CN207165564U - 一种双面散热高可靠功率模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子、负极功率端子、输出功率端子、底部金属绝缘基板以及顶部金属绝缘基板，底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板叠层设置，底部金属绝缘基板或顶部金属绝缘基板上设有输出局部金属层，输出功率端子通过输出局部金属层连接有芯片连接块，芯片连接块与底部金属绝缘基板上的芯片和顶部金属绝缘基板上的芯片电连接。本实用新型大大降低了回路寄生电感，采用与芯片热膨胀系数匹配的材料做互连，能够降低焊层开裂的风险，提高功率模块的可靠性；减小了功率模块的体积，节约了成本，减轻了重量，尤其适合SiC功率芯片的封装，充分提高了过流能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子功率模块，尤其是一种双面散热高可靠功率模块。
背景技术
电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动汽车，光伏发电，风力发电，工业变频等行业。随着我国工业的崛起，电力电子功率模块有着更加广阔的市场前景。
现有电力电子功率模块封装体积大，重量重，不符合电动汽车、航空航天等领域的高功率密度、轻量化的要求。体积较大的电力电子功率模块，其寄生电感往往也比较大，这会造成过冲电压较大、损耗增加，而且也限制了在高开关频率场合的应用。SiC电力电子器件具有高频、高温、高效的特性，但现有功率模块的寄生电感较大，限制了SiC性能的发挥。另外，随着应用端功率密度的不断升级，现有功率模块的封装结构已经阻碍了功率密度的进一步提升，必须开发出更加有效的散热结构才能满足功率密度日益增长的需求。
现有的双面散热功率模块如CN105161477A，由于芯片单层设置，电流的换流回路面积仍然较大，往往寄生电感也比较大，而且芯片单层设置，使得功率模块的体积相对较大，另外功率端子与控制端子只与第一衬板连接，设置不够灵活、衬板面积无法进一步减小，还会由于电流路径较长造成损耗增加。
实用新型内容
实用新型目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本实用新型旨在提供一种体积小、重量轻、寄生电感小的双面散热功率模块。
技术方案：一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子、负极功率端子、输出功率端子、底部金属绝缘基板以及顶部金属绝缘基板，所述底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板叠层设置，底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板在二者相对的面上均烧结有芯片，正极功率端子与底部金属绝缘基板上的芯片电连接，负极功率端子与顶部金属绝缘基板上的芯片电连接；底部金属绝缘基板或顶部金属绝缘基板上设有输出局部金属层，输出功率端子通过输出局部金属层连接有芯片连接块，芯片连接块与底部金属绝缘基板上的芯片和顶部金属绝缘基板上的芯片电连接。
进一步的，所述底部金属绝缘基板在面向顶部金属绝缘基板的一面上烧结有上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片，顶部金属绝缘基板在面向底部金属绝缘基板的一面上烧结有下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片。
进一步的，所述正极功率端子烧结在底部金属绝缘基板上，负极功率端子烧结在顶部金属绝缘基板上，芯片连接块在面向底部金属绝缘基板的一面与上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片烧结，在面向顶部金属绝缘基板的一面与下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片烧结。
进一步的，所述芯片连接块分为第一芯片连接块和第二芯片连接块，第一芯片连接块与第二芯片连接块均与输出局部金属层烧结；第一芯片连接块在面向顶部金属绝缘基板的一面与下半桥二极管芯片烧结，在面向底部金属绝缘基板的一面与上半桥开关芯片烧结；第二芯片连接块在面向顶部金属绝缘基板的一面与下半桥开关芯片烧结，在面向底部金属绝缘基板的一面与上半桥二极管芯片烧结。
