CN110429071B - 功率器件模组及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率器件模组及其制备方法，该功率器件模组包括：树脂封装体；金属散热体，通过导热绝缘粘着层粘着至树脂封装体；设置在树脂封装体中的功率器件，其第一表面的引脚与设置在树脂封装体中的导电图形焊接连接；导电图形包括第一导电图形和第二导电图形，第一导电图形的厚度大于第二导电图形的厚度，且第一导电图形与导热绝缘粘着层接触；内置散热体，设置在树脂封装体中，并露出于树脂封装体；该内置散热体包括陶瓷本体和形成在陶瓷本体表面的金属连接层；功率器件第二表面的引脚与导电图形之间通过金属连接件电性连接，且金属连接件与陶瓷本体表面的金属连接层焊接连接。本发明的模组具有便于小型化且散热效果佳的优点。

Description

功率器件模组及其制备方法
技术领域
本发明涉及功率器件的封装领域；更具体地，是涉及一种将功率器件封装在树脂封装体内的功率器件模组及其制备方法。
背景技术
诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属－氧化物半导体场效应晶体管)、GTO(门极可关断晶闸管)、晶闸管、GTR(电力晶体管)、BJT(双极结型晶体管)以及UJT(单结晶体管)等的功率器件广泛应用在各种电子/电力设备上。随着电子/电力产品向轻型化、小型化方向发展，对其中功率器件的各种性能提出了更高的要求，例如要求IGBT芯片承受更高的电流等，但是随着承载电流的增加，功率器件工作时产生的热量也不断增加，如果不能及时将功率器件所产生的热量散发，将严重影响功率器件及产品中其他电子器件的工作。
因此，小型化且具有高散热能力的功率器件模组已经成为业界共同追求的目标。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种便于小型化且具有良好散热能力的功率器件模组及其制备方法。
为了达到上述的主要目的及其他目的，本发明的第一方面提供了一种功率器件模组，其包括：
树脂封装体，具有相对设置的第一表面和第二表面；所述树脂封装体优选通过模具注塑工艺成型；
金属散热体，通过导热绝缘粘着层粘着至树脂封装体的第一表面；
功率器件，其设置在树脂封装体中；其中，功率器件具有相对设置的第一表面和第二表面，功率器件第一表面的引脚与设置在树脂封装体中的导电图形焊接连接；该导电图形包括第一导电图形和第二导电图形，第一导电图形的厚度大于第二导电图形的厚度，且第一导电图形与导热绝缘粘着层接触；
内置散热体，设置在树脂封装体中，并露出于树脂封装体的第二表面；其中，该内置散热体包括陶瓷本体，陶瓷本体相邻于功率器件的表面形成有金属连接层；
其中，功率器件第二表面的引脚与导电图形之间通过金属连接件电性连接，且金属连接件与陶瓷本体表面的金属连接层焊接连接。
本发明中，第一导电图形和第二导电图形的厚度可以根据设计需求而定。根据本发明的一种具体实施方式，第一导电图形的厚度为0.5毫米至5毫米，第二导电图形的厚度为15微米至105微米。
在本发明的一种具体实施方式中，所述的功率器件为IGBT或MOSFET器件。
在本发明的一种具体实施方式中，第一导电图形以电路板的形式至少部分地封装在树脂封装体中。其中，该电路板为仅具有一层导电图形的单层电路板或者具有至少两层导电图形的多层电路板。
上述技术方案中，厚度较薄的第一导电图形负载在电路板上，具有便于进行树脂注塑封装的优点，且电路板可以提供更为灵活及复杂的布线设计。
在本发明的一种具体实施方式中，第一导电图形和第二导电图形相邻于功率器件的表面相互平齐。
在本发明的一种具体实施方式中，内置散热体露出于树脂封装体的表面形成有金属散热层，以增大其散热面积，进一步提高模组的散热性能。
在本发明的一种具体实施方式中，陶瓷本体的材质为例如氮化铝、氧化铝、氮化硅或碳化硅陶瓷。
