CN102820277B - 一种igbt模块的覆铜陶瓷基板结构 - Google Patents
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Abstract
一种IGBT模块的覆铜陶瓷基板结构，所述的覆铜陶瓷基板的正面覆铜层包括流过主电流的铜箔（120、121、122）以及辅助控制极的铜箔（101、102，110、111）。所述的辅助控制极铜箔包括：辅助栅极控制铜箔（102、111）和辅助发射极控制铜箔（101、110）。IGBT的栅极控制端子（103）通过绑定线连接到IGBT的辅助栅极控制铜箔（102），并通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极焊盘（109）。IGBT的发射极控制端子（104）通过绑定线连接到IGBT的辅助发射极控制铜箔（101），并通过绑定线连接到与IGBT的发射极相连的主电流铜箔（120）。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT功率半导体模块的封装结构。
背景技术
随着新能源的发展，中大功率的IGBT功率半导体模块在工业控制、交通运输、太阳能发电、风力发电和电动汽车等新能源领域被广泛应用。纵观目前常用的中大功率IGBT功率半导体模块，功率半导体模块的内部均采用两个以上的多芯片并联结构，以实现大的通流能力。
覆铜陶瓷基板(DBC)是IGBT模块实现大的通流能力的基本单元，由于在大功率IGBT模块中，需要多个IGBT芯片并联以提高额定电流，因此作为芯片的承载体的DBC也需要并联。目前电力电子行业中有一种常用的3块DBC并联的IGBT模块，3块DBC并排通过绑定线依次相连。每块DBC均为3层结构：中间一层为陶瓷，起电气绝缘和散热的作用，DBC的正背两面均为覆铜层。其背面一般为整块覆铜，不参加导电，起散热作用。而正面覆铜层则带有刻蚀的图形结构，主要用于粘接芯片，承载发射极与集电极电流。同时正面覆铜层一些窄带状铜箔也提供控制电路的连接。
然而目前常用的二合一封装的IGBT模块中，如图1所示。由于多只并联的IGBT芯片的发射极采用共用一条绑定线，因此普遍存在控制信号的栅极和发射极环路面积过大，寄生参数大，而且并联芯片均流能力差的问题。常用的六合一封装的IGBT模块也存在同样问题。
发明内容
本发明的目的是克服目前广泛使用的六合一封装和二合一封装的IGBT模块存在动态不均流的缺点，提出一种新的覆铜陶瓷基板（DBC）结构。本发明基板的上下两侧各使用了两条平行辅助铜箔，IGBT模块的发射极连接端和栅极连接端分别连接到相应的辅助铜箔。本发明使得整个IGBT的栅极和发射极回路的面积大大减小，整个回路的电感大大降低，且各并联芯片的电感的不平衡度减小。
所述的覆铜陶瓷基板（DBC）由3层结构组成，中间一层为陶瓷层，起电气绝缘和散热的作用，正面和背面均为覆铜层。所述的覆铜陶瓷基板的背面一般为整块覆铜，不参加导电，仅起散热作用。覆铜陶瓷基板的正面的覆铜层带有刻蚀的图形结构，主要用于粘接芯片，承载发射极与集电极电流。同时正面的覆铜层还有窄带状的辅助控制极铜箔，此窄带状辅助控制极铜箔用于与控制端子的连接。
所述的DBC正面的覆铜层有流过主电流的铜箔和辅助控制极的铜箔。所述的流过主电流的铜箔包括：与上管IGBT芯片的集电极相连的上管集电极铜箔、与上管IGBT芯片发射极相连的铜箔，以及与下管IGBT芯片的发射极相连的铜箔。所述的辅助控制极的铜箔包括：上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔、上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔、下管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔，以及下管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔。
上管IGBT芯片的栅极控制端子通过绑定线连接到上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔，并通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极焊盘。上管IGBT芯片的发射极控制端子通过绑定线连接到上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔，并通过绑定线连接到与上管IGBT的发射极端相连的流过主电流的上管发射极铜箔。下管IGBT芯片的栅极控制端子通过绑定线连接到下管IGBT的辅助栅极控制铜箔，并通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极焊盘。下管IGBT的发射极控制端子通过绑定线连接到下管IGBT的辅助发射极控制铜箔，并通过绑定线连接到与下管IGBT的发射极端相连的流过主电流的下管发射极铜箔。
本发明的DBC结构，由于增加了辅助发射极控制铜箔可以使上管和下管所有并联的IGBT芯片的栅极和发射极的控制回路面积均很小，控制回路电感小，并具有优良的动态均流能力。
附图说明
图1为常规二合一IGBT模块的内部布局结构；
图2为本发明DBC的俯视图；
图3为本发明实施例一栅极端子位于芯片中心的IGBT模块内部布局结构图；
图4为本发明实施例一栅极端子位于芯片边缘中间的IGBT模块内部布局结构图；
图5为本发明实施例一栅极端子位于芯片边角的IGBT模块内部布局结构图；
