CN219499196U - 一种适用于高频低温的气密性封装功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于高频低温的金属气密性封装功率模块，本实用新型的金属气密性封装功率模块将三相逆变桥电路集成在一起，能优化了换流回路的布局方式，驱动部分采用kelvin连接，可以有效降低共源电感，降低驱动回路和主功率回路之间的耦合有效降低驱动回路的寄生电感；三相全桥电路直流侧正负极之间增加了高频解耦电容，可以有效降低换流回路的寄生电感，降低功率半导体芯片高速开关过程的电压应力，增强可靠性。

Description

一种适用于高频低温的气密性封装功率模块

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种适用于高频、低温的金属气密性封装功率模块。

背景技术

由功率半导体器件作为核心部件组成的电能变换装置是实现高效“碳中和”的核心环节，广泛应用于新能源、新能源汽车、智能电网、航空航天、舰船等领域。单个功率半导体器件封装的分离器件(如TO247封装)已经不能满足高功率的要求，而多个分立器件并联会造成寄生参数大、体积大、散热困难等问题，在大功率应用场合，由多个芯片并联封装成的功率半导体模块受到了广泛的应用。

现有商用器件的封装结构大大限制了碳化硅器件的高频应用，主要是由于在封装过程中基板、芯片、引脚互联引起的杂散电感大，而一般的器件封装模块也是通过功率接线端子引出电极，引线都会增大回路的寄生电感。寄生电感会使器件在关断过程中承受较大的尖峰电压，严重时可能会损坏器件，因此必须设法降低功率器件模块的寄生电感，才能满足现在的高频需求。

此外目前部分应用领域对低温要求越来越高，要求温度从原来的-40℃降低到-55℃，这对整体器件的封装形式和封装材料要求越来越高，目前商用功率模块，分立器件采用塑封结构，其温度可满足-55°需求，但是大的功率模块多采用硅凝胶，其温度一般为-40℃，难以满足这些低温领域的需求。为了满足低温应用场合，部分场合提出气密性封装，使用材料有金属、陶瓷。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种适用于高频低温应用的气密性封装功率模块，其目的在于实现紧凑型三相桥电路、极低的内部换流回路寄生电感、耐低温封装结构的功率模块。

一种适用于高频低温的气密性封装功率模块，包括三相全桥电路、温度检测电路，还包括由金属底座与盖板构成的金属外壳、信号端子以及五个功率端子，所述金属底座包括底板和设置在底板四周上的侧板，金属底座和盖板组装在一起且内部填充惰性气体，所述信号端子和五个功率端子分别位于相对的侧板上，三相全桥电路、温度检测电路，均设置在在底板上，温度检测电路包括热敏电阻NTC、信号端子和若干键合线，热敏电阻的两级通过NTC+信号键合线和NTC-信号键合线分别连接到信号端子NTC+和NTC-，三相全桥电路包括覆铜陶瓷基板、A相上管芯片、A相下管芯片、B相上管芯片、B相下管芯片、C相上管芯片、C相下管芯片、若干功率键合线、若干驱动键合线、若干铜条、若干解耦电容；覆铜陶瓷基板为三层结构，上层下层都是铜箔，中间层是陶瓷板，上、层铜箔通过加工形成电路图案；

所述信号端子包括：电源正电极P、A相上管栅极驱动信号G1、A相上管源极驱动信号S1、A相下管栅极驱动信号G2、A相下管源极驱动信号S2、NTC电阻正极信号NTC+、NTC电阻负极信号NTC-、A相下管源极驱动信号S4、B相下管栅极驱动信号G4、B相上管源极驱动信号S3、B相上管栅极驱动信号G3、C相上管栅极驱动信号G5、C相上管源极驱动信号S5、C相下管栅极驱动信号G6、C相下管源极驱动信号S6，所述五个功率端子分别P极功率端子、N极功率端子、A相功率端子、B相功率端子、C相功率端子。

