CN111244080A - 功率模块结构、功率模块封装体及封装体的制作方法 - Google Patents

功率模块结构、功率模块封装体及封装体的制作方法 Download PDF

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CN111244080A CN202010178911.9A CN202010178911A CN111244080A CN 111244080 A CN111244080 A CN 111244080A CN 202010178911 A CN202010178911 A CN 202010178911A CN 111244080 A CN111244080 A CN 111244080A
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Abstract

本申请设计功率器件封装技术领域，具体涉及一种功率模块结构、功率模块封装体及封装体的制作方法。所述功率模块结构包括：引线框架，所述引线框架上焊接有第一芯片；第二芯片，所述第二芯片设于所述第一芯片上，并通过导电胶与所述第一芯片耦合连接。其中封装体包括基板，所述基板上开设有定位孔，如本申请第一方面所述的功率模块结构设于所述定位孔中；在所述定位孔周围的基板上设有金属线，所述功率模块结构的引出端连接所述金属线；下散热板，所述下散热板设于所述基板下，用于对功率模块结构进行散热。本申请提供一种功率模块结构及其封装体，能够提高器件响应速度的同时减小器件尺寸。

Description

功率模块结构、功率模块封装体及封装体的制作方法
技术领域
本申请设计功率器件封装技术领域，具体涉及一种功率模块结构、功率模块封装体及封装体的制作方法。
背景技术
智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM），是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类半导体封装结构。IPM的封装结构包括：驱动芯片，功率器件，模块封装，MCU，变频方案以及控制编程软件。
目前相关技术中，通常将每个功能芯片封装后再单个安装在基板上，所述功能芯片包括三极管、二极管。IC控制芯片或者绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT）芯片等。这样最终的产品结构体积大，成本高。
另一种IPM封装结构是将上述各种功能芯片集成在同一封装体中，但是基本采用的双列直插式封装技术（Dual In-line Package，DIP）封装，封装厚度厚，而且散热效果不佳，不符合现在产品轻薄化的需求。另外内部芯片排列不合理，传统IPM为了迎合封装要求，只能使用长方形的IGBT器件，极大的影响了器件的响应速度和元胞性能的均匀性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本申请提供一种功率模块结构、功率模块封装体及封装体的制作方法，能够提高器件响应速度的同时减小器件尺寸。
根据本申请提供的技术方案，作为本申请的第一方面，提供一种功率模块结构，所述功率模块结构包括：
引线框架，所述引线框架上焊接有第一芯片；
第二芯片，所述第二芯片设于所述第一芯片上，并通过粘接结构与所述第一芯片耦合连接；所述粘接结构与所述第一芯片的接触面积为所述第一芯片横截面积的二分之一；
第三芯片，所述第三芯片设于所述第一芯片的周围。
可选的，所述第三芯片的中心与所述第一芯片的中心之间的直线距离为200um-1mm。
可选的，所述第一芯片为IGBT芯片，所述第二芯片为控制芯片，所述第三芯片为晶体管芯片。
可选的，所述第二芯片和第一芯片的周围包覆有环氧树脂，通过所述环氧树脂封装在所述引线框架上。
可选的，所述环氧树脂中含有3％~5％的氮化铝。
作为本申请的第二方面，提供一种功率模块封装体，包括：
下基板，所述下基板上开设有所述定位孔，所述下基板的边缘向外延伸形成连接外沿；
