CN218548420U - 一种双面散热的功率半导体模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双面散热的功率半导体模块包括上衬底和下衬底，下衬底上设有直流正极端子；下衬底上设有若干个上桥臂芯片，上衬底上设有若干个下桥臂芯；还包括辅助衬底，辅助衬底设于上衬底与下衬底之间；辅助衬底上设有直流负极端子，直流正极端子与直流负极端子叠合设置；使得：换流回路电流从直流正极端子进入下衬底、流经上桥臂芯片；后进入上衬底、流经下桥臂芯片；接着流经辅助衬底，并从直流负极端子流出功率半导体模块。本实用新型由于设置了辅助衬底，且将下衬底上的直流正极端子与辅助衬底上的直流负极端子叠合设置，从而拓宽了芯片的通流路径与层叠区域，大大降低了功率半导体模块的换流回路的杂散电感。

Description

一种双面散热的功率半导体模块

技术领域

本实用新型涉及功率半导体模块领域，尤其涉及一种双面散热的功率半导体模块。

背景技术

功率半导体器件又被称为电力电子器件，是电力电子技术的基础，也是构成电力电子变换装置的核心器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件，对装置的尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性，起着重要的作用。

现有常规灌胶封装模块换流回路杂散电感过大，通常选用更大的关断电阻用于抑制IGBT或SiC MOSFET关断瞬态的电压过冲，这导致功率模块的关断损耗增大，降低系统效率。

更小换流回路杂散电感模块通常需借助柔性PCB，多层DBC/AMB衬底等特殊材料，增加了工艺制造成本，降低产线兼容性，同时影响模块热阻，难以实现功率模块热性能与电性能的平衡设计。

实用新型内容

为了克服上述技术缺陷，本实用新型的目的在于提供一种能减小换流回路的杂散电感的双面散热的功率半导体模块。

本实用新型公开了一种双面散热的功率半导体模块，包括上衬底和下衬底，所述下衬底上设有直流正极端子；所述下衬底上设有若干个上桥臂芯片，所述上衬底上设有若干个下桥臂芯片；还包括辅助衬底，所述辅助衬底设于所述上衬底与所述下衬底之间；所述辅助衬底上设有直流负极端子，所述直流正极端子与所述直流负极端子叠合设置；使得：换流回路电流从所述直流正极端子进入所述下衬底、流经所述上桥臂芯片；后进入所述上衬底、流经所述下桥臂芯片；接着流经所述辅助衬底，并从所述直流负极端子流出所述功率半导体模块。

优选的，上衬底上设有交流端子，所述交流端子设于所述直流正极端子/所述直流负极端子的对侧。

优选的，所述交流端子弯折，使得所述交流端子的输出端与所述下衬底位于同一水平面上。

优选的，所述上桥臂芯片和所述下桥臂芯片上设有垫块。

优选的，每个所述上桥臂芯片和所述下桥臂芯片上设有单独的所述垫块。

优选的，所述垫块的材料包括铝碳化硅和钼铜合金。

优选的，六个所述上桥臂芯片包括两组，两组所述上桥臂芯片相互平行且一一对应；六个所述下桥臂芯片包括两组，两组所述下桥臂芯片相互平行且一一对应。

优选的，两组所述上桥臂芯片之间、两组所述下桥臂芯片之间设有门极回路感应区，所述门极回路感应区包括第一门极回路感应区和第二门极回路感应区；每个所述上桥臂芯片、每个所述下桥臂芯片分别通过金属接合线与所述第一门极回路感应区和第二门极回路感应区连通；所述门极回路感应区通过接线端子与电机控制器连接。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.由于设置了所述辅助衬底，且将所述下衬底上的所述直流正极端子与所述辅助衬底上的所述直流负极端子叠合设置，从而拓宽了芯片的通流路径与层叠区域，大大降低了功率半导体模块的换流回路的杂散电感。

附图说明

图1为本实用新型提供的双面散热的功率半导体模块的侧视图；

图2为本实用新型提供的双面散热的功率半导体模块的下衬底的结构示意图；

图3为本实用新型提供的双面散热的功率半导体模块的上衬底的结构示意图；

图4为本实用新型提供的双面散热的功率半导体模块的辅助衬底的结构示意图；

图5为本实用新型提供的上衬底、下衬底和辅助衬底装配完成后的结构示意图；

图6为本实用新型提供的双面散热的功率半导体模块封装后的结构示意图。

其中：1-下衬底，2-上衬底，3-辅助衬底，4-直流正极端子，5-直流负极端子，6-交流端子，7-上桥臂芯片，8-下桥臂芯片，9-第一门极回路感应区，10-第二门极回路感应区。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本实用新型的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

