CN106449552A - 双面直接冷却散热结构的功率模块 - Google Patents

双面直接冷却散热结构的功率模块 Download PDF

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麻长胜
王晓宝
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Abstract

本发明涉及一种双面直接冷却散热结构的功率模块，功率模块单元的多个第一半导体芯片、多个第二半导体以及信号端和电极焊接固定在下层DBC基板上，第一半导体芯片的门极通过铝丝键合引出并与门极信号端连接，各第一、第二半导体芯片以及下层DBC基板上表面的钼片与上层DBC基板焊接形成电路的连接，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，具有空腔的上罩壳和具有空腔的下罩壳密封固定在固定外壳上并形成介质流道，上罩壳或/和下罩壳的两端设有孔，固定外壳上的电极和信号端位于上罩壳和下罩壳的外侧。本发明结构合理，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。

Description

双面直接冷却散热结构的功率模块
技术领域
本发明涉及一种双面直接冷却散热结构的功率模块，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。
发明内容
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双面直接冷却散热结构的功率模块。
本发明为达到上述目的的技术方案是：一种双面直接冷却散热结构的功率模块，其特征在于：包括上罩壳、下罩壳和至少一组功率模块单元，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，各第一半导体芯片的门极通过铝丝键合引出，各第一半导体芯片和各第二半导体芯片以及下层DBC基板上表面的钼片与上层DBC基板焊接形成电路的连接，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，且信号端及电极端伸出固定外壳的两侧，上层DBC基板的底板上的凹凸面及下层DBC基板的底板上的凹凸面位于固定外壳的上下两端面，具有空腔的上罩壳和具有空腔的下罩壳密封固定在固定外壳上并形成介质流道，上罩壳或/和下罩壳的两端设有孔，固定外壳上的电极和信号端位于上罩壳和下罩壳的外侧。
其中，所述下层DBC基板上表面及各第一半导体芯片、各第二半导体芯片顶面印刷有纳米银焊膏并与各自的钼片一面焊接，上层DBC基板表面通过印刷的纳米银焊膏与钼片的另一面焊接固定。
所述的信号端包括门极信号端、热敏信号端及集电极信号端；各第一半导体芯片的门极通过铝丝键合在下层DBC基板的门极信号引出部分，门极信号端焊接在下层DBC基板的门极信号引出部分，热敏信号端和集电极信号端焊接在下层DBC基板对应的热敏信号引出部分和发射极信号引出部分。
所述的第一半导体芯片为MOS管、IGBT或晶闸管。
所述的第二半导体芯片为二极管芯片或FRED芯片。
所述的上层DBC基板的底板和下层DBC基板的底板均为铜底板或铝底板。
所述的上罩壳和下罩壳之间密封固定有2～10组功率模块单元。
本发明功率模块单元采用上层DBC基板和下层DBC基板结构，将第一半导体芯片、第二半导体芯片以及电极及信号端焊接在下DBC基板上，第一半导体芯片的门极通过铝丝键合引出，第一半导体芯片和第二半导体芯片以及下层DBC基板上表面的钼片与上层DBC基板焊接固定形成电路的连接，通过钼片经纳米银焊接取代铝丝键合，能有效减少寄生电感，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基板的四周边通过绝缘材料塑封形成固定外壳，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，并通过上层DBC基板的底板及下层DBC基板的底板具有凹凸表面在有限位的空间内增加散热面积，而与功率模块单元密封固定的上罩壳和下罩壳所形成介质流道内，因此能将功率模块单元的上下两个散热面直接与冷却介质充分接触，实现双面冷却散热，比传统的散热方法，能成倍提升散热速度，大大提高散热效率，保证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上罩壳和下罩壳内，使功率模块单元直接放置在介质流道内进行强制水冷或风冷，能有效减少热阻，方便安装。
