CN105161477B - 一种平面型功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面型功率模块，该平面型功率模块包括：第一衬板；芯片，其焊接在第一衬板的对应位置上；金属垫片和第一电路层，芯片和/或第一衬板通过金属垫片与第一电路层的相应端口连接；与第一衬板连接的功率端子和控制端子；以及封装外壳。该功率模块避免了大量键合引线脱落或根部断裂而引起的功率模块长期可靠性失效的问题，同时避免了因大量键合引线的使用而导致功率模块内部存在较大寄生电感的问题，从而保证了模块的性能可靠。

Description

一种平面型功率模块
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种平面型功率模块。
背景技术
以IGBT为代表的功率电子模块是电动汽车中电机驱动与控制的核心部件之一。随着人们对车用电机逆变器的性能需求越来越高，对功率电子模块在功率密度、工作温度、高效散热、电能转化效率等方面也提出了更高的要求。
图1示出了传统功率模块的结构示意图。
如图1所示，传统功率模块封装通常将半导体芯片101通过钎焊焊层102焊接到绝缘衬板103上，半导体芯片101上表面利用键合引线104来通过引线键合方式实现不同目的的电气连接，再将预焊接有半导体芯片101的绝缘衬板103焊接到散热底板105上，然后将焊接好的绝缘衬板103和散热底板105组装到一个塑料外壳106中，并填充硅胶107和/或环氧树脂108等填充材料进行密封保护。
对于传统封装形式的功率模块，大量的实验和工程应用表明，键合引线104脱落或根部断裂是引起功率模块长期可靠性失效的关键因素之一。同时，由于大量键合引线104的存在，也会导致功率模块内部产生较大的寄生电感，从而影响器件的开关性能。
基于上述情况，亟需一种能够实现低杂散电感并且能够保证自身内部可靠电气连接的功率模块。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种平面型功率模块，所述功率模块包括：
第一衬板；
芯片，其焊接在所述第一衬板的对应位置上；
金属垫片和第一电路层，所述芯片和/或所述第一衬板通过所述金属垫片与所述第一电路层的相应端口连接；
功率端子和控制端子，所述功率端子和控制端子与所述第一衬板连接；以及，
封装外壳。
根据本发明的一个实施例，所述第一衬板包括：
第一散热层，其散热面延伸出所述封装外壳的表面，以用于对所述平面型功率模块进行散热；
第一绝缘层和第二电路层，所述第一绝缘层设置在所述第一散热层与第二电路层之间，所述芯片焊接在所述第二电路层的对应位置上。
根据本发明的一个实施例，所述第一散热层包括具有预设高度的第一散热片，所述第一散热片与所述第一绝缘层贴合设置。
根据本发明的一个实施例，所述平面型功率模块还包括：
第二导热层，其散热面延伸出所述封装外壳的表面，以用于对所述平面型功率模块进行散热；
第二绝缘层，其设置在所述第二导热层与第一电路层之间。
根据本发明的一个实施例，所述第二导热层与所述第二绝缘层贴合设置。
根据本发明的一个实施例，所述封装外壳高出所述第一绝缘层和第二绝缘层第一预设高度，同时，所述封装外壳低于第一散热层和第二导热层第二预设高度。
根据本发明的一个实施例，用于连接所述芯片与第一电路层的金属垫片的表面几何尺寸与所述芯片的表面几何尺寸相同。
根据本发明的一个实施例，连接所述第一衬板与第一电路层的金属垫片的高度大于连接所述芯片与第一电路层的金属垫片的高度。
根据本发明的一个实施例，所述芯片位于第一衬板和第一电路层之间，形成三明治结构。
根据本发明的一个实施例，所述封装外壳为一体化转模成型工艺制作的外壳。
本发明提供了一种无键合引线的功率模块，从而避免了键合引线脱落或根部断裂而引起的功率模块长期可靠性失效的问题。同时，该功率模块由于不存在大量的键合引线，因此也可以避免因大量键合引线的使用而导致功率模块内部存在较大寄生电感的问题，从而保证了模块的性能可靠。
