CN102710102A - 一种液冷的igbt变流装置和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液冷的IGBT变流装置和制造方法，一种液冷的IGBT变流装置包括氮化硅陶瓷基板、芯片和绝缘支架，所述氮化硅陶瓷基板包括第二铜层、氮化硅陶瓷板和第一铜层，所述第一铜层焊接在氮化硅陶瓷板的正面，所述第二铜层焊接在氮化硅陶瓷板的背面；在绝缘支架上端设有控制和驱动板，氮化硅陶瓷基板、绝缘支架和控制和驱动板共同形成密封腔；所述氮化硅陶瓷基板背面设有散热器。本发明直接以氮化硅陶瓷板作为基板，氮化硅陶瓷基板允许更厚的铜层，进而大幅度提高IGBT变流装置的电流输出能力。

Description

一种液冷的IGBT变流装置和制造方法
技术领域
本发明涉及功率器件，特别涉及一种液冷的IGBT变流装置和制造方法。
背景技术
以绝缘栅极双极晶体管（IGBT）为基础的功率器件是大功率变流装置的核心。通常大功率IGBT器件由金属底板、陶瓷覆铜基板和功率芯片通过多层焊料焊接到一起。金属底板常用纯铜底板，它不仅是功率器件散热的主要途径，而且是机械固定此大功率器件的基础。由于热量最终必须从散热器表面带走，因此在底板与散热器安装面之间必须涂覆导热硅脂以降低热阻。当IGBT器件的输出电流增加，其耗散的热量也随之上升，为了保持芯片的结温而使IGBT在安全工作区内工作，大功率IGBT器件的底板面积必须设计得足够大。如此，整个IGBT变流装置的体积和重量也变得相当大，对进一步提高功率装置的密度，降低尺寸造成了不小的挑战。
如果采用具备液态冷却的底板，那么大功率IGBT器件的散热条件可以大幅度改善。这是由于液体，例如水的热传导系数要比空气的热传导系数要高出几个数量级。功率芯片所产生的热量可以通过液体循环迅速带走。这种情况下，散热器可以成为底板的一部分，省略了导热硅脂层。而且，散热器尺寸可以比空气散热器大为缩小，这为整个IGBT变流装置减小体积创造了条件。但是，由于大功率IGBT器件的底板加散热器仍必须使用纯铜材料，装置的重量降低有限。
为了提高电流输出能力，大功率IGBT器件的引线端子与陶瓷覆铜基板表面线路的连接，通常必须以钎焊的方式直接将引线端子焊接到陶瓷覆铜基板的铜层表面。为了降低不同材料之间的热应力，提高引线端子的实际使用寿命，这些引线端子必须设计出较为复杂的形状以降低焊接层的应力。因此，大功率IGBT器件的制造，必须首先焊接功率芯片，并对功率芯片进行电路连接，然后再进行引线端子的焊接。这样，整个制造工艺就变得相当复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种新的大功率IGBT变流装置，与传统的大功率IGBT变流装置相比，本发明IGBT变流装置具体型小、重量轻，有更大的电流输出能力的优点。本发明的另一发明目的是提出一种IGBT变流装置的制造方法，该方法工艺简单，成本低。
实现本发明目的的技术方案是：一种液冷的IGBT变流装置，包括氮化硅陶瓷基板、芯片和绝缘支架，所述氮化硅陶瓷基板包括第二铜层、氮化硅陶瓷板和第一铜层，所述第一铜层焊接在氮化硅陶瓷板的正面，所述第二铜层焊接在氮化硅陶瓷板的背面；在绝缘支架上端设有控制和驱动板，氮化硅陶瓷基板、绝缘支架和控制和驱动板共同形成密封腔；所述氮化硅陶瓷基板背面设有散热器。
