车用功率模块及应用车用功率模块的车辆的制作方法

1.本发明涉及芯片设计领域，尤其涉及一种车用功率模块及应用车用功率模块的车辆。


背景技术：

2.功率模块是电动汽车用电驱系统中的核心关键部件，负责电动汽车中大功率电能转换，它对电驱系统乃至整车的性能、效率、成本、安全可靠性都有决定性影响。
3.igbt(insulated gate bipolar transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。gtr饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；mosfet驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。igbt模块是由igbt(绝缘栅双极型晶体管芯片)与fwd(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。
4.专利文献cn208861980u公开了一种功率模块组件、功率半导体模块和车辆，绝缘层；设置在所述绝缘层上的第一金属层；由多个igbt芯片并联连接而成的第一igbt芯片组，所述第一igbt芯片组包括多个第一igbt芯片单元，每个第一igbt芯片单元包括一个或多个igbt芯片；由多个frd芯片并联连接而成的第一frd芯片组，所述第一frd芯片组包括多个第一frd芯片单元，每个第一frd芯片单元包括一个或多个frd芯片，其中，所述第一igbt芯片组和所述第一frd芯片组反向并联，所述多个第一igbt芯片单元和所述多个第一frd芯片单元在所述第一金属层上交替相间排列，它采用通过功率芯片错位布局，现有的功率模块多采用平面布设的方式，使得车用功率模块的面积较大。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供一种车用功率模块及应用车用功率模块的车辆，可以解决现有技术中的功率模块布设不合理导致其面积较大的问题。
6.为实现上述目的，本发明一方面提供一种车用功率模块，车用功率模块包括：
7.至少两个半桥电路组件，每个所述半桥电路组件包括两组相同结构的电路结构，每组所述电路结构包括并排设置的igbt芯片模组和二极管芯片模组；
8.所述半桥电路组件之间的布设方向分别与两组电路结构的布设方向以及igbt芯片和二极管芯片的布设方向垂直，所述两组电路结构的布设方向与所述igbt芯片和二极管芯片的布设方向垂直。
9.进一步地，所述半桥电路组件之间通过第一过渡导电体连接。
10.进一步地，车用功率模块还包括设置在电路结构上的第一散热基板和设置在所述电路结构下第二散热基板；
11.所述电路结构与所述第一散热基板之间还设置有第一绝缘衬板，所述电路结构与所述第二散热基板之间还设置有第二绝缘衬板；
12.所述第一散热基板和所述第一绝缘衬板之间通过第一钎焊层连接，所述第二散热基板和所述第二绝缘衬板之间通过第二钎焊层连接。
13.进一步地，所述第一绝缘衬板和所述第二绝缘衬板的结构相同，均包括绝缘层和设置在所述绝缘层外的金属层，所述金属层为铜层。
14.进一步地，所述igbt芯片模组包括igbt芯片本体和设置在所述igbt芯片本体上下表面的第三钎焊层；
15.所述二极管芯片模组包括二极管芯片本体和设置在所述二极管芯片本体上下表面的第四钎焊层；
16.设定所述电路结构为第一电路结构和第二电路结构；
17.所述第一电路结构中的igbt芯片模组与第二电路结构中的igbt芯片模组通过第二过渡导电体连接，第一电路结构设置在所述第二电路结构的上层，所述第一电路结构的igbt芯片模组通过第三过渡导电体与第一绝缘衬板的金属层连接，第二电路结构中的igbt芯片模组与第二绝缘衬板的金属层连接；
