一种平面型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，涉及一种平面型功率模块。
【背景技术】
[0002]以IGBT为代表的功率电子模块是电动汽车中电机驱动与控制的核心部件之一。随着人们对车用电机逆变器的性能需求越来越高，对功率电子模块在功率密度、工作温度、高效散热、电能转化效率等方面也提出了更高的要求。
[0003]图1示出了传统功率模块的结构示意图。
[0004]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，半导体芯片101上表面利用键合引线104来通过引线键合方式实现不同目的的电气连接，再将预焊接有半导体芯片101的绝缘衬板103焊接到散热底板105上，然后将焊接好的绝缘衬板103和散热底板105组装到一个塑料外壳106中，并填充硅胶107和/或环氧树脂108等填充材料进行密封保护。
[0005]对于传统封装形式的功率模块，大量的实验和工程应用表明，键合引线104脱落或根部断裂是引起功率模块长期可靠性失效的关键因素之一。同时，由于大量键合引线104的存在，也会导致功率模块内部产生较大的寄生电感，从而影响器件的开关性能。
[0006]基于上述情况，亟需一种能够实现低杂散电感并且能够保证自身内部可靠电气连接的功率模块。
【发明内容】
[0007]为解决上述问题，本发明提供了一种平面型功率模块，所述功率模块包括:
[0008]第一衬板；
[0009]芯片，其焊接在所述第一衬板的对应位置上；
[0010]金属垫片和第一电路层，所述芯片和/或所述第一衬板通过所述金属垫片与所述第一电路层的相应端口连接；
[0011]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衬板连接；以及，
[0012]封装外壳。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述第一衬板包括:
[0014]第一散热层，其散热面延伸出所述封装外壳的表面，以用于对所述平面型功率模块进行散热；
[0015]第一绝缘层和第二电路层，所述第一绝缘层设置在所述第一散热层与第二电路层之间，所述芯片焊接在所述第二电路层的对应位置上。
[0016]根据本发明的一个实施例，所述第一散热层包括具有预设高度的第一散热片，所述第一散热片与所述第一绝缘层贴合设置。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述平面型功率模块还包括:
[0018]第二导热层，其散热面延伸出所述封装外壳的表面，以用于对所述平面型功率模块进行散热；
[0019]第二绝缘层，其设置在所述第二导热层与第一电路层之间。
[0020]根据本发明的一个实施例，所述第二导热层与所述第二绝缘层贴合设置。
[0021]根据本发明的一个实施例，所述封装外壳高出所述第一绝缘层和第二绝缘层第一预设高度，同时，所述封装外壳低于第一散热层和第二导热层第二预设高度。
[0022]根据本发明的一个实施例，用于连接所述芯片与第一电路层的金属垫片的表面几何尺寸与所述芯片的表面几何尺寸相同。
[0023]根据本发明的一个实施例，连接所述第一衬板与第一电路层的金属垫片的高度大于连接所述芯片与第一电路层的金属垫片的高度。
[0024]根据本发明的一个实施例，所述芯片位于第一衬板和第一电路层之间，形成三明治结构。
[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]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。
[0027]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金属垫片互连技术分别焊接到上下两个散热衬板上，通过不同高度的金属垫片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第一衬板的两侧，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，实现了直接衬板冷却双面散热模式。
[0028]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】
[0029]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:
[0030]图1是现有的功率模块的结构示意图；
[0031]图2是根据本发明一个实施例的功率模块的结构示意图；
[0032]图3是根据本发明一个实施例的第一衬板的结构示意图；
[0033]图4是根据本发明一个实施例的第二电路层的电极分布图；
[0034]图5是根据本发明一个实施例的芯片与第一衬板之间的配置关系图；
[0035]图6是根据本发明一个实施例的第一电路层的电极分布图；
[0036]图7是根据本发明一个实施例的功率模块的装配示意图。
【具体实施方式】
[0037]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。
[0038]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。
[0039]图2示出了本实施例所提供的平面型功率模块的结构示意图。
[0040]如图所示，本实施例所提供的平面型功率模块包括:第一衬板201、芯片202 (包括第一芯片202a和第二芯片202b)、金属垫片203、第一电路层204、功率端子205、控制端子206以及封装外壳207。其中，芯片202焊接在第一衬板201上，金属垫片203和/或第一衬板201通过金属垫片203与第一电路层204的相应端口连接。从图2中可以看出，芯片202位于第一衬板201与第一电路层204之间，形成了三明治结构。
[0041]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芯片的数量还可以为其他合理值(例如I个或3个以上)，本发明不限于此。
[0042]本实施例中，第一芯片202a和第二芯片202b中均包括有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和续流二极管(FRD)。当然，在本发明的其他实施例中，第一芯片202a和/或第二芯片202b还可以为其他合理芯片，本发明同样不限于此。例如在本发明的其他实施例中，第一芯片202a和/或第二芯片202b所包含的开关元件还可以为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、肖特基势皇整流二极管(SBD)和续流二极管(FRD)等器件中的任一中或两种的组合。
[0043]如图2所示，本实施例中，芯片202是通过焊接层208焊接在第一衬板201以及第一电路层204之间的。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衬板201的结构示意图。
[0046]如图3所不，本实施例中，第一衬板201包括:第一散热层301、第一绝缘层302和第二电路层303。其中，第一绝缘层302设置在第一散热层301与第二电路层303之间，以在电气连接上隔离第一散热层301与第二电路层303。
[0047]本实施例中，第一散热层301包括具有预设高度(例如8mm)的第一散热片。由于芯片202焊接在第二电路层303的对应位置上，因此，芯片202以及第二电路层303在工作时产生的热量将通过第一绝缘层302传导到第一散热层301上，从而由第一散热层301将热量散发出去。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二电路层303的电极分布图，图5示出了本实施例中芯片202与第一衬板201之间的配置关系图。
[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均包含有IGBT和续流二极管FRD。因此，如图4所示，本实施例所提供的第二电路层303中包括有:第一芯片区401、第一栅极控制区402、正极功率端子区403、负极功率端子区404、输出极功率端子区405、辅助电极区406、第二芯片区407以及第二栅极控制区408。其中，正极功率端子区403和负极功率端子区404分别与对应的功率端子205连接，第一栅极控制区402和第二栅极控制区408分别与对应的控制端子206连接。
[0050]如图5所示，本实施例中，第一芯片202a中所包含的第一 IGBT 501和第一续流二极管502均是