具体实施方式

在本公开中，术语“电力组件”是指包括嵌入多层结构(如PCB叠层)中以形成功率模块的至少一个功率器件的封装结构。在本公开中，术语“绝缘层”或“绝缘芯”是指由导热且电绝缘的材料制成的层或芯。在本公开中，术语“导电层”是指由导电且导热的材料制成的层。

参照图1A至图1G，现在将描述根据本发明的第一实施方式的电力组件100。

参照图1A至图1C，电力组件100包括绝缘芯30，在绝缘芯30中嵌入有功率器件20。功率器件可以是二极管或MOSFET、JFET或IGBT、HEMT。在一些实施方式中，功率器件由宽带隙半导体(即，具有2-4eV范围内的带隙的半导体)制成。例如，功率器件可以由碳化硅SiC或氮化镓GaN制成。

功率器件具有至少两个电触点(未示出)，所述电触点是诸如铝、金、铜、银等金属焊盘。

例如，功率器件是二极管并且具有两个相对的电触点。在另一示例中，功率器件是晶体管，并且根据晶体管的类型，功率器件具有包括栅极、源极和漏极或者栅极、发射极和集电极的三个电触点。功率器件还可以具有多于三个的多个电触点。

另外，电力组件100可以包括如图2所示的至少一个附加功率器件和/或连接到第一功率器件的诸如电阻器、电容器等的电子无源组件。

作为非限制性示例，绝缘芯30由树脂或具有高导热性的任何其它适当绝缘材料制成，以提供更好的散热。绝缘芯可以由FR-4玻璃环氧树脂、聚酰亚胺或诸如HTCC(高温共烧陶瓷)或LTCC(低温共烧陶瓷)的陶瓷制成。

另外，电力组件100还包括顶部内部导电层40和底部内部导电层40’。顶部内部导电层40设置在绝缘芯30的顶表面31上。底部内部导电层40’设置在绝缘芯30的底表面31’上。这些导电层的材料是金属，优选铜。

此外，一组顶部导电通孔12和一组底部通孔12’形成在绝缘芯30中以及顶部内部导电层40和底部内部导电层40’中。顶部内部导电层40的接触焊盘通过一组顶部通孔12连接到功率器件20的顶表面上的电触点。底部内部导电层40’的接触焊盘通过一组底部通孔12’连接到功率器件的底表面上的电触点。因此，功率器件20通过电焊盘、一组顶部通孔12和一组底部通孔12’连接到顶部内部导电层40和底部内部导电层40’。

形成顶部通孔12和底部通孔12’的方法是本领域技术人员公知的。在层压包括绝缘芯30和两个内部导电层40、40’的叠层以获得固体组件之后，在叠层的每一侧通过激光钻孔工艺形成一组底部通孔11和一组底部通孔11’，从而允许功率器件20的电触点露出。然后，通过电镀工艺或化学镀工艺或这两种工艺用诸如铜的导电材料填充通孔11、11’，以形成导电通孔12、12’。

此外，在顶部导电层40的表面和底部导电层40’的表面上应用蚀刻步骤，以便分别获得顶部导电图案和底部导电图案。因此，顶部导电图案和底部导电图案用作顶部内部导电层40和底部内部导电层40’的接触焊盘。

根据非限制性实施方式，内部导电层40、40’可具有约20-50μm的厚度。

通孔的数量根据电力传输来选择。这些数量还取决于钻孔技术、激光或机械。例如，连接功率器件的电触点与内部导电层的通孔的密度可以是至少4个通孔/mm²，例如15个通孔/mm²，例如通孔深度与钻孔直径之比为0.8。在功率器件是MOSFET或IGBT的另一示例中，仅一个通孔将栅极焊盘连接到内部导电层。

如上所述的封装结构形成多层基础结构10的示例，该多层基础结构10包括绝缘芯30和覆盖绝缘芯30的相对表面的两个薄内部导电层40、40’，绝缘芯30嵌入有至少一个功率器件20。

参照图1D至图1G，电力组件100还包括位于基础结构10的每一侧的顶部厚外部导电层60和底部厚外部导电层60’。顶部厚外部导电层和底部厚外部导电层的厚度大于基础结构的内部导电层40、40’的厚度，以便增强封装结构的电流能力和热能力。根据非限制性实施方式，厚外部导电层60、60’可具有约100μm-4mm、优选地约400μm-1mm的厚度。因此，厚层是厚度大于或等于100μm的层。这些层的材料是金属，优选铜。

