CN111540717B - 一种功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率模块，该功率模块包括基板、与基板相连的DBC(双面覆铜陶瓷板)、安装于DBC上铜层的控制电路、功率芯片、模块输入/输出接线端子、及外壳，基板开设有进液口、出液口及连通进液口与出液口的冷却液通道，功率芯片安装于基板上，控制器件、小功率芯片及无源元件等安装于DBC上，基板、DBC和功率芯片封装于外壳内。其中，进液口用于连通冷却液循环系统的排液端，出液口用于连通冷却液循环系统的进液端，并且在冷却液循环系统驱动下，冷却液经进液口至冷却液通道向出液口循环流动。本发明改进了功率模块的结构，提高了功率模块的散热能力，提升了其稳定性，以使功率芯片维持正常工作状态，并提升了功率芯片的载流能力和使用寿命。

Description

一种功率模块

技术领域

本发明涉及功率芯片制造技术领域，尤其涉及一种功率模块。

背景技术

功率模块是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成的一个模块。其中，较为常见的有IGBT功率模块、IPM功率模块及SiC功率模块。IGBT功率模块是以绝缘栅双极型晶体管构成的功率模块。由于IGBT功率模块为MOSFET结构，IGBT功率模块的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离，具有出色的器件性能。广泛应用于伺服电机，变频器，变频家电等领域。而IPM智能功率模块是以IGBT为内核的先进混合集成功率部件，由高速低功耗管芯和优化的栅极驱动电路，以及快速保护电路构成。

现有的功率模块通常包括双面覆铜陶瓷板(DBC,Direct Bonding Copper)及焊接于双面覆铜陶瓷板上的功率芯片，其双面覆铜陶瓷板热阻占系统总体热阻一半以上，严重限制了功率模块系统的散热能力，影响了功率芯片的正常工作。因此，如何提升功能模块的散热能力成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种功率模块，旨在提高功率模块的散热能力，提升功率模块的稳定性，以使功率芯片维持正常的工作状态。

为实现上述目的，本发明提出一种一种功率模块，所述功率模块包括：

基板，所述基板开设有进液口、出液口及连通所述进液口与所述出液口的冷却液通道；

功率芯片，安装于所述基板上；

外壳，所述基板和所述功率芯片均封装于所述外壳内。

进一步地，所述基板包括第一子基板及与所述第一子基板相对设置的第二子基板；

所述第一子基板具有第一贴合面，所述第一贴合面上设有连通其两侧侧壁的第一冷却液槽，所述第二子基板具有第二贴合面，所述第二贴合面上对应所述第一冷却液槽的位置设置有连通其两侧侧壁的第二冷却液槽，所述第一子基板的第一贴合面与所述第二子基板的第二贴合面通过焊接贴合，以形成所述进液口、所述出液口、及所述冷却液通道；

或者，所述第一子基板和所述第二子基板中至少一个设有两个开口及连通两个所述开口的空腔，以形成所述进液口、所述出液口、及所述冷却液通道；

其中，所述功率芯片包括第一功率芯片及第二功率芯片，所述第一功率芯片设置于所述第一子基板背向所述冷却液通道的一侧，所述第二功率芯片设置于所述第二子基板背向所述冷却液通道的一侧。

进一步地，所述进液口及所述出液口安装有管接头。

进一步地，所述冷却液通道的数量为多个，多个所述冷却液通道均设置于所述基板的内部。

进一步地，所述功率模块还包括：

双面覆铜陶瓷板，安装于所述基板上并靠近所述功率芯片设置，所述双面覆铜陶瓷板具有层叠设置的上铜层、陶瓷层和下铜层，所述双面覆铜陶瓷板的下铜层贴合安装于所述基板上，所述双面覆铜陶瓷板的上铜层上设置有控制电路，所述控制电路包括控制芯片，所述控制芯片与所述功率芯片通过所述上铜层和连接件连接。

进一步地，所述功率芯片为多个，多个所述功率芯片分别安装于所述基板上，所述上铜层具有对应连接所述控制芯片的多条线路，多个所述功率芯片通过连接件与所述多条线路一一对应连接。

