CN116314062A - 一种高可靠性低电感的功率模块封装结构 - Google Patents

一种高可靠性低电感的功率模块封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高可靠性低电感的功率模块封装结构，其包括：一封装壳体，包括第一表面及第二表面，其中所述第一表面及所述第二表面分别位于所述封装壳体的上侧及下侧；一基板，封装于所述封装壳体内并平行于所述第一表面及所述第二表面，其中所述基板上设置有至少一功率组件；以及多个吸收端子，设置于所述第一表面上，并分别连接至所述封装壳体内的所述至少一功率组件的一第一电源端及一第二电源端；其中所述多个吸收端子以焊接或粘结而耦接一吸收电路，所述吸收电路用来消除所述多个吸收端子连接所述至少一功率组件所产生的一内部电感以及所述第一电源端及所述第二电源端连接一外部电源所产生的一外部电感。

Description

一种高可靠性低电感的功率模块封装结构
技术领域
本申请涉及一种功率模块封装结构，尤其涉及一种高可靠性低电感的功率模块封装结构。
背景技术
能源危机、气候变迁等因素使得科技界及工业界努力发展以可再生能源替代石化能源的技术，这些技术都需借助功率模块来执行电能的转换。例如：太阳能发电过程中光伏发电板产生直流电，变换成频率和幅值固定的交流电，最后连接到电网。又例如：电动汽车的功率模块将电池的直流电变换为频率和幅值可以调节的交流电以驱动电机的输出扭矩。
功率半导体器件是功率模块的核心部件，负责电路的开通和关断。例如图1是电平三相全桥电机驱动器电路，其中Q1～Q6是功率半导体器件，常用的功率半导体有绝缘栅双极晶体管(IGBT)、硅场效晶体管(Si MOSFET)及碳化硅场效晶体管(SiC MOSFET)。功率半导体器件在关断电流时的电流变化会在电路的寄生电感上产生电压尖峰，电压尖峰可能会击穿功率半导体器件或是造成电磁干扰使得电路无法正常工作。此外，寄生电感上所存储的能量会以热的形式消耗，使得电路的效率降低。因此，减小电路的寄生电感便成为业界关注的课题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率模块封装结构，以解决上述问题。
为解决上述问题，本发明的一方面提供了一种，功率模块封装结构，其特征在于，包括：一封装壳体，包括一第一表面及一第二表面，其中所述第一表面及所述第二表面分别位于所述封装壳体的上侧及下侧；一基板，封装于所述封装壳体内并平行于所述第一表面及所述第二表面，其中所述基板上设置有至少一功率元件；以及多个吸收端子，设置于所述第一表面上，并分别连接至所述封装壳体内的所述至少一功率元件的一第一电源端及一第二电源端；其中所述多个吸收端子以焊接或粘结而耦接一吸收电路，所述吸收电路用来消除所述多个吸收端子连接所述至少一功率元件所产生的一内部电感以及所述第一电源端及所述第二电源端连接一外部电源所产生的一外部电感。
附图说明
图1是电平三相全桥电机驱动器电路
图2是电平三相全桥电机驱动器电路1的多个寄生电感的示意图。
图3为本申请实施例功率模块的功率模块封装结构和等效电路图。
图4为本申请另一实施例功率模块的功率模块封装结构和等效电路图。
图5为本申请一实施例功率模块封装结构的切面图。
图6为本申请一实施例功率模块封装结构的切面图。
图7为本申请另一实施例功率模块封装结构的切面图。
附图标记：
1 电平三相全桥电机驱动器电路
10 功率模块
12 直流支撑电容
14 电池
16 电机
30、40、50、60、70 功率模块封装结构
32、42 等效电路图
52、54、62、72 切面图
302 封装壳体
304、404 吸收端子
306 信号端子
308 电源端子
具体实施方式
在说明书及后续的权利要求书当中使用了某些词汇来指代特定的组件。本领域中的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及后续的权利要求书并不以名称的差异来做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求书当中所提及的“包括”是开放式的用语，故应解释成“包括但不限定于”。以外，“耦接”一词在此是包括任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。
请参考图2，图2是电平三相全桥电机驱动器电路1的多个寄生电感的示意图。电平三相全桥电机驱动器电路1包括一功率模块10、一直流支撑电容12、一电池14以及一电机16。电平三相全桥电机驱动器电路1的运作为通常技术，在此不赘述。电平三相全桥电机驱动器电路1的多个寄生电感包含：直流支撑电容12的一电容内部电感Lc、功率模块10与直流支撑电容12和电池14连接所产生的一外部电感Lbus以及功率模块10封装产生的一内部电感Li。详细来说，功率模块10包含功率半导体器件Q1～Q6并封装于一第一封装壳体中，功率半导体器件Q1～Q6连接到第一封装壳体外部的一铜排会产生内部电感Li。当功率半导体器件Q1～Q6开通或关断时的电流变化会在内部电感Li上产生一电压尖峰，电压尖峰可能会击穿功率半导体器件Q1～Q6使得电平三相全桥电机驱动器电路1无法正常工作。类似地，电平三相全桥电机驱动器电路1运作时，外部电感Lbus和电容内部电感Lc也可能产生电压尖峰使得电平三相全桥电机驱动器电路1无法正常工作。此外，多个寄生电感上所存储的能量会以热的形式消耗，使得电平三相全桥电机驱动器电路1的效率降低。
