一种双层结构的半导体电路及电控板的制作方法

1.本发明涉及一种双层结构的半导体电路及电控板，属于半导体电路应用技术领域。


背景技术：

2.半导体电路是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。半导体电路外表一般由注塑形成的树脂材料进行封装形成密封层，将基于基板形成的电路板、电子元件进行密封，引脚从密封层的一侧或者两侧伸出。传统的半导体电路的电路板为单层结构，引脚也是向同一个方向弯曲成型，以此使得半导体电路的体积较大，其应用到产品的控制器中时，控制电路板也体积相对大，不利于小型化且成本较高。


技术实现要素：

3.本发明需要解决的技术问题是解决现有的半导体电路的体积较大和引脚朝一个方向完全导致应用的控制电路板体积较大，不利于小型化的问题。
4.具体地，本发明公开一种双层结构的半导体电路，包括上下设置的第一电路基板组件、第二电路基板组件和密封层，其中第一电路基板组件和第二电路基板组件之间设置多个固定柱，其中，
5.第一电路基板组件包括：
6.第一基板，第一基板包括安装面和散热面，安装面设置有第一电路布线层；
7.多个第一电子元件，设置于第一电路布线层；
8.第一引脚组，第一引脚组设置在第一基板的至少一侧，且第一引脚组的每个引脚的一端和第一电路布线层连接；
9.第二电路基板组件包括：
10.第二基板，第二基板的表面设置有第二电路布线层；
11.多个第二电子元件，设置于第二电路布线层；
12.第二引脚组，第二引脚组设置在第二基板的至少一侧，且第二引脚组的每个引脚的一端和第二电路布线层连接；
13.多个第一电子元件的整体发热要大于多个第二电子元件的发热，且第一引脚组和第二引脚组弯折方向相反。
14.密封层包覆第一电路基板组件和第二电路基板组件，第一引脚组和第二引脚组分别从密封层的侧面露出，第一基板的散热面从密封层的表面露出。
15.可选地，第一基板的热传导效率高于第二基板的热传导效率。
16.可选地，第一基板为金属基板，第二基板为玻纤板。
17.可选地，第一引脚组和第二引脚组并排设置，且第一引脚组向上弯折，第二引脚组向下弯折。
18.可选地，第一引脚组和第二引脚组左右并排设置。
19.可选地，第一引脚组和第二引脚组为独立的两组，且在半导体电路的厚度方向上下排列。
20.可选地，固定柱相对靠近设置在第一基板和第二基板的侧边。
21.可选地，第二电子元件包括驱动芯片和阻容元件。
22.可选地，第一电子元件工作在高电压环境，第二电子元件工作在低电压环境。
23.本发明还提出一种电控板，电控板设置有上述的半导体电路，电控板还包括上下设置的上电控板和下电控板，半导体电路设置于上电控板和下电控板之间，半导体电路的第一引脚组和第二引脚组分别连接上电控板和下电控板。
24.本发明的半导体电路，包括上下设置的第一电路基板组件、第二电路基板组件和密封层，其中第一电路基板组件和第二电路基板组件之间设置多个固定柱，其中第一电路基板组件包括第一基板、多个第一电子元件、第一引脚组，第二电路基板组件包括第二基板、多个第二电子元件和第二引脚组。通过内部设置上下两层的电路基板组件，这样相对单层的电路基板组件，使得电子元件可以设置在这两层的基板上，从而有效的缩小了电路基板组件的表面积，从而相对单个的电路板，进一步有效的减少电路板的体积，非常有利于整个控制器的小型化，并对应节省了成本。
附图说明：
25.图1为现有技术的半导体电路沿厚度方向的剖视图；
26.图2为本发明一实施例的半导体电路的立体图；
27.图3为本发明另一实施例的半导体电路的立体图；
28.图4为图2所示的半导体电路沿厚度方向的剖视图；
29.图5为图3所示的半导体电路沿厚度方向的剖视图；
30.图6为本发明实施例的电控板的立体图；
31.图7为图6所示的电控板在另一个视图方向的立体图。
32.附图标记：
33.半导体电路100，第一电路基板组件110，第一基板111，igbt管112，辅助散热器113，第一键合线114，绿油层115，绝缘层116，第一电路布线层117，电阻118，第二电路基板组件120，第二基板121，电阻122，驱动芯片123，第二键合线124，固定柱130，密封层140，第一引脚组150，第二引脚组160，上电控板300，金属散热器310，电感320，电解电容330，下电控板400，mcu410。
具体实施方式
34.需要说明的是，在结构或功能不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据实例来详细说明本发明。