优选地，在本实用新型新的适用于高频低温的气密性封装功率模块中，

P极功率端子通过P极功率连接线，与陶瓷板上P极铜箔连接；A相功率端子通过A相功率连接线，与陶瓷板上A相铜箔连接；N极功率端子通过N极功率连接线，与陶瓷板上N极铜箔连接；A相上管芯片的漏极在P极铜箔连接上，再通过A相上管功率键合线，A相上管芯片的源极连接到A相下管漏极所在铜箔；A相下管芯片的漏极在A相铜箔连接上，再通过A相下管功率键合线，A相下管芯片的源极连接到N极铜箔；由此，构成了A相半桥电路；

P极功率端子通过P极功率连接线，与陶瓷板上P极铜箔连接；B相功率端子通过B相功率连接线，与陶瓷板上B相铜箔连接；N极功率端子通过N极功率连接线，与陶瓷板上N极铜箔连接；B相上管芯片的漏极在P极铜箔连接上，再通过B相上管功率键合线，B相上管芯片的源极连接到B相下管漏极所在铜箔；B相下管芯片的漏极在B相铜箔连接上，再通过B相下管功率键合线，B相下管芯片的源极连接到N极铜箔；由此，构成了B相半桥电路；

P极功率端子通过P极功率连接线，与陶瓷板上P极铜箔连接；C相功率端子通过C相功率连接线，与陶瓷板上C相铜箔连接；N极功率端子通过N极功率连接线，与陶瓷板上N极铜箔连接；C相上管芯片的漏极在P极铜箔连接上，再通过C相上管功率键合线，C相上管芯片的源极连接到C相下管漏极所在铜箔；C相下管芯片的漏极在C相铜箔连接上，再通过C相下管功率键合线，C相下管芯片的源极连接到N极铜箔；由此，构成了C相半桥电路；

若干解耦电容并联排布在覆铜陶瓷基板靠近所述五个功率端子的边沿；电源正P极信号键合线将陶瓷板上的P极铜箔与P极信号端子连接起来。

优选地，在本实用新型新的适用于高频低温的气密性封装功率模块中，

A相上管芯片的栅极和源极，通过A相上管驱动键合线连接到A相上管不同驱动铜箔上，A相驱动信号连接线将A相驱动信号端子G1、S2分别连接到A相上管不同驱动铜箔上；A相下管芯片的栅极和源极，通过A相下管驱动键合线连接到A相下管不同驱动铜箔上，A相驱动信号连接线将A相驱动信号端子G2、S2分别连接到A相下管不同驱动铜箔上；由此组成A相驱动电路；

B相上管芯片的栅极和源极，通过B相上管驱动键合线连接到B相上管不同驱动铜箔上，B相驱动信号连接线将B相驱动信号端子G3、S3分别连接到B相上管不同驱动铜箔上；B相下管芯片的栅极和源极，通过B相下管驱动键合线连接到B相下管不同驱动铜箔上，B相驱动信号连接线将B相驱动信号端子G4、S4分别连接到B相下管不同驱动铜箔上；由此组成B相驱动电路；

C相上管芯片的栅极和源极，通过C相上管驱动键合线连接到C相上管不同驱动铜箔上，C相驱动信号连接线将C相驱动信号端子G5、S5分别连接到C相上管不同驱动铜箔上；C相下管芯片的栅极和源极，通过C相下管驱动键合线连接到C相下管不同驱动铜箔上，C相驱动信号连接线将C相驱动信号端子G6、S6分别连接到C相下管不同驱动铜箔上；由此组成C相驱动电路；

优选地，在本实用新型新的适用于高频低温的气密性封装功率模块中，所述底板12的四个角分别具有一个安装孔。

优选地，在本实用新型新的适用于高频低温的气密性封装功率模块中，侧板上还设置有若干功率端绝缘陶瓷以及若干信号端绝缘陶瓷，若干功率端绝缘陶瓷环绕在五个功率端子上；若干信号端绝缘陶瓷环绕在信号端子上，使信号端子与金属底座绝缘。

