專(zhuān)利名稱(chēng)：電源模塊和其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有作為電路載體的絕緣板的電源模塊(power module)，絕緣板兩側(cè)涂有金屬，本發(fā)明還涉及一種與獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分一致的制造這種電源模塊的工序。
背景技術(shù)：
電源模塊在電路載體上具有許多功率元件。電路載體借助其相應(yīng)接觸連接表面上的粘合和焊接連接，連接到外部帶狀導(dǎo)線，該外部帶狀導(dǎo)線突出在電源模塊殼體外面。特別由于電源模塊中的粘合連接要求質(zhì)量高、昂貴的材料，所以這種類(lèi)型的電源模塊的制造成本很高。如果電源模塊是焊接連接，為了制造這些連接，需要耗費(fèi)的能量很高、很昂貴，而且電源模塊的功率元件被暴露，造成高熱量負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)在于提供一種電源模塊，該電源模塊的制造成本很低，溫度很低，而且還提供了制造這種電源模塊的方法。
該目標(biāo)通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的主題來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利改進(jìn)之處表現(xiàn)于從屬權(quán)利要求。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種具有一個(gè)絕緣板的電源模塊，該絕緣板兩側(cè)涂有金屬來(lái)作為電路載體。在電路載體上側(cè)，電路載體具有一層結(jié)構(gòu)金屬層，并裝配有功率元件。進(jìn)一步說(shuō)，電源模塊具有帶狀導(dǎo)線，其內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部借助熱壓頭電連接到結(jié)構(gòu)金屬層的接觸連接表面，其外部帶狀導(dǎo)線端部突出在電源模塊的箱外面。
該電源模塊的優(yōu)點(diǎn)在于，由于內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部借助熱壓頭電連接和機(jī)械連接到接觸連接表面，所以，電源模塊可以經(jīng)受得住所有的現(xiàn)有后端處理的溫度范圍，從機(jī)械角度來(lái)講，很穩(wěn)定也很可靠，以便于提高這種類(lèi)型的電源模塊的生產(chǎn)力。通過(guò)適當(dāng)?shù)厥姑總€(gè)連接的熱壓頭數(shù)量與連接強(qiáng)度相匹配，可以提高這種類(lèi)型的連接的機(jī)械強(qiáng)度。進(jìn)一步說(shuō)，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部與電路載體的接觸連接表面之間每個(gè)連接的熱壓頭的數(shù)量，可以獲得電源模塊需要的電流密度。
進(jìn)一步說(shuō)，使用熱壓頭的連接方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在后端處理過(guò)程中，可以在任何時(shí)間使用該方法，也就是說(shuō)，可以在裝配過(guò)程的開(kāi)始或裝配過(guò)程接下來(lái)的時(shí)間里使用。下面將參考實(shí)際的實(shí)施例來(lái)更加詳細(xì)地描述該優(yōu)點(diǎn)。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，電路載體上的功率元件借助結(jié)構(gòu)金屬層的導(dǎo)體軌道被連接到另外一個(gè)功率元件和/或接觸連接表面。本發(fā)明的該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，借助結(jié)構(gòu)金屬層的厚度和結(jié)構(gòu)金屬層中的導(dǎo)體軌道的寬度，導(dǎo)體軌道的橫截面可以與需要的密度相匹配。功率元件可以是活性功率半導(dǎo)體芯片，或者也可以由無(wú)源元件組成，例如電阻器、電容器和線圈。對(duì)于活性功率元件來(lái)講，最好使用MOS功率晶體管，IGBT晶體管(所示絕緣柵雙極晶體管)，功率二極管和/或閘流晶體管。
在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，功率元件的活性上側(cè)的電極借助借合連接，連接到電路載體的結(jié)構(gòu)金屬層的導(dǎo)體軌道和/或接觸連接表面。為了達(dá)到這個(gè)目的，在功率元件的活性上側(cè)提供有接觸表面，該接觸表面連接到功率元件電極。可以使用聲能和/或熱能將接合電線連接到這些接觸表面，將電線從功率元件上側(cè)引向?qū)w軌道。也可以使用該接合電線的技術(shù)來(lái)將功率元件的電極連接到另一個(gè)電極和/或直接將電極連接到電路載體的接觸連接表面。由于該接合連接件，使得無(wú)論是否預(yù)先制造了結(jié)構(gòu)金屬層體，功率元件的繞線可以保持柔韌性。
在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，電路載體的絕緣板是一個(gè)陶瓷板，該陶瓷板由二氧化硅、氧化鋁、氮化硅、氧化鋯、氧化鎂和碳化硅和其混合物組成。這種類(lèi)型的陶瓷板作為電路載體的絕緣板，特別適合用于組合高頻率的高功率情況，因?yàn)槠湎鄬?duì)非傳導(dǎo)常數(shù)很低。
