CN112510005A - 智能功率模块和智能功率模块的封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能功率模块和智能功率模块的封装方法，通过引脚在密封层内的部分设置消除结构，应力消除结构在应力施加时产生弹性形变，能对引脚传递到基板上的拉伸力和挤压力的应力进行有效的消减，使得最终传递到绝缘层的应力大为减小，从而避免了绝缘层产生裂纹以此最终导致封装不良的结果，从而提升了封装的成品良率。

Description

智能功率模块和智能功率模块的封装方法
技术领域
本发明涉及一种智能功率模块和智能功率模块的封装方法，属于功率半导体器件技术领域。
背景技术
在IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)模块封装时，由于铝基板的厚度公差行业标准+-10％，大的公差导致铝基板与模具无法达到精密配合，从而导致IPM模块封装过程中出现一些误差，为解决此问题，在模具型腔内增加顶针，通过顶针顶住铝基板使其紧密铁在型腔的表面，以此克服公差带来的铝基板和型腔之间的缝隙，此方法在模块注塑封装过程，由于顶针的外力会带来铝基板的绝缘层出现裂纹，以此使得IPM 模块生产过程中的不良率增加。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是解决现有的IPM模块封装过程中由于铝基板的公差较大，带来顶针方案出现的绝缘层裂纹最终导致模块生产不良率增加问题。
具体地，本发明公开一种智能功率模块，包括：
基板，基板包括依次连接的金属散热层、绝缘层、布线层和绿油层；
多个电子元件，多个电子元件设在布线层上，多个电子元件之间或者电子元件与布线层之间电连接；
多个引脚，多个引脚设置在基板的至少一侧边缘处，且引脚与布线层电连接；
密封层，密封层至少包裹设置电子元件的基板的一表面，引脚的一端从密封层露出；
其中引脚在密封层内朝向基板弯折以形成弯折部，且引脚的位于密封层内还设置有引脚对基板的应力的应力消除结构，应力消除结构在应力施加时产生弹性形变。
可选地，应力消除结构包括翘曲部，翘曲部的弯折方向与弯折部的弯折方向相同。
可选地，翘曲部位于弯折部的其中一个弯折段，翘曲部靠近弯折部的弯折处设置；或者翘曲部位于弯折部的弯折处设置。
可选地，翘曲部的弯折角度为30°至60°。
可选地，翘曲部还包括靠近翘曲部设置的缺口部，缺口的开口方向与翘曲部的开口方向相反。
可选地，缺口部呈弧形或者三角形，三角形的角度为45°至90°。
可选地，基板的相对设置电子元件的另一表面从密封层露出。
可选地，绝缘层的玻璃转化温度大于等于180℃。
本发明还公开一种根据上述的智能功率模块的封装方法，包括以下步骤：
将多个引脚和电子元件焊接在基板的布线层上；
将基板放置于封装模具的型腔中，其中封装模具包括上下设置上膜和下膜，引脚固定设置于上膜和下膜之间，设置于上模的顶针的自由端抵接于基板；
向型腔内注入热塑材料以形成密封层；
对从密封层露出的引脚进行成型和修剪。
可选地，将多个引脚和电子元件焊接在基板的布线层上步骤之后还包括：
将基板进行清洗；
将金属线连接电子元件。
本发明的智能功率模块，通过在引脚在密封层内的部分设置消除结构，应力消除结构在应力施加时产生弹性形变，能对引脚传递到基板上的拉伸力和挤压力的应力进行有效的消减，使得最终传递到绝缘层的应力大为减小，从而避免了绝缘层产生裂纹以此最终导致封装不良的结果，从而提升了封装的成品良率。
附图说明
图1为现有技术中的IPM模块的封装过程中基板和型腔内表面有缝隙的示意图；
图2为本发明实施例的IPM模块的封装结构的示意图；
图3为本发明实施例的基板的结构示意简图；
图4为现有技术中的IPM模块的封装过程中产生溢料的示意图；
图5A和图5B为现有技术中的IPM模块的基板封装过程中产生裂纹的示意图；
图6为现有技术中的IPM模块的封装过程中基板和型腔内表面过接触的示意图；
图7为本发明实施例的IPM模块的封装过程中基板和型腔内表面有缝隙的示意图；
图8为本发明实施例的IPM模块的封装过程中基板和型腔内表面过接触的示意图；
图9为本发明实施例的IPM模块的结构示意图；
图10为本发明实施例的另一种引脚形状的IPM模块的结构示意图；
