CN107293523A - 一种智能功率模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能功率模块及其制造方法,智能功率模块包括:由电路布线构成的载体;配置在所述电路布线上表面的电路元件;用于连接电路布线及电路元件的金属线;配置在电路布线边缘,与电路布线连接并向外延伸的金属引脚,引脚上覆盖有镀层;通过树脂覆盖电路布线的上表面、电路元件、金属线;通过树脂至少将引脚与电路布线的连接部分密封;电路布线的下表面完全从树脂中露出。制备过程中将所述电路布线通过具有配合的凹陷的底板固定。本发明通过可重复利用的底板固定电路布线进行加工,通过树脂进行最后固定,节省了成本,将电路布线完全露出在树脂外面,最大限度提高散热效果,电路布线间的间隙完全暴露,湿气难以附着。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能功率模块,具体涉及一种通过传递模形式进行封装的大功率智能功率模块及其制造方法。
背景技术
智能功率模块,即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。与传统分立方案相比,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,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。
参照图1至图3说明现有智能功率模块100的结构。图1是所述智能功率模块100的俯视图,图2是图1的X-X’线剖面示意图。
所述智能功率模块100具有如下结构,其包括:电路基板106;设于所述电路基板106表面上的绝缘层107上形成的所述电路布线108;被固定在所述电路布线108上的电路元件104;连接电路元件104和所述电路布线108的金属线105;与所述电路布线108连接的引脚101,所述引脚101边缘存在未电镀的缺口103,其余部分被电镀层覆盖;所述智能功率模块100的整体被密封树脂102密封。另外,有时也在使所述铝基板106的背面露出到外部的状态下进行密封。
所述智能功率模块100的制造方法是:
将铝材形成适当大小作为所述电路基板106,在所述电路基板106表面上设置所述绝缘层107并在所述绝缘层107上形成铜箔,通过刻蚀使铜箔形成所述电路布线108;
在所述电路布线108的特定位置涂装锡膏;
将铜材形成适当形状,并进行表面镀层处理,作为所述引脚101,为了避免所述电路元件104在后续加工工序中被静电损伤,所述引脚101的特定位置通过加强筋109相连,如图3所示;
在锡膏上放置所述电路元件104和所述引脚101;
通过回流焊使锡膏固化,所述电路元件104和所述引脚101固定在所述电路布线108上;
通过喷淋、超声等清洗方式,清除残留在所述电路基板106上的助焊剂;
通过邦定线,使所述电路元件104和所述电路布线108间形成连接;
通过使用热塑性树脂的注入模模制或使用热硬性树脂的传递模模制方式,将上述要素密封;
将所述引脚101的加强筋109切除并形成所需的形状,在此,所述加强筋109被切除后,通过测试设备进行必要的测试,测试合格者就成为所述智能功率模块100。
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102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102的分子间间隙进入智能功率模块的内部电路,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,对电路产生腐蚀,因为智能功率模块被所述密封树脂102完全包裹,这个过程会因为智能功率模块的持续工作而持续叠加,最终使智能功率模块的电路中的布线108甚至电路元件104中的电路发生微短路,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爆炸事故,对其应用环境构成损害,造成重大经济损失。
另外,为了尽量提高全包封结构的散热性,如图2,智能功率模块的下表面的密封树脂的厚度需要控制得非常薄,对工艺参数要求很高,导致智能功率模块的生产良率难以提高,成本居高不下,影响了智能功率模块的普及应用。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种高可靠性的智能功率模块结构,使智能功率模块具有更良好的散热环境和水气进出通道,并降低智能功率模块的成本。
本发明的另一发明目的是提供一种适应此种结构的制备方法。
为达到上述发明目的,本发明采用的技术方案是:
一种智能功率模块,包括:
由电路布线构成的载体;
配置在所述电路布线上表面的电路元件;
用于连接电路布线及电路元件的金属线;
配置在电路布线边缘,与电路布线连接并向外延伸的作为输入输出的金属引脚,引脚上覆盖有镀层;
通过树脂覆盖电路布线的上表面、电路元件、金属线;
通过树脂至少将引脚与电路布线的连接部分密封,并且向外延伸的引脚至少有一部分未被树脂密封而露出;
电路布线的下表面完全从树脂中露出。
一种智能功率模块的制造方法,包括:
在金属基材上形成电路布线;
在金属材料表面进行形成镀层处理制成引脚;
将所述电路布线通过具有配合的凹陷的底板固定;
在所述电路布线的待安装电路元件和引脚的位置涂装锡膏;
在锡膏上放置所述电路元件和所述引脚;
通过回流焊使锡膏固化;
