CN208111434U - 一种功率模块 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种功率模块，用于降低功率模块的成本。所述功率模块包括：铜绝缘基板，所述铜绝缘基板包括导体层；至少两个功率器件，设置在所述导体层上，其中，所述至少两个功率器件用于控制所述功率模块的输出电流。

Description

一种功率模块
技术领域
本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种功率模块。
背景技术
功率模块可以理解为是将功率电力电子器件按照需要的功能组合再灌封形成的模块。功率模块可应用在不同的环境中，例如，功率模块可用在空调中，作为电机的驱动，实现对电机转速的控制。
目前，功率模块主要包括引线框架、与引线框架扣合的印刷电路板(PrintedCircuit Board，PCB)、设置在PCB上的驱动集成电路(integrated circuit，IC)芯片、与驱动IC芯片电连接的快速恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)芯片和绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)芯片等，还包括用于封装上述结构的封装结构。由于PCB强度不高，所以PCB需要扣合在引线框架中，通过引线框架来支撑PCB。驱动IC芯片焊接在PCB上，IGBT芯片和FRD芯片沿着PCB上的驱动IC芯片设置在引线框架上。
其中，为了使得PCB与引线框架扣合效果更好，通常是将引线框架做成带有不规则形状铜扣的结构，那么相应的用来制作引线框架的模具也就是不规则形状的。不规则的模具的制作过程较为复杂，导致制作引线框架的人力成本高，且引线框架是将铜板放在引线框架的模具中经冲压处理后形成的框架，冲压处理过程容易损害引线框架的模具，进一步增加了制造功率模块的成本。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种功率模块，用于降低功率模块的成本。
本实用新型实施例提供了一种功率模块，包括：
铜绝缘基板，所述铜绝缘基板包括导体层；
至少两个功率器件，设置在所述导体层上，其中，所述至少两个功率器件用于控制所述功率模块的输出电流。
本实用新型实施例采用铜绝缘基板替代了现有技术中的引线框架以及PCB，从而降低了功率模块的生产成本。
可选的，所述至少两个功率器件包括IGBT芯片、FRD芯片和驱动IC芯片中的至少两个；
其中，所述驱动IC芯片用于为所述功率模块提供驱动信号，所述IGBT芯片用于接收所述驱动信号，并根据所述驱动信号输出相应的电流，所述FRD芯片用于泄放IGBT芯片中的余留电荷。
本实用新型实施例将驱动IC芯片、IGBT芯片和FRD芯片中的至少两个设置在铜绝缘基板的导体层上，避免了使用PCB以及引线框架，降低了功率模块的成本。
可选的，所述铜绝缘基板包括从下到上依次设置的散热层、绝缘层和所述导体层；
其中，所述散热层用于所述模块进行散热，所述绝缘层用于隔离所述导体层与所述散热层。
铜绝缘基板采用三层式结构，结构简单，相对于引线框架来说制作成本较低，进而降低了制造功率模块的成本。并且铜绝缘基板设置有单独的散热层，而现有技术中的引线框架并没有设置单独的散热结构，所以本实用新型实施例制造出来的功率模块的散热效果更好。
可选的，所述功率模块还包括封装外壳，用于半包封装所述铜绝缘基板，以覆盖所述至少两个功率器件；
其中，所述半包封装包括对所述铜绝缘基板设置有所述至少两个功率器件的表面进行封装。
设置封装外壳可以保护功率模块中的至少两个功率器件等，同时封装外壳对铜绝缘基板进行半包封装，相对于现有技术中将整个功率模块中进行全封装的结构，本实用新型实施例中功率模块的散热效果更好。
可选的，所述导体层上设置有电路布线槽，所述电路布线槽中设置有导线，所述导线用于连接所述导体层和所述至少两个功率器件。
通过在铜绝缘基板的导体层上设置电路布线槽，方便确定放置导线的位置，并且设置电路布线槽可以避免导线暴露在铜绝缘基板外，延长了导线的使用寿命。
可选的，所述功率模块还包括引脚，所述引脚的一端连接所述导体层，另一端延伸于所述封装外壳的外侧，所述引脚用于所述功率模块与外部电路连接。
直接将引脚连接在导体层，而不需要像现有技术中那样经过镀锡、切筋和成型才能形成引脚，所以本实用新型实施例中的引脚生产工艺简单。
可选的，所述至少两个功率器件通过结合材料粘合在所述导体层上，其中，所述结合材料具有粘性和导电性。
