专利名称：功率组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够将来自功率设备的热高效散发到散热器的功率组件。
背景技术：
近年来，半导体集成电路用在包括电子设备的广阔领域，并且对于那些要求特别大量电能的设备，采用其中安装有功率设备的功率组件。在这种功率组件中，为了将功率设备随着耗电而产生的大量热散发，采用一种多层散热结构，其由功率设备安装在其上的金属线路板、氮化铝等的陶瓷绝缘层、金属散热板和散热器组成。因而，在用于功率组件的常规散热结构中，氮化铝等的陶瓷绝缘层用在构成该组件的各层中的至少一层中。
图5示出了其中采取散热措施的常规功率组件的实例。功率组件500包括IGBT芯片54，它是功率设备，经第一焊料层55安装。在氮化铝绝缘材料58(绝缘材料)的上方表面和下方表面上设置有作为金属线路板的铝线路板57和铝板59。第一焊料层55连结到镀Ni层56，而镀Ni层56以覆盖铝线路板57的方式形成。形成镀Ni层是为了获得相对于焊料层的良好润湿性。镀Ni层60形成在铝板59的下方表面上。镀Ni层60经第二焊料层61和形成在第二焊料层61的下方表面上的镀Ni层62连结到散热板63。镀Ni层64形成在散热板63的下方表面上。镀Ni层64经第三焊料层或硅脂层65和镀Ni层66与散热器67热连结。散热器67将热散发到冷却水68或空气中。
作为功率设备的IGBT芯片54或铝线路板57产生的大量热依次传导通过第一焊料层55、镀Ni层56、作为金属线路板的铝线路板57、作为绝缘材料的氮化铝绝缘材料58、铝板59、镀Ni层60、第二焊料层61、镀Ni层62、散热板63、镀Ni层64、第三焊料层或硅脂层65、镀Ni层66和散热器67，由此将热最终散发到冷却水68或空气中。
因而，常规功率设备是由14级组成的标准安装结构，导致复杂制造工艺的问题。这导致最终产品成本上升。而且，成层部件的数目多。虽然例如为了小型化可以将焊料层厚度减少到几百个μm，但这3个焊料层本身散热不好，并且存在许多不同材料的粘结界面，干扰了散热。因此，带来的不便是功率设备产生的热不能被有效地导到散热器材料。此外，功率设备的常规安装结构复杂，可能导致组件本身的可靠性问题。
带有这种常规散热结构的功率设备的实例公开在专利申请(Kokai)No.2003-218298A中。
发明内容
鉴于常规功率设备的上述问题，即复杂的安装结构、高成本、差的散热和可靠性，本发明的目的是通过简化功率设备的安装结构来降低成本，并改善散热和可靠性。
本发明基于本发明人的发现可以通过使用树脂基绝缘材料替代常规陶瓷绝缘材料来解决这些问题。
一方面，本发明提供了一种功率组件，包括金属线路板；功率设备，其经焊料层设置在金属线路板的上方表面上；金属散热板，其设置在金属线路板的下方表面上；和散热器，其设置在金属散热板的下方表面上。该功率组件还包括设置在前述层中任何两层之间的树脂基绝缘层。
本发明的功率组件的基本形式如下(1)功率组件从上到下包括功率设备；经焊料层设置在功率设备下方表面上的金属线路板；经树脂基绝缘层设置在金属线路板的下方表面上的金属散热板；和散热器，其经焊料或硅脂(优选镀Ni层设置在金属散热板的下方表面上且在散热器的上方表面上)设置在金属散热板的下方表面上。由此，该结构简化为9级结构。当使用陶瓷绝缘层时，需要焊料层以与另一层相粘结，并且需要在该焊料层上形成镀Ni层。但是，根据本发明，这种镀Ni层不再需要或需要的量小。此外，本发明要求至多两级焊料层，并且金属线路板可以由不昂贵的低电阻材料(例如铜或铝)构成。此外，金属线路板和金属散热板可以利用简单方法，例如热压粘合通过树脂基绝缘材料连结。因此，该组件的散热结构大大简化，从而可以实现成本降低和组件可靠性提高。
以上是本发明功率组件的基本形式。本发明还包括下面的变化方案(2)-(4)。
(2)基于前述常规结构，且其中陶瓷绝缘材料替换为树脂基绝缘材料的结构。具体地，功率组件从上到下包括功率设备；经焊料层设置在功率设备下方表面上的金属线路板；经树脂基绝缘层设置在金属线路板的下方表面上的金属板；设置在金属板的下方表面上的金属散热板；和经焊料或硅脂层设置在金属散热板的下方表面上的散热器。
