一种双面散热高可靠功率模块制造技术

本实用新型专利技术公开了一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子、负极功率端子、输出功率端子、底部金属绝缘基板以及顶部金属绝缘基板，底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板叠层设置，底部金属绝缘基板或顶部金属绝缘基板上设有输出局部金属层，输出功率端子通过输出局部金属层连接有芯片连接块，芯片连接块与底部金属绝缘基板上的芯片和顶部金属绝缘基板上的芯片电连接。本实用新型专利技术大大降低了回路寄生电感，采用与芯片热膨胀系数匹配的材料做互连，能够降低焊层开裂的风险，提高功率模块的可靠性；减小了功率模块的体积，节约了成本，减轻了重量，尤其适合SiC功率芯片的封装，充分提高了过流能力。

A high reliable power module for double side heat dissipation

The utility model discloses a double-sided heat dissipation of high reliable power module, including positive and negative power terminal power terminals, power output terminals and the bottom metal insulating substrate and a top metal insulating substrate, the bottom metal insulating substrate and a top metal insulating substrate laminated set bottom insulated metal substrates or top metal insulating substrate with local metal output layer, power output terminal is connected with the connecting block through output chip local metal layer chip connection block and the bottom metal insulating substrate and the chip top metal insulator chip is electrically connected to the substrate. The utility model greatly reduces the circuit parasitic inductance, the chip and the thermal expansion coefficient of material, interconnection, can reduce the risk of cracking of welding layer, improve the reliability of the power module; reducing power module volume, cost savings, reduce weight, especially suitable for SiC power chip package, fully improved over flow capacity.

