一种用于电动汽车的功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种用于电动汽车的功率模块。
【背景技术】
[0002]节能环保的探索已成为当今工业发展的主题，电动汽车近年来得到蓬勃发展，而电力电子器件则成为电动汽车领域的热点。绝缘栅双极性晶体管(IGBT)模块结合了双极性晶体管(BJT)和MOSFET的优点，显示出优良的性能，从而广泛应用于电动汽车中电机驱动与控制系统。
[0003]随着人们对车用电机逆变器的性能需求越来越高，对功率电子模块在工作温度、高效散热等方面也提出了更高的要求。在车用冷却水循环下，变化的环境温度是被动热循环的原因。当功率半导体器件被从70°C的冷却水温度加热到超过110°C?130°C，之后又回落到冷却水温度。由于所使用的材料有着不同的热膨胀系数，因此每一次的温度循环变化都会导致应力的产生，导致焊接或键合互连中材料疲。同时，大量键合引线的存在，使得模块内部杂散电感较大，降低出现器件的输出特性。
[0004]图1示出了传统功率模块的结构示意图。
[0005]如图1所示，传统功率模块封装通常将半导体芯片101通过钎焊焊层102焊接到绝缘衬板103上，焊接有半导体芯片101的绝缘衬板103设置在导热底板104上。
[0006]在传统功率模块封装结构中，由于采用的是将半导体芯片101产生的热量先后传导至绝缘衬板103和导热底板104的单向散热方式，使得半导体芯片101在工作过程中产生的大量焦耳热只能通过绝缘衬板103—导热底板板104传导出来。这种结构的散热方式效率相对较低，内部热阻也较大。对于散热要求非常苛刻的电动汽车用逆变器来说，这种散热方式已经很难满足需要。
[0007]基于上述情况，亟需一种能够降低杂散电感、提高散热效率的电动汽车用功率模块。
【发明内容】
[0008]为解决上述问题，本发明提供了一种用于电动汽车的功率模块，所述功率模块包括:
[0009]半导体芯片；
[0010]第一导热板和焊接层，所述第一导热板通过所述焊接层与所述半导体芯片的第一表面上的相应端口连接；
[0011]第二导热板和金属焊球阵列，所述第二导热板通过所述金属焊球阵列与所述半导体芯片的第二表面上的相应端口连接；
[0012]功率端子和控制端子，所述功率端子和控制端子与所述第一导热板连接；以及，
[0013]封装外壳。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述第一导热板包括:
[0015]第一导热层，其导热面延伸出所述封装外壳的表面，以将所述功率模块产生的热量传导出所述封装外壳；
[0016]第一绝缘层和第一电路层，所述第一绝缘层设置在所述第一导热层与第一电路层之间，所述第一电路层通过所述焊接层与所述半导体芯片的第一表面的相应端口连接。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述第一电路层包括第一连接区和第二连接区，所述第一连接区和第二连接区通过所述焊接层与所述半导体芯片的第一表面上的相应端口连接。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述第二导热板包括:
[0019]第二导热层，其导热面延伸出所述封装外壳的表面，以将所述功率模块产生的热量传导出所述封装外壳；
[0020]第二绝缘层和第二电路层，所述第二绝缘层设置在所述第二导热层与第二电路层之间，所述第二电路层通过所述金属焊球阵列与所述半导体芯片的第二表面上的相应端口连接。
[0021]根据本发明的一个实施例，所述第二电路层包括第三连接区，所述第三连接区通过所述金属焊球阵列与所述半导体芯片的第二表面上的相应端口连接。
[0022]根据本发明的一个实施例，所述第一绝缘层和/或所述第二绝缘层相对于所述封装外壳向内凹陷预设距离。
[0023]根据本发明的一个实施例，所述半导体芯片包括控制端口、第一外接端口和第二外接端口，其中，所述控制端口和第一外接端口通过分别通过所述焊接层与所述第一连接区和第二连接区连接，所述第二外接端口通过所述金属焊球阵列与所述第三连接区连接。
[0024]根据本发明的一个实施例，所述控制端口为栅极，所述第一外接端口为集电极，所述第三外接端口为射极。
[0025]根据本发明的一个实施例，所述封装外壳为一体化转模成型工艺制作的外壳。
[0026]根据本发明的一个实施例，所述封装外壳内填充有预设填充物，所述预设填充物与所述封装外壳的构成材料相同。
[0027]本发明提供了一种无键合引线的功率模块，从而避免了键合引线脱落或根部断裂而引起的功率模块长期可靠性失效的问题。同时，该功率模块由于不存在大量的键合引线，因此也可以避免因大量键合引线的使用而导致功率模块内部存在较大寄生电感的问题，从而保证了模块的性能可靠。
