CN111524877B - 一种双面散热功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双面散热功率模块，包括上衬板、下衬板、至少两颗芯片、主端子、控制端子和封装外壳，下衬板与上衬板平行设置，且与上衬板的相应端口电连接；至少两颗芯片分别设置在上衬板和下衬板上；主端子分别设置在上衬板和下衬板上；控制端子分别设置在上衬板和下衬板上，且控制端子分别与上衬板和下衬板上的对应芯片电连接。本发明有效解决了双面散热模块上下两侧热阻不均匀的问题，散热效率更高，且模块内部空间大，利于填充物填充上下衬板之间的间隙，提升了模块可靠性。

Description

一种双面散热功率模块
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种双面散热功率模块。
背景技术
双面散热功率模块是一种新型的高效散热模块，模块损耗产生的热量沿着芯片上下表面进行散热。其中，公开号为CN207602544U、CN206864452U、CN105070695A的专利公开了几种双面散热模块的基础结构。其中，较为典型的一种双面散热模块结构如附图1所示，该双面散热模块由上DBC(陶瓷覆铜板)衬板10、下DBC衬板20、芯片30、焊层40、金属垫片50、电极转接块60、主功率端子70、控制端子80等几部分组成。上DBC衬板10和下DBC衬板20均包括正面覆金属层、背面覆金属层和陶瓷绝缘层。芯片30和控制端子80/主功率端子70分别焊接在下DBC衬板20的金属覆层上，门极通过引线键合或焊接金属带(条)连接，采用金属垫片50与上DBC衬板10焊接实现上下DBC衬板的电气连接，利用电极转接块60连接上下DBC衬板金属覆层实现芯片极性的转接，主功率端子70将电极引出作为应用接口。上下DBC衬板焊接后采用转模工艺将高温高压条件下可流动状态的树脂材料填充间缝，实现芯片30与空气的电气绝缘，并保护芯片30免受湿气侵蚀，形成了具有双面散热功能的模块。
但是，这种传统的双面散热模块存在一定的缺陷，主端子70全部设置在下衬板20上，上衬板10的极性通过电极转接块60传递到下衬板20以实现电路的互连，电极转接块60也占据了下衬板20一定的空间。下衬板20包括了芯片区域、电极引出区域、电极转接块60区域等，上衬板10包括了金属垫片焊接区和电极转接块焊接区，上衬板10和下衬板20有效利用面积不对等，衬板综合有效利用率等。同时，下衬板20包含的功能性区域相对较多，功率密度相对较低，限制了模块向高功率密度发展。并且，在模块内部，IGBT芯片和FRD芯片尺寸和厚度不一致，使用的金属垫片规格不同。模块包括两种芯片金属垫片、两种电极转接块(主电极端子转接块、控制端子转接块)等至少4种不同规格的中间过渡材料。对应的焊料规格也大于4种，这样模块组装的效率较低，材料多且不易识别，不适合自动化生产。较多的零部件和连接层会引起模块平整度差，可靠性降低等问题，使原材料加工精度(如平整度)等要求提高，给加工造成难度。
此外，图1所示的双面散热功率模块，由于芯片30全部焊接在下衬板2上，因此芯片30下部的散热路径短，芯片30上部的散热路径长，引起的芯片30上下表面至衬板表面的热阻不一致。模块工作时上下表面散热量能力存在差别，若采用同一规格的散热器，热量集中从下衬板20散热，散热器性能不能充分发挥。另外，芯片正面连接到上衬板后需要使用电极转接块60将电极转移到芯片焊接的衬板上，才能实现电路互连，导致电流路径增长，杂散电感和寄生电阻相对较大，不利于充分发挥芯片性能。
因此，亟需一种能够同时满足材料简统化、可制造性和良好热电特性的功率模块。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种双面散热功率模块，包括：
上衬板；
