CN107481978A - 智能功率模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能功率模块及其制造方法，该智能功率模块包括：低导热基板，低导热基板上设置有安装孔；低热阻绝缘片，嵌设于安装孔内；电路布线层，设于低导热基板的上表面，电路布线层具有供智能功率模块的电子元件安装的安装位；功率元件，功率元件设置于低热阻绝缘片上；以及主控芯片，主控芯片设置于对应的电路布线层的安装位上。本发明解决了功率器件散热原因导致主控芯片输出的控制信号紊乱的问题。

Description

智能功率模块及其制造方法

技术领域

本发明涉及功率驱动技术领域，特别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，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，一般应用于驱动风机、压缩机等设备的电控板上。

目前，智能功率模块大多将功率元件、驱动电路及MCU等集成于一基板上。智能功率模块工作时，其功率元件发热比较严重，为了加速散热，大多采用铝金属基板来进行散热，但是由于铝金属基板基材的高导热作用，功率元件产生的热量会通过基板向MCU芯片传导，使得功率元件与MCU几乎达到相同的温度。而MCU的理想工作温度一般是低于85℃，而IGBT等功率元件工作温度可达100℃以上，这样将导致MCU的工作温度过高而发生故障，出现控制信号紊乱等现象，严重时可能会烧毁智能功率模块，甚至烧毁整个电控板而引起火灾。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种智能功率模块及其制造方法，旨在解决功率器件散热原因导致主控芯片输出的控制信号紊乱的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种智能功率模块，所述智能功率模块包括：

低导热基板，所述低导热基板上设置有安装孔；

低热阻绝缘片，嵌设于所述安装孔内；

电路布线层，设于所述低导热基板的上表面，所述电路布线层具有供智能功率模块的电子元件安装的安装位；

功率元件，所述功率元件设置于所述低热阻绝缘片上；以及

主控芯片，所述主控芯片设置于对应的所述电路布线层的安装位上。

在一种可能的设计中，所述功率元件和主控芯片分别通过第一金属线与所述电路布线层上对应的安装位电连接。

在一种可能的设计中，所述功率元件为氮化镓功率元件、Si基功率元件或SiC基功率元件。

在一种可能的设计中，所述智能功率模块还包括引脚，所述引脚设置于所述电路布线层上，且通过所述第一金属线与所述功率元件和所述主控芯片电连接。

在一种可能的设计中，所述低热阻绝缘片为氮化铝陶瓷材质，所述低热阻绝缘片的导热率为70～210W/m·k。

在一种可能的设计中，所述低导热基板为玻纤板。

在一种可能的设计中，所述智能功率模块还包括驱动电路，所述驱动电路设置于对应的所述电路布线层的安装位上，所述驱动电路通过第二金属线分别与所述功率元件和所述主控芯片连接。

