CN117672998A - 一种SiC双面散热功率模块 - Google Patents
一种SiC双面散热功率模块 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种SiC双面散热功率模块,包括:第一DBC基板、第二DBC基板和若干个SiC MOSFET功率芯片;第一DBC基板与第二DBC基板沿第一方向相对设置,第一DBC基板和第二DBC基板之间通过若干个连接金属相互连接;若干个SiC MOSFET功率芯片分别设置于第一DBC基板和第二DBC基板之间,若干个SiC MOSFET功率芯片通过连接金属在第一DBC基板和第二DBC基板之间对应形成若干条换流路径;相邻的两个SiC MOSFET功率芯片组成一个半桥,位于同一个半桥中的两个SiC MOSFET功率芯片的换流路径的方向相反;相邻的两个半桥关于SiC双面散热功率模块的水平轴线或竖直轴线对称。本发明的功率模块不仅在高频开关性能方面表现出色,还具备卓越的热管理能力和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件封装技术领域,具体涉及一种SiC双面散热功率模块。
背景技术
在电动车、可再生能源技术和高效电力转换应用的发展推动下,对高效率、高功率密度的功率模块的需求日益增长。碳化硅(Silicon Carbon,SiC)器件具有出色的电热性能,能够显著提升效率并降低能耗,使得电源转换装置更小、更轻且效率更高。因此,SiC器件在电动汽车、可再生能源发电、电网输电系统及航空航天等新一代电能变换装置中的逆变器和变频器中有着广泛的应用。
然而,传统的SiC功率模块存在着较大的寄生参数,如寄生电感,由于模块寄生参数难以匹配SiC器件的高速开关特性,可能引发电压过冲、电流不均衡和损耗增加的问题,限制其在高频和高功率密度应用中的性能。此外,传统的封装技术中常使用DBC基板(Direct Bond Copper,直接覆铜陶瓷基板),其中的陶瓷层存在热导率低的问题,导致SiC功率模块难以同时满足对高密度和高散热能力的需求。在高温运行环境下,模块的性能和可靠性会急剧下降,从而大幅降低系统的寿命。模块内部多芯片之间的热耦合效应也可能导致芯片温度分布不均以及热应力引发的疲劳失效故障。因此,需要一种能够对寄生参数进行有效控制,提高散热能力及模块可靠性的SiC功率模块。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种SiC双面散热功率模块。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
本发明提供了一种SiC双面散热功率模块,包括:第一DBC基板、第二DBC基板和若干个SiC MOSFET功率芯片;
所述第一DBC基板与所述第二DBC基板沿第一方向相对设置,所述第一DBC基板和所述第二DBC基板之间通过若干个连接金属相互连接;
所述第一DBC基板与所述第二DBC基板均连接外部散热器;
所述若干个SiC MOSFET功率芯片分别设置于所述第一DBC基板和所述第二DBC基板之间,所述若干个SiC MOSFET功率芯片通过所述连接金属在所述第一DBC基板和所述第二DBC基板之间对应形成若干条换流路径;
其中,相邻的两个SiC MOSFET功率芯片组成一个半桥,位于同一个所述半桥中的两个SiC MOSFET功率芯片在所述第一DBC基板和所述第二DBC基板之间的换流路径的方向相反;
相邻的两个所述半桥关于所述SiC双面散热功率模块的水平轴线或竖直轴线对称。
在本发明的一个实施例中,所述第一DBC基板包括:依次层叠设置的第一散热铜层、第一陶瓷绝缘层和第一导电铜层;
所述第二DBC基板包括:依次层叠设置的第二散热铜层、第二陶瓷绝缘层和第二导电铜层;
其中,所述第一导电铜层和所述第二导电铜层沿所述第一方向相对设置。
在本发明的一个实施例中,所述SiC MOSFET功率芯片的上表面设置栅极、功率源极和开尔文源极,与其上表面相对的下表面设置漏极。
在本发明的一个实施例中,所述SiC双面散热功率模块上设置有功率模块端子,所述功率模块端子分别连接所述第一导电铜层和所述第二导电铜层。
在本发明的一个实施例中,所述功率模块端子包括:两个正极直流端子、两个交流端子、两个负极直流端子、若干个栅极端子和若干个开尔文源极端子;
所述两个正极直流端子分别连接所述第二导电铜层,所述两个正极直流端子关于所述SiC双面散热功率模块的竖直轴线对称设置;
所述两个交流端子分别连接所述第二导电铜层,所述两个交流端子关于所述SiC双面散热功率模块的水平轴线对称设置;
所述两个负极直流端子分别连接所述第一导电铜层,且负极直流端子与所述正极直流端子沿所述第一方向相对设置;
所述若干个栅极端子与所述若干个开尔文源极端子分别连接所述第一导电铜层和所述第二导电铜层;
其中,所述栅极端子与所述开尔文源极端子相邻,相邻的若干组所述栅极端子和所述开尔文源极端子与若干组所述SiC MOSFET功率芯片一一对应设置。
在本发明的一个实施例中,所述第一导电铜层包括:第一正极直流电路区域、第一交流电路区域、第一负极直流电路区域、第一栅极电路区域、第一开尔文源极电路区域;
