CN108054148A - 智能功率模块及其制造方法、空调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能功率模块及其制造方法、空调器，该智能功率模块包括：功率组件，以及，高导热封装壳体，功率组件设置于高导热封装壳体内；其中，高导热封装壳体的材料包括环氧树脂、二氧化硅、高导热填充材料。本发明解决了智能功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致主控芯片的工作温度过高而发生故障，使得主控芯片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的问题。

Description

智能功率模块及其制造方法、空调器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种智能功率模块及其制造方法、空调器。

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，功率元件产生的热量容易通过基板向MCU芯片传导，一旦MCU工作温度过高，则容易导致MCU故障，无法正常工作。

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、空调器，旨在解决智能功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致主控芯片的工作温度过高而发生故障，使得主控芯片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：

功率组件，以及，

高导热封装壳体，所述功率组件设置于所述高导热封装壳体内；其中，

所述高导热封装壳体的材料包括环氧树脂、二氧化硅、高导热填充材料。

优选地，所述高导热封装壳体的材料还包括铁磁填充材料。

优选地，所述高导热填充材料为氮化铝/氮化硼材质。

优选地，所述功率组件包括：

电路基板；

绝缘层，所述绝缘层设于所述电路基板上。

电路布线层，形成于所述绝缘层的表面，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；

功率元件及主控芯片，所述主控芯片和所述功率元件分别设置于对应的所述电路布线层的安装位上。

优选地，所述功率元件和所述主控芯片分别通过金属线与所述电路布线层上对应的安装位电连接。

优选地，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，且通过金属线与所述功率元件和所述主控芯片电连接。

优选地，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，所述驱动电路通过金属线分别与所述功率元件和所述主控芯片连接。

优选地，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。

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：

准备电路基板、绝缘层、铜箔、功率元件、主控芯片及多个引脚、电子元件、高导热封装壳体材料；所述高导热封装壳体的材料包括环氧树脂、二氧化硅、高导热填充材料、铁磁填充材料；

在电路基板上形成绝缘层；

在绝缘层上形成所述电路布线层；并在所述电路布线层上配置供智能功率模块的电子元件安装的安装位；

将智能功率模块的功率元件、主控芯片，以及电子元件安装于所述电路布线层对应的安装位上；

将多个引脚焊接于所述电路布线层对应的位置，且多个引脚通过所述第一电路布线层和所述第二电路布线层与对应的电子元件连接，以形成线路板；

制作成高导热封装壳体塑封件；

将所述电路基板、所述电路布线层、所述功率元件及所述主控芯片封装于所述高导热封装壳体塑封件内，得到智能功率模块。

本发明还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块，所述智能功率模块包括：功率组件，以及，高导热封装壳体，所述功率组件设置于所述高导热封装壳体内；其中，所述高导热封装壳体的材料包括环氧树脂、二氧化硅、高导热填充材料。

本实施例中，在智能功率模块工作的过程中，主控芯片输出相应的控制信号，以控制对应的功率元件导通，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。其中，功率元件、主控芯片，以及智能功率模块中其他电子元器件所工作时产生的热量通过绝缘层传导至电路基板上，再通过电路基板将热量传导至由环氧树脂、氧化铝、氮化硼或者氮化铝等材质制得的高导热封装壳体上，从而进行快速散热，以提高功率元件的散热速度，由于掺杂有氮化硼或者氮化铝等材质的高导高导热封装壳体的导热效果较佳，从而解决了智能功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致主控芯片的工作温度过高而发生故障，使得主控芯片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的问题。

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为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明智能功率模块另一实施例的结构示意图；

图4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：

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，因此，一旦智能功率模块散热不及时，或者散热效果较差，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3，在本发明一实施例中，该智能功率模块包括：

功率组件(图未标示)，以及，

高导热封装壳体10，所述功率组件设置于所述高导热封装壳体10内；其中，

所述高导热封装壳体10的材料包括环氧树脂11、二氧化硅12、高导热填充材料13。

本实施例中，该功率组件包括：

电路基板20；

电路布线层30，设于所述电路基板20上，所述电路布线层30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41及主控芯片42，所述主控芯片42和所述功率元件41分别设置于对应的所述电路布线层30的安装位上。

高导热封装壳体10，所述电路基板20、所述电路布线层30、所述功率元件41及所述主控芯片42于所述高导热封装壳体10内；其中，

所述高导热封装壳体10的材料包括环氧树脂11、二氧化硅12、高导热填充材料13。

所述智能功率模块还包括设于所述电路基板20上的绝缘层70，所述电路布线层30形成于所述绝缘层70的表面。

本实施例中，功率元件41可以是氮化镓(GaN)功率元件41、Si基功率元件41或SiC基功率元件41，本实施例优选采用氮化镓(GaN)功率元件41。多个功率元件41，一般为六个，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42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41设置在低热阻绝缘层70上，并通过高导热封装壳体10将热量传导至电路基板20上，通过电路基板20进行散热。电路基板20可以采用引线框架、纸板、半玻纤板、玻纤板等材料所制成的基板实现，本实施例优选采用玻纤板来实现。电路基板20的形状可以根据电路布线层30、主控芯片42，以及智能功率模块中其他电子元件的的具体位置及大小确定，可以为方形，但不限于方形。

