功率模块及车辆的制作方法

1.本实用新型属于电子电路技术领域，更具体地说，是涉及一种功率模块及车辆。


背景技术：

2.车规级功率模块通常采取半桥电路，目前功率模块绝大部分是以铝线和铜线进行wirebond封装为主。通过wirebond形式进行封装，电阻和寄生电感都较大，电阻大将导致功率模块的转换效率降低，电感较大则会影响功率模块的开通关断性能，甚至引起过电压而损坏功率模块中的芯片。
3.通过铜夹片clip工艺进行功率模块布局，是一种较好的解决办法。但是，clip封装方式存在芯片的寄生电感不一致，部分芯片电流过大、芯片温差大易损坏；另外该方式中焊接点的接触面积小，焊接困难且可靠性差。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种功率模块及车辆，旨在解决现有技术中的功率模块存在的转换效率低、可靠性差的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型实施例的第一方面提供了一种功率模块，包括：
6.基板和多个功率芯片；
7.多个功率芯片被划分为多个功率芯片组，基板的一侧表面上具有与功率芯片组一一对应的多个第一电路导体，功率芯片组位于对应的第一电路导体上，功率芯片组中的功率芯片均沿第一方向排列，且功率芯片组中的功率芯片的输入端均与对应的第一电路导体连接；
8.基板的该侧表面上还具有与功率芯片组一一对应的第二电路导体，第二电路导体位于对应的功率芯片组列方向的任意一侧，每个功率芯片组均还对应一个导电片，每个功率芯片组中的功率芯片的输出端均通过该功率芯片组对应的导电片连接至该功率芯片组对应的第二电路导体；
9.基板的该侧表面上还设置有直流端和交流端，第一电路导体、第二电路导体还连接直流端或交流端，以形成半桥拓扑结构。
10.可选的，直流端包括：
11.直流正极和直流负极；
12.一部分第一电路导体与直流正极连接，与直流正极连接的第一电路导体对应的功率芯片组所连接的第二电路导体连接至交流端；
13.另一部分第一电路导体与交流端连接，与交流端连接的第一电路导体对应的功率芯片组所连接的第二电路导体连接至直流负极。
14.可选的，直流端包括：
15.直流正极和直流负极；
16.一部分第一电路导体与直流负极连接，与直流负极连接的第一电路导体对应的功
率芯片组所连接的第二电路导体连接至交流端；
17.另一部分第一电路导体与交流端连接，与交流端连接的第一电路导体对应的功率芯片组所连接的第二电路导体连接至直流正极。
18.可选的，第一电路导体、导电片均为矩形结构，矩形中与第一方向平行的两个对边为长边，矩形中与第一方向垂直的两个对边为宽边；
19.第一电路导体的宽边与对应导电片的宽边的宽度比位于0.6-1.5之间。
20.可选的，与直流正极连接的第一电路导体的数量等于与交流端连接的第一电路导体的数量。
21.可选的，各个功率芯片组中的功率芯片数量相同，各个功率芯片组中任意两个相邻功率芯片间的距离相同。
22.可选的，与直流正极连接的第一电路导体对应的功率芯片组中的功率芯片为第一类型，与交流端连接的第一电路导体对应的功率芯片组中的功率芯片为第二类型；第一类型和第二类型相同或者不同。
23.可选的，第一类型、第二类型为二极管或者金属氧化物场效应晶体管。
24.可选的，第二电路导体中与导电片的连接位置采用半刻蚀结构。
25.本实用新型实施例的第二方面提供了一种车辆，车辆中的各个系统电路均使用如上述第一方面的功率模块进行功率转换。
26.本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
27.本实用新型实施例的功率模块通过将第二电路导体放置在对应的功率芯片组列方向的任意一侧进行clip焊接，各个芯片与焊点距离能够相同，从而各个芯片所占寄生电感一致，均流性更好，芯片温差更小，芯片不易损坏；并且，该种方式还能够增加导电片的面积以及增加导电片与第二电路导体的接触面积，从而降低焊接难度、降低电流密度，显著提高了功率模块的可靠性。
附图说明
28.图1为本实用新型实施例提供的功率模块的平面布局示意图；
29.图2为本实用新型实施例提供的功率模块的部分截面图一；
30.图3为本实用新型实施例提供的功率模块的等效电路示意图；
31.图4为本实用新型实施例提供的功率芯片组的等效电路示意图；
32.图5为本实用新型实施例提供的功率模块的部分截面图二。
具体实施方式
