CN116314066A - 一种功率设备和功率模组 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种功率设备和功率模组，功率设备包括：电路板、功率模组和散热器，功率模组设置于电路板上，散热器设置于功率模组背离电路板的一面；功率模组包括：覆金属层基板、芯片和塑封体；覆金属层基板与芯片叠层设置，且塑封在塑封体内；塑封体包括凹陷部；凹陷部设置于塑封体背离散热器的一面，并且位于所述塑封体背离所述散热器一面的表面与电路板之间，以在所述电路板和塑封体之间形成应力释放空间，且陷部在功率模组厚度方向上的投影覆盖芯片在功率模组厚度方向上的投影。本申请提供的功率设备提高功率设备的散热效率和安全性。

Description

一种功率设备和功率模组

技术领域

本申请涉及电子电力技术领域，尤其涉及一种功率设备和功率模组。

背景技术

近年来，绿色能源日益发展，逐渐成为解决能源危机的主要手段。功率模组作为绿色能源的核心部件得到广泛应用。智能功率模块(IPM：Intelligent Power Module)内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向，在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。

首先，功率模组中的芯片失效释放应力引起短路炸机时，容易导致设备外壳和芯片绝缘失效漏电，引发安全问题；其次，为了适应高压应用，需要进一步的在不增加模组尺寸的前提下提高功率模组的耐压值，以适用于高压小型化场景；最后，由于当前功率模组的功率越来越高，散热能力亟需提高。功率模组的上述问题，严重制约了新能源产业的发展，因此业界需要新型的功率模组，继续推动产业的进步。

发明内容

本申请提供了一种功率设备和功率模组。本申请中对功率设备中功率模组进行了改进，从而使整个功率设备的结构安全性、耐压性以及散热性得到提升。首先，在芯片下方塑封体的对应位置增加凹陷部，从而在芯片下方塑封体上形成一个薄弱点，使得芯片失效产生应力时更容易从所述薄弱点进行释放，而不损坏芯片上方的覆金属层基板，减少了由于覆金属层基板中绝缘层的开裂而使散热器与芯片出现短路进而引起严重的安全问题；其次，通过在功率模组的覆金属层基板与芯片之间增加具有高导热特性的热沉片，提高了覆金属层基板与芯片之间的结构强度，使芯片应力更容易从芯片下方塑封体的凹陷部释放，同时也增强了功率模组的散热性能；再次，在塑封体靠近覆金属层基板一面的边缘增加第一凹槽，使得功率模组在不增加塑封体厚度的情况下，增加了引脚到散热器之间的爬电距离，保证了功率模组体积不变以及制造成本不提升；最后，在塑封体中第一凹槽的相对位置设置了第二凹槽，第二凹槽与凹陷部均位于塑封体背离覆金属层基板的一面，第二凹槽可以降低了由于散热器压接而使第二凹槽的对应位置产生裂纹的风险。

为此本申请的实施例采用如下的技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种功率设备。所述功率设备包括：电路板、功率模组和散热器，所述功率模组设置于电路板上，所述散热器设置于所述功率模组背离所述电路板的一面；所述功率模组包括覆金属层基板、芯片和塑封体；所述覆金属层基板与所述芯片叠层设置，且塑封在所述塑封体内；所述塑封体包括凹陷部，所述凹陷部设置于所述塑封体背离所述散热器的一面，并且位于所述塑封体背离所述散热器一面的表面与电路板之间，以在所述电路板和塑封体之间形成应力释放空间，所述凹陷部在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影。

可以理解的，在塑封体中增加的凹陷部，为所述功率模组提供了一个相对薄弱的位置，引导芯片产生的应力由凹陷部处释放，而不损坏覆金属层基板中的绝缘层，降低了芯片与散热器短路的可能性。有效提高功率模组的结构稳定性以及安全性，也就是提高了功率设备的稳定性与安全性。

结合第一方面，在第一种可能的实施方式中，所述功率设备中的功率模组还包括热沉片，所述热沉片设置于所述覆金属层基板与所述芯片之间，所述功率模组中的所述热沉片的厚度大于所述覆金属层基板中金属层的厚度，所述热沉片在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影，所述热沉片的面积大于所述芯片的面积。一般的，所述热沉片在所述功率模组厚度方向上的投影的长和宽分别比所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影的长和宽大1mm以上。可以理解的，增加的热沉片弥补了覆金属层基板由于金属层太薄而所能承受的应力较差的问题，从而增强了功率模组中覆金属层基板与芯片之间结构强度，热沉片与凹陷部相互配合，使芯片应力更容易从凹陷部得到释放，从而减少了覆金属层基板内的绝缘层因损坏而使芯片与散热器短路的问题的发生，提高了功率模组安全性，也就提高了功率设备的安全性。同时，由于热沉片具有高导热特性，所述芯片的各个部分可以充分的与所述热沉片接触，最大化的利用散热面积，从而进一步增强了功率模组的导热性，提高了功率模组功率密度，也就提高了功率设备的功率输出。

结合第一方面，在第二种可能的实施方式中，所述功率设备中的功率模组还包括第一凹槽与引脚，所述第一凹槽设置于所述塑封体靠近所述散热器的一面，且位于所述塑封体与所述散热器之间，形成面向所述散热器的凹陷空间，所述第一凹槽可以增加所述引脚与所述散热器之间的爬电距离；所述引脚的第一部分设置于所述塑封体内，一般的，所述功率模组利用所述引脚的第二部分通过表贴或者直插的方式设置在电路板上。可以理解的，所述第一凹槽形成的凹陷空间，增加了所述塑封体的表面褶皱程度，延长了所述塑封体的表面长度，因此增加了所述引脚与所述散热器之间的爬电距离。