【技术实现步骤摘要】
一种双面散热高可靠功率模块
本技术涉及电力电子功率模块，尤其是一种双面散热高可靠功率模块。
技术介绍
电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动汽车，光伏发电，风力发电，工业变频等行业。随着我国工业的崛起，电力电子功率模块有着更加广阔的市场前景。现有电力电子功率模块封装体积大，重量重，不符合电动汽车、航空航天等领域的高功率密度、轻量化的要求。体积较大的电力电子功率模块，其寄生电感往往也比较大，这会造成过冲电压较大、损耗增加，而且也限制了在高开关频率场合的应用。SiC电力电子器件具有高频、高温、高效的特性，但现有功率模块的寄生电感较大，限制了SiC性能的发挥。另外，随着应用端功率密度的不断升级，现有功率模块的封装结构已经阻碍了功率密度的进一步提升，必须开发出更加有效的散热结构才能满足功率密度日益增长的需求。现有的双面散热功率模块如CN105161477A，由于芯片单层设置，电流的换流回路面积仍然较大，往往寄生电感也比较大，而且芯片单层设置，使得功率模块的体积相对较大，另外功率端子与控制端子只与第一衬板连接，设置不够灵活、衬板面积无法进一步减小，还会由于电流路径较长造成损耗增加。
技术实现思路
技术目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本技术旨在提供一种体积小、重量轻、寄生电感小的双面散热功率模块。技术方案：一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子、负极功率端子、输出功率端子、底部金属绝缘基板以及顶部金属绝缘基板，所述底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板叠层设置，底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板在二者相对的面上均烧结有芯片，正极功率端子与底部金属绝缘基板上的芯片电连接，负极功率端子与顶部金属绝缘基板上的芯片电连接；底部金属绝缘基板或顶部金属绝缘基板上设有输出局部金属层，输出功率端子通过输出局部金属层连接有芯片连接块，芯片连接块与底部金属绝缘基板上的芯片和顶部金属绝缘基板上的芯片电连接。进一步的，所述底部金属绝缘基板在面向顶部金属绝缘基板的一面上烧结有上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片，顶部金属绝缘基板在面向底部金属绝缘基板的一面上烧结有下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片。进一步的，所述正极功率端子烧结在底部金属绝缘基板上，负极功率端子烧结在顶部金属绝缘基板上，芯片连接块在面向底部金属绝缘基板的一面与上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片烧结，在面向顶部金属绝缘基板的一面与下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片烧结。进一步的，所述芯片连接块分为第一芯片连接块和第二芯片连接块，第一芯片连接块与第二芯片连接块均与输出局部金属层烧结；第一芯片连接块在面向顶部金属绝缘基板的一面与下半桥二极管芯片烧结，在面向底部金属绝缘基板的一面与上半桥开关芯片烧结；第二芯片连接块在面向顶部金属绝缘基板的一面与下半桥开关芯片烧结，在面向底部金属绝缘基板的一面与上半桥二极管芯片烧结。进一步的，所述上半桥开关芯片与下半桥二极管芯片叠层设置，下半桥开关芯片与上半桥二极管芯片叠层设置。进一步的，所述底部金属绝缘基板上设有上半桥表面金属层和输出局部金属层，上半桥表面金属层上烧结有上半桥开关芯片和上半桥二极管芯片，当所述上半桥开关芯片为IGBT时，正极功率端子与上半桥开关芯片的集电极以及上半桥二极管芯片的负极电连接，当所述上半桥开关芯片为MOSFET时，所述正极功率端子与上半桥开关芯片的漏极以及上半桥二极管芯片的负极电连接。进一步的，所述输出功率端子包括焊接部和位于塑封外壳外部的连接部，所述焊接部位于底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板之间；所述顶部金属绝缘基板上设有下半桥表面金属层、下半桥驱动局部金属层、第一上半桥驱动局部金属层和第二上半桥驱动局部金属层，下半桥表面金属层上烧结有下半桥开关芯片和下半桥二极管芯片，下半桥表面金属层和下半桥驱动局部金属层分别连有一个下半桥驱动端子，第一上半桥驱动局部金属层和第二上半桥驱动局部金属层分别连有一个上半桥驱动端子；当下半桥开关芯片为IGBT时，下半桥表面金属层与IGBT芯片的发射极相连；当下半桥开关芯片为MOSFET时，下半桥表面金属层与MOSFET芯片的源极相连，下半桥驱动局部金属层与下半桥开关芯片的门极相连，第一上半桥驱动局部金属层与上半桥开关芯片的门极相连，第二上半桥驱动局部金属层与输出功率端子的焊接部相连。进一步的，所述底部金属绝缘基板背面金属层与顶部金属绝缘基板背面金属层上分别设有第一散热装置和第二散热装置。进一步的，所述塑封外壳为传递模一体化成型工艺制作，顶部金属绝缘基板背面金属层上表面的中间部分以及底部金属绝缘基板背面金属层下表面的中间部分均露出在塑封外壳的外部，并且高出塑封外壳。进一步的，所述低寄生电感双面散热功率模块为三相桥结构，包括三个正极功率端子、三个负极功率端子和三个输出功率端子，拓扑结构为三个半桥。有益效果：本技术的底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板叠层设置，部分芯片之间存在堆叠关系，输出功率端子设置在底部金属绝缘基板与顶部金属绝缘基板之间可以大大降低回路寄生电感，并通过输出局部金属层与芯片连接块相连，再由芯片连接块与芯片烧结，采用与芯片热膨胀系数匹配的材料做互连，能够降低焊层开裂的风险，提高功率模块的可靠性；并且功率模块内部芯片及电极的堆叠设置，减小了功率模块的体积，节约了成本，减轻了重量，尤其适合SiC功率芯片的封装；同时，功率模块的两侧均可设置散热装置，可以减小功率模块的热阻，提高功率模块的散热效率；并且，功率模块内部芯片的功率端全部采用大面积烧结结构，内部互连结构的键合较少或无键合线，大大降低了键合线失效造成的模块失效，充分提高了过流能力，提高了模块的可靠性。附图说明图1是本技术整体外观结构图；图2是本技术主视图及局部放大图；图3是本技术内部示意图；图4是本技术截面示意图；图5是本技术底部金属绝缘基板组件示意图；图6是本技术顶部金属绝缘基板组件示意图；图7是本技术爆炸示意图；图8是传统半桥功率模块拓扑结构及换流回路示意图；图9是本技术半桥功率模块拓扑结构及换流回路示意图；图10是三相桥功率模块散热方案示意图；图11是三相桥功率模块安装爆炸图；图12是三相桥功率模块整体结构示意图；图13是三相桥功率模块拓扑图。具体实施方式下面通过实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。本技术通过将开关芯片与相对桥臂的续流二极管芯片堆叠设置，使得换流回路路径最短，从而大大减少回路寄生电感；芯片表面通过热膨胀系数匹配的金属材料实现机械、电气连接，提高了功率模块的可靠性。如图1所示，一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子1、负极功率端子2、输出功率端子3、底部金属绝缘基板5、顶部金属绝缘基板4以及用于包封的塑封外壳15。本实施例中底部金属绝缘基板5与顶部金属绝缘基板4所采用的金属绝缘基板均为DBC，即底部金属绝缘基板5包括绝缘基板和基板两侧的金属层，面向顶部金属绝缘基板4的一面上安装了芯片，未安装芯片的另一面则为底部金属绝缘基板背面金属层51，同理，顶部金属绝缘基板4也有相同的结构，未安装芯片一面为顶部金属绝缘基板背面金属层41；本领域技术人员在实施时也可不采用DBC结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子(1)、负极功率端子(2)、输出功率端子(3)、顶部金属绝缘基板(4)、底部金属绝缘基板(5)和塑封外壳(15)，所述底部金属绝缘基板(5)与顶部金属绝缘基板(4)叠层设置，底部金属绝缘基板(5)与顶部金属绝缘基板(4)在二者相对的面上均烧结有芯片，正极功率端子(1)与底部金属绝缘基板(5)上的芯片电连接，负极功率端子(2)与顶部金属绝缘基板(4)上的芯片电连接；底部金属绝缘基板(5)或顶部金属绝缘基板(4)上设有输出局部金属层(522)，输出功率端子(3)通过输出局部金属层(522)连接有芯片连接块，芯片连接块与底部金属绝缘基板(5)上的芯片和顶部金属绝缘基板(4)上的芯片电连接。