下衬板，其与所述上衬板平行设置，且与所述上衬板的相应端口电连接；
至少两颗芯片，所述至少两颗芯片分别设置在所述上衬板和所述下衬板上；
主端子，其与所述上衬板和所述下衬板连接；
控制端子，在所述主端子与所述上衬板连接的一侧，所述控制端子与所述下衬板连接，在所述主端子与所述下衬板连接的一侧，所述控制端子与所述上衬板连接；
封装外壳。
在一种实施方式中，所述上衬板和/或所述下衬板为陶瓷覆铜板。
在一种实施方式中，所述上衬板包括：
第一绝缘层，
第一金属层和第一散热层，所述第一绝缘层设置在所述第一金属层和所述第一散热层之间，所述芯片焊接在所述第一金属层的对应位置上。
在一种实施方式中，所述下衬板包括：
第二绝缘层，
第二金属层和第二散热层，所述第二绝缘层设置在所述第二金属层和所述第二散热层之间，所述芯片焊接在所述第二金属层的对应位置上。
在一种实施方式中，所述芯片包括第一芯片和第二芯片，所述第一芯片焊接在所述第一金属层的对应位置上，所述第二芯片焊接在所述第二金属层的对应位置上。
在一种实施方式中，所述第一芯片与所述第二金属层之间设有第一金属垫片，所述第二芯片与所述第一金属层之间设有第二金属垫片。
在一种实施方式中，所述芯片为集成IGBT和FRD功能为一体的逆导芯片。
在一种实施方式中，所述IGBT功能单元的集电极焊接在对应的所述上衬板或所述下衬板上，所述IGBT功能单元的发射极与对应的所述第一金属垫片或所述第二金属垫片连接。
在一种实施方式中，所述FRD功能单元的阳极与所述IGBT功能单元的发射极位于所述芯片的同一侧，所述FRD功能单元的阴极与所述IGBT功能单元的集电极位于所述芯片的同一侧。
在一种实施方式中，所述双面散热功率模块还包括填充在所述封装外壳内剩余空间的填充物，所述填充物为树脂、绝缘胶或硅橡胶材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于，有效解决了双面散热模块上下两侧热阻不均匀的问题，散热效率更高。且模块内部空间大，利于填充物填充上下衬板之间的间隙，提升了模块可靠性。且本发明的上下衬板的辅助电极直接在对应的衬板上，省去了上下衬板电极的转换，降低了控制回路和主回路的路径长度，电阻更小，模块压降更低，电感更低，模块动态电压过冲降低，提升了性能，利于高频使用。此外，本发明采用逆导芯片，模块的集成度高，可根据需求进行尺寸调整，解决了不同芯片之间高度差引起的金属垫片规格差异，省去了电极转接块，材料种类和数量减少，工艺过程更容易控制，模块平整度好，封装成品率高。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述。在图中：
图1是现有技术中的一种双面散热功率模块的剖视图。
图2是根据本发明的双面散热功率模块的剖视图。
图3是根据本发明的逆导芯片的结构示意图。
图4是图2中下衬板的上侧面的结构示意图。
图5是图2中下衬板的下侧面的结构示意图。
图6是图2中的下衬板焊接半成品示意图。
图7是图2中上衬板的下侧面的结构示意图。
图8是图2中上衬板的上侧面的结构示意图。
图9是图2中的上衬板焊接半成品示意图。
图10是根据本发明的双面散热功率模块的整体结构示意图。
图11是图10中双面散热功率模块的信号路径图。
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绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
图2示出了根据本发明的一种双面散热功率模块，包括上衬板1、下衬板2、至少两颗芯片、主端子4、控制端子5和封装外壳6。上衬板1和下衬板2平行设置，且上衬板1和下衬板2的相应端口之间电连接。
