多器件功率模块的信号引脚布局制造技术

功率模块提供一个或多个功率晶体管和卡形支持元件。用于信号电平输入/输出的引脚/端子(例如栅极驱动、电流传感器、和温度传感器信号)布置为两个平行层。电源端子(例如，正母线和负母线，以及相脚的输出端连接点)优选地仅布置于一个层中。信号引脚被横跨功率模块的长边缘横向地以及与该边缘方向侧向地同时间隔开，使得可以在缩短功率模块边缘的横向长度的同时达到最小间隔(即空隙)。优选地，属于单个功率晶体管(例如，IGBT或MOSFET)的信号引脚分布在两层之间，使得相应的信号回路可以与电源端子回路磁性地解耦合。

Signal pin layout of a multi device power module

The power module provides one or more power transistors and card support components. Pins / terminals for signal level input / output (such as gate drive, current sensor, and temperature sensor signal) are arranged into two parallel layers. The power terminals (for example, the positive busbar and the negative busbar, and the output end of the phase foot) are preferably arranged in one layer. The signal pin is laterally spaced away from the long edge of the power module and laterally with the edge direction, so that the minimum interval (i.e. voids) can be shortened while shortening the lateral length of the power module edge. Preferably, a signal pin belonging to a single power transistor (for example, IGBT or MOSFET) is distributed between two layers, so that the corresponding signal loop can be magnetically decoupled from the power supply terminal loop.

