CN111863789A - 一种低电感功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低电感功率模块，包括绝缘基板、正电极、负电极、芯片组；绝缘基板表面设有金属层，分为左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层；负电极包括多个焊脚，同时连接左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层；芯片组下表面烧结在绝缘基板的芯片烧结金属层上，芯片组上表面通过键合线与绝缘基板的负电极焊脚连接金属层相连。本发明负电极同时连接多块金属层替代键合线连接，缩短电流回路，降低电感及电阻；负电极有多个焊脚与金属层连接，可保证可靠连接，提高容错率；负电极结构中无较大的折弯角，可避免电极开裂及周期性振动疲劳损伤；负电极焊脚可以进行超声波焊接，连接可靠性高。

Description

一种低电感功率模块
技术领域
本发明涉及电力电子功率模块领域，尤其涉及一种低电感功率模块。
背景技术
电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动汽车，光伏发电，风力发电，工业变频等行业。随着我国工业的崛起，电力电子功率模块有着更加广阔的市场前景。
为了提升电力电子系统的工作效率，要求电力电子功率模块具有更高的开关频率，但是传统封装结构的寄生电感较大，在电力电子功率器件开关时造成较大的电压过冲，增加了功率器件过压击穿的风险，限制了电力电子功率模块开关频率的进一步提高。寄生电感一直都是电力电子器件应用中需要克服的主要难题，尤其是高频、大功率应用场合。
功率模块内部电极与绝缘基板的连接失效是模块的主要失效形式之一，为了提升电极的连接强度，增强模块可靠性，现在电极与绝缘基板的连接采用超声波金属焊接的形式，但有些电极焊脚的位置限制了此工艺的应用。
如图1所示，现有技术功率模块的外观示意图，包括外壳1、底板2、螺母托台3、正电极4、负电极5、E极信号端子6、G极信号端子7。
如图2所示，现有技术功率模块的内部示意图，正电极焊脚4-1、负电极焊脚5-1与绝缘基板8表面的金属层相连；芯片组9的一个面烧结在绝缘基板的相应金属层上，芯片组9的另一面通过键合线与绝缘基板的相应金属层相连。正电极焊脚与芯片组烧结的金属层相连；负电极焊脚连接的金属层通过键合线与芯片组的上表面相连。为保证G极和E极信号端子可以共用，为E极信号端子增加一块单独的小绝缘基板10。E极焊脚6-1位于小绝缘基板10上，G极焊脚7-1位于绝缘基板8上。鉴于正电极、负电极的实际结构，不具备超声焊接的空间，其只能通过焊锡钎焊到相应金属层。
如图3所示，现有技术功率模块电流回路示意图，左半边芯片组需要借助较长的金属层和连接左右半边金属层的键合线与正电极连接，而与负电极的连接也需要借助较长的键合线且需要横跨左右半边金属层。这些都会导致回路电阻的增加，进而导致损耗的增大。同样的，正电极和负电极均布置在模块的右半边绝缘基板上，左侧芯片组的电流回路面积较大，会产生较大的寄生电感。
如图4所示，现有技术功率模块负电极示意图，负电极4下半部分具有缓冲部5-3、U型折弯部5-4。其中，U型折弯对折弯工艺及材料具有严苛的要求，对折弯模具损伤较大，折弯过程中该部位极容易产生裂纹或暗伤，在使用中存在极大的风险。此种结构导致焊脚上方没有充足竖向空间，无法进行超声波焊接，只能使用焊锡钎焊连接。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种低电感功率模块，在保证现有封装的外形尺寸不变的情况下，优化内部结构，降低回路寄生电感，提高结构可靠性。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种功率模块端子，包括位于上半部的引出部，以及位于下半部的缓冲部、折弯部和焊脚，焊脚的数量不少于4个，且焊脚分布在四个象限。
进一步地，焊脚关于引出部对称设置。
进一步地，焊脚的方向均伸向远离引出部的方向。
