專(zhuān)利名稱(chēng)：功率模塊、相腳和三相變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及功率模塊，更具體地，涉及用于高功率電子應(yīng)用的低電感功率模塊。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)，例如硅絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，能夠以比早期的設(shè)計(jì)高很多的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)。它們較低的開(kāi)關(guān)損耗能夠進(jìn)行需要高頻率功率轉(zhuǎn)換的新應(yīng)用。然而，這些較快的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換所固有的問(wèn)題是與常規(guī)封裝工藝的高寄生電感相關(guān)。更具體地，當(dāng)切斷功率器件時(shí)發(fā)生的過(guò)沖電壓正比于寄生電感與在開(kāi)關(guān)期間IGBT電流的斜率的乘積。由于新的IGBT較快的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，對(duì)于新一代的功率器件來(lái)說(shuō)，降低寄生電感更加關(guān)鍵，以避免當(dāng)切斷器件時(shí)過(guò)多的過(guò)沖電壓。例如，在具有50nH寄生電感的500V DC總線上工作和5A/ns的相對(duì)高的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器引起50％的過(guò)沖電壓。
在圖11中示出了具有螺旋式電源端子的常規(guī)功率模塊。常規(guī)功率模塊的寄生電感接近20nH且常規(guī)設(shè)計(jì)的相腳電感一般超過(guò)50nH。通過(guò)由引線接合提供的剩余物和襯底上的布局，該螺旋式功率模塊端子引線提供很大一部分寄生電感。除了它們的高寄生電感之外，非對(duì)稱(chēng)布局導(dǎo)致在功率器件之間很少的電流分配。因此，使用具有新一代快速I(mǎi)GBT器件的常規(guī)功率模塊將引起不希望的明顯較高的電應(yīng)力。
之前已經(jīng)有嘗試設(shè)計(jì)低電感功率模塊。例如，2002年9月2日IEEE，Proceedings of the 14thInternational Symposium on PowerSemiconductor Devices and ICs的、Mourick等人。的“750A，75VMOSFETPower Module with Sub-nH Inductance”，描述了一種以能夠與功率器件三維交叉的多個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)為特征的低電感多芯片互連。在每個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間，由通過(guò)功率器件的電流和在導(dǎo)電網(wǎng)中的電流產(chǎn)生相對(duì)的磁場(chǎng)。該相對(duì)的磁場(chǎng)可以抵消掉對(duì)于互連產(chǎn)生的2nH的寄生電感。然而，Mourick等人沒(méi)能夠提出在模塊和轉(zhuǎn)換器級(jí)的低寄生電感互連的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的其它缺點(diǎn)包括由于增加了導(dǎo)電網(wǎng)而增加了成本，以及該模塊組件的整體復(fù)雜性。
Arai等人的、名稱(chēng)為“具有低浮動(dòng)電感的半導(dǎo)體器件”的美國(guó)專(zhuān)利No.5,424,579，提出了功率模塊的器件和襯底布圖。然而，Arai等人以一對(duì)保持模塊的高電感的常規(guī)功率端子為特征。另外，該布圖不是對(duì)稱(chēng)的，其引起在并行的功率器件芯片之間的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)電流的問(wèn)題。
Bayerer等人的、名稱(chēng)為“低電感功率半導(dǎo)體模塊”的美國(guó)專(zhuān)利No5,574、312，含糊地描述了建立在液體冷卻散熱片的兩側(cè)上的低電感雙功率模塊，且存在著使其不可實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面。例如，Bayerer等人的圖2表示相腳的不對(duì)稱(chēng)布圖，其在下面可能安裝有集電極/漏極/陰極的散熱片的一側(cè)上具有器件，且在下面倒裝有發(fā)射極/源極/陽(yáng)極的另一側(cè)上具有器件。另外，功率器件至雙面散熱片的焊接幾乎不可實(shí)現(xiàn)且可能需要使用具有不同熔化溫度的多個(gè)焊料。而且，該模塊使用中點(diǎn)的電源端子以從散熱片的一側(cè)至另一側(cè)連接器件。該連接總是引起高的寄生電感，增加總的相腳電感。
