一种功率模块、电力系统和电子设备的制作方法

1.本发明涉及功率模块技术领域，尤其涉及一种功率模块、电力系统和电子设备。


背景技术：

2.功率模块是指将功率电力电子器件按照一定的功能组合后再灌装成一个模块，是电力电子变流器的核心部件，广泛应用在新能源发电系统、轨道交通系统、电动汽车的电驱系统等领域。由于功率模块中集成有大量的功率芯片、功率元器件等发热部件，导致功率模块内部容易产生大量的热量，从而影响功率模块的使用寿命。因此，如何提高功率模块的散热能力是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述的问题，本技术的实施例中提供了一种功率模块、电力系统和电子设备，通过在功率模块内部设置多个基板，且每个基板叠加布置，形成一个具有出色的热导率和良好的机械稳定性的基板结构，使得功率器件上的热量可以通过基板结构，传递到功率模块外部，从而提高功率模块的散热性能，而且增加了多个基板，可以让功率模块中放置更多的功率器件，从而提高功率模块的功率密度。
4.为此，本技术的实施例中采用如下技术方案：
5.第一方面，本技术提供一种功率模块，包括：至少一个功率器件，至少两个基板，基板与基板之间相互叠加布置，每个基板均包括一个绝缘层，每个基板的绝缘层的至少一个表面覆盖有金属层；其中，所述至少两个基板中至少一个金属层上蚀刻有电路，与所述至少一个功率器件电连接。
6.在该实施方式中，通过采用两个或两个以上的基板，并将多个基板叠加布置，利用基板的导热性能比较好的特点，可以提高功率模块的散热性能；且增加的多个基板上，可以蚀刻出多个电路，让功率模块中放置更多的功率器件，从而提高功率模块的功率密度。相比较现有技术中增加底板的方式，本技术保护的功率模块，不仅提高了散热新能，而且还提高了功率密度。
7.在一种实施方式中，所述至少两个基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板中的第一金属层上蚀刻有第一电路，用于与所述至少一个功率器件中的第一功能的功率器件上的功率端子电连接，所述第一功能的功率器件是指所述功率模块中实现一种功能的所有功率器件；所述第二基板中的第二金属层上蚀刻有第二电路，用于与所述至少一个功率器件中的第二功能的功率器件上的功率端子电连接，所述第二功能的功率器件是指所述功率模块中实现另一种功能的所有功率器件。
8.在该实施方式中，通过在不同的金属层上蚀刻出不同功能的电路，然后让执行不同功能的功率器件电连接在不同功能的电路上，避免在一个金属层上同时蚀刻功率电路和驱动电路，造成基板上的电路设计比较复杂，增加设计难度和产品成本。
9.另外，在不同的金属层上蚀刻出不同功能的电路，不仅提高了功率模块的功率密
度，而且还增加了功率模块的功能，拓宽了功率模块的应用范围。
10.在一种实施方式中，所述第一基板与所述第二基板层叠错位设置，且所述第二基板上的第二表面上突出于所述第一基板的区域包括有至少部分所述第二电路；所述第二表面为所述第二基板与所述第一基板叠加后，朝向所述第一基板的表面。
11.在该实施方式中，第一基板与第二基板是层叠错位设置的。所谓的层叠错位设置，是指第一基板与第二基板之间不仅是层叠的，而且是错位的，或者是不对齐的。第一基板与第二基板层叠设置，意味着第一基板的第一表面与第二基板的第二表面相接触。其中，第二基板与第一基板叠加后，第一基板的第一表面是指第一基板的朝向第二基板的表面，第二基板的第二表面为第二基板的朝向第一基板的表面。第一基板与第二基板错位设置，是指沿第一基板的厚度方向，第一基板的投影区域与第二基板的投影区域不完全重合。也即，第二基板存在突出于第一基板的部分，或者说，第二基板存在部分不被第一基板覆盖的区域，或者说，第二基板的第二表面存在不与第一基板接触的部分。
12.当第二基板的第二表面上的金属层上蚀刻有电路，则让第二基板中的金属层中有部分面积没有与第一基板叠加在一起，并将第二基板上的电路中的输入/输出端子设置在未叠加区域上，以便外部电路或功率器件电连接在该电路上，实现第二基板上的电路与其它器件或电路之间的电连接。
13.在一种实施方式中，所述基板与基板之间通过焊接或烧结的方式固定在一起。
14.在该实施方式中，通过采用焊接、烧结等方式，将基板与基板之间固定在一起，可以提高功率模块的结构强度。
15.在一种实施方式中，所述绝缘层为氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、掺杂有锆的氧化铝陶瓷中的一种。
16.在该实施方式中，由于功率模块外侧包裹功率器件和基板的保护材料一般选用硅胶、橡胶、塑料等结构强度比较弱的材料，所以功率模块的结构强度的好坏，基本上依赖基板的结构强度，如果基板的结构强度比较弱，则功率模块的整体结构比较差，容易被损坏。所以绝缘层选用的材料如陶瓷一类的结构强度比较高的材料，从而保证功率模块的结构强度，不易被损坏。
