CN110416200B - 一种功率模块封装结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子功率器件技术领域，特别涉及一种功率模块封装结构及制作方法。该功率模块封装结构包括绝缘外壳和基板组件，绝缘外壳封装于基板组件外以至少覆盖基板组件的功能结构部分；基板组件包括第一基板和第二基板；第一基板朝向第二基板的表面设置有功率因数校正开关芯片、功率因数校正二极管以及三相逆变芯片；第二基板朝向绝缘外壳的表面设置有功率因数校正驱动芯片、三相逆变驱动芯片以及自举二极管芯片，第二基板朝向第一基板的表面设置有电路层；电路层分别与功率因数校正开关芯片、功率因数校正二极管以及三相逆变芯片电性连接。在满足功能要求的基础上缩小了结构占板面积。

Description

一种功率模块封装结构及制作方法
技术领域
本发明涉及电子功率器件技术领域，特别涉及一种功率模块封装结构及制作方法。
背景技术
传统智能功率模块其内部采用硅基芯片；由于硅基材料本身的特性问题，传统智能功率模块只能采用平面封装(即IGBT/FRD功率芯片和驱动芯片全部焊接在同一投影面上)，该类封装结构导致模块占板面积大；同时硅基芯片的发热损耗大，智能功率模块很难做到高集成度的封装(目前智能功率模块大部分都只集成三相逆变及驱动功能)，因为这会带来散热难的问题。
随着国家对节能减排的大力支持，作为变频驱动用智能功率模块的损耗要求也越来越小，高集成度要求也越来越高，传统硅基芯片已无法满足未来的需求；GaN(Galliumnitride，氮化镓)芯片属于平面结构器件，能够将源极、漏极、栅极全部设计在同一表面，且GaN芯片能够获得更小的功耗，所以高集成堆叠结构的智能功率模块设计成为可能。
发明内容
本发明公开了一种功率模块封装结构及制作方法，采用堆叠结构设计集成功率芯片结构和驱动芯片结构，能够在满足功率因数校正以及三相逆变功能的基础上缩小结构占板面积。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种功率模块封装结构，包括：绝缘外壳和基板组件，所述绝缘外壳封装于所述基板组件外以至少覆盖所述基板组件的功能结构部分；
所述基板组件包括第一基板以及设置于所述第一基板朝向所述绝缘外壳一侧的第二基板；
所述第一基板朝向所述第二基板的表面设置有功率因数校正开关芯片、功率因数校正二极管以及三相逆变芯片；
所述第二基板朝向所述绝缘外壳的表面设置有功率因数校正驱动芯片、三相逆变驱动芯片以及自举二极管芯片，所述第二基板朝向所述第一基板的表面设置有分别与所述功率因数校正驱动芯片、所述三相逆变驱动芯片以及所述自举二极管芯片电性连接的电路层；
所述电路层分别与所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片电性连接。
上述功率模块封装结构整体采用堆叠结构设计，将功率芯片结构和驱动芯片结构分别设置于上下堆叠设置的第一基板和第二基板上，设置于第一基板上的功率芯片结构和设置于第二基板上的驱动芯片结构通过设置于第二基板朝向第一基板一侧表面的电路层连接；其中，设置于第一基板上的功率因数校正开关芯片、功率因数校正二极管、三相逆变芯片以及设置于第二基板上的功率因数校正驱动芯片、三相逆变驱动芯片以及自举二极管芯片通过电路层电性连接，能够实现功率因数校正以及三相逆变功能。因此，本发明提供的功率模块封装结构在满足功率模组功能的基础上，缩小了整个结构的占板面积，简化了应用端的电路。
可选地，所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管、所述三相逆变芯片均为GaN材料的宽禁带半导体芯片。
可选地，所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片上分别设置有用于电性连接所述电路层的导电金属垫。
可选地，所述第一基板朝向所述第二基板的表面还设置有导电层，所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片设置于所述导电层上。
可选地，所述导电金属垫分别通过焊料焊接于功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片上；和/或，
所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片分别通过焊料焊接于所述导电层上。
可选地，所述焊料为锡膏、银浆或纳米银。
可选地，所述第一基板背离所述第二基板的一侧表面设置有散热金属层。
可选地，所述第二基板朝向所述绝缘外壳的一侧表面设置有与所述电路层电性连接的线路结构，所述功率因数校正驱动芯片、所述三相逆变驱动芯片以及所述自举二极管芯片分别所述线路结构电性连接。
可选地，还包括与所述线路结构电性连接的引脚，所述引脚的自由端伸出于所述绝缘外壳外。
一种功率模块封装结构的制造方法，包括：
在第一基板其中一侧表面制作功率因数校正开关芯片、功率因数校正二极管以及三相逆变芯片；
在第二基板其中一侧表面制作电路层；
组装所述第一基板和所述第二基板以形成基板组件，使所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片与所述电路层电性连接；
在第二基板背离所述电路层的一侧表面制作功率因数校正驱动芯片、三相逆变驱动芯片以及自举二极管芯片；
