一种功率模块的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种功率模块。


背景技术：

2.随着科技的发展，越来越多的小型电子产品问世。但是电子元器件在运行时会产生大量的热量，所以电子产品的散热关系到电子产品的运行安全和稳定性。科技的进步促使当今的终端电子产品集成度越来越高，电子元器件在运行时产生的大量的热量需要迅速散发到环境中(一般为空气)，才能避免因温度过高而烧毁电子元器件。
3.功率模块是一种将电力电子器件如金属氧化物半导体场效应晶体管(mos)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)、快恢复二极管(frd)和集成电路技术结合的功率驱动器件，由于具有高集成度、高可靠性等优势，功率模块在电动汽车、光伏发电、风力发电、工业变频等领域赢得越来越大的市场。随着新能源汽车的快速发展及普及，作为高集成度的功率模块也需顺应市场需求开发具有更高可靠性、更高散热能力的功率模块。
4.因此，亟需一种具有更高可靠性、更强散热能力及更小尺寸的功率模块，以满足市场需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供一种功率模块，实现了小尺寸、高可靠性和高散热能力的需求。
6.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：一种功率模块，其特征在于，包括：绝缘基板，具有相对的第一表面和第二表面，所述绝缘基板上具有导电层；器件，位于所述绝缘基板的第一表面的导电层上，并与所述绝缘基板的第一表面的导电层电连接；散热基板，位于所述绝缘基板的第二表面，与所述绝缘基板相连；第一端子，位于所述绝缘基板的侧面，与所述绝缘基板的第一表面的导电层电连接；第二端子，位于所述绝缘基板的第一表面的导电层上，并与所述绝缘基板的第一表面的导电层电连接，所述第二端子与所述绝缘基板垂直设置；其中，所述第一端子包括多个，多个所述第一端子分别设置在所述绝缘基板相对的第一侧边和第二侧边，位于所述第一侧边的至少部分所述第一端子包括端部和将所述端部与所述导电层相连的颈部，所述端部的宽度大于所述颈部的宽度。
7.优选地，所述绝缘基板为覆铜陶瓷基板，所述绝缘基板的第一表面和第二表面均具有导电层，所述散热基板与所述绝缘基板的第二表面的导电层通过焊接相连。
8.优选地，所述器件包括igbt器件和frd器件。
9.优选地，该功率模块还包括热敏电阻，所述热敏电阻位于所述绝缘基板的第一表面上，并与至少部分所述第二端子电连接。
10.优选地，所述绝缘基板为多个，每个所述绝缘基板为一个功率单元，每个功率单元具有至少一个所述热敏电阻和至少两种器件。
11.优选地，每个所述热敏电阻位于其对应的所述功率单元的侧边区域。
12.优选地，同种所述器件中，至少一个器件和其他器件横向不在一条水平线上，且纵向不在一条水平线上。
13.优选地，所述绝缘基板为四个，所述功率模块包括四个功率单元，所述四个功率单元中的一个用于控制刹车制动，其余三个功率单元用于供应三相电流以提供三相功率。
14.优选地，所述其余三个功率单元中，同种器件呈对角线排布。
15.优选地，所述功率模块还包括外壳，所述绝缘基板为矩形，所述外壳呈矩形框形，所述外壳的一侧与所述散热基板相连，使所述绝缘基板位于所述外壳的内侧。
16.优选地，所述外壳还包括定位柱，所述定位柱垂直于所述绝缘基板，所述定位柱的顶面不低于所述第二端子的顶面。
17.优选地，所述定位柱包括多个，多个所述定位柱位于所述绝缘基板相对的两侧边或同一侧边。
18.优选地，所述外壳在所述绝缘基板的第一端子对应的位置有向外侧凸出的条形阶梯结构，以增加爬电距离。
19.优选地，所述功率模块还包括盖板，所述盖板与所述外壳相匹配，所述盖板位于所述绝缘基板的第一表面的一侧，所述盖板上具有与所述第二端子相匹配的通孔，所述第二端子的至少部分从所述通孔中穿出。
20.优选地，所述功率模块还包括金属线，所述金属线将所述导电层与所述器件之间电连接、所述器件与所述器件之间电连接。
21.优选地，所述散热基板背离所述绝缘基板的一侧具有多个阵列排布的散热柱，所述散热柱的截面为圆形、椭圆形中的至少一种。
22.优选地，所述绝缘基板在所述第一端子的排列方向的尺寸不大于155mm。
23.本实用新型的有益技术效果在于：本实用新型的功率模块其第一端子直接注塑在外壳中且第一端子与绝缘基板通过超声波焊接或者锡焊焊接来提高模块整体抗振动能力，部分第一端子在模块外的部分(端部)横向延伸增大了面积，提高了散热能力；第二端子垂直于绝缘基板设置，可通过与外部电路板的插接实现电连接及信号传递，使与其相连的电路板的设计更为方便；绝缘基板的每个功率单元上都设置有热敏电阻，能够更精准的监控功率模块各单元的温度，且绝缘基板上的两种器件在同一水平面上呈交错排列，可进一步提高散热能力，在保持性能没有变化的同时，采用尺寸更小的器件，从而进一步缩减绝缘基板的尺寸，减少物料消耗，降低成本；还通过在外壳外侧设置条形阶梯结构包围第一端子以增加爬电距离，进一步地增加可靠性和稳定性。该功率模块的散热基板背面具有阵列排布的散热柱，可有效提高模块的散热能力，进而提高了功率模块的输出能力。
