CN220692017U - 一种三相全桥整流mosfet功率模块 - Google Patents
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Abstract
一种三相全桥整流MOSFET功率模块，属于半导体开关功率器件领域。包括：包括底板、分立式陶瓷电路板、MOSFET芯片、键合丝、PIN针、热敏电阻、硅凝胶、外壳、螺钉；所述底板包括底板安装孔、底板与外壳固定孔。外壳包括外壳顶部PIN针穿孔。分立式陶瓷电路板包括分立式陶瓷电路板背面金属层、分立式陶瓷电路板正面布线层、分立式陶瓷电路板正面PIN针焊盘；MOSFET芯片、PIN针、热敏电阻分别焊贴在每块分立式陶瓷电路板设定的位置；外壳穿过PIN针，通过螺钉与底板固定连接；硅凝胶填充于外壳内。解决了现有模块结构强度差，寄生参数大，工作电压和电流须降额使用的问题。广泛应用于大电流MOSFET功率模块中。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体开关功率器件领域，进一步来说涉及MOSFET功率模块领域，具体来说，涉及一种三相全桥整流MOSFET功率模块。
背景技术
MOSFET功率模块产品的电路原理图如图1所示，现有技术中MOSFET功率模块产品的封装通常采用如TO-247的单管封装或小尺寸的模块封装，常用小尺寸模块封装如图2-4所示，其主要结构包括：一体化陶瓷电路板1、MOSFET芯片2、二极管芯片3、硅凝胶4、键合丝5、PIN针6、外壳7及热敏电阻8。外壳7粘接在一体化陶瓷电路板1上，所有PIN针6、MOSFET芯片2和二极管芯片3采用软钎焊固定于一体化陶瓷电路板1上。一体化陶瓷电路板1中间为陶瓷，上下层都为覆铜，上层铜经过刻蚀形成不同的孤岛，各孤岛为不同电极，不同电极间通过芯片上的键合铝线互连形成回路。最后整个内部灌硅凝胶进行保护。存在如下不足：
（1）整个模块强度受外壳7和一体化陶瓷电路板1影响，而这两个零件采用粘接形式，可靠性较差，在高低温或老化环境中易失效。并且一体化陶瓷电路板1作为基板，陶瓷虽然硬度较强，但易碎，可靠性较差。
（2）电路布局：中间为P极（DC+），左侧为EU、EV、EW极（DC-），右侧为U、V、W极（AC），栅极G1-G6分别分布于左右两侧，热敏电阻位于下侧。这种电路布局因为从DC+极到AC极再到DC-极，整个回路较长，导致杂散电感、分布电容、电阻等寄生参数较大，对模块最终的电性能产生不利影响。且在模块额定电流较大时，这种影响占据主导，使得模块的工作电压和电流都必须较大地降额使用。
有鉴于此，特提出本实用新型。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是：解决现有技术中封装结构强度可靠性较差，电路布局寄生参数较大，影响模块电性能，模块工作电压和电流须降额使用的问题。
本实用新型的发明构思是：采用强度良好、散热能力强的板材为底板，将一体化陶瓷电路板改进为3块分离式陶瓷电路板，每一整流相为1块分离式陶瓷电路板，外壳与底板之间采用螺钉进行固定，从而大幅度提升封装结构强度可靠性，大大缩小从DC+极到AC极再到DC-极的电流回路，降低电路寄生参数，提升模块电性能，避免模块工作电压和工作电流降额使用，提升电路工作效率。
为此，本实用新型提供一种三相全桥整流MOSFET功率模块，如图5-7所示。包括底板9、分立式陶瓷电路板10、MOSFET芯片2、键合丝5、PIN针6、热敏电阻8、硅凝胶4、外壳7、螺钉11。
所述底板9包括底板安装孔901、底板与外壳固定孔902。
所述外壳7包括外壳顶部PIN针穿孔701。
分立式陶瓷电路板10包括分立式陶瓷电路板背面金属层1001、分立式陶瓷电路板正面布线层1002、分立式陶瓷电路板正面PIN针焊盘1003。
分立式陶瓷电路板10为3块，分别焊贴在底板9设定的位置。
MOSFET芯片2、PIN针6、热敏电阻8分别焊贴在每块分立式陶瓷电路板10设定的位置。
电路之间通过键合丝5进行键合连接。
外壳7穿过PIN针6，通过螺钉11与底板9固定连接。
硅凝胶4填充于外壳7内。
