现，LVIC管可以通过低成本的BIPOLAR或COMS等低压工艺实现，HVIC管则通过BCD或SOI等高压工艺实现，前者的工艺成本仅为后者的1/3，降低了智能功率模块的制造成本。
3、本发明的智能功率模块由各自独立的HVIC管或LVIC管配置在对应IGBT管上，从HVIC管或LVIC管到IGBT管栅极的走线可以做到一致，从而可有效保证6枚IGBT管动态特性的一致性，而且大量节省了电路布线的面积，从而减小了智能功率模块的电路基板的面积，使智能功率模块的成本进一步降低。
4、由于本发明的功率模块结构可以采用较小的电感和电容，而分布电感和电容的减小使本发明的智能功率模块的动态功耗大幅降低，而且本发明使用纸质散热器取代电路基板，使用散热皱褶取代铝散热器，使智能功率模块的重量降低，材料成本、运输成本也随之下降。
由上述可知，本发明的智能功率模块10在降低成本的同时，减小了体积和重量，提高了散热效果。
此外，本发明一实施例还提出一种智能功率模块10制造方法，包括：
步骤S1，形成纸质散热器306，在所述散热器306的正面覆盖绝缘层307，在绝缘层307表面形成电路布线308；
具体地，根据设定的电路布局选取预定尺寸的湿式碳素复合材料形成纸质散热器306。
在散热器306的正面，使用绝缘材料和铜材，通过热压的方式，使绝缘材料形成于所述散热器306的表面并作为所述绝缘层307，使铜材形成于所述绝缘层307的表面作为铜箔层。
之后，将铜箔层的特定位置腐蚀掉，剩余部分形成电路布线308。
步骤S2，在所述电路布线308的表面装配IGBT管21～26、HVIC管41～43、LVIC管44～46和预先制成的引脚301，在承托盘上安装FRD管11～16；
步骤S3，分别在所述IGBT管21～26的射极位置安装FRD管11～16；
步骤S4，通过金属线305将IGBT管21～26、FRD管11～16、HVIC管41～43、LVIC管44～46以及所述电路布线308连接形成相应的电路；
步骤S5，通过密封树脂302将所述散热器306的正面密封；
步骤S6，在所述散热器306的背面覆盖皱褶320；
具体地，使用湿式碳素复合材料形成皱褶320，通过耐高温胶水粘接于所述散热器306的背面。
进一步地，在步骤S2之前还可以包括：
步骤S7，制成独立的带镀层的引脚301。
具体地，首先，选取铜基材，对铜基材通过冲压或蚀刻的方式，制成一排引脚301，引脚301之间通过加强筋连接。
然后，在所述引脚301表面依次形成镍层和镍锡合金层，得到带镀层的引脚301。
进一步地，在上述步骤S6之后还包括：
步骤S8，进行所述引脚301的切筋成型，并进行模块功能测试。
以下参照附图对本实施例智能功率模块10的制造工序进行详细阐述：
作为一种较佳实施例，本发明智能功率模块10的制造方法可以包括：在纸质散热器306表面上设置绝缘层307的工序；在绝缘层307的表面上形成电路布线308工序；在电路布线308配置IGBT管21～26和FRD管11～16的工序；在IGBT管上配置HVIC管41～43和LVIC管44～46的工序；用金属线305连接各电路元件和所述电路布线306的工序；烘烤并模制的工序；对引脚301进行成型的工序；进行功能测试的工序。具体工序图如图9所示。
以下说明上述各工序的详细情况。
第一工序：参照图3(A)和图3(B)。
图3(A)是本发明实施例第一工序在纸质散热器的正面形成绝缘层和铜箔层的俯视图，图3(B)是图3(A)的侧视图。
本发明实施例第一工序是在大小合适的纸制散热器上形成绝缘层并在绝缘层表面形成电路布线的工序。
首先，参照俯视图3(A)和侧视图3(B)，根据需要的电路布局准备大小合适的纸质散热器306，对于一般的智能功率模块可选取44mm×20mm的大小，两面进行防蚀处理。在铝基板的至少一面的表面上设有绝缘层307。另外，在绝缘层的表面粘贴有作为导电图案的铜箔。然后将该工序制造的铜箔进行蚀刻，局部地除去铜箔，形成电路布线308。
