具有由钢制成的绝缘金属基板的印刷电路板的制作方法

本说明书涉及包括绝缘金属基板印刷电路板和电力半导体器件封装的电力电子器件的实施例。具体地讲，本说明书涉及具有绝缘金属基板印刷电路板的电力电子器件的实施例，其中，所述绝缘金属基板印刷电路板包括绝缘金属基板，并且通过一个或多个焊接点被耦合到刚性封装。

背景技术

汽车应用、消费型应用以及工业应用中的现代设备的许多功能，例如转换电能以及驱动电动摩托或者电动机，均依赖于电力半导体器件。

例如，仅举几个例子，绝缘栅极双极晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)以及二极管已被用于各种应用，包括但不限于电源和电力转换器中的开关。

在电力半导体管芯已经被制造出来之后，其必须按照例如允许管芯安装在应用内(例如，安装在电力转换器中)以使得例如管芯可以耦合到支撑物(例如，印刷电路板(pcb))的方式被包括在封装内。

为此目的，已知的是一种通常被称为表面安装技术(smt)的技术，其中，该概念通常涉及生产其中将部件直接安装或者放置在pcb的表面上的电子电路。例如，pcb可以包括可以允许通过焊接将部件附接到pcb的铜层。

可以将某一类pcb称为绝缘金属基板pcb(简称imspcb)，其中，取代常用的基底材料，可以将金属(例如，铝)用作所述铜层的载体。例如，绝缘金属基板可以用于对安装在imspcb上的电力电子电路进行热管理。

技术实现要素：

本说明书的某些方面涉及具有由钢制成的绝缘金属基板的imspcb，例如，在具有刚性(例如，无引线)结构的封装的上下文中。

根据实施例，电力电子器件包括绝缘金属基板印刷电路板(以下将其称为imspcb)和电力半导体器件封装(以下将其称为封装)，其中：封装包括引线框架，其被配置为将封装电气和机械地耦合到imspcb，其中，引线框架具有刚性结构，并且由具有第一热膨胀系数的引线框架材料制成；并且其中，imspcb包括绝缘金属基板，所述绝缘金属基板由具有处于第一热膨胀系数的60％至140％的范围内的第二热膨胀系数的基板材料制成。根据实施例，所述范围甚至可以更小，例如，60％至120％、80％至110％、或者90％至105％、或者甚至是95％至105％。例如，引线框架材料(例如铜)具有处于16*10^-6m/(mk)至17*10^-6m/(mk)的范围内的第一热膨胀系数。基板材料可以是具有处于11*10^-6m/(mk)至13*10^-6m/(mk)的范围内的第二热膨胀系数的钢、或者具有处于10*10^-6m/(mk)至18*10^-6m/(mk)的范围内的第二热膨胀系数的不锈钢、或者具有14*10^-6m/(mk)至18*10^-6m/(mk)的范围内的第二热膨胀系数的不锈钢奥氏体、或者具有大约10*10^-6m/(mk)的第二热膨胀系数的不锈钢铁素体。

例如，第一热膨胀系数和第二热膨胀系数中的每一个可以为相应的线性热膨胀系数。例如，如果引线框架材料具有16.5*10^-6m/(mk)的第一热膨胀系数，这可能意味着如果总伸长1cm的引线框架的温度上升100k，则其延伸16.5μm。

