CN105914199A - 一种并联芯片均流的功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并联芯片均流的功率模块，包括直流输入端子、输出端子和多个并联的半桥结构，每个半桥结构连接一个输出端子，所有半桥结构共同连接两个直流输入端子，至少一个绝缘基板的下桥臂金属层在接线区与下桥臂芯片单元之间设有绝缘的均衡槽。本发明在绝缘基板上设有均衡槽，能够保护靠近直流输入端子的功率器件，降低器件因过载而烧毁的风险。本发明的功率模块均衡了并联器件的寄生参数，尤其是寄生电感及回路电阻，从而达到均流的效果，提高了功率模块的可靠性。

Description

一种并联芯片均流的功率模块
技术领域
本发明涉及功率半导体模块，尤其涉及一种并联芯片均流的功率模块。
背景技术
全球能源危机与气候变暖的威胁让人们在追求经济发展的同时越来越重视节能减排、低碳发展。随着绿色环保在国际上的确立与推进，功率半导体的发展、应用前景更加广阔。
当前功率模块的功率等级不断提高，尽管现在功率器件的电流、电压等级不断提升，但单个功率器件仍然无法满足大功率变流器的需求，于是功率模块内部器件的并联成为一种必然选择，而并联的多个器件的均流问题也随之凸显。由于功率器件在功率模块内部的位置布局不同，往往造成多个并联器件的寄生参数不一致。功率模块在工作时，寄生参数不同会引起并联器件通过的电流不一致，通过电流较大的芯片可能会出现过流烧毁失效，即使没有造成过流烧毁，此芯片损耗也会比较大、发热比较严重，长期如此功率模块的可靠性也会受到影响。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种改善并联芯片均流性的并联芯片均流功率模块，均衡并联芯片的寄生参数，提高功率模块的可靠性。
技术方案：一种并联芯片均流的功率模块，包括直流输入端子、输出端子和多个并联的半桥结构，半桥结构包括绝缘基板和绝缘基板上的芯片集合，每个半桥结构连接一个输出端子，所有半桥结构共同连接两个直流输入端子，绝缘基板包括陶瓷绝缘层以及形成于该陶瓷绝缘层上的金属层，所述金属层包括上桥臂金属层和下桥臂金属层，上桥臂金属层上设有上桥臂芯片单元，下桥臂金属层上设有下桥臂芯片单元，下桥臂金属层包括接线区，上桥臂芯片单元与接线区通过邦定线相连，至少一个绝缘基板的下桥臂金属层在接线区与下桥臂芯片单元之间设有绝缘的均衡槽。
进一步的，包括顺序排列的三个半桥结构，每个半桥结构包括一个绝缘基板，位于中间的一个绝缘基板其下桥臂金属层在接线区与下桥臂芯片单元之间设有绝缘的均衡槽。
进一步的，包括横向排列的三个半桥结构，每个半桥结构包括纵向排列的两个绝缘基板，靠近直流输入端子的一行三个绝缘基板其下桥臂金属层在接线区与下桥臂芯片单元之间均设有绝缘的均衡槽。
进一步的，包括两个半桥结构，每个半桥结构包括一个绝缘基板，每个绝缘基板其下桥臂金属层在接线区与下桥臂芯片单元之间均设有绝缘的均衡槽。
进一步的，所述均衡槽由起始端向远离直流输入端子的方向延伸。
进一步的，所述均衡槽的长度方向与邦定线的长度方向垂直。
进一步的，所述下桥臂芯片单元包括多个并联的功率器件，所述均衡槽最短延伸至与第一个功率器件的顶部平齐，最长延伸至与最后一个功率器件的顶部平齐。
进一步的，所述均衡槽为单段绝缘槽或者多段绝缘槽。
进一步的，所述上桥臂芯片单元的芯片类型为IGBT、MOSFET和FRD中的一种或多种，下桥臂芯片单元的芯片类型为IGBT、MOSFET和FRD中的一种或多种。
进一步的，所述上桥臂芯片单元的材料为Si、SiC和GaN中的一种或多种，下桥臂芯片单元的材料为Si、SiC和GaN中的一种或多种。
有益效果：本发明在绝缘基板上设有均衡槽，能够保护靠近直流输入端子的功率器件，降低器件因过载而烧毁的风险。本发明的功率模块均衡了并联器件的寄生参数，尤其是寄生电感及回路电阻，从而达到均流的效果，提高了功率模块的可靠性。
附图说明
图1是MOSFET三相桥功率模块示意图；
图2是本发明的电气结构拓扑图；
图3是绝缘基板的结构示意图；
图4(a)、图4(b)、图4(c)是三种不同的绝缘基板结构示意图；
图5是不同的绝缘基板提取到的寄生电感对比图；
图6是IGBT三相桥功率模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本技术方案进行详细说明。
实施例1：
一种并联芯片均流的功率模块，如图1所示，包括直流输入端子1、输出端子2和三个并联的半桥结构，三个半桥结构顺序排列，每个半桥结构包括绝缘基板和绝缘基板上的芯片集合，本实施例中每块绝缘基板即为一个半桥拓扑电气结构，如图2所示，每个半桥结构连接一个输出端子2，所有半桥结构共同连接两个直流输入端子1，三个半桥结构组成三相桥电气拓扑结构。三块绝缘基板、芯片集合、外壳、底板组成三相桥功率模块。
绝缘基板结构如图3所示，包括陶瓷绝缘层以及形成于该陶瓷绝缘层上的金属层，金属层的材料采用铜或者铝，表面镀有镍和金或者镍和银，金属层通过厚膜印刷技术或钎焊技术实现，厚度为0.1mm-1mm。
金属层包括上桥臂金属层3和下桥臂金属层4，上桥臂金属层3上烧结或焊接有上桥臂芯片单元5，下桥臂金属层4上烧结或焊接有下桥臂芯片单元6，下桥臂金属层4包括接线区7，上桥臂芯片单元5与接线区7通过邦定线8相连，以下所称邦定线8均是英文bonding的译文，接线区7如图所示，即上桥臂芯片单元5的邦线连接在下桥臂芯片单元6所在绝缘基板上的区域，一般情况下本领域的邦线均为图所示的横向平行排布，接线区7即这些邦线与下桥臂芯片的接触点的集合所形成的区域。
至少一个绝缘基板的下桥臂金属层4在接线区7与下桥臂芯片单元6之间设有绝缘的均衡槽9，本实施例中，三个绝缘基板上都设有均衡槽9。下桥臂金属层4在接线区7与下桥臂芯片单元6之间设有实现电气均衡目的绝缘的均衡槽9，均衡槽9是金属层通过刻蚀的工艺形成。
图1中每块绝缘基板包含两个桥臂，功率模块共包括六个桥臂，每个桥臂由7只功率芯片并联组成。上桥臂芯片单元5的发射极或漏极通过键合引线与下桥臂芯片单元6的集电极或源极相连。
其中，绝缘基板的上桥臂芯片单元5的材料为Si、SiC和GaN中的一种或多种，下桥臂芯片单元6的材料为Si、SiC和GaN中的一种或多种；本发明所采用的均衡槽9结构适合于功率模块，尤其适合于SiC功率模块。上桥臂芯片单元5的芯片类型为IGBT、MOSFET和FRD中的一种或多种，下桥臂芯片单元6的芯片类型为IGBT、MOSFET和FRD中的一种或多种。本实施例中，上桥臂芯片单元5和下桥臂芯片单元6的的芯片类型均为MOSFET。
功率模块的电压、电流等级不断提高，但单个芯片往往无法满足要求，因此每个桥臂通常是由多个芯片进行并联。本实施例中，一个桥臂由7个功率器件并联组成，图3中上下桥臂共有自上而下顺序排布的7个功率器件组，图中7个虚线框即7个功率器件组。通常离直流输入端位置较近的功率器件最容易失效，原因是此功率器件回路的寄生电感最小，为了均衡并联芯片回路的寄生电感，现设计了两种绝缘基板结构来改善并联芯片的均流，均衡槽9作为调节寄生参数的一个措施，可以平衡芯片组之间的寄生电感，但不宜过长，原因是均衡槽9增加回路电阻，相应会增加功率模块的静态损耗。