图6为本发明实施例二IGBT模块的内部布局结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图2所示为本发明覆铜陶瓷基板（DBC）的俯视图。本发明所述的覆铜陶瓷基板（DBC）由三层结构组成：中间一层为陶瓷层112，起电气绝缘和散热的作用。DBC的正面和背面均为覆铜层。DBC的背面一般为整块覆铜，不参加导电，仅起散热作用。正面的覆铜层带有刻蚀的图形结构，主要用于粘接芯片，承载发射极与集电极电流。同时正面的覆铜层还有窄带状辅助控制极铜箔，此窄带状辅助控制极铜箔用于控制电路的连接。
本发明所述的DBC的正面覆铜层包括流过主电流的铜箔120、121、122和辅助控制极铜箔101、102、110、111。所述的流过主电流的铜箔包括：与上管IGBT芯片113集电极相连的上管集电极铜箔122、与上管IGBT芯片发射极相连的上管发射极铜箔121，以及与下管IGBT芯片114的发射极相连的下管发射极铜箔120。所述的辅助控制极的铜箔包括：上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔111、上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔110、下管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔102，以及下管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔101。
所述的上管IGBT芯片的栅极控制端子116通过绑定线连接到上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔111，并通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极焊盘117。上管IGBT芯片的发射极控制端子115通过绑定线连接到上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔110，并通过绑定线连接到与上管IGBT芯片的发射极端相连的流过主电流的上管发射极铜箔121。下管IGBT芯片的栅极控制端子103通过绑定线连接到下管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔102，并通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极焊盘109。下管IGBT芯片的发射极控制端子104通过绑定线连接到下管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔101，并通过绑定线连接到与下管IGBT芯片的发射极端相连的流过主电流的下管发射极铜箔120。
本发明实施例一一种二合一的IGBT模块内部封装布局结构如图3、图4和图5所示。其中图3所示为IGBT芯片的栅极109在中心位置，图4所示为IGBT芯片栅极209位于边缘中间位置，图5所示为IGBT芯片栅极309位于边角位置。图3、图4和图5中的其它布局结构相同。
图3所示的二合一IGBT模块包括：控制极端子，三块DBC1、2、3，直流正母线端子130，直流负母线端子131，交流输出端子132，以及温度检测端子134。所述的控制极端子包括：栅极控制端子103、116和发射极控制端子104、115。
本发明所述的覆铜陶瓷基板（DBC）1由三层结构组成：中间一层为陶瓷层112，起电气绝缘和散热的作用。DBC的正面和背面均为覆铜层。DBC的背面一般为整块覆铜，不参加导电，仅起散热作用。正面的覆铜层带有刻蚀的图形结构，主要用于粘接芯片，承载发射极与集电极电流。同时正面的覆铜层还有一些窄带状辅助控制极铜箔，此窄带状辅助控制极铜箔用于控制电路的连接。
本发明所述的DBC的正面覆铜层包括流过主电流的铜箔120、121、122和辅助控制极铜箔101、102、110、111。所述的流过主电流的铜箔包括：与上管IGBT芯片113集电极相连的上管集电极铜箔122、与上管IGBT芯片发射极相连的上管发射极铜箔121，以及与下管IGBT芯片114的发射极相连的下管发射极铜箔120。所述的辅助控制极的铜箔包括：上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔111、上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔110、下管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔102，以及下管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔101。
所述的上管IGBT芯片的栅极控制端子116通过绑定线连接到上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔111，并通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极焊盘117。上管IGBT芯片的发射极控制端子115通过绑定线连接到上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔110，并通过绑定线连接到与上管IGBT芯片的发射极端相连的流过主电流的上管发射极铜箔121。下管IGBT芯片的栅极控制端子103通过绑定线连接到下管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔102，并通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极焊盘109。下管IGBT芯片的发射极控制端子104通过绑定线连接到下管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔101，并通过绑定线连接到与下管IGBT芯片的发射极端相连的流过主电流的下管发射极铜箔120。
