專利名稱：電源模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及在同一組合件內組裝有功率元件芯片及其驅動電路和控制電路的電源模塊，更具體地說，涉及使功率元件產生的熱量可靠地擴散，同時將驅動電路和控制電路等基本上與功率元件鄰近地配置在同一平面上的電源模塊。
在同一組合件內裝入功率元件芯片(例如，功率晶體管芯片、MOS、二極管、可控硅等)及其驅動電路和控制電路，從而集成電路化的電源模塊體積小，工作性能優越，因而廣泛地用作為合成三相交流電的逆變電源電路，或者用作為周圍機器的控制電源電路。
但是，功率元件芯片發熱，因而，組裝在組合件中的驅動電路和控制電路的元件會受熱而發生誤動作，或者發生故障。因此，為了保護驅動電路和控制電路不受功率元件芯片熱量的影響，必須將功率元件芯片與驅動電路或控制電路之間隔開相當距離，器件的小型化也受到限制。
為此，如圖4及圖5所示，提供了一種將模塊內部分為兩層，減小模塊所占面積的電源模塊。亦即，電源模塊11形成雙層構造，包括由支撐功率晶體管芯片12的鋁基板或DBC(直焊銅片DirectBondingCopper)基板等作成的基座基板13，和隔開一定距離設置在基座基板13之上，由具有驅動電路和保護電路的圖案的印刷電路板做成的控制基板14。在基座基板13的上面，連接電源模塊11的輸出端15，另外，形成用于連接功率晶體管12和控制電路基板14的輸入、出端子的圖案。控制電路基板14藉助作為支撐腳的連接端16，隔開一定距離支撐在基座基板13上，同時，利用該連接端16連接控制基板14的輸入、出端和基座基板13的圖案。在控制基板14上安裝驅動電路和保護電路的電路元件17，并連接控制端18。在基座基板13和控制基板14上覆蓋合成樹脂制的盒蓋19。基座基板13的下表面暴露在外，按照需要安裝散熱板。
如圖5所示，晶體管芯片12采用其上表面具有基極20和發射極21，下面整體形成集電極端22的裸芯片(barechip)。該晶體管芯片12的下面亦即集電極端22用焊錫24固定在由銅之類導熱性好的金屬制成的散熱板23上表面，散熱板23的下表面用焊錫固定在基座基板13上。晶體管芯片12的基極20、發射極21由鋁線28連接基座基板13上規定的圖案26、27。發射極端22用焊錫連接基座基板13的規定圖案，這在圖中未示出。如圖4所示，固定在基座基板13上的晶體管芯片12涂覆合成樹脂密封劑29。
利用這種雙層結構，可以減小電源模塊的面積，但其高度卻增加了。另外，在基座基板13上必須要有支撐控制基板14并且將兩者作電氣連接用的裝置，存在結構復雜化、組裝工序多等缺點。此外，由于要求基礎基板13具有良好的散熱性和絕緣性，因而采用鋁板或DBC基板，所以材料成本增高。
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種電源模塊，其支持功率元件芯片的基座基板與印刷有驅動電路及保護電路圖案的控制基板的連接結構得到簡化。
本發明另一目的在于提供功率元件芯片與驅動電路和控制電路等基本處在同一平面并且鄰近設置的電源模塊。
本發明所提供電源模塊在同一組合件中組裝進功率元件芯片和其驅動電路和控制電路等，具有由具有散熱性能的金屬板構成的在其上表面支持功率元件芯片的散熱板;在上表面印刷有驅動電路和控制電路的圖案以及功率元件芯片的連接圖案，具有可插入散熱板的開口的控制基板;由具有散熱性能的金屬板構成的基座基板，固定支撐控制基板以及插入開口中的散熱板。
在這種結構下，功率元件芯片和控制基板基本支撐在同一平面上，與原有的雙層結構相比，可以減少一半高度。另外，散熱板固定在基座基板上，因而，散熱板上功率元件芯片的熱量從散熱板傳遞至基座基板，進而向外散發，因而不會將熱量傳遞給控制基板上的電路元件。因而，可以將控制基板的電路元件設置在靠近功率元件芯片之處，從而能減小控制基板的面積，與已有的相比，電源模塊可做得極小。
