一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊的製作方法

2023-10-26 02:40:07 1

本實用新型涉及功率半導體模塊，尤其涉及一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊。

背景技術：

全球能源危機與氣候變暖的威脅讓人們在追求經濟發展的同時越來越重視節能減排、低碳發展。隨著綠色環保在國際上的確立與推進，功率半導體的發展、應用前景更加廣闊。

當前功率模塊的功率等級不斷提高，儘管現在功率器件的電流、電壓等級不斷提升，但單個功率器件仍然無法滿足大功率變流器的需求，於是功率模塊內部器件的並聯成為一種必然選擇，而並聯的多個器件的均流問題也隨之凸顯。現有的功率模塊所有半橋結構共同連接兩個直流輸入端子，並且由於功率器件在功率模塊內部的位置布局不同，往往造成多個並聯器件的寄生參數不一致。功率模塊在工作時，寄生參數不同會引起並聯器件通過的電流不一致，通過電流較大的晶片可能會出現過流燒毀失效，即使沒有造成過流燒毀，此晶片損耗也會比較大、發熱比較嚴重，長期如此功率模塊的可靠性也會受到影響。

技術實現要素：

實用新型目的：針對上述現有技術存在的缺陷，本實用新型旨在提供一種改善並聯晶片均流性的絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊，均衡並聯晶片的寄生參數，提高功率模塊的可靠性。

技術方案：一種絕緣基板結構，包括陶瓷絕緣層以及形成於該陶瓷絕緣層上的金屬層，所述金屬層包括上橋臂金屬層和下橋臂金屬層，上橋臂金屬層上設有上橋臂晶片單元，下橋臂金屬層上設有下橋臂晶片單元，下橋臂金屬層包括接線區，上橋臂晶片單元與接線區通過邦定線相連，下橋臂金屬層在接線區與下橋臂晶片單元之間設有絕緣的均衡槽。

進一步的，所述均衡槽起始於靠近直流輸入端子的下橋臂金屬層的邊緣，向遠離直流輸入端子的方向延伸。

進一步的，所述均衡槽的延伸方向與邦定線的邦定方向垂直。

進一步的，所述下橋臂晶片單元包括多個並聯的功率器件，所述均衡槽最短延伸至與第一個功率器件的頂部平齊，最長延伸至與最後一個功率器件的頂部平齊。

進一步的，所述均衡槽為單段絕緣槽或者多段絕緣槽。

進一步的，所述上橋臂晶片單元的材料為Si、SiC和GaN中的一種或多種，下橋臂晶片單元的材料為Si、SiC和GaN中的一種或多種。

進一步的，所述上橋臂晶片單元的晶片類型為IGBT、MOSFET和FRD中的一種或多種，下橋臂晶片單元的晶片類型為IGBT、MOSFET和FRD中的一種或多種。

一種功率模塊，使用上述任一種絕緣基板結構。

進一步的，包括直流輸入端子、輸出端子和多個並聯的半橋結構，半橋結構包括絕緣基板和絕緣基板上的晶片集合，每個半橋結構分別連接兩個直流輸入端子和一個輸出端子，至少一個絕緣基板的下橋臂金屬層在接線區與下橋臂晶片單元之間設有絕緣的均衡槽。

進一步的，包括順序排列的三個半橋結構，每個半橋結構包括一個絕緣基板，位於中間的一個絕緣基板其下橋臂金屬層在接線區與下橋臂晶片單元之間設有絕緣的均衡槽。

進一步的，包括橫向排列的三個半橋結構，每個半橋結構包括縱向排列的兩個絕緣基板，靠近直流輸入端子的一行三個絕緣基板其下橋臂金屬層在接線區與下橋臂晶片單元之間均設有絕緣的均衡槽。

進一步的，包括兩個半橋結構，每個半橋結構包括一個絕緣基板，每個絕緣基板其下橋臂金屬層在接線區與下橋臂晶片單元之間均設有絕緣的均衡槽。

有益效果：本實用新型在絕緣基板上設有均衡槽，能夠保護靠近直流輸入端子的功率器件，降低器件因過載而燒毀的風險；此外，本實用新型的功率模塊使半橋結構直流輸入端彼此獨立，減少了輸入電阻，便於濾波器的安裝。本實用新型採用每個半橋結構分別連接兩個直流輸入端子和一個輸出端子的結構，避免了現有的功率模塊所有半橋結構共同連接兩個直流輸入端子，保護了靠近直流輸入端子的功率器件，解決了距離直流輸入端子較遠的半橋結構的輸入電阻偏大以及無法單獨安裝濾波電容的問題。本實用新型均衡了並聯器件的寄生參數，尤其是寄生電感及迴路電阻，從而達到均流的效果，降低器件因過載而燒毀的風險，提高了功率模塊的可靠性。

