CN117937904A - 一种功率模块的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率模块的封装结构，该结构包括：基板、功率器件、电流检测模块以及驱动电路模块；功率器件位于基板的一侧；电流检测模块与功率器件设置于基板的同侧，并与功率器件串联连接，电流检测模块用于检测所连接的功率器件的电流值，并通过输出端输出表征流经功率器件电流值的电信号；所述电流检测模块包括电流检测传感器；驱动电路模块与电流检测模块的输出端电连接，用于根据电信号确定功率器件是否存在过流；或者将电流检测模块的输出端连接至外部过流检测电路。本发明解决了现有电流检测方式所带来的功率模块内部温升快、电流检测范围小以及毛刺电压导致误操作的问题，提高了小电流情况下的高精度控制。

Description

一种功率模块的封装结构

技术领域

本发明涉及功率半导体技术领域，尤其涉及一种功率模块的封装结构。

背景技术

功率模块是一种集成了功率器件和驱动电路的模块单元，使用方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，同时大大增强了系统的可靠性，在电力电子领域得到越来越广泛的应用。

目前的功率模块主要采用功率电阻进行电流检测，主要存在以下问题：功率电阻发热功耗大，增加了功率模块内部的温度，不利于功率模块的散热；外部毛刺电压容易触发内部电路误操作，提前关闭或者打开电路通路，无法保证快速保护功率模块本身和其他设备；功率电阻电流检测范围小，无法满足小电流情况下的高精度控制。

发明内容

本发明提供了一种功率模块的封装结构，以解决现有电流检测方式所带来的功率模块内部温升快、电流检测范围小以及毛刺电压导致误操作的问题。

本发明提供了一种功率模块的封装结构，该结构包括：基板、功率器件、电流检测模块以及驱动电路模块；

功率器件位于基板的一侧；

电流检测模块与功率器件设置于基板的同侧，并与功率器件串联连接，电流检测模块用于检测所连接的功率器件的电流值，并通过输出端输出表征流经功率器件电流值的电信号；

驱动电路模块与电流检测模块的输出端电连接，用于根据电信号确定功率器件是否存在过流；或者将电流检测模块的输出端连接至外部过流检测电路。

可选的，电流检测传感器包括第一连接端、第二连接端和输出端；电流检测传感器通过第一连接端、第二连接端与功率器件串联连接，电流检测传感器的输出端作为电流检测模块的输出端。

可选的，电流检测传感器还包括本体部，第一连接端和第二连接端位于本体部靠近基板的一侧；输出端位于本体部远离基板的一侧；

驱动电路模块位于本体部远离基板的一侧。

可选的，驱动电路模块设置于印制电路板上，并位于印制电路板远离基板一侧的表面；印制电路板设置有通孔，电流检测传感器的输出端通过通孔连接至驱动电路模块。

可选的，基板的表面设置有铜箔，第一连接端、第二连接端分别与铜箔焊接。

可选的，第一连接端包括第一引线，第二连接端包括第二引线，输出端包括第三引线，第一引线的宽度大于第三引线的宽度，第二引线的宽度大于第三引线的宽度。

可选的，电流检测模块还包括：温度传感器，温度传感器内置于电流传感器中。

可选的，电流检测模块与功率器件一一对应串联连接。

可选的，功率器件包括IGBT芯片和FWD芯片；IGBT芯片包括第一端和第二端，FWD芯片连接于第一端与第二端之间。

可选的，基板包括直接键合铜基板、直接电镀铜基板以及活性金属钎焊基板中的任一种。

本发明的技术方案，提供了一种功率模块的封装结构，该封装结构中集成了电流检测模块，电流检测模块包括电流检测传感器，电流检测传感器相对于传统的功率电阻，发热功耗降低，使得功率模块内部升温速度减缓，降低了功率损耗；且提高了抗干扰能力，大大降低了毛刺电压引起的误操作；该电流检测模块可以满足宽电流检测范围，提高了小电流情况下的高精度控制。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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人员来讲，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。

图1是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的立体图；

图2是本发明实施例提供的另一种功率模块的封装结构中部分结构的立体图；

图3是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的二维图；

图4是本发明实施例提供的一种电流检测模块的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的剖面图；

图6是本发明实施例提供的一种功率器件与电流检测模块的电路连接的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种功率器件与电流检测模块的电路连接的结构示意图。

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，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或器的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或器，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或器。

图1是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的立体图，图2是本发明实施例提供的另一种功率模块的封装结构中部分结构的立体图，图3是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的二维图。如图1-图3所示，该封装结构包括：基板1、功率器件2、电流检测模块3以及驱动电路模块4。需要说明的是，为清晰示出功率模块的内部结构，图2所示封装结构未示出驱动电路模块。