结合第一方面，在第三种可能的实施方式中，所述功率设备中的功率模组还包括第二凹槽，所述第二凹槽设置于所述塑封体背离所述散热器的一面，且位于所述塑封体与所述电路板之间，且沿所述电路板表面延伸，形成面向所述引脚开口的扁平空间。一般的，所述第二凹槽与所述第一凹槽相对设置，所述第二凹槽在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述第一凹槽在所述功率模组厚度方向上的投影。可以理解的，在塑封体中第一凹槽的相对位置增加的第二凹槽，可以降低由于散热器压接而使第二凹槽的对应位置产生裂纹的风险。

结合第一方面，在第四种可能的实施方式中，所述覆金属层基板包括第一金属层、第二金属层以及绝缘层，所述第二金属层设置在所述绝缘层靠近所述芯片的一面，所述热沉片的厚度大于所述第二金属层的厚度。一般的，所述热沉片的厚度为所述第二金属层厚度的两倍以上。一般的，所述覆金属层基板为覆铜陶瓷基板(Direct Bond Copper，DBC)、活性金属焊接基板(Active metal brazed copper，AMB，例如Al2O3-AMB、Si3N4-AMB或AlN-AMB)或绝缘金属基板(Insulated metal substrate，IMS)等。示例性的，为了进一步提高功率密度，所述覆金属层基板可以采用高导热性的AlN-DBC、Si3N4-AMB或AlN-AMB形成，在此不作限定。可以理解的，使热沉片超过第一金属层的厚度，可以提高热沉片的散热效率，同时进一步增强芯片与覆金属层基板之间的强度，减少芯片失效产生应力而损坏覆金属层基板中的绝缘层的问题，提高功率设备的安全性。

结合第一方面，在第五种可能的实施方式中，所述第一凹槽的侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角不为零，所述第一凹槽的底部宽度小于所述第一凹槽顶部宽度，示例的，所述第一凹槽为梯形结构。一般的，所述第一凹槽侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角大于等于10度，所述第一凹槽顶部到塑封体顶部距离、第一凹槽的深度以及第一凹槽底部宽度不小于1mm，同时所述第一凹槽可以有两个侧壁，也可以有一个侧壁。可以理解的，梯形结构相比垂直结构更加稳定，可以有效的提高功率模组抗损性，也就提高了功率设备的可靠性与安全性。

结合第一方面，在第六种可能的实施方式中，所述第一凹槽为垂直结构。可以理解的，垂直结构相比梯形结构可以有效的增加所述第一凹槽的表面长度，也就增加了引脚到散热器之间的爬电距离，提高了功率模组所能承受的电压，也就提高了功率设备所能承受的最大电压。

结合第一方面，在第七种可能的实施方式中，所述第一凹槽的侧壁设置有至少一个阶梯齿。可以理解的，增加阶梯齿可以有效的增加所述第一凹槽的表面长度，也就增加了引脚到散热器之间的爬电距离，同时阶梯齿数量越多爬电距离越长，功率模组所能承受的电压也就越大。

结合第一方面，在第八种可能的实施方式中，所述第一凹槽中包括至少一个子凹槽。可以理解的，通过设置子凹槽可以有效的增加所述第一凹槽的表面长度，也就增加了引脚到散热器之间的爬电距离，同时子凹槽数量越多爬电距离越长，功率模组所能承受的电压也就越大。

结合第一方面，在第九种可能的实施方式中，所述第一凹槽设置在所述塑封体靠近所述覆金属层基板的一面的边缘。一般的，所述第一凹槽可以设置在所述塑封体靠近所述覆金属层基板的一面的一边或两边或三边或四周。

结合第一方面，在第十种可能的实施方式中，所述功率模组还包括键合线或互联片，所述芯片通过所述键合线或互联片与所述引脚电连接，所述引脚为鸥翼形或直插形。

结合第一方面，在第十一种可能的实施方式中，所述凹陷部的底部宽度小于所述凹陷部顶部宽度。一般的，所述凹陷部侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角大于等于10度。所述凹陷部在所述功率模组厚度方向上的投影的长和宽分别比所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影的长和宽大1mm以上。同时所述凹陷部的深度大于等于0.2mm，且所述凹陷部底部与所述键合线或互联片弧顶的距离大于等于0.5mm。可以理解的，梯形结构相比垂直结构更加稳定，可以有效的提高功率模组抗损性，也就提高了功率设备的可靠性与安全性。

结合第一方面，在第十二种可能的实施方式中，所述第二凹槽的底部宽度小于所述第二凹槽顶部宽度。一般的，所述第二凹槽侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角大于等于10度。所述第二凹槽的深度大于等于0.2mm。

结合第一方面，在第十三种可能的实施方式中，所述功率设备中的散热器通过焊接或烧结的方式设置在所述覆金属层基板背离所述芯片的一面。一般的，在所述散热器的内部均设有散热水道，所述散热水道具有进水口、出水口。冷却液由所述进水口进入位于所述散热器内部的散热水道，吸收所述散热器的热量，并最终由所述出水口流出将所有热量带走。可以理解的，散热器可以吸收所述覆金属层基板传递来的热量，使功率模组的温度降低，进而使功率设备的温度下降。

