CN111146168A - 功率端子及功率模块 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种功率端子及功率模块。该功率端子包括柱状的本体及设置在本体顶部的螺纹孔，螺钉穿过外部母排与螺纹孔螺纹连接以连接本体与外部母排。由于采用了柱状的功率端子，横截面面积大且电流路径短，有效地降低了功率端子的杂散电感，从而有利于降低芯片的耗损。该功率模块包括衬板；覆铜层，其设置在衬板上；以及上述功率端子，其通过焊接或烧结工艺固定在覆铜层上。该功率模块由于使用上述功率端子，有利于降低其杂散电感，也有利于其小型化设计，提高其功率密度、使用寿命和可靠度，还有利于降低其的生产成本。

Description

功率端子及功率模块
技术领域
本发明涉及功率模块制造技术领域，尤其涉及一种功率端子及功率模块。
背景技术
由于电感电压Vo＝Ls×di/dt，在功率模块开启和关闭等电流迅速变化的情况下会产生较大的电流变化率di/dt，当功率模块的杂散电感Ls过大时，就会产生较大的电感电压。电感电压和母线电压相叠加可形成电压尖峰，如若电压尖峰超过器件可承受的最高电圧，就会导致器件击穿，从而引发功率模块失效。
为了避免器件击穿、功率模块失效，降低功率模块的杂散电感成为了功率模块设计的主要工作之一。杂散电感主要包括功率端子的杂散电感、键合线的杂散电感以及直接键合铜(Direct Bonding Copper，简称“DBC”)的杂散电感。
其中，键合线的杂散电感可以通过以下三种方式降低：1)减小键合线长度；2)增加键合线数量；3)增大键合线的横截面积。降低DBC的杂散电感主要通过增加铜层截面积和缩短铜层的长度。不论是降低键合线的杂散电感，还是降低DBC的杂散电感都要受到模块内部结构设计和封装工艺的限制，因此很难通过降低键合线的杂散电感和/或DBC的杂散电感来降低功率模块的杂散电感。
功率端子的杂散电感是功率模块杂散电感的主要组成部分。因此，降低功率端子的杂散电感成为了重中之重。功率端子的杂散电感主要包括自感和互感；其中，自感主要取决于功率端子的横截面积和电流路径长度，互感主要取决于回路面积。
然而，现有的功率端子多为薄板式结构，横截面面积小且电流路径长，造成功率端子的杂散电感大。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种功率端子及功率模块。由于采用了柱状的功率端子，横截面面积大且电流路径短，有效地降低了功率端子的杂散电感。
第一方面，本发明提供了一种功率端子，包括柱状的本体及设置在所述本体顶部的螺纹孔，螺钉穿过外部母排与所述螺纹孔螺纹连接以连接所述本体与所述外部母排。利用该功率端子，有利于降低功率端子的杂散电感，从而降低芯片的耗损；也有利于提高功率端子的通流能力；又通过减小功率端子所占空间体积，从而有利于功率端子的灵活布置和功率模块的小型化，缩小功率模块的覆铜层面积从而降低DBC的杂散电感，提高功率模块的功率密度；再通过增大连接面面积，有利于提高功率端子与覆铜层间连接的牢固度，从而提高功率模块的使用寿命；且通过提高功率端子的机械强度，有利于提高功率模块的可靠性；另外，柱状结构的功率端子的结构简单，有利于降低功率端子的生产成本。
在第一方面的一个实施方式中，所述本体为长方体、正六棱柱或圆柱。通过该实施方式，有利于进一步地降低生产制造功率端子的成本。
在第一方面的一个实施方式中，所述螺纹孔的轴线与所述本体的中心线重合。通过该实施方式，有利于提高功率端子的使用寿命和可靠性。
在第一方面的一个实施方式中，所述功率端子由铜、铝或铜钼铜复合材料制成。
第二方面，本发明还提供了一种功率模块，该功率模块包括：衬板；覆铜层，其设置在所述衬板上；以及上述功率端子，其通过焊接或烧结工艺固定在所述覆铜层上。通过该实施方式，有利于降低功率模块的杂散电感，提高功率模块的可靠性。
在第二方面的一个实施方式中，所述功率模块还包括外壳，所述外壳上设置有通孔，所述功率端子穿过所述通孔凸出于所述外壳。通过该实施方式，有利于功率端子与外部母排顺利连接。
在第二方面的一个实施方式中，所述通孔呈矩形、圆形或六边形，所述通孔与所述本体的截面形状相同。通过该实施方式，有利于提高功率模块的可靠性。
在第二方面的一个实施方式中，所述功率端子包括主功率端子和辅助功率端子；所述主功率端子包括直流正极功率端子、直流负极功率端子和交流输出功率端子；所述辅助功率端子包括用于控制、测试的功率端子；所述主功率端子的截面大于所述辅助功率端子的截面。通过该实施方式，有利于进一步地减小覆铜层的面积，使衬板的布局更加紧凑，提高功率模块的功率密度。
