一种低电感功率模块的制作方法

1.本发明涉及电力电子功率模块技术领域，具体涉及一种低电感功率模块。


背景技术：

2.作为第三代半导体的代表sic mosfet，具有高温损耗低、开关频率高等优点，可以提高系统的效率，减小系统的体积，降低系统的成本。国内外主流厂商已开始推广sic功率模块，如图1所示，现有的sic功率模块的正电极通过键合线与绝缘基板表面的正极铜层相连，上桥mos和上桥sbd的下表面均焊接在同一侧的正极铜层上，上表面通过共用的键合线与输出极铜层相连，输出电极通过键合线与绝缘基板表面的输出极铜层相连，下桥mos和下桥sbd的下表面均焊接在同一侧的输出极铜层上，上表面通过共用的键合线与负极铜层相连，负电极通过键合线与绝缘基板表面的负极铜层相连。如图2所示，上桥mos工作时，电流从正电极输入流经正极铜层到上桥mos下表面，后从上桥mos上表面流经借助上桥sbd上表面的较长键合线到输出极铜层。如图3所示，上桥mos关断后，由于电感性负载的电流方向不能突变，续流电流从负电极流入负极铜层，后借助下桥mos上表面的较长的键合线到下桥sbd上表面，然后从下桥sbd的下表面流经输出极铜层，最后流入输出电极。如图4所示，因为参与工作的上桥mos与下桥sbd位置较远，上桥换流回路路径较长。因此，上桥的电流回路面积也较大，会产生较大的寄生电感（约为20nh），较长的铝线也会导致回路电阻的增加，进而导致损耗的增大。因此，有必要开发一种既可以兼容现有封装结构，又可以实现sic mosfet高频应用的低电感功率模块。


