CN115763388A - 一种功率模块封装结构和封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率模块封装结构和封装方法，涉及电力电子技术领域。该功率模块包括：第一基板，第一基板上安装有多个芯片；多个钳位单元，钳位单元设置在第一基板上，且钳位单元与芯片一一对应设置，每个芯片与其对应钳位单元之间的距离均在预设范围内；封装层，位于第一基板上，且覆盖芯片和钳位单元。本发明对每个芯片都单独设置连接有钳位单元，提高芯片开关动作的同步性和工作稳定性。通过将钳位单元封装在功率模块内部，可以在更小空间的前提下提高芯片的使用寿命，提升芯片的安全性。

Description

一种功率模块封装结构和封装方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种功率模块封装结构和封装方法。

背景技术

功率模块(Power Module)是指将功率半导体开关器件，如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)芯片，快速恢复二极管(FastRecoveryDiode，FRD)封装成一个模块整体，通过外接栅极驱动电路板和控制单元，完成直流到交流电流的双向转换，利用电池能量驱动电机运转。

在功率模块中，由于单个芯片的载流能力不足，需要在DBC基板上贴装芯片阵列组成开关电路。然而，对于功率模块中芯片阵列并联的每一个芯片，由于空间位置分布上的差别，其电流回路长度并不相等，会导致各个芯片开关动作的不同步。在稳定工作状态下，电信号频率可以达到几十k赫兹，开关动作的不同步可能会诱发电压尖峰和振荡，进而损伤芯片。

发明内容

基于此，有必要针对上述功率模块工作电压不稳定容易损伤芯片，安全性不高的问题，提供一种可以保证封装功率模块中芯片阵列的开关同步性和工作稳定性的功率模块和封装方法。

第一方面，本发明公开一种功率模块封装结构，包括：

第一基板，第一基板上安装有多个芯片；

多个钳位单元，钳位单元设置在第一基板上，且钳位单元与芯片一一对应设置，每个芯片与其对应钳位单元的之间距离均在预设范围内；

封装层，位于第一基板上，且覆盖芯片和钳位单元。

在其中一个实施例中，每个芯片与其对应钳位单元的之间距离均小于第一预设值。

在其中一个实施例中，功率模块封装结构还包括：

第二基板，钳位单元集成在第二基板上；集成钳位单元后的第二基板设置在第一基板上。

在其中一个实施例中，各钳位单元均集成在同一个第二基板上。

在其中一个实施例中，第二基板设有外接引脚，钳位单元与外接引脚连接。

在其中一个实施例中，多个钳位单元与同一个外接引脚连接。

在其中一个实施例中，钳位单元包括开关管、钳位电容和钳位电阻，钳位电阻还作为驱动电阻，用于驱动芯片。

第二方面，本发明公开一种功率模块封装方法，该方法包括以下步骤：

在第一基板上安装多个芯片；

在第一基板上设置多个钳位单元，钳位单元与芯片一一对应设置，每个芯片与其对应钳位单元的之间距离均在预设范围内；

在第一基板上形成封装层，封装层覆盖芯片和钳位单元。

在其中一个实施例中，在第一基板上设置多个钳位单元，包括：

将钳位单元集成在第二基板上；

将集成钳位单元的第二基板设置在第一基板上。

在其中一个实施例中，钳位单元包括开关管、钳位电容和钳位电阻；钳位电阻还作为驱动电阻，用于驱动芯片。

上述公开的功率模块封装结构，在功率模块内部封装钳位单元，对功率模块中的每个芯片都单独设置连接钳位单元，解决传统方法中将钳位单元设置在外部驱动板上导致的开关不同步的问题，提高功率芯片开关动作的同步性，保证模块工作电压的稳定性。本发明将钳位单元与芯片同时封装在功率模块的封装层内部，可以在更小空间的前提下提高元器件的使用寿命，提升电气设备的安全性。

