CN113380738B - 一种直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，包括上桥臂、下桥臂、底部基板、外壳、功率基板、驱动PCB板系统及相变散热装置，其中，外壳扣合并固定于底部基板上，功率基板固定于底部基板上，相变散热装置固定于功率基板上，上桥臂、下桥臂及驱动PCB板系统均固定于相变散热装置上，该结构能够大幅度降低芯片的结温以及结温波动。
Description
技术领域
本发明属于功率器件封装技术领域，涉及一种直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构。
背景技术
功率模块是将一系列电力电子功率芯片按照一定的功能进行封装集成形成的一种模块，比起由分立的电力电子功率器件组成的电力电子变流器，功率模块具有可靠性高，功率密度大，集成度高的特点，在电学性能、热性能、安全防护、成本等方面有很高的优越性。功率模块中，半桥功率模块应用灵活，可以构建成MMC，三相逆变器等多种拓扑，应用最为广泛。
近年来，随着电力电子器件的不断发展，诸如石油钻探、电动汽车、舰载系统、航空航天等重要领域的应用环境的要求不断提高，功率模块正在向小型化、高功率密度、高可靠性、低损耗的方向发展。新一代宽禁带功率半导体(碳化硅、氮化镓等)器件相较于传统硅基器件，具有开关速度快，导通损耗低，功率密度大等优点，正在各个工业领域中逐渐取代传统的硅器件。但是现有的封装结构和热管理系统并不适用于碳化硅功率半导体芯片，主要体现在以下几个方面：
1、相同的电流等级下，碳化硅功率半导体芯片的单芯片面积小，导致芯片底部热流密度大，散热面积小，热阻大，芯片自身热容小。目前在产业界，多直接将基于硅基器件的封装集成解决方案直接应用于碳化硅芯片，会导致碳化硅芯片结温过高，温度波动明显。
2、针对碳化硅器件结温过高的问题，目前常见的解决方案为采用更先进的散热方式，包括但不限于：微流道散热，射流冲击冷却，压缩机相变散热，浸没式冷却等。这些散热方式虽然可以应对碳化硅芯片的高热流密度，但是这些更先进的方式增加了散热系统的复杂程度，降低了系统可靠性，同时也增加了散热系统的能耗和成本。
3、针对碳化硅器件结温过高的问题，另外一种解决途径为在封装结构上的改进，主要为采用3D封装进行双面散热，但是双面散热的模块制作工艺复杂，目前对于双面模块的可靠性的研究不充分。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，该结构能够大幅度降低芯片的结温以及结温波动。
为达到上述目的，本发明所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构包括上桥臂、下桥臂、底部基板、外壳、功率基板、驱动PCB板系统及相变散热装置，其中，外壳扣合并固定于底部基板上，功率基板固定于底部基板上，相变散热装置固定于功率基板上，上桥臂、下桥臂及驱动PCB板系统均固定于相变散热装置上。
驱动PCB板系统包括第一驱动PCB板及第二驱动PCB板；相变散热装置包括第一相变散热装置及第二相变散热装置；功率基板包括直流正极功率基板及直流负极功率基板；下桥臂包括第一功率半导体芯片、第二功率半导体芯片及第三功率半导体芯片；上桥臂包括第四功率半导体芯片、第五功率半导体芯片及第六功率半导体芯片；
直流正极功率基板及直流负极功率基板焊接于底部基板上；
第一相变散热装置焊接于直流正极功率基板上，第二相变散热装置焊接于直流负极功率基板上；第一功率半导体芯片、第二功率半导体芯片及第三功率半导体芯片焊接于第二相变散热装置；第四功率半导体芯片、第五功率半导体芯片及第六功率半导体芯片焊接于第二相变散热装置上；
第一驱动PCB板固定于第一相变散热装置上，第二驱动PCB板固定于第二相变散热装置上。
还包括第一直流电线路、第一直流电支路、第二直流电支路、第三直流电支路及交流电支路；外壳上设置有第二直流功率端子、第一交流功率端子及第二交流功率端子；
第二直流功率端子经直流正极功率基板及第一相变散热装置与第一直流电线路的一端相连，第一直流电线路的另一端与第一直流电支路的一端、第二直流电支路的一端及第三直流电支路的一端相连接，第一直流电支路的另一端、第二直流电支路的另一端及第三直流电支路的另一端分别与第四功率半导体芯片的一端、第五功率半导体芯片的一端、第六功率半导体芯片的一端相连接，第四功率半导体芯片的另一端、第五功率半导体芯片的另一端及第六功率半导体芯片的另一端均与交流电支路的一端相连接，交流电支路的另一端与第一交流功率端子及第二交流功率端子相连接。