因此希望開(kāi)發(fā)一種用在封裝功率器件中的低電感功率模塊。還希望開(kāi)發(fā)低電感相腳模塊和具有低寄生電感的模塊化的三相變換器。還希望降低對(duì)與電源端子引線相關(guān)的寄生電感的貢獻(xiàn)和在并行功率器件之間提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，描述了一種功率模塊。該功率模塊包括至少一個(gè)襯底，該襯底包括上層、電絕緣體和熱耦合層。該上層包括至少一個(gè)導(dǎo)電圖案且被構(gòu)成為接收至少一個(gè)功率器件。該電絕緣體設(shè)置在上層和熱耦合層之間。該熱耦合層被構(gòu)成為至散熱片的熱導(dǎo)體。該功率模塊還包括至少一個(gè)薄層互連，該薄層互連包括第一導(dǎo)電層、絕緣層和第二導(dǎo)電層。該絕緣層設(shè)置在第一和第二導(dǎo)電層之間，且該薄層互連的第一導(dǎo)電層電連接到襯底的上層。電連接將至少一個(gè)功率器件的頂面連接到薄層互連的第二導(dǎo)電層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，描述了一種模塊組件。該模塊組件包括多個(gè)功率模塊、多個(gè)被構(gòu)成為接收每一個(gè)功率模塊的薄層互連的容器、以及底板。該底板包括正直流電(DC)功率總線層，輸出層，和負(fù)DC功率總線層。該容器安裝在底板上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，描述了模塊的相腳組件。該模塊的相腳組件包括了兩個(gè)功率模塊，每一個(gè)功率模塊包括散熱片，連接到散熱片的襯底，至少一個(gè)開(kāi)關(guān)，其包括至少一個(gè)晶體管和至少一個(gè)反并行二極管并且被安裝在襯底的上層的導(dǎo)電圖案上。每一個(gè)功率模塊還包括封裝襯底和至少一個(gè)開(kāi)關(guān)的外殼，和薄層互連。薄層互連的第一導(dǎo)電層電連接襯底的上層。電連接將至少一個(gè)反并行二極管的陽(yáng)極連接到薄層互連的第二導(dǎo)電層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，描述了模塊的相腳組件。該模塊的三相變換器組件包括了六個(gè)功率模塊，多個(gè)用于接收各個(gè)功率模塊的薄層互連的容器，和底板。該容器安裝在底板上。功率模塊被布置成三對(duì)，每一對(duì)對(duì)應(yīng)于一個(gè)相腳。


當(dāng)參考附圖閱讀以下的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將更好理解，附圖中，貫穿附圖的相同符號(hào)表示相同部件，其中圖1說(shuō)明使用引線接合的本發(fā)明的單刀開(kāi)關(guān)功率模塊實(shí)施例；圖2說(shuō)明使用功率堆焊的本發(fā)明的另一個(gè)單刀開(kāi)關(guān)功率模塊實(shí)施例；圖3是圖1或圖2的單刀開(kāi)關(guān)功率模塊的側(cè)視圖，并示意性地說(shuō)明用于功率模塊的示范性散熱片；圖4示出兩種類(lèi)型的邊緣卡連接器和容器結(jié)構(gòu)；圖5是包括連接到各自的容器的兩個(gè)示范性邊緣卡連接器的相腳組件的截面圖，其中容器安裝到底板上；圖6說(shuō)明本發(fā)明的相腳實(shí)施例，為了清楚起見(jiàn)，移除了外殼，暴露出多個(gè)安裝在襯底上的功率器件；圖7示出在適當(dāng)位置具有外殼的圖6的相腳；圖8是具有兩個(gè)單刀開(kāi)關(guān)模塊和一個(gè)安裝在底板的背面上的低電感電容器的圖5的相腳組件的透視圖；圖9說(shuō)明本發(fā)明的全橋?qū)嵤├?，其中幾個(gè)功率模塊共用一個(gè)散熱片；
圖10示出使用圖5中示出的三個(gè)相腳而形成的模塊化的三相位功率轉(zhuǎn)換器組件；圖11說(shuō)明常規(guī)功率模塊；圖12是示范性功率模塊的等效電路圖，且示出不希望的寄生電感的位置；圖13是示范性相腳組件的等效電路圖，且示出了不希望的寄生電感的位置；圖14是三級(jí)相腳組件的等效電路圖，其中示意性的結(jié)構(gòu)不包括寄生元件；和圖15是本發(fā)明的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)實(shí)施例的等效電路圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1和3描述本發(fā)明的單刀開(kāi)關(guān)功率模塊10的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，盡管將功率模塊10描述為單刀開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，但是功率模塊10同樣可應(yīng)用于其它結(jié)構(gòu)。如圖所示，例如，在圖1中，功率模塊10包括具有包括至少一個(gè)導(dǎo)電圖案17的上層16的襯底12，且該上層16被構(gòu)成為接收至少一個(gè)功率器件14。在圖1中說(shuō)明了一個(gè)示范性的導(dǎo)電圖案17。如圖3所示，襯底12還包括電絕緣體26和熱耦合層28。電絕緣體26設(shè)置在上層16和熱耦合層28之間。熱耦合層28構(gòu)成為熱耦合至散熱片30。功率模塊10還包括薄層互連(laminar interconnect)18，其包括第一導(dǎo)電層20、絕緣層22和第二導(dǎo)電層24，例如圖1所示。絕緣層22設(shè)置在第一和第二導(dǎo)電層20、24之間。薄層互連18的第一導(dǎo)電層20電連接到襯底12的上層16。例如圖1所示，電連接42將功率器件14的頂面19連接到薄層互連18的第二導(dǎo)電層24。對(duì)于圖1的示范性實(shí)施例，該電連接是引線接合42。有利地，通過(guò)使用薄層互連和以這種方式連接襯底和薄層互連，減少了互連對(duì)總的寄生電感的貢獻(xiàn)。
