CN103367305A - 一种用于igbt器件的电连接结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于IGBT器件的电连接结构，包括DBC基板、设置于所述DBC基板上的多个IGBT芯片和二极管芯片，所述IGBT芯片的发射极、二极管芯片和外部电路以及各个IGBT芯片的栅极之间通过一导电薄膜实现电性连接。由于该薄膜的接触属于面接触，因此保证了大电流的流通。本发明免去了铝线的邦定，缩小了DBC的设计面积，减少了因IGBT模块长时间工作而引起的邦定线失效，降低了因邦定而使芯片击碎的风险，进而使产品拥有良好的可靠性和稳定性。

Description

一种用于IGBT器件的电连接结构
技术领域
本发明涉及一种用于IGBT器件的电连接结构，具体地，是一种具有无绑定线设计的IGBT器件的电连接结构。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR（电力晶体管）的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
对于普通的焊接式IGBT来说，芯片的电气连接目前是靠铝线的邦定技术（Bonding）来完成的，通过铝线键合机将IGBT芯片、二极管芯片与覆铜陶瓷基板（DBC）上的铜层用铝线连接起来。请参见图1，图1是一种现有的IGBT的电连接结构。如图所示，10为DBC基板，在DBC基板10两边的为二极管芯片12，中间四个为IGBT芯片11。一般来说IGBT的栅极在芯片中间（中间的方形小块），IGBT芯片的上表面除去中间栅极以外的区域为IGBT的发射极，IGBT芯片11的下表面为集电极。DBC基板10的表面都是附铜层14，图中两个阴影区域和其余的部分均为DBC表面的附铜层14，只是这几个区域的附铜层之间有绝缘层，也就是说该附铜层14相当于一个电路。为了保证各个芯片之间的连接以及栅极之间的连接，需要将他们用引线13键合连接起来。再通过电极焊接在这几个不同的附铜区域来完成DBC与外部的电气连接。
上述的IGBT电连接结构应用的是铝线邦定技术来完成芯片与铜层的电气连接。然而这种电连接结构存在如下的问题：
(1)焊接式IGBT一般采用铝线邦定的技术，而铝线的直径直接影响到电流的大小，如果IGBT的电流等级较高，那么就需要在一个芯片上邦定十多个铝线来保证电流的流通，因此要在设计DBC时预留出足够的面积；
(2)焊接式IGBT随着工作时间的增长、温度不断升高，有可能会使邦定的铝线失效
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种用于IGBT器件的电连接结构，这种电连接结构能够免去铝线的邦定，从而缩小DBC的设计面积，减少因IGBT模块长时间工作而引起的邦定线失效，以及降低因邦定而使芯片击碎的风险。
根据本发明的目的提出的一种用于IGBT器件的电连接结构，包括DBC基板、设置于所述DBC基板上的多个IGBT芯片和二极管芯片，所述IGBT芯片的发射极、二极管芯片和一外部电路之间，各个IGBT芯片的栅极之间，以及各个IGBT芯片的栅极与外部电路之间通过一导电薄膜实现电性连接。
优选的，所述导电薄膜采用柔性电路板结构、透明导电膜结构、埋入型导电膜结构或薄型金属片中的一种。
优选的，所述导电薄膜包括基材层和导电金属层。
优选的，所述导电金属层设置于基材层的表面，或者嵌入所述基材层中。
优选的，所述导电金属层上包括第一导电图案和第二导电图案，所述第一导电图案和第二导电图案之间绝缘。
优选的，所述第一导电图案和第二导电图案上具有按照各个器件之间的电性功能进行设计的图案，使得所述IGBT芯片的发射极和二极管芯片之间通过所述第一导电图案连接，并通过该第一导电图案将所述IGBT芯片的发射极和二极管芯片连接至所述外部电路，所述各个IGBT芯片的栅极之间通过第二导电图案连接，并通过该第二导电图案将所述各个IGBT芯片的栅极连接至所述外部电路。
优选的，所述外部电路为由电阻、电容、电感等无源器件以及驱动芯片组成的匹配电路，或者为由有源器件或者有源器件与无源器件混合组成的控制电路。
优选的，所述导电薄膜通过银膏与IGBT芯片的发射极、栅极以及二极管芯片进行电性连接。
与现有技术相比，本发明的进步之处在于：
