專利名稱：制造適合高壓應(yīng)用的剛性功率模塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造適合高壓應(yīng)用的剛性功率模塊的方法。功率半導(dǎo)體模塊截至目前 通常由釬焊料、粘結(jié)劑、LTB(低溫結(jié)合件)或永久撓性的導(dǎo)熱焊膏的多重過渡部分形成，所 述過渡部分將組成元件例如冷卻體、散熱器(基板)、基底和半導(dǎo)體彼此連接。在該過程中， 半導(dǎo)體必須釬焊到主要由若干料層(絕緣層和金屬層)構(gòu)成的基底上，基底又必須釬焊到 導(dǎo)熱良好(并且大部分也導(dǎo)電)的金屬散熱器上，形成熱擴(kuò)散件，并且最后該熱擴(kuò)散件必須 連接到冷卻體。重要的一點是，用來操作功率半導(dǎo)體的高電流或電壓不能到達(dá)冷卻體。因 此，形成安全的電絕緣并仍然保證良好的熱傳遞非常重要。因此，基底傳統(tǒng)上形成為厚層基 底、DCB等，這種情況下，作為導(dǎo)熱良好的絕緣件的陶瓷芯例如Al2O3或AlN等設(shè)置有兩個導(dǎo) 電構(gòu)造的料層，所述導(dǎo)電構(gòu)造的料層例如由銅或厚膜焊膏構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的問題在于，大量 的熱量通過因老化而變脆的一個或多個釬焊料或粘結(jié)劑過渡部傳導(dǎo)，所以熱流必須通過相 應(yīng)更小的截面?zhèn)鲗?dǎo)，然后老化變得更快。通過包封來保護(hù)剛性功率模塊，防止時效和老化的影響。一種制造剛性功率模 塊 的方法例如可以從本申請人的DE 10 2007 020 618 B3中獲知，其中壓力模具用來在處于 已裝件(populated)狀態(tài)的引線框架(借助壓力模具中的安裝板牙固定在壓力模具中)周 圍形成模具化合物，在成形過程中，凹部保留在預(yù)定位置，隨后可以利用插入所述凹部中的 凸模將引線框架的腹板去除。申請人:名下的DE 2004 005 534 Al已經(jīng)公開了一種功率半導(dǎo)體模塊，知道其構(gòu)造 具有顆粒噴涂層，所述顆粒熔合在一起，作為導(dǎo)電布線平面，在所述噴涂層上與所述層密切 連接。利用這種模塊，通過金屬噴鍍而替代了剛性陶瓷基底。因此，追求的方案僅用于模塊 內(nèi)側(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明能提供一種剛性功率模塊，諸如用于汽車應(yīng)用場合，特別是混合車輛 的場合，所述剛性功率模塊設(shè)置有與模塊主體的必要牢固鍵合(bonded link)，準(zhǔn)確地說， 以導(dǎo)熱、電絕緣特別是還防水和不透水的方式提供這種鍵合。在上述現(xiàn)有技術(shù)的模塊中，問題是所能實現(xiàn)的介電強(qiáng)度，即它的電壓等級。在上述方法中，暴露于冷卻體的引線框架元件連線到一定的電勢，因此必須彼此 電氣絕緣并且相對于冷卻體電氣絕緣。在現(xiàn)有技術(shù)中，絕緣焊膏或絕緣膜設(shè)置在帶有引線框架元件的模塊主體和冷卻體 之間，用于這種目的。引線框架元件通常隔開0.5mm。常見的導(dǎo)熱膜(諸如Keratherm(R) Red)具備4000伏特/毫米的介電強(qiáng)度。但是， 在模塊和/或引線框架元件之間不存在材料連接部的時候，這種介電強(qiáng)度并不適用。在這 種情況下，必須適用引線框架元件之間的漏電路徑介電強(qiáng)度，且其量值在非均勻電場中，在 0. 5mm時僅為250伏特(參見DIN EN60664-1)但是，焊膏并沒有與模塊主體和引線框架連 接的材料連接部。因此，必須采用漏電路徑值。