参见附图1-6，本实用新型公开了一种双面散热的功率半导体模块，包括上衬底2、下衬底1和辅助衬底3，辅助衬底3设于上衬底2与下衬底1之间。还包括一个交流端子6和两个直流端子。交流端子6设于上衬底2上，直流正极端子4设于下衬底1上，直流负极端子5设于辅助衬底3上。下衬底1上设有若干个上桥臂芯片7，上衬底2上设有若干个下桥臂芯片8。使得：换流回路电流从直流正极端子4进入下衬底1、流经上桥臂芯片7；后进入上衬底2、流经下桥臂芯片8；接着流经辅助衬底3，并从直流负极端子5流出功率半导体模块。

本实用新型将下衬底1上的直流正极端子4与辅助衬底3上的直流负极端子5叠合设置，拓宽了芯片的通流路径与层叠区域，大大降低了功率半导体模块的换流回路的杂散电感。具体可以理解为，设上衬底2、辅助衬底3的宽度为k，若，下衬底1上的直流正极端子4与辅助衬底3上的直流负极端子5不为叠合设置，则通常芯片的通流路径的宽度概括为k/2；而本实用新型将下衬底1上的直流正极端子4与辅助衬底3上的直流负极端子5叠合设置后，芯片的通流路径的宽度为k，远远大于现有技术的不叠合设置。当芯片的通流路径(宽度)增大后，则电路中的自感将减少，从而减少了整体的杂散电感。

并且，由于下衬底1上的直流正极端子4与辅助衬底3上的直流负极端子5叠合设置还增加了，正负极之间的层叠面积，从而可以增大电路中的互感，由此也可以减少整体的杂散电感。本实用新型的功率模块中总杂感可小于1nH，大幅提升模块的反偏安全工作(RBSOA)区域，降低驱动电阻，实现更大的功率输出能力；有助于提升电机控制器功率等级，同时保障控制器功率密度，工作效率与可靠性等其他指标。

综上所述，本实用新型采用不同桥臂的半导体功率芯片设置于上下两不同的功率衬底上，减小模块的体积，降低模块的杂感，提高了模块功率密度。

较佳的，上衬底2上的交流端子6设于直流正极端子4/直流负极端子5的对侧。

进一步的，为了使得功率半导体模块的整体性更强，易于封装且易于连接，交流端子6弯折，使得交流端子6的输出端与下衬底1位于同一水平面上。

上衬底2、下衬底1包括三层，分别是上表面的金属层、下表面的金属层和中间的绝缘介质层，绝缘介质层可以选用氧化铝、氮化铝或氮化硅制成；金属层可以选用铜或铝制成。

较佳的，下衬底1的设置有直流正极端子4的一侧的上表面金属层向外伸出，用于连接直流正极端子4。

一种优选实施例中，上衬底2、下衬底1分为感应区和流通区，感应区可理解为布置了芯片的区域，流通区为用于承接芯片的区域。芯片上都设有垫块，辅助衬底3设于上衬底2的垫块与下衬底1之间。

辅助衬底3设于下衬底1的流通区上，上衬底2的感应区设于辅助衬底3上(设于下衬底1的流通区上)，上衬底2的流通区设于下衬底1的感应区上，由此，换流回路电流从直流正极端子4进入下衬底1、流经下衬底1的流通区的金属层、流入上桥臂芯片7；后通过垫块进入上衬底2、流经上衬底2的流通区的金属层、流经下桥臂芯片8；后通过垫块进入辅助衬底3，并从直流负极端子5流出功率半导体模块。

