CN113035856A - 智能功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能功率模块，包括散热基板、绝缘层、电路布线层、电子元件、多个引脚和密封层和隔热层，其中电子元件包括功率器件和驱动芯片，通过在驱动芯片和电路布线层之间还设置隔热层，隔热层的导热系数低于绝缘层，因此能较好的阻挡散热基板传递从功率器件而来的热量，以此有效的降低驱动芯片的温度，从而可将驱动芯片的工作温度维持在室温附近，以此很好的解决了驱动芯片由于温度过高带来的其半导体元件工作不稳定问题，从而提升IPM工作的可靠性和稳定性。

Description

智能功率模块
技术领域
本发明涉及一种智能功率模块，属于功率半导体器件技术领域。
背景技术
智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动类产品。智能功率模块把功率开关器件和高压驱动电路集成在一起，并内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路。现有的IPM模块将驱动电路和功率开关器件安装在同一基板上，在IPM模块工作时，功率开关器件产生的高温传递给驱动电路中的驱动芯片，随着驱动芯片温度的升高，其驱动芯片中参与导电的电子、空穴,会升高受激发而明显增多，导电性增加,电阻下降，影响控制IC参数偏移和控制精度，高温同时缩短驱动芯片的寿命。从而影响了IPM模块的工作寿命和工作可靠性。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是解决现有的IPM模块由于将功率开关器件和驱动电路安装在同一个基板，导致驱动电路的驱动芯片工作温度过高以影响其控制精度和寿命问题。
具体地，本发明公开一种智能功率模块，包括：
金属材料制成的散热基板；
绝缘层，绝缘层设置在散热基板的表面；
电路布线层，电路布线层设置在绝缘层上，电路布线层设置有多个焊盘；
电子元件，配置于电路布线层的焊盘上，电子元件包括功率器件和驱动芯片；
多个引脚，多个引脚设置在散热基板的至少一侧；
密封层，密封层至少包裹设置电路元件的散热基板的一面，引脚的一端从密封层露出；
其中在驱动芯片和电路布线层之间还设置有隔热层。
可选地，隔热层包括中间的隔热本体和上下两层的金属层，其中隔热本体导热系数低于绝缘层的导热系数。
可选地，隔热本体为FR-4板玻璃布基板，金属层为铜箔。
可选地，隔热层的面积小于安装的焊盘面积，且大于安装于隔热层的驱动芯片的接触面的面积。
可选地，智能功率模块还包括多根键合线，键合线连接于多个电子元件、电路布线层、多个引脚之间。
可选地，绝缘层由树脂材料制成，树脂材料内部填充氧化铝和碳化铝的填料。
可选地，填料为角形、球形或者角形和球形的混合体。
可选地，电路布线层和配置于电路布线层上的电子元件组成的电路包括驱动电路和逆变电路，其中逆变电路包括上下桥臂的6个开关管，驱动电路包括驱动芯片，驱动芯片设置有过温保护开关电路、欠压保护电路、过流保护电路、过压保护电路中的至少一者。
可选地，逆变电路的6个开关管靠近设置，驱动芯片远离逆变电路设置。
本发明的智能功率模块，包括散热基板、绝缘层、电路布线层、电子元件、多个引脚和密封层以及隔热层，其中电子元件包括功率器件和驱动芯片，通过在驱动芯片和电路布线层之间还设置隔热层，隔热层的导热系数低于绝缘层，因此能较好的阻挡散热基板传递从功率器件而来的热量，以此有效的降低驱动芯片的温度，从而可将驱动芯片的工作温度维持在室温附近，以此很好的解决了驱动芯片由于温度过高带来的其半导体元件工作不稳定问题，从而提升IPM工作的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的IPM模块的俯视图；
图2为图1中X-X方向的剖视图；
图3为图2中隔热层的结构示意图；
图4为本发明实施例的IPM模块去掉密封层的俯视图；
图5为本发明实施例的IPM模块的驱动芯片的电路框图；
图6为本发明实施例的IPM模块的电路简化原理图。
附图标记：
密封层302，引脚303，IGBT304，驱动芯片305，隔热层306，键合线307，焊盘308，电路布线层309，绝缘层310，散热基板311，金属层312，续流二极管313，隔热本体314。
具体实施方式
需要说明的是，在结构或功能不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据实例来详细说明本发明。
本发明提出一种智能功率模块即IPM模块，如图1至图6所示，IPM模块包括散热基板311、绝缘层310、电路布线层309、电子元件、多个引脚303和密封层302。
