功率模块和包含该功率模块的功率转换系统的制作方法

本发明涉及一种功率模块和包含该功率模块的功率转换系统，更具体涉及以下这种功率模块和包含该功率模块的功率转换系统，其中电介质材料涂层被涂布到除表面贴装工艺(smt)区域之外的区域，并且电介质材料插入在引线框架图案之间的孔隙(pore)中，以使引线框架具有集成结构，从而使功率模块可具有将多个半导体安装在一个基板上的2合1、4合1或6合1结构。

背景技术：

功率转换系统(例如逆变器)是混合动力车辆和电动车辆的核心部件之一，也是环保车辆的主要部件。人们已开发出许多关于功率转换系统的技术，并且正在开发用于发展功率模块的技术。功率模块是功率转换系统的核心部件，在功率转换系统的部件中生产成本最高，并且功率模块是环保车辆领域的核心技术。

功率模块可以是绝缘型功率模块或非绝缘型功率模块。常规的非绝缘型功率模块使用单引线框架，因此难以形成图案。因此，常规的非绝缘型功率模块允许1合1或2合1结构设计，但是在扩展到4合1或6合1结构的情况下则需要复杂的引线框架配置，这使得扩展功率模块的结构设计变得困难。

此外，为了配置常规的非绝缘型功率模块，可以应用绝缘型双层热界面材料(tim)和绝缘型单层si3n4陶瓷基板。因此，常规的非绝缘型功率模块具有劣化的热辐射特性。

此外，常规的非绝缘型功率模块被配置在多层焊料结构中，由于其上应用了垫片而降低了可靠性。常规的非绝缘型功率模块，由于引线结合而需要应用多种工艺，因此需要确保引线结合的可靠性。

因此，需要一种能够将功率模块开发成扩展型，能够改善热辐射特性，并且能够实现可靠性提高和工艺改进的简化结构的解决方案。

在该背景技术中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，而不应被视为所述信息形成本领域技术人员已知的现有技术的认可。

技术实现要素：

提出本发明以解决上述问题，本发明的一个方面提供一种功率模块以及包括该功率模块的功率转换系统，其中电介质材料涂层涂布到除smt区域以外的区域，并且电介质材料插入到引线框架图案之间的孔隙中以使引线框架具有集成结构，使得功率模块具有可将多个半导体安装在一个基板上的2合1、4合1或6合1结构。

为了实现上述方面，根据本发明的功率模块可包括：上基板，其包括多个由金属制成的电路图案区域和布置在多个电路图案区域的每一个区域之间的电介质区域；下基板，其包括多个由金属制成的电路图案区域和布置在多个电路图案区域之间的每一个区域之间的电介质区域；以及半导体元件，其具有上端子和下端子，上端子和下端子分别结合到上基板的下表面和下基板的上表面。

功率模块，还可包括：布置在上基板和下基板之间的介电层，其中介电层具有开口，该开口形成在上基板和下基板彼此电连接的区域中或者在上基板和半导体元件结合的区域中。

介电层涂覆在下基板的上表面上。

介电层具有在其上表面形成的导电引线，并且包括用于电连接导电引线和半导体元件的至少一个导电孔。

基于介电层的总重量，介电层可包含3～40wt％的环氧化合物和50～95wt％的陶瓷。

上基板的下表面上形成有浮凸部，浮凸部形成在多个电路图案区域中的每一个的至少一部分上，并且下基板的上表面上形成有凹陷部，凹陷部形成在多个电路图案区域中的每一个的至少一部分上。

半导体元件具有分别结合到浮凸部和凹陷部的上端子和下端子。

凹陷部可形成一定深度，使得半导体元件的上表面的水平面，与未形成凹陷部的下基板的上表面的水平面基本相同。

功率模块，还包括形成在上基板的上表面或下基板的下表面上的介电层。

根据本发明的一种功率转换系统，包括：功率模块；以及被配置成与介电层表面接触的冷却器。

介电层的总重量，介电层可包含3～40wt％的环氧化合物和50～95wt％的陶瓷。

根据本发明各种实施例的功率模块和包括该功率模块的功率转换系统，电介质材料涂层被涂布到除smt区域以外的区域，并且电介质材料插入在引线框架图案之间的孔隙中，以使引线框架具有集合结构，从而使功率模块具有可将多个半导体安装在一个基板上的2合1、4合1或6合1结构。

此外，在根据本发明各种实施例的功率模块和包括该功率模块的功率转换系统中，可在与引线框架相同的平面表面上以凹陷方式形成其上安装半导体元件的部分，并在上基板上形成浮凸图案，从而去除垫片，简化引线框架之间的垂直连接的结构。