在图2所示的实施例中，包括两颗芯片。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，功率模块中所包含的芯片的数量还可以为其它合理值，例如三个以上，本发明并不限于此。
在该实施例中，芯片包括第一芯片31和第二芯片32，第一芯片31设置在上衬板1上，第二芯片32设置在下衬板2上。该实施例中，第一芯片31和上衬板1之间以及第二芯片32与下衬板32之间通过焊接的方式连接。因此，第一芯片31和上衬板1之间存在焊接层81，第二芯片32与下衬板32之间存在焊接层82。其中，焊接层是由预成型焊片在特定温升条件下形成的。
该实施例中，如图2所示，主端子4在左侧连接上衬板1，在右侧连接下衬板2。控制端子5在左侧连接下衬板2，在右侧连接上衬板1。由此省去了上衬板1和下衬板2之间的金属转接块。降低了控制回路和主回路的路径长度，电阻更小，模块压降更低，同时电感更低，模块动态电压过冲降低，开关损耗降低，提升了性能，利于高频使用。
而在图1所示的传统的双面散热功率模块中，主端子70全部设置在下衬板20上，上衬板10的极性通过电极转接块60传递到下衬板20以实现电路的互连，电极转接块60也占据了下衬板20一定的空间。下衬板20包括了芯片区域、电极引出区域、电极转接块区域等，上衬板10包括了金属垫片焊接区和电极转接块焊接区，上衬板10和下衬板20有效利用面积不对等，衬板综合有效利用率等。同时，下衬板20包含的功能性区域相对较多，功率密度相对较低，限制了模块向高功率密度发展。并且，在模块内部，IGBT芯片和FRD芯片尺寸和厚度不一致，使用的金属垫片规格不同。模块包括两种芯片金属垫片、两种电极转接块(主电极端子转接块、控制端子转接块)等至少4种不同规格的中间过渡材料。对应的焊料规格也大于4种，这样模块组装的效率较低，材料多且不易识别，不适合自动化生产。较多的零部件和连接层会引起模块平整度差，可靠性降低等问题，使原材料加工精度(如平整度)等要求提高，给加工造成难度。
此外，图1所示的双面散热功率模块，由于芯片30全部焊接在下衬板2上，因此芯片30下部的散热路径短，芯片30上部的散热路径长，引起的芯片30上下表面至衬板表面的热阻不一致。模块工作时上下表面散热量能力存在差别，若采用同一规格的散热器，热量集中从下衬板20散热，散热器性能不能充分发挥。另外，芯片正面连接到上衬板后需要使用电极转接块60将电极转移到芯片焊接的衬板上，才能实现电路互连，导致电流路径增长，杂散电感和寄生电阻相对较大，不利于充分发挥芯片性能。
在图2所示的实施例中，上衬板1包括第一绝缘层11、第一金属层12和第一散热层13。第一绝缘层11设置在第一金属层12和第一散热层13之间。下衬板2包括第二绝缘层21、第二金属层22和第二散热层23。第二绝缘层21设置在第二金属层22和第二散热层23之间。
第一绝缘层11和第二绝缘层21可以为Al2O3、AlN、Si3N4、复合树脂等材料中的一种或其组合。第一绝缘层11和第二绝缘层21的厚度优选为0.2-1mm。第一金属层12和第二金属层22可以为铜、铝等导电、导热性能好的材料中的一种或者其组合。第一金属层12和第二金属层22的厚度优选为0.2-3mm。
在图2所示的实施例中，上衬板1和下衬板2均为陶瓷覆铜衬板，即DBC衬板。
在图2所示的实施例中，第一芯片31焊接在第一金属层12的对应位置上。第二芯片32焊接在第二金属层22的对应位置上。可以理解的，在其它实施例中，第一芯片31也可以焊接在第二金属层22的对应位置上，第二芯片32焊接在第一金属层12的对应位置上。
通过将第一芯片31和第二芯片32分别设置在上衬板1和下衬板2上，使得第一芯片31距上衬板1的第一散热层13的散热路径变短，第二芯片32距下衬板2的第二散热层23的散热路径变短，有效解决了双面散热功率模块上下两侧热阻不均匀的问题，散热效率更高。