采用绝缘外壳封装所述基板组件。
可选地，所述组装所述第一基板和所述第二基板以形成基板组件，使所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片与所述电路层电性连接包括：
在功率因数校正开关芯片、功率因数校正二极管以及三相逆变芯片上分别设置导电金属垫；
在所述导电金属垫上设置焊料；
对接所述第一基板具有所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片的一侧表面与所述第二基板具有所述电路层的一侧表面；
回流焊接所述导电金属垫与所述电路层；
固化所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管、所述三相逆变芯片。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种功率模块封装结构的爆炸图；
图2为本发明实施例提供的一种功率模块封装结构另一角度的爆炸图；
图3为本发明实施例提供的一种功率模块封装结构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种功率模块封装结构的制造方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种功率模块封装结构的制造方法中组装第一基板和第二基板的流程示意图。
图标：1-绝缘外壳；11-穿孔；21-第一基板；211-导电层；212-功率因数校正开关芯片；213-功率因数校正二极管；214-三相逆变芯片；215-导电金属垫；216-散热金属层；22-第二基板；221-线路结构；222-功率因数校正驱动芯片；223-三相逆变驱动芯片；224-自举二极管芯片；225-电路层；226-引脚。
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做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。
随着科技的发展，功率芯片发展出了三代GaN芯片，该类芯片拥有更低的损耗、更高的过电流密度、更高的开关频率，是未来智能功率模块中功率芯片的主流方向；相比硅基芯片不同的是，GaN芯片是平面器件，即所有电极均在同一面。
在此技术上，如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种功率模块封装结构，该结构包括：绝缘外壳1和基板组件，绝缘外壳1封装于基板组件外以与基板组件形成封装结构；
其中，基板组件包括第一基板21以及设置于第一基板21朝向绝缘外壳1一侧的第二基板22；第一基板21朝向第二基板22的表面设置有功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214；第二基板22朝向绝缘外壳1的表面设置有功率因数校正驱动芯片222、三相逆变驱动芯片223以及自举二极管芯片224，第二基板22朝向第一基板21的表面设置有分别与功率因数校正驱动芯片222、三相逆变驱动芯片223以及自举二极管芯片224电性连接的电路层225；电路层225分别与功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214电性连接。
此处，第一基板21和第二基板22均选用陶瓷基板。其中，功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213、三相逆变芯片214均为GaN材料的宽禁带半导体芯片。此处的功率因数校正即指的是PFC(Power Factor Correction)，功率因数校正能够提高用电设备用电效率。
第一基板21和第二基板22平行堆叠设置，功率芯片结构(功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214)以及驱动芯片结构(功率因数校正驱动芯片222、三相逆变驱动芯片223以及自举二极管芯片224)分别集成于第一基板21和第二基板22上。设定第一基板21设置功率芯片结构的一面为表面。第二基板22设置驱动芯片结构的一面为表面，第二基板22设置电路层225的一面为底面，第二基板22的底面与第一基板21的表面相对，且电路层225与功率芯片结构电性连接，使得整个封装结构集成功率因数校正及三相逆变功能。
因此，本发明实施例提供的功率模块封装结构在满足功率模组功能的基础上，缩小了整个结构的占板面积，简化了应用端的电路。
一种具体的实施例中，如图1所示，设置于第一基板21上的功率芯片结构通过导电金属垫215与第二基板22上的电路层225电性连接，具体地，功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214上分别设置有导电金属垫215。
功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214这些功率芯片结构设置于第一基板21朝向第二基板22的一侧表面，导电金属垫215设置于上述功率芯片结构背离导电层211的一侧，当第一基板21与第二基板22组装形成基板组件，导电金属垫215与导电层211电性连接，实现功率芯片单元与功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214的电性连接。
