CN108346649B - 一种半桥功率模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半桥功率模块及其制造方法，半桥功率模块包括：绝缘介质基板，其上表面具有第一导电层；至少一对功率半导体芯片，芯片贴设于所述绝缘介质基板的上表面上；绝缘层，覆盖于所述绝缘介质基板上，将芯片包覆在内，所述绝缘层开设有位于芯片上方的通孔，且所述通孔内填充有导电物质；第二导电层，设置于所述绝缘层之上，所述第二导电层通过所述导电物质和所述第一导电层将每对所述功率半导体芯片电路连接构成半桥驱动电路。封装无需开塑封模，节省了生产成本；另外，功率半导体芯片通过在绝缘层上开设通孔并填充导电物质与上层的导电层实现电气连接，减小了模块的体积，有利于模块小型化。

Description

一种半桥功率模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及混合集成电路领域，特别是涉及一种半桥功率模块及其制造方法。
背景技术
功率半导体模块是将多只半导体芯片按一定的电路结构封装在一起的器件。在一个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块里，IGBT芯片及二极管芯片被集成到一块共同的底板上，且模块的功率器件与其安装表面(即散热板)相互绝缘。
传统的功率半导体模块塑封成型需要开模，成本较高；另外，功率半导体模块包含起支撑作用的电气转接块，模块体积较大，集成度小。
发明内容
本发明目的在于提供一种半桥功率模块及其制造方法，旨在解决传统的功率半导体模块需要开模，且包含起支撑作用的电气转接块，模块体积较大的问题。
本发明提供了一种半桥功率模块，包括：
绝缘介质基板，其上表面具有图形化的第一导电层；
至少一对功率半导体芯片，贴设于所述绝缘介质基板的上表面上，与所述第一导电层形成电气连接；
绝缘层，覆盖于所述绝缘介质基板上，将所述功率半导体芯片包覆在内，所述绝缘层开设有贯穿其上下表面的通孔，且所述通孔内填充有导电物质；
图形化的第二导电层，设置于所述绝缘层之上，所述第二导电层通过所述导电物质和所述第一导电层将每对所述功率半导体芯片电路连接构成半桥驱动电路。
本发明还提供了一种半桥功率模块的制造方法，包括以下步骤：
设置一上表面具有第一导电层的绝缘介质基板；
将至少一对功率半导体芯片设于所述第一导电层上，与所述第一导电层形成电气连接；
在所述绝缘介质基板上设置一绝缘层，将所述功率半导体芯片包覆在内；
在所述绝缘层上设置第二导电层，开设穿透所述绝缘层和第二导电层的通孔，并在所述通孔内填充导电物质，使所述第二导电层通过所述通孔内的导电物质和所述第一导电层将每对所述功率半导体芯片电路连接构成半桥驱动电路。
上述的半桥功率模块及其制造方法模块封装无需开塑封模，节省了生产成本；另外，功率半导体芯片通过在绝缘层上开设通孔并填充导电物质与上层的导电层实现电气连接，减小了模块的体积，有利于模块小型化。
附图说明
图1半桥驱动电路的电路原理图；
图2为本发明第一实施例中半桥功率模块的结构示意图；
图3为本发明第二实施例中半桥功率模块的结构示意图；
图4是半桥功率模块整体布局图示意图；
图5为本发明实施例中散热平板的结构示意图；
图6为本发明较佳实施例中半桥功率模块的制造方法的流程图。
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。
请参阅图1，一对功率半导体芯片连接成一半桥驱动电路，每个功率半导体芯片构成一个桥臂，上桥臂包括上桥IGBT芯片101和上桥FRD(fast recovery diode，快速恢复二极管)芯片103，下桥臂包括下桥IGBT芯片102和下桥FRD芯片104。
请参阅图1-4，本发明较佳实施例中的半桥功率模块包括绝缘介质基板10、至少一对功率半导体芯片20、绝缘层40及第二导电层50。