技术实现要素：

3.本发明为了解决上述问题，本发明提供了一种低电感功率模块，在保证现有封装的外形尺寸不变的情况下，优化其内部结构，降低了回路寄生电感，保障sic功率模块的高频应用。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：本发明提供了一种低电感功率模块，包括外壳、上桥mos、下桥sbd、下桥mos、上桥sbd、输出电极、正电极和负电极，所述外壳内安装有底板，所述底板的顶部安装有绝缘基板，所述绝缘基板的上表面设置有正极铜层、负极铜层和输出极铜层，所述输出极铜层分为上侧输出极铜层和下侧输出极铜层，所述正电极通过键合线与正极铜层相连，所述正极铜层分为上侧正极铜层和下侧正极铜层，所述正极铜层、输出极铜层与负极铜层交错排布，且沿模块中心轴线对称布置。
5.本发明进一步的设置为：所述正电极与负电极均由外部连接部、弯折部和内部连接部组成，且弯折部位于外部连接部和内部连接部之间，弯折部和内部连接部设置有向另一电极侧延伸的部分，所述正电极与负电极设置有层叠结构，所述正电极与负电极均包括四种形式，分别第一结构形式、第二结构形式、第三结构形式和第四结构形式。
6.本发明进一步的设置为：所述第一结构形式为：正电极的弯折部从外部连接部的
右侧向下弯折，且正电极的弯折部和内部连接部均有向负电极侧延伸的部分，负电极的弯折部从外部连接部的右侧向下弯折，且负电极的弯折部和内部连接部均有向正电极侧延伸的部分。
7.本发明进一步的设置为：所述第二结构形式为：正电极的弯折部先从外部连接部的前侧向下弯折，然后向后侧弯折，内部连接部有向负电极侧延伸的部分，负电极的弯折部先从外部连接部的后侧向下弯折，然后向正电极侧弯折，内部连接部有向正电极侧延伸的部分。
8.本发明进一步的设置为：所述第三结构形式为：正电极的弯折部从外部连接部的右侧向下弯折，内部连接部有向负电极侧延伸的部分，负电极的弯折部从外部连接部的右侧向下弯折，内部连接部有向负电极侧延伸的部分。
9.本发明进一步的设置为：所述第四结构形式为：正电极的弯折部从外部连接部的右侧向下弯折，且正电极的弯折部和内部连接部均有向负电极侧延伸的部分，负电极的弯折部从外部连接部的右侧向下弯折，且负电极的弯折部和内部连接部均有向正电极侧延伸的部分。
10.本发明进一步的设置为：铜皮宽度沿路径变化，可以是随电流的减小而变窄，随电流的增大而变宽。
11.本发明进一步的设置为：还可以在正极铜层、负极铜层和输出极铜层上设置均流槽，所述均流槽的长度随铜皮宽度的增加而变长。
12.本发明进一步的设置为：正负电极与正负铜层间连接部分采用层叠设计。
13.有益效果采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：本发明优化芯片及铜层的布局，可以有效降低模块的寄生电感和回路电阻，并通过键合连接线及正负电极采用叠层的设计方式，可以进一步降低寄生电感，实现在保证现有封装的外形尺寸不变的情况下，优化其内部结构，降低了回路寄生电感，保障sic功率模块的高频应用。
附图说明
14.图1为现有技术功率模块的示意图；图2为现有技术功率模块sic mos工作电流回路示意图；图3为现有技术功率模块sic sbd工作电流回路示意图；图4为现有技术功率模块的拓扑图；图5为本发明实施例1中功率模块的示意图；图6为本发明实施例1的sic mos工作电流回路示意图；图7为本发明实施例1的sic sbd工作电流回路示意图；图8为本发明实施例1的拓扑图；图9为本发明实施例1中功率模块的侧视图；图10为本发明实施例1中正、负电极叠层示意图；图11为本发明实施例2中功率模块的示意图；图12为本发明实施例2中功率模块的侧视图；
图13为本发明实施例2中正、负电极叠层示意图；图14为本发明实施例3中功率模块的示意图；图15为本发明实施例3中功率模块的侧视图；图16为本发明实施例3中正、负电极叠层示意图；图17为本发明实施例4中功率模块的示意图；图18为本发明实施例4中功率模块的侧视图；图19为本发明实施例4中正、负电极叠层示意图；图20为本发明实施例5中功率模块的示意图；图21为本发明实施例5的sic mos工作电流回路示意图；图22为本发明实施例5中均流槽的示意图。
15.图例说明：1、外壳；2、底板；3、绝缘基板；4、上侧输出极铜层；5、下侧输出极铜层；6、上侧正极铜层；7、下侧正极铜层；8、上桥mos；9、下桥sbd；10、下桥mos；11、上桥sbd；12、负极铜层；13、输出电极；14、正电极；15、负电极；16、均流槽；100、外部连接部；200、弯折部；300、内部连接部。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
18.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
