一种对称布局的全桥型功率模块的制作方法

1.本发明属于功率半导体器件技术领域。更具体地，涉及一种对称布局的全桥型功率模块。


背景技术：

2.随着现代交通运输、航空航天等领域的快速发展，电力电子功率模块得到了广泛的应用。对电力电子功率模块的性能也提出了更高的要求。
3.现有的大部分功率模块采用引线键合工艺，通过键合线实现功率芯片顶部电极的连接。芯片本身的几何尺寸以及功率模块内部键合线连接的限制，会使得模块内部寄生电感参数较大，这使得开关管芯片在以高速关断时会承受较大的尖峰电压，在开关暂态产生较大的振荡。在更快的开关速度和开关频率下，这些效应会更加明显，这限制了功率模块开关速度的提升和高频化应用。
4.因此对于功率模块来说，需要降低其内部的寄生电感值，从而降低关断过压以及开关振荡，提高开关速度，降低开关损耗，进而提高电源系统的工作频率，减小整个电源系统的体积。


技术实现要素：

5.本发明提供一种对称布局的全桥型功率模块，用以解决现有全桥型功率模块因其结构布局而存在较大寄生电感值进而导致关断电压过高和开关振荡较为严重的技术问题。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种对称布局的全桥型功率模块，包括绝缘基板、功率芯片和端子，两个半桥支路之间空间对称，同一半桥支路中两个换流回路之间空间对称；
7.其中，所述绝缘基板的上表面金属层包括：正极金属层，负极金属层，第一交流电极金属层，第二交流电极金属层，以及用于驱动信号连接的各铜层；第一交流电极金属层、负极金属层和第二交流电极金属层均设置于正极金属层的一侧且纵向上依次排列；负极金属层和正极金属层的中轴线重合，且第一交流电极金属层和第二交流电极金属层关于所述中轴线对称；
8.两个半桥支路上桥臂功率芯片分设于所述正极金属层的中轴线的两侧，每一侧功率芯片内的开关管芯片和二极管芯片纵向排列，开关管芯片位于外侧，二极管芯片位于内侧；两个半桥支路下桥臂功率芯片分设于所述第一交流电极金属层和所述第二交流电极金属层，每侧功率芯片内的开关管芯片和二极管芯片横向排列，开关管芯片位于外侧，二极管芯片位于内侧。
9.本发明的有益效果是：对于全桥型模块来说，通过在空间上对各部件进行对称设置，实现了两个半桥支路之间的对称性，且同一半桥支路的两个换流回路的长度(或面积)一致，实现了两个换流回路之间的对称性，使得各功率芯片的工作状况和使用寿命保持一致；同时通过该布局实现同一半桥支路内上下桥臂功率器件的紧凑排列，能够有效减小换
流回路长度，降低换流回路的寄生电感值，从而降低关断电压尖峰和开关振荡。
10.上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
11.进一步，所述绝缘基板上表面在其四个角落上还设有用于各芯片驱动连接的驱动金属层和驱动端子。
12.进一步，各所述开关管芯片为碳化硅mosfet芯片。
13.本发明的进一步有益效果是：采用碳化硅mosfet芯片，能够实现更高的开关速度和工作温度。
14.进一步，各所述二极管芯片为碳化硅sbd芯片。
15.本发明的进一步有益效果是：二极管芯片优选为碳化硅sbd(schottky barrier diode，肖特基二极管)芯片，可以实现更低的开关损耗、更高的耐压和工作温度。
16.进一步，所述绝缘基板的上表面金属层和下表面金属层的材料为高导无氧铜，在该铜层表面进行镀镍处理性。
17.本发明的进一步有益效果是：在绝缘基板铜层表面进行镀镍处理，可以增强表面的抗氧化性，提高引线键合连接的可靠性。
18.进一步，所述正极金属层中部连接有主功率正电极端子，所述负极金属层中部连接有主功率负电极端子；