为达上述主要目的及其他目的，本发明的第二方面提供了一种制备上述功率器件模组的制备方法，其中，树脂封装体是通过两次模具注塑工艺成型的；在第一次模具注塑成型工艺中形成树脂封装体的第一部分，树脂封装体的第一部分连接第一导电图形以及用于负载第二导电图形的电路板；在完成功率器件、金属连接件和内置散热体的焊接之后，进行第二次模具注塑成型工艺而成型树脂封装体的剩余部分。
根据本发明制备方法的一种具体实施方式，在第一次模具注塑成型工艺成型中，电路板和第一导电图形被粘着在一可剥离载体上。
上述制备方法中，采用模具注塑成型工艺进行树脂封装，具有生产效率及良品率高、成本低的优点；树脂封装体采用两次注塑成型工艺，可以使得树脂封装体对封装在其内部的元件之间的间隙进行充分填充，从而保证模组的耐电压性能及良品率。特别地，将电路板和第一导电图形粘着在一可剥离载体上进行第一次注塑，保证了第一导电图形和第二导电图形相邻于功率器件的表面具有非常高的平整度，进而减少功率器件的焊接空洞。其中，两次注塑成型工艺所用的树脂封装材料可以相同或不同。
本发明中，导电图形包括相对较厚的第一导电图形和相对较薄的第二导电图形，第一导电图形用于传输大电流，第二导电图形用于传输小电流(例如控制信号)，两种不同厚度的导电图形集成封装在树脂封装体内，从可将功率器件和电路元件(例如电容、电阻和电感等无源元件)同时封装在树脂封装体内，以便于实现功率器件模组的小型化。
本发明中，一方面，用于传输大电流的第一导电图形因厚度较大而具有较佳的导热性能，并与导热绝缘粘着层接触，功率器件工作时所产生的热量可经第一导电图形及导热绝缘粘着层快速传导至金属散热体；另一方面，功率器件工作时所产生的热量还可经金属连接件和内置散热体向外扩散，从而使得模组具有极佳的散热性能。
为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
需说明的是，为了清楚地示意所要表达的结构，附图中的不同部分可能并非以相同比例描绘，因此，除非明确指出，否则附图所表达的内容并不构成对各部分尺寸、比例关系的限制。
附图说明
图1是本发明功率器件模组实施例1的结构示意图；
图2是图1所示功率器件模组的制备方法实施例中将裸厚铜导电图形和电路板粘着固定至可剥离载体的结构示意图；
图3是图1所示功率器件模组的制备方法实施例中进行第一次树脂注塑成型工艺后的结构示意图；
图4是图1所示功率器件模组的制备方法实施例中进行蚀刻而形成薄铜导电图形的结构示意图；
图5是图1所示电路板的制备方法实施例中在完成功率器件、金属连接件和内置散热体焊接后的结构示意图；
图6是图1所示电路板的制备方法实施例中进行第二次树脂注塑成型工艺后的结构示意图；
图7是是本发明功率器件模组实施例2的结构示意图；
图8是本发明功率器件模组实施例3的结构示意图。
具体实施方式
功率器件模组及其制备方法实施例1
请参阅图1，实施例1的功率器件模组包括树脂封装体10、以及封装在树脂封装体10内的功率器件20和电路元件(图中未示出)；功率器件20为IGBT，功率器件20的第一表面具有S极引脚、D极引脚和G极引脚，功率器件20的第二表面具有TPAD引脚，功率器件20的引脚S、引脚D焊接至位于树脂封装体10内的厚铜图形31，引脚G焊接至位于树脂封装体10内的薄铜图形32，薄铜图形32则负载于至少部分封装在树脂封装体10内的电路板321；例如电阻、电容和电感等的电路元件则与薄铜图形32电连接。
厚铜图形31和电路板321均可以是部分或者全部封装在树脂封装体10内。其中，厚铜图形31的厚度可以为0.5毫米至5毫米，例如1毫米、1.5毫米和2.5毫米；薄铜图形32的厚度可以为15微米至105微米，例如35微米和70微米。
具体到实施例1中，厚铜图形31包括相互分离的第一厚铜线路311和第二厚铜线路312，引脚D焊接至第一厚铜线路311，引脚S焊接至第二厚铜线路312。金属连接件33分别与功率器件20的TPAD引脚和第二厚铜线路312焊接，从而在TPAD引脚和S引脚之间建立电性连接。