还包括第二直流电线路、第四直流电支路、第五直流电支路及第六直流电支路；外壳上设置有第一直流功率端子；
第一交流功率端子及第二交流功率端子与第二直流电线路的一端相连接，第二直流电线路的另一端与第四直流电支路的一端、第五直流电支路的一端及第六直流电支路的一端相连接，第四直流电支路的另一端、第五直流电支路的另一端及第六直流电支路的另一端分别与第一功率半导体芯片的一端、第二功率半导体芯片的一端及第三功率半导体芯片的一端相连接，第一直流功率端子与第一功率半导体芯片的另一端、第二功率半导体芯片的另一端及第三功率半导体芯片的另一端相连接。
第一直流功率端子、第二直流功率端子、第一交流功率端子、第二交流功率端子分别与第一螺母、第二螺母、第三螺母及第四螺母镶嵌于外壳中。
直流正极功率基板包括自上到下依次分布的第一上表面导电金属基板、第一绝缘介质基板及第一下表面导电金属基板，第二直流功率端子连接于第一上表面导电金属基板上。
直流负极功率基板包括第二上表面导电金属基板、第三上表面导电金属基板、第二绝缘介质基板及第二下表面导电金属基板，第二上表面导电金属基板、第二绝缘介质基板及第二下表面导电金属基板自上到下依次分布，第一直流功率端子连接于第三上表面导电金属基板上。
第一相变散热装置及第二相变散热装置均包括多孔隙疏松网状结构、金属上盖及金属下盖，金属上盖与金属下盖相扣合，以形成真空腔体，腔体内部注有工作流体，烧结金属粉末制成的多孔隙疏松网状结构位于金属上盖与金属下盖之间，金属支柱位于所述真空腔体内，且金属支柱与金属下盖相连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构在具体操作时，功率基板固定于底部基板上，相变散热装置固定于功率基板上，上桥臂、下桥臂及驱动PCB板系统均固定于相变散热装置上，其中，相变散热装置在充当散热器的同时，承担流过半导体的电流，实现功能的复用，提升模块的集成度，同时，相变散热装置利用其内部发生的相变过程，使其具有极高的热导率，为纯铜热导率的20倍以上，利用该相变散热装置极高的热导率，大幅增加碳化硅芯片的散热面积，降低通过功率基板的热流密度，使热阻相较于传统的封装结构下降17％。另外，相变散热装置由于具备极高的热导率，增大了模块内部多个并联芯片之间的热耦合，降低芯片间的温差，提升器件电学特性的一致性，降低了整个模块发生热崩溃的可能性。需要说明的是，相变散热装置在降低热阻的同时，利用相变过程的潜热以及装置本身的热容，提升整个模块的热容，使碳化硅芯片在实际应用中，可以使芯片的低频结温波动降低48％，从而大幅度延长芯片的焊层寿命，提升模块的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明外部的结构示意图；
图3为本发明内部的结构爆炸图；
图4为本发明中主功率电路结构示意图；
图5为本发明中功率电流的方向和通路示意图；
图6为本发明中功率基板的结构和功率端子的连接方式图；
图7为本发明内部整体结构的爆炸图；
其中，100为底部基板、110为直流正极功率基板、120为直流负极功率基板、130为第一相变散热装置、140为第二相变散热装置、111为第一上表面导电金属基板、112为第一绝缘介质基板、113为第一下表面导电金属基板、121为第二上表面导电金属基板、122为第三上表面导电金属基板、123为第二绝缘介质基板、124为第二下表面导电金属基板、132为金属上盖、134为金属下盖、为多孔隙疏松网状结构、133为金属支柱、210为第一功率半导体芯片、220为第二功率半导体芯片、230为第三功率半导体芯片、240为第四功率半导体芯片、250为第五功率半导体芯片、260为第六功率半导体芯片、215为第七导电金属线、225为第八导电金属线、235为第九导电金属线、216为第十导电金属线、226为第十一导电金属线、236为第十二导电金属线、245为第一导电金属线、255为第二导电金属线、265为第三导电金属线、246为第四导电金属线、256为第五导电金属线、266为第六导电金属线、270为第一直流电线路，271为第一直流电支路、272第二直流电支路、273为第三直流电支路、274为第二直流电线路、275为第四