[实用新型]功率模块

说明书

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种功率模块。

背景技术

功率模块在包括空调、洗衣机及冰箱等电机驱动、电力电子领域有着广泛的应用。功率模块包括由PCB板、驱动芯片与被动元件组成的驱动电路部分和功率半导体器件部分，整体采用模塑树脂封装。功率模块的工作电流很大，那么工作情况下功率芯片产生的热量很大，要求模块的内部的散热性能越强越好，针对此需求模块引线框架的功率芯片基岛与散热面之间的距离越小越好，填充物热导率越高越好。但在应用中，有安规规定功率模块和散热器之间要有一定的绝缘强度,因此对引线框架的功率芯片基岛与散热片之间要有足够的绝缘强度要求，针对此需求引线框架的功率芯片基岛与散热面之间的距离越大越好，填充物的绝缘性越高越好。如何保证引线框架的功率芯片基岛与散热面之间的散热与绝缘要求，是整个功率模块的设计以及制造关键。

在第一种现有技术中，功率半导体器件部分通过焊料固定在引线框架上，驱动电路部分通过银胶固定在PCB板上，内部电气连接通过引线框架和bonding（打线键合）连接，引线框架和PCB板被模塑树脂整个覆盖，引线框架的功率芯片基岛在模塑树脂注塑时由可伸缩顶针伸长顶住固定，在注塑完毕而模塑树脂没有固化前，可伸缩顶针缩回，其在模腔内的空隙会被未固化的模塑树脂填充。从而达到保证引线框架的功率芯片基岛到散热面的散热性和绝缘要求。在该方案中，可伸缩顶针在模塑树脂注塑时，必须伸长顶住引线框架的功率芯片基岛。在注塑过程中，模塑树脂对顶针进行强烈的磨擦，由于模塑树脂内70%至90%的成分是硬度很大的二氧化硅，并且为了确保模塑树脂的高导热性，二氧化硅均为片状，因此在注塑过程中，伸缩顶针会有磨损。当注塑完毕后，可伸缩顶针将会缩回，在缩回前顶针上会粘附较细的片状二氧化硅，在缩回时顶针对模具会有一个相对运动，此时顶针和模具均会被磨损。当可伸缩顶针和模具在磨损到一定程度时，其间隙会渗入模塑树脂，这样就会导致成品功率模块的散热面上有毛刺，毛刺会使得功率模块散热面与散热器之间接触不良，使得功率模块在工作时产生的热量不能及时散发出去，最终导致模块失效。为了避免毛刺的产生，可伸缩顶针和注塑模具则必须在较短的时间内定期更换，这样会大大提高生产成本。为了避免更换昂贵的模具，现多采用在模具与可伸缩顶针之间加入硬质合金的套筒。这么一来虽然可以避免更换昂贵的模具，但是更换可伸缩顶针与硬质合金套筒的成本也是很高昂，而硬质合金的韧性较低，套筒的实际生产中很容易崩裂，这也增加了产品的质量风险。为了使得顶针在模塑树脂注塑完毕后可以缩回，在塑封模具中必须额外增加一个控制可伸缩顶针的活动层，这样会使得模具的制作难度和成本增加。

在第二种现有技术中，引线框架的上表面通过焊料固定有功率半导体器件，下表面通过银胶与AL2O3、ALN、BEO等导热性能好的陶瓷基板结合，驱动部分通过银胶固定在引线框架上，内部电气连接通过引线框架和bonding（打线键合）连接，引线框架、陶瓷基板和功率芯片被模塑树脂封装，陶瓷基片的其中一面外露。第二种现有技术中的功率模块不会出现第一种现有技术的上述问题。但是，此技术方案的功率模块，陶瓷基板的其中一面是外露的。功率模块应用时的工作电流是很大的，那么将产生较大的热量，也就是说功率模块在实际应用中的温度变化很大，而且又由于陶瓷的热膨胀系数（5ppm/℃）和铜的热膨胀系数（17ppm/℃）相差很大，这样在铜和陶瓷材料的结合面上会产生较大的热应力，造成功率模块的翘曲，甚至出现裂缝。而一旦功率模块出现翘曲，那么在其与散热器通过螺丝接合时，在接合面上出现凸凹的情况，那么上螺丝时，就会对陶瓷基片产生较大的机械应力，陶瓷又是脆性材料，所以会造成陶瓷基片的损坏，并最终出现陶瓷基片的散热性能和绝缘性能下降的问题。即使陶瓷没有损坏，由于陶瓷基板的翘曲，那么在其与散热器通过螺丝接合时，在接合面上出现凸凹的情况，造成功率模块的外壳到散热器的热阻增加，最终导致整个系统的散热性能下降，导致在实际应用中，功率模块的热失效风险增加。而且把功率模块通过螺丝固定到散热器上时，如果散热器表面和功率模块的上表面之间有树脂毛刺等硬的物体，且由于陶瓷是脆性材料，就会可能造成陶瓷基板的破坏，从而造成功率模块的散热性能和绝缘性能的降低。同时，由于使用到陶瓷基板，会使得制作工艺更加复杂，生产成本较高。