结合第一方面，在第十四种可能的实施方式中，所述覆金属层基板背离所述芯片的一面与所述塑封体靠近所述散热器的一面处于同一平面。可以理解的，上述设置，可以使散热器与覆金属层基板的金属层平整的贴合，提高所述功率模组的散热性能，也就提升了功率设备的散热性能。

结合第一方面，在第十五种可能的实施方式中，所述覆金属层基板、所述热沉片与所述芯片通过焊接或烧结的方式依次叠层设置。

结合第一方面，在第十六种可能的实施方式中，所述功率模组中的热沉片具有高导热、高导电的性能。所述高导热特性可以将所述芯片在工作时产生的热量传导至所述热沉中，所述高导电特性可以满足所述芯片在工作时内部电流流动的需求，为内部电流流动提供通道。所述热沉片的材料包括但不限于Cu、CuMo复合材料、金刚石、金刚石-铜复合材料、Al-SiC复合材料等具有高导热的材料。可以理解的，所述热沉片采用高导热高导电的材料，既可以提高所述芯片的散热性能，又可以为所述芯片提供电流通道，从而提高所述功率模组的散热性能，进而提高所述功率模组的功率密度。

结合第一方面，在第十七种可能的实施方式中，所述功率模组中的芯片为多个。一般的，所述凹陷部可以根据所述功率模组中的芯片的数量进行设置，凹陷部可以设置至少一个子区域，每个凹陷部的子区域对应至少一个芯片。一般的，所述芯片包括绝缘栅双极型晶体管芯片、绝缘栅双极型晶体管芯片与二极管芯片合封芯片、硅金属氧化物半导体场效应晶体管、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管、氮化镓金属氧化物半导体场效应晶体管等功率半导体芯片或者IC驱动芯片等。

第二方面，本申请实施例提供了一种功率模组。所述功率模组包括：覆金属层基板、芯片和塑封体；所述覆金属层基板与所述芯片叠层设置，且塑封在所述塑封体内；所述塑封体包括凹陷部；所述凹陷部设置于所述塑封体背离所述覆金属层基板的一面，所述凹陷部在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的，以在所述芯片背离所述覆金属层基板的一面的塑封体上形成应力释放部。

可以理解的，在塑封体中增加的凹陷部，为所述功率模组提供了一个相对薄弱的位置，引导芯片产生的应力由凹陷部处释放，而不损坏覆金属层基板中的绝缘层，降低了芯片与散热器短路的可能性。有效提高功率模组散热效率、结构稳定性以及安全性。

结合第二方面，在第一种可能的实施方式中，所述功率模组中的所述热沉片的厚度大于所述覆金属层基板中金属层的厚度，所述热沉片在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影，所述热沉片的面积大于所述芯片的面积。一般的，所述热沉片在所述功率模组厚度方向上的投影的长和宽分别比所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影的长和宽大1mm以上。可以理解的，增加的热沉片弥补了覆金属层基板由于金属层太薄而所能承受的应力较差的问题，从而增强了功率模组中覆金属层基板与芯片之间结构强度，热沉片与凹陷部相互配合，使芯片应力更容易从凹陷部得到释放，从而减少了覆金属层基板内的绝缘层因损坏而使芯片与散热器短路的问题，提高了功率模组安全性，也就提高了功率设备的安全性。同时，由于热沉片具有高导热特性，所述芯片的各个部分可以充分的与所述热沉片接触，最大化的利用散热面积，从而进一步增强了功率模组的导热性，提高了功率模组功率密度，也就提高了功率设备的功率输出。

结合第二方面，在第二种可能的实施方式中，所述功率模组还包括：第一凹槽与引脚，所述第一凹槽设置于所述塑封体靠近所述覆金属层基板的一面，以在所述塑封体靠近所述覆金属层基板的一面形成凹陷区域，所述第一凹槽可以增加所述引脚与散热器之间的爬电距离；所述引脚的第一部分设置于所述塑封体内，一般的，所述功率模组利用所述引脚的第二部分通过表贴或者直插的方式设置在电路板上。可以理解的，所述功率模组还包括：所述第一凹槽形成的凹陷区域，增加了所述塑封体的表面褶皱程度，延长了所述塑封体的表面长度，因此所述第一凹槽可以增加所述引脚与散热器之间的爬电距离。

结合第二方面，在第三种可能的实施方式中，所述功率模组还包括：第二凹槽，所述第二凹槽设置于所述塑封体背离所述散热器的一面，且沿所述塑封体背离所述覆金属层基板的一面延伸，以形成面向所述引脚开口的扁平空间。一般的，所述第二凹槽与所述第一凹槽相对设置，所述第二凹槽在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述第一凹槽在所述功率模组厚度方向上的投影。可以理解的，在塑封体中第一凹槽的相对位置增加的第二凹槽，可以降低由于散热器压接而使第二凹槽的对应位置产生裂纹的风险。

结合第二方面，在第四种可能的实施方式中，第一凹槽的侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角不为零，所述第一凹槽的底部宽度小于所述第一凹槽顶部宽度，示例的，所述第一凹槽为梯形结构。一般的，所述第一凹槽侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角大于等于10度，所述第一凹槽顶部到塑封体顶部距离、第一凹槽的深度以及第一凹槽底部宽度不小于1mm，同时所述第一凹槽可以有两个侧壁，也可以有一个侧壁。可以理解的，梯形结构相比垂直结构更加稳定，可以有效的提高功率模组抗损性。

