一種新能源車用igbt功率模塊的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及了一種新能源車用IGBT功率模塊，由IGBT芯片、Diode芯片、厚銅緩沖墊塊、功率端子、信號端子、冷卻基板、導(dǎo)熱絕緣層和樹脂注模組成，所述IGBT芯片和二極管芯片通過焊料層與厚銅緩沖墊塊相連，厚銅緩沖墊塊通過焊料層與厚銅功率端子相連，實(shí)現(xiàn)功率連接，厚銅功率端子通過導(dǎo)熱絕緣層與冷卻基板相連，樹脂注模之后形成IGBT功率模塊。IGBT功率模塊通過雙面布置單端針腳或是單端翅片的冷卻基板實(shí)現(xiàn)功率模塊雙面直接液冷，提高功率模塊的強(qiáng)制散熱能力；通過緩沖墊塊實(shí)現(xiàn)芯片與厚銅功率端子連接，增加芯片散熱熱容，提高芯片極限工況抗熱沖擊能力；通過內(nèi)置絕緣導(dǎo)熱片，消除外置絕緣片接觸不良或振動掉落引起熱阻增加造成模塊性能下降或模塊損壞。
【專利說明】
一種新能源車用IGBT功率模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及功率半導(dǎo)體封裝以及功率模塊領(lǐng)域，特別涉及一種新能源車用新型封裝結(jié)構(gòu)的大功率IGBT功率模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]面對日益枯竭的石油資源以及環(huán)境保護(hù)的巨大壓力，新能源車顯示了巨大優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。
[0003]新能源車的快速發(fā)展，帶動了車用逆變器的快速應(yīng)用。車用逆變器中的關(guān)鍵核心部件是IGBT功率模塊，該模塊通過開關(guān)動作實(shí)現(xiàn)電功率變換，將直流電變換為交流電，或?qū)⒔涣麟娮儞Q為直流電。
[0004]IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣棚.雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。
[0005]IGBT模塊是由IGBT(絕緣柵雙極型晶體管芯片)與FWD(續(xù)流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。
[0006]車用逆變器中的IGBT功率模塊不光有高性能的要求，還有高環(huán)境適應(yīng)性的要求。高性能要求模塊體積小、功率密度高;高環(huán)境適應(yīng)性要求模塊能在高壓、大電流、高溫、強(qiáng)振和瞬變工況下可靠運(yùn)行，即對模塊的功率循環(huán)、溫度循環(huán)和振動性能有較高要求。為達(dá)到以上要求，IGBT功率模塊必須在冷卻散熱，以及功率連接等方面設(shè)計(jì)強(qiáng)化或設(shè)計(jì)改進(jìn)。車用IGBT功率模塊是隨著新能源車應(yīng)用而出現(xiàn)的，它與工業(yè)用IGBT功率模塊在電氣原理上是一樣的，但由于應(yīng)用環(huán)境不同(高溫、強(qiáng)振等惡劣環(huán)境)，由此需要在結(jié)構(gòu)上針對惡劣環(huán)境做特殊處理，如強(qiáng)化散熱等。
[0007]前期車用模塊，即IGBT功率模塊，在冷卻散熱方面普遍采用單面間接液冷，雖然之后也有單面直接液冷和雙面間接液冷方式的改進(jìn)，模塊功率密度有所提升，但面對整車越來越小的布置空間還有些捉襟見肘;前期車用模塊在功率連接方面普遍采用綁定線，這種連接方式在穩(wěn)定工況應(yīng)用比較穩(wěn)定，但在車用瞬變工況下失效率提高，影響車用可靠性;前期車用模塊在襯板選材方面普遍采用DBC(覆銅板)，這種材料熱阻小，導(dǎo)熱性好，但由于生產(chǎn)工藝導(dǎo)致覆銅層薄，這就造成熱容小，IGBT在瞬變工況抗沖擊能力變差。
[0008]專利201210182350.5(實(shí)用新型名稱:一種針對電動汽車應(yīng)用的IGBT功率模塊)中描述了一種IGBT功率模塊結(jié)構(gòu)，該模塊采用單面直接液冷散熱、綁定線功率連接和DBC襯板散熱，該結(jié)構(gòu)與工業(yè)應(yīng)用比雖已強(qiáng)化，但在整車緊湊化用和耐瞬變抗沖擊能力方面還有劣勢(是否有對比數(shù)據(jù))。