17.在一种实施方式中，每个功率器件包括第一端子和第二端子，所述每个功率器件的第一端子与所述第一基板中的第一电路电连接；所述每个功率器件的第二端子与其他至少一个功率器件的第二端子或所述第二基板中的第二电路电连接。。
18.在该实施方式中，让各个功率器件的一端电连接在第一基板中的金属层上的电路，另一端电连接在其它至少一个功率器件上或第二基板中的金属层上的电路，且每个基板之间叠加布置，使得各个功率器件的正极功率端子与负极功率端子之间叠加布置，可以让流过各个功率端子的电流产生的磁场之间相互抵消，从而减小功率模块的寄生电感。
19.在一种实施方式中，还包括：至少一个键合线，用于让所述每个功率器件的第二端子与其他至少一个功率器件的第二端子或所述第二基板中的第二电路电连接。
20.在该实施方式中，通过增加多个键合线，可以灵活地将各个功率器件之间、功率器件与电路上的端子之间电连接，可以降低功率模块的制作成本。
21.在一种实施方式中，所述第一基板中的第一金属层的厚度在0.3mm以内。
22.在该实施方式中，由于功率模块中设置有至少两个基板，相比较现有的只有一个
基板，每个基板上的金属层上蚀刻的电路比较少，所以可以缩短每个金属层蚀刻的宽度，让第一基板中的金属层上可以放置更多的功率器件，从而提高功率模块的功率密度。
23.在一种实施方式中，所述至少一个功率器件分别通过焊料焊接在所述第一基板的金属层上的电路上。
24.第二方面，本技术提供一种光伏发电系统，包括：光伏板，用于将太阳能转换成直流电能；直流-交流转换器，为如第一方面各个可能实现的功率模块，用于将直流电转换成交流电；控制器，用于控制光伏板是否工作，以及控制所述直流-交流转换器是否工作。
25.第三方面，本技术提供一种电力系统，包括：电源、至少一个负载和至少一个如第一方面各个可能实现的功率模块。功率模块可以与其它器件构成转换器，将电源输出的电信号转换成设定要求的电信号后，输入到各个负载中，实现电源为各个负载供电。其中，电力系统可以为新能源发电系统、轨道交通系统等等。
26.第四方面，本技术提供一种电子设备，其特征在于，包括：电源和至少一个如第一方面各个可能实现的功率模块。功率模块可以与其它器件构成转换器，将电源输出的电信号转换成设定要求的电信号，满足电子设备中其他用电器件对电信号的要求，实现电源为其它用电器件供电。其中，电子设备可以为电动汽车、电池模块等等。
附图说明
27.下面对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍。
28.图1为现有技术中一种功率模块的内部结构示意图；
29.图2为本技术实施例中提供的一种光伏发电系统的结构示意图；
30.图3为本技术实施例中提供的一种功率模块的内部结构示意图；
31.图4为本技术实施例中提供的功率模块中各个功率器件通过键合线连接在不同的基板上的结构示意图；
32.图5为本技术实施例中提供的基板与基板之间通过铜烧结方式实现固定连接的结构示意图；
33.图6为本技术实施例中提供的一种功率模块的制造过程示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
35.在本技术的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，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技术的限制。
36.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体的连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
37.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以适合的方式结合。
38.为了解决现有功率模块的散热问题，现有技术中提出了一种功率模块，如图1所示，该功率模块中包括有至少一个功率器件、一个基板和一个底板。其中，至少一个功率器件通过焊料焊接在基板的上表面上，至少一个功率器件上表面上再通过键合线相互连接后，再连接到基板上的电路端口上，实现电气连接；基板的下表面通过焊料焊接的方式连接在底板上。
39.现有方案中为了提高功率模块的散热效果，可以通过增加基板上的金属层的厚度，来提高功率模块的整体散热性能。但是，随着基板上的金属层的厚度增加，基板上的可蚀刻的宽度却在变小，会降低功率模块的功率密度。另外，在基板下方焊接一个底板，虽然可以进一步提高功率模块的整体散热性能，但是底板一般采用2mm-3mm的金属铜制作而成，造成功率模块的成本比较高，而且底板占了功率模块内部较大的体积，从而进一步降低了功率模块的功率密度。
