专利名称：用于epas/ehpas应用的模块的利记博彩app
相关申请本申请基于并要求2003年8月14日申请的、发明名称为“用于EPAS/EHPAS应用的模块”的第60/496,001号美国临时申请的优先权，该申请公开的内容通过引用并入本文。
背景技术：
典型地将功率系统的功率半导体器件集成形成功率模块。因此，大多数功率模块包含功率半导体器件，例如功率二极管和功率MOSFET。功率半导体器件在操作期间产生热。如此产生的热就会影响半导体器件的工作，并且还会通过例如产生的会导致碎裂和其他机械损伤的热应力(thermal stress)，而对功率模块的结构集成度产生负面影响。因此，就必须提取并释放由功率半导体器件产生的热。否则，就会危害功率半导体器件的连续工作。
在常规功率模块中，产生的热典型地被传送到用于散热的散热器。导热衬底通常作为导热装置，并插入在产生热的半导体器件和散热器之间。
公知的导热衬底称为绝缘金属衬底(IMS)。另一种公知的导热衬底是直接敷铜(DBC)。由于价格、在应用中整个叠层的热阻增加、管芯处的热容量的增加、以及功率模块典型的较高电环路的电阻的增加，所以IMS或DBC的使用是不理想的。由于几乎不能设计出包括IMS或DBC的理想热提取能力，因此，为了防止过热，避免达到功率半导体器件的最大范围。因此，利用IMS或DBC会妨碍设计者充分利用功率半导体器件的能力，这将导致效率低下的功率设计，并产生其他缺点。
功率模块广泛地应用在工业自动化中，特别是在其他使用之中用于驱动并控制电马达。普通汽车中的部件数量的增长导致了越来越需要通用或具有特定功能的功率模块。然而，市场的需求是降低单位模块的成本，以及需要高率的模块从而使汽车的最终成本具有竞争力，以及额外部件在汽车的电子系统中所需要的电功率尽可能的小。
因此，就需要一种不必采用导热衬底，就能够充分地散发所产生的热的功率模块。
发明内容
根据本发明的功率模块适合于包括用于电功率辅助操纵(EPAS)/电-液压功率辅助操纵(EHPAS)的功率元件。
根据本发明的功率模块，可包括具有限定出空间的多个壁的模制壳，和基底部分。所述模制壳还包括引线框架，所述引线框架具有从限定出的空间通过模制壳的壁延伸的多条引线，以及多个导电焊盘，每个焊盘整体地与至少一条引线相连接。每个导电焊盘具有通过例如焊接层与其电连接和机械附接的至少一个功率半导体器件，由此将功率半导体器件产生的热传送到导电焊盘。由此传送的热则部分地由与导电焊盘成一整体的引线进行散热。残留的热则通过将散热器粘接到导体焊盘的导热粘接剂体传送到散热器。因此，根据本发明的模块就不需要导热衬底。这样，根据本发明的模块就能够展现出改善的热阻。
热阻的改善(降低热阻)有利于允许设计者选择比在采用IMS或DBC应用中所使用的管芯更小的管芯。在其他优点之中，这种机会就能够引起成本下降。
而且，一旦从设计上取消了IMS或DBC，就减少了线接合的互连数量和组数量，从而降低了模块的总电阻。
根据本发明的一个方面，根据本发明的模块中的引线框架包括沿着一行排列设置的多个管芯焊盘(其每个用于接纳的至少一个功率半导体器件)，以及沿着另一平行相对的行排列设置的多个管芯接合焊盘。这种沿着平行和相对的行对管芯焊盘和接合线进行的排列设置简化了制造。
此外，在引线框架的导电焊盘上安装半导体管芯(例如功率MOSFET)还会使模块的总电阻下降，这是因为所采用的导电焊盘比当采用IMS或DBC时所采用的那些焊盘更厚。具体地说，当采用IMS或DBC时，为了防止热应力(通常从热循环中产生)使导电焊盘剥离，金属层的热膨胀系数和衬底的热膨胀系数就要求金属层的厚度保持低于确定的最小值。因此，例如，在典型的IMS中，导电焊盘仅仅为10-12mils厚。而且，根据本发明的导电焊盘就可以制造得更厚，这会降低电阻并提高散热。
而且，沿着平行和相对的行排列设置的管芯焊盘和接合线，可以使用大致为平行的接合线将功率半导体器件连接到各自的管芯焊盘，从而简化制造。
在功率模块中，接合线占总电阻的大部分。在优选实施方案中，每个管芯采用五个接合线来减少电阻。根据本发明的一个方面，交错设置五条接合线，五条接合线中的三条接合线沿着一个较大的曲率。这样，当负载是马达时，根据本发明的模块就能够产生更小的震动并产生较大的转矩，即具有更好的性能。
根据本发明的另一个方面，根据本发明的功率模块包括分流电路，其不使用接合线就与外部引线电连接，从而降低了影响适当读取从中通过的电流的寄生电感和电阻。此外，根据优选实施方案的模块还包括热敏电阻，并且具有用于高频总线电容的空间。
根据本发明的优选实施方案的模块包括其他独特且优越的特征，在以下的说明书中将进行描述并且在附图中将展示它们。
附图的简要说明