在此，大小合适的纸制散热器的形成可以通过直接对1m×1m的型材进行冲切等方式形成，也可通过先1m×1m的型材剪切形成。
第二工序：参照图4(A)和图4(B)。图4(A)是本发明实施例第二工序中在所述电路布线的表面装配IGBT管、HVIC管、LVIC管和预先制成的引脚，在承托盘上安装FRD管的俯视图，图4(B)是图4(A)的侧视图，图4(C)是本发明实施例第二工序中的承托盘的仰视图，图4(D)是本发明实施例第二工序中的承托盘的正视图。
本工序的第二工序是在电路布线308上安装IGBT管21～26、HVIC管41～43、LVIC管44～46和引脚301，在承托盘上安装FRD管11～16的工序。
参照图4(A)和图4(B)，通过锡膏等焊料将IGBT管21～26、HVIC管41～43、LVIC管44～46和引脚301安装在电路布线308的规定位置。
在此，为了减小锡膏焊接后的空洞率，并且进行成本控制，可以考虑使用具有氮气保护的回流炉进行锡膏固定，如果成本允许，也可以考虑使用真空回流的形式。锡膏的融化温度一般为280℃左右。
每个引脚301都是用铜基材，通过冲压或者蚀刻的方式，制成引脚301，然后，通过化学镀的方法在引脚表面形成镍层，具体包括：
通过镍盐和次亚磷酸钠混合溶液，并添加了适当的络合剂，在已形成特定形状的铜材表面形成镍层，金属镍具有很强的钝化能力，能迅速生成一层极薄的钝化膜，能抵抗大气、碱和某些酸的腐蚀。镀镍结晶极细小，镍层厚度一般为0.1μm。
接着通过酸性硫酸盐工艺，在室温下将已形成形状和镍层的铜材浸在带有正锡离子的镀液中通电，在镍层表面形成形成镍锡合金层，合金层一般控制在5μm，合金层的形成极大提高了引脚的保护性和可焊性。
通过锡丝等焊料将FRD管11～16安装在所述承托盘309的具有所述突起部310的一面的特定位置，因为所述FRD管11～16不会与散热器直接接触，所以为了降低洞率降低热积聚，使用共晶焊的方式进行焊接。
第三工序：参考图5(A)和图5(B)，图5(A)是本发明实施例第三工序中在IGBT管的射极安装FRD管的俯视图，图5(B)是图5(A)的侧视图。
本发明的第三工序是在IGBT管21～26的射极位置安装FRD管11～16的工序。
首先，参照图5(A)和图5(B)，在IGBT管11上安装FRD管11，在IGBT管22上安装安装FRD管12，在IGBT管23上安装FRD管13，在IGBT管24上安装FRD管14，在IGBT管25上安装FRD管15，在IGBT管26上安装FRD管16。
在此，为了更好地控制空洞率，可以使用具有导电性的银胶等作为固定材料，在所述IGBT管的射极的特定位置和与所述IGBT管的集电极相连的电路布线308的特定位置，点适当形状及厚度的银胶，再将所述FRD管的阳极配置在所述IGBT管的射极具有银胶的位置，将所述FRD管所在的承托盘309的突起部310配置在与所述IGBT管的集电极相连的电路布线308的具有银胶的位置。
通过175℃烘烤的形式，将银胶或红胶固化，在此，银胶或红胶的固化温度为170℃左右，固化时间约为2小时。因为烘烤温度远低于锡膏的融化温度，所以在此加热过程中，不会影响到IGBT管、HVIC管、LVIC管和引脚的焊接效果。
第四工序：参照图6(A)和图6(B)，图6(A)是本发明实施例第四工序中，通过金属线将IGBT管、FRD管、HVIC管、LVIC管和电路布线连接形成电路的俯视图，图6(B)是图6(A)的侧视图。
本发明的第四工序是通过金属线305在电路元件和电路布线308间形成电连接的工序。
参照图6(A)和图6(B)，进行IGBT管21～26、FRD管11～16、HVIC管41～43、LVIC管44～46和电路布线308的邦线连接。
根据通流能力需要，选择适当直径的铝线作为邦定线，对于用于信号控制的部分，如HVIC管和LVIC管，也可考虑使用15μm的金线或38μm的铝线作为邦定线。对所述功率部分，如IGBT管和FRD管，邦定使用200μm～400μm的铝线。
