CN101989595B

CN101989595B - 功率器件模块

Info

Publication number: CN101989595B
Application number: CN 200910161028
Authority: CN
Inventors: 张杰夫; 宋贵波; 范鑫; 左仲杰
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: CN101989595A

Abstract

本发明公开了一种功率器件模块，包括：第一和第二基板，所述第一基板的导热率低于第二基板的导热率；第一和第二电路单元，所述第一电路单元的发热率低于第二电路单元的发热率，且所述第一电路单元设置在第一基板上而第二电路单元设置在第二基板上；和主电极，所述主电极包括输入端和输出端并分别与第二和第一基板电性连接。使用本发明的功率器件模块，在有效保障模块整体散热效果的同时能够显著降低制造成本，且能够有效降低模块的发热及功率损耗、延长器件的使用寿命。

Description

功率器件模块

技术领域

本发明涉及半导体模块制造领域，尤其涉及一种功率器件模块。

背景技术

在用传统思路设计制造功率模块的功率用半导体装置中，功率模块使用的都是同规格的基板，比如陶瓷敷铜基板，简称DBC(Direct bondedcopper)基板。例如：一款模块中只使用氧化铝DBC基板或氮化铝DBC基板。如果都使用氧化铝DBC基板，则尽管价格便宜，却存在导热性能差的缺点，而如果都使用氮化铝DBC基板，则虽然导热性能优良，却存在价格昂贵的问题。

另外，在现有技术中，绝缘栅型双极性晶体管芯片(即IGBT芯片)及续流二极管芯片(即FWD芯片)都放置到同一块DBC基板上，而实际工作中，绝缘栅型双极性晶体管芯片所散发的热量远大于续流二极管芯片散发的热量，将两者都放置在同一块DBC基板上，在散热设计以及成本控制上存在不合理的问题。即，要么为了保障良好的散热效果而使用导热性能优良但价格昂贵的DBC基板，要么为了降低成本牺牲散热效果而使用价格便宜却导热性能差的DBC基板。

再者，在大功率芯片并联应用的功率模块中，芯片之间的C极电流主要通过DBC基板印制电路导通，而厚度极薄的DBC基板印制电路在大电流流通的时候会增加电路电阻，例如，一般62mm单管模块设计中，如图1所示，电流走向为：主电极1输入电流-DBC基板印制电路2-连接桥3-DBC基板印制电路4-芯片5-连接桥6-主电极7输出电流。

在上述电路中，部分电流必须流过DBC基板印制电路2、4、连接桥3等部件，造成模块自身电阻增加，增加了模块的功率损耗，导致产生的热量增加，进而使模块整体的散热难度增加，减小了器件使用寿命。

同时，由于不同DBC基板间需要通过连接桥来进行电性连接，由此必须在DBC基板上为连接桥的焊接留出空间，这对于空间有限、结构紧凑的功率器件模块而言无疑增加了结构设计的难度。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中的上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提供一种功率器件模块，以在有效保障功率器件模块整体散热效果的同时显著降低制造成本。

为了实现上述目的，本发明提供一种功率器件模块，其包括：

第一和第二基板，所述第一基板的导热率低于第二基板的导热率，所述第一基板为氧化铝陶瓷敷铜基板，所述第二基板为氮化铝陶瓷敷铜基板、氧化铍陶瓷敷铜基板、氮化硅陶瓷敷铜基板之一；

第一和第二电路单元，所述第一电路单元的发热率低于第二电路单元的发热率，且所述第一电路单元设置在第一基板上而第二电路单元设置在第二基板上；和

主电极，所述主电极包括输入端和输出端并分别与第二和第一基板电性连接。

由于将第一电路单元与第二电路单元分开设置在不同的基板上，因此使得在有效保障功率器件模块整体散热效果的同时，通过为第一电路单元配置满足其散热要求的价格便宜的第一基板以显著降低制造成本成为可能。

