CN221262365U - 基于陶瓷管壳封装的功率模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于陶瓷管壳封装的功率模块，包括具有凹槽的陶瓷管壳；陶瓷管壳的凹槽内布设有铜布线，背向凹槽的一侧设有金属材质的散热焊盘；焊接在铜布线上的多个功率芯片和多个母线端子，所有功率芯片和所有母线端子均通过铜布线和键合丝电性互联；以及设有多个母线端子帽的陶瓷盖板；母线端子帽的数量与母线端子的数量相同，且所有母线端子帽与所有母线端子一一对应匹配；陶瓷盖板与陶瓷管壳设有凹槽的一侧焊接在一起，并与凹槽之间形成管壳腔体。本实用新型基于陶瓷管壳封装，显著提升了功率模块的气密性和散热性能，避免了发生变形和分层的现象，有效提升了功率模块的品质，延长了使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及功率模块制作技术领域，具体涉及一种基于陶瓷管壳封装的功率模块。
背景技术
功率模块作为新型功率半导体器件的主流器件，已被广泛应用于工业、轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等产业领域。如交通控制器、功率变换器、工业电机、不间断电源、风电与太阳能设备以及自动控制的变频器中，均用到功率模块。
目前，功率模块通常采用铜底板、DCB(指覆铜陶瓷基板，包括陶瓷层和位于陶瓷层上下两侧的两个铜层，两个铜层分别称为上铜层和下铜层)、母线端子和塑料外壳的封装结构，将铜底板焊接在DCB的下铜层的下方，将多个芯片和母线端子焊接在DCB的上铜层的上方，再以塑料外壳进行组装。这种封装结构具有以下特点：
1、多个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极型晶体管)、FRD(Fast Recovery Diode，即快恢复二极管)及SiC(即碳化硅)芯片按照特定的拓扑形式组合，并集成使用铜底板散热，且采用母线端子更能适应高压和大电流连接的要求，可以减少系统电路连接的复杂性，提高系统级可靠性。此外，在塑料外壳上能更便于设置自由出针的母线端子，方便功率模块的布局，降低杂散电感，提升开关速度。
2、上述封装结构，可以使得模块中各芯片之间的连接路径更短，杂散电感更小。
3、由于功率模块是由多个IGBT、FRD及SiC等芯片按照特定拓扑结构组成，而单个芯片的电流通常在几十安培至几百安培不等，因此使用DCB作为载板封装，不仅可以考虑拓扑结构的复杂性，还可以考虑铜布线的载流能力。
4、由于功率模块通常是大电压供电，从650V～1700V不等，考虑到隔离耐压和爬电距离的要求，模块内部需要涂覆保护胶，因此，功率模块封装结构在以DCB作为载板的基础上，采用塑料外壳进行组装，能对保护胶和内部电路提供足够的支撑性。
5、由于功率模块的功率在几十千瓦到几百千瓦不等，因此功率模块的封装结构的散热性能较为关键。通过在DCB的下铜层的下方，用焊料焊接一个铜底板，可以使得DCB上的芯片工作时产生的热量会依次通过DCB和铜底板，进而达到系统级散热。
然而，上述封装结构的功率模块仍然存在以下缺陷：
1、封装结构中所采用的塑料外壳在高温环境下易变形，容易产生气密性问题；IGBT、FRD和SiC这些芯片之间的互联通常使用铝线或铜线，铝线或铜线在非气密环境下容易被侵蚀，有电性能失效风险；当功率模块处于存在盐雾和含硫气体等严苛环境中，盐雾和含硫气体会进一步侵蚀键合丝和DCB中的两个铜层，模块失效风险大。同时，由于塑料外壳的导热系数较低，导致采用塑料外壳封装的功率模块的整体散热性能不佳。
2、上述铜底板、DCB、母线端子和塑料外壳的封装结构，在封装过程中需要进行两次焊接，第一次是IGBT、FRD和SiC这些芯片与DCB中的上铜层进行焊接，第二次是DCB中的下铜层与铜底板焊接，同时DCB中的上铜层与母线端子焊接；这种二次焊接的工艺要求较高，既要保证DCB与铜底板焊接的空洞率维持在较小范围，保证母线端子的焊接可靠性，又要避免二次回流高温对一次焊接中芯片焊接层的影响；且二次焊接的空洞率无损检测是行业难题，只有较大的气洞能被X射线检测到，影响整个模功率模块的散热性能。