在图2所示的实施例中，第一芯片31和第二金属层22之间设置有第一金属垫片71，第二芯片32与第一金属层12之间设置有第二金属垫片72。第一金属垫片71和第二金属垫片72可以是Cu、CuMo、WuCu、CuMoCu等导热、导电性能较好的金属材料，厚度优选为0.5～5mm。
在该实施例中，如图3所示，第一芯片31和第二芯片32均为集成绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和续流二极管(FRD)功能为一体的逆导芯片。该逆导芯片的IGBT功能单元33和FRD功能单元34都集中在同一模块中。在图3所示的实施例中，IGBT功能单元33和FRD功能单元34交错布置，且其分布可以根据需求随机调整。其中，IGBT功能单元的门极35与该逆导芯片位于同一衬板上，IGBT功能单元的集电极焊接在对应的上衬板或下衬板上，IGBT功能单元的发射极与对应的第一金属垫片或第二金属垫片连接。FRD功能单元34的阳极与IGBT功能单元的发射极位于该逆导芯片的同一侧，FRD功能单元34的阴极与IGBT功能单元的集电极位于该逆导芯片的同一侧。
就该实施例而言，第一芯片31上的IGBT功能单元的发射极位于该逆导芯片的下侧，也就是靠近第一金属垫片71的一侧，并与第一金属垫片71连接，第一芯片31上的IGBT功能单元的集电极位于该逆导芯片的上侧，并焊接在上衬板1上。第一芯片31上的FRD功能单元34的阳极位于该逆导芯片的下侧，FRD功能单元34的阴极位于该逆导芯片的上侧。第二芯片32的IGBT功能单元的发射极位于该逆导芯片的上侧，也就是靠近第二金属垫片72的一侧，并与第二金属垫片72连接，第二芯片32的IGBT功能单元的集电极位于该逆导芯片的下侧，并焊接在下衬板2上。第二芯片32的FRD功能单元的阳极位于该逆导芯片的上侧，FRD功能单元的阴极位于该逆导芯片的下侧。
当然，在本发明的其它实施例中，第一芯片31和/或第二芯片32也可以为其它合理的芯片，本发明并不限于此。例如，在本发明的其它实施例中，第一芯片31和/或第二芯片32所包含的开关元件还可以为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFEI)、肖特基势垒整流二极管(SBD)和续流二极管(FRD)等器件中的任一种或两种的组合。
如图4所示，示出了该实施例中的下衬板2的第二金属层22的上侧面，由图4可知，第一金属垫片焊接区711位于下衬板2中部的左侧，第二芯片焊接区321位于下衬板2中部的右侧，与图2所示的与下衬板2连接的第一金属垫片71和第二芯片32的位置相对应。控制端子焊接区511、521和AC主端子焊接区411位于下衬板2的上下侧。该种布置方式使得下衬板2的上侧面图案简单，面积的可利用率高，第二芯片32和第一金属垫片71可以在下衬板2上灵活布置。第二金属层21的下侧面没有图案，如图5所示。
按照上述的位置关系将第一金属垫片71、第二芯片32、AC主端子41、控制端子51和52分别焊接在下衬板2的上侧面，可以得到如图6所示的下衬板2的焊接半成品。其中，标号51表示控制端子E1，标号52表示控制端子G2，标号351表示门极互连线，门极互连线351将第二芯片32与控制端子52连接起来。
如图7，示出了该实施例中的上衬板1的第一金属层12的下侧面，由图7可知，第一芯片焊接区311位于上衬板1中部的右侧，第二金属垫片焊接区721位于上衬板1中部的左侧。控制端子焊接区531、541、551和DC主端子焊接区421、431位于上衬板1的上下侧，DC主端子焊接区421和431关于中心轴线对称。该种布置方式使得上衬板1的下侧面图案简单，面积的可利用率高，第一芯片31和第二金属垫片72可以在上衬板1上灵活布置。上衬板1的第一金属层12的上侧面没有图案，如图8所示。