进一步的，所述上半桥开关芯片与下半桥二极管芯片叠层设置，下半桥开关芯片与上半桥二极管芯片叠层设置。
进一步的，所述底部金属绝缘基板上设有上半桥表面金属层和输出局部金属层，上半桥表面金属层上烧结有上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片，当所述上半桥开关芯片为IGBT时，正极功率端子与上半桥开关芯片的集电极以及上半桥二极管芯片的负极电连接，当所述上半桥开关芯片为MOSFET时，所述正极功率端子与上半桥开关芯片的漏极以及上半桥二极管芯片的负极电连接。
进一步的，所述输出功率端子包括焊接部和位于塑封外壳外部的连接部，所述焊接部位于底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板之间；所述顶部金属绝缘基板上设有下半桥表面金属层、下半桥驱动局部金属层、第一上半桥驱动局部金属层和第二上半桥驱动局部金属层，下半桥表面金属层上烧结有下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片，下半桥表面金属层和下半桥驱动局部金属层分别连有一个下半桥驱动端子，第一上半桥驱动局部金属层和第二上半桥驱动局部金属层分别连有一个上半桥驱动端子；
当下半桥开关芯片为IGBT时，下半桥表面金属层与IGBT芯片的发射极相连；当下半桥开关芯片为MOSFET时，下半桥表面金属层与MOSFET芯片的源极相连，下半桥驱动局部金属层与下半桥开关芯片的门极相连，第一上半桥驱动局部金属层与上半桥开关芯片的门极相连，第二上半桥驱动局部金属层与输出功率端子的焊接部相连。
进一步的，所述底部金属绝缘基板背面金属层与顶部金属绝缘基板背面金属层上分别设有第一散热装置和第二散热装置。
进一步的，所述塑封外壳为传递模一体化成型工艺制作，顶部金属绝缘基板背面金属层上表面的中间部分以及底部金属绝缘基板背面金属层下表面的中间部分均露出在塑封外壳的外部，并且高出塑封外壳。
进一步的，所述低寄生电感双面散热功率模块为三相桥结构，包括三个正极功率端子、三个负极功率端子和三个输出功率端子，拓扑结构为三个半桥。
有益效果：本实用新型的底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板叠层设置，部分芯片之间存在堆叠关系，输出功率端子设置在底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板之间可以大大降低回路寄生电感，并通过输出局部金属层与芯片连接块相连，再由芯片连接块与芯片烧结，采用与芯片热膨胀系数匹配的材料做互连，能够降低焊层开裂的风险，提高功率模块的可靠性；并且功率模块内部芯片及电极的堆叠设置，减小了功率模块的体积，节约了成本，减轻了重量，尤其适合SiC功率芯片的封装；同时，功率模块的两侧均可设置散热装置，可以减小功率模块的热阻，提高功率模块的散热效率；并且，功率模块内部芯片的功率端全部采用大面积烧结结构，内部互连结构的键合较少或无键合线，大大降低了键合线失效造成的模块失效，充分提高了过流能力，提高了模块的可靠性。
附图说明
图1是本实用新型整体外观结构图；
图2是本实用新型主视图及局部放大图；
图3是本实用新型内部示意图；
图4是本实用新型截面示意图；
图5是本实用新型底部金属绝缘基板组件示意图；
图6是本实用新型顶部金属绝缘基板组件示意图；
图7是本实用新型爆炸示意图；
图8是传统半桥功率模块拓扑结构及换流回路示意图；
图9是本实用新型半桥功率模块拓扑结构及换流回路示意图；
图10是三相桥功率模块散热方案示意图；
图11是三相桥功率模块安装爆炸图；
图12是三相桥功率模块整体结构示意图；
图13是三相桥功率模块拓扑图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。
本实用新型通过将开关芯片与相对桥臂的续流二极管芯片堆叠设置，使得换流回路路径最短，从而大大减少回路寄生电感；芯片表面通过热膨胀系数匹配的金属材料实现机械、电气连接，提高了功率模块的可靠性。
