本發(fā)明涉及電力電子功率模塊，尤其是一種低寄生電感雙面散熱功率模塊。

背景技術：

電力電子技術在當今快速發(fā)展的工業(yè)領域占有非常重要的地位，電力電子功率模塊作為電力電子技術的代表，已廣泛應用于電動汽車，光伏發(fā)電，風力發(fā)電，工業(yè)變頻等行業(yè)。隨著我國工業(yè)的崛起，電力電子功率模塊有著更加廣闊的市場前景。

現(xiàn)有電力電子功率模塊封裝體積大，重量重，不符合電動汽車、航空航天等領域的高功率密度、輕量化的要求。體積較大的電力電子功率模塊，其寄生電感往往也比較大，這會造成過沖電壓較大、損耗增加，而且也限制了在高開關頻率場合的應用。sic電力電子器件具有高頻、高溫、高效的特性，但現(xiàn)有功率模塊的寄生電感較大，限制了sic性能的發(fā)揮。另外，隨著應用端功率密度的不斷升級，現(xiàn)有功率模塊的封裝結構已經(jīng)阻礙了功率密度的進一步提升，必須開發(fā)出更加有效的散熱結構才能滿足功率密度日益增長的需求。

現(xiàn)有的雙面散熱功率模塊如cn105161477a，由于芯片單層設置，電流的換流回路面積仍然較大，往往寄生電感也比較大，而且芯片單層設置，使得功率模塊的體積相對較大，另外功率端子與控制端子只與第一襯板連接，設置不夠靈活、襯板面積無法進一步減小，還會由于電流路徑較長造成損耗增加。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種體積小、重量輕、寄生電感小的雙面散熱功率模塊。

技術方案：一種低寄生電感雙面散熱功率模塊，包括正極功率端子、負極功率端子、輸出功率端子、頂部金屬絕緣基板、底部金屬絕緣基板和塑封外殼，所述頂部金屬絕緣基板與底部金屬絕緣基板疊層設置，頂部金屬絕緣基板與底部金屬絕緣基板在二者相對的面上均燒結有芯片，正極功率端子與底部金屬絕緣基板上的芯片電連接，負極功率端子與頂部金屬絕緣基板上的芯片電連接；所述輸出功率端子包括焊接部和位于塑封外殼外部的連接部，所述焊接部位于頂部金屬絕緣基板上燒結的芯片與底部金屬絕緣基板上燒結的芯片之間。

進一步的，所述底部金屬絕緣基板在面向頂部金屬絕緣基板的一面上燒結有上半橋開關芯片和上半橋二極管芯片，頂部金屬絕緣基板在面向底部金屬絕緣基板的一面上燒結有下半橋開關芯片和下半橋二極管芯片。

進一步的，所述正極功率端子燒結在底部金屬絕緣基板上，負極功率端子燒結在頂部金屬絕緣基板上，焊接部在面向底部金屬絕緣基板的一面與上半橋開關芯片和上半橋二極管芯片燒結，在面向頂部金屬絕緣基板的一面與下半橋開關芯片和下半橋二極管芯片燒結。

進一步的，所述上半橋開關芯片與下半橋二極管芯片疊層設置，下半橋開關芯片與上半橋二極管芯片疊層設置。

進一步的，所述底部金屬絕緣基板上設有底部金屬絕緣基板表面金屬層，底部金屬絕緣基板表面金屬層上燒結有上半橋開關芯片和上半橋二極管芯片，當所述上半橋開關芯片為igbt時，正極功率端子與上半橋開關芯片的集電極以及上半橋二極管芯片的負極電連接，當所述上半橋開關芯片為mosfet時，所述正極功率端子與上半橋開關芯片的漏極以及上半橋二極管芯片的負極電連接。

進一步的，所述頂部金屬絕緣基板上設有頂部金屬絕緣基板表面金屬層、第一上半橋驅動局部金屬層和第二上半橋驅動局部金屬層，所述頂部金屬絕緣基板表面金屬層上燒結有下半橋開關芯片和下半橋二極管芯片，第一上半橋驅動局部金屬層和第二上半橋驅動局部金屬層分別連有一個上半橋驅動端子，上半橋開關芯片的門極與所述第一上半橋驅動局部金屬層電連接，輸出功率端子與第二上半橋驅動局部金屬層電連接。

