一种引线框架及采用该引线框架的功率模块和制造方法

摘要

本发明公开了一种引线框架及使用该引线框架的功率模块和制造该功率模块的方法，引线框架创新性地引入了连接块，从而实现一个引线端子的两路电连接，将该引线框架应用在双面散热功率模块中，可以实现电传导、热传导的功能；连接块采用与芯片热膨胀系数接近的材料，可以有效减小热应力，提升功率模块的寿命；通过在连接块的上部、下部预涂覆烧结材料，可以减少功率模块的工艺步骤和难度；上桥臂芯片、下桥臂芯片分别设置在相对的绝缘基板上，有效利用了散热面积，提升了散热效率，降低了功率模块的热阻；采用该引线框架直接将第一绝缘基板组件、第二绝缘基板组件直接烧结在一起，大大降低了制造的难度，使双面散热功率模块具备了批量制造的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体器件技术领域，尤其是涉及一种引线框架及采用该引线框架的功率模块和制造方法。

背景技术

节能减排、低碳发展是世界性的问题，各国都已意识到环境要与发展相平衡。我国已制定节能减排低碳发展行动方案，专家认为，新能源、节能减排的发展离不开半导体技术和半导体功率单元的支持。

将功率半导体开关芯片，如IGBT或SiC MOSFET芯片，封装在功率模块内部，从而实现对大电流的高速开关控制。图1为现有技术的双面散热功率模块示意图，包括引线端子01、塑封外壳02、第一绝缘基板03、第二绝缘基板04、上桥臂芯片05、下桥臂芯片06、连接块07等，引线框钎焊/ 烧结在第二绝缘基板04上，上桥臂芯片05、下桥臂芯片06的集电极/漏极钎焊/烧结在第二绝缘基板04的相应铜层上，芯片的发射极/源极表面钎焊 /烧结有连接块07，连接块07的另一端与第一绝缘基板03相连。功率模块工作时，芯片产生的热量除了通过第二绝缘基板04向下散热，还通过连接块07、第一绝缘基板03向上散热，从而实现双面散热。现有双面散热功率模块的上桥臂芯片05、下桥臂芯片06仅钎焊/烧结在第二绝缘基板04，功率密度受到了限制，另外主要散热通道为第二绝缘基板04，上桥臂芯片05、下桥臂芯片06热耦合比较严重，影响了散热效果；引线框架钎焊/烧结在第二绝缘基板04上，而连接块07则是多个分离的个体，且体积较小，在组装时放置困难，不仅生产效率受到了较大影响，而且放置的位置也有较大偏差；制造的工艺步骤除了放置引线框架，还要逐个放置连接块，工艺实现也比较困难。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种引线框架及使用该引线框架的功率模块和制造该功率模块的方法，引线框架创新性地引入了连接块，从而实现了一个引线端子实现两路电连接，将该引线框架应用在双面散热功率模块中，可以实现电传导、热传导的功能；连接块采用与芯片热膨胀系数接近的材料，可以有效减小热应力，提升功率模块的寿命；通过在连接块的上部、下部预涂覆烧结材料，可以减少功率模块的工艺步骤和工艺难度；上桥臂芯片、下桥臂芯片分别设置在相对的绝缘基板上，有效利用了散热面积，提升了散热效率，降低了功率模块的热阻；采用该引线框架直接将第一绝缘基板组件、第二绝缘基板组件直接烧结在一起，大大降低了制造加工的难度，使双面散热功率模块具备了批量制造的能力。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种引线框架，包括引线端子，引线端子之间有连接筋，所述引线端子在所述连接筋内侧的一端设置有连接块，所述连接块的厚度大于引线端子及连接筋的厚度。

作为一种进一步的技术方案，所述引线端子连接的连接块为多个。

作为一种进一步的技术方案，所述连接块之间设置有贯穿孔。

作为一种进一步的技术方案，所述连接块分为上部连接块和下部连接块，所述上部连接块和/或下块连接块与所述引线框架的材料不同；引线端子的材料为纯铜，连接块的材料为铜钼合金或铜钨合金。

作为一种进一步的技术方案，所述连接块的上部和/或下部预涂覆有烧结材料。

作为一种进一步的技术方案，所述引线框架还包括支撑筋，所述支撑筋的一端与所述连接筋相连，支撑筋的另一端与所述连接块相连。

一种功率模块，包括引线框架、第一绝缘基板、第二绝缘基板、上桥臂芯片、下桥臂芯片，所述第一绝缘基板、第二绝缘基板表面分别钎焊/烧结有所述下桥臂芯片、上桥臂芯片，所述第一绝缘基板、第二绝缘基板钎焊/烧结有芯片的一面相向设置，所述连接块位于第一绝缘基板、第二绝缘基板之间。

