专利名称：功率封装模块及制造该功率封装模块的方法
技术领域：
本发明涉及一种功率封装模块及制造该功率封装模块的方法。
背景技术：
通常，半导体封装包括安装在引线框(lead frame)或者印刷电路板上的单个或多个半导体芯片，并且通过密封树脂密封半导体芯片来保护半导体封装的内部，然后与母板或者印刷电路板连接形成系统。然而，随着现在电子设备的高速、大容量和高集成化的迅速发展，需要用于车辆、 工业设备以及低成本的家用电器的小型并且重量轻的功率设备(power device)。满足这种需要的一种方法为形成一种采用在单个半导体封装上安装多个半导体芯片的方法形成的功率模块封装。功率模块封装包括功率电路芯片和控制芯片，特别地，与其他半导体芯片相比，功率电路芯片产生的热量更多。因而，为了长期保持高可靠性，产生的热量向外部的有效排出变成重要的问题。图1为根据现有技术的功率封装模块100的截面图。如图所示，根据现有技术的功率封装模块100形成为包括基底(base substrate) 110、高功率(power)芯片120、低功率芯片 130、壳体(housing) 140 以及模制部(molding part) 150。基底110形成为包括金属层111、阳极氧化层(anodizing layer) 112以及电路层 113。更具体地，阳极氧化层112通过阳极氧化所述金属层111而形成在金属层111的表面，然后电路层113形成在阳极氧化层112上，从而制造基底110。此外，电路层113、焊接层(solder layer) 180以及高功率芯片120和低功率芯片130通过导线143和144电连接并且形成在基底110上。壳体140形成为围绕基底110的侧面，并且通过导线142与基底110的电路层113 连接的传导件(lead) 141形成在壳体140内。此外，用于固定和保护基底110的模制部150 形成在壳体140内并且在模制部150的上部形成盖(cover) 160。然而，在根据现有技术的功率封装模块100中，高功率芯片120和低功率芯片130 产生的热应力通过焊接层180沿垂直方向转移到基底110，从而由于导热性导致基底110 的翘曲(warpage)。结果，阳极氧化层112出现和基底110—样的弯曲(bent)或者变形 (distort)的问题。此外，当制造高功率封装模块100时，应该连接用于每块芯片的至少两个至十个或者更多的导线，从而需要长时间的加工操作。
发明内容
本发明试图提供一种功率封装模块，该功率封装模块通过减少由热应力产生的基底和与基底连接的高功率芯片和低功率芯片的翘曲现象而提高散发作用和可靠性，以及制造功率封装模块的方法。根据本发明的优选实施方式，提供一种功率封装模块，包括基底；多个高功率芯片，该多个高功率芯片安装在所述基底上，从而电连接到所述基底；多个低功率芯片，该多个低功率芯片安装在所述基底上，从而电连接到所述基底；以及多个金属导板，该多个金属导板将所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片电连接到所述基底。所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片可以以交替的方式连续地安装在所述基底上。所述金属导板将以交替的方式连续地安装在所述基底上的所述两个高功率芯片和所述两个低功率芯片电连接到所述基底。所述金属导板可以包括高功率芯片连接部，该高功率芯片连接部连接到所述高功率芯片；低功率芯片连接部，该低功率芯片连接部连接到所述低功率芯片；基底连接部， 该基底连接部连接到所述基底；第一连接部，该第一连接部将所述高功率芯片连接部连接到所述基底连接部；第二连接部，该第二连接部将所述低功率芯片连接部连接到所述基底连接部；以及第三连接部，该第三连接部将所述高功率芯片连接到所述低功率芯片。所述高功率芯片可以设置有用于连接导线的槽。所述第一连接部、所述第二连接部和所述第三连接部可以具有弯曲部。所述高功率芯片可以为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，并且所述低功率芯片可以为二极管。