CN102693969A - 一种igbt功率模块 - Google Patents

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Abstract

一种IGBT功率模块，由底板、IGBT芯片和FWD芯片组成，所述IGBT芯片反面的集电极和所述IGBT芯片反面的阴极分别通过第一焊料层连接于所述底板的上表面，所述IGBT芯片正面的发射极通过第二焊料层连接有第一导电层，FWD芯片正面的阳极通过第二焊料层连接有第二导电层，所述IGBT芯片、第二焊料层和第一导电层的层叠高度，与所述FWD芯片、第二焊料层和第二导电层的层叠高度相同，发射极表面电极通过第三焊接层连接与所述第一和第二导电层之上，并将所述第一、第二导电层以及外部的信号端子和功率端子连接在一起。

Description

一种IGBT功率模块
技术领域
本发明涉及一种IGBT功率模块，该IGBT功率模块是制备压接式超高压、超大功率IGBT模组的基本单元。
背景技术
绝缘栅极双极晶体管（IGBT）模块可以由一个IGBT芯片和一个FWD芯片组成，也可以由多个IGBT芯片和FWD芯片组成，以制备不同功率等级和电路结构的IGBT模块。电路如图1所示IGBT功率模块由一个IGBT和一个续流二极管（FWD）组成；当模块需要更大的输出功率，而单个IGBT芯片又无法满足使用要求时，通常必须将多个图1所示的功率单元进行并联，如图2所示：并联以后的IGBT功率单元，可以作为模块制造的基本单元，进一步连接成所需的电路结构。
制造IGBT功率模块的关键技术之一是超声波键合，它是IGBT发射极、FWD阳极和外部电路连接的主要方式。由于有限的铝线线径，为了增加电流承载能力，IGBT模块通常必须键合多根铝线通过并联来获得大电流输出；虽然超声波铝线键合是目前制造IGBT功率模块的主流技术，但是它限制了制造叠层式模块的可能性，而且铝线本身存在较大的分布电感，也限制了模块性能的发挥。
正面可焊IGBT芯片的出现，为叠层式IGBT模块的发展提供了基础。由于不再采用铝线键合，可以使模块内部的分布电感大为降低。叠层式IGBT模块使双面散热成为可能，通过合理的设计，可以使同等的IGBT输出更大的电流。
发明内容
本发明的内容在于克服现有技术的缺陷，提供一种IGBT功率模块，该功率模块中IGBT芯片和FWD芯片的连接采用叠层式，可以双面散热，并可以获得更高的功率密度，从而为功率系统的小型化提供了更多的空间。
实现本发明目的的技术方案是：一种IGBT功率模块，由底板、IGBT芯片和FWD芯片组成，所述IGBT芯片反面的集电极和所述IGBT芯片反面的阴极分别通过第一焊料层连接于所述底板的上表面，所述IGBT芯片正面的发射极通过第二焊料层连接有第一导电层，FWD芯片正面的阳极通过第二焊料层连接有第二导电层，所述IGBT芯片、第二焊料层和第一导电层的层叠高度，与所述FWD芯片、第二焊料层和第二导电层的层叠高度相同，发射极表面电极通过第三焊接层连接与所述第一和第二导电层之上，并将所述第一、第二导电层以及外部的信号端子和功率端子连接在一起。
上述技术方案中，所述底板可以为金属板，金属板的热膨胀系数尽量接近芯片的热膨胀系数，可以满足以上要求的有三种金属材料，其一为钼金属，其二为铜－钼和铜－钨合金。底板的厚度可以选择在1.0毫米至5.0毫米的范围。所述第一和第二导电层采用和所述金属板相同的材料。所述第一和第二导电层厚度可以选择在0.5毫米至3.0毫米的范围，优选为0.5毫米至1.5毫米。
作为本发明的进一步改进，为了方便焊接，所述金属板表面镀有镍层或镍银合金层。
作为本发明的进一步改进，所述表面电极为纯铜层。
上述技术方案中，所述底板还可以是陶瓷覆铜基板，所述陶瓷覆铜基板由从上至下层叠的上表面铜层、陶瓷绝缘层和表面铜层组成。
作为本发明的进一步改进，所述陶瓷绝缘层的厚度，根据耐压要求选取，材料可采用绝缘和导热性良好的氧化铝、氮化铝或者氮化硅。陶瓷绝缘层厚度可以选在0.3mm至3mm之间。
作为本发明的进一步改进，在所述IGBT芯片和所述FWD芯片之间的空隙，灌装有绝缘材料。通过灌装绝缘材料，例如环氧树脂，来进一步降低芯片应力，提高功率单元的绝缘耐压能力。
作为本发明的进一步改进，所述陶瓷覆铜基板的周边延伸出一定宽度的陶瓷绝缘层，在经过绝缘灌封材料处理后，此部分陶瓷材料可以保证功率单元足够的爬电距离。
本发明的有益效果在于，IGBT芯片和FWD芯片的连接采用叠层式结构，具有更好的导热性能，可以双面散热，且结构紧凑，可以获得更高的功率密度。
附图说明
图1是IGBT功率模块的一种电路结构图；
