CN116435264B - 功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率半导体模块，变换电路，所述变换电路由至少一个半导体开关器件构成；IMS，IMS包括：图形层、绝缘层和金属层，图形层包括至少一个金属箔片区域，半导体开关器件焊接在金属箔片区域中；金属线，用于实现图形层中的电气连接；外壳，四周具有多个规律排布的金属键合端子，外壳的金属键合端子与图形层的金属键合端子通过超声波键合的方式进行键合，外壳内部注入硅凝胶，外壳通过硅橡胶与IMS粘连。本发明采用IMS作为产品基板，可以使变换电路的走线更加自由，且可以扩展固定尺寸中的电路可用面积，从而可以在同体积尺寸的模块内部封装更高功率的芯片，并且降低了逆变回路各相的杂散电感及各相之间的差异。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种功率半导体模块。
背景技术
目前，功率半导体模块通常采用DBC（Direct Bonding Copper，覆铜陶瓷基板）焊接在铜基板上的方案。目前，DBC的尺寸具有一定的限制，主要原因是：1、由于焊接技术受限，如果DBC尺寸过大，会使焊接时焊料中的气孔不易排出，造成DBC和铜板间焊料的空洞；2、陶瓷本身物理特性较脆，如果DBC尺寸过大，而基板本身存在的弧度，会使模块在安装时DBC开裂，导致模块的绝缘耐压不良。上述原因使得半导体功率模块功率密度受限。
相关技术中，为了满足功率半导体模块的功率需求，功率半导体模块封装一般采用多块DBC焊接，并使用键合铝丝实现DBC间电气互联，该方式不仅会导致功率半导体模块的体积增大，不符合功率半导体小型化的发展趋势，并且，由于键合铝丝由于其形状为圆拱形，会造成以下问题：1、在DBC之间引入了较大的杂散电感，使得模块中逆变部分的换流回路U、V、W三相的回路电感不一致，在某主流模块中，三相回路最大值与最小值之前相差达到83.4%；2、模块内正负母线间的杂散电感较大。上述两个问题会导致功率半导体模块的关断损耗增加，关断时尖峰电压升高，甚至会击穿芯片。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种功率半导体模块。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提出了一种功率半导体模块，包括：变换电路，所述变换电路由至少一个半导体开关器件构成；IMS（Insulated Metal Substrate，绝缘金属基板），所述IMS包括：图形层、绝缘层和金属层，所述图形层包括至少一个金属箔片区域，所述半导体开关器件焊接在所述金属箔片区域中，所述绝缘层设置在所述图形层和所述金属层之间；金属线，所述金属线用于通过超声波键合的方式实现所述IMS的图形层中的电气连接；外壳，所述外壳的四周具有多个规律排布的金属键合端子，所述外壳的金属键合端子与所述图形层的金属键合端子通过超声波键合的方式进行键合，所述外壳内部注入硅凝胶，所述外壳通过硅橡胶与所述IMS粘连。
本发明上述提出的功率半导体模块还具有如下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述变换电路包括：整流电路，所述整流电路包括多个整流二极管；刹车电路，所述刹车电路包括：FRD（Fast Recovery Diode，快恢复二极管）和一个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）；逆变电路，所述逆变电路包括多个IGBT和多个FRD，所述逆变电路的输入端与所述刹车电路相连；NTC（Negative Temperature Coefficient，负温度系数）热敏电阻。
根据本发明的一个实施例，所述IMS为矩形，且所述IMS的四角分别有圆弧形打断带。