直流电支路、276为第五直流电支路、277为第六直流电支路、280为交流电支路、301为第一驱动PCB板、302为第二驱动PCB板、311为第一驱动端子、312为第二驱动端子、313为第三驱动端子、314为第四驱动端子、315为第五驱动端子、316为第六驱动端子、317为第七驱动端子、318为第八驱动端子、320为第一螺丝、321为第二螺丝、322为第三螺丝、323为第四螺丝、324为第一支撑铜柱、325为第二支撑铜柱、326为第三支撑铜柱、327为第四支撑铜柱、400为外壳、401为第一直流功率端子、402为第二直流功率端子、403为第一交流功率端子、404为第二交流功率端子、406为第一孔位、407为第二孔位、408为第三孔位、409为第四孔位、405第一螺母、406第二螺母、407第三螺母、408第四螺母。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构包括底部基板100、外壳400、功率基板、驱动PCB板系统及相变散热装置。
请参考图2，外壳400固定于底部基板100上，外壳400上设置有第一驱动端子311、第二驱动端子312、第三驱动端子313、第四驱动端子314、第五驱动端子315、第六驱动端子316、第七驱动端子317、第八驱动端子318、第一直流功率端子401、第二直流功率端子402、第一交流功率端子403、第二交流功率端子404、第一孔位406、第二孔位407、第三孔位408及第四孔位409；
驱动PCB板系统包括第一驱动PCB板301及第二驱动PCB板302；相变散热装置包括第一相变散热装置130及第二相变散热装置140；
所述功率基板包括直流正极功率基板110及直流负极功率基板120，直流正极功率基板110及直流负极功率基板120通过回流焊的方式焊接于底部基板100上。第一相变散热装置130焊接于直流正极功率基板110上，第二相变散热装置140焊接于直流负极功率基板120上。第一功率半导体芯片210、第二功率半导体芯片220、第三功率半导体芯片230焊接于第二相变散热装置140上，第一功率半导体芯片210、第二功率半导体芯片220、第三功率半导体芯片230构成模块的下桥臂；第四功率半导体芯片240、第五功率半导体芯片250及第六功率半导体芯片260焊接于第一相变散热装置130上，第四功率半导体芯片240、第五功率半导体芯片250及第六功率半导体芯片260构成模块的上桥臂，第一驱动PCB板301及第二驱动PCB板302通过螺丝分别直接固定在第一相变散热装置130及第二相变散热装置140上。
参考图4及图5，第二直流功率端子402经直流正极功率基板110及第一相变散热装置130与第一直流电线路270的一端相连接，第一直流电线路270的另一端与第一直流电支路271的一端、第二直流电支路272的一端及第三直流电支路273的一端相连接，第一直流电支路271的另一端、第二直流电支路272的另一端及第三直流电支路273的另一端分别与第四功率半导体芯片240的一端、第五功率半导体芯片250的一端、第六功率半导体芯片260的一端相连接，第四功率半导体芯片240的另一端、第五功率半导体芯片250的另一端及第六功率半导体芯片260的另一端均与交流电支路280的一端相连接，交流电支路280的另一端与第一交流功率端子403及第二交流功率端子404相连接。
第一交流功率端子403及第二交流功率端子404与第二直流电线路274的一端相连接，第二直流电线路274的另一端与第四直流电支路275的一端、第五直流电支路276的一端及第六直流电支路277的一端相连接，第四直流电支路275的另一端、第五直流电支路276的另一端及第六直流电支路277的另一端分别与第一功率半导体芯片210的一端、第二功率半导体芯片220的一端及第三功率半导体芯片230的一端相连接，第一直流功率端子401与第一功率半导体芯片210的另一端、第二功率半导体芯片220的另一端及第三功率半导体芯片230的另一端相连接，为方便与外部端子固定，第一直流功率端子401、第二直流功率端子402，第一交流功率端子403、第二交流功率端子404分别通过第一螺母405、第二螺母406、第三螺母407及第四螺母408镶嵌于外壳400中。
