CN117913064A - 全桥封装功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全桥封装功率模块，利用层叠布置的基板代替键合线，不仅能够提升功率回路连接的可靠性，还能有效降低寄生电感，并且基板相比键合线，能够将芯片产生的热量更好地传导出去；上层基板背面用于设置功率电路，正面用于设置信号回路以连接芯片的信号接口，充分利用了芯片的上方空间，有效减小了全桥封装功率模块的体积，使得功率模块轻量化、小型化和高密度集成化；单块下层基板的全桥封装结构，减小功率端子的走线空间以及布置间隙，进一步实现了功率模块的轻量化、小型化设计。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子器件技术领域，特别涉及一种全桥封装功率模块。
背景技术
现有的功率模块通常采用引线键合工艺来实现内部复杂的互连，当模块内部集成的芯片数量较多时，键合线的数量会非常庞大，因此也会带来较大的寄生电感，另外，功率器件关断时，寄生电感中存在的电能会导致电压尖峰和振荡，增加器件的损耗。为保障功率模块安全运行，在对其封装结构设计时，不仅需要考虑内部互连的电流能力，还需要尽可能减小封装寄生电感。同时，功率模块正朝着轻量化、小型化和高密度集成化方向发展。
发明内容
本发明旨在提供一种全桥封装功率模块，以解决现有功率模块所存在的一个或多个问题。
为实现上述目的，本发明提供一种全桥封装功率模块，包括：上层基板、下层基板及功率芯片；
所述下层基板沿第一方向具有相对的第一端及第二端，所述第一端及所述第二端分别布置有三相输出功率端子和直流电功率端子，所述功率芯片设置于所述下层基板上，所述上层基板层叠设置于所述下层基板设有所述功率芯片的一面，且暴露出所述下层基板的所述第一端及所述第二端；
所述上层基板靠近所述功率芯片的一面具有功率电路，所述上层基板远离所述功率芯片的一面具有信号回路，所述功率电路、所述功率芯片及所述下层基板共同形成完整的功率回路，所述信号回路通过引线与所述功率芯片的信号接口键合。
可选的，在所述的全桥封装功率模块中，所述下层基板包括沿第二方向依次划分的三个子区域，三个所述子区域内所述功率芯片的排布方式相同，且每个所述子区域内设置有两组所述功率芯片，两组所述功率芯片在所述第一方向上对称分布；
所述功率回路对应于所述功率芯片的分布而大致呈中心对称分布；
其中，所述第二方向垂直于所述第一方向。
可选的，在所述的全桥封装功率模块中，所述三相输出功率端子的u相、v相及w相分别位于三个所述子区域的所述第一端，且所述u相和所述w相关于所述v相对称分布。
可选的，在所述的全桥封装功率模块中，所述直流电功率端子包括两个负端和一个正端，两个所述负端在所述第二方向上关于所述正端对称分布，或者，所述直流电功率端子包括两个正端和一个负端，两个所述正端在所述第二方向上关于所述负端对称分布。
可选的，在所述的全桥封装功率模块中，所述全桥封装功率模块还包括芯片垫片和基板垫片，所述基板垫片设于所述下层基板上，所述芯片垫片设于所述功率芯片上，所述基板垫片和芯片垫片对所述上层基板起到机械支撑作用，以及实现所述功率回路的电气连接。
可选的，在所述的全桥封装功率模块中，所述芯片垫片和所述基板垫片的材料为导电金属或合金。
可选的，在所述的全桥封装功率模块中，所述功率芯片为绝缘栅双极晶体管芯片和二极管芯片的组合，所述绝缘栅双极晶体管芯片和所述二极管芯片分别设置，或者两者集成于一体。
可选的，在所述的全桥封装功率模块中，所述功率芯片为金属氧化物半导体场效应晶体管芯片。
可选的，在所述的全桥封装功率模块中，所述上层基板及所述下层基板分别为活性金属钎焊陶瓷基板、直接覆铜陶瓷基板、直接镀铜陶瓷基板和直接覆铝陶瓷基板中的一种。
可选的，在所述的全桥封装功率模块中，所述下层基板为活性金属钎焊陶瓷基板，所述上层基板为直接覆铜陶瓷基板。