本发明所提供的电动汽车功率模块将具有功率转化功能的半导体芯片通过金属垫片互连技术分别焊接到上下两个散热衬板上，通过不同高度的金属垫片调节由于半导体芯片厚度不同所产生的高度差，电极端子分别布置于第一衬板的两侧，最后通过一体化转模成型工艺填充内部间隙并封装模块外壳。该功率模块摒弃了传统功率模块中键合引线、硅胶/环氧树脂、散热基板以及导热硅脂材料，实现了直接衬板冷却双面散热模式。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图示出了本发明的各方面的各种实施例，并且它们与说明书一起用于解释本发明的原理。本技术领域内的技术人员明白，附图所示的特定实施例仅是实例性的，并且它们无意限制本发明的范围。应该认识到，在某些示例中，被示出的一个元件也可以被设计为多个元件，或者多个元件也可以被设计为一个元件。在某些示例中，被示出为另一元件的内部部件的元件也可以被实现为该另一元件的外部部件，反之亦然。为了更加清楚、详细地本发明的示例性实施例以使本领域技术人员能够对本发明的各方面及其特征的优点理解得更加透彻，现对附图进行介绍，在附图中：
图1是现有的功率模块的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的功率模块的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的第一衬板的结构示意图；
图4是根据本发明一个实施例的第二电路层的电极分布图；
图5是根据本发明一个实施例的芯片与第一衬板之间的配置关系图；
图6是根据本发明一个实施例的第一电路层的电极分布图；
图7是根据本发明一个实施例的功率模块的装配示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
图2示出了本实施例所提供的平面型功率模块的结构示意图。
如图所示，本实施例所提供的平面型功率模块包括：第一衬板201、芯片202(包括第一芯片202a和第二芯片202b)、金属垫片203、第一电路层204、功率端子205、控制端子206以及封装外壳207。其中，芯片202焊接在第一衬板201上，金属垫片203和/或第一衬板201通过金属垫片203与第一电路层204的相应端口连接。从图2中可以看出，芯片202位于第一衬板201与第一电路层204之间，形成了三明治结构。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，功率模块中所包含的芯片的数量还可以为其他合理值(例如1个或3个以上)，本发明不限于此。
本实施例中，第一芯片202a和第二芯片202b中均包括有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和续流二极管(FRD)。当然，在本发明的其他实施例中，第一芯片202a和/或第二芯片202b还可以为其他合理芯片，本发明同样不限于此。例如在本发明的其他实施例中，第一芯片202a和/或第二芯片202b所包含的开关元件还可以为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、肖特基势垒整流二极管(SBD)和续流二极管(FRD)等器件中的任一中或两种的组合。
如图2所示，本实施例中，芯片202是通过焊接层208焊接在第一衬板201以及第一电路层204之间的。其中，焊接层208是由预成型焊片在特定温升条件下而形成的。具体地，本实施例中，焊接层208是由预成型焊片在255℃的温度和0.6Mpa的压强下在8min内形成的。需要说明的是，在发明的其他实施中，焊接层208还可以采用预成型焊片在其他合理温升条件下来形成，本发明不限于此。
同时，还需要指出的是，在本发明的其他实施例中，焊接层208也可以采用其他合理方式来形成。例如在本发明的其他实施例中，焊接层208还可以由钎焊焊料或纳米银浆等材料在特定温升条件下形成，本发明同样不限于此。
图3示出了本实施例中第一衬板201的结构示意图。
如图3所示，本实施例中，第一衬板201包括：第一散热层301、第一绝缘层302和第二电路层303。其中，第一绝缘层302设置在第一散热层301与第二电路层303之间，以在电气连接上隔离第一散热层301与第二电路层303。
本实施例中，第一散热层301包括具有预设高度(例如8mm)的第一散热片。由于芯片202焊接在第二电路层303的对应位置上，因此，芯片202以及第二电路层303在工作时产生的热量将通过第一绝缘层302传导到第一散热层301上，从而由第一散热层301将热量散发出去。这样，便实现了功率模块的有效散热。
图4示出了本实施例中第二电路层303的电极分布图，图5示出了本实施例中芯片202与第一衬板201之间的配置关系图。
