CN117253866B - 功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置 - Google Patents

功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置 Download PDF

Info

Publication number
CN117253866B
CN117253866B CN202311540326.9A CN202311540326A CN117253866B CN 117253866 B CN117253866 B CN 117253866B CN 202311540326 A CN202311540326 A CN 202311540326A CN 117253866 B CN117253866 B CN 117253866B
Authority
CN
China
Prior art keywords
copper
power
substrate
radiator
ceramic substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202311540326.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117253866A (zh
Inventor
王晓
任真伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing Pingchuang Semiconductor Research Institute Co ltd
Shenzhen Pingchuang Semiconductor Co ltd
Original Assignee
Chongqing Pingchuang Semiconductor Research Institute Co ltd
Shenzhen Pingchuang Semiconductor Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing Pingchuang Semiconductor Research Institute Co ltd, Shenzhen Pingchuang Semiconductor Co ltd filed Critical Chongqing Pingchuang Semiconductor Research Institute Co ltd
Priority to CN202311540326.9A priority Critical patent/CN117253866B/zh
Publication of CN117253866A publication Critical patent/CN117253866A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117253866B publication Critical patent/CN117253866B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/467—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing gases, e.g. air
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H01L21/60—Attaching or detaching leads or other conductive members, to be used for carrying current to or from the device in operation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49811—Additional leads joined to the metallisation on the insulating substrate, e.g. pins, bumps, wires, flat leads

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明提供一种功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置，该结构包括：功率模块和散热器，其中，功率模块包括第一基板、功率芯片层和第二基板，功率芯片层焊接于第一基板和第二基板之间，散热器包括第一散热器与第二散热器；第一散热器通过第二基板焊接于功率芯片层的内侧，第二散热器通过第一基板焊接于功率芯片层的外侧，其中，第二散热器为液冷散热器，第一散热器为风冷散热器或液冷散热器，提高了功率模块的散热能力和可靠性。

