CN117410241A - 一种具备均流特性布局的功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备均流特性布局的功率模块，包括衬板和半导体器件，所述半导体器件在所述衬板上至少布置两组且每组的所有半导体器件呈环形布置，所有半导体器件相对于衬板中心为圆对称。本发明的功率模块，具备较好的均流特性跟散热特性。

Description

一种具备均流特性布局的功率模块
技术领域
本发明属于半导体产品技术领域，具体地说，本发明涉及一种具备均流特性布局的功率模块。
背景技术
功率模块广泛的应用于汽车、工业、发输电等新能源领域，实现功率转换，例如将AC转换成DC，或者DC转换成AC。随着新能源电动车的发展，功率模块越来越多的应用于电动车控制器领域；随着新能源汽车小型化、轻量化、高功率的要求越来越高，对功率模块提出了更高的要求。
传统的功率模块通常用侧框以及灌封的封装形式，功率芯片为IGBT芯片。为了实现高功率密度以及小型化的目标，同时要提升开关速度。行业内开始应用碳化硅芯片，碳化硅芯片具有较快的开关速度跟低导通电阻，为了提高功率密度，通常采用多颗芯片并联使用。
多芯片并联，对芯片均流以及散热提出了更高的要求。不均流的芯片导致开通较快的芯片承受更大的电流，进而引发过流失效。实际的案例中，因不均流导致的模块失效占一定的比例。
功率模块的布局设计尤为关键，为了提高均流，在设计中主要通过高对称性，电流路径一致性，短回路的要求。同时，多芯片并联需要考虑芯片间的热耦合，为了保证功率芯片在要求的结温下稳定工作，就需要分开布置功率芯片，实现热解耦。
如图5所示，现有技术通常功率芯片采用横向或者纵向的布局单行放置，绝缘载板(DBC)放置功率芯片的位置通常为长条形或方形。并且为了解决多芯片放置造成的热耦合问题，通常芯片之间有一定的间距，由于单行放置，这会导致开关对称性不好，换向回路路径存在明显差异，从而导致模块整体电气性能变差，在极端应用情况，容易导致产品失效。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种功率模块，目的是实现更好的均流特性。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种具备均流特性布局的功率模块，包括衬板和半导体器件，所述半导体器件在所述衬板上至少布置两组且每组的所有半导体器件呈环形布置，所有半导体器件相对于衬板中心为圆对称。
所述的具备均流特性布局的功率模块还包括引线框架，引线框架包括正极端子、负极端子和交流端子，所述衬板包括形状为环形的正极区域、交流区域和负极区域，正极端子电连接到正极区域，负极端子电连接到负极区域，交流端子电连接到交流区域。
所述衬板上，从所述正极区域到所述交流区域的上桥臂的所述半导体器件通过导电线或导电片电连接至交流区域，所有导电线或片朝向衬板圆心汇聚；从所述交流区域到所述负极区域的下桥臂的所述半导体器件通过导电线或导电片电连接至负极区域，所有导电线或片朝向衬板圆心汇聚。
所述衬板的圆环上以圆心为开始点，将360度等分成若干份扇形，且所述上桥臂和所述下桥臂的圆环共圆心，所述半导体器件设置在圆环的等分线上或等分区域中呈环形布置。
所述上桥臂的所述半导体器件与所述下桥臂的所述半导体器件为交错排布。
所述半导体器件设置在所述衬板的辅助等分线上，等分份数为若干份，等分份数可以为12份、14份、16份、18份、20份、22份、24份或更多份，来保证完全对称性。
所述衬板为复合三明治结构，衬板包括第一金属层、第二金属层和位于第一金属层与第二金属层之间的绝缘材料层。