如图1所示，一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子1、负极功率端子2、输出功率端子3、底部金属绝缘基板5、顶部金属绝缘基板4以及用于包封的塑封外壳15。
本实施例中底部金属绝缘基板5与顶部金属绝缘基板4所采用的金属绝缘基板均为DBC，即底部金属绝缘基板5包括绝缘基板和基板两侧的金属层，面向顶部金属绝缘基板4的一面上安装了芯片，未安装芯片的另一面则为底部金属绝缘基板背面金属层51，同理，顶部金属绝缘基板4也有相同的结构，未安装芯片一面为顶部金属绝缘基板背面金属层41；本领域技术人员在实施时也可不采用DBC结构，也可以采用绝缘基板两侧覆铝，或者一侧覆铜一侧覆铝等金属覆盖在绝缘介质两侧的结构。
如图2所示，本实施例中塑封外壳15为传递模一体化成型工艺制作，即借助塑封压机将融化的热固性塑料注入到模腔内，模腔内放置有经过烧结的功率模块半成品，融化的热固性塑料达到固化温度后会快速固化成型，形成本实用新型设计方案所示的塑封外壳15。顶部金属绝缘基板背面金属层41上表面的中间部分以及底部金属绝缘基板背面金属层51下表面的中间部分均露出在塑封外壳15的外部，并且高出塑封外壳15。这种结构可以使金属绝缘基板背面金属层更好地与散热装置接触，可以实现更好的散热效果。
如图3、图4所示，底部金属绝缘基板5与顶部金属绝缘基板4叠层设置，底部金属绝缘基板5与顶部金属绝缘基板4在二者相对的面上均烧结有芯片，正极功率端子1与底部金属绝缘基板5上的芯片电连接，负极功率端子2与顶部金属绝缘基板4上的芯片电连接；底部金属绝缘基板5在面向顶部金属绝缘基板4的一面上烧结有上半桥开关芯片6和上半桥二极管芯片7，顶部金属绝缘基板4在面向底部金属绝缘基板5的一面上烧结有下半桥开关芯片8和下半桥二极管芯片9，具体的，正极功率端子1烧结在底部金属绝缘基板5上，负极功率端子2烧结在顶部金属绝缘基板4上，芯片连接块在面向底部金属绝缘基板5的一面与上半桥开关芯片6和上半桥二极管芯片7烧结，在面向顶部金属绝缘基板4的一面与下半桥开关芯片8和下半桥二极管芯片9烧结。
本实施例中所述的烧结具体为通过焊接层14烧结，由于开关芯片为硅或碳化硅材料通过电镀或者溅射或者蒸发有上表面下表面钛镍银金属的结构，因此焊接层14可以是锡铅等钎焊料通过烧结形成的焊接层14，也可以是银浆通过烧结形成的焊接层14。
上半桥开关芯片6与下半桥二极管芯片9叠层设置，下半桥开关芯片8与上半桥二极管芯片7叠层设置，其具体连接方式为：
如图5所示，底部金属绝缘基板5上设有上半桥表面金属层521和输出局部金属层522，上半桥表面金属层521上烧结有上半桥开关芯片6和上半桥二极管芯片7，当所述上半桥开关芯片6为IGBT时，正极功率端子1与上半桥开关芯片6的集电极以及上半桥二极管芯片7的负极电连接，当所述上半桥开关芯片6为MOSFET时，所述正极功率端子1与上半桥开关芯片6的漏极以及上半桥二极管芯片7的负极电连接。
如图6所示，顶部金属绝缘基板4上设有下半桥表面金属层421、下半桥驱动局部金属层422、第一上半桥驱动局部金属层423和第二上半桥驱动局部金属层424，下半桥表面金属层421上烧结有下半桥开关芯片8和下半桥二极管芯片9，下半桥表面金属层421和下半桥驱动局部金属层422分别连有一个下半桥驱动端子，第一上半桥驱动局部金属层423和第二上半桥驱动局部金属层424分别连有一个上半桥驱动端子；
当下半桥开关芯片8为IGBT时，下半桥表面金属层421与IGBT芯片的发射极相连；当下半桥开关芯片8为MOSFET时，下半桥表面金属层421与MOSFET芯片的源极相连，下半桥驱动局部金属层422与下半桥开关芯片8的门极相连，第一上半桥驱动局部金属层423与上半桥开关芯片6的门极相连，第二上半桥驱动局部金属层424与输出功率端子3的焊接部31相连。
结合图5、图6，如图7所示，输出功率端子3包括焊接部31和设有安装孔的连接部32，所述焊接部31位于底部金属绝缘基板5与顶部金属绝缘基板4之间，底部金属绝缘基板5或顶部金属绝缘基板4上设有输出局部金属层522，输出功率端子3通过输出局部金属层522连接有芯片连接块，芯片连接块与底部金属绝缘基板5上的芯片和顶部金属绝缘基板4上的芯片电连接。本实施例中的焊接部31是平面结构，焊接部31的一端弯折并向上延伸形成具有安装孔的连接部32，具体应用时也可根据实际需要不进行弯折而是做成一整块平板结构。