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是本发明双面直接冷却散热结构的功率模块的结构示意图。
图2是本图1的A-A剖视结构示意图。
图3是本发明功率模块单元的结构示意图。
图4是图3的后视结构示意图。
图5是本发明下层DBC基板的结构示意图。
图6是本发明上层DBC基板的结构示意图。
其中：1—上罩壳，2—固定外壳，3—信号端，3-1—门极信号端，3-2—热敏信号端，3-4—集电极信号，4—公共极，5—下罩壳，5-1—孔，6—发射极，7—上层DBC基板，7-1—凹凸面，8—下层DBC基板，8-1—凹凸面，8-2—门极信号引出部分，8-3—热敏信号引出部分，8-4—发射极信号引出部分，9—钼片，10—铝丝，11—第一半导体芯片，12—第二半导体芯片，13—集电极。
具体实施方式
见图1～6所示，本发明的双面直接冷却散热结构的功率模块，包括上罩壳1、下罩壳5和至少一组功率模块单元，本发明上罩壳1和下罩壳5之间密封固定有2～10组功率模块单元，可根据功率而进行设定。
见图3～6所示，本发明功率模块单元包括上层DBC基板7、下层DBC基板8、多个第一半导体芯片11、多个第二半导体芯片12以及信号端3和电极，见图3～6所示，本发明各第一半导体芯片11、各第二半导体芯片12以及信号端和电极焊接固定在下层DBC基板8上，本发明的第一半导体芯片11可采用MOS管、IGBT或晶闸管，而第二半导体芯片12可采用二级管芯片或FRED芯片，下层DBC基板8表面具有印刷版图，下层DBC基板8上表面涂覆有纳米银焊膏，将各第一半导体芯片11、各第二半导体芯片12以及信号端3和电极经过真空炉焊接固定在下层DBC基板8各自的区域，第一半导体芯片11的门极通过铝丝10键合引出，各第一半导体芯片11和各第二半导体芯片12以及下层DBC基板8表面的钼片9与上层DBC基板7焊接并形成电路的连接，能实现各第一半导体芯片11、各第二半导体芯片12以及电极间的电路连接，同时也能对键合的铝丝10进行保护，本发明采用钼片9进行纳米银焊接取代键合，能减少寄生电感。
见图1～6所示，本发明的信号端3包括门极信号端3-1、热敏信号端3-2及集电极信号端3-4，各第一半导体芯片11的门极通过铝丝10键合在下层DBC基板8的门极信号引出部分8-2，门极信号端3-1焊接在下层DBC基板8的门极信号引出部分8-2，热敏信号端3-2和集电极信号端3-4焊接在下层DBC基板8对应的热敏信号引出部分8-3和发射极信号引出部分8-4，电极包括公共极4、集电极13和发射极6并焊接在下层DBC基板8对应的电极区域处。
见图5所示，本发明下层DBC基板8上表面及各第一半导体芯片11、各第二半导体芯片12顶面印刷有纳米银焊膏，上层DBC基板7的表面也印刷有纳米银焊膏，下层DBC基板8上表面及各第一半导体芯片11、各第二半导体芯片12顶面印刷有纳米银焊膏并与各自的钼片9一面焊接，上层DBC基板7表面通过印刷的纳米银焊膏与钼片9的另一面焊接固定，可将上层DBC基板7与下层DBC基板8在真空炉与钼片9进行焊接，节省成本，简化了加工工序。
见图1～3所示，本发明上层DBC基板7与下层DBC基板8的四周边通过绝缘材料塑封形成固定外壳2，且信号端3及电极伸出固定外壳2的两侧，通过绝缘材料对上层DBC基板7与下层DBC基板8进行塑封工艺对电气隔离作用。见图1～4所示，本发明上层DBC基板7的底板上的凹凸面7-1及下层DBC基板8的底板的凹凸面8-1位于固定外壳2的上下两端面，上层DBC基板7的底板和下层DBC基板8的底板均为铜底板或铝底板，通过铜底板或铝底板迅速将上层DBC基板7和下层DBC基板8上的热量导出，具有空腔的上罩壳1和具有空腔的下罩壳5密封固定在固定外壳2上并形成介质流道，功率模块单元可用防水密封胶对结合间隙密封，不需要开定位孔，制作方便。
见图1、2所示，本发明上罩壳1或/和下罩壳5的两端设有孔5-1，见图1所示，下罩壳5两端板与上罩壳1固定，下罩壳5的两端设有孔5-1，或上罩壳1的两端而板与下罩壳5固定，在上罩壳1的两端设有孔，通过该孔5-1与外部的冷却介质相通，将冷却介质引入介质流道内，因此可进行强制水冷或风冷，通过流过介质流道的冷却介质对上层DBC基板7和下层DBC基板8直接进行强制冷却，使功率模块单元能充分与冷却介质接触，同时通过上层DBC基板7上的凹凸面7-1及下层DBC基板8上的凹凸面8-1来增加散热面积，能进一步提高散热效率，位于各电极端和信号端3的固定外壳2两端位于上罩壳1和下罩壳5的外侧，以实现与外部电路的连接。