本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，電路載體具有一個(gè)玻璃纖維-增強(qiáng)型合成樹(shù)脂，該合成樹(shù)脂作為絕緣板。這種玻璃纖維—增強(qiáng)型合成樹(shù)脂板也被認(rèn)為是電路載體，借助調(diào)整玻璃纖維的比例，使其強(qiáng)度和非傳導(dǎo)常數(shù)與電源模塊的需要相匹配。因?yàn)椴ＡЮw維增強(qiáng)型合成樹(shù)脂板比陶瓷板能獲得相當(dāng)可觀的價(jià)格益處，所以這種類(lèi)型的絕緣板可以用于低頻率電源模塊，該模塊用來(lái)控制電機(jī)或用到電源供電的家用領(lǐng)域。
在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種電路載體，該電路載體在其下側(cè)具有一層連續(xù)金屬層。電路載體上的這層連續(xù)金屬層同時(shí)形成了電源模塊的外側(cè)，一個(gè)散熱片就連接到該側(cè)。由于玻璃纖維增強(qiáng)型合成樹(shù)脂板的熱傳導(dǎo)性不是特別高，因此，這種類(lèi)型的連續(xù)金屬層一方面將熱分散在合成樹(shù)脂板的整個(gè)表面上，另一方面，借助下側(cè)和功率元件外側(cè)的連續(xù)金屬層，熱發(fā)散得到改良。
在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，電路載體的金屬層包括銅或銅合金。銅的優(yōu)點(diǎn)是，導(dǎo)電性高，導(dǎo)熱性也很高。電路載體上側(cè)的金屬層特別需要高導(dǎo)電性，而在電路載體下側(cè)的連續(xù)金屬層上特別需要銅的高導(dǎo)熱性。
為了提高銅的接合性，特別是在接觸連接表面中的結(jié)構(gòu)金屬層的接合性，在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施施例中，這些接觸連接表面可以具有一個(gè)接合涂層，該接合涂層由兩層即下層和上層組成，下層由抑制銅擴(kuò)散的一層組成，上層由貴重金屬層組成。在這種情況下，下層負(fù)責(zé)確保銅離子不會(huì)擴(kuò)散到上層貴重金屬層，并確保接觸連接表面的上側(cè)的接合連接件不會(huì)因?yàn)樵摂U(kuò)散現(xiàn)象而變得很脆弱。抑制銅擴(kuò)散的層包括鎳或鎳合金以實(shí)現(xiàn)該目的，特別的是，接觸連接表面可以被摻磷的鎳涂層覆蓋。這種摻磷的鎳涂層的優(yōu)點(diǎn)也在于，可以直接在該鎳涂層上制造接合連接件，而不需要貼合貴重金屬。
如果用作接合電線的材料意味著接觸連接表面上需要有一層貴重金屬涂層，那么該層包括金、銀、鋁或其合金。與純銅表面相比，這些貴重金屬層的優(yōu)點(diǎn)在于，它們對(duì)周?chē)諝獠幻舾?，而且還可以防止銅層的氧化。甚至金或金合金上只需涂十分之幾毫微米的厚度就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)。因此，為處理接觸連接表面耗費(fèi)的純貴重金屬相當(dāng)?shù)?，而且接合連接件很穩(wěn)定。進(jìn)一步說(shuō)，接觸連接表面的多層涂層的這種處理方法的優(yōu)點(diǎn)在于，電路載體可以暫時(shí)儲(chǔ)存，而接觸連接表面不會(huì)被侵蝕或氧化。
在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，電路載體兩側(cè)的金屬層具有相似的抑制銅擴(kuò)散的涂層和/或貴重金屬層。在電路載體上側(cè)的結(jié)構(gòu)金屬層和系統(tǒng)載體下側(cè)的連續(xù)金屬層具有這種類(lèi)似的涂層，它們具有的優(yōu)點(diǎn)在于，處理過(guò)程簡(jiǎn)單化，在電路載體上側(cè)構(gòu)成金屬層之前，由第一層銅或銅合金、抑制銅擴(kuò)散的第二層以及包括貴重金屬層的第三層組成的連續(xù)金屬層，可以用化學(xué)方法或電鍍到絕緣板兩側(cè)。形成電源模塊的電路載體的這種類(lèi)型的絕緣板，兩側(cè)都被涂布和處理過(guò)，比起使結(jié)構(gòu)金屬層上一定區(qū)域有選擇地被接合涂層占據(jù)來(lái)講，成本更低。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，熱壓頭包括金、銀、銅和/或其合金。用一個(gè)合適的工具將金或鋁線放到接觸表面上，該線借助壓力和熱量，接合到接觸連接表面或內(nèi)部導(dǎo)體端部表面上，在產(chǎn)生接合頭后接合線被切斷，不會(huì)形成接合線連接，這樣通過(guò)熱壓接合在接觸連接表面上或內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部上形成的這種類(lèi)型的熱壓頭，其生產(chǎn)成本很低。接觸連接表面上或內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部表面上側(cè)的熱壓頭數(shù)量可以與電流密度和機(jī)械強(qiáng)度的需要相匹配。
本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，提供了包括銅或銅合金的導(dǎo)體。帶狀導(dǎo)線自身就是系統(tǒng)載體的一部分，該系統(tǒng)載體包括系統(tǒng)載體框架，該系統(tǒng)載體框架具有許多模塊安裝位置。在各個(gè)模塊安裝位置上，帶狀導(dǎo)線從系統(tǒng)載體框架向電源模塊的電路載體位置延伸。這種類(lèi)型的系統(tǒng)載體可由銅板或銅線圈制成，其生產(chǎn)成本相對(duì)較低，因此帶狀導(dǎo)線的材料也可預(yù)先確定。
可以在內(nèi)帶狀導(dǎo)線端部處理表面，因此，一方面能防止銅層的擴(kuò)散，另一方面，方便連接到熱壓頭。因此，在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部可以具有一個(gè)可以抑制銅擴(kuò)散的涂層和/或一個(gè)貴重金屬涂層，金屬涂層的組成與接觸連接表面上的接合涂層一致。
