[实用新型]一种薄型功率模块

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种功率模块器件，更具体地说涉及一种具有工业标准安装和总线连接功能的薄型功率模块。

背景技术

功率IGBT(绝缘栅极双极晶体管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)模块被广泛用于各种电机控制变频器中，对于节能、系统性能和可靠性，这些模块是关键电子元件。这些功率元器件还用于开关电源、UPS、医疗系统、新能源发电系统(太阳能、风能、燃料电池等)、运输系统(高速列车、地铁)、商用飞机和国防系统。功率IGBT和MOSFET模块正向高功率密度、高可靠性和低成本方向发展。

功率模块一般根据模块宽度命名，例如“34mm”IGBT模块，底座宽度为34mm，安装孔距为80mm。根据设计，此型功率模块可以提供50A到200A的电流，所带电配置有单IGBT或MOSFET，半桥IGBT或MOSFET，以及IGBT带上臂或下臂快速恢复二极管(斩波器)。基于其功率输出能力，此模块非常适用于中等功率输出系统(百千瓦级)，并且在很多逆变系统中有着广泛的应用。所以，此模块已成为一种工业标准模块，多个功率模块公司正在生产和销售。

现有的功率模块200在典型情况下，包括塑料外壳20和底板40，其结构如图1和图2所示。铜质底板40厚约3mm，剖面结构见图4，底板40从上至下依次设DBC(直接铜键合)层30和铜基底层27，DBC层30通过焊接层26焊接在铜基底层27上，DBC(直接铜键合)层30包括陶瓷衬底24和其上下两侧的铜层23、24。在DBC层30上分布有芯片层21，芯片层21通过焊接层22焊接在DBC层30上。如图3所示，DBC层30上还焊接有电源端子29，铜基底层27的两端部分别设有一个安装孔28。如图1所示，塑料外壳的顶部设有与电源端子29相对应的电源端子孔，每个电源端子孔下有一个M5螺母32，焊到底板的DBC层上的电源端子29穿过电源端子孔，M5螺母32连同垫圈用来可靠连接汇流条和母线，M5螺母的毂也是整件塑料外壳的一部分，塑料外壳还设有铜信号端子。塑料外壳与底板粘接，模块总高(从电源端子顶面到底板底面)是大约30mm。综上所述，该型模块具有以下特点：

1.采用高导热的铜底板，使模块具有较低的热阻。

2.底板自带双安装孔，使模块易于安装到散热器上。

3.电源端子采用螺丝/螺母压接，使模块能输出较大的电流，同时避免了钎焊可能带来的疲劳开裂。

在某些新应用中，如复合动力和电力驱动车辆，对于功率和温度循环和规格的环境要求很高，现有功率模块采用焊接层(图中焊接层b)连接DBC层和底板，焊接点容易出现焊接疲劳，使温度循环和功率循环容量大大降低。由于DBC和底板间焊接连接面积大，且铜底板和DBC层的热膨胀系数(CTE)相差大，温度变化时，此焊接连接承受很大应力，焊接疲劳引起焊接开裂，导致功率模块热电阻不断增大，由热失控引起模块过早失效。另一方面，此型模块的电源端子是直接焊接到DBC基板上。由于铜端子与DBC基板之间CTE的差异，在模块的使用过程中，温度的变化将引发这些焊接点产生较大的热应力，从而导致焊点的热疲劳开裂，进而使模块过早失效。虽然针对铜端子底部可进行减缓应力设计(S型底部)，但其作用有限，而且不利降低模块的杂散电感。所以为了更好地适应市场的需要，现有的此型功率模块可靠性有待于进一步提高。

发明内容

本实用新型的目的克服现有技术的缺陷，提供一种成本低且可靠性高，电流输出超过200A的功率模块。