一种直流功率端子组合件及功率半导体模块的制作方法

1.本发明涉及功率半导体模块端子领域，具体涉及一种直流功率端子组合件以及含有该直流功率端子组合件的功率半导体模块。


背景技术：

2.功率半导体模块是电力电子变换器中的重要组成部分，对于功率半导体模块而言，开关速度越快，开关损耗低，效率更高。但是也带来了相应的问题，在高开关频率下，器件不得不承受更高的电压、电流变化率。并且功率半导体模块自身的寄生参数会使器件在开关过程中产生的电压、电流过冲和振荡问题更加严重，甚至，会使器件故障和损坏。功率半导体模块在高开关频率下对寄生参数尤其是寄生电感更加敏感，由寄生参数形成的振荡和关断过电压等问题严重影响了器件的可靠性工作。因此降低功率半导体模块的寄生参数特别是寄生电感是非常必要的。
3.功率半导体模块的寄生电感主要由功率端子、连接功率芯片的键合线、dbc铜箔、连接上下桥臂dbc铜箔的连接桥、栅极与辅助极端子与连接的平行导线这几部分组成。其中功率端子带来的寄生电感是重要组成部分，目前公开的设计为减小寄生电感采用的是叠层的方式，但是存在结构过于复杂或者叠层面积较小的问题，无法更有效的降低功率端子及功率半导体模块的寄生电感。公开日为2021年6月25日，公开号为cn113035847的专利申请公开了一种功率半导体模块低电感封装结构及封装方法，该方法通过竖直方向和水平方向重叠设置但不接触，使二者导通不同方向电流时产生电磁耦合降低电感，但是不适用于有限体积下，达到降低寄生电感的目的。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种能够通过多重互感作用降低寄生电感的直流功率端子组合件及功率半导体模块。
5.本发明的另一目的在于，一方面通过两个方向以上的折弯叠层设计，在端子和模块有限的体积下尽可能获得更多重对的叠层效果，且增大了电流流通路径上的导通面积，从而减小可两个端子自身的寄生电感并增大了相互之间的互感，使模块整体的寄生电感大幅降低；另一方面通过将与直接金属键合的不同金属覆层响应连接的不同引脚构建为同时沿同向延伸且彼此相邻，来达到降低寄生电感的目的。
6.本发明的一方面提供了一种直流功率端子组合件，所述组合件包括：第一端子，具有顺序连接的第一接触部、第一折弯部以及一个或两个以上的具有彼此连接的第一连接部和第一键合部的第一引脚，且所述第一连接部还与所述第一折弯部连接；第二端子，具有顺序连接的第二接触部、第二折弯部以及一个或两个以上的具有彼此连接的第二连接部和第二键合部的第二引脚，且所述第二连接部还与所述第二折弯部连接；其中，所述第一键合部和所述第二键合部同时沿第二方向同向延伸且在第一方向上彼此相邻，所述第二方向与所述第一方向彼此垂直；所述第一折弯部和所述第二折弯部均具有数量相等且彼此以预定间
隔层叠设置的至少一处折弯。
7.本发明的另一方面提供了一种功率半导体模块，所述功率半导体模块包括上述的直流功率端子组合件和直接金属键合衬底，所述直接金属键合衬底具有能够分别与该直流功率端子组合件的第一键合部和第二键合部相应连接的第一金属覆层和第二金属覆层。
8.与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
9.1、本发明提供的组合件和模块不仅能够在有限的体积下达到更多重和/或更大面积的叠层效果，还使模块整体的寄生电感大幅降低；
10.2、本发明减小寄生电感采用的叠层方式，解决了叠层结构过于复杂或者叠层面积较小的问题，能更有效的降低组合件及功率半导体模块的寄生电感；3、本发明能够具有至少三重的寄生电感减小效果。
附图说明
11.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
12.图1示出了本发明的直流功率端子组合件的一个示例性实施例的整体结构示意图；