40.为了解决现有功率模块的散热问题，本技术提出了一种新的功率模块的设计方案，通过在功率模块内部设置多个基板，且每个基板叠加布置，形成一个具有出色的热导率和良好的机械稳定性的基板结构，使得功率器件上的热量可以通过基板结构，传递到功率模块外部，从而提高功率模块的散热性能，而且增加了多个基板，可以在多个基板上的金属层上蚀刻电路，让功率模块中放置更多的功率器件，从而提高功率模块的功率密度。
41.本技术保护的功率模块一般应用在新能源发电系统、轨道交通系统、电动汽车、电池模块等领域。如图2所示，以光伏发电系统为例，该系统200包括光伏板210、控制器220和交流-直流(alternating current-direct current，dc-ac)转换器230。其中，光伏板210通过将太阳能转换成直流电能后，输入到dc-ac转换器220中，dc-ac转换器220将接收到的直流电转换成交流电，输入到其它用电设备或市电系统中；控制器220一般是指系统级芯片(system on chip，soc)，用于控制光伏板210是否工作，以及控制dc-ac转换器220是否工作。
42.通常来说，光伏板210上电池串接输出的电压波动范围比较大，输出的直流电压通常在300v～1500v之间，所以需要超大输入范围的高压dc-dc转换器230。随着光伏系统对电源模块小型化和功率密度要求日益严格，为了实现在空间不变的情况下，提供越来越高的输出功率，并具有超高速瞬态响应和最佳的性价比，需要将dc-ac转换器220设计成功率密度比较高的功率模块。
43.图3为本技术实施例中提供的一种功率模块的内部结构示意图。如图3所示，该功率模块300包括：多个功率器件310、多个基板320和多个键合线330。其中，多个功率器件310设置在基板320中的金属层上的电路上，多个基板320之间叠加布置，多个键合线330的两端分别电连接在功率器件310与功率器件310上、功率器件310与基板320表面的引脚上、以及基板320表面的引脚与基板320表面的引脚上。各个组件的结构与相互之间连接关系，具体如下：
44.功率器件310是指构成功率模块300的功率电力电子器件，如二极管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mosfet)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)等元器件，用于执行功率模块300的部分功能。
45.基板320是指功率模块300中为各个功率器件310提供支撑和电路连接的部分，基
板320一般是由金属层321和绝缘层322构成，且金属层321设置在绝缘层322的一侧或两侧表面上。其中，金属层321一般选用导热性能比较好的导电材料制作而成，如金属材料(铜)，也可以为非金属材料(石墨)以及其它材料；绝缘层322一般选用导热性能比较好的绝缘材料制作而成，如氮化铝(aln)陶瓷、氮化硅(si3n4)陶瓷、掺杂有锆的氧化铝(al2o3)陶瓷，以及其它材料。
46.可选地，绝缘层322不仅需要考虑到导热性能，还需要考虑结构强度。由于功率模块300外侧包裹功率器件310和基板320的保护材料一般选用硅胶、橡胶、塑料等结构强度比较弱的材料，所以功率模块300的结构强度的好坏，基本上依赖基板320的结构强度，如果基板320的结构强度比较弱，则功率模块300的整体结构比较差，容易被损坏。因此，绝缘层322选用的材料如陶瓷一类的结构强度比较高的材料，从而保证功率模块300的结构强度，不易被损坏。
47.金属层321一般采用烧结的方式布置在绝缘层322的表面上，使得金属层321可以紧密地贴附在绝缘层322的表面上，形成覆铜陶瓷基板(direct bonding copper,dbc)，金属层321还可以采用其它方式布置在绝缘层322的表面上，本技术在此不作限定。
48.本技术中，在绝缘层322的两侧表面上，也即如图3所示的朝向上方的一侧表面(后续称为“上表面”)和如图3所示的朝向下方的一侧表面(后续称为“下表面”)，可以都布置有金属层321，也可以在一侧的表面上布置有金属层321。示例性地，结合图3所示，基板320-1中的绝缘层322-1的上表面和下表面上，都布置有金属层321-1，基板320-2中的绝缘层322-2的上表面和下表面上，也都布置有金属层321-2。可选地，基板320-1中的绝缘层322-1的下表面上，可以不布置有金属层321-1，或基板320-2中的绝缘层322-2的上表面上，可以不布置有金属层321-2，让基板320-1和基板320-2之间共用一个金属层，在不影响热量传递效率的提前下，可以有效降低叠加后的基板320的厚度，从而提高功率模块300的功率密度。