在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種電源模塊，該模塊是多片式模塊，具有安裝在電路載體上的功率半導(dǎo)體芯片。在本發(fā)明該實(shí)施例中，功率元件，在本實(shí)施例中是功率半導(dǎo)體芯片，不是先容納在殼體中，然后再裝配在電路載體上，而是沒(méi)有裝箱，就直接將該功率元件如半導(dǎo)體芯片安裝在電路載體上，因此，使電源模塊的整個(gè)裝配過(guò)程的成本相對(duì)較低。
在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，電源模塊可以控制電機(jī)。這種類(lèi)型的電機(jī)控制借助電源模塊可以控制三相電機(jī)和給三相電機(jī)供電。在這種情況下，電源模塊自身連接到單相或三相電源設(shè)備。這種類(lèi)型的電源模塊可以用來(lái)控制電機(jī)，也可以用來(lái)控制速度。最后，這種類(lèi)型的電源模塊也可以通過(guò)改變功率限制來(lái)適應(yīng)三相電機(jī)的功率消耗。為了達(dá)到這個(gè)目的，在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，電源模塊具有一個(gè)輸入級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)，輸入級(jí)用來(lái)連接到單相或三相電源電纜，輸出級(jí)用來(lái)控制三相電機(jī)。
為了進(jìn)一步裝配電源模塊，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)載體，該載體在每個(gè)模塊安裝位置上具有一個(gè)系統(tǒng)載體框架，帶狀導(dǎo)線的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部在貼合電路載體的方向上從該框架延伸。然后，每個(gè)電路載體的接觸連接表面上的熱壓頭，在系統(tǒng)載體的模塊安裝位置上被定向和連接到每個(gè)帶狀導(dǎo)線的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部。最后，許多功率元件都安裝在每個(gè)模塊安裝位置上。系統(tǒng)載體的每個(gè)模塊安裝位置上的功率元件和安裝在電路載體上的功率元件一起被裝箱，最后，系統(tǒng)載體被劃分成單獨(dú)的多片式電源模塊。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，能承受高溫的這種連接在處理過(guò)程中可以借助熱壓頭進(jìn)行引導(dǎo)，因此可以成功地承受裝配功率元件的高溫處理和試驗(yàn)需要的溫度改變周期。
在該方法實(shí)施例中，改變了生產(chǎn)步驟的順序，因?yàn)閷⒐β试N合到電路載體上后，只借助熱壓頭形成連接。在這個(gè)不同的方法中，先給電路載體裝配功率元件，然后制造熱壓頭，并將它貼合和連接到接觸連接表面時(shí)。該處理順序的優(yōu)點(diǎn)在于首先，大量電源模塊的電路載體板與功率元件可以在平行的處理過(guò)程中裝配起來(lái)，而且只有在該裝配步驟之后，電路載體板才會(huì)劃分成單獨(dú)的電路載體。
在該方法另一個(gè)實(shí)施例中，將一種絕緣板作為電路載體，在所述絕緣板兩側(cè)層壓有銅。兩側(cè)層壓有銅的絕緣板還可以包括一層可以抑制銅擴(kuò)散的金屬層和一層貴重金屬層。然后，兩側(cè)層壓有銅的絕緣板在一單邊構(gòu)成一個(gè)接觸島，該接觸島用于將功率半導(dǎo)體芯片與導(dǎo)體軌道和接觸連接表面裝配起來(lái)。相對(duì)的銅層被保持為連續(xù)金屬層。
在該方法另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)蝕刻掩模用蝕刻的方法來(lái)完成金屬層的圖案。使用蝕刻掩模的這種蝕刻方法可以包括使用干蝕刻或濕蝕刻。還可以選擇別的方法在電路載體上側(cè)構(gòu)成金屬層，這些方法可以包括激光燒蝕法，它可以有選擇地通過(guò)激光掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不需要預(yù)備掩模。如果應(yīng)用的接合涂層可以抑制銅擴(kuò)散，而且之后又貼合了一層貴重金屬層，所述貴重金屬層包括金、銀、或鋁，那么因?yàn)榭梢栽趦蓚?cè)已經(jīng)層壓有銅的電路載體板的大量表面上實(shí)現(xiàn)電解沉積方法，所以證明應(yīng)用的這種方法正確。
還可以選擇使用絲網(wǎng)印刷術(shù)來(lái)將摻磷的鎳層用作抑制銅擴(kuò)散的層，同時(shí)，該層也可以用作接合涂層。絲網(wǎng)印刷術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，甚至在電路載體上側(cè)構(gòu)成金屬層后，可以有選擇地將抑制銅擴(kuò)散的該層貼合到接觸連接表面。
在該方法另一個(gè)實(shí)施例中，借助熱壓接合或熱壓超聲接合法，熱壓頭被貼合到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部和/或經(jīng)涂布的接觸連接表面。貼合到電路載體的接觸連接表面，以及在內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部與電路載體結(jié)合起來(lái)之前將熱壓頭貼合到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線，都具有優(yōu)點(diǎn)。在這兩種情況下，所用的這些熱壓頭可以同樣用于大量電源模塊。