结合第二方面，在第五种可能的实施方式中，所述第一凹槽为垂直结构。可以理解的，垂直结构相比梯形结构可以有效的增加所述第一凹槽的表面长度，也就增加了引脚到散热器之间的爬电距离，提高了功率模组所能承受的电压。

结合第二方面，在第六种可能的实施方式中，所述第一凹槽的侧壁设置有至少一个阶梯齿。可以理解的，增加阶梯齿可以有效的增加所述第一凹槽的表面长度，也就增加了引脚到散热器之间的爬电距离，同时阶梯齿数量越多爬电距离越长，功率模组所能承受的电压也就越大。

结合第二方面，在第七种可能的实施方式中，所述第一凹槽中包括至少一个子凹槽。可以理解的，通过设置子凹槽可以有效的增加所述第一凹槽的表面长度，也就增加了引脚到散热器之间的爬电距离，同时子凹槽数量越多爬电距离越长，功率模组所能承受的电压也就越大。

结合第二方面，在第八种可能的实施方式中，所述第一凹槽设置在所述塑封体靠近所述覆金属层基板的一面的边缘。一般的，所述第一凹槽可以设置在所述塑封体靠近所述覆金属层基板的一面的一边或两边或三边或四周。

结合第二方面，在第九种可能的实施方式中，所述凹陷部的底部宽度小于所述凹陷部顶部宽度。一般的，所述凹陷部侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角大于等于10度。所述凹陷部在所述功率模组厚度方向上的投影的长和宽分别比所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影的长和宽大1mm以上。同时所述凹陷部的深度大于等于0.2mm，且所述凹陷部底部与所述键合线或互联片弧顶的距离大于等于0.5mm。可以理解的，梯形结构相比垂直结构更加稳定，可以有效的提高功率模组抗损性。

结合第二方面，在第十种可能的实施方式中，所述第二凹槽的底部宽度小于所述第二凹槽顶部宽度。一般的，所述第二凹槽侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角大于等于10度。所述第二凹槽的深度大于等于0.2mm。

结合第二方面，在第十一种可能的实施方式中，所述功率模组中的芯片为多个。一般的，所述凹陷部可以根据所述功率模组中的芯片的数量进行设置，凹陷部可以设置至少一个子区域，每个凹陷部的子区域对应至少一个芯片。一般的，所述芯片包括绝缘栅双极型晶体管芯片、绝缘栅双极型晶体管芯片与二极管芯片合封芯片、硅金属氧化物半导体场效应晶体管、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管、氮化镓金属氧化物半导体场效应晶体管等功率半导体芯片或者IC驱动芯片等。

结合第二方面，在第十二种可能的实施方式中，所述覆金属层基板背离所述芯片的一面与所述塑封体靠近所述散热器的一面处于同一平面。可以理解的，上述设置，可以使散热器与覆金属层基板的金属层平整的贴合，提高所述功率模组的散热性能，也就提升了功率设备的散热性能。

第三方面，本申请实施例提供了一种功率模组的制造方法，所述制造方法包括：

第一步：将覆金属层基板、热沉片、芯片通过焊接或烧结依次叠层设置；

第二步：塑封，使用塑封体将所述覆金属层基板、所述热沉片以及所述芯片密封，所述塑封体包括凹陷部；所述凹陷部设置于所述塑封体背离所述覆金属层基板的一面，所述凹陷部在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影。

结合第三方面，在第一种可能的实施方式中，所述塑封体还包括第一凹槽，所述第一凹槽设置于所述塑封体靠近所述覆金属层基板的一面，所述第一凹槽可以增加功率模组中引脚与散热器之间的爬电距离。

结合第三方面，在第二种可能的实施方式中，所述塑封体还包括第二凹槽，所述第二凹槽设置于所述塑封体背离所述散热器的一面，所述第二凹槽在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述第一凹槽在所述功率模组厚度方向上的投影。

结合第三方面，在第三种可能的实施方式中，在第一步后，所述制造方法还包括：通过焊接或烧结将所述芯片利用所述键合线或互联片与所述功率模组中的引脚电连接。

结合第三方面，在第四种可能的实施方式中，在第二步后，所述制造方法还包括：对所述引脚进行冲压成型，使所述引脚形成鸥翼形或直插形。

第四方面，本申请实施例提供了一种功率变换电路，其特征在于，所述功率变换电路包括：电容和至少一个功率模组，所述功率模组与所述电容电连接，所述电容用于为所述功率模组提供电压，所述至少一个功率模组用于交/直流电转换。其中，功率模组还包括：覆金属层基板、热沉片、芯片和塑封体；所述覆金属层基板、所述热沉片与所述芯片依次叠层设置，且塑封在所述塑封体内；所述塑封体包括凹陷部；所述凹陷部设置于所述塑封体背离所述覆金属层基板的一面，所述凹陷部在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影。可以理解的，所述功率变换电路包含了如第一方面的申请实施例中的功率模组，由于所述功率模组具有良好的散热性以及更高的功率密度，从而可以提高所述电机驱动器的功率转换效率。

