CN103545269A - 一种大功率压接式igbt封装模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子封装技术领域，具体涉及一种大功率压接式IGBT封装模块。上端盖子、子模块、门极针、下端底座，上端盖子盖于下端底座上，所述子模块设置于上端盖子和下端底座之间，所述门极针设置于下端底座中绝缘底板的凹槽内。所述子模块包括顶部钼片、芯片、底部钼片、导电银片和PBI高性能塑料框架，在所述PBI高性能塑料框架的槽面内顶部钼片、芯片、底部钼片和导电银片自上到下依次压接，所述顶部钼片的上表面与上端盖子的下表面电极接触，所述子模块里导电银片的下表面与下端底座中凸台的上表面压接。本发明具有制作和装配更加简便、连接的可靠性更好、散热性能更好等优点。

Description

一种大功率压接式IGBT封装模块

技术领域

本发明涉及微电子封装技术领域，具体涉及一种大功率压接式IGBT封装模块

背景技术

绝缘栅双极晶体管（IGBT）集MOSFET的栅极电压控制特性和BJT的低导通电阻特性于一身,具有输入阻抗大、驱动功率小、开关损耗低以及工作频率、高电压、大电流等特点，是近乎理想的半导体大功率开关器件，有着广阔的发展和应用前景，广泛应用于电机变频器、风力发电变流器、光伏发电逆变器、高频电焊机逆变器，轻型交直流输电、轨道交通、航空、舰船、海洋工程等领域。

现今国际上IGBT作为一种主流器件，已经发展到商业化第五代，IGBT封装方式也已经多样化，目前高性能塑料外壳的模块结构是最普遍的方式，在这种结构中IGBT芯片用焊接的方法和导热不导电的BDC板焊接在一起，引出端采用键合的方式，这样芯片固定在同一块陶瓷基板上保证了良好的绝缘性和导热性。但是这种方式只能在导电电极一面安装散热器，散热效果不够理想，而且键合工艺在大电流工作条件下容易造成器件损坏，而且这种结构连线过多，过于复杂。

目前有人提出一种全压接式IGBT模块，有别于模块结构的IGBT即在模块内部设置多个芯片定位装置，再将钼片和芯片依次放进定位装置，然后压接而成。其中，IGBT芯片的栅极通过弹簧端子引出到PCB上进行互连。全压接式IGBT由于优良的散热功能所以在中小功率器件中得到广泛应用，但是在未来对能源发展多元化要求的背景下，一个压接式IGBT里整合单个子模块的总数量有限就局限了器件的功率范围，而且结构的有限和新材料的选用没有突破性变化，因此制约了器件的发展。

发明内容

针对现有压接式IGBT内部子模块塑料框架结构技术存在的技术问题，本发明提供一种大功率压接式IGBT封装模块，使其整体结构更加简单紧凑、制作和装配更加简便、连接的可靠性更好、散热性能更好的压接式IGBT封装模块。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种大功率压接式IGBT封装模块，其改进之处在于，所述IGBT封装模块包括上端盖子、子模块、门极针和下端底座；所述上端盖子盖于下端底座上，所述子模块设置于上端盖子和下端底座之间，所述门极针设置于下端底座中绝缘底板的凹槽内。

优选的，所述上端盖子包括焊接为一体的盖子铜块和盖子大阳；所述盖子铜块和盖子大阳基本材料为铜材质，铜材质表面镀铑。

优选的，所述子模块包括顶部钼片、芯片、底部钼片、导电银片和塑料框架；在所述塑料框架的槽面内自上到下依次压接顶部钼片、芯片、底部钼片和导电银片，所述顶部钼片的上表面与上端盖子的下表面电极压接，所述导电银片的下表面与下端底座中月牙凸台的上表面压接。

较优选的，所述芯片包括IGBT芯片和二极管芯片；所述IGBT芯片和二极管芯片通用一套模具注塑成统一的塑料框架，且芯片在组装时360°旋转调整进行装配；

所述塑料框架的材质采用PBI工程塑料；所述塑料框架为旋转矩阵形状。

较优选的，所述顶部钼片的上表面与盖子大阳的下端面贴合。

优选的，所述门极针包括门极针绝缘套筒和导电针，所述导电针从下端套于门极针绝缘套筒，即门极针与子模块独立装配。

优选的，所述下端底座包括绝缘底板、PCB板、底座铜块、底座密封圈、底座陶瓷管壳、底座大阳、门极导出管和底座电极导出管；

所述绝缘底板从下端同心套于底座铜块中，所述PCB板从下端同心套于底座铜块中，所述PCB板设置于绝缘底板和底座密封圈之间；在套好绝缘底板和PCB板后，所述底座密封圈与底座铜块同心焊接；所述底座密封圈和底座陶瓷管壳同心焊接；所述底座陶瓷管壳和底座大阳同心焊接。

