CN110957283A - 功率模块和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“功率模块和相关方法”。功率模块的实施方式可包括：基板，该基板具有第一侧和第二侧。功率模块可包括耦接到基板的第二侧的多根引线和在基板的五个或更多个表面的一部分上方的模塑料。功率模块还可包括从基板的第一侧延伸到模塑料的外边缘的开口。开口可被构造成接纳耦接设备，并且耦接设备可被构造成与散热器或封装支撑件耦接。

Description

功率模块和相关方法
相关专利申请的交叉引用
本文件要求授予Zhou等人的名称为“Power Modules and Related Methods”(功率模块和相关方法)的美国临时专利申请62/736,521的提交日期的权益，该申请提交于2018年9月26日，该申请的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本文件的各方面整体涉及功率模块，诸如开关、桥和逆变器。更具体的实施方式涉及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
背景技术
功率集成模块根据控制接口处的信息内容来处理功率。功率模块涵盖的功能包括功率源总线类型、集成到总线中的无源部件以及集成到负载中的无源部件等。集成功率模块为若干功率部件(通常为功率半导体器件)提供物理封闭封装。
发明内容
功率模块的实施方式可包括：基板，该基板具有第一侧和第二侧。功率模块可包括耦接到基板的第二侧的多根引线和在基板的五个或更多个表面的一部分上方的模塑料。功率模块还可包括从基板的第一侧延伸到模塑料的外边缘的开口。开口可被构造成接纳耦接设备，并且耦接设备可被构造成与散热器或封装支撑件耦接。
功率模块的实施方式可包括以下项中的一项、全部或任一项：
功率模块还可包括围绕模塑料的外边缘上的开口定位的支座单元。支座单元可被构造成抵靠散热器或封装支撑件支撑封装件。
根据权利要求1所述的封装件，还包括第二开口，其中所述第一开口和所述第二开口在所述封装件内均匀地间隔开。
该多根引线可包括3.81mm间距。
该多根引线可各自与包括多根引线的引线框的一侧上的两根或更多根引线相距相等的距离。
该功率模块还可包括机械地和电气地耦接到基板的第二侧的一个或多个管芯。
可使用形成功率模块的方法来形成功率模块的实施方式，该方法可包括：将引线框耦接到基板。该引线框可具有在引线框的四个侧面中的每个侧面上从框架延伸出的多根引线。该方法可包括选择性地修整多根引线中的第一组多根引线。该方法还可包括围绕基板的至少五个表面以及多根引线中的第二组多根引线中的每根引线的一部分形成包封物。该方法可包括修整引线框，修整引线框包括将多根引线中的一根或多根引线修整到预定长度。
形成功率模块的方法的实施方式可包括以下项中的一项、全部或任一项：
该方法还可包括使用固定装置以防止流动包封物进入基板中的一个或多个安装孔。
该引线框可通过焊接或烧结中的一种耦接到基板。
形成包封物可包括使用传递模塑方法。
多根引线中的第一组多根引线可不延伸到包封物中，并且可在引线框的修整期间与引线框一起被完全移除。
该基板还可包括从基板的第一侧延伸到第二侧的安装孔。
该基板可包括以下中的一项：具有陶瓷芯的直接键合铜基板(DBC)、直接键合铝(DBA)基板、活性金属钎焊(AMB)基板、绝缘金属基板(IMS)、电镀陶瓷基板、高层数(HLC)印刷线路板(PWB)、低温共烧陶瓷(LTCC)基板、高温共烧陶瓷(HTCC)基板或聚合物涂覆的导电板。
可使用形成功率模块的方法来形成功率模块的实施方式，该方法可包括：提供基板，该基板具有第一侧、第二侧和从第一侧延伸到第二侧的一个或多个安装孔。该方法可包括将具有多根引线的引线框耦接到基板。该方法可包括选择性地修整多根引线中的第一组多根引线。该方法可包括在模塑料中包封至少五个表面以及多根引线中的每根引线的一部分。该方法可包括从多根引线修整引线框。