作为一种进一步的技术方案，所述上桥臂芯片的集电极/漏极设置在所述第二绝缘基板的上桥臂集电极/漏极铜层上，上桥臂芯片发射极/漏极通过输出引线端子连接块与输出引线端子相连，所述输出引线端子连接块还与第一绝缘基板的下桥臂集电极/漏极铜层相连；所述下桥臂芯片的集电极 /漏极通过钎焊/烧结设置在下桥臂集电极/漏极铜层的表面；所述下桥臂芯片的发射极/源极通过钎焊/烧结与负极引线端子的连接块连接，所述负极引线端子连接块的另一端与第二绝缘基板的下桥臂连接铜层相连，所述负极引线端子连接块与负极引线端子连接。

作为一种进一步的技术方案，所述上桥臂芯片、下桥臂芯片的栅极通过键合线分别与上桥臂栅极铜层、下桥臂栅极铜层相连；所述上桥臂芯片、下桥臂芯片的发射极/源极通过键合线分别与上桥臂发射极/源极铜层、下桥臂发射极/源极铜层相连。

作为一种进一步的技术方案，所述上桥臂栅极铜层、上桥臂栅极连接铜层之间设置有上桥臂栅极引线端子连接块；所述上桥臂发射极/源极铜层、上桥臂发射极/源极连接铜层之间设置有上桥臂发射极/源极引线端子连接块。

作为一种进一步的技术方案，所述下桥臂栅极铜层、下桥臂栅极连接铜层之间设置有下桥臂栅极引线端子连接块；所述下桥臂发射极/源极铜层、下桥臂发射极/源极连接铜层之间设置有下桥臂发射极/源极引线端子连接块。

作为一种进一步的技术方案，所述在第一绝缘基板或第二绝缘基板靠近芯片的位置设置有热敏电阻，热敏电阻引线端子连接块与热敏电阻形成电连接。

作为一种进一步的技术方案，所述在上桥臂集电极/漏极铜层上还钎焊 /烧结有电流采样引线端子连接块。

作为一种进一步的技术方案，所述引线端子位于第一绝缘基板、第二绝缘基板之间的部分与第一绝缘基板、第二绝缘基板之间充满环氧类树脂。

一种制造功率模块的方法，包括如下步骤：

第一步：将上桥臂芯片、下桥臂芯片分别钎焊/烧结在第二绝缘基板、第一绝缘基板上，并将热敏电阻钎焊/烧结在第一绝缘基板上；

第二步：使用铝线或银线或金线将芯片栅极与栅极铜层相连，将芯片的发射极/源极与发射极/源极铜层相连；

第三步：在上桥臂芯片、下桥臂芯片的发射极/源极涂覆钎焊料，或者在引线框架连接块的两端粘结银膜；

第四步：放置第二绝缘基板、引线框架、第一绝缘基板，将三层叠放在一起；

第五步：钎焊/烧结，通过加温加压将第二绝缘基板、引线框架、第一绝缘基板钎焊/烧结在一起；

第六步：注塑，使用注塑压机将环氧树脂注入型腔，填满第一绝缘基板、第二绝缘基板之间，并且露出第一绝缘基板、第二绝缘基板外部的金属层；

第七步：去溢料，去除塑封后残留在引线端子之间的多余的环氧；

第七步：切筋，去除连接筋、支撑筋；

第八步：折弯。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.引线框架创新性地引入了连接块，从而实现了一个引线端子实现两路电连接，即能起到支撑第一绝缘基板、第二绝缘基板的作用，也能实现电传导、热传导的功能。

2.连接块采用与芯片热膨胀系数接近的材料，可以有效减小热应力，提升功率模块的寿命。

3.通过在连接块的上部、下部预涂覆烧结材料，可以减少功率模块的工艺步骤和工艺难度。

4.上桥臂芯片、下桥臂芯片分别设置在相对的绝缘基板上，有效利用了散热面积，提升了散热效率，降低了功率模块的热阻。

5.采用该引线框架直接将第一绝缘基板组件、第二绝缘基板组件直接烧结在一起，大大降低了制造加工的难度，使双面散热功率模块具备了批量制造的能力。

6.采用该引线框架的功率模块体积小、功率密度高、重量轻。

7.采用该引线框架的双面散热功率模块具有寄生电感低、电阻小等优点，可以提升转换效率，适合高频工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中双面散热功率模块的结构示意图；

