具有多层基底的功率模块的制作方法

本公开涉及固态晶体管到多层基底的布局和电连接。

背景技术：

电气化车辆(包括混合动力电动车辆(hev)和电池电动车辆(bev))依赖牵引电池向牵引马达提供用于推进的电力，并且依赖牵引电池与牵引马达之间的电力逆变器将直流(dc)电力转换为交流(ac)电力。典型的ac牵引马达是可由分别以120度相位分离驱动的三个正弦信号供电的三相马达。同样，很多电气化车辆包括dc-dc转换器以将牵引电池的电压转换到电机的工作电压水平。这些各种组件可包括固态晶体管。

技术实现要素：

一种电力系统包括单侧冷却功率模块，所述单侧冷却功率模块包括连续的五层基底，所述五层基底由两个绝缘层与三个导电层交错而形成。所述三个导电层中的居中的导电层被分割以限定离散的间隔开的正极端子部分和输出端子部分。所述三个导电层中的外侧的导电层限定负极端子部分，使得正极端子部分和负极端子部分重叠。所述电力系统还包括：半导体，所述半导体分别与正极端子部分和输出端子部分直接接触而不直接接触其它层；以及各组导线，将输出端子部分和与正极端子部分直接接触的半导体互连，并且将负极端子部分和与输出端子部分直接接触的半导体互连。

根据本发明的一个实施例，导电层是金属。

根据本发明的一个实施例，金属是铜。

根据本发明的一个实施例，绝缘层是陶瓷。

一种功率模块包括半导体，所述半导体安装在连续的五层基底上，所述五层基底由两个绝缘层与三个导电层交错而形成。所述三个导电层中的中心的导电层被分割以限定离散的间隔开的正极端子部分和输出端子部分。所述三个导电层中的外侧的导电层限定负极端子部分。并且，所述半导体分别与正极端子部分和输出端子部分直接接触而不直接接触其它层。

根据本发明的一个实施例，导电层是金属。

根据本发明的一个实施例，金属是铜。

一种电力系统包括单侧冷却功率模块，所述单侧冷却功率模块包括与两个绝缘层交错的三个导电层以形成基底。所述基底的中心层被离散地分割成两个部分，并且两个半导体分别与所述两个部分直接接触，使得由所述两个部分中的一个部分限定的正极端子部分与由所述导电层中的最外层限定的负极端子部分重叠。

根据本发明的一个实施例，导电层是金属。

根据本发明的一个实施例，绝缘层是陶瓷。

附图说明

图1是半桥单元的示意图。

图2a和图2b分别是现有技术的单侧冷却功率模块的侧视图和平面图。

图3a和图3b分别是现有技术的双侧冷却功率模块的侧视图和平面图。

图4a和图4b分别是具有五层基底的单侧冷却功率模块的侧视图和平面图。

图5是被布置为形成全三相转换器的三个半桥单元的示意图。

图6a和图6b是被实现为具有五层基底的图5的全三相转换器的侧视图和平面图。

图7是机动车辆的部分的示意图。

具体实施方式

在此描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其它实施例可采用未被明确示出或描述的各种可替代形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征，以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅是作为用于教导本领域普通技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出并描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可被期望用于特定的应用或实施方式。

半桥是用在电力电子电路中的常见单元。参照图1，典型的半桥10包括两个有源功率器件12、14(例如，功率绝缘栅双极型晶体管(igbt)或功率金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet))、两个功率二极管16、18(与igbt/mosfet分开或集成在一起)以及各个端子20、22、24(o端子、p端子和n端子)。一个或多个半桥可被封装在功率模块中。并且一个或多个功率模块可被用在用于车辆应用的牵引逆变器中。

在每个功率模块中，应当最小化与功率回路(从p端子22到n端子24的电流路径)相关联并且由汇流条和铜迹线的磁场感应出的杂散电感，以减少功率器件截止瞬变期间的电压过冲，并因此降低功率损耗以及避免功率器件的过电压击穿。这种电压过冲将随着功率器件切换得更快而增大。因此，杂散电感的最小化对于功率模块设计是重要的，尤其是对于可比对应的硅(si)基器件切换得更快的基于碳化硅(sic)的功率模块。

参照图2a和图2b，传统的单侧冷却半桥功率模块26具有附连在通常是直接键合铜的基底32上的功率器件28和30以及二极管29和31。为了便于理解，图2a的侧视图示出了各种组件之间的关系但不一定表示这些组件相对于彼此的确切布置。基底32包括夹着绝缘陶瓷层38的两个铜层34、36。焊线或带40将铜层36的p端子、o端子和n端子、功率器件28和30以及二极管29和31电互连。并且，控制引脚41照例与功率器件28、30电连接。虚线表示从p端子到n端子的相当长的杂散电感敏感功率回路。