35.本发明提到的半导体电路，是一种将功率开关器件和高压驱动电路等集成在一起，并在外表进行密封封装的一种电路模块，在电力电子领域应用广泛，如驱动电机的变频器、各种逆变电压、变频调速、冶金机械、电力牵引、变频家电等领域应用。这里的半导体电路还有多种其他的名称，如模块化智能功率系统(modular intelligent power system，mips)、智能功率模块(intelligent power module，ipm)，或者称为混合集成电路、功率半
导体模块、功率模块等名称。
36.本发明提出一种双层结构的半导体电路，如图2至5所示，半导体电路100包括上下设置的第一电路基板组件110、第二电路基板组件120和密封层140，其中第一电路基板组件110和第二电路基板组件120之间设置多个固定柱130，其中第一电路基板组件110包括第一基板111、多个第一电子元件、第一引脚组150，第二电路基板组件120包括第二基板121、多个第二电子元件和第二引脚组160。其中第一基板111包括安装面和散热面，安装面设置有第一电路布线层117，多个第一电子元件设置于第一电路布线层117，第一引脚组150设置在第一基板111的至少一侧，且第一引脚的每个引脚的一端和第一电路布线层117连接；第二基板121的表面设置有第二电路布线层，多个第二电子元件设置于第二电路布线层，第二引脚组160设置在第二基板121的至少一侧，且第二引脚组150的每个引脚的一端和第二电路布线层连接，多个第一电子元件的整体发热要大于多个第二电子元件的发热，且第一引脚组150和第二引脚组160弯折方向相反。密封层140包覆第一电路基板组件110和第二电路基板组件120，第一引脚组150和第二引脚组160分别从密封层140的侧面露出，第一基板111的散热面从密封层140的表面露出。
37.现有技术的半导体电路如图1所示，包括电路基板组件230，电路基板组件230一般包括基板、设置在基板表面的电路层和安装于电路层的电子元件，电路基板组件230被密封层220半包覆或者全包覆，引脚210设置在电路基板组件230的一侧并连接电路布线层，且引脚210中的大部分从密封层220露出。从图1中可以看出，电路基板组件230是单层结构，因此电子元件只能设置在基板的一面，以此导致如果需要安装的电子元件较多，则需要较大的基板面积，从而使得对应的半导体电路体积增大，而且引脚210都是向上弯曲，半导体电路在应用到具体的控制器的电路板中时，半导体电路只能安装在单个的电路板的表面，也即控制器的所有电路布线只能设置在单个的电路板中，当控制器电路较复杂时，需要占用电路板较多的面积，因此现有的半导体电路100不利于小型化控制器的应用场景，也增加了成本。
38.本发明的半导体电路100相对现有技术，半导体电路100内部设置上下两层的电路基板组件，这样相对单层的电路基板组件，使得电子元件可以设置在这两层的基板上，从而有效的缩小了电路基板组件的表面积，理论上可以缩小至单层电路基板组件的一半，相对现有技术中的半导体电路，只是厚度稍增加，而且位于上下两层的电路基板组件的第一引脚组150和第二引脚组160弯曲方向相反，从而安装在控制器的电路板上时，这两组引脚可以分别连接在上下设置的两层电路板上，从而相对单个的电路板，进一步有效的减少电路板的体积，非常有利于整个控制器的小型化，并对应节省了成本。而且位于上层的第一电路基板组件110上的第一电子元件发热比第二电路基板组件120上的第二电子元件发热大，第一电路基板组件110中的基板的散热面露出在密封层140，以此有助于发热量大的第一电子元件的散热。从而使得半导体电路100工作的温度保持在安全值以内，以此提升其工作可靠性。
39.在本发明的一些实施例中，第一基板111可由金属材料制成，具体可以是由1100、52等材质的铝构成的矩形板材。第一基板111也可以是其他绝缘材料如陶瓷。如果第一基板111为金属材料，如图4和图5所示，则在第一基板111和第一电路布线层117之间还可包括绝缘层116，以实现第一基板111和第一电路布线层117之间的电气隔离，其中绝缘层116由环