一种低电感功率模块，包括绝缘基板、正电极、负电极、芯片组；绝缘基板表面设有金属层，分为左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层，且对称分布在四个象限；正电极或负电极包括多个焊脚，分布在四个象限，同时连接左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层；芯片组下表面烧结在绝缘基板的芯片烧结金属层上，芯片组上表面通过键合线与绝缘基板的负电极焊脚连接金属层相连，正电极焊脚连接金属层与芯片烧结金属层相连。
进一步地，绝缘基板包括四块分离的小绝缘基板，所述小绝缘基板上分别设置有左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层，所述小绝缘基板关于功率模块的中心对称分布。
进一步地，负电极包括四个焊脚，负电极焊脚连接金属层分别位于左上半边金属层的右边、左下半边金属层的右边、右上半边金属层的左边和右下半边金属层的左边。
进一步地，芯片组包括四个芯片单元，四个芯片单元烧结金属层分别设于左上半边金属层的左边、左下半边金属层的左边、右上半边金属层的右边和右下半边金属层的右边；芯片组上表面通过键合线与绝缘基板对应区域中的负电极焊脚连接金属层相连。
进一步地，正电极包括两个焊脚，正电极焊脚连接金属层分别位于右上半边金属层的中间和右下半边金属层的中间；正电极焊脚连接金属层与对应区域中的芯片烧结金属层相连。
进一步地，还包括E极信号端子和G极信号端子；E极焊脚连接金属层位于左上半边金属层的左下角；G极焊脚连接金属层位于左下半边金属层的左下角。
进一步地，左半边芯片组通过键合线与位于左半边的负电极焊脚连接，右半边芯片组通过键合线与位于右半边的负电极焊脚连接。
有益效果：本发明负电极焊脚可以进行超声波焊接，提高连接的可靠性。
本发明负电极同时连接多块金属层替代键合线连接，缩短电流回路，降低电感及电阻；负电极结构中无较大的折弯角，避免电极加工过程中开裂及工作过程中周期性振动疲劳损伤；负电极有多个焊脚与金属层连接，可以保证可靠连接，提高容错率。
本发明信号端子金属层焊接区域设置在主回路绝缘基板的金属层上，无需另外增加绝缘基板，提高效率，降低成本。
附图说明
图1是现有技术功率模块的外观示意图；
图2是现有技术功率模块的内部示意图；
图3是现有技术功率模块电流回路示意图；
图4是现有技术功率模块负电极示意图；
图5是本发明的低电感功率模块的外观示意图；
图6是本发明的低电感功率模块的内部示意图；
图7是本发明的低电感功率模块电流回路示意图；
图8是本发明的低电感功率模块负电极示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图5所示，本发明的低电感功率模块的外观示意图，包括外壳1、底板2、螺母托台3、正电极4、负电极5、E极信号端子6、G极信号端子7。
如图6所示，本发明的低电感功率模块的内部示意图，包括绝缘基板8，绝缘基板8设置于底板2上。绝缘基板8表面设有金属层，分为左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层，且对称分布在四个象限。
绝缘基板8包括四块分离的小绝缘基板8-1/8-2/8-3/8-4，小绝缘基板上分别设置有左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层，分离的小绝缘基板关于功率模块的中心对称分布。
如图6和7所示，正电极焊脚4-1与绝缘基板8表面的正电极焊脚连接金属层相连，正电极包括两个焊脚，正电极焊脚连接金属层分别位于左上半边金属层的中间和右下半边金属层的中间。
负电极焊脚5-1与绝缘基板8表面的负电极焊脚连接金属层相连，负电极包括四个焊脚，负电极连接金属层分别位于左上半边金属层的右边和左下半边金属层的右边、右上半边金属层的左边和右下半边金属层的左边。
绝缘基板8上还设有芯片组9，芯片组9的下表面烧结在绝缘基板的芯片烧结金属层上，包括四个芯片单元，因此，四个芯片单元烧结金属层分别设于左上半边金属层的左边和左下半边金属层的左边、右上半边金属层的右边和右下半边金属层的右边。芯片组9的上表面通过键合线与绝缘基板对应区域中的负电极连接金属层相连。正电极焊脚连接金属层与对应区域中的芯片烧结金属层相连。
E极信号端子焊脚6-1与绝缘基板8表面的E极焊脚连接金属层相连，位于左上半边金属层的左下角。G极信号端子焊脚7-1与绝缘基板8表面的G极焊脚连接金属层相连，位于左下半边金属层的左下角。