图11为本发明实施例的IPM模块的引脚上设置应力消除结构的引脚结构示意图；
图12相对图11的应力消除结构设置在引脚的另一位置的引脚结构示意图；
图13相对图11的应力消除结构设置在引脚的又一位置的引脚结构示意图。
附图标记：
IPM模块100，基板110，金属散热层111，绝缘层112，布线层113，绿油层114，裂纹117，引脚120，弯折部121，翘曲部122，缺口部123，密封层130，下模220，溢料250。
具体实施方式
需要说明的是，在结构或功能不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据实例来详细说明本发明。
本发明提出一种智能功率模块。图2示出了本发明实施例的IPM模块的封装结构的示意图。参考图2，IPM模块100包括基板110、多个电子元件(图中未示出)、多个引脚120和密封层130。
其中基板110包括依次连接的金属散热层111、绝缘层112、布线层113和绿油层114。基板110的具体结构如图3所示，其中最下层的金属散热层111占据基板110的大部分体积，其厚度相对其它层厚很多，一般为0.8mm至2mm，常用的厚度为1.5mm，主要实现导热和散热作用，常用的金属散热层111材质为吕和铜，以此对应为铝板或者铜板。与金属散热层111连接的是绝缘层112，其厚度相对金属散热层111较薄，一般在 50um至150um，常用为110um，然后连接金属散热层111的是铜箔蚀刻形成的布线层 113，由蚀刻的铜箔构成电路线路，线路层厚度也较薄，如70um左右，最后在线路层上涂覆一层较薄的绿油层114，以起到线路隔离作用，隔断线路与线路之间的电连接。
多个电子元件，多个电子元件设在布线层113上，多个电子元件之间或者电子元件与布线层113之间电连接；电子元件通过焊接的方式与布线层113电连接。
多个引脚120，多个引脚120设置在基板110的至少一侧边缘处，且引脚120与布线层113电连接；多个引脚120形成引线框架，通过焊接如锡膏焊的方式焊接到布线层 113的焊盘，以此实现与布线层113电连接。
密封层130，密封层130至少包裹设置电子元件的基板110的一表面，引脚120的一端从密封层130露出；密封层130主要通过注塑材料形成，其材料可以是树脂。
其中引脚120在密封层130内朝向基板110弯折以形成弯折部121，且引脚120的位于密封层130内还设置有引脚120对基板110的传递的应力的应力消除结构，应力消除结构在应力施加时产生弹性形变。如图2所示，引脚120朝向基本向下弯折形成弯折部121，以使得引脚120的一端与焊盘焊接。在电子元件焊接到基板110的布线层113，且引脚120也焊接到布线层113上后，其形成的半成品放置在封装模具的型腔中进行注塑封装，在高温注塑过程中，绝缘层112变得非常脆弱，而引脚120的一端与焊盘焊接处在注塑过程中会对基板110产生应力，包括向上的拉伸力或者向下的挤压力形成的应力，此应力通过引脚120传递到绝缘层112会使其产生裂纹117，从而带来布线层113 和电子散热层短路的现象，以此使得整个IPM模块100封装失败，而通过找引脚上设置应力消除结构，其在应力产生时发生弹性形变能较好的消除此应力，或者明显的减弱此应力，从而使得传递到绝缘层112上的力为其可承受范围而不至产生裂纹117。以此通过在密封层130内的应力消除结构起到了封装过程中避免绝缘层112的裂纹117导致的封装失败的结果，从而提升了封装的成品良率。
图1示出了现有技术中的IPM模块的封装结构示意图。与本发明实施例的IPM模块100的结构不同之处在于缺少了应力消除结构。参考图1，封装模具包括上模和下模220，在上模上设置有活动的顶针，上模和下模220上下合模固定时，其内部形成注塑封装用的型腔，将加工好的半成品即电子元件和引线框架都焊接在基板110的线路层上后的产品放置在封装模具中，引线框架的自由端压接固定于上模和下模220之间，多个顶针的一端抵接在基板110的安装电子元件的一面，基板110的下表面即金属散热层111的一面面对型腔的下表面，由于基板110公差较大，且加上引线框架焊接的公差和封装模具的公差的原因，使得基板110的此面与型腔的下表面无法正常贴合，会出现间隙接触、过接触这两种情况，只有基板110的此面与型腔的新表面正常贴合时，才能达到正常接触的结果。