3、DCB中的下铜层与铜底板焊接时，焊料层会增加热阻，进一步影响功率模块的散热；由DCB的陶瓷层、下铜层、焊料层和铜底板等异质材料构成多层结构，在热循环过程中不同热膨胀系数的材料会产生交变应力，使材料弯曲变形并发生蠕变疲劳，有分层风险。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种基于陶瓷管壳封装的功率模块，以解决现有功率模块封装结构的气密性和散热性能不佳以及易发生变形和分层的问题。
本实用新型提供了一种基于陶瓷管壳封装的功率模块，包括：
具有凹槽的陶瓷管壳；所述陶瓷管壳的所述凹槽内布设有铜布线，所述陶瓷管壳背向所述凹槽的一侧设有金属材质的散热焊盘；
焊接在所述铜布线上的多个功率芯片和多个母线端子，所有所述功率芯片和所有所述母线端子均通过所述铜布线和键合丝电性互联；以及
设有多个母线端子帽的陶瓷盖板；所述母线端子帽的数量与所述母线端子的数量相同，且所有所述母线端子帽与所有所述母线端子一一对应匹配；所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳设有所述凹槽的一侧焊接在一起，并与所述凹槽之间形成管壳腔体。
可选地，所述散热焊盘在所述凹槽上的投影覆盖于所述铜布线在所述凹槽上的投影。
可选地，所述铜布线嵌设在所述凹槽内，和/或，所述散热焊盘嵌设在所述陶瓷管壳背向所述凹槽的一侧。
可选地，还包括：
第一焊料层，设置在所述功率芯片与所述铜布线之间，每个所述功率芯片均通过所述第一焊料层与所述铜布线焊接在一起。
可选地，还包括：
第二焊料层，设置在所述母线端子与所述铜布线之间，每个所述母线端子均通过所述第二焊料层与所述铜布线焊接在一起。
可选地，还包括：
第三焊料层，设置在所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳之间，所述陶瓷盖板通过所述第三焊料层与所述陶瓷管壳设有所述凹槽的一侧焊接在一起。
可选地，所述第一焊料层中的焊料包括锡膏、锡合金焊料和纳米银膏中的任一种；和/或，所述第二焊料层中的焊料包括锡膏、锡合金焊料和纳米银膏中的任一种；和/或，所述第三焊料层中的焊料包括锡膏、锡合金焊料和纳米银膏中的任一种。
可选地，所述键合丝包括铝线或铜线。
可选地，还包括：
硅胶层，填充于所述凹槽内，并覆盖于所述铜布线、所有所述功率芯片、所有所述母线端子和所述键合丝。
可选地，还包括：
绝缘胶层，涂覆于所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳之间的焊接处。
本实用新型的有益效果：陶瓷管壳的凹槽内设有铜布线，各功率芯片和各母线端子均焊接在铜布线上，背向凹槽的一侧设有金属材质的散热焊盘，铜布线与散热焊盘之间的材质为陶瓷，因此散热焊盘可以替代传统功率模块封装结构中的铜底板，实现系统级散热，铜布线可以替代传统功率模块封装结构中DCB板的上铜层，实现各功率芯片以及各母线端子相互之间的电性互联；基于该陶瓷管壳，同时集成了DCB板和铜底板的功能，既取消了传统封装结构中DCB板的下铜层以及下铜层与铜底板之间的焊料层，显著改善了热循环过程中由于多种热膨胀系数的材料间的交变应力，且陶瓷管壳中的散热焊盘，厚度可降低至传统铜底板的1/10，降低成本，缩短模块散热途径，显著优化模块热阻；由于减少了下铜层与铜底板之间的焊料层，进而减少了焊接次数，避免焊接过程中焊料气洞问题，解决了DCB到铜底板的散热可靠性问题；陶瓷盖板上设置的母线端子帽与母线端子相匹配，陶瓷盖板与陶瓷管壳设有凹槽的一侧焊接在一起，所形成的一体式外壳结构替代了传统封装结构中塑料外壳；相比于塑料材质的外壳，陶瓷材质的外壳刚性强、耐高温、不易变形，解决了气密性问题，显著提高模块的可靠性，并扩展模块使用的环境范围，可用于特种器件用于严苛环境中；且陶瓷材质的导热系数优于塑料材质，母线端子的热量可通过陶瓷散热，提升功率模块的整体散热能力；
本实用新型的功率模块，基于陶瓷管壳封装，显著提升了功率模块的气密性和散热性能，避免了发生变形和分层的现象，有效提升了功率模块的品质，延长了使用寿命。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：
图1示出了本实用新型中一种基于陶瓷管壳封装的功率模块的剖视面结构图；
图2示出了本实用新型中基于陶瓷管壳封装的功率模块的俯视面结构图；
