CN110663112A - 功率模块及用于制造功率模块的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包括第一和第二部分(100a、100b)的功率模块，第一部分包括导体层和绝缘层，其中，第一导体层位于第一部分的底部，第二部分包括至少一个第二导体层，第一导体层和/或第二导体层包括当第一导体层和第二导体层接触时形成管道(300a、300b)的空腔，并且第一导体层和第二导体层通过管道壁的金属镀覆(400a、400g)接合在一起。
Description
技术领域
本发明总体上涉及功率模块及用于制造功率模块的方法。
背景技术
电功率模块可能需要在两个金属表面之间进行电气连接和热连接，例如直接接合的铜基板和冷板之间的接合或两个印刷电路板(PCB)之间的连接。通常，连接是通过焊接、烧结或导电粘合剂进行的。电功率模块可以进一步包括嵌入在印刷电路板内的电力晶片。
将第一材料表面和第二材料表面进行热附接和电气附接需要第三材料，该第三材料能够是纯材料或不同材料类型之间的混合物。这样的方法创建了两个界面，第一界面在第一材料和第三材料之间，第二界面在第二材料和第三材料之间。这些界面通常是能够导致功率模块故障的薄弱点。这是由于诸如热机械行为、原子迁移等的不同材料特性而导致的。
本发明的目的是允许制造由接合的两个部分组成的功率模块，其中所述接合不会产生能够引起功率模块故障的薄弱点。
发明内容
为此，本发明涉及一种功率模块，该功率模块包括第一部分和第二部分，该第一部分包括导体层和绝缘层，其中，第一导体层位于第一部分的底部，第二部分包括至少一个第二导体层，第一导体层和/或第二导体层包括当第一导体层和第二导体层接触时形成管道的空腔，并且第一导体层和第二导体层通过管道的壁的金属镀覆接合在一起。
因此，在两个部分之间建立了能够用作机械连接、电气连接或热连接的连接。
根据特定特征，管道填充有材料以便改善接合的机械特性、电气特性和/或热特性。
根据特定特征，管道填充有两相材料。
因此，热被传送到功率模块的外部，并且等效热容量增加。
根据特定特征，导体层的材料与金属镀覆材料相同。
因此，最终组件是没有界面的单一介质，这减少了导致功率模块故障的裂纹和剥离的风险。
根据特定特征，导体层的材料和金属镀覆材料为铜。
因此，该技术能够被包括在诸如DCB(直接铜接合)或PCB制造之类的广泛使用和成熟的电力电子制造工艺中。
根据特定特征，管道的壁还被表面钝化材料金属镀覆。
根据特定特征，表面钝化材料是镍或金。
根据特定特征，第二部分包括导体层和绝缘层，并且半导体器件和/或无源组件嵌入在第一部分和/或第二部分内。
因此，最终组件是经过电气和热优化的电力电子系统。
本发明还涉及一种用于制造功率模块的方法，该功率模块包括第一部分和第二部分，该第一部分包括导体层和绝缘层，第一导体层位于第一部分的底部，第二部分包括至少一个第二导体层，其中，该方法包括以下步骤：
-在第一导体层和/或第二导体层上形成空腔，
-将第一导体层和第二导体层叠置，当第一导体层和第二导体层接触时空腔形成管道，
-对由第一导体层和第二导体层形成的管道的壁执行金属镀覆，以使第一部分和第二部分接合。
因此，在两层之间形成电气连接和热连接。
根据特定特征，管道填充有材料以便改善接合的机械特性、电气特性和/或热特性。
根据特定特征，管道填充有两相材料。
因此，提高了散热或将热传递到模块外部，更重要的是，大大提高了热容量。
根据特定特征，导体层的材料与金属镀覆材料相同。
因此，最终组件是没有界面的单一介质，这减少了导致功率模块故障的裂纹和剥离的风险。
根据特定特征，该方法还包括用表面钝化材料镀覆管道的壁的步骤。
因此，冷却回路将保持更长的时间而没有沉积物，并且由于表面钝化对冷却流体具有抵抗力，因此减少了或取消了对冷却回路的维护。
通过阅读示例性实施方式的以下描述，本发明的特征将变得更加清楚，所述描述是参照附图进行的。
附图说明
[图1]
图1表示根据本发明的要被处理以在功率模块的第一部分和第二部分之间创建管道的功率功率模块的第一部分。
[图2]
图2表示根据本发明的功率模块的第一部分和第二部分。
[图3]
图3表示根据本发明的功率模块的被组装以形成管道的第一部分和第二部分。
[图4]