13.图2示出了图1的右视图；
14.图3示出了图1的上视图；
15.图4示出了图1中的直流功率端子组合件和直接金属键合衬底的装配示意图；
16.图5示出了本发明的功率半导体模块的一个示例性实施例中的交流端子的结构示意图。
17.附图标记说明：
18.a-正极端子、b-负极端子；
19.1-第一接触部、2-第二接触部、3-第一折弯部的延伸段、5-第一折弯部的另一延伸段、4-第二折弯部的延伸段、6-第二折弯部的另一延伸段、7-第一引脚、8-第二引脚、9-相邻第一引脚与第二引脚之间的最小间距、10-第一覆铜层、11-第二覆铜层。
具体实施方式
20.为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
21.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
22.另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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。
23.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
25.示例1
26.在本发明的一个示例性实施例中，直流功率端子组合件可由第一端子和第二端子组成。
27.具体来讲，第一端子具有按顺序连接的第一接触部、第一折弯部以及一个或两个以上的第一引脚。其中，第一接触部能够通过自身的孔洞或接触面等与外部的直流母排等直流母线接触固定。第一引脚包括第一连接部和第一键合部，第一连接部的两端分别与第一键合部和第一折弯部连接，且第一键合部可通过超声波焊接等方式与直接金属键合衬底(可简称为衬底)的第一金属覆层连接。第一引脚可以为正极引脚。
28.第一引脚的数量可以为4～6，第一引脚可以呈类l形，然而，本发明不限于此。第一折弯部具有预定数量的折弯。折弯的形状可以为经倒角设计或圆滑设计的锐角或直角，折弯的数量可以为1处或两处以上。例如，折弯可以呈类l形、半s形等。例如，第一折弯部的任一处折弯均可具有沿第三方向的延伸段和沿第二方向延伸的另一延伸段，且所述延伸段和所述另一延伸段彼此连接。所述第三方向(例如，竖直的z方向)与由第二方向(例如，水平面上的y方向)和第一方向(例如，水平面上的x方向)构成的平面垂直。
29.第二端子具有按顺序连接的第二接触部、第二折弯部以及一个或两个以上的第二引脚。其中，第二接触部能够通过自身的孔洞或接触面等与外部的直流母排等直流母线接触固定。第二引脚包括第二连接部和第二键合部，第二连接部的两端分别与第二键合部和与第二折弯部连接，第二键合部可通过超声波焊接等方式与衬底的第二金属覆层连接。第二引脚可以为负极引脚。第二引脚的数量可以为3～5，然而，本发明不限于此。
30.此外，优选地，所述第一引脚的数量可以为两个以上，且被分为两组，这两组分别位于被集中设置的所述一个或两个以上第二引脚的两侧。此外，相邻第一引脚与第二引脚之间的最小间距可以为2～7mm，相邻的两个第一引脚之间、位于同一组中的相邻的两个第一引脚之间、或者相邻的两个第二引脚之间的最小间距可以为0.5～2mm。第二金属覆层与第一金属覆层分离设置。第二折弯部具有与第一折弯部数量相等的折弯，且第二折弯部与第一折弯部以预定间隔层叠设置，相当于，第一、二折弯部以彼此平行且不接触的方式设置。所述预定间隔(相当于第一、二折弯部任意相应平行两部位之间的间隔)可具有在1～2mm范围内选择的尺寸。第一、二折弯部任意相应平行两部位之间的预定间隔越小，平行两部位之间的互感作用越显著，组合件整体寄生电感也越小。然而预定间隔若小于1mm，有可能导致高压时击穿或中间缝隙填充不良等问题。第二折弯部的折弯形状与第一折弯部的相