通过阅读以下的具体实施方式，并且通过查看附图，本领域技术人员将会意识到更多的特征和优点。

附图说明

不必按比例绘制图中的各部分，而是将重点放在示出本发明的原理。此外，在图中，相同的附图标记可以指示对应的部分。在附图中：

图1示意性和示例性地示出了根据一个或多个实施例的电力电子器件的竖直横截面的截面；

图2a-b示意性和示例性地示出了根据一个或多个实施例的电力电子器件的竖直横截面的截面；

图3示意性和示例性地示出了根据一个或多个实施例的电力电子器件的竖直横截面的截面；

图4示意性和示例性地示出了根据一个或多个实施例的电力电子器件的侧视图和竖直横截面中的每一个的截面；

图5a-图5b分别示意性和示例性地示出了根据一个或多个实施例的封装的透视图的截面；

图6示意性和示例性地示出了根据一个或多个实施例的电力电子器件的竖直横截面的截面。

具体实施方式

在以下的具体实施方式中，参照了形成具体实施方式的一部分的附图，并且在附图中，通过例示的方式示出了其中可以实践本发明的具体实施例。

在这方面，诸如“顶部”、“底部”、“前方”、“后方”、“后面”、“前缘”、“后缘”、“下方”、“上方”等方向术语可以参照所描述的图的取向来使用。由于可以按多种不同的取向来定位实施例的部分，所以所述方向术语仅用于例示，而并非用于限制。应该理解，也可以使用其它实施例，并且可以进行结构或者逻辑上的改变而不背离本发明的范围。因此，以下具体实施方式不应以限制性的意义来理解，并且本发明的范围由所附权利要求来定义。

现在将详细参照各种实施例，附图中示出了这些实施例的一个或多个示例。通过解释的方式提供每个示例，并且所述示例不旨在对本发明加以限制。例如，作为一个实施例的部分的所例示或描述的特征也可以用于其它实施例，或者与其它实施例相结合以得到另一个实施例。旨在使本发明包括这样的修改和变化。使用特定语言描述示例，所述特定语言不应被视为限制所附权利要求的范围。附图未按比例绘制，并且仅仅为例示性的。为了清晰起见，如未另行加以陈述，则在不同附图中由相同附图标记指示相同的元件或者制造步骤。

本说明书中所使用的术语“水平”旨在描述大体上平行于半导体基板或者半导体结构的水平表面的取向。例如，这可以是半导体晶片或者管芯或者芯片的表面。例如，以下所提到的(第一)横向方向x和(第二)横向方向y可以是水平方向，其中，第一横向方向x和第二横向方向y可以互相垂直。

本说明书中所使用的术语“竖直”旨在描述大体上被布置为垂直于水平表面的取向，即，平行于半导体晶片/芯片/管芯的表面的法向方向的取向。例如，以下所提到的延伸方向z可以是既垂直于第一横向方向x也垂直于第二横向方向y的延伸方向。

在本说明书的上下文中，术语“欧姆接触”、“电接触”、“欧姆连接”、以及“电连接”旨在描述本文所描述的器件的两个区域、截面、区、部分或者局部之间存在低欧姆电连接或者低欧姆电流路径。另外，在本说明书的上下文中，术语“接触”旨在描述相应的半导体器件的两个元件之间存在直接的物理连接，例如，互相接触的两个元件之间的过渡可以不包括其它中间元件等，即，所述两个元件可以互相触碰。

另外，在本说明书的上下文中，如未另行加以陈述，术语“电绝缘”在其通常有效理解的上下文中使用，并且旨在描述两个或两个以上的部件被设置为互相分隔开，并且不存在连接这些部件的欧姆连接。然而，尽管如此，也可以将互相电绝缘的部件互相耦合，例如，将它们机械耦合和/或电容耦合和/或电感耦合。举个例子，电容器的两个电极可以互相电绝缘，与此同时，可以例如通过绝缘材料(例如电介质)互相机械和电容耦合。

本说明书中所描述的具体的实施例涉及但不限于包括绝缘金属基板印刷电路板(以下将其称为imspcb)和耦合于imspcb的电力半导体器件封装(以下将其称为封装)的电力电子器件。封装可以容纳电力半导体管芯，例如，可以用于电力转换器或者电源内的电力半导体管芯。于是，在实施例中，这样的管芯可以被配置为承载要被馈送到负载和/或相应地由电源提供的负载电流。例如，管芯可以包括一个或多个有源电力半导体单元，例如，单片集成二极管单元、和/或单片集成晶体管单元、和/或单片集成igbt单元、和/或单片集成rc-igbt单元、和/或单片集成mos栅极控制二极管(mgd)单元、和/或单片集成mosfet单元和/或它们的衍生物。可以将多个这样的二极管单元和/或这样的晶体管单元集成在管芯中。