在保证完整的电流回路和相同的电气功能基础上，省去现有技术中E极信号端子所需的单独小绝缘基板，将与E极信号电极焊脚连接的铜皮均设置在主回路的金属层上。本发明中G极信号端子与E极信号端子可以共用。
如图7所示，本发明的低电感功率模块电流回路示意图，左半边芯片组通过金属层和连接左右半边金属层的键合线与正电极连接，右半边芯片组通过金属层和与正电极连接。左半边芯片组通过键合线与位于左半边的负电极焊脚连接，右半边芯片组通过键合线与位于右半边的负电极焊脚连接，本发明的负电极具有多个焊脚，可以同时连接左右半边金属层，省去了原先横跨左右半边金属层的键合线，可以有效减少回路电阻，进而减小损耗。同样的，左侧芯片组的电流回路面积也相应减小，寄生电感也进一步减小。
如图8所示，本发明的低电感功率模块负电极示意图，负电极5包括位于上半部的引出部5-2，以及位于下半部的缓冲部5-3、折弯部5-4和多个焊脚5-1，其中，焊脚的数量不少于4个，且焊脚分布在四个象限，焊脚5-1关于引出部5-2对称设置。焊脚的方向均伸向远离引出部的方向，焊脚的方向向外，便于实现超声焊接这个高可靠工艺。现在技术中焊脚被遮挡了，无法实现超声焊接。
缓冲部在模块装拆及工作振动过程中缓解应力，降低对焊脚处焊点的影响。折弯部为正常折弯角，对折弯工艺和材料的要求宽松，对折弯模具损伤较小，可以有效避免折弯过程中产生的裂纹或暗伤。此种结构使得焊脚上方预留充足的竖向空间，可以进行超声波焊接，极大的增强连接，提高模块可靠性。
通过软件仿真，现有技术产品的寄生电感在16.6nH，直流电阻为0.16mΩ；本发明通过改进负电极的结构，结合电流路的优化，使得寄生电感降低为16.2nH，直流电阻为0.14mΩ，均优于现有技术产品。

Claims (10)

1.一种功率模块端子，包括位于上半部的引出部，以及位于下半部的缓冲部、折弯部和焊脚，其特征在于，焊脚的数量不少于4个，且焊脚分布在四个象限。
2.根据权利要求1所述的功率模块端子，其特征在于，焊脚关于引出部对称设置。
3.根据权利要求1所述的功率模块端子，其特征在于，焊脚的方向均伸向远离引出部的方向。
4.一种低电感功率模块，其特征在于，包括绝缘基板(8)、正电极(4)、负电极(5)、芯片组(9)；绝缘基板(8)表面设有金属层，分为左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层，且对称分布在四个象限；
正电极(4)或负电极(5)包括多个焊脚，分布在四个象限，同时连接左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层；
芯片组(9)下表面烧结在绝缘基板的芯片烧结金属层上，芯片组(9)上表面通过键合线与绝缘基板的负电极焊脚连接金属层相连，正电极焊脚连接金属层与芯片烧结金属层相连。
5.根据权利要求4所述的低电感功率模块，其特征在于，绝缘基板(8)包括四块分离的小绝缘基板(8-1、8-2、8-3、8-4)，所述小绝缘基板上分别设置有左上半边金属层、左下半边金属层、右上半边金属层和右下半边金属层，所述小绝缘基板关于功率模块的中心对称分布。
6.根据权利要求5所述的低电感功率模块，其特征在于，负电极(5)包括四个焊脚，负电极焊脚连接金属层分别位于左上半边金属层的右边、左下半边金属层的右边、右上半边金属层的左边和右下半边金属层的左边。
7.根据权利要求6所述的低电感功率模块，其特征在于，芯片组(9)包括四个芯片单元，四个芯片单元烧结金属层分别设于左上半边金属层的左边、左下半边金属层的左边、右上半边金属层的右边和右下半边金属层的右边；芯片组(9)上表面通过键合线与绝缘基板对应区域中的负电极焊脚连接金属层相连。
8.根据权利要求7所述的低电感功率模块，其特征在于，正电极(4)包括两个焊脚，正电极焊脚连接金属层分别位于右上半边金属层的中间和右下半边金属层的中间；正电极焊脚连接金属层与对应区域中的芯片烧结金属层相连。
9.根据权利要求4所述的低电感功率模块，其特征在于，还包括E极信号端子(6)和G极信号端子(7)；E极焊脚连接金属层位于左上半边金属层的左下角；G极焊脚连接金属层位于左下半边金属层的左下角。
10.根据权利要求7所述的低电感功率模块，其特征在于，左半边芯片组通过键合线与位于左半边的负电极焊脚连接，右半边芯片组通过键合线与位于右半边的负电极焊脚连接。
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