功率模块及其制造方法与流程

本公开涉及一种功率模块及其制造方法，更特别地，涉及一种功率模块及其制造方法，所述功率模块具有将设置有介电层的衬底介于中间并在衬底的上部和下部设置功率半导体装置的结构，从而能够减少部件的数量，简化制造过程并提高性能。

背景技术：

作为混合动力车辆和电动车辆的核心部件之一，功率转换器(例如，逆变器)是环保车辆的主要部件，且正在开发功率转换器的许多技术。功率模块是功率转换器的核心部件，并且成本最高，开发功率模块是环保车辆领域的关键技术。

通常，功率模块被制造成各种结构，特别地，根据为了易于排放从功率模块产生的热而设置散热片或散热通道的结构，功率模块被制造成单面冷却功率模块和双面冷却功率模块的形式。

由于单面冷却功率模块被制造成在诸如绝缘栅双极晶体管(insulated-gatebipolartransistor，igbt)的功率半导体装置的一个表面上设置冷却装置的形态，因此其冷却性能低，并且由于电流通过引线键合流动，因此寄生电感增加。

为了消除单面冷却功率模块的缺点，开发了双面冷却功率模块。双面冷却功率模块在功率半导体装置的上表面和下表面设置有衬底，且电流根据形成在衬底上的电路图案流动。

然而，由于双面冷却功率模块在制造过程中需要执行两次或更多次的焊接或烧结以进行引线键合，因此由于多次焊接导致焊料再熔化，可靠性降低。另外，由于电流通过设置在双面冷却功率模块上侧和下侧的衬底的图案而流动，因此寄生电感量增加。另外，由于衬底需要设置在功率半导体装置上侧和下侧，因此将功率半导体装置的信号端子与两个衬底之间的引线电连接的键合线可能会与衬底接触而造成干扰。为了消除这种干扰，两个衬底之间需要保持足够的距离，在至少一个衬底和功率半导体装置之间的位置进一步设置垫片，从而会导致单价增加。

前述仅旨在帮助理解本公开的背景，并非旨在表示本公开落入本领域技术人员公知的现有技术的范围内。

技术实现要素：

因此，本公开提供一种功率模块，功率模块具有将设置有介电层的衬底介于中间并在衬底的上部和下部设置功率半导体装置的结构，从而能够消除垫片等常规功率模块的关键部件，并且减少执行的焊接或烧结的次数和寄生电感。

作为解决上述技术问题的手段，本公开提供一种功率模块，包括：衬底，具有介电层；第一功率半导体装置，设置在衬底的上部；以及第二功率半导体装置，设置在衬底的下部。

本公开的示例性实施例可以进一步包括：第一引线部，设置在第一功率半导体装置的上部并且电连接到第一功率半导体装置，以及第二引线部，设置在第二功率半导体装置的下部并且电连接到第二功率半导体装置。

在本公开的示例性实施例中，为了接收直流电压，第一引线部和第二引线部可以各自包括第一功率引线和第二功率引线，第一功率引线和第二功率引线可以在垂直方向上彼此重叠，并且可以在第一功率引线和第二功率引线之间插设绝缘层。

在本公开的示例性实施例中，第一引线部的一部分和第二引线部的一部分可以相互连接以实现第一功率半导体装置和第二功率半导体装置之间的电连接。

在本公开的示例性实施例中，衬底可以设置有介电层，第一金属层设置在介电层的上表面，并且第二金属层设置在介电层的下表面，第一金属层和第一功率半导体装置之间的一部分、第一金属层和第一引线部之间的一部分以及第一功率半导体装置和第一引线部之间的一部分可以通过焊接彼此电连接，并且第二金属层和第二功率半导体装置之间的一部分、第二金属层和第二引线部之间的一部分、第二功率半导体装置和第二引线部之间的一部分可以通过焊接彼此电连接。

在本公开的示例性实施例中，第一引线部可以设置有向上突出的第一平面，并且第二引线部可以设置有向下突出的第二平面。

在本公开的示例性实施例中，功率模块可以进一步包括模具部，整体覆盖衬底、第一功率半导体装置、第二功率半导体装置、第一引线部的一部分及第二引线部的一部分，其中第一平面和第二平面可以暴露在模具部的外部。

作为解决该技术问题的另一手段，本公开提供一种功率模块的制造方法，该方法包括以下步骤：设置具有上引线框架、下引线框架、第一功率半导体装置、第二功率半导体装置和介电层的衬底；依次层压并接合上引线框架、第一功率半导体装置、衬底、第二功率半导体装置和下引线框架；在上引线框架的第一信号连接引线和第一功率半导体装置的信号端子之间进行引线键合，并且在下引线框架的第二信号连接引线和第二功率半导体装置的信号端子之间进行引线键合；形成模具部以覆盖通过接合形成的层压结构和通过引线键合形成的引线键合部；以及分离并去除上引线框架和下引线框架的预定区域以完成功率模块。