所述第一正极直流电路区域位于所述第一导电铜层的四角;
所述第一交流电路区域位于所述第一导电铜层的中部;
所述栅极端子与所述开尔文源极端子对应连接所述第一栅极电路区域和所述第一开尔文源极电路区域;
所述第一负极直流电路区域位于所述第一导电铜层的其余区域,所述两个负极直流端子均连接所述第一负极直流电路区域。
在本发明的一个实施例中,所述第二导电铜层包括:第二正极直流电路区域、第二交流电路区域、第二栅极电路区域和第二开尔文源极电路区域;
所述第二交流电路区域位于所述第二导电铜层的两侧,所述两个交流端子对应连接所述第二交流电路区域;
所述栅极端子与所述开尔文源极端子对应连接所述第二栅极电路区域和所述第二开尔文源极电路区域;
所述第二正极直流电路区域位于所述第二导电铜层的其余区域,所述两个正极直流端子均连接所述第二正极直流电路区域。
在本发明的一个实施例中,所述半桥中的一个SiC MOSFET功率芯片的栅极通过所述栅极端子连接所述第一栅极电路区域,开尔文源极通过所述开尔文源极端子连接所述第一开尔文源极电路区域,功率源极通过所述连接金属连接所述第二正极直流电路区域,漏极连接所述第一正极直流电路区域;
所述半桥中的另一个SiC MOSFET功率芯片的栅极通过所述栅极端子连接所述第二栅极电路区域,开尔文源极通过所述开尔文源极端子连接所述第二开尔文源极电路区域,功率源极通过所述连接金属连接所述第一交流电路区域,漏极连接所述第二交流电路区域。
在本发明的一个实施例中,所述第一正极直流电路区域与所述第二正极直流电路区域通过所述连接金属相互连接;
所述第一交流电路区域与所述第二交流电路区域通过所述连接金属相互连接。
在本发明的一个实施例中,所述SiC MOSFET功率芯片的栅极通过键合线连接所述栅极端子;
所述SiC MOSFET功率芯片的开尔文源极通过所述键合线连接所述开尔文源极端子。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1.本发明的SiC双面散热功率模块,SiC MOSFET功率芯片通过连接金属在两个DBC基板之间在垂直方向上进行换流,有效缩短了换流路径,降低了水平方向上功率回路的自感,且位于同一个半桥中的两个SiC MOSFET功率芯片的换流路径的方向相反,从而实现了垂直方向上的互感抵消,降低了碳化硅半桥功率模块的整体寄生电感,能够对寄生参数进行有效控制。使得功率模块不仅在高频开关性能方面表现出色,还具备卓越的热管理能力和可靠性。
2.本发明的SiC双面散热功率模块,每一个半桥形成了一条并联支路,相邻的两个半桥在空间布局上关于SiC双面散热功率模块的水平轴线或竖直轴线对称,多芯片并联的换流路径相互距离较远,确保每个半桥的换流路径均相对独立,从而减小了每个并联支路的换流路径之间的互感。此外,轴对称的模块结构进一步确保了SiC MOSFET功率芯片之间电流的均匀分布。
3.本发明的SiC双面散热功率模块,将两个DBC基板的导电铜层划分为若干个电路区域,将SiC MOSFET功率芯片对称设置并连接相应的电路区域,通过优化SiC MOSFET功率芯片的布局使其相互之间的换流路径的距离较远,降低了芯片之间的热耦合效应,从而提高了散热效率,确保芯片温度均匀分布。同时,利用钼块或其他低热阻的连接金属与DBC基板连接,能够更迅速地将热量传递给散热器。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举较佳实施例,并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的SiC MOSFET功率芯片的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的结构正视图;
图4是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的第一DBC基板结构仰视图;
图5是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的第二DBC基板结构俯视图;
图6是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的正极DC电路区域的连接示意图;
图7是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的负极DC电路区域的连接示意图;
图8是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的AC电路区域的连接示意图;
图9是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的换流路径示意图;
图10是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的电路结构示意图。