18.所述第一电路结构中的二极管芯片模组与第二电路结构中的二极管芯片模组通过第四过渡导电体连接，所述第一电路结构的二极管芯片模组通过第五过渡导电体与第一绝缘衬板的金属层连接，第二电路结构中的二极管芯片模组与第二绝缘衬板的金属层连接。
19.进一步地，车用功率模块还包括有第一引线架组和第二引线架组，所述第一引线架组为所述igbt芯片本体服务，所述第二引线架组为所述二极管芯片本体服务，所述第一引线架组用以实现所述igbt芯片本体与所述金属层的连接，所述第二引线架组用以实现所述二极管芯片本体预金属层之间的连接；
20.所述igbt芯片本体包括发射极、栅极和集电极，所述二极管芯片本体包括阴极和阳极；
21.所述第一引线架组包括发射极引线架和栅极引线架，所述集电极通过与其连接的钎焊层与第二绝缘衬板的金属层连接，所述发射极通过与其连接的钎焊层与所述发射极引线架连接，所述栅极通过与其连接的钎焊层与所述栅极引线架连接，所述栅极引线架与金属层连接；
22.所述第二引线架组为阴极引线架，所述阴极通过与其连接的钎焊层与第二绝缘板的金属层连接，所述阳极通过与其连接的钎焊层与所述阴极引线架连接。
23.进一步地，所述第二绝缘衬板的金属层的信号引线通过信号端子引出。
24.进一步地，所述第一散热基板和所述第二散热基板通过pinfin散热结构进行散热，所述pinfin散热结构的形状包括圆形、椭圆形或菱形。
25.进一步地，所述第一钎焊层、第二钎焊层、第三钎焊层和第四钎焊层采用锡层、银层或铜层，当采用锡层是通过锡焊工艺实现连接，当采用银层或铜层时，采用银/铜烧结工艺实现连接。
26.另一方面，本发明还提供一种应用如上所述的车用功率模块的车辆，该车辆包括车用功率模块，所述车用功率模块包括：至少两个半桥电路组件，每个所述半桥电路组件包
括两组相同结构的电路结构，每组所述电路结构包括并排设置的igbt芯片模组和二极管芯片模组；
27.所述半桥电路组件之间的布设方向分别与两组电路结构的布设方向以及igbt芯片和二极管芯片的布设方向垂直，所述两组电路结构的布设方向与所述igbt芯片和二极管芯片的布设方向垂直。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果在于，功率模块内部功率芯片叠层立体设计，实现小型化封装，并联功率芯片与串联功率芯片分属两层，降低功率芯片工作器件的热耦合，同时利用未工作的功率芯片快速散热，降低工作功率芯片发热，提升功率芯片输出性能，串联的功率芯片通过过渡导电体连接，过渡导电体应用烧结技术提升连接可靠性，且同侧不同电气功能区域更易连接实现，降低应用绑定线带来的附加工艺，同时增强连接的可靠性。
29.尤其，功率模块内部功率芯片通过引线架实现功率芯片发射极与栅极引出至陶瓷衬板金属铜层连接，引线架与功率芯片及过渡导电体通过烧结工艺联系，增强连接可靠性，且引线架与绑定线与绑定带相比，导电能力更强，同时更有利于散热，提升功率芯片输出性能。
30.尤其，功率模块功率芯片连接应用烧结工艺，烧结材料可采用银或铜等，通过烧结工艺提升连接可靠性。
附图说明
31.图1为本发明实施例提供的功率模块的等效电路图；
32.图2为本发明实施例提供的功率模块截面图；
33.图3为本发明实施例的功率模块中的第二电路结构对应的底面布局图；
34.图4为本发明实施例的功率模块中的第一电路结构对应的顶面布局图。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
36.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
37.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。
38.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，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，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.本发明实施例提供的车用功率模块包括：至少两个半桥电路组件，每个所述半桥