焊接部31上设有上半桥驱动连接端，上半桥驱动连接端与顶部金属绝缘基板4的第二上半桥驱动局部金属层424相连，第二上半桥驱动局部金属层424另一端连接一个上半桥驱动端子。本实施例中的上半桥驱动连接端可以采用单独的金属连接块，也可以与输出功率端子3为一体结构，上半桥开关芯片6门极与顶部金属绝缘基板4的第一上半桥驱动局部金属层423采用金属连接块实现电气连接，金属连接块选用导电类材料；芯片连接块可以选用钼、钨铜等与芯片的热膨胀系数比较匹配的金属材料，芯片连接块的热膨胀系数优选范围在2～8ppm/℃之间的金属材料，如此能够降低芯片与芯片连接块之间烧结层的热应力，避免烧结层过早开裂失效，提高了可靠性。另外，第一上半桥驱动局部金属层423也可以设置在底部金属绝缘基板5上，此时上半桥开关芯片6的门极与第一上半桥驱动局部金属层423可以使用键合线进行连接。
芯片连接块可以为一块整体，也可以根据芯片数量进行拆分，本实施例中芯片连接块分为第一芯片连接块331和第二芯片连接块332，第一芯片连接块331与第二芯片连接块332均与输出局部金属层522烧结；第一芯片连接块331在面向顶部金属绝缘基板4的一面与下半桥二极管芯片9烧结，在面向底部金属绝缘基板5的一面与上半桥开关芯片6烧结；第二芯片连接块332在面向顶部金属绝缘基板4的一面与下半桥开关芯片8烧结，在面向底部金属绝缘基板5的一面与上半桥二极管芯片7烧结。
图8、图9分别为传统半桥拓扑结构及本实用新型半桥拓扑结构，传统的功率模块内部，开关芯片的集电极或漏极通过焊接层14与金属绝缘基板表面金属层连接，开关芯片的发射极或源极通过键合线与表面金属层相连，即上半桥开关芯片6与下半桥二极管芯片9之间通过键合线、金属层连接，图中的粗线表示续流回路路径；本实用新型将上半桥开关芯片6与下半桥二极管芯片9叠层设置，省掉了中间的金属绝缘基板金属层与键合线，其连接路径最短，因此其换流回路也最短，从而大幅度降低了寄生电感。
图10、图11为功率模块与散热装置的连接示意图，底部金属绝缘基板背面金属层51与顶部金属绝缘基板背面金属层41上分别设有第一散热装置12和第二散热装置13。顶部金属绝缘基板背面金属层41与第一散热装置12通过导热硅脂或其它导热材料接触，底部金属绝缘基板背面金属层51也通过导热硅脂或其它导热材料与第二散热装置13接触；第二散热装置13的两侧安装有绝缘垫块121，绝缘垫块121与功率模块的正/负功率端子接触，便于安装母排。
如图12所示，本实用新型还可以应用在三相桥结构中，将三个本实用新型中记载的半桥功率模块结构一字排布，并封装在同一个塑封外壳内部，便可以实现低寄生电感的三相桥功率模块，即一个功率模块包括三个正极功率端子11、三个负极功率端子22和三个输出功率端子33，其拓扑结构为三个半桥，如图13所示。
本实用新型作为形成半导体芯片的基础，可以使用硅衬底，可也以使用锗衬底或者III-V半导体材料，例如，GaN或SiC；另外，对于包装、模塑或封装而言，可以使用塑料材料或陶瓷材料等。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子(1)、负极功率端子(2)、输出功率端子(3)、顶部金属绝缘基板(4)、底部金属绝缘基板(5)和塑封外壳(15)，所述底部金属绝缘基板(5)与顶部金属绝缘基板(4)叠层设置，底部金属绝缘基板(5)与顶部金属绝缘基板(4)在二者相对的面上均烧结有芯片，正极功率端子(1)与底部金属绝缘基板(5)上的芯片电连接，负极功率端子(2)与顶部金属绝缘基板(4)上的芯片电连接；底部金属绝缘基板(5)或顶部金属绝缘基板(4)上设有输出局部金属层(522)，输出功率端子(3)通过输出局部金属层(522)连接有芯片连接块，芯片连接块与底部金属绝缘基板(5)上的芯片和顶部金属绝缘基板(4)上的芯片电连接。
2.根据权利要求1所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述底部金属绝缘基板(5)在面向顶部金属绝缘基板(4)的一面上烧结有上半桥开关芯片(6)和上半桥二极管芯片(7)，顶部金属绝缘基板(4)在面向底部金属绝缘基板(5)的一面上烧结有下半桥开关芯片(8)和下半桥二极管芯片(9)。
