一种功率模块及其制造方法

摘要

本发明提供了一种功率模块及其制造方法，功率模块包括：绝缘介质基板，包括第一导电层和设于所述第一导电层之上的第一绝缘层，所述第一绝缘层开设有第一导电路径；第二绝缘层，所述第二绝缘层开设有第二导电路径；图形化的第二导电层；至少一个功率半导体芯片，嵌设于所述第一绝缘层和第二绝缘层之间；其中，所述功率半导体芯片通过所述第一导电路径与所述第一导电层形成电气连接，且通过所述第二导电路径与所述第二导电层形成电气连接。封装无需开塑封模，节省了生产成本；另外，功率半导体芯片通过在绝缘层上开设通孔并填充导电物质与上层的导电层实现电气连接，减小了模块的体积，有利于模块小型化。

权利要求

1.一种功率模块，其特征在于，包括：

绝缘介质基板，包括图形化的第一导电层和设于所述第一导电层之上的第一绝缘层，所述第一绝缘层开设有第一导电路径；

第二绝缘层，设置于所述第一绝缘层之上，所述第二绝缘层开设有第二导电路径；

图形化的第二导电层，设置于所述第二绝缘层之上；

至少一个功率半导体芯片，嵌设于所述第一绝缘层和第二绝缘层之间；

其中，所述功率半导体芯片通过所述第一导电路径与所述第一导电层形成电气连接，且通过所述第二导电路径与所述第二导电层形成电气连接，以构成功率电路；所述绝缘介质基板开设有从所述功率半导体芯片一侧到达或贯穿所述第一导电层的第一通孔，在所述第一通孔填充导电物质形成所述第一导电路径；

所述第二绝缘层开设有从所述功率半导体芯片一侧到达或贯穿所述第二导电层的第二通孔，在所述第二通孔填充导电物质形成所述第二导电路径。

2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率半导体芯片嵌于所述第一绝缘层与所述第二绝缘层围合形成空腔内，所述空腔由开设在所述第一绝缘层和/或所述第二绝缘层上的槽孔形成。

3.如权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，还包括引出端子，所述引出端子的一端与第一导电层、第一绝缘层或第二导电层固定连接，并电气连接到所述功率半导体芯片相应的极性引脚上，所述引出端子的另一端向外伸出。

4.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述引出端子包括控制端子和功率端子，所述控制端子和功率端子分别位于半桥功率模块相对两侧。

5.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括散热器，所述散热器设置所述第一导电层的下表面和/或所述第二导电层的上表面。

6.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘介质基板为PCB板。

7.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第二绝缘层为半固化片。

8.一种功率模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置一绝缘介质基板，所述绝缘介质基板包括第一导电层和设于所述第一导电层之上的第一绝缘层；

将至少一个功率半导体芯片设于所述第一绝缘层上；

在所述第一绝缘介质基板上设置第二绝缘层，使所述功率半导体芯片嵌设于所述第一绝缘层和第二绝缘层之间；

在所述第二绝缘层上设置第二导电层；

在所述绝缘介质基板上开设使所述第一导电层和所述功率半导体芯片电气连接的第一导电路径，在所述第二绝缘层上开设使所述第二导电层和所述功率半导体芯片电气连接的第二导电路径；

在所述绝缘介质基板上开设使所述第一导电层和所述功率半导体芯片电气连接的第一导电路径的步骤具体为：在所述绝缘介质基板上开设有从所述第一导电层一侧贯穿到所述功率半导体芯片的极性引脚的第一通孔；

在所述第一通孔填充导电物质形成所述第一导电路径。

9.如权利要求8所述的功率模块的制造方法，其特征在于，所述将至少一个功率半导体芯片设于所述第一绝缘层上的步骤具体为：在所述第一绝缘层远离所述第一导电层一侧表面上的开设槽孔，将所述功率半导体芯片嵌设于所述槽孔内。

10.如权利要求8所述的功率模块的制造方法，其特征在于，在将至少一个功率半导体芯片设于所述第一绝缘层上时，还设置控制端子和功率端子，使所述控制端子和功率端子的一端与所述第一绝缘层固定连接，另一端向外伸出；或设置第二导电层时，设置控制端子和功率端子，使所述控制端子和功率端子的一端与所述第二导电层固定连接，另一端向外伸出；