所述功率封装模块还可以包括壳体，该壳体围绕所述基底的外周面和侧面 ’传导件，该传导件设置在所述壳体内并且电连接到所述基底；模制部，该模制部填充在所述基底内，以便覆盖安装在所述基底上的所述高功率芯片、所述低功率芯片和所述金属导板；以及盖，该盖覆盖所述模制部。所述功率封装模块还可以包括结合层(adhesive layer)，该结合层将所述金属导板电连接到所述基底、所述高功率芯片和所述低功率芯片。 所述结合层可以为焊接层。根据本发明的另一种优选实施方式，提供一种制造功率封装模块的方法，该制造功率封装模块的方法包括制备基底；安装多个高功率芯片和多个低功率芯片，该多个高功率芯片和多个低功率芯片电连接到所述基底；以及在所述基底上安装多个金属导板，该多个金属导板将所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片连接到所述基底。所述制备所述基底还可以包括，通过阳极氧化金属层而形成阳极氧化层以及在所述阳极氧化层的一个表面上形成电路层，以形成作为阳极氧化基片的所述电路层。所述高功率芯片可以为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，并且低功率芯片可以为二极管。所述制造功率封装模块的方法还可以包括形成围绕所述基底的外周面和侧面的壳体，并且在所述壳体上安装连接到所述基底的传导件；安装填充在所述壳体内的模制部， 以便覆盖安装在所述基底上的所述多个高功率芯片、所述多个低功率芯片和所述多个金属
5导板；以及在所述模制部上安装盖。安装所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片还可以包括通过丝网印刷法在所述基底上安装结合层；以及将通过所述结合层电连接到所述基底的所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片安装在所述基底上。
图1为根据现有技术的功率封装模块的截面图；图2为根据本发明的优选实施方式的功率封装模块的平面图；图3为根据本发明的优选实施方式的功率封装模块的A部分的放大的截面图；图4为根据本发明的优选实施方式的金属导板的透视图；图5至图7为根据本发明的优选实施方式的第一连接部、第二连接部以及第三连接部的截面图；图8至图15为根据本发明的优选实施方式的图示制造功率封装模块的方法的过程的截面图。
具体实施例方式通过以下参考附图对具体实施方式
的说明，本发明的各种目的、优点和特征将会
变得明显。在本说明书和权利要求书中使用的术语和词语不应被解释为局限于典型含义或字面释义，而应该基于如下规则即发明人根据该规则能够准确地限定这些术语的概念以最准确地描述其所知道的实施本发明的最优方法，来将这些术语和词语解释为具有与本发明的技术范围相关的含义和概念。通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述及其它目的、特征以及优点将会更清楚地得到理解。在说明书中，在对附图中的元件添加附图标记时，应该注意的是相同的参考标记标注相同的元件，即使该元件在不同的附图中图示。此外，在说明书中使用的术语， “第一”、“第二”等可以用于描述各种元件，但是该元件不限于术语的解释。术语仅用于区分一个元件和其它元件。此外，当对与本发明相关的公知技术的详细描述可能会使本发明的要点不清楚时，将会省略对该公知技术的详细描述。以下，将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。功率封装樽块的结构图2为根据本发明的优选实施方式的功率封装模块200的平面图，图3为图2的A 部分的放大的截面图。如图所示，根据本实施方式的功率模块200形成为包括基底210、形成在基底210上的多个高功率芯片220和多个低功率芯片230以及将多个高功率芯片220 和多个低功率芯片230电连接到基底210的多个金属导板270。优选地，阳极氧化基片(anodizing substrate)(未图示)形成在基底210的上表面上，其中，阳极氧化基片(未图示)形成为包括金属层211、阳极氧化层212以及电路层 213。