进一步地，每一所述功率芯片具有三个电极，其中两个所述电极设于所述功率芯片的正面，另一所述电极设于所述功率芯片的背面；

所述外壳上伸出设置有多个引脚，多个所述引脚至少包括与所述功率芯片的三个电极一一对应的第一引脚、第二引脚和第三引脚；

其中，位于所述功率芯片正面的两个电极与所述双面覆铜陶瓷板的上铜层连接，位于所述功率芯片背面的电极贴设于所述基板上，所述第一引脚、所述第二引脚及第三引脚与所述双面覆铜陶瓷板的上铜层连接以形成所述功率模块的输入端子和输出端子。

进一步地，每一所述功率芯片具有三个电极，其中两个所述电极设于所述功率芯片的正面，另一所述电极设于所述功率芯片的背面；

所述外壳上伸出设置有多个引脚，多个所述引脚至少包括与所述功率芯片的三个电极一一对应的第一引脚、第二引脚和第三引脚；

其中，所述功率芯片与所述基板之间设置有铜连接层，所述铜连接层与所述基板通过焊接固定或者所述铜连接层与所述基板一体成型；

位于所述功率芯片正面的一个电极贴设于所述基板的铜连接层上，位于所述功率芯片正面的另一个电极与所述双面覆铜陶瓷板的上铜层连接，位于所述功率芯片背面的电极与所述上铜层通过连接件连接，所述第一引脚、所述第二引脚及所述第三引脚与所述上铜层连接，以形成所述功率模块的输入端子和输出端子。

进一步地，所述功率模块还包括温度传感器，所述温度传感器安装于所述基板上；

所述温度传感器，用于检测所述功率芯片和/或所述基板的工作温度并将所述工作温度发送至所述冷却液循环系统的控制器，以在所述控制器的控制下调节冷却液的进液温度、流速或进出液的压力差。

进一步地，所述功率模块为IGBT功率模块、IPM功率模块或SiC功率模块。

有益效果

在本发明的技术方案中，由于该功率模块的基板开设有进液口、出液口及连通进液口与出液口的冷却液通道，功率芯片安装于基板上，基板、DBC和功率芯片均封装于外壳内，其中，进液口用于连通冷却液循环系统的排液端，出液口用于连通冷却液循环系统的进液端，并且在冷却液循环系统驱动下，冷却液经进液口至冷却液通道向出液口循环流动，冷却液经过基板将其热量带走，从而提高了功率模块的散热能力，也提升了稳定性，以使功率芯片维持正常工作状态，并提升了功率芯片的载流能力和使用寿命。

附图说明

图1为功率芯片的故障率与结温之间的关系曲线图；

图2为本发明功率模块一实施例的结构示意图；

图3为图2的纵向剖面图；

图4为图2的横向剖面图；

图5为本发明IGBT功率模块一实施例的剖视图；

图6为图5另一部位的剖视图；

图7为本发明IGBT功率模块另一实施例的剖视图；芯片200，下部两个电极，一个焊接到112，112可以和底板一体成型。

这应该可以很明显表示芯片倒装，从发射极一端散热。

图8为本发明功率模块一实施例中基板的结构示意图及剖视图；

图9为本发明功率模块一实施例中管接头的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	基板	110	第一子基板
200	功率芯片	120	第二子基板
				300	外壳	101	进液口
103	冷却液通道	102	出液口
				400	管接头	131	下铜层
132	陶瓷层	133	上铜层
				111	焊料层	112	铜连接层
104	连接件	E	发射极
				130	双面覆铜陶瓷板	C	集电极
140	控制芯片	G	栅极

具体实施方式

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，以下参照附图做进一步说明。

功率模块是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成的一个模块。其中，较为常见的有IGBT功率模块、IPM功率模块和SiC功率模块。IGBT功率模块是以绝缘栅双极型晶体管构成的功率模块。由于IGBT功率模块为MOSFET结构，IGBT功率模块的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离，具有出色的器件性能。广泛应用于伺服电机，变频器，变频家电等领域。而IPM智能功率模块是以IGBT为内核的先进混合集成功率部件，由高速低功耗管芯和优化的栅极驱动电路，以及快速保护电路构成。

