CN210092064U - 立式结构的功率模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种立式结构的功率模块，包括第一芯片、第二芯片、第三芯片、第四芯片、第一散热块、第二散热块、第三散热块、第一DBC金属绝缘层、第二DBC金属绝缘层、第一散热器以及第二散热器；第一散热块、第二散热块与第三散热块间隔设置；第一芯片和第三芯片沿长度方向设置于第一散热块与第二散热块之间的间隙内，第二芯片和第四芯片沿长度方向设置于第二散热块与第三散热块之间的间隙内，第一芯片和第二芯片的位置相对应，第三芯片和第四芯片的位置相对应，第一芯片和第二芯片分别择一对应MOSFET芯片和二极管芯片，第三芯片和第四芯片分别择一对应MOSFET芯片和二极管芯片。通过采用立式封装、大体积散热块和多个散热器，提高了散热效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子功率模块领域，具体涉及一种立式结构的功率模块。
背景技术
现市场上较成熟的SiC(碳化硅)功率模块产品多为单面封装，随着电动汽车行业发展，对电力电子功率模块提出了更高的要求，即更轻、更紧凑、更高效、更可靠，而功率模块还要实现低热阻和低寄生电感的要求，双面散热封装就成为了功率模块急需解决的问题。市场上的双面散热功率模块的散热效率不好，功率模块使用时产生的热量不能及时的导出，影响功率模块的性能和使用寿命。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种立式结构的功率模块，增加了散热面积，增大了热容量，在保证较高的功率密度的情况下，提高散热效率。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：
一种立式结构的功率模块，包括第一芯片、第二芯片、第三芯片、第四芯片、第一散热块、第二散热块、第三散热块、第一DBC金属绝缘层、第二DBC金属绝缘层、第一散热器以及第二散热器；
第一散热块、第二散热块与第三散热块间隔设置；第一芯片和第三芯片沿长度方向设置于第一散热块与第二散热块之间的间隙内，第二芯片和第四芯片沿长度方向设置于第二散热块与第三散热块之间的间隙内，第一芯片和第二芯片的位置相对应，第三芯片和第四芯片的位置相对应，第一芯片和第二芯片分别择一对应MOSFET芯片和二极管芯片，第三芯片和第四芯片分别择一对应MOSFET芯片和二极管芯片；
第一DBC金属绝缘层和第一散热器依次设置于第一散热块、第二散热块与第三散热块的上侧；第二DBC金属绝缘层和第二散热器依次设置于第一散热块、第二散热块与第三散热块的下侧。
优选地，所述的立式结构的功率模块，还包括第三DBC金属绝缘层与第三散热器；第三DBC金属绝缘层与第三散热器依次设置于第一散热块远离芯片的一侧。
优选地，所述的立式结构的功率模块，还包括第四DBC金属绝缘层与第四散热器；第四DBC金属绝缘层与第四散热器依次设置于第三散热块远离芯片的一侧。
优选地，所述第一散热块、第二散热块与第三散热块的材质为铜或银。
优选地，所述第一散热块与所述第二散热块之间的间隔距离为400μm至800μm，所述第二散热块与所述第三散热块之间的间隔距离为400μm至800μm。
优选地，所述第一散热块、第二散热块以及第三散热块设置有多个沿长度方向的通孔，通孔侧壁覆盖防腐蚀层，通孔内设置有水冷散热器；且所述第一散热器以及第二散热器为水冷散热器。
优选地，所述第一散热块、第二散热块以及第三散热块设置有多个沿长度方向的通孔，通孔侧壁覆盖防腐蚀层，通孔内设置有水冷散热器；且所述第一散热器、第二散热器以及第三散热器为水冷散热器。
优选地，所述第一散热块、第二散热块以及第三散热块设置有多个沿长度方向的通孔，通孔侧壁覆盖防腐蚀层，通孔内设置有水冷散热器；且所述第一散热器、第二散热器、第三散热器以及第四散热器为水冷散热器。