附圖說明

圖1是本實用新型絕緣基板的結構示意圖；

圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)是三種不同的絕緣基板結構示意圖；

圖3是不同的絕緣基板提取到的寄生電感對比圖；

圖4是MOSFET三相橋功率模塊示意圖；

圖5是三相橋MOSFET功率模塊電氣結構拓撲圖；

圖6是MOSFET功率模塊示意圖；

圖7是實施例3的電氣結構拓撲圖；

圖8是IGBT三相橋功率模塊示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本技術方案進行詳細說明。

實施例1：

一種絕緣基板結構，及使用該結構的功率模塊，絕緣基板結構如圖1所示，包括陶瓷絕緣層以及形成於該陶瓷絕緣層上的金屬層，金屬層的材料採用銅或者鋁，表面鍍有鎳和金或者鎳和銀，金屬層通過厚膜印刷技術或釺焊技術實現，厚度為0.1mm-1mm。

金屬層包括上橋臂金屬層1和下橋臂金屬層2，上橋臂金屬層1上燒結或焊接有上橋臂晶片單元3，下橋臂金屬層2上燒結或焊接有下橋臂晶片單元4，下橋臂金屬層2包括接線區5，上橋臂晶片單元3與接線區5通過邦定線6相連，以下所稱邦定線6均是英文bonding的譯文，接線區5如圖所示，即上橋臂晶片單元3的邦線連接在下橋臂晶片單元4所在絕緣基板上的區域，一般情況下本領域的邦線均為圖所示的橫向平行排布，接線區5即這些邦線與下橋臂晶片的接觸點的集合所形成的區域，下橋臂金屬層2在接線區5與下橋臂晶片單元4之間設有實現電氣均衡目的絕緣的均衡槽7，均衡槽7是金屬層通過刻蝕的工藝形成。

功率模塊的電壓、電流等級不斷提高，但單個晶片往往無法滿足要求，因此每個橋臂通常是由多個晶片進行並聯。本實施例中，一個橋臂由7個功率器件並聯組成，如圖1中所示，上下橋臂共有自上而下順序排布的7個功率器件組，圖中7個虛線框即7個功率器件組。通常離直流輸入端位置較近的功率器件最容易失效，原因是此功率器件迴路的寄生電感最小，為了均衡並聯晶片迴路的寄生電感，現設計了兩種絕緣基板結構來改善並聯晶片的均流，均衡槽7作為調節寄生參數的一個措施，可以平衡晶片組之間的寄生電感，但不宜過長，原因是均衡槽7增加迴路電阻，相應會增加功率模塊的靜態損耗。

均衡槽7的寬度一般與絕緣金屬基板上表面銅層的絕緣槽寬度一致，為0.6-1.2mm，下橋臂晶片單元4包括多個並聯的功率器件，均衡槽7起始於靠近直流輸入端子8的下橋臂金屬層2的邊緣，向遠離直流輸入端子8的方向延伸，最短延伸至與第一個功率器件的頂部平齊，最長延伸至與最後一個功率器件的頂部平齊，此處所述的功率器件頂部是以圖中所示的絕緣基板擺放位置為參照的，即絕緣基板靠近直流輸入端子8的一端為頂端，若絕緣基板的擺放方向變了，前述的「頂部」仍保持以靠近直流輸入端子8的一端為頂，不受視角和擺放方向的限定；並且，本實施例中7個功率器件縱向順序排列，若在其他實施方式中，多個功率器件不排成一列，而是呈矩陣或其他方式排布，則前述「最長延伸至與最後一個功率器件的頂部平齊」中的「最後一個功率器件」指的是最靠近接線區5的一列中距離直流輸入端子8最遠的一個功率器件。

均衡槽7的最優長度與晶片位置及數量有關，且均衡槽7為單段絕緣槽或者多段絕緣槽。本實施例中結合具體的功率模塊進行實驗，圖2(a)為現有技術的絕緣基板，無電氣均衡目的的均衡槽7，圖2(b)的絕緣基板有一個電氣均衡目的的均衡槽7；其均衡槽7延伸至將近與下橋臂的第二個功率器件的底邊平齊；圖2(c)的絕緣基板有一長一短兩個電氣均衡目的的均衡槽7，長均衡槽7自頂端延伸至將近與第二個下橋臂的功率器件的底邊平齊，短均衡槽7的長度小於第一個均衡槽7的長度，短均衡槽7自下橋臂的第三個功率器件的頂部延伸至下橋臂的第三個功率器件的中部位置。

