CN107275291A - 一种水冷绝缘栅双极型晶体管igbt模块 - Google Patents

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Abstract

一种水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块，包括绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分、绝缘基板DBC、功率端子、信号端子、铝线、塑料外壳、硅凝胶、热敏电阻、水冷铝基板、导向柱、滚花螺母；所述的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分和功率端子通过超声波焊接，并通过软铅焊将所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分和功率端子焊接在绝缘基板DBC的导电铜层上；所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分的各芯片之间、绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分的各芯片与绝缘基板DBC2相应的导电层之间均通过铝线键合进行电气连接；塑料外壳和水冷铝基板通过密封胶粘接。

Description

一种水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块
技术领域
本发明属于电力电子学领域，涉及功率模块的设计、封装和应用，具体地说是一种新型高可靠水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块。
背景技术
目前绝缘栅双极型晶体管IGBT模块在变频器、逆变焊机、感应加热、轨道交通以及风能、太阳能发电等领域的应用越来越广泛，在新能源车这个新兴市场的应用更是尤其重要。特别是功率模块，除了对功率模块结构和电路的可靠性要求外，对功率模块的集成度、易用性要求也越来越高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种结构合理、紧凑，使用方便可靠，能提高功率端子的抗击热应力和外部安装引力，提高功率端子的整体牢固性，提高功率端子以及信号端子和绝缘基板连接的可靠性，减小整体模块体积，增加模块集成度，提高模块易用性的大电流集成水冷的高可靠水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块，包括绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分、绝缘基板DBC、功率端子、信号端子、铝线、塑料外壳、硅凝胶、热敏电阻、水冷铝基板、导向柱、滚花螺母；所述的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分和功率端子通过超声波焊接，并通过软铅焊将所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分和功率端子焊接在绝缘基板DBC的导电铜层上；所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分的各芯片之间、绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分的各芯片与绝缘基板DBC2相应的导电层之间均通过铝线键合进行电气连接；塑料外壳和水冷铝基板通过密封胶粘接；所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分、绝缘基板DBC、功率端子、信号端子、铝线以及热敏电阻上面均覆盖有用于提高各原件之间耐压的绝缘硅凝胶。
作为优选：所述的功率端子及信号端子采用纯铜或者铜合金材料，表层裸铜或者电镀金、镍或锡中的可焊接金属材料之一；
所述的塑料外壳采用PPA、PPS或尼龙这些耐高温、绝缘性能良好的塑料制成；
所述的铝线采用纯铝或铝合金材料，通过超声波方式被键合连接于绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分和绝缘基板DBC；
所述的水冷铝基板内部为空腔带鳍片结构，两端分别有散热介质进出口，散热介质为水、乙二醇等，在保证两个进出水口拥有定额压强差的情况下保持基板内散热介质流动，带走模块多余热量；通过控制散热介质流动速率在一定范围内控制基板散热能力。
作为优选：所述的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分和绝缘基板DBC通过焊接方式连接，所述的绝缘基板DBC和水冷铝基板通过焊接方式连接，绝缘基板DBC和热敏电阻也通过焊接方式连接，所述三种种焊接方式均采用Snpb、SnAg,、SnAgCu、PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；所述功率端子布置于模块的两边，并分布于模块的两条注塑边上。
作为优选：所述的绝缘基板DBC与功率端子和信号端子分别通过超声波或者焊接方式连接，并通过铝线键合来进行电气连接；所述的功率端子和信号端子以及导向柱和滚花螺帽局部被注塑外壳注塑包裹。
本发明通过注塑外壳局部注塑包裹功率端子，提高功率端子抗击热应力和外部安装引力，提高功率端子整体牢固性；通过功率端子和绝缘基板DBC直接超声波焊接的方法，消除传统工艺端子焊接的疲劳缺陷，提高功率端子以及信号端子和绝缘基板DBC连接的可靠性；通过绝缘基板DBC回流焊接在带有空腔结构，空腔内部为波浪型鳍片的水冷铝基板上，减小整体模块体积，增加模块集成度，提高模块易用性。
附图说明
图1为本发明所述高可靠水冷功率模块电路结构示意图。
图2为本发明所述高可靠水冷功率模块示意图。
图3为本发明所述高可靠水冷功率模块局部放大示意图。
图4为本发明所述高可靠水冷功率模块水冷基板内部流道示意图。
图5为本发明所述高可靠水冷功率模块整体布局示意图。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。图1-5所示，所述的一种水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块，包括绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分3、绝缘基板DBC2、功率端子5、信号端子7、铝线6、塑料外壳8、硅凝胶4、热敏电阻9、水冷铝基板1、导向柱10、滚花螺母11；所述的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分3和功率端子5通过超声波焊接，并通过软铅焊将所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分3和功率端子5焊接在绝缘基板DBC2的导电铜层上；所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分3的各芯片之间、绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分3的各芯片与绝缘基板DBC2相应的导电层之间均通过铝线6键合进行电气连接；塑料外壳8和水冷铝基板1通过密封胶粘接；所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分3、绝缘基板DBC2、功率端子5、信号端子7、铝线8以及热敏电阻9上面均覆盖有用于提高各原件之间耐压的绝缘硅凝胶4；新型高可靠功率模块形成如图1所示的电路结构。
本发明所述的功率端子5及信号端子7采用纯铜或者铜合金材料，表层裸铜或者电镀金、镍或锡中的可焊接金属材料之一；
所述的塑料外壳8采用PPA、PPS或尼龙这些耐高温、绝缘性能良好的塑料制成；
所述的铝线6采用纯铝或铝合金材料，通过超声波方式被键合连接于绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分3和绝缘基板DBC2；
所述的水冷铝基板3内部为空腔带鳍片结构，两端分别有散热介质进出口，散热介质为水、乙二醇等。在保证两个进出水口拥有定额压强差的情况下保持基板内散热介质流动，带走模块多余热量。通过控制散热介质流动速率在一定范围内控制基板散热能力。
图中所示，所述的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分3和绝缘基板DBC2通过焊接方式连接，所述的绝缘基板DBC2和水冷铝基板1通过焊接方式连接，绝缘基板DBC2和热敏电阻9也通过焊接方式连接，所述三种种焊接方式均采用Snpb、SnAg,、SnAgCu、PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；所述功率端子布置于模块的两边，并分布于模块的两条注塑边上。
本发明所述的绝缘基板DBC2与功率端子5和信号端子7分别通过超声波或者焊接方式连接，并通过铝线6键合来进行电气连接；所述的功率端子5和信号端子7以及导向柱10和滚花螺帽11局部被注塑外壳8注塑包裹。
本发明采用注塑外壳8局部注塑包裹功率端子5，提高功率端子5抗击热应力和外部安装引力，提高功率端子5整体牢固性。通过功率端子5和绝缘基板DBC直接超声波焊接的方法，消除传统工艺端子焊接的疲劳缺陷，提高功率端子5以及信号端子7和绝缘基板DBC连接的可靠性。通过绝缘基板DBC回流焊接在带有空腔结构，空腔内部为波浪型鳍片的水冷铝基板上，减小整体模块体积，增加模块集成度，提高模块易用性，制造高可靠水冷绝缘栅双极型晶体管模块。

