CN112582386A - 功率模块及其制备方法、电器设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种功率模块及其制备方法、电器设备，该功率模块包括：DBC基板，所述DBC基板包括绝缘陶瓷层以及分别固定在所述绝缘陶瓷层相对两侧的电路层及散热层；设置在所述电路层上的至少一个第一芯片及至少一个第二芯片，且每个第一芯片与所述电路层电连接；镶嵌在所述绝缘陶瓷层并与所述电路层同层设置的印刷电路板；其中，所述印刷电路板与所述至少一个第一芯片电连接，且所述印刷电路板环绕所述至少一个第二芯片并与每个第二芯片电连接。在上述技术方案中，通过采用将印刷电路板镶嵌在DBC基板中用于走线，方便芯片的走线，并且芯片可以通过DBC基板直接散热，提高了散热效果。
Description
技术领域
本发明涉及功率模块技术领域，尤其涉及到一种功率模块及其制备方法、电器设备。
背景技术
IPM(Intelligent Power Module)，即智能功率模块，把IGBT/MOSFET/FRD/BDI等功率开关元件和驱动电路集成在一起，且内部集成电流传感器。其具备过电压，过电流和过热等故障检测电路，即使发生负载事故或使用不当，快速保护电路也可以保证IPM自身不受损坏。
IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。
目前绝大部分IPM封装都是采用树脂绝缘的方式(图1及图2)，DBC基板1上设置有芯片2及芯片3，其中，DBC基板1包括层叠的散热铜片及导电铜片，且散热铜片与导电铜片之间夹设有环氧树脂绝缘陶瓷层；芯片3为IC芯片，且IC芯片通过铜框架4引出，随着模块集成度越来越高，功率密度及走线密度也是向着越来越高的方向发展，而环氧树脂绝缘陶瓷层及树脂封装层5的低导热性及铜框架4的低精度，使得当前方案难以满足更高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种功率模块及其制备方法、电器设备，用以方便芯片的走线，提高芯片的散热效果。
本发明提供了一种功率模块，该功率模块包括：
DBC基板，所述DBC基板包括绝缘陶瓷层以及分别固定在所述绝缘陶瓷层相对两侧的电路层及散热层；
设置在所述电路层上的至少一个第一芯片及至少一个第二芯片，且每个第一芯片与所述电路层电连接；
镶嵌在所述绝缘陶瓷层并与所述电路层同层设置的印刷电路板；其中，所述印刷电路板与所述至少一个第一芯片电连接，且所述印刷电路板环绕所述至少一个第二芯片并与每个第二芯片电连接。
在上述技术方案中，通过采用将印刷电路板镶嵌在DBC基板中用于走线，方便芯片的走线，并且芯片可以通过DBC基板直接散热，提高了散热效果。
在一个具体的可实施方案中，所述绝缘陶瓷层上设置有容纳槽，所述印刷电路板镶嵌在所述容纳槽内。通过设置的容纳槽镶嵌印刷电路板。
在一个具体的可实施方案中，所述印刷电路板上设置有凸肩；所述印刷电路板的凸肩抵压在所述绝缘陶瓷层的外表面。方便印刷电路板的固定及定位。
在一个具体的可实施方案中，所述印刷电路板设置有通孔，所述至少一个第二芯片穿过所述通孔后露出。
在一个具体的可实施方案中，每个第二芯片通过金属飞线与所述印刷电路板电连接。
在一个具体的可实施方案中，所述电路层设置有用于容纳印刷电路板的通孔。方便设置印刷电路板。
在一个具体的可实施方案中，还包括封装层，所述封装层将所述至少一个第一芯片及所述至少一个第二芯片封装在所述DBC基板。
第二方面，提供了一种功率模块的制备方法，该方法包括以下步骤：
制备DBC基板；
在DBC基板的电路层设置至少一个第一芯片及至少一个第二芯片；
在制备的DBC基板镶嵌印刷电路板；且印刷电路板环绕所述至少一个第二芯片；
将每个第一芯片与所述电路层电连接，并将所述至少一个第一芯片与所述印刷电路板电连接；所述至少一个第二芯片与印刷电路板连接。