本实用新型的气密性封装功率模块优化了芯片的布局方式，换流回路形成互感抵消回路，减小主功率回路的寄生电感，三相全桥电路的开关管芯片驱动连接采用Kelvin连接方式，可以有效降低共源电感，降低驱动回路和主功率回路之间的耦合；三相全桥电路直流侧正负极之间增加了高频解耦电容，集成在模块内部，可以有效降低换流回路的寄生电感，降低功率半导体芯片高速开关过程的电压尖峰，避免器件损坏。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的气密性封装功率模块一实施例的电路图；

图2是本实用新型的气密性封装功率模块一实施例的外观图。

图3本实用新型的图2中气密性封装功率模块的开盖图。

图4是本实用新型的图2中气密性封装功率模块的金属外壳的结构图。

图5是本实用新型的图2中气密性封装功率模块的三相全桥电路模型图。

图6是本实用新型的图2中气密性封装功率模块的覆铜陶瓷基板的模型图。

其中，2：金属底座，3：盖板，4：信号端子，5：C相功率端子，6：三相全桥电路，7：温度检测电路，8：功率端绝缘陶瓷，9：信号端绝缘陶瓷，10：安装孔，11：侧板，12：底板，13：B相功率端子，14：C相功率端子，15：N极功率端子，16：P极功率端子，17：陶瓷基板，18：B相下管功率键合线，19：A相下管功率键合线，20：A相下管芯片，21：B相下管芯片，22：A相下管驱动键合线，23：B相下管驱动键合线，24：A相上管功率键合线，25：A相上管芯片，26：A相上管驱动键合线，27：电源正P极信号键合线，28：A相驱动信号键合线，29：NTC+信号键合线，30：NTC-信号键合线，31：B相驱动信号键合线，32：B相上管功率键合线，33：B相上管芯片，34：B相上管驱动键合线，35：C相驱动信号键合线件，36：C相上管驱动键合线，37：C相上管芯片，38：C相上管功率键合线，39：C相下管驱动键合线，40：C相下管芯片，41：C相下管功率键合线，42：N极功率连接线，43：C相功率连接线，44：B相功率连接线，45：A相功率连接线，46：N极功率连接线，47：P极功率连接器，48：解耦电容。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

参考图1-图6，一种适用于高频低温的气密性封装功率模块，包括三相全桥电路6、温度检测电路，还包括由金属底座2与盖板3构成的金属外壳1、信号端子4以及五个功率端子，所述金属底座2包括底板12和设置在底板12四周上的侧板11，金属底座2和盖板3组装在一起且内部填充惰性气体，形成气密性封装，密封后可抵挡水气侵蚀以及隔绝外界杂质污染。

同时参考图3和图4，金属底座2的底板12起导热和支撑作用，底板12一般由弥散铝铜组成，导热系数高，可提高导热效率。底板12的四个角分别具有一个安装孔10，四个安装孔10分布在底板12上，可实现与外部散热器等的固定连接。若干功率端绝缘陶瓷8环绕在功率端子上，使功率端子与金属底座2绝缘，同时起固定支撑作用。

作为优选地，侧板11上还设置有若干功率端绝缘陶瓷8以及若干信号端绝缘陶瓷9，若干功率端绝缘陶瓷8环绕在五个功率端子上，使五个功率端子与金属底座2绝缘，同时起固定支撑作用；若干信号端绝缘陶瓷9环绕在信号端子上，使信号端子与金属底座2绝缘，同时起固定支撑作用。干功率端绝缘陶瓷8在侧板11的内外面上均进行设置。

着重参考图1、5、6，所述信号端子4和五个功率端子分别位于相对的侧板11上，三相全桥电路6、温度检测电路，均设置在在底板12上，温度检测电路7包括热敏电阻NTC49、信号端子和若干键合线，热敏电阻的两级通过NTC+信号键合线29和NTC-信号键合线30分别连接到信号端子NTC+和NTC-，三相全桥电路6包括覆铜陶瓷基板17、A相上管芯片25、A相下管芯片20、B相上管芯片33、B相下管芯片21、C相上管芯片37、C相下管芯片40、若干功率键合线、若干驱动键合线、若干铜条、若干解耦电容47；本实施例中的功率半导体芯片以MOSFET芯片为例，也适用于IGBT等其它功率半导体芯片。