所述頂部金屬絕緣基板上還設有下半橋驅動局部金屬層，下半橋驅動局部金屬層與所述下半橋開關芯片的門極相連，下半橋驅動局部金屬層的另一端連接有一個下半橋驅動端子，所述頂部金屬絕緣基板表面金屬層也連接有一個下半橋驅動端子。

進一步的，所述頂部金屬絕緣基板背面金屬層與底部金屬絕緣基板背面金屬層上分別設有第一散熱裝置和第二散熱裝置。

進一步的，所述輸出功率端子的焊接部在與芯片接觸的位置為基體，在不與芯片接觸的位置為三層結構，中間一層為基體，上下兩側為填充體。

進一步的，所述輸出功率端子的焊接部與芯片之間填充有應力緩沖層。

進一步的，所述塑封外殼為傳遞模一體化成型工藝制作，頂部金屬絕緣基板背面金屬層上表面的中間部分以及底部金屬絕緣基板背面金屬層下表面的中間部分均露出在塑封外殼的外部，并且高出塑封外殼。

進一步的，所述低寄生電感雙面散熱功率模塊為三相橋結構，包括三個正極功率端子、三個負極功率端子和三個輸出功率端子，拓撲結構為三個半橋。

有益效果：本發(fā)明的頂部金屬絕緣基板與底部金屬絕緣基板疊層設置，部分芯片之間存在堆疊關系，輸出功率端子也作為層狀結構燒結在頂部金屬絕緣基板與底部金屬絕緣基板之間，可以大大降低回路寄生電感，并且功率模塊內部芯片及電極的堆疊設置，減小了功率模塊的體積，節(jié)約了成本，減輕了重量，尤其適合sic功率芯片的封裝；同時，功率模塊的兩側均可設置散熱裝置，可以減小功率模塊的熱阻，提高功率模塊的散熱效率；并且，功率模塊內部芯片的功率端全部采用大面積燒結結構，內部互連結構的鍵合線僅有一條或無鍵合線，大大降低了鍵合線失效造成的模塊失效，充分提高了過流能力，提高了模塊的可靠性。

附圖說明

圖1是實施例1整體外觀結構圖；

圖2是實施例1主視圖及局部放大圖；

圖3是實施例1內部示意圖；

圖4是實施例1內部主視圖及局部放大圖；

圖5是實施例1底部金屬絕緣基板組件示意圖；

圖6是實施例1頂部金屬絕緣基板組件示意圖；

圖7是實施例1爆炸示意圖；

圖8是傳統(tǒng)半橋功率模塊拓撲結構及換流回路示意圖；

圖9是實施例1半橋功率模塊拓撲結構及換流回路示意圖；

圖10是三相橋功率模塊散熱方案示意圖；

圖11是三相橋功率模塊安裝爆炸圖；

圖12是三相橋功率模塊整體結構示意圖；

圖13是三相橋功率模塊拓撲圖；

圖14是實施例2結構示意圖；

圖15是實施例3結構示意圖；

圖16是實施例4內部示意圖；

圖17是實施例4底部金屬絕緣基板組件示意圖；

圖18是實施例4頂部金屬絕緣基板組件示意圖；

圖19是實施例4爆炸示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例并結合附圖對本技術方案進行詳細說明。

實施例1：

本發(fā)明通過將開關芯片與相對橋臂的續(xù)流二極管芯片堆疊設置，使得換流回路路徑最短，從而大大減少回路寄生電感；通過在堆疊設置芯片的兩側設置散熱通路，達到雙面散熱的目的，進一步降低功率模塊的熱阻。

如圖1所示，一種低寄生電感雙面散熱功率模塊，包括正極功率端子1、負極功率端子2、輸出功率端子3、與正極功率端子1相連的底部金屬絕緣基板5、與負極功率端子2相連的頂部金屬絕緣基板4、上半橋驅動端子10、下半橋驅動端子11以及用于包封的塑封外殼15，本實施例中的正極功率端子1燒結在底部金屬絕緣基板5上，負極功率端子2燒結在頂部金屬絕緣基板4上，也可以將兩個功率端子均燒結在同一基板上，再通過金屬連接塊或其他連接方式連接到另一基板，實現(xiàn)正極功率端子1與底部金屬絕緣基板5上的芯片電連接，負極功率端子2與頂部金屬絕緣基板4上的芯片電連接；并且，本實施例中頂部金屬絕緣基板4與底部金屬絕緣基板5所采用的金屬絕緣基板均為dbc，即頂部金屬絕緣基板4包括絕緣基板和基板兩側的金屬層，面向底部金屬絕緣基板5的一面上安裝了芯片，未安裝芯片的另一面則為頂部金屬絕緣基板背面金屬層41，同理，底部金屬絕緣基板5也有相同的結構，未安裝芯片一面為底部金屬絕緣基板背面金屬層51；本領域技術人員在實施時也可不采用dbc結構，也可以采用絕緣基板兩側覆鋁，或者一側覆銅一側覆鋁等金屬覆蓋在絕緣介質兩側的結構；塑封外殼15為傳遞模一體化成型工藝制作，即借助塑封壓機將融化的熱固性塑料注入到模腔內，模腔內放置有經(jīng)過燒結的功率模塊半成品，融化的熱固性塑料達到固化溫度后會快速固化成型，形成本發(fā)明設計方案所示的塑封外殼15。頂部金屬絕緣基板背面金屬層41上表面的中間部分以及底部金屬絕緣基板背面金屬層51下表面的中間部分均露出在塑封外殼15的外部，并且高出塑封外殼15，如圖2所示，這種結構可以使金屬絕緣基板背面金屬層更好地與散熱裝置接觸，可以實現(xiàn)更好的散熱效果。

如圖3所示，功率模塊內部，頂部金屬絕緣基板4與底部金屬絕緣基板5疊層設置，為平行正對結構，本實施例中與負極功率端子2相連的金屬絕緣基板為頂部金屬絕緣基板4，與正極功率端子1相連的金屬絕緣基板為底部金屬絕緣基板5，也可以將頂部金屬絕緣基板4組件與底部金屬絕緣基板5組件位置對換，不影響本設計方案的效果。頂部金屬絕緣基板4與底部金屬絕緣基板5在二者相對的面上均燒結有芯片；所述輸出功率端子3包括焊接部31和位于塑封外殼15外部的連接部32，本實施例中的連接部32設有安裝孔；所述焊接部31位于頂部金屬絕緣基板4上燒結的芯片與底部金屬絕緣基板5上燒結的芯片之間；本實施例中的焊接部31是平面結構，焊接部31的一端彎折并向上延伸形成具有安裝孔的連接部，具體應用時也可根據(jù)實際需要不進行彎折而是做成一整塊平板結構。

功率模塊內部芯片的布局如圖4所示，芯片的布置為堆疊結構，本實施例中底部金屬絕緣基板5在面向頂部金屬絕緣基板4的一面上燒結有上半橋開關芯片6和上半橋二極管芯片7，頂部金屬絕緣基板4在面向底部金屬絕緣基板5的一面上燒結有下半橋開關芯片8和下半橋二極管芯片9。具體的：底部金屬絕緣基板5上設置有上半橋開關芯片，輸出功率端子3的焊接部31燒結在上半橋功率芯片的上表面，在輸出功率端子3上燒結有下半橋二極管芯片9，上半橋開關芯片與下半橋二極管芯片9疊層設置，下半橋二極管芯片9位于上半橋開關芯片的上方，下半橋二極管的上表面燒結有頂部金屬絕緣基板4；同理，底部金屬絕緣基板5上還設置有上半橋二極管芯片7，輸出功率端子3的焊接部31在面向底部金屬絕緣基板5的一面與上半橋開關芯片6和上半橋二極管芯片7燒結，在面向項部金屬絕緣基板4的一面與下半橋開關芯片8和下半橋二極管芯片9燒結。具體的，輸出功率端子3的焊接部31燒結在上半橋二極管芯片7的上表面，在輸出功率端子3上還燒結有下半橋開關芯片，下半橋開關芯片8與上半橋二極管芯片7疊層設置，下半橋開關芯片8位于上半橋二極管芯片7的上方，下半橋開關芯片8的上表面也燒結有頂部金屬絕緣基板4。

為了進一步說明芯片的位置及連接結構，對上半橋金屬絕緣基板組件、下半橋金屬絕緣基板組件的結構分別給予說明，如圖5、圖6所示。圖5中，正極功率端子1燒結在底部金屬絕緣基板5金屬層表面，底部金屬絕緣基板5上設有底部金屬絕緣基板表面金屬層52，底部金屬絕緣基板表面金屬層52上燒結有上半橋開關芯片6和上半橋二極管芯片7，當上半橋開關芯片為igbt時，正極功率端子1與上半橋開關芯片6的集電極以及上半橋二極管芯片7的負極電連接，當上半橋開關芯片6為mosfet時，所述正極功率端子1與上半橋開關芯片6的漏極以及上半橋二極管芯片7的負極電連接。

圖6中，負極功率端子2燒結在頂部金屬絕緣基板4金屬層表面，頂部金屬絕緣基板4上設有頂部金屬絕緣基板表面金屬層42、第一上半橋驅動局部金屬層421和第二上半橋驅動局部金屬層422，所述頂部金屬絕緣基板表面金屬層42上燒結有下半橋開關芯片8和下半橋二極管芯片9，第一上半橋驅動局部金屬層421和第二上半橋驅動局部金屬層422分別連有一個上半橋驅動端子10，上半橋開關芯片6的門極通過金屬連接塊與所述第一上半橋驅動局部金屬層421電連接，輸出功率端子3上設有的金屬連接塊與第二上半橋驅動局部金屬層422電連接。

所述頂部金屬絕緣基板4上還設有下半橋驅動局部金屬層423，下半橋驅動局部金屬層423與所述下半橋開關芯片8的門極相連，下半橋驅動局部金屬層423的另一端連接有一個下半橋驅動端子11，所述頂部金屬絕緣基板表面金屬層42也連接有一個下半橋驅動端子11。

圖7給出了功率模塊內部各層的關系，本實施例中所述的燒結具體為通過焊接層16燒結，由于開關芯片的上、下表面通過電鍍或者濺射或者蒸發(fā)有鈦鎳銀的金屬結構，因此焊接層16可以是錫鉛等釬焊料通過燒結形成的焊接層16，也可以是銀漿通過燒結形成的焊接層16。此外，圖中上半橋開關芯片6的門極與第一上半橋驅動局部金屬層421之間、輸出功率端子3與第二上半橋驅動局部金屬層422之間均采用了金屬連接塊實現(xiàn)電氣連接，該金屬塊可以選用鉬、鎢銅等與芯片的熱膨脹系數(shù)比較匹配的金屬材料，若不采用金屬連接塊的連接方式，也可以使用鍵合線進行連接。

圖8、圖9分別為傳統(tǒng)半橋拓撲結構及本發(fā)明半橋拓撲結構，傳統(tǒng)的功率模塊內部，開關芯片的集電極或漏極通過焊接層16與金屬絕緣基板表面金屬層連接，開關芯片的發(fā)射極或源極通過鍵合線與表面金屬層相連，即上半橋開關芯片6與下半橋二極管芯片9之間通過鍵合線、金屬層連接，圖中的粗線表示續(xù)流回路路徑；本發(fā)明將上半橋開關芯片與下半橋二極管芯片9疊層設置，省掉了中間的金屬絕緣基板金屬層與鍵合線，其連接路徑最短，因此其換流回路也最短，從而大幅度降低了寄生電感。

圖10、圖11為功率模塊與散熱裝置的連接示意圖，頂部金屬絕緣基板背面金屬層41與底部金屬絕緣基板背面金屬層51上分別設有第一散熱裝置12和第二散熱裝置13，頂部金屬絕緣基板背面金屬層41與第一散熱裝置12通過導熱硅脂或其它導熱材料接觸，底部金屬絕緣基板背面金屬層51也通過導熱硅脂或其它導熱材料與第二散熱裝置13接觸；第二散熱裝置13的兩側安裝有絕緣墊塊121，絕緣墊塊121與功率模塊的正/負功率端子接觸，便于安裝母排。

如圖12所示，本發(fā)明還可以應用在三相橋結構中，將三個本發(fā)明中記載的半橋功率模塊結構一字排布，并封裝在同一塑封外殼內部，便可以實現(xiàn)低寄生電感的三相橋功率模塊，即一個功率模塊包括三個正極功率端子1、三個負極功率端子2和三個輸出功率端子3，其拓撲結構為三個半橋，如圖13所示。

實施例2：如圖14所示，本實施例與實施例1的結構基本相同，不同之處在于，本實施例中的輸出功率端子3的焊接部31在與芯片接觸的位置為基體311，在不與芯片接觸的位置為三層結構，中間一層為基體311，上下兩側為填充體312；基體311為熱膨脹系數(shù)較小的金屬鉬或鎢銅，填充體312為導電性較好的金屬銀。

本實施例中功率芯片燒結在輸出電極的鉬基體311上，輸出電極不與芯片接觸的部位加工有槽，槽內填充有銀。金屬鉬的熱膨脹系數(shù)一般為銅的三分之一，與芯片比較接近，功率模塊工作過程中，焊接層16的熱應力較小，可靠性較高，但鉬的電導率僅有銅的三分之一，因此在輸出電極的局部做填充銀結構能夠減小輸出電極的電阻。

實施例3：如圖15所示，本實施例與實施例1的結構基本相同，不同之處在于，輸出功率端子3的焊接部31與芯片之間填充有應力緩沖層14，所述輸出功率端子3的焊接部31為金屬銅，應力緩沖層14為金屬鉬或鎢銅。

輸出電極為純銅材料，由于銅與芯片的熱膨脹相差較大，為了提高焊接層16的長期可靠性，本實施例在芯片與輸出電極之間增加了應力緩沖層14過渡，即在芯片的表面燒結金屬鉬或鎢銅，然后再將鉬或鎢銅燒結在輸出電極上。

實施例4：如圖16-19所示，本實施例與實施例1的結構基本相同，不同之處在于，圖17中，底部金屬絕緣基板5上設有底部金屬絕緣基板表面金屬層52、第一局部金屬層53和第二局部金屬層54，所述第一局部金屬層53和第二局部金屬層54分別連有一個上半橋驅動端子10，輸出功率端子3與第二局部金屬層54電連接，從而實現(xiàn)對上半橋開關芯片的控制。

當所述上半橋開關芯片6為igbt時，正極功率端子1與上半橋開關芯片6的集電極以及上半橋二極管芯片7的負極電連接，上半橋開關芯片6的門極通過一根鍵合線與第一局部金屬層53電連接。

當所述上半橋開關芯片6為mosfet時，所述正極功率端子1與上半橋開關芯片6的漏極以及上半橋二極管芯片7的負極電連接，上半橋開關芯片6的門極通過一根鍵合線與第一局部金屬層53電連接。

圖18中，頂部金屬絕緣基板4上設有頂部金屬絕緣基板表面金屬層42和第三局部金屬層43，第三局部金屬層43的另一端連接有一個下半橋驅動端子11，所述頂部金屬絕緣基板表面金屬層42也連接有一個下半橋驅動端子11；

當所述下半橋開關芯片8為igbt時，負極功率端子2與下半橋開關芯片8的發(fā)射極以及下半橋二極管芯片9的正極的電連接，下半橋開關芯片8的門極與第三局部金屬層43相連；

當所述下半橋開關芯片8為mosfet時，負極功率端子2與下半橋開關芯片8的源極以及下半橋二極管芯片9的正極的電連接，下半橋開關芯片8的門極與第三局部金屬層43相連。

本發(fā)明作為形成半導體芯片的基礎，可以使用硅襯底，可也以使用鍺襯底或者iii-v半導體材料，例如，gan或sic；另外，對于包裝、模塑或封裝而言，可以使用塑料材料或陶瓷材料等。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。