附图说明

图1为一实施例中的功率模块封装结构示意图；

图2为另一实施例中的功率模块封装结构示意图；

图3为一实施例中功率模块封装方法流程图；

图4为一实施例中双边型功率芯片阵列封装连接示意图；

图5为一实施例中环绕型功率芯片阵列封装连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的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发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个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”另一个元件，它可以是直接连接到另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”、“上”、“下”、“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。

本发明一实施例提供了的一种功率模块100，结合图1所示的功率模块封装结构示意图，该功率模块100包括第一基板110，第一基板110上安装有多个芯片111；该功率模块100还包括多个钳位单元121，钳位单元121设置在第一基板110上，且钳位单元121与芯片111一一对应设置，每个芯片111与其对应钳位单元121的之间距离均在预设范围内；该功率模块100还包括封装层，该封装层位于第一基板上，且覆盖芯片111和钳位单元121。

其中，第一基板110可以是DBC(Direct Bonding Copper，直接敷铜)基板，DBC基板具备较好的热疲劳稳定性和很高的集成度。但需要说明的是，第一基板110并不局限于DBC基板，其也可以为其他结构或形式的基板，凡是可以实现本发明技术方案的基板均可以用于第一基板110，本实施例对其不做限制。

封装层负责提供功率模块100所需的机械支撑、电绝缘和散热通道，可以在更小空间的前提下保证芯片111的大电流、高功率、高可靠性和同步性。

芯片111可以是功率半导体开关器件，例如绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolar Transistor，IGBT)芯片、快速恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)等。本实施例功率模块100可以完成直流到交流电流的双向转换，利用电池能量驱动电机运转，实现的模块电路可以是单开关、半桥及三相六单元。

芯片111与其对应钳位单元121的之间距离均在预设范围内，增加钳位单元121对芯片111控制的稳定性，从而使得不同芯片的钳位效果趋于一致。该预设范围根据实际情况设定。所有芯片111与钳位单元121之间的距离可以设置为相等，也可以根据功率模块100内部的部署单独设置，在小于预设范围的情况下，本实施例对芯片111与其对应钳位单元121之间的距离没有限制。

本实施例钳位电路121直接设置在功率模块100内部，提高功率模块100封装结构的集成度，减小功率模块100的体积。将钳位单元121设置在第一基板110上，与芯片111一一对应设置，使得每个芯片111均由对应的钳位单元121控制，进而使得各芯片111的开关动作趋于一致，防止开关动作的不同步诱发电压尖峰和振荡，损伤芯片111的问题，保证功率模块100开关动作的同步性和工作电压的稳定性。

在一个实施例中，每个芯片111与其对应钳位单元121的之间距离均小于第一预设值。

此时，可以使钳位单元121靠近其对应的芯片，从而更好的实现对芯片111的控制。第一预设值可以根据实际情况设定。钳位单元121设置在芯片111附近，可无限接近于芯片111但不与芯片111连接。钳位单元121与芯片111之间的距离接近，可以更好的实现对芯片111的控制，减少电路干扰。

图2所示为另一个实施例中的功率模块封装结构示意图。如图2所示，在另一个实施例中，该功率模块100还包括第二基板120，钳位单元121集成在第二基板120上；集成钳位单元121后的第二基板120设置在第一基板110上。

其中，第二基板120可以是PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)。将钳位单元121集成设置在PCB板上，每个钳位单元121可以均在PCB板上形成独立的电路区块，无需复杂的布线即可实现钳位单元121与芯片111的电气连接，减少传统方案中的接线工作量，大大降低布线成本。

钳位单元121通过第二基板120设置在第一基板110上。为保证第二基板120上的钳位单元121与芯片111之间的电气连接，第二基板120与芯片111之间的距离小于第二预设值，该第二预设值根据实际情况设定。所有芯片111与第二基板120之间的距离可以设置为相等，也可以根据功率模块100内部的部署单独设置，在小于第二预设值的情况下，本实施例对芯片111与第二基板120之间的距离没有限制。