需要说明的是，上述导电金属垫215的数量不做限定，但是功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214每个结构对应至少一个导电金属垫215。
进一步地，第一基板21朝向第二基板22的表面还设置有导电层211，上述功率芯片结构如功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214设置于导电层211上。
鉴于现有技术中功率芯片常采用的铝线键合工艺存在的杂散电感较高的缺陷，本发明实施例中的导电金属垫215分别通过焊料焊接于功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214上；和/或，功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214分别通过焊料焊接于导电层211上。
通过焊料焊接的方式设置功率芯片结构(此处指功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214)和/或导电金属垫215，降低了整个电路结构中的杂散电感，以降低电磁干扰，保护功率模块结构。
此处，焊料可以选择锡膏、银浆或者纳米银等导电材料，且焊料通过印刷的方式形成于第一基板21、功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214上。
此外，如图2所示，第一基板21背离第二基板22的一侧表面设置有散热金属层216。
该散热金属层216相当于设置于第一基板21的底面一侧，如上文所述以及图3所示，第一基板21的底面外露，与绝缘外壳1的外表面共同形成整个封装结构的外表面。此时，散热金属层216外露，由于散热金属层216导热效果更强，增加了整个结构的散热效果。
一种可选的实施例中，如图1所示，第二基板22朝向绝缘外壳1的一侧表面设置有与电路层225电性连接的线路结构221，功率因数校正驱动芯片222、三相逆变驱动芯片223以及自举二极管芯片224分别与线路结构221通过键合金线实现电性连接。
此处，线路结构221与电路层225分别设置于第二基板22的两个表面，在第二基板22上形成有连接孔，以使线路结构221与电路层225通过该连接孔实现电性连接。
进一步地，还包括与线路结构221电性连接的引脚226，引脚226的自由端伸出于绝缘外壳1外。如图1或图2所示，引脚226的一端与线路结构221电性连接，并且如图3所示，引脚226的自由端自第二基板22的边缘引出并伸出绝缘外壳1外，绝缘外壳1上设置有供引脚226伸出的穿孔11。
基于同样的发明思路，本发明实施例还提供一种功率模块封装结构的制造方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1：在第一基板21其中一侧表面制作功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214；
具体包括以下步骤：
首先，在第一基板21其中一侧表面形成导电层211；其次，在导电层211上印刷焊料；该焊料可以为锡膏、银浆、纳米银等导电材料；最后，在焊料上设置功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214并焊接。
另外，还包括有在第一基板21背离第二基板22的一侧表面设置散热金属层216的步骤。至此，第一基板21的结构制作完成。
S2：在第二基板22其中一侧表面制作电路层225；该电路层225用于电性连接第一基板21上的导电金属垫215。
S3：组装第一基板21和第二基板22以形成基板组件，使功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214与电路层225电性连接；
如图5所示，上述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：在功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214上分别设置导电金属垫215；具体地，导电金属垫215通过焊料焊接于功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214上，该导电金属垫215用于电性连接第二基板22上的电路层225。
S32：在导电金属垫215上设置焊料，该焊料可以是锡膏、银浆、纳米银等导电材料。
S33：对接第一基板21具有功率因数校正开关芯片212、功率因数校正二极管213以及三相逆变芯片214的一侧表面与第二基板22具有电路层225的一侧表面，使得导电金属垫215与电路层225相对且电路层225与导电金属垫215上的焊料接触。
S34：回流焊接导电金属垫215与电路层225，实现第一基板21与第二基板22之间的组装。
接下来制作第二基板22以及其上的结构，具体包括以下步骤：
S4：在第二基板22背离电路层225的一侧表面制作功率因数校正驱动芯片222、三相逆变驱动芯片223以及自举二极管芯片224；
具体包括以下步骤：