本發明提供的電源模塊依靠引線連接法連接功率元件芯片和控制基板的連接圖案，藉此可吸收散熱板與控制基板熱膨脹系數的差別，使熱應力下的可靠度得以提高。這樣，功率元件芯片的一部分端子也可焊接在控制基板的連接圖案上，依靠焊錫牢固地固定散熱板和控制基板，即使由于散熱板和控制基板熱膨脹系數上的差別而發生收縮情況，也能可靠地保持兩者不動。
從以下對實施例的說明中可以清楚地看出本發明其它的目的和優點。
圖1是本發明的電源模塊第1實施例主要部分的縱向剖視圖。
圖2是與圖1不同方向上所見的功率晶體管芯片部分的放大縱向剖視圖。
圖3是本發明的電源模塊第2實施例中功率晶體管芯片部分的放大縱向剖視圖。
圖4是一例原有電源模塊的主要部分的縱向剖視圖。
圖5是其功率晶體管芯片部分的放大縱向剖視圖。
下面參照
本發明的較佳實施例。在各實施例中，同一結構部分標以相同標號，并省略重復的說明。
首先說明圖1及圖2所示的第1實施例。在電源模塊31中，控制基板33是一塊印刷電路板，它印刷有連接功率晶體管芯片32端子的圖案和驅動電路及保護電路的圖案，并利用支持該控制基板33的基座基板34和隔開一定間隔覆蓋在基座基板34上面的盒蓋35將控制基板33密封在內。如前述的已有實例一樣，控制基板33上安裝驅動電路與保護電路的電路元件36，還連接控制端37和電源模塊31的輸出端38。基座基板34用散熱性能良好的鋁等金屬板構成。另外，為了進一步提高散熱效果，可在基座基板34的背面安裝散熱板。
圖2中詳細示出，控制基板33上形成開口41，用于插入其上表面支持有功率晶體管芯片32的散熱板39。散熱板39用氮化鋁和鋁等散熱性能良好及絕緣性能優良的材料做成，依靠其下面的粘接材料42，與控制基板33共同安裝在基座基板34上。散熱板39的上表面設置經DBC處理的金屬部43。該金屬部43設置成其銅的部分接觸散熱板39，在金屬部43上表面的鍍鎳部分，用焊錫45固定功率晶體管芯片32的集電極端子44。與前述已有實例相同，功率晶體管芯片32上部具有基極46和發射極(圖中未示出)，下部整體作為集電極端子44。焊錫45與控制基板33連接集電極端子44的圖案47之間通過引線接合法用鋁線48連接。基極46與控制基板33連接基極46的圖案49也借助引線接合法用鋁線48連接。另外，圖案47、49之上鍍鎳，然后再薄鍍一層金，將鋁線48的接合牢牢地固定。為了在物理、化學以及電氣等方面保護功率晶體管芯片32，用環氧樹脂、作為填充材料的硅石粉、作為添加劑的碳黑之類著色劑和草酸之類難燃材料等做成密封材料50，覆蓋在芯片32上。
如上所述，第1實施例中的電源模塊31，在基座基板34上的一塊控制基板33中設置用于插入散熱板39的開口41，將散熱板39插入其中，因而，實際上只有一層結構，與已有的雙層結構相比，可以減少一半高度。另外，散熱板39側面與開口41的側壁有一定間隔，因而，散熱板39上功率晶體管芯片32的熱量不會從散熱板39直接傳遞到控制基板33。散熱板39的下表面固定在基座基板34上，因而，傳遞到散熱板39的熱量被傳送至基座基板34，由基座基板34向外散熱。所以，傳遞給控制基板33的電路元件的熱量較少，從而可以將這些電路元件設置在靠近功率晶體管芯片32處，這樣減少了控制基板33的面積。因而電源模塊31可以做得比原有的電源模塊要小。另外，功率晶體管芯片32與控制基板33之間用鋁線48連接，因而可以吸收散熱板39與控制基板33的熱膨脹系數的差別，提高對于熱應力的可靠性。