图3示出了本实用新型中基于陶瓷管壳封装的功率模块的侧视面结构图；
图4示出了本实用新型中基于陶瓷管壳封装的功率模块的仰视面结构图；
图5示出了本实用新型中陶瓷管壳的剖视面结构图；
图6示出了本实用新型中陶瓷管壳焊接功率芯片和母线端子后的剖视面结构图；
图7示出了本实用新型中陶瓷管壳完成键合互联后的剖视面结构图；
图8示出了本实用新型中向陶瓷管壳内的凹槽填充硅胶后的剖视面结构图；
图9示出了本实用新型中陶瓷盖板中的母线端子帽与陶瓷管壳中的母线端子对接的剖视面结构图；
图10示出了本实用新型中陶瓷管壳与陶瓷盖板焊接后的剖视面结构图。
附图标记说明：
1、陶瓷管壳，11、凹槽，12、铜布线，13、散热焊盘，14、铆钉孔，15、管壳腔体，2、功率芯片，3、母线端子，4、键合丝，5、陶瓷盖板，51、母线端子帽，6、第一焊料层，7、第二焊料层，8、硅胶层，9、第三焊料层，10、绝缘胶层。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例
一种基于陶瓷管壳封装的功率模块，如图1至图4所示，包括：
具有凹槽11的陶瓷管壳1；所述陶瓷管壳1位于所述凹槽11内布设有铜布线12，所述陶瓷管壳1背向所述凹槽11的一侧设有金属材质的散热焊盘13；
焊接在所述铜布线12上的多个功率芯片2和多个母线端子3，所有所述功率芯片2和所有所述母线端子3均通过所述铜布线12和键合丝4电性互联；以及
设有多个母线端子帽51的陶瓷盖板5；所述母线端子帽51的数量与所述母线端子3的数量相同，且所有所述母线端子帽51与所有所述母线端子3一一对应匹配；所述陶瓷盖板5与所述陶瓷管壳1设有所述凹槽11的一侧焊接在一起，并与所述凹槽11之间形成管壳腔体15。
陶瓷管壳的凹槽内设有铜布线，各功率芯片和各母线端子均焊接在铜布线上，背向凹槽的一侧设有金属材质的散热焊盘，铜布线与散热焊盘之间的材质为陶瓷，因此散热焊盘可以替代传统功率模块封装结构中的铜底板，实现系统级散热，铜布线可以替代传统功率模块封装结构中DCB板的上铜层，实现各功率芯片以及各母线端子相互之间的电性互联；基于该陶瓷管壳，同时集成了DCB板和铜底板的功能，既取消了传统封装结构中DCB板的下铜层以及下铜层与铜底板之间的焊料层，显著改善了热循环过程中由于多种热膨胀系数的材料间的交变应力，且陶瓷管壳中的散热焊盘，厚度可降低至传统铜底板的1/10，降低成本，缩短模块散热途径，显著优化模块热阻；由于减少了下铜层与铜底板之间的焊料层，进而减少了焊接次数，避免焊接过程中焊料气洞问题，解决了DCB到铜底板的散热可靠性问题；陶瓷盖板上设置的母线端子帽与母线端子相匹配，陶瓷盖板与陶瓷管壳设有凹槽的一侧焊接在一起，所形成的一体式外壳结构替代了传统封装结构中塑料外壳；相比于塑料材质的外壳，陶瓷材质的外壳刚性强、耐高温、不易变形，解决了气密性问题，显著提高模块的可靠性，并扩展模块使用的环境范围，可用于特种器件用于严苛环境中；且陶瓷材质的导热系数优于塑料材质，母线端子的热量可通过陶瓷散热，提升功率模块的整体散热能力。
本实施例的功率模块，基于陶瓷管壳封装，显著提升了功率模块的气密性和散热性能，避免了发生变形和分层的现象，有效提升了功率模块的品质，延长了使用寿命。
本实施例的散热焊盘13为金属材质，优选铜材质，铜材质的散热焊盘的导热性能更好。
本实施例的铜布线12的具体布局依据功率模块的具体产品设计而定，在与功率模块中的各功率芯片(包括IGBT、FRD和SiC等芯片)和各母线端子进行焊接时，已预先依据具体产品设计而预制好，且铜布线的定位和尺寸与功率模块中的各功率芯片和各母线端子的具体定位和具体尺寸均相适应。
优选地，散热焊盘13在所述凹槽11上的投影覆盖于所述铜布线12在所述凹槽11上的投影。
散热焊盘在凹槽的投影覆盖于铜布线在凹槽上的投影，能确保铜布线上的芯片在工作时所产生的热量能向功率模块的叠构方向(指图1中从上往下的方向)上的散热焊盘传送，进而确保达到系统级散热。
当铜布线预制好后，散热焊盘则依据铜布线的具体布局而预制，得到图5所示的陶瓷管壳。
优选地，如图5所示，所述铜布线12嵌设在所述凹槽11内。
优选地，如图5所示，所述散热焊盘13嵌设在所述陶瓷管壳1背向所述凹槽11的一侧。
将铜布线嵌设在凹槽内，以及将散热焊盘嵌设在陶瓷管壳背向凹槽的一侧，能提升整个陶瓷管壳外表面的平整度，便于功率芯片和母线端子的焊接等后续流程的实现，也便于整个功率模块与其他器件之间的组装。
