插孔式功率模块的封装结构的制作方法

1.本发明涉及功率器件封装技术领域，具体涉及一种插孔式功率模块的封装结构。


背景技术：

2.相关技术中，双面散热功率模块的端子通常采用凸出式设计，所占空间体积大，而且端子的上下折弯，会增加一道或多道工序，使产品可靠性降低，同时，上下两层均采用dbc板，成本较高，散热效率较差。


技术实现要素：

3.本发明为解决上述技术问题，提供了一种插孔式功率模块的封装结构，散热底板采用一体化结构，顶板采用塑封外壳，在确保散热效率的同时，降低了成本，同时，采用插孔式设计，不仅减少了裁剪和折弯的工艺环节，节约了时间和人力成本，而且有利于热应力的释放，进一步提供了散热效率。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种插孔式功率模块的封装结构，包括：塑封外壳；引线铜排组，所述引线铜排组包括第一引线铜排和第二引线铜排，其中，所述第一引线铜排设置在所述塑封外壳的内表面的一侧，所述第二引线铜排设置在所述塑封外壳的内表面的另一侧；一体化散热铜底板，所述一体化散热铜底板与所述引线铜排组平行设置；n个功率芯片组，每个所述功率芯片组包括第一功率芯片和第二功率芯片，其中，所述第一功率芯片焊接在相应的所述第一引线铜排上，所述第二功率芯片焊接在所述一体化散热铜底板上，其中，n为大于或等于3的整数；n个支架组，每个所述支架组包括第一金属架和第二金属架，所述第一金属架的一端与相应的所述第一功率芯片相连，所述第一金属架的另一端与所述一体化散热铜底板相连，所述第二金属架的一端与相应的所述第二引线铜排相连，所述第二金属架的另一端与所述第二功率芯片相连；内嵌插孔组，所述内嵌插孔组内嵌在所述封装结构内，所述内嵌插孔组分别焊接在所述引线铜排组和所述一体化散热铜底板上。
6.在本发明的一个实施例中，所述内嵌插孔组包括：第一功率端插孔，所述第一功率端插孔焊接在所述第一引线铜排上；第二功率端插孔，所述第二功率端插孔焊接在所述第二引线铜排上；n个第一栅极信号端插孔，n个所述第一栅极信号端插孔与n个所述第一功率芯片对应相连，n个所述第一栅极信号端插孔焊接在所述第一引线铜排上；n个第一信号端插孔，n个所述第一信号端插孔与n个所述第二功率芯片对应相连，n个所述第一信号端插孔焊接在所述第二引线铜排上。
7.在本发明的一个实施例中，插孔式功率模块的封装结构，还包括：n个第一栅极键合铝丝，每个所述第一栅极信号端插孔均通过一个所述第一栅极键合铝丝与相应的所述第一功率芯片相连。
8.在本发明的一个实施例中，所述一体化散热铜底板包括：n个上铜层，每个所述上铜层上均焊接有一个第一功率芯片，且每个所述上铜层均与一个所述第一金属架的另一端
相连；中间绝缘层，所述中间绝缘层的一侧与所述n个上铜层相连；散热铜层，所述散热铜层与所述中间绝缘层的另一侧相连。
9.在本发明的一个实施例中，所述内嵌插孔组还包括：n个第三功率端插孔，n个所述第三功率端插孔分别焊接在n个所述上铜层上；n个第二栅极信号端插孔，n个所述第二栅极信号端插孔与n个所述第二功率芯片对应相连，n个所述第二栅极信号端插孔分别焊接在n个所述上铜层上；n个第二信号端插孔，n个所述第二信号端插孔与n个所述第一功率芯片对应相连，n个所述第二信号端插孔分别焊接在所述n个所述上铜层上。
10.在本发明的一个实施例中，插孔式功率模块的封装结构，还包括：n个第二栅极键合铝丝，每个所述第二栅极信号端插孔均通过一个所述第二栅极键合铝丝与相应的所述第二功率芯片相连。
11.在本发明的一个实施例中，插孔式功率模块的封装结构，还包括：ntc电阻，所述ntc电阻焊接在所述第一引线铜排上。
12.在本发明的一个实施例中，内嵌插孔组包括：第一电阻信号端插孔和第二信号端插孔，所述第一电阻信号端插孔和所述第二信号端插孔焊接在所述第一引线铜排上且分别与所述ntc电阻的两端相连。
13.在本发明的一个实施例中，n个所述支架组中的金属架均呈星型。
14.本发明的有益效果：
15.本发明散热底板采用一体化结构，顶板采用塑封外壳，在确保散热效率的同时，降低了成本，同时，采用插孔式设计，不仅减少了裁剪和折弯的工艺环节，节约了时间和人力成本，而且有利于热应力的释放，进一步提供了散热效率。
附图说明
16.图1为本发明实施例的插孔式功率模块的封装结构的爆炸图；
17.图2为本发明一个实施例的插孔式功率模块的封装结构在靠近引线铜排组一侧的剖视图；
18.图3为本发明一个实施例的插孔式功率模块的封装结构在靠近一体化散热铜底板一侧的剖视图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.图1是根据本发明实施例的插孔式功率模块的封装结构的示意图。