上基板，所述上基板盖设于所述定位孔上，所述上基板的边缘与所述下基板耦合，金属线设置与所述上基板上；
本发明第一方面所述的功率模块结构设于所述定位孔中，所述功率模块结构的引线框架的安装在所述上基板的下表面，所述功率模块结构的引出端连接所述金属线；所述功率模块结构的引出端、上基板和下基板间形成电性通路；
下散热板，所述下散热板设于所述下基板下，用于对功率模块结构进行散热。
可选的，所述下基板和下散热板之间设有第一硅橡胶层，所述第一硅橡胶层与所述功率模块结构接触。
可选的，所述上基板上设有上散热板，所述上散热板的外沿向外延伸出所述上基板的边缘；
在所述上散热板的外沿和所述下基板之间设有第二硅橡胶层，所述第二硅橡胶层包围在所述上基板的外周。
可选的，所述第二硅橡胶层为环状，所述第二硅橡胶层的内缘与所述上基板的外缘之间形成第二间隙；
在位于所述第二间隙位置处的所述上散热板中，开设有上散热孔；
所述上散热孔的孔径不超过所述第二间隙的宽度，且不小于所述第二间隙宽度的二分之一所述下基板的内缘与所述功率模块结构外缘之间形成第一间隙；
在位于所述第一间隙位置处的所述下散热板中，开设有下散热孔；
所述下散热孔的孔径不超过所述第一间隙的宽度，且不小于所述第一间隙宽度的二分之一。
作为本发明的第三方面，提供一种功率模块封装体的制作方法，包括以下步骤：
提供下基板，在所述下基板的中部开设定位孔；
在所述定位孔上设置上基板，所述上基板的边缘耦合在位于所述定位孔周围的下基板上；
提供如本发明第一方面所述的功率模块结构，将所述功率模块结构设置在所述定位孔中，所述功率模块结构的引线框架耦合在所述上基板的下表面，所述下基板的内缘与所述功率模块结构的外缘之间形成第一间隙；
向所述第一间隙中填充第一材料，所述第一材料的热膨胀系数与所述下基板的热膨胀系数一致；
在所述下基板下表面设置第一硅橡胶层，在所述第一硅橡胶层的下表面设置下散热板；
在位于所述第一间隙位置处的所述下散热板中开设下散热孔；
在位于所述上基板周围的所述下基板上设置第二硅橡胶层，所述第二硅橡胶层的内缘与所述上基板的外缘之间形成第二间隙；
向所述第二间隙中填充第二材料，所述第二材料的热膨胀系数与所述上基板的热膨胀系数一致；
设置上散热板，所述上散热板设于所述上基板上，且所述上散热板的外沿向外延伸至遮住所述第二硅橡胶层的上表面；
在位于所述第二间隙位置处的所述上散热板中开设上散热孔。
可选的，所述上散热板、基板和下散热板通过紧固件相连。
从以上所述可以看出，本申请提供的功率模块结构及其封装体，与现有技术相比具备以下优点：本申请提供的功率模块结构及其封装体，具有更好热特性，能够简化组装工序和提供更高的可靠性。另外，小型和超薄的封装使得应用电路更为紧凑，大大的减少了寄生效应，提高了能效比传统IPM模块体积缩小50%，意味着可以降低50%的封装成本。
附图说明
图1为本申请第一方面的主视图。
图2为本申请第二方面的剖视图。
100.功率模块结构，110.引线框架，120.第一芯片，130.第二芯片，140.环氧树脂，150.引出端，210.定位孔，220.金属线，230.下散热板，231.下散热板，241.下基板，2410.连接外沿，242.上基板，250.第一硅橡胶层，260.第二硅橡胶层，270.上散热板，271.上散热孔，280.紧固件，290.焊球，300.第三芯片。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
作为本申请的第一方面，参照图1，提供一种功率模块结构，所述功率模块结构通过改变功率模块结构的结构以及封装体的结构能够使得器件轻薄话，提高器件响应速度。
下面将通过具体实施例对本发明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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
实施例1，作为本发明的第一方面，提供一种功率模块结构100。
