CN105047623B - 智能功率模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电子器件制造技术，提供了一种智能功率模块以及制造方法，智能功率模块包括：基板，包括第一表面和与该第一表面相对的第二表面，所述第一表面形成皱褶，所述第二表面覆盖有绝缘层，所述基板为纸质散热器；电路布线层，形成于所述绝缘层的表面；电路元件，配设于所述电路布线层相应位置；金属线，连接所述电路布线层和电路元件。由于智能功率模块的背面具有散热皱褶，散热面积极大增加，绝缘层无需使用高导热材料即可满足功率元件散热要求；散热结构为纸质材料，重量轻，智能功率模块总体重量降低，便于长途运输和工人装配；因为模块本身具备散热器，所以在应用过程，外部无需再接散热器，降低应用难度和应用成本，提供装配品质。

Description

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制造工艺领域，尤其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。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电力电子器件。
因为智能功率模块一般工作在高温环境中，并且智能功率模块内的功率器件在工作时会发出大量的热，导致功率器件的结温很高，虽然电路基板具有散热作用，但是因为所述绝缘层的存在，导致所述智能功率模块的整体热阻较高。
智能功率模块长期工作在高温下，会严重降低使用寿命，并且会影响性能的稳定性，在极端情况下，会导致智能功率模块在工作过程中因内部器件过热而失控爆炸，造成人员伤亡和财产损失。
选用高导热绝缘层和增加散热器是解决现行智能功率模块散热问题的主要方法；但是高导热绝缘层一方面成本非常高，另一方面由于高导热绝缘层使用了大量的参杂而导致硬度很大从而增加了智能功率模块的制造难度；如果在智能功率模块内部散热器，将功率元件贴装在散热器上，一方面会增加原材料成本，另一方面增加了智能功率模块的工艺难度；如果在智能功率模块外部增加散热器，散热器贴装在智能功率模块背面，一方面增加应用成本，另一方面增加了装配难度，都对智能功率模块的应用推广制造了困难，不利于智能功率模块在民用场合的普及。
发明内容
本发明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及一种工序流程要求降低的制造方法，可在使用普通绝缘层的前提下，使智能功率模块获得良好的散热效果。
本发明是这样实现的，一种智能功率模块，包括：
基板，包括第一表面和与该第一表面相对的第二表面，所述第一表面形成皱褶，所述第二表面覆盖有绝缘层，所述基板为纸质散热器；
电路布线层，形成于所述绝缘层的表面；
电路元件，配设于所述电路布线层相应位置；
金属线，连接所述电路布线层和电路元件。
进一步地，所述纸质散热器为可耐受350℃以上温度的绝缘材料制作而成。
进一步地，所述纸质散热器为湿式碳素复合材料功能纸制作而成。
进一步地，还包括引脚，所述电路布线层包括靠近所述基板的表面边缘的引脚焊盘，所述引脚与所述引脚焊盘连接并自所述基板向外延伸。
进一步地，还包括密封层，所述密封层包覆于所述绝缘层的表面，将所述电路布线层、电路元件以及金属线覆盖。
进一步地，还包括防水层，所述防水层覆盖于所述基板的第一表面。
上述智能功率模块的有益效果是：由于智能功率模块的背面具有散热皱褶，散热面积极大增加，绝缘层无需使用高导热材料即可满足功率元件散热要求；散热结构为纸质材料，重量轻，智能功率模块总体重量降低，便于长途运输和工人装配；因为模块本身具备散热器，所以在应用过程，外部无需再接散热器，降低应用难度和应用成本，提供装配品质。因此，本发明的智能功率模块在降低成本同时，提高了可靠性，并且可设计成与现行智能功率模块功能及引脚定义兼容，便于智能功率模块的推广应用。
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，包括以下步骤：
制作作为基板的纸质散热器，并于所述基板的第一表面形成皱褶，第二表面覆盖绝缘层，其中，所述第一表面和所述第二表面相对；
于所述绝缘层表面布设电路布线层；
于所述电路布线层相应位置配设电路元件以及引脚；
利用金属线连接所述电路布线层和电路元件；
于所述绝缘层的表面包覆密封层，将所述电路布线层、电路元件以及金属线覆盖。
上述智能功率模块的制造方法有益效果是：在纸质散热器上形成电路布线并完成有序加工，重量更轻的散热器对加工时所用载具要求低，定位容易，降低了制造成本，提高了过程合格率；省去将功率元件贴装到内部散热器的工序，降低了设备投资费用。
附图说明
图1(A)为本发明实施例提供的智能功率模块的俯视图；
图1(B)是图1(A)中沿X-X’线的剖面图；