图4表示功率模块的由于对管道的壁的金属覆镀而接合在一起的第一部分和第二部分。
[图5]
图5表示根据本发明的功率模块的接合在一起的第一部分和第二部分，并且其中对管道的壁执行了第二钝化金属镀覆。
[图6]
图6表示根据本发明的用于制造功率模块的算法。
具体实施方式
图1表示根据本发明的功率功率模块的第一部分，该第一部分要被处理以在功率模块的第一部分和第二部分之间创建管道。
功率模块的第一部分100a例如是由例如铜层的导体层110、112、116和118和例如FR4的绝缘层111、115和117制成的印刷电路板。
印刷电路板可以具有嵌入在结构中的半导体或无源器件114a和114b。
在图1的示例中，第一部分是由四个导体层110、112、116和118以及三个绝缘层111、115和117制成的印刷电路板，导体层110、112、116和118是由铜制成的，绝缘层111、115和117是由FR4制成的。该结构具有嵌入在第一部分中并通过激光钻孔和铜镀层113连接的两个半导体器件114a和114b。
图2表示根据本发明的功率模块的第一部分和第二部分。
在图2的示例中，功率模块的第二部分100b类似于第一部分。这里必须注意，第二部分可以与第一部分不同，第二部分可以由单个导体层组成。
在图2的示例中，第二部分100b是由四个导体层和三个绝缘层制成的印刷电路板，导体层是由铜制成的，绝缘层是由FR4制成的。该结构具有嵌入在第一部分中并通过激光钻孔和铜镀层连接的两个半导体器件。
当第一部分和第二部分接触时，对功率模块的第一部分100a和第二部分100b(更确切地说，第一部分100a的导体层118和第二部分的导体层205)进行处理，以在导体层118的表面上形成空腔200a至200g并且在导体层205的表面上形成空腔210a至210g。
该过程例如是形成空腔的机械、化学或其它蚀刻技术。
在图2的示例中，在导体层118和205的两个表面上创建空腔。在变型中，在导体层118或205的仅一个表面上创建空腔。
图3表示根据本发明的功率模块的被组装以形成管道的第一部分和第二部分。
将两个部分压制在一起以制成密闭管道300a和300g。能够通过导体层118和205的两个表面之间的直接接触或使用附加的粘合层来进行压制。
在实现的变型中，使用FR4片材将两个部分一起附接并对齐。请注意，必须在FR4片材中例如通过激光切割来切割出与管道几何形状类似的几何形状，以确保两个部分之间的电接触。
图4表示功率模块的由于对管道的壁的金属覆镀而接合在一起的第一部分和第二部分。
镀覆能够通过单个或多个镀覆循环进行。
一旦将两个部分100a和100b压制在一起，将它们放在无电镀覆槽中，在无电镀覆槽中镀覆流体在管道内部流动并在管道的整个内表面上形成铜层。
然后，可以将功率模块置于电镀覆槽中，以增加金属镀层400a和400g的厚度。
一旦获得所需的铜镀层厚度，两个部分现在被接合，并且在两个接合表面之间进行电气连接和热连接。
图5表示根据本发明的功率模块的接合在一起的第一部分和第二部分，并且其中对管道的壁执行了第二钝化金属镀覆。
为了避免管道内部的铜氧化，可以施加专用的表面处理。
因此，现在将组件置于在多个化学镀覆槽中，以镀覆诸如镍的金属的薄层，从而确保之后金镀层的良好附着力。
能够使用未封闭的管道以传导冷却流体来冷却结构。
图6表示根据本发明的用于制造功率模块的算法。
在步骤S60，在待接合的表面区域中创建空腔，以形成用于镀覆流体的路径。能够通过诸如机械、化学、电气或其它方法的任何减法工艺制成空腔。另选地，能够通过例如掩模电沉积的选择性加法工艺来形成合适的凸起。能够在功率模块的第一部分或第二部分的单个表面或两个表面上进行机械加工或蚀刻。
在步骤S61，组装第一部分和第二部分。将两部分压制在一起并且将创建封闭管道，该管道具有单个或多个镀覆流体入口以及单个或多个流体出口。
在步骤S62，一旦将第一部分和第二部分压制在一起，将镀覆流体馈送到管道中，或者将组件置于镀覆槽中，在镀覆槽中例如通过强制流体循环在管道内部进行金属沉积。沉积的金属在表面之间创建机械、电气和热接合。
能够控制金属镀覆工艺以改变管道的封闭程度。沉积方法能够是任何基于流体的金属沉积，例如电镀覆或无电镀覆。还能够将多种镀覆方法和多种金属镀覆类型进行组合，以改善接合的电气、机械、化学或热特性。