在第二方面的一个实施方式中，所述主功率端子集中设置在所述衬板的一侧。
在第二方面的一个实施方式中，所述功率模块为绝缘栅双极型晶体管模块或金属氧化物半导体场效应晶体管模块。IGBT模块和MOSFET模块使用上述功率端子，有利于降低其杂散电感，也有利于其小型化设计，提高其功率密度、使用寿命和可靠度，还有利于降低其的生产成本。
本申请提供的功率端子及功率模块，相较于现有技术，具有如下的有益效果：
1、有利于降低功率端子的杂散电感，从而降低芯片的耗损；
2、减小功率端子所占空间体积，从而有利于功率端子的灵活布置和功率模块的小型化，缩小功率模块的覆铜层面积从而降低DBC的杂散电感，提高功率模块的功率密度；
3、通过增大连接面面积，有利于提高功率端子与覆铜层间连接的牢固度，从而提高功率模块的使用寿命；
4、通过提高功率端子的机械强度，有利于提高功率模块的可靠性；
5、功率端子的结构简单，有利于降低功率端子的生产成本。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述，其中：
图1显示了根据本发明一实施方式的功率端子与外部母排的连接示意图；
图2显示了根据现有技术的功率端子的结构示意图；
图3显示了根据本发明一实施方式的功率模块的结构示意图；
图4显示了图3中的功率模块封装后的结构示意图；
图5显示了图3中的功率模块的电路图；
图6显示了根据本发明另一实施方式的功率模块的结构示意图；
图7显示了图6中的功率模块封装后的结构示意图。
附图标记：
10-功率端子；11-底脚；100-本体；200-螺纹孔；1020-衬板；1030-覆铜层；1031-第一覆铜层；1032-第二覆铜层；1033-第一下桥臂覆铜层；1034-第二下桥臂覆铜层；1035-第一上桥臂覆铜层；1036-第二上桥臂覆铜层；1040-外壳；1041-通孔；1051-第一IGBT芯片；1052-第二IGBT芯片；1053-下桥臂IGBT芯片；1054-上桥臂IGBT芯片；1061-第一二极管芯片；1062-第二二极管芯片；1063-下桥臂二极管芯片；1064-上桥臂二极管芯片；1120-键合线；1200-功率端子；1210-门级功率端子；1211-下桥臂门级功率端子；1212-上桥臂门级功率端子；1220-交流输出功率端子；1270-发射极辅助功率端子；1271-下桥臂发射极辅助功率端子；1272-上桥臂发射极辅助功率端子；1280-直流负极功率端子；1290-直流正极功率端子；2000-外部母排；3000-螺钉。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施方式提供了一种功率端子1200，包括柱状的本体100及设置在本体100顶部的螺纹孔200，螺钉3000穿过外部母排2000与螺纹孔200螺纹连接以连接本体100与外部母排2000。
外部母排2000通过功率端子1200向功率模块提供电能。外部母排2000上设置有与螺钉3000外径相适配的母排通孔，如图1所示，螺钉3000穿过母排通孔与功率端子1200的螺纹孔200螺纹配合，从而电连接外部母排2000和功率模块。
现有的功率端子10多为薄板式结构，图2示出了一种现有的功率端子10，当电能从外部母排2000传输至功率模块时，电流需要流经功率端子10。由于功率端子10弯折多次，因此电流需要通过较长的电流路径才能从外部母排到达覆铜层1030，电流路径长使得功率端子10的杂散电感大。又由于薄板式结构横截面面积小，进一步地增大了功率端子10的杂散电感。
如图1、图3和图6所示，本实施方式的功率端子1200呈柱状结构，因此电流路径的长度基本等于功率端子1200的高度，相比于图2中的薄板式功率端子10，有利于缩短电流路径，从而有利于降低功率端子1200的杂散电感。又由于柱状结构相比于薄板状结构的横截面面积大，进一步地降低了功率端子1200的杂散电感，从而有利于降低芯片的耗损。并且，横截面面积大的柱状结构的功率端子1200相比于薄板式功率端子10，其通流能力更强。
另外，柱状结构的功率端子1200所占空间体积能够远小于薄板状的功率端子10所占空间体积。在所占空间体积相同的情况下，薄板状功率端子10的横截面面积远小于柱状结构功率端子1200的横截面面积。为了保证相同的电流的通流能力，只能使用较大尺寸的功率端子10，因此薄板状功率端子10所占空间体积大，柱状结构的功率端子1200所占空间体积小。