在图1中为基板110的下表面与型腔的下表面出现间隙接触的情况，在基板110的下表面与型腔的下表面之间存在小的间隙，如果再接下来对型腔进行注塑以形成密封层130，则在注塑过程中，注塑材料会在间隙的位置形成溢料250，如图4所示，在间歇位置注塑材料无法完全填充，为零散分布的注塑材料的小块，从而无法满足产品的标准。
为了消除此间隙，通过顶针向基板110施加向下的力，使得基板110向下移动以达到型腔的下表面实现二者的正常接触，在注塑过程中，注塑材料通过高温加热后形成流体状，使得型腔内的温度很高，可达到180℃左右，在此高温下基板110上的绝缘层112 的特性会变脆，而顶针向基板110施加的向下的力，使得引脚120与布线层113之间产生拉伸的力，此力传递到绝缘层112，使得引脚120的下方的绝缘层112出现裂纹117，具体如图5A所示，在引脚120与布线层113焊接的端部出现裂纹117。
图6示出了现有技术的IPM模块100的另一种封装结构示意图。在图6中，出现基板110的下表面与型腔的下表面出现过接触的情况，即基板110与引线框架的组装公差大于型腔的下表面的深度，使得在上下模合模时，基板110的下表面抵接到型腔下表面后，引线框架高于合模的表面，从而在合模时，引线框架与基板110之间存在挤压力，这种加压力传递到绝缘层112后，在高温情况下也会使得绝缘层112出现裂纹117，具体如图5B所示，在引脚120与布线层113焊接的尾部出现裂纹117。
在本发明实施例的方案中，如图2所示，在引脚120位于密封层130内的部分设置有应力消除结构，此应力消除结构能在出现图1和图6所示的现有技术中的引脚120与布线层113之间的拉伸力和挤压力时，具体如图7所示，在基板110的下表面与型腔的下表面出现间隙接触的情况，或者如图8所示，在基板110的下表面与型腔的下表面出现过接触的情况，此情况下通过应力消除结构产生的弹性形变，以此消除或者减少了上述的的拉伸力和挤压力的应力，从而对绝缘层112的应力大大减小，避免了绝缘层112 出现裂纹117的产生，从而提升了产品良率，且降低了IPM模块100封装生成过程中的工艺要求，如引线框架的焊接公差、基本的厚度公差、模具公差等。
在本发明的一些实施例中，如图2、图11至图13所示，应力消除结构包括翘曲部122，翘曲部122的弯折方向与弯折部121的弯折方向相同。翘曲部122形成的弯折角度比弯折部121的角度小，从而在引脚120受到拉伸力和挤压力的应力时，翘曲部122会产生形变，以此消除或者减小这些应力。翘曲部122优选为靠近弯折部121设置，其可设置于弯折部121的其中一个弯折段，如图12和图13所示的引脚120结构示意图中，翘曲部122分别位于弯折部121的两个弯折段。
或者在另一些实施例中，翘曲部122位于弯折部121的弯折处设置，如图2和图11所示，翘曲部122的弯折段和弯折部121的弯折处重合，从而使得方便引脚120的加工成型。为了对应力形成有效的消减效果，翘曲部122的弯折角度如图11至图13中的A 角度为30-60°，如可以选择为30°、45°、50°和60°这些具体值。
在本发明的一些实施例中，翘曲部122还包括靠近翘曲部122设置的缺口部123，缺口的开口方向与翘曲部122的开口方向相反。如图2、图11至图13所示，在靠近翘曲部122的一侧设置缺口部123，缺口部123使得引脚120的脚径变小，在这些图中，缺口开口方向向上，而翘曲部122的弯折形成的开口方向向下，翘曲部122和缺口部123 的结合对引脚120的上下两侧更好的消减应力。当基板110和型腔的下表面之间存在缝隙，从而使得引脚120与基板110之间存在拉伸力时，翘曲部122的角度和缺口部123 的缺口会变大；而当基板110和型腔的下表面之间存在过接触，使得引脚120和基板110 之间存在挤压力时，翘曲部122的角度和缺口部123的缺口会变小，从而有效了消减了这些应力。
其中这里的缺口部123的缺口的形状可以是弧形或者三角形等形状，优选为三角形，其三角形的角度范围为45°至90°，如可具体选择为60°、80°和89°这些具体值，如图10至图12中的B角度，以形成有力的消减效果。缺口变大变小时，对应的角度会变大变小。