【技术实现步骤摘要】
多器件功率模块的信号引脚布局
本专利技术大体涉及用于电动车辆逆变器(inverter)的包含大功率晶体管的功率模块，更具体地，涉及用于提高空间利用率和减少信号相互作用的基板和接口引脚配置。
技术介绍
电动车辆，如混合电动车辆(hybridelectricvehicles，HEV)、插电式混合动力电动车辆(plug-inhybridelectricvehicles，PHEV)、和电池电动车辆(batteryelectricvehicles，BEV)等使用逆变器驱动电机提供牵引力矩。典型的电驱动系统可以包括通过接触器开关与可变电压转换器(variablevoltageconverter，VVC)相连接的直流(directcurrent，DC)电源(例如电池组或燃料电池)，以调节跨越主DC链路电容器的主母线电压。逆变器连接在主母线和牵引马达之间，以便于将DC母线功率转换成与马达绕阻相耦合以推进车辆的交流(alternatingcurrent，AC)电压。逆变器包括与多个相脚(phaseleg)以桥式配置相连接的晶体管开关器件(例如绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistors)，或称为IGBT)。典型的配置包括由三相脚逆变器驱动的三相马达。电子控制器打开和关闭开关，以便于将来自母线的直流电压转换成施加到马达的交流电压。逆变器可以对DC链路电压进行脉宽调制，以便于传递正弦电流输出的近似值，以期望的速度和转矩来驱动马达。施加到IGBT栅极的脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)控制信号根据需要使其通断，使得所得到的电流与期望电流相匹配。由于逆变器开关晶体管处理的功率相对高(例如，100kW)，它们通常被构造为插入主电路板上的插座的功率模块，主电路板包含马达控制器IC(集成电路)和其它支撑电路。散热结构，例如液冷冷板，通常设置成与功率模块接触以处理产生的大量热量。典型的模块可以包括具有焊接到铜层上的一个或多个功率晶体管芯片的直接覆铜(directcopperbonded，DCB)基板、具有多个输入/输出引脚的引线框架、和封装该模块的包覆成型体。功率模块可以仅包括一个被称为1合1功率卡的开关元件(例如，具有续流二极管的IGBT、反向导通(reverse-conducting，RC)或称为RC-IGBT、或碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiliconCarbidemetallicoxidesemiconductorfieldeffecttransistor，SiCMOSFET))。功率卡可以是单面冷却或双面冷却。功率模块也可以具有多个开关晶体管，即N合1功率卡。可以使用2合1功率卡来形成变频桥的单相脚。功率模块还具有4个或更多的开关晶体管，该开关晶体管在提供多个相脚的配置中内部连接，并且有时可以包括在形成相脚时并连的冗余晶体管。功率模块通常可以具有扁平薄板的形状。从模块延伸的连接器引脚包括用于相脚输入和输出的电源端子，和用于晶体管控制信号(即门信号)和各种传感器信号的信号引脚。例如，许多功率模块已经提供了片上温度传感器和/或电流传感器。在一种常规设计中，电源端子和信号引脚从模块的一个或多个侧面或边缘延伸。端子/引脚可以保持笔直，使得当插入主电路板上的插座时，模块横向于主电路板定向，并且模块的两个最大侧面都暴露以通过散热片或冷盘进行散热。端子/引脚也可以弯曲，使模块平放在主电路板上。在任何情况下，可能存在于不同端子/引脚之间的相对高电压电平决定相邻端子/引脚之间的最小间隔。随着器件数量和相关传感器数量的增加，模块需要更多的端子/引脚，并且布置端子/引脚的模块侧面所需的长度也会增加。因此，主电路板上的封装可能会不合意地增加。当使用DCB基板时这个问题尤其显著，因为用于形成端子/引脚的最简单和最便宜的方式，是使它们沿着由DCB基板限定的平面向外延伸，这导致端子/引脚全部占据单独的层。作为实现更低损耗、更高电流密度(例如，SiC功率器件)、和反向导通能力(例如RC-IGBT)的功率半导体领域的进步的结果，用于任何特定功率能力的必要芯片尺寸已经缩小了。然而，特别是对于N大于2的N合1功率卡而言，单层信号引脚的布置可能限制了降低芯片尺寸和进一步降低功率卡尺寸的潜在用途。将信号引脚布置在一层中的另一个结果是电源端子与信号引脚位于同一层上。因此，信号引脚已经与电源端子隔开，使得电源端子产生的磁场将不会与信号回路相耦合(即，使得信号引脚上传导的信号不会发生建设性或破坏性的干扰)。因此，单层模块采用引脚间隔，其避免了将功率回路与信号回路相耦合，否则可能会感应出无意中导通功率器件、降低功率器件的开关速度、和/或干扰模块内集成的传感器信号之一的栅极电流。然而，在不引起这种耦合的情况下减小间距将是有利的。
技术实现思路
在本专利技术的一个方面中，功率模块包括具有在第一侧上的覆铜层的第一绝缘基板，覆铜层限定电路走线、多个第一信号引脚、和多个电源端子。第一信号引脚与电源端子共面，并且每个悬伸超过第一基板的边缘。包含功率晶体管的至少一个半导体芯片，具有焊接到延伸至电源端子之一的第一基板上的相应电路走线的一侧面。平行于第一基板设置第二绝缘基板，并且在面向第一侧的内侧上具有覆铜层，并且限定电路走线和多个第二信号引脚。第二信号引脚共面，并且每个悬伸超过第二基板的边缘。芯片包括多个信号焊盘，其中第一组信号焊盘各自连接到相应的第一信号引脚，并且其中第二组信号焊盘各自连接到相应的第二信号引脚。多个间隔件分别在第一侧和内侧之间焊接。封装体固定基板、芯片、和间隔件，其中信号引脚和电源端子穿过封装体延伸。根据本专利技术，提供了一种功率模块，包括：第一绝缘基板，第一绝缘基板具有在第一侧上的覆铜层，所述覆铜层限定电路走线、多个第一信号引脚、和多个电源端子，其中所述第一信号引脚与电源端子共面，并且每个悬伸超过所述第一基板的边缘；包含功率晶体管的至少一个半导体芯片，半导体芯片具有焊接到延伸至所述电源端子之一的所述第一基板上的相应电路走线的侧面；平行于所述第一基板的第二绝缘基板，第二绝缘基板具有在面向所述第一侧的内侧上并且限定电路走线和多个第二信号引脚的覆铜层，其中所述第二信号引脚共面，并且每个悬伸超过所述第二基板的边缘，其中所述芯片包括多个信号焊盘，其中第一组所述信号焊盘各自连接到相应的第一信号引脚，并且其中第二组所述信号焊盘各自连接到相应的第二信号引脚；分别焊接在所述第一侧和所述内侧之间的多个间隔件；固定所述基板、芯片、和间隔件的封装体，其中信号引脚和电源端子穿过所述封装体延伸。根据本专利技术的一个实施例，包括焊接到所述第一和第二基板上的相应电路走线的多个半导体芯片，其中每个芯片包含相应的功率晶体管，并且其中用于所有所述功率晶体管的电源端子都从第一基板延伸。根据本专利技术的一个实施例，其中一对所述信号焊盘适于接收所述功率晶体管的栅极驱动信号，其中所述第一组包括所述一对栅极驱动信号焊盘中的一个，并且其中所述第二组包括所述一对栅极驱动信号焊盘中的另一个。根据本专利技术的一个实施例，其中连接到所述一对栅极驱动信号焊盘的相应的第一和第二信号引脚相对于所述第一基板的所述边缘横向对准，因此与所述第一和第二信号引脚中的栅极电流相关联的磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率模块，包括：第一绝缘基板，所述第一绝缘基板具有在第一侧上的覆铜层，所述覆铜层限定电路走线、多个第一信号引脚、和多个电源端子，其中所述第一信号引脚与电源端子共面，并且每个悬伸超过所述第一基板的边缘；至少一个半导体芯片，所述半导体芯片包含功率晶体管并且具有焊接到延伸至所述电源端子之一的所述第一基板上的相应电路走线的侧面；第二绝缘基板，所述第二绝缘基板平行于所述第一基板，并且具有在面向所述第一侧的内侧上并且限定电路走线和多个第二信号引脚的覆铜层，其中所述第二信号引脚共面，并且每个悬伸超过所述第二基板的边缘，其中所述芯片包括多个信号焊盘，其中第一组所述信号焊盘各自连接到相应的第一信号引脚，并且其中第二组所述信号焊盘各自连接到相应的第二信号引脚；分别焊接在所述第一侧和所述内侧之间的多个间隔件；以及固定所述基板、芯片、和间隔件的封装体，其中信号引脚和电源端子穿过所述封装体延伸。

【技术特征摘要】
2016.07.20 US 15/214,6301.一种功率模块，包括：第一绝缘基板，所述第一绝缘基板具有在第一侧上的覆铜层，所述覆铜层限定电路走线、多个第一信号引脚、和多个电源端子，其中所述第一信号引脚与电源端子共面，并且每个悬伸超过所述第一基板的边缘；至少一个半导体芯片，所述半导体芯片包含功率晶体管并且具有焊接到延伸至所述电源端子之一的所述第一基板上的相应电路走线的侧面；第二绝缘基板，所述第二绝缘基板平行于所述第一基板，并且具有在面向所述第一侧的内侧上并且限定电路走线和多个第二信号引脚的覆铜层，其中所述第二信号引脚共面，并且每个悬伸超过所述第二基板的边缘，其中所述芯片包括多个信号焊盘，其中第一组所述信号焊盘各自连接到相应的第一信号引脚，并且其中第二组所述信号焊盘各自连接到相应的第二信号引脚；分别焊接在所述第一侧和所述内侧之间的多个间隔件；以及固定所述基板、芯片、和间隔件的封装体，其中信号引脚和电源端子穿过所述封装体延伸。2.根据权利要求1所述的模块，包括焊接到所述第一和第二基板上的相应电路走线的多个半导体芯片，其中每个芯片包含相应的功率晶体管，并且其中用于所有所述功率晶体管的电源端子都从第一基板延伸。3.根据权利要求1所述的模块，其中一对所述信号焊盘适于接收所述功率晶体管的栅极驱动信号，其中所述第一组包括一对栅极驱动信号焊盘中的一个，并且其中所述第二组包括所述一对栅极驱动信号焊盘中的另一个。4.根据权利要求3所述的模块，其中连接到所述一对栅极驱动信号焊盘的相应的第一和第二信号引脚相对于所述第一基板的所述边缘横向对准，因此与所述第一和第二信号引脚中的栅极电流相关联的磁场横向于与所述电源端子中的开关电流相关联的磁场。5.根据权利要求1所述的模块，其中一对所述信号焊盘适于提供芯片温度信号，其中所述第一组包括一对温度信号焊盘中的一个，并且所述第二组包括所述一对温度信号焊盘中的另一个，其中连接到所述一对温度信号焊盘的相应的第一和第二信号引脚相对于所述第一基板的所述边缘横向对准，由此与所述第一和第二信号引脚中的温度信号相关联的磁场横向于与所述电源端子中的开关电流相关联的磁场。6.根据权利要求1所述的模块，其中所述第一信号引脚和所述电源端子从所述第一基板的相对边缘延伸。7.根据权利要求6所述的模块，其中所述第一和第二信号引脚分别从所述第一和第二基板的邻近边缘延伸。8.根据权利要求1所述的模块，其中所述第一和第二基板各自具有包括适于传导在所述功率晶体管中产生的热的覆铜层的外侧。9.一种用于电动车辆逆变器的相脚，包括：第一绝缘基板，所述第一绝缘基板具有在第一侧上的覆铜层，所述覆铜层限定电路走线、多...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐帆，陈礼华，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US