便於串聯使用的大功率IGBT模塊的製作方法

2023-09-17 22:22:50

本實用新型涉及絕緣柵雙極電晶體的封裝技術領域，具體涉及一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊。

背景技術：

絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor—IGBT)結合了MOSFET和BJT兩者的優點，具有電壓驅動、通態壓降低、電流容量大等特點，被廣泛應用於工業、交通、電力、軍事、航空以及電子信息等領域。焊接式IGBT基於鍵合線導電的形式，將多個晶片並聯實現大功率，目前技術已經非常成熟。壓接式IGBT結合了GTO和IGBT兩者的優點，具有雙面散熱、高可靠性以及短路失效等特點，非常適合於電力系統、船舶等串聯應用領域。

對於焊接型IGBT，通過多個晶片並聯的形式來實現大電流，但是由於其封裝結構，導致功率等級太大時，晶片之間電流分布存在很大的不一致性，這是由於封裝幾何結構導致，此外單面散熱的封裝結構，不能夠像壓接型IGBT器件一樣方便地串聯。壓接式IGBT，可以實現多個晶片的密集並聯，但是對晶片的壓力一致性要求很高，且器件在運行時需要很大的鉗位壓力，從而對系統提出了很高的機械需求。

IGBT的概念自1982年提出以來，焊接式的IGBT目前已經廣泛地實現了商業化，大功率的焊接式IGBT器件生產商主要有三菱、英飛凌、富士電機、中國中車等。現有的兩種主流壓接形式為ABB公司推出的StakPak壓接型IGBT和Westcode公司的Press Pack IGBT。公開號為CN1596472A的實用新型專利公開了ABB公司的一種大功率半導體模塊，其壓接通過碟簧來實現，有利於實現壓力分布的均勻特性。公開號為US6678163B1的實用新型專利公開了Westcode公司的壓接型IGBT封裝結構，這種結構有利於雙面散熱，但是垂直於晶片表面方向上全部為硬壓接的方式，對於晶片、鉬片、銀片的厚度以及凸臺高度的一致性要求極高，因為細微的厚度將會導致壓力的極大差別，從而造成熱阻差別太大或者直接由於過大壓力造成晶片的物理損壞。

技術實現要素：

為了滿足現有技術的需要，本實用新型提供了一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊。

本實用新型的技術方案是：

所述大功率IGBT模塊包括功率子單元(1)、金屬電極板(3)和外部管殼(4)；

所述金屬電極板(3)設置在所述外部管殼(4)的底部；

所述外部管殼(4)包括兩列方形框架，每列方形框架包括多個順次排列的方形框架；所述兩列方形框架之間留有空間形成一個條狀框架；

所述功率子單元(1)設置在所述方形框架內且與所述金屬電極板(3)緊密接觸，其包括金屬端蓋(11)、柵極PCB板(17)、輔助柵極PCB板(2)和多個功率半導體晶片(13)；

所述輔助柵極PCB板(2)設置在所述條狀框架內，其通過所述方形框架的通孔(5)與柵極PCB板(17)連接；所述金屬端蓋(11)、金屬電極板(3)和柵極PCB板(17)分別與所述功率半導體晶片(13)的集電極、發射極和柵極電氣連接。

本實用新型進一步提供的優選實施例為：所述功率子單元(1)還包括絕緣基板(15)、導電金屬塊(16)、和子單元框架(18)；

所述絕緣基板(15)的上表面敷設有方形銅層(14)，其表面積小於所述絕緣基板(15)的表面積；所述方形銅層(14)的四個邊緣均等間距布置多個功率半導體晶片(13)，所述方形銅層(14)的中央設置一個銅柱(141)，該銅柱(141)的另一端與金屬端蓋(11)焊接或者燒接；

所述導電金屬塊(16)為具有一方形凹槽的方形金屬塊，其底部與所述金屬電極板(3)緊密接觸；所述方形凹槽內由下至上順次設置有絕緣基板(15)、方形銅層(14)和功率半導體晶片(13)；

所述子單元框架(18)套設在所述導電金屬塊(16)的外側，用於支撐所述金屬端蓋(11)與所述金屬電極板(3)；所述柵極PCB板設置在所述子單元框架(18)與導電金屬塊(16)之間。

本實用新型進一步提供的優選實施例為：所述功率半導體晶片(13)的集電極一側與所述方形銅層(14)接觸，其發射極通過發射極鍵合線(121)與所述導電金屬塊(16)連接，其柵極通過柵極鍵合線(12)與所述柵極PCB板連接；

所述功率半導體晶片(13)的集電極、方形銅層(14)、銅柱(141)和金屬端蓋(11)順次電氣連接；

所述功率半導體晶片(13)的發射極、發射極鍵合線(121)、導電金屬塊(16)和金屬電極板(3)順次電氣連接；

所述功率半導體晶片(13)的柵極、柵極鍵合線(12)、柵極PCB板(17)和輔助柵極PCB板(2)順次電氣連接。

本實用新型進一步提供的優選實施例為：

所述金屬電極板(3)的邊緣設置有一個輔助發射極端子，該輔助發射極端子與所述輔助柵極PCB板(2)引出所述條狀框架外的部分相對應。

本實用新型進一步提供的優選實施例為：

所述功率子單元(1)內部填充透明矽膠。

本實用新型進一步提供的優選實施例為：

所述外部管殼(4)採用陶瓷或者高強度複合材料。

與最接近的現有技術相比，本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型提供的一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊，既有利於功率半導體器件的串聯，同時不需要太大的鉗位壓力，降低了功率半導體器件在實際應用過程中對機械結構的要求；

