CN216902938U - 功率模块、逆变器、以及dc/dc转换器 - Google Patents

功率模块、逆变器、以及dc/dc转换器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种功率模块，包括：载体，该载体包括表面；多个功率元件和多个外部连接器，该多个功率元件和该多个外部连接器设置在DBC或IMS上；功率元件上方的接地的屏蔽构件，该接地的屏蔽构件用于屏蔽功率元件的电磁干扰；封装层，该封装层覆盖DBC或IMS、功率元件、屏蔽构件、以及外部连接器的至少一部分。通过将屏蔽构件封装在树脂制成的封装层内，有效地屏蔽功率元件的电磁干扰。本实用新型还公开了一种逆变器和DC/DC转换器。

Description

功率模块、逆变器、以及DC/DC转换器
技术领域
本实用新型涉及一种具有内部屏蔽构件的功率模块、以及包括该功率模块的逆变器和DC/DC转换器。
背景技术
逆变器通常用于将直流(‘DC’)转换成交流(‘AC’)来为三相负载(例如电动马达)供电。参考图1至图2，逆变器包含功率模块1和驱动板2，该功率模块包括功率元件12(像IGBT、MOSFET和SiC器件等)，该驱动板驱动这些功率元件12。具体地，功率模块1包括用于承载功率元件12和引脚或端子13的载体11，载体11可以是DBC(直接键合铜)或IMS(绝缘金属基板)的一部分。可以使用具有低介电常数和低应力的树脂14来封装功率模块。驱动板2包括电路板20，该电路板在两侧均具有电子部件21、22(例如，驱动芯片、电阻、电容器、二极管、三极管等)。引脚传输用于接通和关断功率元件12的驱动信号以及传感器信号，比如用于检测温度的传感器信号。并且端子是连接器，像联接至其他电子部件的AC连接器和DC连接器。在传统设计中，功率模块和驱动板2间隔开相对较大的距离H，这导致栅极回路的电感较大。因此，栅极回路的电感引起不可忽略的噪声。
为了降低栅极回路的电感，驱动板2应该更靠近功率模块1。然而，随着驱动板2变得更靠近功率模块1，功率模块1将与驱动板2发生干扰，并且导致功率元件的故障，即发生EMC(电磁兼容性)问题。
在功率模块1与驱动板2之间插入电屏蔽构件3(像铜片)可以在某种程度上改善EMC问题。由于芯片22设置在电路板20的后表面上，因此为了避免短路，在功率模块与驱动板之间必须存在空间。然而，功率模块与驱动板之间的空间造成栅极回路的大电感，噪声问题仍未解决。
实用新型内容
为了平衡噪声问题和EMC问题，本实用新型提供了一种具有内部屏蔽构件的功率模块。该功率模块包括：载体(例如，为DBC或IMS的一部分)，该载体包括表面；多个功率元件和多个外部连接器，该多个功率元件和该多个外部连接器设置在载体的表面上；功率元件上方的接地的屏蔽构件，该接地的屏蔽构件用于屏蔽功率元件的电磁干扰；封装层，该封装层覆盖载体的表面、功率元件、屏蔽构件、以及外部连接器的至少一部分。在该设计中，通过将屏蔽构件封装在树脂制成的封装层内，有效地屏蔽功率元件的电磁干扰。
在优选的实施例中，功率模块进一步包括至少一个接地构件，该至少一个接地构件用于将屏蔽构件电连接到地。
在另一优选的实施例中，屏蔽构件设置有至少一个第一通孔，接地构件是螺栓或螺钉，并且屏蔽构件通过螺栓或螺钉经由第一通孔接地。
在另一优选的实施例中，不需要螺栓或螺钉，并且屏蔽构件通过接合线直接接地。
在另一优选的实施例中，功率模块进一步包括至少一个支撑构件，该至少一个支撑构件用于支撑封装层内的屏蔽构件。
在另一优选的实施例中，屏蔽构件经由支撑构件接地。
在另一优选的实施例中，屏蔽构件包括供外部连接器穿过的第二通孔。
在另一优选的实施例中，屏蔽构件是铜片或铝片。
在另一优选的实施例中，屏蔽构件是屏蔽帽，该屏蔽帽具有覆盖功率元件的顶部和垂直于顶部延伸的壁。
在另一优选的实施例中，壁设置有至少一个第三通孔，以供填充材料穿过。
在另一优选的实施例中，载体包括平坦的板形状或引脚翅片形状。
根据本实用新型的另一方面，还公开了一种用于制造功率模块的方法。该方法包括：将载体放置在模具的腔中，该载体(例如，为DBC或IMS的一部分)包括表面、以及多个功率元件和多个外部连接器，该多个功率元件和该多个外部连接器设置在载体的表面上，将树脂注射到腔中以覆盖载体的表面、功率元件、以及每个外部连接器的至少一部分，并且在树脂固化后形成第一封装层，将用于屏蔽功率元件的电磁干扰的屏蔽构件设置在第一封装层上，将树脂注射到腔中以覆盖屏蔽构件，并且在树脂固化后形成第二封装层，移除模具并且将屏蔽构件接地。
