一种绝缘基板及功率模块

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种绝缘基板及功率模块。

背景技术

功率芯片是逆变器的“心脏”，而功率模块是功率芯片的“骨骼”，是保护、实现逆变功能的核心所在。在乘用汽车领域，近年来，部分高性能车型率先搭载应用800V电驱系统，进而推动新能源汽车行业规模应用。在800V电驱系统下，功率芯片最大耐压为1200V，在功率芯片的使用中，通常需要满足以下母线电压与最大耐压的关系，才能避免功率芯片被击穿，即，母线电压(800V)+过冲电压(L*di/dt，L为杂散电感)＜功率芯片最大耐压(1200V)。然而目前功率模块往往杂散电感较高，使得功率芯片存在较大的击穿风险。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决如何降低功率模块的杂散电感的技术问题。

本发明提供一种绝缘基板，包括金属层、绝缘层和连接层，所述绝缘层设置于所述金属层与所述连接层之间，所述连接层用于连接功率模块的散热底板，所述金属层设有上桥臂和下桥臂，所述上桥臂与所述下桥臂用于安装功率芯片，所述上桥臂与所述下桥臂通过的电流方向相反。

本发明中的绝缘基板包括三层结构，其中金属层构成表面的电路布局层，在绝缘基板应用于功率模块时用于承载功率模块电流的输入与输出，中间层为绝缘层，起绝缘隔离保护的作用，另一表面的连接层用于与功率模块的散热底板烧结互联，金属层设有上桥臂和下桥臂，上桥臂与下桥臂均用于安装功率芯片，以此作为功率芯片的载体，在应用于功率模块时，电流由上桥臂流入下桥臂，从而实现电流的输入与输出，上桥臂和下桥臂在导通电流时，上桥臂与下桥臂中电流方向相反，由此，两组反向电流路径的设置，能够增大功率模块中直流端之间的互感，从而能够减小应用于功率模块时的杂散电感，以此减小了过冲电压，能够更好地防止芯片被击穿。

进一步地，所述上桥臂包括并排设置的第一臂和第二臂，所述下桥臂包括并排设置的第三臂和第四臂，所述第三臂和所述第四臂位于所述第一臂与所述第二臂之间，所述第一臂、所述第二臂、所述第三臂和所述第四臂均用于安装所述功率芯片。

进一步地，所述上桥臂还包括第一连接部，所述下桥臂还包括第二连接部，所述第一臂与所述第二臂通过所述第一连接部连接，所述第三臂和所述第四臂通过所述第二连接部连接。

进一步地，所述第一臂与所述第二臂相对于标定基准线呈轴对称设置，且所述第三臂与所述第四臂相对于所述标定基准线呈轴对称设置。

进一步地，所述第一臂与所述第三臂相邻间隔设置，所述第二臂与所述第四臂相邻间隔设置，所述金属层处位于所述第一臂与所述第三臂之间的部分以及位于所述第二臂与所述第四臂之间的部分均设有上桥臂栅极接触区域和上桥臂源极接触区域，所述金属层处位于所述第三臂与所述第四臂之间的部分设有下桥臂栅极接触区域和下桥臂源极接触区域，所述上桥臂栅极接触区域和所述下桥臂栅极接触区域用于安装栅极电阻，所述上桥臂源极接触区域和所述下桥臂源极接触区域用于连接所述功率芯片。

进一步地，所述金属层位于所述上桥臂与所述下桥臂之间的部分还设有功率端子安装结构，所述下桥臂用于与所述功率端子安装结构导通，所述上桥臂与所述功率端子安装结构处远离于所述下桥臂的一端用于分别安装功率端子。

进一步地，所述功率端子安装结构两根长条结构和用于连接两根所述长条结构的第三连接部，两根所述长条结构并排设置于所述第三臂与所述第四臂之间，且两根所述长条结构用于分别与所述第三臂和所述第四臂导通，所述第三连接部、所述第一臂、所述第二臂处远离于所述下桥臂的一端用于分别安装功率端子。