附图说明

图1是实施例一提供的一种功率设备结构示意图；

图2A是实施例一提供的一种功率模组结构示意图；

图2B是实施例一提供的一种功率模组结构立体图；

图3是实施例一提供的另一种功率模组结构示意图；

图4是实施例一提供的另一种功率模组结构示意图；

图5是实施例一提供的另一种功率模组结构示意图；

图6A-6C是实施例一提供的一种功率模组结构主视图；

图7是实施例二提供的一种功率模组的制造方法。

附图标记：

塑封体-1，凹陷部1-1，子区域1-1-1，第一凹槽1-2，阶梯齿1-2-1，子凹槽1-2-2，第二凹槽1-3，覆金属层基板2，第一金属板2-1，第二金属板2-2，绝缘层2-3，热沉片3,芯片4,引脚5，键合线6，散热器7，电路板8，功率模组9。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

在功率设备中功率模块扮演着重要的角色，无论是在新能源汽车、智能光伏等领域都是功率设备的核心组件。在功率设备工作时，功率模块通过频繁的开通与关断的状态切换，实现交/直流电的转换。但是频繁的状态切换，会为功率模组带来大量的热量，而高温将导致功率模组中的功率芯片转换效率降低甚至损坏，同时，随着业界向高压场景的发展，功率模组也向着高压的方向发展，例如新能源汽车高压快充、智能光伏高压发电等。因此将功率模组在高压工作状态下产生的热量及时的导出，降低功率模组在工作状态的温度，提高功率模组的耐压值，同时保持功率模组长期稳定的工作，一直是业界研究的重点。

当前的功率模组有很多问题，首先，当前业界为了提高散热效率，在安装散热片或者散热器之前，首先在芯片上贴合三层结构基板，如覆铜陶瓷基板(Direct Bond Copper，DBC)、活性金属焊接基板(Active metal brazed copper，AMB，例如Al2O3-AMB、Si3N4-AMB或AlN-AMB)或绝缘金属基板(Insulated metal substrate，IMS)等，三层基板的上下两层为导电导热材料，靠近功率芯片的下层既可以为功率芯片内部电流的流动提供通道，也可以为将功率芯片产生的热量及时的导出，而靠近散热器上层主要可以为所述功率芯片提供保护，降低功率芯片外界撞击的影响，而中间层为绝缘层，可以防止下层的导电导热材料与散热器导通，防止芯片出现短路等问题。但是由于基板的下层，如DBC，一般采用铜层与功率芯片相接，下层的铜层比较薄对提升瞬态热性能有限，导致其有效热扩散面积小，稳态热性能不是最优。

其次，当前业界为了提高功率模组的耐压值，通过增加塑封体的厚度来增加功率芯片的引脚与散热器之间的爬电距离，但是塑封体厚度的增加，会使得功率模组的工艺与成本增加，同时塑封体厚度的增加也不利于功率模组的散热，也不利于功率模组在小型化场景的应用，从而限制功率模组的发展。

最后，由于功率模组需要长时间的运行，同时其工作环境也是多种多样，因此功率模组中的功率芯片难免会因为各种各样的原因出现故障。例如，功率芯片出现故障产生应力，使覆金属层基板中的绝缘层损坏，从而导致功率芯片与散热器短路，导致严重的安全事故。因此如何在功率芯片出现故障时，将故障的危害程度降到最低，不影响整个系统的运行，对功率模组的安全可靠性提出了新的要求。

针对以上问题，本申请提供了一种新型的功率设备、功率模组结构以及制作方法和功率变换电路。本申请首先在塑封体中增加凹陷部，在芯片下方的塑封体上形成一个薄弱点，使得芯片失效产生的应力更容易从所述薄弱点进行释放，而不损坏芯片上方的覆金属层基板，减少了由于覆金属层基板中绝缘层的开裂而使散热器与芯片出现短路进而引起严重的安全问题。与凹陷部相适应的，为了弥补覆金属层基板中金属层而所能承受的应力较差的缺点，在芯片与覆金属层基板之间设置热沉片，一般的，热沉片的厚度可以设置为大于覆金属层基板中金属层厚度的一倍以上。热沉片也可以提高芯片与散热片之间的应力承受能力，增强了功率模组的结构稳定性，进一步引导芯片应力从凹陷部进行释放，降低了由于芯片失效产生应力导致散热片中的绝缘层损坏而使芯片与散热器之间短路的可能性。同时，由于热沉片具有高效的导热导电性，因此可以提高功率模组的整体散热效率。

为了在不降低功率模组散热能力的前提下，又同时提高功率模组的耐压能力，本申请在塑封体靠近覆金属层基板一面的边缘增加了第一凹槽，使得功率模组在不增加塑封体厚度的情况下，增加了引脚到散热器之间的爬电距离，保证了功率模组的散热能力的不下降以及工艺制造成本不提升。最后，为了进一步的提高功率模组的结构稳定性，在塑封体中第一凹槽的相对位置设置了第二凹槽，第二凹槽与凹陷部同样位于塑封体背离覆金属层基板的一面，第二凹槽可以降低由于散热器压接而使第二凹槽的对应位置产生裂纹的风险。