形成功率模块的方法的实施方式可包括以下项中的一项、全部或任一项：
基板可包括从基板的第一侧延伸到基板的第二侧的两个安装孔。
多根引线中的第一组多根引线选择性地修整的引线可不延伸到包括在传递模塑方法中的腔体中。
形成包封物可包括使用传递模塑方法。
包封物可包括环氧树脂、树脂、聚合物或它们的任何组合中的一种。
对于本领域的普通技术人员而言，通过说明书和附图并且通过权利要求书，上述以及其他方面、特征和优点将会显而易见。
附图说明
将在下文中结合附图来描述实施方式，在附图中类似标号表示类似元件，并且：
图1为功率模块的实施方式的剖视图；
图2为引线框的实施方式的顶视图；
图3为基板的实施方式的顶视图；
图4为耦接到基板的实施方式的第二侧的引线框的实施方式的顶视图；
图5为通过基板的实施方式的安装孔插入的圆柱体的实施方式的顶视图；
图6为通过基板的实施方式的安装孔插入的圆柱体的实施方式的顶视图，该基板用模塑料包封；
图7为用模塑料包封的基板和引线框的实施方式的顶视图；
图8为与多根引线的实施方式耦接的基板的实施方式的顶视图；
图9为具有选择性地修整的引线的引线框的另一实施方式的顶视图；
图10为基板的另一实施方式的顶视图；
图11为耦接到基板的实施方式的引线框的实施方式的顶视图；
图12为用模塑料包封的基板的实施方式和引线框的实施方式的顶视图；
图13为与多根引线的实施方式耦接的基板的实施方式的顶视图；
图14为功率模块的实施方式的顶视图；
图15为一组基板的实施方式的顶视图；
图16为具有第一安装孔的功率模块的实施方式的第一侧的透视图；并且
图17为具有第一安装孔和第二安装孔的功率模块的实施方式的第二侧的透视图。
具体实施方式
本公开、其各方面以及实施方式并不限于本文所公开的具体部件、组装工序或方法要素。符合预期功率模块的本领域已知的许多附加部件、组装工序和/或方法要素将显而易见地与本公开的特定实施方式一起使用。因此，例如，尽管本发明公开了特定实施方式，但是此类实施方式和实施部件可以包括符合预期操作和方法的本领域已知用于此类功率模块以及实施部件和方法的任何形状、尺寸、样式、类型、模型、版本、量度、浓度、材料、数量、方法要素、步骤等。
在各种功率模块设计中，一般希望封装件尺寸尽可能小。本文件中公开的功率模块和封装件中的至少一些可被称为四引线框封装件(QLP)。
参考图1，示出了功率模块2的实施方式的侧视图。该功率模块包括基板4，该基板与引线6耦接并且用模塑料8包封。在所示的特定实施方式中，基板4为具有陶瓷芯的直接键合铜基板(DBC)。该基板可与暴露进行热传导的各部分电绝缘隔离。在各种实施方式中，该基板可为(作为非限制性示例)：直接键合铝(DBA)基板、活性金属钎焊(AMB)基板、绝缘金属基板(IMS)、电镀陶瓷基板、高层数(HLC)印刷线路板(PWB)、低温共烧陶瓷(LTCC)基板、高温共烧陶瓷(HTCC)基板、聚合物涂覆的导电板、或者具有期望的可靠性、热耗散和/或局部排放特性的任何其他基板类型。在各种实施方式中，陶瓷可包括掺杂有二氧化锆(ZrO2)的氧化铝(Al2O3)陶瓷、氮化硅(Si3N4)陶瓷、氮化铝(AlN)陶瓷、高强度AlN(H-AlN)陶瓷或它们的任何组合。
模块2还包括从模块的第一侧12延展到模块的第二侧14的安装孔10。安装孔10可用于将散热器安装到模块和/或将模块安装到支撑件(电路板、母板等)。如图所示，支座16围绕安装孔10的周边定位。这些支座可支撑散热器的重量并且在螺钉或将模块保持到支撑件或散热器的其他耦接设备的力的作用下保护模块使其不会偏转/弯曲。在各种实施方式中，封装件可包括第一安装孔和第二安装孔。在其他实施方式中，封装件可包括多于两个安装孔。如图所示，在该实施方式中，一个或多个管芯耦接到基板的第一侧。还示出了引线键合，其将一个或多个管芯以机械的方式和电的方式耦接到基板的其他部分和模块中的其他设备。该模块的结构可具有高的可靠性和极低的热阻。该模块还可具有在约75A至约150A范围内的高电流容量。