[0028]本发明所提供的电动汽车功率模块将具有功率转化功能的半导体芯片通过特定互连技术分别焊接到上下两个导热衬板上，根据功率模块所实现的功能应用不同可以将半导体芯片在焊接时采用正面放置或反面放置，并通过金属焊球阵列调节由于半导体芯片厚度不同所产生的高度差，电极端子分别布置于散热衬板的两侧，最后通过一体化转模成型工艺填充内部间隙并封装模块外壳。该功率模块摒弃了传统功率模块中键合引线、硅胶/环氧树脂、散热基板以及导热硅脂材料，能够通过与外部散热片连接来实现双面散热模式。
[0029]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0030]附图示出了本发明的各方面的各种实施例，并且它们与说明书一起用于解释本发明的原理。本技术领域内的技术人员明白，附图所示的特定实施例仅是实例性的，并且它们无意限制本发明的范围。应该认识到，在某些示例中，被示出的一个元件也可以被设计为多个元件，或者多个元件也可以被设计为一个元件。在某些示例中，被示出为另一元件的内部部件的元件也可以被实现为该另一元件的外部部件，反之亦然。为了更加清楚、详细地本发明的示例性实施例以使本领域技术人员能够对本发明的各方面及其特征的优点理解得更加透彻，现对附图进行介绍，在附图中:
[0031]图1是现有的功率模块的结构示意图；
[0032]图2是根据本发明一个实施例的功率模块的结构示意图；
[0033]图3是根据本发明一个实施例的第一导热板的结构示意图
[0034]图4是根据本发明一个实施例的第一电路层的电极分布图；
[0035]图5是根据本发明一个实施例的第二导热板的结构示意图；
[0036]图6是根据本发明一个实施例的第二电路层的电极分布图；
[0037]图7是根据本发明一个实施例的第一导热板与第二导热板的装配示意图。
【具体实施方式】
[0038]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0039]同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
[0040]图2示出了本实施例所提供的用于电动汽车的功率模块的结构示意图。
[0041]如图所示，本实施例所提供的功率模块包括:第一导热板201、半导体芯片202(包括第一芯片202a和第二芯片202b)、金属焊球阵列203、第二导热板204、功率端子205、控制端子206以及封装外壳207。其中，半导体芯片202焊接在第一导热板201上，半导体芯片202和/或第一导热板201通过金属球阵列203与第二导热板204的相应端口连接。功率端子205和控制端子206与第一导热板连接。
[0042]需要说明的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，功率模块中所包含的半导体芯片的数量还可以为其他合理值(例如3个以上)，本发明不限于此。
[0043]如图2所示，本实施例中，半导体芯片202是通过焊接层208焊接在第一导热板201上的。其中，焊接层208是由预成型焊片在特定温升条件下而形成的。具体地，本实施例中，焊接层208是由预成型焊片在255°C的温度和0.6Mpa的压强下在8min内形成的。需要说明的是，在发明的其他实施中，焊接层208还可以采用预成型焊片在其他合理温升条件下来形成，本发明不限于此。
[0044]同时，还需要指出的是，在本发明的其他实施例中，焊接层208也可以采用其他合理方式来形成。例如在本发明的其他实施例中，焊接层208还可以由钎焊焊料或纳米银浆等材料在特定温升条件下形成，本发明同样不限于此。
[0045]图3示出了本实施例中第一导热板201的结构示意图。
[0046]如图3所不，本实施例中，第一导热板201包括:第一导热层301、第一绝缘层302和第一电路层303。其中，第一绝缘层302设置在第一导热层301与第一电路层303之间，以在电气连接上隔离第一导热层301与第一电路层303。
[0047]本实施例中，该功率模块在装配时，第一导热层301将与电动汽车其他器件的散热片相接触。由于芯片202焊接在第一电路层303的对应位置上，因此，芯片202以及第一电路层303在工作时产生的热量将通过第一绝缘层302传导到第一导热层301上，再由第一导热层301将热量传到至外部散热片上来散发出去。这样，便实现了功率模块的有效散热。
[0048]图4示出了本实施例中第一电路层303的电极分布图。
[0049]由于本实施例所提供的功率模块中包括第一芯片202a和第二芯片202b，而第一芯片202a和第二芯片202b均包括有控制端口、第一外接端口和第二外接端口。因此，如图4所示，本实施例所提供的第一电路层303中，对应于第一芯片202a和第二芯片202b形成了两套连接区，即与第一芯片202a连接的第一连接区401a和第二连接区401b，以及与第二芯片202b连接的第一连接区402a和第二连接区402b。
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