根据本发明的一个实施例，所述金属箔片区域包括：整流芯片焊接区，所述整流芯片焊接区包括上整流芯片焊接区和下整流芯片焊接区，所述上整流芯片焊接区设置在所述图形层的右上方，所述下整流芯片焊接区设置在所述上整流芯片焊接区下方，所述上整流芯片焊接区的中部焊接整流电路的上桥臂，所述下整流芯片焊接区的上方焊接整流电路的下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂之间通过金属线电连接，所述上整流芯片焊接区的右侧与外壳右侧的N键合端子键合，所述上整流芯片焊接区的上侧与所述外壳上侧的R、S、T键合端子键合，所述下整流芯片焊接区的下侧延伸至所述图形层的右侧且与外壳右侧的P键合端子键合；刹车芯片焊接区，所述刹车芯片焊接区设置在所述下整流芯片焊接区的下方且位于所述图形层的右侧下端，所述刹车芯片焊接区的中部用于焊接刹车电路的IGBT，所述刹车芯片焊接区的下端延伸至图形层的下侧且与所述外壳下侧的DB键合端子键合；逆变芯片焊接区，所述逆变芯片焊接区包括：上逆变芯片焊接区和下逆变芯片焊接区，上逆变芯片焊接区的左上部延伸至所述图形层的左上部，上逆变芯片焊接区的右下部延伸至所述刹车芯片焊接区的左侧，所述上逆变芯片焊接区的上部用于焊接逆变电路的上桥臂，所述上逆变芯片焊接区的右下部用于焊接刹车电路的FRD，所述上逆变芯片焊接区的右下部和所述外壳的下侧的DC+键合端子键合，从上逆变芯片焊接区左上边缘延伸至所述刹车芯片焊接区左侧作为逆变回路正极母线，所述下逆变芯片焊接区位于所述上逆变芯片焊接区的下方，所述下逆变芯片焊接区包括第一至第三下逆变芯片焊接区，所述第一至第三下逆变芯片焊接区区的中部用于分别焊接所述逆变电路的三个下桥臂，第一下逆变芯片焊接区的上部与上逆变芯片焊接区中焊接的一个上桥臂键合连接，第一下逆变芯片焊接区的左侧延伸至所述图形层的左侧且与外壳左上侧的U键合端子键合，第二、第三下逆变芯片焊接区的上部分别与上逆变芯片焊接区的一个上桥臂连接，然后向上分别过渡键合后与外壳上侧的V、W键合端子键合，第一下逆变芯片焊接区的左下方延伸至所述图形层的下侧，且其中焊接IGBT芯片栅极与外壳左下侧的G2键合端子键合，第二、第三下逆变芯片焊接区的下方延伸至所述图形层的下侧，且其中焊接IGBT芯片栅极分别过渡键合后与外壳下侧的G4、G6键合端子键合；第三过渡走线区，所述第三过渡走线区的右侧靠近所述刹车芯片焊接区，且与刹车芯片焊接区上焊接的IGBT的栅极互连，所述第三过渡走线区的左侧与外壳下侧的GB金属键合端子键合；NTC焊接区，所述NTC热敏电阻焊接在所述NTC焊接区的右侧，所述NTC焊接区的左侧与外壳左侧的T1和T2金属键合端子键合。）
根据本发明的一个实施例，刹车芯片焊接区、整流芯片焊接区和所述逆变芯片焊接区上的芯片焊接区和金属线键合区之间具有条形挖槽。
根据本发明的一个实施例，所述金属线采用纯铝、铝合金、铝包铜和纯铜中的一种材质。
根据本发明的一个实施例，所述外壳采用高电绝缘的热塑材料。
本发明的有益效果：
采用IMS作为产品基板，可以使变换电路的走线更加自由，扩展固定尺寸中的电路可用面积，从而可以在同体积尺寸的模块内部封装更高功率芯片，提高了模块的功率密度，符合功率半导体小型化的发展趋势。
可以避免铝丝互连，降低逆变回路各相的杂散电感及各相之间的差异，从而降低功率半导体模块关断时的损耗和尖峰电压，减小产品过压击穿的风险，增强产品长期可靠性。逆变电路的上桥由一块金属箔片实现，避免了线路交叉重叠，降低了逆变回路正极母线的杂散电感和各相的杂散电感及各相之间的差异，逆变电路的负极母线采用一块金属箔片实现，可避免负极母线上铝丝互连和线路交叉重叠，降低了逆变回路负极母线的杂散电感。由此，可以大大降低整个功率模块的杂散电感和各相之间的杂散电感差异。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的功率半导体模块的侧视剖面放大图；
图2是根据本发明一个实施例的功率半导体模块的俯视图；
图3是根据本发明一个实施例的功率半导体模块的开盖俯视图；
图4是根据本发明一个实施例的变换电路的电路拓扑图；
图5是根据本发明一个实施例的图形层的金属箔片区域的布局示意图。
具体实施方式
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明一个实施例的功率半导体模块的侧视剖面放大图，图2是根据本发明一个实施例的功率半导体模块的俯视图，图3是根据本发明一个实施例的功率半导体模块的开盖俯视图。如图1-3所示，功率半导体模块包括：变换电路10、IMS、金属线600和外壳700。