如图2和图4所示，陶瓷管壳1的边缘处设有多个铆钉孔14。
通过外边缘处设置的多个铆钉孔，便于后续功率模块与其他器件之间的系统级组装。
上述铆钉孔的具体数量、尺寸和位置均可根据实际情况而定，本实施例不作限制。
优选地，如图1所示，还包括：
第一焊料层6，设置在所述功率芯片2与所述铜布线12之间，每个所述功率芯片2均通过所述第一焊料层6与所述铜布线12焊接在一起。
优选地，如图1所示，还包括：
第二焊料层7，设置在所述母线端子3与所述铜布线12之间，每个所述母线端子3均通过所述第二焊料层7与所述铜布线12焊接在一起。
通过第一焊料层实现功率芯片与铜布线之间的焊接，通过第二焊料层实现母线端子与铜布线之间的焊接，将各功率芯片、各母线端子和陶瓷管壳组装在一起，便于实现气密性好、散热性能好的功率模块封装。
具体地，所述第一焊料层6中的焊料包括锡膏、锡合金焊料和纳米银膏中的任一种；和/或，所述第二焊料层7中的焊料包括锡膏、锡合金焊料和纳米银膏中的任一种。
上述焊料具有高温抗氧化、可焊性好、抗腐蚀性强和稳定性好的优势，既能实现各功率芯片、各母线端子以及铜布线之间较好的焊接效果，又可确保各功率芯片、各母线端子以及铜布线之间保证良好的电性导通，提升封装品质。
上述第一焊料层和第二焊料层在实际封装过程中，通常选用相同的焊料材质，在一次焊接过程中，同时将各功率芯片2和各母线端子3焊接在铜布线12上，如图6所示；当焊接好之后，再利用键合丝4进行键合互联，如图7所示，实现各功率芯片2、各母线端子3以及铜布线12之间的电性互联，确保功率模块的功能性。
本实施例中，所述键合丝4包括铝线或铜线。
优选地，如图1所示，还包括：
硅胶层8，填充于所述凹槽11内，并覆盖于所述铜布线12、所有所述功率芯片2、所有所述母线端子3和所述键合丝4。
通过上述覆盖铜布线、所有功率芯片、所有母线端子和键合丝的硅胶层，能对整个功率模块的核心部分起到隔离保护的作用，进一步保证功率模块的功能性。
在实际封装过程中，当各功率芯片2和各母线端子3完成焊接和键合互联上之后，即向陶瓷管壳1的凹槽11内填充硅胶，形成硅胶层8，如图8所示。
优选地，如图1所示，还包括：
第三焊料层9，设置在所述陶瓷盖板5与所述陶瓷管壳1之间，所述陶瓷盖板5通过所述第三焊料层9与所述陶瓷管壳1设有所述凹槽11的一侧焊接在一起。
通过第三焊料层实现陶瓷盖板与陶瓷管壳之间的焊接，形成一体式封装结构，代替传统封装结构的塑料外壳，刚性强、耐高温、不易变形，能有效确保整个功率模块的气密性，进而显著提高模块的可靠性，并扩展模块使用的环境范围，可用于特种器件用于严苛环境中；且陶瓷材质的导热系数优于塑料材质，母线端子的热量可通过陶瓷散热，提升功率模块的整体散热能力。
优选地，所述第三焊料层9中的焊料包括锡膏、锡合金焊料和纳米银膏中的任一种。
通过上述焊料材质的第三焊料层，可确保陶瓷管壳与陶瓷盖板之间良好的焊接效果，进而确保功率模块的优良的气密性和散热性。
本实施例的第三焊料层中的焊料与第一焊料层和第二焊料层相同。
在陶瓷盖板5与陶瓷管壳1的实际焊接过程中，首先将陶瓷管壳1设有凹槽11的一侧面向陶瓷盖板5，再将陶瓷管壳1中已经焊接的母线端子3与陶瓷盖板5中相对应的母线端子帽51对接，确保各母线端子3插入到对应的母线端子帽51中，如图9所示；再对陶瓷盖板5与陶瓷管壳1之间的连接处进行焊接，形成第三焊接层9，如图10所示。
应理解，本实施例中的陶瓷盖板5在与陶瓷管壳1进行焊接之前，其中的各母线端子帽51已预制好，各母线端子帽51的具体定位和具体尺寸与陶瓷管壳1中焊接的各母线端子的具体定位和具体尺寸均相适应。
优选地，如图1所示，还包括：
绝缘胶层10，涂覆于所述陶瓷盖板5与所述陶瓷管壳1之间的焊接处。
通过在陶瓷盖板与陶瓷管壳之间的焊接处涂覆的绝缘胶层，能进一步对整个基于陶瓷管壳封装的功率模块起到绝缘保护作用，进一步提升功率模块的绝缘性能。
当陶瓷盖板5与陶瓷管壳1之间的连接处焊接形成第三焊接层9之后，再在该连接处涂覆绝缘胶10，完成整个功率模块的封装，形成图1所示的功率模块。
虽然结合附图描述了本实用新型的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于陶瓷管壳封装的功率模块，其特征在于，包括：