第一：本发明的IBGT的无邦定线技术采用的是一种内含电路的薄膜，通过银膏压接在芯片和DBC上，因此这样的接触属于面接触，保证了大电流的流通。
第二：本发明免去了铝线的邦定，缩小了DBC的设计面积，减少了因IGBT模块长时间工作而引起的邦定线失效，降低了因邦定而使芯片击碎的风险，进而使产品拥有良好的可靠性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种现有的IGBT的电连接结构。
图2是本发明的用于IGBT器件的电连接结构的整体示意图。
图3是本发明的电连接结构的侧视剖面图。
图4是本发明中导电薄膜的第一实施方式的结构示意图。
图5是图4中AA线的剖视图。
图6是本发明中导电薄膜的第二实施方式的剖视图。
具体实施方式
正如背景技术中所述，现有的IGBT的电连接结构，普遍采用铝线的绑定技术，在IGBT芯片、二极管芯片以及DBC基板之前通过铝导线进行电连接。然而这种导电结构需要考虑到铝线直径对电流大小的影响，需要使用多跟铝线进行键合，这就要求设置IGBT器件的DBC极板面积必须足够大，才能将所有的铝导线键合到器件上去。另外，铝线在绑定时，往往通过高温锡焊，不仅会对器件的性能产生影响，而且这种焊锡容易在高温环境下形成脱落。
因此，本发明提出了一种新的用于IGBT器件的电连接结构，该IGBT电连接结构使用导电薄膜代替现有技术中的铝导线，将DBC基板上的各个器件进行电连接。由于导电薄膜与IGBT器件上的电极之间是面连接，因此可以大大减小电阻，提高导电结构上的电流。另外这种导电薄膜是通过银膏压接在IGBT器件上，可以避免现有技术中因高温焊接对器件造成的损坏。
下面，将对本发明的技术方案做详细描述。
请参见图2，图2是本发明的用于IGBT器件的电连接结构的整体示意图。如图所示，在覆铜陶瓷基板（DBC）20上，设有多个IGBT芯片21，以及多个二极管芯片22。IGBT芯片21的栅极211在芯片中间（中间的方形小块），IGBT芯片21的上表面除去中间栅极211以外的区域为IGBT的发射极，IGBT芯片11的下表面为集电极（图中未示出）。
在IGBT芯片21上的发射极和二极管芯片22之间、各个IGBT芯片21的栅极211之间按器件的具体电路功能实行电性连接。
请结合图3，在本发明中，将一表面设有导电金属的导电薄24作为连接上述各个器件的载体。该导电薄膜24覆盖在上述各个器件上，通过在器件表面的电极上涂布银膏25，使得导电薄膜24上的导电金属层与所要连接的器件电极进行连接。与之相应的，在本发明中的IGBT芯片21和二极管芯片22的上表面通过银膏25充分的接触到导电薄膜24，如图3所示。
导电薄膜24通常可以为柔性薄膜或者刚性薄膜，在导电薄膜24为柔性薄膜时，可以在与IGBT芯片21或者二极管芯片22固定时，考虑到各个芯片的高低不同，通过导电薄膜24自身的柔性依旧实现完美贴敷。在一种实施方式中，该导电薄膜24可以采用类似柔性电路板的结构，在聚酰亚胺或聚酯薄膜基材上，通过印刷导电金属层（比如铜、银、铝、镍等）形成本发明所需的导电薄膜。在另一种实施方式中，该导电薄膜也可以采用类似透明导电膜的结构，即在薄膜基板上制作氧化铟锡等导电材料，形成本发明所需的导电薄膜。在其它实施方式中，该导电薄膜还可以为埋入型导电膜，即在基材表面制作出凹槽，然后将导电金属层填埋在凹槽结构中形成导电结构。在其它实施方式中，该导电薄膜还可以直接由导电金属制作的薄型金属片，比如金箔、银箔、锡箔等。
另外，作为图2所示的实施方式，IGBT芯片21的发射极与该外部芯片22通过导电薄膜24上的第一导电图案2421进行连接，并通过该第一导电图案2421将所述IGBT芯片21的发射极和二极管芯片22连接至外部电路。该IGBT芯片21的栅极211之间通过导电薄膜24上的第二导电图案2422连接，并通过该第二导电图案2422将所述各个IGBT芯片的栅极211连接至外部电路。第一导电图案2421与第二导电图案2422之间互相绝缘，且通过输出端243分别与外部电路进行电连接。与实际应用中，外部电路为由电阻、电容、电感等无源器件以及驱动保护芯片组成的匹配电路，或者为由有源器件或者有源器件与无源器件混合组成的控制电路。
在一种实施方式中，该第一导电图案2421与第二导电图案2422之间彼此叠加，且通过叠加时，在两层之间多设置一层介质层实现互相绝缘。这种处理方式的好处是制作简单，工艺要求较低。