如图1D所示，每个外部厚导电层60、60’包括多个预先钻出的通孔61、61’，这些通孔通过机械加工或诸如电腐蚀的其它方法形成。这些预钻的通孔61、61’用作将外部厚导电层60、60’连接到内部导电层40、40’的接触焊盘的导电通孔，这将在下面更详细地解释。

通过预先钻出的通孔，可以理解，在将厚层定位在叠层中以形成电力组件之前，例如在叠层的层压步骤之前，在厚导电层中形成孔。因此，对钻孔技术没有限制。因此并且有利地，孔通过机械钻孔工艺形成，以便形成深孔。通常，预钻的通孔可以具有在100μm和1500μm之间的孔直径。

在一个实施方式中，这些预钻的通孔61、61’在用于形成导电通孔的电镀工艺步骤之前，通过丝网印刷用随后将被去除的绝缘材料预填充。

此外，电力组件100还包括顶部内部绝缘层50和底部内部绝缘层50’，顶部内部绝缘层50设置在顶部外部厚导电层60和基础结构10的顶部内部薄导电层40之间，底部内部绝缘层50’设置在底部外部厚导电层60’和基础结构10的底部内部导电层40’之间。例如，内部绝缘层50、50’由树脂或具有高导热性的任何适当绝缘材料制成。

参照图1E，在包括顶部绝缘层50和底部绝缘层50’、顶部厚外部电层60和底部厚外部电层60’以及基础结构10的叠层的层压步骤中，存在于绝缘层50、50’中的环氧树脂流动并填充厚外部导电层60、60’的预钻通孔61、61’。

然后除去预钻通孔中的绝缘材料和预钻通孔下面的绝缘材料，以便形成孔62、62’，孔62、62’从内部导电层40、40’穿过内部绝缘层50、50’延伸到外部厚导电层60、60’的外表面65、65’。

如图1F所示，电力组件100还包括从顶部内部导电层40延伸穿过顶部绝缘层50和顶部厚外部电层60的一组顶部孔62和从底部内部导电层40’延伸穿过底部绝缘层50’和底部厚外部电层60’的一组底部孔62’。

每个孔62、62’具有底部66、66’和开口端67、67’。孔的底部由内部导电层40、40’的接触焊盘的一部分形成，因此内部导电层40、40’被暴露出来。开口端67、67’形成在外部厚导电层60、60’的表面65、65’上。

每个孔62、62’部分地由形成于内部绝缘层50、50’中的孔形成，部分地由形成于外部厚导电层60、60’中的预钻通孔61、61’形成。孔62、62’的通孔深度与预钻孔直径之比在0.4至1.6之间，优选在0.8至1.2之间。

参照图1G，然后用诸如铜或膏体导电材料的导电材料63填充顶部孔62和底部孔62’，以便形成一组顶部导电通孔64和一组底部导电通孔64’。优选地，可以从孔的底部直到外部厚导电层的表面用导电材料完全填充孔。根据另一实施方式，孔62、62’由导电材料电镀。将该组件浸入两个浴槽中，第一个是化学镀铜，以便将内部导电层连接到外部导电层，第二个是电镀浴槽，以便完全填充孔62、62’。

因此，顶部内部导电层40的接触焊盘通过布置在顶部内部绝缘层50和顶部外部导电层60中的顶部通孔64连接到外部厚导电层60。底部内部导电层40’的接触焊盘通过布置在底部内部绝缘层50’和底部外部导电层60’中的底部通孔64’连接到底部外部厚导电层60’。

因此，功率器件20与顶部外部厚导电层60和底部外部厚导电层60’电连接。

图2是示出根据本发明的第二实施方式的电力组件400的示意性截面图。与图1G所示的第一实施方式相比，电力组件包括多个功率器件，例如如图2所示的四个功率器件421、422、423和424。功率器件可以彼此相同或不同。每个功率器件的电触点的数量根据功率器件的类型来确定。例如，如图2所示，电力组件包括嵌入在电绝缘芯430的相应腔中的两个二极管和两个IGBT。二极管具有两个电触点，即，阳极和阴极，IGBT具有三个电触点，即，发射极、栅极和集电极。

每个功率器件的顶侧的电触点通过形成在电绝缘芯430中的顶通孔412、内部薄导电层440、形成在顶部内部绝缘层450中和顶部外部导电层460中的外部顶部通孔464而连接到顶部外部厚导电层460。每个功率器件的底侧的电触点通过形成在电绝缘芯430中的底部通孔412’、底部内部薄导电层440’、形成在底部内部绝缘层450’和底部外部导电层460’中的外部底部通孔464’而连接到底部外部厚导电层460’。