继续参考图1-图3，功率器件2位于基板1的一侧；电流检测模块3与功率器件2设置于基板1的同侧，并与功率器件2串联连接，电流检测模块3用于检测所连接的功率器件2的电流值，并通过输出端输出表征流经功率器件2电流值的电信号；电流检测模块3包括电流检测传感器。

驱动电路模块4与电流检测模块3的输出端电连接，用于根据电信号确定功率器件2是否存在过流；或者将电流检测模块3的输出端连接至外部过流检测电路。

在本实施例中，基板1可以是通过在氧化铝、氮化铝或氮化硅等材料表面铺铜而形成，其中铺铜的工艺包括但不限于直接键合铜(Direct Bond Copper，DBC)、直接电镀铜(Direct Plating Copper，DPC)或活性金属钎焊(Active Metal Brazing，AMB)。功率器件2可以是一种功率开关器件，可以包括绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate BipolarTransistor，IGBT)芯片和续流二极管(Freewheeling Diode，FWD)芯片，功率器件2是由IGBT芯片和FWD芯片通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，图3中示意性地给出了IGBT芯片和FWD芯片的具体位置。电流检测模块3是一种可以用于监测流经与其连接的功率器件2的电流值的模块，电流检测模块3可以是电流检测传感器，电流检测传感器是一种能够将被测电流值按一定规律变换成符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出的检测装置。示例性的，电流检测传感器可以是霍尔电流传感器，霍尔电流传感器是根据霍尔效应原理将被测电流值转换成电压值输出的传感器。驱动电路模块4可以是一种获取电流检测模块3输出的电信号并确定是否存在过流的电路模块。

具体的，功率器件2与电流检测模块3设置在基板1铺铜的一侧，功率模块可以根据具体要求设置多个功率器件2，示例性的，功率模块可以包括两个功率器件2，也可以包括六个功率器件2。电流检测模块3可以与功率器件2一一对应设置，且电流检测模块3与功率器件2串联连接。当有电流流经功率器件2时，电流检测模块3实时监测流经与其串联连接的功率器件2的电流值，并转换成能够表征流经功率器件2电流值的电信号输出，示例性的，电信号可以为电压值。电流检测模块3相对于传统的功率电阻，发热功耗可以降低100w以上；且抗干扰能力可以提高100倍以上；电流检测模块3可以满足50A-400A的宽电流检测范围，可以提高小电流情况下的高精度控制。

驱动电路模块4与电流检测模块3的输出端连接，电流检测模块3输出电信号至驱动电路模块4，驱动电路模块4根据此电信号判定是否存在过流故障。电流检测模块3的输出端也可以与外部其他过流检测电路连接，过流检测电路通过电流检测模块3输出的电信号判定是否存在过流故障。

本实施例的技术方案，提供了一种功率模块的封装结构，该封装结构中集成了电流检测模块，电流检测模块包括电流检测传感器，电流检测传感器相对于传统的功率电阻，发热功耗降低，使得功率模块内部升温速度减缓，降低了功率损耗；且提高了抗干扰能力，大大降低了毛刺电压引起的误操作；该电流检测模块可以满足宽电流检测范围，提高了小电流情况下的高精度控制。

图4是本发明实施例提供的一种电流检测模块的结构示意图。如图4所示，电流检测传感器包括第一连接端IP+、第二连接端IP-和输出端Vout；电流检测传感器通过第一连接端IP+、第二连接端IP-与功率器件串联连接，电流检测传感器的输出端Vout作为电流检测模块3的输出端。

具体的，电流检测模块3可以包括电流检测传感器，电流检测传感器包括第一连接端IP+、第二连接端IP-和输出端Vout，电流检测传感器还包括电源端VCC和接地端GND，其中电源端VCC可以与驱动电路模块或外部其他电路连接，通过电源端VCC为电流检测传感器供电，接地端GND始终处于接地状态，输出端Vout作为电流检测模块3的输出端。

如图2所示，第一连接端IP+、第二连接端IP-与功率器件2设置在基板1铺铜的一侧，且第一连接端IP+、第二连接端IP-与功率器件2串联连接。第一连接端IP+与第二连接端IP-为高压端和大电流引入端，承载电压可以达到5KV以上，承载电流可以达到400A左右，电源端VCC、接地端GND以及输出端Vout为低压端和小电流端。流经功率器件2的电流通过第一连接端IP+与第二连接端IP-引入电流检测传感器内，电流检测传感器通过输出端Vout输出可以表征流经功率器件2的电流值的电信号或其他信号。

如图1-图2所示，电流检测传感器还包括本体部31，第一连接端IP+和第二连接端IP-位于本体部31靠近基板1的一侧；输出端Vout位于本体部31远离基板1的一侧。驱动电路模块4位于本体部31远离基板1的一侧。