33.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
34.车规级功率模块通常采用半桥电路，目前功率模块绝大部分是以铝线和铜线进行wirebond封装为主，该方式电阻和寄生电感都较大，电阻大将导致功率模块的转换效率降低，电感较大则会影响功率模块的开通关断性能，甚至引起过电压而损坏芯片。虽然通过铜夹片(导电片)clip工艺进行封装，可以减小寄生电感，但面临如下技术问题：
35.(1)各个导电片与电路导体连接处位于芯片一侧呈现“一个点”，多个芯片顶部电流流到导电片的一端，各个芯片的寄生电感不一致，部分芯片电流过大，从而导致各个芯片之间的温差大；
36.(2)导电片与电路导体焊接点接触面小，焊接时导电片容易漂移，对焊接工艺造成困难，容易虚焊；且高温大电流密度下，焊接层的可靠性也较差。
37.图1是本实施例提供的功率模块的平面图，图2是图1中虚线框部分的截面图。请一并参阅图1及图2，现对本实用新型提供的功率模块进行说明。
38.功率模块包括基板10和多个功率芯片11。
39.多个功率芯片11被划分为多个功率芯片组，基板10的一侧表面上具有与功率芯片组一一对应的多个第一电路导体12，功率芯片组位于对应的第一电路导体12上，功率芯片组中的功率芯片11均沿第一方向排列，且功率芯片组中的功率芯片11的输入端均与对应的第一电路导体12连接。
40.基板10的该侧表面上还具有与功率芯片组一一对应的第二电路导体13，第二电路导体13位于对应的功率芯片组列方向的任意一侧，每个功率芯片组均还对应一个导电片14，每个功率芯片组中的功率芯片11的输出端均通过该功率芯片组对应的导电片14连接至该功率芯片组对应的第二电路导体13。
41.基板10的该侧表面上还设置有直流端15、16、17和交流端18，第一电路导体12、第二电路导体13还连接直流端或交流端，以形成半桥拓扑结构。
42.在本实施例中，以图1为示例，图中包括4个功率芯片组，每个功率芯片组均包含4个功率芯片11，各个功率芯片组同方向排列，第一方向可以为任意方向。在图1中，16可以是直流端的正极(p)，相应的15和17为直流端的负极(n)。或者，16是直流端的负极，相应的15和17为直流端的正极。各个功率芯片组、直流端和交流端(ac)连接，形成半桥拓扑结构。
43.作为一种可能的实现方式，当16是直流端的正极，15和17为直流端的负极时：
44.一部分第一电路导体与直流正极16连接，与直流正极16连接的第一电路导体12对应的功率芯片组所连接的第二电路导体13连接至交流端18；
45.另一部分第一电路导体与交流端18连接，与交流端18连接的第一电路导体对应的功率芯片组所连接的第二电路导体13分别连接至直流负极15和17。
46.即，位于图1中间的两个第二电路导体12上的功率芯片组先通过导电片14连接至对应的第二电路导体13，然后第二电路导体13连接至交流端18。位于图1两侧的两个第二电路导体12上的功率芯片组先通过导电片14连接至对应的第二电路导体13，然后两个第二电路导体13分别连接至15和17。
47.在本实施例中，中间两个功率芯片组中的8个功率芯片并联形成功率模块的上开关g1，两侧功率芯片组中的8个功率芯片并联形成功率模块的下开关g2，上开关g1和下开关g2串联，其等效电路可以参见图3所示。功率模块工作时，直流母线的电流经过直流正极、直流负极、电路导体、功率芯片的输入电极、功率芯片的输出电极、导电片、交流端输出至负载。
48.一般的，对于较大功率的功率模块，上开关和下开关通常由多个mosfet或者igbt等功率半导体芯片并联而成。
49.由于将导电片与第二电路导体焊接点改为在功率芯片的左右侧，功率芯片所占寄
生电感一致，均流性更好，功率芯片温差更小，不易损坏。
50.并且，导电片与第二电路导体的焊接接触面增加，焊接时导电片不易漂移，焊接工艺难度大幅下降，良率上升，成本下降。同时，导电片与第二电路导体的焊接点接触面增加，电流密度下降，高温下焊接点的可靠性上升。
51.另外，该封装方式能够增大导电片的面积，使得导电片与对应的第一电路导体的面积近似，如果采用双面散热，模块上下热路径的热阻近似，功率模块上下表面温度近似，模块上下热应力更加对称，可靠性上升。