Claims (7)

1.一种双面直接冷却散热结构的功率模块，其特征在于：包括上罩壳(1)、下罩壳(5)和至少一组功率模块单元，所述的功率模块单元包括上层DBC基板(7)、下层DBC基板(8)、多第一半导体芯片(11)、多个第二半导体芯片(12)以及信号端(3)和电极，各第一半导体芯片(11)、各第二半导体芯片(12)以及信号端(3)和电极焊接固定在下层DBC基板(8)上，各第一半导体芯片(11)的门极通过铝丝(10)键合引出，各第一半导体芯片(11)和各第二半导体芯片(12)以及下层DBC基板(8)上表面的钼片(9)与上层DBC基板(7)焊接形成电路的连接，上层DBC基板(7)与下层DBC基板(8)的四周边通过绝缘材料塑封形成固定外壳(2)，且信号端(3)及电极端伸出固定外壳(2)的两侧，上层DBC基板(7)的底板上的凹凸面(7-1)及下层DBC基板(8)的底板上的凹凸面(8-1)位于固定外壳(2)的上下两端面，具有空腔的上罩壳(1)和具有空腔的下罩壳(5)密封固定在固定外壳(2)并形成介质流道，上罩壳(1)或/和下罩壳(5)的两端设有孔(5-1)，固定外壳(2)上的电极和信号端(3)位于上罩壳(1)和下罩壳(5)的外侧。
2.根据权利要求1所述的双面直接冷却散热结构的功率模块，其特征在于：所述下层DBC基板(8)上表面及各第一半导体芯片(11)、各第二半导体芯片(12)顶面印刷有纳米银焊膏并与各自的钼片(9)一面焊接，上层DBC基板(7)表面通过印刷的纳米银焊膏与钼片(9)的另一面焊接固定。
3.根据权利要求1所述的双面直接冷却散热结构的功率模块，其特征在于：所述的信号端(3)包括门极信号端(3-1)、热敏信号端(3-2)及集电极信号端(3-4)；各第一半导体芯片(11)的门极通过铝丝(10)键合在下层DBC基板(8)的门极信号引出部分，门极信号端(3-1)焊接在下层DBC基板(8)的门极信号引出部分(8-2)，热敏信号端(3-2)和集电极信号端(3-4)焊接在下层DBC基板(8)对应的热敏信号引出部分(8-3)和发射极信号引出部分(8-4)。
4.根据权利要求1所述的双面直接冷却散热结构的功率模块，其特征在于：所述的第一半导体芯片(11)为MOS管、IGBT或晶闸管。
5.根据权利要求1所述的双面直接冷却散热结构的功率模块，其特征在于：所述的第二半导体芯片(12)为二极管芯片或FRED芯片。
6.根据权利要求1所述的双面直接冷却散热结构的功率模块，其特征在于：所述的上层DBC基板(7)的底板和下层DBC基板(8)的底板均为铜底板或铝底板。
7.根据权利要求1所述的双面直接冷却散热结构的功率模块，其特征在于：所述的上罩壳(1)和下罩壳(5-1)之间密封固定有2～10组功率模块单元。
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