绝缘介质基板10具有相对设置的上下表面，其中至少一个表面覆金属，中间层为陶瓷层11。本实施例中，绝缘介质基板10的上表面覆金属形成图形化的第一导电层12，而下表面可以覆金属形成另一个图形化的导电层13，也可以直接设置散热翅片14(参阅图3)。
以上桥臂的功率半导体芯片20为例，包括IGBT芯片101和上桥FRD芯片103。IGBT芯片101其上下表面均具有极性引脚，本实施例中，IGBT芯片101上表面具有两个极性引脚，分别是门极和发射极，下表面具有集电极。上桥FRD芯片103上表面具有阳极，下表面具有阴极。下桥臂的功率半导体芯片20同之。
功率半导体芯片20贴设于所述绝缘介质基板10的上表面上，与所述第一导电层12形成电气连接。具体地，在第一导电层12上形成电路图案，功率半导体芯片20通过焊接或压接的方式贴设于电路图案上时，其下表面的极性引脚与对应的电路图案形成电路连接以引出。
绝缘层40覆盖于所述绝缘介质基板10上，将功率半导体芯片20包覆在内，绝缘层40通过层压的方式覆盖在绝缘介质基板10上。具体地，在产品中，绝缘层40的下表面开设有用于收容功率半导体芯片20的凹槽。所述绝缘层40的预设位置开设有设有多个贯穿其上下表面的通孔42，该多个通孔42贯穿绝缘层40分别到达功率半导体芯片20和第二导电层50，且所述通孔42内填充有与功率半导体芯片20和第二导电层50电气连接的导电物质。优选地，在确保金属化通孔42与芯片之间结合的可靠性前提下，同一电路连接路径的通孔42尽可能地多设置，以便保证电路的过流能力及提高芯片上部散热能力。
在制作过程中，本实施例中，绝缘层40由半固化片(Pre-pregnant)加热并固化形成，加热时同时将通孔42内的导电物质金属化；其中，半固化片主要由树脂和增强材料组成，增强材料可以为玻纤布、纸基、复合材料等，半固化片的热膨胀系数与所述功率半导体芯片20的热膨胀系数匹配，避免功率器件由于与封装材料热膨胀系数不匹配而导致的器件所受的应力过大出现的失效问题。
第二导电层50设置于所述绝缘层40之上，具体是通过层压的方式叠设在绝缘层40上。第二导电层50通过该导电物质和第一导电层12将每对所述功率半导体芯片20电路连接构成半桥驱动电路。本实施例中，第二导电层50上形成电路图案，功率半导体芯片20上表面的极性引脚与对应的电路图案形成电气连接以引出。如此功率半导体芯片20通过开设在绝缘层40上金属化的通孔42与第二导电层50实现电气连接，取代电气转接块实现电气连接，减小了模块的体积，有利于模块小型化。
所列实施例中的绝缘介质基板10不限于DBC(direct bond copper，覆铜陶瓷基板)基板，也可为DBA(direct bond aluminum，覆铝陶瓷基板)基板，或为其他任何表面覆金属绝缘介质基板，参考图2。另外实施例中，绝缘介质基板10也可以是一表面覆铜，另一表面设置散热翅片14的覆铜陶瓷基板，参考图3。
本实施例中，第二导电层50为导电金属片，具体可以是铜片、铝片或者其他导电金属材料制作而成。在其他实施方式中，第二导电层50可以由另一绝缘介质基板的下表面覆金属构成。另一绝缘介质基板具有相对设置的上下表面，其中至少一个表面覆金属构成第二导电层50，中间层为陶瓷层。而上表面可以覆金属形成另一个导电层，也可以设置散热翅片。
优选地，请参阅图1-4，半桥功率模块还包括引出端子(即半桥功率模块引脚)，引出端子的一端与所述第一导电层12或所述第二导电层50固定电气连接，并配合所述通孔42内的导电物质电气连接到所述功率半导体芯片20相应的极性引脚上，所述引出端子的另一端向外伸出。引出端子用于将功率半导体芯片20构成的半桥驱动电路端子引出以用作与外部电路连接。引出端子可以固定在第一导电层12上，也可以固定在第二导电层50上。
