功率模块结构和功率器件

本发明涉及功率半导体，具体涉及一种功率模块结构和功率器件。

背景技术：

1、近年来，碳化硅(sic)等新型电力电子器件已广泛应用于新能源发电系统、电动汽车以及电力传动领域。与传统的硅(si)器件相比，sic器件具有更低的导通电阻、更高的阻断电压和工作温度。同时，sic mosfet在关断过程中没有拖尾电流，可有效降低开关损耗并提高开关速度。这种性能优势为新能源变流器的运输、安装和维护成本降低提供了更为有利的条件。因此，sic mosfet有望成为下一代功率器件，替代si igbt。由于制造工艺和成本的限制，单个sic mosfet芯片的通流能力只有几十安培。在电气传动、新能源等大功率应用场合，通常需要使用多个芯片并联的模块。这种并联设计能够有效提高电流承载能力，并保持sic mosfet的高效率和高速开关特性，使其成为满足高功率应用需求的理想解决方案。

2、传统多芯片并联的功率模块对于全桥电路布局通常使用一层dbc基板(directbonding copper，陶瓷覆铜基板/直接覆铜连接基板)设置多个芯片来进行布局。然而，这种布局方式存在一些问题，如占用过多的平铺面积、尺寸较大、结构较松散和设计自由度低等问题。

技术实现思路

1、基于上述问题，本发明提供一种功率模块结构和功率器件，以解决现有技术的功率模块全桥电路布局占用过多的平铺面积、尺寸较大、结构较松散、设计自由度低的问题。

2、本发明提供一种功率模块结构，包括：多个底层dbc基板和多个顶层dbc基板，所述多个底层dbc基板和多个顶层dbc基板共同构成全桥电路布局模块；其中，多个底层dbc基板同层阵列排布；多个顶层dbc基板同层阵列排布；顶层dbc基板通过自身的底部导电铜层或导电接桥与底层dbc基板连接；底层dbc基板和顶层dbc基板一一对应上下叠层设置；底层dbc基板设置有多个并联的功率芯片，并联的功率芯片设置于单个芯片设置区，且紧密排布；顶层dbc基板不设置功率芯片；对于阵列排布的顶层dbc基板，至少一侧的顶层dbc基板设置有交流端子；相对的另一侧的顶层dbc基板设置有直流负极端子；直流负极端子同侧的底层dbc基板设置有直流正极端子。

3、可选的，底层dbc基板包括并排设置的至少两个上管底层dbc基板和与之相对的并排设置的至少两个下管底层dbc基板；直流正极端子与各下管底层dbc基板固定连接，且设置于远离上管底层dbc基板一侧。

4、可选的，单个所述芯片设置区中设置有8个并联的功率芯片。

5、可选的，底层dbc基板包括并排设置的至少两个上管顶层dbc基板和与之相对的并排设置的至少两个下管顶层dbc基板；直流负极端子与各下管顶层dbc基板固定连接，且设置于远离上管顶层dbc基板一侧；交流端子与各上管顶层dbc基板固定连接，且设置于远离下管顶层dbc基板一侧。

6、可选的，直流正极端子与各下管底层dbc基板焊接连接。直流负极端子与各下管顶层dbc基板焊接连接。交流端子与各上管顶层dbc基板焊接连接。

7、可选的，上管顶层dbc基板底部的导电铜层延伸至与之对应的下管底层dbc基板，与下管底层dbc基板电连接；同时，上管顶层dbc基板底部的导电铜层还与其下的上管底层dbc基板电连接。

8、可选的，功率模块结构还包括：中间接桥；上管顶层dbc基板通过中间接桥和与之相对应的下管底层dbc基板电连接；中间接桥为阶梯形，阶梯形的一端搭接于上管顶层dbc基板，另一端搭接于下管底层dbc基板。

9、可选的，功率模块结构还包括：上管接桥；上管顶层dbc基板与其下方的上管底层dbc基板中的功率芯片通过上管接桥电连接；上管接桥为波浪形，包括连续的波峰和波谷，每一波谷的底部与上管底层dbc基板中的一个功率芯片接触，上管接桥的两端与上管顶层dbc基板连接。