本发明还提出了一种功率模块，包括如上所述的绝缘基板。

本发明中的功率模块，其具有与上述绝缘基板相近似的技术效果，在此不再进行赘述。

进一步地，功率模块还包括AC端子、DC+端子、DC-端子，所述DC+端子与所述绝缘基板的上桥臂连接，所述AC端子与所述绝缘基板的下桥臂连接，所述DC-端子与所述绝缘基板的功率端子安装结构连接。

进一步地，功率模块还包括功率芯片，所述绝缘基板的上桥臂和所述绝缘基板的下桥臂处均设有多个所述功率芯片，所述上桥臂处的多个所述功率芯片与所述下桥臂处的多个所述功率芯片均沿标定方向均匀间隔设置。

进一步地，所述上桥臂处的所述功率芯片均通过多根导线连接所述下桥臂，所述下桥臂处的所述功率芯片均通过多根导线连接所述绝缘基板的功率端子安装结构，连接同一所述功率芯片的多根所述导线相互平行，至少两个连接不同的所述功率芯片的所述导线相互平行。

附图说明

图1为本发明实施例所述的绝缘基板的金属层结构示意图；

图2为本发明实施例所述的功率模块的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的功率模块在通电时电流流向图。

附图标记说明：

1-金属层；2-功率芯片；3-栅极电阻；4-导线；5-AC端子；6-DC+端子；7-DC-端子；8-热敏电阻；101-上桥臂；102-下桥臂；103-上桥臂栅极接触区域；104-上桥臂源极接触区域；105-下桥臂栅极接触区域；106-下桥臂源极接触区域；107-功率端子安装结构；117-条状结构；127-第三连接部；108-热敏电阻接触回路；111-第一臂；112-第三臂；121-第二臂；122-第四臂；131-第一连接部；132-第二连接部。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明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。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。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实施方式。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实施方式以合适的方式结合。

结合图1所示，本发明实施例提出一种绝缘基板，包括金属层1、绝缘层和连接层，所述绝缘层设置于所述金属层1与所述连接层之间，所述连接层用于连接功率模块的散热底板，所述金属层1设有上桥臂101和下桥臂102，所述上桥臂101与所述下桥臂102用于安装功率芯片2，所述上桥臂101与所述下桥臂102通过的电流方向相反。

本实施例中，绝缘基板为三层结构，其中金属层1构成表面的电路布局层，在绝缘基板应用于功率模块时用于承载功率模块电流的输入与输出，中间层为绝缘层，具体地，可为陶瓷绝缘层，起绝缘隔离保护的作用，另一表面的连接层用于与功率模块的散热底板烧结互联，连接层可为金属材料制成。

其中，金属层1设有上桥臂101和下桥臂102，在一个可选的实施例中，上桥臂101和下桥臂102可以是在金属层1上通过刻蚀得到，上桥臂101与下桥臂102均用于安装功率芯片2，以此作为功率芯片2的载体，可以理解，在应用于功率模块时，电流由上桥臂101流入下桥臂102，具体地，上桥臂101和下桥臂102可以分别通过功率端子导通母线电容，从而实现电流的输入与输出，本实施例中，上桥臂101和下桥臂102在导通电流时，上桥臂101与下桥臂102中电流方向相反的形式(例如图1中箭头方向)，由此，两组反向电流路径的设置，增大了功率模块中直流端之间的互感，从而能够减小应用于功率模块时的杂散电感，以此减小了过冲电压，能够更好地防止芯片被击穿。

在一个可选的实施例中，金属层的材质可以为铜或铜合金等，或者其它导电性好的金属或合金。

在本发明的一个可选的实施例中，所述上桥臂101包括并排设置的第一臂111和第二臂121，所述下桥臂102包括并排设置的第三臂112和第四臂122，所述第三臂112和所述第四臂122位于所述第一臂111与所述第二臂121之间，所述第一臂111、所述第二臂121、所述第三臂112和所述第四臂122均用于安装所述功率芯片2。

