一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，包括直流輸入端子、輸出端子和多個(gè)并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)連接一個(gè)輸出端子，所有半橋結(jié)構(gòu)共同連接兩個(gè)直流輸入端子，至少一個(gè)絕緣基板的下橋臂金屬層在接線區(qū)與下橋臂芯片單元之間設(shè)有絕緣的均衡槽。本發(fā)明在絕緣基板上設(shè)有均衡槽，能夠保護(hù)靠近直流輸入端子的功率器件，降低器件因過載而燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明的功率模塊均衡了并聯(lián)器件的寄生參數(shù)，尤其是寄生電感及回路電阻，從而達(dá)到均流的效果，提高了功率模塊的可靠性。
【專利說明】
一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體模塊，尤其涉及一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]全球能源危機(jī)與氣候變暖的威脅讓人們?cè)谧非蠼?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)越來越重視節(jié)能減排、低碳發(fā)展。隨著綠色環(huán)保在國(guó)際上的確立與推進(jìn)，功率半導(dǎo)體的發(fā)展、應(yīng)用前景更加廣闊。
[0003]當(dāng)如功率I旲塊的功率等級(jí)不斷提尚，盡管現(xiàn)在功率器件的電流、電壓等級(jí)不斷提升，但單個(gè)功率器件仍然無法滿足大功率變流器的需求，于是功率模塊內(nèi)部器件的并聯(lián)成為一種必然選擇，而并聯(lián)的多個(gè)器件的均流問題也隨之凸顯。由于功率器件在功率模塊內(nèi)部的位置布局不同，往往造成多個(gè)并聯(lián)器件的寄生參數(shù)不一致。功率模塊在工作時(shí)，寄生參數(shù)不同會(huì)引起并聯(lián)器件通過的電流不一致，通過電流較大的芯片可能會(huì)出現(xiàn)過流燒毀失效，即使沒有造成過流燒毀，此芯片損耗也會(huì)比較大、發(fā)熱比較嚴(yán)重，長(zhǎng)期如此功率模塊的可靠性也會(huì)受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種改善并聯(lián)芯片均流性的并聯(lián)芯片均流功率模塊，均衡并聯(lián)芯片的寄生參數(shù)，提高功率模塊的可靠性。
[0005]技術(shù)方案:一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，包括直流輸入端子、輸出端子和多個(gè)并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)，半橋結(jié)構(gòu)包括絕緣基板和絕緣基板上的芯片集合，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)連接一個(gè)輸出端子，所有半橋結(jié)構(gòu)共同連接兩個(gè)直流輸入端子，絕緣基板包括陶瓷絕緣層以及形成于該陶瓷絕緣層上的金屬層，所述金屬層包括上橋臂金屬層和下橋臂金屬層，上橋臂金屬層上設(shè)有上橋臂芯片單元，下橋臂金屬層上設(shè)有下橋臂芯片單元，下橋臂金屬層包括接線區(qū)，上橋臂芯片單元與接線區(qū)通過邦定線相連，至少一個(gè)絕緣基板的下橋臂金屬層在接線區(qū)與下橋臂芯片單元之間設(shè)有絕緣的均衡槽。
[0006]進(jìn)一步的，包括順序排列的三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)包括一個(gè)絕緣基板，位于中間的一個(gè)絕緣基板其下橋臂金屬層在接線區(qū)與下橋臂芯片單元之間設(shè)有絕緣的均衡槽。
[0007]進(jìn)一步的，包括橫向排列的三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)包括縱向排列的兩個(gè)絕緣基板，靠近直流輸入端子的一行三個(gè)絕緣基板其下橋臂金屬層在接線區(qū)與下橋臂芯片單元之間均設(shè)有絕緣的均衡槽。
[0008]進(jìn)一步的，包括兩個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)包括一個(gè)絕緣基板，每個(gè)絕緣基板其下橋臂金屬層在接線區(qū)與下橋臂芯片單元之間均設(shè)有絕緣的均衡槽。
[0009]進(jìn)一步的，所述均衡槽由起始端向遠(yuǎn)離直流輸入端子的方向延伸。
[0010]進(jìn)一步的，所述均衡槽的長(zhǎng)度方向與邦定線的長(zhǎng)度方向垂直。
[0011]進(jìn)一步的，所述下橋臂芯片單元包括多個(gè)并聯(lián)的功率器件，所述均衡槽最短延伸至與第一個(gè)功率器件的頂部平齊，最長(zhǎng)延伸至與最后一個(gè)功率器件的頂部平齊。
[0012]進(jìn)一步的，所述均衡槽為單段絕緣槽或者多段絕緣槽。
[0013]進(jìn)一步的，所述上橋臂芯片單元的芯片類型為IGBT、M0SFET和FRD中的一種或多種，下橋臂芯片單元的芯片類型為IGBT、M0SFET和FRD中的一種或多種。
[0014]進(jìn)一步的，所述上橋臂芯片單元的材料為S1、SiC和GaN中的一種或多種，下橋臂芯片單元的材料為S1、SiC和GaN中的一種或多種。
