一種智能功率模塊及其制造方法與流程

本發明屬于電子器件制造工藝領域，尤其涉及一種智能功率模塊及其制造方法。

背景技術：

智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)是一種將電力電子和集成電路技術結合的功率驅動類產品。IPM把功率開關器件和高壓驅動電路集成在一起，并內藏有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路。IPM一方面接收MCU的控制信號，驅動后續電路工作，另一方面將系統的狀態檢測信號送回MCU。與傳統分立方案相比，IPM以其高集成度、高可靠性等優勢贏得越來越大的市場，尤其適合于驅動電機的變頻器及各種逆變電源，是變頻調速，冶金機械，電力牽引，伺服驅動，變頻家電的一種理想電力電子器件。

智能功率模塊一般會工作在惡劣的工況中，如變頻空調的室外機，高溫高濕的狀態下，高溫會使智能功率模塊內部溫度升高，對于現行智能功率模塊被所述密封樹脂完全密封的結構，智能功率模塊內部非常容易產生熱積聚，高濕會使水氣通過所述密封樹脂與引腳之間的間隙進入所述智能功率模塊的內部電路，所述智能功率模塊內部的高溫使離子，特別是氯離子和溴離子在水氣的作用下發生遷移，對金屬線產生腐蝕，這種腐蝕往往出現在金屬線與電路元件或金屬線與所述電路布線的結合部，導致開路，對智能功率模塊構成致命破壞，嚴重時會使智能功率模塊發生失控爆炸事故，對其應用環境構成損害，造成重大經濟損失。

另外，智能功率模塊有不同功率的器件，對于不同功率的器件，金屬線的材質和粗細各不相同，增加了智能功率模塊的加工難度，購買不同的邦線設備還增加了加工成本，并且，多種邦線工藝的組合使所述智能功率模塊的制造直通率變低，生產良率難以提高。最終導致所述智能功率模塊的成本居高不下，影響了智能功率模塊的普及應用。

技術實現要素：

本發明旨在解決現有技術的不足，提供一種高可靠性的智能功率模塊及適應此種結構的工序流程作為制造方法，可在保證智能功率模塊有更良好接觸可靠性的同時降低了智能功率模塊的成本。

本發明是這樣實現的，一種智能功率模塊，包括：

作為載體的電路布線層，所述電路布線層具有上表面和與該上表面相對的下表面；

倒扣并焊接于所述電路布線層的上表面預定位置的電路元件，其中，所述電路元件包括功率元件及該功率元件的驅動元件，所述功率元件和驅動元件通過植球與所述電路布線層電連接；

貼裝于所述功率元件上表面的散熱器；及

覆蓋所述電路布線層的上表面和所述電路元件，并使所述散熱器部分表面裸露的密封層。

進一步地，還包括引腳，所述電路布線層包括靠近邊緣的引腳焊盤，所述引腳與所述引腳焊盤連接并自所述電路布線外延伸。

進一步地，所述驅動元件位于所述功率元件的下表面和所述電路布線層的上表面之間。

進一步地，所述功率元件為平面功率器件。

進一步地，驅動元件包括感溫器件。

進一步地，所述密封層為樹脂層。

上述智能功率模塊的有益效果是：不再需要金屬基板，通過可重復利用的底板固定電路布線層進行加工，通過樹脂進行最后固定，不再需要金屬邦定線，節省了成本，將電路布線背面和散熱片完全露出在樹脂外面，最大限度提高散熱效果，電路布線間的間隙完全暴露，濕氣難以附著，并且，即使外部濕氣內侵，因為已不存在金屬線，已難以構成腐蝕。

本發明的另一目的在于提供一種智能功率模塊的制造方法，包括以下步驟：

利用金屬板材制作作為載體的電路布線層；

于所述電路布線層的表面裝配電路元件，其中，所述電路元件以倒扣的方式裝配，所述電路元件包括功率元件及該功率元件的驅動元件，所述功率元件和驅動元件通過植球與所述電路布線層電連接；

于所述電路元件中的功率元件上貼裝散熱器；

于所述電路布線層的表面包覆密封層，將所述電路元件覆蓋并使所述散熱器至少部分表面裸露。

上述智能功率模塊的制造方法有益效果是：免去制作基板及其上的絕緣層的工序，通過底座進行定位，降低了塑封時定位的難度，底部完全露出，降低了注膠時上下表面厚度懸殊對參數控制的難度，免去了金屬線邦定和清洗工序，節省了設備投入，提高了生產效率，降低了工藝管控要求，使智能功率模塊的制造難度大幅下降，制造良率得到提高，進一步降低了智能功率模塊的成本。

附圖說明

圖1(A)為本發明實施例提供的智能功率模塊的俯視圖；

圖1(B)是圖1(A)中沿X-X’線的剖面圖；

圖1(C)是本發明的智能功率模塊去掉密封層后的俯視圖；

圖1(D)是本發明的智能功率模塊的下表面俯視圖；

圖2為本發明實施例提供的智能功率模塊的制造工藝流程圖；

圖3(A)、3(B)分別是本發明智能功率模塊的制造方法中制作電路布線的俯視和側視工序示意圖；

圖4(A)為引腳的尺寸標示圖；

圖4(B)為制作引腳的工序示意圖；

圖5為在功率元件的底部貼裝在散熱片的工序示意圖；

圖6(A)為在底座上配置電路布線的工序示意圖；

圖6(B)和6(C)分別為裝配電路元件、引腳的側視和俯視工序示意圖；

圖7為智能功率模塊的制造方法的密封工序示意圖；

圖8為智能功率模塊的制造方法的檢測工序示意圖；

圖9為智能功率模塊的制造方法的工序流程圖。

具體實施方式

為了使本發明要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

如圖1(A)、圖1(B)、圖1(C)、圖1(D)所示，智能功率模塊包括電路布線層(電路布線)18、包括驅動元件14和功率元件14A的電路元件、散熱器15構成的電路，用于使電路布線層18和驅動元件14及功率元件14A形成電接觸的植球19，和配置在電路布線層18邊緣的引腳11，和密封該電路且完全覆蓋所述電路元件和所述電路布線18上表面的密封層12。其中，圖1(A)是本發明的智能功率模塊10的上表面俯視圖，所述散熱器15從上表面露出，圖1(B)是沿圖1(A)的X-X’線的截面圖，圖1(C)是去掉覆蓋電路元件的所述密封層12后的俯視圖，圖1(D)是本發明的智能功率模塊10的下表面俯視圖，所述電路布線18從下表面露出。

具體地，電路布線層18作為智能功率模塊10的載體，所述電路布線層18具有上表面和與該上表面相對的下表面；電路元件倒扣并焊接于所述電路布線層18的上表面預定位置，電路元件包括功率元件14A及該功率元件14A的驅動元件14，所述功率元件14A和驅動元件14通過植球19與電路布線層18電連接；散熱器15貼裝于所述功率元件上表面的；密封層12覆蓋所述電路布線層18的上表面和所述電路元件，并使所述散熱器15部分表面裸露。

具體地，功率元件14A為平面功率器件，如IGBT管，必須使用LIGBT。散熱器15為散熱片，散熱片表面可以考慮進行電鍍銀處理，增加沁潤性。密封層12為密封樹脂層。驅動元件14位于功率元件14A的下表面和電路布線18層的上表面之間。

進一步地，電路布線18的靠近至少一個邊緣上，有用于配置引腳11的特殊的電路布線，稱為引腳焊盤18A。引腳11引腳焊盤18A連接并自所述電路布線18外延伸。所述引腳11表面覆蓋有鍍層。

以下說明這樣的各構成要素。

電路布線18由厚度為5盎司以上的銅材通過沖壓或刻蝕的形式制作而成，為了防止氧化，所述電路布線18的上表面可以進行鍍金處理，為了成本，所述電路布線18的上表面也可以進行鍍銀處理，或者通過真空或充氮包裝進行運輸，上表面不作處理。

所述電路元件被倒裝固定在所述電路布線18上。所述電路元件采用晶體管或二極管等有源元件、或者電容或電阻等無源元件。另外，通過由銅等制成的散熱器15貼裝在功率元件14A等發熱量大的元件背面。

通過由銅等制成的散熱器15貼裝在功率元件14A等發熱量大的元件背面，功率元件14A一般為IGBT管、MOS管；驅動元件14被貼裝在電路布線層18上，驅動元件14為IGBT管、MOS管的驅動電路，一般為高壓集成電路。進一步地，驅動元件14還包括感溫器件，驅動元件14上的感溫器件可以實時監測功率元件14A的溫度，并且進一步縮小了模塊面積。

電路布線層18上表面特定位置布置有植球點18B，驅動元件14被倒扣裝配在電路布線18的所述植球點18B上。植球點18B上有植球19，植球19可以是錫球，與功率元件14A接觸的植球19的高度，比與驅動元件14接觸的所述植球19的高度高，一般高400～500μm左右。

在此，設計成一邊上設有多條引腳11，其具有例如與外部進行輸入、輸出的作用。引腳11和引腳焊盤18A通過焊錫等導電電性粘結劑焊接。

引腳11一般采用銅等金屬制成，銅表面通過化學鍍和電鍍形成一層鎳錫合金層，合金層的厚度一般為5μm，鍍層可保護銅不被腐蝕氧化，并可提高可焊接性。

所述密封層12可通過傳遞模方式使用熱硬性樹脂模制也可使用注入模方式使用熱塑性樹脂模制。在此，所述密封層12完全密封所述電路布線18的一面上的所有元素，并包裹所述電路布線18的大部分深度，只露出小部分電路布線下表面，電路布線下表面深度一般可以考慮設計成0.5盎司左右，如果電路布線下表面深度過小，可能會造成本發明的智能功率模塊10后續焊接固定過程中難以被錫膏等焊料包裹，如果電路布線下表面深度過大，可能會造成本發明的智能功率模塊10后續焊接固定過程中錫膏的爬錫高度不能完全包裹電路布線下表面；在此，散熱器15從所述密封層12中露出，使功率元件14A的熱量被快速散失。

智能功率模塊的有益效果是：不再需要金屬基板，通過可重復利用的底板固定電路布線層進行加工，通過樹脂進行最后固定，不再需要金屬邦定線，節省了成本，將電路布線背面和散熱片完全露出在樹脂外面，最大限度提高散熱效果，電路布線間的間隙完全暴露，濕氣難以附著，并且，即使外部濕氣內侵，因為已不存在金屬線，已難以構成腐蝕。驅動元件直接貼裝在功率元件表面，驅動元件上的感溫器件可以實時監測大功率功率電路元件的溫度，并且進一步縮小了模塊面積。

參考圖2，說明所述智能功率模塊的制造方法，包括以下步驟：

步驟S110，利用金屬板材制作作為載體的電路布線層；

步驟S120，于所述電路布線層的表面裝配電路元件，其中，所述電路元件以倒扣的方式裝配，所述電路元件包括功率元件及該功率元件的驅動元件，所述功率元件和驅動元件通過植球與所述電路布線層電連接；

步驟S120，于所述功率元件14A上貼裝散熱器；

步驟S140，于所述電路布線層的表面包覆密封層，將所述電路元件覆蓋并使所述散熱器至少部分表面裸露。

步驟S140具體為：在所述電路布線層的表面周圍設置熱硬性樹脂框；在所述熱硬性樹脂框的范圍內注入熱塑性樹脂以密封所述電路布線層和電路元件。

在步驟S120之前還包括：制成獨立的帶鍍層的引腳的步驟。該步驟具體包括：選取銅基材，對銅基材通過沖壓或蝕刻的方式，制成一排引腳，引腳之間通過加強筋連接；在所述引腳表面依次形成鎳層和鎳錫合金層，得到帶鍍層的引腳。

在步驟S140之前還包括以下步驟：清除殘留在所述絕緣層的助焊劑。

通過底座進行定位，降低了塑封時定位的難度，底部完全露出，降低了注膠時上下表面厚度懸殊對參數控制的難度，免去了金屬線邦定和清洗工序，節省了設備投入，提高了生產效率，降低了工藝管控要求，使智能功率模塊的制造難度大幅下降，制造良率得到提高，進一步降低了智能功率模塊的成本。

在更具體的實施例中，結合圖3(A)至圖9，智能功率模塊的制造方法包括以下工序。

第一工序，參照圖3(A)和3(B)：

本發明的第一工序是作為本發明特征的工序，本工序是在大小合適的銅基板上形成電路布線的工序。

首先，參照圖3(A)和延圖3(A)的X-X’線的截面圖3(B)，根據需要的電路布局設計，對于一般的智能功率模塊，電路布局不應大于64mm×30mm。制造出合適的沖壓模具沖壓出特定的形狀。也可通過鑼刀使用高速鋼作為材質，馬達使用5000轉/分鐘的轉速，鑼刀與鋁材平面呈直角下刀行程特定的形狀。也可通過蝕刻工具，通過化學反應刻蝕出特定的形狀。

在此，這個特定形狀就是所述電路布線18。

在對抗氧化要求很高的場合，可以通過電鍍金或化學沉金的方式，在所述電路布線18表面形成金層。

在此，用于制造所述電路布線18的銅板的厚度應該不小于5盎司，保證能與后續的所述樹脂12有更大的接觸面積，使所述智能功率模塊10成品有更強的固定效果。

第二工序，參照圖4(A)和圖4(B)：

本發明的第二工序是作為本發明特征的工序，本工序是制成獨立的帶鍍層的引腳11的工序。

每個引腳11都是用銅基材，制成長度C為25mm，寬度K為1.5mm，厚度H為1mm的長條狀，如圖4(A)所示；在此，為便于裝配，在其中一端壓制出一定的弧度，如圖4(B)所示；

然后通過化學鍍的方法形成鎳層：通過鎳鹽和次亞磷酸鈉混合溶液，并添加了適當的絡合劑，在已形成特定形狀的銅材表面形成鎳層，在金屬鎳具有很強的鈍化能力，能迅速生成一層極薄的鈍化膜，能抵抗大氣、堿和某些酸的腐蝕。鍍鎳結晶極細小，鎳層厚度一般為0.1μm；

接著通過酸性硫酸鹽工藝，在室溫下將已形成形狀和鎳層的銅材浸在帶有正錫離子的鍍液中通電，在鎳層表面形成鎳錫合金層，鎳層厚度一般控制在5μm，鎳層的形成極大提高了保護性和可焊性；

到此，所述引腳11制造完成。

在此，本發明的所述引腳11是一個個單獨的引腳，不同于現行技術的整排引腳，因為所述引腳11被固定在的所述電路布線18僅通過樹脂部分包裹固定，抗沖擊強度有限，單獨的引腳避免了切除加強筋的工序，能夠降低對本發明的智能功率模塊10的系統性沖擊。

第三工序，參考圖5：

本發明的第三工序是作為本發明特征的工序，本工序是將制造出散熱器15，并在L型功率元件14A的背部(上表面)貼裝在所述散熱器15上，將驅動元件14貼裝在功率元件14A的下表面的工序。

散熱器15可設計為厚度為1.5mm左右的銅片，通過沖壓或刻蝕的方式制作而成，銅片通過電鍍的方式鍍銀，銀層厚度可考慮設計為22～30μm。

然后通過共晶工藝，用熔點300℃以上的高溫錫膏，可考慮使用田村品牌，將L型功率元件14A的背面貼裝在所述散熱器15上。在此，L型功率器件14即為平面型功率器件，此種功率器件的所有電極都位于功率器件的正面，正面的電極在下述工序中與所述電路布線18相連。

完成功率元件14A在散熱器15上的貼裝后，在功率元件14A的表面上通過點膠或噴膠的方式涂敷非導電凝膠，凝膠的涂敷面積比驅動元件14的面積略小，驅動元件14通過DA機放置在所述凝膠的表面，驅動元件14即使背面為Si材料也盡量避免與功率元件14的電極接觸，避免意外情況發生，如果所述驅動元件14背面為金屬材料，更應避免與功率元件14的電極接觸；然后進行烘烤，烘烤溫度根據所用凝膠的材料而定，一般地，烘烤溫度應在125℃左右，烘烤時間為1～2小時，使凝膠完全凝固。

在此，所述功率器件14的共晶平整度考慮控制在<0.1mm。

第四工序，參考圖6(A)、6(B)和6(C)：

本發明的第三工序是作為本發明特征的工序，本工序是在底板16上配置電路布線18，并在所述電路布線18表面倒裝電路元件和配置所述引腳11的工序。

首先，制作出如圖6(A)的底板16，所述底板16可以使用高強度的不銹鋼制作而成，在所述底板16的表面，有根據所述電路布線18形狀挖出的凹陷17，所述凹陷17的寬度略大于對應的所述電路布線18的寬度，所述凹陷17的深度約為0.5盎司。

其次，參照側視圖圖6(B)和俯視圖圖6(C)，將制作好的電路布線18放置在所述底板16的對應所述凹陷處，并通過錫膏印刷機，使用鋼網，對所述電路布線18的特定位置引腳焊盤18A和植球點18B進行錫膏涂裝，鋼網可使用0.13mm～0.20mm的厚度。對電路布線18的特定位置植球點18B進行植球19，在此，植球19是“錫膏”+“錫球”的方式，通過鋼網的孔，使每個植球點18B的位置都有錫球，并且應注意到錫球的高度不同，可以通過階梯鋼網，刷不同厚度錫膏+植相同大小錫球的方式實現，也可以通過刷相同厚度錫膏+植不同大小錫球的方式實現。通過SMT機或DA機等設備，進行電路元件，包括已經配置所述散熱器15的驅動元件14和引腳11的安裝，電路元件可直接倒裝在所述電路布線18的特定位置，而引腳11則一端要安放在所述焊盤18A上，另一端需要載具20進行固定，所述載具20通過合成石等材料制成。

然后，放于所述載具20上的所述底板16通過回流焊，錫膏固化，所述電路元件和所述引腳11被固定。

在此，因為回流的時間一般不會超過10分鐘，凝膠一般不會融化，并且，由于底板16的存在，即使凝膠軟化，驅動元件14的相對位置也不會發生變化，在回流工藝結束后，凝膠重新硬化，驅動元件14不會與功率元件14A發生剝離。

回流后，為了去除飛濺的助焊劑，可以進行清洗，為了降低成本，也可以不清洗，飛濺到電路布線18上的助焊劑劑量一般非常少，對可靠性影響不大。

第五工序，參照圖7：

本發明的第五工序是作為本發明特征的工序，參照圖7，本工序是說明由密封樹脂12密封電路布線18的工序。圖7表示使用模具50由密封樹脂密封被所述底板16承載的電路布線18的工序的剖面圖。

首先，在無氧環境中對電路布線18進行烘烤，烘烤時間不應小于2小時，烘烤溫度和選擇125℃。

將配置好所述電路布線18的底板16搬送到模型44及45。通過使引腳11的特定部分與固定裝置46接觸，進行所述電路基板16的定位。

合模時，在形成于模具50內部的模腔中放置底板16，然后由澆口53注入密封樹脂形成密封層12。進行密封的方法可采用使用熱硬性樹脂的傳遞模模制或使用熱硬性樹脂的注入模模制。而且，對應自澆口53注入的密封樹脂12模腔內部的氣體通過排氣口54排放到外部。

在此，所述上模44應與所述散熱器15接觸，所述下模45應與底板16接觸。

第六工序，參照圖8：

本發明第六工序是進行所述引腳11成型和模塊功能測試的工序，智能功率模塊經由此工序作為制品完成。

在前工序即傳遞模模裝工序使除引腳11以外的其他部分都被樹脂12密封。本工序根據使用的長度和形狀需要，例如，在虛線51的位置將外部引腳11折彎成一定形狀，便于后續裝配。

然后將模塊放入測試設備中，進行常規的電參數測試，因為所述引腳11相互獨立，成型后可能會有部分引腳不在同一水平面上，影響接觸，所以一般需要先進行測試機金手指與引腳的接觸測試，如果接觸測試不通過，需要對所述引腳11進行修調處理，直到接觸測試通過后，再進行電氣特性測試，包括絕緣耐壓、靜態功耗、遲延時間等測試項目，測試合格者為成品。

利用上述工序，完成圖2所示的智能功率模塊10。

以上僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。