24.该功率模块兼具小尺寸、高可靠性和强散热能力，可以满足电动或混动汽车、光伏发电、风力发电、工业变频等各应用场景的需求，且该功率模块还具有多个热敏电阻对其各部分进行温度监测，可根据温度及时调整各模块的负载和功率。
附图说明
25.通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
26.图1a是本实用新型第一实施例的功率模块的正面示意图；
27.图1b是本实用新型第一实施例的功率模块的背面示意图；
28.图2a是本实用新型第一实施例的功率模块的电路结构示意图；
29.图2b是本实用新型第一实施例的功率模块带有盖板的正面示意图；
30.图2c是本实用新型第一实施例的功率模块沿a-a截面线截取的截面示意图；
31.图2d是本实用新型第一实施例的功率模块的侧视示意图；
32.图2e是本实用新型第一实施例的功率模块的俯视示意图；
33.图3a是本实用新型第二实施例的功率模块的正面示意图；
34.图3b是本实用新型第二实施例的功率模块的背面示意图；
35.图4是本实用新型第二实施例的功率模块带有盖板的正面示意图。
具体实施方式
36.以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
37.在本实用新型的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“横向”、“纵向”等术语所指示的方位或位置关系为基于对应附图所示的方位或位置关系，其是为了便于描述本实用新型中各部件的形态、位置及连接关系，而不是指示或暗示部件在整体中必须位于特定的方位及形态结构，不应理解为对本实用新型的限制。
38.图1a和图1b分别示出了本实用新型第一实施例的功率模块的正面和背面的示意图。该第一实施例的功率模块包括：绝缘基板110、散热基板120、第一器件131、133、第二器件132、第一端子140和第二端子150。其中，绝缘基板110例如为覆铜陶瓷基板(direct bonding copper，dbc)，具有相对的第一表面和第二表面，其第一表面和第二表面上例如均设置有导电层。如图1a所示，该绝缘基板110的轮廓例如为矩形，该实施例中共包括四个横向排列(沿第一端子140的排列方向)的绝缘基板110，以分别作为四个功率单元，每个功率单元均包括至少一个第一器件131或133和至少一个第二器件132，第一器件131、133例如为igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件，第二器件132例如为frd(fast recovery diode，快恢复二极管)器件，第一器件131、133和第二器件132例如通过焊锡焊接在绝缘基板110的第一表面的导电层上，第一器件131、133和第二器件132在各功率单元中相并联且在同一水平面上交错排布。优选地，在每个功率单元中，至少一个第一器件和其他第一器件横向不在一条水平线上且纵向不在一条水平线上；至少一个第二器件132和其他第二器件132横向不在一条水平线上且纵向不在一条水平线上。具体地，最左侧的功率单元例如为刹车单元，用于控制刹车制动，其余的三个功率单元例如分别为三相(u、v、w相)控制单元中的其中一相的单相控制单元，该三个功率单元用于供应三相电流以提供三相功率，当然地，各功率单元的位置可以互相调换；刹车单元上例如包括横向排列的三列器件，单相控制单元例如包括横向排列的两列器件，每列均包括两个第一器件131或133和两个第二器件132，由于刹车单元与三相控制单元的电流负载不同，故在本实施例中第一器件131、133采用两种不同的尺寸规格以分别对应刹车单元与单相控制单元，即单相控制单元中的第一器件131的尺寸小于刹车单元中第一器件133的尺寸，从而进一步缩减绝