电路组件包括两组相同结构的电路结构，每组所述电路结构包括并排设置的igbt芯片模组和二极管芯片模组；
40.所述半桥电路组件之间的布设方向分别与两组电路结构的布设方向以及igbt芯片和二极管芯片的布设方向垂直，所述两组电路结构的布设方向与所述igbt芯片和二极管芯片的布设方向垂直。
41.具体而言，本发明实施例中的车用功率模块内部功率芯片叠层立体设计，布设合理，实现小型化封装，且并联功率芯片与串联功率芯片分属两层，降低功率芯片工作器件的热耦合。
42.具体而言，所述半桥电路组件之间通过第一过渡导电体连接。
43.具体而言，半桥电路组件通过第一过渡导电体连接，过渡导电体应用烧结技术提升连接可靠性，且同侧不同电气功能区域更易连接实现，降低应用绑定线带来的附加工艺，同时增强连接的可靠性。
44.具体而言，还包括设置在电路结构上的第一散热基板和设置在所述电路结构下第二散热基板；
45.所述电路结构与所述第一散热基板之间还设置有第一绝缘衬板，所述电路结构与所述第二散热基板之间还设置有第二绝缘衬板；
46.所述第一散热基板和所述第一绝缘衬板之间通过第一钎焊层连接，所述第二散热基板和所述第二绝缘衬板之间通过第二钎焊层连接。
47.具体而言，所述第一绝缘衬板和所述第二绝缘衬板的结构相同，均包括绝缘层和设置在所述绝缘层外的金属层，所述金属层为铜层。
48.具体而言，所述igbt芯片模组包括igbt芯片本体和设置在所述igbt芯片本体上下表面的第三钎焊层；
49.所述二极管芯片模组包括二极管芯片本体和设置在所述二极管芯片本体上下表面的第四钎焊层；
50.设定所述电路结构为第一电路结构和第二电路结构；
51.所述第一电路结构中的igbt芯片模组与第二电路结构中的igbt芯片模组通过第二过渡导电体连接，第一电路结构设置在所述第二电路结构的上层，所述第一电路结构的igbt芯片模组通过第三过渡导电体与第一绝缘衬板的金属层连接，第二电路结构中的igbt芯片模组与第二绝缘衬板的金属层连接；
52.所述第一电路结构中的二极管芯片模组与第二电路结构中的二极管芯片模组通过第四过渡导电体连接，所述第一电路结构的二极管芯片模组通过第五过渡导电体与第一绝缘衬板的金属层连接，第二电路结构中的二极管芯片模组与第二绝缘衬板的金属层连接。
53.具体而言，通过过渡导电体实现功率芯片之间连接，以及功率布线连接，实现功率模块内部功率芯片立体布置与功率布线叠层设计，通过过渡导电体实现功率芯片同侧不同功能端(如：发射极)的电气连接，实现紧凑高可靠连接。通过功率芯片叠层布置，分时工作设计，实现功率芯片双面立体散热，增强功率模块散热同时实现了立体小型化设计。
54.具体而言，还包括有第一引线架组和第二引线架组，所述第一引线架组为所述igbt芯片本体服务，所述第二引线架组为所述二极管芯片本体服务，所述第一引线架组用
以实现所述igbt芯片本体与所述金属层的连接，所述第二引线架组用以实现所述二极管芯片本体预金属层之间的连接；
55.所述igbt芯片本体包括发射极、栅极和集电极，所述二极管芯片本体包括阴极和阳极；
56.所述第一引线架组包括发射极引线架和栅极引线架，所述集电极通过与其连接的钎焊层与第二绝缘衬板的金属层连接，所述发射极通过与其连接的钎焊层与所述发射极引线架连接，所述栅极通过与其连接的钎焊层与所述栅极引线架连接，所述栅极引线架与金属层连接；
57.所述第二引线架组为阴极引线架，所述阴极通过与其连接的钎焊层与第二绝缘板的金属层连接，所述阳极通过与其连接的钎焊层与所述阴极引线架连接。
58.本发明实施例中的引线架与功率芯片及过渡导电体通过烧结工艺联系，增强连接可靠性，且引线架与绑定线与绑定带相比，导电能力更强，同时更有利于散热，提升功率芯片输出性能。