如這里所使用的，短語(yǔ)“上層16”包括形成導(dǎo)電圖案17并設(shè)置在相同平面內(nèi)的多個(gè)連接和/或不連接的導(dǎo)電區(qū)域。上層16是導(dǎo)電的。
如這里所使用的，短語(yǔ)“電連接到”包括通過(guò)引線、焊接、功率堆焊、結(jié)合或其它的電連接方式連接兩個(gè)元件。根據(jù)具體實(shí)施例，將襯底12的上層16焊接到薄層互連18的第一導(dǎo)電層20。通過(guò)將上層16連接到第一導(dǎo)電層20，所有功率器件14的底面(未示出)，例如IGBT集電極(或MOSFET漏極)和二極管陰極被互相連接。
根據(jù)更具體的實(shí)施例，襯底12由直接接合的銅(DBC)或活潑金屬銅焊(AMB)結(jié)構(gòu)形成。DBC和AMB都涉及到用于直接將銅層接合到陶瓷襯底的處理。示范性的DBC或者AMB襯底由銅-陶瓷-銅層形成。DBC和AMB提供用于襯底12的常規(guī)結(jié)構(gòu)，且在電絕緣體26的兩側(cè)上使用相同的導(dǎo)電材料(這種情況下，是銅)提供了熱和機(jī)械穩(wěn)定性。
根據(jù)更具體的實(shí)施例，電絕緣體26是導(dǎo)熱的。示范性的電絕緣體包括氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)和氮化硅(Si3N4)，其都是熱導(dǎo)體。
示范性的絕緣層22包括FR4、Kapton、其它的絕緣聚合物和其它的絕緣材料。根據(jù)具體實(shí)施例(未示出)，絕緣層22通過(guò)蔓延一段距離而延伸超過(guò)第一和第二導(dǎo)電層20、24，以避免在薄層互連18的邊緣電擊穿。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，用于確定蔓延距離的一般規(guī)格是100mil每千伏，其中mil是每英寸的千分之一。示范性的導(dǎo)電層由銅形成。金結(jié)合的銅也可用于降低氧化。
冷卻是關(guān)于功率電子器件的設(shè)計(jì)。很多冷卻技術(shù)可用于功率模塊10，包括平面冷卻技術(shù)，其例子包括液體冷卻、微通道冷卻和常規(guī)散熱片。對(duì)于圖3的示范性實(shí)施例，熱耦合層28構(gòu)成為耦合到基板30。例如，熱耦合層28焊接或接合到基板30。特別是，DBC或AMB襯底12可使用多種技術(shù)中任何一種來(lái)接合到基板30，包括銅焊、接合、擴(kuò)散接合、焊接或壓力接點(diǎn)例如壓緊(clamping)。這提供簡(jiǎn)單的組裝過(guò)程。對(duì)于圖3的示范性實(shí)施例，功率模塊10包括散熱片30，其包括基板30。如所示出的，襯底12附著到基板30。如在共同懸而未決的專(zhuān)利申請(qǐng)“Heatsink with microchannel cooling for power devices”中討論和說(shuō)明的用于微通道冷卻實(shí)施例，散熱片30包括多個(gè)微通道(在該申請(qǐng)中未示出)。在一個(gè)實(shí)施例中，在設(shè)置在絕緣體26和基板30之間的導(dǎo)電(例如，銅)層28中形成微通道。在另一個(gè)實(shí)施例中，微通道形成于設(shè)置在上層16和任選導(dǎo)電層或基板30中的一個(gè)之間的陶瓷絕緣體26中。有利地，散熱片30將熱量從功率器件14導(dǎo)出，以調(diào)節(jié)高功率密度。
對(duì)于圖1的示范性實(shí)施例，功率模塊10還包括安裝在襯底12上的多個(gè)功率器件14，該功率器件電連接到襯底12的上層16。示范性的功率器件包括晶體管，例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)和高電子遷移率晶體管(HEMT)以及二極管。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到這些是功率器件的例子且本發(fā)明絕不受限于這些例子。如上面注意到的，電子連接42、43將功率器件14的頂面19連接到薄層互連18的第二電性導(dǎo)電層24。例如，功率器件14可以通過(guò)焊料層15安裝到襯底12上，如圖3中說(shuō)明的。通過(guò)將功率器件14的頂面連接到薄層互連18的第二導(dǎo)電層24，IGBT發(fā)射極(或是MOSFET源極)和二極管的陽(yáng)極是互連的。另外，通過(guò)將功率器件14的頂面連接到薄層互連18的第二導(dǎo)電層24，降低了寄生電感。對(duì)于圖1的示范性實(shí)施例來(lái)講，電連接是引線接合42。示范性的引線接合包括10-15mil鋁引線接合。帶狀連接是電連接的另一種類(lèi)型。圖2說(shuō)明了電連接包括至少一個(gè)功率堆焊43的電連接的另一個(gè)實(shí)施例，其堆焊功率器件14的頂面(在圖2中未示出)。功率堆焊在Ozmat等人的、名稱(chēng)為“功率電子模塊封裝”的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利No.6,377,461中進(jìn)行了描述，這里通過(guò)參考將該專(zhuān)利其整體并入文本。功率堆焊一般包括至少一個(gè)導(dǎo)電的和絕緣的層，以及多個(gè)通孔(金屬插塞)。示范性的絕緣層由Kapton形成。有利地，功率堆焊比引線接合更堅(jiān)固，且相對(duì)于引線接合減小了寄生電阻和電感。
