CN103123919A - 低电感功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低电感功率模块。一种功率模块，包括：外壳，被包围在外壳之内的功率半导体管芯，以及被嵌入外壳中并与功率半导体管芯电连接的第一功率端子。第一功率端子的一部分从外壳的外表面向外突出。功率模块还包括第二功率端子，第二功率端子被嵌入外壳中并且与功率半导体管芯电连接以及与第一功率端子电绝缘。第二功率端子的一部分从外壳的外表面向外突出了小于第一功率端子的所述部分的距离，使得该模块具有包括不同高度的功率连接。

Description

低电感功率模块
技术领域
本申请涉及功率模块，尤其是具有低电感功率端子的功率模块。
背景技术
在设计低成本功率模块时，通常使用尽可能少的部件。制造功率模块所需的能容易复制的一个部件是用于功率连接的触点。传统的功率模块设计具有位于模块内并且以相同的固定高度从模块向外突出以易于操纵的功率连接。比如，功率模块的正(+)和负(-)直流供给端子按照惯例具有相同的高度。外部电连接器被提供有用于连接到模块的功率端子的相应汇流排。为了确保低电感设计，外部连接器的正汇流排通常被放置在负汇流排之上，且中间的绝缘材料将汇流排相互分开。由于从模块延伸的功率端子具有相同的高度，最上面的汇流排(比如，在这种情况下是正直流汇流排)必须被弯曲，使得另一个汇流排(在这种情况下是负汇流排)能够被放置在上部汇流排的下面，以确保低电感设计。然而，以这种形式通过弯曲来形成汇流排具有以下缺点：昂贵、不精确以及需要空间来确保满足隔离距离。
发明内容
这里描述的实施例提供具有不同高度以便双汇流排电连接器能够被附着到具有平行板的较高重叠的功率模块的功率连接。这样的多高度连接布置减小了杂散电感，简化了模块设计，降低了汇流排连接器的成本，并且减小了模块的连接功率布线电势之间所需要的隔离空间。
根据功率模块的一个实施例，该模块包括：外壳，被包围在外壳之内的功率半导体管芯，以及被嵌入外壳中并与功率半导体管芯电连接的第一功率端子。第一功率端子的一部分从外壳的外表面向外突出。功率模块还包括第二功率端子，第二功率端子被嵌入外壳中并且与功率半导体管芯电连接以及与第一功率端子电绝缘。第二功率端子的一部分从外壳的外表面向外突出了小于第一功率端子的所述部分的距离，使得该模块具有包括不同高度的功率连接。
根据功率模块的另外一个实施例，该模块包括外壳，被包围在外壳之内的功率半导体管芯，以及具有被嵌入外壳中的近端和与外壳间隔开第一距离的远端的第一功率端子。第一功率端子与功率半导体管芯电连接。功率模块还包括具有被嵌入外壳中的近端和与外壳间隔开小于第一距离的第二距离的远端的第二功率端子。第二功率端子与功率半导体管芯电连接，并且与第一功率端子电绝缘。
根据功率模块系统的一个实施例，该系统包括外壳，被包围在外壳之内的功率半导体管芯，以及具有被嵌入外壳中的近端和与外壳间隔开第一距离的远端的第一功率端子。第一功率端子与功率半导体管芯电连接。功率模块系统还包括具有被嵌入外壳中的近端和与外壳间隔开小于第一距离的第二距离的远端的第二功率端子。第二功率端子与功率半导体管芯电连接，并且与第一功率端子电绝缘。功率模块系统还包括电连接器，该电连接器包括第一导电层以及利用绝缘材料与第一导电层分离的第二导电层。第一导电层与第一功率端子的远端相连，第二导电层与第二功率端子的远端相连。
本领域技术人员将在阅读下面的详细说明时以及在查看附图时认识到另外的特征和优势。
附图说明
图中的各元件没有必要相对于彼此是按比例的。类似的参考数字表示相应的类似部分。各个所示的实施例的特征可以被组合，除非它们互相排斥。实施例在图中被描绘并在其跟随的描述中被详述。
图1示出了具有低电感功率端子的功率模块的透视图。
图2示出了图1中的功率模块的局部截面图。
图3示出了具有低电感弹簧型功率端子的功率模块的截面图。
图4示出了具有低电感压入配合型功率端子的功率模块的截面图。
图5示出了具有低电感螺钉型功率端子的功率模块的截面图。
具体实施方式
图1示出了功率模块100的一个实施例，该功率模块包括外壳102，被包围在外壳102之内的功率半导体管芯(不可见)，第一功率端子104和第二功率端子106。图2示出了图1中所示的功率模块100沿着标为A-A’的线的局部截面图。图2示出了外壳102和功率端子104，106，但没有示出用外壳102包围的部件。功率模块100的示例性内部部件可以在这里稍后描述的图3-5中被看到。
模块100的每个功率端子104、106均嵌在外壳102中，且与外壳102中的功率半导体管芯电连接。在一个实施例中，外壳102还包括被附着到金属体110的塑料框架108。金属体110沿着外围具有多个孔112，用于将模块100固定到例如加热装置或者其他类型的冷却器。每个功率端子104、106均具有从外壳102的外表面114向外突出的外部部分。第二功率端子106的外部部分从外壳102的外表面114向外突出了小于第一功率端子104的外部部分的距离，由此模块100具有包括不同高度的功率连接。