现有技术中一般采用电阻焊的方式将功率器件焊接在PCB或者引线框架上，由于电阻焊等过程属于超高温融化过程，超高温容易造成对功率器件的损害，本实用新型实施例中采用结合材料直接将至少两个功率器件粘合在铜绝缘基板上，能够在一定程度上减少对功率器件的损害。
可选的，所述散热层和所述导体层的材料均为铜，所述绝缘层的材料为环氧树脂。
本实用新型实施例中，铜绝缘基板采用铜作为导体层和绝缘层的材料，采用环氧树脂作为绝缘层的材料，这些材料的成本较低，从而能够减少功率模块的成本。
本实用新型实施例至少具有如下有益效果：
本实用新型实施例中，将至少两个功率器件设置在铜绝缘基板的导体层上，也就是用铜绝缘基板来承载至少两个功率器件，相较于现有技术中将一个功率器件放在PCB板上，其余的功率器件放置在引线框架上，本实用新型实施例中直接采用铜绝缘基板替代了现有技术中的引线框架以及PCB，从而降低了功率模块的生产成本。
附图说明
图1为现有技术的功率模块的主剖面的示意图；
图2为现有技术的功率模块的侧剖面的示意图；
图3为本实用新型实施例的功率模块的示意图；
图4为本实用新型实施例的功率模块的铜绝缘基板的示意图；
图5为本实用新型实施例的功率模块的至少两个功率器件的示意图；
图6为本实用新型实施例的功率模块的至少两个功率器件的示意图；
图7为本实用新型实施例的功率模块的主剖面的示意图；
图8为本实用新型实施例的功率模块的主剖面的示意图；
图9为本实用新型实施例的功率模块的环氧树脂的填充位置的示意图；
图10为本实用新型实施例的功率模块的主剖面的示意图；
图11为本实用新型实施例的图10所示的功率模块的侧剖面的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
目前，请参见图1，为现有技术的功率模块的主剖面图。其中，功率模块包括封装外壳11、驱动IC芯片12、PCB13、IGBT芯片14、FRD芯片16、导线17和引线框架18，其中，引线框架18还包括引脚，请结合图2，为现有技术的功率模块的侧剖面图，可以看到，现有技术的功率模块还包括焊接材料15。
具体的，驱动IC芯片12设置在PCB13上，PCB13扣合在引线框架18上，IGBT芯片14和FRD芯片16通过焊接材料15焊接在引线框架18上，IGBT芯片14通过导线17与PCB13上的边缘焊盘电连接，也就是IGBT芯片14可以和驱动IC芯片12之间进行信号传递，FRD芯片16通过导线17与IGBT芯片14电连接，其中，焊接材料15是具有导电性的一些焊接助剂。引脚用于为功率模块连接其他器件提供接口。
具体的，由于引线框架18需要和PCB13扣合，显然，引线框架18的形状是不规则的，如果引线框架18的加工精度过低，则PCB13与引线框架18可能会扣合不上，所以对引线框架18的加工精度要求非常高，通常要求加工尺寸公差为±0.02mm。引线框架18是将铜板放置在引线框架18的模具中冲压处理形成的，但是冲压处理过程容易对引线框架18的模具造成损害。而引线框架18的模具由于形状不规则，制造过程复杂，人力成本来就很高，在冲压处理过程中，又容易损伤引线框架18的模具，进一步增加了功率模块的成本，同时，PCB13制作工艺难度较大，且还需要在PCB13上镀金保护层，从另一方面又增加了功率模块的成本。
有鉴于此，本实用新型实施例提供一种功率模块，可以有效降低制作成本。
请参照图3，为本实用新型实施例提供的功率模块的一种示意图，该功率模块包括铜绝缘基板310和至少两个功率器件320。其中，图3是以功率器件320的数量是6为例，在实际应用中不限于此。
其中，铜绝缘基板310包括导体层311，至少两个功率器件320设置在导体层311上，至少两个功率器件320用于控制功率模块的输出电流。
相较于现有技术中将一个功率器件设置在PCB，将另外的功率器件设置在引线框架上的方式，本实用新型实施例采用铜绝缘基板310替代了现有技术中的引线框架以及PCB，从而降低了功率模块的生产成本。
下面介绍铜绝缘基板310。
作为一种示例，请参照图4，铜绝缘基板310包括从下到上依次设置的散热层313、绝缘层312和导体层311。其中，“下”是指相对接近地平面的方向，“上”是指相对远离地平面的方向。
具体的，散热层313主要用于散发功率模块产生的热量，绝缘层312主要用于隔离导体层311与散热层313，实现导体层311与散热层313之间的电性绝缘，避免导体层311的电荷传递至散热层313，并且绝缘层312也具有一定的散热作用。功率模块在运行时，大部分的热量是由至少两个功率器件320产生的，也就是说，功率模块产生的热量大部分集中在导体层311，热量需要经绝缘层312散发到散热层313，然后由散热层313散发出去。所以，绝缘层312有一定的散热作用能够更好的将热量传递至散热层313。