参照图1所示本实施例中，第一臂111和第二臂121整体位于金属层1的外围，第三臂112与第四臂122整体位于金属层1的内侧，形成上桥臂101围绕下桥臂102设置的形成，也即第一臂111、第三臂112、第四臂122和第二臂121依次并排间隔设置，在导通电流方向相反的形式下，各个臂之间的距离可以设置的更近，通过该布局，使得电流方向相反的换流回路更近，能够更进一步地增大功率模块中直流端之间的互感，以减小杂散电感，同时上桥臂101和下桥臂102均为双臂形式，以此时的换流回路增加为两个，电路互感更大，相应地，杂散电感更小。

在本发明的一个可选的实施例中，所述上桥臂101还包括第一连接部131，所述下桥臂102还包括第二连接部132，所述第一臂111与所述第二臂121通过所述第一连接部131连接，所述第三臂112和所述第四臂122通过所述第二连接部132连接。

在本实施例中，上桥臂101的第一臂111和第二臂121以及下桥臂102的第三臂112和第四臂122均沿图1的上下方向竖直设置，此时上桥臂101还包括水平设置的第一连接部131，第一连接部131位于下方，下桥臂102还包括水平设置第二连接部132，第二连接部132位于上方，以此通过第一连接部131连通第一臂111和第二臂121，通过第二连接部132连通第三臂112和第四臂122，由此，上桥臂101和下桥臂102各形成一个整体，有利于在上桥臂101和下桥臂102安装功率芯片2时，通过的电流更加均匀，两个臂之间的连通也使得电信号输入更为同步，可靠性更好，防止因外部控制电源的影响，导致电信号输入存在时间差最终影响功率模块的开关性能。

在本发明的一个可选的实施例中，所述第一臂111与所述第二臂121相对于标定基准线呈轴对称设置，且所述第三臂112与所述第四臂122相对于所述标定基准线呈轴对称设置。

本实施例中，标定基准线为一人为设定的虚拟线，如图1中的虚线，并不代表实际的绝缘基板中存在该标定基准线，上桥臂101和下桥臂102被设置成左右对称的结构，具体地，第一臂111与所述第二臂121相对于标定基准线呈轴对称设置，且所述第三臂112与所述第四臂122相对于所述标定基准线呈轴对称设置，由此，使得在同一上桥臂101或下桥臂102处通过的电流更加同步均匀，也使得电流流入上桥臂101至下桥臂102时更加同步，以此使得杂散电感更进一步地降低。

另外，基于该对称设置，方便第一臂111、第二臂121、第三臂112以及第四臂122上安装的功率芯片2对称分布，以此最大程度减小热耦合效应，以使得热量能以最快的速度散发出去，热性能更好，提高功率模块的可靠性。

在本发明的一个可选的实施例中，所述第一臂111与所述第三臂112相邻间隔设置，所述第二臂121与所述第四臂122相邻间隔设置，所述金属层1处位于所述第一臂111与所述第三臂112之间的部分以及位于所述第二臂121与所述第四臂122之间的部分均设有上桥臂栅极接触区域103和上桥臂源极接触区域104，所述金属层1处位于所述第三臂112与所述第四臂122之间的部分设有下桥臂栅极接触区域105和下桥臂源极接触区域106，所述上桥臂栅极接触区域103和所述下桥臂栅极接触区域105用于安装栅极电阻3，所述上桥臂源极接触区域104和所述下桥臂源极接触区域106用于连接所述功率芯片2。

参照图1所示，本实施例中，上桥臂101的第一臂111与下桥臂102的第三臂112相邻，同时第二臂121与第四臂122相邻，其之间的金属层1的结构部分划分成上桥臂栅极接触区域103和上桥臂源极接触区域104，相应地，第三臂112与第四臂122之间的金属层1的结构部分划分有下桥臂栅极接触区域105和下桥臂源极接触区域106，上桥臂栅极接触区域103和下桥臂栅极接触区域105均用于安装栅极电阻3，以此调节功率模块的开关特性、震荡特性、功耗特性，上桥臂源极接触区域104和下桥臂源极接触区域106用于通过导线连接功率芯片2，以此实现导通，便于后续对功率芯片2进行控制，如驱动功率芯片2开关，控制功率芯片2的开通和关断。

