功率模块、电机控制器及车辆的制作方法

1.本发明涉及功率模块技术领域，尤其涉及一种功率模块、电机控制器及车辆。


背景技术：

2.在新能源汽车中，功率模块为电驱动系统的重要组成部分。功率模块通常由功率器件与封装(package)构成，其作用是将动力电池提供的直流电压与电流转换成交流电压与电流以驱动电机输出扭矩。功率模块可输出的峰值功率受限于模块内部功率器件运行时的最高结温，为功率模块的关键性能之一。相比于传统igbt功率器件最高175℃的耐受结温，碳化硅器件可承受更高的运行结温。碳化硅功率器件的大规模应用，对于封装材料与封装工艺提出了更高的挑战。转模塑封(transfer molding)工艺使用塑封材料替代传统封装中的硅凝胶材料包裹功率器件以提供绝缘与保护，具备高可靠性，高运行温度，高功率密度的特点，在碳化硅功率模块的封装中具备显著的优势。
3.如图1a和图1b所示，转模塑封工艺制造的功率模块通常由多个半桥模块110焊接在散热基板100上组成，每个半桥模块110通常包括电气连接基板112、功率芯片113、bonding线114、电气接口及塑封材料116。即每一个功率模块可包含一个或多个由塑封材料包裹的独立塑封体，即独立的半桥模块。在电驱动系统的应用中，功率模块通常由三个独立塑封体构成，以实现三相逆变功能并驱动三相电机。功率模块的电气接口通常包含多个端子115，例如功率端子与信号端子。功率端子用于连接动力电池与电机，信号端子用于连接驱动功率器件的驱动信号与监控功率模块状态的电气信号。功率模块的功率端子与信号端子通常由塑封材料116的侧面引出，以便与模块外部建立电气连接。由于每个塑封体需要独立的电气接口，相邻塑封体必须在设计与装配的过程中预留足够的间距以避免侧面引出的端子出现干涉，并保证足够的电气间隙。因此，当前侧面引出端子的设计增加了功率模块的体积并降低了功率密度。


技术实现要素：

4.为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本发明提供一种功率模块的封装方案，该方案可应用于新能源车辆的电驱动系统中，有效提高功率模块与电驱动系统的功率密度。
5.本发明第一方面提供一种功率模块，其包括至少一功能单元，所述功能单元包括第一端子、第二端子，和从下至上依序铺设的绝缘基板、功能线路层及保护结构；其中：
6.所述功能线路层分别设置有多个连接区域，所述第一端子和所述第二端子的一端分别连接于对应的所述连接区域，所述第一端子和/或所述第二端子的另一端分别从保护结构的端面伸出；所述保护结构覆盖于所述功能线路层并露出所述第一端子或所述第二端子的另一端。
7.一些实施方式中，所述功能单元的数量大于或等于2，相邻两个所述功能单元之间的预留距离是为防止工艺过程中功能单元间发生干涉的安全距离。
8.一些实施方式中，所述功能单元为半桥模块；多个所述功能单元相互并联。
9.一些实施方式中，所述第一端子为信号端子；所述第一端子的一端连接于对应的所述连接区域；或所述功能单元还包括第一连接件，所述第一端子的一端连接于所述第一连接件，所述第一连接件连接于对应的所述连接区域。
10.一些实施方式中，所述第二端子为功率端子；所述功能单元还包括第二连接件，所述第二端子的一端连接于连接件，所述第二连接件连接于对应的所述连接区域。
11.一些实施方式中，所述第一连接件的高度小于、大于或等于所述保护结构的高度；所述第二连接件的高度小于、大于或等于所述保护结构的高度。
12.一些实施方式中，所述第一端子的另一端分别从保护结构的端面伸出，及所述第二端子的另一端分别从保护结构的端面伸出；或
13.所述第一端子的另一端分别从保护结构的端面伸出，及所述第二端子的另一端分别从所述保护结构的侧面伸出；或
14.所述第二端子的另一端分别从保护结构的端面伸出，及所述第一端子的另一端分别从所述保护结构的侧面伸出。
15.一些实施方式中，所述保护结构为填充材料或保护罩。
16.本发明第二方面提供一种电机控制器，其包括上述任一实施方式所述的功率模块。
17.本发明第三方面提供一种车辆，其包括上述任一实施方式所述的电机控制器。
18.本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
19.本发明的功率模块，在将各功能单元的第一端子和/或第二端子的另一端从保护结构的端面引出，使各功能单元之间更加紧凑，满足小型化结构需求的同时，各端子可以灵活采用不同类型的连接方式，满足不同应用场景的安装需求，具有广泛的适用性。
20.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
21.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细地描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