与原有结构相比，外壳仍为多孔结构，接口为PIN针引出，新增了强度和可靠性强的材质基板，热容大，热传导率高，在散热方面优于陶瓷基板，比较适合于大电流规格的碳化硅MOSFET功率模块。底板与外壳通过螺钉连接，更加可靠。
电路布局方面，分立式陶瓷电路板10为3块，对应U、V、W三相，各块上的电路布局完全一致，均匀排布，以保证各相电参数均衡。信号端子上下两侧分布，功率端子中间分布，互不交错以减小对控制信号的干扰。这种排布的换流回路路径较短，系统杂散电感较小，并且DC+和DC-端子距离较近，互感可进一步减少系统杂散电感，从而提高了功率模块的动态性能。方向改变不影响本发明的效果。
由于本实用新型热容量大，热传导率高，散热性能优越，可广泛应用于大电流MOSFET功率模块中。
附图说明
图1为功率模块电路原理示意图。
图2为现有模块封装结构截面示意图。
图3为现有模块封装结构外形俯视结构示意图。
图4为现有模块封装结构内部结构示意图。
图5为本实用新型封装结构截面示意图。
图6为本实用新型封装结构外形俯视结构示意图。
图7为本实用新型封装结构内部结构示意图。
图中：1为一体化陶瓷电路板，101为一体化陶瓷电路板背面金属层，102为一体化陶瓷电路板正面布线层，103为一体化陶瓷电路板正面PIN针焊盘，104为一体化陶瓷电路板正面外壳焊接区域，104为一体化陶瓷电路板安装孔，2为MOSFET芯片，3为二极管芯片，4为硅凝胶，5为键合丝，6为PIN针，7为外壳，701为外壳顶部PIN针穿孔，8为热敏电阻，9为底板，901为底板安装孔，902为底板与外壳固定孔，10为分立式陶瓷电路板，1001为分立式陶瓷电路板背面金属层，1002为分立式陶瓷电路板正面布线层，1003为分立式陶瓷电路板正面PIN针焊盘，11为螺钉。
实施方式
如图5-7所示，所述一种三相全桥整流MOSFET功率模块的具体实施方式如下：
所述MOSFET器件为碳化硅MOSFET器件，内含肖特基二极管。
所述键合丝为金丝或硅铝丝。
所述分立式陶瓷电路板10的信号端子（S端子、G端子、热敏电阻信号端子T1-T2）沿两侧排布，功率端子（DC+端子、DC-端子、AC端子）中间排布。
所述功率端子DC+端子与DC-端子靠近，AC端子在另一侧。
所述PIN针6的材质为铜，根据信号端子及功率端子的设计要求，有多种不同的高度（功率DC级、功率AC级和信号级）。
所述底板9的材质为铜或者铝碳化硅，通过螺钉与外壳连接。
所述外壳7为多孔结构。
结构原理：
外壳7底面通过螺钉与底板9固定；分立式陶瓷电路板10采用软钎焊固定于底板9上，PIN针6、碳化硅MOSFET芯片2和热敏电阻8采用软钎焊固定于分立式陶瓷电路板10上，PIN针有高度不同的两种或多种。
分立式陶瓷电路板10中间层为陶瓷，上下层都为覆铜，上层铜经过刻蚀形成不同的孤岛，各孤岛为不同电极，不同电极间通过芯片上的键合铝线互连形成回路。
电路布局为：信号级端子（栅极G1-G6、各单元开尔文接线S1-S6、热敏电阻信号端T1-T2）分布于分立式陶瓷电路板10的上下两侧，功率级端子DC+极靠上、DC-极靠中、AC极（U、V、W）靠下。
工作原理：
如图5-7 所示为一种碳化硅MOSFET功率模块整体结构，与原有结构相比，外壳仍为多孔结构，接口为PIN针引出，新增了铜或者铝碳化硅材质的基板，强度和可靠性大大强于陶瓷，且热容量较大，热传导率较高，在散热方面也优于陶瓷基板，比较适合于大电流规格的碳化硅MOSFET功率模块。另外，底板与外壳通过螺钉连接，更加可靠。PIN针高度不同，对应连接的驱动板可分为2或3层，可以分为功率级和信号级，也可分为功率DC级、功率AC级和信号级，这样有利于前端驱动电路的抗电磁干扰性能。
电路布局方面，分立式陶瓷电路板10为3块，对应U、V、W三相，各块上的电路布局完全一致，均匀排布，以保证各相电参数均衡。信号端子上下两侧分布，功率端子中间分布，互不交错以减小对控制信号的干扰。这种排布的换流回路路径较短，系统杂散电感较小，并且DC+和DC-端子距离较近，互感可进一步减少系统杂散电感，从而提高了功率模块的动态性能。方向改变不影响本发明的效果。
装配过程：
芯片烧结，将芯片采用软钎焊烧结于分立式陶瓷电路板10之上。
导线键合，将连接线超声焊接于分立式陶瓷电路板10和芯片之上。
