CN203367261U

CN203367261U - 功率模块

Info

Publication number: CN203367261U
Application number: CN2013203215311U
Authority: CN
Inventors: 陈鋆; 张礼振; 刘杰
Original assignee: JILIN HUAWEI SIPAKE ELECTRIC Co Ltd
Current assignee: JILIN HUAWEI SIPAKE ELECTRIC Co Ltd
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2023-06-05

Abstract

本实用新型针对现有的功率模块其散热面上容易产生毛刺从而影响散热的问题，提供一种功率模块，包括驱动电路部分、具有至少一个功率芯片的功率半导体器件部分、引线框架及包覆上述三部分的模塑树脂封装体，驱动电路部分包括PCB板、设置于PCB板上的驱动芯片及多个被动元件，引线框架具有放置功率芯片的功率芯片基岛，功率芯片基岛靠近PCB板的一端设置有与PCB板的正面接触的至少一个搭钩，模塑树脂封装体的外表面在位于功率芯片基岛下方的位置形成一散热面，模塑树脂封装体位于PCB板下方的位置形成多个顶针孔。本实用新型的功率模块顶针孔形成在PCB板的下方，注塑时，顶针顶在PCB板背面，因此散热面上不会形成毛刺，散热面与散热器接触良好，散热性能良好。

Description

功率模块

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种功率模块。

背景技术

功率模块在包括空调、洗衣机及冰箱等电机驱动、电力电子领域有着广泛的应用。功率模块包括由PCB板、驱动芯片与被动元件组成的驱动电路部分和功率半导体器件部分，整体采用模塑树脂封装。功率模块的工作电流很大，那么工作情况下功率芯片产生的热量很大，要求模块的内部的散热性能越强越好，针对此需求模块引线框架的功率芯片基岛与散热面之间的距离越小越好，填充物热导率越高越好。但在应用中，有安规规定功率模块和散热器之间要有一定的绝缘强度,因此对引线框架的功率芯片基岛与散热片之间要有足够的绝缘强度要求，针对此需求引线框架的功率芯片基岛与散热面之间的距离越大越好，填充物的绝缘性越高越好。如何保证引线框架的功率芯片基岛与散热面之间的散热与绝缘要求，是整个功率模块的设计以及制造关键。

在第一种现有技术中，功率半导体器件部分通过焊料固定在引线框架上，驱动电路部分通过银胶固定在PCB板上，内部电气连接通过引线框架和bonding（打线键合）连接，引线框架和PCB板被模塑树脂整个覆盖，引线框架的功率芯片基岛在模塑树脂注塑时由可伸缩顶针伸长顶住固定，在注塑完毕而模塑树脂没有固化前，可伸缩顶针缩回，其在模腔内的空隙会被未固化的模塑树脂填充。从而达到保证引线框架的功率芯片基岛到散热面的散热性和绝缘要求。在该方案中，可伸缩顶针在模塑树脂注塑时，必须伸长顶住引线框架的功率芯片基岛。在注塑过程中，模塑树脂对顶针进行强烈的磨擦，由于模塑树脂内70%至90%的成分是硬度很大的二氧化硅，并且为了确保模塑树脂的高导热性，二氧化硅均为片状，因此在注塑过程中，伸缩顶针会有磨损。当注塑完毕后，可伸缩顶针将会缩回，在缩回前顶针上会粘附较细的片状二氧化硅，在缩回时顶针对模具会有一个相对运动，此时顶针和模具均会被磨损。当可伸缩顶针和模具在磨损到一定程度时，其间隙会渗入模塑树脂，这样就会导致成品功率模块的散热面上有毛刺，毛刺会使得功率模块散热面与散热器之间接触不良，使得功率模块在工作时产生的热量不能及时散发出去，最终导致模块失效。为了避免毛刺的产生，可伸缩顶针和注塑模具则必须在较短的时间内定期更换，这样会大大提高生产成本。为了避免更换昂贵的模具，现多采用在模具与可伸缩顶针之间加入硬质合金的套筒。这么一来虽然可以避免更换昂贵的模具，但是更换可伸缩顶针与硬质合金套筒的成本也是很高昂，而硬质合金的韧性较低，套筒的实际生产中很容易崩裂，这也增加了产品的质量风险。为了使得顶针在模塑树脂注塑完毕后可以缩回，在塑封模具中必须额外增加一个控制可伸缩顶针的活动层，这样会使得模具的制作难度和成本增加。