49.基板320的处在绝缘层322的上表面上的金属层321，一般蚀刻有电路，使得各个功率器件310布置在金属层321上的电路时，实现各个功率器件310之间相互电连接。可选地，结合图3所示，基板320-1中的绝缘层322-1的下表面叠加在基板320-2中的绝缘层322-2的上表面上，所以无需在该表面上蚀刻有电路；基板320-2中的绝缘层322-2的下表面一般直接与金属散热器或金属底板结合，所以也无需在该表面上蚀刻有电路。当然，如果有特殊电路布线要求，也是可以在绝缘层322的下表面上的金属层321上蚀刻有电路，以满足实际需求，本技术在此不作限定。
50.本技术中，所有基板320中的绝缘层322的上表面上，有部分或全部的金属层321上蚀刻有电路，可以让更多的功率器件310布置在功率模块300中，然后分别与各个金属层321上的电路电连接，实现提高功率模块300的功率密度。示例性地，结合图4所示，基板320-1中的绝缘层322-1的上表面上金属层321-1，蚀刻有功率电路；基板320-2中的绝缘层322-2的上表面上金属层321-2，蚀刻有驱动电路，可以避免在一个金属层上同时蚀刻功率电路和驱动电路，造成基板320上的电路设计比较复杂，增加设计难度和产品成本。
51.另外，在设计功率模块300时，可以将实现功率功能的一部分功率器件(310-2，310-3)和实现驱动功能的另一部分功率器件(310-1)都可以添加在该功率模块300中，然后让实现功率功能的一部分功率器件(310-2，310-3)电连接在金属层321-1上的功率电路上，让实现驱动功能的另一部分功率器件(310-1)电连接在金属层321-2上的功率电路上，不仅
提高了功率模块300的功率密度，而且增加了功率模块300的功能，拓宽了功率模块300的应用范围。
52.基板320之间连接方式，可以包括有焊料焊接、银烧结、铜烧结、以及其它高热导率材料烧结的方式。示例性地，如图5所示，以铜烧结为例，在基板320-2中的金属层321-2上布置一层铜粉；然后通过对铜粉进行加热，将粉状物料转变成致密体后，将基板320-1叠加在基板320-2上的铜粉上；最后压合基板320-1和基板320-2，让冷却后的铜粉将压合基板320-1和基板320-2固定在一起，形成一个整体基板结构。可选地，如果基板320-2中的金属层321-2不蚀刻电路，可以在基板320-2中的绝缘层322-2的上表面上不设置有金属层321-2，通过铜烧结的方式，在基板320-2中的绝缘层322-2的上表面上形成一个金属层321-2，不仅不会影响基板320-2的结构，而且可以降低整体基本结构的厚度，有利于提高功率模块300的散热性能和提高功率密度。
53.再次结合图3所示，基板320-1与基板320-2是层叠错位设置的。所谓的层叠错位设置，是指，基板320-1与基板320-2之间不仅是层叠的，而且是错位的，或者是不对齐的。下面分别对本技术中的“层叠”和“错位”进行解释。
54.基板320-1与基板320-2层叠设置，意味着，基板320-1的第一表面与基板320-2的第二表面相接触。其中，基板320-1与基板320-2叠加后，基板320-1的第一表面是指基板320-1的朝向基板320-2的表面，基板320-2的第二表面为基板320-2的朝向基板320-1的表面。
55.基板320-1与基板320-2错位设置，是指沿基板320-1的厚度方向，基板320-1的投影区域与基板320-2的投影区域不完全重合。也即，基板320-2存在突出于基板320-1的部分，或者说，基板320-2存在部分不被基板320-1覆盖的区域，或者说，基板320-2的第二表面存在不与基板320-1接触的部分。
56.本技术中，当基板320-2上的第二表面的金属层321-2上蚀刻有电路，则将该电路中的输入/输出端子设置在基板320-2上的第二表面上的没有与基板320-1叠加在一起的位置上，以便外部电路或功率器件310通过键合线330连接在基板320-2上的第二表面的金属层321-2上的电路中的输入/输出端子上，实现金属层321-2上的电路与其它器件或电路之间的电连接。可选地，如果基板320-2上的第二表面上并没有蚀刻电路，则基板320-1与基板320-2之间可以对齐层叠，不需要考虑让基板320-2错开部分位置让金属层321-2上电路与其它器件或电路之间的电连接。
57.多个功率器件310一般通过焊料焊接在基板320-1中的金属层321-1上，与金属层321-1上的电路电连接。其中，基板320-1中的金属层321-1上的电路一般与外接电路的正极(或负极)电连接。各个功率器件310的第一端子电连接在基板320-1中的金属层321-1上的电路上，各个功率器件310的第二端子电连接在其他至少一个功率器件310的第二端子上、和/或基板320-1中的金属层321-1上的其它电路、和\或或基板320-2中的金属层321-2上的电路上，实现各个功率器件310电气连接。
