CN105895681A - 一种单芯片双向igbt模块的封装结构 - Google Patents

一种单芯片双向igbt模块的封装结构 Download PDF

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Hunan University
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Abstract

本发明涉及一种单芯片双向IGBT模块的封装结构，包括单芯片双向IGBT器件、底部金属板、DBC板和外壳，DBC板平铺于底部金属板的上方，且与底部金属板的上表面固定连接；外壳沿DBC板的外围设置，与DBC板围成封闭结构；单芯片双向IGBT器件设于所述DBC板上，其单芯片双向IGBT器件的上表面设有G1极和E1极，下表面设有G2极和E2极，DBC板的上表面设有与G2极连接的G1覆铜区、与G2极连接的G2覆铜区、与E1极连接的E1覆铜区和与E2极连接的E2覆铜区，G1覆铜区、G2覆铜区、E1覆铜区、E2覆铜区均设有外部引脚，外部引脚的上端从外壳的顶部穿出。该封装结构简单合理，且提高了模块的功率密度。

Description

一种单芯片双向IGBT模块的封装结构
技术领域
本发明涉及电力电子器件技术领域，尤其涉及一种单芯片双向IGBT模块的封装结构。
背景技术
IGBT(即绝缘栅双极型晶体管)是一种结合了金属-氧化物-半导体场效应晶体管和双极结型晶体管优点的电力电子器件，IGBT以其优异的性能得到了广泛的应用，极大地提升了电力电子装置和系统的性能。传统的交流-直流-交流变换器(即AC-DC-AC变换器)，需要大容量的电容器来维持中间直流环节(即DC环节)的稳定运行，使得变换器的体积、重量都较大。此外，与功率器件相比，电容器的使用寿命明显不足，从而影响了变换器的可靠性和使用寿命。交流-交流变换器(AC-AC变换器)省去了中间直流环节，同时对功率器件提出了新的要求——双向可控开关。传统逆阻型IGBT能够双向阻断电压，但只能单向导通电流，由图1至图4可知，逆阻型IGBT器件2上设有电极1、电极2和电极3，其中电极1为门极G，电极2为集电极C，电极3为发射极E，根据该逆阻型IGBT器件的结构可知由两只反并联的逆阻型IGBT构成的双向可控开关模块才能满足双向可控开关的要求；而该模块存在着体积、重量大等不足，在一定程度上制约了AC-AC变换器的性能。
单芯片双向IGBT器件的问世解决了这一问题，通过控制单芯片双向IGBT器件的两个门极与对应的两个发射极之间的电压，可实现电流双向导通与电压双向阻断。目前对单芯片双向IGBT器件的研究工作主要集中在器件的结构优化和制备工艺上，但针对器件特点，结合电力电子装置的应用要求，对其封装技术的研究工作报道较少。区别于传统逆阻型IGBT的三个电极(即门极、集电极和发射极)，单芯片双向IGBT器件具有两个门极和对应的两个发射极，因而现有的由两只反并联的逆阻型IGBT构成的双向可控开关模块的封装结构不能满足单芯片双向IGBT模块的封装要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：实现单芯片双向IGBT模块的良好封装，解决单芯片双向IGBT器件“两个电极共面”这一特点带来的不易封装的问题；使单芯片双向IGBT模块的外形、封装工艺与传统逆阻型IGBT模块相兼容。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单芯片双向IGBT模块的封装结构，包括单芯片双向IGBT器件、底部金属板、DBC板和外壳，所述DBC板平铺于所述底部金属板的上方，且与所述底部金属板的上表面固定连接；所述外壳沿所述DBC板的外围设置，与所述DBC板围成封闭结构；所述单芯片双向IGBT器件设于DBC板上，且所述单芯片双向IGBT器件的上表面设有G1极和E1极，下表面设有G2极和E2极；所述DBC板的上表面设有与G1极连接的G1覆铜区、与G2极连接的G2覆铜区、与E1极连接的E1覆铜区和与E2极连接的E2覆铜区，所述G1覆铜区、所述G2覆铜区、所述E1覆铜区、所述E2覆铜区均设有外部引脚，且所述外部引脚的上端从所述外壳的顶部穿出。
其中，所述单芯片双向IGBT器件的数量为多个，多个所述单芯片双向IGBT器件通过所述G1覆铜区、G2覆铜区、E1覆铜区和E2覆铜区实现并联。
其中，所述G2覆铜区包括第一G2覆铜区和第二G2覆铜区，所述第一G2覆铜区、E2覆铜区、E1覆铜区和G1覆铜区平行且间隔的设于所述DBC板的上表面，所述第二G2覆铜区的数量为多个，且与所述单芯片双向IGBT器件的数量相等，多个所述第二G2覆铜区沿所述E2覆铜区的长度方向间隔设置，所述G2极与所述第二G2覆铜区一一对应连接，多个所述第二G2覆铜区分别通过金属键合线与所述第一G2覆铜区连接。