Description

功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置。
背景技术
功率模块是一种高度集成的电子元件，用于实现高效、可靠的功率转换和控制，广泛应用于电气和电子的技术领域中。随着电子设备的日益普及和电力系统的不断发展，功率模块的封装结构也在不断升级和优化，为了满足电子设备在高温环境下高效率工作的要求，需要使功率模块的封装结构具备较强的散热能力，以在高温环境下长时间稳定运行，且减小所述功率模块的寄生参数，以降低功率模块的开关损耗，提高其效率。例如，电动汽车中，功率模块可以用于控制电动汽车中电动机的电力输入，对直流电池的电能进行转换以驱动电动机，因此，为了确保电动机具有高效的动力输出，需减小功率模块的寄生参数；另外，电动汽车的电池包含多个电池单体，功率模块还用于电动汽车的电池管理系统（Battery Management System，BMS）中，监测和管理每个电池单体的电压、电流和温度，以均衡各电池单体之间的能量分布，延长电池寿命和提高电池的性能，因此，为了确保功率模块能够在因电动汽车行驶而导致的高温度环境下稳定运行，功率模块封装结构的散热能力需要提高。
在相关技术中，功率模块的常用封装结构主要以键合线连接和铜基板封装为主，通过单面散热提高功率模块的散热能力，结构简单且成本低；同时，常用功率模块的封装结构仍存在散热能力差、寄生参数大和封装结构的空间利用率低的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置，以解决上述技术问题中的至少之一。
在第一方面，本发明提供了一种功率模块的三维封装结构，包括：功率模块和散热器，其中，所述功率模块包括第一基板、功率芯片层和第二基板，所述功率芯片层焊接于所述第一基板和所述第二基板之间，所述散热器包括第一散热器与第二散热器；所述第一散热器通过所述第二基板焊接于所述功率芯片层的内侧，所述第二散热器通过所述第一基板焊接于所述功率芯片层的外侧，其中，所述第二散热器为液冷散热器，所述第一散热器为风冷散热器或液冷散热器。
于本发明的一实施例中，所述功率模块的数量至少为三个，将各所述功率模块沿所述功率芯片层的外侧至内侧方向的任意相对两个侧面两两互连，围绕成中心对称且为正棱柱的三维封装结构。
于本发明的一实施例中，所述功率芯片层靠近所述三维封装结构中心的一侧为所述功率芯片层的内侧，所述功率芯片层远离所述三维封装结构中心的一侧为所述功率芯片层的外侧。
于本发明的一实施例中，所述第一基板包括从外至内依次堆叠的第一铜基板和第一覆铜陶瓷基板，所述第二基板包括从外至内依次堆叠的第二覆铜陶瓷基板和第二铜基板。
于本发明的一实施例中，所述第一铜基板的厚度低于所述第二铜基板的厚度。
于本发明的一实施例中，所述第一覆铜陶瓷基板和所述功率芯片层之间焊接有钼片。
于本发明的一实施例中，所述第一覆铜陶瓷基板和所述功率芯片层之间、所述第二覆铜陶瓷基板和所述功率芯片层之间采用第一焊剂进行焊接；所述第一覆铜陶瓷基板和所述第一铜基板之间、所述第二覆铜陶瓷基板和所述第二铜基板之间采用第二焊剂进行焊接，所述第二焊剂的熔点低于所述第一焊剂的熔点。
于本发明的一实施例中，所述功率模块的三维封装结构还包括外层连接铜块和内层连接铜块；其中，所述外层连接铜块用于将相邻两块所述第一铜基板焊接在一起，所述外层连接铜块固定于相邻两块所述第一铜基板边缘相交的边角区域，所述内层连接铜块用于将相邻两块所述第二铜基板焊接在一起，所述内层连接铜块固定于相邻两块所述第二铜基板边缘相交的边角区域。
于本发明的一实施例中，所述外层连接铜块和所述第一铜基板之间、所述内层连接铜块和所述第二铜基板之间、所述第二散热器和所述第一基板之间采用第三焊剂进行焊接，所述第三焊剂的熔点低于所述第二焊剂的熔点。
于本发明的一实施例中，在每一所述功率模块中，还包括设置于各所述功率模块同一侧面上的信号端子和功率端子，所述信号端子固定于所述第一覆铜陶瓷基板或所述第二覆铜陶瓷基板，所述功率端子的正极与负极错位连接所述第一覆铜陶瓷基板、所述第二覆铜陶瓷基板，以使所述功率端子的正极平行于所述功率端子的负极。
于本发明的一实施例中，所述功率模块的三维封装结构还包括外壳，所述外壳包括第一外壳和第二外壳，所述第一外壳和所述第二外壳分别粘接于所述三维封装结构镂空的两个侧面密封各所述功率模块所在两个侧面，以用于对各所述功率模块所在区域进行封装。
于本发明的一实施例中，所述第一外壳上设置有开孔，所述开孔包括灌胶孔和信号孔，所述灌胶孔用于对所述外壳内的各所述功率模块进行灌封，所述信号孔设置于所述信号端子和所述功率端子所对应的所述第一外壳上的位置。
在第二方面，本发明还提供了一种车辆电驱装置，所述车辆电驱装置集成有如上述实施例中所述的功率模块的三维封装结构。
在第三方面，本发明还提供了一种功率模块的三维封装方法，包括；提供第一覆铜陶瓷基板、第二覆铜陶瓷基板、第一铜基板、第二铜基板、功率芯片层、第一散热器、第二散热器、连接铜块、外壳、信号端子和功率端子，其中，所述功率芯片层包括多个功率芯片，所述第二散热器为液冷散热器，所述第一散热器为风冷散热器或液冷散热器；利用焊剂使所述第一覆铜陶瓷基板、所述功率芯片层和所述第二覆铜陶瓷基板依次堆叠，并将所述焊剂作为第一焊剂，所述功率芯片层至所述第二覆铜陶瓷基板的方向作为内侧，所述功率芯片层至所述第一覆铜陶瓷基板的方向作为外侧；利用第二焊剂将所述第一铜基板焊接于所述第一覆铜陶瓷基板的外侧，所述第二铜基板焊接于所述第二覆铜陶瓷基板的内侧，以形成功率模块，所述第二焊剂的熔点小于所述第一焊剂的熔点，所述功率模块的数量至少为三个；利用所述第二焊剂将所述第一散热器分别焊接于每一所述功率模块中所述第二铜基板的内侧；在每一所述功率模块中的所述第一覆铜陶瓷基板或所述第二覆铜陶瓷基板的同一侧面焊接有两个所述信号端子，两个所述信号端子的中间焊接有所述功率端子，其中，所述功率端子的正极和负极错位焊接于所述第一覆铜陶瓷基板和所述第二覆铜陶瓷基板，所述功率端子的负极和负极相互平行；利用第三焊剂将所述第二散热器焊接于每一所述功率模块中的所述第一铜基板的外侧，所述连接铜块焊接于相邻两个所述功率模块中相邻两块所述第一铜基板边缘相交的边角区域，和相邻两块所述第二铜基板边缘相交的边角区域，以使将各所述功率模块沿外侧至内侧方向的相对两个侧面两两互连，组成呈中心对称且为正棱柱的结构，所述第三焊剂的熔点低于所述第二焊剂的熔点；在每一所述功率模块中所述第一铜基板、所述第二铜基板和所述连接铜块各自上涂抹密封胶，以粘接所述外壳，使所述外壳覆盖全部所述功率模块所在区域，形成所述功率模块的三维封装结构；将与所述信号端子和所述功率端子在同一侧的所述外壳作为正面外壳，所述正面外壳在所述信号端子和所述功率端子对应位置设有信号孔；在所述正面外壳上设置灌胶孔，并从所述灌胶孔灌入灌封胶，直至所述灌封胶在各所述功率模块所在区域内的填充量达到预设填充阈值；对所述三维封装结构进行真空处理后等待灌封胶固化，并待灌封胶固化后，利用密封圈将所述灌胶孔密封，以完成各所述功率模块的封装。
本发明的有益效果：本发明提出了的一种功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置，该结构包括功率模块和散热器，其中，所述功率模块包括第一基板、功率芯片层和第二基板，所述功率芯片层焊接于所述第一基板和所述第二基板之间，所述散热器包括第一散热器与第二散热器；所述第一散热器通过所述第二基板焊接于所述功率芯片层的内侧，所述第二散热器通过所述第一基板焊接于所述功率芯片层的外侧。这样，使功率模块的内外两侧都焊接有散热器，提高了功率模块的散热能力，使功率模块能够在高温环境下稳定工作，可靠性高；另外，将焊接有散热器的多个功率模块沿功率芯片层的外侧至内侧方向的任意相对两个侧面两两相连，围绕组合成中心对称且为正棱柱的三维封装结构，提高了封装结构的空间利用率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术者来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明的一示例性实施例示出的功率模块的三维封装结构的侧面示意图；
图2是本发明的一示例性实施例示出的功率模块的剖面示意图；
图3是本发明的一示例性实施例示出的信号端子和功率端子位置的俯视图；
图4是本发明的一示例性实施例示出的封装后的三维封装结构的侧视图；
图5是本发明的一示例性实施例示出的功率模块真空处理的示意图；
图6是本发明的一示例性实施例示出的功率模块的三维封装方法的流程图；
其中，1-第二散热器；2-第一基板；3-功率芯片层；4-第二基板；5-第一散热器；6-外层连接铜块；7-内层连接铜块；8-第一铜基板；9-第一覆铜陶瓷基板；10-第二覆铜陶瓷基板；11-第二铜基板；12-信号端子；13-功率端子；14-灌胶孔；15-外壳；16-信号孔。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本发明实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的，在其他实施例中，以方框图的形式而不是以细节的形式来示出公知的结构和设备，以避免使本发明的实施例难以理解。
请参阅图1，为本发明的一示例性实施例示出的功率模块的三维封装结构的侧面示意图。该示例性实施例提供了一种功率模块的三维封装结构，至少包括如图1所示的功率模块和散热器，其中，功率模块包括第一基板2、功率芯片层3和第二基板4，功率芯片层3焊接于第一基板2和所述第二基板4之间，散热器包括第一散热器5和第二散热器1，第一散热器5为风冷散热器或液冷散热器，第一散热器5通过第二基板4焊接于功率芯片层3的内侧，第二散热器1通过第一基板2焊接于功率芯片层3的外侧。图1中的第一散热器5为风冷散热器的示例，第一散热器5为锥形。
具体地，功率芯片层3包括多个功率芯片，将功率芯片层3至第一基板2的方向作为外侧，将功率芯片层3至第二基板4的方向作为内侧，通过将第一散热器5和第二散热器1分别焊接于功率芯片层的内侧和外侧，使每一功率模块都具有两条散热路径，提高了功率模块的散热能力。
在本发明的一个实施例中，当第一散热器5为风冷散热器时，风冷散热器的整体形状是锥形，风冷散热器中各散热片之间的间距优选为2mm-3mm。
请参阅图2，为本发明的一示例性实施例示出的功率模块的剖面示意图。如图2所示，第一基板2包括从外至内依次堆叠的第一铜基板8和第一覆铜陶瓷基板9，第二基板4包括从外至内依次堆叠的第二覆铜陶瓷基板10和第二铜基板11。
具体地，第一铜基板8的厚度低于第二铜基板11的厚度，第一铜基板8和第二铜基板11的厚度差不仅可以使功率模块的内侧的散热能力和外侧的散热能力接近，以最大程度保证功率芯片内外侧的热阻一致，还可以减少功率芯片所受应力，避免功率芯片的外侧或内侧所受应力过大，导致功率芯片产生变形或破裂，提高了功率模块的可靠性。另外，还可以在第一覆铜陶瓷基板9和功率芯片层3之间焊接一块钼片，以将功率芯片更加稳定的固定在第一覆铜陶瓷基板9，避免功率芯片在长期工作的过程中脱落，提高了功率模块封装的可靠性。
在本发明的一个实施例中，优选第一铜基板8和第二铜基板11之间的厚度差为0.5mm至0.1mm之间，第一铜基板8的厚度为1.5mm至2mm之间，第二铜基板11的厚度为2.5mm至3mm之间，第一覆铜陶瓷基板9和第二覆铜陶瓷基板10的铜层厚度优选为0.2mm至0.5mm之间，陶瓷厚度优选为0.3mm至0.5mm之间，钼片的厚度0.5mm至0.7mm之间。
在本发明的一个实施例中，第二散热器1的长度、宽度与第一铜基板8的长度、宽度相同。
在本发明的一个实施例中，第一覆铜陶瓷基板9和功率芯片层3之间、第二覆铜陶瓷基板10和功率芯片层3之间采用第一焊剂进行焊接；第一覆铜陶瓷基板9和第一铜基板8之间、第二覆铜陶瓷基板10和第二铜基板11之间采用第二焊剂进行焊接，第二焊剂的熔点低于第一焊剂的熔点。
具体地，将采用第一焊剂的焊接作为一次焊接，将采用第二焊剂的焊接作为二次焊接，一次焊接后再进行二次焊接，因此，第二焊剂的熔点低于第一焊剂的熔点可以防止在进行二次焊接时，一次焊接的焊层熔化，保证了功率模块的可靠性。
在本发明的一个实施例中，所述功率模块的数量至少为三个，将各功率模块沿功率芯片层3的外侧至内侧方向的任意相对两个侧面两两互连，围绕成中心对称且为正棱柱的三维封装结构。也就是说，三个功率模块围绕组成中心对称且为正三棱柱体的三维封装结构，四个功率模块围绕组成图1所示的中心对称且为长方体的三维封装结构，五个功率模块围绕组成中心对称且为正五棱柱的三维封装结构，以此类推，这样，封装结构内部空间的利用率高。
具体地，功率芯片层3的内侧和外侧的两个端面均焊接有基板，还剩余四个侧面，将各功率模块中功率芯片层3的外侧至内侧的竖直方向作为y轴，即，与y轴垂直的两个端面为内侧和外侧，与y轴平行的四个面作为侧面。功率模块沿功率芯片层3的外侧至内侧方向平行的且任意相对的两个侧面两两相连，以使多个功率模块围绕固定成中心对称且为正棱柱的三维封装结构。
继续参照图1，功率模块的三维封装结构还包括外层连接铜块6和内层连接铜块7；其中，外层连接铜块6用于将相邻两块第一铜基板8焊接在一起，外层连接铜块6固定于相邻两块第一铜基板8边缘相交的边角区域，内层连接铜块7用于将相邻两块第二铜基板11焊接在一起，内层连接铜块7固定于相邻两块第二铜基板11边缘相交的边角区域。
具体地，以图1中包括四个功率模块的三维封装结构为例，为了使这个四个功率模块围绕成中心对称且为正棱柱的三维封装结构，功率模块的内侧焊接的第一散热器5为风冷散热器，功率模块外侧焊接的第二散热器1为液冷散热器。在延相邻两块第一铜基板8相对两个侧面相交所形成的边角区域，采用外层连接铜块6进行焊接，以连接相邻两块第一铜基板8，使四块第一铜基板8围绕成了中心对称且为长方体的结构，在延相邻两块第二铜基板11相对两个侧面相交所形成的边角区域，采用内层连接铜块7进行焊接，以连接相邻两块第二铜基板11，使四块第二铜基板11围绕成了中心对称且为长方体的结构，从而使四个功率模块连接，围绕成了中心对称且为长方体的三维封装结构。另外，图1中的第一散热器5的整体形状为锥形，充分利用了三维封装结构的内部空间，提高了三维封装结构的空间利用率，功率模块的三维封装结构的功率密度大。
在本发明的一个实施例中，外层连接铜块和第一铜基板之间、内层连接铜块和第二铜基板之间、第二散热器和第一基板之间采用第三焊剂进行焊接，第三焊剂的熔点低于第二焊剂的熔点。
具体地，第三焊剂的熔点低于第二焊剂的熔点，可以避免焊接时因温度过高而导致之前焊接完成部分的焊层融化，焊接质量差，从而影响功率模块的正常运行，提高了功率模块的可靠性。