电路布线层30根据智能功率模块的电路设计，在电路基板20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，在电路基板20设置好绝缘层70后，将铜箔铺设在绝缘层70上，并按照预设的电路设计蚀刻所述铜箔，从而形成电路布线层30。

在智能功率模块工作时，主控芯片42输出相应的控制信号，以控制对应的功率元件41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，高导热封装壳体10由环氧树脂11、氧化铝、高导热填充材料13等材料制成，其中，高导热填充材料13可以是氮化硼、氮化铝材质，氮化铝和氮化硼的绝缘性较好，且导热率较高，耐热性及热传导性较佳，使得氮化铝和氮化硼有较高的传热能力。在制作高导热封装壳体10时，可以将环氧树脂11、氧化铝、氮化硼或者氮化铝等材料进行混料，然后将混合好的高导热封装壳体10材料进行加热；待冷却后，粉碎所述高导热封装壳体10材料，再以锭粒成型工艺将高导热封装壳体10材料进行轧制成形，以形成所述高导热封装壳体10。

本实施例中，在智能功率模块工作的过程中，主控芯片42输出相应的控制信号，以控制对应的功率元件41导通，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。其中，功率元件41、主控芯片42，以及智能功率模块中其他电子元器件所工作时产生的热量通过绝缘层70传导至电路基板20上，再通过电路基板20将热量传导至由环氧树脂11、氧化铝、氮化硼或者氮化铝等材质制得的高导热封装壳体10上，从而进行快速散热，以提高功率元件41的散热速度，由于掺杂有氮化硼或者氮化铝等材质的高导高导热封装壳体10的导热效果较佳，从而解决了智能功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致主控芯片42的工作温度过高而发生故障，使得主控芯片42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的问题。

参照图1至图3，在一优选实施例中，所述高导热封装壳体10的材料还包括铁磁填充材料14。

需要说明的是，在用于通信设备的半导体装置中，对电磁屏蔽的要求很高，因而必须抑制EMI(Electro Magnetic Interference，电磁干扰)等电磁波干扰。而现有的抑制电磁干扰的方法一般是采用镀敷法、溅镀法、导电性膏的涂布法等方法沿密封树脂层的上表面及侧面将导电性屏蔽材料覆盖在封装体表面，从而形成导电性屏蔽层。

而采用上述方法形成导电性屏蔽层的步骤繁多，且复杂，例如镀敷法就有预处理步骤、镀敷处理步骤、水洗般的后处理步骤等，导电性膏的涂布法还有对密封树脂层侧面的涂布步骤等，因而半导体装置的制造成本较高，且工作效率低。

为了解决上述问题，本实施例将铁磁填充材料14等具有导电性屏蔽材料掺杂在高导封装壳体中，在制作高导热封装壳体10时，将石墨、铜粉等导电屏蔽材料混入进环氧树脂11、氧化铝、氮化硼或者氮化铝等材料中，然后将混合好的高导热封装壳体10材料进行加热；待冷却后，粉碎该封装壳体的材料，再以锭粒成型工艺将封装壳体材料进行轧制成形，以形成封装壳体。由于本实施例中，通过在制作封装壳体时，将具有石墨、铜粉等具有导电性屏蔽材料与制作高导热封装壳体10的材料进行混合后制得可以抑制EMI等电磁波干扰的高导热封装壳体10，无需采采用上述方法形成导电性屏蔽层，无需增加其他工艺，有利于减少制作半导体装置的工艺流程，从而降低半导体装置的制造成本，提高制作半导体装置的工作效率低。

参照图1至图3，在一优选实施例中，所述功率元件41和所述主控芯片42分别通过金属线50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50可以是铝线或者金线，主控芯片42与功率元件41通过金属线50及电路布线层30实现电气连接，使得主控芯片42输出的控制信号能够传输至各功率元件41，从而控制对应的功率元件41导通/截止。可以理解的是，本实施例中，各功率元件41与主控芯片42呈水平设置，从而降低了金属线50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3，在一优选实施例中，所述智能功率模块还包括引脚60，所述引脚60设置于所述电路布线层30上，且通过所述金属线50与所述功率元件41和所述主控芯片42电连接。

本实施例中，所述引脚60可以采用鸥翼形或者直插型，引脚60焊接在电路基板10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50与功率元件41、主控芯片42实现电气连接。

参照图1至图3，在一优选实施例中，所述智能功率模块还包括驱动电路(图未标示)，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，所述驱动电路通过金属线50分别与所述功率元件41和所述主控芯片42连接。

需要说明的是，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，本实施例优选为驱动芯片，为了提高对功率器件的驱动能力，驱动电路将主控芯片42输出的控制信号进行放大后，输出至对应功率器件，以驱动对应的功率元件41工作。