2、本實用新型提供的一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊，可以根據所需電流等級選擇合適的功率半導體器件並聯數量，從而可以靈活調整大功率IGBT模塊的功率等級；

3、本實用新型提供的一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊，相對於壓接型IGBT器件而言，其壓力不需直接施加在功率半導體晶片上，因此不需考慮施加壓力是否一致的問題；

4、本實用新型提供的一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊，相對於焊接型IGBT器件而言，可以實現雙面散熱且每個功率半導體晶片的電流一致性更好。

附圖說明

圖1：本實用新型實施例中一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊示意圖；

圖2：本實用新型實施例中一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊分解示意圖；

圖3：本實用新型實施例中功率子單元內部視圖；

圖4：本實用新型實施例中功率子單元內部俯視圖；

圖5：本實用新型實施例中功率子單元內部剖視圖；

圖6：本實用新型實施例中柵極PCB板與輔助柵極PCB板布局圖；

其中，1：功率子單元；11：金屬端蓋；12：柵極鍵合線；121：發射極鍵合線；13：功率半導體晶片；14：方形銅層；141：銅柱；15：絕緣基板；16：導電金屬塊；17：柵極PCB板；18：子單元框架；2：輔助柵極PCB板；3：金屬電極板；31：輔助發射極端子；4：外部管殼；5：通孔。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地說明，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

下面分別結合附圖，對本實用新型實施例提供的一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊進行說明。

圖1為本實用新型實施例中一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊示意圖，圖2為本實用新型實施例中一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊分解示意圖，如圖1和2所示，本實施例中大功率IGBT模塊包括功率子單元1、金屬電極板3和外部管殼4。其中，

金屬電極板3設置在外部管殼4的底部。

外部管殼4包括兩列方形框架，每列方形框架包括多個順次排列的方形框架，同時兩列方形框架之間留有空間形成一個條狀框架。本實施例中外部管殼4採用陶瓷或者高強度複合材料。

功率子單元1設置在方形框架內且與金屬電極板3緊密接觸，本實施例中功率子單元1內部填充用於電氣絕緣的透明矽膠。

圖3為本實用新型實施例中功率子單元內部視圖，圖4為本實用新型實施例中功率子單元內部俯視圖，如圖3和4所示，本實施例中功率子單元1包括金屬端蓋11、柵極PCB板17、輔助柵極PCB板3、多個功率半導體晶片13、絕緣基板15、導電金屬塊16、和子單元框架18。金屬端蓋11、金屬電極板3和柵極PCB板17分別與功率半導體晶片13的集電極、發射極和柵極電氣連接。其中，

1、輔助柵極PCB板

本實施例中輔助柵極PCB板2設置在外部管殼4的條狀框架內，其通過方形框架的通孔5與柵極PCB板17連接。

2、絕緣基板

本實施例中絕緣基板15的上表面敷設有方形銅層14，其表面積小於絕緣基板15的表面積，從而有足夠的空間可以保證絕緣的要求。方形銅層14的四個邊緣均等間距布置多個功率半導體晶片13，中央設置一個銅柱141，該銅柱141的另一端與金屬端蓋11焊接或者燒接。

3、導電金屬塊

圖5為本實用新型實施例中功率子單元內部剖視圖，如圖所示，本實施例中導電金屬塊16為具有一方形凹槽的方形金屬塊，其底部與金屬電極板3緊密接觸。方形凹槽內由下至上順次設置有絕緣基板15、方形銅層14和功率半導體晶片13。

4、子單元框架

本實施例中子單元框架18套設在導電金屬塊16的外側，用於支撐金屬端蓋11與金屬電極板3。

圖6為本實用新型實施例中柵極PCB板與輔助柵極PCB板布局圖，如圖所示，本實施例中柵極PCB板設置在子單元框架18與導電金屬塊16之間，輔助柵極PCB板2引出條狀框架外一部分作為大功率IGBT模塊的柵極端子。同時，如圖1所示，本實施例中金屬電極板3的邊緣設置有一個輔助發射極端子31，該輔助發射極端子31與輔助柵極PCB板2引出條狀框架外的部分相對應。

如圖4和5所示，本實施例中功率半導體晶片13的集電極一側與方形銅層14接觸，其發射極通過發射極鍵合線121與導電金屬塊16連接，其柵極通過柵極鍵合線12與柵極PCB板連接。其中，

功率半導體晶片13的集電極、方形銅層14、銅柱141和金屬端蓋11順次電氣連接，功率半導體晶片13的發射極、發射極鍵合線121、導電金屬塊16和金屬電極板3順次電氣連接，功率半導體晶片13的柵極、柵極鍵合線12、柵極PCB板17和輔助柵極PCB板2順次電氣連接。

本實施例中功率半導體晶片13包括IGBT晶片和Diode晶片，二者的數量比例可以提前預置。功率半導體晶片13等間距設置在方形銅層14的四個邊緣，不僅限於圖4所示的每個邊緣設置4個功率半導體晶片13，可以是任意數量的功率半導體晶片13，也可以是以方形銅層14的中心軸為對稱軸呈圓形分布。

本實用新型實施例中一種便於串聯使用的大功率IGBT模塊，既有利於功率半導體器件的串聯，同時不需要太大的鉗位壓力，降低了功率半導體器件在實際應用過程中對機械結構的要求。

顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和範圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬於本實用新型權利要求及其等同技術的範圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。