设置在电力组件中的功率器件不限于图2所示的配置，并且可以根据电力组件所需的电子功能而变化。

由于设置在基础结构的每一侧的外部导电层的厚度大于400μm，因此电力传输效率大大提高。此外，由于外部厚导电层的形成导电通孔的孔通过机械工艺在厚导电层中预钻出，因此降低了电力组件的制造成本。

参照图3A至图3D，现在将描述根据本发明的第三实施方式的电力组件200。与图1A至图1G所示的实施方式相比，在底部内部薄导电层40’和底部外部厚导电层60’之间没有底部电绝缘层。在该实施方式中，底部外部厚导电层60’直接位于底部内部薄导电层40’上。因此，与第一实施方式的部件和元件相对应的部件和元件由相同的附图标记表示，因此省略详细说明。因此，本实施方式的基础结构类似于第一实施方式的基础结构，下面不再赘述。

电力组件200包括位于基础结构10的每一侧的顶部厚外部导电层60和底部厚外部导电层60’。顶部厚外部导电层和底部厚外部导电层的厚度大于基础结构的内部导电层的厚度，以便增强封装结构的电流能力和热能力。根据非限制性实施方式，厚外部导电层60、60’可具有约100μm-4mm、优选约400μm-1mm的厚度。这些层的材料是金属，优选铜。

如图3A所示，每个外部厚导电层60、60’包括通过机械工艺或其它适当技术形成的多个预钻的通孔61、61’。这些预钻的通孔用作将外部厚导电层60、60’连接到内部导电层40、40’的接触焊盘的导电通孔，这将在下面更详细地解释。

此外，电力组件200还包括顶部内部绝缘层50，该顶部内部绝缘层50设置在顶部外部厚导电层60和基础结构10的顶部内部薄导电层40之间。例如，内部绝缘层50由树脂或具有高导热性的任何适当绝缘材料制成。

参照图3C，电力组件200包括从顶部内部层40延伸穿过顶部绝缘层50和顶部厚外层60的一组顶部孔62。因此，每个顶部孔62具有底部66和开口端67。孔的底部由顶部内部导电层40的接触焊盘的一部分形成。开口端67形成在顶部外部厚导电层60的表面65处。每个顶部孔62部分地由形成在顶部内部绝缘层50中的孔形成，部分地由形成在顶部外部厚导电层60中的预钻通孔61形成。

参照图3C，电力组件200还包括一组底部孔62’，所述底部孔62’从底部内部电层40’延伸到底部厚外部电层60’。因此，底部孔62’直接由形成在底部外部厚导电层60’中的预钻孔61’形成。

然后用导电材料填充顶部孔62和底部孔62’，以便形成顶部导电通孔64和底部导电通孔64’。优选地，孔62、62’可以从孔的底部直到外部厚导电层的表面完全填充导电材料，如图3D所示。该填充步骤允许在内部导电层40、40’和相应的厚导电层60、60’之间形成机械粘附。

因此，顶部内部导电层40的接触焊盘通过布置在顶部内部绝缘层50和顶部外部厚导电层60中的顶部通孔64连接到顶部外部厚导电层60。底部内部导电层40’的接触焊盘通过底部通孔64’直接连接到底部外部厚导电层60’。

此外，顶部通孔64和底部通孔64’为功率器件的散热提供了热路径。

图4是示出根据本发明的第四实施方式的电力组件500的示意性截面图。与图3D所示的第三实施方式相比，本实施方式的电力组件包括多个功率器件，例如，四个功率器件521、521、523、524，两个二极管和两个IGBT。功率器件的配置类似于图2所示的实施方式。

每个功率器件的顶侧的电触点通过形成在电绝缘芯530中的顶部通孔512、内部薄导电层540、形成在顶部内部绝缘层550中和顶部外部导电层560中的外部顶部通孔564而连接到顶部外部厚导电层560。每个功率器件的底侧的电触点通过形成在电绝缘芯530中的底部通孔512’、底部内部薄导电层540’、由底部外部导电层560’的预钻孔形成的外部底部通孔564’而连接到底部外部厚导电层560’。

参照图5A和图5B，现在将描述根据本发明的实施方式的如图1A至图1G所示的电力组件的制造方法300。形成如图2、图3和图4所示的电力组件的方法是类似的，并且不再赘述。

