CN106024652A - 一种智能功率模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种智能功率模块及其制造方法，智能功率模块包括：作为载体、具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面的基板；设置于所述基板的第一表面的绝缘层，所述绝缘层开设有贯穿到所述基板的通孔；形成于所述绝缘层表面的电路布线层，所述电路布线层上预设一电位焊盘与所述基板电连接；倒扣并焊接于所述电路布线层的上表面预定位置的电路元件；及包覆于所述绝缘层的表面，将所述电路布线层和电路元件覆盖的密封层。通过倒装方式使电路元件行程电连接，不再需要金属邦定线，节省了成本；将散热片和铝基板完全露出在树脂外面，最大限度提高散热效果；即使外部湿气内侵，因为已不存在金属线，已难以构成腐蚀。

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。
智能功率模块一般会工作在恶劣的工况中，如变频空调的室外机，高温高湿的状态下，高温会使智能功率模块内部温度升高，对于现行智能功率模块被所述密封树脂完全密封的结构，智能功率模块内部非常容易产生热积聚，高湿会使水气通过所述密封树脂与引脚之间的间隙进入所述智能功率模块的内部电路，所述智能功率模块内部的高温使离子，特别是氯离子和溴离子在水气的作用下发生迁移，对金属线产生腐蚀，这种腐蚀往往出现在金属线与电路元件或金属线与所述电路布线的结合部，导致开路，对智能功率模块构成致命破坏，严重时会使智能功率模块发生失控爆炸事故，对其应用环境构成损害，造成重大经济损失。
另外，智能功率模块有不同功率的器件，对于不同功率的器件，金属线的材质和粗细各不相同，增加了智能功率模块的加工难度，购买不同的邦线设备还增加了加工成本，并且，多种邦线工艺的组合使所述智能功率模块的制造直通率变低，生产良率难以提高。最终导致所述智能功率模块的成本居高不下，影响了智能功率模块的普及应用。
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适应此种结构的工序流程作为制造方法，可在保证智能功率模块有更良好接触可靠性的同时降低了智能功率模块的成本。
本发明是这样实现的，一种智能功率模块，包括：
作为载体、具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面的基板；
设置于所述基板的第一表面的绝缘层，其中，所述绝缘层预设位置开设有贯穿到所述基板的通孔；
形成于所述绝缘层表面的电路布线层，其中，所述电路布线层上预设一电位焊盘通过所述通孔与所述基板电连接；
倒扣并焊接于所述电路布线层的上表面预定位置的电路元件；及
包覆于所述绝缘层的表面，将所述电路布线层和电路元件覆盖的密封层。
进一步地，还包括引脚，所述电路布线层包括靠近边缘的引脚焊盘，所述引脚与所述引脚焊盘连接并自所述电路布线外延伸。
进一步地，所述引脚表面覆盖有镀层。
进一步地，所述引脚至少设于所述智能功率模块的其中一个边缘。
进一步地，所述密封层还将所述基板包覆在内。
进一步地，所述密封层为树脂层。
上述智能功率模块的有益效果是：通过倒装方式使电路元件行程电连接，不再需要金属邦定线，节省了成本；将散热片和铝基板完全露出在树脂外面，最大限度提高散热效果；即使外部湿气内侵，因为已不存在金属线，已难以构成腐蚀；使基板与电路布线某一电位连接从而使基板获得该特定电位，对电磁干扰起屏蔽作用，避免误触发的发生。
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：
制作作为载体的基板，于所述基板的第一表面覆盖绝缘层；其中，所述基板还具有与所述第一表面相对的第二表面；
于所述绝缘层预设位置开设有贯穿到所述基板的通孔；
于所述绝缘层表面布设电路布线层，并在所述电路布线层预设一通过所述通孔与所述基板电连接的电位焊盘；
于所述电路布线层的表面装配电路元件，其中，所述电路元件以倒扣的方式装配；
于所述绝缘层的表面包覆密封层，将所述电路布线层和所述电路元件覆盖。
上述智能功率模块的制造方法有益效果是：全包封技术注胶最大程度保证了智能功率模块的致密性，从而使智能功率模块的可靠性得到提高；免去了金属线邦定和清洗工序，进一步智能功率模块的可靠性，而且还节省了设备投入，提高了生产效率，降低了工艺管控要求，使智能功率模块的制造难度大幅下降，制造良率得到提高，进一步降低了智能功率模块的成本；另外，将铝基板形成特定电位的连接工序与元器件与电路布线形成电连接的工序统一，未增加制造方法难度。。
