CN107507808A - 一种新型igbt模块封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型IGBT模块封装结构，包括外壳、底板、散热基板、端子、芯片结构、Pin针、信号端子、G极键合铝线、铜线；所述外壳，内部设置上述部件；所述底板，设置在所述外壳的底部并贯穿所述外壳，顶部设置所述散热基板；所述散热基板，设置在所述底板的上部，其上侧设置所述端子、所述芯片结构、所述Pin针；所述G极键合铝线，连接所述散热基板和所述芯片结构；所述信号端子，通过支架设置在所述底部的上部；所述铜线，两侧分别连接所述信号端子和所述Pin针。本发明的芯片结构的温度能及时有效的得到控制，继而保护了模块，提高了模块的散热能力、可靠性和使用寿命，提高了成品率，避免出现焊接不良的现象，提高了封装效率。

Description

一种新型IGBT模块封装结构
技术领域
本发明涉及半导体功率器件封装技术领域，具体为一种高可靠性的新型IGBT模块封装结构。
背景技术
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种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的低导通压降两方面的优点。IGBT封装模块是将多个IGBT集成封装在一起，IGBT以提高IGBT模块的使用寿命和可靠性,体积更小、效率更高、可靠性更高是市场对IGBT模块的需求趋势。
传统工艺的IGBT封装模块，从图1可以看出，IGBT、FWD等芯片直接焊接到DBC上，并在信号端子和DBC上焊接一根铜线，这种封装结构在市场上非常流行，但具有缺点和安装困难。首先，DBC的导热能力有限，芯片产生热量时，并不能及时通过DBC传递到底板与散热器上，造成芯片温度过高，继而造成模块失效；然后，铜线直径小，焊接时对铜线的定位处理比较困难，会极易出现脱焊、虚焊等现象，导致焊接不良，是造成良率低的重要原因；接着，由于此铜线需要焊接在DBC上，手工焊接极难实现，需要和端子一样在焊接炉里进行焊接，若出现脱焊、虚焊现象需要返工时，需要再次进炉焊接，造成返工困难，且极可能再次出现焊接不良现象，造成封装效率低。
因此，本领域技术人员对该技术急需进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高可靠性的新型IGBT模块封装结构，具备高散热、高良率和高效率封装的优点，解决了封装模块低散热、低良率和封装效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型IGBT模块封装结构，包括外壳（1）、底板（2）、散热基板（3）、端子（7）、芯片结构、Pin针（6）、信号端子（10）、G极键合铝线（11）、铜线（12）；
所述外壳，内部设置上述部件；
所述底板，设置在所述外壳的底部并贯穿所述外壳，顶部设置所述散热基板；
所述散热基板，设置在所述底板的上部，其上侧设置所述端子、所述芯片结构、所述Pin针；
所述G极键合铝线，连接所述散热基板和所述芯片结构；
所述信号端子，通过支架设置在所述底部的上部；
所述铜线，两侧分别连接所述信号端子和所述Pin针。
优选地，所述芯片结构包括FWD模块（8）、IGBT模块（9）和铜片（5）；
所述铜片（5）设置多个，分别置于所述散热基板的上侧，其上侧分别安装所述FWD模块和所述IGBT模块。
优选地，所述铜片的面积大于所述FWD模块的面积，所述铜片的面积大于所述IGBT模块的面积。
优选地，所述信号端子于所述外壳内的位置设置穿线孔，
所述穿线孔的大小与所述铜线的横截面相适配。
优选地，所述Pin针呈“L” 形结构，其顶部设置U形孔，底部设置圆孔。
优选地，还包括散热器，所述散热器置于所述底板的下侧。
优选地，所述散热基板设有GE极的铝线键合区和Pin针焊接区；
所述GE极的铝线键合区和Pin针焊接区成对设置，设置为多对，且呈“U” 形设置。
优选地，所述散热基板为陶瓷散热基板。
优选地，所述陶瓷散热基板为DBC板。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过外壳、底板、散热基板、端子、芯片结构、Pin针、信号端子、G极键合铝线、铜线配合，在IGBT模块和FWD模块下方均焊接一个略大于芯片面积的铜片，当芯片产生热量时，先经过此特殊结构铜片，再传递到散热基板上，继而传递给底板和散热器，铜片的热传导率高于散热基板，其能快速吸收芯片所产生的热量，芯片温度能及时有效的得到控制，继而保护了模块，提高了模块的散热能力、可靠性和使用寿命，具有高扇热、高良率、高效率等优点，提高了成品率，避免出现焊接不良的现象，提高了封装效率。