柱状功率端子1200所占空间体积小；有利于功率端子1200的灵活布置；也有利于缩小功率模块的覆铜层1030面积，从而降低DBC的杂散电感；还有利于功率模块的小型化，从而提高功率模块的功率密度。
同时，薄板式功率端子10与覆铜层1030的连接面面积远小于柱状结构的功率端子1200与覆铜层1030的连接面面积。具体地，图2中的功率端子10只通过两个底脚11与覆铜层1030连接，而本实施方式中柱状结构的功率端子1200使用柱状结构的整个底面与覆铜层1030连接，连接面面积大，因此柱状结构的功率端子1200与覆铜层1030的连接更为牢固，有利于提高功率模块的使用寿命。
明显地，柱状结构的功率端子1200相比于薄板式功率端子10，有利于提高功率端子1200的机械强度。具体地，柱状结构的功率端子1200相比于薄板式功率端子10不易发生弯折、侧翻、晃动等质量问题。因此，采用柱状结构的功率端子1200有利于提高功率模块的可靠性。
另外，本实施方式的柱状结构功率端子1200相比于薄板式功率端子10结构简单，有利于降低功率端子1200的制造成本，从而降低功率模块的制造成本。
本实施方式由于采用了柱状结构的功率端子1200；有利于降低功率端子1200的杂散电感，从而降低芯片的耗损；也有利于提高功率端子1200的通流能力；又通过减小功率端子1200所占空间体积，从而有利于功率端子1200的灵活布置和功率模块的小型化，缩小功率模块的覆铜层1030面积从而降低DBC的杂散电感，提高功率模块的功率密度；再通过增大连接面面积，有利于提高功率端子1200与覆铜层1030间连接的牢固度，从而提高功率模块的使用寿命；且通过提高功率端子1200的机械强度，有利于提高功率模块的可靠性；另外，柱状结构的功率端子1200的结构简单，有利于降低功率端子1200的生产成本。
如图1、图3和图6所示，可选地，本实施方式的本体100为长方体、正六棱柱或圆柱。
如图1和图3所示，功率端子1200的本体100呈长方体状；如图6所示，功率端子的本体100呈正六棱柱状。功率端子1200本体100的外形可以是，但不仅限于是长方体、正六棱柱或圆柱，也可以是三棱柱、五棱柱等。由于长方体、正六棱柱及圆柱结构较为简单，有利于降低生产、制造功率端子1200的成本。
如图1、图3、图4、图6和图7所示，可选地，本实施方式的螺纹孔200的轴线与本体100的中心线重合。
螺纹孔200的轴线与本体100的中心线重合，有利于与螺钉3000连接的功率端子1200的本体100均匀受力，避免应力集中，从而有利于提高功率端子1200的使用寿命。在电流流经功率端子1200时，有利于电流的均匀分布，避免局部发热，从而有利于提高功率端子1200的可靠性。
可选地，本实施方式的功率端子1200由铜、铝或铜钼铜复合材料制成。
铜、铝均是电、热的良导体，由于铜、铝较为常见，因此不做赘述。铜钼铜复合材料是金属基平面层状复合型材料，一般包括堆叠的三层结构，两层铜将钼制成的中心层夹在中间。
铜钼铜复合材料有较高的硬度、抗拉强度、热导率及电导率，因此适用于功率端子1200，使得由铜钼铜复合材料制成的功率端子1200能够高效地传递电能且可以避免功率端子1200发热，同时使得功率端子1200具有较高的硬度和抗拉强度，从而提升功率端子1200的机械性能，有利于提高功率模块的可靠性。
如图3和图6所示，本实施方式还提供了一种功率模块，该功率模块包括：衬板1020；覆铜层1030，其设置在衬板1020上；以及上述功率端子1200，其通过焊接或烧结工艺固定在覆铜层1030上。
如图3和图6所示，覆铜层1030设置在衬板1020上，柱状的功率端子1200可以灵活地布置在功率器件的周围，因此，可以有效地缩短功率端子1200与功率器件间的电连接路径，从而进一步降低功率模块的杂散电感。
可选地，衬板1020可以为陶瓷衬板。
功率端子1200可以通过焊接的方式固定在衬板1020表面的覆铜层1030上，也可以通过烧结工艺固定在衬板1020表面的覆铜层1030上。
可选地，功率端子1200可以通过银烧结工艺固定在衬板1020表面的覆铜层1030上，由于银有良好的导热率、熔融温度高且烧结层厚度小，有利于提高功率模块的散热性能和稳定性。
焊接和烧结都是成熟的互连技术，有益于降低功率端子1200与覆铜层1030的互连难度，从而有利于功率端子1200根据芯片的布局灵活布置。
如图4和图7所示，可选地，本实施方式的功率模块还包括外壳1040，外壳1040上设置有通孔1041，功率端子1200穿过通孔1041凸出于外壳1040。