22.图1a是相关技术中的功率模块的结构剖面示意图；
23.图1b是图1a中的功率模块的端子引出结构示意图；
24.图2是本发明一实施例示出的功率模块的引出结构示意图；
25.图3a是本发明另一实施例示出的功率模块的各端子引出结构示意图；
26.图3b是本发明另一实施例示出的功率模块的各端子引出结构示意图；
27.图4a是本发明实施例一示出的功率模块的信号端子引出结构剖面示意图；
28.图4b是本发明实施例一示出的功率模块的信号端子引出结构剖面示意图；
29.图4c是本发明实施例二示出的功率模块的信号端子引出结构剖面示意图；
30.图4d是本发明实施例二示出的功率模块的信号端子引出结构剖面示意图；
31.图4e是本发明实施例三示出的功率模块的信号端子引出结构剖面示意图；
32.图4f是本发明实施例三示出的功率模块的信号端子引出结构剖面示意图；
33.图5a是本发明实施例四示出的功率模块的功率端子引出结构剖面示意图；
34.图5b是本发明实施例四示出的功率模块的功率端子引出结构剖面示意图；
35.图5c是本发明实施例五示出的功率模块的功率端子引出结构剖面示意图；
36.图5d是本发明实施例五示出的功率模块的功率端子引出结构剖面示意图。
37.附图标记：
38.半桥模块110；散热基板111；电气连接基板112；功率芯片113；bonding线114；端子115；塑封材料116；空间120；
39.功能单元210；第一端子211；第二端子212；绝缘基板213；功能线路层214；保护结构215；第一连接件216；第二连接件217；连接层218；安全距离l。
具体实施方式
40.下面将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。虽然附图中显示了本发明的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
41.在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
42.应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
43.相关技术中，如图1a和图1b所示，当功率模块同时集成有多个半桥模块110时，各半桥模块110分别具有各自的电气连接基板112，每个半桥模块110分别要引出各自的端子115，以便分别与外部电器建立连接。然而，相邻两个半桥模块110之间需要腾出空间140以供端子115的布置。当端子115数量众多时，为了有足够的位置布置端子115，一般从每个半桥模块110的塑封材料116的四侧引出端子，使得功率模块的整体结构较大。
44.针对上述问题，本发明实施例提供一种功率模块，能够使各功能单元之间更加紧凑，满足功率模块的小型化结构需求。
45.以下结合附图详细描述本发明实施例的技术方案。
46.参见图2，本发明一实施例提供一种功率模块，包括至少一功能单元210，功能单元210包括第一端子211、第二端子212，和从下至上依序铺设的绝缘基板213、功能线路层214及保护结构215；其中：功能线路层214分别设置有多个连接区域，第一端子211和第二端子212的一端分别连接于对应的连接区域，第一端子211和/或第二端子212的另一端分别从保护结构215的端面伸出；保护结构215覆盖于功能线路层214并露出第一端子211或第二端子
212的另一端。
47.可以理解，功率模块还包括散热基板111，各功能单元210分别设置于散热基板111上。单个功能单元210包括绝缘基板213、功能线路层214及保护结构215，其中，保护结构215覆盖于功能线路层214之上，以对功能线路层214进行保护，并具有防水、防尘及绝缘的效果。一些实施方式中，保护结构215可以采用填充材料固化成型，或者采用成型的保护罩等盖板结构。其中，填充材料例如可以是环氧模塑料。
48.单个功能单元210的功能线路层214可以根据实际需求进行电路设计，例如电路可以是半桥电路、全桥电路、斩波电路等。相应地，单个功能单元210则可以是半桥模块、全桥模块、斩波模块等。功能线路层214可以是预先蚀刻出相应的电路的金属铜板，并可以在金属铜板上的相关回路的空白位置(例如没有贴附芯片或其他元器件的位置)作为端子的连接区域，使得各端子的一端可以连接于连接区域，以便外部电器通过端子与对应的回路导通。可以理解，根据第一端子211和第二端子212的实际数量，可以预先在相应的回路上设计好各端子的排布位置，从而将相应的排布位置作为各端子一端的连接区域。