在一种可能的设计中，所述智能功率模块还包括封装壳体，所述低导热基板、电路布线层、低热阻绝缘片、功率元件、主控芯片及金属线封装于所述封装壳体内。

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：

准备低导热基板、低热阻绝缘片、铜箔、功率元件、主控芯片及多个引脚；

在低导热基板上开设用于安装所述低热阻绝缘片的安装孔；

在所述低导热基板的上表面制作电路布线层，所述电路布线层包括供智能功率模块的电子元件安装的安装位；

将所述低热阻绝缘片嵌设于所述安装孔内；

将智能功率模块的电子元件安装于所述低热阻绝缘片和对应的安装位上，其中，将功率元件安装于所述低热阻绝缘片上，将主控芯片焊接于对应的所述电路布线层的安装位上；

将多个引脚焊接于所述电路布线层对应的位置，且多个引脚通过第一金属线与对应的电子元件连接，以形成线路板；

通过塑胶封装所述线路板形成封装壳体，得到智能功率模块。

在一种可能的设计中，所述在所述低导热基板的上表面制作电路布线层具体包括：

在所述低导热基板的上表面铺设铜箔，并按照预设的电路设计蚀刻所述铜箔，以形成电路布线层。

本实施例中，通过在低导热基板上对应各功率元件所处的位置，设置供低导热基板安装的安装孔，低热阻绝缘片嵌设在相应的安装孔内，从而与低导热基板形成于一体，智能功率模块内部的功率元件所产生的热量通过低热阻绝缘片进行散热。同时，由于低导热基板导热率较低，这就隔绝了功率元件通过低热阻绝缘片将热量传导至主控芯片上，如此，就避免了主控芯片工作温度过高而发生故障的问题。

并且，通过低导热基板隔热后，本发明智能功率模块在采用具有比Si功率元件更高的功率密度和更高工作结温的宽禁带半导体材料GaN功率元件时，也能很好的解决散热原因导致主控芯片输出的控制信号紊乱的问题。

此外，本发明通过低导热基板隔热后，无需增加散热风扇或其他散热措施对主控芯片进行降温，也无需采用耐高温的主控芯片，而增加智能功率模块的生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明智能功率模块一实施例的结构示意图；

图2为本发明智能功率模块另一实施例的结构示意图；

图3为本发明智能功率模块的制造方法一实施例的流程示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	低导热基板	50	主控芯片
20	低热阻绝缘片	60	第一金属线
				30	电路布线层	70	引脚
40	功率元件	80	封装壳体

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出的一种智能功率模块。

该智能功率模块适用于驱动电机的变频器及各种逆变电源中，以实现变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动等功能。尤其适用于驱动空调、冰箱等压缩机的电机工作。在应用于变频空调中时，由于变频驱动大多数情况下其算法基本已经固化，为了节省体积、提高抗干扰能力、减轻外围电控版设计工作量，会将主控制器集成到一线路板上，形成智能功率模块。智能功率模块工作时，其功率元件发热比较严重，为了加速散热，大多采用铝金属基板来进行散热，但是由于铝金属基板基材的高导热作用，功率元件产生的热量会通过基板向主控芯片(MCU)传导，使得功率元件与MCU几乎达到相同的温度。而MCU的理想工作温度一般是低于85℃，而IGBT等功率元件工作温度可达100℃以上，这样将导致MCU的工作温度过高而发生故障，使得MCU容易输出错误的控制信号，控制逆变桥的上下桥臂同时导通，而引起短路，从而烧毁智能功率模块。

参照图1至图2，为了解决上述问题，在本发明一实施例中，该智能功率模块包括：

低导热基板10，所述低导热基板10上设置有安装孔(图未标示)；

低热阻绝缘片20，嵌设于所述安装孔内；

电路布线层30，设于所述低导热基板10上表面，所述电路布线层30具有供智能功率模块的电子元件安装的安装位(图未示出)；

功率元件40，所述功率元件40设置于所述低热阻绝缘片20上；

主控芯片50，所述主控芯片50设置于对应的所述电路布线层30的安装位上。

本实施例中，低导热基板10可以采用纸板、半玻纤板、玻纤板等隔热效果较佳的材料所制成的基板，本实施例优选采用玻纤板来实现。低导热基板10的形状可以根据功率元件40、电路布线层30以及主控芯片50的具体位置及大小确定，可以为方形，但不限于方形。低热阻基板可以采用氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)陶瓷等材质的低热阻绝缘片20，本实施例优选采用氮化铝(AlN)陶瓷，其中，氮化铝(AlN)陶瓷的导热率为70～210W/m·k。在低导热基板10上，对应各功率元件40所处的位置，设置供低导热基板10安装的安装孔，供功率元件40安装的低热阻绝缘片20嵌设在相应的安装孔内，从而与低导热基板10形成于一体。其中，安装孔由低导热基板10的对应位置通过镂空或者压孔工艺成型，此处不限。