作为本发明的进一步改进，所述第二基板为多个，其中在每个第二基板上设有至少一个第二电路单元，所述主电极的输入端包括多个焊脚，其中每个第二基板至少通过一个焊脚与主电极的输入端电性连接，所述第一基板通过焊脚与主电极的输入端电性连接。

由此，电流可以通过主电极输入端的的各焊脚经充分分流后再送到各电路单元，避免了由于大电流从某个或少数第一和第二基板上集中地和长行程地流过所产生的电阻增大、发热量和模块功率损耗增加，进而使模块整体的散热难度增加，减小了器件使用寿命的缺陷。

再者，由于不需要连接桥而通过所述多焊脚的主电极输入端就可以直接将各第二基板之间以及第二基板和第一基板之间电性连接，因此节省了第一和第二基板上的空间，使功率器件模块的结构更为紧凑。

作为本发明的进一步改进，所述第一基板为多个，其中在每个第一基板上设有至少一个第一电路单元，所述主电极的输出端包括多个焊脚，其中每个第一基板至少通过一个焊脚与主电极的输出端电性连接。

同样，不需要连接桥而通过具有多个焊脚的主电极就可以将各第一基板电性连接，节省了第一基板上的空间，使其结构更为紧凑。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术中功率器件模块的结构示意图；

图2为本发明的功率器件模块的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

另外，需要说明的是，在本发明的描述中所使用的术语以及关于位置关系的名词仅仅是为了方便本发明的描述，而不能解释为对本发明的限制。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，提供一种功率器件模块，其包括：

成方阵状排列在一起的第一基板100和第二基板200，第一基板100的导热率低于第二基板200的导热率；

第一电路单元11和第二电路单元10，所述第一电路单元11的发热率低于第二电路单元10的发热率，且所述第一电路单元11设置在第一基板100上而第二电路单元10设置在第二基板200上；和

主电极，所述主电极包括输入端8和输出端13并分别与第二基板200和第一基板100电性连接。

与现有技术中一款功率器件模块中只使用价格昂贵的基板，或者只使用价格低廉的基板相比，本发明由于将第一电路单元11与第二电路单元10分开设置在不同的基板上，亦即将第一电路单元11设置在价格便宜且导热率较差的第一基板100上，将第二电路单元10设置在价格昂贵且导热率较高的第二基板200上。

由此，可以使得在通过第二基板200有效保障功率器件模块整体散热效果的同时，通过将第一电路单元11配置在满足其工作时散热要求的价格便宜的第一基板100上以显著降低制造成本成为可能。

作为本实施例的一个示例，所述第一基板100为氧化铝陶瓷覆铜基板。该氧化铝陶瓷覆铜基板100的优点是价格便宜，尽管其导热性能(即导热率)较差，但对于其上设置的第一电路单元11来说，已经足以保障功率器件模块正常的工作温度。当然，本发明并不局限于此，对于本领域的技术人员说，使用具有一定导热性能且价格便宜的任何其它能够想到或得到的材质的基板都是可以的。

作为本实施例的一个示例，第二基板200为氮化铝陶瓷覆铜基板。该氮化铝陶瓷覆铜基板200相对于所述氧化铝陶瓷覆铜基板价格昂贵，但是其具有优良的导热性能，因此将第二电路单元10设置在其上，能够充分保障散热效果，这无论对于保持各元器件或者说电路单元的性能稳定还是延长各元器件或者说电路单元的使用寿命都是非常重要的。同样，对于本领域的技术人员说，使用任何具有优良导热性能的其它能够想到或得到的材质的基板都是可以的。例如，还可以使用氮化硅(Si₃N₄)陶瓷覆铜基板，其亦具有优良的导热性能，缺点也是价格较为昂贵。此外，氧化铍陶瓷覆铜基板也具有良好的导热性能，缺点是具有毒性，价格也不便宜，所以从安全和环保的角度讲，其使用难免受到一定的限制。

此外，所述第一电路单元11包括续流二极管芯片(即FWD芯片)以及C极取样、保护电路等。但本发明不限于此，功率器件模块上设置的任何发热很小甚或基本不发热的其它元器件或者说电路单元，均可以按照以上的同样原理和方式进行优化布置，以达到在保障散热要求的同时尽可能地降低成本的有益效果。