在此，金属层211可以例如由铝制成。铝的重量轻并且导热性优良。从而，当金属层211由铝制成时，基底210变得较轻，并且高功率芯片220和低功率芯片230产生的热量能够迅速地排放到外部。然而，金属层211的材料不限于此，可以使用任何阳极氧化可用的材料。另外，阳极氧化层212是通过阳极氧化所述金属层211形成的层。当金属层211 由铝制成时，阳极氧化层212可以由氧化铝(Al2O3)制成。此外，阳极氧化层212可以整体地或者部分地形成在金属层211的表面上。电路层213为形成在阳极氧化层212上的层，该阳极氧化层212形成在电路层213 的一个表面上。高功率芯片220和低功率芯片230可以电连接到电路层213。因此，电路层 213电连接到高功率芯片220和低功率芯片230而用作传递电路信号，从而高功率芯片220 和低功率芯片230电连接到基底210。虽然在图3中电路板213显示为不具有图案(patterned)，但是这是为了说明方便并且电路层213是具有图案的。多个高功率芯片220和多个低功率芯片230安装在基底210上，其中，高功率芯片 220和低功率芯片230以交替的方式连续地安装。两个高功率芯片和两个低功率芯片安装在位于基底210上的单独的列中，优选地，以高功率芯片、低功率芯片、高功率芯片以及低功率芯片的顺序安装，或者以低功率芯片、高功率芯片、低功率芯片、高功率芯片的相反的顺序安装。形成为结合层的焊接层观2和观5可以例如由导电材料制成，以便将电路层213 电连接到多个高功率芯片220和多个低功率芯片230。此外，高功率芯片220可以例如为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的功率设备，并且低功率芯片230可以例如为二极管的控制设备。图4为根据本发明的优选实施方式的金属导板(lead plate) 270的透视图，图5至图7为根据本发明的优选实施方式的第一连接部273、第二连接部274以及第三连接部275 的截面图。金属导板270包括连接于高功率芯片220的高功率芯片连接部271、连接于低功率芯片230的低功率芯片连接部272和连接于基底210以使得两个高功率芯片220和两个低功率芯片230电连接到基底210的基底连接部276和277，两个高功率芯片220和两个低功率芯片230以交替的方式以单列连续地安装在基底210上。优选地，以高功率芯片、低功率芯片、高功率芯片以及低功率芯片的顺序安装，或者以低功率芯片、高功率芯片、低功率芯片以及高功率芯片的相反的顺序安装。此外，金属导板270包括将高功率芯片连接部271连接到基底连接部276的第一连接部273、将低功率芯片连接部272连接到基底连接部277的第二连接部274和将高功率芯片220连接到低功率芯片230的第三连接部275，高功率芯片连接部271设置有用于连接导线的槽278。金属导板270可以由具有优良的导热性和导电性的Cu、Ag、Al或者合金材料制成。金属导板270的高功率芯片连接部271安装在高功率芯片220上，其中，由导电材料制成的焊接层281例如也可以形成在高功率芯片连接部271和低功率芯片220之间，从而它们可以互相电连接。此外，金属导板270的低功率芯片连接部272安装在低功率芯片230上，其中，由导电材料制成的焊接层284例如也可以形成在低功率芯片连接部272和低功率芯片230之
7间，从而它们可以互相电连接。随着金属导板270的基底连接部276和277连接到基底210，多个高功率芯片220 和多个低功率芯片230通过金属导板270电连接到基底210。此外，由导电材料制成的焊接层280和283例如也可以形成在基底连接部276和 277与基底210之间，从而它们可以互相电连接。从而，单独的金属导板270电连接到两个高功率芯片220、两个低功率芯片230以及基底210。当高功率芯片220和低功率芯片230产生热传递到金属导板270而产生热应力时，金属导板270由于热应力而受到反复的膨胀/收缩的现象的影响。