由于本实施例所提供的功率模块中包括第一芯片202a和第二芯片202b，而第一芯片202a和第二芯片202b均包含有IGBT和续流二极管FRD。因此，如图4所示，本实施例所提供的第二电路层303中包括有：第一芯片区401、第一栅极控制区402、正极功率端子区403、负极功率端子区404、输出极功率端子区405、辅助电极区406、第二芯片区407以及第二栅极控制区408。其中，正极功率端子区403和负极功率端子区404分别与对应的功率端子205连接，第一栅极控制区402和第二栅极控制区408分别与对应的控制端子206连接。
如图5所示，本实施例中，第一芯片202a中所包含的第一IGBT 501和第一续流二极管502均是正装式地安装在第一芯片区401上的，同样，第二芯片202b中所包含的第二IGBT503和第二续流二极管504则是正装式地安装在第二芯片区407上的。这样，第一芯片202a和第二芯片202b便构成了半桥式整流电路的一个桥臂。
在工作的过程中，第一栅极控制区402和第二栅极控制区408接收到相应的栅极控制信号以导通或断开相应的IGBT，而输出极功率端区405则形成该桥臂的输出端，正极功率端子区403和负极功率端子区404分别作为该桥臂与电源连接的两个端口。
再次如图1所示，在传统功率模块封装结构中，由于采用的是将半导体芯片101产生的热量先后传导至绝缘衬板103和散热底板105的单向散热方式，这也就使得半导体芯片101在工作过程中产生的大量焦耳热只能通过绝缘衬板103、和散热底板105以及导热硅脂107传导出来。这种结构的散热方式效率相对较低，内部热阻也较大。对于散热要求非常苛刻的电动汽车用逆变器来说，这种散热方式已经很难满足需要。
为了提高功率模块的散热性能，再次如图2所示，本实施例所提供的平面型功率模块还包括第二导热层209和第二绝缘层210。其中，第二绝缘层210设置在第二导热层209与第一电路层204之间，以用于实现第二导热层209与第一电路层204的电气隔离。本实施例中，第二导热层209与外接散热器相连，形成平面型功率模块的双面散热模式。
图6示出了本实施例中第二电路层的电极分布图。
如图6所示，本实施例中，第二电路层包含有：第三芯片区601、第三栅极控制区602、功率端子区603、辅助电极区604、第二芯片区606以及第四栅极控制区607。其中，在装配时，第一芯片202a安装在第三芯片区601上，第二芯片202b安装在第四芯片区606上，第三栅极控制区602通过金属垫片203以及焊接层208与第一栅极控制区402连接，第四栅极控制区607通过金属垫片203以及焊接层208与第二栅极控制区408连接。同时，在需要的情况下，辅助电极区604也可以通过金属垫片203以及焊接层208与辅助电极区406连接。
本实施例中，第一电路层204与第二电路层303是相互匹配的。具体地，第一电路层204中的芯片区与第二电路层303中的芯片区、第一电路层204中的功率端子区与第二电路层303中的功率端子区、第一电路层204中的栅极控制区与第二电路层303中的栅极控制区、第一电路层204中的辅助电极区与第二电路层303中的辅助电极区，都是一一对应的，共同实现功率模块半桥电路的结构特性。
需要说明的是，图4～图6仅仅示出了第一电路层与第二电路层的部分结构，在本实施例中，第一电路层与第二电路层中所包含的电路能够形成单开关、双开关、半桥、整流、斩波以及三相等电路结构的电学连接层，本发明不限于此。
本实施例中，金属垫片203的表面几何尺寸与所使用的芯片的表面几何尺寸保持一致，其高度在[2mm，10mm]的范围内变化。具体地，本实施例中，设置在半导体芯片表面上行的金属垫片的高度是4.5mm，而设置在功率端子、辅助电极区和栅极控制区表面上的金属垫片的高度是5.0mm，所使用的芯片的厚度是0.45mm，设置在半导体芯片与金属垫片之间的焊接层的厚度是0.05mm。因此，通过使用不同高度的金属垫片，保证了第一衬板与第一电路层之间的高度差保持一致。
为了更好地进行散热，本实施例中，封装外壳207高出第一绝缘层和第二绝缘层第一预设高度，同时，封装外壳207低于第一散热层和第二导热层第二预设高度。具体地，本实施例中，封装外壳207高出第一绝缘层和第二绝缘层第一预设高度(例如0.5mm)，同时，封装外壳207低于第一散热层和第二导热层第二预设高度(例如0.2mm)。从而保证第一散热层和第二导热层能够充分地暴露在封装外壳外部，以实现更好的散热效果，如图7所示。
本实施例中，封装外壳207为一体化转模成型工艺制作的塑料外壳，而制作该封装外壳的材料还同时作为密封材料而填充在封装外壳以及由第一散热层、金属垫片、芯片以及第二导热层构成的三明治结构之间。