本实施例中，以引出端子固定在第一导电层12为例说明。请参阅图1和4引出端子包括控制端子32和功率端子31，本实施例中，控制端子32包括两个，分别控制上下桥臂的第一控制端子321和第二控制端子322，功率端子31包括正极功率端子311、交流功率端子312及负极功率端子313。所述第一导电层12包括位于半桥功率模块相对两侧的第一电路图案121和第二电路图案122。功率半导体芯片20的极性引脚分别通过对应的所述通孔42内的导电物质以及所述第二导电层50分别电气连接到所述第一电路图案121和第二电路图案122，所述功率端子31和控制端子32分别和所述第一电路图案121和第二电路图案122固定电气连接。可以理解的是第一电路图案121和第二电路图案122为引脚焊盘。
具体地，请参阅图2和3，第一电路图案121包括第一引脚焊盘121A、第二引脚焊盘121B及第三引脚焊盘121C，功率端子31包括三个分别与第一引脚焊盘121A、第二引脚焊盘121B及第三引脚焊盘121C焊接的正极功率端子311、交流功率端子312及负极功率端子313。本实施例中，三个引脚焊盘121A、121B和121C并排设置在半桥功率模块的同一侧。请参阅图4，第二电路图案122包括分别与第一控制端子321和第二控制端子322焊接的引脚焊盘122A和122B，引脚焊盘122A和122B同设置在半桥功率模块与第一电路图案121相对的另一侧。
更具体地，请参阅图3和4，第二导电层50包括第三电路图案51和第四电路图案52，功率半导体芯片20的极性引脚配合对应的通孔42内的导电物质分别第三电路图案51和第四电路图案52，其后第三电路图案51和第四电路图案52分别配合对应的通孔42内的导电物质电路连接到第一电路图案121和第二电路图案122。具体地，功率半导体芯片20的集电极、发射极通过金属化的通孔42电路连接到第三电路图案51，其后第三电路图案51通过金属化的通孔42电路连接到第一电路图案121；功率半导体芯片20的控制极(门极、栅极)通过金属化的通孔42电路连接到第四电路图案52，其后第四电路图案52通过金属化的通孔42电路连接到第二电路图案122。
请参阅图1和4，图中填充区域为第一导电层12大致所示图形化，线框加黑区域为第二导电层50大致所示图形化。半桥驱动电路的各个器件焊接在第一导电层12对应位置，控制端子32及功率端子31也焊接在第一导电层12对应位置，经由金属化的通孔42使得芯片极性与对应端子形成电气连接。控制端子32及功率端子31分别位于模块两侧，低压控制端远离高压功率端，减小了高压端对低压端的电气干扰，提高了控制端的可靠性。
优选地，请参阅图1、2和3，半桥功率模块还包括散热器70，所述散热器70设置所述绝缘介质基板10的下表面和/或所述第二导电层50的上表面。散热器70可由覆金属绝缘介质基板10直接构成(如散热翅片14)，也可外部另行设置。散热器70可单独设置在半桥功率模块下表面，也可设置在半桥功率模块上下表面实现双面散热。具体地，绝缘介质基板10的下表面和/或所述第二导电层50的上表面通过绝缘导热胶80后与散热器70连接。散热器70为散热翅片或平板热管。图5是平板热管示意图。功率半导体芯片20产生的热传导到热管蒸发面71，毛细管中工作液72吸收热量汽化并充满蒸汽腔。平板热管70的冷凝面73采用循环冷却液进行冷却。蒸汽90在冷凝面73重新凝结成液体，在毛细芯74的毛吸力作用下，液体重新流回蒸发面71，重复上述步骤实现循环散热。
此外，请结合图1至图6，还公开了一种半桥功率模块的制造方法，包括以下步骤：
步骤S110，设置一上表面具有第一导电层12的绝缘介质基板10。
在该步骤中，所提供的绝缘介质基板10应具有相对设置的上下表面，其中至少一个表面覆金属。本实施例中，绝缘介质基板10的上表面覆金属形成图形化的第一导电层12，而下表面可以覆金属形成另一个导电层，也可以设置散热翅片14(参阅图3)；并且，第一导电层12上应预设相应的电路图案。