图5A示出了多层基础结构10的形成301的示例。

在步骤302，在绝缘芯中形成至少一个腔。腔可以例如通过机械钻孔获得。腔的形状适合于功率器件。

在步骤303，将功率器件20插入腔中。功率器件可以是二极管或诸如MOSFET、JFET或IGBT的晶体管，并且可以具有电触点的各种配置。此外，功率器件的数量也可以根据电子功能要求而变化。每个功率器件在腔中以功率器件的电触点面向上和面向下的方式定向。在步骤304，将包括功率器件的绝缘芯定位在两个附加绝缘层和两个薄内部导电层40、40’之间，以获得叠层。

在步骤305中，对绝缘层和导电层40、40’的叠层进行层压以形成固体多层结构，其中叠层的绝缘层熔合在一起以形成如图1A所示的绝缘芯30。因此，功率器件20被嵌入绝缘芯30的内部。

然后，该方法包括步骤306，即，在绝缘芯30中和顶部内部导电层40中形成一组顶部孔11，并且在绝缘芯30中和底部导电层40’中形成一组底部孔11’。孔11、11’通过激光钻孔工艺形成，以便露出功率器件的电触点。

在步骤307，通过电镀工艺用诸如铜的导电材料对孔进行电镀，以便形成导电通孔12、12’。可以通过化学镀或/和电镀来执行电镀。优选地，导电材料是铜。例如，将固体多层结构浸入两个电镀浴槽中以完全填充孔。

在步骤308，在顶部内部导电层40和底部内部导电层40’的表面上施加蚀刻步骤，以便在基础结构的两侧上形成所需的导电图案。这些导电图案将用作接触焊盘。

在步骤309，提供具有预钻通孔的两个厚导电层60、60’。厚导电层的厚度约为400μm至4mm。与传统方法相比，外部导电层包括直径为约500μm至1000μm的预钻通孔。由于在制备叠层的步骤之前在厚导电层中形成孔，所以可以使用任何适当的钻孔技术。根据优选实施方式，厚导电层的孔通过机械工艺形成。

在步骤310，将基础结构10定位在两个附加的内部电绝缘层50、50’和两个厚的外部导电层60、60’之间，以形成新的叠层。

根据本发明的另一实施方式，在步骤310，在电力组件的底部，将底部外部厚导电层60’直接定位在底部内部薄导电层40’的表面上，如图3A所示。

在步骤311，包括基础结构、两个附加的内部电绝缘层和两个附加的厚导电层的叠层被层压，以形成固体多层结构。存在于绝缘层中的环氧树脂流动并填充厚外部导电层60、60’的预钻通孔61、61’。

在另一实施方式中，在步骤308期间，预钻通孔61、61’可以用膏体绝缘材料预填充。该材料可为环氧树脂、硅或可容易地清洁以用于电镀步骤的其它任何适当材料。

在步骤312，去除预钻通孔中和预钻通孔下面的绝缘材料，以便形成孔62、62’，孔62、62’从内部导电层40、40’穿过内部绝缘层50、50’延伸到外部厚导电层60、60’的外表面65、65’。因此，每个孔62、62’具有由内部导电层40、40’的接触焊盘的一部分形成的底部66、66’和处于外部厚导电层60、60’的表面处的开口端67、67’。该去除步骤可以通过任何适当的工艺(诸如激光、化学、机械、等离子体工艺)来执行。

在步骤313，参照图1G，用导电材料63填充孔62、62’，以便形成导电通孔64、64’，以将内部导电层40、40’的接触焊盘连接到外部厚导电层60、60’。例如，将该结构浸入两个电镀浴槽中。第一种是化学镀，以便将内部薄导电层连接到外部厚导电层。第二浴槽用于用导电材料完全填充孔。

在步骤314，顶部厚导电层和底部厚导电层的表面通过蚀刻或铣削被图案化。导电图案可以用作电子组件的接触焊盘。因此，多个电力组件可插入或集成到另一多层结构中以形成功率模块。

此外，虽然未示出，但是该方法可以包括进一步的步骤，其中步骤309至313的序列被重复至少一次。因此，如图1G、图2、图3D和图4所示的电力组件可以再次定位在两个附加绝缘层和包括预钻孔的厚导电层之间。在另一实施方式中，步骤309至313的序列可以被重复为获得基础结构的每一侧上的外部导电层的期望总厚度所需的次数。该厚度也是增加功率和热传输所需的，其可以在1mm和100mm之间的范围内。