(3)以上基本结构的线路板和散热板合并的结构。具体地，功率组件从上到下包括功率设备；经焊料层设置在功率设备的下方表面上的金属线路板/金属散热板；经树脂基绝缘层设置在金属线路板/金属散热板的下方表面上的金属板；和经焊料或硅脂层设置在金属板的下方表面上的散热器。
(4)基本结构的散热器和散热板合并的结构。具体地，功率组件从上到下包括功率设备；经焊料层设置在功率设备的下方表面上的金属线路板；和经树脂基绝缘层设置在金属线路板的下方表面上的散热器/金属散热板。
在功率组件(2)-(4)中，优选镀Ni层设置成与焊料层相接触。
本发明人还已发现，可以通过考虑对上述树脂基绝缘材料所要求的绝缘值和导热率来选择特定范围的膜厚，得到与常规结构相当的绝缘水平和导热率。具体地，本发明中所用的树脂基绝缘材料优选包含击穿电压为60-300kV/mm、导热率为0.5-2.5W/K.m的树脂材料。此外，在本发明的功率组件中，优选地树脂基绝缘层的膜厚为10-50μm。就这方面，本发明远不同于其中陶瓷绝缘层厚600μm-1mm的常规结构。
本发明中所用的树脂基绝缘材料的优选实例是热塑性聚酰亚胺树脂。特别地，通过在绝缘层中使用满足上述性质的热塑性聚酰亚胺材料的薄膜，可以利用聚酰亚胺材料的高绝缘性和耐热性。由此，迄今由于其比陶瓷材料要高的耐热性(即低导热率)而难以用作功率设备安装材料的聚酰亚胺材料可以用在功率组件的散热结构中。
本发明的功率组件可以应用的功率设备的优选实例是IGBT(智能双极性晶体管)芯片。功率组件的实例是逆变器组件。
第二方面，本发明提供了配备有以上逆变器组件的混合动力车。因为散热结构可以大大简化，所以可以降低成本，可以改善组件的可靠性，由此促进这种功率组件安装在混合动力车上。根据本发明，树脂基绝缘材料替代常规陶瓷绝缘材料用在功率组件的散热结构中。树脂基绝缘材料的使用简化了功率设备的安装结构，并带来成本降低，同时改善了模块的散热和可靠性。一般而言，就导热率而言，树脂基绝缘材料比陶瓷绝缘材料差；但是，当形成薄膜以提高导热率时，前者可以替代后者。
附图简介
图1示出了根据本发明基本形式的功率组件的示意性横截面。
图2示出了根据本发明的功率组件变化方案的示意性横截面。
图3示出了根据本发明的功率组件变化方案的示意性横截面。
图4示出了根据本发明的功率组件变化方案的示意性横截面。
图5示出了常规功率组件的示意性横截面。
具体实施例方式
下面将参照附图描述根据本发明的功率组件的实施方案，及其散热结构。
实施方案1图1示出了根据本发明基本形式的功率组件的示意性横截面。功率组件100是9级功率组件，从上到下包括例如IGBT芯片的功率设备11；经第一焊料层12设置在功率设备11下方表面上的金属线路板13；经热塑性聚酰亚胺等的树脂基绝缘层14设置在金属线路板13的下方表面上的金属散热板15；形成在金属散热板15的下方表面上的镀Ni层16；焊料层或硅脂层17；镀Ni层18；和形成在镀Ni层18上的散热器19。
IGBT芯片产生的热通过各层传导，最后经散热器散发到水或空气中。
要注意，不同于由相对昂贵的Cu-Mo等制成的常规金属散热板，本发明还有利地使得可以使用由Cu制得的金属散热板，其中Cu不贵，并且不会存在大的价格波动。
实施方案2图2示出了根据本发明的功率组件变化方案的示意性横截面。在该实施方案中，常规结构的陶瓷绝缘材料替代为树脂基绝缘材料。具体地，功率组件200从上到下包括例如IGBT芯片的功率设备21；设置在功率设备21的下方表面上的第一焊料层22；镀Ni层23；金属线路板24；经树脂基绝缘层25设置在金属线路板的下方表面上的金属板26；镀Ni层27；第二焊料层28；镀Ni层29；金属散热板30；镀Ni层31；第三焊料层或硅脂层32；和经镀Ni层33设置的散热器34。
如实施方案1中，IGBT芯片产生的热通过各层传导，最后经散热器散发到水或空气中。