为了使引脚120满足所需的电流通过即通流能力，其缺口的深度需要控制，不能太深，一般引脚120的在缺口部123处的脚径为其他位置的脚径的三分之一至五分之四，最终使得引脚120的脚径大于200um。
在本发明的一些实施例中，基板110的相对设置电子元件的另一表面从密封层130露出。在该实施例中，IPM模块100为半包封结构，如图2所示，其封装时，注塑形成的密封层130包覆基板110的安装电子元件和引脚120的一面，而另一面即金属散热层 111的一面因为与型腔的下表面贴合，不会覆盖注塑材料，从而最终封装后金属散热层 111的一面露出，其封装后的成品如图9和图10所示，其金属散热层111如吕板的一面外露，从而更有利于IPM模块100的散热。针对这种半包封结构的IPM模块100，因为在封装过程中，由于基板110的公差较大，以此容易使得基板110与型腔的表面之间存在过接触或者缝隙的情况，而本发明的应力消除结构能够有效的消减由于过接触或者缝隙带来的引脚120和基板110之间的挤压力和拉伸力的应力，从而避免了这些应力导致基板110的绝缘层112在封装过程中产生裂缝使得IPM模块100的封装无法满足产品要求，因此本发明的应力消除结构能够有效的提升IPM模块100的封装的成品良率。
当然，在其他实施例中，IPM模块100也可以是全包封结构，注塑材料全部包覆整个基板110，在封装过程中，其注塑材料如树脂也会对基板110产生应力，本发明的应力消除结构也能有效的消减这些应力。
在本发明的一些实施例中，为了进一步提升基板110的绝缘层112在高温下的强度，可以采用玻璃转化温度的参数大于等于180℃的绝缘层材质，在现有的行业内，其绝缘层112的玻璃转化温度常用为150℃，而在IPM模块100封装时，其模具型腔内的温度可达180℃，在此高温下绝缘层112的材质会变脆，因此稍受到外力的作用即容易产生裂纹117，通过采用玻璃转化温度更高如180℃材质的绝缘层112，其在180℃作用的模具高温下强度明显提高，因此受到外力时不易产生裂纹117，从而提升产品的封装的良率。
本发明还提出一种智能功率模块的封装方法，这里的智能功率模块即IPM模块100为上述实施例提到的IPM模块100，其封装方法包括以下步骤：
步骤S100，将多个引脚120和电子元件焊接在基板110的布线层113上；
步骤S200，将基板110放置于封装模具的型腔中，其中封装模具包括上下设置上模和下模220，引脚120固定设置于上模和下模220之间，设置于上模的顶针的自由端抵接于基板110；
步骤S300，向型腔内注入热塑材料以形成密封层130。
步骤S400，对从密封层130露出的引脚120进行成型和修剪。
在步骤S100中，基板110的成型可通过以下步骤实现：
根据IPM模块100的电路布局设计大小合适的基板110的金属散热层111如铝板，一般铝板的厚度为1.5mm；
将绝缘材料和铜材，通过热压的方式，使得绝缘材料形成于铝板表面以作为绝缘层 112，将铜材形成于绝缘层112表面作为铜箔层，为了提高耐压特性，绝缘层112的厚度可设计为110um，为了提高通流能力，铜箔层的厚度可设计成0.07mm。
将铜箔层的特定位置进行蚀刻，以形成电路布线层113和引脚焊盘。
在电路的布线之间涂覆绿油，以形成绿油层114。
在电路布线层113的表面装配电子元件，一般可通过锡膏焊工艺将电子元件、引脚120焊接在电路布线层113，以此形成封装前的半成品。
在此步骤中，还可进一步包括将焊接电子元件和引脚120后的基板110放入清洗机中进行清洗，以清洗掉焊接过程中残留的助焊剂等异物；
且在清洗完成后，根据通流能力的需要，可选择合适的铝线做为邦定线的金属线，以一步连接电子元件。最终才形成封装前的半成品。
在步骤S200中，将半成品的基板110放置于模具型腔中。模具型腔如图2所示，封装模具包括上模和下模220，在上模上设置有活动的顶针，上模和下模220上下合模固定时，其内部形成注塑封装用的型腔，将加工好的半成品即电子元件和引线框架都焊接在基板110的线路层上后的产品放置在封装模具中，引线框架的自由端压接固定于上模和下模220之间，多个顶针的一端抵接在基板110的安装电子元件的一面，基板110的下表面即金属散热层111的一面相对型腔的下表面，通过可伸缩的顶针，使得基板110 的下表面与型腔的内表面接触贴合，实现如图2中的效果。