为了解决复数个寄生电感造成三相全桥电机驱动器电路1无法正常工作或是效率降低的问题，可以在第一封装壳体内部设置一第一吸收电路，其用来消除第一封装壳体之外的外部电感Lbus和电容内部电感Lc以及第一封装壳体内的内部电感Li对电平三相全桥电机驱动器电路1造成的影响。详细来说，第一吸收电路可以是一解偶陶瓷电容，其耦接功率半导体器件Q1～Q6以及第一封装壳体之外的直流支撑电容12和电池14以消除第一封装壳体之外的外部电感Lbus和电容内部电感Lc以及第一封装壳体内的内部电感Li对电平三相全桥电机驱动器电路1造成的影响。然而，当解偶陶瓷电容是采灌封工艺封装于第一封装壳体内时，解偶陶瓷电容的陶瓷材料与灌封工艺使用的环氧树脂固化物可能因为第一封装壳体内的内部温度过高而产生可靠性风险。此外，因为解偶陶瓷电容封装于第一封装壳体内，解偶陶瓷电容的电容值无法根据实际电路运作而调整而产生匹配问题。
请参考图3，图3为本申请实施例功率模块10的功率模块封装结构30和等效电路图32。功率模块封装结构30包括一第二封装壳体302、一基板、多个吸收端子304、一信号端子306和多个电源端子308。第二封装壳体302包括一第一表面及一第二表面，其中第一表面及第二表面分别位于第二封装壳体302的上侧及下侧。至少一功率元件设置于基板上并封装于第二封装壳体302内，此外，基板可以平行于第一表面及第二表面。多个吸收端子304设置于第二封装壳体302的第一表面上，利用铜排耦接至第二封装壳体302内至少一功率元件的第一电源端和第二电源端。信号端子306和多个电源端子308设置于第二封装壳体302外，换言之，不限于设置于第二封装壳体302的上侧、下侧或四周。信号端子306利用铜排耦接至第二封装壳体302内至少一功率元件的一信号端，多个电源端子308利用铜排耦接至第二封装壳体302内至少一功率元件的第一电源端和第二电源端。需注意地，图3为功率模块封装结构30的上视图，因此仅示出第一表面，而第二表面及基板分别为于模块封装结构30的下侧和内侧。
详细来说，当多个电源端子308连接到一外部电源使得电平三相全桥电机驱动器电路1开始运作。电容内部电感Lc、外部电感Lbus以及内部电感Li可能造成三相全桥电机驱动器电路1无法正常工作或是效率降低的问题。为了解决此问题，多个吸收端子304以焊接或粘结而耦接一第二吸收电路，用来消除第二封装壳体之外的外部电感Lbus和电容内部电感Lc以及第二封装壳体内的内部电感Li对电平三相全桥电机驱动器电路1造成的影响。例如，请参考图3的等效电路图32，至少一功率元件可以是第一晶体管QH和第二晶体管QL组成的功率模块10。第二吸收电路可以是解偶陶瓷电容，其耦接至少一功率元件的第一电源端和第二电源端。在一实施例中，解偶陶瓷电容的电容值可以大于1μF，在第一晶体管QH和第二晶体管QL开通或关断的过程中，高频的电流分量主要由解偶陶瓷电容提供，因此内部电感Li和外部电感Lbus的电流变化减小，而多个寄生电感引起的电压尖峰也跟着变小。因此解决了多个寄生电感造成三相全桥电机驱动器电路1无法正常工作或是效率降低的问题。此外，解偶陶瓷电容设置于第二封装壳体外的第一表面，因此解偶陶瓷电容的电容值可以根据实际电路运作而调整而避免了匹配问题。
请参考图4，图4为本申请另一实施例功率模块10的功率模块封装结构40和等效电路图42。功率模块封装结构40与功率模块封装结构30的差异是多个吸收端子404利用铜排另耦接至第二封装壳体302内至少一功率元件的信号端。多个吸收端子404以焊接或粘结而耦接一第三吸收电路，用来消除第二封装壳体302之外的外部电感Lbus和电容内部电感Lc以及第二封装壳体内的内部电感Li对电平三相全桥电机驱动器电路1造成的影响。例如，请参考图4的等效电路图42，至少一功率元件可以是第一晶体管QH和第二晶体管QL组成的功率模块10。第四吸收电路可以包括一第一解耦电容、一第二解耦电容、一第一电阻以及一第二电阻，其中第一解耦电容串连第一电阻并通过多个吸收端子耦接于第一电源端以及信号端之间；第二解耦电容串连第二电阻，通过多个吸收端子耦接于第二电源端以及信号端之间。在一实施例中，在第一晶体管QH和第二晶体管QL开通或关断的过程中，高频的电流分量主要由第一解耦电容和第二解耦电容提供，因此内部电感Li和外部电感Lbus的电流变化减小，而多个寄生电感引起的电压尖峰也跟着变小。第一电阻和第二电阻可以避免电路震荡并且减小多个寄生电感引起的电压尖峰。因此解决了多个寄生电感造成三相全桥电机驱动器电路1无法正常工作或是效率降低的问题。此外，第四吸收电路设置于第二封装壳体外的第一表面，因此第四吸收电路电容值或电阻值可以根据实际电路运作而调整而避免了匹配问题。需注意地，本领域技术人员可根据所需，适当增加第四吸收电路的其他元件，如二极管，而不限于此。