在該方法另一個(gè)實(shí)施例中，功率半導(dǎo)體芯片被電連接，并借助焊接的方法機(jī)械地安裝到系統(tǒng)載體各個(gè)模塊安裝位置上的電路載體的接觸島。這種類(lèi)型的焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可靠性高，因此功率元件的使用壽命高，而且可以在安裝熱壓頭之前，和安裝熱壓頭之后使用。另一方面，功率半導(dǎo)體芯片可以電連接和借助導(dǎo)電粘合劑機(jī)械安裝到電路載體的接觸島。這種不同的方法中溫度相當(dāng)?shù)?，這是由于為了讓粘合劑交聯(lián)形成熱固性物質(zhì)，只需要升高一點(diǎn)點(diǎn)溫度。由于粘合劑接合法需要的成本比焊接法更低，因此如果要生產(chǎn)低工作負(fù)載的便宜電源模塊，那么就使用粘合劑接合法。
在該方法另一個(gè)實(shí)施例中，功率半導(dǎo)體芯片的活性上側(cè)的電極可以與彼此電連接，和/或借助接合連接件電連接到電路載體的結(jié)構(gòu)金屬層的導(dǎo)體軌道。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)成電路的靈活性高，甚至在功率半導(dǎo)體芯片裝配在電路載體上之后都可以。
原則上說(shuō)，每個(gè)電源模塊可以容納于充滿硅凝膠的塑料殼體中，但是在任何情況下，有利的是，使用塑料注射模塑法比如傳遞模塑法來(lái)生產(chǎn)殼體，因?yàn)橛眠@種方法，接合線、半導(dǎo)體芯片、內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部連接的熱壓頭和接合連接表面可以同時(shí)受到保護(hù)，并被該塑料殼體機(jī)械地固定住。
系統(tǒng)載體包括許多模塊安裝位置，它可以在將電源模塊包裝在塑料箱的結(jié)尾時(shí)，借助壓印的方法劃分成單獨(dú)多芯片電源模塊。這是因?yàn)閴河【哂羞@樣的優(yōu)點(diǎn)，即從殼體中突出來(lái)的外帶狀導(dǎo)線與系統(tǒng)載體框架分離的同時(shí)，外部帶狀導(dǎo)線端部可以彎曲，并且可以使其空間結(jié)構(gòu)與計(jì)劃的應(yīng)用情況相匹配。
簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明的基礎(chǔ)是接線柱隆起法。該接線柱隆起法是熱壓縮法，在該方法中，接合線的部分熔化液滴被壓到金屬表面上，然后，被撕掉。熱壓頭可以認(rèn)為是釘頭。在該釘頭方法或熱壓頭方法中，可以由金的合金形成電流開(kāi)關(guān)凸塊，一般稱(chēng)作凸塊。然后，電路載體板被輕輕移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，并且借助溫度、超聲波和壓力，電連接到引導(dǎo)架的相應(yīng)帶狀導(dǎo)線。在為此目的提供了接觸連接表面的情況下，將一定數(shù)量的這些凸塊連接到引導(dǎo)架的下側(cè)，或電路載體的上側(cè)。引導(dǎo)架和電路載體排列在一起，并借助加熱、超聲波和壓力與彼此形成永久連接。在適合進(jìn)行后端處理過(guò)程的溫度范圍內(nèi)，這個(gè)連接在機(jī)械上是穩(wěn)定的。每個(gè)接觸連接表面上凸塊數(shù)量由連接需要的機(jī)械強(qiáng)度和/或連接需要的電流密度確定。連接步驟可以正好在裝配過(guò)程開(kāi)始時(shí)進(jìn)行，或在裝配過(guò)程以后進(jìn)行。
現(xiàn)在將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。


附圖1顯示了本發(fā)明第一實(shí)施例一致的電源模塊的橫截面示意圖；附圖2顯示了電源模塊的電路載體在貼合到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端之前的橫截面示意圖，該電路載體在接觸連接表面上具有熱壓頭；附圖3顯示了電源模塊的電路載體在貼合到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端之前的橫截面示意圖，內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端上具有熱壓頭；附圖4顯示了裝配有電源模塊的功率元件的電路載體在貼合到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端之前的橫截面示意圖，內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端上具有熱壓頭；附圖5顯示了裝配有電源模塊的功率元件的電路載體在貼合到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端之前的橫截面示意圖，該電路載體在接觸連接表面上具有熱壓頭；附圖6顯示了電源模塊在電路載體接觸連接表面與內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端進(jìn)行電連接和機(jī)械連接后，并在裝箱之前的橫截面示意圖；附圖7顯示了在裝箱之前，系統(tǒng)載體和電路載體的模塊元件位置的平面示意圖，所述系統(tǒng)載體具有帶狀導(dǎo)線，所述電路載體已經(jīng)借助熱壓頭在模塊安裝位置上電連接和機(jī)械連接到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端，并裝配了功率元件。
具體實(shí)施例方式
附圖1顯示了與本發(fā)明第一實(shí)施例一致的電源模塊1的橫截面示意圖。參考數(shù)字2表示絕緣板，該絕緣板形成了電路載體3的機(jī)械底板。電路載體3可以與電路載體板4分離，電路載體板4包括許多電路載體3。參考數(shù)字5表示電路載體3和電路載體板4的上側(cè)，在該上側(cè)5上安排有結(jié)構(gòu)金屬層6。參考數(shù)字7表示功率元件，在該實(shí)施例中功率元件是功率半導(dǎo)體芯片23，功率元件7被安裝到接觸島24上。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，在這個(gè)橫截面上，功率晶體管29和功率二極管30安排在共同的接觸島24上，該接觸島借助導(dǎo)體軌道連接到電路載體3上的接觸-接合表面11上。因此，功率二極管30的陰極和功率晶體管29的集電極都與彼此電連接起來(lái)，而且另外，功率晶體管29的發(fā)射極和功率二極管30的陽(yáng)極之間通過(guò)接合電路17連接起來(lái)。