在上述技术方案中，通过采用将印刷电路板镶嵌在DBC基板中用于走线，方便芯片的走线，并且芯片可以通过DBC基板直接散热，提高了散热效果。
在一个具体的可实施方案中，所述制备DBC基板具体为：
制备散热层；
在散热层制备绝缘陶瓷层；
在绝缘陶瓷层开设槽体；
在绝缘陶瓷层制备所述电路层；
刻蚀电路层使得电路层形成与所述槽体连通的通孔；所述通孔及所述槽体形成容纳所述印刷电路板的容纳槽。
在一个具体的可实施方案中，所述通孔的横截面积大于所述槽体的横截面积。
第三方面，提供了一种电气设备，该电气设备包括上述任一项所述的功率模块。在上述技术方案中，通过采用将印刷电路板镶嵌在DBC基板中用于走线，方便芯片的走线，并且芯片可以通过DBC基板直接散热，提高了散热效果。
附图说明
图1为现有技术中的功率模块的示意图；
图2为现有技术中功率模块的俯视图；
图3为本发明实施例提供的功率模块的示意图；
图4为本发明实施例提供的功率模块的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
首先说明一下本申请实施例提供的功率模块的应用场景，本申请实施例提供的功率模块应用于电器设备，如驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电等常见的电器设备。下面结合附图以及具体的实施例详细说明一下本申请实施例提供的功率模块。
本申请实施例提供的功率模块可以为不同的功率模块，如IPM(IntelligentPower Module)，即智能功率模块，把IGBT/MOSFET/FRD/BDI等功率开关元件和驱动电路集成在一起，且内部集成电流传感器。其具备过电压，过电流和过热等故障检测电路，即使发生负载事故或使用不当，快速保护电路也可以保证IPM自身不受损坏。下面以智能功率模块为例对其进行详细的说明。
如图3所示，图3示出了本申请实施例提供的功率模块的结构示意图。该功率模块包括一个DBC基板10，该DBC基板10包括三层结构，分别为电路层11、散热层13及绝缘陶瓷层12，其中，电路层11及散热层13均为铜层或铝层。绝缘陶瓷层12为采用陶瓷制备而成的具有导热、绝缘层结构。在设置时，电路层11及散热层13分列在绝缘陶瓷层12的两侧，并且与绝缘陶瓷层12固定连接。在具体连接时，通过在散热层13上制备绝缘陶瓷层12，之后再绝缘陶瓷层12制备电路层11，上述制备可以采用常用的注塑成型、电镀等方式，在此不再详细赘述。且在制备时，电路层11、散热层13及绝缘陶瓷层12稳定的固定连接在一起。
一并参考图3及图4，在制备绝缘陶瓷层12及电路层11时，在DBC基板10上开设有一个容纳槽14，该容纳槽用于承载电路板。如图3及图4所示，该容纳槽为一个回字形的环形槽，或者也可以理解为在绝缘陶瓷层12开设一个凹槽，并且在凹槽中设置一个凸起121，该凸起121与凹槽的四个侧壁均间隔一定的间隙，从而形成一个环形的容纳槽。同时，在形成电路层11时，电路层11上镂空形成一个通孔，以使得容纳槽外露。其中通孔的形状与容纳槽的形状相匹配，也为一个环形的通孔，且通孔的开口面积大于环形的容纳槽的开口面积。
在设置印刷电路板50时，如图3中所示，该印刷电路板50为与容纳槽配合的一个环形结构，且印刷电路板50上具有穿过上述的凸起121的通孔，在印刷电路板50装配在DBC基板上时，印刷电路板50插入到容纳槽内，且凸起121穿过印刷电路板50上的通孔后露出。此外，印刷电路板50上设置有凸肩，该凸肩位于电路层11的通孔内并外露在绝缘陶瓷层12外。并且通过凸肩抵压在绝缘陶瓷层12上限定印刷电路板50插入到容纳槽内的深度。
继续参考图3及图4，在印刷电路板50固定在容纳槽内时，印刷电路板50与绝缘陶瓷层12导热接触，以使得印刷电路板50上的热量可以通过绝缘导热层直接散发出去。