本实用新型实施例中，铜绝缘基板310采用三层式结构，结构简单，相对于引线框架来说制作成本较低，进而降低了制造功率模块的成本。并且铜绝缘基板310设置有单独的散热层313，而现有技术中的引线框架并没有设置单独的散热结构，所以本实用新型实施例制造出来的功率模块的散热效果更好。
具体的，由于铜的导电性好并且成本相对较低，因此可采用铜作为铜绝缘基板310中的散热层313和导体层311的材料，能够使得导体层311的导电性能好并且成本低，也能使得散热层313的散热性能好并且成本低。另外，由于环氧树脂的电性绝缘能力强并且成本低，因此可采用环氧树脂作为绝缘层312的材料，能够使得绝缘层312在实现绝缘能力的同时降低成本。
不同材料的导电、传热等性能会有区别，为了使得铜绝缘基板310的每层结构能够更好的发挥自身的作用，当铜绝缘基板310的散热层313、绝缘层312和导体层311采用不同的材料的时候，铜绝缘基板310每层的对应的厚度会有细微的差别，但是基本都在一定的范围内波动。
例如，如果导体层311的材料采用铜，则对应导体层311的厚度的范围为[0.075,0.2]mm，这样能够使得在导体层311上刻蚀电路布线槽花费的时间最少且能满足在电路布线槽设置导线的厚度的需要。因为如果导体层311的厚度过大，会增加刻蚀电路布线槽的时间，如果导体层311的厚度过小，会导致刻蚀的电路布线槽的厚度不足以放置导线，因此，导体层311的厚度应合理选择。另外，导体层311采用的材料至少需要导电性能好，例如，导体层311的材料除了铜之外，也可以采用铝、镍或银等，导体层311的材料采用铝的时候，由于铝的强度不如铜，所以铝的厚度比采用铜的厚度要略厚一些，导体层311的材料采用镍或银的时候，由于镍或银的导电性能比铜好，并且价格比较昂贵，所以镍或银的厚度比采用铜的厚度要略薄一些，但是无论导体层311采用铜、铝、镍或者金中的哪种材料，导体层311的厚度基本还是在[0.075,0.2]mm范围内波动。
如果绝缘层312采用环氧树脂，则对应绝缘层312的厚度范围可以是[0.1，0.2]mm，这样能够满足绝缘层312实现隔离导体层311与散热层313的作用，并且能够保证不影响绝缘层312的散热效果。因为如果绝缘层312的厚度过厚，会使得热量由绝缘层312向散热层313的传递过程时间长，影响散热效率，而如果绝缘层312的厚度过小，可能容易受到导体层311的挤压而损坏，从而导致无法实现隔离导体层311与散热层313的作用，因此，绝缘层312的厚度应合理选择。另外，散热层313采用的材料至少需要散热性能好，例如，散热层313的材料除了铜之外，也可以采用陶瓷或者氧化铝等，采用陶瓷的时候，由于陶瓷的散热性能比较好且重量相对于金属要重一些，所以如果散热层313的材料采用陶瓷，那么厚度相对于采用铜的时候，那么散热层313的厚度要相对于铜材料为散热层的材料的时候的厚度要略薄一些，采用氧化铝的时候，由于氧化铝的散热性能比铜差且质量较轻，所以如果散热层313的材料采用氧化铝，那么散热层313的厚度要相对于铜材料为散热层313的材料的时候的厚度要略厚一些。但是无论导体层311采用铜、陶瓷或者氧化铝中的哪种材料，散热层313的厚度基本还是在[0.2,0.5]mm范围内波动。
如果散热层313的材料采用铜，则散热层313对应的厚度范围为[0.2,0.5]mm，这样可以起到较好的散热效果，且不会导致功率模块重量过大。因为散热层313如果厚度过大，会增加功率模块的重量，会引起后期功率模块与外部电路的安装不方便，而散热层313的厚度如果过小，会使得散热层313的散热效率低，因此，散热层313的厚度应合理选择。另外，绝缘层312的材料至少需要绝缘性能好，例如，绝缘层312的材料除了环氧树脂之外，也可以采用橡胶。橡胶的耐压能力相对于环氧树脂更好，所以采用橡胶作为绝缘层312的材料的时候，那么散热层313的厚度要相对于氧化树脂材料为绝缘层312的材料的时候的厚度要略薄一些。但是无论绝缘层312采用环氧树脂、或者环氧树脂中的哪种材料，散热层313的厚度基本还是在[0.1,0.2]mm范围内波动。
另外，为了防止散热层313和导体层311的铜被空气氧化，可以在散热层313和导体层311上均涂一层防氧化保护层，以起到更好的保护作用。
本实用新型实施例中，铜绝缘基板310采用铜作为导体层311和绝缘层312的材料，采用环氧树脂作为绝缘层312的材料，这些材料的成本较低，从而能够减少功率模块的成本。