在本实用新型所提供的优选实施例中，下衬底1上设有第一上桥臂芯片7、第二上桥臂芯片7、第三上桥臂芯片7、第四上桥臂芯片7、第五上桥臂芯片7、和第六上桥臂芯片7。可以理解为，第一上桥臂芯片7、第二上桥臂芯片7、第三上桥臂芯片7为一组，第四上桥臂芯片7、第五上桥臂芯片7、第六上桥臂芯片7为一组，两组上桥臂芯片7相互平行且一一对应，即第一上桥臂芯片7与第四上桥臂芯片7对应，第二上桥臂芯片7与第五上桥臂芯片7对应，第三上桥臂芯片7与第六上桥臂芯片7对应。同样的，上衬底2上设有第一下桥臂芯片8、第二下桥臂芯片8、第三下桥臂芯片8、第四下桥臂芯片8、第五下桥臂芯片8、和第六下桥臂芯片8。可以理解为，第一下桥臂芯片8、第二下桥臂芯片8、第三下桥臂芯片8为一组，第四下桥臂芯片8、第五下桥臂芯片8、第六下桥臂芯片8为一组，两组下桥臂芯片8相互平行且一一对应，即第一下桥臂芯片8与第四下桥臂芯片8对应，第二下桥臂芯片8与第五下桥臂芯片8对应，第三下桥臂芯片8与第六下桥臂芯片8对应。

需要说明的是，这里的芯片分组并不针对其功能，仅针对其位置进行命名。并且，上述芯片位置仅为一优选实施例，并不限制于此。

每个所述上桥臂芯片7和所述下桥臂芯片8上设有单独的所述垫块，垫块设置于上衬底2与下衬底1之间，起机械支撑和电气连接作用，在双面散热的基础上为每一个半导体功率芯片提供额外的散热路径，降低芯片之间热耦合程度，达到芯片均温效果，同时改善芯片散热环境。

一种优选的，垫块的材料包括铝碳化硅和钼铜合金，但并不限于此。

在本实用新型所提供的优选实施例中，两组上桥臂芯片7之间、两组下桥臂芯片8之间都设有门极回路感应区，门极回路感应区包括第一门极回路感应区9和第二门极回路感应区10；每个上桥臂芯片7、每个下桥臂芯片8分别通过金属接合线与第一门极回路感应区9和第二门极回路感应区10连通。

第一门极回路感应区9和第二门极回路感应区10分别与两接线端子连接，该两接线端子与电机控制器连接，从而使得功率半导体芯片与电机控制器连接。具体的，下衬底1在直流正极端子4对侧设有两个上述接线端子，上衬底2在交流端子6的同侧设有两个上述接线端子。

除了该与电机控制器连接的两个接线端子外，优选实施例还在下衬底1上提供了另外三个接线端子，设于下衬底1的右下角。

应当注意的是，本实用新型的实施例有较佳的实施性，且并非对本实用新型作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种双面散热的功率半导体模块，其特征在于，包括上衬底和下衬底，所述下衬底上设有直流正极端子；所述下衬底上设有若干个上桥臂芯片，所述上衬底上设有若干个下桥臂芯片；

还包括辅助衬底，所述辅助衬底设于所述上衬底与所述下衬底之间；所述辅助衬底上设有直流负极端子，所述直流正极端子与所述直流负极端子叠合设置；

使得：换流回路电流从所述直流正极端子进入所述下衬底、流经所述上桥臂芯片；后进入所述上衬底、流经所述下桥臂芯片；接着流经所述辅助衬底，并从所述直流负极端子流出所述功率半导体模块。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述上衬底上设有交流端子，所述交流端子设于所述直流正极端子/所述直流负极端子的对侧。

3.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其特征在于，所述交流端子弯折，使得所述交流端子的输出端与所述下衬底位于同一水平面上。

4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述上桥臂芯片和所述下桥臂芯片上设有垫块。

5.根据权利要求4所述的功率半导体模块，其特征在于，每个所述上桥臂芯片和所述下桥臂芯片上设有单独的所述垫块。

6.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其特征在于，所述垫块的材料为铝碳化硅或钼铜合金。

7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，六个所述上桥臂芯片包括两组，两组所述上桥臂芯片相互平行且一一对应；六个所述下桥臂芯片包括两组，两组所述下桥臂芯片相互平行且一一对应。

8.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其特征在于，两组所述上桥臂芯片之间、两组所述下桥臂芯片之间设有门极回路感应区，所述门极回路感应区包括第一门极回路感应区和第二门极回路感应区；

每个所述上桥臂芯片、每个所述下桥臂芯片分别通过金属接合线与所述第一门极回路感应区和第二门极回路感应区连通；

所述门极回路感应区通过接线端子与电机控制器连接。

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