换言之，每个功率端子104、106均具有嵌入外壳102内的近端116、118，和与外壳102间隔开特定距离的远端120、122。第一功率端子104的远端120与外壳102间隔开得比第二功率端子106的远端122更远，导致第一功率端子104具有参考外壳102的外表面114比第二功率端子106更大的外部高度。在图2中，第一功率端子104的高度标示为HPT1，而第二功率端子106的高度标示为HPT2。在一个实施例中，第一功率端子104是外壳102内部的功率半导体管芯的正(+)直流供给端子，且第二功率端子106是功率半导体管芯的负(-)供给端子。在外壳102中可以包括任何数量的功率半导体管芯，且可以使用任何类型的功率半导体器件，例如诸如IGBTs(绝缘栅双极晶体管)，功率MOSFETs(金属氧化物半导体场效应晶体管)，JFETs(结型场效应晶体管)和功率二极管等。
电连接器124可以附着到功率模块100的功率端子104、106以形成功率模块系统。电连接器124包括第一导电层126和通过绝缘材料130与第一导电层126分离的第二导电层128。电连接器124的第一导电层126与外壳102间隔开得比第二导电层128更远，并且由此第一导电层126在此也被称为上导电层，且第二导电层128被称为下导电层。在一个实施例中，每个导电层126、128都是汇流排，即如图1和2中所示的铜条或铝条。由于在模块100的操作期间(例如，当一个汇流排与DC+耦合且另一个汇流排与DC-或者地耦合时)由汇流排产生的中和磁场，这种叠加汇流排的布置降低了系统的杂散电感。
上导电层126与第一功率端子104的远端120相连，且下导电层128与第二功率端子106的远端122相连。如上所述，功率端子104、106具有不同的高度，使得双汇流排型电连接器124可以利用较高重叠的板124、126连接到功率模块100，如图1和2所示。另外，使功率端子104和106具有不同的高度能够使得利用更容易制造和层叠的平铜板或者铝板作为电连接器124的导体126、128，因为中间绝缘材料130可以被粘到平板126、128。与传统的具有折叠或弯曲以适应具有相同高度的功率端子的板不同，电连接器124的导电板126、128在具有模块100的模块功率端子104、106的连接点附近没有折叠和弯曲，这降低了板的制造成本，并得到较高比例重叠的板，因此得到较低的杂散电感。这种多高度功率端子连接布置不仅降低了杂散电感，还简化了模块设计，降低了汇流排连接器124的成本，以及减小了模块100的连接功率电缆布线电势之间所需的隔离空间。
如图1和2所示，第一和第二功率端子106、104之间的高度差(HPT1-HPT2)对应于电连接器绝缘材料130的厚度(T1)。在一个实施例中，绝缘材料130具有与第一功率端子104对准的第一开口132和与第二功率端子106对准的第二开口134。如上所述，电连接器124的下导电层128设置成比上导电层126更加接近外壳102，以及上导电层126通过绝缘材料130中的相应开口132与第一功率端子104的远端120接触。当将电连接器124附着到模块100时，绝缘材料130中的另一开口134允许螺钉型连接器直接接触上导电层126的顶表面。
图3示出了根据另一实施例的功率模块200的截面图。功率模块200包括外壳102、被包围在外壳102内的多个功率半导体管芯202、第一功率端子104和第二功率端子106。如上所述，功率端子104、106具有不同的高度(HPT1和HPT2)。外壳102可以包围任何数量的功率半导体管芯202。功率半导体管芯202可以是IGBTs，功率MOSFETs，JFETs和功率二极管等。外壳102包括被附着到金属体110的框架108。每个功率半导体管芯202安装在衬底的顶侧。例如，在图3中看到两个功率半导体管芯202被安装到第一衬底，并且看到另外两个功率半导体管芯202被安装到第二衬底。可替换地，所有被包括在外壳102中的管芯202都可以被附着到单个衬底。
每个衬底包括绝缘体204，例如具有图案化顶侧金属化206和底侧金属化208的陶瓷衬底。例如，衬底可以是直接铜结合(DCB)衬底、直接铝结合(DAB)衬底或活性金属钎焊(AMB)衬底。可替换地，衬底可以是绝缘金属衬底(IMS)或类似的衬底，其包括被诸如环氧树脂的介电层和在介电层上的诸如铜或者铝的金属层覆盖的金属基板(例如，由铜或铝制成)。在每一情形中，功率半导体管芯200通过焊料或者其他类型的接合层210附着到相应衬底的顶侧图案化金属化206。底侧衬底金属化208通过焊料或者其他类型的接合层212附着到金属体110，使得框架108与金属体110共同包围功率半导体管芯202和(多个)衬底。如果需要，外壳102可以被填充有一个或多个灌封材料、凝胶材料或者其他材料220、222。
