CN221041110U - 一种高可靠功率模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高可靠功率模块，涉及电力电子技术领域。该模块包括底板、固定在底板上的绝缘基板、设于绝缘基板上的功率芯片，以及用于封装绝缘基板的塑料外壳，其特征在于：功率芯片并联设有若干颗，用于提升模块整体功率，并且在每颗功率芯片上均固定有用于吸收功率芯片工作热量的温度缓冲块；通过在芯片上方设置温度缓冲装置，使得芯片结温波动能够得到有效抑制，保持芯片结温恒定，以延长芯片的使用寿命；同时通过调节不同并联功率芯片间温度缓冲块的厚度、面积、材料等方向，减少了不同并联芯片之间的温差，从而大大提升了功率模块长期使用的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种高可靠功率模块。
背景技术
电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动汽车，光伏发电，风力发电，工业变频等行业。随着我国工业的崛起，电力电子功率模块有着更加广阔的市场前景。
随着科技的不断进步，对电子产品的可靠性要求也越来越高，尤其是电动汽车以及军工电子，对器件的可靠性提出更高的要求，功率模块的长期可靠性失效，很大一部分原因来自于芯片结温的大范围波动，芯片结温的波动会造成芯片表面键合点或者焊层的疲劳失效，结温波动越大，失效概率越高。
SiC电力电子器件作为未来功率半导体的重要发展方向，具有高频、高温、高效的特性，但是由于结温波动更大也带来了更严重的封装可靠性问题，传统的电力电子功率模块受封装限制，限制了SiC性能的发挥。另外，随着应用端功率密度的不断升级，传统模块封装形式已经很难满足要求。
因此，必须开发出高散热效率、高可靠的电力电子功率模块封装结构，才能满足市场对高温、高频功率模块的需求。
实用新型内容
本实用新型针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种高可靠功率模块。
技术效果：本实用新型通过在芯片上方设置温度缓冲装置，使得芯片结温波动能够得到有效抑制，保持芯片结温恒定，以延长芯片的使用寿命；同时通过调节不同并联功率芯片间温度缓冲块的厚度、面积、材料等方向，减少了不同并联芯片之间的温差，从而大大提升了功率模块长期使用的可靠性。
本实用新型进一步限定的技术方案是：一种高可靠功率模块，包括底板、固定在底板上的绝缘基板、设于绝缘基板上的功率芯片，以及用于封装绝缘基板的塑料外壳，功率芯片并联设有若干颗，用于提升模块整体功率；
每颗功率芯片上均固定有用于吸收功率芯片工作热量的温度缓冲块；
功率芯片开通时，温度缓冲块吸收并储存热量；功率芯片关断时，温度缓冲块释放存储的热量；
温度缓冲块的厚度与功率芯片的结温呈正相关；温度缓冲块的面积与功率芯片的结温呈正相关。
前所述的一种高可靠功率模块，功率芯片为开关功率芯片或非开关功率芯片，包括IGBT芯片、MOSFET芯片或FRD芯片。
前所述的一种高可靠功率模块，温度缓冲块上焊接固定有连接铜排。
前所述的一种高可靠功率模块，连接铜排一端贴合覆盖于温度缓冲块顶面，另一端连接于绝缘基板。
前所述的一种高可靠功率模块，绝缘基板一侧设有正电极和负电极，另一侧设有输出电极；正电极位于负电极的两侧。
前所述的一种高可靠功率模块，功率芯片与绝缘基板之间通过键合线电连接。
本实用新型的有益效果是：
（1）本实用新型中，通过设置在功率芯片上方的温度缓冲块，在芯片开通时能够吸收部分热量，降低芯片最高结温，在芯片关断时释放存储的热量，从而可以显著降低芯片的结温波动，延长芯片的使用寿命，提高模块长期可靠；根据功率芯片结温的不同，设置不同厚度的温度缓冲块，功率芯片结温越高温度缓冲块厚度越厚，通过温度缓冲块的缓冲作用，不同功率芯片最高结温以及结温波动可以得到有效改善；
（2）本实用新型在多并联芯片功率模块中，通过设置不同厚度的温度缓冲块，可以均衡不同功率芯片间的结温及温度波动范围，避免局部个别功率芯片长期过热，疲劳失效，提高模块长期可靠性；还可以通过在芯片上方设置温度缓冲装置，使得芯片结温波动能够得到有效抑制，保持芯片结温恒定，以延长芯片的使用寿命；同时通过调节不同并联功率芯片间温度缓冲块的厚度、面积、材料等方向，减少了不同并联芯片之间的温差，从而大大提升了功率模块长期使用的可靠性。
附图说明
图1是传统功率模块功率芯片结温示意图；
图2是传统功率模块功率芯片结温波动曲线图；
图3是高可靠功率模块外观图；
图4是高可靠功率模块内部结构图；
图5是传统功率模块封装结构图；
图6是高可靠功率模块剖面图；
图7是传统方案与本实用新型功率模块方案功率芯片结温波动曲线对比图；
图8是高可靠功率模块温度分布示意图；
图9是增设连接铜牌后高可靠功率模块剖面图；
图10是增设连接铜牌后高可靠功率模块内部结构图。