本申请提供的第一种实施例如图1所述，本申请的第一种实施例提供一种功率设备，所述功率设备包括电路板8、功率模组9以及散热器7。功率模组9通过引脚5采用表贴的方式设置在电路板8上，散热器7设置在功率模组9背离电路板8的一面。其中，功率模组9包括塑封体1、覆金属层基板2、热沉片3以及芯片4。热沉片3置于覆金属层基板2与芯片4之间，其中覆金属层基板2包括第一金属层2-1、第二金属层2-2以及绝缘层2-3，第二金属层2-2与热沉片3之间通过焊接或者烧结的方式结合在一起，由于在现有技术中第一金属层2-1与第二金属层2-2的厚度相对较薄，结构强度不够，不能满足功率设备对安全性的需求，因此本申请中，热沉片3的厚度为第二金属层2-2的厚度的2倍，当然也可以更厚，例如，热沉片3的厚度为第二金属层2-2的厚度的2.5倍，因此热沉片3可以增强芯片4与覆金属层基板2之间的结构强度，在芯片3出现损坏产生应力时，增强对覆金属层基板2的保护，降低覆金属层基板2中绝缘层2-3发生损坏的可能性。同时为了充分的利用热沉片的接触面积，热沉片3的长和宽分别比芯片4的长和宽大1mm，当然，热沉片3还可以更大，热沉片3的长和宽也可以分别比芯片4的长和宽大1.5mm。另外，热沉片3还可以提高功率模组9的散热性能，保证了功率设备的散热性能。热沉片3的材料与第一金属层2-1以及第二金属层2-2的材料相同，都为Cu，但是也可以为CuMo复合材料、金刚石、金刚石-铜复合材料、Al-SiC复合材料等具有高导热导电的其他材料。热沉片3具有导热导电特性，既可以为芯片4提供散热，也可以为芯片4内部电流提供电流通道。

覆金属层基板2、热沉片3以及芯片4由塑封体1进行塑封，热沉片3可以增强芯片4与覆金属层基板2之间的结构强度，适应性的，为了进一步保护覆金属层基板2中的绝缘层2-3，在塑封体1中增加凹陷部1-1，从而可以在芯片4下方的塑封体上形成一个薄弱点，使得芯片4失效产生应力时更容易从所述薄弱点进行释放，从而保护了绝缘层2-3。凹陷部1-1的形状为正梯形，凹陷部1-1的底部宽度小于凹陷部1-1顶部宽度，凹陷部1-1侧壁倾斜角为10度，当然，倾斜角可以更大，例如，凹陷部1-1侧壁倾斜角为12度。为了达到更好的保护效果，凹陷部1-1的底部的长度和宽度比芯片4的长度和宽度大1.0mm，当然，凹陷部1-1也可以更大，例如，凹陷部1-1的底部的长度和宽度比芯片4的长度和宽度大1.2mm。在凹陷部1-1的深度设计方面，图1中凹陷部1-1的深度为0.2mm，当然，也可以更深，例如，图1中凹陷部1-1的深度为0.3mm。凹陷部1-1底部与键合线6之间的也需要保证安全距离，凹陷部1-1底部与键合线6之间的距离为0.5mm，当然，距离也可以更大，凹陷部1-1底部与键合线6之间的距离为0.6mm。该结构相比垂直结构更加稳定，可以有效的提高功率模组9抗损性，也提高了功率设备的安全性。芯片4可以有多个，与之对应的，也可以设置多个芯片区域，每个芯片区域对应设置一个凹陷部1-1，如图2A所示，功率模组9内部具有两个芯片4，在塑封体1的底部设置凹陷部1-1的两个子区域1-1-1，分别对应两个芯片区域。如图2B所示，为功率模组9的立体图，为了清楚的展示凹陷部1-1的结构，图2B中，凹陷部1-1的部分朝上设置，可以看出凹陷部1-1分别具有两个子区域。需要指出的是，图2A与图2B不是一一对应的关系，在图2A中凹陷部1-1的子区域排列方向与图2B中相反。

在塑封体1中增加第一凹槽1-2，第一凹槽1-2设置于塑封体1与散热器7之间，形成面向散热器7的凹陷空间，如图1中的箭头所示，增加了塑封体1的表面褶皱程度，延长了塑封体1的表面长度，可以增加引脚5到散热片7之间的爬电距离，从而增加功率模组9的耐压能力，也就提高了功率设备的耐压能力。第一凹槽1-2并没有增加塑封体1的厚度，因此不会降低功率模组9的散热能力，同时也不会因为塑封体1使用材料的增加而增加功率模组9的制造成本。如图1中，第一凹槽1-2为梯形结构，第一凹槽1-2的底部宽度小于第一凹槽1-2的顶部宽度，这里第一凹槽1-2侧壁倾斜角为10度，当然，倾斜角可以更大，例如，凹陷部1-1侧壁倾斜角为12度。第一凹槽1-2顶部到塑封体1顶部距离、第一凹槽1-2的深度以及第一凹槽1-2底部宽度为1.0mm，当然，也可以设置更大值，例如，第一凹槽1-2顶部到塑封体1顶部距离、第一凹槽1-2的深度以及第一凹槽1-2底部宽度为1.2mm。梯形结构相比垂直结构更加稳定，可以有效的提高功率模组9抗损性，也就提高了功率设备的安全性。

在第一凹槽1-2中，如图3所示，可以增加阶梯齿1-2-1，阶梯齿1-2-1可以有效的增加第一凹槽1-2的表面长度，也就进一步增加了引脚5到散热器7之间的爬电距离，最终提高了功率模组9的耐压能力。可以推理得到的，阶梯齿1-2-1数量越多爬电距离越长，本申请对阶梯齿1-2-1的数量不做具体限制，可以是一个，也可以是两个、三个或四个。

