功率模块及电子设备

技术领域

本申请属于半导体封装技术领域，尤其涉及一种功率模块及电子设备。

背景技术

功率模块作为电力系统的重要零部件，极大影响着电能的利用效率。由于单个芯片传输电流能力有限，在光伏，柔性传输电等高压、大电流应用场合，需要多个芯片并联的功率模块，来满足功率等级和功率密度的要求。

多个芯片并联的模块容易产生电流分布不均的问题，分支路径的长短不一，导致寄生电感，电阻不同。电流不均导致部分芯片过载，和不对等损耗，进而造成模块的失效和使用寿命的下降。此外，传统的封装导致寄生电感过高，导致模块开关过程中电压过冲，振荡，降低模块的转换效率。尤其对于开关速度大的芯片，杂感过高的封装形式不能与之匹配。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种功率模块及电子设备，各半桥支路的电流路径相同，使得寄生电感、电阻一致，模块的电流均布；并且流经上下半桥的电流方向相反，通过互感降低了模块整体的寄生杂感。

第一方面，本申请提供了一种功率模块，包括：

交流端子；

连接于交流端子上侧的多个第一半桥功率芯片和多个第二半桥功率芯片，各第一半桥功率芯片与对应的第二半桥功率芯片之间经交流端子形成的电流路径的距离相等；

连接于各第一半桥功率芯片上侧的直流正端子，直流正端子提供连通于各第一半桥功率芯片的多条相同距离的电流路径；

连接于各第二半桥功率芯片上侧的直流负端子，直流负端子提供连通于各第二半桥功率芯片的多条相同距离的电流路径，直流正端子和直流负端子极性相反。

根据本申请的功率模块，对应的两个功率半导体芯片电连接成一条半桥支路，各半桥支路的电流路径相同，使得寄生电感、电阻一致，模块的电流均布；并且，电流从而上方流入，经半桥支路再从上方流出，电流方向包括从上向下部分和从下往上的部分，由于上下电流方向相反，产生的磁场相互抵消，使得模块整体的寄生杂感减小。

根据本申请的一个实施例，各第一半桥功率芯片的布置位置在朝向交流端子的方向上的投影呈第一圆环布置，各第二半桥功率芯片的布置位置在朝向交流端子的方向上的投影呈第二圆环布置，第一圆环和第二圆环同圆心。

根据本申请的一个实施例，各第一半桥功率芯片等间距排布，各第二半桥功率芯片等间距排布。

根据本申请的一个实施例，直流正端子和直流负端子同轴布置，直流正端子和直流负端子中的一个呈圆柱形，另一个呈圆环柱形。

根据本申请的一个实施例，交流端子呈圆柱形。

根据本申请的一个实施例，交流端子、直流正端子和直流负端子均由导电材料制成。

根据本申请的一个实施例，交流端子的下表面、直流正端子的上表面和直流负端子的上表面均形成有连接部，连接部用于与外部电路电连接。

根据本申请的一个实施例，交流端子、直流正端子和直流负端子的表面形成有防氧化层。

根据本申请的一个实施例，功率半导体芯片通过压接、焊接、烧结或者键合线与端子连接。

根据本申请的一个实施例，功率半导体芯片通过弹性连接器与端子压接。

根据本申请的一个实施例，交流端子、直流正端子和直流负端子内部形成有连通外部的镂空通道。

第二方面，本申请提供了一种电子设备，包括根据前述的功率模块。

根据本申请的电子设备，通过采用电流均布、杂感更低的功率模块，可以实现更高的功率等级和功率密度，提高对电能的利用效率。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例提供的功率模块的结构示意图之一；

图2是本申请实施例提供的功率模块的结构示意图之二；

图3是本申请实施例提供的功率模块的电路拓扑图；

图4是本申请实施例提供的功率模块的剖面图；

图5是本申请实施例提供的功率模块上的功率半导体芯片的布局示意图。

附图标记：

交流端子10，第一连接端子11，第二连接端子12，第一半桥功率芯片20，第一圆环21，第二半桥功率芯片30，第二圆环31，直流正端子40，第三连接端子41，直流负端子50，四连接端子51，连接部60，镂空通道70。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“耦接到”或“连接到”另一元件或称元件/电路“耦接在”或“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在描述中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数字描述符在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