功率模块200内的电互连214可以由结合线或其他形式的连接来提供。提供控制端子216，其通过模块202内部的相应导电板218与管芯202相连。控制端子216还延伸到模块200外部用于外部连接。功率端子104、106向管芯202提供功率。功率端子104、106可以是如图3中所示的汇流排104、106且与(多个)衬底的顶侧图案化金属化206相连。如从模块外壳102的外部114测量的，第一功率端子104具有的高度(HPT1)大于第二功率端子206的高度(HPT2)。在一个实施例中，第一功率端子104是功率半导体管芯202的正供给端子，且第二功率端子106是功率半导体管芯202的负供给端子。通常，根据图3所示的实施例，第一功率端子104的远端120包括弹簧型连接器224，以及第二功率端子106的远端122也包括弹簧型连接器226。通过相对于功率端子104、106的弹簧型连接器224、226被挤压，电连接器124与模块200的功率端子104、106形成接触，弹簧型连接器224、226响应于保持良好的电接触而压缩。
图4示出了根据另外一个实施例的功率模块300的截面图。图4的功率模块300与图3所示的功率模块类似，只是第一功率端子104的远端120包括压入配合型连接器302以及第二功率端子106的远端122也包括压入配合型连接器304。电连接器124的绝缘材料130具有对应的开口306、308用于接收功率端子104、106的各自的压入配合型连接器302、204。如本领域技术人员容易知道的，通过向下按压在连接器124上直到功率端子104、106的压入配合端302、304被电连接器124的相应上和下导电层126、128的对应配合部分所接收为止，电连接器124被固定到功率端子104、106。压入配合型连接具有受限的附着高度，其容易地可适合于适应功率端子104、106的不同高度。
图5示出了根据另外一个实施例的功率模块400的截面图。图5的功率模块400与图3所示的功率模块类似，只是第一功率端子104的远端120被构造成接收螺钉型连接器402以及第二功率端子106的远端122类似地被构造成接收螺钉型连接器304，而不是弹簧型连接器。根据本实施例，电连接器124利用螺钉型连接器302、304固定到模块400的功率端子104、106。电连接器124的绝缘材料130具有开口306，用于接收插入第二功率端子106的远端122的螺钉型连接器304的头部。该紧固件304的头部通过绝缘材料130中的开口306旋转进去与外部连接器124的下导电层128直接接触。电连接器124的绝缘材料130具有另一开口或切口308，用于接收由第一功率端子104的远端120所接收的螺钉型连接器302。该紧固件302的头部旋转进去与外部连接器124的上导电层126直接接触。拧紧螺钉302、304将电连接器124固定到模块400的功率端子104、106。
为了易于描述，使用空间上的相对术语来解释一个元件相对于第二个元件的位置，例如“在...之下”、“在...下面”、“下部”、“在...上方”、“上部”等等。这些术语旨在除了与在图中描述的那些不同的方位之外还涵盖装置的不同方位。此外，诸如“第一”，“第二”等等的术语也用来描述不同的元件，区域，部分等，且并不旨在是限制性的。贯穿该说明书，类似的术语表示类似的元件。
如在此所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等等是开放式术语，其表示所述元件或特征的存在，但是并不排除另外的元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数，除非文中另外清楚指出。
应该理解的是，在此描述的各种实施例的特征可以相互组合，除非另外明确说明。
尽管在此已经示出和描述了具体实施例，但本领域技术人员应该理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，多种替换和/或等效实施方案可以替代所示和所述的具体实施例。本申请旨在覆盖在此讨论的具体实施例的任何修改或者变型。因此意图是本发明仅由权利要求及其等效物限定。

Claims (22)

1.一种功率模块，包括：
外壳；
被包围在外壳之内的功率半导体管芯；
被嵌入外壳中并与功率半导体管芯电连接的第一功率端子，第一功率端子的一部分从外壳的外表面向外突出；以及