本说明书中所使用的术语“电力半导体管芯”旨在描述具有高电压阻断和/或高电流承载能力的单管芯。换句话说，这样的电力半导体管芯旨在用于高电流，例如，典型地在例如高达5或者100安培的安培范围内，和/或典型地超过15v(更典型地高达40v和40v以上，例如，高达至少500v或者500v以上，例如，至少600v)的电压。

例如，电力半导体管芯可以是被配置为用作低、中和/或高电压应用中的电力部件的管芯。另外，本说明书中所使用的术语“电力半导体管芯”不指向用于例如存储数据、计算数据和/或其它类型的基于半导体的数据处理的逻辑半导体器件。

在能够用于应用之前，电力半导体管芯通常被包括在封装中，所述封装可以允许将管芯机械安装和电连接在应用中，例如，也用于热分布目的。如已经介绍性地提及的，这可以包括应用表面安装技术(smt)。

本文所公开的封装的示例性实施例涉及带有具有刚性结构(例如，无引线结构)的引线框架的封装，例如晶体管外形(to)封装。这样的引线框架可以例如通过焊接点与imspcb接口连接。一些实施例的一般概念是使引线框架和imspcb的绝缘金属基板的热膨胀系数相匹配。这样可以允许使焊接点稳定，因为其可能经受的由封装内和imspcb内的部件的热膨胀所导致的机械压力被减小。例如，引线框架由铜制成。另外，绝缘金属基板可以由钢或者铜制成。

图1示意性和示例性地示出了根据实施例的电力电子器件1的竖直横截面的截面。如果未另行明确加以陈述，则以下描述可以应用于图1至图6中的每一个。

所示出的竖直横截面可以平行于第一横向方向x和竖直方向z。所示出的部件中的每一个部件可以沿第二横向方向y延伸。

器件1可以包括绝缘金属基板印刷电路板2(以下将其称为imspcb2)和耦合到imspcb2的电力半导体器件封装3(以下将其称为封装3)。封装3可以具有smt结构，例如，封装3不被嵌入imspcb2内。

例如，imspcb2可以沿水平取向布置，并且封装可以被布置在imspcb2的顶部，例如，从imspcb2竖直移位。

封装3可以包封电力半导体管芯(未示出)，以下也将其称为管芯。封装3可以将管芯完全包围并且密封管芯以抵抗环境影响。为此，封装3可以包括常见的材料和部件，例如，壳体、绝缘材料、成型料等。例如，管芯具有电力半导体二极管结构和电力半导体晶体管结构之一，例如，mosfet结构、igbt结构、或者从这些基本结构获得的配置。管芯可以包括第一负载端子和第二负载端子，并且管芯可以被配置为在这两个负载端子之间传导负载电流。负载电流可达300a，例如在10a至50a的范围内。管芯的额定负载电流可以指示管芯能够连续传导的最大负载电流。另外，可以被包封在封装3中的管芯可以被配置为阻断第一负载端子和第二负载端子之间的电压，例如在10v至500v的范围内，例如在50v至300v的范围内。可以由管芯的额定阻断电压指示管芯能够连续阻断的最大电压。在实施例中，管芯可以是功率二极管(在该情况下，第一负载端子可以是阳极端口，并且第二负载端子可以是阴极端口)、功率igbt(在该情况下，第一负载端子可以是发射极端子，并且第二负载端子可以是集电极端子)、mosfet(在该情况下，第一负载端子可以是源极端子，并且第二负载端子可以是漏极端子)、或者从这些基本结构中的一个或多个获得的功率器件，例如，jfet(结型场效应晶体管)，有时也被称为sfet(德文：阻挡层场效应晶体管)。例如，第二负载端子可以布置在管芯后侧，并且可以通过后侧金属化来形成第二负载端子。在实施例中，管芯仅包括管芯后侧处的第二负载端子，并且没有其它端子被布置在管芯后侧。另外，在可以布置第一负载端子的管芯前侧上，可以另外布置至少一个其它端子，例如传感器端子和控制端子(例如，在管芯被实施为可控器件(例如，mgd或者晶体管，例如，mosfet或者igbt)的情况下的栅极端子)的至少之一。例如，可以将其它端子(例如，控制端子和/或传感器端子)与第一负载端子和第二负载端子中的每一个电绝缘。管芯可以夹在封装顶侧301和封装占用区域侧302之间。

