一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊制造技術

本實用新型專利技術公開了一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊，絕緣基板包括陶瓷絕緣層以及形成于該陶瓷絕緣層上的金屬層，所述金屬層包括上橋臂金屬層和下橋臂金屬層，上橋臂金屬層上設有上橋臂芯片單元，下橋臂金屬層上設有下橋臂芯片單元，下橋臂金屬層包括接線區，上橋臂芯片單元與接線區通過邦定線相連，下橋臂金屬層在接線區與下橋臂芯片單元之間設有絕緣的均衡槽。本實用新型專利技術能夠保護靠近直流輸入端子的功率器件，降低器件因過載而燒毀的風險，均衡了并聯器件的寄生參數，尤其是寄生電感及回路電阻，從而達到均流的效果，避免了某些器件因過流而燒毀，提高了功率模塊的可靠性。

Insulated substrate structure and power module using the same

The utility model discloses a power module structure and insulating substrate using the substrate, an insulating substrate comprises a ceramic insulating layer and the metal layer is formed on the ceramic insulating layer, the metal layer includes a metal layer on the bridge arm and the lower bridge arm metal layer, a bridge arm chip unit located on the metal bridge arm layer, metal layer is arranged on the lower bridge arm under the bridge arm chip unit, under the bridge arm metal layer includes wiring area, ARM chip unit and the connection line is connected via a bonding zone, balanced slot insulation is provided between the unit in the connection area and the lower bridge arm chip metal layer under the bridge arm. The utility model can protect the power device near the DC input terminal of the device, reduce the risk due to overload and burn, balance the parasitic parameters of paralleling devices, especially parasitic inductance and loop resistance, thereby achieving both flow effect, avoids certain devices due to over-current and burned, improve the reliability of power modules.

