CN107369657A - 一种多区域并列排布的双面散热功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多区域并列排布的双面散热功率模块，与负极功率端子相连的金属绝缘基板上设有环形绝缘槽，环形绝缘槽内包围的金属层与上半桥芯片通过金属块相连，且与下半桥芯片通过金属块相连；或者设在与正极功率端子相连的金属绝缘基板上，环形绝缘槽内包围的金属层上烧结有下半桥芯片，且其上烧结有上半桥芯片。本发明通过将两个金属绝缘叠层设置，并在其中一个金属绝缘叠上设置环形绝缘槽，搭配功率模块内部的金属层、金属块烧结设计，减小了换流回路面积，大大降低了模块的寄生电感；并且正极、负极功率端子叠层设置容易与外部母排连接，尽量增大了金属层面积，有效降低了模块的引线电阻，达到了大幅降低寄生电感的目的。

Description

一种多区域并列排布的双面散热功率模块
技术领域
本发明涉及功率半导体模块，尤其是一种多区域并列排布的双面散热功率模块。
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。现有电力电子功率模块封装体积大，重量重，不符合电力电子模块高功率密度、轻量化的要求，而且现有功率模块的寄生电感往往也比较大，造成较高的过冲电压，不仅增加了损耗，而且容易造成芯片过压击穿，还限制了在高开关频率场合的应用。另外，随着应用端功率密度的不断升级，现有功率模块的封装结构已经阻碍了功率密度的进一步提升，必须开发出更加有效的散热结构才能满足功率密度日益增长的需求。
近些年大家逐渐意识到了功率模块寄生电感对高频化应用的限制，纷纷对如何降低功率模块的寄生电感展开研究，但聚焦的重点普遍放在功率模块内部，而对露出在功率模块外部的功率端子形状及位置研究极少。现有双面散热功率模块的正、负极功率端子往往采用并排引出结构，此结构的换流回路较大，寄生电感很难进一步降低；而且通过大量仿真、测试，验证了正、负极功率端子的组合形式对功率模块的寄生电感影响较大。
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体积小、重量轻、寄生电感小的双面散热功率模块。
技术方案：一种多区域并列排布的双面散热功率模块，包括正极功率端子、负极功率端子和输出功率端子，正极功率端子和负极功率端子各连接一个金属绝缘基板，两个金属绝缘基板叠层设置，与正极功率端子相连的金属绝缘基板上烧结有上半桥芯片与下半桥芯片；
与负极功率端子相连的金属绝缘基板上设有环形绝缘槽，环形绝缘槽内包围的金属层与上半桥芯片通过金属块相连，环形绝缘槽外的金属层通过金属块与输出功率端子相连，且与下半桥芯片通过金属块相连；
或者，与正极功率端子相连的金属绝缘基板上设有上设有环形绝缘槽，环形绝缘槽内包围的金属层上烧结有下半桥芯片，环形绝缘槽外的金属层通过金属块与输出功率端子相连，且其上烧结有上半桥芯片；
上半桥芯片与下半桥芯片通过金属块与其对面的金属层相连。
进一步的，所述正极功率端子与负极功率端子叠层设置。
进一步的，所述正极功率端子与负极功率端子的连接孔为同轴孔。
进一步的，当与负极功率端子相连的金属绝缘基板上设有环形绝缘槽时，与正极功率端子相连的金属绝缘基板上设有正极金属层、负极金属层、上半桥门极金属层、下半桥门极金属层和下半桥发射极/源极金属层；正极金属层上烧结有正极功率端子和上半桥芯片，负极金属层上烧结有输出功率端子和下半桥芯片；上半桥芯片包括上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片，下半桥芯片包括下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片，上半桥开关芯片的门极与上半桥门极金属层相连，下半桥开关芯片的门极与下半桥门极金属层相连；下半桥发射极/源极金属层通过烧结的金属块与其对面的金属绝缘基板上环形绝缘槽外的金属层相连；上半桥门极金属层还连接有上半桥驱动端子，下半桥门极金属层还连接有下半桥驱动端子。