具体地，第二基板120可以与第一基板110连接，连接方式包括但不限于焊接、银烧结、粘接等。

在一个实施例中，第二基板120也可以与第一基板110不接触。第二基板120可以通过支撑件放置在第一基板110上。在功率模块100封装时，通过塑封或灌封等方式与功率模块100集成在一起。

本实施例对第一基板110和第二基板120的连接方式没有限制，只要能实现第二基板120上的钳位单元121与第一基板110上的芯片连接，第二基板120可以与第一基板110固定连接或封装集成，本实施例对其不做限制。

在一个实施例中，各钳位单元121均集成在同一个第二基板120上。

其中，本实施例针对每个芯片111均设置连接钳位单元121进行控制。当钳位单元121设置在第二基板120上时，将所有的钳位单元121均集成在同一个第二基板120上，每个钳位单元121可以在第二基板120上形成独立的电路区块，只需通过对电路区块的线路连接即可完成走路，减少对第二基板120的接线工作量，降低成本。

在一个实施例中，各钳位单元121也可以集成在多个第二基板120上。

其中，可以对每个钳位单元121均设有一个第二基板120，也可以根据芯片111阵列的设置，将部分钳位单元121设置在一个第二基板120上。然后将所有集成了钳位单元121的第二基板120连接。

在一个实施例中，第二基板120设有外接引脚，钳位单元121与外接引脚连接。

其中，本实施例功率模块封装结构可适用于单个芯片或多个芯片并联阵列。在第二基板120设有外接引脚连接外部控制单元，实现对功率模块100的控制。

在一个实施例中，多个钳位单元121与同一个外接引脚连接。

其中，将所有钳位单元121均连接在同一个外接引脚上，减少功率模块100与外部连接所需要的引脚。在功率模块100封装后，仅引出两根引线与外部连接，在实际应用中，第二基板120仅需要两个引脚就可以实现与外部的连接，实现对多个芯片111的交互控制，减少线路之间的耦合，还可以降低成本。

在一个实施例中，钳位单元121包括开关管1211、钳位电容1212和钳位电阻1213，钳位电阻1213还作为驱动电阻，用于驱动芯片111。

其中，开关管可以是MOSFET管。钳位单元121可以是任意类型的钳位电路，本实施例对钳位电路的组成或连接没有限制。钳位单元121的钳位电路中的钳位电阻1213还复用为驱动电阻用于驱动芯片111，与钳位电路共用一个电阻，结构简单，提高功率模块100的集成度，减少功率模块100的体积还可以解决功率模块100驱动不同步导致的门级振荡，改善同步性，提高功率模块100的可靠性。

在一个实施例中，公开一种功率模块的封装方法，该方法包括以下步骤301至步骤303。

步骤301：在第一基板110上安装多个芯片111。

具体地，第一基板110可以是DBC(Direct Bonding Copper，直接敷铜)基板，DBC基板具备较好的热疲劳稳定性和很高的集成度。芯片111可以是功率半导体开关器件，例如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)芯片、快速恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)等。

在第一基板110上安装芯片111。本实施例对功率模块封装的芯片没有限制，可以是单个芯片111，也可以是多个芯片111。由于单个芯片111的载流能力不足，可以在第一基板110上设置芯片阵列。本实施例对芯片阵列的形式没有限制，包括但不限于双边型、单边型、环绕型等。

步骤302：在第一基板110上设置多个钳位单元121，钳位单元121与芯片111一一对应设置，每个芯片111与其对应钳位单元121的之间距离均在预设范围内。

根据芯片阵列中芯片111的数量，设置对应数量的钳位单元121。将钳位单元121与芯片111一一对应连接，每个芯片111都对应一个钳位单元121，保证开关动作的同步性。芯片111与其对应钳位单元121的之间距离均在预设范围内，使得钳位单元121可以与芯片111近距离的连接，设置最短驱动回路用于芯片111的电压钳位，提高工作电压的稳定性。该预设范围根据实际情况设定。