图2(A)、2(B)分别是本发明智能功率模块的制造方法中设置基板的侧视和俯视工序示意图；
图2(C)为在基板上形成绝缘层21、铜箔层18B的工序示意图；
图2(D)为制作电路布线的工序示意图；
图2(E)是图2(D)中沿X-X’线的剖面图；
图2(F)为制作散热皱褶的工序示意图；
图2(G)为引脚的尺寸标示图；
图2(H)为制作引脚的工序示意图；
图3(A)、3(B)分别为在电路布线上装配电路元件、引脚的侧视和俯视工序示意图；
图4(A)、4(B)分别为装配金属线的侧视和俯视工序示意图；
图5为智能功率模块的密封工序示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。
结合图1(A)和1(B)，本发明的智能功率模块10具有引脚11、密封层12、金属线15、基板17、电路布线(即电路布线层)18、绝缘层21和电路元件，该电路元件包括功率元件19和非功率元件14。基板17为纸质散热器，基板17包括第一表面和与该第一表面相对的第二表面，基板17的第一表面形成大量散热皱褶17A，有绝缘层21覆盖在基板17的第二表面。电路布线18配设在所述绝缘胶21的表面上，电路布线18包括设置在靠近所述基板17的表面边缘的引脚焊盘18A。金属线15用于根据电路原理图，在电路布线层18之间、电路元件之间以及电路布线层18和电路元件之间形成电路连接。密封层12包括热硬性树脂框13以及注入在热硬性树脂框13的范围内的热塑性树脂形成。密封该电路且完全覆盖所述基板17的第二表面上的所有元素。
本实施例中，基板17可耐受350℃以上高温的绝缘材料制作而成。如湿式碳素复合材料功能纸，可由粉末状和纤维状碳素材料复合加工成石墨质，并可根据需要折叠成任意形状，得到散热皱褶17A。为了提高抗腐蚀性和防水，表面可进行防水处理，即于基板17的第一表面覆盖防水层(图未示)。本实施例中，基板17和散热皱褶17A一体制成，其中基板17形状平整、所述散热皱褶17A形状不规则；基板17和散热皱褶17A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，基板17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，散热皱褶17A采用了较薄的湿式碳素复合材料，厚度可设计为0.5mm。在此，基板17具有散热皱褶17A的一面称为基板17的背面(第一表面)，相对面称为基板17的表面(第二表面)。
实际应用中，散热皱褶17A不能完全覆盖基板17的背面，在基板17的背面的边缘需要流出至少2mm的平整位置，并且在基板17的矩形短边有直径至少1mm的通孔16。
绝缘层21采用常规的绝缘材料为基础，可以加入二氧化硅、氮化硅、碳化硅等掺杂以提高导热性，在此，掺杂可以是球形或角形，通过热压方式，压合在基板17的表面，并且使在基板17的通孔16位置露出。
电路布线18由铜等金属构成，形成于绝缘层21上的相应位置(该位置根据电路原理图设计)，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。另外，在绝缘层21的边缘，形成有由电路布线18构成的引脚焊盘18A。在此，在绝缘层21的一边附近设置多个对准排列的引脚焊盘18A，根据功能需要，也可在绝缘层21的多个边附近设置多个对准排列的引脚焊盘18A。
功率元件19和非功率元件14被固定在电路布线18上构成规定的电路。在此，功率元件19采用IGBT管、高压MOSFET管、高压FRD管等元件，功率元件19通过金属线15与电路布线18等连接；非功率元件14采用集成电路、晶体管或二极管等有源元件、或者电容或电阻等无源元件，面朝上安装的有源元件等通过金属线15与电路布线18连接。
金属线15可以是铝线、金线或铜线，通过邦定使各功率元件19之间、各非功率元件14之间、各电路布线18之间建立电连接关系，有时还用于使引脚11和电路布线18或功率元件19、非功率元件14之间建立电连接关系。
引脚11被固定在设于电路基板17其中一个或多个边缘的焊盘18A上，其具有例如与外部进行输入、输出的作用。在此，设计成一边上设有多条引脚11，引脚11和引脚焊盘18A通过焊锡等导电电性粘结剂焊接，使得引脚11与所述引脚焊盘18A连接并自基板17向外延伸。引脚11一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。
热硬性树脂框13通过传递模方式模制形成，热硬性树脂框13外边缘大小与基板17一致或比基板17略小。应用中，热硬性树脂框13内边缘与外边缘的距离不小于1.5mm，并且在热硬性树脂框13矩形短边处，有直径与基板17的通孔位置、直径一致的通孔。
密封层12通过热塑性树脂注入模方式模制。在此，密封层12完全位于热硬性树脂框13内并密封基板17上表面上的所有元素。包覆于绝缘层21的表面，将电路布线层18、电路元件以及金属线15覆盖。
