CN106384728A - 带散热功能的功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带散热功能的功率模块，包括散热外壳和功率模块单元，各第一半导体芯片、各第二半导体及信号端和电极焊接固定在下层DBC基板上并由下层DBC基板上阻焊层隔离，上层DBC基板通过上焊料孔内的焊料与下层DBC基板的下焊料孔内的焊料热焊固定并形成电路的连接，上层DBC基板与下层DBC基板四周边通过绝缘材料塑封形成固定外壳，各信号端和各电极端伸出固定外壳；功率模块单元插接在散热外壳上的腔体并与散热外壳固定。本发明结构合理，有效减少寄生电感，提高模块的可靠性，将散热外壳置于强制风冷或水冷的通道内对功率模块单元全方位的冷却散热，大大提高散热效率。

Description

带散热功能的功率模块
技术领域
本发明涉及一种带散热功能的功率模块，属于功率模块技术领域。
背景技术
功率半导体模块是一种标准外形尺寸和非标准外形尺寸模块产品。功率半导体模块应用于汽车领域，大电流，大功率，必须做到散热快、热阻小、安装便捷、体积小。
随着技术的发展，现在对功率模块的功率密度和可靠性能的要求在逐年提高，而现有的功率模块的结构存在一个较大瓶颈是：功率器件的功率越来越高，半导体芯片的功耗也在逐渐增加，往往半导体芯片所产生的热量也越来越大，如半导体芯片的热量不及时散出，会严重影响功率模块的工作性能。而目前功率模块大都采用单面与散热器连接，而单面无法实现快速散热。再则由于半导体芯片采用铝丝键合，不仅会影响到使用的可靠性，而且无法进一步减少寄生电感，会影响开关损耗，限制了开关频率的提高，因此应用到大功率电机需求就非常困难。
发明目的
本发明的目的是提供一种结构合理，有效减少寄生电感，提高模块的可靠性，并能大大提高散热效率的带散热功能的功率模块。
本发明为达到上述目的的技术方案是：一种带散热功能的功率模块，其特征在于：包括散热外壳和功率模块单元，所述的功率模块单元包括上层DBC基板、下层DBC基板、多个第一半导体芯片、多个第二半导体芯片以及信号端和电极，各第一半导体芯片、各第二半导体芯片以及信号端和电极焊接固定在下层DBC基板上并由下层DBC基板上的下阻焊层隔离，所述上层DBC基板的上阻焊层对应于各第一半导体芯片、各第二半导体芯片及下层DBC基板设有上焊料孔，上层DBC基板通过上焊料孔内的焊料与各第一半导体芯片、各第二半导体芯片及下层DBC基板的下焊料孔内的焊料热焊固定并形成电路的连接，且上层DBC基板与下层DBC基板的四周边通过绝缘材料塑封形成固定外壳，上层DBC基板的底板和下层DBC基板的底板位于固定外壳的两端面，信号端和电极伸出固定外壳；所述的散热外壳包括用于放置功率模块单元的腔体和外周外凸的多个散热柱，功率模块单元插接在散热外壳的腔体并与散热外壳固定，上层DBC基板的底板和下层DBC基板的底板与散热外壳贴合，电极和信号端位于固定外壳外部。
其中，所述的信号端包括门极信号端和发射极信号端，下层DBC基板的下阻焊层在门极信号引出部分设有多个下焊料孔，上层DBC基板的上阻焊层在上门极信号引出部分设有对应的上焊料孔，上层DBC基板的上阻焊层通过上焊料孔内的焊料与下层DBC基板对应的下焊料孔内的焊料热焊固定，使门极信号引出部分导通，上层DBC基板的上阻焊层的上焊料孔内的焊料与各第一半导体芯片的发射极信号及各第二半导体芯片的发射极信号焊接导通。
所述电极包括中部的公共电极以及其两侧的发射极和集电极，下层DBC基板的下阻焊层在公共电极端引出部分设有下焊料孔，上层DBC基板的上阻焊层在公共电极引出部分设有对应的上焊料孔，上层DBC基板通过上焊料孔内的焊料与下层DBC基板的下焊料孔内的焊料热焊固定，使公共电极端引出部分导通，公共电极焊接在下层DBC基板的公共电极区域并与公共电极端引出部分连接。
所述的第一半导体芯片采用MOS管、IGBT或晶闸管。
所述的第二半导体芯采用二极管芯片或FRED芯片。
本发明功率模块单元采用上层DBC基板和下层DBC基板结构，将各第一半导体芯片、各第二半导体芯片以及电极端及信号端焊接在下DBC基板上，并由下层DBC基板上的下阻焊层隔离，而上层DBC基板的阻焊层对应于各第一半导体芯片、各第二半导体芯片以及下层DBC基板设有上焊料孔，上层DBC基板通过上焊料孔内的焊料与各第一半导体芯片、各第二半导体芯片以及下层DBC基板的下焊料孔内的焊料热焊固定并形成电路的连接，因此通过焊料焊接而取代铝丝键合，有效减少寄生电感，提高模块的可靠性，同时节省成本，简化了加工工序。本发明上层DBC基板与下层DBC基板采用绝缘材料将四周边塑封形成固定外壳，通过对上层DBC基板与下层DBC基板进行塑封而进行组装密封，做到电气隔离和保护作用。本发明散热外壳包括用于放置功率模块单元的腔体及外周外凸的多个散热柱，可将功率模块单元插接在散热外壳上的腔体并与散热外壳固定，由于上层DBC基板的底板及下层DBC基板上的底板位于固定外壳的两面与散热外壳贴合，将散热外壳置于强制风冷或水冷的通道内进行冷却，实现散热外壳对功率模块单元全方位的冷却散热，与传统的散热方法相比，能成倍提升散热速度而提高散热效率，保证了功率模块高效可靠的长时间使用，提高功率模块的使用寿命。本发明将功率模块单元是固封在散热外壳上，并能通过散热外壳上散热柱来增加散热面积，而功率模块单元直接插入在散热外壳的方式安装，不需要开定位孔，安装方便。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。
图1是本发明带散热功能的功率模块的结构示意图。
图2是本发明功率模块单元的结构示意图。
图3是2的后视结构示意图。
图4是本发明下层DBC基板的结构示意图。
图5是本发明上层DBC基板的结构示意图。
图6是本发明散热外壳的结构示意图。
其中：1—信号端，1-1—门极信号端，1-2—发射极信号端，2—电极，2-1—发射极，2-2—公共电极，2-3—集电极，3—散热外壳，3-1—散热柱，3-2—腔体，3-3—限位环台，4—固定外壳，5—上层DBC基板，5-1—门极信号引出部分，5-2—公共电极引出部分，6—下层DBC基板，6-1—门极信号区域，6-2—发射极信号区域，6-3—发射极区域，6-4—公共电极区域，6-5—集电极区域，6-6—门极信号引出部分，6-7—公共电极端引出部分，7—第二半导体芯片，8—第一半导体芯片，9—下阻焊层，9-1—下焊料孔，10—上阻焊层，10-1—上焊料孔。
具体实施方式
见图1～6所示，本发明带散热功能的功率模块，包括散热外壳3和功率模块单元。见图1～5所示，本发明功率模块单元包括上层DBC基板5、下层DBC基板6、多个第一半导体芯片8、多个第二半导体芯片7以及信号端1和电极2，本发明第一半导体芯片8采用MOS管、IGBT或晶闸管，而第二半导体芯片7采用二极管芯片或FRED芯片，各第一半导体芯片8、各第二半导体芯片7以及信号端1和电极2焊接固定在下层DBC基板6上并由下层DBC基板6上的下阻焊层9隔离，下层DBC基板6上印刷有版图，将第一半导体芯片8及第二半导体芯片7以及信号端1和电极2焊接在下层DBC基板6上对应的芯片区域、信号区域和电极区域内并由下阻焊层9隔离。
见图2～5所示，本发明上层DBC基板5上具有上阻焊层10，上层DBC基板5的上阻焊层10对应于各第一半导体芯片8、各第二半导体芯片7以及下层DBC基板6设有上焊料孔10-1，上层DBC基板5通过上焊料孔10-1内的焊料与各第一半导体芯片8、各第二半导体芯片7及下层DBC基板6的下焊料孔9-1内的焊料热焊固定并形成电路的连接。
见图1～5所示，本发明信号端1包括门极信号端1-1和发射极信号端1-2，下层DBC基板6的下阻焊层9在门极信号引出部分6-6设有多个下焊料孔9-1，上层DBC基板5的上阻焊层10上在门极信号引出部分5-1设有对应的上焊料孔10-1，上层DBC基板5通过上焊料孔10-1内的焊料与下层DBC基板6上的下焊料孔9-1内的焊料热焊固定，使门极信号引出部分导通，并与焊接在下层DBC基板6上的门极信号区域6-1上的门极信号端1-1相连，通过门极信号端1-1与外部电路连接。见图4、5所示，本发明上层DBC基板5的上阻焊层10的上焊料孔10-1内的焊料与各第一半导体芯片8的发射极信号及各第二半导体芯片7的发射极信号焊接导通，通过焊接在下层DBC基板6发射极信号区域6-2上的发射极信号端1-2与外部电路连接。
见图4、5所示，本发明电极2包括中部的公共电极2-2以及其两侧的发射极2-1和集电极2-3，下层DBC基板6的下阻焊层9在公共电极端引出部分6-7上设有下焊料孔9-1，上层DBC基板5的上阻焊层10上在公共电极引出部分5-2设有对应的上焊料孔10-1，上层DBC基板5通过上焊料孔10-1内的焊料与下层DBC基板6的下焊料孔9-1内的焊料热焊固定，使公共电极端引出部分导通，公共电极2-2焊接在下层DBC基板6的公共电极区域6-4并与公共电极端引出部分连接，而发射极2-1和集电极2-3则焊接在下层DBC基板6对应发射极区域6-3和集电极区域6-5，通过发射极2-1和集电极2-3与外部电路连接。