具有凹槽的陶瓷管壳；所述陶瓷管壳的所述凹槽内布设有铜布线，所述陶瓷管壳背向所述凹槽的一侧设有金属材质的散热焊盘；
焊接在所述铜布线上的多个功率芯片和多个母线端子，所有所述功率芯片和所有所述母线端子均通过所述铜布线和键合丝电性互联；以及
设有多个母线端子帽的陶瓷盖板；所述母线端子帽的数量与所述母线端子的数量相同，且所有所述母线端子帽与所有所述母线端子一一对应匹配；所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳设有所述凹槽的一侧焊接在一起，并与所述凹槽之间形成管壳腔体。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述散热焊盘在所述凹槽上的投影覆盖于所述铜布线在所述凹槽上的投影。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述铜布线嵌设在所述凹槽内，和/或，所述散热焊盘嵌设在所述陶瓷管壳背向所述凹槽的一侧。
4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括：
第一焊料层，设置在所述功率芯片与所述铜布线之间，每个所述功率芯片均通过所述第一焊料层与所述铜布线焊接在一起。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，还包括：
第二焊料层，设置在所述母线端子与所述铜布线之间，每个所述母线端子均通过所述第二焊料层与所述铜布线焊接在一起。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，还包括：
第三焊料层，设置在所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳之间，所述陶瓷盖板通过所述第三焊料层与所述陶瓷管壳设有所述凹槽的一侧焊接在一起。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述第一焊料层中的焊料具体为锡膏、锡合金焊料和纳米银膏中的任一种；和/或，所述第二焊料层中的焊料具体为锡膏、锡合金焊料和纳米银膏中的任一种；和/或，所述第三焊料层中的焊料具体为锡膏、锡合金焊料和纳米银膏中的任一种。
8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述键合丝包括铝线或铜线。
9.根据权利要求1所述的功率模块，还包括：
硅胶层，填充于所述凹槽内，并覆盖于所述铜布线、所有所述功率芯片、所有所述母线端子和所述键合丝。
10.根据权利要求1至9任一项所述的功率模块，其特征在于，还包括：
绝缘胶层，涂覆于所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳之间的焊接处。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202322509563.0U CN221262365U (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 基于陶瓷管壳封装的功率模块 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202322509563.0U CN221262365U (zh) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | 基于陶瓷管壳封装的功率模块 |
Publications (1)
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| CN221262365U true CN221262365U (zh) | 2024-07-02 |
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Family Applications (1)
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| GR01 | Patent grant |