具体地，芯片111与钳位单元121的之间距离可以设置为相等，也可以根据功率模块100内部的部署单独设置，在小于预设值的情况下，本实施例对芯片111与其对应钳位单元121的之间距离没有限制。

作为一种改进，每个芯片111与其对应钳位单元121的之间距离均小于第一预设值。

具体地，钳位单元121设置在芯片111附近，可无限接近于芯片111但不与芯片111连接。钳位单元121与芯片111之间的距离接近，可以更好的实现对芯片111的控制，减少电路干扰。

步骤303：在第一基板110上形成封装层，封装层覆盖芯片111和钳位单元121。

封装层负责提供功率模块100所需的机械支撑、电绝缘和散热通道，可以在更小空间的前提下保证芯片111的大电流、高功率、高可靠性和同步性。

在一个实施例中，步骤302包括：

步骤3021，将钳位单元121集成在第二基板120上；

步骤3022，将集成钳位单元121的第二基板120设置在第一基板110上。

其中，第二基板120可以是PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)。将钳位单元121集成在第二基板120上时，钳位单元121在第二基板120上形成单独的电路区块，将第二基板120上钳位单元121通过单独的电路区块区分，无需复杂的布线即可实现钳位单元121与芯片111的电气连接，减少传统方案中的接线工作量，大大降低布线成本。

具体地，钳位单元121通过第二基板120设置在第一基板110上。为保证第二基板120上的钳位单元121与芯片111之间的电气连接，第二基板120与芯片111之间的距离小于第二预设值。所有芯片111与第二基板120之间的距离可以设置为相等，也可以根据功率模块100内部的部署单独设置，在小于第二预设值的情况下，本实施例对芯片111与第二基板120之间的距离没有限制。

第一基板110和第二基板120的连接方式没有限制，只要能实现第二基板120上的钳位单元121与第一基板110上的芯片连接，第二基板120可以与第一基板110固定连接或封装集成。其中，若第二基板120与第一基板110连接，连接方式包括但不限于焊接、银烧结、粘接等。若第二基板120与第一基板110不接触，第二基板120可以通过支撑件放置在第一基板110上，在功率模块100封装时，通过塑封或灌封等方式与功率模块100集成在一起。

在一个实施例中，钳位单元121包括开关管1211、钳位电容1212和钳位电阻1213；钳位电阻1213还作为驱动电阻，用于驱动芯片111。

具体地，开关管可以是MOSFET管。钳位单元121可以是任意类型的钳位电路，本实施例对钳位电路的组成或连接没有限制。

具体地，将钳位单元121的钳位电路中的钳位电阻1213复用为驱动电阻用于驱动芯片111，通过外部控制的方式可以使钳位单元121的钳位电阻1213还可以用于驱动电阻，电路结构简单，提高功率模块100的集成度，减少功率模块100的体积还可以解决功率模块100驱动不同步导致的门级振荡，改善同步性，提高功率模块100的可靠性。

图4为一实施例中双边型功率芯片阵列封装连接示意图，如图4所示，功率模块100的第一基板110上设有芯片阵列，该芯片阵列包括四行两列共八个芯片111。芯片111设置在作为第一基板110的DBC板上。

在芯片阵列的芯片111中间，设置有作为第二基板120的PCB板，PCB板通过焊接安装在DBC板上。PCB板通过焊接安装在DBC板上。该PCB板可以是一块PCB板，也可以是多个PCB板拼接而成。

在PCB板上集成有与芯片阵列的芯片111数量相同的钳位单元121，在本实施例中即为八个钳位单元121。其中，每个钳位单元121均在PCB板上形成单独的电路区块，便于线路的连接和部署。