在本公开的示例性实施例中，在接合步骤中，包括在上引线框架中的第一功率引线和包括在下引线框架中的第二功率引线可以在垂直方向上彼此重叠，可以在该第一功率引线和该第二功率引线之间施加直流电压，并且绝缘层可以插设在第一功率引线和第二功率引线之间。

在本公开的示例性实施例中，在接合步骤中，可以焊接上引线框架的一部分和下引线框架的一部分以实现第一功率半导体装置和第二功率半导体装置之间的电连接。

在本公开的示例性实施例中，可以在形成模具部的步骤中，以暴露上引线框架的上表面的至少一部分和下引线框架的下表面的至少一部分的方式形成所述模具部。

根据功率模块及其制造方法，功率半导体装置设置在设置有介电层的衬底的上侧和下侧，因此当电流通过衬底的金属层流动时，通过设置在金属层之间的介电层可以减少寄生电感。

另外，根据功率模块及其制造方法，在向功率模块施加直流电的两个功率引线之间插设绝缘层，并且两个功率引线彼此相对，因此通过绝缘层还可以期待减少寄生电感的效果。

另外，根据功率模块及其制造方法，功率半导体装置设置在衬底的上侧和下侧，因此可以确保在功率半导体装置的上侧和下侧有足够的空间。因此，与将功率半导体装置设置在两个衬底之间的常规功率模块相比，可以消除在键合线和衬底之间产生干扰，并且可以去除用于确保两个衬底之间的距离的垫片。

另外，在功率半导体装置设置在两个衬底之间的常规功率模块中，在执行第一次焊接和引线键合的过程之后需要执行第二次焊接，因此会出现由于焊料的再熔化导致的可靠性降低的问题。然而，根据本公开的功率模块及其制造方法，执行焊接的次数减少为一次，从而可以消除由于焊料的再熔化导致的可靠性降低，并且可以降低工艺成本。

本公开的效果不限于上述效果，本领域技术人员从以下描述中可以清楚地理解未提及的其它目的。

附图说明

图1是示出根据本公开的示例性实施例的功率模块的立体图。

图2是从一个方向观察图1所示的根据本公开的示例性实施例的功率模块的侧视图。

图3是从另一个方向观察图1所示的根据本公开的示例性实施例的功率模块的侧视图。

图4、图5和图6是用于解释在根据本公开的示例性实施例的功率模块中电流流动的电路图和立体图。

图7、图8、图9、图10和图11是示出根据本公开的示例性实施例的功率模块的制造方法的步骤的立体图。

具体实施方式

在下文中，参照附图更详细地描述根据本公开的各个示例性实施例的功率模块及其制造方法。

图1是示出根据本公开的示例性实施例的功率模块的立体图。另外，图2是从一个方向(即，图1中的d1方向)观察图1所示的根据本公开的示例性实施例的功率模块的侧视图。图3是从另一个方向(即，d2方向)观察图1所示的根据本公开的示例性实施例的功率模块的侧视图。

参照图1至图3，根据本公开的示例性实施例的功率模块可以包括：衬底10，具有介电层11；第一功率半导体装置21，设置在衬底10的上部；以及第二功率半导体装置22，设置在衬底10的下部。

衬底10可以使用双键合铜(double-bondedcopper，dbc)衬底，该双键合铜衬底具有介电层11、接合到介电层11的上表面的第一金属层12和接合到介电层11的下表面的第二金属层13。

第一功率半导体装置21可以焊接在衬底10的上部，更具体地，焊接在衬底10的第一金属层12的上表面上，并且可以是由si或sic材料制成的绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)。衬底10的第一金属层12可以设置有待焊接图案以便电连接到设置在第一功率半导体装置21的底表面上的电流输入/输出端子。

与第一功率半导体装置21类似，第二功率半导体装置22可以焊接在衬底10的下部，更具体地，焊接在衬底10的第二金属层13的下表面上，并且可以是由si或sic材料制成的igbt或者mosfet。衬底10的第二金属层13可以设置有待焊接图案以便电连接到设置在第二功率半导体装置22的上表面上的电流输入/输出端子。

如上所述，根据本公开的示例性实施例的功率模块是将衬底10放置在中间，并且分别在衬底10的上表面和下表面设置第一功率半导体装置21和第二功率半导体装置22，因此可以减少寄生电感量。换言之，在传统的功率模块中，由于电流在衬底中流动而产生寄生电感，且难以找到合适的方法来减少产生的寄生电感。然而，在本公开的各个示例性实施例中，将衬底10的介电层11介于中间并在衬底10的介电层11的上侧和下侧设置功率半导体装置21和22，并且电流通过介电层11两侧的金属层12和13流动。因此，通过介电层11消除了寄生电感。