【技術實現步驟摘要】
一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊
本技術涉及功率半導體模塊，尤其涉及一種絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊。
技術介紹
全球能源危機與氣候變暖的威脅讓人們在追求經濟發展的同時越來越重視節能減排、低碳發展。隨著綠色環保在國際上的確立與推進，功率半導體的發展、應用前景更加廣闊。當前功率模塊的功率等級不斷提高，盡管現在功率器件的電流、電壓等級不斷提升，但單個功率器件仍然無法滿足大功率變流器的需求，于是功率模塊內部器件的并聯成為一種必然選擇，而并聯的多個器件的均流問題也隨之凸顯。現有的功率模塊所有半橋結構共同連接兩個直流輸入端子，并且由于功率器件在功率模塊內部的位置布局不同，往往造成多個并聯器件的寄生參數不一致。功率模塊在工作時，寄生參數不同會引起并聯器件通過的電流不一致，通過電流較大的芯片可能會出現過流燒毀失效，即使沒有造成過流燒毀，此芯片損耗也會比較大、發熱比較嚴重，長期如此功率模塊的可靠性也會受到影響。
技術實現思路
技術目的：針對上述現有技術存在的缺陷，本技術旨在提供一種改善并聯芯片均流性的絕緣基板結構及使用該基板的功率模塊，均衡并聯芯片的寄生參數，提高功率模塊的可靠性。技術方案：一種絕緣基板結構，包括陶瓷絕緣層以及形成于該陶瓷絕緣層上的金屬層，所述金屬層包括上橋臂金屬層和下橋臂金屬層，上橋臂金屬層上設有上橋臂芯片單元，下橋臂金屬層上設有下橋臂芯片單元，下橋臂金屬層包括接線區，上橋臂芯片單元與接線區通過邦定線相連，下橋臂金屬層在接線區與下橋臂芯片單元之間設有絕緣的均衡槽。進一步的，所述均衡槽起始于靠近直流輸入端子的下橋臂金屬層的邊緣，向遠離直流輸入端子的方向延伸。進一步的，所述均衡槽的延伸方向與邦定線的邦定方向垂直。進一步的，所述下橋臂芯片單元包括多個并聯的功率器件，所述均衡槽最短延伸至與第一個功率器件的頂部平齊，最長延伸至與最后一個功率器件的頂部平齊。進一步的，所述均衡槽為單段絕緣槽或者多段絕緣槽。進一步的，所述上橋臂芯片單元的材料為Si、SiC和GaN中的一種或多種，下橋臂芯片單元的材料為Si、SiC和GaN中的一種或多種。進一步的，所述上橋臂芯片單元的芯片類型為IGBT、MOSFET和FRD中的一種或多種，下橋臂芯片單元的芯片類型為IGBT、MOSFET和FRD中的一種或多種。一種功率模塊，使用上述任一種絕緣基板結構。進一步的，包括直流輸入端子、輸出端子和多個并聯的半橋結構，半橋結構包括絕緣基板和絕緣基板上的芯片集合，每個半橋結構分別連接兩個直流輸入端子和一個輸出端子，至少一個絕緣基板的下橋臂金屬層在接線區與下橋臂芯片單元之間設有絕緣的均衡槽。進一步的，包括順序排列的三個半橋結構，每個半橋結構包括一個絕緣基板，位于中間的一個絕緣基板其下橋臂金屬層在接線區與下橋臂芯片單元之間設有絕緣的均衡槽。進一步的，包括橫向排列的三個半橋結構，每個半橋結構包括縱向排列的兩個絕緣基板，靠近直流輸入端子的一行三個絕緣基板其下橋臂金屬層在接線區與下橋臂芯片單元之間均設有絕緣的均衡槽。進一步的，包括兩個半橋結構，每個半橋結構包括一個絕緣基板，每個絕緣基板其下橋臂金屬層在接線區與下橋臂芯片單元之間均設有絕緣的均衡槽。有益效果：本技術在絕緣基板上設有均衡槽，能夠保護靠近直流輸入端子的功率器件，降低器件因過載而燒毀的風險；此外，本技術的功率模塊使半橋結構直流輸入端彼此獨立，減少了輸入電阻，便于濾波器的安裝。本技術采用每個半橋結構分別連接兩個直流輸入端子和一個輸出端子的結構，避免了現有的功率模塊所有半橋結構共同連接兩個直流輸入端子，保護了靠近直流輸入端子的功率器件，解決了距離直流輸入端子較遠的半橋結構的輸入電阻偏大以及無法單獨安裝濾波電容的問題。本技術均衡了并聯器件的寄生參數，尤其是寄生電感及回路電阻，從而達到均流的效果，降低器件因過載而燒毀的風險，提高了功率模塊的可靠性。附圖說明圖1是本技術絕緣基板的結構示意圖；圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)是三種不同的絕緣基板結構示意圖；圖3是不同的絕緣基板提取到的寄生電感對比圖；圖4是MOSFET三相橋功率模塊示意圖；圖5是三相橋MOSFET功率模塊電氣結構拓撲圖；圖6是MOSFET功率模塊示意圖；圖7是實施例3的電氣結構拓撲圖；圖8是IGBT三相橋功率模塊示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本技術方案進行詳細說明。實施例1：一種絕緣基板結構，及使用該結構的功率模塊，絕緣基板結構如圖1所示，包括陶瓷絕緣層以及形成于該陶瓷絕緣層上的金屬層，金屬層的材料采用銅或者鋁，表面鍍有鎳和金或者鎳和銀，金屬層通過厚膜印刷技術或釬焊技術實現，厚度為0.1mm-1mm。金屬層包括上橋臂金屬層1和下橋臂金屬層2，上橋臂金屬層1上燒結或焊接有上橋臂芯片單元3，下橋臂金屬層2上燒結或焊接有下橋臂芯片單元4，下橋臂金屬層2包括接線區5，上橋臂芯片單元3與接線區5通過邦定線6相連，以下所稱邦定線6均是英文bonding的譯文，接線區5如圖所示，即上橋臂芯片單元3的邦線連接在下橋臂芯片單元4所在絕緣基板上的區域，一般情況下本領域的邦線均為圖所示的橫向平行排布，接線區5即這些邦線與下橋臂芯片的接觸點的集合所形成的區域，下橋臂金屬層2在接線區5與下橋臂芯片單元4之間設有實現電氣均衡目的絕緣的均衡槽7，均衡槽7是金屬層通過刻蝕的工藝形成。功率模塊的電壓、電流等級不斷提高，但單個芯片往往無法滿足要求，因此每個橋臂通常是由多個芯片進行并聯。本實施例中，一個橋臂由7個功率器件并聯組成，如圖1中所示，上下橋臂共有自上而下順序排布的7個功率器件組，圖中7個虛線框即7個功率器件組。通常離直流輸入端位置較近的功率器件最容易失效，原因是此功率器件回路的寄生電感最小，為了均衡并聯芯片回路的寄生電感，現設計了兩種絕緣基板結構來改善并聯芯片的均流，均衡槽7作為調節寄生參數的一個措施，可以平衡芯片組之間的寄生電感，但不宜過長，原因是均衡槽7增加回路電阻，相應會增加功率模塊的靜態損耗。均衡槽7的寬度一般與絕緣金屬基板上表面銅層的絕緣槽寬度一致，為0.6-1.2mm，下橋臂芯片單元4包括多個并聯的功率器件，均衡槽7起始于靠近直流輸入端子8的下橋臂金屬層2的邊緣，向遠離直流輸入端子8的方向延伸，最短延伸至與第一個功率器件的頂部平齊，最長延伸至與最后一個功率器件的頂部平齊，此處所述的功率器件頂部是以圖中所示的絕緣基板擺放位置為參照的，即絕緣基板靠近直流輸入端子8的一端為頂端，若絕緣基板的擺放方向變了，前述的“頂部”仍保持以靠近直流輸入端子8的一端為頂，不受視角和擺放方向的限定；并且，本實施例中7個功率器件縱向順序排列，若在其他實施方式中，多個功率器件不排成一列，而是呈矩陣或其他方式排布，則前述“最長延伸至與最后一個功率器件的頂部平齊”中的“最后一個功率器件”指的是最靠近接線區5的一列中距離直流輸入端子8最遠的一個功率器件。均衡槽7的最優長度與芯片位置及數量有關，且均衡槽7為單段絕緣槽或者多段絕緣槽。本實施例中結合具體的功率模塊進行實驗，圖2(a)為現有技術的絕緣基板，無電氣均衡目的的均衡槽7，圖2(b)的絕緣基板有一個電氣均衡目的的均衡槽7；其均衡槽7延伸至將近與下橋臂的第二個功率器件的底邊平齊；圖2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種絕緣基板結構，其特征在于，包括陶瓷絕緣層以及形成于該陶瓷絕緣層上的金屬層，所述金屬層包括上橋臂金屬層(1)和下橋臂金屬層(2)，上橋臂金屬層(1)上設有上橋臂芯片單元(3)，下橋臂金屬層(2)上設有下橋臂芯片單元(4)，下橋臂金屬層(2)包括接線區(5)，上橋臂芯片單元(3)與接線區(5)通過邦定線(6)相連，下橋臂金屬層(2)在接線區(5)與下橋臂芯片單元(4)之間設有絕緣的均衡槽(7)。