在第二种现有技术中，引线框架的上表面通过焊料固定有功率半导体器件，下表面通过银胶与AL2O3、ALN、BEO等导热性能好的陶瓷基板结合，驱动部分通过银胶固定在引线框架上，内部电气连接通过引线框架和bonding（打线键合）连接，引线框架、陶瓷基板和功率芯片被模塑树脂封装，陶瓷基片的其中一面外露。第二种现有技术中的功率模块不会出现第一种现有技术的上述问题。但是，此技术方案的功率模块，陶瓷基板的其中一面是外露的。功率模块应用时的工作电流是很大的，那么将产生较大的热量，也就是说功率模块在实际应用中的温度变化很大，而且又由于陶瓷的热膨胀系数（5ppm/℃）和铜的热膨胀系数（17ppm/℃）相差很大，这样在铜和陶瓷材料的结合面上会产生较大的热应力，造成功率模块的翘曲，甚至出现裂缝。而一旦功率模块出现翘曲，那么在其与散热器通过螺丝接合时，在接合面上出现凸凹的情况，那么上螺丝时，就会对陶瓷基片产生较大的机械应力，陶瓷又是脆性材料，所以会造成陶瓷基片的损坏，并最终出现陶瓷基片的散热性能和绝缘性能下降的问题。即使陶瓷没有损坏，由于陶瓷基板的翘曲，那么在其与散热器通过螺丝接合时，在接合面上出现凸凹的情况，造成功率模块的外壳到散热器的热阻增加，最终导致整个系统的散热性能下降，导致在实际应用中，功率模块的热失效风险增加。而且把功率模块通过螺丝固定到散热器上时，如果散热器表面和功率模块的上表面之间有树脂毛刺等硬的物体，且由于陶瓷是脆性材料，就会可能造成陶瓷基板的破坏，从而造成功率模块的散热性能和绝缘性能的降低。同时，由于使用到陶瓷基板，会使得制作工艺更加复杂，生产成本较高。

在第三种现有技术中，引线框架功率芯片基岛和散热片之间插入绝缘粘接层，在模塑树脂封装的同时由绝缘粘接层粘接引线框架和散热片。第三种现有技术中的功率模块，可以解决第一种现有技术及第二种现有技术的上述问题。但是，在本技术方案中，需要将绝缘层和引线框架、绝缘层和散热片两个界面同时进行粘接，因此在粘接面上，容易出现空洞，从而使功率模块的散热性能和绝缘性能下降，而且高导热率的绝缘层由于适用性问题而很难被采用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有的功率模块散热面上容易产生毛刺而影响散热的问题，提供一种功率模块。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

提供一种功率模块，包括驱动电路部分、功率半导体器件部分、引线框架及包覆上述三部分的模塑树脂封装体，所述驱动电路部分包括PCB板、设置于所述PCB板上的驱动芯片及多个被动元件，所述功率半导体器件部分包括至少一个功率芯片，所述PCB板与所述引线框架之间、所述功率芯片与所述PCB板之间及所述功率芯片与所述引线框架之间电气连接，所述引线框架具有放置所述功率芯片的功率芯片基岛，所述功率芯片基岛靠近所述PCB板的一端设置有与所述PCB板的正面接触的至少一个搭钩，所述模塑树脂封装体的外表面在位于功率芯片基岛下方的位置形成一散热面，所述模塑树脂封装体位于所述PCB板下方的位置形成多个顶针孔。