具体地，本实施例中上桥臂栅极接触区域103、下桥臂栅极接触区域105、上桥臂源极接触区域104和下桥臂源极接触区域106均呈长条状，以与上桥臂101和下桥臂102的臂部分并排设置，上桥臂101和下桥臂102处安装功率芯片2时，上桥臂栅极接触区域103和下桥臂栅极接触区域105上的临近位置安装栅极电阻3，以此对应与功率芯片2相连，实现导通，上桥臂源极接触区域104和下桥臂源极接触区域106上的临近位置通过导线连接功率芯片2的控制端，以此便于后续进行控制。

在本发明的一个可选的实施例中，所述金属层1位于所述上桥臂101和下桥臂102之间的部分还设有功率端子安装结构107，且功率端子安装结构107用于与下桥臂102导通，上桥臂101和功率端子安装结构107处远离于下桥臂102的一端分别用于连接功率端子，具体地，上桥臂101用于连接DC+端子6，功率端子安装结构107用于连接DC-端子7，由此，从远离于下桥臂102的上桥臂101处进入的电流向靠近下桥臂102的方向流通，电流导入下桥臂102后，下桥臂102的电流向功率端子安装结构107流入，并流向功率端子安装结构107远离于下桥臂102的一端，最终流入DC-端子7，由此，通过形成该往返的电流流经形式，使得上桥臂101与下桥臂102处导通的电流流向相反，由此使得杂散电感更小。

在本发明的一个可选的实施例中，所述功率端子安装结构两根条状结构117和用于连接两根所述条状结构117的第三连接部127，两根所述条状结构117并排设置于所述第三臂112与所述第四臂122之间，且两根所述条状结构117用于分别与所述第三臂112和所述第四臂122导通，所述第三连接部127、所述第一臂111、所述第二臂121处远离于所述下桥臂102的一端用于分别安装功率端子。

本实施例中，所述第三臂112与所述第四臂122均用于与所述功率端子安装结构107导通，可以理解，在第一臂111、第二臂121、第三臂112和第四臂122处均设置有功率芯片2时，第一臂111和第二臂121处的功率芯片2与第三臂112和第四臂122通过导线连通，第三臂112和第四臂122处的功率芯片2与功率端子安装结构107导通，由此实现第一臂111和第二臂121至第三臂112和第四臂122的电流导通，以及第三臂112和第四臂122至功率端子安装结构107的电流导通。

本发明中，绝缘基板在用于功率模块时，第一臂111和第二臂121远离于下桥臂102的一端用于安装DC+端子6，以供电流输入，如图1和图2中，即第一臂111和第二臂121的下端分别连接一DC+端子6，以实现电流的同步输入，本实施例中，为便于下桥臂102处多个功率芯片2至功率端子安装结构107导通，功率端子安装结构107具有与下桥臂102的第三臂112和第四臂122并排的条状结构117，以分别与第三臂112和第四臂122处的功率芯片连接，在两条状结构117之间的下方通过第三连接部127进行连接，该第三连接部117也即功率端子安装结构107远离于下桥臂102的一端，以此该端用于安装DC-端子7，以此形成完整的电流回路，由此，参照图2和图3所示，通过上下桥臂的连通，以及下桥臂102与功率端子安装结构107的导通，电流从上桥臂101输入后沿上方向进行传输，并分别流通至下桥臂102，进而在下桥臂102处沿下方向传输，并分别导入功率端子安装结构107，最终从功率端子安装结构107连接的DC-端子7流出，最终形成图3所示的电流流通形式(其中箭头表示电流方向)，以此使得上桥臂101和下桥臂102中电流流通方向反向，降低杂散电感。