其中，变换电路10由至少一个半导体开关器件构成；IMS包括：图形层510、绝缘层520和金属层530，图形层500包括至少一个金属箔片区域，半导体开关器件焊接在金属箔片区域中，绝缘层520设置在图形层510和金属层530之间；金属线600用于通过超声波键合的方式实现IMS的图形层510上的电气连接；外壳700的四周具有多个规律排布的金属键合端子，外壳600的金属键合端子与图形层510的金属键合端子通过超声波键合的方式进行键合，外壳700内部注入硅凝胶，外壳的盖板720通过硅橡胶与IMS粘连。
具体地，变换电路10上的半导体开关器件通过芯片下焊料400焊接在IMS的图形层510，其中，芯片下焊料400可以采用SnAg、SnSb、SnAgCu等含Sn的材料，或使用更高可靠性和更高热导率的银浆、铜浆等，焊接时最高温度通常设定在200~500℃之间，焊接时的压力通常设定在0~100KPa之间。
IMS整体呈现矩形，通常由三层结构组成，其中上层为图形层510，为无氧铜或带Ag、Ni、Pd、Au等抗氧化的金属镀层的无氧铜材料，并在供应商处蚀刻，形成模块所需的图形（图5中的金属箔片区域511~5119）；中间层为绝缘层520，使用环氧树脂混合氮化硼、氧化铍、氧化铝等无机物粉末，起上下金属层之间的绝缘作用；下层为金属层530，一般也为无氧铜或带Ag、Ni、Pd、Au等抗氧化的金属镀层的无氧铜材料，通常较上层更厚，在安装使用中起结构支撑和与散热器接触散热的作用。
金属线600优选的采用纯铝、铝合金、铝包铜、纯铜等材质通过超声波键合的方式图形层510中半导体开关器件的栅极和金属箔片互连、半导体开关器件的功率区域和金属箔片区域互连、不同金属箔片区域之间的互连、金属箔片区域和外壳金属键合端子的互连。
外壳700优选的采用PBT、PPS等耐高温的高电绝缘的热塑材料。金属键合端子包括功率端子和信号端子，功率端子优选的采用裸铜、铜镀金或铜镀镍等材料。功率端子和信号端子按照设定的规律排布在外壳700的周边，可以通过注塑的方式将金属键合端子固定在外壳700中。如图2所示，金属键合端子可以包括：DC+、DC-、N、P、R、S、T、DB、U、V、W、T1、T2、G1~G6、GB、S1和S2，T1和T2分别表示热敏电阻两端的导电引脚，DC+、DC-、N、P、R、S、T、DB、U、V和W表示不同的半导体开关器件相应的功率端子，G1~G6、GB、S1和S2分别表示不同的半导体开关器件相应的信号端子。
将外壳700和IMS通过硅橡胶粘连，再将外壳上规律排列的金属键合端子和IMS上的金属箔片区域和半导体开关器件通过超声波键合机进行金属丝600互连。最后在外壳700内部注入足以覆盖功率半导体内部图形层510的硅凝，以提高各元器件之间的电绝缘性能。最后将外壳的盖板720与IMS粘连使用硅橡胶粘连，起到防护作用。
由此，本发明实施例上述的功率半导体模块，采用IMS作为产品基板，可以使变换电路的走线更加自由，扩展固定尺寸中的电路可用面积，从而可以在同体积尺寸的模块内部封装更高功率芯片，提高了模块的功率密度，符合功率半导体小型化的发展趋势。
根据本发明的一个实施例，IMS为矩形，且IMS的四角分别有圆弧形打断带。将IMS为安装孔处的绝缘层与金属箔片区域（主功率部分）的绝缘层分隔。安装及安装后使用过程中，由于应力集中，安装孔处绝缘层可能出现裂纹，圆弧形打断带可保证裂纹不向金属箔片区域延伸，避免造成绝缘耐压不良。
根据本发明的一个实施例，如图4所示，变换电路10可以包括：整流电路100、刹车电路200、逆变电路300和NTC热敏电阻1000。其中，整流电路100包括多个整流二极管；刹车电路200包括：FRD和一个IGBT；逆变电路300包括多个IGBT和多个FRD，逆变电路的输入端与刹车电路相连；
具体地，整流电路100可以为桥式整流电路，逆变电路300可以为桥式逆变电路，逆变电路中的每个IGBT对应连接一个续流二极管，该续流二极管可以为FRD。NTC热敏电阻用于功率半导体模块的温度监测。图4中，T1和T2表示NTC热敏电阻1000两端的导电引脚，DC+、DC-、N、P、R、S、T、DB、U、V和W表示相应的功率端子，G1~G6、GB、S1和S2分别表示相应的信号端子。