图2是本发明的引线框架的结构示意图；

图3是本发明的引线框架的剖面结构示意图；

图4是本发明带有预涂覆烧结材料的引线框架结构示意图；

图5是本发明引线端子的局部结构示意图；

图6是本发明功率模块外部结构示意图；

图7是本发明功率模块的剖面结构示意图；

图8是本发明功率模块外部结构示意图；

图9是本发明第二绝缘基板、上桥臂芯片及连接结构示意图；

图10是本发明第一绝缘基板、下桥臂芯片及连接结构示意图；

图11是本发明的功率模块制作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图2所示，为本发明的引线框架，引线框架包括引线端子1，引线端子1之间设置有连接筋2，在连接筋2内侧的引线端子一端设置有连接块3，所述连接块3的厚度大于引线端子1和连接筋2的厚度，所述连接块3是在引线端子1的上下两侧延伸，连接块3起到导电、导热、支撑作用，保证相对的两块DBC之间有一定的距离，便于注塑时环氧树脂进入。引线端子1的连接块3为多个，两个连接块3之间的引线框架具有贯穿孔4，在连接筋2与连接块3之间也可以设置有贯穿孔4。连接块3与连接筋2之间还设置有支撑筋5，支撑筋5不起导电、导热作用，主要用于支撑、固定连接块3。

如图3所示，为本发明的三种引线框架连接孔的结构，所述连接块3 与引线框架6为一体式结构7，可以通过机加工的方法获得；所述连接块与引线框架为分体式结构(连接块分为上部连接块8和下部连接块9)，通过机加工的方法将连接块与引线框架装配在一起，此时引线框架与连接块为不同的材料。

如图4所示，为带有预涂覆烧结材料的引线框架，在所述连接块的上方、下方预涂覆有烧结材料10，烧结材料10可以是软钎焊材料，也可以是银烧结材料。

如图5所示，为采用该引线框架制造的双面散热功率模块11，封装完后，引线框架6的连接筋全部位于功率模块的外部，引线端子的局部、支撑筋的局部位于功率模块的外部。后续经过切筋工艺，去除连接筋以及功率模块外部的支撑筋，再经过折弯、整形等工艺后形成如图6所示的双面散热功率模块，其包括正极引线端子12、负极引线端子13、第一绝缘基板 14、塑封外壳15、下桥臂芯片驱动端子16、温度采样端子17、电流采样端子18、输出引线端子19以及上桥臂芯片驱动端子20。

如图7所示，为采用本发明引线框架制造的双面散热功率模块内部示意图，双面散热功率模块包括正极引线端子12、负极引线端子13、输出引线端子19、第一绝缘基板14、第二绝缘基板21、塑封外壳15、上桥臂芯片22、下桥臂芯片23，所述上桥臂芯片22、下桥臂芯片23分别设置在相对的两块绝缘基板上；所述负极引线端子13的连接块与下桥臂芯片23的发射极/源极电连接，所述正极引线端子12与上桥臂芯片22的集电极/漏极电连接，所述输出引线端子19与上桥臂芯片22的发射极/源极电连接，并且与下桥臂芯片23的集电极/漏极电连接；塑封外壳15将连接块、上桥臂芯片22、下桥臂芯片23全部包封在内，引线端子的局部露出在塑封外壳 15外部，第一绝缘基板14、第二绝缘基板21的外侧金属层局部露出塑封外壳15外部。

需要说明的是本发明的上桥臂芯片22、下桥臂芯片23可以是IGBT芯片，也可以是MOSFET芯片，其芯片的材料可以是Si材料，也可以是SiC 材料。上桥臂芯片、下桥臂芯片还可以包括FRD芯片或SBD芯片。第一绝缘基板14、第二绝缘基板21是在陶瓷基板的两侧覆铜，形成三层结构，其中上表面铜层腐蚀有图案，从而实现了特定的电路功能。陶瓷材料可以是Al

如图8所示，为去除塑封外壳的双面散热功率模块，第一绝缘基板14 与第二绝缘基板21上下正对设置，其面积可以相同，也可以不同。

如图9和图10所示，第一绝缘基板14、下桥臂芯片23及连接示意图可以看出：第二绝缘基板21内侧的金属层包括多块分离的铜层，上桥臂芯片22通过钎焊或银烧结设置在上桥臂集电极/漏极铜层24上，上桥臂芯片 22的栅极通过键合线与上桥臂栅极铜层25相连，上桥臂芯片的发射极或源极通过键合线与上桥臂发射极或源极铜层26相连，上桥臂栅极铜层、上桥臂发射极/源极铜层的一端分别钎焊或烧结有连接块，连接块分别连接有上桥臂栅极引线端子27、上桥臂发射极/源极引线端子28。

正极引线端子12的连接块下端通过钎焊或烧结固定在第二绝缘基板上桥臂集电极/漏极铜层24上方，正极引线端子12的连接块上端通过钎焊或烧结固定在第一绝缘基板上桥臂集电极/漏极连接铜层29上。

负极引线端子13的连接块下端通过钎焊或烧结固定在第二绝缘基板下桥臂连接铜层30上方，负极引线端子13的连接块上端通过钎焊或烧结固定在第一绝缘基板下桥臂芯片的上方，即与下桥臂芯片的发射极/源极形成电连接。