功率模块的各种实施方式可包括碳化硅续流二极管(FWD)。FWD可包括在功率集成模块(PIM)或转换器逆变器制动器(CIB)内。CIB具有三个功能模块，包括转换器、逆变器和制动器。该转换器可包括具有四到六个二极管的整流器。该逆变器可包括六个IGBT和六个FWD。该制动器可与FWD集成在一起。
参考图2至图6，示出了在形成功率模块的方法的实施方式中的各种处理步骤之后的各种功率模块实施方式。如将要描述的，可以简化这种功率模块的组装过程，并且可以产生紧凑且更轻质的封装件。该方法包括提供引线框18。如这里所示，引线框18被完全填充，具有多根引线20，其间距为约3.8mm。该多根引线定位在框架的四个侧面上并向内朝向引线框的中心。引线框上的每组多根引线20包括相对于彼此等距的引线(拐角区域的右侧除外，在那里引线偏移以适应拐角)。
参考图3，该方法包括提供基板22。在各种实施方式中，该基板可包括DBC基板。如图15所示，该基板可以从一组基板23(有时称为基板的主卡)中分割。在各种实施方式中，该方法可包括形成穿过基板的孔24，其中该孔将形成图1中所示的安装孔的一部分。在其他实施方式中，该基板可预组装有穿过其中的孔。可通过(作为非限制性示例)钻孔、激光钻孔、冲孔或任何其他形成开口的方法形成该孔。参考图4，该方法包括将引线框18和基板22耦接在一起。该引线框耦接到基板的第二侧。在各种实施方式中，该基板可与基板的第一侧或第二侧耦接。在一些方法中，可通过(作为非限制性示例)粘合剂、焊接、超声波焊接或其他用于耦接金属部件的方法将引线耦接到基板。
该方法还包括通过基板中的安装孔插入圆柱体/杆。参考图5，示出穿过基板22的安装孔24定位的圆柱体25。该圆柱体用于本公开的示例性目的，并且，通过非限制性示例，各种工具、模具(多件或单件)、夹具或固定装置可用于各种实施方式中，这些实施方式被设计用于防止包封物流入安装孔。在模塑过程期间，该圆柱体/工具防止模塑料填充或覆盖安装孔。在各种实施方式中，该圆柱体/工具可由包括钢的耐用金属形成。在其他实施方式中，圆柱体/工具可由塑料、树脂或能够承受高温和高压的另一材料形成。该圆柱体/工具的材料也可为不会与模塑料/包封物或半导体的其他组分以及在形成半导体材料的过程中所使用的材料起反应的材料。在其他实施方式中，其他工具或固定装置可被构造成在包封期间防止模塑料流入安装孔。在一些实施方式中，基板可包括多于一个安装孔，并且工具/固定装置可被构造成在包封期间防止包封物流入所有安装孔。
该方法还包括在基板22上方以及在从引线框18延伸出的引线20的一部分上方形成模塑料26。也围绕安装孔中的圆柱体形成模塑料。参考图6，示出了用模塑料24包封之后的基板22和引线框。可使用传递模塑技术形成模塑料。传递模塑是其中迫使模塑材料(诸如(作为非限制性示例)树脂或环氧树脂)进入模具或腔体中的制造工艺。测量模塑材料并将其放入模塑罐中。随着材料被加热，压力迫使材料传递到模具/腔体中。在形成功率模块的方法的各种实施方式中，模塑腔体可包括圆柱体，该圆柱体定位在基板中的孔中以形成图1所示的安装孔，该圆柱体用于防止模塑料进入安装孔的区域。在一些实施方式中，所使用的模塑料可以包括(作为非限制性示例)环氧树脂、树脂、聚合物和能够承受高温和高电子应力的其他材料。在形成半导体封装件的方法的一些实施方式中，可在用模塑料包封之后移除圆柱体。参考图7，示出了移除圆柱体之后的基板。在一些实施方式中，直到从引线修整引线框之后才移除圆柱体。