在焊膏和膜這兩種情況下，缺陷在于，在最好的情況下，可以實現(xiàn)正向匹配。這樣 并不能如期望地那樣來擴(kuò)展介電強(qiáng)度。此外，可以借助適當(dāng)材料(例如，Kapton(R)膜)來實現(xiàn)引線框架元件相對于冷卻體的電絕緣效果，但是同樣需要的導(dǎo)熱值無法存續(xù)。首先，焊膏的技術(shù)缺陷在于，在安裝壓力下，沿著模塊和冷卻體的光滑表面，焊膏 始終發(fā)生流動。在溫度循環(huán)的情況下，模塊變形甚至導(dǎo)致焊膏被抽出模塊和冷卻體之間的 間隙(所謂的抽出效應(yīng))。因此，現(xiàn)有技術(shù)中采用的兩種方案的缺陷在于，隨著時間發(fā)展，相 對于冷卻體出現(xiàn)永久的熱抗性劣化。最后，導(dǎo)致的缺陷是，焊膏和膜的熱學(xué)屬性，即使在專用材料的情況下，也限制于 大約0. 5到5W/mK。因此，僅可能形成較小的熱流，而且半導(dǎo)體因操作高溫而損壞。因此，本發(fā)明的目標(biāo)是制造一種不存在上述缺陷的功率模塊。根據(jù)本發(fā)明，借助具有本發(fā)明特征的方法來實現(xiàn)上述目標(biāo)。在所述過程中，也可 以讓相應(yīng)的半導(dǎo)體借助釬焊、粘結(jié)、燒結(jié)、導(dǎo)線連接等方式導(dǎo)熱和導(dǎo)電地連接到引線框架兩 側(cè)，然后引線框架在轉(zhuǎn)移模制過程中擠壓涂覆，以便引線框架元件側(cè)部暴露于冷卻體。為了電氣絕緣，該引線框架側(cè)部在額外的步驟中通過熱噴涂以電絕緣且導(dǎo)熱良好 的料層涂覆，因此制作地適合高壓應(yīng)用場合。因此，利用本發(fā)明的特征，一方面通過模塊主體上的牢固鍵合，另一方面通過導(dǎo)熱 良好地與冷卻體電氣絕緣，實現(xiàn)了一種熱連接。


本發(fā)明進(jìn)一步的特征和優(yōu)勢將從下文優(yōu)選實施例的說明中體現(xiàn)出來。在附圖中圖1借助額外的陶瓷絕緣料層示出了不同于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)造性新結(jié)構(gòu)；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)；和圖3示出了與圖1 一樣且具有噴涂在陶瓷絕緣料層下側(cè)的額外金屬料層的結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式圖中所示模塊下側(cè)以電氣絕緣但導(dǎo)熱良好的料層涂覆，例如氧化物、氮化物或滲 碳陶瓷料層(氧化鋁、氮化鋁或碳化硅)。這些涂覆材料，已經(jīng)在上述DE 10 2004 005 534 Al中列出，優(yōu)選通過熱噴涂來施加，絕緣件料層厚度取決于期望的介電強(qiáng)度以及所選陶瓷 的或者陶瓷復(fù)合材料的特性。通過相對于彼此夾緊粗糙表面，特別是它們的峰值粗糙點，防止了相對于彼此的 漏電以及任何形式的抽出效應(yīng)，同時在粗糙點上，導(dǎo)熱焊膏和導(dǎo)熱膜彼此夾緊。因此，焊膏不再因模塊的熱力機(jī)械運動而擠出。噴涂陶瓷層5的粗糙表面提供了 二維擴(kuò)展的殘余間隙和毛細(xì)管，這些殘余間隙和毛細(xì)管無法擠壓到零間隔，因此完全并永 久被導(dǎo)熱焊膏填充。優(yōu)選實施例1 在處于完成狀態(tài)的優(yōu)選實施方式中，參見圖1，帶有暴露引線框架跡線4的模制模 塊進(jìn)行涂覆，從而借助熱噴涂與厚度大約為300 μ m的氧化鋁料層牢固鍵合。這種噴涂料層 絕緣抗性高達(dá)6000伏特左右。
這些料層的導(dǎo)熱率大約為24W/mK，因此較之焊膏或膜導(dǎo)熱性更高。與此同時，由于氧化鋁牢固鍵合在引線框架4的銅料以及模塊主體1的塑料上，所 以形成與噴涂陶瓷的牢固鍵合。在距離為0. 5m的情況下，引線框架跡線之間的絕緣能力提高到10000伏特。這樣 可以用在線路電壓應(yīng)用場合，在這種情況下，所需的最小介電強(qiáng)度量> 2500伏特。優(yōu)選實施例2 在進(jìn)一步優(yōu)選實施方式中(圖3)，帶有暴露引線框架跡線4的模制模塊，厚度為 300 μ m左右的氧化鋁料層5也可以額外進(jìn)行涂覆，從而通過熱噴涂與另外的金屬料層牢固
纟口口。例如以Al、Ag、Cu形成的至少一個額外金屬料層例如通過冷氣噴涂而施加到氧化 鋁料層上。因此，形成帶有陶瓷_金屬序列料層的模制模塊，從而能通過釬焊或壓力燒結(jié)而 牢固鍵連接到金屬冷卻體6。在這種優(yōu)選實施方式中，通過這種牢固鍵連接從模塊到冷卻體 的熱流在很多情況下優(yōu)于通過焊膏層的熱流，如果能適用，則為優(yōu)選方案。附圖標(biāo)記2指代半導(dǎo)體，而3指代鍵合在半導(dǎo)體上的導(dǎo)線。