均衡槽9的宽度一般与绝缘金属基板上表面铜层的绝缘槽宽度一致，为0.6-1.2mm，下桥臂芯片单元6包括多个并联的功率器件，均衡槽9起始于靠近直流输入端子1的下桥臂金属层4的边缘，向远离直流输入端子1的方向延伸，最短延伸至与第一个功率器件的顶部平齐，最长延伸至与最后一个功率器件的顶部平齐，此处所述的功率器件顶部是以图中所示的绝缘基板摆放位置为参照的，即绝缘基板靠近直流输入端子1的一端为顶端，若绝缘基板的摆放方向变了，前述的“顶部”仍保持以靠近直流输入端子1的一端为顶，不受视角和摆放方向的限定；并且，本实施例中7个功率器件纵向顺序排列，若在其他实施方式中，多个功率器件不排成一列，而是呈矩阵或其他方式排布，则前述“最长延伸至与最后一个功率器件的顶部平齐”中的“最后一个功率器件”指的是最靠近接线区7的一列中距离直流输入端子1最远的一个功率器件。
均衡槽9的最优长度与芯片位置及数量有关，且均衡槽9为单段绝缘槽或者多段绝缘槽。本实施例中结合具体的功率模块进行实验，图4(a)为现有技术的绝缘基板，无电气均衡目的的均衡槽9，图4(b)的绝缘基板有一个电气均衡目的的均衡槽9；其均衡槽9延伸至将近与下桥臂的第二个功率器件的底边平齐；图4(c)的绝缘基板有一长一短两个电气均衡目的的均衡槽9，长均衡槽9自顶端延伸至将近与第二个下桥臂的功率器件的底边平齐，短均衡槽9的长度小于第一个均衡槽9的长度，短均衡槽9自下桥臂的第三个功率器件的顶部延伸至下桥臂的第三个功率器件的中部位置。
为了验证电气均衡目的的均衡槽9的效果，现对上述三种绝缘基板分别进行数值仿真，提取得到不同功率器件组的寄生电感，如图5所示，在绝缘金属基板上未做均衡槽9时，7个功率器件中，离直流输入端越近的功率器件组其寄生电感越小，该功率器件组也最容易失效；在金属层刻蚀有长均衡槽9时，第三个功率器件组的寄生电感最小，但前三个功率器件组的寄生电感相差不大；作为进一步改善，在长均衡槽9的长度方向再增加一个短均衡槽9，此时前三个功率器件组的寄生电感更加接近，均流效果更好，本实施例中的功率模块采用图4(b)中所示的单段均衡槽9结构。
均衡槽9的延伸方向与邦定线8的邦定方向垂直，如图4(b)中所示，均衡槽9为纵向，邦定线8的邦定方向为横向，此处所指的邦定线8的邦定方向理论上即为邦定线8的近似方向，在实际操作中若邦定线8因其自身物理特性而弯曲则近似的将邦定线8两端的连线方向理解为本发明权利要求中所述的邦定方向，其细微的形变、弯曲或者倾斜不作为对本发明保护范围的限制。
实施例2：
本实施例也提供了一种并联芯片均流的功率模块，其结构与实施例1提供的结构大概相同，二者的区别在于：本实施例中的功率模块采用图4(c)中所示的长短均衡槽9结构。
实施例3：
本实施例也提供了一种并联芯片均流的功率模块，如图6所示，其结构与实施例1提供的结构大概相同，二者的区别在于：本实施例中上桥臂芯片单元5和下桥臂芯片单元6的的芯片类型为IGBT和FRD。
实施例4：
本实施例也提供了一种并联芯片均流的功率模块，其结构与实施例1提供的结构大概相同，二者的区别在于：本实施例中的并联芯片均流的功率模块包括三个绝缘基板，但仅有位于中间的一个绝缘基板其下桥臂金属层4在接线区7与下桥臂芯片单元6之间设有绝缘的均衡槽9。
实施例5：
本实施例也提供了一种并联芯片均流的功率模块，其结构与实施例1提供的结构大概相同，二者的区别在于：本实施例中的并联芯片均流的功率模块包括横向排列的三个半桥结构，每个半桥结构包括纵向排列的两个绝缘基板，靠近直流输入端子1的一行三个绝缘基板其下桥臂金属层4在接线区7与下桥臂芯片单元6之间均设有绝缘的均衡槽9。
实施例6：