【技術特征摘要】
1.一種絕緣基板結構，其特征在于，包括陶瓷絕緣層以及形成于該陶瓷絕緣層上的金屬層，所述金屬層包括上橋臂金屬層(1)和下橋臂金屬層(2)，上橋臂金屬層(1)上設有上橋臂芯片單元(3)，下橋臂金屬層(2)上設有下橋臂芯片單元(4)，下橋臂金屬層(2)包括接線區(5)，上橋臂芯片單元(3)與接線區(5)通過邦定線(6)相連，下橋臂金屬層(2)在接線區(5)與下橋臂芯片單元(4)之間設有絕緣的均衡槽(7)。2.根據權利要求1所述的一種絕緣基板結構，其特征在于，所述均衡槽(7)起始于靠近直流輸入端子(8)的下橋臂金屬層(2)的邊緣，向遠離直流輸入端子(8)的方向延伸。3.根據權利要求2所述的一種絕緣基板結構，其特征在于，所述均衡槽(7)的延伸方向與邦定線(6)的邦定方向垂直。4.根據權利要求2所述的一種絕緣基板結構，其特征在于，所述下橋臂芯片單元(4)包括多個并聯的功率器件，所述均衡槽(7)最短延伸至與第一個功率器件的頂部平齊，最長延伸至與最后一個功率器件的頂部平齊。5.根據權利要求1所述的一種絕緣基板結構，其特征在于，所述均衡槽(7)為單段絕緣槽或者多段絕緣槽。6.根據權利要求1所述的一種絕緣基板結構，其特征在于，所述上橋臂芯片單元(3)的材料為Si、SiC和GaN中的一種或多種，下橋臂芯片單元(4)的材料為Si、SiC和GaN中的一種或多種。7.根據權利要求1所述的一種絕緣基板結構，其特征在于，所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐文輝，滕鶴松，方賞華，劉凱，
申請(專利權)人：揚州國揚電子有限公司，
類型：新型
國別省市：江蘇,32