Claims (4)

1.一种水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块，包括绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分（3）、绝缘基板DBC（2）、功率端子（5）、信号端子（7）、铝线（6）、塑料外壳（8）、硅凝胶（4）、热敏电阻（9）、水冷铝基板（1）、导向柱（10）、滚花螺母（11）；其特征在于所述的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分（3）和功率端子（5）通过超声波焊接，并通过软铅焊将所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分（3）和功率端子（5）焊接在绝缘基板DBC（2）的导电铜层上；所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分（3）的各芯片之间、绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分（3）的各芯片与绝缘基板DBC（2）相应的导电层之间均通过铝线（6）键合进行电气连接；塑料外壳（8）和水冷铝基板（1）通过密封胶粘接；所述绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分（3）、绝缘基板DBC（2）、功率端子（5）、信号端子（7）、铝线（8）以及热敏电阻（9）上面均覆盖有用于提高各原件之间耐压的绝缘硅凝胶（4）。
2.根据权利要求1所述的水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块，其特征在于所述的功率端子（5）及信号端子（7）采用纯铜或者铜合金材料，表层裸铜或者电镀金、镍或锡中的可焊接金属材料之一；
所述的塑料外壳（8）采用PPA、PPS或尼龙这些耐高温、绝缘性能良好的塑料制成；
所述的铝线（6）采用纯铝或铝合金材料，通过超声波方式被键合连接于绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分（3）和绝缘基板DBC（2）；
所述的水冷铝基板（3）内部为空腔带鳍片结构，两端分别有散热介质进出口，散热介质为水、乙二醇。
3.根据权利要求1或2所述的水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块，其特征在于所述的绝缘栅双极型晶体管以及二极管的芯片部分（3）和绝缘基板DBC2通过焊接方式连接，所述的绝缘基板DBC（2）和水冷铝基板（1）通过焊接方式连接，绝缘基板DBC（2）和热敏电阻（9）也通过焊接方式连接，所述三种种焊接方式均采用Snpb、SnAg,、SnAgCu、PbSnAg中含Sn焊接材料之一，焊接最高温度控制在100—400℃之间；所述功率端子布置于模块的两边，并分布于模块的两条注塑边上。
4.根据权利要求3所述的水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块，其特征在于所述的绝缘基板DBC（2）与功率端子（5）和信号端子（7）分别通过超声波或者焊接方式连接，并通过铝线（6）键合来进行电气连接；所述的功率端子（5）和信号端子（7）以及导向柱（10）和滚花螺帽（11）局部被注塑外壳（8）注塑包裹。
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