本发明去除了传统IGBT器件的铜质底板，采用氮化硅（Si3N4）陶瓷板作为基板，基板厚度优选在1毫米至3毫米之间。氮化硅陶瓷是一种高韧性材料，其断裂韧性是氧化铝陶瓷的1.5倍以上，见表1所示。氧化铝陶瓷是制造陶瓷覆铜基板的常用材料，但其热导率是最低的。氮化硅的热导率虽然仅为氮化铝的一半左右，但其断裂韧性几乎是氮化铝的一倍，因此，在作为底板应用时，它抵抗热应力导致的失效的能力更高。与氧化铝陶瓷覆铜基板（DBC）相比，氮化硅陶瓷基板可以允许更厚的铜层，进而大幅度提高IGBT变流装置的电流输出能力。
表1：导热材料特性
Figure BDA00001781204700021
作为本发明的进一步改进，所述第一铜层厚度在1毫米至2毫米之间，比现有的陶瓷基板的铜层厚，使基板的强度和导热性能增强。所述第二铜层厚度同样在1毫米至2毫米之间。作为本发明的进一步改进，所述第一铜层通过第一合金层在高温下与氮化硅发生反应，焊接在氮化硅陶瓷板的正面，第二铜层通过第二合金层在高温下与氮化硅发生反应，焊接在氮化硅陶瓷板的背面。所述的第一合金层和第二合金层为Ag-Cu-Ti或Ag-Ni-Ti合金，在铜层与氮化硅之间通过Ag-Cu-Ti或Ag-Ni-Ti合金在高温下与氮化硅反应，形成致密的反应层，使得铜层与氮化硅陶瓷板达到高强度连接。因此，在本发明中，氮化硅陶瓷基板既是铜层电路的支撑，使IGBT、FWD芯片组成所需电路，同时，它是导热层和高电压绝缘层；由于其优异的机械性能，它还是液冷密封腔的表面层。
作为本发明的进一步改进，所述第一铜层包括连接部分和延伸部分两部分，所述连接部分通过合金层与氮化硅陶瓷板相连接，所述延伸部分是连接部分的延伸，扩展至氮化硅陶瓷板之外；所述第一铜层被蚀刻成电路和功率端子，功率端子在向上和向外两次90度折弯后，附着在绝缘支架表面上；第一铜层的电路上设有IGBT芯片和FWD芯片；所述IGBT芯片、FWD芯片和电路之间通过键合铝线连接。本发明中，功率端子为第一铜层的一部分，已经和氮化硅陶瓷板连接，不需要再将功率端子和氮化硅陶瓷板焊接，结构更为简单。
所述氮化硅陶瓷基板的四周设有安装孔，所述氮化硅陶瓷基板通过所述安装孔与液冷散热器进行密封固定。
实现本发明另一发明目的的技术方案是：
一种液冷的IGBT变流装置的制造方法，该方法包括下列步骤：
步骤1在氮化硅（Si3N4）陶瓷板的正面焊接第一铜层，第一铜层包括连接部分和延伸部分两部分，所述连接部分通过高温反应焊接与氮化硅陶瓷基板相连接，所述延伸部分是连接部分的延伸，扩展至氮化硅陶瓷基板之外，这部分与氮化硅陶瓷基板之间没有连接；第二铜层通过高温反应焊接在氮化硅（Si3N4）陶瓷板的背面；
步骤2将第一铜层蚀刻成电路和功率端子；
步骤3在第一铜层电路上焊接IGBT芯片和FWD芯片，IGBT芯片、FWD芯片、电路和功率端子之间焊接键合铝线；
步骤4将IGBT芯片的IGBT门极驱动回路的引线由信号端子上引出后，连接至控制和驱动板；
步骤5在氮化硅陶瓷基板上安装绝缘支架，绝缘支架提供了对功率端子和信号端子的定位和支撑。将功率端子进行向上和向外两次90度折弯，使之贴附在绝缘支架表面，形成功率端子的输入和输出端的接口，然后在绝缘支架的内腔填充绝缘灌封胶；
步骤6在端子支架上部安装控制和驱动板，将控制和驱动板固定到绝缘支架；
步骤7将散热器以钎焊方式与氮化硅陶瓷基板的第二铜层连接；
步骤8将氮化硅陶瓷基板背面与液冷散热器进行密封固定。
本发明的方法直接以氮化硅陶瓷板作为基板，并将第一铜层的部分作为功率端子，在安装绝缘支架时，折弯形成功率端子的输入和输出接口，无须再进行功率端子到覆铜陶瓷基板的焊接步骤，在支架与基板密封的同时，为功率端子和信号端子提供了安装位置，简化了工艺流程，降低了成本。