图1是根据本发明的模块的分解图；图2是在根据本发明的模块中采用的引线框架的顶视平面图；图3是图2中所示的引线框架的底视图；图4是由图2所示的引线框架的顶视等距视图(isometric view)；图5是图2中所示的引线框架的底视等距视图；图6示出了根据本发明的模块的模制壳(molded shell)的顶视等距视图；图7示出了图6中所示的模制壳的底视等距视图；
图8示出了根据本发明的模块的优选实施方案的电路图；图9A示出了根据本发明模块的、去除了所属模块的盖以显示出其各个元件的内部排列的顶视平面图；图9B说明了根据本发明的模块的各元件的内部连接；图10是根据本发明的模块的顶视平面图；图11是根据本发明的模块的沿着箭头方向11-11观察的侧视平面图。
具体实施例方式
参照图1，根据本发明的模块包括模制壳1，多个功率半导体器件6，分流电阻3，热敏电阻4，多个大直径的接合线7(例如，20mils厚)，多个小直径的接合线8(例如，8mils厚)，密封件9，焊接层2，导热粘接体11，散热器13和盖15。
根据本发明的一个方面，模制壳1包括引线框架和模制体10。引线框架包括多条引线和所有都在模制体10中模制的多个导电焊盘。
下面参照图2、3、4和5，在本发明的优选实施方案中所采用的引线框架12包括功率输入引线14，接地引线16，第一输出引线18，第二输出引线20，第三输出引线22以及多个管脚引线24。引线框架12还包括多个导电焊盘。具体地说，引线框架12包括多个管芯焊盘26和多个线路接合焊盘28。如图2所示，每个输出引线18、20、22与至少一个线路接合焊盘28和一个管芯焊盘26为一体。而且，功率输出引线14与其他的管芯焊盘26为一体，而其他的线路接合焊盘28与连杆(tie bar)30为一体，连杆30本身则与一个管脚引线24为一体。连杆30优选与线路接合焊盘28处于相同平面且在输出引线18、20、22之下延伸。即，弯曲输出引线18、20、22，致使它们在连杆30之上延伸。
根据本发明的一个方面，沿着第一行排列设置线路接合焊盘28，并且沿着与第一行相对且平行的第二行排列管芯接合焊盘26。因此，此后将进行解释，在管芯焊盘26上设置的所有功率半导体器件将沿着公共的行排列，这就有利于简化制造。
下面参照图6和7，利用模制体10在其上模制引线框架12，从而形成模制壳1。模制壳1包括从基底部分34延伸，并在基底部分34上方限定出空间的多个侧壁32。根据本发明的另一个方面，基底部分34包括并至少由相间隔的导电焊盘26、28，和在导电焊盘26、28之间的空间中设置的模制混合物形成，设置在导电焊盘26、28之间的空间中的模制混合物与导电焊盘26、28电绝缘，且机械地将导电焊盘26、28结合，这样，模制混合物和导电焊盘26、28形成了模制壳1的基底部分34。
下面具体参照图7，基底部分34包括在其外表面上形成的凸起36。凸起36由模制混合物形成，优选为0.1mm高，并且分散在基底部分34的外表面上。凸起36趋向于作为间隔物，以将基底部分34与散热器13分隔，从而对导热粘接体11的厚度进行限定，导热粘接体11用来使散热器13与基底部分34热结合并机械连接，并且使散热器13与基底部分34电绝缘。
下面参照图8，根据本发明的优选实施方案的模块适合于包括用于三个半桥电路(优选地向三相马达提供电源)的功率元件。众所周知，半桥电路包括串连到低端功率半导体器件的高端功率半导体器件。在优选实施方案中，用于为马达的第一相U提供功率的第一半桥电路包括高端功率MOSFET Q1，该高端功率MOSFET Q1在其源极侧连接到低端功率MOSFET Q2的漏极侧；用于为马达的第二相V提供功率的第二半桥电路包括高端功率MOSFET Q3，高端功率MOSFET Q3其源极侧连接到低端功率MOSFET Q4的漏极侧；用于向马达的第三相W提供功率的第三半桥电路包括高端功率MOSFET Q5，高端功率MOSFET Q5在其源极侧连接到低端功率MOSFET Q6侧。每个高端功率MOSFET Q1、Q3、Q5的漏极连接到功率输出线B+，而低端功率MOSFET Q2、Q4、Q6的源极侧通过分流电阻3连接到地GND。每个功率MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6都有从它们栅极接收的信号控制。
下面参照图9A、9B，每个功率MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6在其漏极侧通过焊接层2与各自的管芯焊盘26电连接和机械连接；并且在其源极侧通过多个大直径的接合线7连接到各个接合线焊盘28，大直径的接合线7可以是任何适合于功率传输的常规类型。根据本发明的一个方面，大直径的接合线7是交错排列的(stagger)，以便在每个功率MOSFET的源极金属体上均匀分布电流密度。因此，在优选实施方案中，五个直径较大的接合线7中的两个比其他三个短。