所述的具备均流特性布局的功率模块还包括散热器，所述半导体器件及导电线或导电片设置在所述第一金属层上，所述第二金属层焊接或烧结至散热器上。
所述的具备均流特性布局的功率模块还包括温度检测元件和信号端子，所述半导体器件的栅极或源极通过键合线电连接至信号端子。
所述的具备均流特性布局的功率模块还包含外壳，所述半导体器件和所述衬板位于外壳内部，外壳通过热固环氧树脂的方式进行包封。
本发明的功率模块，具备较好的均流特性跟散热特性。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是实施例一的载板布局带参考线的平面视图；
图2是实施例一的载板布局键合路径平面视图；
图3是实施例二的载板布局键合路径平面视图；
图4是实施例二的功率模块的整体结构图；
图5是现有技术的载板布局平面视图；
图中标记为：1、正极端子；1’、正极区域；2、负极端子；2’、负极区域；3、交流端子；3’、交流区域；4、半导体器件；5、衬板；6、键合线；7、散热器；8、信号端子；9、温度检测元件；10、外壳。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1至图4所示，本发明提供了一种具备均流特性布局的功率模块，包括衬板5和半导体器件4，半导体器件4在衬板5上至少布置两组且每组的所有半导体器件4呈环形布置，所有半导体器件4相对于衬板5中心为圆对称，即上下左右，不同角度均对称，且相同电位的半导体器件4到衬板5的圆心等距。
具体地说，本发明中，采用环形圆对称设计，具备高度对称性，换流回路路径相等的特点。以衬板5圆心为中心，将圆环分成多个等分的扇形，半导体器件4设置在等分线上或扇形区域的环形上。半导体器件4的源极通过绑定铜线，绑线方向朝向圆心的对称线或区域内，衬板5上左右两边布置的半导体器件4完全对称。换流回路的半导体器件4的源极通过改变绑线的距离来，保证每一颗半导体器件4的负极回路的路径一致或相当。
如图4所示，本发明的功率模块还包括引线框架，引线框架包括正极端子1、负极端子2和交流端子3，衬板5包括形状为环形的正极区域1’、交流区域3’和负极区域2’，正极端子1电连接到正极区域1’，负极端子2电连接到负极区域2’，交流端子3电连接到交流区域3’。
如图4所示，衬板5上，从正极区域1’到交流区域3’的上桥臂的半导体器件4通过导电线或导电片电连接至衬板5的交流区域3’，所有导电线或片朝向衬板5圆心汇聚，所有导电线或导电片的均相等。从交流区域3’到负极区域2’的下桥臂的半导体器件4通过导电线或导电片电连接至衬板5的交流区域2’，所有导电线或片朝向衬板5的圆心汇聚，所有导电线或导电片的均相等。
如图4所示，衬板5的圆环上以圆心为开始点，将360度等分成若干份扇形，且上桥臂和下桥臂的圆环共圆心，半导体器件4设置在圆环的等分线上或等分区域中呈环形布置(等分线为虚拟辅助线)。上桥臂的半导体器件4与下桥臂的半导体器件4为交错排布，以此更好热解耦。
半导体器件4设置在衬板5的辅助等分线上，等分份数为16、18或20份。
衬板5为复合三明治结构，衬板5包括第一金属层、第二金属层和位于第一金属层与第二金属层之间的绝缘材料层。第一金属层和第二金属层的材质为金属，起到导电导热作用。绝缘材料层的材质为绝缘材料，包括但不限于陶瓷、树脂材料。
如图4所示，本发明的功率模块还包括散热器7，半导体器件4及导电线或导电片设置在第一金属层上，第二金属层焊接或烧结至散热器7上。散热器7的背部设置有圆形或椭圆形的伸出端，可选地，伸出端可以为长条状或翅片状。
如图4所示，本发明的功率模块还包括温度检测元件9和信号端子8，半导体器件4的栅极或源极通过键合线6电连接至信号端子8。可选地，半导体器件4根据开关速度及应用要求，本发明的功率模块还可增加电阻元件。