封装3耦合到imspcb2。例如，封装3包括引线框架31，引线框架31被配置为将封装3电气和机械地耦合到imspcb2。imspcb可以包括表面层20，其中，引线框架31可以焊接到表面层20。

图3中示出了表面层的示例性结构，根据该结构，表面层20可以包括焊接箔层201和阻焊剂层202的至少之一(也参见图2b)。例如，焊接箔层201由铜制成。焊接箔层201和阻焊剂层202中的每一个可以被横向构造。

例如，引线框架31的主要部分被包封在封装3的壳体内，并且引线框架31的仅一个或多个接触部延伸到封装3的壳体之外。图5a-图5b中示出了封装3及其引线框架31的示例性结构，其中，图5a示出了顶侧301上的视图，并且图5b示出了占用区域侧302上的视图。例如，第一接触部311在封装占用区域侧302处延伸到封装3的壳体之外，并且第二接触部312也可以布置在封装占用区域侧302处。例如，第一接触部311和第二接触部312中的每一个可以是平接触部。例如，第一接触部311可以与包封在封装3中的管芯的第一负载端子和第二负载端子中的一个电连接，并且第二接触部312可以与管芯的第一负载端子和第二负载端子中的另一个电连接。

在实施例中，封装3是无引线封装3。例如，可以通过具有刚性结构的引线框架31实现无引线封装3。可以由例如平接触部形成引线框架31的刚性结构，如图5a-图5b中示例性示出的(参见接触部311和312)。在实施例中，引线框架31不包括任何柔性接触部，例如类似导线的接触部。例如，引线框架31(具有刚性结构)被配置为不随表面层20的膨胀而膨胀，例如，不随表面层20的膨胀而膨胀到相同的程度。以下，将更详细地解释该可选的方面。例如，接触部311和312通过刚性焊接点耦合到表面层20。

图6中示出了示例性结构，其中，引线框架31的平接触部通过刚性焊接点203安装在imspcb2的表面层20上。

引线框架31可以被配置为使其接触部311和312用作间隔体，例如，在其中引线框架31不与表面层20接口连接的区域中，能够存在空的空间(例如，图6的左截面中所示的，在电介质层22和封装3之间的无附图标记区域，以及在图1中，表面层20、封装3以及接触部311和312之间的无附图标记区域)。

引线框架31可以由具有第一热膨胀系数的引线框架材料制成。例如，引线框架材料是铜和/或第一热膨胀系数实质上是铜的热膨胀系数。例如，第一热膨胀系数处于16*10^-6m/(mk)至17*10^-6m/(mk)的范围内。

通过引线框架31耦合封装3的imspcb2可以包括绝缘金属基板21。例如，绝缘金属基板21由具有处于第一热膨胀系数的60％至140％的范围内的第二热膨胀系数的基板材料制成。根据实施例，所述范围甚至可以更小，例如，60％至120％、80％至110％、或者90％至105％、或者甚至是95％至105％。例如，例如铜的引线框架材料具有处于16*10^-6m/(mk)至17*10^-6m/(mk)的范围内的第一热膨胀系数。基板材料可以是具有处于11*10^-6m/(mk)至13*10^-6m/(mk)的范围内的第二热膨胀系数的钢、或者具有处于10*10^-6m/(mk)至18*10^-6m/(mk)的范围内的第二热膨胀系数的不锈钢、或者具有处于14*10^-6m/(mk)至18*10^-6m/(mk)的范围内的第二热膨胀系数的不锈钢奥氏体、或者具有大约10*10^-6m/(mk)的第二热膨胀系数的不锈钢铁素体。