根据本公开的示例性实施例的功率模块可以进一步包括：第一引线部31，设置在第一功率半导体装置21的上部且与第一功率半导体装置21电连接；以及第二引线部32，设置在第二功率半导体装置22的下部且与第二功率半导体装置22电连接。

第一引线部31可以由导电金属制成。第一引线部31的一部分与设置在第一功率半导体装置21的上表面上的电流输入/输出端子可以通过焊料s接合，从而实现电连接。

第二引线部32同样可以由导电金属制成。第二引线部32的一部分与设置在第二功率半导体装置22的上表面上的电流输入/输出端子可以通过焊料s接合，从而形成电连接。

第一引线部31和第二引线部32可以设置用于接收从功率模块的外部输入的直流电并且用于将由功率模块中的功率半导体装置21和22的开关操作产生的交流电输出到功率模块的外部的通道。

例如，第一引线部31和第二引线部32可以包括被施加来自外部的直流电压的第一功率引线311和第二功率引线321。第一功率引线311和第二功率引线321可以用作在其之间施加来自外部的直流电的汇流条(busbar)。优选地，第一功率引线311和第二功率引线321被设置为上下彼此重叠，并且可以通过在两个功率引线311和321之间插设绝缘层40来彼此电绝缘。此外，通过绝缘层40可以减少寄生电感。

另外，第一引线部31和第二引线部32可以包括用于将由功率模块中的功率半导体装置21和22的开关操作产生的交流电输出到马达并且用于接收从马达输入的交流电的第三功率引线314和第四功率引线324，其中第三功率引线314和第四功率引线324可以彼此电连接。在图1和图3中，由a表示的区域是第三功率引线314和第四功率引线324彼此电连接的区域，并且是对应于第一功率半导体装置21和第二功率半导体装置22的连接节点的区域，第一功率半导体装置21和第二功率半导体装置22相当于应用功率模块的逆变器结构中的一个桥臂(leg)中包括的两个开关装置。由a表示的区域是第一引线部31的第三功率引线314和第二引线部32的第四功率引线324通过焊料s彼此接合的区域，因此第一功率半导体装置21和第二功率半导体装置22彼此电连接。

另外，第一引线部31和第二引线部32可以包括用于向第一功率半导体装置21和第二功率半导体装置22提供控制信号的信号连接引线312和322，其中可以根据需要在信号连接引线312和322之间通过焊接或烧结来实现电连接。在图1至图3的示例中，第一引线部31设置有总共八个信号连接引线312。八个信号连接引线中的四个信号连接引线通过焊接或烧结电连接到第二引线部32的信号连接引线322。剩余的四个信号连接引线可以通过引线键合连接到第一功率半导体装置21的信号端子。另外，第二引线部32的信号连接引线322的一端通过焊接或烧结连接到第一引线部31的信号连接引线312，并且另一端可以通过引线键合连接到第二功率半导体装置22的信号端子。图9中示出了引线键合结构，并且图9是用于解释根据本公开的各个示例性实施例的功率模块的制造方法。

第一引线部31和第二引线部32可以各自包括向上突出的第一平面313和向下突出的第二平面323。第一平面313和第二平面323可以分别设置在垂直方向上与第一功率半导体装置21和第二功率半导体装置22重叠的区域，并且可以分别向上和向下突出，从而暴露在模具部50的上方和下方。

模具部50是围绕功率半导体装置21和22、衬底10以及引线部31和32的一部分而形成的结构，并且由绝缘材料制成，以保护功率模块的结构。第一引线部31的第一平面313和第二引线部32的第二平面323暴露在模具部50的外部，从而能够促进功率半导体装置21和22产生的热排放到模具部50的外部。此外，还可以将额外的冷却通道以接触上述平面的方式设置在功率模块的上方和下方，从而能够进一步提高功率模块的冷却效果。

图4至图6是用于解释在根据本公开的示例性实施例的功率模块中电流流动的电路图和立体图。

根据本公开的示例性实施例的功率模块可以提供电流在功率模块和图4所示的逆变器的一个桥臂中包括的两个开关装置s1和s4之间流动的路径。图4中所示的电流流动路径与图5和图6中所示的功率模块上的路径对应。

参照图4至图6，当从诸如电池的外部电源施加的直流电压(vdc)的正极(+)端子和负极(-)端子分别连接到第二引线部32的第二功率引线321和第一引线部31的第一功率引线311时，如路径①中所示，将来自电源的直流电压通过第二功率引线321施加到对应于开关装置s1的第二功率半导体装置22。如路径②所示，电流流过第二功率半导体装置22，并且如路径③中所示，电流流过第一引线部31的第三功率引线314与第二引线部32的第四功率引线324连接而形成的交流输出区域a。形成交流电输出区域a的第三功率引线314和第四功率引线324可以与马达连接，如路径③所示，从第三功率引线314和第四功率引线324连接而形成的交流电输出区域a流向开关装置s2的电流施加到对应于开关装置s4的第一功率半导体装置21。如路径④所示，电流流过第一功率半导体装置21，并且如路径⑤所示，电流通过第一功率引线311流向电源。