图标:100-第一DBC基板;110-第一散热铜层;120-第一陶瓷绝缘层;130-第一导电铜层; 131-第一正极直流电路区域; 132-第一交流电路区域;133-第一负极直流电路区域; 134-第一栅极电路区域; 135-第一开尔文源极电路区域;200-第二DBC基板;210-第二散热铜层;220-第二陶瓷绝缘层;230-第二导电铜层;231-第二正极直流电路区域;232-第二交流电路区域;233-第二栅极电路区域;234-第二开尔文源极电路区域;300-SiC MOSFET功率芯片;400-功率模块端子;410-正极直流端子;420-交流端子;430-负极直流端子;440-栅极端子;450-开尔文源极端子;500-连接金属;600-键合线。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及具体实施方式,对依据本发明提出的一种SiC双面散热功率模块进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效,在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明,可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解,然而所附附图仅是提供参考与说明之用,并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1和图3,图1是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的结构示意图;图3是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的结构正视图。
如图所示,本实施例的SiC双面散热功率模块包括:第一DBC基板100、第二DBC基板200和若干个SiC MOSFET功率芯片300(MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管);
其中,第一DBC基板100与第二DBC基板200沿第一方向相对设置,第一DBC基板100和第二DBC基板200之间通过若干个连接金属500相互连接;第一DBC基板100与第二DBC基板200均连接外部散热器;若干个SiC MOSFET功率芯片300分别设置于第一DBC基板100和第二DBC基板200之间。
在本实施例中,若干个SiC MOSFET功率芯片300通过连接金属500在第一DBC基板100和第二DBC基板200之间对应形成若干条换流路径;具体地,相邻的两个SiC MOSFET功率芯片300组成一个半桥,位于同一个半桥中的两个SiC MOSFET功率芯片300在第一DBC基板100和第二DBC基板200之间的换流路径的方向相反,从而通连接金属500实现了SiC MOSFET功率芯片300与DBC基板在垂直方向的换流,从而缩短了换流路径(由水平或类似的基于DBC基板上的连接路径变为垂直路径),可以看出两个基板之间的距离很近,从而缩短了换流路径。降低了DBC板水平方向上功率回路的自感;由于两个SiC MOSFET功率芯片300的换流路径的方向相反实现了垂直方向上的互感抵消,从而降低了整体的寄生电感。
在本实施例中,SiC双面散热功率模块整体为轴对称结构,其中相邻的两个半桥关于SiC双面散热功率模块的水平轴线或竖直轴线对称设置,其中每个半桥所在的并联分支的换流回路相对独立,减小了并联换流路径之间的互感;还有助于确保多芯片的电流均匀性,能够进一步地降低功率回路的寄生电感。
在本实施例中,第一DBC基板100包括:依次层叠设置的第一散热铜层110、第一陶瓷绝缘层120和第一导电铜层130;第二DBC基板200包括:依次层叠设置的第二散热铜层210、第二陶瓷绝缘层220和第二导电铜层230;其中,第一导电铜层130和第二导电铜层230沿第一方向相对设置。
值得注意的是,DBC基板,即直接覆铜陶瓷基板为叠层结构,至少包括陶瓷绝缘层与导电铜层,常见的陶瓷绝缘层使用的材料为Al2O3陶瓷,其热导率较低,这会导致SiC器件在高功率密度下的散热问题严峻,因此在陶瓷绝缘层一侧表面还贴敷有散热铜层,而将两个DBC基板的导电铜层相对设置,对应地,两个DBC基板的散热铜层则相背设置,并可以通过散热铜层分别连接外部散热器,以使SiC MOSFET功率芯片300的工作产生的热量经过连接金属500的传递至散热铜层在经过外部散热器热传递至外部环境,因此,连接金属500也应采用热阻较低的材料,以便于提升热传递效率。
优选地,连接金属500的材料为钼,且形状为规则的立方体即钼块。
在本实施例中,SiC双面散热功率模块上设置有功率模块端子400,功率模块端子400分别连接第一导电铜层130和第二导电铜层230。
具体地,功率模块端子400包括:两个正极直流端子410、两个交流端子420、两个负极直流端子430、若干个栅极端子440和若干个开尔文源极端子450。两个正极直流端子410分别连接第二导电铜层230,两个正极直流端子410关于SiC双面散热功率模块的竖直轴线对称设置;两个交流端子420分别连接第二导电铜层230,两个交流端子420关于SiC双面散热功率模块的水平轴线对称设置;两个负极直流端子430分别连接第一导电铜层130,且负极直流端子430与正极直流端子410沿第一方向相对设置;若干个栅极端子440与若干个开尔文源极端子450分别连接第一导电铜层130和第二导电铜层230;其中,栅极端子440与开尔文源极端子450相邻,相邻的若干组栅极端子440和开尔文源极端子450与若干组SiCMOSFET功率芯片300一一对应设置。