其中，所述G2极与所述第二G2覆铜区通过焊接固定。
其中，所述E2极与所述E2覆铜区通过焊接固定。
其中，所述E1极与所述E1覆铜区通过金属键合线连接，所述G1极与所述G1覆铜区通过金属键合线连接。
其中，所述外部引脚包括设于所述第一G2覆铜区上的G2引脚、设于所述G1覆铜区上的G1引脚、设于E1覆铜区上的E1引脚和设于E2覆铜区上的E2引脚，所述E1引脚又包括E1主电路引脚和E1驱动电路引脚，所述E2引脚又包括E2主电路引脚和E2驱动电路引脚，所述G2引脚、G1引脚、E1驱动电路引脚和E2驱动电路引脚均用于连接外部驱动电路，所述E1主电路引脚和E2主电路引脚均用于连接外部主电路。
其中，所述DBC板的尺寸小于所述底部金属板的尺寸，且所述DBC板与所述底部金属板的上表面焊接固定。
其中，所述底部金属板的边角处设有第一安装通孔，用于实现所述底部金属板的安装固定。
其中，所述外部引脚的上端设有第二安装通孔，用于实现对外部线缆的安装。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的单芯片双向IGBT模块的封装结构，该封装结构根据单芯片双向IGBT器件的特点，将单芯片双向IGBT器件下表面的两个电极同时焊接在底部的DBC板上，并根据单芯片双向IGBT器件电极设计的特点，合理地布置DBC板上的G1覆铜区、G2覆铜区、E1覆铜区和E2覆铜区，单芯片双向IGBT器件的G1极与DBC板上的G1覆铜区连接，G2极与G2覆铜区连接，E1极与E1覆铜区连接，E2极与E2覆铜区连接，多个单芯片双向IGBT器件通过该连接方式实现并联，该封装结构还包括外壳，外壳与DBC板围成封闭结构，G1覆铜区、G2覆铜区、E1覆铜区、E2覆铜区均设有外部引脚，外部引脚的上端从外壳的顶部穿出，与外部电路连接。该封装结构根据单芯片双向IGBT器件的特点解决了单芯片双向IGBT器件两个电极共面不易封装的问题，与传统逆阻型IGBT模块相比，单芯片双向IGBT模块的功率密度更高，非常适用于高性能电力电子装置，如矩阵式变换器等，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是由逆阻型IGBT器件构成的双向可控开关模块的原理图；
图2是逆阻型IGBT器件的右侧视图；
图3是逆阻型IGBT器件的俯视图；
图4是逆阻型IGBT器件的仰视图；
图5是本发明实施例提供的由四个单芯片双向IGBT器件并联构成的模块的封装结构的内部示意图；
图6是本发明实施例提供的由四个单芯片双向IGBT器件并联构成的模块的封装结构的完整示意图；
图7是单芯片双向IGBT器件的原理图；
图8是本发明实施例提供的单芯片双向IGBT器件右侧视图；
图9是本发明实施例提供的单芯片双向IGBT器件俯视图；
图10是本发明实施例提供的单芯片双向IGBT器件仰视图。
图中：1：逆阻型IGBT器件；2：电极；3：电极；4：电极；10：底部金属板；20：DBC板；30：单芯片双向IGBT器件；40：外壳；201：第一G2覆铜区；202：E2覆铜区；203：E1覆铜区；204：G1覆铜区；205：第二G2覆铜区；301：G1极；302：E1极；303：G2极；304：E2极；2011：G2引脚；2021：E2驱动电路引脚；2022：E2主电路引脚；2031：E1驱动电路引脚；2032：E1主电路引脚；2041：G1引脚。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图5和图6所示，本发明实施例提供的一种单芯片双向IGBT模块的封装结构，包括单芯片双向IGBT器件30、底部金属板10、DBC板(即直接键合铜板、Direct Bonding Copper板)20和外壳40，DBC板20平铺于底部金属板10的上方，且与底部金属板10的上表面固定连接；外壳40沿DBC板20的外围设置，与DBC板20围成封闭结构，具体为，绝缘的外壳40位于DBC板20的外围，通过粘接连接于底部金属板10的上表面，作为模块的外壳，起到保护器件和电气绝缘的作用；如图8至图10所示，单芯片双向IGBT器件30的上表面设有相互隔离的G1极301和E1极302，下表面设有相互隔离的G2极303和E2极304，G1极301和G2极303为门极，E1极302和E2极304为发射极，如图7所示，通过控制单芯片双向IGBT器件的两个门极与对应的两个发射极之间的电压，可实现电流双向导通与电压双向阻断。