根據(jù)具體實(shí)施例，電子連接17和42或43對(duì)于靜態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))和動(dòng)態(tài)(瞬態(tài))電流分配是對(duì)稱(chēng)的。通過(guò)對(duì)稱(chēng)，意味著在功率器件14和第一和第二導(dǎo)電層20和24之間的各自的電子連接的總長(zhǎng)度基本上相同。相反，常規(guī)功率模塊設(shè)計(jì)提供在功率器件和功率端子之間長(zhǎng)度可變的電流通路。因此，具有較短電流通路的器件比具有較長(zhǎng)電流通路的那些功率器件承受更大的應(yīng)力。然而，圖1和圖2的對(duì)稱(chēng)設(shè)置在并行的功率器件14之間提供了良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配。
對(duì)于圖6中示出的相腳實(shí)施例，功率器件14包括形成至少一個(gè)開(kāi)關(guān)34的至少一個(gè)晶體管36和/或至少一個(gè)反并行二極管(anti-paralleldiode)38。根據(jù)具體實(shí)施例，開(kāi)關(guān)34是400A開(kāi)關(guān)且包括四(4)個(gè)晶體管和四(4)個(gè)反并行二極管。該結(jié)構(gòu)不過(guò)是示范性的，且開(kāi)關(guān)34可以具有其它的電流額定值和相對(duì)應(yīng)的其它的晶體管/反并行二極管結(jié)構(gòu)，其取決于對(duì)于開(kāi)關(guān)34的希望的應(yīng)用。開(kāi)關(guān)34安裝在導(dǎo)電圖案17上，如圖6中表示的。在圖6中示出了如引線接合42的電連接，且將二極管38的陽(yáng)極連接到薄層互連18的第二導(dǎo)電層24。該電連接也可采用帶狀接合或這一個(gè)或多個(gè)功率堆焊43的形式，如上面參考圖2所討論的。
示范性的晶體管包括絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，其具有發(fā)射極和集電極以及具有源極和漏極的MOSFET。對(duì)于IGBT來(lái)講，在圖6中示出的如引線接合42的電連接將IGBT的發(fā)射極連接到各自的反并行二極管38的陽(yáng)極。對(duì)于MOSFET來(lái)講，通過(guò)內(nèi)部反并行體二極管，電連接將MOSFET的源極連接至第二導(dǎo)電層24。在某些設(shè)計(jì)中，希望使用具有外部高性能二極管的MOSFET，例如肖特基二極管。在這種設(shè)計(jì)中，電連接將MOSFET的源極連接至各自的反并行二極管的陽(yáng)極。I GBT的好處包括其低傳導(dǎo)損耗特性，而MOSFET特征的加快了開(kāi)關(guān)速度。根據(jù)具體實(shí)施例，功率模塊10包括多個(gè)晶體管36，其具有至少一個(gè)MOSFET晶體管和至少另一個(gè)IGBT晶體管。更通常地，功率模塊10包括至少兩個(gè)不同類(lèi)型的晶體管36。類(lèi)似地，對(duì)于另一實(shí)施例來(lái)講，功率模塊10包括至少兩種類(lèi)型的二極管38。例如，功率模塊10包括多個(gè)反并行二極管，其具有至少一個(gè)為雙極型二極管的二極管和至少另一個(gè)為肖特基二極管的二極管。
根據(jù)具體實(shí)施例，開(kāi)關(guān)34包括至少兩個(gè)晶體管36和至少兩個(gè)反并行二極管38。例如，對(duì)于圖6的相腳實(shí)施例來(lái)講，開(kāi)關(guān)34具有四個(gè)晶體管36和四個(gè)反并行二極管38，且構(gòu)成為400A開(kāi)關(guān)。如上面參考圖1所討論的，襯底12的上層16包括導(dǎo)電圖案17，且開(kāi)關(guān)34設(shè)置在圖案17上。開(kāi)關(guān)34還包括形成在圖案17上的柵極和回路引線(return lead)63。圖6中示出的如柵極引線接合64的電連接將每個(gè)晶體管36對(duì)稱(chēng)地連接至柵極引線63，其還提高了在功率器件14之間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配。
對(duì)于圖1和2的實(shí)施例來(lái)講，薄層互連18是構(gòu)成為連接至安裝在底板46上的容器44的邊緣卡連接器18。示范性的容器在圖4中示出，而圖5示出了安裝在底板46上的兩個(gè)容器44。容器44具有用于與邊緣卡連接器18接觸的內(nèi)部接觸表面54，和用于與底板46接觸的外部接觸表面56。該接觸表面可以是平滑的或是粗糙的，且示范性的接觸表面是使用銅或鍍有金的銅形成的。如在圖5中表示的，底板46包括正的直流DC總線層48、輸出層50和負(fù)的DC總線層52。有利地，通過(guò)使用邊緣卡連接器18和容器44，相對(duì)于常規(guī)功率模塊減小了互連電感。
根據(jù)具體實(shí)施例，為了保護(hù)功率器件14，功率模塊10還包括封閉有襯底12的外殼32。圖7示出了示范性的外殼32。
模擬出一個(gè)的單刀開(kāi)關(guān)功率模塊的例子，圖12是用于單刀開(kāi)關(guān)功率模塊的等效電路圖。該實(shí)例的功率模塊的寄生電感如下計(jì)算LIGBT＝Lconn+LsD+LsQ，和LDiode＝Lconn+LsD。