在一个可选的实施例中，金属层1还设有热敏电阻接触回路108，以用于安装热敏电阻8，由此便于对功率模块的使用进行保护。

本发明另一实施例的一种功率模块，包括如上所述的绝缘基板。

本实施例中的功率模块，其具有与上述绝缘基板相近似的技术效果，在此不再进行赘述。

在本发明的一个可选的实施例中，功率模块还包括AC端子5、DC+端子6、DC-端子7，所述DC+端子6与所述绝缘基板的上桥臂101连接，所述AC端子5与所述绝缘基板的下桥臂102连接，所述DC-端子7与所述绝缘基板的功率端子安装结构107连接。

本实施例中，上桥臂101的第一臂111和第二臂121靠近功率端子安装结构107的一端分别连接以DC+端子6，DC-端子7与功率端子安装结构107连接，DC+端子6和DC-端子7用于连接母线电容实现通电，由此实现DC+端子6、上桥臂101、下桥臂102、功率端子安装结构107至DC-端子7的电流导通，AC端子5为交流输出端，用于连接负载，例如连接电动机，以此实现功率模块的应用。

在一个可选的实施例中，DC+端子6与第一臂111和第二臂121通过超声波焊接，AC端子5与下桥臂102通过超声波焊接，DC-端子7与功率端子安装结构107超声波焊接，另外，DC+端子6、DC-端子7以及AC端子用于与母线电容连接，具体可通过激光焊接，由此使得各功率端子的选择长度可大幅度减小，有效缩短了电流的路径，进一步地降低了杂散电感。

在本发明的一个可选的实施例中，功率模块还包括功率芯片2，所述绝缘基板的上桥臂101和所述绝缘基板的下桥臂102处均设有多个所述功率芯片2，所述上桥臂101处的多个所述功率芯片2与所述下桥臂102处的多个所述功率芯片2均沿标定方向均匀间隔设置。

具体地，本实施例中，第一臂111、第二臂121、第三臂112和第四臂122处均沿图1所示的竖直方向均匀间隔设置有4个功率芯片2，以此共16个功率芯片2，通过将功率芯片2均匀间隔设置，且在一可选实施例中，第一臂111和第二臂121处的功率芯片2对称设置，第三臂112和第四臂122处的功率芯片2对称设置，以此有效减少换流回路长度，从而降低换流回路的杂散电感，以及减少了热耦合效应，热量能以最快的速度散发出去，热性能更好，提高了功率模块的可靠性。

上桥臂101的功率芯片2与下桥臂102通过导线连接，下桥臂102的功率芯片2与功率端子安装结构107相连，以此形成如图3所示的电流流向示意，另外上桥臂101的功率芯片2与上桥臂栅极接触区域103的栅极电阻3连接以及与上桥臂源极接触区域104连接，下桥臂102的功率芯片2与下桥臂栅极接触区域105的栅极电阻3连接以及与下桥臂源极接触区域106连接，以此便于调节功率模块的开关特性、震荡特性、功耗特性以及控制功率芯片2的开通和关断。

在一个可选的实施例中，功率芯片2布局规整无转角，更有利于实现同一桥臂处功率芯片2的紧凑排列，更有效减少换流回路长度，从而降低换流回路的杂散电感。

在本发明的一个可选的实施例中，所述上桥臂101处的所述功率芯片2均通过多根导线4连接所述下桥臂102，所述下桥臂102处的所述功率芯片2均通过多根导线4连接所述绝缘基板的功率端子安装结构107，连接同一所述功率芯片2的多根所述导线4相互平行，至少两个连接不同的所述功率芯片2的所述导线4相互平行。

参照图2所示，本实施例中，上桥臂101处的功率芯片2均通过4根铜导线与下桥臂102连接，下桥臂的功率芯片2均通过4根铜导线与功率端子安装结构107连接，以此实现导通，令上述连接同一功率芯片2的多根导线为一组，同一组中的多根导线可相互平行，以此保证了电流路径的平行和电流路径平行段数的数量更多，这就能使得相邻电路产生更大的互感，进而减小了功率模块的杂散电感，同样，不同组的导线也可相互平行，如多组导线均相互平行、接近平行或部分平行等，以此最大程度保证电流路径的平行和电流路径平行段数的数量更多，进一步使得杂散电感更低。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。