应折弯相同，例如，可以为经倒角设计或圆滑设计的锐角或直角。例如，第二折弯部的折弯同样可以呈类l型、半s型等。例如，第二折弯部的任一处折弯均可同样具有沿第三方向的延伸段和沿第二方向延伸的另一延伸段，且该延伸段和该另一延伸段彼此连接。
31.并且，所述第一键合部和所述第二键合部同时沿第二方向(例如，水平面上的y方向)同向延伸，且所述第一键合部和所述第二键合部在与所述第二方向垂直的第一方向(例如，水平面上的x方向)上彼此相邻。
32.对于本示例性实施例的直流功率端子组合件而言，其整个结构至少有三部分产生互感(相当于至少有三重互感作用)，减小寄生电感。
33.第一部分
34.若功率电流从第一端子流入，流经第一金属覆层后最后回到第二金属覆层，并从第二端子流出；则可看出，流经第一键合部的电流与流经第二键合部的电流在第二方向(例如，y方向上)相反，流经第一金属覆层的电流和流经第二金属覆层的电流在第二方向(例如，y方向上)也相反。由于第一键合部和第二键合部两个位置彼此相邻，因此通过的电流所产生的磁场可在这两个位置上相互抵消，达到互感的目的，从而减小寄生电感。反之，若功率电流从第二端子流入，流经第二金属覆层后最后回到第一金属覆层，并从第一端子流出；也同样能够达到互感的目的，从而减小寄生电感。
35.第二部分
36.电流在流经第一端子的第一折弯部的一个方向的平面(例如，l型的一个平面)或类平面(例如，半s型的半边弧面)、以及第二端子的第二折弯部的相应方向的平面或类平面时，鉴于第一、二折弯部的各相应部分均是彼此以预定间隔层叠设置的，故此这两个平面或类平面也是彼此以预定间隔层叠设置的，且二者彼此相邻，因此通过的电流所产生的磁场可在这两个平面或类平面上相互抵消，达到互感的目的，从而减小寄生电感。
37.第三部分
38.电流在流经第一端子的第一折弯部的另一个方向的平面(例如，l型的另一个平面)或类平面(例如，半s型的另半边弧面)、以及第二端子的第二折弯部的相应方向的另一个平面或类平面时，鉴于第一、二折弯部的各相应部分均是彼此以预定间隔层叠设置的，故此前述两个另一平面或类平面也是彼此以预定间隔层叠设置的，且二者彼此相邻，因此通过的电流所产生的磁场可在两个另一平面或类平面上相互抵消，达到互感的目的，从而减小寄生电感。这里，前述第一折弯部的另一个方向的平面或类平面与上段中所述的第一折弯部的一个方向的平面或类平面构成了第一折弯部的一处折弯，例如，第一折弯部的另一个方向的平面或类平面指的是沿第二方向的延伸段，第一折弯部的一个方向的平面或类平面指的是沿第三方向的延伸段；相应地，前述第二折弯部的另一个方向的平面或类平面与上段中所述的第二折弯部的一个方向的平面或类平面构成了第二折弯部的一处折弯，例如，第二折弯部的另一个方向的平面或类平面指的是沿第二方向的延伸段，第二折弯部的一个方向的平面或类平面指的是沿第三方向的延伸段。
39.此外，当第一、二折弯部包含的折弯数量为两个以上，更有利于进一步增加上述第二部分和/或第三部分的寄生电感减小效果。另外，综合考虑器件尺寸和加工难易程度，优选第一、二折弯部包含的折弯数量为1个，相当于第一、二折弯部的截面呈类l形或者半s型。
40.示例2
41.在本发明的另一个示例性实施例中，直流功率端子组合件在具有上述示例性实施例结构的基础上，其所述第一接触部和所述第二接触部可位于同一平面内，且在第二方向上与第一键合部和第二键合部的延伸方向相反。相当于第一接触部和所述第二接触部均沿第二方向的反向延长线方向(例如，水平面上的y方向的反向延长线方向)延伸。这里，所述同一平面是指与由第一方向和第二方向形成的平面(例如，水平面)平行的另一平面(例如，另一水平面)。两个平面之间的间距由第一、二折弯部连接和确定。
42.本示例性实施例的结构，有助于形成更便于与直流母线(例如，直流母排)连接的第一接触部和第二接触部。