52.以图1中的一组功率芯片m1-m4为例，等效电路如图5。对于4个功率芯片，其导通的回路阻抗接近。例如，头尾两个功率芯片，功率芯片m1的阻抗z1＝l8 l1 l2 l3 l4，功率芯片m4的阻抗z4＝l4 l5 l6 l7 l8。由于导电片与对应的第一电路导体的面积近似，故l1≈l7，l2≈l6，l3≈l5，所以z1≈z4，阻抗接近，在同样电压下，并联电路的动态和静态均流特性较好。
53.作为一种可能的实现方式，当16是直流端的负极，15和17为直流端的正极时，一部分第一电路导体与直流负极连接，与直流负极连接的第一电路导体对应的功率芯片组所连接的第二电路导体连接至交流端；另一部分第一电路导体与交流端连接，与交流端连接的第一电路导体对应的功率芯片组所连接的第二电路导体连接至直流正极。即在本实施例中，将上开关和下开关的位置进行了调换，其效果与上述实施例的效果类似，不再进行详述。
54.作为一种可能的实现方式，参见图1所示，第一电路导体12、导电片14均为矩形结构，矩形中与第一方向平行的两个对边为长边，矩形中与第一方向垂直的两个对边为宽边，第一电路导体12的宽边l1与对应导电片14的宽边l2的宽度比位于0.6-1.5之间。
55.在本实施例中，将第一电路导体12的宽边l1与对应导电片14的宽边l2的宽度比设置在一定范围内，第一电路导体12的长边与对应导电片14的长边也尽量设置相近，从而能够使得第一电路导体12和导电片14的面积相接近，在同样电压下，能够提高并联电路的动态和静态均流特性。
56.或者，第一电路导体12和导电片14的面积之比位于0.6-1.5之间。
57.在一个实施例中，以16是直流端的负极，15和17为直流端的正极的情况为示例：
58.参见图1所示，与直流正极16连接的第一电路导体12的数量等于与交流端18连接的第一电路导体12的数量，各个功率芯片组中的功率芯片11数量相同，各个功率芯片组中任意两个相邻功率芯片11间的距离相同。
59.在本实施例中，使上开关g1(中间两个功率芯片组)和下开关g2(两侧的两个功率芯片组)中包含的功率芯片组数量相同、各个功率芯片组中的功率芯片11数量相同，从而形成布局高对称性的半桥模块，均流效果更佳。本技术对功率芯片组、功率芯片的数量不做具体限制，可根据实际需要设置。
60.进一步的，与直流正极16连接的第一电路导体12对应的功率芯片组中的功率芯片11为第一类型，与交流端18连接的第一电路导体12对应的功率芯片组中的功率芯片11为第二类型；第一类型和第二类型相同或者不同。
61.可选的，第一类型、第二类型为二极管或者金属氧化物场效应晶体管。
62.在本实施例中，一般的上开关g1和下开关g2中的功率芯片类型相同，实现高度对
称。当上开关g1和下开关g2中的功率芯片类型不同时，可构成相互换流的斩波电路或者升压电路，典型的一个为二极管，一个为mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor，金属氧化物场效应晶体管)。
63.作为一种可能的实现方式，第二电路导体13中与导电片14的连接位置采用半刻蚀结构。
64.在本实施例中，参见图5所示，第二电路导体13改进为半刻蚀结构，能够进一步增加焊接良率和可靠性。
65.作为一种可能的实现方式，功率芯片11与导电片14、功率芯片11与第一电路导体12之间的连接方式可以是但不限于导电胶膜、银浆、银或铜烧结、半烧结、钎焊/锡球焊/锡片焊、瞬态液相焊接、各向异性连接、超声焊接、激光焊接中的任意一种，一般不适用wire bonding工艺。
66.作为一种可能的实现方式，导电片14可以是铜合金或其它导电材料。
67.作为一种可能的实现方式，功率芯片11的栅极也可以使用导电片焊接，且可以连接栅极电阻。功率模块不限于单面或双面散热等功率模组。第一电路导体、第二电路导体可以是dbc、amb、leadframe或pcb上的导电层。
68.结合上述实施例中的内容，本实用新型的有益效果概括如下：
69.(1)功率芯片的电阻小和寄生电感一致，均流性更好，芯片不易损坏；
70.(2)导电片焊接工艺难度大幅下降，良率上升，成本下降；
71.(3)导电片与电路导体的焊接点接触面的电流密度下降，可靠性上升；
72.(4)用于双面散热时，功率模块上下热路径的热阻近似，功率模块上下热应力更加对称，从而显著提升功率模块的可靠性。
73.本实用新型实施例提供了一种车辆，该车辆中的各个系统电路均使用如上述的功率模块进行功率转换。
74.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。