进一步的，当与正极功率端子相连的金属绝缘基板上设有上设有环形绝缘槽时，该金属绝缘基板上设有第二正极金属层、被环形绝缘槽包围的第二负极金属层、第二上半桥门极金属层和第二下半桥门极金属层；第二正极金属层上烧结有正极功率端子和上半桥芯片，第二负极金属层上烧结有和下半桥芯片，且与输出功率端子通过金属块相连；上半桥芯片包括上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片，下半桥芯片包括下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片，上半桥开关芯片的门极与第二上半桥门极金属层相连，下半桥开关芯片的门极与第二下半桥门极金属层相连；第二上半桥门极金属层还连接有上半桥驱动端子，第二下半桥门极金属层还连接有下半桥驱动端子。
进一步的，其中一个金属绝缘基板上设有温度采样金属层，温度采样金属层的表面烧结有温度传感元件和温度采样端子。
进一步的，上半桥开关芯片的门极与上半桥门极金属层之间、下半桥开关芯片的门极与下半桥门极金属层之间，均通过键合线相连。
进一步的，所述两个金属绝缘基板的外侧均设有散热装置。
进一步的，还包括塑封外壳，两个金属绝缘基板位于外侧的金属层的中间部分均露出在塑封外壳的外部，并且高出塑封外壳。
有益效果：本发明通过将两个金属绝缘基板叠层设置，并在其中一个金属绝缘基板上设置环形绝缘槽，搭配功率模块内部的金属层、金属块烧结设计，减小了换流回路面积，大大降低了模块的寄生电感；并且正极、负极功率端子叠层设置容易与外部母排连接；尽量增大了金属层面积，有效降低了模块的引线电阻，同时达到了降低寄生电感的目的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的内部结构示意图；
图3、图4是实施例1的底部金属绝缘基板示意图；
图5是实施例1的顶部金属绝缘基板示意图；
图6是实施例1的俯视图；
图7是图6的AA截面示意图；
图8是图7的电流示意图；
图9是实施例2的底部金属绝缘基板示意图；
图10是实施例2的顶部金属绝缘基板示意图。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本技术方案进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种多区域并列排布的双面散热功率模块，包括正极功率端子1、负极功率端子2和输出功率端子3，正极功率端子1和负极功率端子2各连接一个金属绝缘基板4，两个金属绝缘基板4叠层设置，图中可见，位于顶部的金属绝缘基板4与负极功率端子2相连，位于底部的金属绝缘基板4与正极功率端子1相连。与正极功率端子1相连的金属绝缘基板4上烧结有上半桥芯片与下半桥芯片，上半桥芯片与下半桥芯片均通过金属块6与其对面的金属层相连。
正极功率端子1与负极功率端子2叠层设置，正极功率端子1与负极功率端子2的连接孔为同轴孔。通过将正、负功率端子叠层设置，尽量减小功率模块的换流回路，使得寄生电感得到有效降低。本实施例中的两个金属绝缘基板4的外侧均可设置散热装置，双面散热的方式能够能提高散热效率。
如图2所示，正极功率端子1与负极功率端子2位于模块的同一侧、长度一致，且两者叠层设置，塑封外壳包围部分正极、负极功率端子2，正极功率端子1、负极功率端子2的连接孔为同轴孔，且连接孔尺寸一致，连接孔的内部设置有塑封材料，并且塑封外壳上具有与连接孔同轴的安装孔。实施时具体两个连接孔的尺寸也可不一致，两个电极的形状大小也可以不一致，方便安装即可。顶部的金属绝缘基板4的上表面部分金属层、底部的金属绝缘基板4的下表面部分金属层均露出在塑封外壳外部，且超出塑封外壳。