步骤S120，将至少一对功率半导体芯片20设于所述第一导电层12上，与所述第一导电层12形成电气连接。
具体地，以上桥臂的功率半导体芯片20为例，包括IGBT芯片101和上桥FRD芯片103。IGBT芯片101和上桥FRD芯片103上下表面均具有极性引脚，功率半导体芯片20贴设于所述绝缘介质基板10的上表面上，与所述第一导电层12形成电气连接。具体地，功率半导体芯片20通过焊接或压接的方式贴设于第一导电层12的电路图案上时，其下表面的极性引脚与对应的电路图案形成电路连接以引出。
步骤S130，在所述绝缘介质基板10上设置一绝缘层40，将所述功率半导体芯片20包覆在内。本实施例中，所述绝缘层40为半固化片，半固化片是绝缘的，且其热膨胀系数需尽量与功率半导体芯片20的热膨胀系数匹配。
第二导电层50优选为导电金属片。将所述第二导电层50(导电金属片或绝缘介质基板)、半固化片和设有所述功率半导体芯片20的绝缘介质基板10依次层叠压合，使半固化片流胶填充并覆盖功率半导体芯片20。
步骤S140，在所述绝缘层40上设置第二导电层50，开设穿透所述绝缘层40和第二导电层50的通孔42，并在所述通孔42内填充导电物质，使所述第二导电层50通过所述通孔42内的导电物质和所述第一导电层12将每对所述功率半导体芯片20电路连接构成半桥驱动电路。
具体地，在第二导电层50和绝缘层40上采用激光技术制作到达功率半导体芯片20的极性引脚，以及到达第一导电层12的通孔42，在所述通孔42内填充导电物质使通孔42金属化。第二导电层50在层压之前(或之后)需制作电路图案，功率半导体芯片20上表面的极性引脚通过金属化的通孔42与对应的电路图案形成电路连接。
更具体的实施例中，在步骤S120中还包括：还设置引出端子，使所述引出端子的一端与所述第一导电层12固定电气连接，另一端向外伸出的步骤。在其他实施方式中，设置第二导电层50时，可以将使所述引出端子的一端与所述第二导电层50固定电气连接，另一端向外伸出。具体地，引出端子包括控制端子32和功率端子31，所述控制端子32和功率端子31分别位于所述半桥功率模块相对两侧。低压控制端远离高压功率端，减小了高压端对低压端的电气干扰，提高了控制端的可靠性。
进一步地，所述方法还包括加热的步骤，通过加热使所述半固化片固化实现绝缘。
进一步地，所述方法还包括设置与所述绝缘介质基板的下表面和/或所述第二导电层的上表面的散热器的步骤。
可见，上述的制作方法均在制作半桥功率模块是封装无需开塑封模，节省了生产成本；芯片通过金属化的通孔42实现电气连接，减小了模块的体积，有利于模块小型化。
更具体地，半桥功率模块的制造方法为：将功率半导体芯片20、控制端子32及功率端子31均焊接在绝缘介质基板10图形化的第一导电层12上，将相应厚度的半固化片(绝缘层)40、第二导电层50与贴有芯片的绝缘介质基板10进行层压，使半固化片40的流胶填充并覆盖芯片，其中，半固化片40是绝缘的，且其热膨胀系数需尽量与功率器件热膨胀系数匹配。首先对层压后模块的第二导电层50图形化，再采用激光技术制作通孔42并金属化，使得芯片极性引脚与对应引出端子形成电气连接。在确保金属化通孔42与芯片之间结合的可靠性前提下通孔42尽可能地多设置，以便保证电路的过流能力及提高芯片上部散热能力。模块(绝缘介质基板10)下表面由散热器70进行散热，模块(第二导电层50)上表面涂上绝缘导热胶80后与另一个散热器70连接散热，以此实现双面散热，提高散热能力。两个散热器70不一定需要同时设置，在能够满足散热条件情况下，也可仅由下表面的散热器70单独构成单面散热。
以上所述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)

1.一种半桥功率模块，其特征在于，包括：
绝缘介质基板，其上表面具有图形化的第一导电层；