本实施例也提供了一种并联芯片均流的功率模块，其结构与实施例1提供的结构大概相同，二者的区别在于：本实施例中的并联芯片均流的功率模块只包括两个半桥结构，每个半桥结构包括一个绝缘基板，每个绝缘基板其下桥臂金属层4在接线区7与下桥臂芯片单元6之间均设有绝缘的均衡槽9。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“水平”、“竖直”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，包括直流输入端子(1)、输出端子(2)和多个并联的半桥结构，半桥结构包括绝缘基板和绝缘基板上的芯片集合，每个半桥结构连接一个输出端子(2)，所有半桥结构共同连接两个直流输入端子(1)，绝缘基板包括陶瓷绝缘层以及形成于该陶瓷绝缘层上的金属层，所述金属层包括上桥臂金属层(3)和下桥臂金属层(4)，上桥臂金属层(3)上设有上桥臂芯片单元(5)，下桥臂金属层(4)上设有下桥臂芯片单元(6)，下桥臂金属层(4)包括接线区(7)，上桥臂芯片单元(5)与接线区(7)通过邦定线(8)相连，至少一个绝缘基板的下桥臂金属层(4)在接线区(7)与下桥臂芯片单元(6)之间设有绝缘的均衡槽(9)。
2.根据权利要求1所述的一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，包括顺序排列的三个半桥结构，每个半桥结构包括一个绝缘基板，位于中间的一个绝缘基板其下桥臂金属层(4)在接线区(7)与下桥臂芯片单元(6)之间设有绝缘的均衡槽(9)。
3.根据权利要求1所述的一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，包括横向排列的三个半桥结构，每个半桥结构包括纵向排列的两个绝缘基板，靠近直流输入端子(1)的一行三个绝缘基板其下桥臂金属层(4)在接线区(7)与下桥臂芯片单元(6)之间均设有绝缘的均衡槽(9)。
4.根据权利要求1所述的一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，包括两个半桥结构，每个半桥结构包括一个绝缘基板，每个绝缘基板其下桥臂金属层(4)在接线区(7)与下桥臂芯片单元(6)之间均设有绝缘的均衡槽(9)。
5.根据权利要求1所述的一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，所述均衡槽(9)由起始端向远离直流输入端子(1)的方向延伸。
6.根据权利要求5所述的一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，所述均衡槽(9)的长度方向与邦定线(8)的长度方向垂直。
7.根据权利要求5所述的一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，所述下桥臂芯片单元(6)包括多个并联的功率器件，所述均衡槽(9)最短延伸至与第一个功率器件的顶部平齐，最长延伸至与最后一个功率器件的顶部平齐。
8.根据权利要求1所述的一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，所述均衡槽(9)为单段绝缘槽或者多段绝缘槽。
9.根据权利要求1所述的一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，所述上桥臂芯片单元(5)的芯片类型为IGBT、MOSFET和FRD中的一种或多种，下桥臂芯片单元(6)的芯片类型为IGBT、MOSFET和FRD中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的一种并联芯片均流的功率模块，其特征在于，所述上桥臂芯片单元(5)的材料为Si、SiC和GaN中的一种或多种，下桥臂芯片单元(6)的材料为Si、SiC和GaN中的一种或多种。
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