在第一基板110上，还设有封装层，覆盖芯片111和钳位单元121。

PCB板上的钳位单元121通过引线键合与芯片阵列中的芯片111一一对应，实现电气连接，每个芯片111与其对应钳位单元121的之间距离均相同。引线和PCB板上钳位单元121的钳位电路组成驱动回路，每个钳位单元121对应负责一个芯片111的钳位电压控制，钳位单元121中的钳位电阻1213还作为驱动电阻连接芯片111，保证功率模块100开关动作的同步性和工作电压的稳定性。

PCB板设有外接引脚，该外接引脚用于连接PCB板上钳位单元121的输入和输出，将钳位单元121的输入输出汇总至总线进行输入输出。PCB板通过两个外接引脚输出两根引线，外接设备仅需要两个接口就可以与本实施例功率模块100的连接，实现对多个芯片111的交互控制，减少线路之间的耦合，还可以降低成本。

在一个实施例中，该双边型功率芯片阵列封装时，钳位单元121没有集成在第二基板120PCB板上，而是直接设置在第一基板110上。

在一个实施例中，该双边型功率芯片阵列封装时，PCB板上的钳位单元121不是通过引线键合与芯片阵列中的芯片111一一对应实现电气连接，而是通过铜带连接以实现电气连接。

在一个实施例中，该双边型功率芯片阵列封装时，PCB板不是通过焊接安装在DBC板上，而是通过银烧结或粘接等工艺安装在DBC板上。

在一个实施例中，该环绕型功率芯片阵列封装时，PCB板与DBC板未接触连接，而是将PCB板通过铜线框架支撑放置在芯片111旁边，当DBC板上的芯片111和PCB板上的钳位单元121连接后，功率模块100通过塑封或灌封等方式封装，实现PCB板与DBC板的集成。

图5为一实施例中环绕型功率芯片阵列封装连接示意图，如图5所示，功率模块100的第一基板110上设有芯片阵列，该芯片阵列包括环绕设置的四块芯片111。该环绕型功率芯片阵列封装结构与图4所示的双边型功率芯片阵列封装连接示意图除了芯片阵列在功率模块100中的位置不同，其他封装结构和封装方法均相同，此处不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种功率模块封装结构，其特征在于，包括

第一基板，所述第一基板上安装有多个芯片；

多个钳位单元，所述钳位单元设置在所述第一基板上，且所述钳位单元与所述芯片一一对应设置，每个所述芯片与其对应钳位单元之间的距离均在预设范围内；

封装层，位于所述第一基板上，且覆盖所述芯片和所述钳位单元。

2.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，每个所述芯片与其对应钳位单元之间的距离均小于第一预设值。

3.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述功率模块封装结构还包括：

第二基板，所述钳位单元集成在第二基板上；所述集成所述钳位单元后的第二基板设置在所述第一基板上。

4.根据权利要求3所述的功率模块封装结构，其特征在于，各所述钳位单元均集成在同一个所述第二基板上。

5.根据权利要求4所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述第二基板设有外接引脚，所述钳位单元与所述外接引脚连接。

6.根据权利要求5所述的功率模块封装结构，其特征在于，多个所述钳位单元与同一个所述外接引脚连接。

7.根据权利要求1所述的功率模块封装结构，其特征在于，所述钳位单元包括开关管、钳位电容和钳位电阻，所述钳位电阻还作为驱动电阻，用于驱动所述芯片。

8.一种功率模块封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

在第一基板上安装多个芯片；

在所述第一基板上设置多个钳位单元，所述钳位单元与所述芯片一一对应设置，每个所述芯片与其对应钳位单元之间的距离均在预设范围内；

在所述第一基板上形成封装层，所述封装层覆盖所述芯片和所述钳位单元。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述第一基板上设置多个钳位单元，包括：

将所述钳位单元集成在第二基板上；

将集成所述钳位单元的第二基板设置在所述第一基板上。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述钳位单元包括开关管、钳位电容和钳位电阻；所述钳位电阻还作为驱动电阻，用于驱动所述芯片。

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