CN210403714U - 一种功率模块 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种功率模块，其包括衬底导电层以及设置在所述衬底导电层上的多个芯片，其中，在所述多个芯片中的至少一个芯片与所述衬底导电层之间设置有导电垫片以使得所述多个芯片的上表面处于同一平面内，芯片之间采用导电片连接。利用该功率模块，增加了与芯片连接点处的结合牢固程度，有利于导电片的加工成型，并且有效缩短了导电片的长度，降低了寄生电感。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种功率模块。
背景技术
自从模块原理引入电力电子技术领域以来，已开发和生产出多种内部电路相联接形式的电力半导体模块，诸如双向晶闸管、电力MOSFET以及绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)等模块，使模块技术得到蓬勃发展，在器件中所占比例越来越大。以IGBT为代表的功率电子模块是电动汽车中电机驱动与控制的核心部件之一。随着人们对车用电机逆变器的性能需求越来越高，对功率电子模块在功率密度、工作温度、高效散热、电能转化效率等方面也提出了更高的要求。
如图1为传统的模块封装结构。在散热基板7的上表面上经由钎焊焊层9焊接衬底散热层6,并在衬底散热层6上由下到上依次贴合设置衬底导电层4以及衬底绝缘层5，芯片2通过钎焊焊层9焊接到衬底导电层4的上表面，并且芯片2之间利用键合引线3以引线键合方式实现互连，以实现不同目的的电气连接，最后将装配好的上述结构组装到一个绝缘外壳中，并填充室温硫化硅橡胶(Room Temperature Vulcanized silicone rubber，简称“RTV”)、弹性硅凝胶或环氧树脂等填充材料，形成塑封部8进行密封和保护，在外壳两端设置模块引出端口1，该模块引出端口1经由键合导线3连接衬底导电层4。
对于传统封装形式的功率模块，大量的实验和工程应用表明，键合引线3脱落或根部断裂是引起功率模块长期可靠性失效的关键因素之一。同时，由于大量键合引线3的存在，也会导致功率模块内部产生较大的寄生电感，从而影响器件的开关性能。并且随着模块频率的提高和功率的增大，采用引线相连的电气连接方式，所需要的引线数量越来越多，会致使封装良率降低及成本升高，越来越难以满足模块的发展要求。
实用新型内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种新型的功率模块，其通过将全部芯片位于同一平面内，并利用导电片进行连接，降低模块内部寄生电感的同时也降低了封装难度。
本申请提供的功率模块，包括衬底导电层以及设置在所述衬底导电层上的多个芯片，其中，在所述多个芯片中的至少一个芯片与所述衬底导电层之间设置有导电垫片以使得所述多个芯片的上表面处于同一平面内，芯片之间采用导电片连接。利用该功率模块，能够有效地降低模块内部的寄生电感，并且能够优化模块的装配工艺。
在一个实施方式中，所述导电垫片由铜或铝制成。
在一个实施方式中，所述导电垫片与相应的芯片具有相同的形状和尺寸。
在一个实施方式中，所述导电片由铜或铝制成。
在一个实施方式中，所述导电片与所述芯片之间设置有银浆层或导电胶层。
在一个实施方式中，所述功率模块还包括衬底绝缘层和衬底散热层，其中，所述衬底绝缘层贴合在所述衬底散热层的上表面，所述衬底导电层贴合在所述所述衬底绝缘层的上表面。通过该实施方式，绝缘层能够实现模块内部器件和外界的电气隔离，散热层能够实现功率模块的良好散热。
在一个实施方式中，所述功率模块还包括散热基板，所述衬底散热层设置在所述所述散热基板的上表面。
在一个实施方式中，所述衬底绝缘层由AlN陶瓷或者Si3N4陶瓷制成。
在一个实施方式中，所述功率模块还包括模块引出端子，其通过键合引线与所述衬底导电层连接。
在一个实施方式中，所述功率模块还包括封装外壳，其通过一体化转模成型工艺制成。
本申请提供的功率模块，相较于现有技术，具有如下的有益效果：
(1)由于使用导电片代替传统的引线连接芯片，降低了模块内部的寄生电感，并且增加了与芯片连接点处的结合牢固程度；
(2)使用导电垫片使得芯片的上表面位于同一平面内，有利于导电片的加工成型，并且有效缩短了导电片的长度，进一步降低了寄生电感。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本实用新型的目的。
附图说明