首先，在第二基板22背离第一基板21的一侧表面形成线路结构221，该线路结构221与第二基板22朝向第一基板21的电路层225通过连接过孔电性连接；其次，在线路结构221上印刷焊料，该焊料可以为锡膏、银浆、纳米银等导电材料；最后，在焊料上设置功率因数校正驱动芯片222、三相逆变驱动芯片223以及自举二极管芯片224并焊接。
S5：采用绝缘外壳1封装基板组件。第一基板21和第二基板22组装形成基板组件，绝缘外壳1封装基板组件指的是覆盖整个基板组件除第一基板21背离第一基板21一侧表面之外的其他结构。
另外，还包括设置引脚226的步骤，具体步骤为：首先，安装与线路结构221电性连接的模块引脚226，该模块引脚226伸出于绝缘外壳1外；其次，采用环氧树脂对模块引脚226注塑成型以形成引脚226主体；最后，对引脚226主体切筋成型为引脚226。
可以看出，通过该制造方法制造的功率模块封装结构集成了功率因数校正及三相逆变功能且结构紧凑，满足了当下对功率器件的高要求，具有良好的发展要求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种功率模块封装结构，其特征在于，包括：绝缘外壳和基板组件，所述绝缘外壳封装于所述基板组件外以至少覆盖所述基板组件的功能结构部分；
所述基板组件包括第一基板以及设置于所述第一基板朝向所述绝缘外壳一侧的第二基板；
所述第一基板朝向所述第二基板的表面设置有功率因数校正开关芯片、功率因数校正二极管以及三相逆变芯片；
所述第二基板朝向所述绝缘外壳的表面设置有功率因数校正驱动芯片、三相逆变驱动芯片以及自举二极管芯片，所述第二基板朝向所述第一基板的表面设置有分别与所述功率因数校正驱动芯片、所述三相逆变驱动芯片以及所述自举二极管芯片电性连接的电路层；
所述电路层分别与所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片电性连接。
2.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管、所述三相逆变芯片均为GaN材料的宽禁带半导体芯片。
3.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片上分别设置有用于电性连接所述电路层的导电金属垫。
4.根据权利要求3所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述第一基板朝向所述第二基板的表面还设置有导电层，所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片设置于所述导电层上。
5.根据权利要求4所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述导电金属垫分别通过焊料焊接于功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片上；和/或，
所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片分别通过焊料焊接于所述导电层上。
6.根据权利要求5所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述焊料为锡膏、银浆或纳米银。
7.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述第一基板背离所述第二基板的一侧表面设置有散热金属层。
8.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述第二基板朝向所述绝缘外壳的一侧表面设置有与所述电路层电性连接的线路结构，所述功率因数校正驱动芯片、所述三相逆变驱动芯片以及所述自举二极管芯片分别与 所述线路结构电性连接。
9.根据权利要求8所述的功率模块封装结构，其特征在于，还包括与所述线路结构电性连接的引脚，所述引脚的自由端伸出于所述绝缘外壳外。
10.一种功率模块封装结构的制造方法，其特征在于，包括：
在第一基板其中一侧表面制作功率因数校正开关芯片、功率因数校正二极管以及三相逆变芯片；
在第二基板其中一侧表面制作电路层；
组装所述第一基板和所述第二基板以形成基板组件，使所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片与所述电路层电性连接；
在第二基板背离所述电路层的一侧表面制作功率因数校正驱动芯片、三相逆变驱动芯片以及自举二极管芯片；
采用绝缘外壳封装所述基板组件。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述组装所述第一基板和所述第二基板以形成基板组件，使所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片与所述电路层电性连接包括：
在功率因数校正开关芯片、功率因数校正二极管以及三相逆变芯片上分别设置导电金属垫；
在所述导电金属垫上设置焊料；
对接所述第一基板具有所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管以及所述三相逆变芯片的一侧表面与所述第二基板具有所述电路层的一侧表面；
回流焊接所述导电金属垫与所述电路层；
固化所述功率因数校正开关芯片、所述功率因数校正二极管、所述三相逆变芯片。
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