參考數(shù)字8表示帶狀導(dǎo)線，外部帶狀導(dǎo)線端部12從電源模塊1的殼13中突出來(lái)，內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9借助熱壓頭10被連接到接觸連接表面11。
在內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部與接觸表面11之間安排了三個(gè)熱壓頭，這些數(shù)量的熱壓頭足以滿足電流密度和電源模塊的機(jī)械強(qiáng)度上的需要。外部帶狀導(dǎo)線端部從殼中突出來(lái)，稍微彎曲，以便于方便連接到上面安排的印刷電路板。
參考數(shù)字15表示功率半導(dǎo)體芯片23的電極，晶體管在其帶電的上側(cè)具有至少兩個(gè)電極15，即雙極功率晶體管的發(fā)射極和基極，功率二極管30在其帶電的上側(cè)具有至少一個(gè)電極，即陽(yáng)極。
在該附圖的右手邊的橫截面上，外部帶狀導(dǎo)線端部借助內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9、熱壓頭10、接觸連接表面11、導(dǎo)體軌道14和接觸島24，被連接到功率二極管30的陰極和功率晶體管29的集電極。在該附圖的左手邊的橫截面上，帶狀導(dǎo)線8借助內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9、熱壓頭10、接觸連接表面11、導(dǎo)體軌道14和接合電路17，被連接到功率晶體管29的發(fā)射極。帶狀導(dǎo)線8是系統(tǒng)載體26的一部分，系統(tǒng)載體包括許多模塊安裝位置25，如圖1所示，電源模塊1就從那兒被模壓。在模壓電源模塊1期間，同時(shí)也彎曲了外部帶狀導(dǎo)線端部12。
參考數(shù)字20表示電路載體3的上側(cè)，這層載體上被覆蓋了一層連續(xù)的金屬層21。電路載體3上側(cè)20上的連續(xù)金屬層21同時(shí)也形成了電源模塊的上側(cè)。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，功率元件7中產(chǎn)生的熱可以通過(guò)這層金屬層散開(kāi)。為了提高散熱性而由此冷卻這層金屬層，這層金屬層可以被連接到散熱器和導(dǎo)熱塊。這種類(lèi)型的電源模塊1非常可靠，因?yàn)閮?nèi)部導(dǎo)體9和接觸連接表面11通過(guò)熱壓頭10形成的連接確保了將功率半導(dǎo)體芯片23連接到帶狀導(dǎo)線8，這種連接機(jī)械上穩(wěn)定，電性可靠。
附圖2顯示了電源模塊的電路載體3在貼合到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端9之前的橫截面示意圖，該電路載體在接觸連接表面11上具有熱壓頭10。與附圖1具有相同功能的元件在此不再做特別的描述。
電路載體3，是電路載體板4的一部分，而且與之分離，它實(shí)際上包括陶瓷板18，陶瓷板由二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂和碳化硅和其混合物制成。在其下面，該陶瓷板具有一層連續(xù)的金屬層21，同時(shí)，該金屬層也形成了后來(lái)的電源模塊的上側(cè)。結(jié)構(gòu)金屬層6，實(shí)際上包括銅或銅合金，并涂有一個(gè)接合涂層22，被用于電路載體板4的上側(cè)。該層接合涂層22可以由摻有磷的單層鎳組成，磷重量含量在5％和10％之間。
這層涂層抑制銅的擴(kuò)散，防止銅離子擴(kuò)散到熱壓頭10中，在熱壓頭中，銅離子會(huì)使接合連接件更脆弱。在其表面5上，電路載體3還沒(méi)有任何功率半導(dǎo)體芯片，但熱壓頭已經(jīng)安排在其接觸連接表面11上了。在升高的溫度、壓力下，利用超聲波，使用熱壓方法，在箭頭A的方向上，將內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9加到這些熱壓頭10上。為了達(dá)到這個(gè)目的，內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9可以同樣配備一個(gè)接合涂層22。這個(gè)接合涂層22由一層可以抑制銅擴(kuò)散的層和貴重金屬層組成，貴重金屬層方便將帶狀導(dǎo)線端部接合到電路載體3的熱壓頭10上。
附圖3是電源模塊的電路載體3在加到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9之前的橫截面示意圖，所述導(dǎo)體端部由熱壓頭10。前面附圖中具有同樣功能的元件用類(lèi)似的參考數(shù)字來(lái)表示，并不再做另外的描述。
也是附圖3所示實(shí)施例中，電路載體3還沒(méi)有裝配功率半導(dǎo)體芯片，只在其表面上具有芯片島24、導(dǎo)體軌道14、和接觸連接表面11。與前面附圖2所示實(shí)施例不同的是，在該實(shí)施例中，熱壓頭10首先被接合到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部，由此接合到系統(tǒng)載體26，系統(tǒng)載體26包括許多模塊安裝位置24，因此具有多樣化的帶狀導(dǎo)線和內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9，這些帶狀導(dǎo)線上具有平行的熱壓頭10。然后，準(zhǔn)備好適當(dāng)?shù)碾娐份d體3，在每個(gè)模塊安裝位置25上，所述電路載體在其接觸連接表面11上沒(méi)有任何熱壓頭，將電路載體機(jī)械地和功率地連接到具有熱壓頭10的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9，結(jié)果，沿著箭頭A的方向，內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9接合到接觸連接表面11上。