按照上述的位置关系将第二金属垫片72、第一芯片31、控制端子53、54、55和DC主端子42、43分别焊接在上衬板1的下侧面，可以得到如图9所示的上衬板1的焊接半成品。其中标号42表示DC+主端子，标号43表示DC-主端子，标号53表示控制端子E2，标号54表示控制端子G1，标号55表示控制端子C1，标号352表示门极互连线，该门极互连线352将控制端子53和第一芯片31电连接。
准备好上衬板1的焊接半成品和下衬板2的焊接半成品后，以下衬板2为基准，下衬板2的第一金属垫片71与上衬板的第一芯片31相对应，下衬板的第二芯片32与上衬板1的第二金属垫片72相对应进行连接，连接界面采用焊接的方式，焊接完成后，可以将上下衬板焊接半成品采用转模工艺，在其内部填充绝缘灌封胶，以实现模块内部的电气绝缘，从而保护元件免受湿气和污染侵蚀。可以理解地，填充物还可以是树脂、绝缘胶、硅橡胶等其它合适的材料。上下衬板焊接成品如图10所示。
图10及图11中还示出了模块电流及信号路径，DC+和DC-关于中心对称，AC端子位于中间，同时第一芯片31和第二芯片32也关于中心对称，使得无论是DC+到AC还是AC到DC-，主电流路径都是相等的且路径最短，上下桥臂的路径一致，电感小，芯片均流效果好。
需要说明的是，图4-图9仅示出了上衬板1和下衬板2电路部分的一部分结构，在本实施例中，省略了电路部分所包含的半桥电路结构的界面连接层，本发明不限于此。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种双面散热功率模块，其特征在于，包括：
上衬板；
下衬板，其与所述上衬板平行设置，且与所述上衬板的相应端口电连接；
至少两颗芯片，所述至少两颗芯片分别设置在所述上衬板和所述下衬板上；
主端子，其与所述上衬板和所述下衬板连接；
控制端子，在所述主端子与所述上衬板连接的一侧，所述控制端子与所述下衬板连接，在所述主端子与所述下衬板连接的一侧，所述控制端子与所述上衬板连接；封装外壳；
所述上衬板包括第一绝缘层，第一金属层和第一散热层，所述第一绝缘层设置在所述第一金属层和所述第一散热层之间，所述芯片连接在所述第一金属层的对应位置上；
所述下衬板包括第二绝缘层，第二金属层和第二散热层，所述第二绝缘层设置在所述第二金属层和所述第二散热层之间，所述芯片连接在所述第二金属层的对应位置上；
所述芯片包括第一芯片和第二芯片，所述第一芯片连接在所述第一金属层的对应位置上，所述第二芯片连接在所述第二金属层的对应位置上；所述第一芯片与所述第二金属层之间设有第一金属垫片，所述第二芯片与所述第一金属层之间设有第二金属垫片；
所述第一金属垫片的焊接区位于所述下衬板中部的左侧，所述第二芯片的焊接区位于所述下衬板中部的右侧，与所述下衬板连接的所述第一金属垫片和所述第二芯片的位置相对应，所述控制端子的焊接区和所述主端子的焊接区位于所述下衬板的上下侧。
2.根据权利要求1所述的双面散热功率模块，其特征在于，所述芯片为集成IGBT和FRD功能为一体的逆导芯片。
3.根据权利要求2所述的双面散热功率模块，其特征在于，所述IGBT功能单元的集电极焊接在对应的所述上衬板或所述下衬板上，所述IGBT功能单元的发射极与对应的所述第一金属垫片或所述第二金属垫片连接。
4.根据权利要求3所述的双面散热功率模块，其特征在于，所述FRD功能单元的阳极与所述IGBT功能单元的发射极位于所述芯片的同一侧，所述FRD功能单元的阴极与所述IGBT功能单元的集电极位于所述芯片的同一侧。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双面散热功率模块，其特征在于，所述双面散热功率模块还包括填充在所述封装外壳内剩余空间的填充物，所述填充物为树脂、绝缘胶或硅橡胶材料。
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