功率元件40可以是氮化镓(GaN)功率元件、Si基功率元件或SiC基功率元件，本实施例优选采用氮化镓(GaN)功率元件。多个功率元件40，一般为六个，组成功率逆变桥电路，用于驱动电机、压缩机等负载工作，主控芯片50设置在电路布线层30的安装位上，通过焊锡等导电材料与电路布线层30实现电连接，并形成电流回路。功率元件40设置在低热阻绝缘片20，并通过低热阻绝缘片20进行散热。

电路布线层30根据智能功率模块的电路设计，在低导热基板10上形成对应的线路以及对应供各电子元件安装的安装位，即焊盘。

在智能功率模块工作时，主控芯片50输出相应的控制信号，以控制对应的功率元件40导通，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。

本实施例中，通过在低导热基板10上对应各功率元件40所处的位置，设置供低导热基板10安装的安装孔，低热阻绝缘片20嵌设在相应的安装孔内，从而与低导热基板10形成于一体，智能功率模块内部的功率元件40所产生的热量通过低热阻绝缘片20进行散热。同时，由于低导热基板10导热率较低，这就隔绝了功率元件40通过低热阻绝缘片20将热量传导至主控芯片50上，如此，就避免了主控芯片50工作温度过高而发生故障的问题。

并且，通过低导热基板10隔热后，本发明智能功率模块在采用具有比Si功率元件40更高的功率密度和更高工作结温的宽禁带半导体材料GaN功率元件40时，也能很好的解决散热原因导致主控芯片50输出的控制信号紊乱的问题。

此外，本发明通过低导热基板10隔热后，无需增加散热风扇或其他散热措施对主控芯片50进行降温，也无需采用耐高温的主控芯片50，而增加智能功率模块的生产成本。

参照图1至图2，上述实施例中，所述功率元件40和主控芯片50分别通过第一金属线60与所述电路布线层30上对应的安装位电连接。

本实施例中，金属线60可以是铝线或者金线，主控芯片50与功率元件40通过金属线60及电路布线层30实现电气连接，使得主控芯片50输出的控制信号能够传输至各功率元件40，从而控制对应的功率元件40导通/截止。

可以理解的是，智能功率模块采用宽禁带半导体材料GaN功率元件40来组成功率逆变桥电路时，GaN功率元件40通过粘性材料粘贴至低热阻散热片上。低热阻散热片嵌设于低导热基板10内，两者的高度相当，且GaN功率元件40为平面结构，使得各功率元件40与主控芯片50呈水平设置，从而降低了金属线60的精度要求，并降低了智能功率模块的制造工艺难度，提高了智能功率模块的生产合格率，同时还降低了智能功率模块的生产成本。

参照图1至图2，在一优选实施例中，所述智能功率模块还包括引脚70，所述引脚70设置于所述电路布线层30对应的安装位上，且通过所述金属线60与所述功率元件40和所述主控芯片50电连接。

本实施例中，所述引脚70可以采用鸥翼形或者直插型，引脚70焊接在低导热绝缘基板上，电路布线层30对应的安装位上的焊盘位置，并通过金属线60与功率元件40、主控芯片50实现电气连接。

参照图1至图2，在一优选实施例中，所述智能功率模块还包括驱动电路(图未示出)，所述驱动电路设置于对应的所述电路布线层30的安装位上，所述驱动电路通过第二金属线(图未标示)分别与所述功率元件40和所述主控芯片50连接。

本实施例中，驱动电路可以是驱动芯片，也可以是由片式电阻、片式电容等分立元件组成的驱动电路，驱动电路基于主控芯片50的控制，用于在接收到主控芯片50的控制信号时，输出相应的驱动信号，以去对应的功率元件40工作。

参照图1至图2，在一优选实施例中，所述智能功率模块还包括封装壳体80，所述低导热基板10、低热阻绝缘片20、电路布线层30、功率元件40、主控芯片50及金属线60封装于所述封装壳体80内。