49.根据不同的用途，端子的类型可以分为第一端子211和第二端子212(以下简称“各端子”)。其中，第一端子211可以为信号端子，第二端子212可以为功率端子。具体的，信号端子通常用于传递控制监测信号，如栅极电压信号、ntc(热敏电阻值)采样信号、开尔文源极信号及漏源电压信号等；功率端子通常用于正极、负极和ac输出端的连接等。
50.为了便于功率模块通过各端子与其他电器建立连接，各端子的另一端从朝向保护结构215的端面方向伸出，即各端子从背离绝缘基板213的方向引出，而非在保护结构215的四侧形成引出口。通过这样的端子引出方式，当端子数量较多时，可以将多个不同位置的端子的引出位置集中在保护结构215的端面，而非将引出口分散在不同的方位。这样的设计，使得单个功能单元210的整体结构更加集中，继而使多个功能单元210之间更加紧凑，减小不同功能单元210之间的间隔距离，使得功率模块本体可以更加小型化。
51.如图2和图4a所示，一些实施方式中，功率模块的同一个功能单元210的第一端子211的另一端分别从保护结构215的端面伸出，及第二端子212的另一端分别从保护结构215的端面伸出，即第一端子211和第二端子212的另一端的引出口均设置在保护结构215的端面。通过将所有端子的引出口均设置在保护结构215的端面，从而可以集中布置各端子的引出口的方位，无需分散布置，有利于整体结构的紧凑化。
52.如图3a所示，一些实施方式中，功率模块的同一个功能单元210的第一端子211的另一端分别从保护结构215的端面伸出，及第二端子212的另一端分别从保护结构215的侧面伸出。如图3b所示，一些实施方式中，功率模块的同一个功能单元210的第一端子211的另一端分别从保护结构215的侧面伸出，及第二端子212的另一端分别从保护结构215的端面伸出。也就是说，即第一端子211和第二端子212的另一端分别从保护结构215的不同方位伸出，但至少部分端子是从保护结构215的端面伸出，从而可以更灵活地设计端子位置的布置。
53.可选地，当单个功率模块上具有多个功能单元210时，不同的功能单元210可以根据实际设计需求布置各端子的引出方位。例如，各功能单元210的端子引出方位可以全部参考图2中的设计。或者将一些功能单元210的端子引出方位参考图2中的类似设计，另一些功能单元210参考图3a中的类似设计或图3b中的类似设计。通过多样化的引出设计，在进一步
使功率模块的结构更为紧凑的同时，还可以灵活满足产品的实际结构设计需求。
54.一些实施方式中，功能单元210的数量大于或等于2，相邻两个功能单元210之间的预留距离为防止工艺过程中功能单元间发生干涉的安全距离l。可以理解，安全距离l是在保证电气性能稳定和安全的情况下，防止工艺过程中发生干涉的最短距离。当功能单元210的数量为2个以上时，两个功能单元210之间不存在任何端子的阻隔，即间隙所在的空间内没有其他零部件布置，任意相邻的两个功能单元210之间的距离仅需要设计为安全距离，则可以将功率模块的结构尺寸达到最小化。
55.另外功率密度是输出功率与功率模块质量或体积的比值，功率模块在相同的出流情况下(即输出功率相同)，模块的质量或体积越小，其功率密度越大。
56.因此，在散热基板上放置一个或多个功能单元210时，基于散热基板本身的尺寸有限，使得每个功能单元210的绝缘基板213的尺寸也受到限制。在使功率模块整体结构更加小型化的同时，各零部件的尺寸进一步受到压缩。如图2与图1b对比可见，图2中展示的空间120面积小于图1b中的空间面积。在此情景下，通过将各端子的引出位置布置在保护结构215的端面，使得相邻两个功能单元210的距离更紧凑的同时，可以变相扩大绝缘基板213的尺寸，即拓宽绝缘基板213，增大绝缘基板213的表面积，从而可以增强绝缘基板213的均热能力，实现单个功能单更高功率的输出。可以理解，当绝缘基板213尺寸变大时，功能线路层214上的芯片的间距可以进一步拉开增大，从而减小芯片之间的热耦合，使得相同输出功率下芯片的最高结温减小，防止芯片出现过热损坏。
57.如图2所示，一些实施方式中，单个功能单元210为半桥模块；多个功能单元210相互并联。也就是说，当功能单元210例如半桥模块的数量为多个时，可以将各半桥模块并联设置，各半桥模块之间的间隙仅需设计为安全距离，使功率模块的整体结构更加紧凑，不会造成空间的浪费。当然，功率模块中的功能单元210的数量也可以是1个，于此不作限制。
58.如图2和图4c所示，为了便于更快捷地完成功率模块的生产，一些实施方式中，第一端子211为信号端子；第一端子211的一端连接于对应的连接区域；或功能单元210还包括第一连接件216，第一端子211的一端连接于第一连接件216，第一连接件216连接于对应的连接区域。也就是说，当第一端子211为信号端子时，第一端子211可以直接连接在连接区域，也可以通过第一连接件216与功能线路层214连接。具体地，信号端子的一端例如可以采用焊接的方式直接连接在连接区域，也可以通过各类型的第一连接件216例如铜桥或底座等桥接在功能线路层214的连接区域。