进一步地，所述PCB板与所述引线框架之间、所述功率芯片与所述PCB板之间及所述功率芯片与所述引线框架之间通过金属线键合的方式实现电气连接。

进一步地，所述功率芯片基岛包括安放所述功率芯片的水平部分，所述散热面为一平面，所述散热面与所述水平部分平行间隔设置。

进一步地，所述散热面上连接一散热器。

进一步地，还包括将所述PCB板与引线框架进行机械连接以限定所述PCB板与引线框架之间的相对位置的限位结构，所述限位结构包括设置于所述PCB板两端的第一通孔及第二通孔、设置在所述引线框架上的第一挂钩及第二挂钩，所述第一挂钩与第一通孔过盈配合，所述第二挂钩与第二通孔过盈配合。

进一步地，所述模塑树脂封装体所采用的模塑树脂的热膨胀系数为13-21ppm/℃，其绝缘强度为12-18KV/mm。

进一步地，所述模塑树脂封装体所采用的模塑树脂的热膨胀系数为19ppm/℃，其绝缘强度为14KV/mm。

本实用新型的功率模块顶针孔形成在PCB板的下方，即注塑时，顶针顶在PCB板背面，因此散热面上不会形成毛刺，散热面与散热器接触良好，散热性能良好。并且散热面与功率芯片基岛之间的距离在安规要求的范围内，保证了功率模块的绝缘强度。

附图说明

图1是本实用新型一实施例提供的功率模块其驱动电路部分的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的功率模块其引线框架的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的功率模块的结构示意图（不包含模塑树脂封装体）；

图4是本实用新型一实施例提供的功率模块沿PCB板宽度方向上的一剖视图；

图5是图4所示的功率模块注塑时与注塑模具的结合状态图。

附图标记表示如下：

1、PCB板；11、第一通孔；12、第二通孔；13、焊盘；2、被动元件；3、引线框架；31、第一挂钩；310、第一弹性脚；32、第二挂钩；320、第二弹性脚；33、管脚；34、率芯片基岛；340、水平部分；35、搭钩；4、金属丝；5、驱动芯片；6、模塑树脂封装体；61、散热面；62、顶针孔；7、功率芯片；8、注塑模具；81、固定顶针。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请一并参照图1至图4，本实用新型一实施例提供的功率模块包括驱动电路部分100、功率半导体器件部分200、引线框架3及包覆上述三部分的模塑树脂封装体6。

如图1所示，所述驱动电路部分100包括PCB板1、设置于所述PCB板1上的驱动芯片5及多个被动元件2。此处，被动元件2也称无源器件，例如电阻、电容、电感及变压器等。

如图3所示，所述功率半导体器件部分包括多个功率芯片7，当然，图中只是功率半导体器件部分一个具体实施例，功率半导体器件部分中的功率芯片7的数量根据功率模块的不同应用可以有不同数量和种类，功率芯片7至少为一个。所述引线框架3具有放置所述功率芯片7的功率芯片基岛34，所述功率芯片基岛34靠近所述PCB板1的一端设置有与所述PCB板1的正面接触的至少一个搭钩35；如图3所示，功率芯片基岛34包括多个部分，每一部分上都安放有功率芯片，且每一部分都设置有一搭钩35。所述模塑树脂封装体6的外表面在位于功率芯片基岛34下方的位置形成一散热面61，所述模塑树脂封装体6位于所述PCB板下方的位置形成多个顶针孔62。

本实施例中，优选地，如图3所示，所述PCB板1与所述引线框架3之间、所述功率芯片7与所述PCB板1之间及所述功率芯片7与所述引线框架3之间通过金属线键合的方式实现电气连接。所述金属丝为铜线、铝线或金线。

优选地，所述PCB板1与所述引线框架3之间铝线键合，更为优选地，如图3所示，在引线框架3上延伸出多个管脚33，在PCB板上相应地设置有多个焊盘13，每一焊盘13与其对应位置的管脚33通过金属丝4键合。当然，在其它实施例中，PCB板1与引线框架3也可通过导电银胶粘合的方式实现电气连接。