19.所述第一交流电极金属层的外侧连接有主功率第一交流电极端子，第二交流电极金属层的外侧连接有主功率第二交流电极端子；
20.所述主功率第一交流电极端子与所述主功率第二交流电极端子关于正极金属层或负极金属层的轴线对称。
21.本发明的进一步有益效果是：本发明提供的全桥型功率模块，通过金属层、端子和芯片设置位置的对称布局，实现了两个半桥支路之间的完全对称；同一半桥支路中，端子、铜层和开关管芯片与二极管芯片的放置位置，实现了同一半桥支路的两个换流回路的面积一致，从而实现了同一半桥支路中两个换流回路的对称性；两个半桥支路的完全对称，和同一半桥支路的两个换流回路的对称，使得各功率芯片的工作状况(包括工作电压和电流、工作温度等)和使用寿命保持一致。其中，通过各金属层和功率芯片的紧凑布局设置，实现了较小的换流回路面积，减小了功率模块内部换流回路寄生电感值。
22.本发明还提供一种对称布局的全桥型整流模块，采用如上所述的一种对称布局的全桥型功率模块的内部布局结构，并在该内部布局结构的基础上去掉开关管芯片、保留二极管芯片得到。
附图说明
23.图1是本发明实施例提供的对称布局的全桥型功率模块的绝缘基板示意图；
24.图2是本发明实施例提供的全桥型模块的内部结构示意图；
25.图3是本发明实施例提供的全桥型模块的内部平面示意图；
26.图4是本发明实施例提供的全桥型模块的外部示意图；
27.图5是本发明实施例提供的全桥型模块的电路拓扑示意图；
28.图6是本发明另一个实施例提供的应用本全桥型模块布局的全桥整流模块的内部结构示意图；
29.图7是本发明另一个实施例提供的应用本全桥型模块布局的全桥整流模块的电路拓扑示意图；
30.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
31.1-正极铜层、2-负极铜层、3-第一交流电极铜层、4-第二交流电极铜层、5-第一半桥支路上桥臂驱动信号铜层、6-第一半桥支路上桥臂驱动信号回线铜层、7-第一半桥支路下桥臂驱动信号铜层、8-第一半桥支路下桥臂驱动信号回线铜层、9-第二半桥支路上桥臂驱动信号铜层、10-第二半桥支路上桥臂驱动信号回线铜层，11-第二半桥支路下桥臂驱动信号铜层、12-第二半桥支路下桥臂驱动信号回线铜层、13-热敏电阻铜层、14-主功率正电极端子、15-主功率负电极端子、16-主功率第一交流电极端子、17-主功率第二交流电极端子、18-第一半桥支路上桥臂驱动信号端子、19-第一半桥支路上桥臂驱动信号回线端子、20-第一半桥支路下桥臂驱动信号端子、21-第一半桥支路下桥臂驱动信号回线端子、22-第二半桥支路上桥臂驱动信号端子、23-第二半桥支路上桥臂驱动信号回线端子，24-第二半桥支路下桥臂驱动信号端子、25-第二半桥支路下桥臂驱动信号回线端子、26-热敏电阻端子、27-驱动电阻、28-热敏电阻、29-第一半桥支路上桥臂开关管芯片、30-第一半桥支路上桥臂二极管芯片、31-第一半桥支路下桥臂开关管芯片、32-第一半桥支路下桥臂二极管芯片、33-第二半桥支路上桥臂开关管芯片、34-第二半桥支路上桥臂二极管芯片、35-第二半桥支路下桥臂开关管芯片、36-第二半桥支路下桥臂二极管芯片、37-键合线(其中，37a～37g表示不同位置的键合线)、38-外壳。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
33.实施例一
34.一种对称布局的全桥型功率模块，全桥型功率模块包括绝缘基板、功率芯片(包括开关管芯片和二极管芯片)、端子等部分；其中绝缘基板分为上表面金属层、中间绝缘层和下表面金属层，上表面金属层包括：正极金属层、负极金属层、第一交流电极金属层、第二交流电极金属层和用于驱动信号连接的各个铜层；第一交流电极金属层、负极金属层和第二交流电极金属层依次横向排列，三者均与正极金属层相邻；正极金属层和负极金属层分别各自关于其中轴线对称，第一交流电极金属层和第二交流电极金属层关于正极金属层和负极金属层的中轴线对称。