此外，在根据本发明各种实施例的功率模块和功率转换系统中，可将不包含陶瓷的电介质材料应用于功率模块的结合，以防止使用会劣化设备热性能的常规热脂。因而，本发明提供一种具有改善的结合热辐射特性的功率模块和功率转换系统，使得绝缘性能得以改善，从而配置具有改善冷却性能的功率模块。

附图说明

从以下结合附图进行的详细描述中，本发明的上述和其他方面、特征以及优点将变得更加显而易见，其中：

图1示出根据本发明实施例的功率模块的上基板的结构；

图2示出根据本发明实施例的功率模块的下基板的结构；

图3示出根据本发明实施例的功率模块的结构；以及

图4示出包括根据本发明实施例的功率模块的功率转换系统的结构。

具体实施方式

在下文，将描述根据本发明各种实施例的功率模块和包括功率模块的功率转换系统。

图1示出根据本发明实施例的功率模块的上基板的结构。图2示出根据本发明实施例的功率模块的下基板的结构。图3示出根据本发明实施例的功率模块的结构。图4示出包括根据本发明实施例的功率模块的功率转换系统的结构。

首先，参考图1至图3，根据本发明实施例的功率模块可包括：上基板100，包括多个由金属制成的电路图案区域和布置在多个电路图案区域中的每个区域之间的电介质区域；下基板300，包括多个由金属制成的电路图案区域和设置在多个电路图案区域中的每个区域之间的电介质区域；以及半导体元件500，具有分别结合到上基板100的下表面和下基板300的上表面的上端子和下端子。

上基板100包括多个由金属制成的电路图案区域和布置在多个电路图案区域中的每个区域之间的电介质区域130，其中浮凸部10可形成在多个电路图案区域中的每个区域的至少一部分上。

在此，金属可为铜(cu)。参考图1，多个电路图案区域是具有预定图案结构的金属区域。形成图案的工艺众所周知，因此省略对其的描述。由金属制成的电路图案区域之间的间隙与孔隙(pore)相对应。作为电介质的电介质材料插入到孔隙中以构成电介质区域130。电介质区域130的电介质是有机-无机复合电介质材料，并且基于介电层的总重量，包含3～40wt％的环氧树脂和50～95wt％的陶瓷。在此，氮化硼或类似材料可被用作陶瓷。具有上述成分的电介质材料可在约180℃的低温下被压制和结合，并且结合后的热应力会变低，并具有优异的弹性和韧性，以防止其因热膨胀系数的差异而破裂。电介质区域130，即由插入在引线框架之间的电介质材料形成的电介质区域130能够扩大热辐射面积，并且电介质材料可具有20-50w/mk的导热系数，因此可使热量在水平方向上传递。

上基板100的浮凸部(embossedportion)10可以以蚀刻方式形成。

浮凸部10形成在金属电路图案区域的一个表面(上基板100的下表面)上，以便被直接焊接(焊接部50)到(下文中将要描述的)半导体元件500和下基板300上。通过这种结构，可去除可靠性低的常规垫片。

参考图2，下基板300包括多个由金属制成的电路图案区域和布置在多个电路图案区域中的每个区域之间的电介质区域330，其中凹陷部(engravedportion)30可形成在多个电路图案区域中的每个区域的至少一部分上。

在此，金属可以是与上基板100的金属相同的铜。此外，多个电路图案区域可以与上基板100的多个电路图案区域相同，并且可以是具有预定图案结构的金属区域。与上基板100的电介质区域130一样，电介质区域330也可以是由插入在金属制成的电路图案区域之间的孔隙中的电介质材料形成的区域。此外，电介质区域330的电介质可以与上基板100的电介质区域130相同，并且可以是有机-无机复合电介质材料。如上所述，电介质区域130即插入在引线框架之间的电介质材料可扩大热辐射面积，并且电介质材料可具有20-50w/mk的导热系数，因此能够使热在水平方向上传递。此外，通过形成电介质材料插入集成引线框架结构，可利用2合1、4合1或6合1结构，该结构允许(后面将描述的)多个半导体元件500一起安装在一个基板上。