本实施例中，封装壳体80可以是环氧树脂模制化合物的树脂支架，封装壳体80可以由热固性材料、热塑性材料中的任何一种形成。

上述实施例中，所述封装壳体80优选采用由填充有SiO2的热硬性材料制成。

参照图1至图2，上述实施例中，智能功率模块还包括过电压、过电流以及过热等故障检测电路(图未示出)，故障检测电路可以是片式电阻、片式电容等分立元件组成，故障检测电路设置于电路布线层30对应的安装位上，并通过电路布线层30的走线或者金属线60与主控芯片50实现电连接，并将检测信号输出至主控芯片50。

本发明还提出一种智能功率模块的制造方法。

参照图3，该智能功率模块的制造方法包括以下步骤：

步骤S10、准备低导热基板、低热阻绝缘片、铜箔、功率元件、主控芯片及多个引脚等组成；

智能功率模块主要由低导热基板、低热阻绝缘片、铜箔、功率元件、主控芯片及多个引脚等组成。

步骤S20、在低导热基板上开设用于安装低热阻绝缘片的安装孔；

低导热基板的形状可以根据功率元件、电路布线层以及主控芯片的具体位置及大小确定，可以为方形，但不限于方形。在低导热基板上，对应各功率元件所处的位置，设置供低导热基板安装的安装孔，设置有功率元件的低热阻绝缘片嵌设在相应的安装孔内，从而与低导热基板形成于一体。

步骤S30、在所述低导热基板的上表面制作电路布线层，所述电路布线层包括供智能功率模块的电子元件安装的安装位；

电路布线层根据智能功率模块的电路设计，在低导热基板上形成对应的线路以及对应供各电子元件安装的安装位，即焊盘。

具体地，在所述低导热基板的上表面铺设铜箔，并按照预设的电路设计蚀刻所述铜箔，以形成电路布线层。

步骤S40、将所述低热阻绝缘片嵌设于所述安装孔内；

将低热阻绝缘片嵌设在相应的安装孔内，从而与低导热基板形成于一体，智能功率模块内部的功率元件所产生的热量通过低热阻绝缘片进行散热。

步骤S50、将智能功率模块的电子元件安装于所述低热阻绝缘片和对应的安装位上，其中，将功率元件安装于所述低热阻绝缘片上，将主控芯片焊接于对应的所述电路布线层的安装位上；

功率元件可以是氮化镓(GaN)功率元件、步骤Si基功率元件或步骤SiC基功率元件，若采用IGBT功率元件，其结构为上表面为栅极和发射极，下表面为源极，此时可以通过金属线及焊盘将IGBT功率元件焊接于低热阻绝缘片上。若采用氮化镓(GaN)功率元件，其结构为平面结构，因而源、漏、栅三级位于同一平面，此时可以通过粘性材料，例如玻璃胶，将氮化镓(GaN)功率元件粘贴至低热阻绝缘片上。

步骤S60、将多个引脚焊接于所述电路布线层对应的位置，且多个引脚通过第一金属线与对应的电子元件连接，以形成线路板；

金属线可以是铝线或者金线，主控芯片与功率元件通过金属线及电路布线层实现电气连接，使得主控芯片输出的控制信号能够传输至各功率元件，从而控制对应的功率元件导通/截止。

可以理解的是，智能功率模块采用宽禁带半导体材料GaN功率元件来组成功率逆变桥电路时，GaN功率元件通过粘性材料粘贴至低热阻散热片上。低热阻散热片嵌设于低导热基板内，两者的高度相当，且GaN功率元件为平面结构，使得各功率元件与主控芯片呈水平设置，从而降低了金属线的精度要求，并降低了智能功率模块的制造工艺难度，提高了智能功率模块的生产合格率，同时还降低了智能功率模块的生产成本。

