CN102097417B - 一种集成功率半导体功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成功率半导体功率模块，它包括导热底板、绝缘金属基板、功率半导体芯片、温度传感器、金属插针端子、外框、盖板和金属卡环；所述导热底板焊接面和绝缘金属基板通过钎焊结合；所述绝缘金属基板和功率半导体芯片通过钎焊结合；所述绝缘金属基板和温度传感器通过钎焊结合；所述外框密封于导热底板焊接面上，金属卡环、外框、导热基板紧密配合，所述金属插针端子底部为双层金属结构，金属插针端子针身嵌在外框卡槽内；所述绝缘金属基板、功率半导体芯片、温度传感器及金属插针端子间通过铝线键合连接实现电路拓扑结构；所述盖板边缘留有金属插针端子引出口，盖板和外框紧密配合。

Description

一种集成功率半导体功率模块
技术领域：
本发明所涉用于电焊机、变频器、伺服机、工业电源中的功率模块，特别是一种集成功率半导体模块，该种模块根据不同的应用需求，选择相应的端子数目及位置，实现所需电路拓扑。
背景技术：
电焊机、变频器、伺服机、工业电源的尺寸都在向小型化发展，其内部通常使用绝缘栅双极性晶体管模块逆变输出，因而现有的一单元、两单元绝缘栅双极性晶体管模块封装形式，由于体积过大，集成度低、功能少和安装繁琐，已不适合在所述的产品上使用。
发明内容：
本发明的目的是提供了一种体积小、低杂散电感、散热性好、可靠性高、集成度高、内部可实现多种电路拓扑的功率模块。
本发明要解决的是现有一单元、两单元绝缘栅双极性晶体管模块体积过大，集成度低、功能少和安装繁琐的问题。
本发明的技术方案是：它包括导热底板、绝缘金属基板、功率半导体芯片、温度传感器、金属插针端子、外框、盖板和金属卡环；所述导热底板焊接面和绝缘金属基板通过钎焊结合；所述绝缘金属基板和功率半导体芯片通过钎焊结合；所述绝缘金属基板和温度传感器通过钎焊结合；所述外框密封于导热底板焊接面上，金属卡环、外框、导热基板紧密配合，所述金属插针端子底部为双层金属结构，金属插针端子针身嵌在外框卡槽内；所述绝缘金属基板、功率半导体芯片、温度传感器及金属插针端子间通过铝线键合连接实现电路拓扑结构；所述盖板边缘留有金属插针端子引出口，盖板和外框紧密配合。
导热底板的背面、即导热底板非焊接面凸起成平面光滑的类球面结构，球面的平整度在0.08mm以内；导热底板四个侧边设有卡口。导热底板是用高导热率、低膨胀系数材料做成，所用的材料包括铜或铝碳化硅材料；导热底板的表面为电镀处理表面，焊料在其处理后的表面的润湿面积大于90％。
绝缘金属基板中间层为陶瓷层，上层和下层为金属层，上下二层金属层之间必须保证绝缘；表面的金属层根据需要电镀，焊料在其处理后的表面的润湿面积大于90％。
温度传感器安装于发热量最大的功率芯片附近，以保证能监测到模块内部最高温度；温度传感器监测温度的最高值须大于模块内部功率芯片的最高温度。
金属插针端子露出壳体的顶端部分定制需要的形状，包括U型或一字型，金属插针端子的表面电镀处理的表面；金属插针端子底部的键合部分为双层金属结构；所述的金属插针端子用高导电率材料制作。
外框为注塑外框，盖板为注塑盖板；所述注塑外框的CTI值大于225；外框内表面同一直线上的金属插针端子的卡槽，间距相同，金属插针端子与外框上的卡槽紧密贴合。外框底部有安装卡扣，与导热底板的四个侧面相匹配，外框上部有固定卡扣和高台螺丝孔，固定卡扣与盖板边缘的卡口相匹配；外框底部为用于密封胶装填的多槽结构。盖板两个窄边上设有固定卡口；盖板边缘设有金属插针端子引出孔，引出孔数目与外框内表面的金属插针端子卡槽的数目相同、引出孔位置与卡槽相匹配。
金属卡环表面为电镀处理表面；所述的铝线外部有绝缘层完全覆盖。
本发明的优点是：体积小、集成度高，内部可以封装多个绝缘栅双极性晶体管单元，并可以附加整流、制动、温度监控等功能；且由于所有控制端子及功率端子都使用金属插针端子引出，可以直接与驱动板通过钎焊结合在一起，方便连接。
附图说明：
图1是本发明的整体结构示意图(窄体)。
图2是本发明的正面横截面结构示意图(窄体)。
图3是本发明的侧面横截面结构示意图(窄体)。
图4是整流加制动加六单元外壳示意图(窄体)。
图5是六单元外壳示意图(窄体)。
图6是本发明的外壳背面示意图(窄体)。
图7是本发明的外壳侧面横截面结构示意图(窄体)。
图8是本发明的导热基板示意图(窄体)。
图9是本发明的一字型金属插针端子结构示意图。
图10是本发明的U字型金属插针端子结构示意图。
图11是整流加制动加六单元外壳示意图(宽体)。
图12是六单元外壳示意图(宽体)。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施实例1
如图1、图2和图3所示，绝缘金属基板9正面铜层通过化学腐蚀得到所需电路拓扑；功率半导体芯片8、温度传感器10通过钎焊的方式与绝缘金属基板9正面铜层结合，尽可能的减少功率半导体芯片8与绝缘金属基板9之间钎焊层的气孔量。绝缘金属基板9背面与导热底板7焊接面通过钎焊的方式结合，尽可能的减少绝缘金属基板9与导热底板7之间钎焊层的气孔量。注塑外框4与金属插针端子1完成装配。注塑外框4与导热底板7通过粘合剂结合。注塑外框4与导热底板7通过金属卡环2固定，金属卡环2从注塑外框4固定孔压入，卡死导热底板7的固定孔。绝缘金属基板9、功率半导体芯片8、温度传感器10、金属插针端子1通过铝线6相连；注塑外框4内部用惰性绝缘材料填充；注塑盖板3穿过金属插针端子1与注塑外框4上的卡扣5紧密结合。
如图4、图5、图6和图7所示，注塑外框4外观为长方形结构，材料为绝缘工程塑料；注塑外框4内部有卡槽11，每两个卡槽11之间间距相等；卡槽11底部有与其垂直的平台基座12，所有卡槽必须都与平台基座保持垂直。台基座12底部为实心结构，配合时与导热底板7紧密配合。金属插针端子1安装入注塑外框4时，针身20、键合针座22分别与卡槽11、平台基座12紧密配合，保证接触面之间没有空隙，如图7所示两个接触面16、17；金属插针端子1装入注塑外框4后，必须保证其原有物理形态。金属插针端子1在注塑外框4内的数量和位置可以根据电路拓扑需要定制。注塑外框4底部为多凹槽结构，凹槽14分布于注塑外框4底部的四条边上。注塑外框4底部四个对角上有卡扣5，装配时与导热底板7上的卡口配合；注塑外框4上部四个对角上有高台螺丝孔13，此孔的高度大于卡扣5的高度。
如图8所示，导热底板7非焊接面为类球面外凸结构18，此种结构可使安装完成后的导热底板7与散热基板紧密接触，极大的减少空气对散热的阻碍。
如图9、10所示，金属插针端子1的结构为一字型19或U型24，根据需要定制。金属插针端子1的针头21为电镀金属结构；金属插针端子1的键合针座22为双层金属结构，金属插针端子1的上金属23能满足超声波键合要求；金属插针端子1的针身20带有锯齿结构特征，金属插针端子1通其锯齿结构与注塑外框4上的卡槽11紧密固定。
实施实例2
如图11、图12所示，注塑外框内部卡槽25的数目增加，注塑外框上部四个对角上高台螺丝孔27的数目增加，卡环安装孔26的数据增加。金属插针端子在注塑外框内的数量和位置可以根据电路拓扑需要定制，图9、图10为其中的两种方案，图12为六单元结构，图11可以实现整流加制动加六单元结构。