由于功率端子1200凸出于外壳1040，有利于在封装后，功率端子1200与外部母排2000顺利连接。如图4和图7所示，功率端子1200凸出于封装后功率模块的外壳1040。
如图4和图7所示，可选地，本实施方式的通孔1041呈矩形、圆形或六边形，通孔与本体的截面形状相同。
如图4所示，当功率端子1200的本体100为长方体时，通孔1041呈矩形；当本体100为圆柱形时，通孔1041呈圆形；如图7所示，当本体100为正六棱柱状时，通孔1041呈六边形。
通孔1041与功率端子1200的本体100的截面形状相同，有利于本体100与壳体1040的通孔1041无缝配合，从而避免灰尘等杂物通过缝隙进入功率模块1200的封装，有利于提高功率模块的可靠性。
如图3和图6所示，可选地，本实施方式的功率端子1200包括主功率端子和辅助功率端子；主功率端子包括直流正极功率端子1290、直流负极功率端子1280和交流输出功率端子1220；辅助功率端子包括用于控制、测试的功率端子；主功率端子的截面大于辅助功率端子的截面。
由于主功率端子需要通过较大的电流，辅助功率端子需要通过的电流较小，因此，主功率端子的截面大于辅助功率端子的截面。辅助功率端子使用小截面，相比于使用与主功率端子相同的截面尺寸，有利于减小覆铜层1030的面积，使衬板1020的布局更加紧凑，提高功率模块的功率密度。
如图7所示，可选地，本实施方式的主功率端子集中设置在衬板1020的一侧。辅助端子位于衬板1020的另外两侧，方便外部母排2000的设计。
可选地，本实施方式的功率模块为绝缘栅双极型晶体管模块或金属氧化物半导体场效应晶体管模块。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称“IGBT”)模块使用上述功率端子1200，有利于降低其杂散电感，也有利于其小型化设计，提高其功率密度、使用寿命和可靠度，还有利于降低其的生产成本。
类似地，金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，简称“MOSFET”)模块使用上述功率端子1200，有利于降低其杂散电感，也有利于其小型化设计，提高其功率密度、使用寿命和可靠度，还有利于降低其的生产成本。
可选地，本实施方式的IGBT模块可以是一个半桥结构的功率模块。如图3所示，该功率模块主要包括功率端子1200、IGBT芯片、二极管芯片和键合线1120。第一IGBT芯片1051的集电极和第一二极管芯片1061的负极通过焊接或烧结固定在衬板1020的第一覆铜层1031上，第二IGBT芯片1052的集电极和第二二极管芯片1062的负极通过焊接或烧结固定在衬板1020的第二覆铜层1032上。直流正极功率端子1290、直流负极功率端子1280、交流输出功率端子1220、门极功率端子1210、发射极辅助功率端子1270也焊接或者烧结在陶瓷衬板1020相应的敷铜层1030上。
上桥臂第一IGBT芯片1051的发射极和第一二极管芯片1061的正极、下桥臂的第二覆铜层1032通过键合线1120连接在一起，下桥臂第二IGBT芯片1052的发射极和第二二极管芯片1062的正极通过键合线1120连接到直流负极功率端子1280和发射极辅助功率端子1270下的金属层上，第一IGBT芯片1051和第二IGBT芯片1052的门极分别通过键合线1120连接到对应的门极功率端子1210上。芯片焊接、键合线1120打线完成后，进行外壳1040装配和硅胶注入，形成如图4所示的功率模块。
该半桥功率模块在实际工作时，负载电路一般是感性负载，IGBT芯片关断，通过二极管进行续流，工作过程中的电路原理图如图5所示，其中，V1和V2分别为第一IGBT芯片1051和第二IGBT芯片1052，VD1和VD2分别为第一二极管芯片1061和第二二极管芯片1062，其共同构成半桥电路，电感L和电阻R为负载。半桥功率模块工作过程分为四个阶段：(1)首先，第一IGBT芯片1051导通，第二IGBT芯片1052关断，在直流电压的激励下，电感中电流增大，电阻R产生热量，同时部分能量储存在电感L中，电流方向如图5(a)中所示；然后，第一IGBT芯片1051关断，但是由于死区时间的存在，第二IGBT芯片1052也关断，感性负载中的电流不能立即改变方向，于是第二二极管芯片1062导通续流，电流逐渐减小，电感释放能量，在电流未达到零之前电流方向不变，其电流方向如图5(b)所示；其次，在t2时刻，第二IGBT芯片1052导通，第二IGBT芯片1052关断，在电感电流到零后，电感电流改变方向，电流反向增大，电阻R产热，同时将部分能量储存在电感中，电流方向如图5(c)所示；最后，在t3时刻，第二IGBT芯片1052关断，由于死区时间的存在，第一IGBT芯片1051也关断，感性负载中的电流不能立即改变方向，于是第一二极管芯片1061导通续流，电流逐渐减小，电感释放能量，在电流未到零之前电流方向不变，其电流方向如图5(d)所示。如此往复，又开始一个新的周期，重复上述过程。图5中箭头所指方向为电流流动方向。