如图4所示，本发明的功率模块还包含外壳10，外壳10具有绝缘、支撑、安装及保护的功能，半导体器件4及其感应元件设置在外壳10内部及外部传导电流，外壳10通过热固环氧树脂的方式进行包封。
需要说明的是，由于考虑半导体器件4间的热耦合，环形排列的半导体器件4间距也存在路径差异。由于上桥臂的汇入汇出方向对向设置，故近端跟远端芯片路径相当。下桥臂由于汇流设置在圆心，会出现路径长短不一。
可选的，提出一种解决方案，在负极，靠近远端的半导体器件4键合位置朝负极远端出口打线，近端的半导体器件4朝负极的近端打线。因此，该布局下的能够适应多器件的并联，且能多角度高度对称，调整打线距离来保证换流路径一致性。且半导体器件4间距能错开，降低各半导体器件4的热耦合，本发明亦有较低的寄生电感，能够降低高速开关带来的换流回路电压尖峰的问题。从而带来较好的电气跟热特性。
实施例一
本实施例提供的功率模块，具备较好的均流特性跟散热特性。
如图1、图2和图4所示，本实施例的功率模块为半桥模块，其中衬板5以中心为圆心，分成至少3个圆环，衬板5的3个圆环分别代表正极区域1’、交流区域3’和负极区域2’，3个圆环共圆心，如图1所示，该衬板5的圆做虚拟的分割线，将圆做18份等分的扇形区域，上桥臂的半导体器件4设置在衬板5的正极区域1’上，每颗半导体器件4位于一根等分线上(可选的，亦可以设置在两根相邻的扇形区域中)，每相邻的两颗半导体器件4之间间隔一根等分线。相邻的两颗半导体器件4之间的角度是相邻的两根等分线之间的角度的2倍，根据需要并联的芯片内数量以此类推进行布置。同步地，下桥臂的半导体器件4设置在衬板5的交流区域3’上，每颗半导体器件4位于一根等分线上，每相邻的两颗半导体器件4之间间隔一根等分线，下桥臂的相邻的两颗半导体器件4之间的角度是相邻的两根等分线之间的角度的2倍。
而且，如图1所示，上桥臂的半导体器件4与下桥臂的半导体器件4为交错排布，即下桥臂的每个半导体器件4位于一根等分线上，该等分线是位于上桥臂的相邻的两颗半导体器件4之间；上桥臂的每个半导体器件4位于一根等分线上，该等分线是位于下桥臂的相邻的两颗半导体器件4之间。半导体器件4采用这种交错的方式进行排布，可以更好的实现热解耦。
如图1所示，并联的半导体器件4参照圆环理想的等分圆对称且轴对称，被分配成至少2组。
如图4所示，上桥臂的半导体器件4通过键合线6电连接至交流区域3’，由于圆对称，电连接至交流区域3’的所有键合线6均相等。同步地，位于交流区域3’的半导体器件4通过键合线6电连接至衬板5的负极区域2’，由于圆对称，电连接至负极区域2’的所有键合线6长度亦相等。
半导体器件4的正面设置金属缓冲层，为键合铜线或铜带起到保护跟缓冲的作用。或者通过铜桥的方式进行焊接。
如图4所示，衬板5的正极区域1’设置的半导体器件4，其工艺为银烧结或者焊接。正极区域1’的半导体器件4正面金属缓冲层上通过键合线6进行电气连接，电连接至衬板5的交流区域3’，从交流端子3汇出。交流区域3’的半导体器件4正面金属缓冲层上通过键合线6进行电气连接，电连接至衬板5的负极区域2’，最后从负极端子22汇出。形成一个半桥拓扑。
如图4所示，半导体器件4的栅极或源极通过键合线电连接至信号端子8，信号端子8伸出模块的外部。
如图4所示，温度检测元件9设置在其中一颗半导体器件4的近端，温度检测元件9可以更好的检测工作中半导体器件4的温度，以便***进行保护控制。
如图4所示，衬板5承载半导体器件4、键合线6、温度检测元件9和引线框架，还可以承载电阻元件。引线框架包括正极端子1、负极端子2、交流端子3以及信号端子8。信号端子8实现包括栅极、源极、温度传感或漏极检测的功能。引线框架的各功率及信号端子8用于模块的内外部的电气连接。