步骤S70、通过塑胶封装所述线路板形成封装壳体，得到智能功率模块。

本实施例中，封装壳体可以是环氧树脂模制化合物的树脂支架，封装壳体可以由热固性材料、热塑性材料中的任何一种形成，将所述低导热基板、电路布线层、低热阻绝缘片、功率元件、主控芯片及金属线通过封装于封装壳体内，使得智能功率模块一体成型设置。然后，在封装壳体外设至引脚，功率元件、主控芯片通过电路布线层及金属引线与引脚电连接，且引脚自封装壳体的侧壁向外延伸。

本实施例中，通过在低导热基板上对应各功率元件所处的位置，设置供低导热基板安装的安装孔，低热阻绝缘片嵌设在相应的安装孔内，从而与低导热基板形成于一体，智能功率模块内部的功率元件所产生的热量通过低热阻绝缘片进行散热。同时，由于低导热基板导热率较低，这就隔绝了功率元件通过低热阻绝缘片将热量传导至主控芯片上，如此，就避免了主控芯片工作温度过高而发生故障的问题。

并且，通过低导热基板隔热后，本发明智能功率模块在采用具有比Si功率元件更高的功率密度和更高工作结温的宽禁带半导体材料GaN功率元件时，也能很好的解决散热原因导致主控芯片输出的控制信号紊乱的问题。

此外，本发明通过低导热基板隔热后，无需增加散热风扇或其他散热措施对主控芯片进行降温，也无需采用耐高温的主控芯片，而增加智能功率模块的生产成本。

以上所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，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均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，其特征在于，所述智能功率模块包括：

低导热基板，所述低导热基板上设置有安装孔；

低热阻绝缘片，嵌设于所述安装孔内；

电路布线层，设于所述低导热基板的上表面，所述电路布线层具有供所述智能功率模块的电子元件安装的安装位；

功率元件，所述功率元件设置于所述低热阻绝缘片上；以及

主控芯片，所述主控芯片设置于对应的所述电路布线层的安装位上。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率元件和所述主控芯片分别通过第一金属线与所述电路布线层上对应的安装位电连接。

3.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率元件为氮化镓功率元件、Si基功率元件或SiC基功率元件。

4.如权利要求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引脚，所述引脚设置于所述电路布线层上，且通过所述第一金属线与所述功率元件和所述主控芯片电连接。

5.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述低热阻绝缘片为氮化铝陶瓷材质，所述低热阻绝缘片的导热率为70～210W/m·k。

6.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述低导热基板为玻纤板。

7.如权利要求1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驱动电路，所述驱动电路设置于对应的所述电路布线层的安装位上，所述驱动电路通过第二金属线分别与所述功率元件和所述主控芯片连接。

8.如权利要求1至7任意一项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封装壳体，所述低导热基板、电路布线层、低热阻绝缘片、功率元件、主控芯片及金属线封装于所述封装壳体内。

9.一种智能功率模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

准备低导热基板、低热阻绝缘片、铜箔、功率元件、主控芯片及多个引脚；

在低导热基板上开设用于安装所述低热阻绝缘片的安装孔；

在所述低导热基板的上表面制作电路布线层，所述电路布线层包括供智能功率模块的电子元件安装的安装位；

将所述低热阻绝缘片嵌设于所述安装孔内；

将智能功率模块的电子元件安装于所述低热阻绝缘片和对应的安装位上，其中，将功率元件安装于所述低热阻绝缘片上，将主控芯片焊接于对应的所述电路布线层的安装位上；

将多个引脚焊接于所述电路布线层对应的位置，且多个引脚通过第一金属线与对应的电子元件连接，以形成线路板；

通过塑胶封装所述线路板形成封装壳体，得到智能功率模块。

10.如权利要求9所述的智能功率模块的制造方法，其特征在于，所述在所述低导热基板的上表面制作电路布线层具体包括：

在所述低导热基板的上表面铺设铜箔，并按照预设的电路设计蚀刻所述铜箔，以形成电路布线层。