本发明实施例的单芯片双向IGBT器件30的G1极301与G2极303对应设置，E1极302与E2极304对应设置，且G1极301、G2极303、E1极302和E2极304相互绝缘，DBC板20的上表面设有相互隔离的G1覆铜区204、G2覆铜区、E1覆铜区203和E2覆铜区202，G2极303与G2覆铜区可通过焊接连接，E2极304与E2覆铜区202可通过焊接连接，在本实施例中均采用焊接固定，G1极301与G1覆铜区204通过金属键合线连接，E1极302与E1覆铜区203通过金属键合线连接；G1覆铜区204、G2覆铜区、E1覆铜区203、E2覆铜区202均设有外部引脚，外部引脚的下端分别与G1覆铜区204、G2覆铜区、E1覆铜区203、E2覆铜区202焊接固定，外部引脚的上端从外壳40的顶部穿出，且外部引脚的上端均设有安装通孔，便于线缆和母线等的安装。本实施例根据单芯片双向IGBT器件30的结构，布置DBC板20上的G1覆铜区204、G2覆铜区、E1覆铜区203和E2覆铜区202，将单芯片双向IGBT器件的下表面的两个电极分别与一块DBC板的不同覆铜区进行连接，解决了单芯片双向IGBT器件“两个电极共面”带来的不易封装的问题。
进一步地，单芯片双向IGBT器件30的数量为多个，根据单芯片双向IGBT器件30的结构，合理的布置DBC板20上的G1覆铜区204、G2覆铜区、E1覆铜区203和E2覆铜区202，使得多个单芯片双向IGBT器件30的G2极303均能与G2覆铜区进行焊接，E2极304均能与E2覆铜区202进行焊接，实现多个单芯片双向IGBT器件30的并联，每个单芯片双向IGBT器件30在与底部DBC板20进行焊接时要保证G2极303与E2极304的良好的绝缘。
进一步地，G2覆铜区包括第一G2覆铜区201和第二G2覆铜区205，第一G2覆铜区201、E2覆铜区202、E1覆铜区203和G1覆铜区204平行且间隔的设于DBC板20的上表面，第二G2覆铜区205的数量为多个，且与单芯片双向IGBT器件30的数量相等，多个第二G2覆铜区205沿E2覆铜区202的长度方向间隔设置，G2极303与第二G2覆铜区205一一对应连接，多个第二G2覆铜区205分别通过金属键合线与第一G2覆铜区201连接。具体地，在本实施例中，单芯片双向IGBT器件30的数量为4个，第二G2覆铜区205的数量为4个，4个第二G2覆铜区205沿E2覆铜区202的长度方向间隔设置，并保证第二G2覆铜区205与E2覆铜区202的绝缘，4个单芯片双向IGBT器件30对应的设置在4个第二G2覆铜区205的上方，且单芯片双向IGBT器件30的G2极303与第二G2覆铜区205一一对应焊接固定，E2极304与E2覆铜区202焊接固定，4个第二G2覆铜区205又分别通过金属键合线与第一G2覆铜区201连接，使4个单芯片双向IGBT器件30的G2极303实现并联。
本发明根据单芯片双向IGBT器件30的结构特点，在DBC板20上设置多个第二G2覆铜区205，将多个单芯片双向IGBT器件30的G2极303分别与第二G2覆铜区205一一对应焊接固定，然后将多个第二G2覆铜区205通过金属键合线与第一G2覆铜区201连接，并将E2极304与E2覆铜区202焊接固定，将E1极302通过金属键合线与E1覆铜区203连接，G1极301通过金属键合线与G1覆铜区204连接。本实施例中单芯片双向IGBT器件30下表面的两个电极同时焊接在DBC板20上，解决了单芯片双向IGBT器件30“两个电极共面”这一特点带来的不易封装的问题。
进一步地，外部引脚包括设于第一G2覆铜区201上的G2引脚2011、设于G1覆铜区204上的G1引脚2041、设于E1覆铜区203上的E1引脚和设于E2覆铜区202上的E2引脚，E1引脚又包括E1主电路引脚2032和E1驱动电路引脚2031，并联的两个单芯片双向IGBT器件30E1极302分别与E1主电路引脚2032和E1驱动电路引脚2031对应，E1主电路引脚2032和E1驱动电路引脚2031设于E1覆铜区203上的不同位置上，形成了E1极302与对应的两个外部引脚的电气连接，E2引脚又包括E2主电路引脚2022和E2驱动电路引脚2021，并联的两个单芯片双向IGBT器件30的E2极304分别与E2主电路引脚2022和E2驱动电路引脚2021对应，E2主电路引脚2022和E2驱动电路引脚2021设于E2覆铜区202上的不同位置上，形成了E2极304与对应的两个外部引脚的电气连接；G2引脚2011、G1引脚2041、E1驱动电路引脚2031和E2驱动电路引脚2021均用于连接外部驱动电路，E1主电路引脚2032和E2主电路引脚2022均用于连接外部主电路。
进一步地，DBC板20的尺寸小于底部金属板10的尺寸，且底部金属板10的边角处设有安装通孔，用于实现底部金属板10的安装固定，从而实现整个模块的安装固定，底部金属板10具有足够的厚度和机械强度，满足其下表面作为模块机械安装面的需求，同时该机械安装面又作为模块的导热界面。