在第一凹槽1-2中，如图4所示，可以在第一凹槽1-2中增加子凹槽1-2-2，与阶梯齿1-2-1类似的，子凹槽1-2-2也可以增加第一凹槽1-2的表面长度，也就进一步增加了引脚5到散热器7之间的爬电距离，最终提高了功率模组9的耐压能力。可以推理得到的，子凹槽1-2-2数量越多爬电距离越长，本申请对子凹槽1-2-2的数量不做具体限制，可以是一个，也可以是两个、三个或四个。

在一些特殊的场景下，如图5所示，第一凹槽1-2也可以矩形，即第一凹槽1-2的侧壁可以为垂直结构，矩形结构相比梯形结构可以有效的增加所述第一凹槽的表面长度，也就增加了引脚5到散热器7之间的爬电距离，可以有效提高功率模组9所能承受的电压。

如图6A-6C，为功率模组9的俯视图，由图中可以看出第一凹槽1-2可以设置在塑封体1中靠近覆金属层基板2的一面的边缘的一边或两边或四周。可以根据具体的场景进行设置。本申请不做具体的限制。

第二凹槽1-3，第二凹槽1-3设置于塑封体1与电路板8之间，且沿电路板8表面延伸，形成面向引脚5开口的扁平空间，在塑封体1中第一凹槽1-2的相对位置增加的第二凹槽1-3，可以降低由于散热器7压接而使第二凹槽1-3的对应位置产生裂纹的风险。第二凹槽1-3的形状也是梯形，第二凹槽1-3的底部宽度小于所述第二凹槽1-3顶部宽度。如图1中所示，第二凹槽1-3侧壁与功率模组9厚度方向的夹角10度，当然，夹角可以更大，例如，第二凹槽1-3侧壁与功率模组9厚度方向的夹角12度。第二凹槽1-3的深度0.2mm，当然，也可以更深，例如，第二凹槽1-3的深度0.3mm。第二凹槽1-3在功率模组9受到压力时，可以起到缓冲的作用，保护功率模组9。

如图1所示，功率模组9还包括引脚5与键合线6，其中键合线6也可以使用互联片取代，芯片4通过键合线6或互联片与引脚5电连接，引脚5的第一部分设置于塑封体1内部，引脚5的第二部分用于与电路板8连接，在本实施例中，引脚5的形状为鸥翼形，当然引脚5也可以为直插形。

如图1所示，散热器7通过焊接或烧结的方式设置在覆金属层基板2背离芯片4的一面，散热器7与覆金属层基板2也可以通过热硅脂、石墨膜、硅凝胶、相变材料等导热界面材料进行贴合。在散热器7的内部设有散热水道，散热水道具有进水口、出水口。冷却液由进水口进入位于散热器7内部的散热水道，吸收散热器7的热量，并最终由出水口流出将所有热量带走。散热器7可以吸收覆金属层基板2传递来的热量，使功率模组9的温度降低。且由图1还可以看到，散热器7与塑封体1的上表面处于同一平面，这样可以使散热器7与覆金属层基板2的第二金属层2-2平整的贴合，提高所述功率模组9的散热性能。散热器7具有散热翅片，散热翅片可以增大散热面积，提高所述散热器7的散热效率。

本申请的第二种实施方式提供了一种功率模组的制造方法，所述方法如图7所示包括：

S1：将覆金属层基板2、热沉片3、芯片4通过焊接或烧结依次叠层设置；其中，热沉片3的厚度大于覆金属层基板2中第二金属层2-2的厚度，热沉片3在功率模组厚度方向上的投影覆盖芯片4在功率模组厚度方向上的投影；

S2：塑封，使用塑封体1将覆金属层基板2、热沉片3以及芯片4密封，塑封体1设置有凹陷部1-1、第一凹槽1-2与第二凹槽1-3；其中凹陷部1-1与第二凹槽1-3设置在塑封体1背离覆金属层基板2的一面，且凹陷部1-1在功率模组厚度方向上的投影覆盖芯片4在功率模组厚度方向上的投影；第一凹槽1-2与第二凹槽1-3相对设置，第一凹槽1-2设置在塑封体1靠近覆金属层基板2的一面，且第二凹槽1-3在功率模组厚度方向上的投影覆盖第一凹槽1-2在功率模组厚度方向上的投影。

塑封体1所采用的塑封料使用低模量的塑封料，可以提高功率模组的可靠性，塑封料可以采用弹性模量在0.5GPa～20GPa之间的材料形成，例如环氧塑封料等，在此不作限定。在具体实施时，塑封完成后可以对功率模块的上下表面进行研磨，使功率模块的两面平行。当然，也可以根据需求不用研磨。示例性的，塑封后还可以对裸露在功率模组外部的引脚5进行镀锡处理，以防止引脚5氧化和增加引脚5的可焊性。

制作完整的功率模组，在S1之后还具有S11，通过焊接或烧结将芯片4利用所述键合线6或互联片与引脚5电连接。同时在S2之后还具有S21，对引脚5进行冲压成型，使引脚5形成鸥翼形或直插形。

本申请的第三种实施方式提供了一种功率变换电路，所述功率变换电路包括电容和至少一个如以上任一申请实施例中功率模组，功率模组与电容电连接，电容用于为功率模组提供电压，功率变换电路用于交/直流转换。本申请实施例中，功率模组的结构和工作原理可以参考上述实施例的描述，本申请实施例中不再赘述。