图2是IGBT功率模块的另一种电路结构图；
图3是本发明实施例1的IGBT功率模块结构示意图；
图4是本发明实施例2的IGBT功率模块结构示意图；
图5是本发明实施例2的IGBT功率模块正面结构示意图；
图6是本发明实施例2的IGBT功率模块的剖视图。
具体实施方式
下面结合实施例做进一步说明。
实施例1
如图3所示，一种IGBT功率模块，由底板1、IGBT芯片3和FWD芯片4组成，IGBT芯片3反面的集电极31和IGBT芯片反面的阴极41分别通过第一焊料层51连接于底板1的上表面，IGBT芯片正面的发射极16通过第二焊料层52连接有第一导电层61，FWD芯片正面的阳极15通过第二焊料层52连接有第二导电层62，IGBT芯片3、第二焊料层52和第一导电层61的层叠高度，与FWD芯片4、第二焊料层52和第二导电层62的层叠高度相同，发射极表面电极17通过第三焊接层53连接于第一和第二导电层61，62之上，并将第一导电层61、第二导电层62、外部的信号端子和功率端子连接在一起。15为IGBT栅极的连接层。
底板1为金属板，在底板1之上方，同时贴装IGBT芯片3和FWD芯片4。由于功率芯片电流的垂直传导，底板1必须有良好的导电性。而且，作为散热的主要通道之一，要求底板1同时具有良好的导热性能。而且，为了降低第一焊料层51的残余应力，提高模块的疲劳寿命，底板1的热膨胀系数必须尽量接近芯片。可以满足以上要求的有两种金属材料，其一为钼金属，其二为铜－钼和铜－钨合金。这两类合金中，铜的重量百分比应控制在20%至40%。这样，在兼顾导电、导热特性的同时，钨和钼的含量可以有效控制底板的热膨胀系数，从而达到延长芯片焊料层疲劳寿命的目的。底板的厚度可以选择在1.0毫米至5.0毫米的范围。为了方便焊接，此类底板材料通常必须进行镀镍处理。 IGBT芯片3和FWD芯片4正面同时焊接第一和第二导电层61、62，第一和第二导电层61、62采用与底板1同类的金属，第一和第二导电层61、62厚度可以选择在0.5毫米至1.5毫米的范围。由于IGBT芯片3与FWD芯片4的厚度差异，第一和第二导电层61、62的厚度的取值，应使焊接完成后，IGBT芯片3和FWD芯片4的上表面处于同一高度。通过发射极表面电极17通过第三焊料层53，将IGBT芯片3和FWD芯片连接在一起。发射极表面电极17可采用纯铜材料，根据功率芯片的尺寸和厚度，纯铜层的厚度可以控制在0.25毫米至1.0毫米的范围。
实施例2
如图4所示，本实施例与上例基本相同，不同之处在于：
底板1采用陶瓷覆铜基板，陶瓷覆铜基板由从上至下层叠的上表面铜层12、陶瓷绝缘层11和下表面铜层10组成。IGBT芯片3和FWD芯片4的贴装结构与上例的相同。上表面铜层12与发射极表面电极17，均采用高导电材料，例如，纯铜。IGBT的栅极15从单元的一侧引出。IGBT芯片3和FWD芯片4正面同时焊接第一和第二导电层61、62，第一和第二导电层61、62采用与热膨胀系数与硅接近的高导电材料，例如钼、钼铜合金或者钨铜合金。第一和第二导电层61、62厚度可以选择在0.5毫米至1.5毫米的范围，各层厚度的选择与上例相同。陶瓷绝缘层11的厚度，必须根据耐压要求选取，材料可采用绝缘和导热性良好的氧化铝、氮化铝或者氮化硅。陶瓷材料厚度可以选在0.3mm至3mm之间。IGBT集电极31从底板1上引出集电极电极19，集电极电极19包括第三导电层63和集电极表面电极16。 图中IGBT芯片的发射极引出电极14包括第四导电层64和发射极表面电极17，第四导电层64底面连接在DBC基板1上，第四导电层64的顶面和发射极表面电极17连接。发射极引出电极14可采用与第一导电层61相同的高导电材料。 当采用压接方法连接IGBT模块时，增加IGBT发射极引出电极14以后可以有效降低IGBT和FWD芯片表面的应力。
IGBT功率模块的正面如图5所示。IGBT功率模块采用底部绝缘结构，平面尺寸36mm x 34mm, 不计信号端子连接高度，单元厚度仅为2.5mm，如图6所示。IGBT功率模块采用多芯片并联，额定电压1200V，额定输出电流达400A。陶瓷覆铜基板的周边延伸出一定宽度的陶瓷绝缘层11，功率模块的发射极32的尺寸小于陶瓷陶瓷层11的外围尺寸。因此，整个IGBT功率模块的周边为陶瓷绝缘层11，以提供足够的爬电距离。IGBT功率模块的上、下表面均为导热路径，可以通过双面散热来降低IGBT、FWD管芯的结温；功率单元的上表面同时为电流路径：在IGBT芯片3和FWD芯片4之间的空隙，可以通过灌封绝缘材料18，例如环氧树脂，来进一步降低芯片应力，提高功率单元的绝缘耐压能力。