【技术特征摘要】
1.一种双面散热高可靠功率模块，包括正极功率端子(1)、负极功率端子(2)、输出功率端子(3)、顶部金属绝缘基板(4)、底部金属绝缘基板(5)和塑封外壳(15)，所述底部金属绝缘基板(5)与顶部金属绝缘基板(4)叠层设置，底部金属绝缘基板(5)与顶部金属绝缘基板(4)在二者相对的面上均烧结有芯片，正极功率端子(1)与底部金属绝缘基板(5)上的芯片电连接，负极功率端子(2)与顶部金属绝缘基板(4)上的芯片电连接；底部金属绝缘基板(5)或顶部金属绝缘基板(4)上设有输出局部金属层(522)，输出功率端子(3)通过输出局部金属层(522)连接有芯片连接块，芯片连接块与底部金属绝缘基板(5)上的芯片和顶部金属绝缘基板(4)上的芯片电连接。2.根据权利要求1所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述底部金属绝缘基板(5)在面向顶部金属绝缘基板(4)的一面上烧结有上半桥开关芯片(6)和上半桥二极管芯片(7)，顶部金属绝缘基板(4)在面向底部金属绝缘基板(5)的一面上烧结有下半桥开关芯片(8)和下半桥二极管芯片(9)。3.根据权利要求2所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述正极功率端子(1)烧结在底部金属绝缘基板(5)上，负极功率端子(2)烧结在顶部金属绝缘基板(4)上，芯片连接块在面向底部金属绝缘基板(5)的一面与上半桥开关芯片(6)和上半桥二极管芯片(7)烧结，在面向顶部金属绝缘基板(4)的一面与下半桥开关芯片(8)和下半桥二极管芯片(9)烧结。4.根据权利要求2所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述芯片连接块分为第一芯片连接块(331)和第二芯片连接块(332)，第一芯片连接块(331)与第二芯片连接块(332)均与输出局部金属层(522)烧结；第一芯片连接块(331)在面向顶部金属绝缘基板(4)的一面与下半桥二极管芯片(9)烧结，在面向底部金属绝缘基板(5)的一面与上半桥开关芯片(6)烧结；第二芯片连接块(332)在面向顶部金属绝缘基板(4)的一面与下半桥开关芯片(8)烧结，在面向底部金属绝缘基板(5)的一面与上半桥二极管芯片(7)烧结。5.根据权利要求2所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述上半桥开关芯片(6)与下半桥二极管芯片(9)叠层设置，下半桥开关芯片(8)与上半桥二极管芯片(7)叠层设置。6.根据权利要求2所述的一种双面散热高可靠功率模块，其特征在于，所述底部金属绝缘基板(5)上设有上半桥表面金属层(52...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛利刚，徐文辉，王玉林，滕鹤松，
申请(专利权)人：扬州国扬电子有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32