优选地，所述功率芯片7与所述PCB板1之间铝线键合。

优选地，所述功率芯片7与所述引线框架3之间铝线键合。

本实施例中，优选地，所述功率芯片基岛34包括安放所述功率芯片的水平部分340，所述散热面61为一平面，且与所述水平部分340平行间隔设置。散热面61与水平部分340之间为模塑树脂封装体6的一部分，该部分的厚度符合安规所规定的绝缘强度要求。另外，在所述散热面上还以连接一散热器。此处的散热器可以是金属散热器，也可是陶瓷散热器。功率芯片产生的热量经过引线框架、模塑树脂封装体传导后，从散热面处传导给外部的散热器，再由散热器散发出去。

本实施例中，功率模块还包括将所述PCB板1与引线框架3进行机械连接以限定所述PCB板1与引线框架3之间的相对位置的限位结构，所述限位结构包括设置于所述PCB板1两端的第一通孔11及第二通孔12、设置在所述引线框架3上的第一挂钩31及第二挂钩32，所述第一挂钩31在宽度方向上设置有能够向内侧弯曲变形的两个第一弹性脚310，所述两个第一弹性脚310抵紧在所述第一通孔11中；所述第二挂钩32在宽度方向上设置有能够向内侧弯曲变形的两个第二弹性脚320，所述两个第二弹性脚320抵紧在所述第二通孔12中。这样，第一挂钩31、第二挂钩32分别与第一通孔11、第二通孔12过盈配合；实现了PCB板1与引线框架3之间的限位。上述限位结构可以很好地保持PCB板在水平方向及竖直向上方向的位置，在生产的运输过程中，在摩擦力的作用下PCB板竖直向下的方向也得以控制，在Dice bond（贴晶片）与Wire Bond（金属丝键合）工位，PCB板在机器内均有相应的夹具固定其在竖直方向的位置。在Molding（模塑树脂模封）工位，在注塑模具内设计有三根固定顶针用于控制PCB的竖直方向位置，Molding工位完成后，PCB板与引线框架将会被模塑树脂包裹固定。也就是说，PCB板在整个工艺流程中都能得到很好的限位，因此，封装以后的功率模块，PCB板的位置精确。

本实施例中，所述模塑树脂封装体所采用的模塑树脂的热膨胀系数为13-21ppm/℃，其绝缘强度为12-18KV/mm。优选地，所述模塑树脂封装体所采用的模塑树脂的热膨胀系数为19ppm/℃，其绝缘强度为14KV/mm。本实施例中，所述模塑树脂封装体所采用的模塑树脂的热膨胀系数与铜的膨胀系数（17ppm/℃）相近，因此不会发生第二种现有技术中的陶瓷绝缘层翘曲变形的情况，并且模塑树脂的韧性和强度也较陶瓷好，因此也不易被破坏，整个功率模块的制造成本也较低。同时，本实用新型的模塑树脂封装体选用的是高绝缘性的模塑树脂，绝缘强度高，在使用真空模具对模塑树脂进行注射时，能很好地避免第三种现有技术中的空洞问题，很好地保证功率模块的绝缘性和散热性。

此处的模塑树脂为常见的一种封装材料，其是一种混合物，其主要成分为质量百分比为70-90%的二氧化硅（起散热作用），10%左右的环氧树脂（起粘合剂的作用），其它成分为一定量的硬化剂、阻燃剂及催化剂等。在厚度一定的情况下，通过调整二氧化硅的比重及形状（球状或片状）来调整模塑树脂的散热能力（热膨胀系数）及绝缘强度。另外，上述的模塑树脂中二氧化硅可以用氧化铝代替。

本实用新型上述功率模块的封装方法，包括如下步骤：

S1、将装好驱动芯片及多个被动元件的PCB板与装好功率芯片的引线框架电气连接及机械连接；优选地，步骤S1具体为：

在PCB板1上涂覆锡膏，将多个被动元件2置于锡膏之上，利用一次回流焊将多个被动元件2焊接在PCB板1上；利用不导电粘合剂或导电粘合剂将驱动芯片5粘合在PCB板1上，并利用金属丝键合的方式将驱动芯片5与PCB板1电气连接；上述的不导电粘合剂例如可以是不导电银胶、环氧树脂胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂及聚氨酯胶粘剂等，导电粘合剂可以是导电银胶。驱动芯片5与PCB板1通过金属丝键合的方式电气连接，此处，金属丝4为铜线、金线或铝线，优选为金线。