43.示例3
44.图1示出了本发明的直流功率端子组合件的一个示例性实施例的整体结构示意图；图2示出了图1的右视图；图3示出了图1的上视图。
45.在本示例中，如图1、图2和图3所示，直流功率端子组合件包括正极端子a和负极端子b。然而，本发明可不限于此，例如，a也可以为负极端子，b为正极端子。
46.其中，正极端子a包括顺序连接的第一接触部1、由第一折弯部的延伸段3与第一折弯部的另一延伸段5构成的第一折弯部、以及4个第一引脚7。如图2和图3所示，第一引脚7呈类l型，并具体由沿z方向设置且与第一折弯部的所述另一延伸段5连接的第一连接部、以及沿y方向的反向延长线方向设置的第一键合部构成。
47.负极端子包括顺序连接的第二接触部2、由第二折弯部的延伸段4与第二折弯部的另一延伸段6构成的第二折弯部以及5个第二引脚8。如图2和图3所示，第二引脚8呈类l型，并具体由沿z方向设置且与第二折弯部的所述另一延伸段6连接的第二连接部、以及沿y方向的反向延长线方向设置的第二键合部构成。
48.第一接触部1和第二接触部2位于同一平面内，且在y方向上与第一引脚7和第二引脚8的延伸方向相反，所述同一平面与由x方向和y方向形成的平面平行。此外，只要能确保第一接触部与第二接触部分别与母排的正负极相连，第一接触部1和第二接触部2可以不位于同一平面内。本示例第一接触部1和第二接触部2上分别设置有螺孔，以方便与直流母排接触固定，也可以通过接触面等与外部的直流母排接触固定。第一键合部和第二键合部同时沿y方向的反向延长线同向延伸且在x方向上彼此相邻。
49.本示例如图1和图2所示，第一接触部1的一侧与延伸段3的一侧连接，所述延伸段3的另一侧与另一延伸段5的一侧连接；延伸段3和另一延伸段5构成一处折弯，并形成了第一折弯部。另一延伸段5的另一侧与沿z方向延伸的第一连接部的一端连接，第一连接部的另一端与沿y方向的反向延长线方向延伸的第一键合部的一端连接。第二接触部2的一侧与延伸段4的一侧连接，所述延伸段4的另一侧与另一延伸段6的一侧连接；延伸段4和另一延伸段6构成一处折弯，并形成了第二折弯部。本示例中，第一折弯部和第二折弯部组成了两个方向的叠层结构，第一折弯部的延伸段3和第二折弯部的延伸段4组成z方向的具有第一预定间隔的叠层结构，第一折弯部的另一延伸段5和第二折弯部的另一延伸段6组成y方向的反向延长线方向上的具有第二预定间隔的叠层结构，两个叠层结构相互垂直。这里，两个叠层结构可以部分重叠设置或者用尽可能大的面积重叠设置，以达到降低寄生电感的目的。优选的，两个叠层结构用尽可能大的面积重叠设置，即本示例中第一折弯部的延伸段3和第二折弯部的延伸段4用尽可能大的面积叠层设置，第一折弯部的另一延伸段5和第二折弯部
的另一延伸段6用尽可能大的面积叠层设置，叠层面积越大，降低寄生电感的程度越大。上述第一预定间隔和第二预定间隔可以在1至2mm内选择。上述第一预定间隔与第二预定间隔可以相等或不相等。
50.如图1至图3所示，本示例中只有一处折弯且折弯为类l形，延伸段沿第二方向的长度和沿第三方向的长度可以是预定间隔的2～4倍，键合部与接触部沿第三方向的长度可以是预定间隔的4.5～11倍。如图2所示，组合件的右视图整体呈阶梯形。本示例中只有一处折弯，若折弯的数量为2处以上时，第一引脚与第二引脚可以分别与相应折弯数的整数倍或整数又二分之一倍处连接。若多处折弯且折弯为阶梯形时，延伸段沿第二方向和第三方向的长度均会增大。
51.如图3所示，本示例中第一引脚7的数量为4个且被分为两组，第二引脚8为5个且被集中设置，两组第一引脚7分别位于被集中设置的第二引脚8的两侧，第一引脚7包括第一连接部和第一键合部，第一连接部与第一折弯部连接，第一键合部可通过超声波焊接方式与衬底的第一覆铜层连接。第二引脚8包括第二连接部和第二键合部，第二连接部与第二折弯部连接，第二键合部可通过超声波焊接等方式与衬底的第二覆铜层连接。相邻第一引脚与第二引脚之间的最小间距9可以为2～7mm，相邻的两个第一引脚之间和相邻的两个第二引脚之间的最小间距可以为0.5～2mm。这里，引脚的设置位置是为了更方便与衬底配合连接。