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1(C)是本发明的智能功率模块去掉密封层后的俯视图；
图1(D)是本发明的智能功率模块的下表面俯视图；
图2为本发明实施例提供的智能功率模块的制造工艺流程图；
图3(A)、3(B)分别是本发明智能功率模块的制造方法中制作电路布线的俯视和侧视工序示意图；
图4(A)为引脚的尺寸标示图；
图4(B)为制作引脚的工序示意图；
图5(A)、5(B)和5(C)分别为装配电路元件、引脚的侧视和俯视工序示意图；
图6为智能功率模块的制造方法的密封工序示意图；
图7为智能功率模块的制造方法的检测工序示意图；
图8为智能功率模块的制造方法的工序流程图。
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。
如图1(A)、图1(B)、图1(C)、图1(D)所示，智能功率模块包括基板16、绝缘层17、电路布线层(电路布线)18、电路元件14构成的电路，和配置在所述电路布线18边缘的引脚11，和密封该电路且完全覆盖所述电路元件14和所述绝缘层17上表面的密封层12。其中，图1(A)是本发明的智能功率模块10的上表面俯视图，所述散热片15从上表面露出，图1(B)是沿图1(A)的X-X’线的截面图，图1(C)是去掉覆盖所述电路元件14的所述密封层12后的俯视图，图1(D)是本发明的智能功率模块10的下表面俯视图。
基板16作为智能功率模块10的载体，具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面。绝缘层17设置于所述基板16的第一表面，其中，所述绝缘层17预设位置开设有贯穿到所述基板16的通孔70。电路布线层18形成于所述绝缘层17表面，其中，所述电路布线层18上预设一电位焊盘18B通过所述通孔70与所述基板16电连接；电路元件14倒扣并焊接于所述电路布线层18的上表面预定位置；散热器15贴装于所述电路元件14中的功率元件；密封层12包覆于绝缘层17的表面，将电路布线层18和电路元件14覆盖，并使所述散热器15部分表面裸露。
具体地，功率元件为平面功率器件，如IGBT管，必须使用LIGBT。电路元件14包含的功率元件为小功率元件，可以不需要使用散热器散热。即使需要散热器，那么散热器贴装于所述电路元件中的功率元件，密封层12包覆于绝缘层17的表面时，将散热器表面裸露；散热器为散热片，散热片表面可以考虑进行电镀银处理，增加沁润性。密封层12为密封树脂层。
进一步地，电路布线18的靠近至少一个边缘上，有用于配置引脚11的特殊的电路布线，称为引脚焊盘18A。引脚11引脚焊盘18A连接并自所述电路布线18外延伸。所述引脚11表面覆盖有镀层。
在此，所述电路布线18的某一特定电位，如GND电位，设置成一个较宽的电位焊盘18B，该电位焊盘18B的直径不应小于5mm，该电位焊盘18B开设上一个贯穿电路布线18以及所述绝缘层17，露出所述铝基板16的通孔70，所述通孔70的直径不应小于3mm并且不能大于电位焊盘18B，所述通孔70的深度以刚好露出所述基板16为佳，不应大于1.5mm。
以下说明这样的各构成要素。
电路基板16是由1050、5052等材质的铝构成的矩形板材。在此，为了降低成本，可以使用1050的铝材，为了提高硬度，可以选择5052的铝材；为了提高耐压，可以对铝材进行阳极氧化处理，为了提高散热性，也可以不作阳极氧化。电路基板16的厚度可以设计为1.5mm～2.0mm。
位于基板16其中一个表面的绝缘层17是可以设计为厚度100μm～200μm，热导率2W/(m*K)～3W/(m*K)，在此，为了节省成本并提高导热性，可以选择厚度100μm，为了提高耐压，可以选择厚度200μm，厚度一般不应超过200μm，在此，绝缘层的厚度选择得越厚，热导率应该相应选择得越高。
电路布线18由厚度为2盎司以上的铜材通过冲压或刻蚀的形式制作而成，为了防止氧化，所述电路布线18的上表面可以进行镀金处理，为了成本，所述电路布线18的上表面也可以进行镀银处理，或者通过真空或充氮包装进行运输，上表面不作处理。