21.如图1所示，本发明实施例的插孔式功率模块的封装结构可包括：塑封外壳100、引线铜排组200、一体化散热铜底板300、n个功率芯片组400、n个支架组500和内嵌插孔组(图1中未具体示出)。
22.其中，引线铜排组200包括第一引线铜排210和第二引线铜排220，其中，第一引线铜排210设置在塑封外壳100的内表面的一侧，第二引线铜排220设置在塑封外壳100的内表
面的另一侧；一体化散热铜底板300与引线铜排组200平行设置；每个功率芯片组400包括第一功率芯片410和第二功率芯片420(如图1中仅示出一个功率芯片组400)，其中，第一功率芯片410焊接在第一引线铜排210上(例如，第一功率芯片410可通过银烧结工艺与第一引线铜排210烧结在一起)，第二功率芯片420焊接在一体化散热铜底板300上(例如，第二功率芯片420可通过银烧结工艺与一体化散热铜底板300烧结在一起)，其中，n为大于或等于3的整数；每个支架组500包括第一金属架510和第二金属架520，第一金属架510的一端与相应的第一功率芯片410相连，第一金属架510的另一端与一体化散热铜底板300相连(例如，第一金属架510的一端可通过银胶与相应的第一功率芯片410粘接在一起，第一金属架510的另一端可通过银胶与一体化散热铜底板300粘接在一起)，第二金属架520的一端与相应的第二引线铜排220相连，第二金属架520的另一端与第二功率芯片420相连(例如，第二金属架520的一端可通过银胶与相应的第二引线铜排220粘接在一起，第二金属架520的另一端可通过银胶与第二功率芯片420粘接在一起)；内嵌插孔组内嵌在封装结构内，内嵌插孔组分别焊接在引线铜排组200和一体化散热铜底板300上。
23.其中，n个支架组500中的金属架均呈星型。由此，星型金属架的设置，极大地增加了过流面积，使功率模块的短路承受能力大大增加，而且不会像传统铝线键合一样，因为单根铝线的失效而加速模块整体的失效。并且与几乎只承担电气连接功能的键合铝线不同，星型金属架除了实现电气连接功能外，还有双向传热功能，同时，单一规格的星型金属架，结构简单，三角形结构，结构强度高，稳定性强，可以保持上下两面的高度平行，使功率芯片的散热路径高度一致，降低功率模块工作温度的同时，也防止了单一功率芯片因散热路径不同而引起的功率芯片温升不同。另外，相较于传统的铝线键合方式，本专利中功率芯片与外部电路的连接采用星型金属架接的方式，功率芯片发射极无须键合数量众多的铝线，结构简单，封装效率成倍数的增加，而且还降低了功率模块内部的杂散电感。
24.其中，功率芯片组400中的每个功率芯片均集成了igbt和fwd的功能，为一种rc-igbt(逆导芯片)。
25.其中，环氧树脂或其他热成型材料可通过塑封工艺变成塑封外壳100，对功率模块起保护、绝缘等作用。
26.在本发明的一个实施例，如图2所示，内嵌插孔组600可包括：第一功率端插孔610、第二功率端插孔620、n个第一栅极信号端插孔630和n个第一信号端插孔640。
27.第一功率端插孔610焊接在第一引线铜排210上，其中，第一功率端插孔610可通过超声焊接工艺与第一引线铜排210焊接在一起；第二功率端插孔620焊接在第二引线铜排220上，其中，第二功率端插孔620可通过超声焊接工艺与第二引线铜排220焊接在一起；n个第一栅极信号端插孔630(图2中仅示出3个第一栅极信号端插孔630)与n个第一功率芯片510对应相连，n个第一栅极信号端插孔630焊接在第一引线铜排210上，其中，n个第一栅极信号端插孔630可通过超声焊接工艺与第一引线铜排210焊接在一起；n个第一信号端插孔640与n个第二功率芯片420对应相连，n个第一信号端插孔焊接在第二引线铜排220上，其中，n个第一信号端插孔可通过超声焊接工艺与第二引线铜排220焊接在一起，其中，图2中仅示出3个第一功率芯片410、3个第一金属架510和3个第二金属架520。
28.其中，第一功率端插孔610可为dc+功率端插孔，第二功率端插孔620可为dc-功率端插孔。
29.在本发明的一个实施例，如图2所示，插孔式功率模块的封装结构还包括：n个第一栅极键合铝丝700。其中，每个第一栅极信号端插孔630均通过一个第一栅极键合铝丝700与相应的第一功率芯片410相连。
30.在本发明的一个实施例，如图3和1所示，一体化散热铜底板300包括：n个上铜层310(图3中仅示出3个上铜层310)、中间绝缘层320和散热铜层330。