如這里所使用的，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，LIGBT是封裝電感，和當(dāng)反并行二極管導(dǎo)通時(shí)，LDiode是封裝電感。Lconn是對(duì)IGBT和反并行二極管之間共用的薄層互連的封裝電感的貢獻(xiàn)。LsQ是對(duì)與至少一個(gè)引線接合42和在IGBT芯片和反并行二極管芯片之間的導(dǎo)電圖案17的一部分相關(guān)聯(lián)的封裝電感的貢獻(xiàn)。LsD是對(duì)與至少一個(gè)引線接合42和在二極管芯片和薄層互連之間的導(dǎo)電圖案的一部分相關(guān)聯(lián)的封裝電感的貢獻(xiàn)。在該例子中，使用以下的參數(shù)值。在模塊上的導(dǎo)體寬度設(shè)置成51mm，和在連接器上的導(dǎo)體寬度選擇為86mm。在導(dǎo)電圖案17上使用2.5mm的導(dǎo)體間隔，且在連接器上的兩個(gè)導(dǎo)電層16、28的間隔選擇為0.635mm。散熱片的寬度和厚度分別設(shè)置成51mm和5mm。使用0.508mm的引線接合直徑，且以?xún)蓚€(gè)頻率進(jìn)行模擬fs＝DC和1MHz。這僅僅是用于進(jìn)行說(shuō)明性目的的模擬用途的一個(gè)例子，且不將這些值認(rèn)定為以任何方式限制本發(fā)明。對(duì)于這個(gè)例子，該模擬的結(jié)果包括0.93nH的總開(kāi)關(guān)模塊電感，在1MHz時(shí)的9.2nH的柵極電感，406.4pF的開(kāi)關(guān)模塊電容，和在散熱片和集電極板之間的207.5pF的電容。
參考圖4-6描述功率模塊組件80的實(shí)施例.本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，盡管功率模塊組件80說(shuō)明為相腳結(jié)構(gòu)，但是功率模塊組件80同樣可應(yīng)用其它結(jié)構(gòu)。如圖所示的，例如在圖5中，功率模塊組件80包括多個(gè)功率模塊10。如上所述，示范性的功率模塊10包括襯底12，邊緣卡連接器18和電連接42、43。上面討論了用于功率模塊10的示范性的功率器件14。功率模塊組件80還包括構(gòu)成為接收各自的邊緣卡連接器18的多個(gè)容器44。示范性的容器在圖4中說(shuō)明。根據(jù)具體實(shí)施例，容器44具有至少一百安培(100A)的電流額定值，且更具體地，具有至少四百安培(400A)的電流額定值。例如，功率模塊組件80還包括底板46，其具有正直流DC總線層48，輸出層50和負(fù)DC總線層52，如在圖5中表示的。容器44安裝在底板46上，如在圖6中表示的。
對(duì)于圖5和8的示范性實(shí)施例，功率模塊組件80包括兩個(gè)功率模塊10和兩個(gè)容器44。如在圖5和8中所示，設(shè)置功率模塊10以使其各自的基板30相互面對(duì)。有利地，該結(jié)構(gòu)提供了低寄生電感?？蛇x地，對(duì)于控制寄生電感的應(yīng)用幾乎不是至關(guān)重要的且封裝的約束妨礙了圖5中示出的結(jié)構(gòu)，功率模塊10和容器44可設(shè)置成在底板46上的并排結(jié)構(gòu)。例如，圖9示出了具有設(shè)置成并排的單刀開(kāi)關(guān)功率模塊10的全橋結(jié)構(gòu)。對(duì)于圖9的結(jié)構(gòu)，單刀開(kāi)關(guān)功率模塊10共用一個(gè)散熱片30。可選地，每個(gè)單刀開(kāi)關(guān)功率模塊10也可具有單獨(dú)的散熱片。
根據(jù)具體實(shí)施例，功率模塊組件80還包括用于冷卻安裝在各自的功率模塊10中的功率器件14的至少一個(gè)散熱片30。上面參考圖3討論了散熱片30。根據(jù)更具體的實(shí)施例，電絕緣體26是導(dǎo)熱的。
根據(jù)具體的實(shí)施例，襯底12由直接接合的銅(DBC)或活潑金屬銅焊(AMB)形成。對(duì)于圖6的示范性實(shí)施例，功率模塊組件80還包括安裝在襯底12的導(dǎo)電圖案17上的多個(gè)功率器件14。示范性的電連接包括引線或帶狀接合42和功率堆焊43。對(duì)于圖6的示范性實(shí)施例，電連接采取引線接合42的形式。如上面注意到的，本發(fā)明的一個(gè)益處是電連接對(duì)于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配是對(duì)稱(chēng)的。
如上面注意到的，希望減小功率模塊組件的寄生電感。對(duì)于圖8中表示的相腳實(shí)施例，功率模塊組件80還包括至少一個(gè)低電感電容器82。示范性的低電感電容器82包括多層陶瓷電容器和薄膜電容器。如圖所示的，該一個(gè)低電感電容器82安裝在底板46的底側(cè)84上。有利地，低電感電容器82的使用還減小了對(duì)來(lái)自DC總線連接的寄生電感的貢獻(xiàn)。
功率模塊組件80的好處包括低寄生電感、模塊化的結(jié)構(gòu)和對(duì)高電流的標(biāo)度能力。
在另一實(shí)施例中，功率模塊組件80構(gòu)成為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)驅(qū)動(dòng)。例如在圖15中示出的兩個(gè)相腳組件SRM驅(qū)動(dòng)功率電路，功率模塊組件80包括至少四個(gè)功率模塊10，其中至少兩個(gè)功率模塊是開(kāi)關(guān)模塊10，和至少兩個(gè)功率模塊是二極管模塊10。對(duì)于該示范性的四個(gè)功率模塊10的結(jié)構(gòu)，SRM驅(qū)動(dòng)可構(gòu)成為驅(qū)動(dòng)SRM的一個(gè)線圈。該SRM驅(qū)動(dòng)具有至少兩個(gè)相腳，每個(gè)相腳包括至少至少一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊和至少一個(gè)二極管模塊。如所說(shuō)明的，開(kāi)關(guān)模塊包括至少一個(gè)晶體管，例如IGBT，和二極管模塊包括至少一個(gè)二極管。