至少一对功率半导体芯片，贴设于所述绝缘介质基板的上表面上，与所述第一导电层形成电气连接，每个功率半导体芯片构成一个桥臂；
绝缘层，覆盖于所述绝缘介质基板上，将所述功率半导体芯片包覆在内，所述绝缘层开设有贯穿其上下表面的通孔，且所述通孔内填充有导电物质；
图形化的第二导电层，设置于所述绝缘层之上，所述第二导电层通过所述导电物质和所述第一导电层将每对所述功率半导体芯片电路连接构成半桥驱动电路，所述通孔还贯穿所述第二导电层；
引出端子，所述引出端子包括控制端子和功率端子，所述控制端子及功率端子分别位于半桥功率模块两侧；
所述第一导电层包括位于半桥功率模块相对两侧的第一电路图案和第二电路图案；
所述第一电路图案包括第一引脚焊盘、第二引脚焊盘及第三引脚焊盘，所述功率端子包括分别与第一引脚焊盘、第二引脚焊盘及第三引脚焊盘焊接的正极功率端子、交流功率端子及负极功率端子。
2.如权利要求1所述的半桥功率模块，其特征在于，所述绝缘层为半固化片。
3.如权利要求1所述的半桥功率模块，其特征在于，所述引出端子的一端与所述第一导电层或所述第二导电层固定电气连接，并配合所述通孔内的导电物质电气连接到所述功率半导体芯片相应的极性引脚上，所述引出端子的另一端向外伸出。
4.如权利要求3所述的半桥功率模块，其特征在于，所述功率半导体芯片的极性引脚分别通过对应的所述通孔内的导电物质以及所述第二导电层分别电气连接到所述第一电路图案和第二电路图案，所述功率端子和控制端子分别与所述第一电路图案和第二电路图案固定电气连接。
5.如权利要求3所述的半桥功率模块，其特征在于，所述第二导电层包括第三电路图案和第四电路图案，所述功率半导体芯片的极性引脚配合对应的通孔内的导电物质分别电连接到所述第三电路图案和第四电路图案，且所述第三电路图案和第四电路图案分别配合对应的通孔内的导电物质电路连接到第一电路图案和第二电路图案。
6.如权利要求1所述的半桥功率模块，其特征在于，还包括散热器，所述散热器设置所述绝缘介质基板的下表面和/或所述第二导电层的上表面。
7.如权利要求6所述的半桥功率模块，其特征在于，所述散热器为散热翅片或平板热管。
8.一种半桥功率模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置一上表面具有第一导电层的绝缘介质基板；
将至少一对功率半导体芯片设于所述第一导电层上，与所述第一导电层形成电气连接，每个功率半导体芯片构成一个桥臂；
在所述绝缘介质基板上设置一绝缘层，将所述功率半导体芯片包覆在内；
在所述绝缘层上设置第二导电层，开设穿透所述绝缘层和第二导电层的通孔，并在所述通孔内填充导电物质，使所述第二导电层通过所述通孔内的导电物质和所述第一导电层将每对所述功率半导体芯片电路连接构成半桥驱动电路；
在将至少一对功率半导体芯片设于所述第一导电层上时，还设置引出端子，使所述引出端子的一端与所述第一导电层固定电气连接，另一端向外伸出；或
设置第二导电层时，设置引出端子，使所述引出端子的一端与所述第二导电层固定电气连接，另一端向外伸出；
所述引出端子包括控制端子和功率端子，所述控制端子和功率端子分别位于所述半桥功率模块相对两侧；
所述第一导电层包括位于半桥功率模块相对两侧的第一电路图案和第二电路图案；
所述第一电路图案包括第一引脚焊盘、第二引脚焊盘及第三引脚焊盘，所述功率端子包括分别与第一引脚焊盘、第二引脚焊盘及第三引脚焊盘焊接的正极功率端子、交流功率端子及负极功率端子。
9.如权利要求8所述的半桥功率模块的制造方法，其特征在于，所述方法还包括加热的步骤；其中，所述绝缘层为半固化片，通过加热使所述半固化片固化实现绝缘。
10.如权利要求8所述的半桥功率模块的制造方法，其特征在于，还包括设置与所述绝缘介质基板的下表面和/或所述第二导电层的上表面的散热器。
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