31.其中，每个上铜层310上均焊接有一个第一功率芯片410，且每个上铜层310均与一个第一金属架510的另一端相连；中间绝缘层320的一侧与n个上铜层310相连；散热铜层330与中间绝缘层320的另一侧相连。
32.由此，采用散热铜层330、中间绝缘层320和多个上铜层310的一体化结构组成一体化散热铜底板300，集成了功率模块中dbc和铜基板所承担的功能，相较于传统的dbc和铜基板焊接在一起的方式，该散热底板不存在焊接空洞问题，而且热阻也会相应的降低。
33.在本发明的一个实施例，如图3所示，内嵌插孔组600还包括：n个第三功率端插孔650(图3中仅示出三个)、n个第二栅极信号端插孔660(图3中仅示出三个)和n个第二信号端插孔670(图3中仅示出三个)。
34.其中，n个第三功率端插孔650分别焊接在n个上铜层上，其中，n个第三功率端插孔650可通过超声焊接工艺分别与n个上铜层焊接在一起；n个第二栅极信号端插孔660与n个第二功率芯片420对应相连，n个第二栅极信号端插孔660分别焊接在n个上铜层310上，其中，n个第二栅极信号端插孔660可通过超声焊接工艺分别焊接在n个上铜层310上；n个第二信号端插孔670与n个第一功率芯片410对应相连，n个第二信号端插孔670分别焊接在n个上铜层上，其中，n个第二信号端插孔670可通过超声焊接工艺分别焊接在n个上铜层上。
35.在本发明的一个实施例中，如图3所示，插孔式功率模块的封装结构还包括：n个第二栅极键合铝丝800，其中，每个第二栅极信号端插孔660均通过一个第二栅极键合铝丝800与相应的第二功率芯片420相连。
36.在本发明的一个实施例，如图1和2所示，插孔式功率模块的封装结构还包括：ntc电阻900，其中，ntc电阻900焊接在第一引线铜排210上。
37.在本发明的一个实施例，如图1和2所示，内嵌插孔组600还包括：第一电阻信号端插孔680和第二信号端插孔690，其中，第一电阻信号端插孔680和第二信号端插孔690焊接在第一引线铜排210上且分别与ntc电阻900的两端相连，其中，第一电阻信号端插孔680和第二信号端插孔690可通过超声焊接工艺与第一引线铜排210焊接在一起。
38.由此，本发明采用了全新的插孔式设计，与传统的端子相比，减少了裁剪和折弯的工艺环节，节约了时间和人力成本。插孔式的设计便于连接，组装拆卸非常便捷，封装步骤简单，同时，也有利于热应力的释放。插孔通过超声键合的方式与功率模块内部实现电气连接，过流能力强，插孔与铜框架和散热底板的图形面的材质相同，与使用焊料焊接的传统封装相比，同种材质物理特性一致性高，可靠性更好，寿命更长。
39.综上所述，根据本发明实施例的插孔式功率模块的封装结构，包括：塑封外壳、引线铜排组、一体化散热铜底板、n个功率芯片组、n个支架组和内嵌插孔组，引线铜排组包括第一引线铜排和第二引线铜排，其中，第一引线铜排设置在塑封外壳的内表面的一侧，第二引线铜排设置在塑封外壳的内表面的另一侧，一体化散热铜底板与引线铜排组平行设置，每个功率芯片组包括第一功率芯片和第二功率芯片，其中，第一功率芯片焊接在第一引线
铜排上，第二功率芯片焊接在一体化散热铜底板上，每个支架组包括第一金属架和第二金属架，第一金属架的一端与相应的第一功率芯片相连，第一金属架的另一端与一体化散热铜底板相连，第二金属架的一端与相应的第二引线铜排相连，第二金属架的另一端与第二功率芯片相连，内嵌插孔组内嵌在封装结构内，内嵌插孔组分别焊接在引线铜排组和一体化散热铜底板上。由此，散热底板采用一体化结构，顶板采用塑封外壳，在确保散热效率的同时，降低了成本，同时，采用插孔式设计，不仅减少了裁剪和折弯的工艺环节，节约了时间和人力成本，而且有利于热应力的释放，进一步提供了散热效率。
40.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
44.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
45.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
46.此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模
块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
47.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。