在另一种实施方式中，该第一导电图案2421与第二导电图案2422之间同层设置，通过刻蚀工艺，在两者之间刻蚀出绝缘空隙实现互相绝缘。
请结合图2参见图4和图5。图4是本发明中导电薄膜的第一实施方式的结构示意图，图5是图4中AA线的剖视图。如图所示，该导电薄膜24上包括基材层241和位于基材层241上的导电金属层242，其中导电金属层242又包括第一导电图案2421和第二导电图案2422，且第一导电图案2421与第二导电图案2422之间相互绝缘。作为与图2所示实施例配合的实施方案，该第一导电图案2421用于连接IGBT芯片21的发射极与二极管芯片22的焊盘部分，具有与之相匹配的形状，而各个焊盘之间则可以通过刻蚀出连接线结构的区域。当然，在其它实施方式中，该第一导电图案去2421也可以将各个部分做成大小一样的区域。第二导电图案2422用于连接IGBT芯片21的栅极部分，同样也设有与之相匹配的形状。这样既可以保证各器件之间的电连接正常，又可以避免对具体某个芯片造成短路等异常问题。
请参见图6，图6是本发明中导电薄膜的第二实施方式的剖视图。如图所示，该导电薄膜24’上包括基材层241’和嵌入基材层241’上的导电金属层242’，其中导电金属层242’又包括第一导电图案2421’和第二导电图案2422’，且第一导电图案2421’与第二导电图案2422’之间相互绝缘。第一导电图案2421’与第二导电图案2422’的功能与第一实施方式中相同，此处不再赘述。与第一实施例不同的是，在该实施方式中导电金属层242’，是制作在基材层241’中，如此一来，可以防止导电金属242’从基材层241’上脱落，进而防止各个芯片之间的电路连接异常问题。具体制作时，可以在基材层241’的表面进行光刻或压印，以制作出所需形状的凹槽，然后在这些凹槽中进行填充，将导电金属嵌入基材中。
综上所述，本发明提出了一种用于IGBT器件的电连接结构。该电连接结构采用一种内含电路的薄膜，通过银膏压接在芯片和DBC上，因此这样的接触属于面接触，保证了大电流的流通。本发明免去了铝线的邦定，缩小了DBC的设计面积，减少了因IGBT模块长时间工作而引起的邦定线失效，降低了因邦定而使芯片击碎的风险，进而使产品拥有良好的可靠性和稳定性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种用于IGBT器件的电连接结构，包括DBC基板、设置于所述DBC基板上的多个IGBT芯片和二极管芯片，其特征在于：所述IGBT芯片的发射极、二极管芯片和外部电路之间，各个IGBT芯片的栅极之间，以及各个IGBT芯片的栅极与外部电路之间都通过一导电薄膜实现电性连接。
2.如权利要求1所述的IGBT器件的电连接结构，其特征在于：所述导电薄膜采用柔性电路板结构、透明导电膜结构、埋入型导电膜结构或薄型金属片中的一种。
3.如权利要求1所述的IGBT器件的电连接结构，其特征在于：所述导电薄膜包括基材层和导电金属层。
4.如权利要求3所述的IGBT器件的电连接结构，其特征在于：所述导电金属层设置于基材层的表面，或者嵌入所述基材层中。
5.如权利要求3所述的IGBT器件的电连接结构，其特征在于：所述导电金属层上包括第一导电图案和第二导电图案，所述第一导电图案和第二导电图案之间绝缘。
6.如权利要求5所述的IGBT器件的电连接结构，其特征在于：所述第一导电图案和第二导电图案上具有按照各个器件之间的电性功能进行设计的图案，使得所述IGBT芯片的发射极和二极管芯片之间通过所述第一导电图案连接，并通过该第一导电图案将所述IGBT芯片的发射极和二极管芯片连接至所述外部电路，所述各个IGBT芯片的栅极之间通过第二导电图案连接，并通过该第二导电图案将所述各个IGBT芯片的栅极连接至所述外部电路。
7.如权利要求1所述的IGBT器件的电连接结构，其特征在于：所述外部电路为由电阻、电容、电感等无源器件以及驱动保护芯片组成的匹配电路，或者为由有源器件或者有源器件与无源器件混合组成的控制电路。
8.如权利要求1所述的IGBT器件的电连接结构，其特征在于：所述导电薄膜通过银膏与IGBT芯片的发射极、栅极以及二极管芯片进行电性连接。
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