其中，所述控制端子和功率端子分别位于所述功率模块相对两侧。

11.如权利要求8所述的功率模块的制造方法，其特征在于，所述方法还包括加热的步骤；其中，所述绝缘层为半固化片，通过加热使所述半固化片固化实现绝缘。

12.如权利要求8所述的功率模块的制造方法，其特征在于，还包括设置与所述第一导电层的下表面和/或所述第二导电层的上表面的散热器。

13.如权利要求8所述的功率模块的制造方法，其特征在于，所述设置一绝缘介质基板具体为：提供一PCB板，去除所述PCB板其中一个表面的覆金属形成所述绝缘介质基板。

说明书

一种功率模块及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及混合集成电路领域，特别是涉及一种功率模块及其制造方法。

背景技术

[0002] 功率半导体模块是将多只半导体芯片按一定的电路结构封装在一起的器件。在一个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块里，IGBT芯片及二极管芯片被集成到一块共同的底板上，且模块的功率器件与其安装表面(即散热板)相互绝缘。

[0003] 传统的功率半导体模块塑封成型需要开模，成本较高；另外，功率半导体模块包含起支撑作用的电气转接块，模块体积较大，集成度小。

发明内容

[0004] 本发明目的在于提供一种功率模块及其制造方法，旨在解决传统的功率半导体模块需要开模，且包含起支撑作用的电气转接块，模块体积较大的问题。

[0005] 本发明提供了一种功率模块，包括：

[0006] 绝缘介质基板，包括图形化的第一导电层和设于所述第一导电层之上的第一绝缘层，所述第一绝缘层开设有第一导电路径；

[0007] 第二绝缘层，设置于所述第一绝缘层之上，所述第二绝缘层开设有第二导电路径；

[0008] 图形化的第二导电层，设置于所述第二绝缘层之上；

[0009] 至少一个功率半导体芯片，嵌设于所述第一绝缘层和第二绝缘层之间；

[0010] 其中，所述功率半导体芯片通过所述第一导电路径与所述第一导电层形成电气连接，且通过所述第二导电路径与所述第二导电层形成电气连接，以构成功率电路。

[0011] 本发明还提供了一种功率模块的制造方法，包括以下步骤：

[0012] 设置一绝缘介质基板，所述绝缘介质基板包括第一导电层和设于所述第一导电层之上的第一绝缘层；

[0013] 将至少一个功率半导体芯片设于所述第一绝缘层上；

[0014] 在所述第一绝缘介质基板上设置第二绝缘层，使所述功率半导体芯片嵌设于所述第一绝缘层和第二绝缘层之间；

[0015] 在所述第二缘层上设置第二导电层；

[0016] 在所述绝缘介质基板上开设使所述第一导电层和所述功率半导体芯片电气连接的第一导电路径，在所述第二绝缘层上开设使所述第二导电层和所述功率半导体芯片电气连接的第二导电路径。

[0017] 上述的功率模块及其制造方法模块封装无需开塑封模，节省了生产成本；将功率半导体芯片埋入在绝缘介质基板的绝缘层，通过在绝缘层上开设导电路径使功率半导体芯片的上下表面分别与两个导电层实现电气连接，取代电气转接块实现电气连接，并省略了用于焊接芯片的导电层，减小了模块的体积，有利于模块小型化。

附图说明

[0018] 图1为本发明较佳实施例中功率模块的结构示意图；

[0019] 图2为本发明其中一个实施例中功率模块的结构示意图；

[0020] 图3是图2所示功率模块的整体布局图示意图；

[0021] 图4半桥驱动电路的电路原理图；

[0022] 图5为本发明另一个实施例中功率模块的结构示意图；

[0023] 图6是图5所示功率模块的整体布局图示意图；

[0024] 图7为本发明实施例中散热平板的结构示意图；

[0025] 图8为本发明较佳实施例中功率模块的制造方法的流程图。

具体实施方式

[0026] 为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0027] 请参阅图1，本发明较佳实施例中的功率模块包括绝缘介质基板10、至少一个功率半导体芯片20、第二绝缘层40及第二导电层50。