附图说明
图1是本发明实施例陶瓷基板正面的第一铜层的结构示意图；
图2是本发明实施例氮化硅陶瓷基板背面的第二铜层的结构示意图；
图3图1的A-A剖视图；
图4是本发明实施例氮化硅陶瓷基板正面焊接芯片后的电路结构示意图；
图5是本发明实施例氮化硅陶瓷基板正面安装绝缘支架后的结构示意图；
图6是本发明实施例氮化硅陶瓷基板正面安装控制和驱动板后的结构示意图；
图7是本发明实施例氮化硅陶瓷基板背面安装散热器后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例做进一步说明。
实施例1
如图4和5所示，一种液冷的IGBT变流装置1，包括氮化硅陶瓷基板10、芯片5和绝缘支架20。
如图3所示，氮化硅陶瓷基板10包括第二铜层12、氮化硅陶瓷板13和第一铜层11，第一铜层11通过第一合金层14与氮化硅发生高温反应，焊接在氮化硅陶瓷板13的正面，第二铜层12通过第二合金层15与氮化硅发生高温反应，焊接在氮化硅陶瓷板13的背面。第一合金层14和第二合金层15为Ag-Cu-Ti或Ag-Ni-Ti合金层。
如图1和图3所示，第一铜层11包括连接部分11a和延伸部分11b两部分，延伸部分11b是连接部分11a的延伸，扩展至氮化硅陶瓷板10之外，延伸部分11b没有和氮化硅陶瓷板13焊接。第一铜层11被蚀刻成电路9和功率端子8。功率端子8包括：功率部分的正输入端子8a和负输入端子8b，第一、第二和第三功率输出端8c、8d、8e。
如图2所示，第二铜层12被蚀刻为十二块。
如图4所示，电路9上设置有IGBT芯片5和FWD芯片6，IGBT芯片5和FWD芯片6以钎焊方式连接到第一铜层11的铜片上，IGBT芯片5、FWD芯片6和电路9之间通过键合铝线7连接。
如图5所示，以工程塑料制作的绝缘支架20，固定在氮化硅陶瓷基板正面10a，作为功率装置与外部母线连接的桥梁。功率端子8a、8b、8c、8d、8e在向上和向外两次90度折弯后，附着在绝缘支架20上形成的输入和输出接口。IGBT的门极驱动回路的引线，由第一、第二和第三功率输出端8c、8d、8e上引出，连接到图6所示的控制和驱动板40上。控制和驱动板40和绝缘支架20进行固定连接，从而将整个IGBT变流装置形成一体。由电气绝缘的绝缘支架20形成的内腔，通过填充硅凝胶灌封，对IGBT芯片5、FWD芯片6和电路9做进一步的保护。
如图6所示，在绝缘支架20上端设有控制和驱动板30，氮化硅陶瓷基板10、绝缘支架20和控制和驱动板30共同形成密封腔；在氮化硅陶瓷基板10的背面，叉形散热器40焊接在第二铜层上。
如图7所示，氮化硅陶瓷基板10的背面是IGBT变流装置的冷却面，叉型散热器40以钎焊方式与第二铜层12连接，并通过氮化硅陶瓷基板上的安装孔16最终安装到液冷器中。多个分体式叉型散热器40设置在被分割的第二铜层12上，可以有效降低氮化硅陶瓷基板的热应力，提高整个装置的可靠性。
实施例2
一种液冷的IGBT变流装置的制造方法，该方法包括下列步骤：
步骤1在氮化硅（Si3N4）陶瓷板的正面焊接第一铜层，第一铜层包括连接部分和延伸部分两部分，所述连接部分通过高温反应焊接与氮化硅陶瓷基板相连接，所述延伸部分是连接部分的延伸，扩展至氮化硅陶瓷基板之外，这部分与氮化硅陶瓷基板之间没有连接；第二铜层通过高温反应焊接在氮化硅（Si3N4）陶瓷板的背面；如图1、图2和图3所示。
步骤2将第一铜层蚀刻成电路和功率端子，如图1所示。
步骤3将散热器以高温反应钎焊方式与氮化硅陶瓷基板的第二铜层连接，如图6所示。