本发明还提出一种智能功率模块的制造方法。

参照图4，在本发明一实时中，该智能功率模块的制造方法包括以下步骤：

S1、准备电路基板、绝缘层、铜箔、功率元件、主控芯片及多个引脚、电子元件、高导热封装壳体材料；所述高导热封装壳体的材料包括环氧树脂、二氧化硅、高导热填充材料、铁磁填充材料；

其中，智能功率模块主要由电路基板、绝缘层、铜箔、功率元件、主控芯片及多个引脚、电子元件、高导热封装壳体材料；其中，所述高导热封装壳体的材料具体包括环氧树脂、二氧化硅、高导热填充材料、铁磁填充材料等材料组成。

S2、在电路基板上形成绝缘层；

在电路基板上铺设绝缘性材料，以形成绝缘层。

S3、在绝缘层上形成所述电路布线层；并在所述电路布线层上配置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，在绝缘层上形成对应的电流走线以及对应功率元件安装的安装位，即焊盘。

具体地，在所述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。

S4、将智能功率模块的功率元件、主控芯片，以及电子元件安装于所述电路布线层对应的安装位上；

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，本实施例中，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，可以通过贴片机将功率元件与主控芯片焊设于电路布线层的安装位上，并通过电路布线层上对应的走线及实现电气连接，主控芯片与功率元件或者采用倒装工艺焊设于电路布线层对应的安装位上。

S5、将多个引脚焊接于所述电路布线层对应的位置，且多个引脚通过所述电路布线层及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。

S6、制作成高导热封装壳体塑封件；

其中，制作制作成高导热封装壳体塑封件的具体步骤包括将环氧树脂、二氧化硅、高导热填充材料、铁磁填充材料进行混合，形成第一混料；

将所述第一混料先后进行加热和冷却处理；

将冷却后的所述第一混料进行粉碎；

以锭粒成型工艺将所述第一混料进行轧制成形，以形成所述高导热绝缘层。

S7、将所述电路基板、所述电路布线层、所述功率元件及所述主控芯片封装于所述高导热封装壳体塑封件内，得到智能功率模块。

将所述电路基板、电路布线层、绝缘片、功率元件、主控芯片及金属线封装于高导热封装壳体内，使得智能功率模块一体成型设置。然后，在高导热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。在智能功率模块工作时，功率元件、主控芯片，以及智能功率模块中其他电子元器件工作时产生的热量通过由绝缘层传导至电路基板上，再通过电路基板将热量传导至高导热封装壳体上，从而加快智能功率模块的散热。

本实施例中，在智能功率模块工作的过程中，主控芯片输出相应的控制信号，以控制对应的功率元件导通，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。其中，功率元件、主控芯片，以及智能功率模块中其他电子元器件所工作时产生的热量通过绝缘层传导至电路基板上，再通过电路基板将热量传导至由环氧树脂、氧化铝、氮化硼或者氮化铝等材质制得的高导热封装壳体上，从而进行快速散热，以提高功率元件的散热速度，由于掺杂有氮化硼或者氮化铝等材质的高导高导热封装壳体的导热效果较佳，从而解决了智能功率模块工作过程中散热不及时，或者散热效果较差，而导致主控芯片的工作温度过高而发生故障，使得主控芯片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的问题。

本发明还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块。该智能功率模块的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本发明空调器中使用了上述智能功率模块，因此，本发明空调器的实施例包括上述功率模块全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

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：

功率组件，以及，

高导热封装壳体，所述功率组件设置于所述高导热封装壳体内；其中，

所述高导热封装壳体的材料包括环氧树脂、二氧化硅、高导热填充材料。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述高导热封装壳体的材料还包括铁磁填充材料。

3.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述高导热填充材料为氮化铝/氮化硼材质。

4.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率组件包括：

电路基板；

绝缘层，所述绝缘层设于所述电路基板上；

电路布线层，形成于所述绝缘层的表面，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；

功率元件及主控芯片，所述主控芯片和所述功率元件分别设置于对应的所述电路布线层的安装位上。

5.如权利要求4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金属线与所述电路布线层上对应的安装位电连接。

6.如权利要求4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，且通过金属线与所述功率元件和所述主控芯片电连接。

7.如权利要求4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。

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：

准备电路基板、绝缘层、铜箔、功率元件、主控芯片及多个引脚、电子元件、高导热封装壳体材料；所述高导热封装壳体的材料包括环氧树脂、二氧化硅、高导热填充材料、铁磁填充材料；

在电路基板上形成绝缘层；

在绝缘层上形成所述电路布线层；并在所述电路布线层上配置供智能功率模块的电子元件安装的安装位；

将智能功率模块的功率元件、主控芯片，以及电子元件安装于所述电路布线层对应的安装位上；

将多个引脚焊接于所述电路布线层对应的位置，且多个引脚通过所述第一电路布线层和所述第二电路布线层与对应的电子元件连接，以形成线路板；

制作成高导热封装壳体塑封件；

将所述电路基板、所述电路布线层、所述功率元件及所述主控芯片封装于所述高导热封装壳体塑封件内，得到智能功率模块。

10.一种空调器，其特征在于，所述空调器包括如权利要求1至8任意一项所述的智能功率模块。