附图示出了本实用新型的各方面的各种实施例，并且它们与说明书一起用于解释本实用新型的原理。本技术领域内的技术人员明白，附图所示的特定实施例仅是实例性的，并且它们无意限制本实用新型的范围。应该认识到，在某些示例中，被示出的一个元件也可以被设计为多个元件，或者多个元件也可以被设计为一个元件。在某些示例中，被示出为另一元件的内部部件的元件也可以被实现为该另一元件的外部部件，反之亦然。
为了更加清楚、详细地本实用新型的示例性实施例以使本领域技术人员能够对本实用新型的各方面及其特征的优点理解得更加透彻，现对附图进行介绍，在附图中：
图1显示了现有技术中的功率模块的结构示意图；
图2显示了根据本实用新型实施例的功率模块的结构示意图。
附图标记清单：
100-功率模块；1,110-模块引出端口；2，120-芯片；120a-第一芯片；120b-第二芯片；3-键合引线；130-导电片；4，140-衬底导电层；5,150-衬底绝缘层；6,160-衬底散热层；7，170-散热基板；8，180-塑封部；190-导电垫片；9,200-钎焊焊层。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
在本文中，如图1和图2所示出的，向上的箭头表示的方向为“上”，相反，向下的箭头表示的方向为“下”。
图2为本实用新型提供的功率模块100的结构示意图，如图所示，该功率模块100包括：模块引出端子110、多个芯片120、导电片130、衬底导电层140、衬底绝缘层150、衬底散热层160、散热基板170、塑封部180以及导电垫片190。其中，多个芯片120设置在衬底导电层140的上表面上，芯片之间采用导电片130进行连接以用于不同的电气目的；衬底导电层140贴合设置在衬底绝缘层150的上表面上，衬底绝缘层150贴合设置在衬底散热层160的上表面上，衬底散热层160通过结合层设置在散热基板170的上表面上以实现对该功率模块100的散热和冷却。上述各层形成的结构装配与外壳中并在内部填充塑封料(例如RTV、弹性硅凝胶或环氧树脂等)形成塑封部180进行密封和保护。
本实施例中，芯片120包括有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和续流二极管(FRD)。当然，在本实用新型的其他实施例中，芯片120还可以为其他合理芯片，本实用新型同样不限于此。例如在本实用新型的其他实施例中，芯片120所包含的开关元件还可以为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、肖特基势垒整流二极管(SBD)和续流二极管(FRD)等器件中的任一中或两种的组合。
模块引出端子110通过键合导线与衬底导电层140连接。当然，二者之间也可以通过导电片130实现连接。
优选地，该导电片130为铜片或铝片。
同时，还需要指出的是，在本实用新型的其他实施例中，焊接层也可以采用其他合理方式来形成。例如在本实用新型的其他实施例中，焊接层还可以由钎焊焊料或纳米银浆等材料在特定温升条件下形成，本实用新型同样不限于此。
通过使用导电片130替代传统技术中的键合引线连接芯片120，一方面可以提高导电片130和芯片120之间的结合牢固程度，另一方面也可以降低模块内部的寄生电感，器件运行过程中的过电压也会得到降低；同样也会使芯片之间的电流分布更加均衡，大大提高了模块出力和可靠性。
再次参照图1，在现有技术中，由于芯片高度高于衬底导电层，且芯片高度不一。因此，为进一步降低封装难度，在本实用新型的一个实施例中，多个芯片120中的一些芯片(如第一芯片120a)通过结合材层(例如焊料层200)直接设置在衬底导电层140的上表面，另一些芯片(如第二芯片120b)和衬底导电层140之间还设置有导电垫片190和结合材层(例如焊料层200)，通过在第二芯片120b的下面添加衬底导电层140，可以实现衬底导电层140上设置的所有芯片120及衬底打线的上表面位于同一平面内，这样在使用导电片190连接第一芯片120a和第二芯片120b时，连接端部位于同一高度，这对于该导电片190的加工成型是有利的，降低了封装难度。
该导电垫片190的厚度构造成能够使得其支撑的第二芯片120b与另外的第一芯片120a的上表面位于同一平面内。此外，该导电垫片190的形状和尺寸优选地与第二芯片120b的形状和尺寸相同。当然，导电垫片190的尺寸也可以小于该第二芯片120b形状，只要能保证对第二芯片120b的支撑和导电即可。