参考图6，直流正极功率基板110包括自上到下依次分布的第一上表面导电金属基板111、第一绝缘介质基板112及第一下表面导电金属基板113；直流负极功率基板120包括第二上表面导电金属基板121、第三上表面导电金属基板122、第二绝缘介质基板123及第二下表面导电金属基板124，第二上表面导电金属基板121、第二绝缘介质基板123及第二下表面导电金属基板124自上到下依次分布，第二直流功率端子402连接于第一上表面导电金属基板111上，第一直流功率端子401连接于第三上表面导电金属基板122上。
参考图7，第一驱动PCB板301及第二驱动PCB板302分别通过第一螺丝320、第二螺丝321、第三螺丝322及第四螺丝323固定在第一支撑铜柱324、第二支撑铜柱325、第三支撑铜柱326及第四支撑铜柱327上。第一支撑铜柱324、第二支撑铜柱325、第三支撑铜柱326及第四支撑铜柱327的下端均通过螺纹固定于底部基板100上。第一驱动PCB板301上设置有第一栅极通路与第一源极通路；其中，第一栅极通路通过第一导电金属线245、第二导电金属线255及第三导电金属线265分别与第四功率半导体芯片240、第五功率半导体芯片250及第六功率半导体芯片260的栅极相连接，第一源极通路通过第四导电金属线246、第五导电金属线256及第六导电金属线266分别连接到第四功率半导体芯片240、第五功率半导体芯片250及第六功率半导体芯片260的源极上，以形成驱动电路的开尔文连接。
第二驱动PCB板302上有第二栅极通路及第二源极通路；第二栅极通路通过第七导电金属线215、第八导电金属线225、第九导电金属线235分别连接到第一功率半导体芯片210、第二功率半导体芯片220及第三功率半导体芯片230的栅极上，第二源极通路通过第十导电金属线216、第十一导电金属线226、第十二导电金属线236分别连接到第一功率半导体芯片210、第二功率半导体芯片220及第三功率半导体芯片230的源极上，以形成驱动电路的开尔文连接，其中，第一驱动端子311及第三驱动端子313与第一栅极通路相连；第二驱动端子312及第四驱动端子314与第一源极通路相连；第五驱动端子315及第七驱动端子317与第二栅极通路相连；第六驱动端子316及第八驱动端子318与第二源极通路相连。
第一相变散热装置130及第二相变散热装置140均包括金属上盖131及金属下盖134，金属上盖131与金属下盖134相扣合，以形成真空腔体，金属上盖131为蒸发面，金属下盖134为冷凝面。腔体内部注有工作流体，烧结金属粉末制成的多孔隙疏松网状结构132位于金属上盖131与金属下盖134之间，为冷凝的工作流体从冷凝面向蒸发面流动提供通路。金属支柱133位于所述真空腔体内，且金属支柱133与金属下盖134相连接，起到强化整个相变散热装置的结构的作用。
Claims (7)
1.一种直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，其特征在于，包括上桥臂、下桥臂、底部基板(100)、外壳(400)、功率基板、驱动PCB板系统及相变散热装置，其中，外壳(400)扣合并固定于底部基板(100)上，功率基板固定于底部基板(100)上，相变散热装置固定于功率基板上，上桥臂、下桥臂及驱动PCB板系统均固定于相变散热装置上；
驱动PCB板系统包括第一驱动PCB板(301)及第二驱动PCB板(302)；相变散热装置包括第一相变散热装置(130)及第二相变散热装置(140)；功率基板包括直流正极功率基板(110)及直流负极功率基板(120)；下桥臂包括第一功率半导体芯片(210)、第二功率半导体芯片(220)及第三功率半导体芯片(230)；下桥臂包括第四功率半导体芯片(240)、第五功率半导体芯片(250)及第六功率半导体芯片(260)；
直流正极功率基板(110)及直流负极功率基板(120)焊接于底部基板(100)上；
第一相变散热装置(130)焊接于直流正极功率基板(110)上，第二相变散热装置(140)焊接于直流负极功率基板(120)上；第一功率半导体芯片(210)、第二功率半导体芯片(220)及第三功率半导体芯片(230)焊接于第二相变散热装置(140)；第四功率半导体芯片(240)、第五功率半导体芯片(250)及第六功率半导体芯片(260)焊接于第一相变散热装置(130)上；
第一驱动PCB板(301)固定于第一相变散热装置(130)上，第二驱动PCB板(302)固定于第二相变散热装置(140)上。