缘基板110的横向尺寸，将绝缘基板110的横向尺寸减小至155mm以下。除最左侧的刹车单元外，其余各单相控制单元的布局结构基本相同。优选地，在单相控制单元中，第一器件131呈对角线排布，第二器件132呈对角线排布。在其他实施例中，绝缘基板110及对应的功率单元的数量也可以是1个、2个、3个、5个等等。第一端子140例如为功率端子，第一端子140包括直流端141和交流端142，每个功率单元的上侧边均包括两个直流端141，每个功率单元的下侧边包括一个交流端142。进一步地，每个功率单元中还分别设置有一个热敏电阻134，热敏电阻134例如位于对应的功率单元的侧边区域，例如右侧边靠近下方的位置，并尽量靠近器件，以快速并准确地反馈该单元的温度。该绝缘基板110的第一表面上还设置有与其垂直的第二端子150，第二端子150例如为信号端子，其形态例如为鱼眼压接针(pressfit)，其中，第一器件131、133、第二器件132、导电层以及热敏电阻134的信号均可通过第二端子150引出。进一步地，在绝缘基板110上，热敏电阻134和第二端子150均通过焊锡焊接在绝缘基板110的第一表面的导电层上，第一端子140通过超声波焊接或焊锡焊接在绝缘基板110的第一表面的导电层上，其余的各器件与各器件之间、各器件与导电层之间可通过金属线键合实现电连接，该金属线例如为铝线、铜线、金线或银线中的至少一种。第一器件131、133、第二器件132、第一端子140、第二端子150以及热敏电阻134之间的空隙及上方例如通过覆盖硅胶的方式实现电气隔离与保护。散热基板120例如设置在绝缘基板110的第二表面并与绝缘基板110的第二表面的导电层焊接连接，该散热基板120的面积大于绝缘基板110的面积，通过设置在散热基板120上的外壳160对绝缘基板110进行包覆。外壳160例如为矩形框形，围绕绝缘基板110设置，绝缘基板110位于外壳160的内侧，外壳160的上下侧具有开口，外壳160与散热基板120的连接面例如通过密封胶密封并采用自攻螺丝进行紧固连接，进一步地，第一端子140与绝缘基板110的连接端注塑包裹在外壳160内。该外壳160中还具有第一定位柱161和第二定位柱162，其中，第一定位柱161和第二定位柱162例如均贯穿散热基板120，第一定位柱161例如位于该外壳160的一侧(下侧边右下角处)，第二定位柱162例如位于该外壳160的另一侧(上侧边的左上角处)，即第一定位柱161和第二定位柱162位于绝缘基板110相对的两侧边，第一定位柱161和第二定位柱162例如凸出于外壳160一端的端面高于第二端子150的顶面，以起到定位作用，避免第二端子150因错位发生折弯损坏等。如图1b所示，该散热基板120在背离绝缘基板110的一侧设置有阵列排布的多个导热柱121，导热柱121的截面例如为椭圆形，当然地，其导热柱121的截面形状也可以为圆形、矩形、半圆形、水滴形、三角形、菱形等。
39.图2a至图2e均为本实用新型第一实施例具有盖板的示意图，在外壳160背离散热基板120的一侧(绝缘基板110的第一表面的一侧)还设置盖板170，盖板170将绝缘基板110上的各器件进行部分遮挡和保护，第一定位柱161和第二定位柱162贯穿盖板170并从盖板170中穿出。图2a为该第一实施例的功率模块的电路结构示意图，其上的各标号与图2b上各端子标号相对应，从中可见，在绝缘基板110上的各功率单元均设置有一热敏电阻134，具体地，在t1与t2之间，t3与t4之间，t5与t6之间以及t7与t8之间均设置有热敏电阻134。进一步地，如图2b所示，盖板170上设置有通孔171，供第二端子150的至少部分从盖板170中穿出与外部进行电连接。盖板170还具有卡口172，对应地，外壳160上具有卡扣163，通过卡扣163与卡口172相卡合，从而将盖板170与外壳160相连，具体地，盖板170除去左右两侧边各两个卡口172外，其中间横梁处也具有卡口，卡口例如位于绝缘基板110的功率单元之间的缝隙处，
此处对应的卡扣163不干涉绝缘基板110上的布局。进一步地，该直流端141中的至少部分端子呈勺状，其包括端部1412和颈部1411，端部1412上具有连接孔，端部1412用于与外界的直流输入相连，该端部1412通过颈部1411与绝缘基板110上的导电层相连，该端部1412的宽度例如大于颈部1411的宽度，在同一功率单元中，两个直流端141的端部1412分别向背离彼此的方向横向延伸，即在两个直流端141之间的一侧，颈部1411与端部1412的边缘齐平，在另一侧，端部1412凸出于颈部1411，通过增大端部1412的宽度，可以增加连接面积，增大接触面积和散热面积，减小电阻，增加散热能力。
40.图2c为沿图2b中a-a截面线截取的截面示意图，图2d为该第一实施例的功率模块的侧视图，图2e为该第一实施例的功率模块的俯视图，如图2c至图2e所示，该功率模块中，散热基板120、外壳160和盖板170围成空腔，绝缘基板110位于该空腔中，并与散热基板120相连。第一端子140的直流端141例如采用上下叠层结构布置以降低杂散电感，可参见图2c-2e，同一功率单元中的两个直流端子141处于不同层。第二端子150例如包括底座151和信号针152，其中，底座151例如焊接在绝缘基板110的第一表面的导电层上，信号针152的一端插接于底座151上，信号针152的另一端通过通孔171从盖板170中穿出以与外界连接；具体地，信号针152与底座151为过盈配合，为了增加信号针152与底座151插接时的连接性能，还可以对信号针152设置卡槽或折弯段等结构以增加连接的可靠性。进一步地，第一端子140的直流端141与交流端142均需要具有较好的电隔离，故参照图2e，外壳160的外侧面，在与第一端子140相对应的位置设置有向外侧凸出的条形的阶梯结构164，以增大爬电距离，增强该功率模块的可靠性，具体地，该阶梯结构164的截面例如为凹字形，第一端子140位于该凹字形的凹槽中。进一步地，如图2d所示，外壳160的短边的侧面165为平面结构，当然地，还可在外壳160的短边的侧面165上设置矩形凹槽，本实施例对此不做限制。