继续参考图3及图4，本申请实施例提供的DBC基板10上还承载有至少一个第一芯片20，如图3中所示第一芯片20的个数为两个，且两个第一芯片20分别为：FRD芯片和IGBT/MOSFET芯片，但是在本申请实施例提供的第一芯片20的个数不仅限于上述的两个具体的芯片，还可以采用三个、四个、五个等不同个数的第一芯片20，且第一芯片20的类型可以根据需要进行限定。在图3中仅仅作为一个示例来说明第一芯片20与电路层11的连接关系。在具体设置时，如图3中所示，FRD芯片及IGBT/MOSFET芯片分别通过焊接层焊接在电路层11，并且FRD芯片通过金属飞线70与第一电路层11电连接，FRD芯片与IGBT/MOSFET芯片之间也通过金属飞线70连接。
继续参考图3，电路层11上还设置了至少一个第二芯片30，在设置第二芯片30时，第二芯片30设置在了凸起121上，如图3中所示，在绝缘陶瓷层12上开设有容纳槽后，在绝缘陶瓷层12上铺设电路层11时，绝缘陶瓷层12的凸起121上也设置有电路层11，且第二芯片30固定在该凸起121对应的电路层11上。当然应当理解的是，在图3中第二芯片30示出了仅一个，但是在本申请实施例提供的功率模块中第二芯片30的个数不仅限于图3中的一个第二芯片30，还可以设置两个、三个、四个等不同个数的第二芯片30。
在将第一芯片20与第二芯片30固定在电路层11时，第一芯片20、第二芯片30、电路层11及印刷电路板50之间电连接。在具体设置时，印刷电路板50与至少一个第一芯片20电连接，该电连接包括直接电连接以及间接电连接。如IGBT/MOSFET芯片通过金属飞线70与印刷电路板50的电流电连接，而FRD芯片通过IGBT/MOSFET芯片与印刷电路板50电连接。继续参考图3，印刷电路板50用于设置线路，相比与电路层11来说，印刷电路板50可以设置更密集的电路，因此，可以在较小的空间内设置比电路层11更密集的线路，以方便第一芯片20、第二芯片30的走线。如图4中所示，每个第二芯片30通过焊料40固定在电路层11，且每个第二芯片30与印刷电路板50电连接，具体的可以采用金属飞线70或者管脚与印刷电路板50电连接。如图3及图4中所示，印刷电路板50通过金属飞线70还与电路层11连接，从而通过电路层11连接的引线70与外部电路连接。
通过上述描述可以看出，通过在DBC基板10上设置印刷电路板50，并将走线密度比较大的IC芯片与印刷电路板50连接，从而可以改善走线情况，并且在设置时，可以方便IC芯片的设置。同时，IC芯片产生的热量可以直接传递到DBC基板10上，IC芯片产生的热量可以通过电路层11传递到绝缘陶瓷层12、再通过散热层13直接将热量散发出去，相比与图1及图2中所示的采用封装层(树脂)进行散热来说，可以改善IC芯片的散热效果。此外，在印刷电路板50镶嵌在DBC基板10内时，如图3中所示，印刷电路板50延伸到绝缘陶瓷层12内，进而增大散热效果。
继续参考图3本申请实施例提供的功率模块还包括封装层，通过该封装层将上述的第一芯片20、第二芯片30及DBC基板10包裹起来，仅仅将导电层的引线60外露，从而提高了功率模块的安全性。
为了方便理解本申请实施例提供的功率模块，下面详细说明一下其具体的制备方法。
步骤001：制备DBC基板10；
在具体制备DBC芯片时，首先在衬底上制备散热层13，之后在散热层13上制备绝缘陶瓷层12，且在制备绝缘陶瓷层12时，通过刻蚀或者打孔的方式在绝缘陶瓷层12形成一个槽体，该槽体即为容纳槽14；之后在绝缘陶瓷层12通过镀铜或者其他的工艺形成电路层11，并在电路层11上刻蚀一个通孔，该通孔与槽体连通，且通孔的横截面积大于槽体的横截面积。具体可参考图3及图4中结构的描述。
步骤002：在DBC基板的电路层11设置至少一个第一芯片20及至少一个第二芯片30；