氧树脂等树脂材料制成，并在树脂材料内部填充氧化铝和碳化铝等填料，以提高热导率。为了提高热导率，这些填料的形状可采用角形，为了避免填料损坏设置在其表面的电子元件的接触面的风险，填料可采用球形、角形或者角形与球形混合型。第一电路布线层117可以是铜箔蚀刻形成，也可以是膏状导电介质印刷形成，导电介质可以是石墨烯、锡膏、银胶等导电材料。第一电路布线层117的表面设置有多个元件安装位，以安装多个第一电子元件，其中第一电子元件包括发热量大的元件如功率器件，功率器件包括开关管如igbt管112(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者mos管(metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体)，在本实施例中为igbt管112，也包括快恢复二极管，其工作消耗的功率大发热量大，因此第一基板111为传热效率高的材料如铝材，以提升对第一电子元件的热的传导效率。第一电子元件中还可包括发热量小的元件如小功率的电阻118和电容。
40.在本发明的一些实施例中，第二基板121可由绝缘材料制成，如第二基板121为玻纤板，其表面设置由金属材料如铜箔形成的第二电路布线层(图中未示出)。第二电路布线层的表面也设置了多个元件安装位，以安装第二电子元件。其中第二电子元件发热要比第一电子元件第，一般为低功率的元器件，如驱动芯片123、电阻122和电容这些元件。由于第二电子元件功耗相对第一电子元件中的一些发热大的元件如功率器件要低很多，如功率器件的功率可超过30w，而驱动芯片123的功率不到1w，因此其发热要明显降低，其工作过程中无需考虑其的散热，因此第二基板121可由热传导效率比第一基板111低的材料如玻纤板组成，以降低成本。
41.进一步地，在第一电路布线层117和第一电子元件之间还设置辅助散热器113。因为第一电子元件中的一些电子元件发热量大功耗高，以此为实现更好的对这些电子元件的传热。辅助散热器113优选为设置在这些发热量大的电子元件如功率器件和第一电路布线层117之间。
42.在本发明的一些实施例中，第一引脚组150和第二引脚组160的引脚一般采用铜等金属制成，铜表面通过化学镀和电镀形成一层镍锡合金层，合金层的厚度一般为5μm，镀层可保护铜不被腐蚀氧化，并可提高可焊接性。引脚的材质可采用c194(-1/2h)板料(化学成分：cu(≧97.0)、fe：2.4、p：0.03、zn：0.12)或kfc(-1/2h)板料(化学成分：cu(≧99.6)、fe：0.1(0.05～0.15)、p：0.03(0.025～0.04))，通过冲压或蚀刻工艺对0.5mm的c194或kfc板料进行加工，再对表面进行先镀镍厚度0.1-0.5um，再镀锡厚度2-5um以完成引脚的加工。
43.进一步地，在本发明的一些实施例中，在第一电路布线层117和/或第二电路布线层的未设置电子元件的表面，还可涂覆绿油层115，以起到防止电路布线层被污染氧化，同时还可加强这些电路布线层的走线之间的耐压的作用。
44.在本发明的一些实施例中，如图4和图5所示，半导体电路100还包括多根键合线，具体键合线包括设置在第一电路基板组件110上的第一键合线114，和设置在第一电路基板组件120上的第二键合线124，第一键合线114分别设置在第一电路基板组件110和第二电路基板组件120，以用于连接多个第一电子元件、第一电路布线层117、第一引脚组150之间；第二键合线124连接多个第二电子元件、第二电路布线层、第二引脚组160之间。如第一键合线114可以连接第一电子元件之间，也可以连接第一电子元件和第一电路布线层117上的走线之间，第一电路布线层117上的焊盘和第一引脚组150的引脚之间，第二键合线124可以连接
第二电子元件之间，也可以连接第二电子元件和第二电路布线层上的走线之间，也可以连接第二电路布线层上的焊盘和第二引脚组160的引脚之间。键合线通常为金线、铜线、金铜混合线、38μm或者38μm以下细键合线、100μm或100μm以上的粗键合线。
45.在本发明的一些实施例中，如图2至图5所示，第一引脚组150和第二引脚组160并排设置，且第一引脚组150向上弯折，第二引脚组160向下弯折。这里的第一引脚组150和第二引脚组160沿直线排列，因为其中的引脚都分别对应设置在第一基板111和第二基板121的一侧或者两侧。在上图所示方案中引脚组都设置在第一基板111和第二基板121的一侧。具体地，第一引脚组150和第二引脚组160在图中排列的方式有两种，在图2和图5所示的方案中，第一引脚组150和第二引脚组160左右并排设置，即呈一条直线排列，只是引脚的弯折方向相反。在图3和图4所示的方案中，第一引脚组150和第二引脚组160在半导体电路100的厚度方向上下并排设置，且二者的引脚弯折方向相反，二者之间间隔一定的间距，此间距一般小于且解决第一基板111和第二基板121之间的间距。这两种方式为第一引脚组150和第二引脚组160并排的优选实施方案。