所述功率模块结构100包括：
引线框架110，所述引线框架110上焊接有第一芯片120。
第二芯片130，所述第二芯片130设于所述第一芯片120上，并通过粘接结构与所述第一芯片120耦合连接；所述粘接结构与所述第一芯片120的接触面积为所述第一芯片120横截面积的二分之一，从而能够保证可靠连接，防止相邻粘接结构粘连同时减少胶体的使用保证散热良好。
第三芯片300，所述第三芯片300设于所述第一芯片的周围。
所述第三芯片300的中心与所述第一芯片的中心之间的直线距离为200um-1mm，从而能够使得在保证芯片功能可靠性的同时，第三芯片300与所述第一芯片之间的距离尽可能短，以实现尽可能快的信号传输，保证最后封装尽可能的小。
所述第一芯片为IGBT芯片，所述第二芯片为控制芯片，所述第三芯片300为晶体管芯片。
需要解释的是，所述第二芯片130包括三极管、二极管或者其他功率管集成的控制芯片，所述控制芯片可以采用功能面朝上的未封装的产品，也可以采用功能面朝下的封装后的产品。所述导电胶包括含有导电颗粒的硅胶。
可以理解的是，通过第二芯片130堆叠在所述第一芯片120上，能够减小第二芯片130和第一芯片120之间的距离，从而在封装时无需考虑封装尺寸，能够提高第二芯片130和第一芯片120之间的响应速度。
实施例2
本实施例在实施例1 的基础上，在所述第二芯片130和第一芯片120的周围包覆有环氧树脂层140，通过所述环氧树脂层140封装在所述引线框架110上。在所述第二芯片130和第一芯片120周围包覆的所述环氧树脂层140能够保护芯片之间连接的同时，能够将芯片与外界环境隔绝，以此使得保证在震动、高湿度等环境中，芯片能够正常工作。
可选的，所述环氧树脂层140中含有3％~5％的氮化铝。
需要解释的是，功率模块结构100上还设有引出端150，在通过所述环氧树脂层140封装之前，所述引出端150通过引线对应连接各芯片。
作为本发明的第二方面，参照图2，提供一种功率模块封装体，所述功率模块封装体是将本发明第一方面所述的功率模块结构100封装起来，以便使用的同时能够提高功率模块结构100在使用时的散热性能。
下面将通过具体实施例对本发明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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
实施例3，作为本发明的第二方面，提供一种功率模块封装体。
所述功率模块封装体包括基板，所述基板包括上基板242和下基板241；本发明第一方面所述的功率模块结构100封装在所述基板上。
具体地，所述下基板241上开设有所述定位孔210，所述下基板的边缘向外延伸形成连接外沿2410；所述上基板242盖设于所述定位孔210上，所述上基板242的边缘与所述下基板241通过焊接形成的焊球290耦合，金属线220设置与所述上基板242上。
所述的功率模块结构设于所述定位孔210中，所述功率模块结构的引线框架的110安装在所述上基板242的下表面，所述功率模块结构的引出端150连接所述金属线220；所述功率模块结构的引出端150、上基板242和下基板241间形成电性通路。
为了使得功率模块结构100封装在所述基板上时，依旧能够保证器件轻薄化，所述定位孔210的尺寸大于所述功率模块结构，即所述下基板241的内缘与所述功率模块结构的外缘之间形成第一间隙，使得所述的功率模块结构100设于所述定位孔210中，优选地，所述定位孔210的尺寸大于功率模块结构尺寸的20%-30%，由于CTE（膨胀系数）差异较大，不匹配，如果结合紧密或者空间预留过小，可能会导致产生裂缝，影响模块工作效率，严重会缩短模块的工作寿命；从而上述尺寸的定位孔210的还能够保证散热，防止模块在工作时产生的热量堆积。
所述下散热板230设于所述基板下，用于对功率模块结构100进行散热。
通过引线连接所述连接外沿2410，从而能够将芯片上的信号引出（图中未示出），能够方便所述功率模块封装体与其他结构互连耦合。