如图3、图4所示，与正极功率端子1相连的金属绝缘基板4，即顶部金属绝缘基板4上设有正极金属层401、负极金属层402、上半桥门极金属层403、下半桥门极金属层404和下半桥发射极/源极金属层405；正极金属层401上烧结有正极功率端子1和上半桥芯片，负极金属层402上烧结有输出功率端子3和下半桥芯片；上半桥芯片包括上半桥开关芯片7和上半桥二极管芯片8，下半桥芯片包括下半桥开关芯片9和下半桥二极管芯片10，上半桥开关芯片7的门极与上半桥门极金属层403相连，下半桥开关芯片9的门极与下半桥门极金属层404相连；下半桥发射极/源极金属层405通过烧结的金属块6与其对面的金属绝缘基板4上环形绝缘槽5外的金属层相连；上半桥门极金属层403还连接有上半桥驱动端子11，下半桥门极金属层404还连接有下半桥驱动端子12。
其中一个金属绝缘基板4上设有温度采样金属层406，温度采样金属层406的表面烧结有温度传感元件13和温度采样端子14。本实施例中是设置在与正极功率端子1相连的金属绝缘基板4上。
上半桥开关芯片7的门极与上半桥门极金属层403之间、下半桥开关芯片9的门极与下半桥门极金属层404之间，均通过键合线相连，实际操作时也可以采用本领域常规的其他连接方式。
如图5所示，与负极功率端子2相连的金属绝缘基板4，即底部金属绝缘基板4上设有多个环形绝缘槽5，环形绝缘槽5通过蚀刻金属绝缘基板4上层的金属层得到，本实施例中环形绝缘槽个数为上半桥开关芯片7的个数的一半，也可以采用其他形式，将一个、两个或更多上半桥开关芯片7连接在同一个环形绝缘槽5内。环形绝缘槽5内包围的金属层与上半桥芯片通过金属块6相连，环形绝缘槽5外的金属层通过金属块与输出功率端子3相连，且与下半桥芯片通过金属块6相连；并且由图可知，环形绝缘槽5内还烧结有与其对面的负极金属层402相连的金属块6。
如图6、图7、图8所示，正极功率端子1输入的电流通过底部金属绝缘基板4的正极金属层401、上半桥开关芯片7、金属块6、顶部金属绝缘基板4的环形绝缘槽5内金属层、金属块6、底部金属绝缘基板4的负极金属层402，然后通过输出电极输出；续流时，电流由负极功率端子2、顶部金属绝缘基板4的环形绝缘槽5外金属层、金属块6、下半桥二极管芯片10、底部金属绝缘基板4的负极金属层402，最后通过输出功率端子3输出。
下半桥开关芯片8开通后的电流流向，以及下半桥开关芯片8关断后上半桥二极管芯片7续流的电流流向与图8类似，在此不再赘述。
实施例2：
如图9、图10所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于，本实施例中与正极功率端子1相连的金属绝缘基板4上设有环形绝缘槽5，环形绝缘槽5内包围的金属层上烧结有下半桥芯片，环形绝缘槽5外的金属层通过金属块与输出功率端子3相连，且其上烧结有上半桥芯片；
与正极功率端子1相连的金属绝缘基板4上设有第二正极金属层411、被环形绝缘槽5包围的第二负极金属层412、第二上半桥门极金属层413和第二下半桥门极金属层414；第二正极金属层411上烧结有正极功率端子1和上半桥芯片，第二负极金属层412上烧结有和下半桥芯片，且与输出功率端子3通过金属块相连；上半桥芯片包括上半桥开关芯片7和上半桥二极管芯片8，下半桥芯片包括下半桥开关芯片9和下半桥二极管芯片10，上半桥开关芯片7的门极与第二上半桥门极金属层413相连，下半桥开关芯片9的门极与第二下半桥门极金属层414相连；第二上半桥门极金属层413还连接有上半桥驱动端子11，第二下半桥门极金属层414还连接有下半桥驱动端子12。
其具体的金属层设置如图中所示，具体各金属层的连接方式可参照实施例1由本领域技术人员按照常规设置，在此不做赘述。
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 (9)

1.一种多区域并列排布的双面散热功率模块，包括正极功率端子(1)、负极功率端子(2)和输出功率端子(3)，其特征在于，正极功率端子(1)和负极功率端子(2)各连接一个金属绝缘基板(4)，两个金属绝缘基板(4)叠层设置，与正极功率端子(1)相连的金属绝缘基板(4)上烧结有上半桥芯片与下半桥芯片；