覆铜陶瓷基板17为三层结构，上层下层都是铜箔，中间层是陶瓷板，上、层铜箔通过加工形成电路图案，起导电和传热作用。上下层铜箔的外边沿位于离陶瓷基板17上，且距离陶瓷基板17边缘有一定距离，该距离根据模块的耐压要求确定，本实施例中，边缘距离设置为2mm。中间层的陶瓷基板17一般是氧化铝、氮化铝、氮化硅等陶瓷材料，本实施案例以氮化铝为例。

在本实施例中，所述信号端子包括：电源正电极P、A相上管栅极驱动信号G1、A相上管源极驱动信号S1、A相下管栅极驱动信号G2、A相下管源极驱动信号S2、NTC电阻正极信号NTC+、NTC电阻负极信号NTC-、A相下管源极驱动信号S4、B相下管栅极驱动信号G4、B相上管源极驱动信号S3、B相上管栅极驱动信号G3、C相上管栅极驱动信号G5、C相上管源极驱动信号S5、C相下管栅极驱动信号G6、C相下管源极驱动信号S6，所述五个功率端子分别P极功率端子16(即主功率正极)、N极功率端子15(即主功率负极)、A相功率端子14(即A相输出)、B相功率端子13(即B相输出)、C相功率端子5(即C相输出)，图2中各负号的定义具体如下表。

P极功率端子16通过P极功率连接线47，与陶瓷板上P极铜箔连接；A相功率端子14通过A相功率连接线45，与陶瓷板上A相铜箔连接；N极功率端子15通过N极功率连接线46，与陶瓷板上N极铜箔连接；A相上管芯片25的漏极在P极铜箔连接上，再通过A相上管功率键合线24，A相上管芯片25的源极连接到A相下管漏极所在铜箔；A相下管芯片20的漏极在A相铜箔连接上，再通过A相下管功率键合线19，A相下管芯片20的源极连接到N极铜箔；由此，构成了A相半桥电路；

P极功率端子16通过P极功率连接线17，与陶瓷板上P极铜箔连接；B相功率端子13通过B相功率连接线44，与陶瓷板上B相铜箔连接；N极功率端子15通过N极功率连接线46，与陶瓷板上N极铜箔连接；B相上管芯片33的漏极在P极铜箔连接上，再通过B相上管功率键合线32，B相上管芯片33的源极连接到B相下管漏极所在铜箔；B相下管芯片21的漏极在B相铜箔连接上，再通过B相下管功率键合线18，B相下管芯片21的源极连接到N极铜箔；由此，构成了B相半桥电路；

P极功率端子16通过P极功率连接线17，与陶瓷板上P极铜箔连接；C相功率端子5通过C相功率连接线43，与陶瓷板上C相铜箔连接；N极功率端子15通过N极功率连接线46，与陶瓷板上N极铜箔连接；C相上管芯片37的漏极在P极铜箔连接上，再通过C相上管功率键合线39，C相上管芯片37的源极连接到C相下管漏极所在铜箔；C相下管芯片40的漏极在C相铜箔连接上，再通过C相下管功率键合线38，C相下管芯片40的源极连接到N极铜箔；由此，构成了C相半桥电路；

若干解耦电容47并联排布在覆铜陶瓷基板靠近所述五个功率端子的边沿，本实施案例中的解耦电容47选的片式多层陶瓷电容，耐温和耐压高。

电源正P极信号键合线27将陶瓷板上的P极铜箔与P极信号端子16连接起来。

A相上管芯片25的栅极和源极，通过A相上管驱动键合线26连接到A相上管不同驱动铜箔上，A相驱动信号连接线28将A相驱动信号端子G1、S2分别连接到A相上管不同驱动铜箔上；A相下管芯片20的栅极和源极，通过A相下管驱动键合线22连接到A相下管不同驱动铜箔上，A相驱动信号连接线28将A相驱动信号端子G2、S2分别连接到A相下管不同驱动铜箔上；由此组成A相驱动电路；