为了进一步降低逆变回路的杂散电感及各相之间的差异，本发明还对图形层中的金属箔片区域（511~5119）的布局进行了具体的规划，如图5所示，图5是根据本发明一个实施例的图形层的金属箔片区域的布局示意图。金属箔片区域上具有铜箔和金属线键合区域，铜箔可以用于焊接芯片，金属线键合区域可以用于实现金属线之间的互连。
如图5所示，金属箔片区域包括：整流芯片焊接区511~514、刹车芯片焊接区515、逆变芯片焊接区516-519、逆变回路负极母线焊接区5112、第一过渡走线区5110-5111、第二过渡走线区5113-5114、铝丝跳线区5115-5116、第三过渡走线区5117、NTC焊接区5118-5119。
其中，整流芯片焊接区511~514包括上整流芯片焊接区511-513和下整流芯片焊接区514，上整流芯片焊接区511-513设置在图形层的右上方，下整流芯片焊接区514设置在上整流芯片焊接区511-513下方，上整流芯片焊接区511-513的中部焊接整流电路的上桥臂，下整流芯片焊接区514的上方焊接整流电路的下桥臂，上桥臂和下桥臂之间通过金属线电连接，上整流芯片焊接区511-513的右侧与外壳右侧的N键合端子键合，上整流芯片焊接区511-513的上侧与外壳上侧的R、S、T键合端子键合，下整流芯片焊接区514的下侧延伸至图形层的右侧且与外壳700右侧的P键合端子键合。
具体地，如图5所示，上整流芯片焊接区511-513位于整个图形层金属箔片区域的右上方，以利此铜箔上焊接的整流芯片与外壳700右侧N键合端子键合，511、512和513分别焊接整流电路100的上桥臂的三颗芯片，511、512和513金属箔片区域中间分别为芯片焊接区；511、512、513的上端分别延伸至键合端子下方，以利与外壳700对应的R、S、T键合端子键合，此处设有金属线键合区域，将此处和外壳相应端子之间使用金属线互连；下端也设有金属线键合区域，将此处和514金属箔片区域上焊接的整流芯片使用金属线互连。
下整流芯片焊接区514位于511-513下方，以利本区域焊接的芯片分别与511、512、513下端的金属键合区进行金属线互连，514的上端为芯片焊接区，用于整流芯片下桥臂的焊接，三颗下桥臂的整流芯片在此处均布焊接；514的下端延伸至图形层510的右侧，以利此处与外壳700右侧的P键合端子键合，514中设有金属线键合区域，将此处和外壳相应端子之间使用金属线互连，并将铜箔继续向下延伸，填满基板右侧区域，增强基板的结构强度并增加散热面积。
刹车芯片焊接区515位于下整流芯片焊接区514的下方且位于图形层510的右侧下端，刹车芯片焊接区514的中部用于焊接刹车电路的IGBT，刹车芯片焊接区515的下端延伸至图形层510的下侧且通过金属线键合区域与外壳下侧的DB键合端子键合。刹车芯片焊接区515的左侧设有金属线键合区域，将此处和516上焊接的刹车电路200的FRD互连。刹车芯片焊接区515与外壳下侧的DB键合端子键合时，将516下端的金属线键合区域和外壳DB键合端子之间使用金属线互连。
逆变芯片焊接区516-519包括：上逆变芯片焊接区516和下逆变芯片焊接区517-519，上逆变芯片焊接区516的左上部延伸至图形层510的左上部，上逆变芯片焊接区516的右下部延伸至刹车芯片焊接区515的左侧，上逆变芯片焊接区516的上部用于焊接逆变电路300的上桥臂，上逆变芯片焊接区516的右下部用于焊接刹车电路200的FRD，上逆变芯片焊接区516的右下部和外壳的下侧的DC+键合端子键合，从上逆变芯片焊接区516左上边缘延伸至刹车芯片焊接区515左侧作为逆变回路300正极母线，下逆变芯片焊接区517-519位于上逆变芯片焊接区516的下方，下逆变芯片焊接区包括第一下逆变芯片焊接区517、第二下逆变芯片焊接区518和第三下逆变芯片焊接区519，第一至第三下逆变芯片焊接区517-519的中部用于分别焊接逆变电路的三个下桥臂，第一下逆变芯片焊接区517的上部与上逆变芯片焊接区516中焊接的一个上桥臂键合连接，第一下逆变芯片焊接区517的左侧延伸至图形层的左侧且与外壳左上侧的U键合端子键合，第二、第三下逆变芯片焊接区518-519的上部分别与上逆变芯片焊接区516的一个上桥臂连接，然后向上分别过渡键合后与外壳上侧的V、W键合端子键合，第一下逆变芯片焊接区517的左下方延伸至图形层的下侧，且其中焊接IGBT芯片栅极与外壳左下侧的G2键合端子键合，第二、第三下逆变芯片焊接区518-519的下方延伸至图形层的下侧，且其中焊接IGBT芯片栅极分别过渡键合后与外壳下侧的G4、G6键合端子键合。