35.四组功率芯片构成了全桥电路拓扑的四个桥臂，分别为第一半桥支路上桥臂、第一半桥支路下桥臂、第二半桥支路上桥臂和第二半桥支路下桥臂；第一半桥支路上桥臂功率芯片(包括开关管芯片和二极管芯片)纵向设置于正极金属层的一侧，开关管芯片位于外侧，二极管芯片位于内侧，其顶部电极均通过键合线与第一交流电极金属层相连；第二半桥支路上桥臂功率芯片纵向设置于正极金属层的另一侧，开关管芯片位于外侧，二极管芯片位于内侧，其顶部电极均通过键合线与第二交流电极金属层相连；第一半桥支路下桥臂功率芯片横向设置于第一交流电极金属层，开关管芯片位于外侧，二极管芯片位于内侧，其顶
部电极均通过键合线与负极金属层相连；第二半桥支路下桥臂功率芯片横向设置于第二交流电极金属层，开关管芯片位于外侧，二极管芯片位于内侧，其顶部电极均通过键合线与负极金属层相连。
36.需要说明的是，上述的“外侧”和“内测”均是相对于整个绝缘基板来说的，靠近绝缘基板中心的就是内测，靠近绝缘基板边缘的就是外侧，下文描述的“外侧”和“内测”同理。另外，正极金属层中间处连接有主功率正电极端子，负极金属层中间处连接有主功率负电极端子。
37.对于全桥型模块来说，通过在空间上对各部件进行对称设置，实现了两个半桥支路之间的对称性，且同一半桥支路的两个换流回路的长度(或面积)一致，实现了两个换流回路之间的对称性，使得各功率芯片的工作状况和使用寿命保持一致；同时通过该布局实现同一半桥支路内上下桥臂功率器件的紧凑排列，能够有效减小换流回路长度，降低换流回路的寄生电感值，从而降低关断电压尖峰和开关振荡。
38.其中，通过对称布局使得各功率芯片的工作状况一致(电压、电流值一致，进而使得各功率芯片上的损耗一致)和使用寿命保持一致(只有保证各功率芯片上的工作状况一致，才能保证其使用寿命一致，从而最大限度地发挥功率芯片的使用寿命)。而换流回路寄生电感值的降低，是通过布局的紧凑型实现的(不是通过布局的对称性实现的)。换流回路长度(或面积)越小，寄生电感值就越小。
39.优选的，第一交流电极金属层的外侧连接有主功率第一交流电极端子，第二交流电极金属层的外侧连接有主功率第二交流电极端子；主功率第一交流电极端子与主功率第二交流电极端子关于正极金属层或负极金属层的轴线对称。
40.通过金属层、端子和芯片设置位置的对称布局，实现了两个半桥支路之间的完全对称。
41.需要说明的是，主功率正电极端子、第一半桥支路上桥臂开关管芯片、第一半桥支路下桥臂二极管芯片、主功率负电极端子以及相应的键合线、铜层等连接部分，构成了第一半桥支路的一个换流回路；主功率正电极端子、第一半桥支路上桥臂二极管芯片、第一半桥支路下桥臂开关管芯片、主功率负电极端子以及相应的键合线、铜层等连接部分，构成了第一半桥支路的另一个换流回路。主功率正电极端子、第二半桥支路上桥臂开关管芯片、第二半桥支路下桥臂二极管芯片、主功率负电极端子以及相应的键合线、铜层等连接部分，构成了第二半桥支路的一个换流回路；主功率正电极端子、第二半桥支路上桥臂二极管芯片、第二半桥支路下桥臂开关管芯片、主功率负电极端子以及相应的键合线、铜层等连接部分，构成了第二半桥支路的另一个换流回路。因此，本技术中，端子、铜层和开关管芯片与二极管芯片的放置位置，实现了同一半桥支路的两个换流回路的面积一致，从而实现了同一半桥支路中两个换流回路的对称性。
42.通过两个半桥支路的完全对称，和同一半桥支路的两个换流回路的对称，使得各功率芯片的工作状况(包括工作电压和电流、工作温度等)和使用寿命保持一致。通过各金属层和功率芯片的布局设置，实现了较小的换流回路面积，减小了功率模块内部换流回路寄生电感值。