形成功率模块的方法包括从多根引线20修整/分割引线框。所得的具有暴露引线的封装件可为高压功率模块，其包括但不限于：具有反并联二极管的开关(MOSFET、IGBT)、半桥(具有两个开关及其对应二极管的逆变器桥臂)、三相逆变器(六个开关及对应二极管)或本文所述的任何其他功率设备/模块。参考图8，示出了所形成的功率模块28。功率模块28包括基板，该基板具有第一侧和第二侧。该基板可包括(作为非限制性示例)：具有陶瓷芯的直接键合铜基板(DBC)、直接键合铝(DBA)基板、活性金属钎焊(AMB)基板、绝缘金属基板(IMS)、电镀陶瓷基板、高层数(HLC)印刷线路板(PWB)、低温共烧陶瓷(LTCC)基板、高温共烧陶瓷(HTCC)基板、聚合物涂覆的导电板、或者具有期望的可靠性、热耗散和/或局部排放特性的任何其他基板类型。如前所述，该基板内的陶瓷可包括掺杂有二氧化锆(ZrO2)的氧化铝(Al2O3)陶瓷、氮化硅(Si3N4)陶瓷、氮化铝(AlN)陶瓷、高强度AlN(H-AlN)陶瓷或它们的任何组合。
仍然参考图8，该基板包封在模塑料26中。在各种实施方式中，该模塑料可包括环氧树脂、树脂、聚合物和能够承受高温和高电子应力的其他材料。功率模块28还包括从基板的第一侧延伸到模塑料的外边缘的开口24。该开口可被构造成接纳耦接设备，并且该耦接设备可被构造成与散热器或封装支撑件中的一个耦接。在各种实施方式中，该开口可在基板中预成形。在其他实施方式中，该方法可包括使用本文公开的任何方法通过钻孔/成形在基板中形成开口。多根引线可包括约3.81mm的间距。如图所示，该多根引线各自与引线中的每根引线的任一侧上的两根引线相距相等的距离。
在各种实施方式中，管芯可以机械的方式和电的方式耦接到基板的第二侧。在各种实施方式中，该功率模块可用于高功率应用，诸如(作为非限制性示例)：商业应用、工业应用、汽车应用以及需要减小的封装件尺寸和足够的间隙距离的其他应用。
参考图9至图13，示出在形成功率模块的方法的另一实施方式中所使用的各种处理步骤之后的功率模块。该方法包括提供引线框。参考图9，示出了引线框30。引线框30包括在框架的四个侧面上的多根引线32。该引线框的每一侧上的多根引线彼此等距(拐角区域除外，以便适应拐角的形状)。在各种实施方式中，这些引线具有约3.81mm的间距，但在各种实施方式中，可利用许多其他间距值。
该方法包括将引线框的一根或多根引线选择性地修整到预定长度(引线中的第一组)。经修整的引线34从框架延伸小于未修整引线36的距离的距离。经修整的引线34可被称为被选择性地移除。可在最初形成引线框时进行这种选择性地修整的过程(即，引线框在被制造时形成为具有缩短的引线)。在一些方法实施方式中，可在最初形成引线框之后进行选择性地修整的过程，其中已经形成的引线中的一根或多根引线被修整到期望的长度。在各种实施方式中，可通过切割来修整引线。
参考图10，该方法还包括提供基板38。在各种实施方式中，基板38可为本文公开的任何基板类型，诸如(作为非限制性示例)直接键合铝(DBA)基板、活性金属钎焊(AMB)基板、绝缘金属基板(IMS)。如图所示，基板38包括从基板的第一侧延伸到基板的第二侧的孔40。在方法的各种实施方式中，基板38可设置有预制孔。在其他实施方式中，该方法可包括使用本文公开的任何方法穿过基板切割/钻出孔。
该方法包括将引线框耦接到基板。参考图11，示出了通过焊料耦接到基板38的引线框30。在其他实施方式中，将引线框30耦接到基板可包括粘合剂或其他材料以将引线框牢固地耦接到基板。在其他实施方式中，引线框可通过超声波焊接或其他用于耦接金属部件的方法耦接到基板。如图所示，缩短的引线34未焊接到基板(部分地因为它们太短而不能到达/接触基板)。