功率模塊10沿著底板46成對(duì)設(shè)置，如在圖8中說(shuō)明的兩個(gè)功率模塊的情況。然而，對(duì)于圖15中示出的SRM實(shí)施例，四個(gè)功率模塊10設(shè)置成兩對(duì)，每對(duì)由來(lái)自相同相腳的開(kāi)關(guān)和二極管模塊組成。圖9說(shuō)明圖15的SRM實(shí)施例的一個(gè)可能的物理結(jié)構(gòu)?？蛇x擇地，可如圖10中所示構(gòu)成SRM器件。該SRM實(shí)施例可以被概括為使用其它數(shù)目相腳的SRM驅(qū)動(dòng)功率電路。更通常地，SRM包括N個(gè)線圈，其中N是整數(shù)，且相應(yīng)的SRM驅(qū)動(dòng)包括設(shè)置成兩個(gè)相腳的四個(gè)功率模塊10(兩個(gè)開(kāi)關(guān)模塊10和兩個(gè)二極管模塊10)，以驅(qū)動(dòng)每一個(gè)線圈。例如，對(duì)于三個(gè)線圈SRM來(lái)講，SRM驅(qū)動(dòng)包括設(shè)置成三個(gè)相腳的十二(12)個(gè)功率模塊(六個(gè)開(kāi)關(guān)模塊和六個(gè)二極管模塊)，具有驅(qū)動(dòng)各自的三個(gè)線圈的三對(duì)相腳。三相SRM變換器與圖10中表示的標(biāo)準(zhǔn)三相變換器相類(lèi)似，但具有包括開(kāi)關(guān)模塊和二極管模塊的附加交替成對(duì)模塊的差別，以使得對(duì)于SRM變換器的每一相位重復(fù)圖15的布局。
可有利地組合功率模塊10以形成模塊化的相腳組件80，其是更普通的功率模塊組件80的具體實(shí)施例。參考圖5-8討論了模塊化的相腳組件80，其包括兩個(gè)功率模塊10，這在上面已經(jīng)描述。根據(jù)具體實(shí)施例和如所示出的，在圖6和7中，將功率模塊10疊置在一起以使一個(gè)功率模塊10的基板30面對(duì)另一個(gè)功率模塊10的基板30。有利地，通過(guò)如在圖6和7中表示的背對(duì)背設(shè)置功率模塊，減小了由于底板引起的寄生電感。圖9示出了功率模塊10的另一種設(shè)置，其中單刀開(kāi)關(guān)模塊10形成全橋。對(duì)于圖9的設(shè)置，模塊10共用一個(gè)單一散熱片30?？蛇x擇地，每個(gè)單刀開(kāi)關(guān)功率模塊10也可以具有單獨(dú)的散熱片。
模擬模塊化的相腳組件的一個(gè)例子，圖13是用于示范性的相腳組件的電路圖。相腳組件的寄生電感如下計(jì)算LswL+＝Lconn+LBus/2+LsD1+LsQ1，LdL+＝Lconn+LBus/2+LsD2，Lsw1-＝Lconn+LBus/2+LsD2+LsQ2，和LdL-＝Lconn+LBus/2+LsD1。
如這里使用的，LswL+是對(duì)于輸出端子和正極端子之間的上部開(kāi)關(guān)路徑的寄生電感，LdL+是對(duì)于輸出端子和正極端子之間的上部二極管路徑的寄生電感，LswL-是對(duì)于輸出端子和負(fù)極端子之間的下部開(kāi)關(guān)路徑的寄生電感，和LdL-是對(duì)于輸出端子和負(fù)極端子之間的下部二極管路徑的寄生電感。LBus是底板的寄生電感，和Lconn是薄層互連的寄生電感。LsQ1(LsQ2)是對(duì)與開(kāi)關(guān)Q1(Q2)芯片和反并行二極管D1(D2)芯片之間的引線接合互連相關(guān)聯(lián)的封裝電感的貢獻(xiàn)。LsD1(LsD2)是對(duì)與至少一個(gè)引線接合42和二極管D1(D2)芯片與薄層互連之間的導(dǎo)電圖案17的一部分相關(guān)聯(lián)的封裝電感的貢獻(xiàn)。在該例子中，使用以下的參數(shù)值。在模塊上的導(dǎo)體寬度設(shè)置成51mm，和在連接器上的導(dǎo)體寬度選擇為56mm。在導(dǎo)電圖案17上使用2.5mm的導(dǎo)體間隔，和連接器上的兩個(gè)導(dǎo)電層的間隔選擇為0.635mm。使用40mm的散熱片寬度。出于比較目的，這僅僅是用于運(yùn)行模擬目的的一個(gè)例子，并且不認(rèn)為這些值以任何方式限定本發(fā)明。對(duì)于這個(gè)例子，對(duì)于圖8的背對(duì)背結(jié)構(gòu)，該模擬產(chǎn)生2.78nH的相腳回路電感-來(lái)自低電感DC總線電容器的正極到負(fù)極端子的總回路電感。比較起來(lái)，兩個(gè)并排設(shè)置的相同的功率模塊10對(duì)于這些參數(shù)值產(chǎn)生36.66nH的更高的寄生電感。這很清楚地顯示出了疊置功率模塊以使得功率模塊10之一的基板30面對(duì)另一個(gè)功率模塊10的基板30的重要性，如圖5、6、7和8中的例子所示。
如圖5和8中的例子所示，模塊化的相腳組件80還包括至少兩個(gè)構(gòu)成為接收各自的薄層互連18的容器44和底板46。容器44安裝在底板46上。至少一個(gè)低電感電容器82安裝在底板46的底側(cè)84上。實(shí)例性的低電感電容器82包括多層陶瓷電容器和薄膜電容器。
圖14是三級(jí)相腳組件的等效電路圖，且該示意圖不包括寄生元件。如圖所示的，功率模塊組件80包括六個(gè)功率模塊10，其中四個(gè)功率模塊10是開(kāi)關(guān)模塊，和兩個(gè)功率模塊10是二極管模塊。對(duì)于該實(shí)施例，功率模塊10被設(shè)置成三級(jí)相腳。根據(jù)更具體的實(shí)施例，功率模塊組件80還包括垂直設(shè)置在底板46(沿著圖8中示出的y方向)上的六個(gè)容器44，具有在y方向上疊置的功率模塊10。