在本实用新型实施例中，至少两个功率器件320，可以包括IGBT芯片322、FRD芯片323和驱动IC芯片321中的至少两个，当然还可能包括其他的功率器件。需注意的是，IGBT芯片322、FRD芯片323和驱动IC芯片321等都是功率器件320，只是为了区分不同的功率器件320，所以另外设置了附图标记。
例如，请继续参见图5，至少两个功率器件320可以包括驱动IC芯片321、IGBT芯片322和FRD芯片323。则只需将驱动IC芯片321、IGBT芯片322和FRD芯片323设置在铜绝缘基板310的导体层311上的不同位置即可。其中，驱动IC芯片321可为功率模块提供驱动信号，IGBT芯片322根据该驱动信号输出相应的电流，FRD芯片323的作用如前文所述，此处不再赘述。
本实用新型实施例中，将驱动IC芯片321、IGBT芯片322和FRD芯片323均设置在铜绝缘基板310的导体层311上，避免了使用PCB以及引线框架，降低了功率模块的成本。
例如，请参见图6，至少两个功率器件320包括IGBT芯片322和FRD芯片323。那么只需将IGBT芯片322和FRD芯片323设置在铜绝缘基板310的导体层311上的不同位置即可，其中，IGBT芯片322可接收驱动信号，根据驱动信号输出相应的电流，其中，驱动信号可以是外部电路发送给功率模块的。FRD芯片323用于泄放IGBT芯片中的余留电荷，从而减少IGBT芯片322的工作状态切换时间，工作状态切换时间是指IGBT芯片322从开启状态切换为关闭状态的时间或IGBT芯片322从关闭状态切换为开启状态的时间。
本实用新型实施例中，直接利用铜绝缘基板310来承载IGBT芯片322和FRD芯片323，避免了使用现有的引线框架，降低了功率模块的生产成本。
本实用新型实施例提供一种至少两个功率器件320和铜绝缘基板310连接的示例，例如，至少两个功率器件320通过结合材料粘合在铜绝缘基板310上。
其中，结合材料是具有粘性和导电性的材料。因为结合材料具有导电性，可将至少两个功率器件320的背面电极粘合在结合材料上，结合材料又设置在铜绝缘基板310上，则就在铜绝缘基板310和至少两个功率器件320之间建立电连接。
现有技术中一般采用电阻焊的方式将功率器件焊接在PCB或者引线框架上，由于电阻焊等过程属于超高温融化过程，超高温容易造成对功率器件的损害，本实用新型实施例中采用结合材料直接将至少两个功率器件320粘合在铜绝缘基板310上，能够在一定程度上减少对功率器件的损害。
例如，结合材料可采用银胶。其中，银胶是一种固化或干燥后具有一定导电性能的胶黏剂，主要成份包括基体树脂和导电填料。银胶可以在一定温度下固化，固化之后实现至少两个功率器件320与铜绝缘基板310的粘合。银胶例如为环氧树脂胶黏剂，环氧树脂胶黏剂可以在150℃左右固化。
或者，结合材料也可采用锡膏。其中，锡膏是由焊锡粉、助焊剂以及其它的表面活性剂、触变剂等混合形成的膏状混合物。
本实用新型实施例中，可采用银胶或锡膏将至少两个功率器件320固定在导体层311上。其中，银胶的固化温度一般比较低，可以避免在银胶固化的时候，造成对至少两个功率器件320或者铜绝缘基板310的损伤，且银胶常温下是浆料的形式存在，使用起来较方便。而锡膏的熔点相对银胶来说较高，大功率的功率模块在运行的时候，功率模块的内部温度较高，锡膏可以耐高温，所以采用锡膏来粘合至少两个功率器件320和导体层311，相对于银胶粘合的方式来说可靠性更高。
考虑到功率器件之间以及功率模块与外部设备之间需要通信，请参见图7，本实用新型实施例中可在导体层311上设置电路布线槽，在电路布线槽上放置导线700。
具体的，导线700可连接铜绝缘基板310和至少两个功率器件320。因为功率器件之间也需要通信，所以导线700也可连接不同的功率器件。其中，电路布线槽可以理解为导体层311上设置的用于放置导线700的凹槽，电路布线槽的具体形状、长度及厚度等需要根据实际生产的功率模块进行设计，导线700的长度与电路布线槽的长度相适应，导线700的厚度与电路布线槽的深度相适应。
本实用新型实施例中，通过在铜绝缘基板310的导体层311上设置电路布线槽，方便确定放置导线700的位置，并且设置电路布线槽可以避免导线700暴露在铜绝缘基板310外，延长了导线700的使用寿命。
另外，请参见图8，在功率模块上还可设置引脚800，引脚800的一端连接导体层311，也就相当于引脚800与至少两个功率器件320之间存在电连接，引脚800可用于连接功率模块和外部电路。其中，引脚800可以通过PIN针实现，材料可以是铜。