[0015]有益效果:本發(fā)明在絕緣基板上設(shè)有均衡槽，能夠保護(hù)靠近直流輸入端子的功率器件，降低器件因過載而燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明的功率模塊均衡了并聯(lián)器件的寄生參數(shù)，尤其是寄生電感及回路電阻，從而達(dá)到均流的效果，提高了功率模塊的可靠性。
【附圖說明】
[0016]圖1是MOSFET三相橋功率模塊示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的電氣結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D；
[0018]圖3是絕緣基板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019I圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)是三種不同的絕緣基板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖5是不同的絕緣基板提取到的寄生電感對(duì)比圖；
[0021]圖6是IGBT三相橋功率模塊示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0023]實(shí)施例1:
[0024]一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，如圖1所示，包括直流輸入端子1、輸出端子2和三個(gè)并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)，三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)順序排列，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)包括絕緣基板和絕緣基板上的芯片集合，本實(shí)施例中每塊絕緣基板即為一個(gè)半橋拓?fù)潆姎饨Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)連接一個(gè)輸出端子2，所有半橋結(jié)構(gòu)共同連接兩個(gè)直流輸入端子I，三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)組成三相橋電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三塊絕緣基板、芯片集合、外殼、底板組成三相橋功率模塊。
[0025]絕緣基板結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括陶瓷絕緣層以及形成于該陶瓷絕緣層上的金屬層，金屬層的材料采用銅或者鋁，表面鍍有鎳和金或者鎳和銀，金屬層通過厚膜印刷技術(shù)或釬焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)，厚度為0.1mm-1mm0
[0026]金屬層包括上橋臂金屬層3和下橋臂金屬層4，上橋臂金屬層3上燒結(jié)或焊接有上橋臂芯片單元5，下橋臂金屬層4上燒結(jié)或焊接有下橋臂芯片單元6，下橋臂金屬層4包括接線區(qū)7，上橋臂芯片單元5與接線區(qū)7通過邦定線8相連，以下所稱邦定線8均是英文bonding的譯文，接線區(qū)7如圖所示，即上橋臂芯片單元5的邦線連接在下橋臂芯片單元6所在絕緣基板上的區(qū)域，一般情況下本領(lǐng)域的邦線均為圖所示的橫向平行排布，接線區(qū)7即這些邦線與下橋臂芯片的接觸點(diǎn)的集合所形成的區(qū)域。
[0027]至少一個(gè)絕緣基板的下橋臂金屬層4在接線區(qū)7與下橋臂芯片單元6之間設(shè)有絕緣的均衡槽9，本實(shí)施例中，三個(gè)絕緣基板上都設(shè)有均衡槽9。下橋臂金屬層4在接線區(qū)7與下橋臂芯片單元6之間設(shè)有實(shí)現(xiàn)電氣均衡目的絕緣的均衡槽9，均衡槽9是金屬層通過刻蝕的工藝形成。
[0028]圖1中每塊絕緣基板包含兩個(gè)橋臂，功率模塊共包括六個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由7只功率芯片并聯(lián)組成。上橋臂芯片單元5的發(fā)射極或漏極通過鍵合引線與下橋臂芯片單元6的集電極或源極相連。
[0029]其中，絕緣基板的上橋臂芯片單元5的材料為S1、SiC和GaN中的一種或多種，下橋臂芯片單元6的材料為S1、SiC和GaN中的一種或多種;本發(fā)明所采用的均衡槽9結(jié)構(gòu)適合于功率模塊，尤其適合于SiC功率模塊。上橋臂芯片單元5的芯片類型為IGBT、M0SFET和FRD中的一種或多種，下橋臂芯片單元6的芯片類型為IGBT、M0SFET和FRD中的一種或多種。本實(shí)施例中，上橋臂芯片單元5和下橋臂芯片單元6的的芯片類型均為M0SFET。
[0030]功率模塊的電壓、電流等級(jí)不斷提高，但單個(gè)芯片往往無法滿足要求，因此每個(gè)橋臂通常是由多個(gè)芯片進(jìn)行并聯(lián)。本實(shí)施例中，一個(gè)橋臂由7個(gè)功率器件并聯(lián)組成，圖3中上下橋臂共有自上而下順序排布的7個(gè)功率器件組，圖中7個(gè)虛線框即7個(gè)功率器件組。通常離直流輸入端位置較近的功率器件最容易失效，原因是此功率器件回路的寄生電感最小，為了均衡并聯(lián)芯片回路的寄生電感，現(xiàn)設(shè)計(jì)了兩種絕緣基板結(jié)構(gòu)來改善并聯(lián)芯片的均流，均衡槽9作為調(diào)節(jié)寄生參數(shù)的一個(gè)措施，可以平衡芯片組之間的寄生電感，但不宜過長(zhǎng)，原因是均衡槽9增加回路電阻，相應(yīng)會(huì)增加功率模塊的靜態(tài)損耗。