在另一优选的实施例中，通过螺栓或螺钉经由屏蔽构件上的第一通孔将屏蔽构件接地。在另一优选的实施例中，通过接合线直接将屏蔽构件接地。
根据本实用新型的另一方面，还公开了另一种用于制造功率模块的方法。该方法包括：将载体放置在模具的腔中，该载体(例如，为DBC或IMS的一部分)包括表面，其中多个功率元件和多个外部连接器设置在载体的表面上，将用于屏蔽功率元件的电磁干扰的屏蔽构件放置在功率元件上方，其中屏蔽构件由至少一个支撑构件支撑并且通过至少一个接地构件接地，将树脂注射到腔中以覆盖载体的表面、功率元件、屏蔽构件、以及外部连接器中的每一个的至少一部分，并且在树脂固化后形成封装层，移除模具。
在另一优选的实施例中，至少一个接地构件与至少一个支撑构件集成。
在另一优选的实施例中，屏蔽构件包括供外部连接器穿过的第二通孔。
根据本实用新型的另一方面，还公开了另一种用于制造功率模块的方法。该方法包括：将载体放置在模具的腔中，该载体(例如，为DBC或IMS的一部分)包括表面，其中多个功率元件和多个外部连接器设置在载体的表面上，将用于屏蔽功率元件的电磁干扰的屏蔽构件放置在载体的表面上，其中屏蔽构件是屏蔽帽，该屏蔽帽具有覆盖功率元件的顶部和垂直于顶部延伸的壁，该壁设置有至少一个第三通孔，以供填充材料穿过，将树脂注射到腔中以覆盖载体的表面、功率元件、屏蔽构件、以及外部连接器中的每一个的至少一部分，并且在树脂固化后形成封装层，移除模具。
在另一优选的实施例中，屏蔽构件包括供外部连接器穿过的第二通孔。
根据本实用新型的另一方面，逆变器包括如上所述的功率模块和放置在功率模块上的驱动板。此外，功率模块还可以应用于DC/DC转换器和功率应用中。
从以下结合附图的详细描述中，实施例的其他方面和优点将变得显而易见，附图通过举例的方式展示了所描述的实施例的原理。
附图说明
通过结合附图参考以下描述，可以最好地理解所描述的实施例及其优点。这些附图决不限制本领域技术人员在不脱离所述实施例的精神和范围的情况下可以对所述实施例在形式和细节上进行的任何改变。
图1展示了常规逆变器的截面视图，该常规逆变器包括功率模块和驱动板。
图2展示了具有屏蔽构件的另一个常规逆变器的截面视图。
图3是展示了根据本实用新型第一实施例的将具有DBC的载体、功率元件和外部连接器放置在下模具中的步骤的截面结构图。
图4是展示了在图3中所示的结构上形成第一封装层的步骤的截面结构图。
图5是展示了将屏蔽构件和塞子放置在图4中所示的结构上的步骤的截面结构图。
图6是展示了在图5中所示的结构上形成第二封装层的步骤的截面结构图。
图7是展示了移除模具后的功率模块的截面结构图。
图8展示了包括具有内部屏蔽构件的功率模块、以及驱动板的逆变器的截面视图。
图9展示了根据本实用新型第二实施例的逆变器的截面视图，该逆变器包括具有内部屏蔽构件的功率模块、以及驱动板。
图10展示了根据本实用新型第三实施例的屏蔽构件的俯视图。
图11是展示了根据本实用新型第三实施例将屏蔽构件和塞子放置在第一封装层上的步骤的截面结构图。
图12是展示了根据本实用新型第三实施例的移除模具后的功率模块的截面结构图。
图13是展示了根据本实用新型第四实施例的放置屏蔽构件的步骤的截面结构图。
图14是展示了根据本实用新型第四实施例的移除模具后的功率模块的截面结构图。
图15展示了根据本实用新型第五实施例的屏蔽构件的透视图。
图16展示了根据本实用新型第五实施例的屏蔽构件的另一透视图。
图17是展示了根据本实用新型第五实施例的放置屏蔽构件的步骤的截面结构图。
图18是展示了根据本实用新型第五实施例的移除模具后的功率模块的截面结构图。
图19是展示了根据本实用新型第六实施例的在分解图中将屏蔽构件放置在第一封装层上的步骤的截面结构图。
图20是展示了根据本实用新型第六实施例的移除模具后的功率模块的截面结构图。
具体实施方式
现在参考附图，详细描述本实用新型的实施例。参考图3至图9详细地描述具有内部屏蔽构件的功率模块、用于制造该功率模块的方法、以及具有第一实施例的功率模块的逆变器。参考图7和图8，功率模块10包括：载体101，该载体包括表面(例如，前表面)；多个功率元件102；以及设置在载体101的表面上的多个外部连接器103。在这种情况下，载体是DBC或IMS的一部分。功率模块进一步包括：功率元件102上方的接地的屏蔽构件30，该接地的屏蔽构件用于屏蔽功率元件102的电磁干扰；封装层104，该封装层覆盖载体101的表面、功率元件102、屏蔽构件30、以及外部连接器103的至少一部分。参考用于制造功率模块的方法，在以下描述中公开了更多细节。