可以理解的是，所述在基板上开设有定位孔210，以便于所述功率模块结构100放置，能够减小器件尺寸，使得器件轻薄化。所述功率模块结构100的引出端150连接所述金属线220，保证器件能够可靠工作。通过下散热板230，能够实现对器件的散热。
实施例4
在以上实施例的基础上，本实施例提供的所述基板和下散热板230之间设有第一硅橡胶层250，所述第一硅橡胶层250与所述功率模块结构100接触。
所述上基板242上设有上散热板270，所述上散热板270的外沿向外延伸出所述上基板242的边缘；
在所述上散热板270的外沿和所述下基板241之间设有第二硅橡胶层260，所述第二硅橡胶层260包围在所述上基板242的外周。
所述第二硅橡胶层260为环状，所述第二硅橡胶层260的内缘与所述上基板242的外缘之间形成第二间隙；
在位于所述第二间隙位置处的所述上散热板270中，开设有上散热孔271；
所述上散热孔271的孔径不超过所述第二间隙的宽度，且不小于所述第二间隙宽度的二分之一；
所述下基板241的内缘与所述功率模块结构外缘之间形成第一间隙。
在位于所述第一间隙位置处的所述下散热板230中，开设有下散热孔231；
所述下散热孔231的孔径不超过所述第一间隙的宽度，且不小于所述第一间隙宽度的二分之一。
所述上散热板270、基板和下散热板230通过紧固件280相连。
所述第一硅橡胶层250和第二硅橡胶层260能够给予功率模块结构100良好的保护作用，使得功率模块结构100与外界环境隔绝，以此使得保证在震动、高湿度等环境中，芯片能够正常工作。所述上散热板270上的上散热孔271，和所述下散热板230中开设的下散热孔231，更加有利于散热。
从以上所述可以看出，本申请提供的功率模块结构100及其封装体，具有更好热特性，能够简化组装工序和提供更高的可靠性。另外，小型和超薄的封装使得应用电路更为紧凑，大大的减少了寄生效应，提高了能效比传统IPM模块体积缩小50%，意味着可以降低50%的封装成本。
实施例5：
本实施例在实施例5的基础上，向所述第一间隙中填充第一材料，所述第一材料的热膨胀系数与所述下基板241的热膨胀系数一致；即在所述环氧树脂层140周围的定位孔210中填充与所述下基板241的热膨胀系数一致的材料，优选地，在所述环氧树脂层140周围的定位孔210中填充树脂层。
向所述第二间隙中填充第二材料，所述第二材料的热膨胀系数与所述上基板242的热膨胀系数一致；
作为本发明的第三方面，提供一种功率模块封装体的制作方法，包括以下步骤：
提供下基板241，在所述下基板241的中部开设定位孔210；
在所述定位孔210上设置上基板242，所述上基板242的边缘耦合在位于所述定位孔210周围的下基板241上；
提供本发明第一方面所述的功率模块结构，将所述功率模块结构设置在所述定位孔210中，所述功率模块结构的引线框架110耦合在所述上基板242的下表面，所述下基板241的内缘与所述功率模块结构的外缘之间形成第一间隙；
向所述第一间隙中填充第一材料，所述第一材料的热膨胀系数与所述下基板241的热膨胀系数一致；
在所述下基板241下表面设置第一硅橡胶层250，在所述第一硅橡胶层250的下表面设置下散热板230；
在位于所述第一间隙位置处的所述下散热板230中开设下散热孔231；
在位于所述上基板242周围的所述下基板241上设置第二硅橡胶层260，所述第二硅橡胶层260的内缘与所述上基板242的外缘之间形成第二间隙；
向所述第二间隙中填充第二材料，所述第二材料的热膨胀系数与所述上基板242的热膨胀系数一致；
设置上散热板270，所述上散热板270设于所述上基板242上，且所述上散热板270的外沿向外延伸至遮住所述第二硅橡胶层260的上表面；
在位于所述第二间隙位置处的所述上散热板270中开设上散热孔271。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的主旨之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率模块结构，其特征在于，所述功率模块结构包括：