在实施例中，示例性基板材料包括钢、不锈钢、涂有锌的钢、具有铬含量的钢合金(例如，质量上具有最少大约10％铬含量)、304型钢、涂有电解锌的钢板(secc)的至少之一。然而，无论最终为绝缘金属基板21选择哪一种基板材料，都应该确保基板材料的对应的第二热膨胀系数处于引线框架材料的第一热膨胀系数的所述范围内。

如图所示，imspcb2还可以包括布置在表面层20和绝缘金属基板21之间的电介质层22。例如，电介质层22被布置为与表面层20和绝缘金属基板21中的每一个接触。电介质层22可以被配置为提供表面层20和绝缘金属基板21之间的电绝缘。

如以上已经说明的，引线框架材料(例如，铜)和存在于表面层20(例如，可以由铜制成的焊接箔层201)中的材料可以彼此相同。然而，绝缘金属基板21的体积可以明显大于表面层20的体积，表面层20的热行为可能受到绝缘金属基板21的影响，甚至主要由绝缘金属基板21确定，例如，基板材料的第二热膨胀系数可能影响或者甚至确定表面层20内的热膨胀。如以上已经解释的，引线框架31和绝缘金属基板21的材料可以彼此不同，其中，引线框架材料可以与焊接箔层201的材料近似相同。例如，引线框架31(具有刚性结构)被配置为不随表面层20的膨胀而膨胀，例如，不随表面层20的膨胀而膨胀到相同的程度。

电介质层22可以具有大于1w/mk的热导率，例如，大约1.3w/mk的热导率。电介质层22可以具有160μm或者更小的厚度，例如，沿竖直方向z的厚度在40μm至120μm的范围内。电介质层22的热导率可以在1至20w/mk的范围内。

电介质层22可以由包括nippon或者nippon的材料制成。例如，电介质层22展现出4至6的范围内的介电常数。

沿绝缘金属基板21竖直方向z可以具有远大于电介质层22的厚度的厚度，例如，大于0.3mm、大于0.4mm或甚至大于0.5mm。

另外，绝缘金属基板21可以具有大于60w/mk的热导率，例如大于80w/mk的热导率。

关于图2a-图2b以及图4中所示出的实施例，还应该注意，imspcb2可以被配置为耦合到电力电子器件1的散热器4。例如，imspcb2可以包括耦合层41，例如，可以被布置为与绝缘金属基板21和散热片4中的每一个接触的粘合层。此外，参照图4的示意性图示，封装3所包封的管芯的半导体部分10可以通过耦合结构32(例如，刚性焊接点)耦合到引线框架31。如以上已经解释的，引线框架31可以通过刚性焊接点附接到表面层20，如图4中以附图标记203所示出的。于是，封装3内的被包封的管芯所产生的热量的传递可以沿竖直方向z发生，即，经由焊接点203并且通过表面层20、电介质层22、绝缘金属基板21中的每一个，向下至散热器4。

根据一个或多个实施例，提供了包括耦合到imspcb的无引线封装的电力电子器件，所述imspcb具有由钢制成的绝缘金属基板。由于无引线封装的引线框架的热膨胀系数与绝缘金属基板的热膨胀系数之间的近乎紧密的匹配，所以可以实现有利的板上温度循环(tcob)结果，并且可以以成本高效的方式避免将引线框架耦合到imspcb的焊接点内的裂缝。

为了易于描述，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语用于解释一个元件相对于第二个元件的定位。这些术语旨在包含相应器件的除了与图中所描述的那些不同的取向之外的不同取向。另外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各元件、区域、截面等，并且也不旨在进行限制。在整个描述中，相同的术语指代相同的元件。

如本文所使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”、“展现”等是指示所陈述的元件或者特征的存在，但不排除额外的元件或者特征的存在的开放式术语。

考虑到以上变化和应用的范围，应该理解，本发明并不限于以上描述，也不受附图的限制。相反，本发明仅受以下权利要求以及它们的合法等同物的限制。