[发明专利]一种超薄空腔型功率模块及其封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种绝缘栅双极晶体管功率模块(IGBT模块)，特别涉及一种超薄空腔型功率模块及封装方法。

发明背景

现有的输出电流小于50A的小功率IGBT模块，已经可以采用与分立式功率器件相同的封装方法，即模塑法进行封装。这些模块的单体长度已达到80mm，远远超过了分立器件的尺寸。而它们的体厚度仅在4mm至7mm之间，与分立功率器件的厚度在同一量级，成为无空腔的超薄型功率模块。较低的制造成本，集成化的驱动、保护电路设计，使这些超薄型功率模块在白色家电等领域取得了较为广泛的应用。

为了提高此类功率模块的可靠性，必须降低模塑料固化后的内部应力。一旦模塑料的内部应力过大就会发生硅芯片表面的钝化膜产生裂缝，或在模压后及使用中热应力造成的键合线切断等现象。由于此类功率模块采用大型IGBT或MOSFET芯片，并进行薄壳化的封装，降低内部应力显得更加重要。

内部应力发生的原因如下：模塑料热收缩与硅片热收缩有差异，即二者线膨胀系数不同，一般模塑料比硅片的线膨胀系数要大一个数量级，同时加上模塑料在固化过程中生产的固化收缩，所以在成型加热到冷却至室温过程中会在硅片上残留应力。热应力可以用下式来表示：

σ＝K·E·α·ΔT

式中σ-热应力；

K-常数

E-弹性模量；

ΔT-模塑料玻璃化温度Tg和室温的差；

α-热膨胀系数。

从该公式中可以看出降低树脂的弹性模量(E)和Tg，以及减少树脂的固化收缩率是减少热应力的有效途径。但降低Tg也降低了模块的有效工作温度区间，因此，此类模块底板的工作温度通常局限在-20℃至+100℃之间。而且，由于模塑料对水分子没有封闭作用，在一定的环境湿度以及温度下，水分子可以通过扩散的方式从外界通过模塑料进入封装器件内部，对封装器件造成破坏。这种破坏不仅体现在降低界面强度以及在瞬时高温时形成蒸汽压造成器件内部分层(爆米花效应)，而且水分子可以作为模塑料中杂质离子的载体，将杂质离子带到芯片表面以及焊盘表面，从而引起不同程度的腐蚀以及表面电荷的沉积，从而严重影响封装器件的可靠性。

采用空腔型功率模块是消除模塑残留应力，去除爆米花效应和界面离子腐蚀的有效方法。此类功率模块采用高纯度的软硅胶对芯片实行绝缘及环境隔离，不仅对键合丝的可靠性影响大为降低，而且消除了芯片表面的分层问题。但是，工业中此类功率模块没有密封处理，软硅胶不能阻挡水分子在其中扩散透过，并且它的环境耐受性能不强。因此，非密封空腔型功率模块如果用于严酷环境，其可靠性会受到较大影响。不仅如此，有些特殊装配工艺也会给非密封空腔型功率模块的应用造成困难。例如，如果将此类模块用于表面贴装线生产，在回流焊或者波峰焊之后清洗，会造成此类模块的腔体积液，成为污染源，影响模块的长期工作。有些清洗剂会与软硅胶发生反应，直接影响模块的使用。

目前需要一种带有密封的空腔型功率模块来满足市场需要。

发明内容

本发明提供了一种超薄空腔型功率模块，该模块不仅可以直接上表面贴装线生产，而且环境耐受性能大为提高，可以长期可靠地在底板温度-55℃到+125℃的范围内工作。本发明同时还提供了一种超薄空腔型功率模块的封装方法，以达到对功率模块内部软硅胶气密和密封的效果。

实现上述发明目的的技术方案是：一种超薄空腔型功率模块，包括模壳和模壳内的芯片以及硅胶，所述模壳包括底板、壳体和盖板，所述底板和盖板分别与壳体密封粘接，所述盖板上设有预留气孔，预留气孔内填充粘合剂。

作为本发明的进一步改进，所述壳体的正、反面与盖板、底板的连接处设有密封槽，用于填充粘接剂。

作为本发明的进一步改进，所述底板的外表面比壳体安装底面高出0.01mm至0.2mm，以保证模块在散热器上的正确装配，既保证最大的热传输，又确保底板的安全。

作为本发明的进一步改进，所述壳体的四角设有安装定位孔，安装定位孔预带内螺纹，省去了4只螺母，安装简便。

作为本发明的进一步改进，所述预留气孔为圆锥形，底部直径优选在0.1mm至3mm，圆锥角度优选20度至60度之间。圆锥形预留气孔增加了粘合剂与盖板的接触面积，保证了预留气孔的密封。

实现本发明另一发明目的的技术方案是：一种超薄空腔型功率模块的封装方法，其特征是，该方法包括下列步骤：

(1)将粘合剂挤出到壳体背面的槽中，形成覆盖，然后安装底板，送至治具中高温固化；

(2)对模块腔体实行灌胶(硅胶)处理；

(3)硅胶固化前进行真空去泡处理；