根据本发明的一个方面，通常使大直径的接合线7平行。大直径接合线7的平行方向设置和所有功率MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的排列设置有利于简化并加速根据本发明的模块的制造。
根据本发明的另一个方面，分流电阻3通过导电焊盘38电连接到接地引线16，并连接到连杆30的一部分40。应当注意，每个连杆30和导电焊盘38与各个管脚引线24是一体的，因此可以采用它们检测(sense)分流电组3。
其他的管脚引线用于以下功能。
Q2Kelvin，通过Kelvin线42从功率MOSFET Q2的源极中承载源极电压。
Q2栅极，通过栅极线44将电压传送到功率MOSFET Q2的栅极。
Q1Kelvin，通过Kelvin线42从功率MOSFET Q1的源极中承载源极电压。
Q1栅极，通过栅极线44将电压传送到功率MOSFET Q1的栅极。
Q4Kelvin，通过Kelvin线42从功率MOSFET Q4的源极中承载源极电压。
Q4栅极，通过栅极线44将电压传送到功率MOSFET Q4的栅极。
Q3Kelvinp，通过Kelvin线42从功率MOSFET Q3的源极中承载源极电压。
Q3栅极，通过栅极线44将电压传送到功率MOSFET Q3的栅极。
Q5Kelvin，通过Kelvin线42从功率MOSFET Q5的源极中承载源极电压。
Q5栅极，通过栅极线44将电压传送到功率MOSFET Q5的栅极。
Q6Kelvin，通过Kelvin线42从功率MOSFET Q6的源极中承载源极电压。
Q6栅极，通过栅极线44将电压传送到功率MOSFET Q6的栅极管脚引线T1、T2通过接合线50连接到热敏电阻4的各自极上，以提供有关功率MOSFET Q6的温度的信息。应当注意，热敏电阻4设置在电路板46上。在优选实施方案中，电路板46和功率MOSFETQ6设置于相同的管芯焊盘。
一旦实现了所有的线路连接，就利用密封件9填充由模制壳1的壁32和基底34限定的空间，密封件9优选为硅胶。此后，如图10所示，将盖15接合到侧壁32，优选利用粘接剂，从而封闭由侧壁32和基底34限定的空间。
下面参照图11，根据本发明的一个方面，通过导热粘接体11，将散热器13热粘接并机械连接到模制壳1的基底34的外表面。导热粘接体11可以是弹性体(elastomer)，诸如硅基弹性体，其添加有导热颗粒(例如氧化铝颗粒)。优选地，弹性体能够很好地与散热器13和基底部分34粘接，并且还能够使基底部分34的导电焊盘26、28与散热器13电绝缘。
根据本发明的一个方面，模制壳1是以单一的注射模制(injectionmolding)步骤，通过在引线框架12周围形成模制体10形成的。因此，基底部分34和侧壁32就形成为一个整体单元。
根据本发明的模块通过以下步骤来进行制造首先形成模制壳1；在管芯焊盘26上淀积焊料；在所淀积的焊接层上放置功率MOSFET；以及加热以对焊料进行抽彩(raffle)。因此，根据本发明的一个方面，用于形成模制壳1的模制体10所采用的模制混合物就能够至少承受所施加的焊料抽彩温度。
此后，回流焊料，去除助焊剂材料，并且以两个步骤连接线接合体。在第一步骤中，通过超声引线接合法(wire bonding)连接大直径的线接合体。在随后步骤中，同样通过超声引线接合法连接其他线接合体。此后，在由模制壳1的壁32限定出的空间之间设置硅胶并进行固化以形成密封件9。在最后步骤中，附着盖15，从而封闭限定的空间。
用于模制混合物的优选材料是由AMODOEL提供的PPA。另一种优选材料是PPS。
而且，可以由铜形成引线框架12，所使用的铜可以用镍进行电镀，从而提高与接合线的接合可靠性。尽管管脚引线还可以镀镍，但在管脚引线上镶嵌铝也能够提高与接合线的接合可靠性。在优选实施例中，引线框架12可以为1mm厚，从而减少模块的热阻和电阻。
在优选实施例中，所有20mil的线接合(大直径的接合线7)都位于引线框架的镀镍部分，并且所有8mil的线接合(小直径的接合线8)都位于镀镍或镶嵌铝的引线框架部分。
在优选实施例中，对于焊料可以采用Pb/Sn、Sn/Ag和Pb/Sn/Ag组合物，但是使用其他导电粘接体诸如导电环氧树脂或其他焊料组合物被认为是落入本发明的范围之内。
最优选的焊料是Sn/Ag，Sn/Ag无铅且能够通过焊料分配器来进行自动分配。根据引线框架的表面光洁度，焊料可以是Sn/Ag/Cu。