优选地，所述的立式结构的功率模块，还包括焊料层，第一芯片与第一散热块，第一芯片与第二散热块，第二芯片与第二散热块，第二芯片与第三散热块，第三芯片与第一散热块，第三芯片与第二散热块，第四芯片与第二散热块，第四芯片与第三散热块之间均设有焊料层；第一DBC金属绝缘层与第一散热块、第二散热块以及第三散热块之间设有焊料层；第二DBC金属绝缘层与第一散热块、第二散热块以及第三散热块设有焊料层。
优选地，所述的立式结构的功率模块，还包括填充物质，所述填充物质用于填充功率模块内部缝隙。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
1、通过采用立式封装以及大面积的使用散热块，增加了散热面积，提高了热容量，降低了热阻，在保证较高的功率密度的情况下，提高了散热效率；
2、通过使用多个散热器，提高功率模块的散热效率。在原有上下两面的外加散热器的基础上，可在第一散热块与第三散热块远离芯片的一侧再连接散热器，加大散热面，以提高功率模块的散热效率；
3、通过在散热块沿长度方向设置多个通孔，通孔内放置水冷散热器，以提高散热效率。
附图说明：
图1为本实用新型示例性实施例1的立式结构的功率模块部分三维模型示意图；
图2为本实用新型示例性实施例1的立式结构的功率模块三维模型示意图；
图3为本实用新型示例性实施例1的散热块设置有通孔的立式结构的功率模块三维模型示意图；
图4为本实用新型示例性实施例1的立式结构的功率模块截面示意图；
图5为本实用新型示例性实施例1的立式结构的功率模块的散热路径图；
图6为本实用新型示例性实施例1的空气散热器的剖面结构示意图；
图7为本实用新型示例性实施例1的水冷散热器的剖面结构示意图。
图中标记：1-第一芯片，2-第二芯片，3-第一散热块，4-第二散热块，5-第三散热块，6-第一DBC金属绝缘层，7-第二DBC金属绝缘层，8-第一散热器，9-第二散热器，10-焊料层，11-填充物质，12-第三芯片，13-第四芯片，14-通孔。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
实施例1
如图1或图2所示，本实施例提供一种立式结构的功率模块，包括第一芯片1、第二芯片2、第三芯片12、第四芯片13、第一散热块3、第二散热块4、第三散热块5、第一DBC金属绝缘层6、第二DBC金属绝缘层7、第一散热器8以及第二散热器9。
第一散热块3、第二散热块4与第三散热块5间隔设置；第一芯片1和第三芯片12沿长度方向设置于第一散热块3与第二散热块4之间的间隙内，第二芯片2和第四芯片13沿长度方向设置于第二散热块4与第三散热块5之间的间隙内，第一芯片1和第二芯片2的位置相对应，第三芯片12和第四芯片13的位置相对应，第一芯片1和第二芯片2分别择一对应MOSFET芯片和二极管芯片，第三芯片12和第四芯片13分别择一对应MOSFET芯片和二极管芯片；即若第一芯片1为MOSFET芯片，则第二芯片为二极管芯片，若第一芯片1为二极管芯片，则第二芯片为MOSFET芯片。
第一DBC金属绝缘层6和第一散热器8依次设置于第一散热块3、第二散热块4与第三散热块5的上侧；第二DBC金属绝缘层7和第二散热器9依次设置于第一散热块3、第二散热块4与第三散热块5的下侧。第一散热器8和第二散热器9可以选用现有的空气散热器或水冷散热器。
空气散热器的剖面结构示意图如图6所示，在金属层上蚀刻散热通道，增加散热面积，提高散热效率。
水冷散热器的剖面结构示意图如图7所示，包括金属层与基板层，金属层的一侧与功率模块的DBC层连接，金属层的另一侧与基板层连接，并且金属层的另一侧蚀刻有散热通道。水冷散热器和水冷系统连接，水流通过蚀刻的散热通道带走功率模块产生的热量，水冷系统提供水流的动力。
空气散热器和水冷散热器的金属层材质通常为铜，水冷散热器的基板层的材质通常为铜或钨铜。
通过采用立式封装和双面散热的结构以及大面积的使用散热块，增加了散热面积，提高了热容量，降低了热阻，提高功率模块的散热效率，现有的功率模块结构散热效果不好，若想提高散热效果就会造成功率模块体积过大，牺牲功率模块的功率密度，本实施例通过选用立式结构，优化散热路径，达到了以较小的体积，达到良好的散热效果的目的，相比与现有的功率模块，在保证较高的功率密度的情况下，提高散热效率。