考虑到邦线机台震动对邦定线的影响，可使用先邦粗线再邦细线的方式；出于防静电考虑，可使用先邦细线再邦粗线的方式。具体根据机台的震动幅度和机台邦头的防静电效果而定。
第五工序：参照图7，为本发明实施例第五工序中，使用模具由密封树脂密封纸质散热器的剖面图。
本发明的第五工序是由密封树脂302密封纸质散热器306的工序。
将配置好引脚301的所述纸质散热器306搬送到模型44及45。通过使引脚301的特定部分与固定装置46接触，进行所述纸质散热器306的定位。
合模时，在形成于模具50内部的模腔中放置纸质散热器306，然后由浇口53注入密封树脂302。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53注入的密封树脂302模腔内部的气体通过排气口54排放到外部。对于所述浇口53位置的选择，应选择不完全具有引脚301的一边，即图6(A)的上边，对于排气口54的选择，应选择完全具有引脚301的一边，即图6(A)的下边。
在此，所述纸质散热器306的背面紧贴在下模45上，但仍会有少量所述密封树脂302进入到所述纸质散热器306的背面和下模45之间，因此，在脱模后，需要进行激光蚀刻或者研磨，将残留在所述纸质散热器306背面的少量密封树脂302去除，使所述纸质散热器306的背面从所述密封树脂302露出，并且平整，而所述纸质散热器306的背面以上部分被密封树脂302密封。
第六工序：参照图8(A)和图8(B)，图8(A)是本发明实施例第六工序中，引脚切筋成型的示意图，图8(B)是本发明实施例第六工序中，安装散热皱褶的示意图。
本发明的第六工序是进行所述引脚301切筋成型，装配散热皱褶并进行模块功能测试的工序，智能功率模块经由此工序作为制品完成。
在前工序即传递模模装工序使除所述引脚301以外的其他部分都被所述树脂302密封。本工序根据使用的长度和形状需要，例如，在虚线的位置将外部引脚301切断，如图8(A)所示，有时还会折弯成一定形状，便于后续装配。
使用耐受温度在150℃以上的耐高温胶水，将所述散热皱褶320粘附在所述纸质散热器306的背面，在此，为了提高散热性，所述散热皱褶320可以完全覆盖所述纸质散热器306的背面从所述热硬性树脂框13露出的部分，为了降低成本，所述散热皱褶320可以只完全覆盖上部具有所述功率元件19的所述纸质散热器306的背面。
然后将模块放入测试设备中，进行常规的电参数测试，一般包括绝缘耐压、静态功耗、迟延时间等测试项目，测试合格者为成品。
利用上述工序，完成图2所示的智能功率模块10。
本发明提出的一种智能功率模块及其制造方法，功率元件中功率器件的FRD管与IGBT管通过承托盘实现立体放置，增加了接触面积，将功率元件间的走线长度降到最低，节省了用于连接的金属线，大幅减小电路布线的面积，使智能功率模块的成本降低。
由于本发明的功率模块结构可以采用较小的电感和电容，而分布电感和电容的减小使本发明的智能功率模块的动态功耗大幅降低，而且本发明使用纸质散热器取代电路基板，使用散热皱褶取代铝散热器，使智能功率模块本身就具有良好的散热效果，外部无需再接散热器，并且散热器为纸质，大幅降低了智能功率模块的重量，材料成本、运输成本也随之大幅下降。
另外，该智能功率模块的低压区驱动电路可以通过低压驱动集成管实现，高压区驱动电路通过高压驱动集成管实现，低压驱动集成管可以通过低成本的BIPOLAR或COMS等低压工艺实现，高压驱动集成管则通过BCD或SOI等高压工艺实现，前者的工艺成本仅为后者的1/3，大幅降低了智能功率模块的制造成本；并且，本发明的智能功率模块由各自独立的高压驱动集成管或低压驱动集成管配置在对应IGBT管上，从高压驱动集成管或低压驱动集成管到IGBT管栅极的走线可以做到一致，从而可有效保证六枚IGBT管动态特性的一致性，而且可大量节省电路布线的面积，从而使智能功率模块的电路基板的面积大幅减小，使智能功率模块的成本进一步降低。