2.根据权利要求1所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，其特征在于，还包括第一直流电线路(270)、第一直流电支路(271)、第二直流电支路(272)、第三直流电支路(273)及交流电支路(280)；外壳(400)上设置有第二直流功率端子(402)、第一交流功率端子(403)及第二交流功率端子(404)；
第二直流功率端子(402)经直流正极功率基板(110)及第一相变散热装置(130)与第一直流电线路(270)的一端相连接，第一直流电线路(270)的另一端与第一直流电支路(271)的一端、第二直流电支路(272)的一端及第三直流电支路(273)的一端相连接，第一直流电支路(271)的另一端、第二直流电支路(272)的另一端及第三直流电支路(273)的另一端分别与第四功率半导体芯片(240)的一端、第五功率半导体芯片(250)的一端、第六功率半导体芯片(260)的一端相连接，第四功率半导体芯片(240)的另一端、第五功率半导体芯片(250)的另一端及第六功率半导体芯片(260)的另一端均与交流电支路(280)的一端相连接，交流电支路(280)的另一端与第一交流功率端子(403)及第二交流功率端子(404)相连接。
3.根据权利要求2所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，其特征在于，还包括第二直流电线路(274)、第四直流电支路(275)、第五直流电支路(276)及第六直流电支路(277)；外壳(400)上设置有第一直流功率端子(401)；
第一交流功率端子(403)及第二交流功率端子(404)与第二直流电线路(274)的一端相连接，第二直流电线路(274)的另一端与第四直流电支路(275)的一端、第五直流电支路(276)的一端及第六直流电支路(277)的一端相连接，第四直流电支路(275)的另一端、第五直流电支路(276)的另一端及第六直流电支路(277)的另一端分别与第一功率半导体芯片(210)的一端、第二功率半导体芯片(220)的一端及第三功率半导体芯片(230)的一端相连接，第一直流功率端子(401)与第一功率半导体芯片(210)的另一端、第二功率半导体芯片(220)的另一端及第三功率半导体芯片(230)的另一端相连接。
4.根据权利要求3所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，其特征在于，第一直流功率端子(401)、第二直流功率端子(402)、第一交流功率端子(403)、第二交流功率端子(404)分别与第一螺母(405)、第二螺母(406)、第三螺母(407)及第四螺母(408)镶嵌于外壳(400)中。
5.根据权利要求1所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，其特征在于，直流正极功率基板(110)包括自上到下依次分布的第一上表面导电金属基板(111)、第一绝缘介质基板(112)及第一下表面导电金属基板(113)，第二直流功率端子(402)连接于第一上表面导电金属基板(111)上。
6.根据权利要求3所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，其特征在于，直流负极功率基板(120)包括第二上表面导电金属基板(121)、第三上表面导电金属基板(122)、第二绝缘介质基板(123)及第二下表面导电金属基板(124)，第二上表面导电金属基板(121)、第二绝缘介质基板(123)及第二下表面导电金属基板(124)自上到下依次分布，第一直流功率端子(401)连接于第三上表面导电金属基板(122)上。
7.根据权利要求1所述的直接集成相变散热的碳化硅功率模块封装结构，其特征在于，第一相变散热装置(130)及第二相变散热装置(140)均包括多孔隙疏松网状结构(132)、金属上盖(131)及金属下盖(134)，金属上盖(131)与金属下盖(134)相扣合，以形成真空腔体，形成的腔体内部注有工作流体，烧结金属粉末制成的多孔隙疏松网状结构(132)位于金属上盖(131)与金属下盖(134)之间，金属支柱(133)位于所述真空腔体内，且金属支柱(133)与金属下盖(134)相连接。
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