其中：1、底板；11、塑料外壳；2、绝缘基板；3、功率芯片；4、温度缓冲块；5、连接铜排；6、正电极；7、负电极；8、输出电极；9、键合线。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一元件，它可以直接在另一元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一元件，它可以是直接连接到一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
本实施例提供的一种高可靠功率模块，结构如图3至图5所示，包括方形的底板1，底板1上表面固定有绝缘基板2，绝缘基板2上设有若干块阵列设置的功率芯片3，若干块功率芯片3之间并联设置，从而提高模块的整体功率。
绝缘基板2的右侧为正电极6和负电极7，中间宽度较大的部分为负电极7，负电极7两侧宽度较小的部分为正电极6，用于为整个模块供电；绝缘基板2的左侧固定有输出电极8，以汇总若干块功率芯片3并输出。
在本实用新型中，功率芯片3通过键合线9与绝缘基板2之间电连接，同时，功率芯片3可以是IGBT芯片、MOSFET芯片等开关功率芯片3，也可以是例如FRD芯片的非开关功率芯片3。
传统功率模块工作期间功率芯片结温示意如图1所示，其结温波动曲线如图2所示，在功率芯片开通期间功率芯片结温不断攀升，受功率芯片间的热耦合以及功率芯片布局的影响，不同功率芯片间的结温T11\T12\T13\T14\T15往往不同，靠近中心的功率芯片温度T13往往较高，而功率芯片温度T12(T14)、T11(T15)温度较低，结温最高的功率芯片T3，其焊层以及功率连接线容易引发过早失效。
为了解决上述问题，本实用新型通过在功率芯片3上方设置温度缓冲块4，在芯片开通时能够吸收部分热量，降低芯片最高结温，在芯片关断时释放存储的热量，从而可以显著降低芯片的结温波动。
具体结构参见图3至图6，每颗功率芯片3上均固定有用于吸收功率芯片3工作热量的温度缓冲块4，当功率芯片3开通时，温度缓冲块4吸收并储存热量；功率芯片3关断时，温度缓冲块4释放存储的热量。
温度缓冲块4的厚度与功率芯片3的结温呈正相关；温度缓冲块4的面积与功率芯片3的结温呈正相关。
传统方案与本实用新型功率模块方案功率芯片3结温波动曲线如图7所示，本实用新型中结温波动曲线为虚线，可以看出通过增加温度缓冲块4，可以显著降低芯片最高结温以及温度波动范围，从而提高模块长期可靠性。
同时，根据功率芯片3结温的不同，设置不同厚度的温度缓冲块4，功率芯片3结温越高温度缓冲块4厚度越厚，通过温度缓冲块4的缓冲作用，不同功率芯片3最高结温以及结温波动可以得到有效改善。如图8所示，通过温度缓冲块4的设置调整，可以使得并联功率芯片3间结温差显著缩小，T21≈T22≈T23≈T24≈T25。
此外，为了提升对功率芯片3结温波动的控制效果，如图4、图9和图10所示，本实用新型还可以在温度缓冲块4上焊接固定连接铜排5，连接铜排5一端贴合覆盖于温度缓冲块4顶面，另一端连接于绝缘基板2。增设连接铜排5后，能够提高温度缓冲块4对功率芯片3温度的吸收、释放效率，进一步增加对结温波动曲线的控制。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种高可靠功率模块，包括底板（1）、固定在所述底板（1）上的绝缘基板（2）、设于所述绝缘基板（2）上的功率芯片（3），以及用于封装所述绝缘基板（2）的塑料外壳（11），其特征在于：所述功率芯片（3）并联设有若干颗，用于提升模块整体功率；
每颗所述功率芯片（3）上均固定有用于吸收所述功率芯片（3）工作热量的温度缓冲块（4）；
所述功率芯片（3）开通时，所述温度缓冲块（4）吸收并储存热量；所述功率芯片（3）关断时，所述温度缓冲块（4）释放存储的热量；
所述温度缓冲块（4）的厚度与所述功率芯片（3）的结温呈正相关；所述温度缓冲块（4）的面积与所述功率芯片（3）的结温呈正相关。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠功率模块，其特征在于：所述功率芯片（3）为开关功率芯片（3）或非开关功率芯片（3），包括IGBT芯片、MOSFET芯片或FRD芯片。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠功率模块，其特征在于：所述温度缓冲块（4）上焊接固定有连接铜排（5）。
4.根据权利要求3所述的一种高可靠功率模块，其特征在于：所述连接铜排（5）一端贴合覆盖于所述温度缓冲块（4）顶面，另一端连接于所述绝缘基板（2）。
5.根据权利要求1所述的一种高可靠功率模块，其特征在于：所述绝缘基板（2）一侧设有正电极（6）和负电极（7），另一侧设有输出电极（8）；所述正电极（6）位于所述负电极（7）的两侧。
6.根据权利要求1所述的一种高可靠功率模块，其特征在于：所述功率芯片（3）与所述绝缘基板（2）之间通过键合线（9）电连接。
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