该方法还包括围绕基板的五个或更多个侧面形成模塑料。参考图12，在基板38上以及围绕从引线框30延伸出的多根引线32的一部分形成模塑料40。缩短的引线34不延伸到模塑料40中。在各种实施方式中，使用传递模塑技术围绕基板和引线形成模塑料。在一些实施方式中，在传递模塑技术中针对具有缩短的引线的引线框所使用的腔体设计可与针对包括完全填充的引线框的方法的所使用的腔体设计相同。使用相同的腔体设计可提高设计的灵活性，使得当使用用于选择性地移除的引线的方法时，没有模塑料从腔体流出。对于用于形成功率模块的方法的两个实施方式使用相同的腔体设计可降低如本文所述制造功率模块的成本。在各种实施方式中，模塑料或包封物可包括环氧树脂、树脂、聚合物、它们的任何组合、或任何其他用于保护半导体部件的材料。
在一些实施方式中，可将圆柱体插入安装孔中，然后再用模塑料包封基板和引线框。在各种实施方式中，如图1所示，可将圆柱体留在安装孔中以形成对安装孔的支撑。在其他实施方式中，可在包封之后或在引线修整之后移除圆柱体。在其他实施方式中，可将圆柱体替换为将保留在半导体封装件中的不同圆柱体或材料。在一些实施方式中，圆柱体可由金属形成或者可由非电活性/非化学反应性材料形成，如本文所公开的任何材料。
该方法还包括从功率模块修整引线框。参考图13，示出了在通过切割穿过没有通过选择性修整而缩短或之前形成的这些引线(引线中的第二组)而修整引线框之后的功率模块42。在各种实施方式中，可通过切割框架和包封在模塑材料内的引线之间的系杆来修整引线框。修整引线框还包括从功率模块周围移除缩短的引线。可将通过该实施方式形成的功率模块42描述为具有选择性地移除的引线。
如图所示，功率模块42包括围绕基板形成的模塑料40。该基板包括第一侧和第二侧。该基板通过焊料、粘合剂、超声波焊接、烧结、它们的任何组合或其他用于耦接金属部件的方法耦接到多根引线。在各种实施方式中，该基板可包括：具有陶瓷芯的直接键合铜基板(DBC)、直接键合铝(DBA)基板、活性金属钎焊(AMB)基板、绝缘金属基板(IMS)、电镀陶瓷基板、高层数(HLC)印刷线路板(PWB)、低温共烧陶瓷(LTCC)基板、高温共烧陶瓷(HTCC)基板、聚合物涂覆的导电板或本文所述的任何其他基板。
参考图14，示出了具有选择性地移除的引线的功率模块44的另一实施方式的顶视图。在该视图中，螺钉孔或安装孔46示出为位于基板的中心。在其他实施方式中，安装孔可位于基板中的另一位置。示出了围绕基板50的模塑料。模塑料48可覆盖基板50的五个侧面。如上所述，在各种图示中，模塑料覆盖功率模块的第一侧，从而包封基板、管芯、引线键合和引线。在一些实施方式中，模塑料可包括环氧树脂、树脂或能够承受高温和高电压的其他材料。
参考图16，示出了功率模块50的实施方式的第一侧52。封装件50包括单个安装孔54。封装件的步宽为3.2mm。在各种实施方式中，步宽可更大(诸如)或更小(诸如1.5mm的步宽)。3.2mm的步宽被设计成容纳在安装功率模块的过程中使用的塑料壳。在各种实施方式中，可能需要稳定结构诸如具有旋钮或凸起(未示出)的塑料壳，以防止在安装期间封装件围绕第一安装孔54旋转。在一些实施方式中，塑料壳还可减小或防止印刷电路板或在其上安装有功率模块的其他结构的残余应力。在该特定实施方式中，可使用78个销。
参考图17，示出了功率模块60的实施方式的第二侧58。该实施方式包括第一安装孔和第二安装孔。两个安装孔62和65的组合可有助于更容易为一些设备安装功率模块。在各种实施方式中，使用塑料壳以有助于安装功率模块。在使用了多个安装孔的情况下，塑料壳可不包括旋钮或凸起，这可减少在各种实施方式中由旋钮或凸起引起的应力。该模块的步宽为3.2mm。在其他实施方式中，步宽可为1.5mm，或者步宽可更大，这取决于设备的需要。
功率模块可用于各种应用，包括：嵌入式计算、加速器装置、控制器、处理器、网络处理器和噪声敏感应用。其他应用包括移动互联网设备、平板电脑和其他单电池锂动力设备。个人导航设备以及消费者和车载信息娱乐设备也可使用集成功率模块。