在本实施例中,半桥中的一个SiC MOSFET功率芯片300的栅极通过栅极端子440连接第一栅极电路区域134,开尔文源极通过开尔文源极端子450连接第一开尔文源极电路区域135,功率源极通过连接金属500连接第二正极直流电路区域231,漏极连接第一正极直流电路区域131;
半桥中的另一个SiC MOSFET功率芯片300的栅极通过栅极端子440连接第二栅极电路区域233,开尔文源极通过开尔文源极端子450连接第二开尔文源极电路区域234,功率源极通过连接金属500连接第一交流电路区域132,漏极连接第二交流电路区域232。
在本实施例中,第一正极直流电路区域131与第二正极直流电路区域231通过连接金属500相互连接;第一交流电路区域132与第二交流电路区域232通过连接金属500相互连接。
在一个可选的实施方式中,SiC MOSFET功率芯片300的栅极通过键合线600连接栅极端子440;SiC MOSFET功率芯片300的开尔文源极通过键合线600连接开尔文源极端子450。
请参见图2,图2是本发明实施例提供的SiC MOSFET芯片的上表面结构示意图。
如图所示,SiC MOSFET功率芯片300表面的电极分为栅极、源极和漏极,其中,SiCMOSFET功率芯片300的上表面设置有栅极、功率源极和开尔文源极,与其上表面相对的下表面设置有漏极(图中未示出)。
值得注意的是,SiC MOSFET功率芯片300上表面的源极包括功率源极和开尔文源极,通过开尔文源极连接端子,降低了功率模块的功率回路对于驱动回路的耦合效应。每个SiC MOSFET功率芯片300都具有各自独立的栅极和开尔文源极,这不仅有利于外部对模块内功率芯片的单独控制,而且缩短了栅、源极的回路距离,从而减小栅极驱动回路的寄生电感。
请参见图4,图4是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的第一DBC基板结构仰视图。
如图所示,第一DBC基板100的第一导电铜层130上划分为若干个电路区域,包括:第一正极直流电路区域131、第一交流电路区域132、第一负极直流电路区域133、第一栅极电路区域134、第一开尔文源极电路区域135;第一正极直流电路区域131位于第一导电铜层130的四角,第一交流电路区域132位于第一导电铜层130的中部,栅极端子440与开尔文源极端子450对应连接第一栅极电路区域134和第一开尔文源极电路区域135,第一负极直流电路区域133位于第一导电铜层130的其余区域,两个负极直流端子430均连接第一负极直流电路区域133。
请参见图5,图5是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的第二DBC基板结构俯视图。
如图所示,第二DBC基板200的第二导电铜层230上划分为若干个电路区域,包括:第二正极直流电路区域231、第二交流电路区域232、第二栅极电路区域233和第二开尔文源极电路区域234;第二交流电路区域232位于第二导电铜层230的两侧,两个交流端子420对应连接第二交流电路区域232;栅极端子440与开尔文源极端子450对应连接第二栅极电路区域233和第二开尔文源极电路区域234;第二正极直流电路区域231位于第二导电铜层230的其余区域,两个正极直流端子410均连接第二正极直流电路区域231。
请结合参见图6、图7和图8,图6是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的正极DC电路区域的连接示意图;图7是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的负极DC电路区域的连接示意图;图8是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的AC电路区域的连接示意图。
如图所示,第一DBC基板100与第二DBC基板200的相同区域相互连接形成换流路径;具体地,第一正极直流电路区域131与第二正极直流电路区域231通过连接金属500相互连接;第一交流电路区域132与第二交流电路区域232通过连接金属500相互连接。
请参见图9,图9是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的换流路径示意图。
如图所示,本实施例的每组并联半桥换流回路都是相互独立的,这有助于减少互感的影响。此外,两对DC+和DC-端子的位置相对,电流方向相反,从而促进了整个模块寄生电感的减小。此外在桥臂之间换流方向相反,正常换流过程中由于电磁感应产生的磁感相消,可以使换流回路的电感降低,本案例中的功率模块的功率回路寄生电感仿真结果为1.4nH左右。
请参见图10,图10是本发明实施例提供的一种SiC双面散热功率模块的电路结构示意图。