另外，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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申请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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在相关技术中，多个芯片并联的模块大多通过芯片位置布局设计，调整各支路的电流路径，使电流尽量均布，降低损耗。在桥式功率模块中，由于包含上下半桥芯片，通过设计出的芯片布局占用面积较大，不利于小型化。并且，由于电流会产生磁场，功率模块内的杂感较高。

本申请提出一种功率模块，通过设计芯片的三维布局位置，使各电流支路的电流路径相同，实现电流均布；并且电流路径中的电流往复流动，降低模块整体的杂感。

本申请的实施例提供了一种功率模块，以下参照图1-图5，对功率模块进行说明。

参照图1和图2，功率模块包括：交流端子10；连接于交流端子10上侧的多个第一半桥功率芯片20和多个第二半桥功率芯片30，各第一半桥功率芯片20与对应的第二半桥功率芯片30之间经交流端子10形成的电流路径的距离相等；连接于各第一半桥功率芯片20上侧的直流正端子40，直流正端子40提供连通于各第一半桥功率芯片10的多条相同距离的电流路径；连接于各第二半桥功率芯片30上侧的直流负端子50，直流负端子50提供连通于各第二半桥功率芯片30的多条相同距离的电流路径，直流正端子40和直流负端子50极性相反。

第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片30可以为SiC(碳化硅)芯片，GaN(氮化镓)芯片、IGBT(Insulate-Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)芯片或者快速恢复二极管等元件。

作为一种示例，功率模块对应的电路拓扑图如图3所示。

第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片30的数量相同。交流端子10具有导电能力，以将一个第一半桥功率芯片20和一个第二半桥功率芯片30串联连接，形成一条半桥支路。功率模块可以包括多条半桥支路(如2条、4条或者8条)，且各半桥支路并联。

交流端子10的上表面可以形成有多个第一连接端子11和多个第二连接端子12，一个第一连接端子11和一个第二连接端子12之间形成导电连接。其中，第一连接端子11提供连接点，以实现与第一半桥功率芯片20连接；第二连接端子12提供连接点，以实现与第二半桥功率芯片30连接。第一半桥功率芯片20连接于第一连接端子11，且第二半桥功率芯片30连接于第二连接端子12后，相应的第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片30之间形成导电连接。

直流正端子40的下表面可以形成有多个第三连接端子41，第三连接端子41提供连接点，以实现与第一半桥功率芯片20连接。直流正端子40用于接入或者输出电流，电流接入位置或电流输出位置与各第三连接端子41之间的距离相同，使得接入电流流向各第一半桥功率芯片20的距离或者输出电流从各第一半桥功率芯片20流出的距离相同。

直流负端子50的下表面可以形成有多个第四连接端子51，第四连接端子51提供连接点，以实现与第二半桥功率芯片30连接。直流负端子50用于接入或者输出电流，电流接入位置或电流输出位置与各第四连接端子51之间的距离相同，使得接入电流流向各第二半桥功率芯片30的距离或者输出电流从各第二半桥功率芯片30流出的距离相同。

在本实施方式中，由于各第一半桥功率芯片20与对应的第二半桥功率芯片30之间经交流端子10形成的电流路径的距离相等，直流正端子40提供连通于各第一半桥功率芯片10的多条相同距离的电流路径，直流负端子50提供连通于各第二半桥功率芯片30的多条相同距离的电流路径，使得功率模块中的各半桥支路的电流路径的距离相等，各半桥支路的寄生感、电阻一致，保证各半桥支路接入的电流相等，实现电流均匀分布。

电流从直流正端子40流入，依次经第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片30，从直流负端子50流出。此时，第一半桥功率芯片20作为上半桥芯片、第二半桥功率芯片30作为下半桥芯片。

可以理解的是，功率模块中的直流回路的电流输入侧和电流输出侧均在上侧。因此，直流回路中的电流流向包括从上向下和从下往上两个部分，由楞次定律得知，上下电流方向相反，产生的磁场相互抵消，使得模块整体的寄生杂感减小。