现有的功率模块通常包括双面覆铜陶瓷板(DBC,Direct Bonding Copper)及焊接于双面覆铜陶瓷板上的功率芯片，其双面覆铜陶瓷板热阻占系统总体热阻一半以上，严重限制了功率模块系统的散热能力，影响了功率芯片的正常工作。

此外，参考图1，图1为功率芯片的故障率与结温之间的关系曲线图，由图可知：结温越低，故障率越低。因此，有效地控制半导体功率芯片结温，可以明显降低故障率。降低产品故障率，可增加其可靠性，延长产品使用寿命。

为了提升功率模块的散热性能，本发明提出一种功率模块，适用于各种半导体器件，尤其是具有IGBT功率模块、IPM功率模块或SiC功率模块的电子元器件，此处不限。

参照图2至图8，在本发明一实施例中，该功率模块包括基板100、功率芯片200及外壳300，基板100开设有进液口101、出液口102及连通进液口101与出液口102的冷却液通道103，功率芯片200安装于基板100上，基板100及功率芯片200封装于外壳300内。其中，外壳300为塑封料，通过封装形成。基板100的材质通常为铜板，铜板本身具有良好的导热性能，能将功率芯片200等发热器件的热量通过热传导的方式传递给经过基板100的冷却液，冷却液再经出液口102排出并将热量带走。

图7中，明显可以看出芯片200下部两个电极，一个焊接到112，112可以和底板一体成型；明显显示芯片倒装。

值得一提的是，在本实施例中，不限于对单个功率芯片200进行液冷处理，基板100上可设置多个功率芯片200、传感器等电子元器件，基板100也可设置为多个，此处，对各类芯片、电子元器件及基板100的数量不做限定。

需要说明的是，进液口101用于连通冷却液循环系统的排液端，出液口102用于连通冷却液循环系统的进液端，并且在冷却液循环系统驱动下冷却液经进液口101至冷却液通道103向出液口102循环流动。

本发明通过在该功率模块的基板100开设进液口101、出液口102及连通进液口101与出液口102的冷却液通道103，功率芯片200安装于基板100上，和功率芯片200均封装于外壳内，其中，进液口101用于连通冷却液循环系统的排液端，出液口102用于连通冷却液循环系统的进液端，并且在冷却液循环系统驱动下冷却液经进液口101至冷却液通道103向出液口102循环流动，冷却液经过基板100将其热量带走，从而提高了功率模块的散热能力，也提升了稳定性，以使功率芯片200维持正常的工作状态，并提升了功率芯片的载流能力和使用寿命。

在一实施例中，参考图3及图4，该基板100包括第一子基板110及与第一子基板110相对设置的第二子基板120，第一子基板110具有第一贴合面，第一贴合面上设有连通其两侧侧壁的第一冷却液槽，第二子基板120具有第二贴合面，第二贴合面上对应第一冷却液槽的位置设置有连通其两侧侧壁的第二冷却液槽，第一子基板110的第一贴合面与第二子基板120的第二贴合面贴合，以形成进液口101、出液口102及冷却液通道103。其中，功率芯片200包括第一功率芯片及第二功率芯片，第一功率芯片设置于第一子基板110背向冷却液通道103的一侧、第二功率芯片设置于第二子基板120背向冷却液通道103的一侧。在本实施例中，基板100为分体式的结构，第一子基板110与第二子基板120可通过焊接固定在一起，便于功率模块的加工制造，提升生产效率。

此外，在一些实施例中，为了实现更好的密封性能，第一子基板110和第二子基板120中至少一个设有两个开口(分设于两侧侧壁上)及连通两个开口的空腔，以形成进液口101、出液口102及冷却液通道103。当然，也可以是单个基板100的结构设置，此处不限。