由于该半桥功率模块使用上述的功率端子1200，缩短了电流路径，功率端子1200的自感明显降低；电流回路路径缩短，整个回路面积减小有利于降低互感，有利于降低功率模块的杂散电感。于是，在换流过程中，换流回路的感应电动势大幅度降低，芯片的损耗低，有利于提高功率模块的可靠性。
另外，上述功率端子1200由于所占空间体积小且易于安装，可以根据芯片的布局灵活布置。
如图6所示，可选地，本实施方式的IGBT模块也可以是另一个半桥结构的功率模块。如图6所示，该功率模块主要包括直流正极端子1290、交流输出功率端子1220、直流负极端子1280、第一下桥臂覆铜层1033、第二下桥臂覆铜层1034、下桥臂IGBT芯片1053、下桥臂发射极辅助功率端子1271、下桥臂门极功率端子1211、下桥臂二极管芯片1063、上桥臂二极管芯片1064、上桥臂IGBT芯片1054、第一上桥臂覆铜层1035、第二上桥臂覆铜层1036、上桥臂发射极辅助功率端子1272、上桥臂门极功率端子1212和外壳1040。芯片焊接、键合线1120打线完成后，进行外壳1040装配和硅胶注入，形成如图7所示的功率模块。
如图7所示，该功率模块为长方形，主功率端子集中分布在衬板1020的一侧，辅助端子位于衬板1020的另外两侧，方便外部母排2000的设计。上述功率端子1200由于所占空间体积小且易于安装，可以根据芯片的布局灵活布置。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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装置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。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种功率端子，其特征在于，包括柱状的本体及设置在所述本体顶部的螺纹孔，螺钉穿过外部母排与所述螺纹孔螺纹连接以连接所述本体与所述外部母排。
2.根据权利要求1所述的功率端子，其特征在于，所述本体为长方体、正六棱柱或圆柱。
3.根据权利要求1所述的功率端子，其特征在于，所述螺纹孔的轴线与所述本体的中心线重合。
4.根据权利要求1所述的功率端子，其特征在于，所述功率端子由铜、铝或铜钼铜复合材料制成。
5.一种功率模块，其特征在于，包括：
衬板；
覆铜层，其设置在所述衬板上；以及
如权利要求1-4任一项所述功率端子，其通过焊接或烧结工艺固定在所述覆铜层上。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，还包括外壳，所述外壳上设置有通孔，所述功率端子穿过所述通孔凸出于所述外壳。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述通孔呈矩形、圆形或六边形，所述通孔与所述本体的截面形状相同。
8.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，所述功率端子包括主功率端子和辅助功率端子；所述主功率端子包括直流正极功率端子、直流负极功率端子和交流输出功率端子；所述辅助功率端子包括用于控制、测试的功率端子；所述主功率端子的截面大于所述辅助功率端子的截面。
9.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于，所述主功率端子集中设置在所述衬板的一侧。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块为绝缘栅双极型晶体管模块或金属氧化物半导体场效应晶体管模块。
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