优选地，第一散热块3远离芯片的一侧依次设置有第三DBC金属绝缘层与第三散热器。
优选地，第三散热块5远离芯片的一侧依次设置有第四DBC金属绝缘层与第四散热器。通过使用多个散热器，提高功率模块的散热效率。
优选地，所述第一散热块3、第二散热块4与第三散热块5的材质为铜或银。综合考虑散热性能、导电性能以及成本等因素，一般情况下，选用铜做散热块，若对散热性能和导电性能要求更高时，可以选用银等材料制作散热块，以提高功率模块的性能。
优选地，第一散热块3与第二散热块4之间的间隔距离为400μm至800μm，第二散热块4与第三散热块5之间的间隔距离为400μm至800μm。
优选地，所述第一散热块3、第二散热块4以及第三散热块5设置有多个沿长度方向的通孔14，通孔14侧壁覆盖防腐蚀层，通孔14内设置有水冷散热器，此时第一散热器8、第二散热器9、第三散热器和第四散热器为水冷散热器。
图3所示，若第一散热器8、第二散热器9、第三散热器和第四散热器为水冷散热器，则可以在第一散热块3、第二散热块4以及第三散热块5上设置多个沿长度方向的通孔14，通孔14覆盖防腐蚀层后放置水冷散热器，通过增加水冷散热器的数量，提高功率模块的散热效率。
如图4所示，所述立式结构的功率模块还包括焊料层10，所述焊料层10用于连接芯片与散热块，以及连接DBC金属绝缘层与散热块；即第一芯片1与第一散热块3，第一芯片1与第二散热块4，第二芯片2与第二散热块4，第二芯片2与第三散热块5，第三芯片12与第一散热块3，第三芯片12与第二散热块4，第四芯片13与第二散热块4，第四芯片13与第三散热块5之间均设有焊料层10；第一DBC金属绝缘层6与第一散热块3、第二散热块4以及第三散热块5之间设有焊料层10；第二DBC金属绝缘层7与第一散热块3、第二散热块4以及第三散热块5之间设有焊料层10；第三DBC金属绝缘层与第一散热块3，第四DBC金属绝缘层与第三散热块5之间均设有焊料层10。第一芯片1、第二芯片2、第三芯片12以及第四芯片13通过焊料层10连接相应的散热块；第一DBC金属绝缘层6、第二DBC金属绝缘层7、第三DBC金属绝缘层以及第四DBC金属绝缘层通过焊料层10与散热块连接。通过焊料层10连接芯片与散热块，以及连接DBC金属绝缘层与散热块。
优选地，所述焊料层10选用银或锡。一般情况下，采用普通的焊接材料锡焊接，若对导电性能等有更高的要求时，选用银等材料焊接以提高功率模块性能。
优选地，所述立式结构的功率模块还包括填充物质11，所述填充物质11用于填充功率模块内部缝隙，避免发热半导体器件在遇到空气中的水蒸气时受到损坏，影响功率模块的性能和使用寿命。本实施例的填充物质11材质为硅凝胶，填充于功率模块内部缝隙，避免发热半导体材料受到损坏。
优选地，所述第一DBC金属绝缘层6以及第二DBC金属绝缘层7的结构为DBC结构，所述DBC结构为铜陶瓷铜的结构，其由两层铜层和夹在两层铜层中间的陶瓷层组成，铜层作为可焊接金属，用以连接其他金属元件，陶瓷层则作为绝缘层。DBC底部被焊接到基板上，其基板之后与散热器相连，中间有一层薄的热油脂，以使散热器贴合紧密。
优选地，所述第一芯片1、第二芯片2、第三芯片12以及第四芯片13为SiC芯片。碳化硅材料与传统硅材料相比具有更优越的性能，如：禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大、化学性质稳定等。碳化硅功率器件这些性能，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求，因此，利用碳化硅材料制成的功率器件，可以大幅提升功率模块的性能。
本实施例中，由于MOSFET的源级和和栅极端位于芯片同一面，漏极位于芯片另一面，二极管芯片的阳极端与阴极端分属两面，因此，在实际用时可将第一散热块或第三散热块作为正极端或负极端，中间的第二散热块作为电流输出端。具体的电路连接关系与现有的功率模块半桥电路连接方式类似(例如授权公告号为CN206864452的实用新型专利中功率模块的电路连接方式)，在此不做过多赘述。