请参考图5，图5为本申请一实施例功率模块封装结构的切面图。功率模块封装结构50的切面处的切面可以是一切面图52或一切面图54。在一实施例中，多个吸收端子与至少一功率元件处于一相对位置，使得内部电感Li最小。例如，切面图52或切面图54中的多个吸收端子皆与基板上的至少一功率元件相邻，使得内部电感Li最小。在另一实施例中，多个吸收端子设置于低于、等于或高于第一表面的位置。例如，切面图52中，多个吸收端子设置于低于第一表面的位置，因此，当吸收电路焊接或粘结于多个吸收端子上时也可能低于第一表面。切面图54中，多个吸收端子设置于等于第一表面的位置，因此，当吸收电路焊接或粘结于多个吸收端子上时会高于第一表面。关于多个吸收端子设置于高于第一表面的位置，可据此类推，在此不再赘述。
请参考图6至图7，图6至图7为本申请另一实施例功率模块封装结构的切面图。功率模块封装结构60的封装壳体是一单面冷却模块，功率模块封装结构60的切面处的切面可以是一切面图62，散热面设置于封装壳体的第二表面上。功率模块封装结构70的封装壳体是一双面冷却模块，功率模块封装结构70的切面处的切面可以是一切面图72，散热面设置于封装壳体的第一表面和第二表面上。
综上所述，本申请实施例在封装壳体的第一表面上设置多个吸收端子，吸收电路焊接或粘结于多个吸收端子上，解决了多个寄生电感造成三相全桥电机驱动器电路1无法正常工作或是效率降低的问题。此外，根据实际电路运作可以调整吸收电路的元件而避免了匹配问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功率模块封装结构，其特征在于，包括：
封装壳体，包括第一表面及第二表面，其中所述第一表面及所述第二表面分别位于所述封装壳体的上侧及下侧；
基板，封装于所述封装壳体内并平行于所述第一表面及所述第二表面，其中所述基板上设置有至少一功率组件；以及
多个吸收端子，设置于所述第一表面上，并分别连接至所述封装壳体内的所述至少一功率组件的第一电源端及一第二电源端；
其中所述多个吸收端子以焊接或粘结而耦接一吸收电路，所述吸收电路用来消除所述多个吸收端子连接所述至少一功率组件所产生的内部电感以及所述第一电源端及所述第二电源端连接一外部电源所产生的外部电感。
2.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述吸收电路包括解耦电容，所述解耦电容通过所述多个吸收端子耦接于所述第一电源端以及所述第二电源端之间。
3.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述多个吸收端子另连接至该封装壳体内的该至少一功率组件的一信号端。
4.根据权利要求3所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述吸收电路包括：
第一解耦电容串连第一电阻，通过所述多个吸收端子耦接于所述第一电源端以及所述信号端之间；以及
第二解耦电容串连第二电阻，通过所述多个吸收端子耦接于所述第二电源端以及所述信号端之间。
5.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述多个吸收端子与至少一功率组件处于一相对位置，使得所述内部电感最小。
6.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述多个吸收端子设置于低于，等于或高于所述第一表面。
7.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述封装壳体是单面冷却模块或双面冷却模块。
8.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述至少功率组件为绝缘栅双晶体管以及碳化硅晶体管的至少其一。
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CN206976342U (zh) * 2017-08-03 2018-02-06 张�浩 一种低寄生电感功率模块的封装结构
WO2019163114A1 (ja) * 2018-02-25 2019-08-29 新電元工業株式会社 パワーモジュール及びスイッチング電源
CN113497014B (zh) * 2020-03-21 2022-06-07 华中科技大学 一种多芯片并联的功率模块的封装结构及封装方法

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