其中散热基板311由金属材料制成，其包括处于上方的安装面和下方的散热面，具体可以是由1100、5052等材质的铝构成的矩形板材。绝缘层310覆盖散热基板311至少一个表面形成，且由环氧树脂等树脂材料制成，并在树脂材料内部填充氧化铝和碳化铝等填料，以提高热导率。为了提高热导率，这些填料的形状可采用角形，为了避免填料损坏设置在其表面的电子元件的接触面的风险，填料可采用球形或者角形与球形混合型。电路布线层309可以是铜箔蚀刻形成，也可以是膏状导电介质印刷形成，导电介质可以是石墨烯、锡膏、银胶等导电材料。在电路布线层309上设置了多个焊盘308，用于安装电子元件和引脚303。引脚303固定电连接在散热基板311一个边缘的焊盘308上，具有与IPM模块连接的外部电路进行输入、输出信号的作用，在该实施例中，如图1所示，多个引脚303从散热基板311的一侧引出，其他实现方式中也可以从散热基板311的相对的两侧引出。引脚303一般采用铜等金属制成，铜表面通过化学镀和电镀形成一层镍锡合金层，合金层的厚度一般为5μm，镀层可保护铜不被腐蚀氧化，并可提高可焊接性。密封层302可由树脂形成，通过传递模方式使用热硬性树脂模制也可使用注入模方式使用热塑性树脂模制。密封层302有两种封装结构，一种是密封层302包覆散热基板311的上下两面，并包覆设置在散热基板311上的电子元件，同时还包覆引脚303设置于散热基板311的一端，为密封层302的全包覆方式；在另一种封装方式中，密封层302包覆散热基板311的上表面，即包覆散热基板311、电子元件和设置于散热基板311的一端的引脚303，散热基板311的下表面即散热面露出于密封层302，以此形成密封层302的半包覆方式。图2所示的为密封层302的半包覆方式。
电子元件配置于电路布线层309的焊盘308上，电子元件包括功率器件和驱动芯片305，其中功率器件包括开关管如IGBT304(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOS管(metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体)等，也包括续流二极管313，其工作消耗的功率大发热量大，而驱动芯片305工作消耗的功率相对功率器件小很多，其工作过程中本身发热很低，驱动芯片305由于内部包含多个微型的半导体元件，其工作的温度相对功率器件要低很多。而功率器件在工作过程中，其产生的大的发热量通过散热基板311传递至驱动芯片305，使其温度突升，为了避免此问题，在驱动芯片305和电路布线层309之间还设置有隔热层306。隔热层306的导热系数低于绝缘层310，因此能较好的阻挡散热基板311传递从功率器件而来的热量，以此有效的降低驱动芯片305的温度，从而可将驱动芯片305的工作温度维持在室温附近，以此很好的解决了驱动芯片305由于温度过高带来的其半导体元件工作不稳定问题，从而提升IPM工作的可靠性和稳定性。而且IPM模块的针对驱动芯片305的相关规格书中，各项参数均是在室温25℃条件下测试得出的，因而驱动芯片305的工作温度越接近室温，越有利于工程师参照规格书的参数进行设计IPM模块的相关电路，因而也降低了工程师的设计要求。
在本发明的一些实施例中，如图2所示，隔热层306包括中间的隔热本体314和与隔热本体314的上下两面分别连接的金属层312，其中隔热本体314导热系数低于绝缘层310的导热系数。其中中间较厚的部分为隔热本体314，其导热系数低于绝缘层310的导热系数，因而相对绝缘层310传热的能力差，而设置在隔热本体314的上下两面的金属层312相对薄，如铜箔层，其表面设置焊盘，以通过焊接的方式将隔热本体314的下表面固定在电路布线层309的焊盘上，并将驱动芯片305的底面通过焊接的方式固定在隔热本体314的上表面，以此实现了隔离层固定于电路布线层309，驱动芯片305固定于隔热层306。而且由于隔热本体314导热系数低，使得散热基板311上的发热不易通过被隔热本体314阻挡，不易传输到驱动芯片305，从而有效的降低驱动芯片305的工作温度。具体地，隔热本体314可选用导热系数仅为0.2W/m.K的FR-4板玻璃布基板，现有的绝缘层310导热系数为2.0W/m.K，相对绝缘层310导热系数小很多，因此相对绝缘层310热传导能力弱，因而能起到较好的热隔离作用。
进一步地，在本发明的一些实施例中，如图2至图4所示，隔热层306的面积小于安装的焊盘308面积，且大于安装于隔热层306的驱动芯片305的接触面的面积。隔离层安装在电路布线层309的焊盘308和驱动芯片305之间，在图2中从上之下驱动芯片305、隔热层306和焊盘308的面积依次增大，依次实现隔热层306可靠的固定于焊盘308，驱动芯片305可靠的固定于隔热层306。
在本发明的一些实施例中，如图2和图4所示，还包括多根键合线307，键合线307连接于多个电子元件、电路布线层309、多个引脚303之间。电子元件为上述实施例提到的IGBT304、驱动芯片305、续流二极管313以及其它如电阻、电容等。键合线307通常为金线、铜线、金铜混合线、38um或者38um以下细铝线。具体地，键合线307可以连接电子元件和电子元件之间，可以连接电子元件和线路层之间，可以连接电子元件和引脚303之间等，以此形成整个IPM模块的电路连接。