可以有利地組合功率模塊10以形成模塊化的包括六個(gè)功率模塊10的三相變換器組件90，上面已經(jīng)描述過(guò)。在圖10中說(shuō)明了示范性模塊化的三相變換器組件90。如在圖10中所示，將功率模塊10設(shè)置成三對(duì)，每一對(duì)對(duì)應(yīng)于一個(gè)相腳91。示范性地將相腳91標(biāo)示為圖10中的A、B和C。為了減小相腳回路的電感，形成一對(duì)的功率模塊10疊置在一起，以使一個(gè)功率模塊10的基板30與另一個(gè)功率模塊10的基板30相面對(duì)，如在圖6、7和10中的例子所示。如在圖10中所示，模塊化的三相變換器組件90也包括構(gòu)成為接收各自的薄層互連18的至少六個(gè)容器44和底板46。容器44安裝在底板46上。
盡管在圖10中示出的示范性三相變換器組件90包括連接到DC總線的電解電容器93，但是為了減小DC總線對(duì)寄生電感的貢獻(xiàn)，可以使用低電感電容器82。盡管在圖10中未示出，但是上面參考圖8已經(jīng)討論了低電感電容器82。根據(jù)具體實(shí)施例，模塊化的三相變換器組件90還包括至少一個(gè)低電感電容器82，例如多層陶瓷電容器或薄膜電容器。該低電感電容器安裝在底板46的底側(cè)84上，如在圖8中的例子所示。
盡管在此只說(shuō)明并描述了本發(fā)明的某些特征，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做很多修改和變化。因此，為了便于理解，附加的權(quán)利要求意在覆蓋落在本發(fā)明的真實(shí)范圍內(nèi)的全部的這種修改和變化。
部件表10功率模塊12襯底14功率器件15焊料層16上層17導(dǎo)電圖案18薄層互連19功率器件的頂面20第一導(dǎo)電層21示出20和16之間的連接的線22絕緣層24第二導(dǎo)電層26電絕緣體28熱耦合層30基板(散熱片)32外殼34開(kāi)關(guān)36晶體管38二極管42引線或帶狀接合43功率堆焊44容器46底板48正DC總線層50輸出層52負(fù)DC總線層54內(nèi)部容器接觸表面56外部容器接觸表面63柵極和回路引線
64柵極引線接合80功率模塊組件(模塊化的相腳組件)82低電感電容器84底板的背面90模塊化的三相變換器組件91相腳93電解電容器
權(quán)利要求
1.一種功率模塊(10)，包括至少一個(gè)襯底(12)，其包括上層(16)、電絕緣體(26)和熱耦合層(28)，其中所述上層包括至少一個(gè)導(dǎo)電圖案(17)并且被構(gòu)成為接收至少一個(gè)功率器件(14)，其中所述電絕緣體被設(shè)置在所述上層和所述熱耦合層之間，并且其中所述熱耦合層被構(gòu)成為與基板(30)熱耦合；至少一個(gè)薄層互連(18)，包括第一導(dǎo)電層(20)、絕緣層(22)和第二導(dǎo)電層(24)，其中所述絕緣層設(shè)置在所述第一和第二導(dǎo)電層之間，其中所述薄層互連的所述第一導(dǎo)電層電連接到所述襯底的所述上層；和多個(gè)電連接(42)，將至少一個(gè)功率器件的頂面(19)連接到所述薄層互連的第二導(dǎo)電層。
2.權(quán)利要求1的功率模塊(10)，還包括安裝在所述襯底(12)上的多個(gè)功率器件(14)，其中所述功率器件電連接到所述襯底的所述上層(16)，其中所述功率器件包括形成至少一個(gè)開(kāi)關(guān)(34)的至少一個(gè)晶體管(36)和至少一個(gè)反并行二極管(38)，其中所述至少一個(gè)開(kāi)關(guān)安裝在所述導(dǎo)電圖案(17)上，并且其中所述電連接(42)將二極管的陽(yáng)極連接到所述薄層互連的所述第二導(dǎo)電層。
3.權(quán)利要求1的功率模塊(10)，還包括安裝在所述襯底(12)上的多個(gè)功率器件(14)，其中所述功率器件電連接到所述襯底的所述上層(16)，其中所述功率器件包括多個(gè)晶體管(36)，并且其中至少一個(gè)所述晶體管是IGBT和至少一個(gè)所述晶體管是MOSFET。
4.權(quán)利要求1的功率模塊(10)，還包括多個(gè)安裝在所述襯底(12)上的功率器件(14)，其中所述功率器件電連接到所述襯底的所述上層(16)，其中所述功率器件包括多個(gè)反并行二極管(38)，并且其中至少一個(gè)所述反并行二極管是雙極型二極管和至少一個(gè)所述反并行二極管是非雙極型二極管。
5.權(quán)利要求1的功率模塊(10)，其中所述電連接是從由引線接合(42)、至少一個(gè)功率堆焊(43)、帶狀接合(42)及其組合構(gòu)成的組中選擇的，且其中所述電連接對(duì)于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配是對(duì)稱(chēng)的。
6.權(quán)利要求1的功率模塊(10)，其中所述薄層互連(18)包括構(gòu)成為連接至安裝在底板(46)上的容器(44)的邊緣卡連接器(18)，其中該底板包括正直流(DC)總線層(48)、輸出層(50)和負(fù)DC總線層(52)，且其中所述功率模塊還包括至少一個(gè)封裝所述襯底(12)的外殼(32)。