19.实施例1：如图5-10所示，本发明提供了一种低电感功率模块，包括外壳1、上桥mos8、下桥sbd9、下桥mos10、上桥sbd11、输出电极13、正电极14和负电极15，外壳1内安装有底板2，底板2的顶部安装有绝缘基板3，绝缘基板3的上表面设置有正极铜层、负极铜层12和输出极铜层，输出极铜层分为上侧输出极铜层4和下侧输出极铜层5，正电极14通过键合线与正极铜层相连，正极铜层分为上侧正极铜层6和下侧正极铜层7，上桥mos8的下表面焊接在上侧正极铜层6上，且上桥mos8的上表面通过键合线与上侧输出极铜层4相连，上桥sbd11的下表面焊接在下侧正极铜层7上，且上桥sbd11的上表面通过键合线与下侧输出极铜层5相连，输出电极13通过键合线与输出极铜层相连，下桥mos10的下表面焊接在下侧输出极铜层5上，且
下桥mos10的上表面通过键合线与负极铜层12相连，下桥sbd9的下表面焊接在上侧输出极铜层4上，且下桥sbd9的上表面通过键合线与负极铜层12相连，负电极15通过键合线与负极铜层12相连。
20.进一步的，正电极14与负电极15均由外部连接部100、弯折部200和内部连接部300组成，且弯折部200位于外部连接部100和内部连接部300之间。在本实施例中，正电极14与负电极15采用第一结构形式。
21.其中：正电极14的弯折部200从外部连接部100的右侧向下弯折，且正电极14的弯折部200和内部连接部300均有向负电极15侧延伸的部分，负电极15的弯折部200从外部连接部100的右侧向下弯折，且负电极15的弯折部200和内部连接部300均有向正电极14侧延伸的部分。
22.在本实施例中，正电极14和负电极15除外部连接部100以外，其余部分均采用叠层设计，可以有助于寄生电感的降低。上桥mos8工作时，电流从正电极14输入流经上侧正极铜层6到上桥mos8下表面，后从上桥mos8上表面流经较短的键合线到上侧输出极铜层4。
23.由于参与工作的上桥mos8与下桥sbd9位置较近，上桥换流回路路径较短，因此，上桥的电流回路面积也较小，寄生电感也相应减小。由于铝线较短进一步降低回路电阻，进而降低损耗。另外，结合图9可知，正电极14的键合线与负电极15的键合线叠层设计，正电极14与负电极15部分叠层设计，均有助于减小回路的电感。本发明的低电感功率模块经仿真分析，回路电感降低至约13.5nh，同比降低约32%。
24.实施例2：如图11-13所示，本实施例所提供的一种低电感功率模块大致和实施例1相同，其主要区别在：正电极14与负电极15采用第二结构形式：正电极14的弯折部200先从外部连接部100的前侧向下弯折，然后向后侧弯折，内部连接部300有向负电极15侧延伸的部分，负电极15的弯折部200先从外部连接部100的后侧向下弯折，然后向正电极14侧弯折，内部连接部300有向正电极14侧延伸的部分。在本实施例中，正电极14和负电极15除外部连接部100以外，其余部分均采用叠层设计，可以有助于寄生电感的降低。
25.实施例3：如图14-16所示，本实施例所提供的一种低电感功率模块大致和实施例1相同，其主要区别在：正电极14与负电极15采用第三结构形式：正电极14的弯折部200从外部连接部100的右侧向下弯折，内部连接部300有向负电极15侧延伸的部分，负电极15的弯折部200从外部连接部100的右侧向下弯折，内部连接部300有向负电极15侧延伸的部分。在本实施例中，正电极14和负电极15除外部连接部100以外，其余部分均采用叠层设计，可以有助于寄生电感的降低。
26.实施例4：如图17-19所示，本实施例所提供的一种低电感功率模块大致和实施例1相同，其主要区别在：正电极14与负电极15采用第四结构形式：正电极14的弯折部200从外部连接部100的右侧向下弯折，且正电极14的弯折部200和内部连接部300均有向负电极15侧延伸的部分，负电极15的弯折部200从外部连接部100的右侧向下弯折，且负电极15的弯折部200和内部连接部300均有向正电极14侧延伸的部分。需要说明的是，正电极14和负电极15的内部连接部300采用超声焊与对应铜层连接。正电极14和负电极15除外部连接部100以外，其余
部分均采用叠层设计，可以有助于寄生电感的降低。
27.实施例5：如图20-22所示，本实施例所提供的一种低电感功率模块大致和实施例1相同，其主要区别在：正极铜层、负极铜层12及输出极铜层布局均做优化设计，即在正极铜层、负极铜层12和输出极铜层上设置有均流槽16。其中，铜层宽度随电流的减小而变窄，随电流的增大而变宽，如图21所示。同时，芯片周围设置有均流槽16且长度随铜皮宽度增加而变长，如图22所示。对于本发明的多芯片并联模块，借助铜层宽度的变化及均流槽的增加，可以有效的均衡各芯片间的电流及电感，达到均流的效果。
28.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。