然而，如图4所示，金属导板270的第三连接部275具有弯曲表面形状的弯曲部， 从而具有散发作用，使得高功率芯片220和低功率芯片230产生的热应力沿弯曲部的两个方向分散。结果，第三连接部275防止金属导板270、高功率芯片220以及低功率芯片230 由于热应力而弯曲，从而能够防止金属导板270、高功率芯片220以及低功率芯片230损坏。此外，高功率芯片220和低功率芯片230产生的热应力传递到电路层213、阳极氧化层212以及金属层211以继而对基底210产生热传递。因此，基底210也受到由于热应力而反复膨胀/收缩现象的影响，从而基底210弯曲。然而，如图4所示，金属导板270的第一连接部273和第二连接部274具有弯曲表面形状的弯曲部，从而具有散发作用，使得热应力沿弯曲部的两个方向分散。结果，第一连接部273和第二连接部274防止基底210由于热应力而弯曲，从而能够防止基底210和金属导板270损坏。如图5至图7所示，金属导板270a、270b和270c的第一连接部273a、273b和273c、 第二连接部27^、274b和27 以及第三连接部27如、27釙和275c具有各种弯曲部的形状。 因此，由于通过高功率芯片220和低功率芯片230之间的热膨胀系数不同而产生的热应力的膨胀/收缩现象和由于通过高功率芯片220和低功率芯片230与基底210之间的热膨胀系数不同而产生的热应力的膨胀/收缩现象通过弯曲部的散发作用而减少，从而能够防止高功率芯片220、低功率芯片230以及基底210损坏。此外，如图7所示，还在第一连接部273c、第二连接部27 和第三连接部275c内形成圆角(round) R，以提高散发作用，从而能够进一步减少膨胀/收缩现象。另外，壳体对0、传导件Ml、模制部250以及盖260还可以形成在功率封装模块 200 上。在这种情况下，传导件241固定安装在壳体240上，使得基底210的电路层213电连接到外部。此外，传导件241可以为例如金、银、铜、镍等制成的导电金属板。同时，图2 图示了传导件241通过导线242连接到电路层213的情况；然而，这仅仅是一个例子，并且可以使用能够连接传导件Ml到电路层213的任何结构。此外，图2图示了壳体240安装在基底210上的情况；然而，这仅仅是一个例子，并且壳体240也可以安装在基底210的侧面。因此，壳体240为形成在基底210的侧面上或者基底上的元件，以保护包括高功率芯片220和低功率芯片230的功率封装模块200。此外，壳体240包括连接功率封装模块 200的内部到功率封装模块200的外部的传导件M1，从而优选地可以由绝缘材料制成而不会造成短路。模制部250填充在壳体240内，从而能够将基底210固定到高功率芯片220和低功率芯片230。此外，模制部250优选地可以形成为达到基底210的上表面、高功率芯片220 和低功率芯片230，以便充分地保护功率封装模块200免受外部冲击。同时，模制部250可以由例如环氧模塑化合物(EMC，epoxy mold compound)或者硅胶制成。盖沈0为形成在模制部250的上部上的元件，从而保护功率封装模块免受外部冲击。盖260可以由与壳体240相同的材料制成。另外，散热器(未图示)可以连接在基底210的下部，从而使其还能够提高散发作用。制造功率封装樽块的方法图8至图15为图示制造图2和图3的功率封装模块200的方法的过程的截面图。 以下，将参照附图描述根据本发明的优选实施方式的制造功率封装模块200的方法。第一，如图8所示，为了形成基底210，如本发明的优选实施方式，阳极氧化所述金属层211而形成阳极氧化层212。这样，金属层211可以由铝制成，并且阳极氧化层212可以由氧化铝(Al2O3)制成。 此外，金属层211放入例如硼酸、磷酸、硫酸、铬酸等电解液中之后，对金属层211施加正电并且对电解液施加负电，从而金属层211的整个表面完成电绝缘而形成氧化膜，从而能够形成氧化层212。然后，在氧化层212的一个表面上形成电路层213以制备氧化基片(oxidizing substrate)(未图示)，并且形成由氧化基片(未图示)构成的基底210。此外，电路板213可以例如通过公知的方法(例如半加成制程(SAP， semi-additive process)等)而形成。