此外，所述第二电路单元10包括绝缘栅型双极性晶体管芯片(即IGBT 芯片)，该IGBT芯片在工作状态下所散发的热量远大于前述FWD芯片，通常情况下是功率器件模块的主要热源之一，因此如前所述将其设置在具有较高导热率的基板如氮化铝陶瓷覆铜基板200上。这样，可以使其工作时产生的热量快速地从氮化铝陶瓷覆铜基板200上导出功率器件模块，提高功率器件模块的工作性能。本领域的技术人员容易理解的是，本发明中的第二电路单元10并不局限于IGBT芯片，而是包括功率器件模块上任何在工作中具有较高发热率而需要良好散热条件的元器件或者说电路单元。

根据本发明的一个实施例，参见图2所示，所述第二基板200为多个(图中为2个)，其中在每个第二基板200上设有至少一个第二电路单元10，所述主电极的输入端8包括多个焊脚81，其中每个第二基板200至少通过一个焊脚81与主电极的输入端8电性连接，所述第一基板100也通过焊脚81与主电极的输入端8电性连接。

这样，主电极的输入端8不仅仅作为主电极的输入端子，同时还可以起到连接桥的作用，因此相对于使用连接桥的现有技术，减小了第一基板100和第二基板200上印制电路上的焊点，使第一基板100以及第二基板200上印制电路的设计得到大幅度的简化，节约了印制电路面积。同时也解决了IGBT芯片和FWD芯片因放置在不同的基板上而出现的“不共C极”的问题。

在使用具有多个焊脚81的主电极输入端8的情况下，其电流走向为：主电极的输入端8(通过其焊脚81)-第二基板200上的印制电路9-IGBT芯片10-绑线14-第一基板100上的印制电路12-主电极的输出端13；和主电极的输入端8(通过其焊脚81)-第二基板200上的印制电路(未示出)-FWD芯片11-绑线14-第一基板100上的印制电路12-主电极的输出端13。需要强调的是，尽管图2中仅仅标注出一处的FWD芯片11以及DBC印制电路12，这仅仅是为了制图和标注的方便，而绝不应理解为是对FWD芯片11以及第一基板100上的印制电路12数量的限定。

由于电流可以通过主电极的输入端8的各个焊脚81经充分分流后经由第一基板100和第二基板200上较短行程的印制电路送到各电路单元(如IGBT芯片10和FWD芯片)，因此避免了由于大电流从某个或少数基板的印制电路上集中地和长行程地流过所产生的电阻增大、发热量和模块功率损耗增加，进而使功率器件模块整体的散热难度增大，减小了元器件或者说电路单元的使用寿命的缺陷。

此外，根据本发明的一个实施例，第一基板100为多个，其中在每个第一基板100上设有至少一个第一电路单元11，所述主电极的输出端13也可以包括多个焊脚(图中未示出)，其中每个第一基板100至少通过一个焊脚与主电极的输出端13电性连接。

如此，可以进一步有效率地配置功率器件模块的元器件，使功率器件模块的结构更为紧凑合理。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种功率器件模块，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的功率器件模块，其特征在于，所述第二基板为多个，其中在每个第二基板上设有至少一个第二电路单元，所述主电极的输入端包括多个焊脚，其中每个第二基板至少通过一个焊脚与主电极的输入端电性连接，所述第一基板通过焊脚与主电极的输入端电性连接。

3.如权利要求1所述的功率器件模块，其特征在于，所述第一基板为多个，其中在每个第一基板上设有至少一个第一电路单元，所述主电极的输出端包括多个焊脚，其中每个第一基板至少通过一个焊脚与主电极的输出端电性连接。

4.如权利要求1所述的功率器件模块，其特征在于，所述第一电路单元包括续流二极管芯片和保护电路。

5.如权利要求1所述的功率器件模块，其特征在于，所述第二电路单元包括绝缘栅型双极性晶体管芯片。