由于智能功率模块10的背面具有散热皱褶17A，散热面积极大增加，绝缘层21无需使用高导热材料即可满足功率元件散热要求；散热结构为纸质材料，重量轻，智能功率模块10总体重量降低，便于长途运输和工人装配；因为模块本身具备散热器，所以在应用过程，外部无需再接散热器，降低应用难度和应用成本，提供装配品质。因此，本发明的智能功率模块10在降低成本同时，提高了可靠性，并且可设计成与现行智能功率模块功能及引脚定义兼容，便于智能功率模块的推广应用。
本发明智能功率模块的制造方法包括以下步骤：
制作作为基板的纸质散热器，并于所述基板的第一表面形成皱褶，第二表面覆盖绝缘层，其中，所述第一表面和所述第二表面相对；
于所述绝缘层表面布设电路布线层；
于所述电路布线层相应位置配设电路元件以及引脚；
利用金属线连接所述电路布线层和电路元件；
于所述绝缘层的表面包覆密封层，将所述电路布线层、电路元件以及金属线覆盖。
在一个实施例中，于所述绝缘层的表面包覆密封层的步骤具体为：
在所述绝缘层的表面周围设置热硬性树脂框；
在所述热硬性树脂框的范围内注入热塑性树脂以密封所述电路布线层、电路元件以及金属线。
优选地，还包括在所述基板的第一表面上设置防水层的步骤。
优选地，在所述利用金属线连接所述电路布线层和电路元件的步骤之前还包括以下步骤：
通过回流焊焊接所述电路元件于所述电路布线成上；
清除残留在所述绝缘层的助焊剂。
智能功率模块的制造方法在纸质散热器上形成电路布线并完成有序加工，重量更轻的散热器对加工时所用载具要求低，定位容易，降低了制造成本，提高了过程合格率；省去将功率元件贴装到内部散热器的工序，降低了设备投资费用。
以下说明的各工序的详细情况。
第一工序：
参考图2(A)和图2(B)，图2(A)为基板的俯视图，图2(B)是图2(A)中沿X-X’线的剖面图。
根据需要的电路布局设计大小合适的基板17，对于一般的智能功率模块，一枚的大小可选取64mm×30mm，厚度为1.5mm，对两面进行如涂敷防水胶的防蚀、防水处理。
参考图2(C)，使用具有角形或球形掺杂的绝缘材料和铜材，通过同时热压的方式，使绝缘材料形成于基板17的表面并作为绝缘层21、铜材形成于绝缘层21表面作为铜箔层18B。在此，为了提高耐压特性，绝缘层21的厚度可以设计为110μm，为了提高散热特性，绝缘层21的厚度可以设计为70μm。在此，为了提高通流能力，铜箔层18B的厚度可以设计成0.07mm，为了降低成本，铜箔层18B的厚度可以设计成0.035mm或0.0175mm。
参考图2(D)和图2(E)，将铜箔层18B的特定位置腐蚀掉，剩余部分为电路布线18及引脚焊盘18A。
参考图2(F)，使用厚度为0.5mm的湿式碳素复合材料形成不规则形状，作为散热皱褶17A。对两面进行如涂敷防水胶的防蚀、防水处理。
每个引脚11都是用铜基材，通过冲压或者蚀刻的方式，制成如图2(G)所示，单独的引脚单元为长度C为25mm，宽度K为1.5mm，厚度H为1mm的长条状；在本实施例中，为便于装配，也在引脚单元其中一端压制出90°的弧度，如图2(H)所示。
然后通过化学镀的方法形成镍层：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，在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保护性和可焊性。
第二工序：
在电路布线18表面装配功率元件19、非功率元件14和在引脚焊盘18A表面装配引脚11的工序。
首先，通过锡膏印刷机，使用钢网，对绝缘层21上的电路布线18的特定位置和引脚焊盘18A进行锡膏涂装；在此，为了提高爬锡高度，可使用0.15mm厚度的钢网，为了降低功率器件19和非功率元件14移位的风险，可使用0.12mm厚度的钢网。本实施例中，使用的功率元件19的高度为0.07mm，为最轻的元器件，所以钢网厚度选择0.12mm厚度的钢网。
然后，参照侧视图图3(A)和俯视图图3(B)，将基板17放置在载具20上，进行功率元件19、非功率元件14和引脚11的安装，功率元件19和非功率元件14可直接放置在电路布线18的特定位置，而引脚11则一端要安放在焊盘18A上，另一端需要载具20上的固定装置20A进行固定，载具20和固定装置20A通过合成石等材料制成。在此，载具20需要进行底部镂空处理，使散热皱褶17A露出，基板17背面边缘至少1mm的未被散热皱褶17A覆盖的位置与载具20接触起支撑作用。
然后，放于载具20上的基板17通过回流焊，锡膏固化，功率元件19、非功率元件14和引脚11被固定。
第三工序：
首先将基板17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压时残留的铝线等异物洗净，根据非功率元件14在电路布线18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。