在步骤S300中，向模具型腔内注入热塑性材料如树脂，直到整个型腔被填满，其注入树脂材料时型腔内的温度一般为180℃左右。在冷却后，热塑性材料形成密封层130，使得基板110的安装电子元件的一面全部被密封层130包覆，而基板110的另一面即金属散热层111外露，同时引脚120也部分露出。在注入热塑性材料过程中，虽然型腔内的温度较高导致基板110的绝缘层112材质变脆，由于在型腔中的引脚120部分设置了应力消除结构，具体是翘曲部122或者同时增加缺口部123，能对引脚120传递到基板 110上的拉伸力和挤压力的应力进行有效的消减，使得最终传递到绝缘层112的应力大为减小，从而避免了绝缘层112产生裂纹117以此最终导致封装不良的结果。
在步骤S400中，对从密封层130外露的引脚120进行整形并进行修剪整齐，以形成如图8双列直插封装的引脚120，或者如图9所示的贴片封装的引脚120。以适应性不同的IPM模块100安装到电控板上的方式。
本发明的IPM模块100的封装方法，通过引脚120在密封层130内部分设置应力消除结构，以此有效的消减型腔内注塑封装过程中的应力，以此避免了基板110绝缘层112 产生裂缝，从而大大提升了产品的良率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种智能功率模块，其特征在于，包括：
基板，所述基板包括依次连接的金属散热层、绝缘层、布线层和绿油层；
多个电子元件，多个所述电子元件设在所述布线层上，多个所述电子元件之间或者所述电子元件与所述布线层之间电连接；
多个引脚，多个所述引脚设置在所述基板的至少一侧边缘处，且所述引脚与所述布线层电连接；
密封层，所述密封层至少包裹设置所述电子元件的基板的一表面，所述引脚的一端从所述密封层露出；
其中所述引脚在密封层内朝向所述基板弯折以形成弯折部，且所述引脚的位于所述密封层内还设置有所述引脚对所述基板的应力的应力消除结构，所述应力消除结构在所述应力施加时产生弹性形变。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述应力消除结构包括翘曲部，所述翘曲部的弯折方向与所述弯折部的弯折方向相同。
3.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述翘曲部位于所述弯折部的其中一个弯折段，所述翘曲部靠近所述弯折部的弯折处设置；或者所述翘曲部位于所述弯折部的弯折处设置。
4.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述翘曲部的弯折角度为30°至60°。
5.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述翘曲部还包括靠近所述翘曲部设置的缺口部，所述缺口的开口方向与所述翘曲部的开口方向相反。
6.根据权利要求5所述的智能功率模块，其特征在于，所述缺口部呈弧形或者三角形，所述三角形的角度为45°至90°。
7.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述基板的相对设置电子元件的另一表面从所述密封层露出。
8.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述的绝缘层的玻璃转化温度大于等于180℃。
9.一种根据权利要求1至8任意一项所述的智能功率模块的封装方法，包括以下步骤：
将多个引脚和电子元件焊接在基板的布线层上；
将所述基板放置于封装模具的型腔中，其中所述封装模具包括上下设置上膜和下膜，所述引脚固定设置于所述上膜和所述下膜之间，设置于所述上模的顶针的自由端抵接于所述基板；
向所述型腔内注入热塑材料以形成密封层；
对从所述密封层露出的引脚进行成型和修剪。
10.根据权利要求9所述的封装方法，其特征在于，所述将多个引脚和电子元件焊接在基板的布线层上步骤之后还包括：
将所述的基板进行清洗；
将金属线连接所述的电子元件。
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