与负极功率端子(2)相连的金属绝缘基板(4)上设有环形绝缘槽(5)，环形绝缘槽(5)内包围的金属层与上半桥芯片通过金属块(6)相连，环形绝缘槽(5)外的金属层通过金属块与输出功率端子(3)相连，且与下半桥芯片通过金属块(6)相连；
或者，与正极功率端子(1)相连的金属绝缘基板(4)上设有上设有环形绝缘槽(5)，环形绝缘槽(5)内包围的金属层上烧结有下半桥芯片，环形绝缘槽(5)外的金属层通过金属块与输出功率端子(3)相连，且其上烧结有上半桥芯片；
上半桥芯片与下半桥芯片通过金属块(6)与其对面的金属层相连。
2.根据权利要求1所述的一种多区域并列排布的双面散热功率模块，其特征在于，所述正极功率端子(1)与负极功率端子(2)叠层设置。
3.根据权利要求2所述的一种多区域并列排布的双面散热功率模块，其特征在于，所述正极功率端子(1)与负极功率端子(2)的连接孔为同轴孔。
4.根据权利要求1所述的一种多区域并列排布的双面散热功率模块，其特征在于，当与负极功率端子(2)相连的金属绝缘基板(4)上设有环形绝缘槽(5)时，与正极功率端子(1)相连的金属绝缘基板(4)上设有正极金属层(401)、负极金属层(402)、上半桥门极金属层(403)、下半桥门极金属层(404)和下半桥发射极/源极金属层(405)；正极金属层(401)上烧结有正极功率端子(1)和上半桥芯片，负极金属层(402)上烧结有输出功率端子(3)和下半桥芯片；上半桥芯片包括上半桥开关芯片(7)和上半桥二极管芯片(8)，下半桥芯片包括下半桥开关芯片(9)和下半桥二极管芯片(10)，上半桥开关芯片(7)的门极与上半桥门极金属层(403)相连，下半桥开关芯片(9)的门极与下半桥门极金属层(404)相连；下半桥发射极/源极金属层(405)通过烧结的金属块(6)与其对面的金属绝缘基板(4)上环形绝缘槽(5)外的金属层相连；上半桥门极金属层(403)还连接有上半桥驱动端子(11)，下半桥门极金属层(404)还连接有下半桥驱动端子(12)。
5.根据权利要求1所述的一种多区域并列排布的双面散热功率模块，其特征在于，当与正极功率端子(1)相连的金属绝缘基板(4)上设有环形绝缘槽(5)时，该金属绝缘基板(4)上设有第二正极金属层(411)、被环形绝缘槽(5)包围的第二负极金属层(412)、第二上半桥门极金属层(413)和第二下半桥门极金属层(414)；第二正极金属层(411)上烧结有正极功率端子(1)和上半桥芯片，第二负极金属层(412)上烧结有和下半桥芯片，且与输出功率端子(3)通过金属块相连；上半桥芯片包括上半桥开关芯片(7)和上半桥二极管芯片(8)，下半桥芯片包括下半桥开关芯片(9)和下半桥二极管芯片(10)，上半桥开关芯片(7)的门极与第二上半桥门极金属层(413)相连，下半桥开关芯片(9)的门极与第二下半桥门极金属层(414)相连；第二上半桥门极金属层(413)还连接有上半桥驱动端子(11)，第二下半桥门极金属层(414)还连接有下半桥驱动端子(12)。
6.根据权利要求1所述的一种多区域并列排布的双面散热功率模块，其特征在于，其中一个金属绝缘基板(4)上设有温度采样金属层(406)，温度采样金属层(406)的表面烧结有温度传感元件(13)和温度采样端子(14)。
7.根据权利要求3或4所述的一种多区域并列排布的双面散热功率模块，其特征在于，上半桥开关芯片(7)的门极与上半桥门极金属层(403)之间、下半桥开关芯片(9)的门极与下半桥门极金属层(404)之间，均通过键合线相连。
8.根据权利要求1所述的一种多区域并列排布的双面散热功率模块，其特征在于，所述两个金属绝缘基板(4)的外侧均设有散热装置。
9.根据权利要求1所述的一种多区域并列排布的双面散热功率模块，其特征在于，还包括塑封外壳，两个金属绝缘基板(4)位于外侧的金属层的中间部分均露出在塑封外壳的外部，并且高出塑封外壳。
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