见图1～3所示，本发明上层DBC基板5与下层DBC基板6四周边通过绝缘材料塑封形成固定外壳4，上层DBC基板5的底板和下层DBC基板6的底板位于固定外壳4的两端面，信号端1和电极2伸出固定外壳4，通过绝缘材料对上层DBC基板5与下层DBC基板6进行塑封工艺，对功率模块单元组装密封，做到电气隔离作用，
见图1、6所示，本发明散热外壳3包括用于放置功率模块单元的腔体3-2和外周外凸的多个散热柱3-1，通过多个散热柱3-1来增加散热外壳3的散热面积，而进一步提高散热效率，本发明的散热柱3-1的截面可为圆形或多边形，功率模块单元插接在散热外壳3的腔体3-2并与多散热外壳3固定，上层DBC基板5的底板和下层DBC基板6的底板与散热外壳3贴合，电极2和信号端1位于固定外壳4外部，以实现与外部电路的连接，上层DBC基板5的底板和下层DBC基板6的底板均为铜底板或铝底板，通过铜底板或铝底板将上层DBC基板5和下层DBC基板6上的热量导出至散热外壳3，将散热外壳3置于水道或风道内，通过强制风冷或水冷对散热外壳3全方位对功率模块散热。

Claims (5)

1.一种带散热功能的功率模块，其特征在于：包括散热外壳(3)和功率模块单元，所述的功率模块单元包括上层DBC基板(5)、下层DBC基板(6)、多个第一半导体芯片(8)、多个第二半导体芯片(7)以及信号端(1)和电极(2)，各第一半导体芯片(8)、各第二半导体芯片(7)以及信号端(1)和电极(2)焊接固定在下层DBC基板(6)上并由下层DBC基板(6)上的下阻焊层(9)隔离，所述上层DBC基板(5)的上阻焊层(10)对应于各第一半导体芯片(8)、各第二半导体芯片(7)及下层DBC基板(6)设有上焊料孔(10-1)，上层DBC基板(5)通过上焊料孔(10-1)内的焊料与各第一半导体芯片(8)、各第二半导体芯片(7)及下层DBC基板(6)的下焊料孔(9-1)内的焊料热焊固定并形成电路的连接，且上层DBC基板(5)与下层DBC基板(6)的四周边通过绝缘材料塑封形成固定外壳(4)，上层DBC基板(5)的底板和下层DBC基板(6)的底板位于固定外壳(4)的两端面，信号端(1)和电极(2)伸出固定外壳(4)；所述的散热外壳(3)包括用于放置功率模块单元的腔体(3-2)和外周外凸的多个散热柱(3-1)，功率模块单元插接在散热外壳(3)的腔体(3-2)并与散热外壳(3)固定，上层DBC基板(5)的底板和下层DBC基板(6)的底板与散热外壳(3)贴合，电极(2)和信号端(1)位于固定外壳(4)外部。
2.根据权利要求1所述的带散热功能的功率模块，其特征在于：所述的信号端(1)包括门极信号端(1-1)和发射极信号端(1-2)，下层DBC基板(6)的下阻焊层(9)在门极信号引出部分(6-6)设有多个下焊料孔(9-1)，上层DBC基板(5)的上阻焊层(10)在上门极信号引出部分(5-1)设有对应的上焊料孔(10-1)，上层DBC基板(5)的上阻焊层(10)通过上焊料孔(10-1)内的焊料与下层DBC基板(6)对应的下焊料孔(9-1)内的焊料热焊固定，使门极信号引出部分导通，上层DBC基板(5)的上阻焊层(10)的上焊料孔(10-1)内的焊料与各第一半导体芯片(8)的发射极信号及各第二半导体芯片(7)的发射极信号焊接导通。
3.根据权利要求1所述的带散热功能的功率模块，其特征在于：所述电极(2)包括中部的公共电极(2-2)以及其两侧的发射极(2-1)和集电极(2-3)，下层DBC基板(6)的下阻焊层(9)在公共电极端引出部分(6-7)设有下焊料孔(9-1)，上层DBC基板(5)的上阻焊层(10)在公共电极引出部分(5-2)设有对应的上焊料孔(10-1)，上层DBC基板(5)通过上焊料孔(10-1)内的焊料与下层DBC基板(6)的下焊料孔(9-1)内的焊料热焊固定，使公共电极端引出部分导通，公共电极(2-2)焊接在下层DBC基板(6)的公共电极区域(6-4)并与公共电极端引出部分连接。
4.根据权利要求1所述的带散热功能的功率模块，其特征在于：所述的第一半导体芯片(8)采用MOS管、IGBT或晶闸管。
5.根据权利要求1所述的带散热功能的功率模块，其特征在于：所述的第二半导体芯(7)采用二极管芯片或FRED芯片。
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