Claims (10)

1.一种集成功率半导体功率模块，它包括导热底板、绝缘金属基板、功率半导体芯片、温度传感器、金属插针端子、外框、盖板和金属卡环；所述导热底板焊接面和绝缘金属基板通过钎焊结合；所述绝缘金属基板和功率半导体芯片通过钎焊结合；所述绝缘金属基板和温度传感器通过钎焊结合；所述外框密封于导热底板焊接面上，金属卡环、外框、导热基板紧密配合，其特征在于所述金属插针端子底部为双层金属结构，金属插针端子针身嵌在外框卡槽内；所述绝缘金属基板、功率半导体芯片、温度传感器及金属插针端子间通过铝线键合连接实现电路拓扑结构；所述盖板边缘留有金属插针端子引出口，盖板和外框紧密配合。
2.根据权利要求1所述的一种集成功率半导体功率模块，其特征是导热底板的背面、即导热底板非焊接面凸起成平面光滑的类球面结构，球面的平整度在0.08mm以内；导热底板四个侧边设有卡口。
3.根据权利要求1所述的一种集成功率半导体功率模块，其特征是导热底板是用高导热率、低膨胀系数材料做成，所用的材料包括铜或铝碳化硅材料；导热底板的表面为电镀处理表面，焊料在其处理后的表面的润湿面积大于90％。
4.根据权利要求1所述的一种集成功率半导体功率模块，其特征是绝缘金属基板中间层为陶瓷层，上层和下层为金属层，上下二层金属层之间必须保证绝缘；表面的金属层根据需要电镀，焊料在其处理后的表面的润湿面积大于90％。
5.根据权利要求1所述的一种集成功率半导体功率模块，其特征是温度传感器安装于发热量最大的功率芯片附近，以保证能监测到模块内部最高温度；温度传感器监测温度的最高值须大于模块内部功率芯片的最高温度。
6.根据权利要求1所述的一种集成功率半导体功率模块，其特征是金属插针端子露出壳体的顶端部分定制需要的形状，包括U型或一字型，金属插针端子的表面电镀处理的表面；金属插针端子底部的键合部分为双层金属结构；所述的金属插针端子用高导电率材料制作。
7.根据权利要求1所述的一种集成功率半导体功率模块，其特征是外框为注塑外框，盖板为注塑盖板；所述注塑外框的CTI值大于225；外框内表面同一直线上的金属插针端子的卡槽，间距相同，金属插针端子与外框上的卡槽紧密贴合。
8.根据权利要求1所述的一种集成功率半导体功率模块，其特征是外框底部有安装卡扣，与导热底板的四个侧面相匹配，外框上部有固定卡扣和高台螺丝孔，固定卡扣与盖板边缘的卡口相匹配；外框底部为用于密封胶装填的多槽结构。
9.根据权利要求1所述的一种集成功率半导体功率模块，其特征是盖板两个窄边上设有固定卡口；盖板边缘设有金属插针端子引出孔，引出孔数目与外框内表面的金属插针端子卡槽的数目相同、引出孔位置与卡槽相匹配。
10.根据权利要求1所述的一种集成功率半导体功率模块，其特征是金属卡环表面为电镀处理表面；所述的铝线外部有绝缘层完全覆盖。
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