[0009]專利02159368.X(實(shí)用新型名稱:半導(dǎo)體功率器件)中描述了一種IGBT功率模塊結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體芯片(12)、第一散熱片(13)、第二散熱片(14)、和模制樹脂(17)，該模塊采用雙面間接液冷、直接銅綁定功率連接和無DBC襯板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)雖在散熱、連接方面都提升很高，但增加了系統(tǒng)裝配難度，同時(shí)在裝配中需增加散熱片，外置散熱片在裝配中的由于裝配不當(dāng)將導(dǎo)致接觸熱阻增加，降低IGBT功率模塊輸出性能。
[0010]針對上述問題，新能源車用新型封裝結(jié)構(gòu)的IGBT功率模塊成為迫切的需求。【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]為了解決上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種新能源車用IGBT功率模塊，其通過雙面直接水冷實(shí)現(xiàn)強(qiáng)散熱和高功率密度、通過與芯片連接的厚銅緩沖墊塊增大熱容實(shí)現(xiàn)抗瞬變沖擊，同時(shí)通過內(nèi)置導(dǎo)熱絕緣層降低了安裝難度，提高裝配效率。
[0012]本實(shí)用新型的新能源車用IGBT功率模塊，由厚銅功率端子、冷卻基板、焊料層、厚銅緩沖墊塊、綁定線、D1de(二極管)芯片、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片、導(dǎo)熱絕緣層、冷卻基板和模制樹脂組成，IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片和D1de(二極管)芯片通過焊料層與厚銅緩沖墊塊相連，厚銅緩沖墊塊通過所述焊料層與厚銅功率端子相連，實(shí)現(xiàn)功率連接，厚銅功率端子通過導(dǎo)熱絕緣層與冷卻基板相連，由模制樹脂形成IGBT功率模塊。
[00?3]焊料層可采用銀楽、SnAgCu或SnAg等焊料，以符合無鉛要求，同時(shí)可保證較高的抗疲勞連接強(qiáng)度。
[0014]厚銅緩沖墊塊減緩IGBT芯片和D1de芯片隨厚銅功率端子的膨脹，以及調(diào)整芯片焊接之后的高度，保證與厚銅功率端子焊接之后水平，厚銅緩沖墊塊需采用與芯片膨脹系數(shù)接近的材料，如銅鉬合金。
[0015]冷卻基板可采用單面針腳或單面翅片的銅或鋁等高散熱金屬基板，針腳可采用圓柱或菱形柱等形狀，增加散熱面積提高散熱。
[0016]IGBT功率模塊通過樹脂壓鑄形成整體，內(nèi)部可通過電路連接實(shí)現(xiàn)單管、半橋封裝或是全橋封裝。
[0017]所述厚銅功率端子連接二極管芯片和IGBT芯片，所述IGBT芯片通過綁定線與信號端子連接。
[0018]所述的IGBT功率模塊，通過冷卻下底板、冷卻下底板密封墊以及冷卻上蓋板、冷卻上蓋板密封墊冷卻。
[0019]本實(shí)用新型的積極效果:本實(shí)用新型的目的在于提供一種新能源車用新型封裝的IGBT功率模塊，其可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)散熱、抗沖擊性強(qiáng)和高功率密度，同時(shí)降低了安裝工藝。本實(shí)用新型通過雙面布置單端針腳或是單端翅片的冷卻基板實(shí)現(xiàn)功率模塊雙面直接液冷，提高功率模塊的強(qiáng)制散熱能力;通過緩沖墊塊實(shí)現(xiàn)芯片與厚銅功率端子連接，增加芯片散熱熱容，提高芯片極限工況抗熱沖擊能力;通過內(nèi)置絕緣導(dǎo)熱片，消除外置絕緣導(dǎo)熱片接觸不良或振動掉落引起熱阻增加造成模塊性能下降或模塊損壞。
【附圖說明】
[0020]圖1所示為IGBT功率模塊剖視圖。
[0021 ]圖2為與IGBT功率模塊內(nèi)部關(guān)鍵組件布置圖。
[0022]圖3為IGBT功率模塊的冷卻布置圖。
[0023](附圖標(biāo)記說明)