本实用新型实施例中，直接将引脚800连接在导体层311，而不需要像现有技术中那样经过镀锡、切筋和成型才能形成引脚，所以本实用新型实施例中的引脚800生产工艺简单。
为了保护功率模块，本实用新型实施例增加了封装外壳900。请参照图9，封装外壳900可以是采用环氧树脂填充至功率模块的相应位置形成的，图9表示环氧树脂在铜绝缘基板310上填充的具体位置，具体的，环氧树脂填充在铜绝缘基板310的导体层311上以及引脚800所示的位置。
请参照图10，具体的，封装外壳900用于半包封装铜绝缘基板310，实现对至少两个功率器件320以及导线700等封装。其中，半包封装包括对铜绝缘基板310设置有至少两个功率器件320的表面进行封装，具体来说，半包封装可以是，不对铜绝缘基板310中的散热层313的第一面进行封装，第一面是散热层313与绝缘层312的距离最远的一面。封装外壳900可采用环氧树脂等材料，环氧树脂具有电绝缘性，并且成本低，因此可以降低功率模块的生产成本。因为引脚800要与外部电路连接，所以封装外壳900也不封装引脚800的另一端，也就是不封装引脚800未与导体层311连接的一端，那么，引脚800的另一端延伸于封装外壳900外侧。其中，为了更清楚的说明本实用新型实施例的功率模块的铜绝缘基板310的具体结构，本实用新型实施例还提供了图11，图11为图10的功率模块的侧面剖视图。
本实用新型实施例中，设置封装外壳900可以保护功率模块中的至少两个功率器件320以及导线700等，同时封装外壳900没有对铜绝缘基板310中的散热层313的第一面进行封装，相对于现有技术中将整个功率模块中进行全封装的结构，本实用新型实施例中功率模块的散热效果更好。
本实用新型实施例的功率模块将至少两个功率模块320的导体层311上，避免了使用引线框架和PCB，降低了功率模块的生产成本。
尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型实施例的精神和范围。这样，倘若本实用新型实施例的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
铜绝缘基板，所述铜绝缘基板包括导体层；
至少两个功率器件，设置在所述导体层上，其中，所述至少两个功率器件用于控制所述功率模块的输出电流。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，
所述至少两个功率器件包括绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片、快速恢复二极管FRD芯片和驱动集成电路IC芯片中的至少两个；
其中，所述驱动集成电路IC芯片用于为所述功率模块提供驱动信号，所述IGBT芯片用于接收所述驱动信号，并根据所述驱动信号输出相应的电流，所述FRD芯片用于泄放IGBT芯片中的余留电荷。
3.如权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，
所述铜绝缘基板包括从下到上依次设置的散热层、绝缘层和所述导体层；
其中，所述散热层用于所述模块进行散热，所述绝缘层用于隔离所述导体层与所述散热层。
4.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括封装外壳，用于半包封装所述铜绝缘基板，以覆盖所述至少两个功率器件；
其中，所述半包封装包括对所述铜绝缘基板设置有所述至少两个功率器件的表面进行封装。
5.如权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述导体层上设置有电路布线槽，所述电路布线槽中设置有导线，所述导线用于连接所述导体层和所述至少两个功率器件。
6.如权利要求5所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括引脚，所述引脚的一端连接所述导体层，另一端延伸于所述封装外壳的外侧，所述引脚用于所述功率模块与外部电路连接。
7.如权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，所述至少两个功率器件通过结合材料粘合在所述导体层上，其中，所述结合材料具有粘性和导电性。
8.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述散热层和所述导体层的材料均为铜，所述绝缘层的材料为环氧树脂。
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