43.优选的，绝缘基板上表面的四个角落上还有用于驱动连接的驱动金属层，分别为第一半桥支路上桥臂驱动信号金属层、第一半桥支路上桥臂驱动信号回线金属层，第一半
桥支路下桥臂驱动信号金属层、第一半桥支路下桥臂驱动信号回线金属层，第二半桥支路上桥臂驱动信号金属层、第二半桥支路上桥臂驱动信号回线金属层，第二半桥支路下桥臂驱动信号金属层、第二半桥支路下桥臂驱动信号回线金属层；各驱动金属层与开关管的顶部电极之间通过键合线连接，且驱动金属层上连接有各驱动信号端子；通过该驱动金属层实现了驱动电路的开尔文连接，降低驱动电路与主功率电路之间的耦合，提高了驱动的稳定性。
44.优选的，开关管芯片可以采用硅mosfet芯片、igbt芯片、碳化硅mosfet芯片或氮化镓mosfet芯片等；选用碳化硅mosfet芯片，实现更高的开关速度和工作温度。
45.优选的，二极管芯片优选为碳化硅sbd(schottky barrier diode，肖特基二极管)芯片，可以实现更低的开关损耗、更高的耐压和工作温度。
46.优选的，绝缘基板的上表面金属层和下表面金属层的材料优选为高导无氧铜，进一步优选地，在绝缘基板铜层表面进行镀镍处理，可以增强表面的抗氧化性，提高引线键合连接的可靠性；优选地，上述绝缘基板中间层采用氮化铝陶瓷，其热导率更高，利于散热。
47.上述实施例提供了一种对称布局的全桥型功率模块，其目的在于实现两个半桥支路之间的对称性以及同一半桥支路的两个换流回路之间的对称性，从而使得各功率芯片的工作状况和使用寿命保持一致；同时通过紧凑的布局，实现了较小的换流回路寄生电感值，从而降低关断电压尖峰和开关振荡。为了更加清晰的说明本发明，现给出如下示例。
48.图1至图5所示，为本发明实施例提供的对称布局的全桥型功率模块的结构；作为本发明的一个示例，各个桥臂的开关管芯片与二极管芯片并联数目均为1；绝缘基板采用直接覆铜陶瓷板(dbc)，对应的各金属层为铜层，中间层采用氮化铝陶瓷；采用针式端子。
49.如图1所示的对称布局的全桥型功率模块的绝缘基板示意图；其上表面铜层分为正极铜层1、负极铜层2、第一交流电极铜层3、第二交流电极铜层4、第一半桥支路上桥臂驱动信号铜层5、第一半桥支路上桥臂驱动信号回线铜层6、第一半桥支路下桥臂驱动信号铜层7、第一半桥支路下桥臂驱动信号回线铜层8、第二半桥支路上桥臂驱动信号铜层9、第二半桥支路上桥臂驱动信号回线铜层10，第二半桥支路下桥臂驱动信号铜层11、第二半桥支路下桥臂驱动信号回线铜层12、热敏电阻铜层13；第一交流电极铜层3、负极铜层2和第二交流电极铜层4依次横向排列，三者均与正极铜层1相邻；正极铜层1和负极铜层2分别关于各自的中轴线对称，第一交流电极铜层3和第二交流电极铜层4关于正极铜层1或负极铜层2的中轴线对称。
50.如图2所示的全桥型模块的内部结构示意图以及对应的图3所示的全桥模块的内部平面示意图。四组功率芯片构成了全桥电路拓扑的四个桥臂；第一半桥支路上桥臂开关管芯片29和二极管芯片30，纵向设置于正极铜层1的一侧，开关管芯片29位于外侧，二极管芯片30位于内侧，其顶部电极分别通过键合线37a、37b与第一交流电极铜层3相连；第二半桥支路上桥臂开关管芯片33和二极管芯片34，纵向设置于正极铜层的另一侧，开关管芯片33位于外侧，二极管芯片34位于内侧，其顶部电极分别通过键合线37e、37f与第二交流电极铜层4相连；第一半桥支路下桥臂开关管芯片31和二极管芯片32，横向设置于第一交流电极铜层3，开关管芯片31位于外侧，二极管芯片32位于内侧，其顶部电极分别通过键合线37c、37d与负极铜层2相连；第二半桥支路下桥臂开关管芯片35和二极管芯片36，横向设置于第二交流电极金铜层4，开关管芯片35位于外侧，二极管芯片36位于内侧，其顶部电极分别通