引线框架，所述引线框架上焊接有第一芯片；
第二芯片，所述第二芯片设于所述第一芯片上，并通过粘接结构与所述第一芯片连接，所述粘接结构与所述第一芯片的接触面积为所述第一芯片横截面积的二分之一；
第三芯片，所述第三芯片设于所述第一芯片的周围。
2.如权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，所述第三芯片的中心与所述第一芯片的中心之间的直线距离为200um-1mm。
3.如权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一芯片为IGBT芯片，所述第二芯片为控制芯片，所述第三芯片（晶体管芯片。
4.如权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，所述第二芯片和第一芯片的周围包覆有环氧树脂层，通过所述环氧树脂层封装在所述引线框架上。
5.如权利要求2所述的功率模块结构，其特征在于，所述环氧树脂层中含有3％~5％的氮化铝。
6.一种功率模块封装体，其特征在于，包括：
下基板，所述下基板上开设有所述定位孔，所述下基板的边缘向外延伸形成连接外沿；
上基板，所述上基板盖设于所述定位孔上，所述上基板的边缘与所述下基板耦合，金属线设置与所述上基板上；
如权利要求1~5中任意一项所述的功率模块结构设于所述定位孔中，所述功率模块结构的引线框架的安装在所述上基板的下表面，所述功率模块结构的引出端连接所述金属线；所述功率模块结构的引出端、上基板和下基板间形成电性通路；
下散热板，所述下散热板设于所述下基板下，用于对功率模块结构进行散热。
7.如权利要求6所述的功率模块封装体，其特征在于，所述下基板和下散热板之间设有第一硅橡胶层，所述第一硅橡胶层与所述功率模块结构接触。
8.如权利要求6所述的功率模块封装体，其特征在于，所述上基板上设有上散热板，所述上散热板的外沿向外延伸出所述上基板的边缘；
在所述上散热板的外沿和所述下基板之间设有第二硅橡胶层，所述第二硅橡胶层包围在所述上基板的外周。
9.如权利要求8所述的功率模块封装体，其特征在于，所述第二硅橡胶层为环状，所述第二硅橡胶层的内缘与所述上基板的外缘之间形成第二间隙；
在位于所述第二间隙位置处的所述上散热板中，开设有上散热孔；
所述上散热孔的孔径不超过所述第二间隙的宽度，且不小于所述第二间隙宽度的二分之一；
所述下基板的内缘与所述功率模块结构外缘之间形成第一间隙；
在位于所述第一间隙位置处的所述下散热板中，开设有下散热孔；
所述下散热孔的孔径不超过所述第一间隙的宽度，且不小于所述第一间隙宽度的二分之一。
10.一种功率模块封装体的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供下基板，在所述下基板的中部开设定位孔；
在所述定位孔上设置上基板，所述上基板的边缘耦合在位于所述定位孔周围的下基板上；
提供如权利要求1~5中任一项所述的功率模块结构，将所述功率模块结构设置在所述定位孔中，所述功率模块结构的引线框架耦合在所述上基板的下表面，所述下基板的内缘与所述功率模块结构的外缘之间形成第一间隙；
向所述第一间隙中填充第一材料，所述第一材料的热膨胀系数与所述下基板的热膨胀系数一致；
在所述下基板下表面设置第一硅橡胶层，在所述第一硅橡胶层的下表面设置下散热板；
在位于所述第一间隙位置处的所述下散热板中开设下散热孔；
在位于所述上基板周围的所述下基板上设置第二硅橡胶层，所述第二硅橡胶层的内缘与所述上基板的外缘之间形成第二间隙；
向所述第二间隙中填充第二材料，所述第二材料的热膨胀系数与所述上基板的热膨胀系数一致；
设置上散热板，所述上散热板设于所述上基板上，且所述上散热板的外沿向外延伸至遮住所述第二硅橡胶层的上表面；
在位于所述第二间隙位置处的所述上散热板中开设上散热孔。
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