电路元件14被倒装固定在所述电路布线18上。所述电路元件14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。进一步地，通过由铜等制成的散热片15贴装在功率元件等发热量大的元件背面。
在此，设计成一边上设有多条引脚11，其具有例如与外部进行输入、输出的作用。引脚11和引脚焊盘18A通过焊锡等导电电性粘结剂焊接。
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。在此，引脚11可以只设于智能功率模块10的其中一个边缘，也可以设于智能功率模块10的相对的两个边缘，也可以设于智能功率模块10的其中三个边缘，也可以设于智能功率模块10的四个边缘；
所述密封层12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。在此，所述密封层12完全密封所述电路布线18的一面上的所有元素。在此，所述电路基板16下表面也被所述密封层12覆盖，使智能功率模块10的耐潮湿能力得以提高；在此，因为所述功率元件也被所述密封层12完全密封，所以，所述密封层12一般应该选择角型结晶较多的材料，以提高其热导率，可以考虑选择松下的4300系列或日立的3600系列；另外，为了保证所述智能功率模块10的可靠性，所述密封层12的漏电起痕能力不应低于500V。
智能功率模块的有益效果是：通过倒装方式使电路元件，包括中小功率电路元件形成电连接，不再需要金属邦定线，节省了成本；将模块所有元素用树脂密封，最大限度提高抗水气进入效果；即使外部湿气内侵，因为已不存在金属线，已难以构成腐蚀。使基板与电路布线某一电位连接，从而使基板获得该特定电位，对电磁干扰起屏蔽作用，避免误触发的发生。
参考图2，说明所述智能功率模块的制造方法，包括以下步骤：
步骤S110，制作作为载体的基板，于所述基板的第一表面覆盖绝缘层；其中，所述基板还具有与所述第一表面相对的第二表面；
步骤S120，于所述绝缘层预设位置开设有贯穿到所述基板的通孔；
步骤S130，于所述绝缘层表面布设电路布线层，并在所述电路布线层预设一通过所述通孔与所述基板电连接的电位焊盘；
步骤S140，于所述电路布线层的表面装配电路元件，其中，所述电路元件以倒扣的方式装配；
步骤S150，于所述绝缘层的表面包覆密封层，将所述电路布线层和所述电路元件覆盖。
步骤S160，在所述绝缘层的表面周围设置热硬性树脂框；具体为：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、电路元件及所述基板。
在步骤S140之前还包括：制成独立的带镀层的引脚的步骤。该步骤具体包括：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。
在步骤S150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层成上；清除残留在所述绝缘层的助焊剂。
全包封技术注胶最大程度保证了智能功率模块的致密性，从而使智能功率模块的可靠性得到提高；免去了金属线邦定和清洗工序，进一步智能功率模块的可靠性，而且还节省了设备投入，提高了生产效率，降低了工艺管控要求，使智能功率模块的制造难度大幅下降，制造良率得到提高，进一步降低了智能功率模块的成本。
在更具体的实施例中，结合图3(A)至图8，智能功率模块的制造方法包括以下工序。
第一工序，参照图3(A)和3(B)：
本发明的第一工序是作为本发明特征的工序，本工序是在大小合适的铝板上形成电路布线的工序。
首先，参照图3(A)，根据需要的电路布局设计大小合适的电路基板16，对于一般的智能功率模块，一枚的大小可选取64mm×30mm，三枚的短边相连的大小为50mm×75mm，形成一个由三枚智能功率模块10金属电路基板16组成的三联板单元。在铝基板16的表面上设有绝缘层17。另外，在绝缘层17的表面粘贴有作为电路布线18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，形成所述电路布线18、引脚焊盘18A及和较宽的电位焊盘18B。
在此，所述可以通过平底的钻头或尖底的钻头在电位焊盘18B上开设通孔70，平底钻头可保证基板16有较大的接触面积，但钻头寿命较短，尖底钻头可保证基板16被钻穿露出的成功率，但铝基板16露出面积一般较小，本实施例处于提高可靠性考虑，使用平底钻头开设通孔70，在基板16露出平底的接触台面。
