一種最優化的智能功率模塊的功率封裝結構的製作方法

2023-10-22 18:40:47 4

專利名稱：一種最優化的智能功率模塊的功率封裝結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種最優化的智能功率模塊(IPM)功率封裝結構，特別涉及利用最優 化的電路實現功率部分器件的低寄生電感、最小化的線路互感效應，並同時在模塊內封裝 入吸收電容以發揮該電容的最大功能。
背景技術：
智能功率模塊，S卩IPMdntelligent Power Module)，不僅把功率開關器件IGBT和 驅動電路集成在一起，而且還具有欠電壓、過電流和過熱等故障檢測、保護功能，並可將錯 誤信號輸出至CPU。因此在系統發生負載事故或使用不當情況下，也可以保證IPM自身不受 損壞。IPM以其高可靠性、低損耗、低開發成本正贏得越來越大的市場，尤其適合於驅動電機 的變頻器和各種逆變電源。它是變頻調速，冶金機械，電力牽引，伺服驅動，變頻家電的一種 非常理想的電力電子器件。IPM發展至今，其體積在縮小，晶片損耗正在逐步減小，功能越來越完善。但與傳統 分立模塊相比，IPM大多採用專用驅動晶片配以合適門極電阻一體式封裝入模塊之中。驅動 晶片的固有觸發工作特性及一體化封裝的門極電阻無法隨意改變，因此IPM無法實現軟關 斷功能。這使得IPM實際工作時，尤其在大電流甚至短路條件下關斷時，器件兩端承受較高 的電壓過衝。現有封裝結構中，在實際電路結構上寄生電感較大，未實現較好的低寄生電感 情況下，即使IPM模塊擁有自保護功能，但由於軟關斷無法實現，所以真正短路或過載條件 下，功率器件關斷時電壓過衝過高，在惡劣情況下仍然會使得功率側超壓，導致器件失效。上述的IGBT在關斷時，由於線路寄生電感的存在，其集電極C與發射極E之間需 要承受一個電壓過衝，其值為母線直流電壓Vdc與寄生電感兩端由於電流變化率產生的瞬 間電壓Vsp之和Vrm = Vdc+Vsp顯然，降低寄生電感值，可以有效的抑制相同電流變化率的條件下所帶來的電壓 過衝:Vsp = LsXdi/dt引線框直接焊接的形式，另一方面也使得功率器件的散熱更為優異。通過引線框 這一側，功率器件將工作過程中的一部分熱量傳導至外部連接PCB，使得功率器件實現多維 化散熱。功率器件所生產的熱量，通過底板與引線框分別散熱Ptot = Pu+PdPu為通過引線框散熱之能能量，Pd為通過底板散熱之能量。當引線框散熱而總的 耗散能量恆定情況下，Pd可以有效降低。由熱阻公式可以看到Tj = Pd/Rth+Tc在相同的散熱條件下，模塊運行最高結溫可以有效降低，進而使得模塊工作更安 全，也延長了模塊的有效工作壽命。

發明內容
本發明的目的是設計出一種最優化的智能功率模塊的功率封裝結構。本發明要解決的是現有IPM模塊無法實現軟關斷功能，在實際工作時，尤其是在 大電流、甚至短路條件下關斷時，器件兩端承受較高的電壓過衝，導致器件失效的問題。本 發明針對MOSFET型和IGBT型IPM模塊功率封裝進行了最優化的設計。本發明的技術方案是包括基板，最優化的電路拓撲布局，功率器件和吸收電容， 功率器件安裝於基板上，吸收電容封裝於電路拓撲布局最靠近功率器件的P端和N端。基板上還包括驅動晶片、保護和控制電路晶片。引線框直接焊接在功率器件上，以 有效降低封裝線路寄生電感。基板上安裝的功率器件是P型MOSFET器件和N型MOSFET器件，P型MOSFET器 件、N型MOSFET器件與輸出側連接電路連接，在P型MOSFET器件直接焊接有上橋臂源極連 接引線框，電路中為直流側負極P，在N型MOSFET器件上直接焊接有下橋臂源極連接引線 框，電路中為直流側正極N，上橋臂源極連接引線框與下橋臂源極引線框為平行設置；吸收 電容內置於最靠近P型MOSFET器件的P端和N型MOSFET器件的N端，且直接焊接在上橋 臂源極連接引線框和下橋臂源極連接引線框的的表面，使得吸收電容引腳位置最靠近P型 MOSFET器件、N型MOSFET器件。基板上安裝的功率器件或者是IGB器件，包括上管IGBT器件和下管IGBT器件，上 管IGBT門極與引線框焊接連接，單相下管IGBT門極直接焊接於底層電路，上管IGBT集電 極在電路中作為P極，下管IGBT發射極在電路中作為N極，P極、N極自基板上引出，為相互 平行走線；吸收電容內置且直接焊接在最靠近上管IGBT器件和下管IGBT器件上，使吸收電 容引腳位置靠近上管IGBT器件和下管IGBT器件。本發明的優點由於本發明所提供的一種最優化的智能功率模塊的功率封裝結 構，在實現傳統IPM模塊驅動、保護功能的基礎上，進一步優化其功率側封裝，降低封裝中 的電路寄生電感並放置吸收電容，大大降低電壓過衝過高對器件失效的潛在威脅，也降低 了系統設計中對功率器件裕量的要求，提高系統的可靠性。


圖1是本發明MOSFET型IPM的優化封裝結構三維立體示意圖。圖2是本發明MOSFET型IPM的優化封裝結構上視圖。圖3是本發明MOSFET型IPM的優化封裝結構正視圖。圖4是本發明MOSFET型IPM的優化封裝結構內部電流迴路示意圖。圖5是本發明IGBT型IPM的優化封裝結構三維立體示意圖。圖6是本發明IGBT型IPM的優化封裝結構上視圖。圖7是本發明IGBT型IPM的優化封裝結構正視圖。圖8是本發明IGBT型IPM的優化封裝結構內部電流迴路示意。圖9是本發明最優化封裝結構內置吸收電容與線路寄生電感示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的說明。
如圖所示，本發明包括基板，最優化的電路拓撲布局，功率器件和吸收電容，功率 器件安裝於基板上，其特徵在於收電容封裝於電路拓撲布局最靠近功率器件的P端和N端。 基板上還包括驅動晶片、保護和控制電路晶片。引線框直接焊接在功率器件上，以有效降低 封裝線路寄生電感。現具體來說明MOSFET型和IGBT型IPM最優化的功率封裝結構。如圖1到圖3所示，為MOSFET型IPM的封裝結構，採用P型和N型MOSFET分別作 功率側單相電路的上、下橋臂。圖中，1表示功率模塊的基板，2表示單相功率電路的輸出側 連接電路，3表示P型MOSFET器件，4表示N型MOSFET器件，5表示內置吸收電容，6表示P 型MOSFET器件的源極連接引線框，電路中為直流側正極(P)，7表示N型MOSFET器件的源 極連接引線框，電路中為直流側負極(N)。從圖2可以看到，MOSFET型IPM模塊的上橋臂源極連接引線框6與下橋臂源極引 線框7為平行放置，並與功率器件直接焊接連接，不僅將線路寄生電感降至最小，且在模塊 實際工作中這兩條線路帶來的互感效應降至最低。這由圖4可以直觀看出。圖3所示，可以看到內置的吸收電容5直接焊接在三相逆變電路上橋臂源極連接 引線框6與下橋臂源極引線框7的表面，也是該相電路的P-N點，使得吸收電容引腳位置最 靠近功率器件。如圖5所示，IGBT型IPM模塊與MOSFET型IPM模塊一致，IGBT反並聯續流二極體 使用。圖5中所示，8為功率模塊的基板，9為上管IGBT集電極，即為三相逆變電路之P極， 10為下管IGBT發射極，即為三相逆變電路之N極，11為單相上管IGBT器件，12為單相下管 IGBT器件，13為單相輸出端引線框，14為吸收電容，15為上管IGBT門極焊接引線框。圖5可以看到，首先，對於單相上、下橋臂的功率器件，需要相反放置。單相上管 IGBT門極與引線框15焊接連接，下管IGBT門極直接焊接於底層電路。從圖7可以看到IGBT型IPM模塊的三相逆變拓撲結構之P、N極(端)自基板8 上引出，為相互平行走線形式，而輸出端與引線框焊接形式連接，與P、N走線為十字交叉形 式。這樣的走線布局可以將線路的寄生電感降低，且工作時互感效應影響也相應減小。這 在圖8中可以更為直觀的看到。圖6所示電路中，可以看到內置的吸收電容14直接焊接在最靠近單相上管IGBT 器件11、單相下管IGBT器件12的DBC或者IMS板底部電路迴路上。吸收電容14的一端為 上管IGBT器件的集電極，另一端為下管IGBT器件的發射極。這兩端也是該相電路的P-N 點，吸收電容14引腳位置已是最靠近功率器件。圖9是最優化封裝內置吸收電容14與寄生電感的示意圖，可以看到，傳統的外置 吸收電容在外部放置，雖然是在電路拓撲上下管之P-N之間，但是由於此迴路中存在功率 器件封裝的內部線路寄生電感LP1、LCI、LEI、LC2、LE2、LNl，且外部功率側連接線路亦存在 寄生電感LP2、LN2。因此，實際功率器件關斷時，上管集電極與下管發射極所承受的電壓過 衝是非常高的。而最優化的功率封裝是將吸收電容內置，並且以直接引線框焊接的形式實現上下 管晶片的電氣連接，將寄生電感LE1、LC2降至最低。而這樣的形式，可以將功率器件連接所 產生的寄生電感LP1、LCU LEU LC2、LE2、LNl,以及外部線路連接所產生的寄生電感LP2、 LN2完全的隔離於吸收電容的外側。
由此可以看到，該吸收電容可以最有效的發揮吸收電壓過衝的效果，有效的降低 功率晶片所真正承受的電壓過衝值。這使得功率器件關斷條件下由於線路電感引起的電壓 過衝得以有效抑制。降低電壓過衝使得功率器件關斷損耗得以降低的同時，更提高了其工 作的安全性，也使得專用型驅動晶片無法在大電流甚至短路條件下對功率晶片進行軟關斷 的問題得到有效改善。 針對MOSFET器件和IGBT器件的不同，本發明針對性的對電路布局進行優化設計， 使得模塊正常工作時線路間互感效應有效降低。同時降低系統EMI、減小高頻條件下驅動 IC受幹擾程度。
權利要求
1.一種最優化的智能功率模塊的功率封裝結構，包括基板，最優化的電路拓撲布局，功 率器件和吸收電容，功率器件安裝於基板上，其特徵在於吸收電容封裝於電路拓撲布局中 最靠近功率器件的P端和N端。
2.根據權利要求1所述的最優化的智能功率模塊的功率封裝結構，其特徵在於基板上 還包括驅動晶片、保護和控制電路晶片。
3.根據權利要求1所述的最優化的智能功率模塊的功率封裝結構，其特徵在於引線框 直接焊接在功率器件上，以有效降低封裝線路寄生電感。
4.根據權利要求1所述的最優化的智能功率模塊的功率封裝結構，其特徵在於基板上 安裝的功率器件是P型MOSFET器件和N型MOSFET器件，P型MOSFET器件、N型MOSFET器件 與輸出側連接電路連接，在P型MOSFET器件直接焊接有上橋臂源極連接引線框，電路中為 直流側負極P，在N型MOSFET器件上直接焊接有下橋臂源極連接引線框，電路中為直流側正 極N，上橋臂源極連接引線框與下橋臂源極引線框為平行設置；吸收電容內置於最靠近P型 MOSFET器件的P端和N型MOSFET器件的N端，且直接焊接在上橋臂源極連接引線框和下橋 臂源極連接引線框的的表面，使得吸收電容引腳位置最靠近P型MOSFET器件、N型MOSFET 器件。
5.根據權利要求1所述的最優化的智能功率模塊的功率封裝結構，其特徵在於基板上 安裝的功率器件是IGB器件，包括上管IGBT器件和下管IGBT器件，上管IGBT門極與引線框 焊接連接，單相下管IGBT門極直接焊接於底層電路，上管IGBT集電極在電路中作為P極， 下管IGBT發射極在電路中作為N極，P極、N極自基板上引出，為相互平行走線；吸收電容 內置且直接焊接在最靠近上管IGBT器件和下管IGBT器件上，使吸收電容引腳位置靠近上 管IGBT器件和下管IGBT器件。
全文摘要
本發明提供了一種最優化的智能功率模塊的功率封裝結構，採用引線框直接焊接的形式實現模塊內部電路拓撲結構，且在模塊內部最靠近功率器件位置設置吸收電容。本發明大大降低電壓過衝過高對器件失效的潛在威脅，也降低了系統設計中對功率器件裕量的要求，提高系統的可靠性。
文檔編號H01L23/28GK102064161SQ201010540330
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月12日 優先權日2010年11月12日
發明者戴志展, 汪水明 申請人:嘉興斯達微電子有限公司