图7至图11是示出根据本公开的示例性实施例的功率模块的制造方法的步骤的立体图。

如图7所示，根据本公开的示例性实施例的功率模块的制造方法可以从制备具有上引线框架310、下引线框架320、第一功率半导体装置21、第二功率半导体装置22和介电层的衬底10的步骤开始。在该步骤中，需要电连接的部件之间插设的焊料也可以设置在衬底10和功率半导体装置21和22之间、衬底10和引线框架310和320之间或者引线框架310和320之间。还可以设置待插设在第一功率引线与第二功率引线之间的绝缘层40，第一功率引线设置在上引线框架310中，第二功率引线设置在下引线框架320中。

上引线框架310对应于图1至图3所示的第一引线部31以预定设置结构设置并固定为框架的结构。下引线框架320对应于图1至图3所示的第二引线部32以预定设置结构设置并固定为框架的结构。

接着，如图8所示，依次层压并焊接上引线框架310、第一功率半导体装置21、衬底10、第二功率半导体装置22和下引线框架320以接合，从而在每个组件之间形成电连接。在这种情况下，绝缘层40可以设置在第一功率引线和第二功率引线之间，从而绝缘层40的上表面可以与第一功率引线接触且绝缘层40的下表面可以与第二功率引线接触。当上引线框架310和下引线框架320设置在预定位置时，第一功率引线和第二功率引线可以设置为在垂直方向上彼此重叠，并且绝缘层40可以插入第一功率引线和第二功率引线之间。图8示意性地示出绝缘层40的设置结构，通过参照图1至图3中所示的绝缘层40的设置结构可以容易地理解绝缘层的详细结构。

另外，在图8所示的焊接步骤中，第一功率半导体装置21和第二功率半导体装置22可以通过由图1至图3中的a表示的相互连接区域中的焊接来彼此电连接。

随后，如图9所示，通过使用键合线60来执行上引线框架310的第一信号连接引线312和第一功率半导体装置的信号端子之间的键合。而且，可以进行下引线框架320的第二信号连接引线322和第二功率半导体装置22的信号端子之间的引线键合。

随后，如图10所示，可以形成模具部50以覆盖通过图8的焊接形成的层压结构和通过图9的引线键合步骤形成的引线键合部。在形成图10所示的模具部的步骤中，可以应用本领域已知的成型技术，诸如传递成型(transfermolding)技术。特别地，在形成模具部的步骤中，可以将模具部50形成为，使上引线框架的上表面的一部分和下引线框架的下表面的一部分暴露在模具部50的外部。

随后，如图11所示，可以通过分离和去除上引线框架310和下引线框架320的预定区域来完成功率模块。分离和去除预定区域的步骤是，移除上引线框架310和下引线框架320中的功率模块结构不需要的框架部分，从而完成如图1至图3所示的第一引线部31和第二引线部32的最终形状的步骤。

可以根据需要，在形成模具部之前额外执行移除上引线框架310和下引线框架320中的功率模块不需要的一部分的过程。

如上所述，在根据本公开的各个示例性实施例的功率模块及其制造方法中，通过在设置有介电层的衬底的上侧和下侧设置功率半导体装置，当电流通过衬底的金属层流动时，通过设置在金属层之间位置的介电层可以减少寄生电感。另外，在向功率模块施加直流电的两个功率引线之间插设绝缘层，使两个功率引线彼此相对，因此通过绝缘层可以期待减少寄生电感的效果。

另外，功率半导体装置设置在衬底的上侧和下侧，因此可以确保在功率半导体装置的上侧和下侧有足够的空间。因此，与将功率半导体装置设置在两个衬底之间的常规功率模块相比，可以消除在键合线和衬底之间产生的干扰，并且可以去除用于确保两个衬底之间的距离的垫片。

另外，在将功率半导体装置设置在两个衬底之间的常规功率模块中，在执行第一次焊接和引线键合的过程之后需要执行第二次焊接，因此出现由于焊料的再熔化导致的可靠性降低的问题。然而，在根据本公开的各个示例性实施例的功率模块及其制造方法中，执行焊接的次数减少为一次，从而可以消除由于再熔化导致的可靠性降低，并且可以降低工艺成本。

尽管出于说明性目的已描述了本公开的优选实施例，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书中所公开的本公开的技术范围和精神的情况下，可以进行各种修改、增加和替换。