金属连接件33远离功率器件20的一侧焊接有内置散热体40。内置散热体40具有陶瓷本体41、形成在陶瓷本体41相邻于金属连接件33表面的金属连接层42、形成在陶瓷本体41远离金属连接件33表面的金属散热层43，金属散热层43露出于树脂封装体10的第二表面。陶瓷本体41的材质可以为例如氮化铝、氧化铝、氮化硅或碳化硅陶瓷等的导热且电绝缘陶瓷；金属连接层42和金属散热层43的厚度可以为10微米至100微米，更具体为20微米至50微米；其可以包括铜层，还可以进一步包括设置在铜层和陶瓷本体41之间的例如钛层或铬层的中间金属层。内置散热体40和功率器件20在电路板321的厚度方向上至少部分重叠。
树脂封装体10的下表面侧设置有金属散热体60，金属散热体60和树脂封装体10之间通过导热绝缘粘着层50粘着固定。厚铜图形31与导热绝缘粘着层50接触，从而降低厚铜图形31至金属散热体60的热阻。
本发明中，金属散热体60可以为铜板或铝板等金属板，其厚度可以根据散热需求设置；该金属板可以为平板，也可以具有例如筋条、沟槽等增大散热面积的凹凸结构。
本发明中，导热绝缘粘着层可以是例如具有粘性的导热硅胶片、热固化型导热粘结片等具有导热且电绝缘性能的粘着材料层；该导热绝缘粘着层的导热系数例如为大约1W/(m·K)，优选为大于2W/(m·K)，更优选为大于3W/(m·K)，进一步优选为大于5W/(m·K)。导热绝缘粘着层的厚度可以根据对粘着强度、热阻、耐电压性能的要求而定，在满足耐电压性能要求和粘着强度的基础上，导热绝缘粘着层的厚度可以设置得尽可能地薄，以降低其热阻。
以下，对功率器件模组实施例1的制备方法实施例进行说明：
首先，如图2所示，将预先制备好且具有裸导体形式的厚铜图形31以及双面电路板321粘着至可剥离载体100上的预定位置；其中，双面电路板321具有例如FR-4基板的绝缘基板、分别形成在该绝缘基板两侧表面的铜箔层320和已图形化的导电线路层323，可剥离载体100例如为具有粘着层101的离型膜；厚铜图形31可以通过分割预定厚度的铜板(图未示)而形成，例如对铜板进行模具冲切、机械切割、激光切割或电火花线切割加工而得到。
接着，将粘着至可剥离载体100上的厚铜图形31和双面电路板321转移至注塑成型模具型腔中，如图3所示，利用模具注射成型工艺制作树脂封装体10的第一部分11，以将厚铜图形31和双面电路板321连接。其中，厚铜图形31远离可剥离载体100的表面露出于树脂封装体10的第一部分11，且树脂封装体10的第一部分11和厚铜图形31二者远离可剥离载体100的表面相平齐。
然后，如图4所示，对铜箔层320进行蚀刻而得到薄铜图形32，并去除可剥离载体100。
接着，请参阅图5，将功率器件20第一表面的相应引脚焊接至厚铜线路31及薄铜线路32，并将金属连接件33焊接至将功率器件20第二表面的TPAD引脚和第二厚铜线路312，将电路元件焊接至薄铜图形32，以及将内置散热体40表面的金属连接层42焊接至金属连接件33。
在完成上述焊接作业后，如图6所示，再次在另一模具型腔内进行模具注射成型工艺而制备树脂封装体10的剩余部分(即树脂封装体10除第一部分11之外的部分)。其中，树脂封装体10的第一部分11和剩余部分的材质可以相同或不同。
接着，再次参见图1，利用导热绝缘粘着层50将金属散热体60粘着固定至树脂封装体10的下表面。
容易理解，在功率器件模组实施例1的其他制备方法实施例中，可以在将双面电路板321粘着至可剥离载体100之前，对双面电路板321的铜箔层320进行蚀刻，从而得到薄铜图形32。另外，可以在进行第二次模具注射成型工艺之前将金属散热体60粘着固定至树脂封装体10。
功率器件模组实施例2
参见图7所示，功率器件模组实施例2与实施例1的区别在于，树脂封装体10的第一表面形成有金属热扩散层44，金属热扩散层44与金属散热层43连接，从而增大模组的散热面积。
功率器件模组实施例3
参见图8所示，功率器件模组实施例3与实施例1的区别在于，功率器件200为另一种结构的IGBT，其具有位于其第一表面的G极引脚和S极引脚、以及位于其第二表面的D极引脚，金属连接件33在D极引脚和第二厚铜线路312之间建立电连接，功率器件200的G极引脚与薄铜图形32电连接，功率器件200的S极引脚与第一厚铜线路311电连接。
