本發(fā)明涉及一種功率模塊，且更具體地，涉及一種能夠提高結構穩(wěn)定性，同時在高溫下保持穩(wěn)定和可靠的功率模塊。

背景技術：

功率模塊是安裝在幾乎所有電子設備中的部件，并且功率模塊用于供電、轉換電力并確保穩(wěn)定性和效率。

功率模塊的示例包括：絕緣柵雙極晶體管(IGBT)模塊，其可布置在專用情況中，同時IGBT具有安裝在其中的多個二極管；嵌入電流傳感器的智能功率模塊(IPM：intelligent power module)，其中添加了用于過流、過熱等的保護電路；以及，金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)模塊。

此外，某些功率模塊，例如雙側冷卻型功率模塊，可以具有彼此隔開來彼此面對的兩個襯底的結構形成。

兩個襯底包括在上下方向上彼此隔開的上襯底和下襯底，其中，半導體元件可安裝在上襯底與下襯底之間，并且可通過導線(wire)將引線(lead)與半導體元件的電極電連接。

在此情況下，如果導線與上襯底接觸，則會發(fā)生電氣短路。為此，可在上襯底與下襯底之間安裝間隙子(spacer)來確保上襯底與下襯底之間的垂直間隔，從而防止導線與上襯底接觸。

然而，現(xiàn)有的功率模塊具有如下缺陷：如果因高溫條件下的熱膨脹而導致應力被施加至半導體元件，則間隙子的變形會很嚴重，并且，間隙子的變形會引起上襯底和/或下襯底的變形，因此在高溫下，功率模塊的穩(wěn)定性和可靠性會降低。

此外，間隙子主要由銅鉬(Cu-Mo)材料制成。然而，由銅鉬材料制成的間隙子會具有較大電阻，并且會非常昂貴。

此外，現(xiàn)有的功率模塊具有以下缺陷，其中，導線的兩端可通過 超聲波焊接與半導體元件和引線接合，因此容易因相對小的外力在接合表面上發(fā)生短路。此外，導線的接合區(qū)狹窄，因此導線容易因集中的外力而發(fā)生斷裂。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一方面提供了一種功率模塊，其通過簡化制造過程，能夠提高結構穩(wěn)定性，同時確保在高溫下的穩(wěn)定性和可靠性，并減少電阻、提高耐久性等。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，一種功率模塊包括：上襯底，其配置成具有金屬層；下襯底，其配置成與所述上襯底隔開，并具有面對上襯底的金屬層的金屬層；半導體元件，其配置成布置在上襯底與下襯底之間；以及，至少一個支腳部(leg portion)，其配置成在上襯底的金屬層和下襯底的金屬層中的至少一者上形成，從而以預定的間隔將上襯底和下襯底彼此隔開，其中，支腳部可配置成將半導體元件與上襯底的金屬層或下襯底的金屬層電連接。

通過粘合劑將半導體元件的頂面與上襯底的金屬層電連接，并將半導體元件的底面與下襯底的金屬層電連接。

上襯底的頂面和下襯底的底面上分別設置有冷卻模塊。

根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，一種功率模塊包括：上襯底，其配置成具有上絕緣層，以及在上絕緣層的底面上形成的金屬層；下襯底，其配置成與上襯底隔開，并具有下絕緣層，以及在下絕緣層的頂面上形成的金屬層；至少一個半導體元件，其配置成分別與上襯底的連接層及下襯底的連接層相連；以及，至少一個支腳部，其配置成從上襯底的金屬層朝向下襯底彎曲，其中，支腳部可具有與下襯底的金屬層接合的接合端部。

可通過粘合劑將支腳部的接合端部與下襯底的金屬層接合。

支腳部可形成為在上襯底的金屬層的邊緣處彎曲，并且支腳部的高度可等于上襯底的底面與下襯底的頂面之間的間隔。

下襯底的金屬層可一體地形成有引線。

上襯底還可包括在上絕緣層的頂面上形成的金屬層。

上襯底的上部可與上冷卻模塊連接。

下襯底還可包括在下絕緣層的底面上形成的金屬層。

下襯底的下部可與下冷卻模塊連接。

根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，一種功率模塊包括：上襯底，其配置成具有上絕緣層，以及在上絕緣層的底面上形成的金屬層；下襯底，其配置成與上襯底隔開，并具有下絕緣層，以及在下絕緣層的頂面上形成的金屬層；至少一個半導體元件，其配置成分別與上襯底的連接層及下襯底的連接層連接；以及，至少一個支腳部，其配置成從下襯底的金屬層朝向上襯底彎曲，其中支腳部可具有與上襯底的金屬層接合的接合端部。