在本实施例中，本体部31是一种集成了半导体器件或其他元件，并通过固定的连接结构实现某种功能的模块。示例性的，电流检测传感器可以为霍尔电流传感器，此时本体部可以包括霍尔元件、磁场发生器以及信号处理电路等。

具体的，电流检测传感器还包括本体部31，第一连接端IP+和第二连接端IP-分别于本体部31连接，且位于本体部31靠近基板1的一侧。输出端Vout与本体部31连接，且位于本体部31远离基板1的一侧。

驱动电路模块4也位于本体部31远离基板1的一侧，驱动电路模块4可以与输出端Vout连接。

示例性的，电流检测传感器可以为霍尔电流传感器，本体部31可以包括霍尔元件、磁场发生器和信号处理电路。流经功率器件2的电流通过第一连接端IP+和第二连接端IP-经过霍尔电流传感器，并在霍尔元件平面的法线方向上通过磁场发生器产生磁场，则在垂直于电流与磁场方向会产生霍尔电势，霍尔电势与电流值呈正相关。信号处理电路对霍尔电势进行放大、滤波等处理，然后在输出端Vout输出电压信号。

如图1-图2所示，驱动电路模块4设置于印制电路板5上，并位于印制电路板5远离基板1一侧的表面；印制电路板5设置有通孔51，电流检测传感器的输出端Vout通过通孔51连接至驱动电路模块4。

在本实施例中，印制电路板5是电子元器件电气连接的提供者，主要起到传输和导通作用。

具体的，驱动电路模块4设置于印制电路板5远离基板1一侧的表面，印制电路板5可以设置通孔51，电流检测传感器的输出端Vout可以通过通孔51与驱动电路模块4连接，电流检测传感器的输出端Vout也可以通过通孔51与外部其他过流检测电路连接。驱动电路模块4或外部其他过流检测电路通过输出端Vout输出的表征流经功率器件2的电流值的电信号或其他信号来判定是否发生过流故障。

如图2所示，可选的，基板1的表面设置有铜箔，第一连接端IP+、第二连接端IP-分别与铜箔焊接。

具体的，基板1一侧的表面通过DPC、DBC或AMB等工艺进行铺铜箔，铜箔表面可以印刷锡膏，通过治具将电流检测传感器固定在基板1表面的指定位置，第一连接端IP+与第二连接端IP-与锡膏接触，可以通过回流焊将第一连接端IP+、第二连接端IP-分别与铜箔焊接在一起。其中回流焊是一种利用高温短时间作用于电子元器件和涂有锡膏的连接部位以实现可靠焊点的技术。

图5是本发明实施例提供的一种功率模块的封装结构的剖面图。如图5所示，第一连接端包括第一引线32，第二连接端包括第二引线，输出端包括第三引线33，第一引线32的宽度大于第三引线33的宽度，第二引线的宽度大于第三引线33的宽度。需要说明的是，图5中未示出第二引线。

具体的，电流检测传感器包括第一连接端、第二连接端和输出端，第一连接端可以包括第一引线32，示例性的，第一引线32可以为铜导线，第二连接端可以包括第二引线，示例性的，第二引线可以为铜导线。输出端可以包括第三引线33，示例性的，第三引线33可以为铜导线。

第一连接端与第二连接端为高压端和大电流引入端，承载电压可以达到5KV以上，承载电流可以达到400A左右，而输出端为低压端和小电流端。所以第一引线32的宽度大于第三引线33的宽度，第二引线的宽度大于第三引线33的宽度。

可选的，电流检测模块还包括：温度传感器，温度传感器内置于电流传感器中。

在本实施例中，温度传感器是一种可以测量物体或环境温度，并将温度值转换为电信号进行输出，示例性的，电信号可以为电阻值、电流值、电压值或数字信号等。温度传感器包括但不限于热敏电阻、热电偶或集成温度传感器。

具体的，电流检测模块与功率器件串联连接，电流检测模块实时监测流经功率器件的电流值，流经功率器件的电流也会流入电流检测模块，电流检测模块跨接在电流通路上，电流经过时会产生温升现象，电流检测模块内部集成了温度传感器，温度传感器可以实时监控温度，并将温度值转换成电信号输出至驱动电路模块。这样设置，可以实时监测功率模块内部的温度，防止功率模块由于温度过高而损坏。

图6是本发明实施例提供的一种功率器件与电流检测模块的电路连接的结构示意图，图7是本发明实施例提供的另一种功率器件与电流检测模块的电路连接的结构示意图。图6中示例性的给出了六个功率器件2搭配六个电流检测模块3的电路连接结构，图7中示例性的给出了两个功率器件2搭配两个电流检测模块3的电路连接结构。如图6和图7所示，电流检测模块3与功率器件2一一对应串联连接。