过键合线37g、37h与负极铜层2相连。
51.正极铜层1中间处连接有主功率正电极端子14，负极铜层2中间处连接有主功率负电极端子15，第一交流电极铜层的外侧连接有主功率第一交流电极端子16，第二交流电极铜层的外侧连接有主功率第二交流电极端子17；主功率第一交流电极端子16与主功率第二交流电极端子17关于正极铜层1或负极铜层2的轴线对称；另外，各驱动铜层5-12上均连接有相应的驱动端子18-25和驱动电阻28，用于开关管芯片29、31、33、35的驱动；热敏电阻铜层13上连接有热敏电阻29和热敏电阻端子26。
52.通过铜层1-12、端子14-25和功率芯片29-36设置位置的对称布局，实现了两个半桥支路的完全对称；
53.通过铜层1-4、端子14和15、开关管芯片29、31、33、35和二极管芯片30、32、34、36的放置位置，实现了同一半桥支路的两个换流回路的面积一致，实现了同一半桥支路的两个换流回路的对称性；
54.两个半桥支路的完全对称以及同一半桥支路的两个换流回路的对称，使得各开关管芯片29、31、33、35的工作状况(包括工作电压和电流、工作温度等)和使用寿命保持一致，也使得各二极管芯片30、32、34、36的工作状况(包括工作电压和电流、工作温度等)和使用寿命保持一致；
55.同时，通过各铜层1-4、端子14和15和功率芯片29-36的布局设置，实现了较小的换流回路面积，减小了功率模块内部换流回路寄生电感值；
56.各开关管芯片29、31、33、35的源极(或发射极)均采用kelvin连接方式，降低共源电感，起到有效降低驱动回路与功率回路之间的耦合的作用，进而提高驱动信号的稳定性。
57.如图4所示的全桥模块的外部示意图。各端子14-26从外壳38中伸出，用于外部电路连接。
58.如图5所示的全桥模块的电路拓扑示意图。全桥电路结构与图1-图4相对应，由主功率正电极端子14、主功率负电极端子15、主功率第一交流电极端子16、主功率第二交流电极端子17、驱动端子18-25、热敏电阻端子26、功率芯片29-36、驱动电阻27、热敏电阻28，以及它们之间的电气连接构成。
59.实施例二
60.上述实施例一的功率模块在将开关管芯片去掉，仅保留二极管芯片后，也可以实现全桥整流电路拓扑；同样可以实现四个桥臂上的二极管芯片的工作状况和使用寿命保持一致。
61.如图6和图7所示的应用该全桥型模块布局的全桥整流模块。同样地，作为本发明的另一个示例，各个桥臂的二极管芯片并联数目均为1；绝缘基板采用直接覆铜陶瓷板(dbc)，对应的各金属层为铜层，中间层采用氮化铝陶瓷；采用针式端子。
62.图6是对称布局的全桥整流模块的内部结构示意图。绝缘基板的上表面铜层的排列方式与上一个示例相同；端子仅包含主功率端子14-17和热敏电阻端子26；功率芯片仅包含二极管芯片30、32、34、36。
63.图7是的对称布局的全桥整流模块的电路拓扑示意图。全桥整流电路结构与图6相对应，由主功率正电极端子14，主功率负电极端子15，主功率第一交流电极端子16、主功率第二交流电极端子17，热敏电阻端子，二极管芯片30、32、34、36，热敏电阻28，以及它们之间
的电气连接构成。
64.同样地，通过铜层1-4，端子14-17和功率芯片30、32、34、36设置位置的对称布局，实现了两个半桥支路的完全对称，使得各二极管芯片30、32、34、36的工作状况(包括工作电压和电流、工作温度等)和使用寿命保持一致。
65.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。