附图说明
图1为本发明现有技术的结构示意图；
图2为本发明一种新型IGBT模块封装结构的结构示意图；
图3为本发明一种新型IGBT模块封装结构的IGBT模块安装示意图；
图4为本发明一种新型IGBT模块封装结构的Pin针结构图；
图5为本发明一种新型IGBT模块封装结构的DBC板布局设计图；
图6为本发明一种新型IGBT模块封装结构的用Pin针的IGBT模块内部结构平面图；
图7为本发明一种新型IGBT模块封装结构的用Pin针的IGBT模块内部结构图。
其中图中标注如下所示、
1：外壳、2：底板、3 ：DBC板、4：支架、5：铜片、6：Pin针、7：端子、8：FWD模块、9：IGBT模块、10：号端子、11：G极键合铝线、12：铜线、13：穿线孔、14：U形孔、15：圆孔、16：散热器、17：GE极的铝线键合区、18：Pin针焊接区。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
需要说明的是：
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。
DBC板是一种陶瓷散热基板，也就是陶瓷基覆铜板，是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝或氮化铝陶瓷基片表面上的工艺方法。DBC板具有优良电绝缘性能，高导热特性，优异的软钎焊性和高的附着强度，具有很大的载流能力。
PIN针是连接器中用来完成电（信号）的导电（传输）的一种金属物质。
FWD（Freewheeling diode）即续流二极管，FWD在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏，以并联的方式接到产生感应电动势的元件两端，并与其形成回路，使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗，从而起到保护电路中的元件不被损坏的作用。
请参阅图2~7，本发明提供的是一种新型IGBT模块封装结构，包括外壳（1）、底板（2）、散热基板（3）、端子（7）、芯片结构、Pin针（6）、信号端子（10）、G极键合铝线（11）、铜线（12）；
所述外壳，内部设置上述部件；
所述底板，设置在所述外壳的底部并贯穿所述外壳，顶部设置所述散热基板；
所述散热基板，设置在所述底板的上部，其上侧设置所述端子、所述芯片结构、所述Pin针；
所述G极键合铝线，连接所述散热基板和所述芯片结构；
所述信号端子，通过支架设置在所述底部的上部；
所述铜线，两侧分别连接所述信号端子和所述Pin针。
优选地，所述芯片结构包括FWD模块（8）、IGBT模块（9）和铜片（5）；
所述铜片（5）设置多个，分别置于所述散热基板的上侧，其上侧分别安装所述FWD模块和所述IGBT模块。
优选地，所述铜片的面积大于所述FWD模块的面积，所述铜片的面积大于所述IGBT模块的面积。
从图2可以看出，铜片和Pin针的安装，是一种高扇热、高良率、高效率的结构。
优选地，所述信号端子于所述外壳内的位置设置穿线孔，
所述穿线孔的大小与所述铜线的横截面相适配。
优选地，所述Pin针呈“L” 形结构，其顶部设置U形孔，底部设置圆孔。
优选地，还包括散热器，所述散热器置于所述底板的下侧。
从图3可以看出，在芯片，芯片包括IGBT模块和FWD模块（二极管芯片），芯片下方均焊接一个略大于IGBT模块和FWD模块面积的铜片，当IGBT模块和FWD模块产生热量时，先经过此特殊结构Cu片，再传递到DBC板上，继而传递给底板和散热器。
与传统的IGBT模块比较，传统的IGBT模块并不能及时将芯片上的热量吸收，当芯片的上的热量堆积而不能排出时，就造成芯片的失效，继而导致模块失效。
铜的热传导率高于DBC板，其能快速吸收芯片所产生的热量，芯片温度能及时有效的得到控制，继而保护了模块的，提高了各部件的扇热能力、可靠性和使用寿命。
优选地，所述散热基板设有GE极的铝线键合区和Pin针焊接区；
所述GE极的铝线键合区和Pin针焊接区成对设置，设置为多对，且呈“U” 形设置。