附圖4是電路載體3在貼合內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9之前的橫截面示意圖，該電路載體裝配有作為電路模塊的電路元件7，所述導(dǎo)體端部具有熱壓頭10。與前面附圖的元件具有同樣功能的元件用類(lèi)似的參考數(shù)字表示，并不再做附加描述。
在附圖4所示的實(shí)施例中，首先，電路載體板4的尺寸要完全能滿足許多電路載體3的需要，也就是說(shuō)，在電路載體3的每個(gè)單獨(dú)位置上，都裝配有功率半導(dǎo)體芯片23，功率半導(dǎo)體芯片的電極借助接合連接件，電連接到彼此或?qū)w軌道14上。然后，只有包括許多電路載體3的電路載體板4，移動(dòng)到系統(tǒng)載體24的模塊安裝位置25，在安裝位置上，電路載體板接合到準(zhǔn)備好的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線9，該導(dǎo)體已經(jīng)裝配有熱壓頭10。為了達(dá)到這個(gè)目的，系統(tǒng)載體的帶狀導(dǎo)線端部可以沿著箭頭A所示方向，再次降低位置，或者相反，可以使帶有半導(dǎo)體芯片和接合接頭的電路載體朝著系統(tǒng)載體移動(dòng)。
與前面附圖1和2所示實(shí)施例不同的是，本發(fā)明的該實(shí)施例中，每個(gè)接合都具有五個(gè)熱壓頭，以便于確保更高的電流密度和更大的機(jī)械強(qiáng)度。
附圖5顯示了在貼合內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9之前電路載體3的橫截面示意圖，該電路載體裝配有作為電源模塊的功率元件7，還在接觸連接表面11上具有熱壓頭10。與前面附圖的元件具有同樣功能的元件用類(lèi)似的參考數(shù)字表示，并不再做附加描述。
在附圖5所示實(shí)施例中，與附圖4所示實(shí)施例不同的是，在接觸連接表面11上，電路載體3具有熱壓頭，以便于借助熱壓頭，接合連接到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線9。與附圖2和3所示實(shí)施例不同的是，附圖5所示實(shí)施例中，在系統(tǒng)載體3上，已經(jīng)具有電源模塊的元件，這些元件也已經(jīng)完全被接合連接件用電線連接起來(lái)，因此，在電源模塊裝箱之前，可以很快將內(nèi)部帶狀導(dǎo)線貼合到接觸連接表面上。
附圖6顯示了裝箱前，將電路載體3的接觸連接表面11電連接和機(jī)械連接到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端端部9之后，電源模塊1的橫截面示意圖。與前面附圖的元件具有同樣功能的元件用類(lèi)似的參考數(shù)字表示，并不再做附加描述。
附圖6大致地顯示了附圖2、3、4和5中的處理步驟，但是在該圖中，只有三個(gè)熱壓頭10，沒(méi)有象附圖3和4一樣顯示五個(gè)熱壓頭?？梢詮脑搱D中看出的是，電源模塊可以借助熱壓頭的數(shù)量，與內(nèi)部平—導(dǎo)體9和接觸連接表面11之間的連接區(qū)域內(nèi)的機(jī)械強(qiáng)度和電流密度的需要相匹配。與附圖1所示電源模塊的橫截面不同之處在于，在附圖1中，帶狀導(dǎo)線從殼體兩側(cè)突出來(lái)，然而，在附圖6中，帶狀導(dǎo)線可以只從殼體一側(cè)突出來(lái)。
附圖7顯示了具有帶狀導(dǎo)線8的系統(tǒng)載體26以及電路載體3的模塊安裝位置的平面圖，電路載體借助熱壓頭10在裝箱前電連接和機(jī)械連接到模塊安裝置25上的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端端部9，并裝配有功率元件23。與前面附圖的元件具有同樣功能的元件用類(lèi)似的參考數(shù)字表示，并不再做附加描述。
附圖7所示實(shí)施例中，具有功率元件7的電路載體安排在系統(tǒng)載體26的下面。附圖7只顯示了系統(tǒng)載體26的一個(gè)模塊安裝位置25，每個(gè)模塊安裝位置25被系統(tǒng)載體27包圍，帶狀導(dǎo)線8從那兒朝著系統(tǒng)載體框架27的中心延伸。帶狀導(dǎo)線8的外端12被固定到系統(tǒng)載體框架，帶狀導(dǎo)線8的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9突出在電路載體3之外。
虛線28表示壓印軌跡，壓印工具沿著該軌跡從系統(tǒng)載體框架壓印出電源模塊，該電源模塊裝入模塊安裝位置25的箱中。在附圖7中用虛線顯示了熱壓頭10，熱壓頭安排在具有接觸連接表面11的電路載體3和內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部9之間。附圖7所示實(shí)施例包括可裝六個(gè)并可手提的厚紙板箱件，該紙板箱件包括六個(gè)功率晶體管29，這些功率晶體管借助六個(gè)外帶狀導(dǎo)線101、102、103、104、105和106被激勵(lì)，并與六個(gè)功率二極管30相互作用。
參考符號(hào)表1功率元件2絕緣板3電路載體4電路載體板5電路載體板的電路載體的上側(cè)6結(jié)構(gòu)金屬層7功率元件8帶狀導(dǎo)線9內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部10 熱壓頭11 接觸連接表面12 外帶狀導(dǎo)線端部13 電源模塊箱14 導(dǎo)體軌道15 電極16 功率半導(dǎo)體芯片的活性上側(cè)17 接合連接件18 陶瓷板19 玻璃纖維增強(qiáng)型合成樹(shù)脂20 電路載體下側(cè)21 連續(xù)金屬層22 接合涂層23 功率半導(dǎo)體芯片24 接觸島25 模塊安裝位置26 系統(tǒng)載體27 系統(tǒng)載體框架28 表示壓印軌跡的虛線29 功率晶體管30 功率二極管