權(quán)利要求
一種制造剛性功率模塊的方法，所述模塊具有料層，所述料層電氣絕緣并且導(dǎo)熱良好且作為涂層沉積，所述料層具有以至少一種電氣絕緣且導(dǎo)熱良好的材料形成的融合在一起的噴涂顆粒，所述方法具有以下步驟制造一件式引線框架；將半導(dǎo)體設(shè)備、可能的無源部件裝設(shè)于引線框架中，并鍵合相應(yīng)連接部；將如此裝件的引線框架插入壓力模具中，以保證接觸引線框架的部分區(qū)域；將熱成型壓力模制化合物壓入所述壓力模具，同時閉合上述裝件的引線框架通過熱噴涂而涂覆上述裝件的引線框架下側(cè)的至少導(dǎo)電區(qū)域，并且延伸覆蓋所述導(dǎo)電區(qū)域之間以模制化合物填充的間隔區(qū)域的主要部分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂層通過熱噴涂進(jìn)行沉積。
3.如前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其特征在于，在涂覆過程中，沉積含鋁電絕緣物質(zhì)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述物質(zhì)包含氧化鋁。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，
6.如權(quán)利要求2至5任一項所述的方法，其特征在于，所述物質(zhì)包含碳化硅。
7.如前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其特征在于，所述料層的自由外側(cè)保持粗糙。
8.如前述權(quán)利要求任一項所述的方法，其特征在于，一個額外的金屬料層沉積在所述 絕緣導(dǎo)熱噴涂料層的外側(cè)。
9.一種剛性功率模塊，帶有電絕緣、導(dǎo)熱良好且作為涂層沉積的料層，所述料層包括熱 噴涂在引線框架下側(cè)的氧化鋁顆粒，所述顆粒彼此融合并融合到所述引線框架的導(dǎo)電區(qū)域 而且延伸到所述導(dǎo)電區(qū)域之間以模制化合物填充的間隔區(qū)域的主要部分，其特征在于，所 述氧化鋁料層(5)連同額外的鋁或銀金屬料層一起呈現(xiàn)連接到冷卻體(6)的牢固鍵合連接 件。
10.如權(quán)利要求9所述的功率模塊，其特征在于，所述額外金屬料層利用冷氣噴涂沉積 在所述絕緣導(dǎo)熱噴涂料層的粗糙外側(cè)。
11.一種剛性功率模塊，帶有電絕緣、導(dǎo)熱良好且作為涂層沉積的料層，所述料層包括 熱噴涂在引線框架下側(cè)的碳化硅顆粒，所述顆粒彼此融合并融合到所述引線框架的至少導(dǎo) 電區(qū)域而且延伸到所述導(dǎo)電區(qū)域之間以模制化合物填充的間隔區(qū)域的主要部分，其特征在 于，所述滲碳電絕緣料層(5)的導(dǎo)熱率為24W/mK，并設(shè)置有導(dǎo)熱焊膏，所述導(dǎo)熱焊膏永久保 留在殘余間隙和毛細(xì)管中，用作與冷卻體(6)連接的抗漏電正連接件。
全文摘要
一種制造剛性功率模塊的方法，所述模塊具有料層，所述料層電氣絕緣并且導(dǎo)熱良好且作為涂層沉積，所述結(jié)構(gòu)具有以至少一種電氣絕緣且導(dǎo)熱良好的材料形成的融合在一起的噴涂顆粒，所述方法具有以下步驟制造一件式引線框架；將半導(dǎo)體設(shè)備、可能的無源部件裝設(shè)于引線框架中，并鍵合相應(yīng)連接部；將如此裝件的引線框架插入壓力模具中，以保證接觸引線框架的部分區(qū)域；將熱成型壓力模制化合物壓入所述模具，同時閉合上述設(shè)置的引線框架通過熱噴涂而涂覆上述裝件的引線框架下側(cè)的至少導(dǎo)電區(qū)域，并且也覆蓋以模制化合物填充的間隔的主要區(qū)域。
文檔編號H01L23/28GK101847589SQ201010144079
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月28日
發(fā)明者特奧曼·森伊爾迪茲, 羅納德·艾西爾, 馬賽厄斯·科克 申請人:丹佛斯硅動力股份有限公司