具体的，通过粘接的方式将第一芯片20及第二芯片30固定在电路层11上。在电路层11上贴锡膏，将第一芯片20放置在锡膏上，之后通过回流焊将第一芯片20固定在电路层11，并且通过回流焊的温度将锡膏固化。之后通过金属飞线70将第一芯片20与电路层11电连接。
步骤003：在制备的DBC基板镶嵌印刷电路板50；且印刷电路板50环绕所述至少一个第二芯片30；
步骤004：将每个第一芯片20与所述电路层11电连接，并将所述至少一个第一芯片20与所述印刷电路板50电连接；所述至少一个第二芯片30与印刷电路板50连接。
步骤005、封装；
通过注塑的方式在形成封装层，将上述的第一芯片20、第二芯片30及DBC基板10包裹起来，仅仅将导电层的引线70外露，从而提高了功率模块的安全性。
通过上述描述可以看出，通过采用将印刷电路板50镶嵌在DBC基板10中承载芯片，方便了芯片的设置，并且通过芯片可以通过印刷电路板50、DBC基板10直接散热，提高了散热效果。
本申请实施例还提供了一种电气设备，该电气设备包括上述的功率模块，通过采用将印刷电路板50镶嵌在DBC基板中用于走线，方便芯片的走线，并且芯片可以通过DBC基板直接散热，提高了散热效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种功率模块，其特征在于，包括：
DBC基板，所述DBC基板包括绝缘陶瓷层以及分别固定在所述绝缘陶瓷层相对两侧的电路层及散热层；
设置在所述电路层上的至少一个第一芯片及至少一个第二芯片，且每个第一芯片与所述电路层电连接；
镶嵌在所述绝缘陶瓷层并与所述电路层同层设置的印刷电路板；其中，所述印刷电路板与所述至少一个第一芯片电连接，且所述印刷电路板环绕所述至少一个第二芯片并与每个第二芯片电连接。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘陶瓷层上设置有容纳槽，所述印刷电路板镶嵌在所述容纳槽内。
3.如权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述印刷电路板上设置有凸肩；所述印刷电路板的凸肩抵压在所述绝缘陶瓷层的外表面。
4.如权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述印刷电路板设置有通孔，所述至少一个第二芯片穿过所述通孔后露出。
5.如权利要求4所述的功率模块，其特征在于，每个第二芯片通过金属飞线与所述印刷电路板电连接。
6.如权利要求1～5任一项所述的功率模块，其特征在于，还包括封装层，所述封装层将所述至少一个第一芯片及所述至少一个第二芯片封装在所述DBC基板。
7.一种功率模块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备DBC基板；
在DBC基板的电路层设置至少一个第一芯片及至少一个第二芯片；
在制备的DBC基板镶嵌印刷电路板；且印刷电路板环绕所述至少一个第二芯片；
将每个第一芯片与所述电路层电连接，并将所述至少一个第一芯片与所述印刷电路板电连接；所述至少一个第二芯片与印刷电路板连接。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备DBC基板具体为：
制备散热层；
在散热层制备绝缘陶瓷层；
在绝缘陶瓷层开设槽体；
在绝缘陶瓷层制备所述电路层；
刻蚀电路层使得电路层形成与所述槽体连通的通孔；所述通孔及所述槽体形成容纳所述印刷电路板的容纳槽。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述通孔的横截面积大于所述槽体的横截面积。
10.一种电器设备，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的功率模块。
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