上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或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，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，包括电路布线、设置在所述电路布线预定位置的功率元件和非功率元件，其特征在于，还包括作为载体的纸质散热器，所述散热器的一面作为正面覆盖有绝缘层，所述电路布线设置在所述绝缘层上远离所述散热器的一面；所述散热器的另一面作为背面，设置有用于散热的皱褶；所述功率元件包括功率器件，所述功率器件包括IGBT管和与所述IGBT管连接的FRD管，所述FRD管底部设置有承托盘，所述FRD管倒扣在所述IGBT管的预定位置上且所述FRD管的顶部与所述IGBT管接触，所述承托盘通过所述电路布线与所述IGBT管相连；
所述散热器和所述皱褶为由湿式碳素复合材料功能纸一体制成，所述散热器的厚度为1.5mm～2.5mm；所述散热器的厚度大于所述皱褶的厚度。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述承托盘安装所述FRD管的一面设有平坦部，且所述承托盘安装所述FRD管的一面在远离所述平坦部的边缘设有若干用于连接所述电路布线的突起部。
3.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括：用于连接所述电路布线、所述功率元件和所述非功率元件以构成相应控制电路的金属线。
4.根据权利要求3所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括配置在所述功率模块边缘、与所述电路布线连接并向外延伸作为输入输出的引脚，所述电路布线、所述功率元件和非功率元件、金属线，以及所述引脚与所述电路布线的连接部分由树脂封装。
5.根据权利要求4所述的智能功率模块，其特征在于，所述皱褶距所述散热器的各边缘的距离至少为1.5mm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率器件为六个，分别为三个上桥臂功率器件和三个下桥臂功率器件，所述功率元件还包括分别与所述三个上桥臂功率器件对应连接的U相高压驱动集成管、V相高压驱动集成管、W相高压驱动集成管，和分别与所述三个下桥臂功率器件对应连接的U相低压驱动集成管、V相低压驱动集成管、W相低压驱动集成管。
7.根据权利要求6所述的智能功率模块，其特征在于，所述三个上桥臂功率器件分别为第一功率器件、第二功率器件、第三功率器件，所述三个下桥臂功率器件分别为第四功率器件、第五功率器件、第六功率器件；
所述第一功率器件包括第一IGBT管和第一FRD管，所述第二功率器件包括第二IGBT管和第二FRD管，所述第三功率器件包括第三IGBT管和第三FRD管，所述第四功率器件包括第四IGBT管和与第四FRD管，所述第五功率器件包括第五IGBT管和第五FRD管，所述第六功率器件包括第六IGBT管和第六FRD管；
所述U、V、W三相高压驱动集成管包括电源端、输入端、输出端、高压电源正端、高压电源负端和接地端，所述U、V、W三相低压驱动集成管包括电源端、输入端、输出端和接地端，其中：
所述U、V、W三相高压驱动管的输入端分别作为所述智能功率模块的U、V、W三相上桥臂输入端；所述U、V、W三相低压驱动管的输入端分别作为所述智能功率模块的U、V、W三相下桥臂输入端；