进一步地，主要参考图2及图4，进液口101及出液口102安装有管接头400，两个管接头400分别用于连接冷却液循环系统的排液端和进液端。管接头400可嵌设于外壳300内并与进液口101或出液口102连通，如此，可方便功率模块连接冷却液循环系统，同时也实现了较好的密封性能，从而避免冷却液泄漏。

参考图8及图9，图8为本发明功率模块一实施例中基板的结构示意图及剖视图，图9为本发明功率模块一实施例中管接头的结构示意图。在本实施例中，基板100具有足够的承载能力且设置有较大空间的冷却液通道103，管接头900与基板100之间具有良好的密封性能，能避免冷却液泄露，从而使功率模块达到更好的散热性能。需要说明的是，基板100上保留有的连接孔(图中发射极E的安装处)是用于功率模块机械固定。

为了实现更好的散热效果，在本实施例中，冷却液通道103的数量为多个，多个冷却液通道103可间隔均匀地设置于基板100内部。每一冷却液通道103的截面规格可设置为1.2mm×1.2mm或1.5mm×1.5mm，当然，此处可根据功率模块的散热需求进行设置，可在散热需求较大的部位设置更大规格的冷却液通道103或者增设多组冷却液通道103，在散热需求较小的部位设置较小规格的冷却液通道103或不设置冷却液通道103，以满足基板100一定的承重能力并实现较好的冷却效果。需要说明的是，多个冷却液通道103可设置成共用同一进液口101及同一出液口102，也可分别独立设置对应的进液口101及出液口102，此处，对进液口101及出液口102的数量不做限定。

需要说明的是，本发明的功率模块可以是IGBT功率模块、IPM功率模块或SiC功率模块等，下面将对IGBT功率模块的结构进行详细地介绍，并不代表本发明仅适用于IGBT功率模块。

参考图5，在一实施例中，基板100为铜板，功率模块还包括双面覆铜陶瓷板130，该双面覆铜陶瓷板130安装于基板100上并靠近功率芯片200设置，双面覆铜陶瓷板130具有层叠设置的上铜层133、陶瓷层132和下铜层131，双面覆铜陶瓷板130的下铜层131贴合安装于基板100上，双面覆铜陶瓷板130的上铜层133上设置有控制电路，控制电路包括控制芯片140，控制芯片140与功率芯片200通过上铜层133和连接件104连接。其中，控制芯片140用于控制功率芯片200开启或关停相应的工作。一般，在双面覆铜陶瓷板130的上铜层133还设置有与该控制芯片140连接的无源元件、传感器及其他小功率的芯片等，以组成控制电路。

双面覆铜陶瓷板130由下铜层131、陶瓷层132及上铜层133复合形成，下铜层131通过焊料焊接于基板100上，上铜层133通过腐蚀形成系统布线线路，以供安装控制芯片140、无源元件和传感器等控制电路的电子元器件，从而形成多功能控制功率模块。

在一些实施例中，功率芯片200的数量为多个，多个功率芯片200分别安装于基板100上，上铜层133具有对应连接控制芯片140的多条线路，多个功率芯片200通过连接件104与多条线路一一对应连接。

进一步地，在一实施例中，结合图3及图6，每一功率芯片200具有三个电极，其中两个电极设于功率芯片200的正面，另一电极设于功率芯片200的背面。外壳300上伸出设置有多个引脚，多个引脚至少包括与功率芯片200的三个电极一一对应的第一引脚、第二引脚和第三引脚(图3中的从外壳300引出的集电极C和栅极G)。其中，位于功率芯片200正面的两个电极与双面覆铜陶瓷板130的上铜层133连接，位于功率芯片200背面的电极贴设于基板100上，第一引脚、第二引脚及第三引脚与双面覆铜陶瓷板130的上铜层133连接以形成功率模块的输入端子和输出端子。输入端子和输出端子(引脚)可依据功率模块设计及应用需要，可以设置三个及三个以上。此处，对其数量不做限定