具体的，电流检测模块3与功率器件2一一对应设置，且电流检测模块3与功率器件2串联连接。当电流流经功率器件2时，电流也会流入电流检测模块3，电流检测模块3实时监测流经功率器件2的电流值。

继续参考图6和图7，功率器件2包括IGBT芯片21和FWD芯片22；IGBT芯片21包括第一端和第二端，FWD芯片22连接于第一端与第二端之间。

在本实施例中，IGBT芯片21是由双极型晶体管和绝缘栅场效应晶体管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有绝缘栅场效应晶体管的高输入阻抗和双极型晶体管低导通压降两方面的优点。FWD芯片22是一种在电路中起到续流作用的二极管，一般配合电感性负载使用。FWD芯片22的主要作用是平缓电流变化，避免电压突波，在电路中保护IGBT芯片21不被感应电压损坏。示例性的，FWD芯片22包括但不限于快恢复二极管芯片或肖特基二极管芯片。

具体的，IGBT芯片21包括第一端和第二端，FWD芯片22连接于第一端与第二端之间。FWD芯片22可以对IGBT芯片21起到一定的保护作用。

可选的，基板包括直接键合铜基板、直接电镀铜基板以及活性金属钎焊基板中的任一种。

具体的，直接键合铜基板是一种通过DBC工艺进行铺铜而形成的基板，直接电镀铜基板是一种通过DPC工艺进行铺铜而形成的基板，活性金属钎焊基板是一种通过AMB工艺进行铺铜而形成的基板。

可选的，功率模块的封装结构的生产流程可以为：提供基板；在基板铺铜一侧的表面印刷锡膏；将功率器件放置在基板铺铜一侧的表面的指定位置，通过锡膏的粘性将功率器件固定在基板表面；利用夹具将电流检测模块放置在基板铺铜一侧的表面的指定位置，并利用治具将电流检测模块固定好；提供印制电路板，印制电路板表面的指定位置印刷锡膏；利用贴片机将驱动电路模块所包括的电子元件固定在印制电路板表面的指定位置；将基板与印制电路板进行组装；通过回流焊将功率元件和电流检测模块焊接在基板表面，并通过回流焊将驱动电路模块所包括的电子元件焊接在印制电路板表面的指定位置。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率模块的封装结构，其特征在于，包括：基板、功率器件、电流检测模块以及驱动电路模块；

所述功率器件位于所述基板的一侧；

所述电流检测模块与所述功率器件设置于所述基板的同侧，并与所述功率器件串联连接，所述电流检测模块用于检测所连接的所述功率器件的电流值，并通过输出端输出表征流经所述功率器件电流值的电信号；所述电流检测模块包括电流检测传感器；

所述驱动电路模块与所述电流检测模块的输出端电连接，用于根据所述电信号确定所述功率器件是否存在过流；或者将所述电流检测模块的输出端连接至外部过流检测电路。

2.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述电流检测传感器包括第一连接端、第二连接端和输出端；所述电流检测传感器通过所述第一连接端、所述第二连接端与所述功率器件串联连接，所述电流检测传感器的输出端作为所述电流检测模块的输出端。

3.根据权利要求2所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述电流检测传感器还包括本体部，所述第一连接端和所述第二连接端位于所述本体部靠近所述基板的一侧；所述输出端位于所述本体部远离所述基板的一侧；

所述驱动电路模块位于所述本体部远离所述基板的一侧。

4.根据权利要求3所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述驱动电路模块设置于印制电路板上，并位于所述印制电路板远离所述基板一侧的表面；所述印制电路板设置有通孔，所述电流检测传感器的输出端通过所述通孔连接至所述驱动电路模块。

5.根据权利要求2所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述基板的表面设置有铜箔，所述第一连接端、所述第二连接端分别与所述铜箔焊接。

6.根据权利要求2所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述第一连接端包括第一引线，所述第二连接端包括第二引线，所述输出端包括第三引线，所述第一引线的宽度大于所述第三引线的宽度，所述第二引线的宽度大于所述第三引线的宽度。

7.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述电流检测模块还包括：温度传感器，所述温度传感器内置于所述电流传感器中。

8.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述电流检测模块与所述功率器件一一对应串联连接。

9.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述功率器件包括IGBT芯片和FWD芯片；所述IGBT芯片包括第一端和第二端，所述FWD芯片连接于所述第一端与所述第二端之间。

10.根据权利要求1所述的功率模块的封装结构，其特征在于，所述基板包括直接键合铜基板、直接电镀铜基板以及活性金属钎焊基板中的任一种。