46.在本发明的一些实施例中，如图4和图5所示，固定柱130相对靠近设置在第一基板111和第二基板121的侧边。固定柱130可采用金属材质，用于支撑第一基板111和第二基板121，固定柱130至少为两个，分别设置在靠近第一基板111和第二基板121的相对的两个侧边，以此尽量少的占用第一基板111和第二基板121的表面设置电子元件的区域，方便进行电路布线层的布线和放置对应的电子元件。
47.在本发明的一些实施例中，对应分别设置在第一基板111和第二基板121上的电子元件，其工作的电压环境不同，即第一电子元件工作在高电压环境，第二电子元件工作在低电压环境。因为第一电子元件为功耗高的元器件，发热量大，如igbt管112，其一般应用在逆变电路，工作在高电压环境如直流电压可达300v，而第二电子元件主要是驱动第一电子元件的这些功率器件的驱动电路，主要基于驱动芯片123组成，其工作在低电压环境如工作电压只有5v，因此通过第一基板111和第二基板121将高电压和低电压工作的电路对应隔离开来，以此减少了高电压电路对地电压电路的干扰，在提升了半导体电路100的单位体积的电子元件的密度的同时，还有助于提升整个电路的工作可靠性。
48.进一步地，在本发明的一些实施例中，密封层140由树脂形成，通过传递模方式使用热硬性树脂模制也可使用注入模方式使用热塑性树脂模制。密封层140采用半包覆方式，即包覆第一基板111的安装面、第二基板121的两面，第一基板111的散热面露出于密封层140，第一引脚组150和第二引脚组160的大部分长度部分从密封层140露出。在半导体电路100应用安装时，其在第一基板111的散热面还可以设置散热器，使得散热器的表面与散热面紧密接触，以此通过散热器将设置于第一基板111上的功率器件的发热进行更好的散热。
49.本发明还提出一种电控板，如图6和图7所示，电控板设置有上述实施例提到的双层结构的半导体电路100，电控板还包括上下设置的上电控板300和下电控板400，半导体电路100设置于上电控板300和下电控板400之间，半导体电路100的第一引脚和第二引脚分别连接上电控板300和下电控板400。
50.具体地，半导体电路100的第一引脚组150向上弯折，其连接第一电路基板组件110，第一引脚组150与上电控板300中的第一pcb电连接；第二引脚组160向下弯折，其连接第二电路基板组件120，第二引脚组160与下电控板400中的第二pcb电连接。第一电路基板
组件110上的第一电子元件至少部分为发热量大的功率器件如igbt112，其工作在高电压环境如300v，第二电路基板组件120上的第二电子元件发热相对功率器件低很多，其工作在第电压环境如5v，因此对于连接的上电控板300和下电控板400也分别工作在高电压环境和低电压环境，以此使得整个电控板通过两个电控板实现高压电路区和低压电路起的隔离，以减少了对低压电路的干扰。而且，基于上下完全的两组引脚组结构的半导体电路100，对应安装与上下重叠的两块电控板中，也有效的减少了整个电控板的占用的面积，有利于电控板的小型化。
51.进一步地，上电控板300还设置有金属散热器310，其散热器设置在半导体电路100的第一基板111的散热面，二者紧密贴合设置，以加强对半导体电路100的散热。上电控板300上还设置有其他工作在高压环境的电子元件如pfc电路相关元件、开关电源电路等等，具体的电子元件包括电感320、电解电容330等。下电控板400还设置有其他工作在低压环境的电子元件，如图6中的mcu410以及其他低压集成电路等。
52.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
53.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
54.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
55.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
56.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
57.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。