在下文中，稍后描述的介电层400和介电层700(在图2至图4中示出)的电介质，可以是与上基板100和下基板300相同的有机-无机复合电介质材料。

在描述图2中的下基板300的结构之前，先简要描述形成下基板300的过程。首先，将电介质即电介质材料涂覆在下基板300的上表面上，以形成介电层400。将电介质即电介质材料插入在电路图案区域之间的孔隙中，以使引线框架集成在一体。此外，以蚀刻的方式形成下基板300的凹陷部30，并且当只有形成凹陷部30的部分从形成于下基板300的上表面上的介电层400中去除时，才形成如图2所示的下基板300的结构(该图不包括俯视图，但是相对于图2中的虚线部分，去除了其上要安装半导体元件500的凹陷部30的介电层400，且其上未安装半导体元件500的剩余部分上形成有介电层400)。接下来，参考图3，半导体元件500的下端子通过焊接(焊接部40)结合到下基板300的凹陷部30。在这种情况下，可形成下基板300的凹陷部30的深度，使得被结合到凹陷部30的半导体元件的上表面的水平面，与其上没有形成凹陷部的下基板300的上表面的水平面基本相同。换句话说，半导体元件500可被布置成，使得半导体元件500的上表面位于相对于其上未形成凹陷部30的下基板300的上表面的±50um的水平面上，因此形成大致相同的平面。通过这种结构，上基板100、下基板300和半导体元件500可直接焊接在一起。因而，可去除常规功率模块中包含的垫片，以使可靠性低的焊料层最小。

参考图3，功率模块还包括布置在上基板100和下基板300之间的介电层400，其中介电层400可以在上基板100和下基板300彼此电连接的区域50中或者在上基板和半导体元件结合的区域50中具有开口。

在此，该开口是穿过如上所述的下基板300的上表面上的介电层400的一部分而形成的孔，其中凹陷部30形成在介电层400的部分上。将焊料插入到开口中，以便将上基板100和下基板300直接焊接到半导体元件500上。通过这种焊接，上基板100和下基板300电连接，半导体元件500的上端子被结合到上基板100的浮凸部10，并且其下端子结合到下基板300的凹陷部30。将上基板100的浮凸部10和下基板300的凹陷部30直接焊接到半导体元件500上，可简化引线框架之间的竖直连接的结构。

参考图4，功率模块还可包括形成在上基板100的上表面上或者下基板300的下表面上的介电层700。

在此，该电介质可以与上述的上基板100的电介质区域130的电介质相同，并且可以是有机-无机复合电介质材料。

介电层700是与冷却装置800相接触的部分，并且具有代替热界面材料(thermalinterfacematerial,tim)+si3n4+热界面材料(tim)的常规结构的结构。该结构可防止使用主要用作具有劣化热性能的tim的热脂，因此可改善基板的结合性能和热辐射性能。此外，这种结构甚至可确保绝缘性能，从而使功率模块具有改善的冷却性能。

参考图4，在下基板300的上表面上的介电层400的上表面上形成导电引线600，并且介电层400可包括用于电连接导电引线600和半导体元件500的至少一个导电孔(conductiveviahole)430。

在此，导电引线600由插入在穿过介电层400形成的导电孔430中的焊料电连接到半导体元件500。此外，作为本发明的一个实施例，导电引线600可形成信号部，并且上基板100和下基板300的金属电路图案区域可形成功率部。

参考图4，根据本发明的实施例的功率转换系统可包括：功率模块；以及被配置成与介电层700表面接触的冷却装置800。

在此，功率模块可包括分别具有根据本发明的结构的上基板100、下基板300和半导体元件500，并且可以是应用环氧塑封料(emc)作为填料900的功率模块。冷却器800可以是动力冷却设备或冷却通道。

如上所述，在根据本发明各种实施例的功率模块和包括该功率模块的功率转换系统中，电介质材料涂层被涂布到除了smt区域以外的区域上，并且电介质材料被插入到引线框架图案之间的孔隙中，以使引线框架具有集成结构，使得功率模块具有可将多个半导体安装在一个基板上的2合1、4合1或6合1结构。

此外，在根据本发明各种实施例的功率模块和包括该功率模块的功率转换系统中，可以在与引线框架相同的平面表面上以凹陷方式形成其上安装半导体元件的部分，并且在上基板上形成浮凸图案，从而去除垫片，并简化引线框架之间的竖直连接结构。

此外，在根据本发明各种实施例的功率模块和功率转换系统中，除了陶瓷之外的电介质材料可应用于功率模块的结合，以防止使用具有劣化热性能的常规热脂。因而，功率模块和功率转换系统能够提高结合性能和热辐射性能，并且甚至确保绝缘性能，以便配置具有更优异的冷却性能的功率模块。

本发明已参考其特定实施例进行说明和描述。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，在由所附权利要求提供的本发明的技术理念内可进行各种修改和改变。