此外，电路层213可以由具有优良导电性和导热性的金属(例如铜)制成。然后，形成为结合层的多个焊接层观0、观2、283和285形成在基底210上。然后，如图9所示，多个高功率芯片220和多个低功率芯片230以交替的方式连续地安装在基底210上。两个高功率芯片和两个低功率芯片以单列安装在基底210上，优选地，以高功率芯片、低功率芯片、高功率芯片以及低功率芯片的顺序安装，或者以低功率芯片、高功率芯片、低功率芯片以及高功率芯片的顺序安装。这样，多个高功率芯片220和多个低功率芯片230可以直接形成在电路层213上， 或者具有导电性的结合层(例如焊接层282和观5)插入在高功率芯片220和低功率芯片 230与电路层213之间，从而高功率芯片220和低功率芯片230可以电连接到基底210。另外，形成为结合层的焊接层282和285先通过丝网印刷法(screen printing method)印刷在阳极氧化基片(未图示)上，从而将高功率芯片220连接到低功率芯片230。然后，如图10所示，形成为结合层的焊接层281形成在高功率芯片220上，并且形成为结合层的焊接层284形成在低功率芯片230上。然后，如图11所示，金属导板270安装在形成为结合层的焊接层观0、观1、283和 284上，其中，金属导板270的高功率芯片连接部271安装在高功率芯片220的焊接层上，并且金属导板270的基底连接部276安装在焊接层280上。此外，金属导板270的低功率芯片连接部272安装在位于低功率芯片230上的焊接层284上，并且金属导板270的基底连接部277安装在焊接层283上。从而，金属导板270包括均形成在基底210的电路层213的一个表面上的高功率芯片220和低功率芯片230，从而将它们电连接到基底210。然后，如图12和图13所示，设置有传导件241的壳体240连接到基底210。此外， 设置在壳体240中的传导件241通过导线242连接到基底210的电路层213，通过连接穿过形成在高功率芯片连接部271中的槽278的导线243而将高功率芯片220连接到基底210。然后，如图14所示，在壳体MO中形成模制部250。这样，模制部250可以通过覆盖整个高功率芯片220、低功率芯片230以及基底 210的上表面而形成，并且模制部250可以由例如硅胶制成。然后，如图15所示，盖260形成在模制部250的上部上。从而，如图2和图3所示的本发明的优选实施方式的功率封装模块200通过上述制造过程而制造。根据本发明的功率封装模块及制造该功率封装模块的方法包括具有连接多个高功率芯片和多个低功率芯片到基底的弯曲部的金属导板，从而使其能够减少连接于高功率芯片和低功率芯片的金属导板的翘曲现象和由于高功率芯片和低功率芯片产生的热应力而引起的基底的翘曲现象。此外，金属导板的结合部从高功率芯片和低功率芯片产生的散发热量，从而具有降低芯片和芯片之间以及芯片和基底之间的连接温度的作用。此外，单个金属导板将多个高功率芯片和多个低功率芯片电连接到基底，从而使其能够缩短相对于现有的连接导线的过程的加工时间。另外，多个高功率芯片和多个低功率芯片通过单个金属导板连接，从而电流可以均勻地分散到与金属导板连接的多个高功率芯片和多个低功率芯片上，从而具有扩大安全空间(SOA，safe of ares)区域的作用。尽管出于说明的目的已经公开了本发明的优选实施方式，但是他们是为了具体解释本发明，从而根据本发明的功率模块及制造该功率模块的方法并不限于此，在不脱离附属权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以做出各种修改、 增加和替换。因此，这些修改、增加或替换也应该理解为落入本发明的保护范围内。
10
权利要求
1.一种功率封装模块，该功率封装模块包括 基底；多个高功率芯片，该多个高功率芯片安装在所述基底上，从而电连接到所述基底； 多个低功率芯片，该多个低功率芯片安装在所述基底上，从而电连接到所述基底；以及多个金属导板，该多个金属导板将所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片电连接到所述基底。