在本发明的一些实施例中，如图4至图6所示，电路布线层309和配置于电路布线层309上的电子元件组成的电路包括驱动电路和逆变电路，其中逆变电路包括上下桥臂的6个开关管，驱动电路包括驱动芯片305，驱动芯片305设置有过温保护开关电路、欠压保护电路、过流保护电路、过压保护电路中的至少一者。其中驱动电路主要由驱动芯片305组成，逆变电路主要由上下桥臂的3组逆变单元组成，每个逆变单元包括两个三级晶体管在图6中为IGBT304，也可以是MOS管，其中三极晶体管102与三极晶体管105为一组，三极晶体管103与三极晶体管106为一组，三极晶体管104与三极晶体管107为一组，每组两个三极晶体管分为上桥臂和下桥臂，其中三极晶体管102为上桥臂，三极晶体管105为下桥臂，三极晶体管103为上桥臂，三极晶体管106为下桥臂，三极晶体管104为上桥臂，三极晶体管107为下桥臂，上桥臂的三极晶体管102的漏极与模块的高压输入端P连接，上桥臂的三极晶体管102的源极与下桥臂的三极晶体管105的漏极连接，下桥臂的三极晶体管105的源极与模块外引脚303UN端连接，两个三极晶体管的栅极均与驱动芯片305相连，上桥臂的三极晶体管103的源极与下桥臂的三极晶体管105的漏极连接，下桥臂的三极晶体管106的源极与模块外引脚303VN端连接，两个三极晶体管的栅极均与驱动芯片305相连，上桥臂的三极晶体管104的源极与下桥臂的三极晶体管107的漏极连接，下桥臂的三极晶体管107的源极与模块外引脚303WN端连接，两个三极晶体管的栅极均与控制芯片相连。图5为驱动芯片305内部的电路框图，除了包括分别驱动上下桥臂开关管的驱动电路，即驱动上桥臂开关管的高压侧驱动电路和驱动下桥臂开关管的低压侧驱动电路，还包括过温保护开关、欠压保护电路、过流保护电路、过压保护电路，这些电路控制精度较高，以提升驱动芯片305的控制精度，避应免过高温度对驱动芯片305的参数的影响。
在本发明的一些实施例中，如图4所示，逆变电路的六个开关管即IGBT304分为上下桥臂两组，其中上桥臂的三个开关管并列设置在电路布线层309的上方，下桥臂的三个开关管并列设置在电路布线层309的下方，这些开关管相互靠近设置，而做为驱动电路的驱动芯片305设置在电路布线层309的另一侧如图4中的右侧，其与六个开关管的距离较远，驱动芯片305和六个开关管之间通过走线连接，因为逆变电路工作在强电区(300V左右直流供电)，而驱动芯片305有一部分工作在弱电区，其输入的控制信号为弱电信号，因此通过将驱动芯片305和开关管远离设置，能较好的避免强电区的高压电和开关管的高速开关切换带来的干扰对驱动芯片305内部的弱电电路产生干扰导致其工作不稳定，从而有助于提示整个IPM模块工作的稳定性和可靠性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种智能功率模块，包括：
金属材料制成的散热基板；
绝缘层，所述绝缘层设置在所述散热基板的表面；
电路布线层，所述电路布线层设置在所述绝缘层上，所述电路布线层设置有多个焊盘；
电子元件，配置于所述电路布线层的焊盘上，所述电子元件包括功率器件和驱动芯片；
多个引脚，所述多个引脚设置在所述散热基板的至少一侧；
密封层，所述密封层至少包裹设置所述电路元件的散热基板的一面，所述引脚的一端从所述密封层露出；
其中在所述驱动芯片和所述电路布线层之间还设置有隔热层。
2.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述隔热层包括中间的隔热本体和上下两层的金属层，其中所述隔热本体导热系数低于所述绝缘层的导热系数。
3.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述隔热本体为FR-4
板玻璃布基板，所述金属层为铜箔。
4.根据权利要求2所述的智能功率模块，其特征在于，所述隔热层的面积小于安装的所述焊盘面积，且大于安装于所述隔热层的驱动芯片的接触面的面积。
5.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，还包括多根键合线，所述键合线连接于所述多个电子元件、所述电路布线层、所述多个引脚之间。
6.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述绝缘层由树脂材料制成，所述树脂材料内部填充氧化铝和碳化铝的填料。
7.根据权利要求6所述的智能功率模块，其特征在于，所述填料为角形、球形或者角形和球形的混合体。
8.根据权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述电路布线层和配置于所述电路布线层上的电子元件组成的电路包括驱动电路和逆变电路，其中所述逆变电路包括上下桥臂的6个开关管，所述驱动电路包括所述驱动芯片，所述驱动芯片设置有过温保护开关电路、欠压保护电路、过流保护电路、过压保护电路中的至少一者。
9.根据权利要求8所述的智能功率模块，其特征在于，所述逆变电路的6个开关管靠近设置，所述驱动芯片远离所述逆变电路设置。
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