可通過粘合劑將支腳部的接合端部與上襯底的金屬層接合。

支腳部可在下襯底的金屬層的邊緣處形成彎曲，并且支腳部的高度可等于上襯底的底面與下襯底的頂面之間的間隔。

上襯底的金屬層可一體地形成有引線。

上襯底還可包括在上絕緣層的頂面上形成的金屬層。

上襯底的上部可與上冷卻模塊相連。

下襯底還可包括在下絕緣層的底面上形成的金屬層。

下襯底的下部可與下冷卻模塊相連。

附圖說明

從下文結合附圖進行的詳細描述中，本發(fā)明的上述及其他目標、特征和優(yōu)勢將變得更加顯而易見。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的功率模塊的側視截面圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的功率模塊的透視圖；

圖3是沿著圖2中的A-A線切開的截面圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的又一示例性實施例的功率模塊的側視截面圖。

附圖標記說明：

10:上襯底

11:上絕緣層

13:金屬層

20:下襯底

21:下絕緣層

23:金屬層

31:支腳部

33:接合端部

具體實施方式

應當理解的是，本文所使用的術語“車輛”或“車輛的”或者其他相似術語包括一般的機動車輛，例如包括運動型多用途車(SUV)、公交車、卡車、各式商用車輛在內(nèi)的載客車輛，包括各種艇和船在內(nèi)的水運工具，以及航空器等等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、插電式混合動力電動車輛、氫動力車輛以及其他代用燃料車輛(例如，從石油以外的資源取得的燃料)。如本文所述，混合動力車輛是同時具有兩種或多種動力源的車輛，例如，同時汽油驅(qū)動和電驅(qū)動的車輛。

本文所使用的專有名詞僅是為了說明特定實施例的目的，而非意在限制本發(fā)明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚表明，單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”意在也包括復數(shù)形式。還將理解的是，當在本說明書中使用時，詞語“包括”和/或“包含”規(guī)定所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所使用的，詞語“和/或”包括一個或多個相關列出項目的任何或全部組合。

貫穿說明書，除非明確說明與之相反，詞語“包括”和其變形例如“包含”或者“含有”將被理解成意味著包括所述元素但是不排除任意其他元素。此外，在說明書中描述的詞語“單元”、“-機”、“-器”以及“模塊”意味著用于處理至少一個功能和操作的單元，并且其可通過硬件組件或者軟件組件以及其二者接合進行實施。

此外，本發(fā)明的控制邏輯可實施為包含由處理器、控制器等執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令的計算機可讀介質(zhì)上的非暫時性計算機可讀介質(zhì)。計算機可讀介質(zhì)的示例包括但不限于ROM、RAM、光盤(CD)-ROM、磁帶、軟盤、閃存、智能卡和光學數(shù)據(jù)存儲設備。計算機可讀記錄介質(zhì)也可分布在網(wǎng)絡連接的計算機系統(tǒng)中，以便例如通過遠程信息處理服務器或控制器局域網(wǎng)絡(CAN)，以分布方式存儲和執(zhí)行計算機可讀介質(zhì)。

在下文中，將參考附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施例。為了參考，在附圖中示出的、用于描述本發(fā)明的示例性實施例而進行參考的部件的尺寸、線的厚度等可為了便于理解進行稍微地夸張。此外，可考慮本發(fā)明中的功能定義用于描述本發(fā)明的術語，因此其可根據(jù)用戶、操作者的意圖和實施等進行變化。因此，應當基于貫穿說明書的內(nèi)容理解術語的定義。

參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實施例的功率模塊可包括：上襯底10；下襯底20，其與上襯底10隔開；以及，半導體元件50，其安裝在上襯底10與下襯底20之間。如本文所提供的，半導體元件50指的是一個或多個半導體元件，例如，有源器件例如半導體芯片，和/或無源器件，例如電感器或電容器。

上襯底10可包括上絕緣層11，以及在上絕緣層11的底面上形成的至少一個金屬層13。

上絕緣層11可由絕緣材料，例如陶瓷制成，金屬層13可由導電材料，例如銅制成。

此外，甚至在上絕緣層11的頂面可由導電材料，例如銅的金屬層15形成。

下襯底20可包括下絕緣層21，以及在下絕緣層21的頂面上形成的至少一個金屬層23。

下絕緣層21可由絕緣材料，例如陶瓷制成，金屬層23可由導電材料，例如銅制成。

此外，甚至下絕緣層21的底面可形成有導電材料，例如銅，的金屬層25。

同時，在上襯底10的金屬層13或者下襯底20的金屬層23上一體地形成至少一個支腳部31，其中，支腳部31可形成為從上襯底10的金屬層13或從下襯底20的金屬層23朝向相對的襯底彎曲，從而可以預定的間隔將上襯底10與下襯底20彼此隔開。