如图所示,以8个并联SiC MOSFET功率芯片300为例,SiC双面散热功率模块(半桥功率模块)包括,上桥臂和下桥臂,上桥臂和下桥臂均包括4个SiC MOSFET功率芯片300,其中,两个一组SiC MOSFET功率芯片300称为一个半桥。具体地,上桥臂包括芯片M5~M8,芯片M5、M6、M7和M8均并联连接;下桥臂包括芯片M1~M4,芯片M1、M2、M3和M4均并联连接;正极直流端DC+分别连接上桥臂的芯片的漏极D5~D8;交流端AC连接上桥臂和下桥臂的连接中点,并分别连接上桥臂的芯片的功率源极S5~S8与下桥臂的芯片的漏极D1~D4;负极直流端DC-分别连接下桥臂的芯片的功率源极S1~S4。通过优化功率芯片的布局使相互之间的换流路径的距离较远,各并联分支即各个半桥的换流回路相对独立,减少了并联换流回路的路径上的互感,使功率模块上的寄生电感更小,还能够使电流均匀分布,散热也会更好。
在一个可选的实施例中,并联的SiC MOSFET功率芯片400还可以是2组或多余4组的其他偶数组。
本发明实施例提供的SiC双面散热功率模块,SiC MOSFET功率芯片通过连接金属在两个DBC基板之间在垂直方向上进行换流,有效缩短了换流路径,降低了水平方向上功率回路的自感,且位于同一个半桥中的两个SiC MOSFET功率芯片的换流路径的方向相反,从而实现了垂直方向上的互感抵消,降低了碳化硅半桥功率模块的整体寄生电感,能够对寄生参数进行有效控制。使得功率模块不仅在高频开关性能方面表现出色,还具备卓越的热管理能力和可靠性。
本发明实施例提供的SiC双面散热功率模块,每一个半桥形成了一条并联支路,相邻的两个半桥在空间布局上关于SiC双面散热功率模块的水平轴线或竖直轴线对称,多芯片并联的换流路径相互距离较远,确保每个半桥的换流路径均相对独立,从而减小了每个并联支路的换流路径之间的互感。此外,轴对称的模块结构进一步确保了SiC MOSFET功率芯片之间电流的均匀分布。
本发明实施例提供的SiC双面散热功率模块,将两个DBC基板的导电铜层划分为若干个电路区域,将SiC MOSFET功率芯片对称设置并连接相应的电路区域,通过优化SiCMOSFET功率芯片的布局使其相互之间的换流路径的距离较远,降低了芯片之间的热耦合效应,从而提高了散热效率,确保芯片温度均匀分布。同时,利用钼块或其他低热阻的连接金属与DBC基板连接,能够更迅速地将热量传递给散热器。
应当说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”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。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种SiC双面散热功率模块,其特征在于,包括:第一DBC基板(100)、第二DBC基板(200)和若干个SiC MOSFET功率芯片(300);
所述第一DBC基板(100)与所述第二DBC基板(200)沿第一方向相对设置,所述第一DBC基板(100)和所述第二DBC基板(200)之间通过若干个连接金属(500)相互连接;
所述第一DBC基板(100)与所述第二DBC基板(200)均连接外部散热器;
所述若干个SiC MOSFET功率芯片(300)分别设置于所述第一DBC基板(100)和所述第二DBC基板(200)之间,所述若干个SiC MOSFET功率芯片(300)通过所述连接金属(500)在所述第一DBC基板(100)和所述第二DBC基板(200)之间对应形成若干条换流路径;
其中,相邻的两个SiC MOSFET功率芯片(300)组成一个半桥,位于同一个所述半桥中的两个SiC MOSFET功率芯片(300)在所述第一DBC基板(100)和所述第二DBC基板(200)之间的换流路径的方向相反;
相邻的两个所述半桥关于所述SiC双面散热功率模块的水平轴线或竖直轴线对称。
2.根据权利要求1所述的SiC双面散热功率模块,其特征在于,所述第一DBC基板(100)包括:依次层叠设置的第一散热铜层(110)、第一陶瓷绝缘层(120)和第一导电铜层(130);
所述第二DBC基板(200)包括:依次层叠设置的第二散热铜层(210)、第二陶瓷绝缘层(220)和第二导电铜层(230);
其中,所述第一导电铜层(130)和所述第二导电铜层(230)沿所述第一方向相对设置。
3.根据权利要求2所述的SiC双面散热功率模块,其特征在于,所述SiC MOSFET功率芯片(300)的上表面设置栅极、功率源极和开尔文源极,与其上表面相对的下表面设置漏极。
4.根据权利要求3所述的SiC双面散热功率模块,其特征在于,所述SiC双面散热功率模块上设置有功率模块端子(400),所述功率模块端子(400)分别连接所述第一导电铜层(130)和所述第二导电铜层(230)。
5.根据权利要求4所述的SiC双面散热功率模块,其特征在于,所述功率模块端子(400)包括:两个正极直流端子(410)、两个交流端子(420)、两个负极直流端子(430)、若干个栅极端子(440)和若干个开尔文源极端子(450);