2.根据权利要求1所述的功率封装模块，其中，所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片以交替的方式连续地安装在所述基底上。
3.根据权利要求1所述的功率封装模块，其中，所述金属导板将以交替的方式连续地安装在所述基底上的所述两个高功率芯片和所述两个低功率芯片电连接到所述基底。
4.根据权利要求1所述功率封装模块，其中，所述金属导板包括 高功率芯片连接部，该高功率芯片连接部连接到所述高功率芯片； 低功率芯片连接部，该低功率芯片连接部连接到所述低功率芯片； 基底连接部，该基底连接部连接到所述基底；第一连接部，该第一连接部将所述高功率芯片连接部连接到所述基底连接部； 第二连接部，该第二连接部将所述低功率芯片连接部连接到所述基底连接部；以及第三连接部，该第三连接部将所述高功率芯片连接到所述低功率芯片。
5.根据权利要求4所述的功率封装模块，其中，所述高功率芯片设置有用于连接导线的槽。
6.根据权利要求4所述的功率封装模块，其中，所述第一连接部、所述第二连接部和所述第三连接部具有弯曲部。
7.根据权利要求1所述的功率封装模块，其中，所述高功率芯片为绝缘栅双极型晶体管，并且所述低功率芯片为二极管。
8.根据权利要求1所述的功率封装模块，该功率封装模块还包括 壳体，该壳体围绕所述基底的外周面和侧面；传导件，该传导件设置在所述壳体内并且电连接到所述基底； 模制部，该模制部填充在所述基底内，以便覆盖安装在所述基底上的所述高功率芯片、 所述低功率芯片和所述金属导板；以及盖，该盖覆盖所述模制部。
9.根据权利要求1所述的功率封装模块，该功率封装模块还包括结合层，该结合层将所述金属导板电连接到所述基底、所述高功率芯片和所述低功率芯片。
10.根据权利要求9所述的功率封装模块，其中，所述结合层为焊接层。
11.一种制造功率封装模块的方法，该制造功率封装模块的方法包括 制备基底；安装多个高功率芯片和多个低功率芯片，该多个高功率芯片和多个低功率芯片电连接到所述基底；以及在所述基底上安装多个金属导板，该多个金属导板将所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片连接到所述基底。
12.根据权利要求11所述的制造功率封装模块的方法，其中，制备所述基底还包括，通过阳极氧化金属层而形成阳极氧化层以及在所述阳极氧化层的一个表面上形成电路层，以形成作为阳极氧化基片的所述电路层。
13.根据权利要求11所述的制造功率封装模块的方法，其中，所述高功率芯片为绝缘栅双极型晶体管，并且所述低功率芯片为二极管。
14.根据权利要求11所述的制造功率封装模块的方法，该制造功率封装模块的方法还包括形成围绕所述基底的外周面和侧面的壳体，并且在所述壳体上安装连接到所述基底的传导件；安装填充在所述壳体内的模制部，以便覆盖安装在所述基底上的所述多个高功率芯片、所述多个低功率芯片和所述多个金属导板；以及在所述模制部上安装盖。
15.根据权利要求11所述的制造功率封装模块的方法，其中，安装所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片还包括通过丝网印刷法在所述基底上安装结合层；以及将通过所述结合层电连接到所述基底的所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片安装在所述基底上。
16.根据权利要求15所述的制造功率封装模块的方法，其中，所述结合层为焊接层。全文摘要
在此公开了一种功率封装模块及制造该功率封装模块的方法，包括基底；多个高功率芯片和多个低功率芯片，该多个高功率芯片和多个低功率芯片电连接到所述基底；以及多个金属导板，该多个金属导板将所述多个高功率芯片和所述多个低功率芯片电连接到所述基底。
文档编号H01L21/98GK102468249SQ20111017343
公开日2012年5月23日 申请日期2011年6月23日 优先权日2010年11月1日
发明者张范植 申请人:三星电机株式会社