输出引线端子19的连接块下端通过钎焊或烧结固定在第二绝缘上桥臂芯片的上方，即与上桥臂芯片22的发射极/源极形成电连接；输出引线端子19的连接块上端通过钎焊或烧结固定在第一绝缘基板的下桥臂集电极/ 漏极铜层31上，即与下桥臂芯片的集电极/漏极形成了电连接。

在第一绝缘基板的铜层表面刻蚀有下桥臂栅极铜层32、下桥臂发射极/ 源极铜层33，下桥臂芯片的栅极通过键合线34与下桥臂栅极铜层32相连，下桥臂芯片的发射极/源极通过键合线35与下桥臂发射极/源极铜层33相连。下桥臂栅极铜层32靠近输出引线端子19的一端，通过钎焊或烧结有下桥臂栅极引线端子，即下桥臂栅极引线端子与下桥臂芯片的栅极形成了电连接关系；下桥臂发射极/源极铜层33靠近输出引线端子的一端，通过钎焊或烧结有下桥臂发射极/源极引线端子，即下桥臂发射极/源极引线端子与下桥臂发射极/源极形成了电连接关系。下桥臂栅极引线端子、下桥臂发射极/源极引线端子的连接块还分别与第二绝缘基板的下桥臂栅极连接铜层36、下桥臂发射极/源极连接铜层37连接，即此两部分主要起到固定作用。上桥臂栅极引线端子、上桥臂发射极/源极引线端子的连接块还分别与第一绝缘基板的上桥臂栅极连接铜层42、上桥臂发射极/源极连接铜层 43连接。

在第一绝缘基板上刻蚀有分离的热敏电阻铜层38，在靠近下桥臂芯片的一端通过钎焊或烧结有热敏电阻39，热敏电阻39主要用于探测芯片的结温；在热敏电阻铜层38的另一端钎焊或烧结有热敏电阻引线端子。在第二绝缘基板上刻蚀有分离的热敏电阻连接铜层40，主要用于固定热敏电阻引线端子的连接块。

在第二绝缘基板上桥臂集电极/漏极铜层靠近输出引线端子的一侧钎焊/烧结有集电极的电流采样端子18的连接块，电流采样引线端子的连接块的另一端钎焊/烧结在第一绝缘基板的上桥臂电流采样连接铜层41上。

上桥臂开关芯片开通后，电流由正极引线端子流入，通过正极引线端子连接块流向第二绝缘基板，经过第二绝缘基板表面铜层流入上桥臂芯片的集电极/漏极，从上桥臂芯片发射极/源极流出，经过输出引线端子连接块，最后从输出引线端子流向负载。

当上桥臂芯片关断后，由于感性负载上的电流不能突变，此时需要有合适的续流回路，续流时电流由负极引线端子流入，通过负极引线端子连接块流向第一绝缘基板，经过第一绝缘的下桥臂芯片，由于下桥臂芯片包含有单独的二极管芯片或者MOSFET集成有体二极管，此时续流电流通过下桥臂芯片中的二极管或者MOSFET芯片的体二极管流向下桥臂集电极/漏极铜层，然后电流通过输出引线端子的连接块，由输出引线端子继续向感性负载提供电流。

另一种工作模式是下桥臂芯片开通，关断后上桥臂芯片中的二极管续流的情形，与第一种模式类似，再此不再赘述。

图11为功率模块的制造方法流程图，第一步将上桥臂芯片、下桥臂芯片分别钎焊/烧结在第二绝缘基板、第一绝缘基板相应的铜层上，将热敏电阻钎焊/烧结在第一绝缘基板上；第二步进行键合，用铝线、银线或金线将芯片的栅极与栅极铜层相连，将芯片的发射极/源极与发射极/源极铜层相连；第三步在上桥臂芯片、下桥臂芯片的发射极/源极涂覆钎焊料，或者在引线框架连接块的两端粘结银膜；第四步放置第二绝缘基板、引线框架、第一绝缘基板，将三层叠放在一起；第五步钎焊/烧结，通过加温加压将第二绝缘基板、引线框架、第一绝缘基板钎焊/烧结在一起；第六步注塑，使用注塑压机将环氧树脂注入型腔，填满第一绝缘基板、第二绝缘基板之间，并且露出第一绝缘基板、第二绝缘基板外部的金属层；第七步去溢料，去除塑封后残留在引线端子之间的多余的环氧；第八步切筋，去除连接筋、支撑筋；第九步折弯。

本发明引线框架的材料一般为铜合金，为了提升导电性，引线端子也可以采用纯铜。为了匹配芯片的热膨胀系数，引线端子连接块的材料为铜钼合金(Cu-Mo)，也可以采用铜钨合金(Cu-W)。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。