[0031]均衡槽9的寬度一般與絕緣金屬基板上表面銅層的絕緣槽寬度一致，為0.6-
1.2mm，下橋臂芯片單元6包括多個(gè)并聯(lián)的功率器件，均衡槽9起始于靠近直流輸入端子I的下橋臂金屬層4的邊緣，向遠(yuǎn)離直流輸入端子I的方向延伸，最短延伸至與第一個(gè)功率器件的頂部平齊，最長(zhǎng)延伸至與最后一個(gè)功率器件的頂部平齊，此處所述的功率器件頂部是以圖中所示的絕緣基板擺放位置為參照的，即絕緣基板靠近直流輸入端子I的一端為頂端，若絕緣基板的擺放方向變了，前述的“頂部”仍保持以靠近直流輸入端子I的一端為頂，不受視角和擺放方向的限定;并且，本實(shí)施例中7個(gè)功率器件縱向順序排列，若在其他實(shí)施方式中，多個(gè)功率器件不排成一列，而是呈矩陣或其他方式排布，則前述“最長(zhǎng)延伸至與最后一個(gè)功率器件的頂部平齊”中的“最后一個(gè)功率器件”指的是最靠近接線區(qū)7的一列中距離直流輸入端子I最遠(yuǎn)的一個(gè)功率器件。
[0032]均衡槽9的最優(yōu)長(zhǎng)度與芯片位置及數(shù)量有關(guān)，且均衡槽9為單段絕緣槽或者多段絕緣槽。本實(shí)施例中結(jié)合具體的功率模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖4(a)為現(xiàn)有技術(shù)的絕緣基板，無電氣均衡目的的均衡槽9，圖4(b)的絕緣基板有一個(gè)電氣均衡目的的均衡槽9;其均衡槽9延伸至將近與下橋臂的第二個(gè)功率器件的底邊平齊;圖4(c)的絕緣基板有一長(zhǎng)一短兩個(gè)電氣均衡目的的均衡槽9，長(zhǎng)均衡槽9自頂端延伸至將近與第二個(gè)下橋臂的功率器件的底邊平齊，短均衡槽9的長(zhǎng)度小于第一個(gè)均衡槽9的長(zhǎng)度，短均衡槽9自下橋臂的第三個(gè)功率器件的頂部延伸至下橋臂的第三個(gè)功率器件的中部位置。
[0033]為了驗(yàn)證電氣均衡目的的均衡槽9的效果，現(xiàn)對(duì)上述三種絕緣基板分別進(jìn)行數(shù)值仿真，提取得到不同功率器件組的寄生電感，如圖5所示，在絕緣金屬基板上未做均衡槽9時(shí)，7個(gè)功率器件中，離直流輸入端越近的功率器件組其寄生電感越小，該功率器件組也最容易失效;在金屬層刻蝕有長(zhǎng)均衡槽9時(shí)，第三個(gè)功率器件組的寄生電感最小，但前三個(gè)功率器件組的寄生電感相差不大;作為進(jìn)一步改善，在長(zhǎng)均衡槽9的長(zhǎng)度方向再增加一個(gè)短均衡槽9，此時(shí)前三個(gè)功率器件組的寄生電感更加接近，均流效果更好，本實(shí)施例中的功率模塊采用圖4(b)中所示的單段均衡槽9結(jié)構(gòu)。
[0034]均衡槽9的延伸方向與邦定線8的邦定方向垂直，如圖4(b)中所示，均衡槽9為縱向，邦定線8的邦定方向?yàn)闄M向，此處所指的邦定線8的邦定方向理論上即為邦定線8的近似方向，在實(shí)際操作中若邦定線8因其自身物理特性而彎曲則近似的將邦定線8兩端的連線方向理解為本發(fā)明權(quán)利要求中所述的邦定方向，其細(xì)微的形變、彎曲或者傾斜不作為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0035]實(shí)施例2:
[0036]本實(shí)施例也提供了一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1提供的結(jié)構(gòu)大概相同，二者的區(qū)別在于:本實(shí)施例中的功率模塊采用圖4(c)中所示的長(zhǎng)短均衡槽9結(jié)構(gòu)。
[0037]實(shí)施例3:
[0038]本實(shí)施例也提供了一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，如圖6所示，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1提供的結(jié)構(gòu)大概相同，二者的區(qū)別在于:本實(shí)施例中上橋臂芯片單元5和下橋臂芯片單元6的的芯片類型為IGBT和FRD。
[0039]實(shí)施例4:
[0040]本實(shí)施例也提供了一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1提供的結(jié)構(gòu)大概相同，二者的區(qū)別在于:本實(shí)施例中的并聯(lián)芯片均流的功率模塊包括三個(gè)絕緣基板，但僅有位于中間的一個(gè)絕緣基板其下橋臂金屬層4在接線區(qū)7與下橋臂芯片單元6之間設(shè)有絕緣的均衡槽9。
[0041 ] 實(shí)施例5:
[0042]本實(shí)施例也提供了一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1提供的結(jié)構(gòu)大概相同，二者的區(qū)別在于:本實(shí)施例中的并聯(lián)芯片均流的功率模塊包括橫向排列的三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)包括縱向排列的兩個(gè)絕緣基板，靠近直流輸入端子I的一行三個(gè)絕緣基板其下橋臂金屬層4在接線區(qū)7與下橋臂芯片單元6之間均設(shè)有絕緣的均衡槽9。