10、可选的，功率模块结构还包括：下管接桥；下管顶层dbc基板与其下方的下管底层dbc基板中的功率芯片通过下管接桥电连接；下管接桥为波浪形，包括连续的波峰和波谷，每一波谷的底部与下管底层dbc基板中的一个功率芯片接触，下管接桥的两端与下管顶层dbc基板连接。

11、本发明还提供一种功率器件，包括本发明提供的功率模块结构。

12、本发明的有益效果如下：

13、本发明提供的功率模块结构，通过将功率模块内的dbc基板设置为多个底层dbc基板和多个顶层dbc基板，共同构成全桥电路布局模块的形式，可以通过底层dbc基板和顶层dbc基板一一对应上下设置，每个底层dbc基板仅设置单个芯片设置区供并联的功率芯片设置的方式，使得一组底层dbc基板和其上的顶层dbc基板共同构成全桥电路中的一个开关s。而顶层dbc基板上不设置芯片，如此单个底层dbc基板的单个芯片设置区中可以集中设置比原先平铺模式中单个dbc基板中多个芯片设置区中一个芯片设置区更多的功率芯片，而通过多个底层dbc基板和多个顶层dbc基板配合以dbc基板叠层连接的形式，实现原本平铺模式的dbc基板的全桥电路布局模块需要大面积平铺设置dbc基板才能实现的大批量多个功率芯片设置区中多个功率芯片的并联连接。由于本实施例的功率模块中，是底层dbc基板和顶层dbc基板一一对应上下叠层设置的，因此在功率模块中，相比于平铺模式的dbc基板功率模块(例如图2的形式)，在单层面积相同的情况下，能导通的电流铜面积翻倍，因此在导通电流的铜面积需求不变的情况下，可缩减整个功率模块的体积，使得功率模块结构可以更加紧凑，有利于缩小功率模块体积。而且由于顶层dbc基板不设置功率芯片，可以设置芯片设置区但不设置芯片，以暴露下方的底层dbc基板中的功率芯片，或是不设置芯片设置区但大量增加铜层的面积，两种方式均有利于底层dbc基板中的功率芯片的散热。此外，每个dbc基板都有三层结构，顶层铜层、中层aln陶瓷和底层铜层，且顶层铜层和底层铜层没有电连接。由于dbc基板可以被切割成多个区域来实现不同的电路连接，因此各个底层dbc基板和各个顶层dbc基板均是可以实现多个电连接的。由此通过多个dbc基板拼接层叠的方式实现原本dbc基板平铺的效果，使得单个底层dbc基板和其上的顶层dbc基板作为一组，成为更小的功率单元，在单个小的功率单元出现故障问题时，可单独检测更换，可提高整体的功率模块的容错率。通过多个小的功率单元组合实现大的功率模块效果，提高了设计自由度，有利于实现复杂形式的模块布局。

技术特征：

1.一种功率模块结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的功率模块结构，其特征在于，

4.根据权利要求2所述的功率模块结构，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的功率模块结构，其特征在于，

6.根据权利要求4所述的功率模块结构，其特征在于，

7.根据权利要求4所述的功率模块结构，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求4所述的功率模块结构，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求4所述的功率模块结构，其特征在于，还包括：

10.一种功率器件，其特征在于，

技术总结
本发明涉及功率半导体技术领域。具体涉及一种功率模块结构和功率器件。本发明提供的功率模块结构包括：多个底层DBC基板和多个顶层DBC基板，共同构成全桥电路布局模块；多个底层DBC基板和多个顶层DBC基板分别同层阵列排布；顶层DBC基板通过自身的底部导电铜层或接桥与底层DBC基板连接；底层DBC基板和顶层DBC基板一一对应上下叠层设置；底层DBC基板设置有多个并联的功率芯片，并联的功率芯片设置于单个芯片设置区且紧密排布；对于阵列排布的顶层DBC基板，至少一侧的顶层DBC基板设置有交流端子；相对的另一侧的顶层DBC基板设置有直流负极端子；直流负极端子同侧的底层DBC基板设置有直流正极端子。

技术研发人员：回晓双,宁圃奇,孙微,范涛,王凯
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13