所述U、V、W三相高压驱动管和所述U、V、W三相低压驱动集成管的电源端相连并作为所述智能功率模块的低压区供电电源的正端，所述U、V、W三相高压驱动管和所述U、V、W三相低压驱动集成管的接地端相连作为所述智能功率模块的低压区供电电源的负端，所述U、V、W三相高压驱动管的高压电源正端分别作为所述智能功率模块的U、V、W三相高压区供电电源的正端；
所述U相高压驱动集成管的输出端与所述第一IGBT管的栅极相连，所述U相高压驱动集成管的高压电源负端与所述第一IGBT管的射极、所述第一FRD管的阳极、所述第四IGBT管的集电极、所述第四FRD管的阴极相连，并作为所述智能功率模块的U相高压区供电电源的负端；所述V相高压驱动集成管的输出端与所述第二IGBT管的栅极相连，所述V相高压驱动集成管的高压电源负端与所述第二IGBT管的射极、所述第二FRD管的阳极、所述第五IGBT管的集电极、所述第五FRD管的阴极相连，并作为所述智能功率模块的V相高压区供电电源的负端；所述W相高压驱动集成管的输出端与所述第三IGBT管的栅极相连，所述W相高压驱动集成管的高压电源负端与所述第三IGBT管的射极、所述第三FRD管的阳极、所述第六IGBT管的集电极、所述第六FRD管的阴极相连，并作为所述智能功率模块的W相高压区供电电源的负端；
所述第一IGBT管的集电极、所述第一FRD管的阴极、所述第二IGBT管的集电极、所述第二FRD管的阴极、所述第三IGBT管的集电极、所述第三FRD管的阴极相连，并作为所述智能功率模块的高电压输入端；
所述U相低压驱动集成管的输出端与第四IGBT管的栅极相连，所述第四IGBT管的射极与所述第四FRD管的阳极相连，并作为所述智能功率模块的U相低压参考端，所述V相低压驱动集成管的输出端与第五IGBT管的栅极相连，所述第五IGBT管的射极与所述第五FRD管的阳极相连，并作为所述智能功率模块的V相低压参考端，所述W相低压驱动集成管的输出端与第六IGBT管的栅极相连，所述第六IGBT管的射极与所述第六FRD管的阳极相连，并作为所述智能功率模块的W相低压参考端。
8.一种智能功率模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将湿式碳素复合材料功能纸一体形成厚度为1.5mm～2.5mm的纸质散热器和皱褶，在所述散热器的正面覆盖绝缘层，在绝缘层表面形成电路布线；
在所述电路布线的表面装配IGBT管、高压驱动集成管、低压驱动集成管和预先制成的引脚，在承托盘上安装FRD管；
在所述IGBT管的射极位置安装所述FRD管；
通过金属线将所述IGBT管、所述FRD管、所述高压驱动集成管、所述低压驱动集成管以及所述电路布线连接形成相应的电路；
通过密封树脂将所述散热器的正面密封；
在所述散热器的背面覆盖预先制成的皱褶。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述电路布线的表面装配IGBT管、高压驱动集成管、低压驱动集成管和预先制成的引脚，在承托盘上安装FRD管的步骤之前还包括：
制成独立的带镀层的引脚；具体包括：
选取铜基材，对铜基材通过冲压或蚀刻的方式，制成一排引脚，引脚之间通过加强筋连接；
在所述引脚表面依次形成镍层和镍锡合金层，得到带镀层的引脚。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述形成纸质散热器，在所述散热器的正面覆盖绝缘层，在绝缘层表面形成电路布线的步骤包括：
根据设定的电路布局选取预定尺寸的湿式碳素复合材料形成纸质散热器；
在散热器的正面，使用绝缘材料和铜材，通过热压的方式，使绝缘材料形成于所述散热器的表面并作为所述绝缘层，使铜材形成于所述绝缘层的表面作为铜箔层；
将所述铜箔层的特定位置腐蚀掉，剩余部分形成电路布线；
所述在所述散热器的背面覆盖预先制成的皱褶的步骤包括：
使用湿式碳素复合材料形成皱褶，通过耐高温胶水粘接于所述散热器的背面。
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