参考图3至图8，功率模块10通过以下过程制造。首先，提供载体101和在载体101的前表面上的多个功率元件102，比如IGBT或SiC器件。通过接通和关断功率元件，直流可以转换成交流。比如AC连接器、DC连接器和引脚等多个外部连接器103也设置在载体101的前表面上。AC连接器联接至AC部件(比如电动机)，而DC连接器联接至DC电源。引脚传输用于接通和关断功率元件102的驱动信号和传感器信号，比如用于检测温度电压和电流的传感器信号。
在图3中，具有功率元件102和外部连接器103的载体101被放置在具有注射孔10的下模具41的内底表面上。上模具(未示出)将与下模具41组装以形成腔。然后，树脂经由注射孔10注射到腔中，以覆盖载体101、功率元件102、以及每个外部连接器103的至少一部分。在树脂固化后，形成第一封装层1041，如图4中所示。
现在参考图5，用于屏蔽功率元件的电磁干扰的屏蔽构件30被放置在第一封装层1041上。屏蔽构件30是覆盖功率元件的铜片，使得功率元件的电磁干扰被屏蔽构件30屏蔽。同时，塞子6被放置在屏蔽构件30上，以防止随后的树脂注射。
在图6中，树脂经由注射孔10注射到腔中，以覆盖屏蔽构件30和外部连接器103的另一部分。在树脂固化后，形成第二封装层。第一封装层和第二封装层在本文一起被称为封装层104。封装层104的顶部不应超出塞子6的顶部。并且然后移除模具(上模具和下模具41这两者)。现在参考图7，移除塞子6，并且将螺栓7插入封装层中，以将屏蔽构件30接地(当插入螺栓时形成第一通孔)。借助于螺栓7，屏蔽构件30电联接至例如用于冷却功率模块的冷却系统的地。
现在参考图8，示出了包括通过上述方法制造的功率模块10(螺栓未示出)以及驱动板20的逆变器。驱动板20包括电路板200、电路板200的前表面上的芯片201、以及电路板200的后表面上的芯片202。驱动板20通过外部连接器103联接至功率模块10。用于接通和关断功率元件102的驱动信号和用于检测功率模块10的特性参数的传感器信号由外部连接器103传输。在该实施例中，驱动板20可以尽可能靠近功率模块10放置，因为屏蔽构件30被封装在封装层104内。参考图9，在第二实施例中，驱动板20甚至可以放置在功率模块10的顶表面上，以便使逆变器更加紧凑。在图9中，设置在驱动板20的后表面上的芯片202与树脂制成的封装层104的顶表面接触，而不用担心短路。
在这种内部屏蔽构件设计中，通过将驱动板20设置成尽可能靠近功率模块，栅极回路的电感显著地降低。因此，由栅极回路的电感引起的噪声可以忽略不计。同时，借助于封装层104内部的屏蔽构件，即使驱动板20非常靠近功率模块10，EMC问题也被很好地控制。因此，噪声问题和EMC问题之间的矛盾得到了妥协。
在第三实施例中，如图10中所示，使用与载体具有相同尺寸(长度和宽度)的屏蔽构件30。屏蔽构件30包括供外部连接器穿过的第二通孔301。在该实施例中，整个载体区域被屏蔽构件覆盖，并且来自功率元件的电磁干扰被很好地屏蔽。本实施例中的功率模块的制造方法与上述实施例的制造方法相似。参考图4、图11和图12，在形成第一封装层1041后，图10中所示的屏蔽构件30被放置在第一封装层1041上，其中外部连接器103穿过第二通孔301，且同时塞子61被放置在屏蔽构件上。以下过程与上述实施例的过程相同，屏蔽构件30通过螺栓或螺钉7接地。
现在参考图3、图13和图14，展示了功率模块的第四实施例及制造该功率模块的方法。在该实施例中，通过用支撑构件31支撑屏蔽构件，仅需要一个注射过程。如图13中所示，提供支撑构件31以将屏蔽构件30支撑在DBC上。屏蔽构件30经由支撑构件31中的至少一个接地。即，至少一个支撑构件也用作接地构件。可替代地，功率模块可以包括在屏蔽构件的四个角上的四个导电柱，用于支撑屏蔽构件，每个导电柱将屏蔽构件接地，比如功率模块的冷却系统的地。在屏蔽构件被支撑在支撑构件上后，树脂被注射到由上模具和下模具41形成的腔中，在树脂固化后形成封装层104，之后移除模具。带有内部屏蔽构件的功率模块在图14中示出。
现在参考图15至图18，公开了带有不同形状的屏蔽构件300的第五实施例。屏蔽构件是屏蔽帽300，该屏蔽帽具有覆盖功率元件的顶部3001和垂直于顶部延伸的壁3002。在顶部3001中，设置多个第二通孔3011和3012以供引脚(传输传感器信号)和端子(AC连接器和DC连接器)穿过。在壁3002中，设置多个第三通孔3013以供填充材料穿过。在该实施例中，填充材料是树脂。