在本发明的一个实施例中，在每一功率模块中，还包括设置于各功率模块同一侧面上的信号端子12和功率端子13，信号端子12固定于第一覆铜陶瓷基板9或第二覆铜陶瓷基板10，功率端子13的正极与负极错位连接第一覆铜陶瓷基板9、第二覆铜陶瓷基板10，以使功率端子13的正极平行于功率端子13的负极。
具体地，采用超声焊接技术焊接信号端子12和功率端子13，信号端子12和功率端子13位于除各功率模块两两相连的相对两个侧面之外，剩下两个侧面中的任一侧面。信号端子12可以仅固定于第一覆铜陶瓷基板9或仅固定于第二覆铜陶瓷基板10，还可以同时固定于第一覆铜陶瓷基板9和第二覆铜陶瓷基板10。
请参阅图4，为本发明的一示例性实施例示出的信号端子和功率端子位置的俯视图。结合图3和图4，每一功率模块中焊接的信号端子12和功率端子13位于三维封装结构的同一侧面，即固定于第一覆铜陶瓷基板9或第二覆铜陶瓷基板10的同一侧面。将信号端子12焊接到第一覆铜陶瓷基板9侧面的两侧或第二覆铜陶瓷基板10侧面的两侧，功率端子13位于覆铜陶瓷基板侧面的中间，其中，当功率端子13的正极固定于第一覆铜陶瓷基板9侧面的中间时，功率端子13的负极固定于第二覆铜陶瓷基板10侧面的中间，当功率端子13的正极固定于第二覆铜陶瓷基板10侧面的中间时，功率端子13的负极固定于第一覆铜陶瓷基板9侧面的中间，使功率端子13正极和负极的端子相互平行，以利于寄生电感们相互抵消，减小功率模块的寄生参数。
在本发明的一个实施例中，功率端子13正极和负极的端子之间的间距优先5mm及以上，以防止功率端子13的正极和负极距离过近导致空气击穿，引发短路故障。
请参阅图4，为本发明的一示例性实施例示出的封装后的三维封装结构的侧视图。如图4所示，功率模块的三维封装结构还包括外壳15，外壳15包括第一外壳和第二外壳，第一外壳和第二外壳分别粘接于三维封装结构镂空的两个侧面密封各功率模块所在两个侧面，以用于对各功率模块所在区域进行封装。
具体地，外壳仅对全部功率模块所在的区域进行了封装，覆盖了功率模块设有功率端子且裸露的两个相对侧面，即对第一铜基板8、第一覆铜陶瓷基板9、功率芯片层3、第二覆铜陶瓷基板10和第二铜基板11所在的区域进行了封装，第一散热器5和第二散热器1未被外壳15覆盖。
在本发明的一个实施例中，将外壳粘接于功率模块设有功率端子且裸露的两个相对侧面时，可以在每一功率模块中的外层连接铜块6、第一铜基板8、内层连接铜块7和第二铜基板11上的两个侧面（设有信号端子所在的侧面及其相对的侧面）涂抹上密封胶，然后分别与第一外壳和第二外壳进行粘接。
在本发明的一个实施例中，图4中的外壳15是第一外壳，第一外壳上设置有开孔，开孔包括灌胶孔14和信号孔16，灌胶孔14用于对外壳15内的各功率模块进行灌封，信号孔16设置于信号端子和功率端子所对应的第一外壳上的位置。第二外壳上未设置任何开孔，完全密封了各功率模块未设有信号端子和功率端子的相对侧面。
具体地，如图4所示，信号孔和灌胶孔位于同一侧的外壳，有利于对功率模块进行灌封的操作，提高了功率模块的密封性。
在本发明的一个实施例中，对外壳内的各功率模块进行灌封的灌封胶包括但不限于聚氨酯、环氧树脂、硅凝胶和热塑性弹性体等灌封胶。其中，优选硅凝胶，其硬度低，能够减少功率芯片所承受的应力，避免了功率模块损坏，功率模块的三维封装结构的可靠性高。
请参阅图5，为本发明的一示例性实施例示出的功率模块真空处理的示意图。
在本发明的一个实施例中，灌封胶需要等待同于粘接外壳15所用的密封胶固化后再灌入，且灌封胶灌入后还需进行脱泡处理，即对各功率模块所在区域进行抽真空。如图5所示，随着脱泡处理时间越长，功率模块的真空度越高，气密性越好。
在本发明的一个实施例中，在灌胶孔上设置有密封圈，能够进一步确保功率模块的密封性。
本发明的实施例还提供了车辆电驱装置，所述车辆电驱装置集成有如上述各个实施例所提供的功率模块的三维封装结构。
请参阅图6，为本发明的一示例性实施例示出的功率模块的三维封装方法的流程图。如图6所示，在一示例性的实施例中，功率模块的三维封装方法至少包括步骤S601至步骤S610，详述如下：
步骤S601，提供第一覆铜陶瓷基板、第二覆铜陶瓷基板、第一铜基板、第二铜基板、功率芯片层、第一散热器、第二散热器、连接铜块、外壳、信号端子和功率端子，其中，功率芯片层包括多个功率芯片，第二散热器为液冷散热器，第一散热器为风冷散热器或液冷散热器；
步骤S602，利用焊剂使第一覆铜陶瓷基板、功率芯片层和第二覆铜陶瓷基板依次堆叠，并将焊剂作为第一焊剂，功率芯片层至第二覆铜陶瓷基板的方向作为内侧，功率芯片层至第一覆铜陶瓷基板的方向作为外侧；
步骤S603，利用第二焊剂将第一铜基板焊接于第一覆铜陶瓷基板的外侧，第二铜基板焊接于第二覆铜陶瓷基板的内侧，以形成功率模块，第二焊剂的熔点小于第一焊剂的熔点，功率模块的数量至少为三个；
步骤S604，利用第二焊剂将第一散热器分别焊接于每一功率模块中第二铜基板的内侧；