Claims (10)

1. 一种IGBT功率模块，由底板、IGBT芯片和FWD芯片组成，其特征是，所述IGBT芯片反面的集电极和所述IGBT芯片反面的阴极分别通过第一焊料层连接于所述底板的上表面，所述IGBT芯片正面的发射极通过第二焊料层连接有第一导电层，FWD芯片正面的阳极通过第二焊料层连接有第二导电层，所述IGBT芯片、第二焊料层和第一导电层的层叠高度，与所述FWD芯片、第二焊料层和第二导电层的层叠高度相同，发射极表面电极通过第三焊接层连接与所述第一和第二导电层之上，并将所述第一、第二导电层以及外部的信号端子和功率端子连接在一起。
2.根据权利要求1所述的IGBT功率模块，其特征是，所述底板为金属板，所述金属板的热膨胀系数接近芯片的热膨胀系数，金属板的厚度选择在1.0毫米至5.0毫米的范围内。
3. 根据权利要求1所述的IGBT功率模块，其特征是，所述底板是陶瓷覆铜基板，所述陶瓷覆铜基板由从上至下层叠的上表面铜层、陶瓷绝缘层和表面铜层组成，所述陶瓷绝缘层厚度选在0.3mm至3mm之间。
4. 根据权利要求1所述的IGBT功率模块，其特征是，所述发射极表面电极为纯铜层；所述第一和第二导电层厚度选择在0.5毫米至3.0毫米的范围。
5. 根据权利要求1所述的IGBT功率模块，其特征是，在所述IGBT芯片和所述FWD芯片之间的空隙，灌装有绝缘材料。
6.根据权利要求2所述的IGBT功率模块，其特征是，所述金属板的材料为钼金属或铜－钼合金或铜－钨合金，所述金属板表面镀有镍层或镍银合金层。
7. 根据权利要求2所述的IGBT功率模块，其特征是，所述第一和第二导电层采用和所述金属板相同的材料。
8. 根据权利要求3所述的IGBT功率模块，其特征是，所述陶瓷绝缘层的材料为氧化铝、氮化铝或者氮化硅，所述第一和第二导电层采用热膨胀系数与硅接近的高导电材料。
9. 根据权利要求3所述的IGBT功率模块，其特征是，所述IGBT芯片还设有发射极引出电极，发射极引出电极底面连接在基陶瓷覆铜板上，所述发射极引出电极的顶面和所述发射极表面电极连接。
10. 根据权利要求3所述的IGBT功率模块，其特征是，所述陶瓷覆铜基板的周边延伸出一定宽度的陶瓷绝缘层。
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