本发明所述的IGBT模块的在开关暂态过程中，各并联芯片具有较之常规模块具有更好的动态均流性能。同时，较小的栅极回路杂散电感也有利于减小开通和关断延迟，提高开关速度，降低开关损耗。
本发明实施例二为一种六合一的IGBT模块内部封装布局结构，如图6所示。
图6中所述的六合一IGBT模块相当于并联的三个二合一模块，所述的六合一IGBT模块共含有9块相同结构的DBC。每一块DBC的上下侧均采用双条辅助控制极铜箔，每只IGBT芯片的栅极和发射极均通过独立的绑定线连接到对应的两条辅助控制极铜箔上。
如图6所示，本发明所述的六合一IGBT模块的其中一块DBC 4中，所述的DBC 4的正面覆铜层包括流过主电流的铜箔401、402、403和辅助控制极铜箔406、407、408、409。所述的流过主电流的铜箔包括：与上管IGBT芯片412集电极相连的铜箔403、与上管IGBT芯片发射极相连的铜箔402，以及与下管IGBT芯片413的发射极相连的铜箔401。所述的辅助控制极的铜箔包括：上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔409、上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔408、下管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔407，以及下管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔406。
所述的上管IGBT芯片的栅极控制端子通过绑定线连接到上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔409，并通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极焊盘405。上管IGBT的发射极控制端子411通过绑定线连接到上管IGBT的辅助发射极控制铜箔408，并通过绑定线连接到与上管IGBT的发射极端相连的流过主电流的上管发射极铜箔402。下管IGBT芯片的栅极焊盘414通过绑定线连接到下管IGBT的辅助栅极控制铜箔407，并通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极控制端404。下管IGBT的发射极控制端子415通过绑定线连接到下管IGBT的辅助发射极控制铜箔406，并通过绑定线连接到与下管IGBT的发射极端相连的流过主电流的下管发射极铜箔401。
本实施例并联的三个二合一模块中的一个与图3所示的实施例一的结构相同，其余两个二合一模块的结构也如图3所示，不再赘述。
Claims (1)
1.一种IGBT模块，其包括覆铜陶瓷基板，其特征在于，所述的覆铜陶瓷基板为三层，中间一层为陶瓷层，正面和背面为覆铜层；所述的背面为整块覆铜，所述正面的覆铜层带有刻蚀的图形结构；所述正面的覆铜层还有窄带状的辅助控制极铜箔，所述的窄带状的辅助控制极铜箔用于与控制端子的连接；
所述的正面的覆铜层包括流过主电流的铜箔和辅助控制极的铜箔；所述的流过主电流的铜箔包括：与上管IGBT芯片集电极（113）相连的上管集电极铜箔（122），与上管IGBT芯片发射极相连的上管发射极铜箔（121），以及与下管IGBT芯片（114）的发射极相连的下管发射极铜箔（120）；所述的辅助控制极的铜箔包括：上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔（111）；上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔（110）；下管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔（102），以及下管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔（101）；
所述的IGBT模块，其特征在于，所述的辅助控制极铜箔中，上管IGBT的栅极控制端子（116）通过绑定线连接到上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔（111），上管IGBT芯片的辅助栅极控制铜箔（111）通过绑定线连接到IGBT芯片的栅极焊盘（117）；上管IGBT芯片的发射极控制端子（115）通过绑定线连接到上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔（110），上管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔（110）通过绑定线连接到与上管IGBT芯片的发射极端相连的所述的上管发射极铜箔（121）；下管IGBT芯片的栅极控制端子（103）通过绑定线连接到下管IGBT的辅助栅极控制铜箔（102），下管IGBT的辅助栅极控制铜箔（102）通过绑定线进一步连接到IGBT芯片的栅极焊盘（109）；下管IGBT芯片的发射极控制端子（104）通过绑定线连接到下管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔（101），下管IGBT芯片的辅助发射极控制铜箔（101）通过绑定线连接到与下管IGBT芯片的发射极端相连的所述下管发射极铜箔（120）。
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