第二功率端子，第二功率端子被嵌入外壳中并且与功率半导体管芯电连接以及与第一功率端子电绝缘，第二功率端子的一部分从外壳的外表面向外突出了小于第一功率端子的所述部分的距离，使得该模块具有包括不同高度的功率连接。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述外壳包括附着到金属体的框架，并且其中所述功率半导体管芯安装到衬底的第一面，所述衬底具有附着到所述金属体的第二相反面，使得所述框架和所述金属体共同包围所述功率半导体管芯和所述衬底。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述第一功率端子的从所述外壳的外表面向外突出的所述部分是弹簧型连接器，以及所述第二功率端子的从所述外壳的外表面向外突出的所述部分是弹簧型连接器。
4.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述第一功率端子的从所述外壳的外表面向外突出的所述部分是螺钉型连接器，以及所述第二功率端子的从所述外壳的外表面向外突出的所述部分是螺钉型连接器。
5.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述第二功率端子的从所述外壳的外表面向外突出的所述部分是压入配合型连接器，以及所述第二功率端子的从所述外壳的外表面向外突出的所述部分是压入配合型连接器。
6.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述第一功率端子是所述功率半导体管芯的正供给端子，以及所述第二功率端子是所述功率半导体管芯的负供给端子。
7.一种功率模块，包括：
外壳；
被包围在外壳之内的功率半导体管芯；
具有被嵌入外壳中的近端和与外壳间隔开第一距离的远端的第一功率端子，第一功率端子与功率半导体管芯电连接；以及
具有被嵌入外壳中的近端和与外壳间隔开小于第一距离的第二距离的远端的第二功率端子，第二功率端子与功率半导体管芯电连接，并且与第一功率端子电绝缘。
8.根据权利要求7所述的功率模块，其中所述外壳包括附着到金属体的框架，并且其中所述功率半导体管芯安装到衬底的第一面，所述衬底具有附着到所述金属体的第二相反面，使得所述框架和所述金属体共同包围所述功率半导体管芯和所述衬底。
9.根据权利要求7所述的功率模块，其中所述第一功率端子的远端是弹簧型连接器，以及所述第二功率端子的远端是弹簧型连接器。
10.根据权利要求7所述的功率模块，其中所述第一功率端子的远端是螺钉型连接器，以及所述第二功率端子的远端是螺钉型连接器。
11.根据权利要求7所述的功率模块，其中所述第一功率端子的远端是压入配合型连接器，以及所述第二功率端子的远端是压入配合型连接器。
12.根据权利要求7所述的功率模块，其中所述第一功率端子是所述功率半导体管芯的正供给端子，以及所述第二功率端子是所述功率半导体管芯的负供给端子。
13.一种功率模块系统，包括：
外壳；
被包围在外壳之内的功率半导体管芯；
具有被嵌入外壳中的近端和与外壳间隔开第一距离的远端的第一功率端子，第一功率端子与功率半导体管芯电连接；
具有被嵌入外壳中的近端和与外壳间隔开小于第一距离的第二距离的远端的第二功率端子，第二功率端子与功率半导体管芯电连接，并且与第一功率端子电绝缘；以及
电连接器，该电连接器包括第一导电层以及利用绝缘材料与第一导电层分离的第二导电层，第一导电层与第一功率端子的远端相连，第二导电层与第二功率端子的远端相连。
14.根据权利要求13所述的功率模块系统，其中所述外壳包括附着到金属体的框架，并且其中所述功率半导体管芯安装到衬底的第一面，所述衬底具有附着到所述金属体的第二相反面，使得所述框架和所述金属体共同包围所述功率半导体管芯和所述衬底。
15.根据权利要求13所述的功率模块系统，其中所述第一功率端子的远端是弹簧型连接器，以及所述第二功率端子的远端是弹簧型连接器。
16.根据权利要求13所述的功率模块系统，其中所述第一功率端子的远端是螺钉型连接器，以及所述第二功率端子的远端是螺钉型连接器。
17.根据权利要求13所述的功率模块系统，其中所述第一功率端子的远端是压入配合型连接器，以及所述第二功率端子的远端是压入配合型连接器。
18.根据权利要求13所述的功率模块系统，其中所述第一功率端子是所述功率半导体管芯的正供给端子，以及所述第二功率端子是所述功率半导体管芯的负供给端子。
19.根据权利要求13所述的功率模块，其中所述第一与第二距离之间的差对应于所述电连接器的所述绝缘材料的厚度。
20.根据权利要求13所述的功率模块，其中所述第一和第二导电层是平的。
21.根据权利要求13所述的功率模块，其中所述电连接器的所述绝缘材料具有与所述第一功率端子对准的第一开口，以及与所述第二功率端子对准的第二开口。
22.根据权利要求21所述的功率模块，其中所述第二导电层设置成比所述第一导电层更接近所述外壳，并且其中所述第一导电层通过所述绝缘材料中的所述第一开口接触所述第一功率端子。
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