B相上管芯片33的栅极和源极，通过B相上管驱动键合线34连接到B相上管不同驱动铜箔上，B相驱动信号连接线31将B相驱动信号端子G3、S3分别连接到B相上管不同驱动铜箔上；B相下管芯片21的栅极和源极，通过B相下管驱动键合线23连接到B相下管不同驱动铜箔上，B相驱动信号连接线31将B相驱动信号端子G4、S4分别连接到B相下管不同驱动铜箔上；由此组成B相驱动电路；

C相上管芯片37的栅极和源极，通过C相上管驱动键合线36连接到C相上管不同驱动铜箔上，C相驱动信号连接线35将C相驱动信号端子G5、S5分别连接到C相上管不同驱动铜箔上；C相下管芯片40的栅极和源极，通过C相下管驱动键合线39连接到C相下管不同驱动铜箔上，C相驱动信号连接线35将C相驱动信号端子G6、S6分别连接到C相下管不同驱动铜箔上；由此组成C相驱动电路。

根据本实用新型实施例的气密性封装功率模块，该布局方式可以改变功率半导体芯片的驱动键合线连接方式，采用Kelvin连接方式，降低共源电感，同时缩短了功率半导体芯片与驱动电路的连接距离，降低驱动回路的寄生电感。因此，可以有效减小三相全桥电路的主功率回路和驱动回路的电磁耦合，简化模块内部的键合互联，不容易出现短路、断裂、塌丝等问题，增加了模块生产的可靠性，提高生产良率和效率。6路驱动电路相互之间不干扰，分别排布，避免了上下管信号的交叉，可以降低干扰。

本实用新型的气密性封装功率模块采用内部集成高频解耦电容和换流回路形成互感抵消回路的方法来降低主功率换流回路的寄生电感，可有效降低功率半导体芯片在高速关断过程中的电压应力，确保高速下开关管工作在安全区，保证模块的可靠性。

本实用新型气密性功率模块通过采用氮化铝AlN陶瓷覆铜基板和金属外壳1气密性封装的方法，可以有效提高散热性能。此外，金属外壳结构强度高，安装方便。金属外壳气密性封装可以耐高温，且内部填充惰性气体，可有效降低水气等杂质对芯片的影响，提高可靠性和恶略环境的耐受能力。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (5)

1.一种适用于高频低温的气密性封装功率模块，包括三相全桥电路、温度检测电路，其特征在于，还包括由金属底座与盖板构成的金属外壳、信号端子以及五个功率端子，所述金属底座包括底板和设置在底板四周上的侧板，金属底座和盖板组装在一起且内部填充惰性气体，所述信号端子和五个功率端子分别位于相对的侧板上，三相全桥电路、温度检测电路均设置在底板上，温度检测电路包括热敏电阻NTC、信号端子和若干键合线，热敏电阻的两级通过NTC+信号键合线和NTC-信号键合线分别连接到信号端子NTC+和NTC-，三相全桥电路包括覆铜陶瓷基板、A相上管芯片、A相下管芯片、B相上管芯片、B相下管芯片、C相上管芯片、C相下管芯片、若干功率键合线、若干驱动键合线、若干铜条、若干解耦电容；覆铜陶瓷基板为三层结构，上层下层都是铜箔，中间层是陶瓷板，上、层铜箔通过加工形成电路图案；

所述信号端子包括：电源正电极P、A相上管栅极驱动信号G1、A相上管源极驱动信号S1、A相下管栅极驱动信号G2、A相下管源极驱动信号S2、NTC电阻正极信号NTC+、NTC电阻负极信号NTC-、A相下管源极驱动信号S4、B相下管栅极驱动信号G4、B相上管源极驱动信号S3、B相上管栅极驱动信号G3、C相上管栅极驱动信号G5、C相上管源极驱动信号S5、C相下管栅极驱动信号G6、C相下管源极驱动信号S6，所述五个功率端子分别P极功率端子、N极功率端子、A相功率端子、B相功率端子、C相功率端子。