较优选的，所述门极导出管为IGBT芯片的触发端，所述底座电极导出管为二极管芯片的导出端，两种导出管均为铜材质，铜材质表面镀银。

较优选的，所述绝缘底板的材质为PBI工程塑料；

所述底座陶瓷管壳为氧化铝陶瓷；

所述底座密封圈、底座大阳和底座铜块采用铜材质，铜材质表面镀铑。

较优选的，所述底座铜块包括月牙凸台；盖子大阳盖于底座大阳上，盖子大阳与底座大阳对应法兰边缘焊接到一起。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

（1）抗氧化性能极佳，上端盖子和下端底座由于在表面金属层电镀3～5um的铑，所以不仅拥有超高的导电性能，同时还具有极高的抗氧化性；

（2）底座铜块二极管和IGBT所有凸台形状一致，所以IGBT和二极管子模块中的塑料框架可以通用一套模具来注塑成如图4的统一一种塑料框架，可以降低注塑成本，子模块PBI高性能塑料框架结构简单紧凑，塑料框架的材质选用PBI工程塑料（聚苯并咪唑）具有极高的工作温度，能在连续310℃下连续工作，极高的机械强度、硬度和抗蠕变性、低热膨胀率，它的电气绝缘性佳，在此应用中起到绝好的定位绝缘功能；

（3）散热性能更好，由于把PCB板位置更换到底座铜块的下边面，门极针引出的电流从底座铜块的下边面引出，所以，一定程度上分散热量到底部，所以，导致墙体内的一大部分热量分流，提高了整个器件的散热性能；整体结构紧凑，制作和装配更加简便、连接的可靠性更好、散热性能更好。

（4）可独立拆装门极针，门极针和子模块的在拆分，可以独立进行装配，装拆更加简单；门极针的绝缘套筒采用PI（聚酰亚胺）制作，用来使导电针和外部底座铜块绝缘，绝缘性能和材料的蠕变小，在高温下能保持良好的结构形状不易变形；导电针采用纯银材料制作，银材质较软，可以更好的和芯片门极贴合，导电性能极佳。

附图说明

图1是本发明提供的大功率压接式IGBT封装模块的结构示意图（即图3的A-A剖面图）；

图2是本发明提供的图1的局部放大图；

图3是本发明提供的隐藏了上端盖子和子模块的简图；其中含阴影的凸台安装IGBT子模块，无阴影的凸台安装二极管子模块；

图4是本发明提供的IGBT子模块中的PBI高性能塑料框架图5的B-B剖面图；

图5是本发明提供的IGBT子模块中的PBI高性能塑料框架俯视图；

图6是本发明提供的子模块装配好的俯视图简图；

图7是本发明提供的PBI绝缘底板图8的C-C剖面图；

图8是本发明提供的PBI绝缘底板的俯视图；其中：上端盖子1、盖子大阳1-1、盖子铜块1-2、子模块2、顶部钼片2-1、芯片2-2、底部钼片2-3、导电银片2-4、PBI高性能塑料框架2-5、门极针3、门极针绝缘套筒3-1、导电针3-2、下端底座4、PBI绝缘底板4-1、PCB板4-2、底座铜块4-3、底座密封圈4-4、底座陶瓷管壳4-5、底座大阳4-6、门极导出管4-7、底座电极导出管4-8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的大功率压接式IGBT封装模块的结构示意图和图1的局部放大图分别如图1和2所示，所述框架盘由上端盖子1、子模块2（其中包括IGBT子模块和二极管子模块）、门极针3、下端底座4组成；所述上端盖子1盖于下端底座4上，所述子模块2设置于上端盖子1和下端底座4之间，所述门极针3设置于下端底座4中绝缘底板4-1的凹槽内；具体的：

上端盖子1主要由盖子大阳1-1和盖子铜块1-2组成；

子模块2由顶部钼片2-1、芯片2-2、底部钼片2-3、导电银片2-4和PBI高性能塑料框架2-5组成；本发明提供的子模块装配好的俯视图简图如图6所示。

门极针3由门极针绝缘套筒3-1和导电针3-2组成；下端底座4由PBI绝缘底板4-1、PCB板4-2、底座铜块4-3、底座密封圈4-4、底座陶瓷管壳4-5、底座大阳4-6、门极导出管4-7和底座电极导出管4-8组成。

上端盖子1中的盖子铜块1-1与盖子大阳1-2焊接为一体；所述上端盖子1中的盖子大阳1-2盖于下端底座4中的底座大阳4-6上，所述盖子大阳1-2与底座大阳4-6对应法兰边缘焊接到一起；使盖子铜块1-1的下端面恰好与子模块2中顶部钼片2-1的上端面紧密贴合；所述下端底座4中的PBI绝缘底板4-1从下端同心套于底座铜块4-3，PCB板4-2从下端同心套于底座铜块4-3，所述PCB板4-2位于PBI绝缘底板4-1和底座密封圈4-4之间；在先后套好PBI绝缘底板4-1和PCB板4-2之后，所述底座密封圈4-4与底座铜块4-3同心焊接上；所述底座密封圈4-4和底座陶瓷管壳4-5同心焊接；底座陶瓷管壳4-5和底座大阳4-6同心焊接。

本发明提供的隐藏了上端盖子和子模块的简图如图3所示，芯片2-2包括IGBT芯片和二极管芯片。

门极导出管4-7为其中一种芯片（IGBT芯片）的触发端，底座电极导出管4-8为另一种芯片（二极管芯片）的导出端；两种导出管材质均为高导电的铜材质表面镀银；

分别如图2、图4、图5、图6所示，所述导电针3-2从下部套于门极针绝缘套筒3-1；所述门极针3从上下放至下端底座中PBI绝缘底板4-1的凹槽内；上端盖子1和下端底座4的所有金属部分基体材料为铜，铜表面镀铑，可以更好的预防铜氧化。

底座密封圈4-4、底座大阳4-6和底座铜块4-3的基体材质为铜；底座陶瓷管壳4-5为氧化铝陶瓷，具有很高的绝缘性；PBI绝缘底板（聚苯并咪唑）具有极高的工作温度，能在连续310℃下连续工作，极高的机械强度、硬度和抗蠕变性、低热膨胀率，它的电气绝缘性佳，在此应用中起到绝好的定位绝缘功能。本发明提供的PBI绝缘底板的侧视图和俯视图分别图7和图8所示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种大功率压接式IGBT封装模块，其特征在于，所述IGBT封装模块包括上端盖子、子模块、门极针和下端底座；所述上端盖子盖于下端底座上，所述子模块设置于上端盖子和下端底座之间，所述门极针设置于下端底座中绝缘底板的凹槽内。

2.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，所述上端盖子包括焊接为一体的盖子铜块和盖子大阳；所述盖子铜块和盖子大阳基本材料为铜材质，铜材质表面镀铑。

3.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，所述子模块包括顶部钼片、芯片、底部钼片、导电银片和塑料框架；在所述塑料框架的槽面内自上到下依次压接顶部钼片、芯片、底部钼片和导电银片，所述顶部钼片的上表面与上端盖子的下表面电极压接，所述导电银片的下表面与下端底座中月牙凸台的上表面压接。

4.如权利要求3所述的封装模块，其特征在于，所述芯片包括IGBT芯片和二极管芯片；所述IGBT芯片和二极管芯片通用一套模具注塑成统一的塑料框架，且芯片在组装时360°旋转调整进行装配；

所述塑料框架的材质采用PBI工程塑料；所述塑料框架为旋转矩阵形状。

5.如权利要求3所述的封装模块，其特征在于，所述顶部钼片的上表面与盖子大阳的下端面贴合。

6.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，所述门极针包括门极针绝缘套筒和导电针，所述导电针从下端套于门极针绝缘套筒，即门极针与子模块独立装配。

7.如权利要求1所述的封装模块，其特征在于，所述下端底座包括绝缘底板、PCB板、底座铜块、底座密封圈、底座陶瓷管壳、底座大阳、门极导出管和底座电极导出管；

所述绝缘底板从下端同心套于底座铜块中，所述PCB板从下端同心套于底座铜块中，所述PCB板设置于绝缘底板和底座密封圈之间；在套好绝缘底板和PCB板后，所述底座密封圈与底座铜块同心焊接；所述底座密封圈和底座陶瓷管壳同心焊接；所述底座陶瓷管壳和底座大阳同心焊接。

8.如权利要求7所述的封装模块，其特征在于，所述门极导出管为IGBT芯片的触发端，所述底座电极导出管为二极管芯片的导出端，两种导出管均为铜材质，铜材质表面镀银。

9.如权利要求7所述的封装模块，其特征在于，所述绝缘底板的材质为PBI工程塑料；

所述底座陶瓷管壳为氧化铝陶瓷；

所述底座密封圈、底座大阳和底座铜块采用铜材质，铜材质表面镀铑。

10.如权利要求7所述的封装模块，其特征在于，所述底座铜块包括月牙凸台；盖子大阳盖于底座大阳上，盖子大阳与底座大阳对应法兰边缘焊接到一起。

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