41.图3a和图3b分别示出了本实用新型第二实施例的功率模块的正面和背面的示意图；该第二实施例与第一实施例相类似，其相同部分不再赘述，该第二实施例与第一实施例的不同之处在于，在该第二实施例中，其第一定位柱261和第二定位柱262位于该绝缘基板110的同一侧侧边。
42.图4为本实用新型第二实施例的功率模块的带有盖板的正面示意图，该第二实施例与第一实施例相类似，其相同部分不再赘述，该实施例中，其第一定位柱261和第二定位柱262位于该绝缘基板110的同一侧侧边上，具体地，该第一定位柱261和第二定位柱262位于绝缘基板110设置有交流端142的一侧侧边的左右两端。
43.本实用新型的有益技术效果在于：本实用新型的功率模块其第一端子直接注塑在外壳中且第一端子与绝缘基板通过超声波焊接或者锡焊焊接来提高模块整体抗振动能力，部分第一端子在模块外的部分(端部)横向延伸增大了面积，提高了散热能力；第二端子垂直于绝缘基板设置，可通过与外部电路板的插接实现电连接及信号传递，使与其相连的电路板的设计更为方便；绝缘基板的每个功率单元上都设置有热敏电阻，能够更精准的监控功率模块各单元的温度，且绝缘基板上的两种器件在同一水平面上呈交错排列，可进一步提高散热能力，在保持性能没有变化的同时，采用尺寸更小的器件，从而进一步缩减绝缘基板的尺寸，减少物料消耗，降低成本；还通过在外壳外侧设置条形阶梯结构包围第一端子以增加爬电距离，进一步地增加可靠性和稳定性。该功率模块的散热基板背面具有阵列排布的散热柱，可有效提高模块的散热能力，进而提高了功率模块的输出能力。
44.该功率模块兼具小尺寸、高可靠性和强散热能力，可以满足电动或混动汽车、光伏发电、风力发电、工业变频等各应用场景的需求，且该功率模块还具有多个热敏电阻对其各部分进行温度监测，可根据温度及时调整各模块的负载和功率。
45.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
46.同时，应当理解，示例实施例被提供，以使本公开是全面的，并将其范围充分传达给本领域技术人员。很多特定细节(例如特定部件、设备和方法的示例)被给出以提供对本公开的全面理解。本领域技术人员将明白，不需要采用特定细节，示例实施例可以以很多不同的形式被实施，并且示例实施例不应被理解为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，众所周知的设备结构以及众所周知的技术没有详细描述。
47.当一元件或层被提及为在另一元件或层“上”、“被接合到”、“被连接到”或“被联接到”另一元件或层时，其可直接在另一元件或层上、被直接接合、连接或联接到另一元件或层，或者可存在中间元件或层。相比之下，当一元件被提及为“直接”在另一元件或层“上”、“直接被接合到”、“直接被连接到”或“直接被联接到”另一元件或层时，可不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应该以相似方式被解释(例如，“之间”与“直接在之间”，“邻近”与“直接邻近”等)。如在此使用的，术语“和/或”包括一个或更多关联的所列项目中的任一或全部组合。
48.虽然术语第一、第二、第三等在此可被用于描述各个元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应该被这些术语限制。这些术语可仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一元件、区域、层或区段区分开。诸如“第一”、“第二”的术语和其它数值术语当在此使用时不意味着次序或顺序，除非上下文明确指出。因而，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可被称为第二元件、部件、区域、层或区段，而不背离示例实施例的教导。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
49.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。