59.具体而言，所述第二绝缘衬板的金属层的信号引线通过信号端子引出。
60.具体而言，所述第一散热基板和所述第二散热基板通过pinfin散热结构进行散热，所述pinfin散热结构的形状包括圆形、椭圆形或菱形。
61.第一散热基板和第二散热基板通过pinfin实现增加散热面积强化散热，提高散热效率。
62.具体而言，所述第一钎焊层、第二钎焊层、第三钎焊层和第四钎焊层采用锡层、银层或铜层，当采用锡层是通过锡焊工艺实现连接，当采用银层或铜层时，采用银/铜烧结工艺实现连接。
63.本发明实施例通过烧结工艺提升功率芯片焊接可靠性，增强功率模块工作可靠性。
64.具体而言，本发明实施例还提供一种应用上述车用功率模块的车辆，包括如上所述的车用功率模块，能够与上述车用功率模块相同的技术效果，在此不再赘述，本发明实施例中的车辆能够在进行大功率电能转化时体现较佳性能，延长车辆的使用寿命保证车辆的动力输出。
65.下面结合实际应用场景，对本发明实施例提供的车用功率模块进行进一步说明，如图1所示
66.如图1所示，本发明实施例提供的功率模块的等效电路图，本发明以半桥电路拓扑为例，半桥电路为单相双开关，每个开关可由多个功率芯片并联实现，本例以每个开关由两个功率芯片并联为例，其中两个功率芯片分别为igbt芯片1和二极管芯片2。
67.如图2所示，本发明实施例功率模块截面图，功率模块由底面、中部与顶面构成，底面与顶面采用直接水冷方式，散热基板通过pinfin实现增加散热面积强化散热，pinfin形状不仅包括圆形、椭圆形、菱形等，中部由陶瓷衬板、钎焊层、功率芯片(如igbt芯片与二极管芯片)、过渡导电体、引线架构成，陶瓷衬板通过钎焊层与散热基板连接，钎焊层钎料可采用锡、银、铜等，通过锡焊、烧结工艺实现连接，功率芯片的底面电极(如：igbt芯片的集电极、二极管芯片的阴极)与陶瓷衬板的金属铜层的正极通过钎焊层连接，钎焊层可采用银、铜等，通过烧结工艺实现连接，功率芯片的顶面电极(如：igbt芯片的发射极、igbt芯片的栅
极、二极管芯片的阳极)通过钎焊层与引线架连接，引线架另一侧分别与陶瓷衬板金属层的负极与栅极连接，引线架顶面通过具有双侧钎焊层的过渡导电体与并联的功率芯片底面连接，实现功率模块半桥电路拓扑，并联的功率芯片(如：igbt芯片的发射极、igbt芯片的栅极、二极管芯片的)的顶面通过具有双侧钎焊层的过渡导电体与陶瓷衬板的金属铜层连接，陶瓷衬板的另一侧通过钎焊层与散热基板连接。
68.具体而言，如图2所示，本发明实施例提供的车用功率模块还包括设置在电路结构上的第一散热基板a1和设置在所述电路结构下第二散热基板a2；
69.所述电路结构与所述第一散热基板之间还设置有第一绝缘衬板，所述电路结构与所述第二散热基板之间还设置有第二绝缘衬板；
70.所述第一散热基板和所述第一绝缘衬板之间通过第一钎焊层10连接，所述第二散热基板和所述第二绝缘衬板之间通过第二钎焊层20连接。
71.具体而言，如图2所示，所述第一绝缘衬板和所述第二绝缘衬板的结构相同，第一绝缘衬板包括绝缘层p1和设置在所述绝缘层外的第一金属层p11和第二金属层p12，所述第二绝缘衬板包括绝缘层p2和设置在所述绝缘层外的第三金属层p21和第四金属层p22，所述金属层为铜层。
72.具体而言，所述igbt芯片模组包括igbt芯片本体和设置在所述igbt芯片本体上下表面的第三钎焊层；
73.所述二极管芯片模组包括二极管芯片本体和设置在所述二极管芯片本体上下表面的第四钎焊层；
74.设定所述电路结构为第一电路结构和第二电路结构；