该实施例中的功率模块的制造方法类似于其中铜片用作屏蔽构件的制造方法。如图17至所示，屏蔽帽300被放置在载体上以覆盖载体的前表面和其上的功率元件，且然后注射树脂以形成封装层104。图18中示出了具有内部屏蔽帽300的功率模块。如图18中所示，通过在功率模块上提供驱动板，由于屏蔽帽300屏蔽功率元件在所有方向上的电磁干扰，所以形成具有优异电磁兼容性的紧凑逆变器。
在先前的实施例中，功率模块的载体具有平坦的形状。从热效应的角度看，具有引脚翅片形状的载体是更理想的。下文将参考图19和图20进一步描述包括具有引脚翅片形状的载体的第六实施例。图19展示了在第二树脂注射之前，在(由上模具402和下模具401形成的)模具中设置的具有引脚翅片形状的功率模块的截面和分解视图。载体101在其后表面上具有引脚翅片形状1001，以便快速地散热。通过在下模具401的内底表面中提供台阶4011，载体101可以在树脂注射过程期间被稳定地放置在下模具中。在形成第一封装层1041之后，具有数个第二通孔的屏蔽构件30被放置在第一封装层1041上。第二通孔允许外部连接器103(引脚和端子)穿过，随后进行第二树脂注射过程，并且在树脂固化之后形成封装层104。在移除模具(接地构件未示出)之后，形成具有图20中所示的引脚翅片形状的功率模块。
对于优选实施例，已经提出了多个替代性的结构性元件和处理步骤。因此，尽管已经参考特定实施例描述了本实用新型，但是本说明书是对本实用新型的说明，而不应被解释为对本实用新型的限制。在不脱离由所附权利要求限定的本实用新型的真实精神和范围的情况下，本领域技术人员可以想到多个不同的修改和应用。

Claims (13)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
载体，所述载体包括表面；
多个功率元件和多个外部连接器，所述多个功率元件和所述多个外部连接器设置在所述载体的表面上；
所述功率元件上方的接地的屏蔽构件，所述接地的屏蔽构件用于屏蔽所述功率元件的电磁干扰；
封装层，所述封装层覆盖所述载体的表面、所述功率元件、所述屏蔽构件、以及所述外部连接器的至少一部分。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块进一步包括至少一个接地构件，所述至少一个接地构件用于将所述屏蔽构件电连接到地。
3.如权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述屏蔽构件设置有至少一个第一通孔，所述接地构件是螺栓或螺钉，并且所述屏蔽构件通过所述螺栓或所述螺钉经由所述第一通孔接地。
4.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述屏蔽构件通过接合线接地。
5.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块进一步包括至少一个支撑构件，所述至少一个支撑构件用于支撑所述封装层内的所述屏蔽构件。
6.如权利要求5所述的功率模块，其特征在于，所述屏蔽构件经由所述支撑构件接地。
7.如权利要求1至6中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述屏蔽构件包括供所述外部连接器穿过的第二通孔。
8.如权利要求1至6中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述屏蔽构件是铜片或铝片。
9.如权利要求1至6中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述屏蔽构件是屏蔽帽，所述屏蔽帽具有覆盖所述功率元件的顶部和垂直于所述顶部延伸的壁。
10.如权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述壁设置有至少一个第三通孔，以供填充材料穿过。
11.如权利要求1至6中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述载体包括平坦的板形状或引脚翅片形状。
12.一种逆变器，其特征在于，包括如权利要求1至11中任一项所述的功率模块，以及放置在所述功率模块上的驱动板。
13.一种DC/DC转换器，其特征在于，包括如权利要求1至11中任一项所述的功率模块，以及放置在所述功率模块上的驱动板。
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