[0028] 绝缘介质基板10具有相对设置的上下表面，其中至少一个表面覆金属，中间层为绝缘介质层(第一绝缘层)11。本实施例中，绝缘介质基板10的下表面覆金属形成图形化的第一导电层12，而上表面将覆金属去除使绝缘介质层11裸露，相当于第一绝缘层11设于所述第一导电层12之上。

[0029] 在绝缘介质基板10使用PCB(printed circuit board，印刷电路板)时，由于一般PCB板是双面覆金属，需先将上表面的覆金属去除留下树脂层和下表面的覆金属；当然也可以直接使用单面覆金属的PCB。因此，本实施例中，在绝缘介质基板10开设有穿透第一绝缘层11的第一导电路径14。可以理解的是，不限于使用在使用PCB板作为绝缘介质基板10的情况，或为其他任何表面覆金属绝缘介质基板的情况。

[0030] 本实施例中的功率半导体芯片20包括IGBT和FRD(fast recovery diode，快速恢复二极管)，构成驱动电路。功率半导体芯片20其上下表面均具有极性引脚，本实施例中，功率半导体芯片20为IGBT时，上表面具有两个极性引脚，分别是门极和发射极，下表面具有集电极。功率半导体芯片20为FRD时，上表面具有阳极，下表面具有阴极，或反之。

[0031] 功率半导体芯片20嵌设于所述第一绝缘层11和第二绝缘层40之间，通过所述第一导电路径14与所述第一导电层12形成电气连接。具体地，所述功率半导体芯片20嵌于所述第一绝缘层11与所述第二绝缘层40围合形成空腔内，所述空腔由开设在所述第一绝缘层11和/或所述第二绝缘层40上的槽孔(图未示)形成。即第一绝缘层11和第二绝缘层40中两个相对的表面上至少一个开设有用于收容功率半导体芯片20的槽孔，或者第一绝缘层11和第二绝缘层40中两个相对的表面同时开设有槽孔围合形成空腔以收容功率半导体芯片20，本实施例中，槽孔在第一绝缘层11上。第一导电层12上形成电路图案，其下表面的极性引脚通过第一导电路14与对应的电路图案形成电路连接以引出。

[0032] 本实施例中，绝缘介质基板10开设有从所述功率半导体芯片20一侧到达或贯穿所述第一导电层12的第一通孔，在第一通孔填充导电物质形成所述第一导电路径40。第一通孔分别到达功率半导体芯片20的下表面的极性引脚和第一导电层12。

[0033] 第二绝缘层40覆盖于所述绝缘介质基板10的第一绝缘层11上，与第一绝缘层11围合将所述功率半导体芯片20包覆在内，第二绝缘层40通过层压的方式覆盖在绝缘介质基板10上。第二绝缘层40开设有第二导电路径42，功率半导体芯片20通过所述第二导电路径42与所述第二导电层50形成电气连接，以构成功率电路。

[0034] 具体地，第二绝缘层40在预设位置开设有从所述功率半导体芯片20一侧到达或贯穿所述第二导电层50的第二通孔，在所述第二通孔填充导电物质形成所述第二导电路径42。第二通孔贯穿第二绝缘层40上下表面，该多个通孔42贯穿第二绝缘层40分别到达功率半导体芯片20上表面的极性引脚和第二导电层50，优选地，在确保导电路径14、42与芯片之间结合的可靠性前提下，同一电路连接路径的通孔尽可能地多设置，以便保证电路的过流能力及提高芯片上部散热能力。

[0035] 在制作过程中，本实施例中，第二绝缘层40由半固化片(Pre-pregnant)加热并固化形成，加热时同时将第一通孔和第二通孔内的导电物质金属化；其中，半固化片主要由树脂和增强材料组成，增强材料可以为玻纤布、纸基、复合材料等，所述半固化片的热膨胀系数与所述功率半导体芯片20的热膨胀系数匹配，避免功率器件由于与封装材料热膨胀系数不匹配而导致的器件所受的应力过大出现的失效问题。

[0036] 第二导电层50设置于所述第二绝缘层40之上，具体是通过层压的方式叠设在第二绝缘层40上。

[0037] 如此，功率半导体芯片20通过开设在所述第一绝缘层11上的第一导电路径14与第一导电层12实现电气连接，通过开设在第二绝缘层40上的第二导电路径42与第二导电层50实现电气连接，以构成功率电路，取代电气转接块实现电气连接，并省略了用于焊接芯片的导电层，减小了模块的体积，有利于模块小型化。

[0038] 本实施例中，第二导电层50为导电金属片，具体可以是铜片、铝片或者其他导电金属材料制作而成。在其他实施方式中，第二导电层50可以由另一绝缘介质基板的下表面覆金属构成。另一绝缘介质基板具有相对设置的上下表面，其中至少一个表面覆金属构成第二导电层50。而上表面可以覆金属形成另一个导电层，也可以设置散热翅片。

[0039] 请参阅图2和图3，在一个实施例中，功率半导体芯片20至少有一个，每个功率半导体芯片20包括一个IGBT 21和一个FRD 22。功率模块包括引出端子60(即功率模块引脚)，引出端子60的一端与所述第一绝缘层11、第一导电层12或所述第二导电层50固定连接，并配合第一导电层12、第一导电路径14、第二导电路径42及第二导电层50内的导电物质电气连接到所述IGBT 21和FRD 22相应的极性引脚上，所述引出端子60的另一端向外伸出。引出端子60用于将IGBT 21和FRD 22以预设电路的形式将电路的端子引出以用作与外部电路连接。引出端子60可以固定在第一绝缘层11上，也可以焊接在第一导电层12或第二导电层50上。引出端子60固定在第一绝缘层11上具体是在第一绝缘层11的端面开设凹槽，将引出端子60的一端镶嵌在凹槽内，固定方式可以是层压或贴设或焊接；并通过导电路径与导电层电气连接。

[0040] 本实施例中，以引出端子60固定在第一绝缘层11为例说明。引出端子60包括功率端子61和控制端子62，功率端子61为两个，IGBT 21的控制极通过第二导电路径42与第二导电层50中的第一电路图案51进而与控制端子62连接，集电极通过第一导电路径14和第一导电层12进而与集电极功率端子61连接，发射极通过第二导电路径42与第二导电层50进而与发射极功率端子61(图中与集电极所示功率端子重合)连接。

[0041] 图3是本实施例中功率模块整体布局图示意图。图中填充区域为第一导电层12大致所示图形化，线框加黑区域为第二导电层50大致所示图形化。IGBT 21和FRD 22埋入放置于第一绝缘层11对应位置，控制端子62及功率端子61也埋入放置于第一绝缘层11对应位置，经由金属化的导电路径14、42使得芯片极性与对应端子形成电气连接。控制端子62及功率端子61分别位于模块两侧，低压控制端远离高压功率端，减小了高压端对低压端的电气干扰，提高了控制端的可靠性。

[0042] 请参阅图4至图6，在另一个实施例中，功率半导体芯片20至少有一对，每个功率半导体芯片20构成一个桥臂，实现半桥功率模块。上桥臂包括上桥IGBT 101和上桥FRD 103，下桥臂包括下桥IGBT 102和下桥FRD 104。以上桥臂的功率半导体芯片20为例，IGBT芯片101其上下表面均具有极性引脚，本实施例中，IGBT芯片101上表面具有两个极性引脚，分别是门极和发射极，下表面具有集电极。上桥FRD芯片103上表面具有阳极，下表面具有阴极。
下桥臂的功率半导体芯片20同之。

[0043] 本实施例中，以引出端子固定在第一绝缘层11为例说明。引出端子包括控制端子32和功率端子31，本实施例中，控制端子32包括两个，分别控制上下桥臂的第一控制端子
321和第二控制端子322，功率端子31包括正极功率端子311、交流功率端子312及负极功率端子313。上桥正极端“+”经第一导电路径14与第一导电层12中的第一电路图案121连接，再经第一导电路径14与正极功率端子311连接。上桥交流端“～”经第二导电路径42与第二导电层50的第三电路图案51连接，再经第二导电路径42与交流功率端子312连接。下桥交流端“-”经第一导电路径14与第一导电层12中的第二电路图案122连接，再经第一导电路径14与交流功率端子312连接。下桥负极端经第二导电路径42与第二导电层50的第四电路图案52连接，再经第二导电路径42与负极功率端子313连接。控制端子321、322埋入第一绝缘层11引出，并经第二导电路径42与芯片控制端形成电气连接。

[0044] 图6是本实施例中功率模块整体布局图示意图。图中填充区域为第一导电层12大致所示图形化，线框加黑区域为第二导电层50大致所示图形化。半桥驱动电路的各个器件埋入放置于第一绝缘层11对应位置，控制端子32及功率端子31也埋入放置于第一绝缘层11对应位置，经由导电路径14、42使得芯片极性与对应端子形成电气连接。控制端子32及功率端子31分别位于模块两侧，低压控制端远离高压功率端，减小了高压端对低压端的电气干扰，提高了控制端的可靠性。

[0045] 另外，在优选的实施例中，请参阅图2、5和7，功率模块还包括散热器70，所述散热器70设置所述第一导电层12的下表面和/或所述第二导电层50的上表面。散热器70可单独设置在功率模块上表面或下表面实现单面散热，也可设置在功率模块上下表面实现双面散热。具体地，第一导电层12的下表面和/或所述第二导电层50的上表面通过绝缘导热胶80后与散热器70连接。散热器70为散热翅片或平板热管。图7是平板热管示意图。功率半导体芯片20产生的热传导到热管蒸发面71，毛细管中工作液72吸收热量汽化并充满蒸汽腔。平板热管70的冷凝面73采用循环冷却液进行冷却。蒸汽90在冷凝面73重新凝结成液体，在毛细芯74的毛吸力作用下，液体重新流回蒸发面71，重复上述步骤实现循环散热。

[0046] 此外，请结合图2、3、7和8，还公开了一种可制造上述功率模块的制造方法，包括以下步骤：

[0047] 步骤S110，设置一绝缘介质基板10，所述绝缘介质基板10包括第一导电层12和设于所述第一导电层12之上的第一绝缘层11。

[0048] 在该步骤中，所提供的绝缘介质基板10应具有相对设置的上下表面，其中至少一个表面覆金属。本实施例中，本实施例中，绝缘介质基板10的下表面覆金属形成图形化的第一导电层12，而上表面将覆金属去除使绝缘介质层11裸露，相当于第一绝缘层11设于所述第一导电层12之上。

[0049] 在绝缘介质基板10使用双面覆金属的PCB时，将其中一个表面的覆金属去除留下树脂层(第一绝缘层11)和另一个表面的覆金属(第一导电层12)；当然也可以直接使用单面覆金属的PCB。可以理解的是，不限于使用在使用PCB板作为绝缘介质基板10的情况，或为其他任何表面覆金属绝缘介质基板的情况。

[0050] 步骤S120，将至少一个功率半导体芯片20设于所述第一绝缘层11上。

[0051] 具体地，功率半导体芯片20包括IGBT和/或FRD构成驱动电路。芯片上下表面均具有极性引脚，功率半导体芯片20贴设于所述绝缘介质基板10的上表面上。

[0052] 步骤S130，在所述第一绝缘介质基板10上设置第二绝缘层40，使所述功率半导体芯片20嵌设于所述第一绝缘层11和第二绝缘层40之间。

[0053] 具体地，所述功率半导体芯片20嵌于所述第一绝缘层11与所述第二绝缘层40围合形成空腔内，所述空腔由开设在所述第一绝缘层11和/或所述第二绝缘层40上的槽孔(图未示)形成。即第一绝缘层11和第二绝缘层40中两个相对的表面上至少一个或两个同时开设有围合形成空腔、用于收容功率半导体芯片20的槽孔本实施例中，在所述第一绝缘层11远离所述第一导电层12一侧表面上的开设槽孔，将所述功率半导体芯片20嵌设于所述槽孔内。

