一種水冷絕緣柵雙極型電晶體IGBT模塊的製作方法

2023-07-14 19:07:16

本發明屬於電力電子學領域，涉及功率模塊的設計、封裝和應用，具體地說是一種新型高可靠水冷絕緣柵雙極型電晶體igbt模塊。

背景技術：

目前絕緣柵雙極型電晶體igbt模塊在變頻器、逆變焊機、感應加熱、軌道交通以及風能、太陽能發電等領域的應用越來越廣泛，在新能源車這個新興市場的應用更是尤其重要。特別是功率模塊，除了對功率模塊結構和電路的可靠性要求外，對功率模塊的集成度、易用性要求也越來越高。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術存在的不足，提供一種結構合理、緊湊，使用方便可靠，能提高功率端子的抗擊熱應力和外部安裝引力，提高功率端子的整體牢固性，提高功率端子以及信號端子和絕緣基板連接的可靠性，減小整體模塊體積，增加模塊集成度，提高模塊易用性的大電流集成水冷的高可靠水冷絕緣柵雙極型電晶體igbt模塊。

本發明的目的是通過如下技術方案來完成的，一種水冷絕緣柵雙極型電晶體igbt模塊，包括絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分、絕緣基板dbc、功率端子、信號端子、鋁線、塑料外殼、矽凝膠、熱敏電阻、水冷鋁基板、導向柱、滾花螺母；所述的絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分和功率端子通過超聲波焊接，並通過軟鉛焊將所述絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分和功率端子焊接在絕緣基板dbc的導電銅層上；所述絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分的各晶片之間、絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分的各晶片與絕緣基板dbc2相應的導電層之間均通過鋁線鍵合進行電氣連接；塑料外殼和水冷鋁基板通過密封膠粘接；所述絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分、絕緣基板dbc、功率端子、信號端子、鋁線以及熱敏電阻上面均覆蓋有用於提高各原件之間耐壓的絕緣矽凝膠。

作為優選：所述的功率端子及信號端子採用純銅或者銅合金材料，表層裸銅或者電鍍金、鎳或錫中的可焊接金屬材料之一；

所述的塑料外殼採用ppa、pps或尼龍這些耐高溫、絕緣性能良好的塑料製成；

所述的鋁線採用純鋁或鋁合金材料，通過超聲波方式被鍵合連接於絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分和絕緣基板dbc；

所述的水冷鋁基板內部為空腔帶鰭片結構，兩端分別有散熱介質進出口，散熱介質為水、乙二醇等，在保證兩個進出水口擁有定額壓強差的情況下保持基板內散熱介質流動，帶走模塊多餘熱量；通過控制散熱介質流動速率在一定範圍內控制基板散熱能力。

作為優選：所述的絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分和絕緣基板dbc通過焊接方式連接，所述的絕緣基板dbc和水冷鋁基板通過焊接方式連接，絕緣基板dbc和熱敏電阻也通過焊接方式連接，所述三種種焊接方式均採用snpb、snag,、snagcu、pbsnag中含sn焊接材料之一，焊接最高溫度控制在100—400℃之間；所述功率端子布置於模塊的兩邊，並分布於模塊的兩條注塑邊上。

作為優選：所述的絕緣基板dbc與功率端子和信號端子分別通過超聲波或者焊接方式連接，並通過鋁線鍵合來進行電氣連接；所述的功率端子和信號端子以及導向柱和滾花螺帽局部被注塑外殼注塑包裹。

本發明通過注塑外殼局部注塑包裹功率端子，提高功率端子抗擊熱應力和外部安裝引力，提高功率端子整體牢固性；通過功率端子和絕緣基板dbc直接超聲波焊接的方法，消除傳統工藝端子焊接的疲勞缺陷，提高功率端子以及信號端子和絕緣基板dbc連接的可靠性；通過絕緣基板dbc回流焊接在帶有空腔結構，空腔內部為波浪型鰭片的水冷鋁基板上，減小整體模塊體積，增加模塊集成度，提高模塊易用性。

附圖說明

圖1為本發明所述高可靠水冷功率模塊電路結構示意圖。

圖2為本發明所述高可靠水冷功率模塊示意圖。

圖3為本發明所述高可靠水冷功率模塊局部放大示意圖。

圖4為本發明所述高可靠水冷功率模塊水冷基板內部流道示意圖。

圖5為本發明所述高可靠水冷功率模塊整體布局示意圖。

具體實施方式：

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。圖1-5所示，所述的一種水冷絕緣柵雙極型電晶體igbt模塊，包括絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分3、絕緣基板dbc2、功率端子5、信號端子7、鋁線6、塑料外殼8、矽凝膠4、熱敏電阻9、水冷鋁基板1、導向柱10、滾花螺母11；所述的絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分3和功率端子5通過超聲波焊接，並通過軟鉛焊將所述絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分3和功率端子5焊接在絕緣基板dbc2的導電銅層上；所述絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分3的各晶片之間、絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分3的各晶片與絕緣基板dbc2相應的導電層之間均通過鋁線6鍵合進行電氣連接；塑料外殼8和水冷鋁基板1通過密封膠粘接；所述絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分3、絕緣基板dbc2、功率端子5、信號端子7、鋁線8以及熱敏電阻9上面均覆蓋有用於提高各原件之間耐壓的絕緣矽凝膠4；新型高可靠功率模塊形成如圖1所示的電路結構。

本發明所述的功率端子5及信號端子7採用純銅或者銅合金材料，表層裸銅或者電鍍金、鎳或錫中的可焊接金屬材料之一；

所述的塑料外殼8採用ppa、pps或尼龍這些耐高溫、絕緣性能良好的塑料製成；

所述的鋁線6採用純鋁或鋁合金材料，通過超聲波方式被鍵合連接於絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分3和絕緣基板dbc2；

所述的水冷鋁基板3內部為空腔帶鰭片結構，兩端分別有散熱介質進出口，散熱介質為水、乙二醇等。在保證兩個進出水口擁有定額壓強差的情況下保持基板內散熱介質流動，帶走模塊多餘熱量。通過控制散熱介質流動速率在一定範圍內控制基板散熱能力。

圖中所示，所述的絕緣柵雙極型電晶體以及二極體的晶片部分3和絕緣基板dbc2通過焊接方式連接，所述的絕緣基板dbc2和水冷鋁基板1通過焊接方式連接，絕緣基板dbc2和熱敏電阻9也通過焊接方式連接，所述三種種焊接方式均採用snpb、snag,、snagcu、pbsnag中含sn焊接材料之一，焊接最高溫度控制在100—400℃之間；所述功率端子布置於模塊的兩邊，並分布於模塊的兩條注塑邊上。

本發明所述的絕緣基板dbc2與功率端子5和信號端子7分別通過超聲波或者焊接方式連接，並通過鋁線6鍵合來進行電氣連接；所述的功率端子5和信號端子7以及導向柱10和滾花螺帽11局部被注塑外殼8注塑包裹。

本發明採用注塑外殼8局部注塑包裹功率端子5，提高功率端子5抗擊熱應力和外部安裝引力，提高功率端子5整體牢固性。通過功率端子5和絕緣基板dbc直接超聲波焊接的方法，消除傳統工藝端子焊接的疲勞缺陷，提高功率端子5以及信號端子7和絕緣基板dbc連接的可靠性。通過絕緣基板dbc回流焊接在帶有空腔結構，空腔內部為波浪型鰭片的水冷鋁基板上，減小整體模塊體積，增加模塊集成度，提高模塊易用性，製造高可靠水冷絕緣柵雙極型電晶體模塊。