根据本申请的电子设备，对应的两个功率半导体芯片电连接成一条半桥支路，各半桥支路的电流路径相同，使得寄生电感、电阻一致，模块的电流均布；并且，电流从而上方流入，经半桥支路再从上方流出，电流方向包括从上向下部分和从下往上的部分，由于上下电流方向相反，产生的磁场相互抵消，使得模块整体的寄生杂感减小。

参照图4，在一些实施例中，各第一半桥功率芯片20的布置位置在朝向交流端子10的方向上的投影呈第一圆环21布置，各第二半桥功率芯片30的布置位置在朝向交流端子10的方向上的投影呈第二圆环31布置，第一圆环21和第二圆环31同圆心。

第一圆环21可以为内环，第二圆环31为外环，即各第二半桥功率芯片30环绕各第一半桥功率芯片20布置。或者，第一圆环21可以为外环，第二圆环31为内环，即各第一半桥功率芯片20环绕各第二半桥功率芯片30布置。

在本实施方式中，各第一半桥功率芯片20和各第二半桥功率芯片30均呈圆柱形布置。利用圆柱形的对称性，两个同心圆之间的距离在各角度位置上均相等，由于便于控制第一半桥功率芯片20和对应的第二半桥功率芯片30之间的电流路径。

作为一种示例，在第一圆环21和第二圆环31上，串联连接的第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片30沿径向对齐布置。采用对齐布置，便于控制串联连接的第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片30之间的电流路径的距离，保证电流均布。

在另一示例中，在第一圆环21和第二圆环31上，串联连接的第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片30沿径向错位布置。在该示例中，在每条半桥支路中，第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片30之间的距离应当保持相等，以保证串联连接的第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片30之间的电流路径的距离相同。例如，第一圆环21上的芯片位置相对于第二圆环31上的芯片位置旋转设定角度，该角度可以自由设定，如10°或者20°等。

另外，由于圆柱形的对称性，从圆心到圆上各点的距离相同，也便于设计直流端子，使直流端子形成与功率半导体芯片之间的多条相同距离的电流路径。例如，直流端子上的电流接入位置或输出位置位于圆心，则各功率半导体芯片与圆心之间的距离相同，使得形成的电流路径的距离相等。

在一些实施例中，各第一半桥功率芯片20等间距排布，各第二半桥功率芯片30等间距排布。

在第一圆环21或第二圆环31上，每两个相邻的功率半导体芯片之间的距离相等。通过使各功率半导体芯片均匀分布，更便于在制造过程中控制各功率半导体芯片所对应的电流路径的距离。并且，由于电流路径沿上下布置，在水平面上均匀分布的各功率半导体芯片所形成的电流路径之间的磁场还可以在一定程度上相互抵消。

在一些实施例中，直流正端子40和直流负端子50位于同一平面。

可以理解的是，由于直流正端子40和直流负端子50在同一平面内，功率模块内电流路径中，电流接入位置和电流输出位置的高度相同。由此，从上往下部分的长度和从下往上部分的长度相等，使得从上往下部分所产生的磁场和从下往上部分所产生的磁场基本抵消，大大降低了杂感。

在一些实施例中，直流正端子40和直流负端子50同轴布置，直流正端子40和直流负端子50中的一个呈圆柱形，另一个呈圆环柱形。

作为一种示例，直流正端子40呈圆柱形，直流负端子50呈圆环柱形。直流负端子50环绕直流正端子40布置，直流正端子40的上表面和直流负端子50上表面平齐，直流正端子40的下表面和直流负端子50下表面平齐，保证功率模块中电流接入位置和电流输出位置的高度相同。

在另一种示例中，直流负端子50呈圆柱形，直流正端子40呈圆环柱形。

直流正端子40和第一半桥功率芯片20沿竖直方向连接，两者之间的电流路径沿竖直方向延伸；且直流负端子50和第二半桥功率芯片50沿竖直方向连接，两者之间的电流路径沿竖直方向延伸。由此，从上往下部分的电流路径和从下往上部分的电流路径相互平行，进一步保证了两部分所产生的磁场能够相互抵消，降低杂感。

在一些实施例中，交流端子10呈圆柱形。

交流端子10的上表面可以与直流正端子40和直流负端子50的下表面平行，交流端子10的半径可以与直流负端子50的外半径相等。由此，功率模块的上下两端尺寸相同，便于与外部器件连接。