在本实施例中，功率芯片200与基板100之间可通过焊接固定，双面覆铜陶瓷板130的下铜层131与基板100之间可通过焊接固定，以形成了图示的焊料层111。

在另一实施例中，结合图3及图7，为了使功率芯片200的高度设置的更为合理，以便于封装功率芯片200，功率芯片200与基板100之间设置有用于垫高功率芯片200的铜连接层112，铜连接层112与基板100通过焊接固定或者铜连接层112与基板100一体成型，成为基板100的一个部分。每一功率芯片200具有三个电极，其中两个电极设于功率芯片200的正面，另一电极设于功率芯片200的背面。

外壳300上伸出设置有多个引脚，多个引脚至少包括与功率芯片200的三个电极一一对应的第一引脚、第二引脚和第三引脚(图3中的从外壳300引出的集电极C和栅极G)。

其中，位于功率芯片200正面的一个电极贴设于基板100的铜连接层112上，位于功率芯片200正面的另一个电极与双面覆铜陶瓷板130的上铜层133连接，位于功率芯片200背面的电极与上铜层133通过连接件104连接，第一引脚、第二引脚及第三引脚与上铜层133连接，以形成功率模块的输入端子和输出端子。输入端子和输出端子(引脚)可依据功率模块设计及应用需要，可以设置三个及三个以上。此处，对其数量不做限定

在本实施例中，铜连接层112与基板100可以是一体成型制造，也可以是通过焊接等方式贴合的分体式结构。本发明选用铜作为其连接层是由于铜具有良好的导热性能，当然，也可采用其他具有较好导热性能的导电金属作为连接层，此处不做限定。

需要说明的是，上述的连接件104可以是金属线、金属排或其它连接器件，此处不限。上述的电极可以是功率芯片200的集电极C、栅极G或发射极E，没有一对一的限定关系。

此外，当功率芯片200的集电极C接基板100，需要采用油等绝缘液体作为冷却液，以避免冷却液循环系统短路的问题。当功率芯片200的发射极E接基板100时，可考虑直接使用水作为冷却液循环系统的冷却液。

在本实施例中，功率芯片200与基板100、功率芯片200与双面覆铜陶瓷板130的上铜层133第一段1331之间可通过焊接固定，双面覆铜陶瓷板130的下铜层131与基板100之间可通过焊接固定，以形成了图示的焊料层111。

需要说明的是，上述所提及的上铜层133、下铜层131、铜连接层112及陶瓷层132等均存在其他材料的等效替换，并不限定所采用的材料。

在一些实施例中，功率模块还包括温度传感器(图未示出)，温度传感器安装于基板100上并与冷却液循环系统的控制器连接。温度传感器用于检测功率芯片200和/或基板100的工作温度并将工作温度发送至冷却液循环系统的控制器，以在控制器的控制下调节冷却液的进液温度、流速或进出液的压力差等等参数。

可以理解的是，该功率模块通过设置温度传感器实现了对功率芯片200或基板100实时的工作温度的监测，根据功率芯片200正常工作温度范围，在冷却液循环系统的控制下调节冷却液的进液温度、流速或进出液的压力差等，从而对功率芯片200的实际工作温度进行调整，以使其始终保持在正常工作状态。

综上所述，本发明的功率模块相对现有技术来说具有以下优点：

1、基板100内部的液冷系统可以强制冷却，散热能力是传统封装热传导方式的N倍；

2、可以通过控制冷却液循环系统的进水温度、进出水压力，有效调节功率芯片200的工作温度，使其保持在一个高效的工作温区；

3、可以保证功率芯片200、双面覆铜陶瓷板130、基板100等之间的温度差异在较为合理的范围，降低因温度变化、材料热膨胀系数差异等，带来的各层材料之间的内应力；

4、可以有效控制功率芯片200结温，消除结温过高，降低产品失效率，影响使用寿命的风险；

5、有效控制功率芯片200结温，还可以大幅提升功率模块系统承载能力。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种功率模块，其特征在于，所述功率模块包括：