参照图3a和图3b，传统的双侧冷却功率模块42具有附连在基底48和50之间的功率器件44和46以及二极管45和47。为了便于理解，图3a的侧视图示出了各种组件之间的关系但不一定表示这些组件相对于彼此的确切布置。此外，图3b没有示出基底50。与基底32一样，基底48包括两个铜层52和54以及夹在两个铜层52和54之间的绝缘陶瓷层56。并且，基底50包括两个铜层58和60以及夹在两个铜层58和60之间的绝缘陶瓷层62。顾名思义，铜间隔件64将功率器件44、46与基底50间隔开。并且，控制引脚65照例与功率器件44、46电连接。同样，虚线表示从p端子到n端子的相当长的功率回路。

已经发现，增加基底的层数允许功率回路配置具有减小的有效长度和重叠部分，这可减小杂散电感以及相关联的电压过冲和功率损耗。在一个示例中，功率模块可使用具有与三个金属层交错的两个绝缘层的基底。

参照图4a和图4b，单侧冷却半桥功率模块66具有附连在基底72上的功率器件68和70以及二极管69和71。基底72包括三个金属层(例如，铜层)74、76和78以及两个绝缘层(例如，陶瓷层)80和82。由于任意一层直接接触基底72的其它相邻层，所以这五个层是连续的。陶瓷层80夹在铜层74和76之间，并且陶瓷层82夹在铜层76和78之间。具体地，功率器件68、70附连在铜层76上，铜层76被分割为离散的分开的部分：一个部分用作o端子，并且另一部分用作p端子。因此，与其它层74、78、80、82不同，层76(中心层)是不连续的。层78用作n端子。层78的部分与层76的部分重叠。

功率器件68的上表面通过焊线或带84电连接到n端子。功率器件70的上表面通过焊线或带86电连接到o端子，焊线或带86跨过功率器件68和70之间的层78和82。与功率器件68、70对应的二极管69、71类似地通过焊线或带88、90分别与n端子和o端子电连接。并且，控制引脚92与功率器件68、70电连接。

在这种构造中，p端子和n端子被叠压以显著减小主回路的杂散电感。虚线表示从p端子到n端子的主回路(用于功率器件的栅极回路的导线键合到与基底72分开的控制引脚92)。栅极回路磁场与主回路磁场正交，因此功率回路到栅极回路的耦合被最小化。如果功率器件68、70具有反向导通能力(诸如，具有si或sicmosfet或者具有反向导通(rc)igbt)，则可移除二极管69、71。

还可预期其它构造。参照图5，三个半桥94、96和98被布置为六部分功率模块100(全三相转换器)。半桥94包括两个功率器件102和104以及相关联的功率二极管106和108。半桥96包括两个功率器件110和112以及相关联的功率二极管114和116。半桥98包括两个功率器件118和120以及相关联的功率二极管122和124。端子a、b、c分别与半桥94、96、98相关联。并且，端子p和端子n在半桥94、96和98之间是共用的。如上所述，如果功率器件102、104、110、112、118、120具有反向导通能力(诸如，具有si或sicmosfet或者具有rcigbt)，则可移除二极管106、108、114、116、122、124。

参照图6a和图6b，功率器件102、104、110、112、118和120以及二极管106、108、114、116、122和124附连在基底126上。基底126包括三个金属层(例如，铜层)128、130和132以及两个绝缘层(例如，陶瓷层)134和136。陶瓷层134夹在铜层128和130之间，并且陶瓷层136夹在铜层130和132之间。具体地，功率器件102、104、110、112、118、120附连在铜层130上，铜层130被离散地分割为4个部分：三个部分分别用作a端子、b端子和c端子，第四部分用作共用的p端子。层132用作共用的n端子。

功率器件102、110、118中的每个的上表面通过焊线或带138、140、142分别电连接到n端子。功率器件104的上表面通过焊线或带144电连接到a端子，焊线或带144跨过功率器件102和104之间的层132、136。功率器件112的上表面焊线或带146电连接到b端子，焊线或带146跨过功率器件110和112之间的层132、136。功率器件120的上表面焊线或带148电连接到c端子，焊线或带148跨过功率器件118和120之间的层132、136。与功率器件102、104对应的二极管106、108类似地通过焊线或带150、152分别与n端子和a端子电连接。与功率器件110、112对应的二极管114、116类似地通过焊线或带154、156分别与n端子和b端子电连接。与功率器件118、120对应的二极管122、124类似地通过焊线或带158、160分别与n端子和c端子电连接。并且，控制引脚162与功率器件102、104、110、112、118、120电连接。

在此考虑的功率模块(诸如，功率模块66、100)可在机动车辆的环境中使用。参照图7，车辆164可包括牵引电池166、电力电子器件168、电机170以及与其它组件通信并且控制其它组件的一个或更多个控制器172(实线表示电力流路径)。可经由电力电子器件168在牵引电池166和电机170之间交换电力，以捕获再生能量或推进车辆164。电力电子器件168(例如，逆变器、转换器等)可包括在此考虑的任意功率模块。

说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各种实施例已经被描述为提供优点或优于其它实施例或者现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应认识到，根据特定应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式满足期望的实施例并非在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定应用。