分立式陶瓷电路板烧结，将分立式陶瓷电路板采用软钎焊烧结于底板之上。
PIN针烧结，将PIN针采用软钎焊烧结于底板之上。
外壳装配，用螺钉将底板与外壳进行装配。
灌硅凝胶，并采用适当温度固化。
最后应说明的是：上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，本实用新型包括但不限于以上实施例，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡符合本实用新型要求的实施方案均属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：包括底板（9）、分立式陶瓷电路板（10）、MOSFET芯片（2）、键合丝（5）、PIN针（6）、热敏电阻（8）、硅凝胶（4）、外壳（7）、螺钉（11）；
所述底板（9）包括底板安装孔（901）、底板与外壳固定孔（902）；
所述外壳（7）包括外壳顶部PIN针穿孔（701）；
分立式陶瓷电路板（10）包括分立式陶瓷电路板背面金属层（1001）、分立式陶瓷电路板正面布线层（1002）、分立式陶瓷电路板正面PIN针焊盘（1003）；
分立式陶瓷电路板（10）为3块，分别焊贴在底板（9）设定的位置；
MOSFET芯片（2）、PIN针（6）、热敏电阻（8）分别焊贴在每块分立式陶瓷电路板（10）设定的位置；
电路之间通过键合丝（5）进行键合连接；
外壳（7）穿过PIN针（6），通过螺钉（11）与底板（9）固定连接；
硅凝胶（4）填充于外壳（7）内。
2.如权利要求1所述的一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：所述分立式陶瓷电路板（10）包括信号端子和功率端子，所述信号端子包括S端子、G端子、热敏电阻信号端子T1-T2，沿分立式陶瓷电路板（10）的两侧排布；所述功率端子包括DC+端子、DC-端子、AC端子，沿分立式陶瓷电路板（10）的中间排布。
3.如权利要求2所述的一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：所述功率端子DC+端子与DC-端子靠近，位于分立式陶瓷电路板（10）的左侧，所述AC端子位于分立式陶瓷电路板（10）的另一侧。
4.如权利要求1所述的一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：3块分立式陶瓷电路板（10）分别对应U、V、W三相，各块分立式陶瓷电路板（10）上的电路布局完全一致，均匀排布。
5.如权利要求1所述的一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：所述分立式陶瓷电路板（10）中间层为陶瓷，上下层为覆铜，上层覆铜经过刻蚀形成不同的孤岛，各孤岛为不同电极，不同电极间通过芯片上的键合铝线互连形成回路。
6.如权利要求1所述的一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：所述PIN针（6）的材质为铜，根据信号端子及功率端子的设计要求，按功率DC级、功率AC级和信号级设计为不同的高度。
7.如权利要求1所述的一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：根据PIN针高度的不同，对应连接的驱动板按功率级和信号级分为2层，按功率DC级、功率AC级和信号级分为3层。
8.如权利要求1所述的一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：所述底板（9）的材质为铜或者铝碳化硅。
9.如权利要求1所述的一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：所述键合丝（5）为金丝或硅铝丝。
10.如权利要求1所述的一种三相全桥整流MOSFET功率模块，其特征在于：所述MOSFET芯片（2）为碳化硅MOSFET器件，内含肖特基二极管。
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