步骤S605，在每一功率模块中的第一覆铜陶瓷基板或第二覆铜陶瓷基板的同一侧面焊接有两个信号端子，两个信号端子的中间焊接有功率端子，其中，功率端子的正极和负极错位焊接于第一覆铜陶瓷基板和第二覆铜陶瓷基板，功率端子的负极和负极相互平行；
步骤S606，利用第三焊剂将第二散热器焊接于每一功率模块中的第一铜基板的外侧，连接铜块焊接于相邻两个功率模块中相邻两块第一铜基板边缘相交的边角区域，和相邻两块第二铜基板边缘相交的边角区域，以使将各功率模块沿外侧至内侧方向的相对两个侧面两两互连，组成呈中心对称且为正棱柱的结构，第三焊剂的熔点低于第二焊剂的熔点；
步骤S607，在每一功率模块中第一铜基板、第二铜基板和连接铜块各自上涂抹密封胶，以粘接外壳，使外壳覆盖全部功率模块所在区域，形成功率模块的三维封装结构；
步骤S608，将与信号端子和功率端子在同一侧的外壳作为正面外壳，正面外壳在信号端子和功率端子对应位置设有信号孔；
步骤S609，在正面外壳上设置灌胶孔，并从灌胶孔灌入灌封胶，直至灌封胶在各功率模块所在区域内的填充量达到预设填充阈值；
具体地，根据实际实验情况，密封胶的固化时间通常为40分钟至50分钟，固化的温度通常为120摄氏度至130摄氏度。待密封胶固化完成后，从灌胶孔灌入灌封胶，灌封胶在各功率模块所在区域内的填充量需要达到预设填充阈值，即全部功率模块所在区域的80%至90%，然后将三维封装结构放入真空干燥机，对功率模块所在区域进行抽真空，以完成对灌封胶的脱泡处理。
步骤S610，对三维封装结构进行真空处理后等待灌封胶固化，并待灌封胶固化后，利用密封圈将灌胶孔密封，以完成各功率模块的封装。
具体地，待真空处理完成后，使真空干燥机内的气压恢复至大气压，再对灌封胶进行固化。当灌封胶为硅凝胶时，固化的温度通常为80摄氏度至90摄氏度，固化的时间一般为45分钟至50分钟。
以上封装方法步骤只是示例性列举，不作为本申请的具体限定。
基于上述实施例，第一，使功率模块的内外两侧都焊接有散热器，提高了功率模块的散热能力，使功率模块能够在高温环境下稳定工作，可靠性高。
第二，多个功率模块围绕组合成中心对称且为正棱柱的三维封装结构，提高了封装结构的空间利用率，功率模块的三维封装结构的功率密度大。
第三，第一铜基板和第二铜基板的厚度差不仅可以使功率模块的内侧的散热能力和外侧的散热能力接近，以最大程度保证功率芯片内外侧的热阻一致，还可以减少功率芯片所受应力，避免功率芯片产生变形或破裂，提高了功率模块的可靠性。
第四，采用熔点依次降低的第一焊剂、第二焊剂和第三焊剂，防止分次焊接时之前的焊层融化，保证了功率模块的可靠性。
第五，功率端子的正极和负极相互平行，使寄生电感们相互抵消，减小功率模块的寄生参数。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种功率模块的三维封装结构，其特征在于，包括：
功率模块和散热器，其中，所述功率模块包括第一基板、功率芯片层和第二基板，所述功率芯片层焊接于所述第一基板和所述第二基板之间，所述散热器包括第一散热器与第二散热器；
所述功率模块的数量至少为三个，将各所述功率模块沿所述功率芯片层的外侧至内侧方向的任意相对两个侧面两两互连，围绕成中心对称且为正棱柱的三维封装结构；
所述第一基板包括从外至内依次堆叠的第一铜基板和第一覆铜陶瓷基板，所述第二基板包括从外至内依次堆叠的第二覆铜陶瓷基板和第二铜基板，所述第一铜基板的厚度低于所述第二铜基板的厚度；
所述第一散热器通过所述第二基板焊接于所述功率芯片层的内侧，所述第二散热器通过所述第一基板焊接于所述功率芯片层的外侧，其中，所述第二散热器为液冷散热器，所述第一散热器为风冷散热器或液冷散热器；
所述功率模块的三维封装结构还包括外层连接铜块和内层连接铜块，所述外层连接铜块用于将相邻两块所述第一铜基板焊接在一起，所述外层连接铜块固定于相邻两块所述第一铜基板边缘相交的边角区域，所述内层连接铜块用于将相邻两块所述第二铜基板焊接在一起，所述内层连接铜块固定于相邻两块所述第二铜基板边缘相交的边角区域；
所述第一覆铜陶瓷基板和所述功率芯片层之间、所述第二覆铜陶瓷基板和所述功率芯片层之间采用第一焊剂进行焊接；所述第一覆铜陶瓷基板和所述第一铜基板之间、所述第二覆铜陶瓷基板和所述第二铜基板之间采用第二焊剂进行焊接，所述第二焊剂的熔点低于所述第一焊剂的熔点。
2.如权利要求1所述的功率模块的三维封装结构，其特征在于，所述功率芯片层靠近所述三维封装结构中心的一侧为所述功率芯片层的内侧，所述功率芯片层远离所述三维封装结构中心的一侧为所述功率芯片层的外侧。
3.如权利要求1所述的功率模块的三维封装结构，其特征在于，所述第一覆铜陶瓷基板和所述功率芯片层之间焊接有钼片。
4.如权利要求1所述的功率模块的三维封装结构，其特征在于，所述外层连接铜块和所述第一铜基板之间、所述内层连接铜块和所述第二铜基板之间、所述第二散热器和所述第一基板之间采用第三焊剂进行焊接，所述第三焊剂的熔点低于所述第二焊剂的熔点。