清除残留在所述金属铝基板上的助焊剂和铝屑;
通过邦定线,使所述电路元件和所述电路布线间形成连接;
通过使用热塑性树脂的注入模模制或使用热硬性树脂的传递模模制方式,将上述要素密封;
将所述引脚切断并形成所需的形状;
将所述电路布线从所述底板中取出,获得智能功率模块。
上述技术方案中,所述金属基材为厚度大于4盎司的铜材。
所述底板为表面光滑的耐高温钢材。
所述底板上的凹陷的图形与所述电路布线形状一致但比所述电路布线稍宽,所述凹陷的深度比所述电路布线的厚度浅。
优选的技术方案,通过喷淋或超声清洗方式清除残留在所述金属铝基板上的助焊剂和铝屑。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
1、本发明不再需要金属基板,通过可重复利用的底板固定电路布线进行加工,通过树脂进行最后固定,节省了成本,将电路布线完全露出在树脂外面,最大限度提高散热效果,电路布线间的间隙完全暴露,湿气难以附着。
2、本发明在制备过程中通过底座进行定位,降低了塑封时定位的难度,底部完全露出,降低了注胶时上下表面厚度悬殊对参数控制的难度,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。
附图说明
图1是现有技术中智能功率模块的俯视图;
图2是图1的X-X’线剖面示意图;
图3是图1中引脚加强筋结构示意图;
图4是实施例中智能功率模块的上表面俯视图;
图5是沿图4的X-X’线的截面示意图(旋转90°);
图6是图5中去除部分密封树脂后的示意图;
图7是智能功率模块的下表面示意图;
图8是实施例中的电路布线示意图;
图9是制作引脚的铜基材的示意图;
图10是引脚的示意图;
图11是实施例中的底板示意图;
图12是装配电路元件和引脚后的侧视图;
图13是装配电路元件和引脚后的俯视图;
图14是邦线连接后的侧视图;
图15是邦线连接后的俯视图;
图16是使用模具由密封树脂密封被电路布线的工序的剖面图;
图17是成型产品示意图;
图18是实施例中的制备工序图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例:一种智能功率模块,其结构参见附图4、图5、图6、图7所示。本发明的智能功率模块10具有电路布线18、电路元件14、金属线15构成的电路,配置在所述电路布线18边缘18A的引脚11,和密封该电路且完全覆盖所述电路元件14、所述金属线15和所述电路布线18上表面的密封树脂12。
图4是智能功率模块的上表面俯视图,图5是沿图4的X-X’线的截面示意图(旋转90°),图6是去掉覆盖所述电路元件14、所述金属线15的部分密封树脂后、露出所述电路布线18的俯视图,图7是本发明的智能功率模块10的下表面示意图。
以下说明各构成要素。
所述电路布线18由厚度为5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。
在此,所述电路布线18的至少一个边缘上,有用于配置下述引脚11的特殊的电路布线,称为焊盘18A。
所述电路元件14被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。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所述电路布线18上。在此,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。
所述引脚11被固定在所述焊盘18A上。
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和焊盘18A通过焊锡等导电电性粘结剂焊接。
所述引脚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。
所述金属线15可以是铝线、金线或铜线,通过邦定使各电路元件14之间、各电路布线18之间、电路元件14与电路布线18之间建立电连接关系,有时还用于使所述电路基板16或引脚11和所述电路布线18或所述电路元件14之间建立电连接关系。
所述树脂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,所述树脂12完全密封所述电路布线18的一面上的所有元素,并包裹所述电路布线18的大部分深度,只露出小部分深度18B,18B这深度一般可以考虑设计成0.5盎司左右,如果18B过小,可能会造成本发明的智能功率模块10后续焊接固定过程中难以被锡膏等焊料包裹,如果18B过大,可能会造成本发明的智能功率模块10后续焊接固定过程中锡膏的爬锡高度不能完全包裹18B。
本发明智能功率模块10的制造方法包括:形成包括所述焊盘18A在内的所述电路布线18的工序;制成带镀层的引脚11的工序;在电路布线18连接电路元件14、在焊盘18A连接引脚11的工序;清洗的工序;用金属线15连接所述电路元件14和所述电路布线16的工序;烘烤并模制的工序;对引脚11进行成型的工序;功能测试的工序。工序图如图18所示。
以下说明的各工序的详细情况。
第一工序:
参照图8,本工序是在大小合适的铜基板上形成电路布线的工序。
首先,参照图8,根据需要的电路布局设计,对于一般的智能功率模块,电路布局不应大于64mm×30mm。制造出合适的冲压模具冲压出特定的形状。也可通过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行程特定的形状。也可通过蚀刻工具,通过化学反应刻蚀出特定的形状。