2.根据权利要求1所述的适用于高频低温的气密性封装功率模块，其特征在于，

P极功率端子通过P极功率连接线，与陶瓷板上P极铜箔连接；A相功率端子通过A相功率连接线，与陶瓷板上A相铜箔连接；N极功率端子通过N极功率连接线，与陶瓷板上N极铜箔连接；A相上管芯片的漏极在P极铜箔连接上，再通过A相上管功率键合线，A相上管芯片的源极连接到A相下管漏极所在铜箔；A相下管芯片的漏极在A相铜箔连接上，再通过A相下管功率键合线，A相下管芯片的源极连接到N极铜箔；由此，构成了A相半桥电路；

P极功率端子通过P极功率连接线，与陶瓷板上P极铜箔连接；B相功率端子通过B相功率连接线，与陶瓷板上B相铜箔连接；N极功率端子通过N极功率连接线，与陶瓷板上N极铜箔连接；B相上管芯片的漏极在P极铜箔连接上，再通过B相上管功率键合线，B相上管芯片的源极连接到B相下管漏极所在铜箔；B相下管芯片的漏极在B相铜箔连接上，再通过B相下管功率键合线，B相下管芯片的源极连接到N极铜箔；由此，构成了B相半桥电路；

P极功率端子通过P极功率连接线，与陶瓷板上P极铜箔连接；C相功率端子通过C相功率连接线，与陶瓷板上C相铜箔连接；N极功率端子通过N极功率连接线，与陶瓷板上N极铜箔连接；C相上管芯片的漏极在P极铜箔连接上，再通过C相上管功率键合线，C相上管芯片的源极连接到C相下管漏极所在铜箔；C相下管芯片的漏极在C相铜箔连接上，再通过C相下管功率键合线，C相下管芯片的源极连接到N极铜箔；由此，构成了C相半桥电路；

若干解耦电容并联排布在覆铜陶瓷基板靠近所述五个功率端子的边沿；电源正P极信号键合线将陶瓷板上的P极铜箔与P极信号端子连接起来。

3.根据权利要求2所述的适用于高频低温的气密性封装功率模块，其特征在于，

A相上管芯片的栅极和源极，通过A相上管驱动键合线连接到A相上管不同驱动铜箔上，A相驱动信号连接线将A相驱动信号端子G1、S2分别连接到A相上管不同驱动铜箔上；A相下管芯片的栅极和源极，通过A相下管驱动键合线连接到A相下管不同驱动铜箔上，A相驱动信号连接线将A相驱动信号端子G2、S2分别连接到A相下管不同驱动铜箔上；由此组成A相驱动电路；

B相上管芯片的栅极和源极，通过B相上管驱动键合线连接到B相上管不同驱动铜箔上，B相驱动信号连接线将B相驱动信号端子G3、S3分别连接到B相上管不同驱动铜箔上；B相下管芯片的栅极和源极，通过B相下管驱动键合线连接到B相下管不同驱动铜箔上，B相驱动信号连接线将B相驱动信号端子G4、S4分别连接到B相下管不同驱动铜箔上；由此组成B相驱动电路；

C相上管芯片的栅极和源极，通过C相上管驱动键合线连接到C相上管不同驱动铜箔上，C相驱动信号连接线将C相驱动信号端子G5、S5分别连接到C相上管不同驱动铜箔上；C相下管芯片的栅极和源极，通过C相下管驱动键合线连接到C相下管不同驱动铜箔上，C相驱动信号连接线将C相驱动信号端子G6、S6分别连接到C相下管不同驱动铜箔上；由此组成C相驱动电路。

4.根据权利要求1所述适用于高频低温的气密性封装功率模块，其特征在于，所述底板的四个角分别具有一个安装孔。

5.根据权利要求1所述适用于高频低温的气密性封装功率模块，其特征在于，侧板上还设置有若干功率端绝缘陶瓷以及若干信号端绝缘陶瓷，若干功率端绝缘陶瓷环绕在五个功率端子上；若干信号端绝缘陶瓷环绕在信号端子上，使信号端子与金属底座绝缘。