[0024]1-厚銅功率端子、2-冷卻基板、3-焊料層、4-厚銅緩沖墊塊、5-焊料層、6-焊料層7-厚銅緩沖墊塊、8-綁定線、9-導(dǎo)熱絕緣層、10-厚銅功率端子、Il-D1de(二極管)芯片、12-焊料層、13-厚銅緩沖墊塊、14-焊料層、15-焊料層、16-1GBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片、17-厚銅緩沖墊塊、18-焊料層、19-焊料層、20-導(dǎo)熱絕緣層、21-冷卻基板、22-模制樹脂23-信號端子、24-信號端子、25-信號端子、26-冷卻上蓋板、27-冷卻上蓋板密封墊、28-冷卻上蓋板密封墊29-冷卻下底板、30-冷卻下底板密封墊、31-冷卻下底板密封墊、8-A綁定線、8-B綁定線
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型技術(shù)方案做進(jìn)一步的闡述。
[0026]如圖1IGBT功率模塊剖視圖所示，IGBT功率模塊由如下幾部分構(gòu)成:厚銅功率端子1、冷卻基板2、焊料層3、厚銅緩沖墊塊4、焊料層5、焊料層6、厚銅緩沖墊塊7、綁定線8、導(dǎo)熱絕緣層9、厚銅功率端子10、D1de(二極管)芯片11、焊料層12、厚銅緩沖墊塊13、焊料層14、焊料層15、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片16、厚銅緩沖墊塊17、焊料層18、焊料層19、導(dǎo)熱絕緣層20、冷卻基板21和模制樹脂22組成。
[0027]IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片16和D1de(二極管)芯片11通過焊料層3、5、6、12、15、18與厚銅緩沖墊塊4、7、13、17相連，厚銅緩沖墊塊13、17通過焊料層14、19與厚銅功率端子10相連，實(shí)現(xiàn)功率連接，厚銅功率端子1、10通過導(dǎo)熱絕緣層9、20與冷卻基板2、21相連，樹脂注模形成模制樹脂22之后形成IGBT功率模塊。
[0028]所述焊料層，采用銀楽、SnAgCu或SnAg焊料。
[0029]所述厚銅緩沖墊塊，采用與芯片膨脹系數(shù)接近的材料，如銅鉬合金。
[0030]所述冷卻基板，單面針腳或單面翅片。
[0031 ]所述樹脂注模，通過樹脂壓鑄將其成為一個(gè)整體。
[0032]IGBT芯片和二極管芯片并聯(lián)或多個(gè)并聯(lián)。
[0033]IGBT功率模塊為單管封裝、半橋封裝或三相全橋封裝，通過內(nèi)部電路連接。
[0034]如圖2IGBT功率模塊內(nèi)部關(guān)鍵組件布置圖，IGBT功率模塊關(guān)鍵組件由如下幾部分構(gòu)成:厚銅功率端子10、厚銅功率端子1、010如(二極管)芯片114、010(16(二極管)芯片11-B ,IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)16-A、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)16-B、綁定線9-A、綁定線9-B、信號端子23、信號端子24和信號端子25。
[0035]如圖3IGBT功率模塊的冷卻布置方案圖，冷卻布置方案由如下幾部分構(gòu)成:冷卻下底板29、冷卻下底板密封墊30、冷卻下底板密封墊31、冷卻上蓋板26、冷卻上蓋板密封墊27和冷卻上蓋板密封墊28。
[0036]IGBT功率模塊中的D1de(芯片)11一面通過焊料層5與厚銅緩沖墊塊4連接，厚銅緩沖墊塊4再通過焊料層3與厚銅功率端子I連接，最后厚銅功率端子I通過導(dǎo)熱絕緣層9與冷卻基板2連接;D1de(芯片)11的另一面通過焊料層12與厚銅緩沖墊塊13連接，厚銅緩沖墊塊13再通過焊料層14與厚銅功率端子10連接，最后厚銅功率端子10通過導(dǎo)熱絕緣層20與冷卻基板21連接。
[0037]IGBT功率模塊中的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片16—面通過焊料層15與厚銅緩沖墊塊7連接，厚銅緩沖墊塊7再通過焊料層6與厚銅功率端子I連接，最后厚銅功率端子I通過導(dǎo)熱絕緣層9與冷卻基板2連接;IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片16的另一面通過焊料層18與厚銅緩沖墊塊17連接，厚銅緩沖墊塊17再通過焊料層19與厚銅功率端子10連接，最后厚銅功率端子10通過導(dǎo)熱絕緣層20與冷卻基板21連接。
[0038]IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片16-A和16-B的柵極驅(qū)動信號通過綁定線8-A和8-B與信號端子23連接，結(jié)合信號端子24、信號端子25實(shí)現(xiàn)控制信號驅(qū)動和關(guān)鍵信號采樣。
[0039]IGBT功率模塊最終通過模制樹脂22封裝成IGBT功率模塊模塊，IGBT功率模塊內(nèi)部封裝的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)芯片16和D1de(二極管)芯片11數(shù)量可通過芯片并聯(lián)滿足不同性能需求。
[0040]IGBT功率模塊采用雙面液冷冷卻方式，IGBT功率模塊與冷卻下底板29通過冷卻下底板密封墊30和冷卻下底板密封墊31相連，達(dá)到冷卻液密封的目的，同理，IGBT功率模塊與冷卻上蓋板26通過冷卻上蓋板密封墊27和冷卻上蓋板密封墊28。
[0041]厚銅緩沖墊塊形狀與芯片大小一致，厚度按保證厚銅功率端子焊接之后水平進(jìn)行調(diào)整。厚度還需試制樣件試驗(yàn)。
[0042]所述冷卻板是金屬的，一般是銅板，用于散熱；所述冷卻墊片一般是非導(dǎo)電，強(qiáng)導(dǎo)熱的材料，如陶瓷片。
[0043]以上通過【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，該實(shí)施方式僅僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)例，不應(yīng)理解為對本實(shí)用新型的限制，任何依據(jù)本實(shí)用新型的原理所做的更改都應(yīng)在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新能源車用IGBT功率模塊，其特征在于:由IGBT芯片、二極管芯片、厚銅緩沖墊塊、功率端子、信號端子、冷卻基板、導(dǎo)熱絕緣層和模制樹脂組成， 所述IGBT芯片和所述二極管芯片通過焊料層與所述厚銅緩沖墊塊相連，所述厚銅緩沖墊塊通過所述焊料層與所述厚銅功率端子相連，所述厚銅功率端子通過所述導(dǎo)熱絕緣層與所述冷卻基板相連，由模制樹脂形成IGBT功率模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT功率模塊，其特征在于:所述焊料層，采用銀漿、SnAgCu或SnAg焊料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT功率模塊，其特征在于: 所述厚銅緩沖墊塊，采用與芯片膨脹系數(shù)接近的材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT功率模塊，其特征在于: 所述冷卻基板，為單面針腳或單面翅片。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT功率模塊，其特征在于: 所述樹脂注模，通過樹脂壓鑄將其成為一個(gè)整體。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT功率模塊，其特征在于: 所述IGBT芯片和所述二極管芯片，并聯(lián)或多個(gè)并聯(lián)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT功率模塊，其特征在于 為單管封裝、半橋封裝或三相全橋封裝，通過內(nèi)部電路連接。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的IGBT功率模塊，其特征在于: 所述針腳采用圓柱或菱形柱形狀。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT功率模塊，其特征在于: 所述厚銅功率端子連接二極管芯片和IGBT芯片，所述IGBT芯片通過綁定線與信號端子連接。
【文檔編號】H01L23/538GK205595329SQ201620101332
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年2月2日
【發(fā)明人】劉志強(qiáng), 張功, 文彥東, 蘇瑞濤, 趙慧超
【申請人】中國第汽車股份有限公司, 中國第一汽車股份有限公司