衬板5为复合三明治结构，衬板5包括第一金属层、第二金属层和绝缘材料层，绝缘材料层位于第一金属层与第二金属层之间。半导体器件4、键合线6设置在第一金属层上，第二金属层焊接或烧结至散热器7上。
如图4所示，衬板5、半导体器件4和温度检测元件9设置在外壳10内部，外壳10通过热固环氧树脂的方式进行包封，设置环氧树脂用于保护模块内的半导体器件4、温度检测元件9、电阻元件及其电路免受湿气、灰尘等赃物或者物理破坏。
实施例二
如图2所示，交流区域3’与正极区域1’、负极区域2’对向设置的情况，多颗并联的半导体器件4分别到负极端子2的路径不等长，这会导致下桥臂的半导体器件4不均流。
因此在本实施例中，为了解决下桥臂的半导体器件4不均流的这个问题，如图3所示，即靠近交流区域3’的键合线6-3连接在负极区域2’汇出端的远端，远离交流端子3的半导体器件4的键合线6-1连接至负极区域2’汇出口的近端。中间的半导体器件4介于两者之间的键合线6-2，依次靠近负极区域2’汇出口的近端。这样能够平衡各半导体器件4到负极端子2的路径长度，使其保持一致。从而来更好的提高多器件并联的开关均流特性。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具备均流特性布局的功率模块，包括衬板和半导体器件，其特征在于：所述半导体器件在所述衬板上至少布置两组且每组的所有半导体器件呈环形布置，所有半导体器件相对于衬板中心为圆对称。
2.根据权利要求1所述的具备均流特性布局的功率模块，其特征在于：还包括引线框架，引线框架包括正极端子、负极端子和交流端子，所述衬板包括形状为环形的正极区域、交流区域和负极区域，正极端子电连接到正极区域，负极端子电连接到负极区域，交流端子电连接到交流区域。
3.根据权利要求2所述的具备均流特性布局的功率模块，其特征在于：所述衬板上，从所述正极区域到所述交流区域的上桥臂的所述半导体器件通过导电线或导电片电连接至交流区域，所有导电线或片朝向衬板圆心汇聚；从所述交流区域到所述负极区域的下桥臂的所述半导体器件通过导电线或导电片电连接至负极区域，所有导电线或片朝向衬板圆心汇聚。
4.根据权利要求3所述的具备均流特性布局的功率模块，其特征在于：所述衬板的圆环上以圆心为开始点，将360度等分成若干份扇形，且所述上桥臂和所述下桥臂的圆环共圆心，所述半导体器件设置在圆环的等分线上或等分区域中呈环形布置。
5.根据权利要求4所述的具备均流特性布局的功率模块，其特征在于：所述上桥臂的所述半导体器件与所述下桥臂的所述半导体器件为交错排布。
6.根据权利要求4所述的具备均流特性布局的功率模块，其特征在于：所述半导体器件设置在所述衬板的辅助等分线上，等分份数为若干份。
7.根据权利要求1至6任一所述的具备均流特性布局的功率模块，其特征在于：所述衬板为复合三明治结构，衬板包括第一金属层、第二金属层和位于第一金属层与第二金属层之间的绝缘材料层。
8.根据权利要求7所述的具备均流特性布局的功率模块，其特征在于：还包括散热器，所述半导体器件及导电线或导电片设置在所述第一金属层上，所述第二金属层焊接或烧结至散热器上。
9.根据权利要求1至8任一所述的具备均流特性布局的功率模块，其特征在于：还包括温度检测元件和信号端子，所述半导体器件的栅极或源极通过键合线电连接至信号端子。
10.根据权利要求1至9任一所述的具备均流特性布局的功率模块，其特征在于：还包含外壳，所述半导体器件和所述衬板位于外壳内部，外壳通过热固环氧树脂的方式进行包封。
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