设置一限位结构将PCB板1与引线框架3进行机械连接以限定所述PCB板1与引线框架3之间的相对位置；

利用焊锡将功率芯片7粘合在引线框架上，并利用金属丝键合的方式将功率芯片7与引线框架3电气连接。此处，金属丝4为铜线、金线或铝线，优选为铝线。

利用金属丝键合的方式或导电银胶粘合的方式将PCB板1与引线框架3电气连接。此处，金属丝4为铜线、金线或铝线，优选为铝线。

S2、将PCB板与引线框架之间、功率芯片与PCB板之间及功率芯片与引线框架之间电气连接；优选地，如图3所示，所述PCB板1与所述引线框架3之间、所述功率芯片7与所述PCB板1之间及所述功率芯片7与所述引线框架3之间通过金属线键合的方式实现电气连接。图3中的金属丝4优选为铝线。

S3、将S2中得到的结构放入注塑模具中注塑，形成包覆驱动电路部分、功率半导体器件部分及引线框架的模塑树脂封装体；如图5所示，为功率模块注塑时与注塑模具8的结合状态图。

其中，步骤S3中，注塑模具8采用固定顶针81，注塑时，功率芯片基岛34的一端被注塑模具8压紧，另一端依靠搭钩35与PCB板1的正面接触，功率芯片基岛34安放功率芯片的水平部分340则与模具模腔的下表面间隔，多个固定顶针81则顶在PCB板1的背面保证PCB板1的平衡；优选地，固定顶针为3根，以保证PCB板的平衡。在模塑树脂注射时，功率芯片基岛34受到模塑树脂向散热面的压力，在搭钩35与PCB板两者的限定下，功率芯片基岛的水平部分340与模具模腔下表面保持一定间隔，该间隔在注塑完成后即被模塑树脂填充，形成模塑树脂封装体的一部分，该部分的下表面形成散热面61。

S4、注塑完成，退出注塑模具，得到封装好的功率模块。模具退出后，会在PCB板的下方形成多个顶针孔。

之后，再经过电镀、切筋成型和测试后得到功率模块成品。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种功率模块，包括驱动电路部分、功率半导体器件部分、引线框架及包覆上述三部分的模塑树脂封装体，所述驱动电路部分包括PCB板、设置于所述PCB板上的驱动芯片及多个被动元件，所述功率半导体器件部分包括至少一个功率芯片，所述PCB板与所述引线框架之间、所述功率芯片与所述PCB板之间及所述功率芯片与所述引线框架之间电气连接，所述引线框架具有放置所述功率芯片的功率芯片基岛，其特征在于，所述功率芯片基岛靠近所述PCB板的一端设置有与所述PCB板的正面接触的至少一个搭钩，所述模塑树脂封装体的外表面在位于功率芯片基岛下方的位置形成一散热面，所述模塑树脂封装体位于所述PCB板下方的位置形成多个顶针孔。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述PCB板与所述引线框架之间、所述功率芯片与所述PCB板之间及所述功率芯片与所述引线框架之间通过金属线键合的方式实现电气连接。

3.根据权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，所述功率芯片基岛包括安放所述功率芯片的水平部分，所述散热面为一平面，所述散热面与所述水平部分平行间隔设置。

4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述散热面上连接一散热器。

5.根据权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，还包括将所述PCB板与引线框架进行机械连接以限定所述PCB板与引线框架之间的相对位置的限位结构，所述限位结构包括设置于所述PCB板两端的第一通孔及第二通孔、设置在所述引线框架上的第一挂钩及第二挂钩，所述第一挂钩与第一通孔过盈配合，所述第二挂钩与第二通孔过盈配合。