59.如图2和图5a所示，一些实施方式中，第二端子212为功率端子；功能单元210还包括第二连接件217，第二端子212的一端连接于连接件，第二连接件217连接于对应的连接区域。一般而言，功率端子的轮廓尺寸大于信号端子的轮廓尺寸，为了更可靠地连接功率端子，功率端子需要通过第二连接件217与功能线路层214的连接区域互连。一些实施方式中，第二连接件217可以是铜垫片或铜桥。
60.为了便于理解本发明的功率模块，以下将结合附图进一步进行详细介绍。
61.实施例一
62.如图4a和4b所示的单个功能单元210中的信号端子的引出结构剖面示意图，图4a的保护结构215为填充材料，图4b中的保护结构215为保护罩。其中，功能单元210包括绝缘基板213和位于绝缘基板213上的功能线路层214，及位于绝缘基板213下方的连接层218，连
接层用于连接散热基板。此时第一端子211为信号端子，其一端直接连接于功能线路层214预设的连接区域。具体地，信号端子的一端可以先焊接在功能线路层214，再通过填充材料形成保护结构215或者安装保护罩形成保护结构215。其中，当采用填充材料例如环氧模塑料进行保护时，在完成各端子的焊接后，一并将功能线路层214带着端子进行塑封。当采用保护罩作为保护结构215时，预先在保护罩的端面开孔，信号端子在焊接完毕后，安装保护罩的同时，另一端从端面开孔穿出。
63.实施例二
64.如图4c和4d所示的信号端子的引出结构剖面示意图，图4c的保护结构215为填充材料，图4d中的保护结构215为保护罩。本实施例与上述实施例一的区别在于，信号端子采用第一连接件216例如铜桥与功能线路层214连接。本实施例中，如图4c所示，第一连接件216的高度可以等于保护结构215的高度；第一连接件216也可以大于保护结构215的高度，即第一连接件216露出于保护结构215；如图4d所示，第一连接件216也可以小于保护结构215的高度，即第一连接件216被完全覆盖于保护结构215之内。通过灵活设计第一连接件216的高度，可以满足信号端子在与外部电器连接时的装配需求。可选地，铜桥可以是c字构型或∑构型，通过桥接的连接方式并且使用更加立体的构型，有助于缓冲在塑封过程时产生的热应力，继而避免采用填充材料的保护结构215与各端子界面发生分层，提高连接可靠性。
65.实施例三
66.如图4e和4f所示的信号端子的引出结构剖面示意图，图4e的保护结构215为填充材料，图4f中的保护结构215为保护罩。本实施例与实施例二的区别在于，第一连接件216为底座。其中，底座可以是立方体结构，例如棱柱、圆柱等。本实施例中，可以预先在底座开设插槽，信号端子采用插针结构直接插设于底座的插槽内。可以理解，底座选用具有良好导电性的材料，例如金属铜等。同理，底座的高度可以小于、大于或等于保护结构215的高度，于此不再赘述。
67.实施例四
68.如图5a和5b所示的功率端子的引出结构剖面示意图，图5a的保护结构215为填充材料，图5b中的保护结构215为保护罩。本实施例中，第二端子212为功率端子。为了更可靠地连接功率端子，可以通过第二连接件217桥接于功能线路层214的连接区域。本实施例中，如图5a所示，第二连接件217的高度可以等于保护结构215的高度；第二连接件217也可以大于保护结构215的高度，即第二连接件217露出于保护结构215；如图5b所示，第二连接件217也可以小于保护结构215的高度，即第二连接件217被完全覆盖于保护结构215之内。通过灵活设计第二连接件217的高度，可以满足功率端子在与外部电器连接时的装配需求。本实施例中，第二连接件217为具有良好导电性的铜垫片，铜垫片可以是c字构型或∑构型。
69.在装配功率端子时，先将第二连接件217焊接于连接区域，再将功率端子的一端焊接于第二连接件217。当采用填充材料例如环氧模塑料进行保护时，在完成各端子与第二连接件217的焊接后，一并将功能线路层214带着各端子进行塑封。当采用保护罩作为保护结构215时，预先在保护罩的端面开孔，各功率端子在焊接完毕后，安装保护罩的同时，另一端从保护罩的开孔穿出。
70.实施例五
71.如图5c和5d所示的功率端子的引出结构剖面示意图，图5c的保护结构215为填充材料，图5d中的保护结构215为保护罩。本实施例与实施例四的区别在于，第二连接件217为铜桥。相较于铜垫片的实心结构，铜桥的立体镂空结构可以增大与填充材料的接触面积，提高连接的可靠性。