在此，大小合适的铝基板的形成是通过直接对1m×1m的铝材进行锣板处理的方式形成，锣刀使用高速钢作为材质，马达使用5000转/分钟的转速，锣刀与铝材平面呈直角下刀，可以使1100铝材的边缘呈直角，毛刺小于10μm，也可通过蚀刻工具，通过化学反应刻蚀出特定的形状。参考延图3(A)的X-X’线剖面图3(B)。
在对抗氧化要求很高的场合，可以通过电镀金或化学沉金的方式，在所述电路布线18表面形成金层。
在此，用于制造所述电路布线18的铜板的厚度应该不小于2盎司，保证有足够的通流能力。
在此，有时也用V-CUT方式将所述三联板单元分开，V-CUT可避免所述绝缘层17在冲压时发生裂损，从而提高所述智能功率模块10的长期可靠性。
在此，因为不再需要邦线工序，所述电路布线18上也不再具备邦定点，因此，对于相同的电路功能，所述电路基板16的面积可以缩小，既有技术的电路基板大小一般设计为64mm×30mm，而本实施例的电路基板设计为50mm×25mm，体现了不需要邦定线后的小型化效果。而增加的电位焊盘18B对电路布线18面积的影响可以忽略。
第二工序，参照图4(A)和图4(B)：
本发明的第二工序是作为本发明特征的工序，本工序是制成独立的带镀层的引脚11的工序。
每个引脚11都是用铜基材，制成长度C为25mm，宽度K为1.5mm，厚度H为1mm的长条状，如图4(A)所示；在此，为便于装配，在其中一端压制出一定的弧度，如图4(B)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，镍层厚度一般控制在5μm，镍层的形成极大提高了保护性和可焊性；
到此，所述引脚11制造完成。
在此，本发明的所述引脚11是一个个单独的引脚，不同于现行技术的整排引脚，因为所述引脚11被固定在的所述电路布线18仅通过树脂部分包裹固定，抗冲击强度有限，单独的引脚避免了切除加强筋的工序，能够降低对本发明的智能功率模块10的系统性冲击。有时，为了引脚装配方便，可仍使用整排引脚的形式。
第三工序，参考图5(A)、5(B)和5(C)：
本发明的第三工序是作为本发明特征的工序，本工序是在电路布线18表面倒装电路元件14和配置所述引脚11的工序。
首先，参考图5(A)，通过点胶机71，向通孔70喷入锡膏，可以通过点胶的方式，也可以通过喷锡的方式，使所述通孔70被配置锡膏，锡膏的高度可以与所述通孔70的高度一致或者略高，但最低高度一定要超过所述绝缘层17，到达所述电路布线18，保证与所述电路布线70接触。
参照侧视图图5(A)和俯视图图5(B)，将制作好的电路布线18通过锡膏印刷机，使用钢网，对所述电路布线18的特定位置进行锡膏涂装，钢网可使用0.13mm的厚度。
将在所述电路布线18上涂敷好锡膏的基板16放置在载具20上，通过SMT机或DA机等设备，进行电路元件14，包括已经配置所述散热片15的电路元件14，和引脚11的安装，所述电路元件14可直接倒装在所述电路布线18的特定位置，而引脚11则一端要安放在所述焊盘18A上，另一端需要载具20进行固定，所述载具20通过合成石等材料制成。
然后，放于所述载具20上的所述电路基板16通过回流焊，锡膏固化，所述电路元件14和所述引脚11被固定。
在此，回流温度一般不超过300℃，因此，所述功率元件14和所述散热片15不会在回流时分离。
第四工序，参照图6：
本发明的第五工序是作为本发明特征的工序，本工序是说明由密封树脂12密封电路布线18的工序。图6表示使用模具50由密封树脂密封被所述基板16承载的电路布线18的工序的剖面图。
首先，在无氧环境中对电路布线18进行烘烤，烘烤时间不应小于2小时，烘烤温度和选择125℃。
将配置好电路布线18的所述基板16搬送到模型44及45。通过使引脚11的特定部分与固定装置46接触，进行所述电路基板16的定位。
合模时，在形成于模具50内部的模腔中放置电路基板16，然后由浇口53注入密封树脂形成密封层12。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12模腔内部的气体通过排气口54排放到外部。
在此，上模44和下模45不与模块10产生接触，为了便于模块10的模腔中的定位，有时也使用在上模44配置顶针的方式，对模块10在模腔中的位置进行定位，缺点是会为模块10留下气孔，影响模块的致密性，本实施例示出于最大程度提高模块10致密性考虑，未为上模配置顶针；因为本方案主要应用了中小功率模块的领域，对于所述电路基板16底面的所述密封层12的厚度要求并不严格，在±0.5mm，所以不需要顶针定位。