一般的，本申请实施例提供的功率变换电路，功率变换电路包含了以上任一申请实施例中的功率模组，由于功率模组采用了上述实施例中的结构，使得功率模组的散热性能大大提高，同时耐压性也得到增强，因此相同面积的功率芯片，采用本申请实施例的功率模组的功率芯片可以承受更高的电流，从而获得更高的功率密度，而采用此功率模组的功率变换电路，也因此可以输出更高的功率，具有更高的功率转化效率。同时，由于本申请实施例中的功率模组，设置凹陷部与第二凹槽，进一步提高功率模组的可靠性，延长了芯片4工作寿命长，同样也提高了实施例三中功率变换电路的可靠性。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种功率设备，其特征在于，所述功率设备包括：电路板、功率模组和散热器，所述功率模组设置于电路板上，所述散热器设置于所述功率模组背离所述电路板的一面；

所述功率模组包括覆金属层基板、芯片和塑封体，所述覆金属层基板与所述芯片叠层设置，且塑封在所述塑封体内；

所述塑封体包括凹陷部，所述凹陷部设置于所述塑封体背离所述散热器的一面，并且位于所述塑封体背离所述散热器一面的表面与电路板之间，以在所述电路板和塑封体之间形成应力释放空间，且所述凹陷部在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影。

2.根据权利要求1所述的功率设备，其特征在于，所述功率模组还包括热沉片，所述热沉片位于所述覆金属层基板与所述芯片之间，所述热沉片的厚度大于所述覆金属层基板中金属层的厚度，所述热沉片在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影。

3.根据权利要求1或2所述的功率设备，其特征在于，所述功率模组还包括第一凹槽与引脚，所述第一凹槽设置于所述塑封体靠近所述散热器的一面，且位于所述塑封体与所述散热器之间，以形成面向所述散热器的凹陷空间，使得所述引脚与所述散热器之间的爬电距离得到增加；

所述引脚的第一部分设置于所述塑封体内，所述功率模组通过所述引脚的第二部分设置于所述电路板上。

4.根据权利要求1-3所述的功率设备，其特征在于，所述功率模组还包括第二凹槽，所述第二凹槽设置于所述塑封体背离所述散热器的一面，且位于所述塑封体与所述电路板之间，且沿所述电路板表面延伸，形成面向所述引脚开口的扁平空间。

5.根据权利要求1-4任一所述的功率设备，其特征在于，所述功率模组中的芯片为多个，所述凹陷部包括至少一个子区域，每个所述凹陷部的子区域对应至少一个芯片。

6.根据权利要求1-5任一所述的功率设备，其特征在于，所述塑封体包括第一凹槽，包括：所述第一凹槽的侧壁设置有至少一个阶梯齿。

7.根据权利要求1-6任一所述的功率设备，其特征在于，所述塑封体包括第一凹槽，包括：所述第一凹槽中包括至少一个子凹槽。

8.根据权利要求1-7任一所述的功率设备，其特征在于，所述凹陷部的侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角不为零，所述凹陷部的底部宽度小于所述凹陷部顶部宽度；

所述第一凹槽的侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角不为零，所述第一凹槽的底部宽度小于所述第一凹槽顶部宽度；

所述第二凹槽的侧壁与所述功率模组厚度方向的夹角不为零，所述第二凹槽的底部宽度小于所述第二凹槽顶部宽度。

9.一种功率模组，其特征在于，所述功率模组包括覆金属层基板、芯片和塑封体，所述覆金属层基板与所述芯片叠层设置，且塑封在所述塑封体内；

所述塑封体包括凹陷部，所述凹陷部设置于所述塑封体背离所述覆金属层基板的一面，且所述凹陷部在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影，以在所述芯片背离所述覆金属层基板的一面的塑封体上形成应力释放部。

10.根据权利要求1-4任一所述的功率模组，其特征在于，所述功率模组包括热沉片，所述热沉片设置于所述覆金属层基板与所述芯片之间，所述热沉片的厚度大于所述覆金属层基板中金属层的厚度，所述热沉片在所述功率模组厚度方向上的投影覆盖所述芯片在所述功率模组厚度方向上的投影。

11.根据权利要求1所述的功率模组，其特征在于，所述功率模组还包括第一凹槽与引脚，所述第一凹槽设置于所述塑封体靠近所述覆金属层基板的一面，以在所述塑封体靠近所述覆金属层基板的一面形成凹陷区域，使得所述第一凹槽所述引脚与散热器之间的爬电距离得到增加；

所述引脚的第一部分设置于所述塑封体内，所述引脚的第二部分用于将所述功率模组设置于电路板上。

12.根据权利要求1或2所述的功率模组，其特征在于，所述功率模组还包括第二凹槽，所述第二凹槽设置于所述塑封体背离所述覆金属层基板的一面，且沿所述塑封体背离所述覆金属层基板的一面延伸，以形成面向所述引脚开口的扁平空间。

13.根据权利要求1-3任一所述的功率模组，其特征在于，所述功率模组中的芯片为多个，所述凹陷部包括至少一个子区域，每个所述凹陷部的子区域对应至少一个芯片。

14.根据权利要求1-5任一所述的功率模组，其特征在于，所述塑封体包括第一凹槽，包括：所述第一凹槽的侧壁设置有至少一个阶梯齿。

15.根据权利要求1-6任一所述的功率模组，其特征在于，所述塑封体包括第一凹槽，包括：所述第一凹槽中包括至少一个子凹槽。

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