參考圖1，可在上襯底10的金屬層13上一體地形成支腳部31。具體地，支腳部31可彎曲成從上襯底10的金屬層13朝向下襯底20的金屬層23傾斜，并且支腳部31的下端可形成與下襯底20的金屬層23接合的接合端部33。

可通過由導電材料，例如銀(Ag)制成的粘合劑32接合支腳部31的接合端部33。

可根據(jù)傳導的電流強度控制接合端部33的接合面積。因此，考慮上襯底10的變形優(yōu)選使接合端部33的接合面積最小。

此外，優(yōu)選在至少三個部位形成支腳部31，因此，可實施穩(wěn)定的支承結構。

具體地，可通過支腳部31的垂直高度h確定上襯底10與下襯底20之間的間隔。

半導體元件50可安裝在上襯底10與下襯底20之間。具體地，可通過粘合劑12將半導體元件50的頂面與上襯底10的金屬層13接合，并可與上襯底10的金屬層13電連接，可通過粘合劑22將半導體元件50的底面與下襯底20的金屬層23接合，并可與下襯底20的金屬層23電連接。粘合劑12和22可由導電材料，例如，銀制成。

如上所述，由于支腳部31電連接在上襯底10的金屬層13與下襯底20的金屬層23之間，半導體元件50的頂面與上襯底10的金屬層13電連接，并且半導體元件50的底面與下襯底20的金屬層23電連接，因此半導體50的電極可與下襯底20的金屬層23電連接，從而可替代現(xiàn)有功率模塊的引線接合。

總之，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，與現(xiàn)有引線接合相比，支腳部31電連接在半導體元件50的電極與下襯底20的金屬層23之間，支腳部31的接合端部33的接合面積大于導線的接合面積，從而使抵抗外力的抵抗性(resistance)得以提高，并且支腳部31向半導體元件50集中地施加應力，因此將顯著提高結構的剛度。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的功率模塊的透視圖，并且圖3是沿著圖2的A-A線切開的截面圖。

圖2和圖3示出上襯底10的金屬層13上的三個支腳部31彎曲成朝向下襯底20傾斜的結構。

如此，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，至少有三個支腳部31與下襯底20的金屬層23接合，從而顯著地提高了結構的穩(wěn)定性。具體地，根據(jù)在圖2至圖3中所描述的示例性實施例，盡管能夠提供任意數(shù)量的支腳部(例如，1、2、3、4、5，或更多)，但優(yōu)選提供3個支腳部。

此外，下襯底20的金屬層23可一體地形成有電連接在半導體元件50與外部電路之間的引線41。因此，由于無需單獨的引線41接合過程，因此制造過程將被簡化，從而顯著減少制造成本。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的又一示例性實施例的功率模塊的側視截面圖。

參考圖4，支腳部31可在下襯底20的金屬層23上一體地形成。具體地，支腳部31可彎曲成從下襯底20的金屬層23朝向上襯底10的金屬層13傾斜，并且支腳部31的上端可形成有與上襯底10的金屬層13接合的接合端部33。

其余組件與前述示例性實施例類似或相同，因此將省略其詳細描述。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，可在上襯底或下襯底上一體地形成將上襯底與下襯底彼此隔開的支腳部來替代單獨的間隙子，從而減少電阻并提高耐久性，同時簡化制造過程。

此外，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，支腳部可控制上襯底與下襯底之間的間隔來裝配半導體元件，從而有效地實現(xiàn)整體上的薄型結構，從而使功率模塊小型化。

具體地，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，代替間隙子，支腳部將上襯底與下襯底彼此隔開，將半導體元件的頂面與上襯底直接接合，并將半導體元件的底面與下襯底直接接合。因此，甚至當在高溫條件下發(fā)生熱膨脹時，也可減少施加在半導體元件上的應力，從而能防止上襯底和下襯底變形，因此，顯著地提高了高溫下的穩(wěn)定性和可靠性。

此外，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，由于支腳部將半導體元件與上襯底的金屬層或下襯底的金屬層電連接，因此無需單獨地引線接合，因此提高了結構的穩(wěn)定性。

在上文中，盡管已經(jīng)參考示例性實施例和附圖描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此，而是在不違背在所附權利要求中主張的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可由本發(fā)明所屬領域內(nèi)的技術人員做出各種修改和變化。