[0054] 本实施例中，所述第二绝缘层40为半固化片，半固化片是绝缘的，且其热膨胀系数需尽量与功率半导体芯片20的热膨胀系数匹配，避免功率器件由于与封装材料热膨胀系数不匹配而导致的器件所受的应力过大出现的失效问题。

[0055] 步骤S140，在所述第二缘层40上设置第二导电层50，第二导电层50优选为导电金属片。将所述第二导电层50、半固化片和设有所述功率半导体芯片20的绝缘介质基板10依次层叠压合，使半固化片流胶填充并覆盖功率半导体芯片20。

[0056] 步骤S150，在所述绝缘介质基板10上开设使所述第一导电层12和所述功率半导体芯片20电气连接的第一导电路径14，在所述第二绝缘层40上开设使所述第二导电层50和所述功率半导体芯片20电气连接的第二导电路径42。

[0057] 具体地，首先对层压后模块的第一导电层12及第二导电层50图形化。然后在绝缘介质基板10上采用激光技术制作从所述第一导电层12一侧贯穿到所述功率半导体芯片20的极性引脚的第一通孔；在第二导电层50和绝缘层40上采用激光技术制作到达功率半导体芯片20的极性引脚的第二通孔；再在所述第一、第二通孔填充导电物质使通孔金属化形成所述第一导电路径14和第二导电路径42。第一导电层12及第二导电层50在层压之前或之后需制作电路图案。

[0058] 更具体的实施例中，在步骤S120中还包括：还设置控制端子62和功率端子61，使所述控制端子62和功率端子61的一端与所述第一导电层12或第一绝缘层11固定连接，另一端向外伸出的步骤。在其他实施方式中，可以设第二导电层50时，设置控制端子62和功率端子61，将使所述控制端子62和功率端子61的一端与所述第二导电层50固定电气连接，另一端向外伸出。，所述控制端子32和功率端子31分别位于所述半桥功率模块相对两侧。低压控制端远离高压功率端，减小了高压端对低压端的电气干扰，提高了控制端的可靠性。

[0059] 进一步地，所述方法还包括加热的步骤，通过加热使所述半固化片固化实现绝缘。

[0060] 进一步地，所述方法还包括设置与所述第一导电层12的下表面和/或所述第二导电层的上表面的散热器的步骤。

[0061] 可见，上述的制作方法均在制作功率模块是封装无需开塑封模，节省了生产成本；芯片通过金属化的通孔42实现电气连接，减小了模块的体积，有利于模块小型化。

[0062] 更具体地，功率模块的制造方法为：将去除双面覆金属的PCB板上表面的铜层并将PCB树脂层挖槽，功率半导体芯片20、控制端子62及功率端子61顶部均埋入放置于PCB树脂层槽孔中，将相应厚度的半固化片(绝缘层)40、第二导电层50与贴有芯片的绝缘介质基板10进行层压，使半固化片40的流胶填充并覆盖芯片，其中，半固化片40是绝缘的，且其热膨胀系数需尽量与功率器件热膨胀系数匹配。首先对层压后模块的第一导电层12和第二导电层50图形化，再采用激光技术制作通孔并金属化形成导电路径14和42，使得芯片极性引脚与对应引出端子60形成电气连接。在确保导电路径14和42与芯片之间结合的可靠性前提下导电路径14和42尽可能地多设置，以便保证电路的过流能力及提高芯片上部散热能力。其中，通过对绝缘介质基板10的下表面和绝缘介质层11采用激光技术钻开孔14并填充绝缘高导热材料以提高芯片下表面的散热能力，此步骤可以在层压之后制作通孔42的时候同时进行，也可以在准备绝缘基板10时候进行。模块(绝缘介质基板10)下表面涂上绝缘导热胶40与散热器7连接进行散热，模块(第二导电层50)上表面涂上绝缘导热胶80后与另一个散热器70连接散热，以此实现双面散热，提高散热能力。两个散热器70不一定需要同时设置，在能够满足散热条件情况下，也可仅由下表面的散热器70单独构成单面散热。

[0063] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。