实施方案3图3示出了根据本发明的功率组件另一变化方案的示意性横截面。在该实施方案中，合并了前述基本结构中的线路板和散热板。具体地，功率组件300从上到下包括例如IGBT芯片的功率设备36；经第一焊料层38和镀Ni层39设置在功率设备36的下方表面上的金属线路板/金属散热板40；经树脂基绝缘层41设置在金属线路板/金属散热板40的下方表面上的金属板42；设置在金属板42的下方表面上的镀Ni层43；第三焊料层或硅脂层44；和经镀Ni层45设置的散热器46。
如实施方案1中，IGBT芯片产生的热通过各层传导，最后经散热器散发到水或空气中。
实施方案4图4示出了本发明的功率组件另一变化方案的示意性横截面。在该实施方案中，合并了前述基本结构中的散热器和散热板。具体地，功率组件400从上到下包括例如IGBT芯片的功率设备47；设置在功率设备47的下方表面上的第一焊料层49；经镀Ni层50设置的金属线路板51；经树脂基绝缘层52设置在金属线路板51的下方表面上的散热器/金属散热板53。
如实施方案1中，IGBT芯片产生的热通过各层传导，最后经散热器散发到水或空气中。
本发明所解决的现有技术中存在的问题包括如下。第一，关于各层之间的粘合问题，本发明并不需要用于与下面的散热板等粘合的焊料。因此，绝缘材料底部并不要求金属板。此外，可以与树脂绝缘材料，例如聚酰亚胺相粘合的金属类型并不限于铝，而可以是Cu或其它通用金属。在这方面，本发明的另一优点是具有高润湿性的金属，例如Cu不要求镀Ni。
另外，关于各层中的热膨胀问题，热塑性聚酰亚胺材料薄膜具有非常低的杨氏模量，以致当它经受弯曲应力时不会断裂，而是将该弯曲应力吸收，因而防止了设备受到这种应力的影响。因而，本发明的优点是散热板可以由具有高的热膨胀并且不昂贵的通用金属，例如铜或铝制成。
下面，将描述适合用作本发明中树脂基绝缘材料的热塑性聚酰亚胺。
根据本发明，热塑性聚酰亚胺优选是芳族聚酰亚胺。芳族聚酰亚胺是芳族四元羧酸与脂族或芳族二胺的缩合产物。它们一般通过将四元羧酸二酸酐(例如均苯四酸二酐或二苯基四元羧酸二酐)与二胺(例如对位苯二胺或二氨基二苯基醚)缩合聚合生成酰胺酸，随后通过热或催化剂进行闭环硬化而得到。这种热塑性聚酰亚胺可以通过例如以下化合物的共聚得到。
二酸酐的例子包括均苯四酸二酐；4，4’-氧二苯二甲酸二酐(oxydiphthalic acid dianhydride)；3，3’，4，4’-二苯甲酮四羧酸二酐；3，3’，4，4’-二苯基四羧酸二酐；2，2’，3，3’-二苯基四羧酸二酐；2，2’-二(3，4-二羧基苯基)六氟丙烷二酐；二(3，4-二羧基苯基)砜二酐；二(3，4-二羧基苯基)硫醚二酐；二(2，3-二羧基苯基)甲烷二酐；二(3，4-二羧基苯基)甲烷二酐；1，1-二(2，3-二羧基苯基)甲烷二酐；1，1-二(2，3-二羧基苯基)丙烷二酐；2，2-二(3，4-二羧基苯基)丙烷二酐；和间亚苯基二(偏苯三酸)二酐；2，2’-二[4-(3，4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐。
二胺的例子包括六亚甲基二胺；七亚甲基二胺；3，3’-二甲基五亚甲基二胺；3-甲基六亚甲基二胺；3-甲基七亚甲基二胺；2，5-二甲基六亚甲基二胺；八亚甲基二胺；九亚甲基二胺；1，1，6，6-四甲基六亚甲基二胺；2，2，5，5-四甲基六亚甲基二胺；4，4-二甲基七亚甲基二胺；十亚甲基二胺；间苯二胺；4，4’-二氨基二苯甲酮；4-氨基苯基-3-氨基苯甲酸酯；间氨基苯甲酰(benzoil)对氨基酰苯胺；4，4’-二氨基二苯醚；3，4’-二氨基二苯醚；二(4-氨基苯基)甲烷；1，1-二(4-氨基苯基)乙烷；2，2-二(4-氨基苯基)丙烷；2，2’-二[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷；4，4’-二氨基二苯基亚砜；3，3’-二氨基二苯甲酮；1，3-二(4-氨基苯氧基)苯；2，2’-二氨基二苯甲酮；1，2-二(4-氨基苯氧基)苯；1，3-二(4-氨基苯甲酰氧)苯；4，4’-二苯甲酰苯胺；4，4’-二(4-氨基苯氧基)二苯醚；2，2’-二(4-氨基苯基)六氟丙烷；4，4’-二氨基二苯基砜；1，12-二氨基十二烷；1，16-二氨基十六烷；和聚硅氧烷二胺；1，3-二(3-氨基苯甲酰氧)苯；1，4-二(4-氨基苯氧基)苯；4，4-二(4-氨基苯氧基)二苯基；4，4-二(4-氨基苯氧基)二苯基砜；4，4-二(3-氨基苯氧基)二苯基砜；2，2-二(4-[4-氨基苯氧基]苯基)-1，1，1，3，3，3-六氟丙烷；3，3’-二氨基苯基砜；和对苯二胺。