虽然未图示，但容易理解，本发明的功率器件模组可以具有外露于树脂封装体并与厚铜图形和/或薄铜图形电连接的外部供电连接端子；封装在树脂封装体内的电路板可以是单层电路板或者例如五层电路板等的多层电路板。
虽然本发明以具体实施例揭露如上，但该等实施例并非用以限定本发明的实施及保护范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改变或替换，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明权利要求的保护范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种功率器件模组，其特征在于包括：
树脂封装体，具有相对设置的第一表面和第二表面；
金属散热体，通过导热绝缘粘着层粘着至所述树脂封装体的第一表面；所述导热绝缘粘着层位于所述树脂封装体的第一表面和所述金属散热体之间；
功率器件，其设置在所述树脂封装体中；其中，所述功率器件具有相对设置的第一表面和第二表面，所述功率器件第一表面的引脚与设置在所述树脂封装体中的导电图形焊接连接；用于传输电流的所述导电图形包括第一导电图形和第二导电图形，所述第一导电图形的厚度大于所述第二导电图形的厚度，且所述第一导电图形与所述导热绝缘粘着层接触；
内置散热体，设置在所述树脂封装体中，并露出于所述树脂封装体的第二表面；其中，所述内置散热体包括陶瓷本体，所述陶瓷本体相邻于所述功率器件的表面形成有金属连接层；
其中，所述功率器件第二表面的引脚与所述导电图形之间通过金属连接件电性连接，且所述金属连接件与所述陶瓷本体表面的金属连接层焊接连接。
2.如权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于：所述第一导电图形的厚度为0.5毫米至5毫米，所述第二导电图形的厚度为15微米至105微米。
3.如权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于：所述功率器件为IGBT或MOSFET器件。
4.如权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于：所述第一导电图形以电路板的形式至少部分地封装在所述树脂封装体中。
5.如权利要求4所述的功率器件模组，其特征在于：所述电路板为仅具有一层导电图形的单层电路板或者具有至少两层导电图形的多层电路板。
6.如权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于：所述第一导电图形和所述第二导电图形相邻于所述功率器件的表面相互平齐。
7.如权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于：所述内置散热体露出于所述树脂封装体的表面形成有金属散热层。
8.如权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于：所述陶瓷本体的材质为氮化铝、氧化铝、氮化硅或碳化硅陶瓷。
9.一种如权利要求1所述功率器件模组的制备方法，其特征在于：所述树脂封装体是通过两次模具注塑工艺成型的；其中，在第一次模具注塑成型工艺中形成所述树脂封装体的第一部分，所述树脂封装体的第一部分连接所述第一导电图形以及用于负载所述第二导电图形的电路板；在完成所述功率器件、所述金属连接件和所述内置散热体的焊接之后，进行第二次模具注塑成型工艺而成型所述树脂封装体的剩余部分。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：在所述第一次模具注塑成型工艺成型中，所述电路板和所述第一导电图形被粘着在一可剥离载体上。
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