權(quán)利要求
1.一種電源模塊，具有一個(gè)絕緣板(2)，該絕緣板兩側(cè)涂有金屬，可以作為電路載體(3)，電路載體上側(cè)(5)具有結(jié)構(gòu)金屬層(6)，上面裝配有功率元件(7)，電源模塊(1)還具有帶狀導(dǎo)線(8)，其內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部(9)借助熱壓頭(10)電連接到結(jié)構(gòu)金屬層(6)的接觸連接表面(11)，其外部帶狀導(dǎo)線端部(12)從電源模塊(1)的殼體(13)突出來(lái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源模塊，其特征在于功率元件(7)借助結(jié)構(gòu)金屬層(6)的導(dǎo)體軌道(14)彼此連接和/或連接到接觸連接表面(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電源模塊，其特征在于電源模塊(7)的活性上側(cè)(16)的電極(15)借助接合連接件(17)連接到導(dǎo)體軌道(14)和/或結(jié)構(gòu)金屬層(6)的接觸連接表面(11)。
4.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于電路載體(3)用陶瓷板(18)作為絕緣板(2)，該陶瓷板包括SiO2、Al2O3、Si3N4、ZrO2、MgO或SiC或其混合物。
5.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于電路載體(3)用玻璃纖維增強(qiáng)型合成樹(shù)脂(19)作為絕緣板(2)。
6.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于電路載體(3)的下側(cè)(20)具有連續(xù)金屬層(21)。
7.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于電路載體(3)的金屬層(6、21)包括銅或銅合金。
8.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于接合涂層(22)被設(shè)置在接觸連接表面(11)上，熱壓頭(10)被設(shè)置在接合涂層(22)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電源模塊，其特征在于接合涂層(22)包括抑制銅擴(kuò)散的一層和/或貴重金屬層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電源模塊，其特征在于抑制銅擴(kuò)散的層包括鎳或鎳合金。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的電源模塊，其特征在于貴重金屬層包括金、銀、鋁或其合金。
12.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于接觸連接表面(11)包括摻磷的鎳涂層。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一所述的電源模塊，其特征在于接觸連接表面(11)兩側(cè)具有可以抑制銅擴(kuò)散的金或金合金的涂層，涂層厚度有幾十毫微米。
14.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于電路載體(3)兩側(cè)的金屬層(6、21)具有相同的抑制銅擴(kuò)散涂層和/或貴重金屬層。
15.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于熱壓頭(10)包括金、鋁、銅和/或其合金。
16.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于帶狀導(dǎo)線(8)包括銅或銅合金。
17.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部(9)具有一個(gè)抑制銅擴(kuò)散的涂層和/或一個(gè)貴重金屬層，其成分與接觸連接表面(11)上的接合涂層(22)相一致。
18.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于電源模塊(1)是一個(gè)多芯片模塊，該模塊的電路載體(3)上安排有半導(dǎo)體芯片(23)。
19.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電源模塊，其特征在于電源模塊(1)有一個(gè)控制電機(jī)的控制器。
20.一種生產(chǎn)電源模塊的方法，包括以下步驟在眾多模塊安裝位置上提供一個(gè)具有接觸島(24)、導(dǎo)體軌道(14)和結(jié)構(gòu)金屬層(6)的接觸連接表面(11)的電路載體板(4)；至少給接觸連接表面(11)涂上接合涂層(22)；將熱壓頭(10)連接到接觸連接表面(11)；針對(duì)每個(gè)模塊安裝位置(25)，將電路載體板(4)劃分成單獨(dú)的電路載體(3)；提供一個(gè)具有系統(tǒng)載體框架的系統(tǒng)載體(26)，帶狀導(dǎo)線(8)的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部(9)從那兒沿著眾多模塊安裝位置(25)延伸；將各個(gè)電路載體(3)的接觸連接表面(11)上的熱壓頭(10)定向并連接到系統(tǒng)載體(26)的模塊安裝位置(25)上的各個(gè)引導(dǎo)架的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部(9)；將眾多功率元件(7)連接在各個(gè)模塊安裝位置(25)上；連接接合連接件(17)；將系統(tǒng)載體(26)的各個(gè)模塊安裝位置(25)與設(shè)置在電路載體上的功率元件(7)一起包裝在殼體(13)內(nèi)；將系統(tǒng)載體(26)劃分成單獨(dú)的多芯片電源模塊(1)。