请查看图4，Pin针和DBC板的连接是采用锡膏焊接方式，Pin采用“L” 形设计，在Pin针的焊接面，焊接面也就是图4中下端的结构，其设计的圆孔加强了与DBC板的焊接牢固性；在Pin针顶部设计一个U形孔，一是有助于加强与铜线的焊接牢固性，二是有助于提高与铜线的焊接效率。
请查看图1、5和6，GE极的铝线键合区设置多个，Pin针焊接区设置多个， GE极的铝线键合区和Pin针焊接区一一对应设置，形成一个U形图案，在图中呈倒U形结构，中间有阻焊线隔开，这样不仅便于GE极的铝线键合，而且大大的提高了Pin针和DBC板的焊接良率。
本发明的DBC板设计的GE极铝线键合区域面积较小，在一定程度上减小了电路回路中的耦合、杂散的电感与电容，提高了模块的可靠性。
传统的IGBT模块封装工艺的GE极与信号端子的连接，是直接将一根直径约0.5mm的铜线焊接在DBC板上，由于DBC板扇热快，用手工焊的方式不能实现焊接；通常的做法是将铜线和端子一起进行回流焊接，那么固定一根直径约0.5mm的铜线难度大，增加了工艺的难度，影响封装效率。另外铜线和DBC板焊接的区域小，容易造成脱焊和虚焊，影响封装良率；当出现脱焊和虚焊时，若要返工，那么将再次进行回流焊，导致效率低，产量低。
采用Pin针后，不仅解决了定位难的问题，而且几乎不会出现Pin针脱焊和虚焊的现象，将Pin针焊接好之后，只需要采用手工焊接的方式将铜线焊与Pin针和信号端子上即可，且手工焊接的方式在返工工序上更易实现。这种新型结构提高了封装效率，封装良率，进而提高了产品产量。
优选地，所述散热基板为陶瓷散热基板。
优选地，所述陶瓷散热基板为DBC板。
本发明解决了现有技术中FWD模块和IGBT模块直接焊接在DBC板上，也解决了铜线直接焊接在信号端子上的问题。
可见，本发明通过外壳、底板、散热基板、端子、芯片结构、Pin针、信号端子、G极键合铝线、铜线配合，在IGBT模块和FWD模块下方均焊接一个略大于芯片面积的铜片，当芯片产生热量时，先经过此特殊结构铜片，再传递到散热基板上，继而传递给底板和散热器，铜片的热传导率高于散热基板，其能快速吸收芯片所产生的热量，芯片温度能及时有效的得到控制，继而保护了模块，提高了模块的散热能力、可靠性和使用寿命，具有高扇热、高良率、高效率等优点，提高了成品率，避免出现焊接不良的现象，提高了封装效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种新型IGBT模块封装结构，其特征在于，包括外壳（1）、底板（2）、散热基板（3）、端子（7）、芯片结构、Pin针（6）、信号端子（10）、G极键合铝线（11）、铜线（12）；
所述外壳，内部设置上述部件；
所述底板，设置在所述外壳的底部并贯穿所述外壳，顶部设置所述散热基板；
所述散热基板，设置在所述底板的上部，其上侧设置所述端子、所述芯片结构、所述Pin针；
所述G极键合铝线，连接所述散热基板和所述芯片结构；
所述信号端子，通过支架（4）设置在所述底部的上部；
所述铜线，两侧分别连接所述信号端子和所述Pin针。
2.根据权利要求1所述的新型IGBT模块封装结构，其特征在于，所述芯片结构包括FWD模块（8）、IGBT模块（9）和铜片（5）；
所述铜片（5）设置多个，分别置于所述散热基板的上侧，其上侧分别安装所述FWD模块和所述IGBT模块。
3.根据权利要求2所述的新型IGBT模块封装结构，其特征在于，所述铜片的面积大于所述FWD模块的面积，所述铜片的面积大于所述IGBT模块的面积。
4.根据权利要求1所述的新型IGBT模块封装结构，其特征在于，所述信号端子于所述外壳内的位置设置穿线孔（13），
所述穿线孔的大小与所述铜线的横截面相适配。
5.根据权利要求1所述的新型IGBT模块封装结构，其特征在于，所述Pin针呈“L”形结构，其顶部设置U形孔（14），底部设置圆孔（15）。
6.根据权利要求1所述的新型IGBT模块封装结构，其特征在于，还包括散热器（16），所述散热器置于所述底板的下侧。
7.根据权利要求1所述的新型IGBT模块封装结构，其特征在于，所述散热基板设有GE极的铝线键合区（17）和Pin针焊接区（18）；
所述GE极的铝线键合区和Pin针焊接区成对设置，设置为多对，且呈“U” 形设置。
8.根据权利要求1所述的新型IGBT模块封装结构，其特征在于，所述散热基板为陶瓷散热基板。
9.根据权利要求8所述的新型IGBT模块封装结构，其特征在于，所述陶瓷散热基板为DBC板。
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