优选地，该导电垫片190由铜或铝制成。
本实施例中，芯片120是通过焊接层焊接在衬底导电层140上表面或者导电垫片190的上表面的。其中，焊接层是由预成型焊片在特定温升条件下而形成的。
在另一个实施例中，在本申请提供的功率模块100中，根据芯片120的种类的不同，导电片130可以通过多种方式连接芯片120的上表面，例如银浆层连接或导电胶层连接。
另外，本申请的功率模块100的衬底绝缘层150可以为氮化铝陶瓷或氮化硅陶瓷，以实现模块内部器件与外界的电气隔离。
该功率模块100还可以包括外壳，其可以他通过一体化转模成型工艺制造。由于该工艺为本领域技术人员所熟知的，在此将不作赘述。
在另一个实施例中，本申请提供的功率模块100可以通过如下的方式进行制造：
(1)客制化衬底。即将衬底导电层140、衬底绝缘层150以及衬底散热层160从从上到下依次贴合。
(2)在该客制化衬底的下表面(即衬底散热层160的下表面)贴装散热基板170，以实现对内部热量的散热；
(3)根据多个芯片120的厚度差异确定需要进行加厚的芯片以及相应导电垫片190的厚度和形状，并设置于需要加厚的芯片与衬底导电层140之间，使得多个芯片120的上表面位于同一平面内；
(4)在衬底导电层140的上表面部分区域和导电垫片190的上表面涂覆结合材(例如导电胶)，将多个芯片120牢固设置；
(5)回流焊烘烤固化并清洗；
(6)使用定制的导电片130(如铜箔)使不同的芯片互连，以实现不同的电气目的；
(7)将步骤(1)～(6)中制备好的结构组装到一个绝缘外壳中，并填充例如RTV、弹性硅凝胶或环氧树脂等塑封料的填充材料，注塑成型形成塑封部180；
(8)烘烤固化；
(9)切筋成型；
(10)测试。
本申请提供的功率模块，由于使用导电片代替传统的引线连接芯片，降低了模块内部的寄生电感，并且增加了与芯片连接点处的结合牢固程度；另外，使用导电垫片使得芯片的上表面位于同一平面内，有利于导电片的加工成型，并且有效缩短了导电片的长度，进一步降低了寄生电感。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本实用新型，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本实用新型的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种功率模块，其特征在于，包括衬底导电层以及设置在所述衬底导电层上的多个芯片，其中，在所述多个芯片中的至少一个芯片与所述衬底导电层之间设置有导电垫片以使得所述多个芯片的上表面处于同一平面内，芯片之间采用导电片连接。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述导电垫片由铜或铝制成。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述导电垫片与相应的芯片具有相同的形状和尺寸。
4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述导电片由铜或铝制成。
5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述导电片与所述芯片之间设置有银浆层或导电胶层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括衬底绝缘层和衬底散热层，其中，所述衬底绝缘层贴合在所述衬底散热层的上表面，所述衬底导电层贴合在所述衬底绝缘层的上表面。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括散热基板，所述衬底散热层设置在所述散热基板的上表面。
8.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述衬底绝缘层由AlN陶瓷或者Si3N4陶瓷制成。
9.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括模块引出端子，其通过键合引线与所述衬底导电层连接。
10.根据权利要求1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，其通过一体化转模成型工艺制成。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |