CN113707640A - 功率模块与家电设备 - Google Patents

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CN113707640A CN202110992019.9A CN202110992019A CN113707640A CN 113707640 A CN113707640 A CN 113707640A CN 202110992019 A CN202110992019 A CN 202110992019A CN 113707640 A CN113707640 A CN 113707640A
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苏宇泉
许崴
兰昊
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Abstract

本发明公开了一种功率模块与家电设备，其中，功率模块包括支撑基体、第一导电层、第二导电层、芯片和引脚组件，其中，第一导电层和第二导电层都设置在支撑基体上，芯片则设置在第一导电层和/或第二导电层上，引脚组件中可以包括多个引脚，并且多个引脚相互平行设置，引脚组件可以设置在第一导电层和/或第二导电层上，并且该引脚组件与芯片之间电连接。由此，本实施例中的功率模块能够降低电路寄生电感，提升引脚通流能力，同时简化生产工序，提高产品良率，降低成本。

Description

功率模块与家电设备
技术领域
本发明涉及电路工艺设计技术领域，尤其涉及一种功率模块和一种家电设备。
背景技术
在功率电路中，功率半导体通过导通与关断来控制电能的流动。在一些基于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双型晶体管)的变换电路中，开关意味着电流在IGBT和续流二极管上来回流动。在一个理想的电路中，IGBT控制着电压和电流的波形，没有任何电压尖峰或振荡存在，只有二极管的反向恢复电流和IGBT的拖尾电流产生了与理想波形的差异，这种开关可以称为干净开关。
实际的功率电路包含了电感和电容两种主要的寄生参数，这会导致波形与干净开关发生严重偏离，例如：IGBT开通时由于电流上升导致的电压下降；反向恢复电流下降时在二极管上产生的电压尖峰；IGBT关断时由于电流下降导致的电压尖峰；寄生电感和寄生电容形成谐振电路，导致每次开关变换后的衰减振荡。
寄生参数太大的情况下，会造成电路产生不必要的功耗，从而影响电路的运行，因此，如何降低电路中的寄生参数是一个非常重要的问题。相关技术中，一般通过将功率模块的引脚端子设置为扁带状，以提升通流能力，同时降低寄生电感，但是，为了安装这种扁状端子，需要额外的焊片粘贴工序及回流工序，即在芯片粘贴到衬底、经过回流固定后，再把扁状端子粘贴到衬底上，再次在较低的温度下回流完成端子粘贴。但是这样方法增加了成本，降低了过程良率。并且，这种端子在传统PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)上的焊接可靠性差，一般使用安装更麻烦的压接方式。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种功率模块，能够降低电路寄生电感，提升引脚通流能力，同时简化生产工序，提高产品良率，降低成本。
本发明的第二个目的在于提出一种家电设备。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种功率模块，该功率模块包括：支撑基体；第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层均设于所述支撑基体；芯片，所述芯片设于所述第一导电层和/或所述第二导电层；引脚组件，所述第一导电层和/或所述第二导电层设有所述引脚组件，且所述引脚组件与所述芯片电连接，其中，所述引脚组件包括多个引脚，多个所述引脚相互平行。
本发明实施例的功率模块包括支撑基体、第一导电层、第二导电层、芯片和引脚组件，其中，第一导电层和第二导电层都设置在支撑基体上，芯片则设置在第一导电层和/或第二导电层上，引脚组件中可以包括多个引脚，并且多个引脚相互平行设置，引脚组件可以设置在第一导电层和/或第二导电层上，并且该引脚组件与芯片之间电连接。由此，本实施例中的功率模块能够降低电路寄生电感，提升引脚通流能力，同时简化生产工序，提高产品良率，降低成本。
在本发明的一些实施例中，功率模块还包括多条键合线，所述第一导电层和所述第二导电层中的一个设有所述芯片，所述多条键合线连接在所述芯片和未设有所述芯片的所述导电层之间。
在本发明的一些实施例中，功率模块还包括多条键合线，所述第一导电层和所述第二导电层均设有所述芯片，所述多条键合线连接在所述第一导电层的所述芯片和所述第二导电层的所述芯片之间。
在本发明的一些实施例中，多个所述引脚在所述支撑基体的第一方向依次设置。
在本发明的一些实施例中，多个所述引脚中至少两个相邻的所述引脚在所述第一方向依次间隔开。
在本发明的一些实施例中，在所述第一方向所述引脚组件具有第一中心点，在所述第一方向上所述多条键合线在所述支撑基体的厚度方向的投影具有第二中心点，所述第一中心点和所述第二中心点的连线与第二方向间的夹角为β，满足关系式：β＜9°。
在本发明的一些实施例中，在所述第一方向，所述第一中心点和所述第二中心点间的间隔距离为H1，所述引脚组件的宽度为H2，满足关系式：H1＜50％H2。
在本发明的一些实施例中，所述多条键合线相互平行且在所述支撑基体的第一方向依次间隔开。
在本发明的一些实施例中，多条所述键合线与多个所述引脚在所述支撑基体的第二方向一一对应。
在本发明的一些实施例中，所述引脚与其对应的所述键合线位于同一平面内。
在本发明的一些实施例中，多个所述引脚均垂直于所述支撑基体且在所述支撑基体的厚度方向延伸。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种家电设备，该家电设备包括上述实施例所述的功率模块。
本发明实施例的家电设备包括上述实施例中的功率模块，通过该功率模块，使得本实施例中的家电设备能够降低电路寄生电感，提升引脚通流能力，同时简化生产工序，提高产品良率，降低成本。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的功率模块的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的功率模块的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的功率模块的结构示意图；
图4是根据本发明一个实施例的功率模块的结构示意图；
图5是根据相关技术中的单根引脚二极管的双脉冲波形示意图；
图6是根据本发明一个具体实施例的两根引脚二极管的双脉冲波形示意图；
图7是根据相关技术中的使用单根引脚功率模块的家电设备的EMC测试结果示意图；
图8是根据本发明一个具体实施例的使用两根引脚功率模块的家电设备的EMC测试结果示意图；
图9是根据本发明实施例的家电设备的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的功率模块与家电设备。
图1是根据本发明一个实施例的功率模块的结构示意图。
如图1所示，本发明第一方面实施例提出了一种功率模块10，该功率模块10包括支撑基体101、第一导电层102、第二导电层103、芯片104和引脚组件105。
其中，第一导电层102设置在支撑基体101上，第二导电层103也设置在支撑基体101上，芯片104可以设置在第一导电层102上，也可以设置在导电层103上，在该实施例中，芯片104设置在第二导电层103上，引脚组件105可以设置在第一导电层102上，也可以设置在第二导电层103上，在该实施例中，引脚组件105设置在第一导电层102上，并且引脚组件105可以与芯片104连接，引脚组件105可以包括有多个引脚，并且，多个引脚之间可以相互平行。
具体地，如图1所示，本实施例中的支撑基体101可以是陶瓷板或覆盖有绝缘材料的金属板，第一导电层102和第二导电层103都可以是导电金属层，该导电金属层可以以一定的图案覆盖在支撑基体101上，可以理解的是，第一导电层102和第二导电层103具体以何种图案覆盖在支撑基体101上，可以根据功率模块的电路具体设计进行适应性的变化，在此不对导电层的形状进行具体限定。本实施例中的第一导电层102以及第二导电层103可以固定设置在支撑基体101上，并且，可以理解的是，第一导电层102与第二导电层103之间可以电连接，在该实施例中，不对第一导电层102与第二导电层103之间的电连接方式进行限定。
该实施例中的芯片104可以是二极管芯片、IGBT、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层半导体场效晶体管)等，芯片104可以设置在第一导电层102或者第二导电层103上，需要说明的是，芯片104设置在导电层上，可以与导电层电连接。如图1所示，本实施例中的引脚组件105可以包括有3根引脚，每根引脚之间相互平行设置在第一导电层102或者第二导电层103上，图1所示的示例中，引脚组件105设置在第一导线层102上，第一导电层102可以与芯片连接，以使得引脚组件105能够与芯片连接，本示例中可以不对连接方式进行限定。
需要说明的是，本实施例中的引脚组件105可以包括多根引脚，其数量可以根据实际应用进行选择，并且，电路板中不同引脚组件105所包含的引脚数量可以相同，也可以不同。
本实施例中的功率模块10通过设置具有多根引脚的引脚组件105作为一个连接端子，所以，相对于单根引脚的情况，本实施例将多根引脚作为引脚组件15能够等效成平板，而同长度的板状引脚的回路电感要小于线状引脚的回路电感，具体的线状导体的回路电感
Figure BDA0003232693310000041
其中，Length为线状引脚导线的长度，r为引脚导线的半径，a为平行导线间的距离，μ0为真空磁导率，由此可知，当Length＝20mm,r＝5mm,a＝30mm时，回路电感L＝18nH。而本申请中利用多根引脚，并且将多根引脚进行平行设置，因此可以将多根引脚等效成平板，在平板引脚中，回路电感
Figure BDA0003232693310000042
其中，d为两块平板间距离，w为平板宽度(垂直于电流方向)，Length为平板长度(平行于电流方向)，μ0为真空磁导率，由此可知，当d＝1mm，w＝70mm，Length＝1m时，回路电感L＝18nH，也就是说，1米长的平板导体的寄生电感与0.02米长的导线相当。显然，在同长度的情况下，平板导体的计生电感要远小于导线的计生电感。
也就是说，在本实施例中，将单引脚设置成含有多根引脚的引脚组件，相对于单引脚而言，引脚组件可以充当为平板形状的引脚，大大降低了寄生电感，并且，本实施例使用的引脚组件的底座与芯片只需要在同一步回流工序中焊接，所以相对于扁带状端子而言，本实施例中的引脚组件能够简化生产工艺，以方便引脚在PCB上安装。
由上述描述可知，本实施例中的功率模块能够降低电路寄生电感，提升引脚通流能力，同时简化生产工序，提高产品良率，降低成本。
在该实施例中，如图1所示，功率模块10还包括有多条键合线106，多条键合线106用于连接设置有芯片104的导电层和没有设置芯片104的导电层。
具体地，如图1所示，芯片104设置在第二导电层103上，并且第一导线层102没有设置导电层，本实施例中通过设置多条键合线106用于连接芯片104和第一导电层102，由于第一导电层102上设置有引脚组件105，所以可以使得引脚组件105与芯片104连接，以保证芯片104可以接收到从引脚组件105流入的电信号、通信信号等，进而保证芯片104能够正常运行。
在一些实施例中，如图2所示，第一导电层102和第二导电层103均设置有芯片104，多条键合线106可以设置在第一导电层102上的芯片104上，以及第二导电线103上的芯片104上，用于连接两个导电层上的芯片104。
也就是说，如图1和2所示，本实施例中的多条键合线106可以将一个导电层上的芯片连接到另一个导电层上，也可以将一个导电层上的芯片连接到另一导电层上的芯片，用于保证芯片可以通过引脚组件与外界各信号连接。
在该实施例中，如图1或图2所示，多条键合线106可以相互平行，并且在支撑基体101上以第一方向间隔开。
具体地，以图2为例进行说明，其中，功率模块10包括有3条键合线106，每条键合线106之间一次顺序地间隔开，并且间隔方向沿第一方向进行，即沿Y方向进行间隔设置。
并且，进一步地，多条键合线106还与多个引脚105在支撑基体101的第二方向上一一对应。
具体地，如图2所示，功率模块10包括有3条键合线106和3根引脚105，其中，3条键合线106和3根引脚105之间一一对应设置，并且在第二方向上一一对应设置，其中，第二方向为X方向。需要说明的是，本实施例中的多条键合线106和引脚组件105的数量可以不同，也可以相同，其中，当两者数量相同的情况下，则可以将每条键合线106和每根引脚105之间X轴方向进行一一对应设置；而当两者数量不同的情况下，则可以进行等间隔设置，举例而言，在2根引脚105和3条键合线106的情况下，则3条键合线106可以将2根引脚105之间的距离进行三等分，进而在每个等分点对应的X轴方向上设置键合线106。
在该实施例中，为了能够与多条键合线106对应设置，本实施例中的多个引脚105之间支撑基体101的第一方向上依次设置。
具体地，在该实施例中，如图2所示，本实施例中的键合线数量与引脚的数量相同，可以一一对应设置，多个引脚105沿X轴方向进行依次设置，需要说明的是，该间隔设置方向也是多条键合线106进行间隔设置的方向，从而使得多条键合线106与多个引脚105之间可以进行一一对应设置。
在该实施例中，多个引脚105中至少两个相邻的引脚可以在第一方向(即X轴方向)上依次间隔开。
具体地，在该实施例中，多个引脚105还可以选择其中至少两个相邻的引脚进行间隔设置，举例而言，如图2所示，其中多个引脚105包括三根引脚，分别为第一引脚、第二引脚和第三引脚，那么在该实施例中，第一引脚和第二引脚之间可以间隔设置，而第二引脚和第三引脚则相对靠近进行设置。当然，也可以是第一引脚与第二引脚相对靠近设置，而第二引脚与第三引脚进行间隔设置。本实施例中，多个引脚之间不进行均间隔设置，同样可以解决上述提出的技术问题，并且，同对每个引脚组件进行间隔设置相比，还可以提高引脚组件的兼容性，使其适应更多应用场景。
在本发明的一些实施例中，如图3所示，引脚105与其相对应的键合线106，可以处于同一个平面内。
具体地，参见图3，在与平面XOZ平行的方向上，有一平面A，并且，引脚105和键合线106都可以设置在这个平面中，如图3，其中，引脚105可以与支撑基体101垂直，并且在支撑基体101的厚度方向上进行延伸，即在Z轴方向上进行延伸。而键合线106则在X轴方向上进行延伸，也处于平面A中。可以理解的是，其他相对应的引脚和键合线也可以位于其他平面中，其他平面也与平面A平行。
需要说明的是，在理想情况下，引脚与其对应的键合线两者所处的平面是与平面XOZ平行的平面，但是，在实际情况中，由于误差的存在，所以引脚105和键合线106所在的平面与平面XOZ之间存在一定误差。
在本发明的一些实施例中，第一方向上的引脚组件105中具有一个第一中心点P1，第一方向上的多条键合线106的投影中具备有一个第二中心点P2，其中，第一中心点P1与第二中心点P2之间的连线在第二方向上之间的夹角为β，该夹角β满足β＜9°，并且，多条键合线106的投影为在支撑基体101厚度方向上的投影。
具体地，如图4所示，在理想的情况下，第一中心点P1与第二中心点P2之间的线段P1P2，应与第二方向上的直线重合，而在实际的应用过程中，由于制作误差、焊接误差等影响，所以线段P1P2往往不能与第二方向上的直线完全重合，存在一定的误差，本实施例中将该误差所产生的夹角定义为β，并限定该夹角β的偏差应该小于完全偏差的10％。需要说明的是，完全偏差是指线段P1P2垂直与第二方向上的直线，即线段P1P2与第一方向上的直线平行，所以，完全偏差时偏差角度为90°，将偏差角β限制在10％以内，即需要限定夹角β小于9°。限制夹角β，能够提高通过引脚105和键合线106中的电流的速度，同时还可以提高功率模块封装的便捷性。
在该实施例中，如图4所示，第一中心点P1在第一方向上与第二中心点P2之间的间隔距离是H1，并且引脚组件105之间的宽度是H2，其中，H1和H2之间需要满足关系式：H1＜50％H2。
具体地，在第一方向，也就是Y方向上，第一中心点P1和第二中心点P2之间的间隔距离，可以如图4中H1所示，为了能够保证引脚和键合线之间的通流速度和效果，本实施例还对距离H1进行限定，具体限定了距离H1的距离要小于H2距离的一半，其中，H2为引脚组件105之间的宽度。需要说明的是，在理想情况下，第一中心点P1以及第二中心点P2在Y轴方向上的距离为零，但由于误差的存在，导致第一中心点P1以及第二中心点P2在Y轴方向上或多或少都存在一些距离，本实施例中对该距离结合引脚组件之间的宽度进行限定。
参见图5-图8所示，对本发明一个具体实施例的功率模块进行，具体地，以引脚组件包括两根引脚的二极管为例进行实验测试，其中，由图5可知，在二极管的正极端只有单根引脚，并且母线电压为300伏、电流为15安的情况下，电压的关断尖峰为402伏；在二极管的正极端有两根引脚的情况下，同样母线电压为300伏、电流为15安时，此时电压的关断尖峰下降为378伏。需要说明的时，关断电压尖峰是回路寄生电感的直接体现，所以从实验数据可以清晰的看出，通过设置两根或以上的引脚，可以充分降低回路寄生电感。实验中还通过EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容)测试本实施例中功率模块的抗电磁干扰能力，实验中可以将功率模块安装到家电设备，例如空调器中进行骚扰功率测试，由图7可知，在单根引脚的情况下，骚扰功率余量大概为-5.3dB，而在双引脚的情况下，如图8所示，骚扰功率余量则大概为-10.38dB，明显的，安装双引脚功率模块的家电设备其电磁干扰更低。
综上，本发明实施例的功率模块能够降低电路寄生电感，提升引脚通流能力，同时简化生产工序，提高产品良率，降低成本。
图9是根据本发明实施例的家电设备的结构框图。
进一步地，如图9所示，本发明提出了一种家电设备20，该家电设备20包括上述实施例中的功率模块10。
本发明实施例中的家电设备包括上述实施例中的功率模块，通过上述实施例中的功率模块，使得本实施例中的家电设备能够降低电路寄生电感，提升引脚通流能力，同时简化生产工序，提高产品良率，降低成本。
另外，本发明实施例的家电设备的其他构成及作用对本领域的技术人员来说是已知的，为减少冗余，此处不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，本发明实施例中所使用的“第一”、“第二”等术语，仅用于描述目的，而不可以理解为指示或者暗示相对重要性，或者隐含指明本实施例中所指示的技术特征数量。由此，本发明实施例中限定有“第一”、“第二”等术语的特征，可以明确或者隐含地表示该实施例中包括至少一个该特征。在本发明的描述中，词语“多个”的含义是至少两个或者两个及以上，例如两个、三个、四个等，除非实施例中另有明确具体的限定。
在本发明中，除非实施例中另有明确的相关规定或者限定，否则实施例中出现的术语“安装”、“相连”、“连接”和“固定”等应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以理解的，也可以是机械连接、电连接等；当然，还可以是直接相连，或者通过中间媒介进行间接连接，或者可以是两个元件内部的连通，或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，能够根据具体的实施情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
支撑基体；
第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层均设于所述支撑基体；
芯片，所述芯片设于所述第一导电层和/或所述第二导电层；
引脚组件，所述第一导电层和/或所述第二导电层设有所述引脚组件，且所述引脚组件与所述芯片电连接，其中，所述引脚组件包括多个引脚，多个所述引脚相互平行。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括：多条键合线，所述第一导电层和所述第二导电层中的一个设有所述芯片，所述多条键合线连接在所述芯片和未设有所述芯片的所述导电层之间。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括：多条键合线，所述第一导电层和所述第二导电层均设有所述芯片，所述多条键合线连接在所述第一导电层的所述芯片和所述第二导电层的所述芯片之间。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的功率模块，其特征在于，多个所述引脚在所述支撑基体的第一方向依次设置。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，多个所述引脚中至少两个相邻的所述引脚在所述第一方向依次间隔开。
6.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，在所述第一方向所述引脚组件具有第一中心点，在所述第一方向上所述多条键合线在所述支撑基体的厚度方向的投影具有第二中心点，所述第一中心点和所述第二中心点的连线与第二方向间的夹角为β，满足关系式：β＜9°。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，在所述第一方向，所述第一中心点和所述第二中心点间的间隔距离为H1，所述引脚组件的宽度为H2，满足关系式：H1＜50％H2。
8.根据权利要求2或3所述的功率模块，其特征在于，所述多条键合线相互平行且在所述支撑基体的第一方向依次间隔开。
9.根据权利要求2或3所述的功率模块，其特征在于，多条所述键合线与多个所述引脚在所述支撑基体的第二方向一一对应。
10.根据权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述引脚与其对应的所述键合线位于同一平面内。
11.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，多个所述引脚均垂直于所述支撑基体且在所述支撑基体的厚度方向延伸。
12.一种家电设备，其特征在于，包括根据权利要求1-11中任一项所述的功率模块。
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