在此,这个特定形状就是所述电路布线18。
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。
用于制造所述电路布线18的铜板的厚度应该不小于5盎司,保证能与后续的所述树脂12有更大的接触面积,使所述智能功率模块10成品有更强的固定效果。
第二工序:
制成独立的带镀层的引脚11。
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9所示;在此,为便于装配,在其中一端压制出一定的弧度,如图10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。
由此制备获得所述引脚11。
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。
第三工序:
在底板16上配置所述电路布线18,并在所述电路布线18表面装配所述电路元件14和所述引脚11。
首先,制作出如图11的底板16,所述底板16可以使用高强度的不锈钢制作而成,在所述底板16的表面,有根据所述电路布线16形状挖出的凹陷17,所述凹陷17的宽度略大于对应的所述电路布线18的宽度,所述凹陷17的深度约为0.5盎司。
其次,参照侧视图图12和俯视图图13,将制作好的电路布线18放置在所述底座16的对应所述凹陷处,并通过锡膏印刷机,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。通过SMT机或DA机等设备,进行电路元件14和引脚11的安装,所述电路元件14可直接放置在所述电路布线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。
第四工序:
清洗所述电路基板16并进行邦线连接,使所述电路元件14和所述电路布线18形成起电连接作用的金属线15。
首先将固定在所述底座16上的所述电路布线18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,根据所述电路元件14在所述电路布线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,通过机械臂夹持所述底座16,将所述底座16置于清洗槽中进行清洗;
其次,通过在所述电路元件14和所述电路布线18的特定位置邦定一定直径的金属线15形成电连接,在此,金属线15的粗细应根据邦定点的大小、所需的同流能力、元器件的可加工性等综合考虑,一般地,单根金属线的直径不应大于400μm,不应小于15μm,对于功率器件的连接,可考虑使用多根400μm的铝线并联邦定,对于功能器件的连接,可考虑使用单根38μm的铝线进行邦定,如图14的侧视图和图15的俯视图所示。
第五工序:
由密封树脂12密封电路布线18。图16表示使用模具50由密封树脂12密封被所述底座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℃。
将配置好所述电路基板18的所述底座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。
第六工序:
进行所述引脚11成型和模块功能测试,智能功率模块经由此工序完成制作。
参见图17,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,获得智能功率模块。
Claims (6)
1.一种智能功率模块,其特征在于,包括:
由电路布线构成的载体;
配置在所述电路布线上表面的电路元件;
用于连接电路布线及电路元件的金属线;
配置在电路布线边缘,与电路布线连接并向外延伸的作为输入输出的金属引脚,引脚上覆盖有镀层;
通过树脂覆盖电路布线的上表面、电路元件、金属线;
通过树脂至少将引脚与电路布线的连接部分密封,并且向外延伸的引脚至少有一部分未被树脂密封而露出;
电路布线的下表面完全从树脂中露出。
2. 一种智能功率模块的制造方法,其特征在于,包括:
在金属基材上形成电路布线;
在金属材料表面进行形成镀层处理制成引脚;
将所述电路布线通过具有配合的凹陷的底板固定;
在所述电路布线的待安装电路元件和引脚的位置涂装锡膏;
在锡膏上放置所述电路元件和所述引脚;
通过回流焊使锡膏固化;
清除残留在所述金属铝基板上的助焊剂和铝屑;
通过邦定线,使所述电路元件和所述电路布线间形成连接;
通过使用热塑性树脂的注入模模制或使用热硬性树脂的传递模模制方式,将上述要素密封;
将所述引脚切断并形成所需的形状;
将所述电路布线从所述底板中取出,获得智能功率模块。
3.根据权利要求2所述的智能功率模块的制造方法,其特征在于:所述金属基材为厚度大于4盎司的铜材。
4.根据权利要求2所述的智能功率模块的制造方法,其特征在于:所述底板为表面光滑的耐高温钢材。
5.根据权利要求2所述的智能功率模块的制造方法,其特征在于:所述底板上的凹陷的图形与所述电路布线形状一致但比所述电路布线稍宽,所述凹陷的深度比所述电路布线的厚度浅。
6.根据权利要求2所述的智能功率模块的制造方法,其特征在于:通过喷淋或超声清洗方式清除残留在所述金属铝基板上的助焊剂和铝屑。
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