所述两个正极直流端子(410)分别连接所述第二导电铜层(230),所述两个正极直流端子(410)关于所述SiC双面散热功率模块的竖直轴线对称设置;
所述两个交流端子(420)分别连接所述第二导电铜层(230),所述两个交流端子(420)关于所述SiC双面散热功率模块的水平轴线对称设置;
所述两个负极直流端子(430)分别连接所述第一导电铜层(130),且负极直流端子(430)与所述正极直流端子(410)沿所述第一方向相对设置;
所述若干个栅极端子(440)与所述若干个开尔文源极端子(450)分别连接所述第一导电铜层(130)和所述第二导电铜层(230);
其中,所述栅极端子(440)与所述开尔文源极端子(450)相邻,相邻的若干组所述栅极端子(440)和所述开尔文源极端子(450)与若干组所述SiC MOSFET功率芯片(300)一一对应设置。
6.根据权利要求5所述的SiC双面散热功率模块,其特征在于,所述第一导电铜层(130)包括:第一正极直流电路区域(131)、第一交流电路区域(132)、第一负极直流电路区域(133)、第一栅极电路区域(134)、第一开尔文源极电路区域(135);
所述第一正极直流电路区域(131)位于所述第一导电铜层(130)的四角;
所述第一交流电路区域(132)位于所述第一导电铜层(130)的中部;
所述栅极端子(440)与所述开尔文源极端子(450)对应连接所述第一栅极电路区域(134)和所述第一开尔文源极电路区域(135);
所述第一负极直流电路区域(133)位于所述第一导电铜层(130)的其余区域,所述两个负极直流端子(430)均连接所述第一负极直流电路区域(133)。
7.根据权利要求6所述的SiC双面散热功率模块,其特征在于,所述第二导电铜层(230)包括:第二正极直流电路区域(231)、第二交流电路区域(232)、第二栅极电路区域(233)和第二开尔文源极电路区域(234);
所述第二交流电路区域(232)位于所述第二导电铜层(230)的两侧,所述两个交流端子(420)对应连接所述第二交流电路区域(232);
所述栅极端子(440)与所述开尔文源极端子(450)对应连接所述第二栅极电路区域(233)和所述第二开尔文源极电路区域(234);
所述第二正极直流电路区域(231)位于所述第二导电铜层(230)的其余区域,所述两个正极直流端子(410)均连接所述第二正极直流电路区域(231)。
8.根据权利要求7所述的SiC双面散热功率模块,其特征在于,所述半桥中的一个SiCMOSFET功率芯片(300)的栅极通过所述栅极端子(440)连接所述第一栅极电路区域(134),开尔文源极通过所述开尔文源极端子(450)连接所述第一开尔文源极电路区域(135),功率源极通过所述连接金属(500)连接所述第二正极直流电路区域(231),漏极连接所述第一正极直流电路区域(131);
所述半桥中的另一个SiC MOSFET功率芯片(300)的栅极通过所述栅极端子(440)连接所述第二栅极电路区域(233),开尔文源极通过所述开尔文源极端子(450)连接所述第二开尔文源极电路区域(234),功率源极通过所述连接金属(500)连接所述第一交流电路区域(132),漏极连接所述第二交流电路区域(232)。
9.根据权利要求7所述的SiC双面散热功率模块,其特征在于,所述第一正极直流电路区域(131)与所述第二正极直流电路区域(231)通过所述连接金属(500)相互连接;
所述第一交流电路区域(132)与所述第二交流电路区域(232)通过所述连接金属(500)相互连接。
10.根据权利要求8所述的SiC双面散热功率模块,其特征在于,所述SiC MOSFET功率芯片(300)的栅极通过键合线(600)连接所述栅极端子(440);
所述SiC MOSFET功率芯片(300)的开尔文源极通过所述键合线(600)连接所述开尔文源极端子(450)。
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Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017005808A (ja) * | 2015-06-05 | 2017-01-05 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 電力変換装置 |
US20180082921A1 (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-22 | Infineon Technologies Ag | Package with roughened encapsulated surface for promoting adhesion |
CN110854103A (zh) * | 2019-11-09 | 2020-02-28 | 北京工业大学 | 一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法 |
US20210144888A1 (en) * | 2018-07-25 | 2021-05-13 | Denso Corporation | Electric power conversion device |