本实施例所述的立式结构的功率模块的散热路径如图5所示，热量通过第一散热块3、第二散热块4和第三散热5块向第一DBC金属绝缘层6和第二DBC金属绝缘层7散热，具有更好的热回路和低热阻特性。与以往传统装置相比，通过大面积的散热块和多面散热，增加了散热面积，提高了热容量，降低了热阻，使半导体芯片产生的热损失从芯片的两侧冷却，使得功率模块在保证较高的功率密度的情况下，提高了散热效率。本实施例所述的功率模块由于具有良好的散热性能，因此可以实现降低瞬态热阻和饱和热阻。另外，由于热容量大，该装置可以在短时间内抑制功率模块的温度急速上升。该特性在用于驱动诸如铁路和EV/HEV的电动机的逆变器中尤其有效。当在短时间内且大电流的条件下(如驱动电机的启动时间或加速度)使用逆变器时，该装置可以抑制功率模块的快速升温。
以上所述，仅为本实用新型具体实施方式的详细说明，而非对本实用新型的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种立式结构的功率模块，其特征在于，包括第一芯片、第二芯片、第三芯片、第四芯片、第一散热块、第二散热块、第三散热块、第一DBC金属绝缘层、第二DBC金属绝缘层、第一散热器以及第二散热器；
第一散热块、第二散热块与第三散热块间隔设置；第一芯片和第三芯片沿长度方向设置于第一散热块与第二散热块之间的间隙内，第二芯片和第四芯片沿长度方向设置于第二散热块与第三散热块之间的间隙内，第一芯片和第二芯片的位置相对应，第三芯片和第四芯片的位置相对应，第一芯片和第二芯片分别择一对应MOSFET芯片和二极管芯片，第三芯片和第四芯片分别择一对应MOSFET芯片和二极管芯片；
第一DBC金属绝缘层和第一散热器依次设置于第一散热块、第二散热块与第三散热块的上侧；第二DBC金属绝缘层和第二散热器依次设置于第一散热块、第二散热块与第三散热块的下侧；所述第一散热块、第二散热块与第三散热块的材质为铜或银。
2.根据权利要求1所述的立式结构的功率模块，其特征在于，还包括第三DBC金属绝缘层与第三散热器；第三DBC金属绝缘层与第三散热器依次设置于第一散热块远离芯片的一侧。
3.根据权利要求2所述的立式结构的功率模块，其特征在于，还包括第四DBC金属绝缘层与第四散热器；第四DBC金属绝缘层与第四散热器依次设置于第三散热块远离芯片的一侧。
4.根据权利要求1所述的立式结构的功率模块，其特征在于，所述第一散热块与所述第二散热块之间的间隔距离为400μm至800μm，所述第二散热块与所述第三散热块之间的间隔距离为400μm至800μm。
5.根据权利要求1所述的立式结构的功率模块，其特征在于，所述第一散热块、第二散热块以及第三散热块设置有多个沿长度方向的通孔，通孔侧壁覆盖防腐蚀层，通孔内设置有水冷散热器；且所述第一散热器以及第二散热器为水冷散热器。
6.根据权利要求2所述的立式结构的功率模块，其特征在于，所述第一散热块、第二散热块以及第三散热块设置有多个沿长度方向的通孔，通孔侧壁覆盖防腐蚀层，通孔内设置有水冷散热器；且所述第一散热器、第二散热器以及第三散热器为水冷散热器。
7.根据权利要求3所述的立式结构的功率模块，其特征在于，所述第一散热块、第二散热块以及第三散热块设置有多个沿长度方向的通孔，通孔侧壁覆盖防腐蚀层，通孔内设置有水冷散热器；且所述第一散热器、第二散热器、第三散热器以及第四散热器为水冷散热器。
8.根据权利要求1所述的立式结构的功率模块，其特征在于，还包括焊料层；第一芯片与第一散热块，第一芯片与第二散热块，第二芯片与第二散热块，第二芯片与第三散热块，第三芯片与第一散热块，第三芯片与第二散热块，第四芯片与第二散热块，第四芯片与第三散热块之间均设有焊料层；第一DBC金属绝缘层与第一散热块、第二散热块以及第三散热块之间设有焊料层；第二DBC金属绝缘层与第一散热块、第二散热块以及第三散热块设有焊料层。
9.根据权利要求1所述的立式结构的功率模块，其特征在于，还包括填充物质，所述填充物质用于填充功率模块内部缝隙。
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