58.由于每个功率器件310的第一端子是电连接在基板320-1中的金属层321-1上的电路，每个功率器件310的第二端子还与基板320-2中的金属层321-2上的电路上，且每个基板320之间叠加布置，使得各个功率器件310的第一端子与第二端子之间叠加布置，可以让流过各个功率端子的电流产生的磁场之间相互抵消，从而减小功率模块300的寄生电感。
59.本技术中，基板320-1中的绝缘层322-1上表面的金属层321-1，可以设计为厚度比较薄的金属层。由于功率模块300中设置有至少两个基板，相比较现有的只有一个基板，每个基板上的金属层上蚀刻的电路比较少，所以可以缩短每个金属层蚀刻的宽度，让基板320-1中的绝缘层322-1上表面的金属层321-1上可以放置更多的功率器件310，从而提高功率模块300的功率密度。可选地，基板320-1中的绝缘层322-1上表面的金属层321-1，其厚度可以在0.3mm以内。
60.需要说明的是，图3-图5中都是以两个基板320为例，但是本技术保护的功率模块300中，并不仅限于两个基板320，可以为两个或两个以上的基板320构成，本技术在此不做限定。
61.本技术保护的功率模块中，通过采用两个或两个以上的基板，并将多个基板叠加布置，利用基板的导热性能比较好的特点，可以提高功率模块的散热性能；且增加的多个基板上，可以蚀刻出多个电路，让功率模块中放置更多的功率器件，从而提高功率模块的功率密度。相比较现有技术中增加底板的方式，本技术保护的功率模块，不仅提高了散热新能，而且还提高了功率密度。
62.图6为本技术实施例中提供的一种功率模块的制造过程示意图。如图6所示，本技术提供了一种制造功率模块300的工艺，具体制作工艺实现过程如下：
63.步骤s601，选取设定数量、设定电路的基板320。其中，基板320的数量和电路设计具体根据实际需求来选定。
64.步骤s602，通过焊接、烧结等方式将多个基板320固定在一起。其中，基板320与基板320之间以叠加的方式固定在一起，如果处于下方的基板320中的金属层上蚀刻有电路，则处于下方的基板320有至少部分金属层未与处于上方的基板320固定在一起，以便处于下方的基板320上的电路中的输入/输出端子通过键合线330与其它电路和功率器件310电连接。
65.步骤s603，在处于上方的基板320的上表面的金属层的电路上，涂覆功率器件310与基板之间连接的焊料340。
66.步骤s604，通过焊料340焊接的方式将各个功率器件310焊接在处在基板320中的金属层的电路上。
67.步骤s605，通过键合线330将功率器件310与功率器件310之间、功率器件310与基板320上的电路的功率端子之间、以及基板320上的电路的功率端子与基板320上的电路的功率端子之间电连接。
68.步骤s606，在各个基板320上的电路中的与外接电路电连接的功率端子上，植引脚(pin)350。
69.步骤s607，利用封装材料260将功率器件310、基板320、键合线330、焊料340和pin 350包裹，封装成功率模块300。其中，封装材料260可以为硅胶、橡胶、塑料等材料。
70.本技术实施例中，通过采用上述描述的工艺，制作出如图3-图5和上述对应保护方案中记载的功率模块300，得到的功率模块散热性能比较好，而且可以提高整体的功率密度。
71.本技术实施例提供一种电力系统，该电力系统可以为新能源发电系统、轨道交通系统等，其包括有电源、至少一个负载和至少一个功率模块。功率模块可以与其它器件构成
转换器，将电源输出的电信号转换成设定要求的电信号后，输入到各个负载中，实现电源为各个负载供电。其中，功率模块可以为如图3-图6和上述对应保护方案中记载的功率模块300，由于该电力系统包括该功率模块，因此该电力系统包具有该功率模块的所有或至少部分优点。
72.本技术实施例提供一种电子设备，该电子设备可以为电动汽车、电池模块等等，其包括有电源和至少一个功率模块。其中，功率模块可以与其它器件构成转换器，将电源输出的电信号转换成设定要求的电信号，满足电子设备中其他用电器件对电信号的要求，实现电源为其它用电器件供电。其中，功率模块可以为如图3-图6和上述对应保护方案中记载的功率模块300，由于该电子设备包括该功率模块，因此该电子设备包具有该功率模块的所有或至少部分优点。
73.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以适合的方式结合。
74.最后说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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中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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例中技术方案的精神和范围。