具体地，如图5所示，516焊接逆变电路300的上桥臂，可将逆变电路300上桥臂的3组IGBT和续流二极管均焊接于此，根据热仿真结果将芯片以热耦合作用最小的方式定位焊接。使用金属线分别将逆变电路300上桥臂的3组芯片与外壳端子以及逆变回路的下桥臂互连。由此，由于使用IMS作为产品基板，铜箔面积及走线更加自由，三相上桥臂之间母线由一块铜箔实现，避免了铝丝互连和线路交叉重叠，大大降低了逆变回路正极母线的杂散电和三相之间的杂散电感差异。
517、518、519金属箔片区域分别焊接逆变回路三相下桥臂的芯片，位于516下方，其中519延伸至图形层左侧，并填满图形层510左侧区域，增强图形层510的结构强度并增加散热面积。517、518和519中间分别为芯片焊接区域，分别焊接一个IGBT芯片和一个FRD芯片，517、518和519上端分别设有金属线键合区域，将此处和516中焊接的上桥臂的芯片互连，将517、518和519焊接的三相下桥臂的芯片与逆变回路负极母线焊接区5112分别键合，即将芯片连接至逆变回路负极母线。
逆变回路负极母线焊接区5112位于下逆变芯片焊接区517和518的右下方且与上逆变芯片焊接区516平行，逆变回路负极母线焊接区5112的右侧延伸至刹车芯片焊接区515的左侧且外壳右下侧的DC-、S1和S2金属键合端子键合。
具体地，如图5所示，5112为逆变回路负极母线金属箔片区域，尽量与516位置平行，电流方向相反，使正、负极母线电感尽量抵消，5112位于519右侧和517、518下方，右侧延伸至515下方，靠近DC-、S1、S2金属键合端子，填满图形层510下方区域，增强IMS的结构强度并增加散热面积。5112中各键合区域分别与516、517、518上焊接的下桥臂互连，右侧与刹车电路的IGBT连接，并与外壳上的信号端子S1、S2、功率端子DC-互连。由此，使用IMS作为产品基板，逆变回路的负极母线也为同一块铜箔且负极母线较长，可避免负极母线上铝丝互连和线路交叉重叠，降低了逆变回路负极母线的杂散电感。
第一过渡走线区5110-5111上端延伸至图形层510的上部且与所外壳上侧的V和W金属键合端子键合，第一过渡走线区5110和5111下端与上逆变芯片焊接区516焊接的逆变电路的上桥臂相连；第二过渡走线区5113-5114上端延伸至图形层的上部且与所外壳上侧的G3和G5金属键合端子键合，第二过渡走线区5113和5114右侧与上逆变芯片焊接区516焊接的逆变电路的上桥臂的栅极相连。第三过渡走线区5117的右侧靠近刹车芯片焊接区515，且与刹车芯片焊接区515上焊接的IGBT的栅极互连，第三过渡走线区5117的左侧与外壳下侧的GB金属键合端子键合；NTC热敏电阻焊接在NTC焊接区5118-5119的右侧，NTC焊接区5118-5119的左侧与外壳左侧的T1和T2金属键合端子键合。
具体地，如图5所示，铝丝跳线区5115-5116位于逆变回路负极母线焊接区5112下方且延伸至图形层510的最下方，铝丝跳线区5115-5116与外壳下侧的G4和G6金属键合端子键合。由于517、518上焊接的IGBT芯片栅极离外壳过远，金属线键合时，金属线以外壳作为起点，在第5115或第5116金属箔片区落点后再向芯片栅极区域走线。5118-5119右侧分别焊接NTC热敏电阻100的两端；5118-5119左侧为键合区域与外壳700对应端子T1和T2键合。
在本发明的实施例中，刹车芯片焊接区、整流芯片焊接区和逆变芯片焊接区上的芯片焊接区和金属线键合区之间具有条形挖槽，以防止芯片焊接过程中移位。