72.可以理解，在其他实施例中，当功能单元210同时包括多个信号端子和功率端子时，可以选择其中一种类型的保护结构215；同时，信号端子可以根据实际需求，选择直接焊接或者选用底座或铜桥与连接区域桥接；各功率端子则选择铜桥或铜垫片与连接区域桥接。另外，当选用桥接方式时，可以灵活设计各自的对应的第一连接件216和第二连接件217的高度，以满足与外部电器的连接需求。
73.综上可述，本发明的功率模块，在将各功能单元的第一端子和/或第二端子的另一端从保护结构的端面引出，使各功能单元之间更加紧凑，满足小型化结构需求的同时，各端子可以灵活采用不同类型的连接方式，满足不同应用场景的安装需求，具有广泛的适用性。
74.本发明一实施例还提供一种电机控制器，其包括上述任一实施例的功率模块。本发明的电机控制器应用于电动汽车中，以实现直流电与交流电的转换。
75.本发明一实施例还提供一种车辆，其包括上述任一实施例的电机控制器。一些实施方式中，车辆的类型为电动汽车。
76.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其他普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：
1.一种功率模块，其特征在于，包括至少一个功能单元，所述功能单元包括第一端子、第二端子，和从下至上依序铺设的绝缘基板、功能线路层及保护结构；其中：所述功能线路层分别设置有多个连接区域，所述第一端子和所述第二端子的一端分别连接于对应的所述连接区域，所述第一端子和/或所述第二端子的另一端分别从保护结构的端面伸出；所述保护结构覆盖于所述功能线路层并露出所述第一端子或所述第二端子的另一端。2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功能单元的数量大于或等于2，相邻两个所述功能单元之间的预留距离是为防止工艺过程中功能单位间发生干涉的安全距离。3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功能单元为半桥模块；多个所述功能单元相互并联。4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第一端子为信号端子；所述第一端子的一端连接于对应的所述连接区域；或所述功能单元还包括第一连接件，所述第一端子的一端连接于所述第一连接件，所述第一连接件连接于对应的所述连接区域。5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述第二端子为功率端子；所述功能单元还包括第二连接件，所述第二端子的一端连接于连接件，所述第二连接件连接于对应的所述连接区域。6.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于：所述第一连接件的高度小于、大于或等于所述保护结构的高度；所述第二连接件的高度小于、大于或等于所述保护结构的高度。7.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：所述第一端子的另一端分别从保护结构的端面伸出，及所述第二端子的另一端分别从保护结构的端面伸出；或所述第一端子的另一端分别从保护结构的端面伸出，及所述第二端子的另一端分别从所述保护结构的侧面伸出；或所述第二端子的另一端分别从保护结构的端面伸出，及所述第一端子的另一端分别从所述保护结构的侧面伸出。8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：所述保护结构为填充材料或保护罩。9.一种电机控制器，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的功率模块。10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求9所述的电机控制器。

技术总结
本发明涉及一种功率模块、电机控制器及车辆。该功率模块包括至少一功能单元，功能单元包括第一端子、第二端子，和从下至上依序铺设的绝缘基板、功能线路层及保护结构；其中：功能线路层分别设置有多个连接区域，第一端子和第二端子的一端分别连接于对应的连接区域，第一端子和/或第二端子的另一端分别从保护结构的端面伸出；保护结构覆盖于功能线路层并露出第一端子或第二端子的另一端。在将各功能单元的第一端子和/或第二端子的另一端从保护结构的端面引出，使各功能单元之间更加紧凑，满足小型化结构需求的同时，提高功率密度，且各端子可以灵活采用不同类型的连接方式，满足不同应用场景的安装需求，具有广泛的适用性。具有广泛的适用性。具有广泛的适用性。


技术研发人员：蔡哲豪 胡伟林 曹永锋 杨恒 陈皓 顾捷
受保护的技术使用者：广州小鹏汽车科技有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/20