综上所述，本发明根据单芯片双向IGBT器件30的结构特点合理的布置DBC板20上的EI覆铜区、E2覆铜区202、G1覆铜区204、第一G2覆铜区201和第二G2覆铜区205的位置，便于对多个单芯片双向IGBT器件30的G2极303与第二G2覆铜区205进行焊接，E2极304与E2覆铜区202进行焊接，E1极302与E1覆铜区203通过金属键合线连接，G1极301与G1覆铜区204通过金属键合线连接，并将多个第二G2覆铜区205分别通过金属键合线连接到第一G2覆铜区201上，从而实现多个单芯片双向IGBT器件30的并联，解决了单芯片双向IGBT器件30“两个电极共面”这一特点带来的不易封装的问题，使单芯片双向IGBT模块的外形、封装工艺与由传统逆阻型IGBT构成的双向可控开关模块相兼容，同时提高了模块的功率密度，非常适用于高性能电力电子装置和系统，如矩阵式变换器等，具有良好的应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：包括单芯片双向IGBT器件、底部金属板、DBC板和外壳，所述DBC板平铺于所述底部金属板的上方，且与所述底部金属板的上表面固定连接；所述外壳沿所述DBC板的外围设置，与所述DBC板围成封闭结构；所述单芯片双向IGBT器件设于所述DBC板上，且所述单芯片双向IGBT器件的上表面设有G1极和E1极，下表面设有G2极和E2极；所述DBC板的上表面设有与G1极连接的G1覆铜区、与G2极连接的G2覆铜区、与E1极连接的E1覆铜区和与E2极连接的E2覆铜区，所述G1覆铜区、所述G2覆铜区、所述E1覆铜区和所述E2覆铜区均设有外部引脚，且所述外部引脚的上端从所述外壳的顶部穿出。
2.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：所述单芯片双向IGBT器件的数量为多个，多个所述单芯片双向IGBT器件通过所述G1覆铜区、G2覆铜区、E1覆铜区和E2覆铜区实现并联。
3.根据权利要求2所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：所述G2覆铜区包括第一G2覆铜区和第二G2覆铜区，所述第一G2覆铜区、E2覆铜区、E1覆铜区和G1覆铜区平行且间隔的设于所述DBC板的上表面，所述第二G2覆铜区的数量为多个，且与所述单芯片双向IGBT器件的数量相等，多个所述第二G2覆铜区沿所述E2覆铜区的长度方向间隔设置，所述G2极与所述第二G2覆铜区一一对应连接，多个所述第二G2覆铜区分别通过金属键合线与所述第一G2覆铜区连接。
4.根据权利要求3所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：所述G2极与所述第二G2覆铜区通过焊接固定。
5.根据权利要求4所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：所述E2极与所述E2覆铜区通过焊接固定。
6.根据权利要求5所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：所述E1极与所述E1覆铜区通过金属键合线连接，所述G1极与所述G1覆铜区通过金属键合线连接。
7.根据权利要求3所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：所述外部引脚包括设于所述第一G2覆铜区上的G2引脚、设于所述G1覆铜区上的G1引脚、设于E1覆铜区上的E1引脚和设于E2覆铜区上的E2引脚，所述E1引脚又包括E1主电路引脚和E1驱动电路引脚，所述E2引脚又包括E2主电路引脚和E2驱动电路引脚，所述G2引脚、G1引脚、E1驱动电路引脚和E2驱动电路引脚均用于连接外部驱动电路，所述E1主电路引脚和E2主电路引脚均用于连接外部主电路。
8.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：所述DBC板的尺寸小于所述底部金属板的尺寸，且所述DBC板与所述底部金属板的上表面焊接固定。
9.根据权利要求8所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：所述底部金属板的边角处设有第一安装通孔，用于实现所述底部金属板的安装固定。
10.根据权利要求1所述的单芯片双向IGBT模块的封装结构，其特征在于：所述外部引脚的上端设有第二安装通孔，用于实现对外部线缆的安装。
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