CN213880658U (zh) * | 2020-12-25 | 2021-08-03 | 华北电力大学 | 一种功率模块 |
US20210296217A1 (en) * | 2018-08-08 | 2021-09-23 | Agency For Science, Technology And Research | Semiconductor package and method of forming the same |
US20220095493A1 (en) * | 2020-09-24 | 2022-03-24 | Dana Tm4 Inc. | High density power module |
CN115117036A (zh) * | 2021-03-22 | 2022-09-27 | 天津工业大学 | 一种低寄生电感的半桥功率模块dbc布局结构 |
WO2022213013A1 (en) * | 2021-03-30 | 2022-10-06 | Virginia Tech Intellectual Properties Inc. | Double-side cooled power modules with sintered-silver interposers |
CN218887180U (zh) * | 2022-10-21 | 2023-04-18 | 常州瑞华新能源科技有限公司 | 一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块 |
CN116072660A (zh) * | 2023-01-28 | 2023-05-05 | 西安交通大学 | 一种SiCMOSFET多芯片并联子单元压接封装结构 |
-
2023
- 2023-12-08 CN CN202311684822.1A patent/CN117672998B/zh active Active
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017005808A (ja) * | 2015-06-05 | 2017-01-05 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 電力変換装置 |
US20180082921A1 (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-22 | Infineon Technologies Ag | Package with roughened encapsulated surface for promoting adhesion |
US20210144888A1 (en) * | 2018-07-25 | 2021-05-13 | Denso Corporation | Electric power conversion device |
US20210296217A1 (en) * | 2018-08-08 | 2021-09-23 | Agency For Science, Technology And Research | Semiconductor package and method of forming the same |
CN110854103A (zh) * | 2019-11-09 | 2020-02-28 | 北京工业大学 | 一种嵌入式双面互连功率模块封装结构和制作方法 |
US20220095493A1 (en) * | 2020-09-24 | 2022-03-24 | Dana Tm4 Inc. | High density power module |
CN213880658U (zh) * | 2020-12-25 | 2021-08-03 | 华北电力大学 | 一种功率模块 |
CN115117036A (zh) * | 2021-03-22 | 2022-09-27 | 天津工业大学 | 一种低寄生电感的半桥功率模块dbc布局结构 |
WO2022213013A1 (en) * | 2021-03-30 | 2022-10-06 | Virginia Tech Intellectual Properties Inc. | Double-side cooled power modules with sintered-silver interposers |
CN218887180U (zh) * | 2022-10-21 | 2023-04-18 | 常州瑞华新能源科技有限公司 | 一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块 |
CN116072660A (zh) * | 2023-01-28 | 2023-05-05 | 西安交通大学 | 一种SiCMOSFET多芯片并联子单元压接封装结构 |
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