下面說明電源模塊31的組裝。首先用焊錫45將功率晶體管芯片32的集電極端子44一側固定在散熱板39的金屬部43上。接著，在控制基板33上安裝驅動電路和保護電路的電路元件36，用粘接材料42將控制基板33固定在基座基板34上。進而將功率晶體管芯片32的基極46與控制基板33的圖案49，以及金屬部43與圖案47，用鋁線48連接。與此相同，圖中未示出的發射極與控制基板33連接發射極端子用的圖案之間也用鋁線48作電氣連接。然后在散熱板39上涂敷粘接材料42，將其插入控制基板33的開口41中，固定在基座基板34上，再安裝盒蓋35。
圖3所示的第2實施例在控制基板33的開口41附近設圖案47，用于連接功率晶體管芯片32的集電極端子44，圖案47與金屬部43之間用焊錫51連接。依靠焊錫的連接，散熱板39與控制基板33牢固地固定，即使由于散熱板39與控制基板33熱膨脹系數有差別而發生收縮，也能可靠地保持兩者不動，因而對于熱應力的可靠性提高了。另外，在本例中，散熱板39的下表面設置與金屬部43相同的金屬部52，用焊錫53固定在基座基板34上，藉此，散熱板39的基座基板34的穩定性提高了。另外，54是功率晶體管芯片32的發射極，由鋁線48連接到控制基板33的圖案55。
以上根據較佳實施例對本發明作了說明，但這些說明是為本發明易于理解而作，本發明可以有各種變形，以不脫離權利要求范圍為限。
權利要求
1.一種電源模塊，將功率元件芯片及其驅動電路和控制電路等組裝在同一組合件中，其特征在于，它具有用具有散熱性能的金屬板構成的散熱板，其上支持上述功率元件芯片；其上印刷有上述驅動電路及控制電路圖案以及上述功率元件芯片的連接圖案，具有可插入上述散熱板的開口的控制基板；用具有散熱性能的金屬板構成的基座基板，固定并支持控制基板以及插入上述開口中的上述散熱板。
2.如權利要求1所述的電源模塊，其特征在于，上述散熱板的上部具有上部金屬部，該金屬部具有導熱性和導電性，該金屬部與上述功率元件芯片的下表面用焊錫焊接。
3.如權利要求1所述的電源模塊，其特征在于，上述散熱板的下部具有下部金屬部，該金屬部具有導熱性和導電性，它與上述基座基板用焊錫焊接。
4.如權利要求1所述的電源模塊，其特征在于，上述散熱板的下表面用粘接材料固定在上述基座基板上。
5.如權利要求1所述的電源模塊，其特征在于，上述功率元件芯片與上述控制基板的上述連接圖案之間用引線接合法連接。
6.如權利要求1所述的電源模塊，其特征在于，上述功率元件在上表面有基極和發射極，下面裝體作為集電極端子，上述散熱板的上部具有有導熱性和導電性的上部金屬部，該金屬部與上述功率元件芯片的下表面用焊錫焊接，上述控制基板用于集電極端子的圖案通過引線接合法連接上述上部金屬部。
7.如權利要求5所述的電源模塊，其特征在于，上述連接圖案的上表面鍍鎳，其上面再薄鍍一層金，上述引線接合用的線是鋁線。
8.如權利要求1所述的電源模塊，其特征在于，上述功率元件芯片的上面用環氧樹脂、硅石粉末及添加劑等構成的密封材料覆蓋。
9.如權利要求2所述的電源模塊，其特征在于，上述上部金屬部用銅表面鍍鎳的DBC構成，上述鍍鎳層與上述功率元件芯片的下表面用焊錫焊接。
10.如權利要求3所述的電源模塊，其特征在于，上述下部金屬部用銅表面鍍鎳的DBC構成，上述鍍鎳層與上述基座基板用焊錫焊接。
全文摘要
一種電源模塊，將功率元件芯片及其驅動電路和控制電路等組裝在同一組合件內，控制基板的上表面印刷有驅動電路和控制電路圖案以及連接功率元件芯片的圖案，在控制基板的開口中插入散熱板，該散熱板由具有散熱性的金屬板構成，其上面支持功率元件芯片，控制基板以及插入開口中的上述散熱板固定支持在基座基板上。這樣，可以將功率元件芯片和控制基板配置在一個平面上，實現小型化。
文檔編號H01L23/373GK1086373SQ9311904
公開日1994年5月4日 申請日期1993年10月20日 優先權日1992年10月20日
發明者梅田修 申請人:富士通株式會社