21.一種生產(chǎn)電源模塊(1)的方法，包括以下步驟提供具有大量模塊安裝位置(25)的電路載體板(4)，其包括接觸島(24)、導(dǎo)體軌道(14)和結(jié)構(gòu)金屬層(6)的接觸連接表面(11)；有選擇地給接觸連接表面(11)涂上接合涂層(22)；將電路載體板(4)上的大量功率元件(7)裝配在各個(gè)模塊安裝位置(25)；將接合連接件(17)連接在各個(gè)模塊安裝位置(25)；將熱壓頭(10)連接到接觸連接表面(11)；將電路載體板(4)劃分成每個(gè)模塊安裝位置(25)的單獨(dú)的電路載體(3)；提供一個(gè)具有系統(tǒng)載體框架的系統(tǒng)載體(26)，帶狀導(dǎo)線(8)的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部(9)從那兒沿著眾多模塊安裝位置(25)延伸；將各個(gè)電路載體(3)的接觸連接表面(6)上的熱壓頭(10)定向并連接到系統(tǒng)載體(26)的模塊安裝位置(25)上的各個(gè)引導(dǎo)架的內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部(9)；將系統(tǒng)載體(26)的各個(gè)模塊安裝位置(25)與設(shè)置在電路載體(3)上的功率元件(7)一起包裝在殼體(13)內(nèi)；將系統(tǒng)載體(26)劃分成單獨(dú)的多芯片電源模塊(1)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的方法，其特征在于提供絕緣板(2)來(lái)作為電路載體(3)，該絕緣板兩側(cè)層涂附有銅，這些銅層之一構(gòu)成安裝功率半導(dǎo)體芯片(23)的接觸島(24)，導(dǎo)體軌道(13)和接觸連接表面(11)，而相對(duì)的銅層仍然保持為連續(xù)金屬層。
23.根據(jù)權(quán)利要求20至22之一所述的方法，其特征在于可以借助蝕刻掩模用蝕刻的方法來(lái)構(gòu)成所述結(jié)構(gòu)金屬層(6)。
24.根據(jù)權(quán)利要求20至23之一所述的方法，其特征在于可以借助蝕刻掩模用濕蝕刻或干蝕刻的方法來(lái)構(gòu)成所述金屬層(6)的結(jié)構(gòu)。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至22之一所述的方法，其特征在于可以借助激光消融來(lái)構(gòu)成所述結(jié)構(gòu)金屬層(6)。
26.根據(jù)權(quán)利要求20至25之一所述的方法，其特征在于用電鍍法首先形成接合涂層(22)，可以抑制銅擴(kuò)散的一層，然后形成包括金、銀、或其合金的一個(gè)金屬層。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于借助絲網(wǎng)印刷術(shù)，將摻磷的鎳涂層作為抑制銅擴(kuò)散的一層。
28.根據(jù)權(quán)利要求20至27之一所述的方法，其特征在于熱壓頭借助熱壓接合法或熱壓超聲接合法連接到內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部(9)和/或涂布的接觸連接表面(11)。
29.根據(jù)權(quán)利要求20至28之一所述的方法，其特征在于在系統(tǒng)載體(26)的各個(gè)模塊安裝位置(25)上，借助焊接法，將功率半導(dǎo)體芯片(23)電連接和機(jī)械安裝到電路載體(3)的接觸島(24)。
30.根據(jù)權(quán)利要求20至28之一所述的方法，其特征在于在系統(tǒng)載體(26)的各個(gè)模塊安裝位置(25)上，借助粘合劑接合技術(shù)，將功率半導(dǎo)體芯片(23)機(jī)械安裝到電路載體(3)的接觸島(24)，和/或借助導(dǎo)電粘合劑將功率半導(dǎo)體芯片(23)電連接起來(lái)。
31.根據(jù)權(quán)利要求20至30之一所述的方法，其特征在于功率半導(dǎo)體芯片(23)的活性上側(cè)(16)的電極(15)與彼此電連接，和/或借助接合連接件(17)連接到結(jié)構(gòu)金屬層(6)的導(dǎo)體軌道(14)。
32.根據(jù)權(quán)利要求20至31之一所述的方法，其特征在于借助有關(guān)塑料箱的高壓注射模塑法，將各個(gè)模塊安裝位置(25)包裝在殼體(13)中。
33.根據(jù)權(quán)利要求20至32之一所述的方法，其特征在于借助壓印的方法，將系統(tǒng)載體(26)劃分成單獨(dú)的多芯片電源模塊(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電源模塊和一種生產(chǎn)這種模塊的方法，該電源模塊(1)具有電路載體(3)，電路載體上側(cè)(5)具有結(jié)構(gòu)金屬層(6)，上面裝配有功率元件(7)。功率元件被帶狀導(dǎo)線(8)激勵(lì)(drive)，其內(nèi)部帶狀導(dǎo)線端部(9)借助熱壓頭(10)與接觸連接表面(11)相互作用，同時(shí)，其外部帶狀導(dǎo)線端部從電源模塊(1)的殼體中突出來(lái)。
文檔編號(hào)H01L23/495GK1444432SQ02160629
公開(kāi)日2003年9月24日 申請(qǐng)日期2002年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月23日
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