52.此外，第一引脚与第二引脚也可以彼此相邻设置，呈现第一引脚、第二引脚、第一引脚、第二引脚
…
。相邻第一引脚与第二引脚之间的最小间距可以为0.5～2mm。
53.对于本示例的直流功率端子组合件而言，其整个结构有三部分产生互感，减小寄生电感。
54.第一部分：功率电流从正极端子a流入，流经第一覆铜层后最后回到第二覆铜层，并从负极端子b流出，可以看出，流经第一覆铜层与第二覆铜层的电流在y方向相反，流经第一覆铜层和第二覆铜层的电流在y方向也相反。由于第一覆铜层和第二覆铜层两个位置彼此相邻，因此通过的电流所产生的磁场可在这两个位置上相互抵消，达到互感的目的，从而减小寄生电感。反之，若功率电流从负极端子b流入，流经第二覆铜层后最后回到第一覆铜层，并从第正极端子a流出；也同样能够达到互感的目的，从而减小寄生电感。
55.第二部分：电流在流经正极端子a的第一折弯部沿第三方向的延伸段3以及负极端子b的第二折弯部沿z方向的延伸段4时，鉴于第一折弯部的延伸段3和第二折弯部的延伸段4彼此以预定间隔层叠设置且彼此相邻，因此通过的电流所产生的磁场可在这两个延伸段上相互抵消，达到互感的目的，从而减小寄生电感。
56.第三部分：沿y方向看，电流在流经正极端子a的第一折弯部的延伸段5以及负极端子b的第二折弯部的延伸段6时，鉴于第一折弯部的延伸段5和第二折弯部的延伸段6彼此以预定间隔层叠设置且彼此相邻，因此通过的电流因方向相反所产生的磁场可在这两个延伸段上相互抵消，达到互感的目的，从而减小寄生电感。
57.示例4
58.在示例3的基础上，功率半导体模块包括直流功率端子组合件和直接金属键合衬底，直接金属键合衬底可以为铜衬底，然而，本发明并不限于此。如图4所示，为配合组合件中引脚位置的设置，直接金属键合衬底包括第一覆铜层10和第二覆铜层11，第一覆铜层10对称布置于直接金属键合衬底两侧。其中，第一覆铜层10与第一键合部通过超声波焊接方
式连接，第二覆铜层11与第二键合部通过超声波焊接方式连接。
59.此外，功率半导体模块还可以包括交流端子。如图5所示，交流端子包括顺序连接的沿y方向延伸的第三接触部、沿z方向延伸的第三连接部以及4个有一处折弯的第三引脚。所述第三接触部包括第一部分和第二部分，其中，第一部分和第二部分位于同一平面，彼此相邻且间隔设置；第一部分和第二部分上分别设置有螺孔，交流端子左视图呈阶梯形。
60.对比例1
61.本对比例的直流端子组合件具有与上述示例3类似的结构，其区别在于，本对比例的第一键合部和第二键合部同时沿y方向反向延伸，即第一键合部与第二键合部的延伸方向相反。对于本对比例的结构而言，其仅具有第二部分和第三部分的互感作用，缺少了上述第一部分的互感作用。相对于上述示例3而言，这一定程度增加了寄生电感，例如，寄生电感的增大程度可以为13％，如下表1所示。
62.对比例2
63.本对比例的直流端子组合件具有与上述示例3类似的结构，其区别在于，本对比例的第一引脚和第二引脚分别不具有第一连接部和第二连接部，即第一键合部直接与第一折弯部的另一延伸段5连接，第二键合部直接与第二折弯部的另一延伸段6连接。对于本对比例的结构而言，其缺少了上述第一部分的互感作用中的一部分互感作用(即对应于第一连接部和第二连接部产生的互感作用)。相对于上述示例3而言，这一定程度增加了寄生电感，例如，寄生电感的增大程度可以为18％，如下表1所示。
64.表1
[0065][0066]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。