综上所述，本发明提供的全桥封装功率模块，包括：下层基板、上层基板及功率芯片；所述下层基板沿第一方向具有相对的第一端及第二端，所述第一端及所述第二端分别布置有三相输出功率端子和直流电功率端子，所述功率芯片设置于所述下层基板，所述上层基板层叠设置于所述下层基板设有所述功率芯片的一面，且所述上层基板在所述第一方向的尺寸小于所述下层基板在所述第一方向上的尺寸，以使得所述功率芯片的信号接口于所述第一端和所述第二端露出；所述上层基板靠近所述功率芯片的一面具有功率电路，所述上层基板远离所述功率芯片的一面具有信号回路，所述功率电路、所述功率芯片及所述下层基板共同形成完整的功率回路，所述信号回路通过引线与所述功率芯片的信号接口键合。本发明提供的全桥封装功率模块，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)利用层叠布置的基板代替键合线，不仅能够提升功率回路连接的可靠性，还能有效降低寄生电感，并且基板相比键合线，能够将芯片产生的热量更好地传导出去；
(2)上层基板背面用于连接功率回路，正面用于连接芯片的信号接口，充分利用了芯片上方的空间，有效减小了全桥封装功率模块的体积，使得功率模块轻量化、小型化和高密度集成化。
(3)单块下层基板的全桥封装结构，减小直流电功率端子(T+T-)的走线空间以及布置间隙，进一步实现了功率模块的轻量化、小型化设计。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定，其中：
图1为本发明实施例提供的全桥封装功率模块的***图；
图2为本发明实施例提供的全桥封装功率模块的俯视图；
图3～10为本发明实施例中封装过程中各步骤所对应的封装结构示意图；
图11为本发明实施例提供的全桥封装功率模块在进行塑封后的开槽位置示意图；
各附图中：
1-下层基板；2-上层基板；3-功率芯片；4-基板垫片；5-芯片垫片；6-银烧结层；
31-IGBT芯片；32-Diode；
11-浆料；
21-背面；22-正面；23-导电胶；24-Drain pad；25-NTC。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。此外，如在本发明中所使用的，“安装”、“相连”、“连接”，一元件“设置”于另一元件，应做广义理解，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。
如图1及图2所示，本发明实施例提供一种全桥封装功率模块，所述全桥封装功率模块包括：下层基板1、上层基板2及功率芯片3；所述下层基板1沿第一方向具有相对的第一端及第二端，所述第一端及所述第二端分别布置有三相输出功率端子(U、V、W)和直流电功率端子(T+、T-)，所述功率芯片3设置于所述下层基板1上，所述上层基板2层叠设置于所述下层基板1设有所述功率芯片3的一面，且暴露出所述下层基板1的所述第一端及所述第二端；
所述上层基板2靠近所述功率芯片3的一面(可理解为如图1所示的所述上层基板2的背面)具有功率电路，所述上层基板2远离所述功率芯片3的一面(可理解为如图1所示的所述上层基板2的正面)具有信号回路，所述功率电路、所述功率芯片3及所述下层基板1共同形成完整的功率回路，所述信号回路通过引线与所述功率芯片的信号接口键合。
所述信号回路可由所述上层基板2的正面通过刻蚀形成，所述信号回路的信号接口与所述功率芯片的信号接口一一对应，所述信号接口可包括如图2中所示的如下信号接口：
CS：Current Sense，用于检测芯片电流情况；
TSA：Temp Sensor Anode，用于检测单颗芯片温度；
G：Gate，芯片的门极信号接口；
E：Emitter，芯片的发射极信号接口；
此外，还可在所述上层基板2的正面设置：
NTC：温度传感器，用于检测整个模块的温度；
Drain pad：漏极信号接口。
本发明实施例提供的所述全桥封装功率模块，利用层叠布置的基板代替键合线，不仅能够提升功率回路连接的可靠性，还能有效降低寄生电感，并且基板相比键合线，能够将芯片产生的热量更好地传导出去，下层基板背面用于设置功率电路，正面用于设置信号回路以连接芯片的信号接口，充分利用了芯片上方的空间，有效减小了全桥封装功率模块的体积，使得功率模块轻量化、小型化和高密度集成化；另外，单块下层基板的全桥封装结构，减小功率端子的走线空间以及布置间隙，进一步实现了功率模块的轻量化、小型化设计。
较佳的，本发明实施例提供的全桥封装功率模块还包括基板垫片4及芯片垫片5，所述基板垫片4设于所述下层基板1上，所述芯片垫片5设于所述功率芯片3上，所述基板垫片4和所述芯片垫片5对所述上层基板2起到机械支撑的作用，以及用于实现所述上层基板2的背面的功率电路与所述下层基板1及所述功率芯片3之间的电气连接。
即，所述基板垫片4和所述芯片垫片5的设置一方面起到机械支撑的作用，另一方面起到导电的作用。可选的，所述基板垫片4和所述芯片垫片5均为导电金属或合金垫片。在另外一些实施例中，所述基板垫片4和所述芯片垫片5也可以是其它非金属导电材料。
可选的，所述功率芯片3、所述基板垫片4、所述芯片垫片5及所述上层基板2均采用烧结银工艺设置。通过烧结银工艺形成银烧结层6，以实现所述功率芯片3与所述下层基板1、所述上层基板2的电气连接。在另外一些实施例中，也可以将烧结银更换为焊料、焊片、烧结铜等其他连接材料。
本实施例提供的全桥封装功率模块可以有多种场景下的应用，例如，所述功率芯片3可以为绝缘栅双极晶体管(IGBT)芯片和二极管(Diode)芯片的组合，IGBT芯片和Diode芯片分别设置，或者IGBT芯片和Diode芯片集成于一体，该集成于一体的芯片也可称之为逆导型IGBT(RC IGBT，reverse conducting IGBT)；另外，所述功率芯片3也可以是金属氧化物半导体场效应晶体管芯片(MOSFET)芯片等。图2中所示是以所述功率芯片3包括IGBT芯片31和Diode芯片32，且IGBT芯片31和Diode芯片32分别设置做出示例。
可选的，所述下层基板1及所述上层基板2分别采用活性金属钎焊陶瓷(AMB，Active metal brazing)基板、直接覆铜陶瓷(DBC，Direct bonded copper)基板、直接覆铝陶瓷(DBA，Direct bonded aluminum)基板及直接镀铜陶瓷(DPC，Direct Plating Coppersubstrate)基板中的一种，但出于对于经济效益及模块性能的综合考虑，在较佳实施方式中，所述下层基板1采用AMB基板，所述上层基板2采用DBC基板。
较佳的，本发明提供的全桥封装功率模块采用大致对称布置。具体而言，所述下层基板1包括沿第二方向依次划分的三个子区域，所述第二方向垂直于所述第一方向，三个所述子区域内所述功率芯片3的排布方式相同，且每个所述子区域内设置有两组所述功率芯片3每个所述子区域内的两组功率芯片3在所述第一方向上对称分布；所述功率回路对应于所述功率芯片3的分布而大致呈中心对称分布。
例如，如图2中所示，每个子区域中，一个IGBT芯片31和Diode芯片32构成一个芯片组合，各组均采用IGBT芯片31布置于外侧，Diode芯片32布置于内侧的设计，从而两个芯片组合呈对称布置。
不对称的封装模块的布置将会使功率回路的寄生参数不一致，难以预测芯片切换过程中的均流程度，使得芯片安全关闭的控制过程变得复杂，严重时会导致其中一颗芯片出现电流过载而损伤芯片。本发明实施例提供的全桥封装功率模块，利用层叠布置的基板代替键合线，可以降低回路的杂散电感、寄生电阻，以及减少打线数量，因此可以提高功率模块使用的可靠性。
进一步较佳的，所述三相输出功率端子的u相、v相及w相分别位于三个所述子区域的所述第一端，且所述u相和所述w相关于所述v相对称分布；所述直流电功率端子包括一个正端(T+)和两个负端(T-)，两个所述负端在第二方向关于所述正端对称分布，或者，所述直流电功率端子包括两个正端和一个负端，两个所述正端在第二方向上关于所述负端对称分布。如此，可使得所述下层基板整体呈现对称设计，另外，所述直流电功率端子两个正端和一个负端，或一个正端两个负端的设计，可使得所述下层基板1的所述第二端能够布置层叠铜排，从而可以进一步降低寄生电感，增强模块的可靠性及散热能力。
以下结合一具体封装过程对本发明实施例提供的全桥封装功率模块作进一步详细描述。
首先，提供一下层基板1，该下层基板在第一方向上的两端分别刻蚀出各自对称的三相输出功率端子和直流电功率端子，且该下层基板1上通过印刷浆料沿第二方向划分出三个重复布置的子区域，三个子区域内用于安装功率芯片3及基板垫片4的区域排布位置及大小完全相同，每个子区域中分别用于安装两组所述功率芯片3，且每个子区域中，在第一方向上，两个用于安装功率芯片3的区域关于用于安装所述基板垫片4的区域对称布置。如图1中所示，每个子区域中，A区域用于设置IGBT芯片、B区域用于设置二极管芯片，C区域用于设置基板垫片4，且两个A区域关于C区域对称分布，两个B区域也关于C区域对称分布。
其次，如图4所示，将IGBT芯片31设置在A区域，将Diode芯片32设置于B区域，将基板垫片4设置于C区域。
接着，如图5所示，在芯片印刷浆料或在芯片垫片5表面预涂敷银浆或粘贴银膜后，如图6所示，在IGBT芯片31及Diode芯片32上分别设置芯片垫片5。
而后，如图7所示，在上层基板2背面21形成与所述下层基板1的芯片及垫片布置相对应的功率电路，所述功率电路、所述功率芯片3及所述下层基板1共同形成完整的功率回路，以及，如图8所示，在上层基板2正面22形成信号回路，并将所述上层基板2层叠设置于所述下层基板1的上方，所述功率电路和所述信号回路可通过刻蚀的方法形成。
之后，如图9所示，在所述上层基板2正面的相应位置涂敷导电胶，以及，如图10所示，在不同位置的导电胶上设置NTC25，以及设置Drain pad24等，并结合引线键合工艺，将所述上层基板2正面的相应接口与所述功率芯片3的信号接口键合，图10中所示，未示出引线的设置，键合方式可具体请参考图2。
最后，如图11所示，对整个封装结构进行塑封，并在相应位置开槽，以使得各信号接口暴露出来，如此便完成整个封装工艺。
综上所述，本发明提供的全桥封装功率模块，利用层叠布置的基板代替键合线，不仅能够提升功率回路连接的可靠性，还能有效降低寄生电感，并且基板相比键合线，能够将芯片产生的热量更好地传导出去；上层基板背面用于设置功率电路，正面用于设置功率回路以连接芯片的信号接口，充分利用了芯片的上方空间，有效减小了全桥封装功率模块的体积，使得功率模块轻量化、小型化和高密度集成化；另外，单块下层基板的全桥封装结构，减小功率端子的走线空间以及布置间隙，进一步实现了功率模块的轻量化和小型化设计。
此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (10)
1.一种全桥封装功率模块，其特征在于，包括：上层基板、下层基板及功率芯片；
所述下层基板沿第一方向具有相对的第一端及第二端，所述第一端及所述第二端分别布置有三相输出功率端子和直流电功率端子，所述功率芯片设置于所述下层基板上，所述上层基板层叠设置于所述下层基板设有所述功率芯片的一面，且暴露出所述下层基板的所述第一端及所述第二端；
所述上层基板靠近所述功率芯片的一面具有功率电路，所述上层基板远离所述功率芯片的一面具有信号回路，所述功率电路、所述功率芯片及所述下层基板共同形成完整的功率回路，所述信号回路通过引线与所述功率芯片的信号接口键合。
2.如权利要求1所述的全桥封装功率模块，其特征在于，所述下层基板包括沿第二方向依次划分的三个子区域，三个所述子区域内所述功率芯片的排布方式相同，且每个所述子区域内设置有两组所述功率芯片，两组所述功率芯片在所述第一方向上对称分布；
所述功率回路对应于所述功率芯片的分布而大致呈中心对称分布；
其中，所述第二方向垂直于所述第一方向。
3.如权利要求2所述的全桥封装功率模块，其特征在于，所述三相输出功率端子的u相、v相及w相分别位于三个所述子区域的所述第一端，且所述u相和所述w相关于所述v相对称分布。
4.如权利要求2所述的全桥封装功率模块，其特征在于，所述直流电功率端子包括两个负端和一个正端，两个所述负端在所述第二方向上关于所述正端对称分布，或者，所述直流电功率端子包括两个正端和一个负端，两个所述正端在所述第二方向上关于所述负端对称分布。
5.如权利要求1所述的全桥封装功率模块，其特征在于，所述全桥封装功率模块还包括芯片垫片和基板垫片，所述基板垫片设于所述下层基板上，所述芯片垫片设于所述功率芯片上，所述基板垫片和芯片垫片对所述上层基板起到机械支撑作用，以及实现所述功率回路的电气连接。
6.如权利要求1所述的全桥封装功率模块，其特征在于，所述芯片垫片和所述基板垫片的材料为导电金属或合金。
7.如权利要求1所述的全桥封装功率模块，其特征在于，所述功率芯片为绝缘栅双极晶体管芯片和二极管芯片的组合，所述绝缘栅双极晶体管芯片和所述二极管芯片分别设置，或者两者集成于一体。
8.如权利要求1所述的全桥封装功率模块，其特征在于，所述功率芯片为金属氧化物半导体场效应晶体管芯片。
9.如权利要求1所述的全桥封装功率模块，其特征在于，所述上层基板及所述下层基板分别为活性金属钎焊陶瓷基板、直接覆铜陶瓷基板、直接镀铜陶瓷基板和直接覆铝陶瓷基板中的一种。
10.如权利要求9所述的全桥封装功率模块，其特征在于，所述下层基板为活性金属钎焊陶瓷基板，所述上层基板为直接覆铜陶瓷基板。
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