在各种封装件实施方式中，多根引线可具有3.2mm的间距。
在各种封装件实施方式中，引线框可通过焊接或烧结中的一种耦接到基板。
在各种实施方式中，形成包封物可包括使用传递模塑方法。
在各种封装件实施方式中，包封物可包括环氧树脂、树脂、聚合物或它们的任何组合。
在各种封装件实施方式中，安装孔可从基板的第一侧延伸到第二侧。
在各种封装件实施方式中，多根引线可具有3.81mm的间距。
在各种封装件实施方式中，功率模块可包括以机械的方式和电的方式耦接到基板的第二侧的一个或多个管芯。
在各种实施方式中，封装件可包括基板，该基板为以下中的一者：具有陶瓷芯的直接键合铜基板(DBC)、直接键合铝(DBA)基板、活性金属钎焊(AMB)基板、绝缘金属基板(IMS)、电镀陶瓷基板、高层数(HLC)印刷线路板(PWB)、低温共烧陶瓷(LTCC)基板、高温共烧陶瓷(HTCC)基板或聚合物涂覆的导电板。
在以上描述中提到功率模块的特定实施方式以及实施部件、子部件、方法和子方法的地方，应当显而易见的是，可在不脱离其实质的情况下作出多种修改，并且可将这些实施方式、实施部件、子部件、方法和子方法应用于其他功率模块。

Claims (10)

1.一种半导体封装件，包括：
基板，所述基板包括第一侧和第二侧；
多根引线，所述多根引线耦接到所述基板的第二侧；
模塑料，所述模塑料包括在所述基板的五个或更多个表面的一部分上方；和
第一开口，所述第一开口从所述基板的第一侧延伸到所述模塑料的外边缘，所述开口被构造成接纳耦接设备，所述耦接设备被构造成与散热器或封装支撑件中的一个耦接。
2.根据权利要求1所述的封装件，还包括围绕所述模塑料的所述外边缘上的所述第一开口定位的支座单元，其中所述支座单元被构造成抵靠所述散热器或所述封装支撑件中的一个支撑所述封装件。
3.根据权利要求1所述的封装件，还包括第二开口，其中所述第一开口和所述第二开口在所述封装件内均匀地间隔开。
4.根据权利要求1所述的封装件，其中所述多根引线各自与包括所述多根引线的引线框的一侧上的两多或更多根引线相距相等的距离。
5.一种形成半导体封装件的方法，所述方法包括：
将引线框耦接到基板，其中所述引线框具有从其中从所述引线框的四个侧面中的每个侧面延伸出的多根引线；
选择性地修整所述多根引线中的第一组多根引线；
围绕所述基板的至少五个表面以及所述多根引线中的第二组多根引线中的每根引线的一部分形成包封物；以及
通过将所述多根引线中的一根或多根引线修整到预定长度来修整所述引线框。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括使用固定装置以防止包封物流入基板中的一个或多个安装孔。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多根引线中的所述第一组多根引线不延伸到所述包封物中并且在所述引线框的修整期间与所述引线框一起被完全移除。
8.一种形成半导体封装件的方法，所述方法包括：
提供基板，所述基板具有第一侧、第二侧和从所述第一侧延伸到所述第二侧的一个或多个安装孔；
将具有多根引线的引线框耦接到所述基板；
选择性地修整所述多根引线中的第一组多根引线；
在模塑料中包封至少五个表面以及所述多根引线中的第二组多根引线中的每根引线的一部分；以及
从剩下的多根引线修整所述引线框。
9.根据权利要求8所述的方法，其中进一步地所述基板包括从所述基板的所述第一侧延伸到所述基板的所述第二侧的两个安装孔。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述多根引线中的所述第一组多根引线不延伸到包括在传递模塑方法中的腔体中。
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