在一些情况下，在镀覆的金属对接合区域的附着力低的情况下，在镀覆工艺之前能够向该区域施加诸如镍、锌、钛等的专用种子表面处理，以改善两个表面之间的接合。
能够在没有中间材料的情况下将表面直接压制在一起，或者在表面之间设置诸如有机材料或无机材料的粘合层，使两个结构之间更好地对齐。这些粘合材料能够具有或不具有金属填充物，以适应接合特性。
在步骤S63，控制金属镀层的厚度。
例如，厚度必须在几微米到几百微米之间。
如果金属镀层的厚度在几微米到几百微米之间，则处理进入步骤S64，否则，重复步骤S62。
在步骤S64，是否确定进行表面钝化。
如果不需要执行表面钝化，则该方法结束。否则，在步骤S65，在未填充的管道内部执行诸如金等的专用表面钝化，以便避免管道内部表面的氧化或腐蚀，例如通过镀覆诸如镍的金属的薄层，以确保之后的良好的附着力和金镀层。
根据实现的特定模式，用填充有金属或陶瓷颗粒等的诸如有机粘合剂的材料填充管道，以改善接合的机械、电和/或热特性。
根据实现的特定模式，用两相材料填充管道，以创建热管道或增加未封闭管道内部的热容量。这种热管道传输能够用于散热或将热传递到功率模块之外。
自然，在不脱离本发明的范围的情况下，能够对上述本发明的实施方式做出许多变型。
Claims (11)
1.一种功率模块，该功率模块包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括导体层和绝缘层，其中，第一导体层位于所述第一部分的底部，所述第二部分包括至少一个第二导体层，所述第一导体层和/或所述第二导体层包括当所述第一导体层和所述第二导体层接触时形成管道的空腔，并且所述第一导体层和所述第二导体层通过所述管道的壁的金属镀覆接合在一起。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述管道填充有材料以改善所述接合的机械特性、电气特性和/或热特性。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述管道填充有两相材料。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率模块，其中，所述导体层材料与所述金属镀覆材料相同。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其中，所述导体层材料和所述金属镀覆材料为铜。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其中，所述管道的壁还通过表面钝化材料金属镀覆。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其中，所述表面钝化材料由镍和金形成。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的功率模块，其中，所述第二部分包括导体层和绝缘层，并且功率晶片和/或无源组件被嵌入在所述第一部分和/或所述第二部分内。
9.一种用于制造功率模块的方法，该功率模块包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括导体层和绝缘层，第一导体层位于所述第一部分的底部，所述第二部分包括至少一个第二导体层，其中，该方法包括以下步骤：
-在所述第一导体层和/或所述第二导体层上形成空腔，
-将所述第一导体层和所述第二导体层叠置，当所述第一导体层和所述第二导体层接触时所述空腔形成管道，
-对由所述第一导体层和所述第二导体层形成的所述管道的壁执行金属镀覆，以使所述第一部分和所述第二部分接合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述管道填充有材料以改善所述接合的机械特性、电气特性和/或热特性。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述方法还包括通过表面钝化材料镀覆所述管道的壁的步骤。
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