3.根据权利要求2所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述正极功率端子(1)烧结在底部金属绝缘基板(5)上，负极功率端子(2)烧结在顶部金属绝缘基板(4)上，芯片连接块在面向底部金属绝缘基板(5)的一面与上半桥开关芯片(6)和上半桥二极管芯片(7)烧结，在面向顶部金属绝缘基板(4)的一面与下半桥开关芯片(8)和下半桥二极管芯片(9)烧结。
4.根据权利要求2所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述芯片连接块分为第一芯片连接块(331)和第二芯片连接块(332)，第一芯片连接块(331)与第二芯片连接块(332)均与输出局部金属层(522)烧结；第一芯片连接块(331)在面向顶部金属绝缘基板(4)的一面与下半桥二极管芯片(9)烧结，在面向底部金属绝缘基板(5)的一面与上半桥开关芯片(6)烧结；第二芯片连接块(332)在面向顶部金属绝缘基板(4)的一面与下半桥开关芯片(8)烧结，在面向底部金属绝缘基板(5)的一面与上半桥二极管芯片(7)烧结。
5.根据权利要求2所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述上半桥开关芯片(6)与下半桥二极管芯片(9)叠层设置，下半桥开关芯片(8)与上半桥二极管芯片(7)叠层设置。
6.根据权利要求2所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述底部金属绝缘基板(5)上设有上半桥表面金属层(521)和输出局部金属层(522)，上半桥表面金属层(521)上烧结有上半桥开关芯片(6)和上半桥二极管芯片(7)，当所述上半桥开关芯片(6)为IGBT时，正极功率端子(1)与上半桥开关芯片(6)的集电极以及上半桥二极管芯片(7)的负极电连接，当所述上半桥开关芯片(6)为MOSFET时，所述正极功率端子(1)与上半桥开关芯片(6)的漏极以及上半桥二极管芯片(7)的负极电连接。
7.根据权利要求2所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述输出功率端子(3)包括焊接部(31)和位于塑封外壳(15)外部的连接部(32)，所述焊接部(31)位于底部金属绝缘基板(5)与顶部金属绝缘基板(4)之间；所述顶部金属绝缘基板(4)上设有下半桥表面金属层(421)、下半桥驱动局部金属层(422)、第一上半桥驱动局部金属层(423)和第二上半桥驱动局部金属层(424)，下半桥表面金属层(421)上烧结有下半桥开关芯片(8)和下半桥二极管芯片(9)，下半桥表面金属层(421)和下半桥驱动局部金属层(422)分别连有一个下半桥驱动端子，第一上半桥驱动局部金属层(423)和第二上半桥驱动局部金属层(424)分别连有一个上半桥驱动端子；
当下半桥开关芯片(8)为IGBT时，下半桥表面金属层(421)与IGBT芯片的发射极相连；当下半桥开关芯片(8)为MOSFET时，下半桥表面金属层(421)与MOSFET芯片的源极相连，下半桥驱动局部金属层(422)与下半桥开关芯片(8)的门极相连，第一上半桥驱动局部金属层(423)与上半桥开关芯片(6)的门极相连，第二上半桥驱动局部金属层(424)与输出功率端子(3)的焊接部(31)相连。
8.根据权利要求1所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述顶部金属绝缘基板背面金属层(41)与底部金属绝缘基板背面金属层(51)上分别设有第一散热装置(12)和第二散热装置(13)。
9.根据权利要求1所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述塑封外壳(15)为传递模一体化成型工艺制作，顶部金属绝缘基板背面金属层(41)上表面的中间部分以及底部金属绝缘基板背面金属层(51)下表面的中间部分均露出在塑封外壳(15)的外部，并且高出塑封外壳(15)。
10.根据权利要求1所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述一种双面散热高可靠功率模块为三相桥结构，包括三个正极功率端子(1)、三个负极功率端子(2)和三个输出功率端子(3)，拓扑结构为三个半桥。
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