75.如图2所示，第一电路结构中的igbt芯片模组包括第一igbt芯片本体11、设置在第一igbt芯片本体11的上钎焊层111和设置在第一igbt芯片本体11的下钎焊层112，第二电路结构中的igbt芯片模组包括第二igbt芯片本体12、设置在第二igbt芯片本体12的上钎焊层121和设置在第二igbt芯片本体11的下钎焊层122，第一电路结构中的二极管芯片模组包括第一二极管芯片本体21、设置在第一二极管芯片本体21的上钎焊层211和设置在第一二极管芯片本体21的下钎焊层212，第二电路结构中的二极管芯片模组包括第二二极管芯片本体22、设置在第二二极管芯片本体22的上钎焊层221和设置在第二二极管芯片本体22的下钎焊层222。
76.如图2所示，所述第一电路结构中的igbt芯片模组与第二电路结构中的igbt芯片模组通过第二过渡导电体200连接，第一电路结构设置在所述第二电路结构的上层，所述第一电路结构的igbt芯片模组通过第三过渡导电体300与第一绝缘衬板的金属层p11连接，第二电路结构中的igbt芯片模组与第二绝缘衬板的金属层p21连接；
77.所述第一电路结构中的二极管芯片模组与第二电路结构中的二极管芯片模组通过第四过渡导电体400连接，所述第一电路结构的二极管芯片模组通过第五过渡导电体500与第一绝缘衬板的金属层连接，第二电路结构中的二极管芯片模组与第二绝缘衬板的金属层连接。
78.如图3所示，本发明实施例功率模块底面布局图，正负极怀抱型布置，两侧为正，中间为负，反之也可行，正负极端子截面积具体视电流载流能力要求，功率芯片(如：igbt芯片发射极、二极管芯片阳极)通过引线架与输出极连接，连接可通过超声键合或钎焊工艺实
现，功率芯片控制极(如：igbt芯片栅极)通过引线架与陶瓷衬板金属铜层连接由控制极端子引出。
79.如图4所示，本发明实施例功率模块顶面布局图，陶瓷衬板顶面金属铜层通过钎焊层与散热基板连接，钎焊层可采用锡、银、铜等，应用锡焊或银/铜烧结工艺，陶瓷衬板底面金属铜层根据功率芯片布置位置刻蚀对应图形，实现功率芯片(如：igbt芯片、二极管芯片)的并联，陶瓷衬板底面金属层信号引线通过信号端子引出。
80.本发明实施例中的功率芯片(如：igbt芯片)集电极通过钎焊层与金属铜层连接，发射极通过钎焊层与发射极引线架连接，栅极通过钎焊层与栅极引线架连接，栅极引线架另一侧通过钎焊层或超声键合与金属铜层连接，钎焊层可采用锡、银、铜等，应用锡焊或银/铜烧结工艺。
81.本发明实施例中的功率芯片(如：二极管芯片)阴极通过钎焊层与金属铜层连接，阳极通过钎焊层与二极管阴极引线架连接，钎焊层可采用锡、银、铜等，应用锡焊或银/铜烧结工艺。
82.本发明实施例中的过渡导电体，过渡导电体采用高耐温pcb方案，pcb中内嵌导电铜柱，铜柱根据功率芯片(如：igbt芯片)电气功能进行布局，igbt芯片发射极与igbt芯片栅极通过pcb铜柱引出。
83.功率模块内部功率芯片叠层立体设计，实现小型化封装，并联功率芯片与串联功率芯片分属两层，降低功率芯片工作器件的热耦合，同时利用未工作的功率芯片快速散热，降低工作功率芯片发热，提升功率芯片输出性能，串联的功率芯片通过过渡导电体连接，过渡导电体应用烧结技术提升连接可靠性，且同侧不同电气功能区域更易连接实现，降低应用绑定线带来的附加工艺，同时增强连接的可靠性。
84.功率模块内部功率芯片通过引线架实现功率芯片(如:igbt芯片)发射极与栅极引出至陶瓷衬板金属铜层连接，引线架与功率芯片及过渡导电体通过烧结工艺联系，增强连接可靠性，且引线架与绑定线与绑定带相比，导电能力更强，同时更有利于散热，提升功率芯片输出性能。
85.功率模块内部过渡导电体采用高耐温pcb方案，pcb中内嵌导电铜柱，铜柱根据功率芯片(如：igbt芯片)电气功能进行布局，igbt芯片发射极与igbt芯片栅极通过pcb铜柱引出。
86.功率模块功率芯片连接应用烧结工艺，烧结材料可采用银或铜等，通过烧结工艺提升连接可靠性。
87.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
88.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。