清洗时，通过机械臂夹持引脚11，将基板17置于清洗槽中，并要注意不要让机械臂触碰基板17，因为基板17具有脆性并容易形变，如果机械臂夹持基板17，在清洗时产生的震动，容易造成基板17发生崩裂。
第四工序：
根据通流能力需要，选择适当直径的铝线作为邦定线(金属线15)，对于用于信号控制的集成电路，也可考虑使用金线作为邦定线。在本实施例中，全部选择铝线，一般来说，对功率元件19的邦定使用350μm～400μm的铝线，对非功率元件14的邦定使用38μm～200μm的铝线，对散热器13的邦定使用350μm～400μm的铝线。
此工序完成后的制品参看侧视图图4(A)和俯视图图4(B)。
第五工序：
在绝缘层21上装配热硬性树脂框13并灌封热塑性树脂的工序。
首先，通过绝缘红胶等非导电性热固性胶水在绝缘层21上贴附矩形短边上带有通孔的热硬性树脂框13，并在无氧环境中对贴附热硬性树脂框13的基板17进行烘烤，烘烤时间不应小于2小时，烘烤温度和选择175℃，使热硬性树脂框13被固定在绝缘层21上，参见图5，在此，热硬性树脂框13的高度必须高于金属线15的高度。
然后，向热硬性树脂框13内注入热塑性树脂，直到热硬性数值框13被填满。热塑性树脂的注入温度为150℃，冷却后，密封层12将基板17上的所有元素密封，只有引脚11部分露出。
第六工序：
形成通孔16并固定散热皱褶17A的工序。智能功率模块经由此工序作为制品完成。
参考图1(A)，通过打孔器等方式，在热硬性树脂13的通孔处将绝缘层21和基板17打穿，形成通孔16。通孔16用于智能功率模块10的装配。
参考图1(B)，使用耐受温度在150℃以上的耐高温胶水，将散热皱褶17A粘附在基板17的背面，在此，散热皱褶17A不能完全覆盖基板17的背面，在基板17的背面的短边边缘的距离至少2mm，确保不对通孔16形成遮挡。
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，完成智能功率模块10的制作。
以上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 (9)

1.一种智能功率模块，其特征在于，包括：
基板，包括第一表面和与该第一表面相对的第二表面，所述第一表面形成皱褶，所述第二表面覆盖有绝缘层，所述基板为纸质散热器，所述基板为可耐受350℃以上温度的绝缘材料制作而成；
电路布线层，形成于所述绝缘层的表面；
电路元件，配设于所述电路布线层相应位置；
金属线，连接所述电路布线层和电路元件。
2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述纸质散热器为湿式碳素复合材料功能纸制作而成。
3.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，还包括引脚，所述电路布线层包括靠近所述基板的表面边缘的引脚焊盘，所述引脚与所述引脚焊盘连接并自所述基板向外延伸。
4.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，还包括密封层，所述密封层包覆于所述绝缘层的表面，将所述电路布线层、电路元件以及金属线覆盖。
5.如权利要求1或4所述的智能功率模块，其特征在于，还包括防水层，所述防水层覆盖于所述基板的第一表面。
6.一种智能功率模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
制作作为基板的纸质散热器，并于所述基板的第一表面形成皱褶，第二表面覆盖绝缘层，其中，所述第一表面和所述第二表面相对，所述基板为可耐受350℃以上温度的绝缘材料制作而成；
于所述绝缘层表面布设电路布线层；
于所述电路布线层相应位置配设电路元件以及引脚；
利用金属线连接所述电路布线层和电路元件；
于所述绝缘层的表面包覆密封层，将所述电路布线层、电路元件以及金属线覆盖。
7.如权利要求6所述的智能功率模块的制造方法，其特征在于，于所述绝缘层的表面包覆密封层的步骤具体为：
在所述绝缘层的表面周围设置热硬性树脂框；
在所述热硬性树脂框的范围内注入热塑性树脂以密封所述电路布线层、电路元件以及金属线。
8.如权利要求6所述的智能功率模块的制造方法，其特征在于，还包括在所述基板的第一表面上设置防水层的步骤。
9.如权利要求6所述的智能功率模块的制造方法，其特征在于，在所述利用金属线连接所述电路布线层和电路元件的步骤之前还包括以下步骤：
通过回流焊焊接所述电路元件于所述电路布线成上；
清除残留在所述绝缘层的助焊剂。
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