[0043]實(shí)施例6:
[0044]本實(shí)施例也提供了一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1提供的結(jié)構(gòu)大概相同，二者的區(qū)別在于:本實(shí)施例中的并聯(lián)芯片均流的功率模塊只包括兩個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)包括一個(gè)絕緣基板，每個(gè)絕緣基板其下橋臂金屬層4在接線區(qū)7與下橋臂芯片單元6之間均設(shè)有絕緣的均衡槽9。
[0045]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“水平”、“豎直”、“上”、“下”、“頂部”、“底部”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的設(shè)備或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0046]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，包括直流輸入端子(I)、輸出端子(2)和多個(gè)并聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)，半橋結(jié)構(gòu)包括絕緣基板和絕緣基板上的芯片集合，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)連接一個(gè)輸出端子(2)，所有半橋結(jié)構(gòu)共同連接兩個(gè)直流輸入端子(I)，絕緣基板包括陶瓷絕緣層以及形成于該陶瓷絕緣層上的金屬層，所述金屬層包括上橋臂金屬層(3)和下橋臂金屬層(4)，上橋臂金屬層(3)上設(shè)有上橋臂芯片單元(5)，下橋臂金屬層(4)上設(shè)有下橋臂芯片單元(6)，下橋臂金屬層(4)包括接線區(qū)(7)，上橋臂芯片單元(5)與接線區(qū)(7)通過邦定線(8)相連，至少一個(gè)絕緣基板的下橋臂金屬層(4)在接線區(qū)(7)與下橋臂芯片單元(6)之間設(shè)有絕緣的均衡槽(9)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，包括順序排列的三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)包括一個(gè)絕緣基板，位于中間的一個(gè)絕緣基板其下橋臂金屬層(4)在接線區(qū)(7)與下橋臂芯片單元(6)之間設(shè)有絕緣的均衡槽(9)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，包括橫向排列的三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)包括縱向排列的兩個(gè)絕緣基板，靠近直流輸入端子(I)的一行三個(gè)絕緣基板其下橋臂金屬層(4)在接線區(qū)(7)與下橋臂芯片單元(6)之間均設(shè)有絕緣的均衡槽(9)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，包括兩個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)半橋結(jié)構(gòu)包括一個(gè)絕緣基板，每個(gè)絕緣基板其下橋臂金屬層(4)在接線區(qū)(7)與下橋臂芯片單元(6)之間均設(shè)有絕緣的均衡槽(9)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，所述均衡槽(9)由起始端向遠(yuǎn)離直流輸入端子(I)的方向延伸。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，所述均衡槽(9)的長(zhǎng)度方向與邦定線(8)的長(zhǎng)度方向垂直。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，所述下橋臂芯片單元(6)包括多個(gè)并聯(lián)的功率器件，所述均衡槽(9)最短延伸至與第一個(gè)功率器件的頂部平齊，最長(zhǎng)延伸至與最后一個(gè)功率器件的頂部平齊。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，所述均衡槽(9)為單段絕緣槽或者多段絕緣槽。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，所述上橋臂芯片單元(5)的芯片類型為IGBT、MOSFET和FRD中的一種或多種，下橋臂芯片單元(6)的芯片類型為IGBT、MOSFET和FRD中的一種或多種。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種并聯(lián)芯片均流的功率模塊，其特征在于，所述上橋臂芯片單元(5)的材料為S1、SiC和GaN中的一種或多種，下橋臂芯片單元(6)的材料為S1、SiC和GaN中的一種或多種。
【文檔編號(hào)】H01L23/498GK105914199SQ201610440599
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】徐文輝, 王玉林, 方賞華, 劉凱
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