基板，所述基板开设有进液口、出液口及连通所述进液口与所述出液口的冷却液通道；

功率芯片，安装于所述基板上；

外壳，所述基板和所述功率芯片均封装于所述外壳内；

双面覆铜陶瓷板，安装于所述基板上并靠近所述功率芯片设置，所述双面覆铜陶瓷板具有层叠设置的上铜层、陶瓷层和下铜层，所述双面覆铜陶瓷板的下铜层贴合安装于所述基板上，所述双面覆铜陶瓷板的上铜层上设置有控制电路，所述控制电路包括控制芯片，所述控制芯片与所述功率芯片通过所述上铜层和连接件连接；

在散热需求较大的部位设置更大规格的冷却液通道或者增设多组冷却液通道，在散热需求较小的部位设置较小规格的冷却液通道或不设置冷却液通道。

2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述基板包括第一子基板及与所述第一子基板相对设置的第二子基板；

所述第一子基板具有第一贴合面，所述第一贴合面上设有连通其两侧侧壁的第一冷却液槽，所述第二子基板具有第二贴合面，所述第二贴合面上对应所述第一冷却液槽的位置设置有连通其两侧侧壁的第二冷却液槽，所述第一子基板的第一贴合面与所述第二子基板的第二贴合面通过焊接贴合，以形成所述进液口、所述出液口、及所述冷却液通道；或者，

所述第一子基板和所述第二子基板中至少一个设有两个开口及连通两个所述开口的空腔，以形成所述进液口、所述出液口、及所述冷却液通道；

其中，所述功率芯片包括第一功率芯片及第二功率芯片，所述第一功率芯片设置于所述第一子基板背向所述冷却液通道的一侧，所述第二功率芯片设置于所述第二子基板背向所述冷却液通道的一侧。

3.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述进液口及所述出液口安装有管接头。

4.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述冷却液通道的数量为多个，多个所述冷却液通道均设置于所述基板的内部。

5.如权利要求1-4任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括温度传感器，所述温度传感器安装于所述基板上；

所述温度传感器，用于检测所述功率芯片和/或所述基板的工作温度并将所述工作温度发送至所述冷却液循环系统的控制器，以在所述控制器的控制下调节冷却液的进液温度、流速或进出液的压力差。

6.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率芯片为多个，多个所述功率芯片分别安装于所述基板上，所述上铜层具有对应连接所述控制芯片的多条线路，多个所述功率芯片通过连接件与所述多条线路一一对应连接。

7.如权利要求6所述的功率模块，其特征在于，每一所述功率芯片具有三个电极，其中两个所述电极设于所述功率芯片的正面，另一所述电极设于所述功率芯片的背面；

所述外壳上伸出设置有多个引脚，多个所述引脚至少包括与所述功率芯片的集电极和发射极一一对应的第一引脚、第二引脚；

其中，位于所述功率芯片正面的两个电极与所述双面覆铜陶瓷板的上铜层连接，位于所述功率芯片背面的电极贴设于所述基板上，所述第一引脚、所述第二引脚与所述双面覆铜陶瓷板的上铜层连接以形成所述功率模块的输入端子和输出端子。

8.如权利要求6所述的功率模块，其特征在于，每一所述功率芯片具有三个电极，其中两个所述电极设于所述功率芯片的正面，另一所述电极设于所述功率芯片的背面；

所述外壳上伸出设置有多个引脚，多个所述引脚至少包括与所述功率芯片的集电极和发射极一一对应的第一引脚、第二引脚；

其中，所述功率芯片与所述基板之间设置有铜连接层，所述铜连接层与所述基板通过焊接固定或者所述铜连接层与所述基板一体成型；

位于所述功率芯片正面的一个电极贴设于所述基板上的铜连接层上，位于所述功率芯片正面的另一个电极与所述双面覆铜陶瓷板的上铜层连接，位于所述功率芯片背面的电极与所述上铜层通过连接件连接，所述第一引脚、所述第二引脚与所述上铜层连接，以形成所述功率模块的输入端子和输出端子。

9.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块为IGBT功率模块、IPM功率模块或SiC功率模块。

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