以上化合物中，特别优选作为本发明中所用的热塑性聚酰亚胺是1，3-二(4-氨基苯氧基)苯(缩写为RODA)、均苯四酸二酐(缩写为PMDA)、和4，4’-氧二苯二甲酸二酐(ODPA)的共聚物，4，4’-二氨基二苯醚(缩写为ODA)和3，3’，4，4’-二苯基四羧酸二酐(缩写为BPDA)的共聚物，ODA、PMDA和BPDA的共聚物，3，3’，4，4’-二苯甲酮四羧酸二酐(BTDA)、PMDA和2，2’-二[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(缩写为BAPP)的共聚物。
根据本发明，该热塑性聚酰亚胺加热时软化的玻璃态转化温度为200℃-350℃，更优选210℃-300℃。
根据本发明，通过在功率组件的散热结构中使用树脂基绝缘材料，而不是常规陶瓷绝缘材料，可以简化功率设备的安装结构，并且可以降低成本，此外，可以改善组件的散热和可靠性。通过将上述逆变器组件配备在混合动力车中，可以促进混合动力车的广泛使用。
权利要求
1.一种功率组件，其包括金属线路板；功率设备，其经焊料层设置在所述金属线路板的上方表面上；金属散热板，其设置在所述金属线路板的下方表面上；和散热器，其设置在所述金属散热板的下方表面上；所述功率组件还包括设置在前述层中任何所期望的两层之间的树脂基绝缘层。
2.权利要求1的功率组件，其包括功率设备；金属线路板，其经焊料层设置在所述功率设备的下方表面上；金属散热板，其经树脂基绝缘层设置在所述金属线路板的下方表面上；和散热器，其经焊料或硅脂设置在所述金属散热板的下方表面上。
3.权利要求1的功率组件，其包括功率设备；金属线路板，其经焊料层设置在所述功率设备的下方表面上；金属板，其经树脂基绝缘层设置在所述金属线路板的下方表面上；金属散热板，其设置在所述金属板的下方表面上；和散热器，其经焊料或硅脂层设置在所述金属散热板的下方表面上。
4.权利要求1的功率组件，其包括功率设备；金属线路板/金属散热板，其经焊料层设置在所述功率设备的下方表面上；金属板，其经树脂基绝缘层设置在所述金属线路板/金属散热板的下方表面上；和散热器，其经焊料或硅脂层设置在所述金属板的下方表面上。
5.权利要求1的功率组件，其包括功率设备；金属线路板，其经焊料层设置在所述功率设备的下方表面上；和散热器/金属散热板，其经树脂基绝缘层设置在所述金属线路板的下方表面上。
6.权利要求1的功率组件，其中所述树脂基绝缘层由击穿电压为60-300kV/mm和导热率为0.5-2.5W/K.m的树脂材料制得。
7.权利要求1的功率组件，其中所述树脂基绝缘层的膜厚为10-50μm。
8.权利要求1的功率组件，其中所述树脂基绝缘层由热塑性聚酰亚胺制得。
9.权利要求1的功率组件，其中所述功率设备包括IGBT芯片。
10.权利要求1的功率组件，其中所述功率组件是逆变器组件。
11.一种混合动力车，其配备有权利要求10的逆变器组件。
全文摘要
简化功率设备的安装结构，以降低成本，同时改善散热和可靠性。功率组件100包括金属线路板13、经焊料层12设置在金属线路板13的上方表面上的功率设备11、设置在金属线路板13的下方表面上的金属散热板15；设置在金属散热板15的下方表面上的散热器19。树脂基绝缘层14设置在以上任意期望的两层之间。
文档编号H01L23/373GK101068009SQ200710096419
公开日2007年11月7日 申请日期2007年4月13日 优先权日2006年4月19日
发明者渥美贵司, 鹈饲顺三, 江藤贤二, 中村贤治, 台座摄人, P·A·梅洛尼, A·N·斯拉姆, K·D·罗伯茨, D·L·舒顿 申请人:丰田自动车株式会社, 纳幕尔杜邦公司