在本发明的实施例中，金属线600可以采用纯铝、铝合金、铝包铜、纯铜等材质通过超声波键合的方式将芯片的栅极和金属箔片互连、芯片的功率区域和功率金属箔片互连、不同功率金属箔片之间的互连、金属箔片和外壳端子的互连。
外壳700可以采用PBT（Poly Butylene Terephthalate，聚对苯二甲酸丁二酯）、PPS（Poly Phenylene Sulfide，醚类塑料）等耐高温的高电绝缘的热塑材料。金属键合端子优选的采用裸铜、铜镀金或铜镀镍等材料。多个金属键合端子将规律排布在外壳700的双侧，本发明实例中通过注塑的方式将金属键合端子固定在外壳700中。
本发明实例中的逆变电路可以选用100A1200V IGBT及FRD，刹车电路选用75A1200V IGBT及FRD，整流电路选用90A2200V芯片。根据使用需求，可以升档为：逆变电路选用150A1200V IGBT及FRD，刹车电路选用100A1200V IGBT及FRD，整流电路选用110A2200V芯片。即本发明可在原100A1200V 功率半导体模块的同样体积中，封装150A1200V 功率半导体模块，提高了模块的功率密度，符合功率半导体小型化的发展趋势。
综上，根据本发明实施例的功率半导体模块，采用IMS作为产品基板，可以使变换电路的走线更加自由，扩展固定尺寸中的电路可用面积，从而可以在同体积尺寸的模块内部封装更高功率芯片，提高了模块的功率密度，符合功率半导体小型化的发展趋势，并且可以避免铝丝互连，可以降低逆变回路各相的杂散电感及各相之间的差异，从而降低功率半导体模块关断时的损耗和尖峰电压，减小产品过压击穿的风险，增强产品长期可靠性。逆变电路的上桥由一块金属箔片实现，避免了线路交叉重叠，降低了逆变回路正极母线的杂散电感和各相的杂散电感及各相之间的差异，逆变电路的负极母线采用一块金属箔片实现，可避免负极母线上铝丝互连和线路交叉重叠，降低了逆变回路负极母线的杂散电感。由此，可以大大降低整个功率模块的杂散电感和各相之间的杂散电感差异。
在本发明的描述中，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一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，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。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。
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必针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种功率半导体模块，其特征在于，包括：
变换电路，所述变换电路由至少一个半导体开关器件构成；
IMS，所述IMS包括：图形层、绝缘层和金属层，所述图形层包括至少一个金属箔片区域，所述半导体开关器件焊接在所述金属箔片区域中，所述绝缘层设置在所述图形层和所述金属层之间；
金属线，所述金属线用于通过超声波键合的方式实现所述IMS的图形层上的电气连接；
外壳，所述外壳的四周具有多个规律排布的金属键合端子，所述外壳的金属键合端子与所述图形层的金属键合端子通过超声波键合的方式进行键合，所述外壳内部注入硅凝胶，所述外壳的盖板通过硅橡胶与所述IMS粘连；
其中，所述变换电路包括：整流电路，所述整流电路包括多个整流二极管；刹车电路，所述刹车电路包括：FRD和一个IGBT；逆变电路，所述逆变电路包括多个IGBT和多个FRD，所述逆变电路的输入端与所述刹车电路相连；NTC热敏电阻；所述IMS为矩形，且所述IMS的四角分别有圆弧形打断带；
所述金属箔片区域包括：
整流芯片焊接区，所述整流芯片焊接区包括上整流芯片焊接区和下整流芯片焊接区，所述上整流芯片焊接区设置在所述图形层的右上方，所述下整流芯片焊接区设置在所述上整流芯片焊接区下方，所述上整流芯片焊接区的中部焊接整流电路的上桥臂，所述下整流芯片焊接区的上方焊接整流电路的下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂之间通过金属线电连接，所述上整流芯片焊接区的右侧与外壳右侧的N键合端子键合，所述上整流芯片焊接区的上侧与所述外壳上侧的R、S、T键合端子键合，所述下整流芯片焊接区的下侧延伸至所述图形层的右侧且与外壳右侧的P键合端子键合；