第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片50可以沿竖直方向连接于交流端子10的上表面，保证第一半桥功率芯片20和第二半桥功率芯片50的电流沿竖直方向流入或流出交流端子10，从而降低杂感。

在另一些实施例中，交流端子10、直流正端子40和直流负端子50也可以为矩形或者多边形等。

在一些实施例中，交流端子10、直流正端子40和直流负端子50均由导电材料制成。

交流端子10、直流正端子40和直流负端子50均与外部电路连接，由于其整体均采用导电材料，使得端子各位置均能够接入电流或输出电流，从而保证连接于端子各位置的功率半导体芯片与端子之间所形成的电流路径的路径相等。

例如，交流端子10、直流正端子40和直流负端子50可以采用铜或者铝等金属材料加工而成。

在一些实施例中，交流端子10的下表面、直流正端子40的上表面和直流负端子50的上表面均形成有连接部60，连接部60用于与外部电路电连接。其中，外部电路可以包括电缆，端子可以与同轴电缆进行连接。

作为一种示例，连接部60可以为从端子主体延伸出的折边或者凸起等结构。在功率模块与外部电路连接时，连接部60可以提供更多的配合姿态，从而提高各端子与外部结构连接的可靠性。例如，连接部60可以用于形成卡扣连接等。

在一些实施例中，交流端子10、直流正端子40和直流负端子50的表面形成有防氧化层。

防氧化层可以放在金属端子氧化，从而提高功率模块的可靠性。防氧化层可以通过在端子表面电镀金属镍等方式形成。

在一些实施例中，功率半导体芯片通过压接、焊接、烧结或者键合线与端子连接。

第一半桥功率芯片20的上侧通过压接、焊接、烧结或者键合线与直流正端子40连接，第二半桥功率芯片30的上侧通过压接、焊接、烧结或者键合线与直流负端子50连接，第一半桥功率芯片20的下侧和第二半桥功率芯片30的下侧通过压接、焊接、烧结或者键合线与交流端子10连接。

压接又分为硬压接和软压接。硬压接是端子和功率半导体芯片之间增加金属片，并通过外力使得功率半导体芯片、金属片和端子紧密接触，形成电流通路。软压接是在端子和功率半导体芯片之间增加连接器，并通过外部施加压力，使得连接器和功率半导体芯片接触良好。其中，连接器具有导电能力，还具有一定的弹性；例如弹簧。

在一些实施例中，功率半导体芯片通过弹性连接器与端子压接。

在本实施方式中，功率半导体芯片通过软压降与端子连接。功率半导体芯片的一侧通过弹性连接器与端子连接，功率半导体芯片的另一侧通过金属片与端子连接。

作为一种示例，第一半桥功率芯片20的上侧通过弹性连接器与直流正端子40连接，第一半桥功率芯片20的下侧通过金属片与交流端子10连接。第二半桥功率芯片30的上侧通过金属片与直流负端子50连接，第二半桥功率芯片30的下侧通过弹性连接器与交流端子10连接。

参照图5，在一些实施例中，交流端子10、直流正端子40和直流负端子50内部形成有连通外部的镂空通道70。

可以理解的是，功率模块运行时，交流端子10、直流正端子40和直流负端子50会产生热量。由于，镂空通道70与外部连通，热量可以经由镂空通道70传递至外部，起到散热作用。

作为一种示例，在交流端子10和直流正端子40呈圆柱形，直流负端子50呈圆环形的情况下，镂空通道70的布置轨迹也可以呈圆形，以充分地与端子10进行换热。其中，镂空通道70的横截面可以呈圆形、矩形或者菱形等。

在一些实施例中，镂空通道70可以循环制冷液，通过制冷液与端子进行换热，从而进一步提高散热效果。其中，制冷液可以为去离子水等。

本申请的一个实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括根据前述的功率模块。功率模块的具体结构可以参照前述实施例，本实施方式在此不再赘述。

作为一种示例，电子设备可以为逆变器等。

根据本申请的电子设备，通过采用电流均布、杂感更低的功率模块，可以实现更高的功率等级和功率密度，提高对电能的利用效率。当然，电子设备还可以采用上述各实施例中的技术方案，其也具有相应的技术效果。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。

在本申请的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。