在上述平面型功率模块的实现过程，首先将具有功率转化功能的半导体芯片通过某种焊接工艺焊接到第一衬板的表面，再把放置于半导体芯片表面、散热衬板上电极表面的金属垫片焊接到第一电路层的表面，然后分别将这两个衬板通过特定夹具焊接成一体，同时，将电极端子分别焊接在第一衬板的两侧，最后，通过一体化转模成型工艺将上述焊接件塑封成模块外壳，由此便构建了如图7所示的平面型功率模块，实现了双面散热、工艺简化、结构紧凑、重量轻便的优点。
从上述描述中可以看出，本实施例提供了一种无键合引线的功率模块，从而避免了键合引线脱落或根部断裂而引起的功率模块长期可靠性失效的问题。同时，该功率模块由于不存在大量的键合引线，因此也可以避免因大量键合引线的使用而导致功率模块内部存在较大寄生电感的问题，从而保证了模块的性能可靠。
本实施例所提供的平面型功率模块将具有功率转化功能的半导体芯片通过金属垫片互连技术分别焊接到上下两个散热衬板上，通过不同高度的金属垫片调节由于半导体芯片厚度不同所产生的高度差，电极端子分别布置于第一衬板的两侧，最后通过一体化转模成型工艺填充内部间隙并封装模块外壳。该功率模块摒弃了传统功率模块中键合引线、硅胶/环氧树脂、散热基板以及导热硅脂材料，实现了直接衬板冷却双面散热模式。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
为了方便，在此使用的多个项目、结构单元、组成单元和/或材料可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本发明的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本发明的单独自主的代表。
此外，所描述的特征、结构或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。在上面的描述中，提供一些具体的细节，例如数量、高度等，以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将明白，本发明无需上述一个或多个具体的细节便可实现，或者也可采用其它方法、组件、材料等实现。在其它示例中，周知的结构、材料或操作并未详细示出或描述以免模糊本发明的各个方面。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (8)

1.一种平面型功率模块，其特征在于，所述平面型功率模块包括：
第一衬板；
芯片，其焊接在所述第一衬板的对应位置上；
金属垫片和第一电路层，所述芯片和/或所述第一衬板通过所述金属垫片与所述第一电路层的相应端口连接，所述芯片通过焊接层焊接在所述第一衬板及所述第一电路层之间，连接所述第一衬板与第一电路层的金属垫片的高度大于连接所述芯片与第一电路层的金属垫片的高度；
功率端子和控制端子，所述功率端子和控制端子与所述第一衬板连接；以及，
封装外壳；
其中，所述第一衬板包括：
第一散热层，其散热面延伸出所述封装外壳的表面，以用于对所述平面型功率模块进行散热，所述第一散热层包括金属层以及与金属层一体形成的、具有预设高度的第一散热片；
第一绝缘层和第二电路层，所述第一绝缘层设置在所述第一散热层与第二电路层之间，所述芯片焊接在所述第二电路层的对应位置上。
2.如权利要求1所述的平面型功率模块，其特征在于，所述第一散热片与所述第一绝缘层贴合设置。
3.如权利要求1或2所述的平面型功率模块，其特征在于，所述平面型功率模块还包括：
第二导热层，其散热面延伸出所述封装外壳的表面，以用于对所述平面型功率模块进行散热；
第二绝缘层，其设置在所述第二导热层与第一电路层之间。
4.如权利要求3所述的平面型功率模块，其特征在于，所述第二导热层与所述第二绝缘层贴合设置。
5.如权利要求4所述的平面型功率模块，其特征在于，所述封装外壳高出所述第一绝缘层和第二绝缘层第一预设高度，同时，所述封装外壳低于第一散热层和第二导热层第二预设高度。
6.如权利要求5所述的平面型功率模块，其特征在于，用于连接所述芯片与第一电路层的金属垫片的表面几何尺寸与所述芯片的表面几何尺寸相同。
7.如权利要求6所述的平面型功率模块，其特征在于，所述芯片位于第一衬板和第一电路层之间，形成三明治结构。
8.如权利要求7所述的平面型功率模块，其特征在于，所述封装外壳为一体化转模成型工艺制作的外壳。
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