5.如权利要求1所述的功率模块的三维封装结构，其特征在于，在每一所述功率模块中，还包括设置于各所述功率模块同一侧面上的信号端子和功率端子，所述信号端子固定于所述第一覆铜陶瓷基板或所述第二覆铜陶瓷基板，所述功率端子的正极与负极错位连接所述第一覆铜陶瓷基板、所述第二覆铜陶瓷基板，以使所述功率端子的正极平行于所述功率端子的负极。
6.如权利要求5所述的功率模块的三维封装结构，其特征在于，所述功率模块的三维封装结构还包括外壳，所述外壳包括第一外壳和第二外壳，所述第一外壳和所述第二外壳分别粘接于所述三维封装结构镂空的两个侧面密封各所述功率模块所在两个侧面，以用于对各所述功率模块所在区域进行封装。
7.如权利要求6所述的功率模块的三维封装结构，其特征在于，所述第一外壳上设置有开孔，所述开孔包括灌胶孔和信号孔，所述灌胶孔用于对所述外壳内的各所述功率模块进行灌封，所述信号孔设置于所述信号端子和所述功率端子所对应的所述第一外壳上的位置。
8.一种车辆电驱装置，其特征在于，所述车辆电驱装置集成有如权利要求1至7任一项所述的功率模块的三维封装结构。
9.一种功率模块的三维封装方法，其特征在于，包括；
提供第一覆铜陶瓷基板、第二覆铜陶瓷基板、第一铜基板、第二铜基板、功率芯片层、第一散热器、第二散热器、连接铜块、外壳、信号端子和功率端子，其中，所述功率芯片层包括多个功率芯片，所述第二散热器为液冷散热器，所述第一散热器为风冷散热器或液冷散热器；
利用焊剂使所述第一覆铜陶瓷基板、所述功率芯片层和所述第二覆铜陶瓷基板依次堆叠，并将所述焊剂作为第一焊剂，所述功率芯片层至所述第二覆铜陶瓷基板的方向作为内侧，所述功率芯片层至所述第一覆铜陶瓷基板的方向作为外侧；
利用第二焊剂将所述第一铜基板焊接于所述第一覆铜陶瓷基板的外侧，所述第二铜基板焊接于所述第二覆铜陶瓷基板的内侧，以形成功率模块，所述第二焊剂的熔点小于所述第一焊剂的熔点，所述功率模块的数量至少为三个；
利用所述第二焊剂将所述第一散热器分别焊接于每一所述功率模块中所述第二铜基板的内侧；
在每一所述功率模块中的所述第一覆铜陶瓷基板或所述第二覆铜陶瓷基板的同一侧面焊接有两个所述信号端子，两个所述信号端子的中间焊接有所述功率端子，其中，所述功率端子的正极和负极错位焊接于所述第一覆铜陶瓷基板和所述第二覆铜陶瓷基板，所述功率端子的负极和负极相互平行；
利用第三焊剂将所述第二散热器焊接于每一所述功率模块中的所述第一铜基板的外侧，所述连接铜块焊接于相邻两个所述功率模块中相邻两块所述第一铜基板边缘相交的边角区域，和相邻两块所述第二铜基板边缘相交的边角区域，以使将各所述功率模块沿外侧至内侧方向的相对两个侧面两两互连，组成呈中心对称且为正棱柱的结构，所述第三焊剂的熔点低于所述第二焊剂的熔点；
在每一所述功率模块中所述第一铜基板、所述第二铜基板和所述连接铜块各自上涂抹密封胶，以粘接所述外壳，使所述外壳覆盖全部所述功率模块所在区域，形成所述功率模块的三维封装结构；
将与所述信号端子和所述功率端子在同一侧的所述外壳作为正面外壳，所述正面外壳在所述信号端子和所述功率端子对应位置设有信号孔；
在所述正面外壳上设置灌胶孔，并从所述灌胶孔灌入灌封胶，直至所述灌封胶在各所述功率模块所在区域内的填充量达到预设填充阈值；
对所述三维封装结构进行真空处理后等待灌封胶固化，并待灌封胶固化后，利用密封圈将所述灌胶孔密封，以完成各所述功率模块的封装。
CN202311540326.9A 2023-11-20 2023-11-20 功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置 Active CN117253866B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311540326.9A CN117253866B (zh) 2023-11-20 2023-11-20 功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311540326.9A CN117253866B (zh) 2023-11-20 2023-11-20 功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117253866A CN117253866A (zh) 2023-12-19
CN117253866B true CN117253866B (zh) 2024-03-01

Family

ID=89126861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311540326.9A Active CN117253866B (zh) 2023-11-20 2023-11-20 功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117253866B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009224571A (ja) * 2008-03-17 2009-10-01 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール
JP2015156466A (ja) * 2014-01-17 2015-08-27 ローム株式会社 パワーモジュールおよびその製造方法
CN204991689U (zh) * 2015-08-19 2016-01-20 联合汽车电子有限公司 Igbt模块
CN105743323A (zh) * 2014-11-28 2016-07-06 财团法人工业技术研究院 功率模块
CN207009436U (zh) * 2017-05-12 2018-02-13 苏州汇川联合动力系统有限公司 功率模块及电机控制器
CN209708965U (zh) * 2019-03-13 2019-11-29 黄山学院 Ipm模块的先进封装结构

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6576502B1 (ja) * 2018-04-11 2019-09-18 三菱電機株式会社 電力用半導体装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009224571A (ja) * 2008-03-17 2009-10-01 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール
JP2015156466A (ja) * 2014-01-17 2015-08-27 ローム株式会社 パワーモジュールおよびその製造方法
CN105743323A (zh) * 2014-11-28 2016-07-06 财团法人工业技术研究院 功率模块
CN204991689U (zh) * 2015-08-19 2016-01-20 联合汽车电子有限公司 Igbt模块
CN207009436U (zh) * 2017-05-12 2018-02-13 苏州汇川联合动力系统有限公司 功率模块及电机控制器
CN209708965U (zh) * 2019-03-13 2019-11-29 黄山学院 Ipm模块的先进封装结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN117253866A (zh) 2023-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10943845B2 (en) Three-dimensional packaging structure and packaging method of power devices
CN100367648C (zh) 电力变换装置
US7911792B2 (en) Direct dipping cooled power module and packaging
CN111373647B (zh) 电力转换装置
JP7187992B2 (ja) 半導体モジュールおよび車両
JP6991846B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
US20210407875A1 (en) Semiconductor device
KR101786343B1 (ko) 양면냉각형 파워모듈
CN117253866B (zh) 功率模块的三维封装结构、方法及车辆电驱装置
JP7026823B2 (ja) 半導体装置、電力変換装置及び半導体装置の製造方法
US20210183795A1 (en) Power module and method of manufacturing same
JP6739993B2 (ja) パワーモジュールの製造方法
WO2021149352A1 (ja) 電力変換装置
CN221057398U (zh) 半导体器件和电子设备
CN220400579U (zh) 一种集成式功率模块
CN219371020U (zh) 功率模块和设备
CN220382090U (zh) 一种单元式塑封模块
WO2023058381A1 (ja) 電力変換装置
CN220420566U (zh) 一种大功率的62mm半桥模块
CN214848620U (zh) 智能功率模块
CN219204784U (zh) 快充电池保护板及快充电池
JP7019024B2 (ja) 半導体装置及び電力変換装置
JP2017199752A (ja) パワーモジュールおよびその製造方法
CN116960088A (zh) 一种单元式塑封模块、集成式功率模块及其制备方法
CN113745190A (zh) 一种高绝缘电压igbt模块

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant