CN113013106B - 智能功率模块及其制备方法、包含该智能功率模块的电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能功率模块及其制备方法、包含该智能功率模块的电器。一种智能功率模块，包括导热绝缘金属衬底、引线框架以及固定于所述导热绝缘衬底上的元器件，所述导热绝缘金属衬底与引线框架之间通过金属键合线连接，且两者之间的键合线区域固定有密封胶；所述导热绝缘金属衬底、所述引线框架和所述元器件由塑封料塑封为整体。本发明提供的IPM避免了绝缘层易从衬底中分层的问题，具有良好的绝缘可靠性金属。

Description

智能功率模块及其制备方法、包含该智能功率模块的电器
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种智能功率模块及其制备方法、包含该智能功率模块的电器。
背景技术
智能功率模块(IPM)发热较大，因此需要良好的散热设计以解决可靠性问题，行业上常见的做法是在封装体上设置金属基散热板，通过热量传递到散热板上来使芯片降温，防止瞬间过热导致芯片烧毁。以散热金属基板为衬底，能够更好地灵活设计、更高效率地实现散热设计，目前金属基线路板作为功率器件绝缘散热组件而受到广泛应用，这些线路板需具有绝缘的功能，因此线路板一般由三层结构组成，分别为金属板、绝缘层和铜箔层。绝缘层的主要作用在于铜箔和金属板之间的产生的电压，防止击穿。绝缘层都是以环氧树脂为基体，金属氧化物为填料制造而成，固化后的环氧导热绝缘层具有导热好、硬度高、耐热好、绝缘性强等特点。
目前，以金属基板作为衬底的IPM产品有两类设计，一种是全包封产品，即用塑封料(EMC)将IPM金属衬底和元器件全部封装在内部；另一种是半包封产品，即用塑封料(EMC)将IPM金属衬底上面的元器件封装在内部，而金属衬底裸露。后者更有利于IPM的散热。但是，在实际的封装过程中，由于金属引线框架与IPM的金属衬底是通过锡膏回流焊接在一起，实现电连接，为了防止EMC由衬底面溢出，使引线框架与金属衬底在封装模具合模过程中产生一定的压力，但此压力会造成金属衬底内部的绝缘层与金属板之间分层，对IPM造成安全隐患，导致无法批量生产。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种智能功率模块，其避免了绝缘层易从衬底中分层的问题，具有良好的绝缘可靠性金属。
本发明的第二目的在于提供上述智能功率模块的制备方法，该方法既避免了塑封料溢出的问题，又避免了绝缘层从金属衬底中分层的问题，又具有工艺简单、成本低等优点。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种智能功率模块，包括导热绝缘金属衬底、引线框架以及固定于所述导热绝缘衬底上的元器件，所述导热绝缘金属衬底与引线框架之间通过金属键合线连接，且两者之间的金属键合线区域固定有密封胶；
所述导热绝缘金属衬底、所述引线框架和所述元器件由塑封料塑封为整体。
上述IPM的导热绝缘衬底与引线框架分立设计并通过金属键合线连接，且通过密封胶将金属键合线固定，使得引线框架与衬底形成一个整体，方便放置于模具内塑封，塑封后衬底内的绝缘层未收到力的作用而保持良好的绝缘可靠性。
由此可见，本发明通过改进引线框架与衬底之间的固定方式避免了绝缘层分层问题，从而提高了产品的绝缘可靠性。
本发明所述导热绝缘衬底是指本领域任意可行的衬底，包括但不限于陶瓷衬底、金属衬底等，当利用金属衬底时绝缘可靠更具优势。
本发明所述的元器件是指在具体的电器中，智能功率模块设置的必要的元器件，包括但不限于典型的有源元件、无源元件以及二者之间必要的连接件等。
本发明所述的塑封料以及密封胶都可以是本领域常规的材质，或者有其他优势且能实现固有特性的新材料。
在一些实施方式中，所述金属键合线为铝、铜或金；其中，铜成本低，取材容易；银反光性好，散热性好，并且具有良好的导电性；铝质量较轻，散热性好，耐热性高，若配合铝基板热稳定性更高。
在一些实施方式中，所述密封胶选自环氧树脂固化物、氨基树脂固化物、酚醛树脂中的至少一种。其中，环氧树脂固化物具有粘结力强、收缩性小等优势，与常见金属的热膨胀系数差异小，更耐高温。氨基树脂固化物具有良好的耐水、耐热及耐光老化性，但价格相比其他昂贵。酚醛树脂粘结力强，耐热性高，但是有一定的脆性、易断裂。
在一些实施方式中，所述塑封料为环氧塑封料，例如ECON型、DCPD型、Bi-Pheny1型及Multi-Function型等，但本发明并不限于以上。以上类型都具有吸水率低、介电常数低、介电损耗低、耐热性能优良等特点。
在一些实施方式中，所述密封胶的热膨胀系数与所述塑封料的热膨胀系数比例为0.8～1.2:1，此时密封胶和塑封料的热膨胀系数较为接近，可提升IPM模块冷热工作过程中的可靠性。
在一些实施方式中，所述密封胶的热膨胀系数范围为20×10-6/℃～24×10-6/℃，包括但不限于20×10-6/℃、21×10-6/℃、22×10-6/℃、23×10-6/℃、24×10-6/℃等。
在一些实施方式中，所述塑封料的热膨胀系数为20×10-6/℃～24×10-6/℃，包括但不限于20×10-6/℃、21×10-6/℃、22×10-6/℃、23×10-6/℃、24×10-6/℃等。
密封胶和塑封料的热膨胀系数采用上述区间时，可以与常见的金属衬底中金属基板(尤其是铝)热膨胀系数保持接近，进一步提升IPM模块冷热工作过程中的可靠性。
在一些实施方式中，所述密封胶的表面呈毛化，具体地可以是分布有凹槽结构。
当密封胶表面呈毛化，或分布有凹槽结构时，可以增加其与塑封料之间的接触面积，从而使得塑封料与密封胶之间的表面结合优异，防止两者之间结合不牢固带来耐湿可靠性不足问题。另外，为保证质量均一性，凹槽优选均匀有规律的分布。
在一些实施方式中，所述凹槽深度尺寸为0.1μm～10μm，包括但不限于0.1μm、0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm等，所述凹槽直径为0.01mm～1.0mm，包括但不限于0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm等。
在一些实施方式中，所述导热绝缘金属衬底包括依次叠放的金属基板、绝缘层和铜箔层。
在一些实施方式中，所述金属基板为铝，铝与上述密封胶、塑封料的热膨胀系数较接近，高温下可靠性佳，并且铝材成本低。
在一些实施方式中，所述绝缘层的导热系数是1.0W/m·K～12.0W/m·K，包括但不限于1.0W/m·K、2.0W/m·K、3.0W/m·K、5.0W/m·K、6.0W/m·K、7.0W/m·K、9.0W/m·K、10.0W/m·K、12.0W/m·K等。
在一些实施方式中，所述绝缘层的内部填料选自二氧化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝、碳化硅中的至少一种。
在一些实施方式中，所述绝缘层的厚度范围为0.05mm～0.3mm，包括但不限于0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm等。
在典型的实施方式中，所述元器件包括有源元件、无源元件，所述有源元件和所述无源元件之间通过金属键合线连接。
本发明上文所述的智能功率模块的制备方法，包括下列步骤：
将所述元器件固定在所述导热绝缘金属衬底上；
将所述引线框架和所述导热绝缘金属衬底用金属线键合连接；
在所述引线框架和所述导热绝缘金属衬底之间键合的所述金属线周围用密封胶将所述引线框架和所述导热绝缘金属衬底固定；
在完成上述步骤之后，通过塑封料将所述导热绝缘金属衬底、所述引线框架和所述元器件塑封为整体。
本发明所述的智能功率模块主要用于电器中，例如家电、风扇、泵到通用驱动器或军用电子电力系统等。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)IPM的衬底与引线框架分立设计并通过金属键合线连接，且通过密封胶将金属键合线固定，使得引线框架与衬底形成一个整体，方便放置于模具内塑封，塑封后衬底内的绝缘层未收到力的作用而保持良好的绝缘可靠性；
(2)将密封胶的表面通过物理方法进行粗糙化，使得塑封料与密封胶之间的表面结合优异，放置两者之间结合不牢固带来耐湿可靠性不足问题；
(3)密封胶的热膨胀系数与塑封料的热膨胀系数和金属衬底(特别是铝)的热膨胀系数保持接近，提升了IPM模块冷热工作过程中的可靠性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明一个实施方式提供的智能功率模块示意图；
图2为本发明一个实施方式中智能功率模块的制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的其中一个实施方式是如图1所示的一种制备智能功率模块，包括导热绝缘金属衬底11、有源元件12、无源元件13、引线框架14、金属键合线15、密封胶16和环氧塑封料17；其中，有源元件12和无源元件13之间通过金属键合线连接；导热绝缘金属衬底11与引线框架14之间也通过金属键合线15连接，两者之间的键合线区域采用密封胶16固定，再通过环氧塑封料17整体塑封而成。
该实施方式中导热绝缘金属衬底11衬底与引线框架通过金属键合线连接，且通过密封胶将金属键合线固定，使得引线框架与衬底形成一个整体，方便放置于模具内塑封，塑封后衬底内的绝缘层未收到力的作用而保持良好的绝缘可靠性。
在该实施方式中，金属键合线可选用铝、铜或金等材质，密封胶可选用环氧树脂固化物、氨基树脂固化物、酚醛树脂等材质，塑封料可选用环氧塑封料，例如典型的ECON型、DCPD型、Bi-Pheny1型及Multi-Function型等。
在该实施方式中，密封胶和塑封料的热膨胀系数比例宜保持在0.8～1.2:1范围内，此时密封胶和塑封料的热膨胀系数较为接近，可提升IPM模块冷热工作过程中的可靠性，例如导热绝缘金属衬底11中金属基板为铝时，密封胶和塑封料的热膨胀系数宜20×10-6/℃～24×10-6/℃范围内的任意值，包括但不限于20×10-6/℃、21×10-6/℃、22×10-6/℃、23×10-6/℃、24×10-6/℃等。
在该实施方式中，导热绝缘金属衬底包括依次叠放的金属基板、绝缘层和铜箔层，该绝缘层的导热系数可选用1.0W/m·K～12.0W/m·K范围内的任意值，包括但不限于1.0W/m·K、2.0W/m·K、3.0W/m·K、5.0W/m·K、6.0W/m·K、7.0W/m·K、9.0W/m·K、10.0W/m·K、12.0W/m·K等。内部填料可选用二氧化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝、碳化硅等，绝缘层的厚度是根据需要任选的，典型厚度范围为0.05mm～0.3mm，包括但不限于0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm等。
该实施方式可采用如下的方法制得，流程如图2所示：
步骤S1：
将包括有源元件和无源元件在内的元器件固定在导热绝缘金属衬底上；
步骤S2：
将所述引线框架和所述导热绝缘金属衬底用金属线键合连接；
步骤S3：
使用密封胶将引线框架和衬底固定，密封胶的涂布位置为引线框架和所述导热绝缘金属衬底之间键合的所述金属线周围；
步骤S4：
将所述导热绝缘金属衬底、所述引线框架和所述元器件塑封为整体。
在另外的实施方式中，导热绝缘金属衬底11可以替换为其他类型，如陶瓷衬底。
在另外的实施方式中，还可以在步骤S3之后，对密封胶的表面进行粗糙化处理(可采用刻蚀、摩擦等手段)，使其表面分布有深度为0.1μm～10μm、直径为0.01mm～1.0mm的凹槽，以提高塑封料与密封胶之间的结合力度。
另外，在其他的实施方式中，可改变凹槽的尺寸。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.智能功率模块，包括导热绝缘金属衬底、引线框架以及固定于所述导热绝缘金属衬底上的元器件，其特征在于，所述导热绝缘金属衬底与引线框架之间通过金属键合线连接，且两者之间的金属键合线区域固定有密封胶；
所述导热绝缘金属衬底、所述引线框架和所述元器件由塑封料塑封为整体；
所述密封胶的热膨胀系数与所述塑封料的热膨胀系数比例为0.8~1.2:1；
所述导热绝缘金属衬底包括依次叠放的金属基板、绝缘层和铜箔层；
所述塑封料将所述导热绝缘金属衬底上面的元器件封装在内部，而所述导热绝缘金属衬底底面裸露。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述金属键合线为铝、铜或金。
3.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述密封胶选自环氧树脂固化物、氨基树脂固化物、酚醛树脂中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述塑封料为环氧塑封料。
5.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述密封胶的热膨胀系数范围为20×10-6/℃~24×10-6/℃。
6.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述塑封料的热膨胀系数为20×10-6/℃~24×10-6/℃。
7.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述密封胶的表面呈毛化。
8.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述金属基板为铝。
9.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述绝缘层的导热系数是1.0 W/m·K~12.0W/m·K。
10.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述绝缘层的内部填料选自二氧化硅、氧化铝、氮化硼、氮化铝、碳化硅中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述绝缘层的厚度范围为0.05mm~0.3mm。
12.根据权利要求1-4任一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述元器件包括有源元件、无源元件，所述有源元件和所述无源元件之间通过金属键合线连接。
13.权利要求1-12任一项所述的智能功率模块的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
将所述元器件固定在所述导热绝缘金属衬底上；
将所述引线框架和所述导热绝缘金属衬底用金属线键合连接；
在所述引线框架和所述导热绝缘金属衬底之间键合的所述金属线周围用密封胶将所述引线框架和所述导热绝缘金属衬底固定；
通过塑封料将所述导热绝缘金属衬底、所述引线框架和所述元器件塑封为整体。
14.一种电器，其特征在于，其包含权利要求1-12任一项所述的智能功率模块。
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