刹车芯片焊接区，所述刹车芯片焊接区设置在所述下整流芯片焊接区的下方且位于所述图形层的右侧下端，所述刹车芯片焊接区的中部用于焊接刹车电路的IGBT，所述刹车芯片焊接区的下端延伸至图形层的下侧且与所述外壳下侧的DB键合端子键合；
逆变芯片焊接区，所述逆变芯片焊接区包括：上逆变芯片焊接区和下逆变芯片焊接区，上逆变芯片焊接区的左上部延伸至所述图形层的左上部，上逆变芯片焊接区的右下部延伸至所述刹车芯片焊接区的左侧，所述上逆变芯片焊接区的上部用于焊接逆变电路的上桥臂，所述上逆变芯片焊接区的右下部用于焊接刹车电路的FRD，所述上逆变芯片焊接区的右下部和所述外壳的下侧的DC+键合端子键合，从上逆变芯片焊接区左上边缘延伸至所述刹车芯片焊接区左侧作为逆变回路正极母线，所述下逆变芯片焊接区位于所述上逆变芯片焊接区的下方；
逆变回路负极母线焊接区，所述逆变回路负极母线焊接区位于所述下逆变芯片焊接区的右下方且与所述上逆变芯片焊接区平行，所述逆变回路负极母线焊接区的右侧延伸至所述刹车芯片焊接区的左侧且外壳右下侧的DC-、S1和S2金属键合端子键合。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述下逆变芯片焊接区包括第一至第三下逆变芯片焊接区，所述第一至第三下逆变芯片焊接区区的中部用于分别焊接所述逆变电路的三个下桥臂，第一下逆变芯片焊接区的上部与上逆变芯片焊接区中焊接的一个上桥臂键合连接，第一下逆变芯片焊接区的左侧延伸至所述图形层的左侧且与外壳左上侧的U键合端子键合，第二下逆变芯片焊接区、第三下逆变芯片焊接区的上部分别与上逆变芯片焊接区的一个上桥臂连接后，向上分别过渡键合后与外壳上侧的V、W键合端子键合，第一下逆变芯片焊接区的左下方延伸至所述图形层的下侧，且其中焊接IGBT芯片栅极与外壳左下侧的G2键合端子键合，第二下逆变芯片焊接区、第三下逆变芯片焊接区的下方延伸至所述图形层的下侧，且其中焊接IGBT芯片栅极分别过渡键合后与外壳下侧的G4、G6键合端子键合。
3.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，所述金属箔片区域还包括：
第一过渡走线区，所述第一过渡走线区上端延伸至所述图形层的上部且与所外壳上侧的V和W金属键合端子键合，所述第一过渡走线区下端与上逆变芯片焊接区焊接的逆变电路的上桥臂相连；
第二过渡走线区，所述第二过渡走线区上端延伸至所述图形层的上部且与所外壳上侧的G3和G5金属键合端子键合，所述第二过渡走线区右侧与上逆变芯片焊接区焊接的逆变电路的上桥臂的栅极相连；
铝丝跳线区，所述铝丝跳线区位于所述逆变回路负极母线焊接区下方且延伸至所述图形层的最下方，所述铝丝跳线区与外壳下侧的G4和G6金属键合端子键合；
第三过渡走线区，所述第三过渡走线区的右侧靠近所述刹车芯片焊接区，且与刹车芯片焊接区上焊接的IGBT的栅极互连，所述第三过渡走线区的左侧与外壳下侧的GB金属键合端子键合。
4.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征在于，所述金属箔片区域还包括：
NTC焊接区，所述NTC热敏电阻焊接在所述NTC焊接区的右侧，所述NTC焊接区的左侧与外壳左侧的T1和T2金属键合端子键合。
5.根据权利要求4所述的功率半导体模块，其特征在于，所述刹车芯片焊接区、所述整流芯片焊接区和所述逆变芯片焊接区上的芯片焊接区和金属线键合区之间具有条形挖槽。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述金属线采用纯铝、铝合金、铝包铜和纯铜中的一种材质。
7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述外壳采用高电绝缘的热塑材料。
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