脱模后，如果加装散热器，则散热器的表面和电路基板16底面从所述密封层12露出，如果所述密封层12溢胶严重，可以通过追加一个激光除溢胶或研磨除溢胶的工序。
第五工序，参照图7：
本发明第六工序是进行所述引脚11成型和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引脚11以外的其他部分都被树脂12密封。本工序根据使用的长度和形状需要，例如，在虚线51的位置将外部引脚11折弯成一定形状，便于后续装配。
然后将模块放入测试设备中，进行常规的电参数测试，因为所述引脚11相互独立，成型后可能会有部分引脚不在同一水平面上，影响接触，所以一般需要先进行测试机金手指与引脚的接触测试，如果接触测试不通过，需要对所述引脚11进行修调处理，直到接触测试通过后，再进行电气特性测试，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。
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 (10)

1.一种智能功率模块，其特征在于，包括：
作为载体、具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面的基板；
设置于所述基板的第一表面的绝缘层，其中，所述绝缘层预设位置开设有贯穿到所述基板的通孔；
形成于所述绝缘层表面的电路布线层，其中，所述电路布线层上预设一电位焊盘通过所述通孔与所述基板电连接；
倒扣并焊接于所述电路布线层的上表面预定位置的电路元件；及
包覆于所述绝缘层的表面，将所述电路布线层和电路元件覆盖的密封层。
2.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边缘的引脚焊盘，所述引脚与所述引脚焊盘连接并自所述电路布线外延伸。
3.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述引脚表面覆盖有镀层。
4.如权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述引脚至少设于所述智能功率模块的其中一个边缘。
5.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述密封层还将所述基板包覆在内。
6.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述密封层为树脂层。
7.一种智能功率模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
制作作为载体的基板，于所述基板的第一表面覆盖绝缘层；其中，所述基板还具有与所述第一表面相对的第二表面；
于所述绝缘层预设位置开设有贯穿到所述基板的通孔；
于所述绝缘层表面布设电路布线层，并在所述电路布线层预设一通过所述通孔与所述基板电连接的电位焊盘；
于所述电路布线层的表面装配电路元件，其中，所述电路元件以倒扣的方式装配；
于所述绝缘层的表面包覆密封层，将所述电路布线层和所述电路元件覆盖。
8.如权利要求7所述的智能功率模块的制造方法，其特征在于，在于所述绝缘层的表面包覆密封层，将所述电路元件覆盖并使所述散热器部分表面裸露的密封层步骤具体为：
在所述电路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、电路元件及所述基板。
9.如权利要求7所述的智能功率模块的制造方法，其特征在于，在所述于所述电路布线层的表面装配电路元件步骤之前还包括：
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；
通过回流焊焊接所述引脚于所述电路布线层边缘的引脚焊盘上。
10.如权利要求7所述的智能功率模块的制造方法，其特征在于，在在于所述绝缘层的表面包覆密封层，将所述电路元件覆盖并使所述散热器部分表面裸露的密封层步骤之前还包括以下步骤：
清除残留在所述绝缘层的助焊剂。
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