步骤4在第一铜层电路上焊接IGBT芯片和FWD芯片，以及门极驱动回路的引线。
步骤5利用超声波键合将IGBT芯片、FWD芯片和DBC基板上的铜层连接，如图4所示。
步骤6用RTV在氮化硅陶瓷基板上安装绝缘支架，将功率端子进行向上和向外两次90度折弯，使之贴附在绝缘支架的上表面，形成功率端子的输入和输出端的接口，完成后在绝缘支架内腔填充灌封胶以保护内部电路；
步骤7在绝缘支架上部安装控制和驱动板，控制和驱动板以机械方式固定到支架，使整个功率装置成为一体；如图5所示。
步骤8通过氮化硅陶瓷基板周边的安装孔，将背面的液冷散热器放入液冷通道进行密封固定，如图7所示。

Claims (6)

1.一种液冷的IGBT变流装置，其特征是，所述IGBT变流装置包括氮化硅陶瓷基板、芯片和绝缘支架，所述氮化硅陶瓷基板包括第二铜层、氮化硅陶瓷板和第一铜层，所述第一铜层焊接在氮化硅陶瓷板的正面，所述第二铜层焊接在氮化硅陶瓷板的背面；在绝缘支架上端设有控制和驱动板，氮化硅陶瓷基板、绝缘支架和控制和驱动板共同形成密封腔；所述氮化硅陶瓷基板背面设有散热器。
2.根据权利要求1所述的液冷的IGBT变流装置，其特征是，所述第一铜层厚度在1毫米至2毫米之间，所述第二铜层厚度在1毫米至2毫米之间。
3.根据权利要求1所述的液冷的IGBT变流装置，其特征是，所述第一铜层通过第一合金层在高温下与氮化硅发生反应，焊接在氮化硅陶瓷板的正面，所述第二铜层通过第二合金层在高温下与氮化硅发生反应，焊接在氮化硅陶瓷板的背面；所述的第一合金层和第二合金层为Ag-Cu-Ti或Ag-Ni-Ti 合金。
4.根据权利要求1或2或3所述的液冷的IGBT变流装置，其特征是，所述第一铜层包括连接部分和延伸部分两部分，所述连接部分通过合金层与氮化硅陶瓷板相连接，所述延伸部分是连接部分的延伸，扩展至氮化硅陶瓷板之外；所述第一铜层被蚀刻成电路和功率端子，功率端子在向上和向外两次90度折弯后，附着在绝缘支架表面上；第一铜层的电路上设有IGBT芯片和FWD芯片；所述IGBT芯片、FWD芯片和电路之间通过键合铝线连接。
5.根据权利要求1所述的液冷的IGBT变流装置，其特征是，所述氮化硅陶瓷基板的四周设有安装孔，所述氮化硅陶瓷基板通过所述安装孔与液冷散热器进行密封固定。
6.一种液冷的IGBT变流装置制造方法，其特征是，该方法包括下列步骤：
步骤1 在氮化硅（Si3N4）陶瓷板的正面焊接第一铜层，第一铜层包括连接部分和延伸部分两部分，所述连接部分通过高温反应焊接与氮化硅陶瓷基板相连接，所述延伸部分是连接部分的延伸，扩展至氮化硅陶瓷基板之外，这部分与氮化硅陶瓷基板之间没有连接；第二铜层通过高温反应焊接在氮化硅（Si3N4）陶瓷板的背面；
步骤2 将第一铜层蚀刻成电路和功率端子；
步骤3 在第一铜层电路上焊接IGBT芯片和FWD芯片，IGBT芯片、FWD芯片、电路和功率端子之间焊接键合铝线；
步骤4将IGBT芯片的IGBT门极驱动回路的引线由信号端子上引出后，连接至控制和驱动板；
步骤5在氮化硅陶瓷基板上安装绝缘支架，将功率端子进行向上和向外两次90度折弯，使之贴附在绝缘支架表面，形成功率端子的输入和输出端的接口，然后在绝缘支架的内腔填充绝缘灌封胶；
步骤6在端子支架上部安装控制和驱动板，将控制和驱动板固定到绝缘支架；
步骤7 将散热器以钎焊方式与氮化硅陶瓷基板的第二铜层连接；
步骤8 将氮化硅陶瓷基板背面与液冷散热器进行密封固定。
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