【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于功率模塊，具體涉及一種功率模塊及其設計方法。
技術介紹
1、在mvd和svg的實際應用中，為滿足整機大電流供應模式，通常會選擇多只功率模塊并聯，因此，為了解決功率模塊并聯均流問題以及使用成本，實際應用中會盡量選用高功率、少數量的模塊去裝機，減少功率模塊間的并聯誤差，來降低均流失效的概率。
2、但現有技術存在以下缺陷和不足：
3、1)在中高壓大功率模塊封裝設計上，功率模塊中半導體芯片面積占模塊有效設計面積約60％，其余40％的有效面積還需要考慮防止柵極、集電極、發射極之間相互短路，在覆銅陶瓷基板上電流輸出所需的設計尺寸，陶瓷蝕刻溝槽間距等，以上問題對中高壓大功率模塊設計面臨著巨大的挑戰；
4、2)部分技術開始陸續對芯片面積開始優化，將半導體芯片面積與功率模塊有效設計面積占比降低至35％左右，提高電流密度的同時，需考慮襯底、外延等原材料的設計加工精度，導致半導體芯片的開發周期需要長達一到兩年以上，同時，即使給功率模塊的封裝設計留足夠的余量，但在半導體芯片面積減半情況下，芯片熱阻也提升接近一倍，熱應力集中導致功率模塊過熱失效等問題、封裝技術的瓶頸也逐步暴露出來。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是為了解決現有技術中存在的缺陷與不足，提供一種功率模塊及其設計方法，通過優化非半導體芯片區域的封裝設計，提高功率模塊的通流、散熱能力，從而提高器件的輸出功率。
2、為實現上述目的，本專利技術所采用的技術方案是：一種功率模塊，包括：p>
3、覆金屬層陶瓷基板，所述覆金屬層陶瓷基板上表面設置上橋臂和下橋臂；
4、微納米金屬層，所述微納米金屬層設置于覆金屬層陶瓷基板的通流瓶頸區域；
5、散熱基板，所述散熱基板連接于覆金屬層陶瓷基板下表面，且散熱基板遠離覆金屬層陶瓷基板的一側設置若干針翅狀散熱柱，所述若干針翅狀散熱柱包括圓形散熱針柱和異性螺紋散熱針柱；
6、外部殼體，所述外部殼體與散熱基板密封連接，且通過互連導體與覆金屬層陶瓷基板之間形成閉合回路。
7、優選的，所述覆金屬層陶瓷基板包括絕緣陶瓷層，以及分別設置于絕緣陶瓷層上表面和下表面的正面金屬層和背面金屬層。
8、優選的，所述上橋臂包括上橋半導體功率芯片和上橋反并聯二極管芯片，所述下橋臂包括下橋半導體功率芯片和下橋反并聯二極管芯片。
9、優選的，所述微納米金屬層包括依次設置在覆金屬層陶瓷基板上方的微納米金屬焊料和金屬片。
10、優選的，所述散熱基板包括金屬底板，所述金屬底板具有相對設置的焊接表面和散熱表面，所述焊接表面用于與覆金屬層陶瓷基板焊接，所述散熱表面用于連接若干針翅狀散熱柱的一端，且若干針翅狀散熱柱的另一端朝向遠離所述散熱表面的方向延伸。
11、優選的，所述圓形散熱針柱對應散熱器入水口及上橋臂和下橋臂之間的區域分布，所述異性螺紋散熱針柱對應上橋臂和下橋臂所在區域分布，且異性螺紋散熱針柱表面具有沿其長度方向設置的螺旋流道。
12、優選的，所述異性螺紋散熱針柱包括間隔分布的第一層螺紋散熱針柱和第二層螺紋散熱針柱，且第一層螺紋散熱針柱和第二層螺紋散熱針柱均包含螺旋流道朝向相反的兩種設計。
13、一種上述功率模塊的設計方法，包括以下步驟：
14、s1、確定覆金屬層陶瓷基板通流瓶頸區域，將微納米金屬層燒結在覆金屬層陶瓷基板上；
15、s2、將半導體功率芯片和二極管芯片使用焊料焊接在覆金屬層陶瓷基板上；
16、s3、將覆金屬層陶瓷基板使用焊料焊接在散熱基板上；
17、s4、將外部殼體通過密封膠與散熱基板粘接；
18、s5、使用互連導體將外部殼體端子、覆金屬層陶瓷基板、半導體芯片兩兩互連；
19、s6、在外部殼體內部填充灌封膠；
20、s7、安裝蓋板。
21、優選的，所述步驟s1中微納米金屬層的厚度為0.3-0.4mm，其中微納米金屬焊料的厚度為0.2-0.3mm，金屬片的厚度為0.1mm。
22、采用上述技術方案后，本專利技術提供的一種功率模塊及其設計方法，具有以下有益效果：
23、1)本專利技術在半橋拓撲封裝的基礎上，不改變半導體芯片的芯片特性，對非芯片區域采取封裝優化設計，通過選用高導熱封裝材料，完善功率模塊內部設計，縮短了高功率模塊的設計周期和時間成本；