而且，根据本发明的模块可以包括高频(HF)电容器以便改善模块的高频EMI特性。HF电容器可以连接在模块内部的正电池端子和负电池端子(14，16)之间。参照图9A，HF电容器的位置可以正好位于焊盘38的右侧并且正好位于连接到引线BH1的接合线的左侧。
虽然参照本发明的具体实施方案对本发明进行了描述，但是对于本领域技术人员来讲，许多其他变化和修改以及其他应用将会变得明显。因此优选地，本发明不限于在此的具体公开，然而仅仅通过附加的权利要求来进行限定。
权利要求
1.一种功率模块，包括引线框架，所述引线框架包含多个引线和多个相隔的导电焊盘；模制壳，所述模制壳包含多个侧壁和基底部分，所述多个侧壁限定出空间，所述基底部分包括所述相隔的导电焊盘和设置在所述空间中的模制体；以及多个功率半导体器件，其每一个具有通过导电粘接剂层与各自的第一导电焊盘电连接和机械连接的一个功率电极，和设置在其相对表面上的一个相对的功率电极，所述相对的功率电极通过至少一个线接合电连接到第二导电焊盘；其中所述第一导电焊盘沿一行排列设置，并且所述第二导电焊盘沿另一个相对的行排列设置。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述至少一个线接合通常是平行的。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其中，各个所述功率半导体器件的所述相对的功率电极通过多个线接合与第二导电焊盘电连接，所述线接合以交错排列方式进行排列设置。
4.根据权利要求1所述的功率模块，还包括多个信号引线，其每一个被指定用于将控制信号传送给各自的功率半导体器件的各自的控制电极，所述信号引线嵌入在所述模制壳的所述壁的之一中，并且所述信号引线中的每一个都包括线路接合焊盘，所述线接合焊盘通过线路接合电连接到各自的控制电极。
5.根据权利要求1所述的功率模块，还包括热敏电阻。
6.根据权利要求1所述的功率模块，还包括电流检测电阻，所述电流检测电阻与通过所述壁中的至少一个延伸到所述模制壳外部的一对引线直接电连接。
7.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述限定出的空间填充有密封件。
8.根据权利要求7所述的功率模块，其中所述密封件是硅胶。
9.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述半导体器件是功率MOSFET。
10.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述半导体器件被排列设置形成至少一个半桥。
11.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述半导体器件被排列设置形成至少三个半桥。
12.根据权利要求11所述的功率模块，其中所述引线包含功率输入引线、接地引线和多个输出引线，每个输出引线指定用于从各自的半桥中承载功率。
13.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述引线的至少之一是功率输入引线，另一条引线是接地引线，并且第三引线是输出引线。
14.根据权利要求1所述的功率模块，还包括附着到所述壁以封闭所述限定出的空间的盖。
15.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述功率半导体器件通过焊料粘接到所述第一导电焊盘，并且所述模制壳由模制材料构成，所述模制材料能够承受所述焊料的抽彩温度。
16.根据权利要求15所述的功率模块，其中所述模制材料是PPA。
17.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述基底部分在其外部包括多个凸起，用作隔开散热器的间隔物。
18.根据权利要求17所述的功率模块，其中所述凸起具有0.1mm的高度。
19.根据权利要求1所述的功率模块，还包括附着到所述基底部分，并通过导热粘接剂至少与所述第一导电焊盘热接触的散热器。
20.根据权利要求19所述的功率模块，还包括位于所述基底部分的外表面上，以将所述基底部分与所述散热器隔开的多个凸起。
全文摘要
一种功率模块，包括具有在模制体中模制的引线框架的模制壳，以及直接设置于引线框架的管芯焊盘上的多个功率半导体器件。
文档编号H01L23/52GK1836328SQ200480023340
公开日2006年9月20日 申请日期2004年8月16日 优先权日2003年8月14日
发明者塞尔希奥·菲索尔, 威廉·格兰特 申请人:国际整流器公司