7.一種功率模塊組件(80)，包括多個(gè)功率模塊(10)，每一個(gè)功率模塊包括襯底(12)，包括上層(16)、電絕緣體(26)和熱耦合層(28)，其中所述上層包括至少一個(gè)導(dǎo)電圖案(17)并且被構(gòu)成為接收至少一個(gè)功率器件(14)，其中所述電絕緣體設(shè)置在所述上層和所述熱耦合層之間，并且其中所述熱耦合層被構(gòu)成為與基板(30)熱耦合，邊緣卡連接器(18)，包括第一導(dǎo)電層(20)、絕緣層(22)和第二導(dǎo)電層(24)，其中所述絕緣層設(shè)置在所述第一和第二導(dǎo)電層之間，并且其中所述邊緣卡連接器的所述第一導(dǎo)電層電連接至所述襯底的所述上層，和多個(gè)電連接(42)，將所述至少一個(gè)功率器件的頂面(19)連接至所述邊緣卡連接器的所述第二導(dǎo)電層；多個(gè)容器(44)，被構(gòu)成為接收各自的所述邊緣卡連接器；底板(46)，包括正直流(DC)總線層(48)、輸出層(50)和負(fù)DC總線層(52)，其中所述容器安裝在所述底板上；和至少一個(gè)低電感電容器(82)，其選自由多層陶瓷電容器和薄膜電容器構(gòu)成的組，其中所述至少一個(gè)低電感電容器安裝在所述底板的底側(cè)(84)上。
8.權(quán)利要求7的功率模塊組件(80)，被構(gòu)成為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)驅(qū)動(dòng)，并且包括至少四個(gè)功率模塊(10)，其中至少兩個(gè)所述功率模塊是開(kāi)關(guān)模塊(10)，其中至少兩個(gè)所述功率模塊使二極管模塊(10)，其中所述SRM驅(qū)動(dòng)包括至少兩個(gè)相腳，每個(gè)相腳包括至少一個(gè)所述開(kāi)關(guān)模塊和至少一個(gè)所述二極管模塊，其中SRM包括N個(gè)線圈，其中N是整數(shù)，且構(gòu)成為SRM驅(qū)動(dòng)的所述功率模塊組件包括用于每一個(gè)相應(yīng)的N個(gè)線圈的兩個(gè)開(kāi)關(guān)模塊和兩個(gè)二極管模塊，其中所述SRM驅(qū)動(dòng)包括2N個(gè)相腳，每個(gè)相腳包括至少一個(gè)所述開(kāi)關(guān)模塊和至少一個(gè)所述二極管模塊，且其中兩個(gè)所述相腳驅(qū)動(dòng)SRM線圈的相應(yīng)一個(gè)。
9.一種模塊化的相腳組件(80)，包括兩個(gè)功率模塊(10)，每個(gè)功率模塊包括散熱片(30)，基板(12)，包括上層(16)、電絕緣體(26)和熱耦合層(28)，其中所述上層(16)包括至少一個(gè)導(dǎo)電圖案(17)，其中所述電絕緣體設(shè)置在所述上層和所述熱耦合層之間，其中所述襯底附著到所述散熱片，并且其中所述熱耦合層(28)被構(gòu)成為與所述散熱片熱耦合，和至少一個(gè)開(kāi)關(guān)(34)，包括至少一個(gè)晶體管(36)和至少一個(gè)反并行二極管(38)，其中所述至少一個(gè)開(kāi)關(guān)安裝到所述導(dǎo)電圖案上；外殼(32)，封裝所述襯底和所述至少一個(gè)開(kāi)關(guān)；薄層互連(18)，包括第一導(dǎo)電層(20)、絕緣層(22)和第二導(dǎo)電層(24)，其中所述絕緣層設(shè)置在第一和第二導(dǎo)電層之間，其中所述薄層互連的所述第一導(dǎo)電層電連接到所述襯底的所述上層；和多個(gè)電連接(42)，將所述至少一個(gè)反并行二極管的陽(yáng)極連接至所述薄層互連的第二導(dǎo)電層。
10.一種模塊化的三相變換器組件(90)，包括六個(gè)功率模塊(10)，每個(gè)功率模塊包括散熱片(30)，襯底(12)，包括上層(16)、電絕緣體(26)和熱耦合層(28)，其中所述上層包括導(dǎo)電層(17)，其中所述電絕緣體設(shè)置在所述上層和所述導(dǎo)熱耦合層之間，其中所述襯底附著到所述散熱片，其中所述熱耦合層(28)被構(gòu)成為與所述散熱片熱耦合，至少一個(gè)開(kāi)關(guān)(34)，包括至少一個(gè)晶體管(36)和至少一個(gè)反并行二極管(38)，其中所述至少一個(gè)開(kāi)關(guān)安裝到所述導(dǎo)電圖案上；外殼(32)，封裝所述襯底和所述至少一個(gè)開(kāi)關(guān)，薄層互連(18)，包括第一導(dǎo)電層(20)、絕緣層(22)和第二導(dǎo)電層(24)，其中所述絕緣層設(shè)置在所述第一和第二導(dǎo)電層之間，其中所述薄層互連的所述第一導(dǎo)電層電連接到所述襯底的所述上層，和多個(gè)電連接(42)，將所述反并行二極管的陽(yáng)極連接到所述薄層互連的所述第二導(dǎo)電層，所述模塊化的三相變換器組件還包括多個(gè)容器(44)，被構(gòu)成為接收各自的所述薄層互連；和底板(46)，包括正直流(DC)總線層(48)、輸出層(50)和負(fù)DC總線層(52)，其中所述容器安裝在所述底板上，其中所述功率模塊被設(shè)置成三對(duì)，且其中每一對(duì)與一個(gè)相腳相對(duì)應(yīng)。
全文摘要
一種功率模塊(10)，包括襯底(12)，該襯底(12)包括上層(16)、電絕緣體(26)和熱耦合層(28)。上層包括導(dǎo)電圖案(17)并且被構(gòu)成為接收功率器件(14)。電絕緣體設(shè)置在上層和熱耦合層之間。熱耦合層被構(gòu)成為與散熱片熱耦合。該功率模塊還包括至少一個(gè)薄層互連(18)，該薄層互連包括第一和第二導(dǎo)電層(20、24)以及設(shè)置在第一和第二導(dǎo)電層之間的絕緣層(22)。薄層互連的該第一導(dǎo)電層電連接到襯底的上層。電連接(42)將功率器件的頂面(19)連接到薄層互連的第二導(dǎo)電層。
文檔編號(hào)H01L23/488GK1797765SQ200510127249
公開(kāi)日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者L·D·斯特瓦諾維克, E·C·德?tīng)柤佣? M·J·舒滕, R·A·博普雷, M·A·德魯伊 申請(qǐng)人:通用電氣公司