24、2)本專利技術通過材質固有的通流能力，得到模塊內部電流通流瓶頸區域，通過微納米金屬顆粒在一定的壓力、溫度的作用下，與覆金屬層陶瓷基板的上表面致密結合，從而實現提高功率模塊電流的實際輸出能力；
25、3)本專利技術散熱基板通過雙向針翅狀異性螺紋散熱柱的設計，能夠在改變水流流速的同時增大散熱面積，使得功率模塊的電流輸出能力提高1/3左右；
26、4)本專利技術同樣適用于布局緊湊，利用率高，高輸出功率模塊。
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1.一種功率模塊，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種功率模塊，其特征在于：所述覆金屬層陶瓷基板(15)包括絕緣陶瓷層(15-2)，以及分別設置于絕緣陶瓷層(15-2)上表面和下表面的正面金屬層(15-1)和背面金屬層(15-3)。
3.根據權利要求1所述的一種功率模塊，其特征在于：所述上橋臂包括上橋半導體功率芯片(9-1/9-2/9-3)和上橋反并聯二極管芯片(10-1/10-2/10-3)，所述下橋臂包括下橋半導體功率芯片(11-1/11-2/11-3)和下橋反并聯二極管芯片(12-1/12-2/12-3)。
4.根據權利要求1所述的一種功率模塊，其特征在于：所述微納米金屬層(16)包括依次設置在覆金屬層陶瓷基板(15)上方的微納米金屬焊料(16-1)和金屬片(16-2)。
5.根據權利要求1所述的一種功率模塊，其特征在于：所述散熱基板(17)包括金屬底板(17-1)，所述金屬底板(17-1)具有相對設置的焊接表面和散熱表面，所述焊接表面用于與覆金屬層陶瓷基板(15)焊接，所述散熱表面用于連接若干針翅狀散熱柱的一端，
6.根據權利要求1所述的一種功率模塊，其特征在于：所述圓形散熱針柱(17-2)對應散熱器入水口及上橋臂和下橋臂之間的區域分布，所述異性螺紋散熱針柱(17-3)對應上橋臂和下橋臂所在區域分布，且異性螺紋散熱針柱(17-3)表面具有沿其長度方向設置的螺旋流道。
7.根據權利要求6所述的一種功率模塊，其特征在于：所述異性螺紋散熱針柱(17-3)包括間隔分布的第一層螺紋散熱針柱(17-3-1)和第二層螺紋散熱針柱(17-3-2)，且第一層螺紋散熱針柱(17-3-1)和第二層螺紋散熱針柱(17-3-2)均包含螺旋流道朝向相反的兩種設計。
8.一種權利要求1-7任意一項所述的功率模塊的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
9.根據權利要求8所述的一種功率模塊的設計方法，其特征在于：所述步驟S1中微納米金屬層(16)的厚度為0.3-0.4mm，其中微納米金屬焊料(16-1)的厚度為0.2-0.3mm，金屬片(16-2)的厚度為0.1mm。
...【技術特征摘要】
1.一種功率模塊，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種功率模塊，其特征在于：所述覆金屬層陶瓷基板(15)包括絕緣陶瓷層(15-2)，以及分別設置于絕緣陶瓷層(15-2)上表面和下表面的正面金屬層(15-1)和背面金屬層(15-3)。
3.根據權利要求1所述的一種功率模塊，其特征在于：所述上橋臂包括上橋半導體功率芯片(9-1/9-2/9-3)和上橋反并聯二極管芯片(10-1/10-2/10-3)，所述下橋臂包括下橋半導體功率芯片(11-1/11-2/11-3)和下橋反并聯二極管芯片(12-1/12-2/12-3)。
4.根據權利要求1所述的一種功率模塊，其特征在于：所述微納米金屬層(16)包括依次設置在覆金屬層陶瓷基板(15)上方的微納米金屬焊料(16-1)和金屬片(16-2)。
5.根據權利要求1所述的一種功率模塊，其特征在于：所述散熱基板(17)包括金屬底板(17-1)，所述金屬底板(17-1)具有相對設置的焊接表面和散熱表面，所述焊接表面用于與覆金屬層陶瓷基板(15)焊接，所述散熱表面用于連接...
【專利技術屬性】
技術研發人員：林杰，劉帥帥，張海泉，趙善麒，
申請(專利權)人：江蘇宏微科技股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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