為了驗證電氣均衡目的的均衡槽7的效果，現對上述三種絕緣基板分別進行數值仿真，提取得到不同功率器件組的寄生電感，如圖3所示，在絕緣金屬基板上未做均衡槽7時，7個功率器件中，離直流輸入端越近的功率器件組其寄生電感越小，該功率器件組也最容易失效；在金屬層刻蝕有長均衡槽7時，第三個功率器件組的寄生電感最小，但前三個功率器件組的寄生電感相差不大；作為進一步改善，在長均衡槽7的長度方向再增加一個短均衡槽7，此時前三個功率器件組的寄生電感更加接近，均流效果更好，本實施例中的功率模塊採用圖2(b)中所示的單段均衡槽7結構。

均衡槽7的延伸方向與邦定線6的邦定方向垂直，如圖2(b)中所示，均衡槽7為縱向，邦定線6的邦定方向為橫向，此處所指的邦定線6的邦定方向理論上即為邦定線6的近似方向，在實際操作中若邦定線6因其自身物理特性而彎曲則近似的將邦定線6兩端的連線方向理解為本實用新型權利要求中所述的邦定方向，其細微的形變、彎曲或者傾斜不作為對本實用新型保護範圍的限制。

一種使用上述絕緣基板結構的功率模塊，如圖4所示，包括直流輸入端子8、輸出端子9和三個並聯的半橋結構，三個半橋結構順序排列，每個半橋結構包括絕緣基板和絕緣基板上的晶片集合，本實施例中每塊絕緣基板即為一個半橋拓撲電氣結構，如圖5所示，每個半橋結構分別連接兩個直流輸入端子8和一個輸出端子9，三個半橋結構所連接的六個直流輸入端子8一字排布，三個半橋結構組成三相橋電氣拓撲結構。三塊絕緣基板、晶片集合、外殼、底板組成三相橋功率模塊。如圖4所示，每塊絕緣基板包含兩個橋臂，功率模塊共包括六個橋臂，每個橋臂由7隻功率晶片並聯組成。上橋臂晶片單元3的發射極或漏極通過鍵合引線與下橋臂晶片單元4的集電極或源極相連。

至少一個絕緣基板的下橋臂金屬層2在接線區5與下橋臂晶片單元4之間設有絕緣的均衡槽7，本實施例中，三個絕緣基板上都設有均衡槽7。

其中，絕緣基板的上橋臂晶片單元3的材料為Si、SiC和GaN中的一種或多種，下橋臂晶片單元4的材料為Si、SiC和GaN中的一種或多種；本實用新型所採用的均衡槽7結構適合於快速開關的功率模塊，尤其適合於SiC功率模塊。上橋臂晶片單元3的晶片類型為IGBT、MOSFET和FRD中的一種或多種，下橋臂晶片單元4的晶片類型為IGBT、MOSFET和FRD中的一種或多種。本實施例中，上橋臂晶片單元3和下橋臂晶片單元4的的晶片類型均為MOSFET。

實施例2：

本實施例也提供了一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊，其結構與實施例1提供的結構大概相同，二者的區別在於：本實施例中的功率模塊採用圖2(c)中所示的長短均衡槽7結構。

實施例3：

本實施例也提供了一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊，如圖6所示，其結構與實施例1提供的結構大概相同，二者的區別在於：本實施例中所有半橋結構共同連接兩個直流輸入端子8，其電氣結構拓撲圖如圖7所示。

實施例4：

本實施例也提供了一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊，如圖8所示，其結構與實施例1提供的結構大概相同，二者的區別在於：本實施例中上橋臂晶片單元3和下橋臂晶片單元4的的晶片類型包括IGBT和FRD，並且，所有半橋結構共同連接兩個直流輸入端子8。

實施例5：

本實施例也提供了一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊，其結構與實施例1提供的結構大概相同，二者的區別在於：本實施例中的功率模塊包括三個絕緣基板，但僅有位於中間的一個絕緣基板其下橋臂金屬層2在接線區5與下橋臂晶片單元4之間設有絕緣的均衡槽7。

實施例6：

本實施例也提供了一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊，其結構與實施例1提供的結構大概相同，二者的區別在於：本實施例中的功率模塊包括橫向排列的三個半橋結構，每個半橋結構包括縱向排列的兩個絕緣基板，靠近直流輸入端子8的一行三個絕緣基板其下橋臂金屬層2在接線區5與下橋臂晶片單元4之間均設有絕緣的均衡槽7。

實施例7：

本實施例也提供了一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊，其結構與實施例1提供的結構大概相同，二者的區別在於：本實施例中的功率模塊只包括兩個半橋結構，每個半橋結構包括一個絕緣基板，每個絕緣基板其下橋臂金屬層2在接線區5與下橋臂晶片單元4之間均設有絕緣的均衡槽7。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語「水平」、「豎直」、「上」、「下」、「頂部」、「底部」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的設備或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

以上僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。